GPR을 이용한 도로하부 탐사기술

백종은,최재순 한국도로학회 2014 한국도로학회지 Vol.16 No.3

일반국도 현장조사 모니터링을 통한 장수명 아스팔트 덧씌우기포장의 공용성 분석

백종은,임재규,권수안,권병윤 한국도로학회 2015 한국도로학회논문집 Vol.17 No.3

PURPOSES: Performance evaluation of four types of asphalt concrete overlays for deteriorated national highways. METHODS : Pavement distress surveys for crack rate and rut depth have been conducted annually using an automated pavement survey vehicle since 2007. Linear and non-linear performance prediction models of the asphalt concrete overlays were developed for 43 sections. The service life of the asphalt overlays was defined as the number of years after which a crack rate of 30% or rut depth of 15mm is observed. RESULTS: The service life of the asphalt overlays was estimated as 17.4 years on an average. In 90.7% of the sections, the service life of the overlays was 15 years or more which is 1.5 times the life of conventional asphalt concrete overlays used in national highways. The performance of the overlays was dependent on the type of asphalt mixture, traffic volume levels, and environmental conditions. CONCLUSIONS : The usage of stone mastic asphalt (SMA) and polymer-modified asphalt (PMA) for the overlays provided good resistance to cracking and rutting development. It is recommended that appropriate asphalt concrete overlays must be applied depending on the type of existing pavement distress.

일반국도 포장관리시스템을 이용한 장수명 아스팔트 포장의 공용성능 평가

백종은,권병윤,권수안,도명식,임재규 한국도로학회 2014 한국도로학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.9

일반국도의 연장 및 공용기간의 증가로 포장상태가 불량한 구간이 증가하고 이로 인한 유지보수비용이 급 격하고 있다. 제한된 예산으로 일반국도를 효율적으로 관리하기 위하여 포장관리시스템(PMS, Pavement Management System)이 1980년대 말 도입된 이후 현재 한국건설기술연구원에서 국토교통부로부터 위임을 받아 운영 중에 있다. 일반국도 PMS에는 다양한 종류의 유지보수 공법이 적용되고 있다. 1990년대 국내 아 스팔트 포장에서는 소성변형이 급격하게 증가하여 이를 억제하기 위하여 개질 아스팔트를 이용한 장수명 포 장 공법이 1990년대 중반부터 도입되기 시작하였다. 대표적인 장수명 아스팔트 포장 공법으로는 개질아스 팔트 포장(PMA, Polymer Modified Asphalt)과 SMA(Stone Mastic Asphalt)이 있다. 하지만 이러한 장수 명 포장은 일반 아스팔트 포장에 비하여 높은 단가와 현장 공용성 검증 부족으로 일반국도에 활발하게 적용 되고 있지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 일반국도 PMS 데이터베이스를 바탕으로 장수명 아 스팔트 포장의 공용성능을 평가하였다. 일반국도 PMS는 포장상태를 균열률과 소성변형량을 적용하고 있으므로 공용수명을 결정하는 공용성능 인자로 균열률과 소성변형량을 적용하였다. 그림 1은 내유동성 아스팔트 덧씌우기 포장 구간에서 공용기 간에 따른 균열률과 소성변형량의 변화를 나타낸다. 공용수명은 임계 균열률(15%)과 소성변형량(10mm) 을 기준으로 결정하였다. 마지막으로 다양한 조건에 적용된 장수명 아스팔트 포장의 공용수명 영향을 미 치는 인자, 예를 들어 교통량, 환산교통량, 기온 등에 대한 통계분석을 실시하였다. 장수명 아스팔트 포장 의 객관적인 공용성능을 평가하기 위하여 동일한 조건에서 적용된 일반 아스팔트 포장의 공용수명과의 비, 공용성능비를 제안하였다.

지표투과레이더와 적외선카메라를 이용한 아스팔트 포장 시공 관리 방법

백종은,박희문,유평준,임재규,Baek, Jongeun,Park, Hee Mun,Yoo, Pyung Jun,Im, Jae Kyu 한국도로학회 2015 한국도로학회논문집 Vol.17 No.6

PURPOSES : The objective of this study is to propose a quality control and quality assurance method for use during asphalt pavement construction using non-destructive methods, such as ground penetrating radar (GPR) and an infrared (IR) camera. METHODS : A 1.0 GHz air-coupled GPR system was used to measure the thickness and in situ density of asphalt concrete overlay during the placement and compaction of the asphalt layer in two test construction sections. The in situ density of the asphalt layer was estimated based on the dielectric constant of the asphalt concrete, which was measured as the ratio of the amplitude of the surface reflection of the asphalt mat to that of a metal plate. In addition, an IR camera was used to monitor the surface temperature of the asphalt mat to ensure its uniformity, for both conventional asphalt concrete and fiber-reinforced asphalt (FRA) concrete. RESULTS : From the GPR test, the measured in situ air void of the asphalt concrete overlay gradually decreased from 12.6% at placement to 8.1% after five roller passes for conventional asphalt concrete, and from 10.7% to 5.9% for the FRA concrete. The thickness of the asphalt concrete overlay was reduced from 7.0 cm to 6.0 cm for the conventional material, and from 9.2 cm to 6.4 cm for the FRA concrete. From the IR camera measurements, the temperature differences in the asphalt mat ranged from $10^{\circ}C$ to $30^{\circ}C$ in the two test sections. CONCLUSIONS : During asphalt concrete construction, GPR and IR tests can be applicable for monitoring the changes in in situ density, thickness, and temperature differences of the overlay, which are the most important factors for quality control. For easier and more reliable quality control of asphalt overlay construction, it is better to use the thickness measurement from the GPR.

확장형 공통중간점법 기반 지표투과레이더를 이용한 콘크리트 교량 바닥판 열화 상태 평가

백종은,이현종,오광진,엄병식 한국구조물진단유지관리공학회 2012 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.16 No.6

본 연구에서는 콘크리트 교량 바닥판의 열화를 비파괴시험인 지표투과레이더(GPR)를 이용하여 평가하는 방법을 개발하였다. 콘크리트 교량 바닥판의 유전 상수를 계산하기 위하여 비접촉식 GPR 안테나를 이용하여 2층 구조체에 적용할 수 있는 확장형 공통중간점 방법을 개발하였다. 콘크리트 교량 바닥판의 열화 깊이와 열화 상태는 콘크리트 교량 바닥판의 유전 상수와 표면대비 평균 유전상수비를 이용하여 평가하였다. 제안된 방법을 검증하기 위하여 GPR 현장 시험을 공용수명이 오래된 콘크리트 교량에서 실시하였다. 시험 결과 새로 제안된 방법을 이용하여 추정된 두께와 열화 깊이가 어느 정도 신뢰성을 가지는 것으로 나타났다. This study proposed a new non-destructive evaluation method for concrete bridge deck deterioration using ground penetrating radar (GPR). To calculate dielectric constant of the concrete bridge deck, an extended common mid-point (XCMP) method was developed for a two-layered structure using an air-coupled GPR antenna setup. The deterioration conditions of the concrete bridge deck such as deterioration depth was evaluated based on the dielectric constant and surface-to-average dielectric constant ratio of the concrete bridge deck. A GPR field test was conducted on an old concrete bridge with asphalt concrete surfacing to validate the new evaluation method. The test results showed that the newly proposed method estimated pavement thickness and deterioration depth of the concrete deck in a reasonable level.

Finite Element Analysis for Fracture Resistance of Fiber-reinforced Asphalt Concrete

백종은,유평준 한국도로학회 2015 한국도로학회논문집 Vol.17 No.3

PURPOSES : In this study, a fracture-based finite element (FE) model is proposed to evaluate the fracture behavior of fiber-reinforced asphalt (FRA) concrete under various interface conditions. METHODS: A fracture-based FE model was developed to simulate a double-edge notched tension (DENT) test. A cohesive zone model (CZM) and linear viscoelastic model were implemented to model the fracture behavior and viscous behavior of the FRA concrete, respectively. Three models were developed to characterize the behavior of interfacial bonding between the fiber reinforcement and surrounding materials. In the first model, the fracture property of the asphalt concrete was modified to study the effect of fiber reinforcement. In the second model, spring elements were used to simulated the fiber reinforcement. In the third method, bar and spring elements, based on a nonlinear bond-slip model, were used to simulate the fiber reinforcement and interfacial bonding conditions. The performance of the FRA in resisting crack development under various interfacial conditions was evaluated. RESULTS : The elastic modulus of the fibers was not sensitive to the behavior of the FRA in the DENT test before crack initiation. After crack development, the fracture resistance of the FRA was found to have enhanced considerably as the elastic modulus of the fibers increased from 450 MPa to 900 MPa. When the adhesion between the fibers and asphalt concrete was sufficiently high, the fiber reinforcement was effective. It means that the interfacial bonding conditions affect the fracture resistance of the FRA significantly. CONCLUSIONS: The bar/spring element models were more effective in representing the local behavior of the fibers and interfacial bonding than the fracture energy approach. The reinforcement effect is more significant after crack initiation, as the fibers can be pulled out sufficiently. Both the elastic modulus of the fiber reinforcement and the interfacial bonding were significant in controlling crack development in the FRA.

Q&A : 지반공학적 문제에 대한 답을 드립니다.

백종은 한국지반공학회 2013 지반 : 한국지반공학회지 Vol.29 No.5

GPR 시험으로부터 측정한 포장두께가 아스팔트 포장의 역산탄성계수의 신뢰성에 미치는 영향 분석

백종은,이태훈,박영한,김명일,권수안 한국도로학회 2013 한국도로학회 학술대회 발표논문 초록집 Vol.2013 No.09

도로포장의 구조적 상태를 평가하기 위하여 FWD(Falling weight deflectometer) 시험이 널리 사용되고 있다. FWD 시험은 자유낙하 하는 추에 의하여 포장표면에 발생하는 처짐량을 측정하는 것으로, 이 표 면처짐량으로부터 포장체 각 층의 탄성계수를 역해석하여 추정한다. 역해석시 포장체의 두께는 코어채취를 통하여 측정한 실측값을 사용하거나 설계값을 사용한다. 실제 도로에서 포장체의 두께는 시공상태, 보수이력 등 다양한 원인에 따라 설계 두께와 상이하고, 두께 측정을 위해 코어를 매번 채취하는 것도 현실적으로 거의 불가능하다. 따라서 역해석시 정확한 포장층 두께를 고려하기가 어려운 실정이다. 이러한 부정확한 포장층 두께로 인하여 역산된 탄성계수의 신뢰성이 저하되고, 포장체 구조해석 및 공용수명 예측에 큰 오류가 발생할 수 있다. 포장체의 층두께를 현장에서 빠르고 정확하게 측정하기 위하여 지표투과레이더 (Ground penetrating radar, GPR)가 사용되고 있다. GPR 시험은 지표면으로 송출된 전자기파가 반사, 회절, 산란된 후 돌아오는 시간과 형상을 기초하여 층구조 및 매설물의 위치 등을 탐지할 수 있는 비파괴 시험이다. 본 연구에서는 최근 건설기술연구원의 일반국도 포장관리시스템(Pavement management system, PMS)에 도입된 접촉식(Ground-coupled) GPR을 이용하여 아스팔트 포장의 층두께를 측정하는 방법을 소개하고, 정확한 층두께가 역산된 포장체의 탄성계수의 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다. 조사의 효율성과 공간적 데이터의 신뢰성을 향상시키기 위하여 접촉식 GPR 안테나를 기존 FWD 장비 하부에 설치하였다. 그림 1은 GPR 시험으로 측정한 데이터로 한 지점에서의 시간이력 데이터(A-scan)와 거리 에 따라 연속적으로 나타낸 데이터(B-scan)를 나타낸다. 그림 1b에 나타난 바와 같이 포장층의 두께가 거리에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 이러한 실제 층두께를 역해석에 고려하여 추정된 탄성계수와 가정된 층두께를 고려한 탄성계수를 비교하여 신뢰성 분석을 하였다.

동적유한요소해석에 의한 FWD 시험의 모델링

백종은,최준성,김수일 한국도로학회 2000 한국도로학회 학술대회 발표논문 초록집 Vol.2000 No.11

지표투과레이더를 이용한 도로 함몰 현장 조사

백종은,김부일,홍재청,박희문 한국도로학회 2014 한국도로학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.9

공용중인 도로 상태를 조사 및 평가하기 위하여 다양한 종류의 비파괴시험 장비가 활용되고 있다. 이 중 에서 충격하중에 의한 표면처짐량을 측정하는 FWD(Falling Weight Deflectometer)는 포장 하부의 지지 력 평가를 위하여 널리 사용되고 있다. 하지만 표면처짐 또는 지지력만으로 복잡한 포장 하부의 상태를 정 확하게 평가하기에는 한계가 있다. 특히 최근 들어 사회적으로 큰 이슈가 되고 있는 도로함몰(일명 싱크 홀)은 일반적으로 도로하부에 발생한 공동으로 인하여 상부 포장층이 연쇄적으로 함몰되는 현상이다. 도로 함몰은 전조현상 없이 갑작스럽게 발생되기 때문에 이를 사전에 발견하기는 어려운 실정이다. 따라서 이를 사전에 예방하고, 발생 후 올바른 보수를 하기 위해서는 도로 하부에 존재할 수 있는 공동 여부를 비롯한 도로 하부 상태에 대한 철저한 조사가 우선되어야 한다. 석회암지대 또는 광산지대에서 주로 발생하는 대 규모의 싱크홀의 경우 전기비저항, 단층촬영 등과 같은 조사를 통하여 공동에 대한 조사가 가능하다. 하지 만 도로의 경우 조사 연장이 길고 교통통제가 어렵기 때문에 정적인 시험 보다는 이동하면서 조사할 수행 할 수 있는 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)가 보다 현실적으로 가능성이 높다. 본 연구에서는 두 가지 종류의 GPR을 이용하여 도로함몰이 발생한 현장에 대한 도로 하부 조사 결과를 비교 평가하였다. 조사에는 500MHz 접촉식 GPR과 1000MHz 비접촉식 GPR이 각각 사용되었다. GPR 조사는 도로함몰이 발생된 후 응급보수로 되메움 공사가 완료된 후에 추가적인 공동 여부를 확인하기 위 하여 실시하였다. 그림 1은 1000MHz 비접촉식 GPR 시험 장비와 조사 결과를 나타낸다. 도로함몰이 발 생한 구간의 경우 40~50cm 깊이까지 단면 교란이 발생하였나, 되메움 구간에 추가 공동이 발견되지는 않아 시공은 양호하게 이루어진 것으로 나타났다. 함몰 주변 도로 하부의 경우 60~70cm 깊이에서 체류 수가 존재하는 것으로 나타났다. 본 구간의 경우 도로 하부에 매설된 하수관이 일부 막히고 노후화로 인 한 파손으로 누수가 발생하여 세립분이 빠져나가 공동이 발생된 것으로 추정되었다. GPR 조사 결과 주변 에 추가적인 공동 또는 도로함몰 위험은 없는 것으로 나타났다. 따라서 되메움 후 덧씌우기를 실시하고, 주기적인 현장 점검을 통하여 추가적인 함몰 발생 조짐을 감시하는 것이 바람직하다고 판단된다.