시험도로 계측시스템을 이용한 포장거동 및 공용성 데이터베이스 구축과 활용에 관한 연구, 2007 : (Response and Performance of Pavement using Korea Expressway Corporation Testroad)

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A test road program was officially launched in 1997. Since then, in-depth reviews on planning and operation of test road were carried out for five years. the Korea Expressway Corporation test road constructed in 2002 was considered as the first full scale testing facility in Asia, Base on hands-on experience with pavement section design, measurement system design, and sensor installation, a five-year test road research project was conducted from 2003 to 2007. During this period, various types of field tests were performed to characterize the structural response of highway pavement, and to carry out a preliminary study for the prediction of long-term performance of pavements. The contents of this study are closely connected to a Ministry of Construction and Transportation (MOCT) project entitled "Development of Korean Pavement Design Guide and Study of Pavement Performance Improvement Method." Incorporated in the design guide, response models and performance prediction models are going to be developed based on test road data. Among over 1900 sensors and probes installed at various test road sections, about 95% of them were still found working properly after one year of service. As of now, the survivability rate is maintaining about 70%. There are two measuring systems at the test road: automatic and manual. The automatic measurement system includes pavement and air temperatures and water content in unbound layers. the manual measurement system is developed for pavement structural reponses due to traffic load and climatic changes. The high speed weigh-In-motion (WIM) system measures traffic information passing the test road and a weather station mounted at the roof of office building collects real-time weather information. The rest road was officially opened to traffic in March 2004 immediately after the second initial measurements. The two series of periodic field tests were performed from August 2004. The fist series of field test took 4 weeks and was carried out 12 different tests including a roll-over test, Falling Weight Deflectometer (FWD) test, and field condition survey, etc. as the second set of test, 8 tests were performed for 4 weeks. As in 2005, two sets of in-situ measurements have been preformed to account for the seasonal effects on pavement performance: one from April to May; and the other from July to August. Of 5 test items, the moving load considered as a key test for asphalt pavements has been applied to 10 asphalt sections, as static load tests are carried out for the evaluation of load transfer capacity in concrete pavements. In order for test road to be an effective means for pavement researches, three research topics are selected for different pavement types: 1) cracking behavior in continuously reinforced concrete pavement, 2) development of joint behavior model at joint reinforced concrete pavement, and 3) analysis on top-down cracking and viscoelastic behavior of asphalt concrete pavements. The objectives of test road operation in 2006 are basically twofold: 1) organizing the test road database for the purpose of a public dissemination scheduled at the end of 2007; and 2) rehabilitating and replacing a current WIM system, which currently shows lots of instabilities in data collection and transfer procedures. In addition, the freezing index at the test road was calculated to investigate actual freezing depth and to verify the effectiveness of anti-freezing layer. Test road research in 2007 primarily consists of long-term evaluation of pavement performance, pavement maintenance, and traffic control. An new research will be started from 2008 to continuously perform pavement researches at test road.

국문 초록 (Abstract)

1997년에 계획이 시작되어 2002년에 준공된 한국도로공사의 시험도로는 아시아 최초의 도로포장 관련 실물시험시설이다. 시험도로의 준공과 더불어 단면 설계, 계측시스템 설계, 계측기 매설 방법 등에서 축적된 경험을 바탕으로 2단계 5차년도 과제가 2003년부터 2007년까지 진행되었다. 이 기간 동안 초기계측을 포함한 정기적인 계측을 실시하여 다양한 형태의 데이터베이스를 구성하고, 포장의 장기 공용성 예측을 위한 초기연구를 수행하였다. 본 연구는 건설교통부 국책과제인 "한국형 포장설계법 개발 및 포장 성능 개선방안 연구"와 연계하여 시험도로 계측자료를 이용한 포장 응답 모형의 개발과 공용성 예측 모형의 검증을 실시하고 있다. 시험도로에 매설된 1900여 개의 계측기는 시공 후 약 1년이 경과한 시점에서 95% 이상의 높은 생존율을 보였으며, 2007년 현재 70%이상의 생존율을 유지하고 있다. 계측시스템은 크게 온도 및 함수량에 대한 24시간 계측이 가능한 자동계측시스템과 교통하중 및 환경하중에 대한 거동을 측정할 수 있는 수동계측시스템으로 구성되었다. 자동계측시스템의 경우, 계측시스템 구축을 위한 보정작업과 더불어 각 단면에서 데이터 획득이 2003년 3월부터 시작되었다. 시험도로를 통과하는 모든 교통하중에 대하여 누적교통량을 산정할 수 있는 고속축중계시스템(WIM)과 시험도로 주변의 기상정보를 실시간으로 획득하고 있는 기상관측시스템이 설치되어 운영되고 있다. 2003년에 초기계측을 완료한 후 2004년 3월 시험도로의 정식 개통을 수행하였으며, 2004년 8월부터 2차례에 걸친 정기계측을 수행하였다. 2004년도 1차 정기계측에서는 동적재하시험 등 12개 항목의 시험이 약 4주에 걸쳐서 수행되었으며, 같은 해에 수행된 2차 정기계측에서는 8개 항목에 대하여 시험이 수행되었다. 2005년에는 두 차례에 걸쳐 포장의 거동에 미치는 환경영향에 대한 시험을 실시하였다. 총 5가지 시험 중 아스팔트 단면에서는 이동하중시험 중점적으로 실시하고, 콘크리트 단면에는 정하중시험을 실시하여 하중전달능력을 평가하였다. 도로포장과 관련된 연구에서 시험도로가 효과적으로 활용되도록 하기 위하여 3가지 포장 형식별로 다음과 같은 주제를 선정하여 연구를 실시하였다. 1)연속철근 콘크리트 포장의 균열 및 슬래브 거동 분석, 2)줄눈 콘크리트 포장에서의 줄눈거동모형의 제시, 3)아스팔트 포장의 Top-down 균열의 분석과 점탄소성거동예측, 2006년의 시험도로 연구는 지금까지 정기계측으로 축적한 데이터베이스의 정리와 교통하중의 정량화를 위한 WIM 시스템의 개선을 중점 목표로 하고 있다. 특히 새로운 WIM 시스템의 차량별, 차속별 분류기의 동절기 포장 하부의 온, 습도 자료 및 지지력 변화에 대한 분석을 통해서 동상방지층의 유효성을 검토하고 그 개선방안을 마련하였다. 2007년도의 시험도로 연구에서는 기존의 정기계측으로 충분한 자료를 수집하였다고 판단하고 포장의 장기 거동의 예측을 위한 공용성 분석, 노후 포장에 대한 유지보수, 교통전환업무 등을 주로 수행하였다. 아울러, 2008년부터 시행되는 3단계 5차년도 연구의 효율적인 수행을 위한 방향제시를 하고 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론
• 1.1 시험도로의 건설
• 1.2 시험도로연구
• 1.2.1 연구내용
• 1.3 각 년도별 연구범위와 수행내용(선택년도)
• 1.3.1 2004년도
• 1.3.2 2005년도
• 1.3.3 2006년도
• 1.3.4 2007년도
• 제2장 전년도 주요연구내용
• 2.1 2003년도 연구내용
• 2.1.1 시험도로 개요
• 2.1.2 시험도로 건설
• 2.1.3 자동계측시스템
• 2.1.4 수동계측시스템
• 2.1.5 초기계측
• 2.1.6 초기계측 데이터의 분석
• 2.1.7 정기계측을 위한 교통전환방안
• 2.2 2004년도 연구내용
• 2.2.1 초기계측 및 정기계측
• 2.2.2 계측 데이터 해석 및 검증
• 2.2.3 함수량계 보정 연구
• 2.2.4 동상방지층 유효성 검토를 위한 초기연구
• 2.2.5 포설시기에 따른 균열발생 패턴 분석
• 2.2.6 초기시공상태에 따른 줄눈 콘크리트포장의 거동 분석
• 2.3 2005년도 연구내용
• 2.3.1 정기계측
• 2.3.2 시험도로 포장구간 공용성 조사
• 2.3.3 연속 철근 콘크리트 포장의 균열 거동 분석
• 2.3.4 아스팔트 포장의 Top-down 균열
• 2.3.5 콘크리트 포장의 줄눈거동 분석
• 2.3.6 줄눈 콘크리트포장 다웰바 상태 조사
• 2.3.7 아스팔트 포장의 원더링 영향 분석
• 2.3.8 유한요소해석을 통한 계측 결과 검증
• 2.4 2006년도 연구내용
• 2.4.1 정기계측
• 2.4.2 포장 공용성 조사
• 2.4.3 콘크리트 습도 측정법 개발
• 2.4.4 아스팔트 포장의 TDC 예측 모형 개발
• 2.4.5 과적차량에 대한 콘크리트 포장 거동 분석
• 2.4.6 차량하중에 의한 아스팔트 포장의 수직압 분석
• 2.4.7 고속축중계 시스템 보완
• 제3장 정기계측 및 콘크리트포장 물성 정량화
• 3.1 정기계측 준비작업
• 3.1.1 재하차량 제원 및 하중정보
• 3.1.2 계측기 이상유무 파악
• 3.1.3 시험도로 포장 육안조사
• 3.2 시험도로 포장거동 자료획득
• 3.2.1 하중재하에 따른 포장거동 자료획득
• 3.2.2 포장공용성 자료획득
• 3.3 획득된 원시데이터의 정리
• 3.3.1 동적차량재하시험
• 3.3.2 FWD충격하중 재하시험
• 3.4 콘크리트포장 물성 정량화
• 3.4.1 콘크리트포장 단면별 현장 코어시료 채취
• 3.4.2 콘크리트포장 단면별 물성 시험
• 3.4.3 물성시험 결과
• 제4장 시험도로 포장의 공용성
• 4.1 일반
• 4.2 2005년도 포장의 공용성 조사
• 4.2.1 아스팔트 포장 소성변형 측정
• 4.3 2006년도 포장의 공용성 조사
• 4.3.1 중점 조사 항목
• 4.4 시험도로 아스팔트 포장의 공용성 변화 분석
• 4.4.1 시험도로 아스팔트 혼합물의 물성
• 4.4.2 공용성 변화
• 4.4.3 공용성 변화 분석결과(2004년~2006년)
• 4.4.4 고속도로 평가 상태 지수(HPCI)의 변화
• 4.4.5 기층 재료의 변화에 따른 소성변형의 영향 분석
• 4.5 결론 및 추가 연구 방향
• 제5장 콘크리트 습도측정법 개발 및 연속철근콘크리트포장 거동분석
• 5.1 콘크리트 시편 습도변화 측정
• 5.1.1 경화 전 센서 장착
• 5.1.2 경화 후 센서 장착
• 5.2 시험도로 콘크리트 포장 습도변화 측정
• 5.2.1 본선 구간 습도 측정
• 5.2.2 계측소 구간 습도 측정
• 5.3 신설 콘크리트포장 습도변화 측정
• 5.3.1 경화 전 매설
• 5.3.2 경화 후 매설
• 5.4 균열분석 및 구조해석
• 5.4.1 횡방향 균열 분석
• 5.4.2 구조해석을 통한 균열 분석
• 5.5 소결
• 5.5.1 콘크리트 포장 습도 측정
• 5.5.2 CRCP 균열 거동 구조해석
• 제6장 아스팔트 포장의 Top-down 균열
• 6.1 아스팔트 포장의 균열
• 6.2 연성 포장 재료의 점탄성 특성
• 6.3 아스팔트 콘크리트 포장의 균열 진전 개론
• 6.3.1 전통적인 피로 접근법
• 6.3.2 일반적인 파괴 공학적 접근방법
• 6.3.3 점탄성 특성과 연속 파손 접근 방법
• 6.3.4 근사적인 균열 모델에 대한 이해
• 6.4 현장 포장에서의 거동 계측
• 6.4.1 현장 시험 위치
• 6.4.2 아스팔트 콘크리트 포장 거동 계측 결과 및 분석
• 6.5 아스팔트 콘크리트 포장 거동의 예측 결과 및 분석
• 6.5.1 3차원 유한요소해석 모형
• 6.5.2 차량의 원더링의 영향
• 6.5.3 차량의 이동속도의 영향
• 6.6 Top-down 균열 예측
• 6.6.1 균열 선단에서의 응력 해석
• 6.6.2 균열의 진전 방향
• 6.6.3 균열 진전 모형
• 6.7 하행진전균열 연구에 대한 결론
• 제7장 시험도로 포장 거동 분석
• 7.1 콘크리트포장 거동 분석
• 7.1.1 WIM 계측 결과를 통한 과적하중 분석
• 7.1.2 과적 빈도가 높은 차종에 대한 영향 분석
• 7.1.3 대표 과적차량에 대한 콘크리트 포장 거동 분석
• 7.1.4 모서리부 콘크리트포장 해석
• 7.1.5 소결
• 7.2 아스팔트포장 동적 재하시험 계측 결과 분석
• 7.2.1 아스팔트포장 토압계 분석 개요
• 7.2.2 아스팔트포장 하부의 일반적인 토압분포
• 7.2.3 토압계 분석단면
• 7.2.4 시험에 적용된 차량제원
• 7.2.5 차량하중 재하방법과 토압계 구분
• 7.2.6 토압계 계측결과
• 7.2.7 유한요소해석을 통한 토압의 예측
• 7.2.8 결론
• 7.3 아스팔트포장 동적 재하시험 변형률계 분석
• 7.3.1 아스팔트포장 변형률계 분석 개요
• 7.3.2 변형률계 분석단면 및 계측기 매설위치
• 7.3.3 하중재하 조건 및 계측기 구분
• 7.3.4 변형률계 계측결과
• 7.3.5 변형률계 분석결과
• 7.3.6 유한요소해석을 통한 변형률 예측
• 7.3.7 소결
• 제8장 고속 축중계 시스템
• 8.1 고속 축중계 시스템 개선
• 8.1.1 하드웨어 및 소프트웨어 개선
• 8.1.2 차종 분류체계 변경
• 8.2 차종분류 시스템의 개선작업
• 8.2.1 기존 시스템의 차종분류
• 8.2.2 신규 차종 분류시스템
• 8.3 원더링 센서(Wandering Sensor) 개선
• 8.3.1 Wandering Sensor 구성도
• 8.3.2 Wandering System 개선사항
• 8.3.5 원더링 센서 파형분석
• 8.3.6 성능시험
• 8.3.7 실제 주행차량에 대한 데이터 출력
• 8.4 고속 축중계 시스템 최종 성능 시험
• 8.4.1 3축 덤프 차량 재하시험
• 8.4.2 4축 덤프 차량 재하시험
• 8.4.3 5축 카고 차량 재하시험
• 제9장 결론
• 9.1 콘크리트 포장의 습도 측정
• 9.2 연속 철근 콘크리트 포장(CRCP) 분야
• 9.3 불연속 콘크리트 포장 분야
• 9.4 아스팔트 포장 분야
• 9.4.1 동적하중 재하시험을 통한 현장 거동 특성
• 9.4.2 차량의 이동속도에 따른 포장의 거동 특성
• 9.4.3 Top-down 균열의 진전 모델
• 9.5 원더링 측정 시스템