2016. 7. 22 배재대학교 임 유 진ww2.mynewsletter.co.kr/kobf/201608/img/pdf.pdf ·...

한국블록협회 제 3 차 워크샵

2016. 7. 22

배재대학교

임 유 진

4

6

7

3

2,5 %

1 2

5

블록포장과 하부구조 개 요

블록포장과 하부구조

일반 블록포장 단면구성도

• 콘크리트 블록표층+ 조인트 채움재

• 베딩재

• 기층(비처리쇄석/ATB/CTB)

• 쇄석보조기층

• 기타 연석 구조물, 지오텍스타일 등

4

억물림작용(Interlocking)


충분한 두께


가요성 포장거동

하부구조에 미치는 하중분산과 전달

소성침하에 영향을 줌

완전 억물림 결합

완전 억물림 결합시 교통하중/교통량에 무관 하게 완전 균형 상태에 이름

완전 균형 조건

F e

ball

5



블록포장 거동에 미치는 영향요소 (Shackel, 2003)

흙재료 (soil like material)

흙재료의 특성

6

노상

보조기층

TB/쇄석기층

subgrade

base

축중

base

`

차량하중에 의한 블록포장 반응

h

BLOCKS


7

노상 파괴기준

아스팔트 포장 파괴기준 준용 – 블록과의 연동한 거동 ?

수직변형률 산정 (v)

설계기준 (AI ?)

CTB 파괴기준

린층 파괴기준 준용 – 블록과의 연동한 거동 ?

횡방향변형률 산정 (h,r)

설계기준 (AASHTO ?)

블록포장 설계기준 영구변형

블록 억물림 설계/시공기준 ??=f(채움재 특성, 채움재 틈간격, 입도, 마찰각, 입형)

8



블록포장 하부구조 설계기준 수립 요구항목

사용자 측면

• 쾌적한 승차감의 유지

• 주행안정성 확보/미적설계에 따른 만족감

• 유지보수의 최소화에 따른 사용자 부담비용 축소

운용자 측면

• 블록포장 공용수명의 연장

• 블록포장/기존도로부/구조물 접속부의 수명연장

• 유지보수 비용의 최소화

쾌적한 포장주행 안정성 확보

경제적 유지 보수/운용 &

블록포장 하부구조의 품질 수준을 높일 수 있는 통합적 설계기준 및 시공기준 개발 요구됨

9


장기적 역학적-경험적 블록설계법의 도입 필요성

10

하부구조설계/시공기준의 문제점

설계기준 부재

블록시공품질관리 위주의 단순설계 및 시공

블록포장 표층설계를 위한 보조

하부물성에 대한 비고려

교통량의 증가, 고속화/중량화

블록포장의 지속적 파손

블록층 설치후 노상, (보조)기층의 역학적 특성변화

(응력, 변형)

하부구조 경험설계/시공의 한계

블록포장구조의 발전 - 구조적 능력 및 해석의 필요성 대

두

교통하중 – 반복, 동적하중

설계-시공-유지관리 일관

다양한 영향을 고려

하부구조의 특성을 반영


블록포장 설계조건 및 순서

구조해석

배수/수리해석

11

노상의 요구조건

블록포장두께에 가장 큰 영향

설계조건

노상의 지지강성

블록포장설계 기본 개념 ICPI

블록포장과 하부구조 지지강성 개 요

상부구조 요구조건

하부구조 요구조건

강도 강성

함수특성

가장핵심적 12

블록포장 하부구조 설계기준 검토 개 요

블록포장설계 기본 개념 ICPI??

사양설계시 궤도 탄성침하량 기반 설계관점

탄성침하량 기반 블록포장설계

• 사양기반 설계 개념 : 기준 다짐강성(E) 만족 가정

• 허용탄성침하량 e = ??mm/탄성변형률(v) ? 탄성침하시 허용압력 = ?? kPa

• 다짐강성 대비 만약 변형계수/함수비가 변한다면 ? 추가소성(영구)변형 발생

노상의 강성(E)변화를 반영할 수 있는 블록포장설계

• 성능중심설계시 다양한 영향요소 반영 필요구조해석의 필요성

• 강성의 변화를 초래하는 영향계수 E=f(재료특성, 함수비, 응력수준, 변형률수준, 층구조 등)

• 노반의 변형 및 잔류침하에 대한 사전 검토 및 대처가 가능하도록 하는 방향

Ktotal=f(Ei)

13

residualresilienttotal

사양설계/시공기준의 문제점

스페인의 사례(Spanish Institute of Cement and Its Application) 외

블록포장 설계시 설계기준 및 시공품질관리용 : 변형계수(Ev2) 및 CBR

블록포장 표층설계를 위한 입력값 : 노상토품질/교통량/CBP두께

설계와 시공을 동일한 판정지수(Ev2) 활용


블록포장설계 기본 개념

노상 흙분류 군CBR & 변형계수(Ev2)

노상흙 재료 분류군 획정 필요

설계/시공품질관리 지수(예: Ev2) 설정 필요모든 블록포장구조에 동일하게 적용? 14


블록포장설계 기본 개념 UK

노상지지강성 CBR 기반 블록포장설계 노상의 요구조건 : CBR=5%

기층결정조건 : E & t

15

영구변형 고려 없음

16

통일분류(USCS)에 따른 노상 강성 (ICPI) AASHTO 군분류에 따른 노상 강성 (ICPI)

1ksi=6.94 MPa

노상의 요구조건 블록포장두께에 가장 큰 영향

E E

ICPI 설계조건



쇄석기층 CBR=80% 보조기층 CBR=30%

쇄석층의 요구조건( ICPI) 블록포장 기층두께 결정

노상 흙의 분류

노상의 강성(E) 노상 CBR

예상교통량(EALs)

블록포장 기층두께 결정

환경조건(동상)/배수조건


17


쇄석기층 CBR=80% 보조기층 CBR=30%

쇄석층의 요구조건( ICPI) 블록포장 기층두께 결정

블록포장 ATB두께 결정 블록포장 CTB두께 결정


18


블록포장 하부구조 영구변형의 문제점

각 하부층 (노상 등)에서 영구변형 발생

초기 토공다짐시/방치기간

교통개방후/교통량 증가시

배수불량시/동상피해시

개 요

영구변형의 문제점

이동차량의 승차감저하

주행안정성 훼손

유지보수비용 발생

보수공사로 인한 교통차단의 문제

영구변형 발생단계별/발생원별 분류

어디서 얼마나 발생하나?

발생총량은 얼마인가?

언제/언제까지 발생하나?

19

하부구조재료의 변형과 강성 관계

반복재하시 노반재료의 응력-변형률 관계

회복변형(Resilient strain) – 현재 강성 평가기준과만 관계됨

영구변형(Permanent strain) – 잔류침하 발생원인설계기준 부재 : 어떻게?

허용압(allow)/변형률에 대한 설계기준 부재

예) 독일-회복변형(Ev2)과의 상관성에 기초

블록포장 하부구조 영구변형 발생원인 고찰

회복변형과 영구변형

N

Evz

log.

.

반복재하에 따라 계속 누증

개 요

20

블록포장 하부구조 영구변형 발생원인 고찰 개 요

노상침하의 문제점

노상침하하부층침하블록이완 및 전위억물림 효과 저감 하중분산/저감효과 저하노상침하 촉진

완전억물림 균형의 깨짐 21

영구변형 영향요소

응 력 응력수준, 주응력 회전, 응력이력

하 중 윤중(P), 반복재하횟수(N), 시간(재하시간/하중주파수/속도)

함 수 함수비, 투수계수, 포화도, 간극수압/흡수력

재 료 흙의 종류, 입형, 입도, 세립분 함유량, 최대 입자크기, 밀도, 온도

입상재료(Unbound material)의 영구변형 응력수준 – 가장 많은 영향인자

축차응력 , 구속응력 영구변형량 증가

반복재하회수(N)의 증가 누적영구변형률의 증가

함수비의 증가 영구변형 증가와 직접상관


궤도하부구조 층재료의 영구변형 특성

개 요

22

재하시 하부구조층의 강도/지지강성 부족으로 인한 변형발생

강성감소의 영향요소 다양


블록포장의 재하중과 영구변형 발생 상관성

개 요

반복적인 차륜하중으로 인한 영구변형 발생 반복재하중교통량 (N)

설계반영 요소 고려사항

하부구조 다짐도와 강성의 상관성 ?

하부구조 다짐도와 강도의 상관성 ?

환경요소(함수비/배수) 반영 방법?

23

영구변형의 급증 원인 분석-


다짐탄성계수의 부정확

하구구조 입상층은 선형-등방-탄성 재료로 가정

탄성계수 = 차량축하중에 의한 응력 수준 조건을 만족(?)

기본가정

흙노반은 비선형-비등방-탄소성 거동

탄성계수 = 차량 축하중에 의한 응력 수준 조건을 만족(?)

다짐도확인시 탄성계수(다짐도)와 포장설계 탄성계수(Ks=f(Ev2)?)의 불일치

실제현장

개 요

24

공용중 거동특성 분석 하부재료의 미소변형 거동특성 파악 (Gmax)에 주력

블록포장 하부구조 변형률 수준(, ) 및 응력 수준() 파악 부족

쇄석입상재료/노상 재료의 응력~변형률 기반 비선형 거동특성 (G) 파악 부족

)(fG

change in t

Existing structure

deep

excavation

change in

earth pressure

Existing structure

Machine

Machine foundation

(a)(b)

(e)

(d)

Tunnel

(c) Train Dynamic Load

P

V


블록포장의 재하중과 변형특성

개 요

26

응력~변형률 변형거동 특성 (stress-strain)

재하시험에 의한 변형거동 특성(Load-Settlement)

P

settlement

RPBT/LWD

qks

q

Pre

ssure

, q

Deformation,

Ks=하중∼침하관계 선형거동가정 ≠f(응력, 변형률 수준)

흙의 대표적인 응력-변형률 관계

)(fG

전단탄성계수(G) – 대수변형률(log γ) 관계

G=응력~변형률관계 비선형거동 =f(응력, 변형률 수준)

A

Pq

입상재료의 변형특성 하부구조특성

차량하중에 의한 포장하부지반 흙요소에 작용하는 응력의 발생상태

Blocks

Base

Sub-Base

Subgrade

Stress Distribution

Vertical Stress Under wheel

27

재하조건 변화

환경조건 변화

함수비 변화

• 건습반복 : 증발산/동결해빙

• 함수비 변화에 따른 탄성계수의 증감

온도/기후 변화

응력조건 변화

응력회전

• 기후변화함수비 변화 유도

Subgrade Soil

Tutumluer(2005)

입상재료의 변형특성 하부구조특성

28

영구변형의 급증 원인 분석-

입상재료의 변형특성

함수비(w)의 변화

)(log opts

optR

R SSkM

M

함수비 변화에 따른 회복탄성계수 변화 (Witczak, 2000) 탄성계수의 급격한 저하 경험 노상이 경험하는 전단변형률 수준과 상관성 조사 필요

임유진 외(2014)

하부구조특성

29

블록포장 하부구조 변형특성을 고려한 개선방안 개선방안

BS 7533:1992 'Guide for Structural Design of Pavements Constructed with Clay or Concrete Block Pavers’

노상 CBR 지하수위고려

영구변형 저감 방안-capping layer

30

영구변형 저감 방안- 블록형상/두께


Herringbone 형태- 영구변형 저감 최적

차도블록포장 등 교통량 많은 곳

차도블록 포함 항만 야적장 포장 등 중차량 교행장소

31

32

CTB/ATB 설계의 핵심

침하 및 균열 발생원인

추적·분석

상태평가 기법 도입

설계물성정량화

설계기준값 설정 : CBR, Ev2, Evd, E etc

하부지반 강성평가 장비 및 시스템 부재

현장다짐관리 기준

현장들밀도 사용 지양: 최대다짐도(DOC)

객관적, 효율적 현장 상태평가 기술 필요

노상의 지지력/강성지지강성

블록포장의 이질적인 재료구성/거동

반복 하중에 의한 점진적 침하·변형 발생

vs 사양(다짐도) 중심의 포장설계

침하 발생 원인/메카니즘에 대한 공학적

분석 필요

블록포장 하부구조 설계

포장 각층 상태평가~침하상관 관계 분석기술 필요성

상태평가 시험법도입/FWD LFWD~ 침하추정모델

입상재료

체계적인 상태평가 및

유지관리

함수/배수특성 고려


하부 구조 설계 고려사항

• 블록 포장설계에서 요구되는 하부구조 물성치

구분 하부구조 재료 설계 입력물성치 종류

환경영향 요소 관련 입도 등 기본물성, 함수(동상)특성

포장 거동 해석관련 탄성(변형)계수, 포아송비

포장 손상예측 관련 강성/강도특성, 블록직하부 마찰, 억물림, 배수특성

33

블록포장 하부구조와 영구변형을 고려한 설계 개선방안

: 축차응력 : 체적응력

:배수도 :배수시간

블록포장 하부구조 설계 고려사항

포장하부 배수설계

함수비 예측 모형

응력조건 결정 모형

하부구조 변형계수 모형

현장다짐관리 기준값

하부구조 영구변형 모델 수립

1

2

3

4

5

6

vE

E

U T

:함수비

d

: 변형계수

: 지지강성

: 영구 변형량

34

블록포장 하부구조와 영구변형을 고려한 설계 개선방안

영구변형 예측 효과

변형예측을 통한 정확한 포장구조설계

주행안정성 확보

영구침하/손상으로 인한 추가 유지보수비용 절감

영구변형 해석 모델 수립과 해석체계 정립

블록포장 하부구조의 영구변형을 고려한 설계방안 개선방향

b

p NA : 영구변형률 N : 반복재하횟수 A, b : 모델계수

p

하부구조 영구변형 예측모델 개발

예측모델 개발을 위한 시험법 수립

국내 대표노상/입상 재료에 대한 시험

E

R

NcBN

p EeeA

D

f

영구변형 예측모델 수립

입상재료시험 모델계수 획득

(임유진 외, 2014)

35

Internal εa

Local εa

External εa



탄성계수 예측모델 수립

공진주시험

반복삼축시험

)(log opts

optR

R SSkM

M

실험을 통한 모델수립/모델 파라미터 추출 영구변형 예측모델 수립

b

p NA

36



영구변형량 설계로직 개발 및 설계절차 반영

입상재료/노상/원지반에서의 영구변형 발생

초기 토공다짐시/방치기간

블록포설시

교통개방후

유지보수단계

발생단계 및 발생원별 영구침하 산정로직 개발 필요

p-t1

p-t2

p-t3

p-t4

p-1+ p-2 + …

p-t-total

37

응력() 항이 있는 예측식 개발의 원칙

각 층별(발생원별) 응력조건 () 은 구조해석에서 획득

하부구조 입력물성(E) 획득 시의 응력조건과 동일한 방법

실물현장 재하시험 실시침하량 측정

반복재하회수는 발생단계별 및 공용 교통량 반영

p = A dB C ND

영구변형모델을 개발한다면 ?

구조해석을 하자!

실험을 하자!

교통량을 고려 하자!

시공순서를 고려 하자!


설계차트

침하량 측정

구조해석 침하예측모델

재하시험

설계 침하량

38


침하량에 기초한 설계차트 CSIR, Schackel (South Africa)

비처리쇄석입상기층 채택시 처리입상기층(CTB) 채택시 러팅기반 탄성변형기반

39

블록포장 하부구조의 영구변형을 고려한 설계방안 연구개발을 한다면?

개선방향

40

하부강성평가를 위한 장비 개발/도입

운용시스템 개발

운용매뉴얼 개발

콘크리트 블록포장 침하 측정법

콘크리트 블록포장 침하관리 기준 수립

시험시스템 운용 매뉴얼 개발

블록포장 하부상태평가 시스템 개발 블록포장 침하 측정법 개발

블록차로포장의 쾌적성/주행 안정성 증대

경제적 블록포장 운용/유지 보수 가능

+

국내 여건에 적합한 콘크리트 블록포장 결함

및 상태평가 측정 시스템 개발

최종

목표

- PBT k - RPBT Ev - LWD (LWDT/LFWD) Ev(d)

- DCPT PI - Humbolt Compaction Tester(SGC)E - 현장들밀도 % of max

특성 및 장단점 비교 기존 다짐품질 시험방법

- 장시간 소요/대중적 인지도 - 현 철도분야 궤도하부 다짐기준 - 동적 충격재하시험/단시간 - 콘 관입시험/입경의 제한 - 동적 진동시험 - 종래 다짐시험

다짐도=E와 직접연관 실내시험에 의한 다짐도 ~변형계수상관성 수립 필요

하부구조 평가시험법의 한계 현장시험법

42

SUBGRADE

SUBBASE

BASE

BLOCKS(Pavers)

Borehole

H

V

Z

P

qks

q

Pre

ssure

, q

Deformation,

E=f(w, fr, N, , )

반복평판재하시험(RPBT, Repetitive Plate Bearing Test)-Ev2

• 고속철도 토공 품질관리 방법 (사례) :

반복평판재하시험(RPBT) : 1차 재하 단계에서 구한 변형률계수 Ev1과 2차 재하단계에서의 변

형률계수 Ev2 및 Ev1에 대한 Ev2의 비 Ev2/Ev1을 품질관리기준으로 사용

• 현재 국내 고속철도에서 적용하고 있는 반복평판재하시험은 독일 DIN 18 134 규정을 준용

zrEv

5.1

rs

PE

2

1 2

2r

Pp

s

prvE

2

1 2

재하시 평균 재하압력을 하중(p)~침하() 그래프 상에서 구함

정적평판재하시험 재하공식 사용 반무한 균질/등방의 탄성체로 가정 : 탄성론 사용 탄성계수 계산다층일 경우 적용에 한계가 있으며 다층에 적합한 해석방법 개발 필요

Timoshenko’s Eq

=0.212 & r=0.15m로 가정시

현장 상태평가 방법 기술개발현황

43

다짐품질 시험법의 현황과 문제점 및 개선 필요성

하부구조 시험법: K30, DOC (국내) vs. CBR/반복평판재하시험 Ev2값(유럽)

철도분야의 경우 지반반력계수(k30) 사용(과거) Ev2 활용(현재)Evd활용 기준 개발중

현 행

하부구조의

다짐/설계기준

개발방향

현 행

다짐/설계 기준

문제점

현장 실측 변형계수와 실내 공진주시험에 의한 응력~변형률 결과와 비교, 분석, 평가

변형계수(Evd /Ev2)~탄성계수(G, E) 상관성 분석

유한요소해석을 실시하여 재하판 직하부에 발생하는 변형률의 크기 비교, 분석

지지력개념에 기초한 변형계수(K/ Ev2 ) 응력~변형률 관계에 기초한 변형계수

아님

현장재하 시험은 변형률의 크기와 응력수준을 반영 못함/장비의 반입/재하시간

다짐품질 시험방법 현장평가시험

44


45

FWD(Falling Weight Deflectometer)를 이용한 블록포장 하부구조 강성평가

도로포장구조해석용 FWD 장비

낙하 추를 이용하여 포장 상단에 충격하중 재하

지오폰(Geophone) array로 측정된 표면파를 역해석 후 궤도노반 층별강성(Ei) 및

층 두께(ti) 역산, 추정/강성 열화정도 파악

중후장대/이동의 불편함/고가/운용전문가 필요 How about LFWD?

FWD를 이용한 블록포장 강성평가

동적 충격재하시험(LWDT)의 특징

동적 충격재하시험 다짐 마무리면에서 실시 하부 다짐강성(Stiffness) 추출 하부재료완전 탄성체로 가정 하부재료의 다짐정도에 따라 충격시 접지압 크기 다름 정재하시험 시의 탄성계수 추출공식을 그대로 원용


46

(1) 손잡이

(2) 추걸쇠

(3) 추의 이동공간

(4) 추 부분의 걸쇠

(5) 낙하추(10kg)

(6) 잠금핀

(7) 강철스프링

(8) 충격재하판

(9) 충격감지볼

(10) 밑판손잡이

(11) 하중 재하판

(12) 컨트롤 박스 연결선

(13) 아답터 플레이트

동평판재하시험(LWDT, Light Weight Deflectometer Tester)

•시험장비의 구성

•재하판 :

-직경 D=300mm

-두께 t=20mm

-무게 15kgf

•낙하중량 : 10kg

•Guide rod 중량 : 5kg

•측정장치 :

-측정레인지 8~100Hz

-변위량진폭 0.2~1.0mm

-정밀도 0.02mm

•시험장비의 특징

• 낙하추의 일정 낙하고 자유낙하

- 충격시 내장된 가속도계를 이용하여 재하판의 최대 침하량 측정

정재하 시험시 변형률계수 Ev 산정식을 동재하시험에도 유효하다고 가정관성 및 속도 무시

zrEv

5.1


47

동평판재하시험(LWDT, Light Weight Deflectometer Tester)- Evd

일정 중량(m)의 낙하추를 자유낙하(h)시켜

충격재하

재하판에서의 모멘텀 평형방정식을 수립

평판에 미치는 평균충격압(p=100 kPa)과

내장된 가속도계를 이용하여 측정된 침하량(z)

을 고려하여 변형계수 Evd 산정

구동원리

hgz

20

)()( 000

zzczzkgmzm FF

Fm

zzczzkgz

)()( 000

)()()()( 000

zgmzzczzktF F

2

00

)()()(

r

zgm

A

tFt F

pl

2

0

0

)()()(

r

zmmzgmt

stplF


48


zrEv

5.1

][

5.22]/[

max

2

mmzmMNEvd

정적 평판재하시험 재하공식 사용 반무한 탄성체로 가정 : 탄성론 사용 탄성계수 계산

rs

PE

2

1 2

2r

Pp

s

prvE

2

1 2

정적 탄성계수 계산식 포아송비 =0.212로 동일한 값 적용 흙종류/포화도 및 다짐도에 따른 포아송비 동적 충격시 평균 충격압 p= 100 kPa로 가정 충격압 p는 흙종류 및 상태에 따라 변함

Plate 반경 r=0.15m일 때 최대 침하(zmax)에 의해 E 계산


49


• 재하판을 시험위치에 수평으로 설치함

• 낙하추(Drop Weight)를 가이드로드 상부에 있

는 Latching Device에 부착

• 재하판의 안정을 위해 본 실험전에 낙하추(Drop

weight)를 3회 낙하

• 가이드 로드를 수직으로 세운다

• 낙하추(Drop weight)를 낙하

• 리바운드 되는 낙하추 (Drop Weight)를 잡아서

Latching Device에 부착

• 3회 측정에 대한 평균 침하량과 동적변형계수를

구함

현장시험방법


50

흙분류군 별 최소 변형계수 확정필요(Evd, Ev2)

독일사례

Ev2=120 MPa 이상에서 는 상관성 조사 부족

다짐품질 시험결과의 상관도 기술개발현황

51

MR

Axial Strain εa

Blocks

Base

Sub-Base

Subgrade

Stress Distribution Vertical Stress Under wheel

MR

1 d

a

차도블록포장 - 탄성계수(ER) 모형 필요한가? 기술개발현황

비처리쇄석입상층 채택시 처리입상층(CTB) 채택시

러팅기반 탄성변형기반

52

사양설계 성능설계

영구변형 모델 E=f(xi)

탄성침하량 기준: Ev 기준값 이상

하부구조 E변화 포함 구조해석

하부구조 E변화 불포함 구조해석 ?

설계기준과 시공기준은 단순하게 !

구조해석과 실험은 철저히!

감사합니다

임유진 배재대학교 건설환경철도공학과 [email protected]

Thank you !

Dreams come true !

2016. 7. 22 배재대학교 임 유 진ww2.mynewsletter.co.kr/kobf/201608/img/pdf.pdf ·...

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