동상방지층 두께산정

1. 개정 배경

현 도로포장설계에 사용하는 동결지수는 1980년 당시 건설부 도로조사단에서 30년간 관측한 자료를 토대로 전국동결지수선도를 발표하여 도로포장 설계․시공지침에 반영된 기준을 적용하고 있다.

그러나, 상기 동결지수선도는 작성된 지 20년이 지나, 이에 최근 30년간 기후조건을 토대로 전국동결지수선도를 재작성하여 도로포장 설계․시공지침에 반영하였다. 최근의 변화된 기후조건을 감안할 때 10년 정도의 주기로 동결지수선도를 검토하여 개정여부를 결정해야 할 것이다.

 

2. 개정 내용

동결지수는 포장내의 동결관입깊이를 산정하기 위한 대표적 척도로서, 포장구조와 노상토를 동결시키는 대기온도의 강도와 지속기간의 누가영향으로 표시된다. 동결지수의 단위는 ℃․일이며, 그림 1과 같이 어느 동결 계절동안의 누가 온도․일에 대한 시간곡선상의 최고점과 최저점의 차이로 나타난다. 동결지수의 산정은 대상지역의 인근측후소에서 관측한 일평균대기온도의 크기와 지속기간에 대한 30년 기록을 토대로 한다.

도로포장의 동결심도를 결정하는데 사용하는 값을 설계동결지수라고 하는데 설계동결지수의 산정은 대상 지역의 인근 측후소에서 관측한 30년간의 기상자료에서 추위가 가장 심하였던 3년간(즉, 동결지수의 최대 3년치)의 평균동결지수로 정한다. 만일 30년간의 기상자료가 없으면 최근 10년간의 최대동결지수를 설계동결지수로 산정할 수 있다.

동결지수는 측후소 위치에서 관측한 값을 토대로 한 것이므로, 설계노선의 표고에 대한 보정은 식(1)을 이용하여 계산한다.

그림 1. 동결지수 결정방법

 

식(1)

 

이와 같이 산출된 수정동결지수를 동결심도 산정모델에 적용하여 해당지역의 설계 동결깊이를 결정하게 된다.

동결지수는 1970년부터 2001년까지 30여년간 전국 66개소의 기상측후소에서 관측된 기상자료를 토대로 결정하였으며, 그림 1과 같이 동결지수와 동결기간을 분석하여 전국동결지수선도를 제시하였다. 지역별 동결지수 산정결과는 표 1과 같으며, 1980년 당시 전국도로조사단에서 발표한 전국동결지수와의 비교한 결과 평균적으로 1.7℃․일이 증가되었고, 동결기간은 2일이 증가되었다.

동결지수 분석결과, 그림 2와 같이 1990년대부터 동결지수가 감소하는 현상이 나타났으나 이는 10년정도 기간내에 1990년대부터 기후가 상승하여 나타나는 현상으로 30년 기후조건을 대상으로 동결지수를 산출할 때는 동결지수가 개정전보다 오히려 약간 크게 나타났으며, 동결지수가 증가하는 지역은 32개 지역이고, 감소하는 지역은 24개 지역으로 나타났다. 특히, 동결지수가 50℃․일 이상 증가하는 지역은 11개 지역(대관령, 춘천, 충주, 순천, 임실, 제천, 홍천, 인제, 이천, 양평, 강화)으로 나타났다.

개정된 전국의 지역별 동결지수선도는 그림 3과 같다.

 

 

그림 2. 동결지수 분석 예

표 1. 지역별 동결지수 및 동결기간

 

역	측후소 지반고(m)	동결지수 (℃․일)	동결기간 (일)	지 역	측후소 지반고(m)	동결지수 (℃․일)	동결기간 (일)
속초	17.6	181.6	66	합천	32.1	193.0	62
대관령	842.0	873.8	127	거창	224.9	278.2	74
춘천	74.0	539.0	92	영천	91.3	237.8	64
강릉	26.0	167.2	57	구미	45.5	278.1	76
서울	85.5	380.9	80	의성	73.0	425.2	78
인천	68.9	354.7	78	영덕	40.5	138.8	57
원주	149.8	613.0	94	문경	172.1	279.4	55
울릉도	221.1	129.3	32	영주	208.0	417.8	77
수원	36.9	468.4	79	성산포	17.5	-	-
충주	69.4	528.4	89	고흥	60.0	83.5	49
서산	26.4	313.2	76	해남	22.1	102.6	49
울진	49.5	121.6	57	장흥	43.0	130.1	52
청주	59.0	411.6	78	순천	74.0	179.9	64
대전	67.2	317.7	68	남원	89.6	272.4	67
추풍령	245.9	303.9	78	정읍	40.5	223.9	61
포항	2.5	98.5	52	임실	244.0	420.3	86
군산	26.3	194.9	61	부안	7.0	244.7	61
대구	57.8	160.9	54	금산	170.7	372.5	77
전주	51.2	233.5	61	부여	16.0	330.0	74
울산	31.5	83.6	46	보령	15.1	254.8	76
광주	73.9	141.4	55	천안	24.5	405.4	78
부산	69.2	49.6	27	보은	170.0	461.7	76
통영	25.0	37.4	27	제천	264.4	610.2	91
목포	36.5	75.6	33	홍천	141.0	635.4	98
여수	67.0	62.2	31	인제	199.7	614.5	91
완도	37.5	38.1	26	이천	68.5	511.0	89
제주	22.0	4.1	3	양평	49.0	619.7	91
남해	49.8	148.9	38	강화	46.4	486.2	89
거제	41.5	52.1	39	진주	21.5	132.8	51
산청	141.8	141.8	49	서귀포	51.9	-	-
밀양	12.5	180.2	62	철원	154.9	685.0	109

 

 

 

 

그림 3. 전국동결지수선도

 

설계동결지수를 구하기 위하여 표 2에서 표고 100m를 기준으로 하여 해당좌표의 동결지수를 제시하였으므로, 이 표에서 해당 지역의 동결지수를 간편하게 구할 수 있다.

 

 

 

표 2. 좌표별 전국동결지수

 

(단위 : ℃․일)

 

 

(radian)   동경(radian)		34			35					36
		0.40	0.63	0.83	0.02	0.22	0.41	0.61	0.80	0.03	0.23
126	0.4	77	99	94	120	151	184	213	228	240	264
	0.6	67	120	121	132	158	196	236	245	235	277
	0.8	61	123	138	141	160	208	247	256	256	316
127	0.0	75	126	144	157	184	232	261	257	286	343
	0.2	73	103	131	173	216	270	316	271	301	332
	0.4	65	75	105	165	215	273	324	315	326	335
	0.6	68	90	122	154	182	216	265	294	323	348
	0.8	73	115	151	152	153	153	220	264	289	318
128	0.0	68	106	133	142	150	159	210	244	257	250
	0.2	51	75	94	120	150	179	215	234	265	282
	0.4	33	46	52	97	141	178	200	214	271	322
	0.6	19	33	54	89	135	181	195	182	260	359
	0.8	-	25	45	75	121	179	195	198	264	347
129	0.0	-	13	28	46	84	130	160	188	236	286
	0.2	-	-	19	37	63	102	131	157	191	217
	0.4	-	-	-	25	46	69	93	111	125	150

 

주) 표고 100m 기준

 

 

 

표 2. 좌표별 전국동결지수(계속)

 

(단위 : ℃․일)

 

 

북위(radian)   동경(radian)		36			37					38
		0.42	0.62	0.81	0.01	0.20	0.43	0.63	0.82	0.02	0.21
126	0.4	294	320	342	366	384	414	478	515	527	538
	0.6	315	344	367	386	391	376	435	495	527	547
	0.8	353	379	405	423	429	397	412	479	532	561
127	0.0	374	404	440	462	486	441	421	498	557	587
	0.2	364	410	452	482	504	509	515	551	599	624
	0.4	352	419	466	497	518	580	591	593	620	636
	0.6	397	444	483	521	551	620	622	590	588	594
	0.8	383	426	480	544	576	611	617	580	567	563
128	0.0	298	333	424	517	566	593	600	588	575	535
	0.2	285	280	377	472	535	556	560	553	548	475
	0.4	337	339	372	428	476	504	504	477	423	350
	0.6	401	373	367	388	416	441	447	392	309	219
	0.8	385	359	342	342	350	357	357	275	220	179
129	0.0	308	302	290	281	276	243	214	154	144	137
	0.2	233	233	224	214	206	186	156	129	118	115
	0.4	162	163	155	143	143	132	116	102	94	94

 

주) 표고 100m 기준

 

 

 

3. 동상방지층두께 산출 계산 예

 

사례] 『안동에 설계노선의 최대표고가 150m인 도로를 건설하고자 한다. 동상방지층 두께를 구하시오.』 - 조건 : 포장단면(표층 5cm, 기층 20cm, 보조기층 30cm), 노상토의 함수비 w=15%, 보조기층의 함수비 w=7%, 보조기층 재료의 건조단위중량

 

3.1 도표를 이용한 계산법

 

(1) 동결지수

 

안동의 좌표는 북위 36。 33′, 동경 128。 43′이므로 이를 radian값으로 환산하면 북위 36.55, 동경 128.72가 된다. 표 2에서 해당좌표에 대한 동결지수를 보간법으로 구할 수 있으나 동결심도에 큰 영향을 미치지 않으므로 가장 가까운 좌표인 북위 36.62, 동경 128.8에서의 동결지수를 구하면 동결지수는 359℃․일이 구하여진다. 표고를 보정하기 위한 수정동결지수는 앞의 식 (1)로부터 구할 수 있다.

 

식(1)에서 동결기간은 가까운 측후소 3개소의 평균값 또는 가장 가까운 측후소의 동결기간을 사용하며, 이는 동결지수에 미치는 영향이 크지 않으므로 가장 가까운 측후소의 동결기간을 사용하는 것이다. 여기서는 가장 가까운 측후소인 영주의 동결기간이 표 1에서 77일이므로 수정동결지수는 다음과 같이 구한다.

 

 

(2) 동상방지층두께

 

상기에서 구한 동결지수가 378℃․일로 나왔으므로 미공병단에서 제시된 도표를 활용하기 위해서는 화씨의 동결지수로 변환해야 한다. 동결지수는 일평균기온과 임의의 기준온도와의 차이를 1일의 기간으로 곱한 값이며, 화씨로 표시된 동결지수를 구하기 위해서는 섭씨로 구한 동결지수에 1.8을 곱하면 된다. 그러므로 화씨로 표시된 동결지수로 변환하면 680℉․일을 구할 수 있다. 보조기층의 함수비는 7%, 건조단위중량이 2.16g/cm3이므로 그림 4에서 완전방지법에 의한 동결심도는 115cm로 산출된다. 노상동결관입허용법에 의한 동결심도는 그림 5의 도표를 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

 

 

 

 

여기서, c : 비동결성 재료 치환 최대깊이(cm)

 

a : 설계 동결관입깊이(cm)

 

p : 콘크리트포장의 슬래브두께 또는 아스팔트포장의 아스팔트 혼합물층 두께(cm)

 

 

 

 

 

 

r=2.1이므로 중차량 교통량이 많은 곳에서 r값은 2.0보다 큰 경우 2.0을 적용한다. 여기서, 중차량 통과지역은 대형차(화물차, 버스, 특수자동차)교통량이 1일 1방향 1,000대이상인 지역을 말한다. 그림 5의 도표에서 c=90cm의 연직선과 r=2.0선의 만나는 점의 좌측값인 비동결성 재료층의 두께 b=60cm를 얻을 수 있다. 동상방지층의 두께는 비동결성재료층의 두께 60cm에서 보조기층의 두께 30cm를 뺀 30cm이다. 따라서, 노상동결관입허용법에 의한 동결심도는 85cm (p+b=25+60)이다.

 

 

 

(a) 설계동결지수 800℉․일 이하의 경우

 

그림 4. 동결관입깊이와 설계동결지수 상관 도표(1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(b) 설계동결지수 800℉․일 이상의 경우

 

그림 4. 동결관입깊이와 설계동결지수 상관 도표(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(c) 설계동결지수 800℉․일 이상의 경우

 

그림 4. 동결관입깊이와 설계동결지수 상관 도표(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(d) 설계동결지수 800℉․일 이상의 경우

 

그림 4. 동결관입깊이와 설계동결지수 상관 도표(4)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 5. 노상동결관입허용법에 의한 설계비동결성 재료층 두께 결정 도표

 

 

 

3.2 간편계산법

 

미공병단에서 제시된 비동결성 재료층두께 결정도표를 활용하기 위해서는 섭씨의 동결지수를 화씨의 동결지수로 변환해야 한다. 표 3에서는 동결지수를 화씨로의 단위변환 없이 바로 사용할 수 있도록 하기 위해서 보조기층의 함수비와 건조단위중량이 7%, 2.16g/cm3일 때의 완전방지법에 의한 동결심도를 구하였다.

 

 

 

표 3. 완전방지법에 의한 동결심도

 

 

동결지수 (℃․일)	200	250	300	350	400	450	500	550	600
동결심도 (cm)	76	88	100	109	118	126	133	139	144
동결지수 (℃․일)	650	700	750	800	850	900	950	1000	1050
동결심도 (cm)	148	152	156	160	164	168	172	175	180

 

(보조기층 함수비 7%, 건조단위중량 2.16g/cm3)

 

 

 

노상동결관입허용법에 의한 동결심도를 간편하게 계산할 수 있도록 표 4에 제시하였다.

 

 

 

표 4. 노상동결관입허용법에 의한 동결심도

 

 

r(ws/wb)	동결심도, z(cm)
1.6	0.71a+0.29p
1.8	0.69a+0.31p
2.0	0.66a+0.34p
2.5	0.61a+0.39p
3.0	0.58a+0.42p

 

주) a : 완전방지법에 의한 동결심도(cm)

 

p : 콘크리트포장의 슬래브두께 또는 아스팔트포장의 아스팔트 혼합물층 두께(cm)

 

ws, wb : 노상, 보조기층의 함수비

 

r(ws/wb) : 중차량 통행지역은 2.0이하, 저교통량 통행지역은 3.0이하

 

 

 

앞의 문제를 간편 계산법으로 계산하면 378℃․일에 해당하는 완전방지법에 의한 동결심도는 표 3에서 다음과 같이 114.04cm로 계산되며, 소수점이하는 안전측으로 설계하기 위하여 절상을 하면 115cm로 구할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

노상동결관입허용법에 의한 동결심도는 표 4에서 r=2.0일 때 동결심도는 다음과 같이 구할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

따라서, 동결심도는 85cm로 구할 수 있다.

 

 

 

r=2.3일 경우에는 표 4에서 r=2.0일 때 z=85cm와 r=2.5일 때 z=80cm로부터 다음과 같이 보간하여 동결심도는 82 cm로 구할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

참 여 진

 

 

 

■ 건설교통부 도로국

 

도로국장 남 인 희

 

도로건설과장 정 내 삼

 

토목사무관 노 성 열

 

토목주사 이 영 우

 

 

 

■ 연구진

 

한국도로공사 책임연구원 이 경 하

 

한국건설기술연구원 선임연구원 황 성 도

 

 

연구진 연락처   한국도로공사 책임연구원 이경하 (031)371-3362 khlee@freeway.co.kr   한국건설기술연구원 선임연구원 황성도 (031)910-0180 sdhwang@kict.re.kr   홈페이지: http://www.pavementinfo.com