KR101574941B1 - 윤하중 재하빈도 대응형 변단면 도로 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도로에 작용하는 윤하중(輪荷重)의 횡단상 지점별 재하빈도(載荷頻度)에 따라 도로 구조체의 두께를 변화시킨 것으로, 통상 주행시 차륜이 위치하는 지점에 설계재하폭(w)을 설정하고 설계재하폭(w) 구간을 제외한 부분의 보조기층(13) 두께를 축소한 것이다.
본 발명을 통하여, 도로 건설시 소요되는 자재를 획기적으로 절감하고 관련 공사비를 절감하는 효과를 얻을 수 있으며, 차로 외곽 및 중심부의 포장층 두께 축소분 일부를 윤하중 재하가 빈발하는 차륜 접지 지점으로 배분함으로써 포장체의 지지력 및 내구성을 향상시킬 수도 있다.

Description

윤하중 재하빈도 대응형 변단면 도로 시공방법{CONSTRUCTION METHOD OF VARIED SECTION ROAD CORRESPONDING WHEEL-LOAD FREQUENCY}

본 발명은 도로에 작용하는 윤하중(輪荷重)의 횡단상 지점별 재하빈도(載荷頻度)에 따라 도로 구조체의 두께를 변화시킨 것으로, 통상 주행시 차륜이 위치하는 지점에 설계재하폭(w)을 설정하고 설계재하폭(w) 구간을 제외한 부분의 보조기층(13) 두께를 축소한 것이다.

도 1은 일반적인 아스팔트포장 도로의 횡단면 및 차량 통행에 따른 윤하중 재하 상황을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 도로 포장 구조체는 보조기층(13), 기층(12) 및 표층(11)이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 절, 성토 후 정지 및 다짐된 노상(路床)(20)위에, 쇄석 등의 골재로 구성되는 보조기층(13) 및 기층(12)을 순차 포설한 후 아스팔트콘크리트를 타설 및 양생하여 표층(11)을 형성하게 된다.

차량의 통행에 따라 도로의 표층(11) 상면에 작용하는 윤하중은 표층(11), 기층(12) 및 보조기층(13)으로 구성되는 포장층에 의하여 지지되는데, 이러한 포장층의 제원은 통과 차량의 중량 및 교통량 등의 조건이 고려되어 결정된다.

특히, 포장층의 지지력을 결정하는 주요 요소인 포장층의 두께는 해당 도로를 통과하는 중차량의 윤하중과 설계 수명간 예상 통과 회수 등을 고려하여 결정되어 도로 횡단면 전체에 일률적으로 적용된다.

즉, 가혹한 조건을 기초로 설정된 포장층별 두께가 도로의 횡단상 위치와 관계 없이 일정하게 적용되는 것이며, 이렇듯 도로를 통행하는 차량의 도로 설계 수명간 예상 통과 회수 등을 고려하여 일률적인 설계 제원을 결정하는 종래기술로는 공개특허 제2010-8803호를 들 수 있다.

도 1에서와 같이, 종래의 도로 포장체는 표층(11), 기층(12) 및 보조기층(13)으로 구성되는 포장층이 전체 횡단면에 걸쳐 일정한 두께로 구성되는 것으로, 이들 각 포장층의 두께는 설계 하중조건과 안전율이 적용되어 설정되며, 도로의 횡단상 전 지점에 걸쳐 윤하중이 동일한 조건으로 재하되는 상황이 가정된 것이다.

그러나 실제 도로의 운용에 있어서는 도로의 횡단상 전 지점에 윤하중이 작용하는 것이 아니라, 차량의 통상 주행시 즉, 차량이 차선(31)과 차선(31) 사이의 차로 중앙부로 주행시 차륜과 접하는 지점에만 윤하중이 재하되는 것이 일반적이며, 그 외 지점에는 차량의 차로 변경 등 특수한 상황에서만 간헐적으로 윤하중이 작용하게 된다.

차로상 작용하는 윤하중의 재하빈도(載荷頻度)를 도시하면, 도 1의 하부 도면에서와 같은 곡선으로 표현될 수 있는데, 동일한 윤거(輪距)를 가지는 동종의 차량만이 통행하는 조건이라면 윤하중 재하빈도곡선의 첨부(尖部)가 예리한 형태를 가질 수 있으나, 실제 도로를 통행하는 차량은 다양한 윤거를 가질 뿐 아니라, 접지면적 및 복륜(複輪) 여부 등 차량별로 상이한 차륜 제원을 가지는 바, 포장층의 거동에 실질적인 영향을 미치는 요소를 고려하면 도시된 바와 같이 첨부가 평활 내지 완만한 형태의 윤하중 재하빈도곡선이 도출된다.

종래의 도로 설계에 있어서 두께 및 물성 등 포장층의 제원을 결정하는 과정은 통행 차량의 윤하중이 도로 횡단상 한부분에 집중되어 작용하는 상황을 상정하여, 해당 지점의 소요 지지력을 발현할 수 있는 포장층의 제원을 산출한 후, 이를 전체 횡단에 동일하게 적용하는 방식으로 수행되었는 바, 도 1 하부 도면의 윤하중 재하빈도곡선상 첨부의 재하빈도 이상의 빈도로 윤하중이 재하되는 조건이 적용되며, 이는 차량의 실제 통행 상황을 감안하면 과다설계라 하지 않을 수 없는 것이다.

즉, 도 1에서와 같이, 도로상 차량의 운행 양태를 살펴보면 평상시 정상 주행상태에서는 차선(31)과 차선(31) 사이의 차로 중심으로 차량이 주행하게 되고 차로 변경 등 특수한 상황에서만 차로 중심에서 차량이 이탈하게 되므로, 동 도면 하부의 윤하중 재하빈도곡선에서와 같이 차륜이 접지하는 부분을 제외한 나머지 부분에서는 윤하중의 재하빈도가 극히 낮으나, 종래의 도로 설계 및 시공 방식은 이러한 도로 횡단상 윤하중의 재하빈도 분포를 무시한 채 지나치게 가혹한 조건을 일률적으로 적용한 것이다.

따라서, 실제 차륜이 접지하는 지점 외의 부분에 대하여는 포장체의 두께 및 물성 등 제원이 과도하게 설정되는 과다설계 및 과다시공이 이루어졌다 할 수 있으며, 이는 종래 도로 건설에 있어서 과도의 자재의 소모 및 그로 인한 공사비 증액을 유발하는 심각한 문제점으로 작용하였다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 노상(路床)(20) 상부에 보조기층(13), 기층(12) 및 표층(11)이 적층되는 도로에 있어서, 도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 노상(20)에 요입부(21)가 형성되어, 도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 보조기층(13) 두께는 두껍게 형성되고 해당 지점외 부분의 보조기층(13) 두께는 얇게 형성됨을 특징으로 하는 윤하중 재하빈도 대응형 변단면 도로이다.

또한 상기 윤하중 재하빈도 대응형 변단면 도로의 시공방법에 있어서, 도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 노상(20)을 굴착하여 요입부(21)를 형성하는 굴착단계(S10)와, 요입부(21)를 가압하여 표면을 정리하는 정지단계(S20)와, 요입부(21)가 형성된 노상(20)에 보조기층(13) 및 기층(12)을 포설하고 표층(11)을 형성하는 포장단계(S30)로 이루어짐을 특징으로 하는 윤하중 재하빈도 대응형 변단면 도로의 시공방법이다.

본 발명을 통하여, 도로 건설시 소요되는 자재를 획기적으로 절감하고 관련 공사비를 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도로 횡단상 윤하중의 재하빈도를 고려하여 포장층의 두께를 변화함에 있어서, 차로 외곽 및 중심부의 포장층 두께 축소분 일부를 윤하중 재하가 빈발하는 차륜 접지 지점으로 배분함으로써 포장체의 지지력 및 내구성을 향상시킬 수도 있다.

도 1은 종래 도로의 횡단면 및 차량 통행상태 예시도
도 2는 본 발명이 적용된 도로 횡단면 및 종래 도로 횡단면 비교도
도 3은 본 발명이 적용된 도로의 요부 발췌 횡단면도
도 4는 본 발명의 시공과정 설명도
도 5는 본 발명 수행에 있어서의 장비 사용상태 예시도
도 6 및 도 7은 본 발명 수행에 있어서 적용되는 장비의 요부 발췌 사시도

본 발명의 상세한 구성 및 수행과정을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선 도 2는 본 발명이 적용되어 시공된 도로의 횡단면을 종래의 도로 횡단면과 비교 도시한 것으로, 도면상 좌측이 종래 도로 횡단면도이고 우측이 본 발명 적용 도로의 횡단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 노상(路床)(20) 상부에 보조기층(13), 기층(12) 및 표층(11)이 적층되는 구조로서 아스팔트 포장도로의 층서구조(層序構造) 자체는 유지하고 있으나, 도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 노상(20)에 요입부(21)가 형성되는 특징을 가진다.

따라서 도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 보조기층(13) 두께는 두껍게 형성되고 해당 지점외 부분의 보조기층(13) 두께는 얇게 형성되는데, 이때 노상(20)에 요입부(21)가 형성된 지점의 보조기층(13) 두께는 도 2의 좌, 우 도면을 비교하여 확인할 수 있는 바와 같이 종래 도로의 보조기층(13) 두께에 해당된다.

즉, 본 발명은 횡단면상 보조기층(13)의 두께가 일률적으로 동일하게 적용되는 종래기술을 탈피하여 차륜이 접지하는 지점의 보조기층(13) 두께는 두껍게 형성되고 이외 지점의 보조기층(13) 두께는 얇게 형성되는 변단면 구조를 가지게 되는데, 이때 두꺼운 부분의 보조기층(13)의 두께가 종래 도로의 보조기층(13) 두께와 일치하는 바, 보조기층(13)을 구성하는 골재의 소요량을 획기적으로 절감할 수 있는 것이다.

이러한 보조기층(13)의 변단면 구조는 보조기층(13) 하부층인 노상(20)에 요입부(21)를 형성함으로써 달성되는데, 노상(20)은 도로 건설 계획 노선을 따라 해당 지반을 절토 또는 성토하고 정지 및 다짐 처리한 지면으로서, 도 2를 통하여 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에서는 종래 도로에 비하여 노상(20) 상단 표고가 높게 설정되는데, 이는 절토 구간의 경우 절토면을 높게 형성하고 성토 구간의 경우 약간의 추가 성토를 실시함으로써 수행하게 된다.

본 발명에 있어서 노상(20) 상단 표고 증고(增高)를 위하여 추가 성토를 실시하는 경우, 일견 추가 성토에 따른 공사비 증액이 발생되는 것으로 오해될 수 있으나, 도로 건설에 있어서는 절, 성토의 수지(收支)가 균형을 이룰 수 있도록 종단선형이 설정되는 것이 일반적이며, 따라서 본 발명의 적용을 위하여 노상(20) 상단 표고를 높게 설정한다 하여도 적절한 운토(運土) 계획을 수립하면 공사비의 실질적 증액은 발생되지 않는다.

또한, 설령 도로의 전 구간 노상(20)이 순 성토에 의하여 형성된다 하여도 본 발명의 적용을 통하여 절감되는 보조기층(13)의 골재 체적과 노상(20) 증고에 따른 추가 성토량은 동일하나, 단위 체적당 자재 비용은 보조기층(13)의 골재가 노상(20) 토사를 월등히 상회하므로, 전체 도로 연장을 고려하면 막대한 공사비 절감 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명 적용의 주안점을 보조기층(13) 단면의 부분 축소를 통한 공사비 절감에 두지 않고, 변단면 보조기층(13) 골재의 효율적인 배분 즉, 보조기층(13)의 단면 축소분의 골재를 윤하중 집중 재하지점으로 배분하여 해당 지점을 강화하는 방향으로 본 발명을 활용할 경우 공사비의 증액 없이 도로 포장체의 지지력 및 내구성을 획기적으로 개선할 수도 있다.

이렇듯 변단면 포장체, 보다 상세하게 설명하면 변단면 보조기층(13)이 적용되는 본 발명 도로 포장체의 층별 구조를 상세하게 도시하면 도 3과 같다.

도 3에서와 같이, 본 발명에 있어서 보조기층(13)의 두께 변화는 노상(20) 상면의 표고 변화에 의하여 달성되는데, 노상(20)에 전술한 윤하중 재하빈도곡선과 근사한 형태의 요입부(21)가 형성되고 이 요입부(21)를 비롯한 노상(20) 상면에 보조기층(13) 골재가 포설됨으로써 변단면 보조기층(13)이 형성된다.

전술한 바와 같이, 단일 차종의 차량만이 통행하는 이상적인 조건에서는 윤하중 재하빈도곡선의 첨부(尖部)가 극히 예리하게 형성될 뿐 아니라, 해당 첨부의 위치도 차선(31)과 차선(31) 사이의 차로 중심부에 차량의 중심이 위치할 시 양측 차륜 접지점의 중심에 정확하게 일치하게 되지만, 실제 도로에는 다양한 차종이 통행하고 차륜의 접지 위치는 물론 접지면의 폭 또한 상이하므로 도 3의 하부 도면에 도시된 바와 같이, 첨부가 평평하고 전체적으로 역제형(逆梯形)의 형태를 가지는 윤하중 재하빈도곡선이 형성된다.

또한, 실제 도로의 차량 통행 상태를 살펴보면 차량 중심이 차로의 중심을 크게 벗어나는 경우는 차로 변경 등 특수한 상황을 제외하면 거의 발생되지 않으므로 도 2의 하부 도면 및 도 3의 하부 도면에 도시된 바와 같이, 차선(31)이 설치된 차로의 양 측단부 및 차로의 중심부에는 윤하중의 재하빈도가 극히 낮고, 차륜의 접지점 부근에서 윤하중 재하빈도가 비약적으로 급증하여, 윤하중 재하빈도곡선이 급경사를 형성하게 된다.

즉, 도 3의 하부 도면에서와 같이, 윤하중 재하빈도곡선은 해당 도로의 설계상 하중 조건으로 적용되는 가상 차량의 차륜 접지점을 설계윤심(P)으로 설정하면, 설계윤심(P)에 첨부가 형성되고 설계윤심(P)을 중심으로 대칭을 이루는 급경사 변화구간이 형성되는 것이다.

따라서, 윤하중 재하빈도곡선상 설계윤심(P) 양측의 급경사 변화구간내에 윤하중이 집중된다고 할 수 있으며, 도 3의 하부 도면에서와 같이, 설계윤심(P) 양측의 급경사 변화구간의 중심점 사이의 구간을 설계재하폭(w)으로 설정할 수 있다.

이렇듯, 본 발명에서는 도로에 작용하는 윤하중의 실질적인 재하빈도를 고려하여 보조기층(13)의 두께를 변화하게 되는데, 이러한 보조기층(13)의 두께 변화를 위하여 노상(20)에 형성되는 요입부(21)의 중심점과 폭은 각각 상기 설계윤심(P) 및 설계재하폭(w)으로 설정될 수 있다.

노상(20)에 요입부(21)가 형성된 지점 즉, 설계윤심(P) 지점에서의 보조기층(13) 두께는 보조기층총두께(Dt)로 설정되고 차로의 중심부 및 차선(31)이 설치되는 차로 양 측단부의 보조기층(13) 두께는 보조기층최소두께(Dm)로 설정될 수 있는데, 여기서 보조기층총두께(Dt)는 종래 도로에 있어서의 보조기층(13) 두께와 동일하게 적용될 수 있으며, 노상(20)에 형성되는 요입부(21)는 보조기층총두께(Dt)와 보조기층최소두께(Dm)의 차이에 해당되는 깊이를 가지게 된다.

또한, 보조기층최소두께(Dm)는 해당 지점의 윤하중 재하빈도와 설계윤심(P)에서의 윤하중 재하빈도의 비율을 고려하여 축소할 수 있으나, 이와 같이 지점별 윤하중 재하빈도를 단순 적용하여 보조기층최소두께(Dm)를 축소할 경우 극적인 보조기층(13)의 단면변화가 발생될 수 있으므로 전체 포장체의 안정성을 고려하여 보조기층최소두께(Dm)는 보조기층총두께(Dt)의 20% 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 윤하중 재하빈도곡선은 양측에 급경사가 형성된 역제형(逆梯形)의 형태를 가지게 되지만 이를 노상(20) 요입부(21) 형성에 그대로 적용할 경우 시공성이 크게 저하될 뿐 아니라 완공후 변곡부의 응력 집중 등의 문제가 발생될 수 있으므로, 노상(20)에 형성되는 요입부(21)는 양 측단에 완만한 경사를 형성하고, 노상(20) 상단 표면과 요입부(21)간 절곡부 및 요입부(21) 하단과 양측 경사부간 절곡부를 만곡 형성하여 구조적 안정성을 확보하는 것이 바람직하다.

도 4 내지 도 7은 본 발명 시공방법의 과정을 설명하고 사용되는 장비를 예시한 것으로, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4에서와 같이, 본 발명의 시공방법은 도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 노상(20)을 굴착하여 요입부(21)를 형성하는 굴착단계(S10)로 개시된다.

전술한 바와 같이, 도로 포장체가 설치되는 노상(20)은 절, 성토 지면을 정지 및 다짐하여 형성되는 것으로, 본 발명에서는 계획 노선을 따라 노상(20)을 굴착하여 요입부(21)를 형성한다.

굴착단계(S10)가 완료되면, 굴착된 요입부(21)를 로울러(roller)(45) 또는 컴팩터(compactor)로 가압하여 요입부(21) 표면을 평탄하게 정리하는 정지(整地)단계(S20)가 수행된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 굴착단계(S10)에서 요입부(21)의 굴착시 요입부(21) 표면 부근의 노상(20)이 교란되어 불규칙한 표면이 형성될 수 밖에 없는 바, 본 발명에서는 정지단계(S20)를 통하여 요입부(21)를 정지하여 평탄한 표면의 요입부(21)를 형성하게된다.

이후, 요입부(21)가 형성된 노상(20)에 보조기층(13) 및 기층(12)을 포설하고 표층(11)을 형성하는 포장단계(S30)를 수행함으로써, 본 발명의 시공방법이 완료된다.

한편, 전술한 굴착단계(S10) 및 정지단계(S20)를 수행하기 위하여 도 5 및 도 6에서와 같은 백호(41) 및 로울러(45)가 적용될 수 있다.

우선 굴착단계(S10)에서는 도 5의 상부 도면에서와 같이, 백호(41)의 버킷(42)을 이용하여 요입부(21)를 굴착할 수 있는데, 이때 도 6에서와 같은 구성의 버킷(42)을 적용함으로써 일층 효율적인 시공이 가능하다.

즉, 도 6에서와 같이, 백호(41)의 버킷(42) 선단에 계획 요입부(21) 형상의 굴삭판(43)을 장착하여 일정한 형상의 요입부(21)를 간편하게 굴착할 수 있으며, 버킷(42) 선단부 양측에는 돌출된 규준봉(44)을 장착하여 작업중 발생될 수 있는 과도한 굴착을 방지할 수 있다.

또한, 정지단계(S20)에서는 도 5의 하부 도면에서와 같이, 로울러(45)를 통하여 요입부(21)를 압입하여 요입부(21) 표면을 정지할 수 있는데, 이때 로울러(45)에는 도 7에서와 같이 노상(20)에 형성되는 요입부(21)와 일치하는 형상의 돌출부(48)가 외주면에 형성된 드럼(46)을 장착하여, 요입부(21) 정밀한 형성이 가능하다.

이상에서와 같은 본 발명을 통하여, 윤하중의 실질 재하빈도에 대응하여 포장층의 단면을 효율적으로 조정할 수 있으며, 이로써 도로 포장체의 실질 지지력은 유지하면서도 공사비를 획기적으로 절감할 수 있다.

11 : 표층
12 : 기층
13 : 보조기층
20 : 노상
21 : 요입부
31 : 차선
41 : 백호
42 : 버킷
43 : 굴삭판
44 : 규준봉
45 : 로울러
46 : 드럼
48 : 돌출부
Dm : 보조기층최소두께
Dt : 보조기층총두께
P : 설계윤심
w : 설계재하폭
S10 : 굴착단계
S20 : 정지단계
S30 : 포장단계

Claims (2)

1. 노상(路床)(20) 상부에 보조기층(13), 기층(12) 및 표층(11)이 적층되는 도로로서, 도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 노상(20)에 요입부(21)가 형성되되, 요입부(21)의 중심점은 설계상 하중 조건으로 적용되는 차량의 차륜 접지점으로서 윤하중 재하빈도곡선의 첨부가 형성되는 설계윤심(P)으로 설정되고, 요입부(21)의 폭은 윤하중 재하빈도곡선상 설계윤심(P) 양측의 급경사 변화구간의 중심점 사이 구간인 설계재하폭(w)으로 설정되며, 도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 보조기층(13) 두께는 두껍게 형성되고 해당 지점외 부분의 보조기층(13) 두께는 얇게 형성되는 윤하중 재하빈도 대응형 변단면 도로의 시공방법에 있어서,
   도로의 횡단면상 차량의 차륜이 접지하는 지점의 노상(20)을 굴착하여 요입부(21)를 형성하되, 백호(41)의 버킷(42) 선단에 계획 요입부(21) 형상의 굴삭판(43)을 장착하여 일정한 형상의 요입부(21)를 굴착하고, 버킷(42) 선단부 양측에는 돌출된 규준봉(44)을 장착하여 작업중 발생될 수 있는 과도한 굴착을 방지하는 굴착단계(S10)와;
   요입부(21)와 일치하는 형상의 돌출부(48)가 외주면에 형성된 드럼(46)이 장착된 로울러(45)를 통하여 요입부(21)를 압입하여 요입부(21) 표면을 정지하는 정지단계(S20)와;
   요입부(21)가 형성된 노상(20)에 보조기층(13) 및 기층(12)을 포설하고 표층(11)을 형성하는 포장단계(S30)로 이루어짐을 특징으로 하는 윤하중 재하빈도 대응형 변단면 도로 시공방법.
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