1. 서 론

동남아시아 지역 국가에서는 대부분의 교통 및 물류 수송을 도로가 담당하고 있으며 국민들의 지역간 안전하고 신속한 이동 및 원활한 물류 수송을 제공하기 위해 기초 기반시설인 도로인프라 개선에 많은 예산을 투자하고 있다. 동남아시아 국가 연합(Association of Southeast Asian Nations, ASEAN)애서는 거대 공동체를 구성하여 정치･경제 통합체를 지향하고 있으며 도로인프라 건설 및 유지관리에 대한 공통 아젠다를 중심으로 상호 협력을 진행하고 있다. 2019년 기준으로 동남아시아 국가 연합의 총 도로연장은 약 2,398,368 km이며 이 가운데 포장된 도로의 비율이 약 49.2% 정도 수준으로 포장도로의 비율을 높이기 위해 비포장도로 개선 및 지속가능한 포장도로를 건설하기 위해 많은 노력을 기울이고 있다(ASEANStatsDataPortal, 2022). 하지만, 대부분에 동남아시아 국가 연합에서는 Fig. 1과 같이 원지반 토사의 비포장도로에 일부를 자갈, 혼합석(토사+골재)으로 치환하고 DBST(Double Bituminous Surface Treatment)로 포장하여 비포장도로를 개선하고 있으나 반복적인 우기 및 중차량 통행으로 인해 조기에 포장파손이 발생하고 있다. 특히, 원지반 토사 비포장도로는 건기에는 비산먼지가 발생하고 우기에는 머드 상태로 변하여 차량 통행에 불편함을 제공하는 등의 문제가 반복적으로 발생하고 있다. 따라서, 동남아시아 지역 국가의 비포장도로의 토사 특성 및 원지반의 지지력, 및 도로건설 환경 등을 고려한 비포장도로 개선 방안 마련이 시급한 실정이다(Kim et al., 2022).

Fig. 1.

Unpaved road and DBT conditions in Southeast Asian nations

본 연구에서는 Mohr-Coulomb 모델을 적용한 수치해석을 통해 원지반 토사 비포장도로 상태(매우 연약한 점토, 연약 점토, 단단한 점토)에 따른 비포장도로 개선을 위한 공법들을 대상으로 교통하중 적용시 비포장도로의 변위 발생 여부를 분석하여 원지반 토사 비포장도로 개선을 위한 공법의 적용 효과를 평가하였다.

2. 유한요소 해석

본 연구에서는 원지반 토사 비포장도로의 상태를 모사하기 위해 토질역학에서 많이 사용하고 있는 유한차분법(FDM, Finite Difference Method) 기반의 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua) 3D 프로그램을 사용하였다.

2.1 해석조건

동남아시아 지역에 분포하고 있는 토사에 대한 물성 자료를 참고하여 Table 1과 같이 원지반 토사 비포장도로 상태를 매우 연약한 점토(VSC, Very Soft Clay), 연약 점토(MSC, Medium Soft Clay), 단단한 점토(SC, Stiff Clay)의 3가지 조건에 대한 입력변수를 각각 사용하여 수치해석을 수행하였다. 원지반 토사 비포장도로 개선을 위한 공법으로 모래+점토 치환, 자갈 치환, 시멘트 안정처리기층(CTB, Cement Treated Base) 치환, 아스팔트 안정화 처리(BSM, Bituminous Stabilized Materials) 치환, 밀입도 아스팔트 포장(1, 5, 10 cm)으로 비포장도로 개선 효과를 비교･평가하였다. Table 2에 정리한 것과 같이 원지반 토사 비포장도로 개선을 위한 치환 재료 및 밀입도 아스팔트 포장에 대한 기본 물성자료는 선행 연구결과를 참고하였다.

2.2 해석방법

원지반 토사 비포장도로 상태 및 비포장도로 개선 공법 적용에 대한 교통하중의 영향 분석을 위해 각 층별 입력자료에 근거하여 Mohr-Coulomb 모델을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 교통하중은 1.8 m 간격의 윤하중으로 0.015 MPa(소형차), 0.15MPa (트럭), 0.45 MPa(DB-18 덤프트럭)을 적용하였다. 수치해석의 일관성을 위해 원지반을 4.5 m 깊이까지 한정하였으며, 치환층에 대해서는 비포장도로 현장에서 깊이 1 m까지 치환을 하는 경우가 있는 사례를 참고하여 선정하였습니다. 해석모델의 경계조건은 좌우는 롤러, 하부는 고정단으로 사용하였다. 또한 윤하중이 재하되는 영역을 집중적으로 분석하기 위해 해당 영역의 메쉬크기는 0.1 m로 분할하였으며, 좌우경계 및 하부경계에서 0.5 m까지 점차 사이즈가 증가하도록 구성하였다. 원지반 토사 비포장도로 및 치환 재료별 비포장도로의 해석조건은 Fig. 2와 같다.

(a) 4.5 m 원지반 토사 비포장도로

(b) 원지반 토사 비포장도로 상부 1 m 치환(4종: 모래+점토 치환, 자갈 치환, 시멘트 안정처리기층 치환, 아스팔트 안정화 처리 치환)

(c) 원지반 토사 비포장도로 위에 밀입도 아스팔트 포장(1, 5, 10 cm), 원지반 토사 비포장도로 상부 1 m 치환(4종) 후 아스팔트 포장(1, 5, 10 cm)

Fig. 2.

Analysis conditions of soil based unpaved roads and improved unpaved roads

3. 유한요소 해석결과

3.1 원지반 토사 비포장도로

원지반 토사 비포장도로가 매우 연약한 점토 상태에서는 모든 하중조건에서 하중 재하부에 매우 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가능하였다. 연약한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하시 3.39 mm의 변위가 발생하였으며, 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 하중 재하부에 매우 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가능하였다. 단단한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하 시 1.40 mm의 변위가 발생하였으며, 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 하중 재하부에 매우 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가능하였다. Fig. 3은 매우 연약한 점토 상태와 단단한 점토 상태의 원지반 토사 비포장도로가 0.015 MPa 하중 재하시 발생한 변위 상태를 비교한 것이다. 원지반 토사의 상태에 따라 교통하중 인한 국부변위가 발생하므로 이에 대한 개선이 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 3.

Deformation under 0.015 MPa traffic loading on soil based unpaved road with very soft clay and stiff clay conditions

3.2 원지반 토사 비포장도로 1 m 재료 치환

원지반 토사 비포장도로의 상부를 1 m 치환하여 비포장도로를 개선한 상태를 모사하기 위해 4가지 치환 재료에 대한 수치해석 결과는 다음과 같다. 모래+점토 치환 후 0.015 MPa 하중 재하시 매우 연약한 점토 상태에서는 25.9 mm, 연약한 점토 상태에서는 3.74 mm, 단단한 점토 상태에서는 3.06 mm 변위가 발생하는 것으로 분석되었다. 하지만, 원지반 토사 조건에 상관없이 자갈 치환 후에도 하중 재하 시 모두 국부변위가 발생하여 해석이 불가능하였다. CTB 치환 후에는 0.015 MPa 하중 재하시 매우 연약한 점토 상태에서는 10.53 mm, 연약한 점토 상태에서는 0.89 mm, 단단한 점토 상태에서는 0.38 mm 변위가 각각 발생하였다. BSM 치환에는 0.015 MPa 하중 재하시 매우 연약한 점토 상태에서는 10.54 mm, 연약한 점토 상태에서는 0.93 mm, 단단한 점토 상태에서는 0.41 mm 변위가 발생한 것으로 나타났다. Fig. 4는 연약한 점토 상태 원지반 토사 비포장도로를 1 m 재료별 치환 후에 0.015 MPa 하중 재하시 발생한 변위 상태를 비교한 것이다. Fig. 4에서 알 수 있듯이, 모래+점토 치환이나 자갈 치환 방식 보다는 CTB 치환 및 BSM 치환이 비포장도로 개선에 더 효과적인 것으로 판단된다.

Fig. 4.

Deformation under 0.015 MPa traffic loading on the improved unpaved road with medium soft clay condition

3.3 원지반 토사 비포장도로 위에 아스팔트 포장

원지반 토사 비포장도로에 1 cm 두께 아스팔트 포장을 할 경우, 매우 연약한 점토 상태에서는 모든 하중재하 조건에서 매우 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. 연약한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하시 3.39 mm의 변위가 발생하였으며, 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. 단단한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하 시 1.32 mm의 변위가 발생하였으며 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. Fig. 5는 원지반 토사 비포장도로에 1 cm 두께 아스팔트 포장 후, 0.015 MPa 하중 재하시 발생한 변위 상태를 보여주고 있다.

Fig. 5.

Deformation under 0.015 MPa traffic loading of 1 cm dense graded asphalt pavement on soil based unpaved roads

원지반 토사 비포장도로에 5 cm 두께 아스팔트 포장을 할 경우, 매우 연약한 점토 상태에서는 모든 하중재하 조건에서 매우 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. 연약한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하시 10.51 mm의 변위가 발생하였으며, 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. 단단한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하 시 1.21 mm의 변위가 발생하였으며 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. Fig. 6은 원지반 토사 비포장도로에 5 cm 두께 아스팔트 포장 후, 0.015 MPa 하중 재하시 발생한 변위 상태를 보여주고 있다.

Fig. 6.

Deformation under 0.015 MPa traffic loading of 5 cm dense graded asphalt pavement on soil based unpaved roads

원지반 토사 비포장도로에 5 cm 두께 아스팔트 포장을 할 경우, 매우 연약한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하시 40.34 mm의 변위가 발생하였으며, 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. 연약한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하시 2.55 mm의 변위가 발생하였으며, 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. 단단한 점토 상태에서는 0.015 MPa 하중 재하 시 1.08 mm의 변위가 발생하였으며, 0.15, 0.45 MPa 하중 재하시 큰 국부변위가 발생하여 해석이 불가하였다. Fig. 7은 원지반 토사 비포장도로에 5 cm 두께 아스팔트 포장 후, 0.015 MPa 하중 재하시 발생한 변위 상태를 보여주고 있다.

Fig. 7.

Deformation under 0.015 MPa traffic loading of 10 cm dense graded asphalt pavement on soil based unpaved roads

3.4 원지반 토사 비포장도로 재료 치환 후 아스팔트 포장 시공

원지반 토사 비포장도로 상부를 1 m 치환하고 1, 5, 10 cm 두께의 밀입도 아스팔트 포장된 상태를 모사한 수치해석 결과는 다음과 같다. 전제적으로 원지반 토사 비포장도로를 치환하는 재료의 강성이 증가 할수록 하중 재하시 발생하는 최대변위는 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 원지반 토사 비포장도로를 치환하는 재료의 강성이 높은 경우, 밀입도 아스팔트 포장에서도 변위가 균등하게 발생하는 것으로 나타났다. Figs. 8, 9, 10은 연약한 점토 상태의 원지반 토사 비포장도로 1 m 재료별 치환 및 1, 5, 10 cm 두께 밀입도 아스팔트 포장에서 0.015 MPa 하중 재하시 발생한 변위 상태를 비교한 것이다. Figs. 8, 9, 10에서 알 수 있듯이, 원지반 토사 비포장도로를 CTB 치환 및 BSM 치환하여 밀입도 아스팔트 포장을 시공할 경우, 하부에서 발생하는 변위가 급격하게 감소하는 것으로 나타났다.

Fig. 8.

Deformation under 0.015 MPa traffic loading of 1 cm dense graded asphalt pavement and 1 m material’s replacement on soil based unpaved road with medium soft condition

Fig. 9.

Deformation under 0.015 MPa traffic loading of 5 cm dense graded asphalt pavement and 1 m material’s replacement on soil based unpaved road with medium soft clay condition

Fig. 10.

Deformation under 0.015 MPa traffic loading of 10 cm dense graded asphalt pavement and 1 m material’s replacement on soil based unpaved road with medium soft clay condition

4. 결 론

동남아시아 지역 국가의 원지반 토사 비포장도로를 개선할 수 있는 공법들을 적용할 할 경우, 교통하중 적용시 비포장도로의 변위 발생 여부를 분석하여 원지반 토사 비포장도로 개선 효과를 비교 평가한 결과는 다음과 같다.

1)원지반 토사 비포장도로의 상부 1 m를 재료 치환할 경우, 교통하중에 의해 발생하는 변위가 감소하는 효과가 있는 것으로 나타났다, 단, 모래+점토 및 자갈 치환 방법보다는 강성이 높은 CTB 및 BSM 치환 방법이 비포장도로 개선에 효과가 높을 것으로 판단된다.

2)매우 연약한 점토 상태의 원지반 토사 비포장도로는 상부 1 m를 재료 치환하더라도 트럭차량 이상의 교통 통행에는 개선 효과가 크지 않을 것으로 나타났다. 따라서, 매우 연약한 점토 상태의 원지반 토사 비포장도로는 치환 깊이를 고려하여 비포장도로 개선을 검토해야 할 것으로 판단된다.

3)연약한 점토 상태 및 단단한 점토 상태의 원지반 토사 비포장도로의 상부 1 m를 강성이 높은 재료로 치환하면 트럭차량 이상의 교통 통행에는 개선 효과가 있는 것으로 로 나타났다. 따라서, 원지반 토사 비포장도로의 상부를 치환하는 최적의 재료를 고려하여 비포장도로 개선을 검토해야 할 것으로 판단된다.

4)원지반 토사 비포장도로에 밀입도 아스팔트 포장을 시공할 경우, 밀입도 아스팔트 포장의 유무보다는 원지반 토사 비포장도로를 치환하는 재료의 강성에 따라 하중 재하시 발생하는 변위가 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 따라서, 밀입도 아스팔트 포장을 시공하기 전에 원지반 토사 비포장도로의 개선 작업이 반드시 선행되어야 할 것으로 판단된다.