1. 서 론

교량 접속슬래브 포장파손의 주요원인은 교량 뒤채움부 침하로, 뒤채움부의 침하는 접속슬래브와 포장의 상태를 약화시키며, 평탄성 저하 및 포장 파손을 발생하게 하여 도로 이용자의 승차감 저하 및 교통사고 증가에 영향을 미치고 있다.

Helwany et al. (2007)은 교량 뒤채움부 침하는 교량의 구조적 손상과 장기적인 유지보수 비용을 발생시킨다고 하였다. Briaud et al. (1997)은 미국에서 교량의 25%가 뒤채움 침하로 인한 문제를 겪고 있는 것으로 추정하고 있다. Allen et al. (1985)은 접속부 침하에 대한 많은 유지보수 방법과 새로운 설계 방법들이 보고되었지만, 경제성, 효율성, 편의성 측면에서 큰 성과를 얻지 못하고 있다고 하였다.

교량 접속부는 뒤채움의 침하로 인하여 포장의 파손 및 승차감의 저하로 이루어진다. 교량 접속부의 침하로 인하여 발생되는 문제점으로는 슬래브의 침하 발생, 교량 받침의 이동한계 도달, 교대협착 및 파손, 중분대의 벌어짐, 방음벽의 단차, 다이크와 날개벽의 벌어짐, 점검계단의 침하 등으로 발생된다.

본 연구에서는 교량 접속부의 접속슬래브, 뒤채움부에 대한 현장 조사를 통하여 교량 접속부 포장의 공용특성을 분석하고자 하였다.

2. 현장조사 및 분석

2.1 교량 접속부 외관조사

외관조사는 교량 접속부의 포장상태 및 교량 접속부와 관련된 시설에 대하여 현장조사를 실시하였다. 교량 접속부와 관련된 시설로는 중앙분리대, 날개벽, 다이크, 신축이음장치, 교좌장치, 점검계단 등이 있으며 교량 접속부의 거동에 문제가 발생할 경우, 이러한 시설에서도 징후가 나타나므로 교량 접속부 외관조사를 통해서 교량 접속부에서 나타나는 문제점 및 원인을 분석할 수 있다.

2.1.1 교량 접속부의 포장상태

교량 접속부의 평탄성 개선을 위하여 절삭 덧씌우기 보수를 한 경우에 접속슬래브의 길이가 본선 슬래브보다 길기 때문에 Fig. 1에서와 같이 균열 폭이 매우 큰 반사균열이 발생하게 된다. 반사균열은 접속슬래브와 완충슬래브 사이, 그리고 완충슬래브와 본선슬래브 사이에서 발생되며 완충슬래브와 본선 슬래브 사이에는 줄눈 폭이 20 mm 이상인 팽창줄눈을 설치로 인하여 반사균열이 발생하게 된다. 이러한 반사균열은 균열 폭이 매우 크거나 2열로 균열이 발생되어 포트홀이나 기타 포장파손으로 발전될 수 있다.

교량 접속부에서 Fig. 1(b)와 같이 대각선 균열이 발생되는 경우가 있는데 이는 교량 접속부의 침하로 인하여 슬래브 잭킹을 하면서 생긴 균열로 슬래브 인상이 슬래브 전 면적에 걸쳐 균일하게 이루어져야 하는데 균일하게 인상이 되지 않아서 응력 집중에 의한 슬래브 균열이 발생된 것으로 보여진다. 이러한 균열은 하부에서부터 올라온 관통 균열이므로 슬래브의 내구성 저하를 일으키게 된다. 슬래브 잭킹을 할 경우에는 정확한 계측을 통하여 슬래브가 균일하게 인상될 수 있도록 매우 세심한 관리가 필요하며, 슬래브 잭킹보다는 공동을 그라우팅하고 절삭 덧씌우기를 하는 것이 기존의 슬래브를 보호하는 방안이 될 수도 있다.

Fig. 1(c)와 같이 가로균열이 발생되는 경우가 있는데, 이는 접속슬래브에 공동이 발생될 경우 보와 같은 거동을 하면서 차량 통과에 의한 피로하중이 작용하여 차량 진행방향의 연직방향으로 가로균열이 발생된다. 따라서 가로균열이 발생되었을 때는 공동이 있는지 확인을 하고, 구조적인 균열인지 확인한 후, 보수방법을 선정하여야 한다.

Fig. 1(d)와 같이 교량 접속부에서는 신축이음부와 접속부 포장 그리고 접속부 포장과 본선 포장과의 사이에 단부파손이 많이 발생됨을 알 수 있다. 단부파손은 단부가 노면 불연속으로 인하여 본선 슬래브의 신축․팽창 거동과 단차 및 차량의 충격하중으로 파손이 자주 발생된다. 단부파손을 억제하기 위해서는 단부에 아스팔트 혼합물과 콘크리트와의 물성변화를 완화시키고 콘크리트의 온도팽창을 흡수할 수 있는 아스팔트계 실런트 설치가 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 1.

Distress of the pavement on approach slab

2.1.2 교대 변위

교량 접속부에서 교대변위가 많이 발생되었으며, 주로 고성토 구간에서 공용 후 추가적인 다짐으로 인하여 교대변위가 발생되었다. 교대변위는 교량 접속부의 시설에도 많은 영향을 준다. Fig. 2(a)는 교대의 측방유동으로 교좌장치가 이동한계를 넘어선 것으로 심한 경우 고무가 받침으로부터 이탈하는 것을 볼 수 있다. 교대변위의 또다른 형태로는 교량상판의 배수구와 교대의 집수구가 일자로 정렬되어 있지 않는 것에서도 찾을 수 있다.

Fig. 2(b)는 거더와 교대가 협착하여 신축팽창 거동을 할 수 없는 상태로 보여지며, 심한 경우에는 Fig. 2(c)와 같이 교대가 파손되는 경우를 볼 수 있다. 교대 또는 교량상판에서 배수불량이 될 경우 교대에서 콘크리트의 열화로 인한 백태가 발생되며 이는 구조물의 내구성 저하를 초래할 수 있다.

Fig. 2(d)는 날개벽과 다이크가 벌어진 상태로써 교대변위가 발생하면서 날개벽과 다이크 또는 다이크와 다이크 사이, 그리고 중분대와 중분대 사이에서도 틈이 발생되거나 심지어는 중분대 또는 다이크에서 집수구로 이어지는 부분에서 파손이 발생되기도 한다.

Fig. 2.

Displacement of abutment

2.1.3 뒤채움 침하

교량 접속부의 가장 큰 문제는 장기 공용 후 접속슬래브와 완충슬래브에서 침하가 발생하는 것이다. 교량 접속부의 침하는 연약지반에서 가장 크게 문제가 되지만, 고성토 구간이나 다짐이 불량한 구간에서 자주 발생되며, 교량 접속부 통과 시 승차감 저하의 가장 큰 원인이 된다.

Fig. 3(a)는 접속슬래브가 침하하여 날개벽 및 다이크와 단차가 발생되었고, Fig. 3(b)는 뒤채움 및 법면의 침하로 인하여 날개벽 뒤쪽에 있는 점검계단이 침하를 한 것이다. Fig. 3(c)는 중분대의 침하가 발생된 모습이며, 중분대 침하가 발생 시 중분대에 균열이 발생되거나 중분대의 콘크리트가 파손되기도 한다. Fig. 3(d)는 방호벽 위에 방음벽을 설치하였는데 침하로 인하여 방음벽에 단차가 발생된 모습이다.

Fig. 3.

Settlement of approach slab

2.1.4 슬래브 하부 및 날개벽 하부 공동

교량 접속부에서는 Fig. 4(a)와 같이 날개벽과 접속슬래브 사이 벌어진 틈으로 우수가 침투되거나, 고성토에서 다짐 불충분 등으로 공용 후 추가 다짐에 의한 침하 등의 원인으로 Fig. 4(b)와 같이 슬래브의 하부에 공동이 발생되고 있다. 공동 조사결과, Fig. 4(c)에서 1 cm이상의 공동 발생율은 39%로 나타났고, 공동의 평균깊이는 1.4 cm로 나타났다.

Fig. 4.

Void under slab

날개벽 하부에서는 뒤채움 재료 등의 유실로 인하여 공동이 발생되는데, 날개벽 하부의 공동은 슬래브 하부의 공동보다 규모가 매우 큰 규모의 공동이 발생되므로, 유지관리 시 날개벽 하부의 점검에 주의를 기울여야 한다. Fig. 5(a)는 날개벽 하부에 토끼굴 같은 형상의 공동이 발생된 모습이고, Fig. 5(b)는 공동과 함께 날개벽과 점검계단 사이가 벌어진 모습이다.

Fig. 5(c)는 대형공동이 발생된 모습으로 응급조치로 흙마대를 채워 넣은 모습이다. 이러한 공동은 갓길포장의 파손으로 이어지기도 하며, 점검계단의 침하 또는 파손 등과 함께 발견된다. 따라서 이러한 징후 발견 시 날개벽 하부의 공동을 의심하여 정밀조사를 실시하여야 한다. Fig. 5(d)는 공동을 흙으로 채워 임시로 보수하는 모습이다. 날개벽 하부에 공동이 발생 시 토사로 되메움을 해도 다질 수가 없으므로 토사 되메움과 아울러 숏크리트 등의 콘크리트 보수가 병행될 필요가 있다.

Fig. 5.

The void under abutment

2.2 교량 접속부의 IRI 특성

교량접속부를 주행시 운전자가 느끼는 승차감을 평가하기 위하여 접속부 부등침하량이나 접근경사 대신 IRI를 평가에 사용하여 왔다. 본 연구에서는 접속슬래브 부근의 국부적인 처짐이나 단차를 정밀 측정 할 수 있는 도보식 측정장비인 Walking Profiler를 이용하여 접속부 평탄성을 조사하였다.

IRI는 교량 및 접속부 100 m 구간에 대하여 IRI를 전체 및 구간 별로 측정을 하였다. Fig. 6(a)는 IRI 측정결과의 예를 나타낸 것으로 본선에서 교량으로 갈수록 IRI가 증가하기 시작하여 완충, 접속슬래브구간에서 급격하게 증가한다. 지금까지는 교량 접속부에서 IRI를 50 m 단위로 측정하여 왔으나 교량 접속부에서 IRI를 50 m 단위로 측정할 경우 교량 접속부보다 본선의 영향을 많이 받는다. 따라서 교량 접속부의 IRI 특성을 제대로 평가할 수 없으므로 IRI는 신축이음에서부터 20 m단위로 측정하는 것이 합리적이다.

교량 접속부의 IRI를 20 m 단위로 측정한 전체 평균값이 4.89 m/km로 “Hi-유지관리”내의 50 m 단위 측정 평균값 2.93 m/km보다 약 1.7배 큰 것으로 나타났다. Fig. 6(b)는 IRI 분포를 나타낸 것으로 교량 접속부의 IRI는 평균 3.56 m/km로 나타났고, IRI 순서는 접속슬래브(4.89 m/km), 완충슬래브(3.87 m/km), 본선슬래브(2.70 m/km) 순으로 나타났다. Fig. 6(c)에서 교량연장이 증가할수록 IRI는 증가하는 것으로 나타났고, Fig. 6(d)에서 교고가 증가할수록 IRI가 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 6.

IRI Results

2.3 교량 접속부의 최대 침하량

교량 접속부 50 m구간에 대하여 침하량을 측정하여 최대 침하량 및 최대 침하량 발생위치를 조사하였다. Fig. 7(a)는 침하량 측정결과의 예를 나타낸 것으로 최대 침하량이 접속슬래브와 완충슬래브의 경계에서 나타났으며, 본선으로 갈수록 침하량이 감소하였다. Fig. 7(b)는 최대 침하량의 분포를 나타낸 것으로 최대 침하량은 평균 6.7 cm로 나타났으며, 최대값은 16 cm로 나타났다.

조사대상 전체 분석에서 최대 침하량은 완충슬래브와 본선슬래브의 경계에서 가장 크게 나타났고, 침하량 순서는 완충슬래브, 접속슬래브, 본선슬래브 순으로 나타났다. 최대 침하량의 발생 위치는 평균적으로 신축이음으로부터 14 m에서 발생하였다. Fig. 7(c)에서 침하량이 증가할수록 IRI가 증가하였고, Fig. 7(d)에서 교고와 최대 침하량의 관계는 상관성이 적은 것으로 나타났다.

Fig. 7.

Settlement results

공용중인 고속도로에서 129개소에 대하여 접속슬래브 부근의 실제 도로 프로파일을 측정해 본 결과는 Fig. 8과 같이 크게 8가지 형태로 분류할 수 있었으며 대부분의 처짐 형태는 Fig. 8에서 (d)와 (e)의 형태와 같이 접속이나 완충슬래브에서 본선 슬래브까지 처지는 것으로 약 81.4%를 차지하였으며, Fig. 8에서 (c)와 같이 접속슬래브와 완충슬래브만 국부적으로 처진 형태는 약 8.5% 정도 분포하였다. 또한 접속슬래브 부근에서 처짐만 발생되는 것이 아니라 Fig. 8에서 (g)와 (h)의 형태처럼 융기가 발생되는 구간도 존재하였다.

Fig. 8.

Type of settlement

접속슬래브 부근의 처짐 정도를 알아보기 위하여 실제 도로 프로파일을 측정하여 유지보수선과의 처짐값을 분석한 결과는 Fig. 9와 같다. 아스팔트포장 구간의 접속슬래브 구간에서 처짐값이 콘크리트포장 구간에 비해 크게 발생되었다.

Fig. 9.

Distribution of settlement

2.4 포장하부 구조지지력

교량 접속부의 접속 슬래브, 완충 슬래브, 본선 슬래브에 대한 FWD 조사를 통하여 슬래브 및 뒤채움 재료의 지지력을 평가하였다. Fig. 10은 교량 접속부에서 FWD로 지지력을 측정하는 모습이다.

Fig. 10.

FWD Test

FWD 시험은 접속슬래브, 완충슬래브, 본선과 갓길에서 동적지지력과 처짐을 측정하였다. FWD 시험은 포장의 표층에서 지름 300 mm의 하중 재하판에 단계별로 충격하중을 가하여 소정의 간격으로 배치된 속도계에서 재하하중에 따른 수직 변형량을 측정하는 시험이다.

Fig. 11(a)는 FWD 처짐분포를 나타낸 것으로 FWD 처짐은 평균 196 μm로 나타났다. Fig. 11(b)~(d)에서 FWD 처짐으로 공동 깊이와의 관계 등을 분석하였으나 상관성은 매우 적은 것으로 나타났다. 이는 FWD 처짐이 개별적인 요인이 아니라 복합적 요인으로 발생되며, 공동 발생시와 슬래브에 균열이 발생 시, 뒤채움의 지지력 저하 시에 모두 처짐이 크게 발생하기 때문인 것으로 파악된다.

Fig. 11.

FWD results

2.5 포장하부 공동조사

접속슬래브 포장하부 공동부 조사는 육안조사 및 비파괴조사 후 포장하부에 공동이 의심되는 경우에 Fig. 12(a)와 같이 코어를 채취한 후 Fig. 12(b)와 같이 내시경 장비를 이용하여 포장체 내부 및 하단부까지 공동의 유무를 확인하는 조사이다.

Fig. 12.

Void survey

이 방법은 포장하부의 공동부를 직접확인 할 수 있으며 추후 유지보수 수행에 있어서 공동부의 규모, 위치 및 범위 등을 비교적 정확하게 파악할 수 있어 보수방법 선정에 효과적이라 할 수 있다. Fig. 13에서 보면 아스팔트포장의 경우에는 최대 6 cm까지 하부에 공동이 발생하였으며 깊이별로 분포가 되어 있었다. 콘크리트포장의 경우에는 최대 5 cm까지 하부에 공동이 발생하였으며 1~2 cm 사이의 공동이 많이 발생한 것으로 조사되었다.

Fig. 13.

Distribution of Void

콘크리트 포장의 경우에는 Fig. 14에서 보는 바와 같이 하부에서 뿐만 아니라 절삭덧씌우기 구간에서 Fig. 14(b)와 같이 슬래브 중앙이 들떠 공동부가 발생하기도 하였다.

Fig. 14.

Location of Void

이러한 처짐값과 현장에서 코어링을 통해 조사한 하부공동과의 관계를 그래프에 나타낸 결과는 Fig. 15와 같다. FWD의 처짐값과 하부공동과의 관계를 보면 처짐값이 100 (μm) 이상부터 하부공동은 존재하지만 Fig. 15에서 보는바와 같이 처짐이 많이 발생되는 구간에서도 공동이 발생되지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 상관관계를 높이기 위해서는 더욱 많은 현장조사와 분석이 이뤄져야 할 것으로 판단된다.

Fig. 15.

Relation between FWD deflection and void depth

3. 결 론

본 연구에서는 교량 접속슬래브 포장의 특성 분석을 위해 균열, 교대변위, 뒤채움 침하에 대한 육안조사, 하부 공동조사, IRI 측정, 침대침하량 측정, FWD평가를 수행하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 교량 접속부에 대한 현장조사 결과, 교량 접속슬래브의 포장의 파손은 반사균열, 대각선 균열, 가로균열, 단부 파손 등이 발생되었다. 교량 접속부에서의 문제점으로는 교대변위와 뒤채움 침하, 슬래브 하부 및 날개벽 하부의 공동 등이 발생되었다.

2. 교량 접속부의 IRI는 평균 4.77 m/km로 나타났으며, 교량접속부 20 m 측정 평균값이 교량접속부 50 m 측정 평균값보다 약 1.7배 크게 나타났고, 교량 접속부의 IRI는 20 m단위로 측정하는 것이 타당한 것으로 판단된다. IRI는 접속슬래브, 완충슬래브, 본선 순으로 크게 나타났다.

3. 최대 침하량은 평균 6.7 cm, 최대 16 cm로 나타났고, 최대 침하량 발생위치는 완충슬래브와 본선의 경계에서 가장 크게 나타났으며, 침하량이 증가할수록 IRI가 증가하였다. 처짐의 형태는 접속슬래브에서 본선 슬래브까지 처지는 형태가 가장 많은 것으로 나타났다.

4. 교량 접속슬래브에 대한 FWD 시험결과, 처짐은 평균 196 μm로 나타났고, 처짐과 공동 깊이와의 상관성은 매우 적은 것으로 나타났다. 접속슬래브의 공동 조사결과, 공동은 최대 6 cm까지 발생한 것으로 나타났다.