Development of Analytical Model for Cement Concrete Pavements Considering Joint Behavior

줄눈부의 거동을 고려한 시멘트콘크리트 포장체의 해석모델 개발

Joints are provided in cement concrete pavements to control transverse and longitudinal cracking that occur due to restrained deformations caused by moisture and temperature variations in the slab. But the constuction of joints reduces the load-carrying capacity of the pavement at the joints, and pavements have been deteriorated by cracks at the slab edges along the joints due to traffic loads. Therefore, it is important to analyze the behavior of joints accurately in the design of cement concrete pavements. In this study, the mechanical behavior of cement concrete pavement slabs is analyzed by the plate-finite element model, and Winkler foundation model is adopted to analyze the subgrades. The load transfer mechan¬ism of joints are composed of dowel action, aggregate interlocking, and tied-key action, and the analytical pro¬gram is developed using these joint models. Using this numerical model as an analysis tool, the effects of joint parameters on the behavior of pavements are investigated.

시멘트콘크리트 포장의 세로줄눈 및 가로줄눈은 교통하중의 반복이동에 의한 포장슬래브의 단차현상을 억제하고, 하중, 온도 및 습도변화 등에 의하여 발생하는 응력 및 변형을 효율적으로 조절하기 위하여 설치된다. 그러나, 노반공극수의 동결융해, 지하수위의 변화, 줄눈부의 펌핑 및 단차현상으로 지반지지력이 저하되면 줄눈부에 국부적 응력집중이 발생하여 하중분산응력이 저하됨은 물론 포장의 공용성 및 안전성을 크게 위협하게 된다. 따라서 시멘트콘크리트 포장을 효율적으로 유지관리하고 사용성을 확보하기 위해서는 줄눈부의 하중전달특성을 보다 엄밀히 반영할 수 있는 해석모델이 정립되어야 하며, 이를 토대로 체계적인 유지관리 시스템이 개발되어야 한다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 줄눈부의 거동을 다우얼바의 연결작용, 골재 맞물림작용 및 타이드키 작용으로 구분한 후, 포장체의 특성에 따라 이들의 영향을 포장슬래브의 구조해석에 선택적으로 반영시킬 수 있도록 해석프로그램을 개발하였다. 포장슬래브의 거동평가를 위하여 Winkler 기초모델 및 탄성지반 위에 놓인 판이론을 적용하였으며, 4절점 사각형 유한요소를 사용하여 줄눈요소의 강성 매트리스를 전 해석과정에 반영하였다. 한편, 본 연구의 해석결과를 Huang의 수치예에 비하여 Arlington 실험값에 더욱 근접된 경향을 보이므로 매우 효율적인 것으로 평가된다.