현재 노상토의 특성평가를 위한 실내실험은 주로 충격다짐방법을 적용한 Proctor다짐(A다짐 또는 D다짐)이 이용되고 있다. 그러나, 현장의 경우 로울러를 이용한 압착형태의 다짐방법이 이용된다. 이러한 실내다짐방법과 현장다짐방법의 차이는 결국 실내실험으로부터 결정된 노상토의 물성치 적용시 상당한 오차를 포함함을 의미한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 선회다짐기를 이용한 흙의 다짐평가를 시행하였다. 선회다짐기는 교통하중에 의해 발생하는 아스팔트 혼합물의 현장 밀도를 실내에서 재현하기 위해 제작된 것으로 현장에서 얻어지는 골재입자의 배열과 유사하게 다진다는 장점이 있다. 하지만, 선회다짐기는 초기 아스팔트 시편 제작을 위해 설계되었기 때문에 흙의 다짐도 평가에는 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 본 연구의 목적은 선회다짐기를 이용하여 흙의 다짐시험을 할 때 발생되는 문제점을 파악하고, 그 해결방안을 제시하는데 있다. 이를 위하여 다짐압력, 다짐횟수, 다짐속도에 따른 다짐 전 후의 함수비 및 무게 차이를 비교하고, 다짐 후 함수비변화가 일어나지 않는 최대함수비를찾고, 다짐곡선 작도에 미치는 영향을 알아보았다.
본 연구는 흙건축 시공 시 많이 사용되는 흙다짐 공법의 경우, 흙재료의 배합 숙련도에 따라 달라지는 함수량은 강도와 내구성에 크게 영향을 미치게 되므로 이를 적절히 확인하여 시공하는 것은 매우 중요하다. 적정함수량의 산정문제는 실험실 환경에서는 정확하게 구할 수 있지만 현장에서는 여러 여건상 곤란한 것이 현실이다. 따라서 본 연구는 흙건축에 적용되는 흙다짐 공법을 중심으로 낙하시험과 함수율의 관계를 규명하여 실제현장에서 작업자가 쉽게 적정함수비를 판별할 수 있는 용이성과 시험의 정확성 문제를 개선하고자 한다. 실험의 결과를 통하여 현장에서 활용할 수 있는 배합설계와 시험방법의 명세화, 낙하형상 판별방법의 과정과 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 도로 성토현장에서 파 기반의 비파괴시험법과 관입시험의 현장 다짐품질 측정에 대한 적용성을 평가하였다. 현장에서 다짐 노상토의 물리 역학적 특성을 평가하기 위해 흙강성 측정기(SSG), 시간영역 반사측정기(TDR), 소형 전기-기계 시스템(MEMS) 가속도계 등의 비파괴시험을 이용하여 다짐 전후 흙의 응답을 평가하였고, 동적 콘관입시험기(DCP)를 이용하여 다짐 후 전단특성을 평가하였다. 현장시험은 두 가지 흙의 종류에 대해 네 가지의 다짐장비 및 다짐에너지로 조성된 성토지반에서 수행되었다. 시험결과, 조사 매커니즘이 다른 시험법인 SSG, TDR, MEMS 가속도계 및 DCP로 측정된 흙의 파라메터들은 상호 연관성이 있는 것으로 분석되었으며, 다짐지반의 전체적인 품질 및 공학적인 응답을 고려하여 시험 방법들을 현장에 적용할 경우, 기존의 다짐도 평가 방법들을 대체 또는 보완하여 현장에서 신속한 다짐품질 평가를 수행할 수 있는 것으로 나타났다.
입상재료를 이용한 도로의 시공은 주로 다짐을 이용한다. 다짐으로 인한 효과는 흙의 강도증진, 압축변형감소, 투수계수감소등이 있다. 현재 사용하는 다짐은 주로 프록터 다짐기를 이용한 표준 및 수정다짐방법을 이용한다. 프록터 다짐기는 주로 충격에너지를 이용하여 다짐효과를 구현하는데, 이는 현장의 다짐기기에 의한 다짐조건과 상이하며, 최대건조밀도를 맞추는데 상당한 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 선회다짐기를 이용한 흙의 다짐평가를 시행하였다. 본 연구의 목적은 현장다짐장비의 조사, 실내다짐방법의 다짐특성 평가, 현장다짐특성을 평가하여, 선회다짐기를 이용한 새로운 다짐평가방법을 제시하고자 한다.
본 연구는 다짐특성과 관련된 정량적인 자료를 제공하고자, 현장에서 채취된 여러 종류의 흙에 대한 입도분포 및 소성도에 따른 다짐특성을 파악하고, 인위적으로 조성한 입상체 흙에 대하여 A, D다짐에 따른 다짐특성 관계를 파악하였다. 실험 결과 최대 건조단위중량은 점토질 흙이 모래질 흙과 자갈질 흙에 비해 약 10% 작게 나타났다. 또한 점토질 흙의 최적함수비는 모래질 흙에 비해 약 20%, 자갈질 흙에 비해 약 30% 크게 나타나는 경향을 보였다. 또한 #200체 통과량은 30~50%, 모래 함유량은 30~60% 정도에서 다짐특성의 뚜렷한 변화를 확인할 수 있었다. 액성한계와 소성한계에 따른 다짐특성은 유사한 변화특성을 나타내었고, 세립토의 함유량이 많을수록 다짐특성이 뚜렷하지 않은 결과를 얻을 수 있었다. 인위적으로 조성된 입상체 재료와 현장재료의 다짐 특성은 거의 유사한 변화특성을 보였다. 한편 D다짐에 비해 A다짐이 최대건조단위중량은 약 10% 작게, 최적함수비는 약 20% 크게 나타났으며, 최대건조단위중량과 최적함수비가 커질수록 그 비는 증가하는 것으로 나타났다.
국내에 많은 도로공사, 공항공사, 항만공사, 구조물 되메우기 공사 등의 토목공사에서 흙의 다짐은 가장 중요한 공정 중 하나이다. 특히 도로공사에서 흙의 다짐공사는 노체다짐과 노상다짐으로 구분하며 다짐도 부족으로 부실공사의 원인으로 작용하기도 하는 중요한 작업이다. 현재는 여러 가지 다짐도 측정방법이 있으나 가장 많이 사용되는 평판재하시험이나 모래치환법에 의한 흙의 단위중량 시험방법을 가장 많이 사용하고 있으나 경제성이 없어 여러 측정방법이 개발되고 있다. 간편한 다짐도 측정 방법의 목적으로 측정기를 개발하고 제작한 것이 자유낙하 관입깊이별 다짐도 시험기(Free-Fall Penetration Test; FFPT)이다. 본 연구에서는 실내시험을 위하여 균질한 시료를 공사현장에서 확보하여 체가름 시험을 통해 흙을 분류하고 입도분석시험과 비중시험을 실시하였다. 자유낙하 관입깊이별 다짐도 시험기(FFPT)의 원리는 지구중력을 이용한 자유낙하 물체의 선단에 설치된 관입 침이 노체 또는 노상의 다짐이 완료된 노면에 관입 되는 깊이를 관측하고 그 위치에 모래치환법에 의한 흙의 단위중량시험을 통하여 다짐도 값을 구하여 분석하고 연관성을 검증하는 것으로 흙의 최대허용입경이 2.36mm로 시험하였으며 $A_1$다짐의 경우는 낙하고 10cm에서 시험한 결과 값으로 추세선을 작성하고 추세선의 결정계수 $R^2=0.8677$ 값을 도출하였으며 $D_2$다짐의 경우는 낙하고 20cm에서 측정 시 결정계수 $R^2=0.9815$ 값이 관측되었다. 자유낙하시험은 낙하높이를 10cm에서 50cm까지 10cm 간격으로 변경을 하면서 시험하였다. 본 연구는 모래치환법에 의한 흙의 단위중량시험을 통하여 얻은 다짐도 값과 FFPT 시험기를 통해 얻은 관입침의 관입깊이와의 연관성을 비교 분석하여 현재의 다짐도 측정방법의 단점인 시간, 장비, 인력의 소모를 최소화하여 경제성을 확보하고 정확성과 간편성을 보장하는 다짐도 측정기 제작으로 여러 공사현장에서 다짐도 측정이 간단하게 진행될 것이다.
흙의 다짐시험(試驗)에서 다짐층수(層數), 래머의 낙하회수(落下回數) 및 낙하고(落下高)를 변화(變化)시켜 다짐방법(方法)을 달리했을때 다짐효과(效果)에 미치는 영향(影響)을 조사하기 위하여 시험(試驗)한 결과(結果)를 요약(要約)하면 다음과 같다. 1. 다짐시험용(試驗用) 몰드의 치수가 작으면 시료(試料)의 최대경(最大徑)의 영향을 받는다. 2. 입도배합(粒度配合)이 양호(良好)한 흙일수록 다짐효과(效果)가 좋았으며 가장 좋은 다짐효과(效果)를 나타내는 No 200체 통과분의 최적함유량은 조립토함유량(粗粒土含有量)에 따라 다르나 대략(大略) 30~40%이었다. 3. 다짐에너지를 일정(一定)하게 고정했을때 다짐에너지를 가하는 방법(方法)이 다짐효과(效果)에 미치는 영향(影響)은 최대건조밀도(最大乾燥密度)의 차이가 A 시료(試料)에서는 1.3% B 시료(試料)에서는 3.1 % C 시료(試料)에서는 2.2%로 나타났다. 4. 다짐에너지를 증가시키면 다짐효과(效果)는 증대되나 다짐에너지가 어느 한계 (A시료(試料) : $5.96kg.cm/cm^3$)를 초과하면 그의 효과(效果)는 완만하게 나타났다. 5. 가장 이상적(理想的)인 다짐 효과(效果)를 나타내기 위한 다짐에너지의 증가방법(增加方法)은 흙의 토성(土性) 및 구성(構成), 입도분포(粒度分布)에 따라 다르며 A 시료(試料)에서는 낙하고, B시료(試料)는 다짐층수, C 시료(試料)는 낙하횟수를 증가시키는 것이 다짐효과(效果)가 좋았다.
TDR 함수량계는 전자기파를 이용하여 흙의 밀도와 함수비를 비파괴적으로 신속하게 평가하는 유망한 기술이다. TDR 시험법은 10~20cm 길이의 2~3개의 탐침을 지중에 관입시킨 후 전자기파의 이동시간을 측정하여 유전상수($K_a$)를 산정한다. 제안식을 이용하여 유전상수로부터 체적함수비(${\theta}$)의 산정이 가능하므로, 이 시험법은 흙의 함수비를 측정할 수 있는 비파괴시험 장치로 개발되어 활용되고 있다. 또한, 흙의 종류에 따른 보정상수가 파악되어 있는 경우에는 현장 밀도와 현장 함수비를 동시에 평가할 수 있으므로, TDR 함수량계를 이용하여 성토지만비나 노상토에 대한 신속하고 간편한 다짐관리가 기능하다.
흙의 다짐 특성에 영향을 주는 주요인자 중 하나인 온도는 지역과 계절에 따라 다양하게 변화하는 특성을 가진다. 최근 동토지방에서 많은 토목공사가 시행되고 있지만, 온도와 관련된 흙의 다짐기준 및 지침을 정량화할 수 있는 문헌은 미비한 실정이다. 따라서 본 연구는 온도에 따른 흙의 다짐특성을 시험을 통해 평가하고자 하였다. 시험을 위해 러시아 시베리아, 캐나다 앨버타 주 오일 샌드 지역 등에서 자주 쓰이는 성토재료인 모래의 온도별 다짐특성을 나타낼 수 있는 주문진 모래를 사용하였으며, 표준다짐시험을 흙의 다양한 온도조건($-10^{\circ}C$에서 $17^{\circ}C$)에서 수행하였다. 시험 결과 영상 온도에서는 다짐 시 벌킹 효과로 인해 흙 공시체의 부피 팽창이 발생하였으며, 그 범위는 0%~6%이였다. $0^{\circ}C$에서 $17^{\circ}C$까지 온도가 증가하면서 최대 부피(최소 건조단위중량)에 해당하는 함수비는 감소하였고, 최소 부피(최대 건조단위중량)에 해당하는 함수비는 온도가 증가함에 따라 약간 증가하였다. 영하 온도의 경우 함수비가 추가됨에 따라 건조단위중량은 지속적으로 감소하였다. 영하 온도에서는 벌킹이 발생하지 않았으며 물의 단위부피보다 얼음의 단위부피가 더 크기 때문에 흙 공시체의 부피가 증가하였다.
구속응력(拘束應力), 전단변형율진폭(剪斷變形率振幅), 다짐함수비(含水比), 다짐에너지, 간극비(間隙比) 및 포화도(飽和度)가 다짐점성토(粘性土)의 동적전단탄성계수(動的剪斷彈性係數)에 끼치는 영향(影響)을 연구(硏究)하기 위하여 도주공진시험(圖柱工振試驗)을 하였다. 이들 각각(各各)의 요소(要素)들은 다짐 흙의 동적전단탄성계수(動的剪斷彈性係數)에 큰 영향(影響)을 나타내며 그 원인(原因)은 다짐에 의한 흙의 여러 가지 변화(變化)로서 설명(說明)할 수 있다. 흙의 동적전단탄성계수(動的剪斷彈性係數)는 다짐에 의해서 크게 증가(增加)되며 최적함수비(最適含水比) 건조측(乾燥側)의 함수비(含水比)에서 다지는 것이 훨씬 더 효과적(効果的)이다. 그리고 동적(動的) 전단탄성계수(剪斷彈性係數)와 정적(靜的) 전단탄성도(剪斷彈性度)는 좋은 상관관계(相關關係)를 나타내며 이를 이용(利用)하여 어떤 일정(一定)한 구속응력(拘束應力)에 대한 동적전단탄성계수(動的剪斷彈性係數)를 일축압축강도(一軸壓縮强度)로부터 쉽게 구할 수가 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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