[논문]현장에서의 동적관입시험을 이용한 노상토의 지지력 평가연구

안지환; 양성린; 박희문; 권수안

[국내논문] 현장에서의 동적관입시험을 이용한 노상토의 지지력 평가연구
Application of The Dynamic Cone Penetrometer for Strength Estimation of Pavement Foundation 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.6 no.3 = no.21, 2004년, pp.17 - 26

안지환 (한국건설기술연구원 도로연구부) , 양성린 (한국건설기술연구원 도로연구부) , 박희문 (한국건설기술연구원 도로연구부) , 권수안 (한국건설기술연구원 도로연구부)

초록
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아스팔트 포장에서 노상층의 상태를 평가하는 방법 중 하나로 현장 CBR(California Bearing Ratio)시험이 이용되고 있다. 그러나 현장 CBR 시험의 경우 시험특성상 시간과 비용이 많이 소모되어 광활한 구간에서의 각 구간별 포장층의 현장강도 특성을 일일이 파악하기란 매우 힘든 단점이 있다. 이에 현장에서 보다 신속하고 경제적으로 포장 지지력을 측정하는 방법으로 동적관입시험 (Dynamic Cone Penetrometer DCP)이 많이 사용되고있다. 이미 외국의 경우 많은 실내 외 시험을 통하여 CBR 값과 DCP 시험을 통한 DCP지수(DCP Index, mm/blow)간의 상관관계가 연구되어 왔으며 최근에 국내에서도 연구가 수행되었으나 실내에 국한된 것이었다. 따라서 본 연구에서는 국내현장에서 사용중인 노상토에 대한 현장 CBR값과 DCP지수에 대한 상관관계를 파악하는 연구를 수행하였다. 이를 통해 국외 자료와 비교하며 국내에서 노상토의 지지력을 평가하기 위한 DCP지수를 제안하고자 하였다. 연구결과, 노상층에서의 CBR 시험방법과 동적관입시험법간 상관관계식을 제시하였으며 국내 노상토의 지지력은 현장CBR값이 20$\sim$45% 범위로 설계시 CBR값을 고려한다면 상당히 우수한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The in-situ California Bearing Ratio (CBR) test has been widely used for evaluating the subgrade condition in asphalt concrete pavements. However, because the in-situ CBR test is expensive and takes plenty of time for operation, it is very difficult to figure out the in-situ characteristics of subgrade strength in detail. For faster and economical operation, the Dynamic Cone Penetrometer (DCP) has been often utilized for estimating the subgrade strength in the field. The relationship between the CBR value and DCP index obtained from the DCP testing has been studied using the laboratory and in-situ testing by other foreign researchers. The objective of this study is to determine the relationship between in-situ CBR value and DCP index of the subgrade materials used in Korea. The DCP index for evaluating the strength of subgrade materials produced in Korea is presented in this paper. Research results propose the regression equation to explain the relationship between the CBR and DCP tests. The in-situ CBR values of subgrade materials range from 20 to 45% indicating the good and sound subgrade condition.

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문제 정의

본 연구에서는 현장에서 노상의 지지력을 평가하는 방법인 CBR 시험과 DCP 시험을 통해 두 시험 결과의 상관관계를 파악하고 현장에서의 DCP 시험을 이용한 지지력 평가가능성을 확인해 본다. 이를 위해 전국 9개 시공현장(노상층 8개현장, 동상 방지층 6개현장)에서 현장시험을 실시하였고, 그에 따른 현장의 각 토질물성을 파악하기 위해 입도 분석, 흙의 공학적 분류 및 현장함수량을 측정하였다.
) 등이 있다. 이런 연구들이 DCP 장비를 이용하여 아스팔트 포장의 노상층에서의 CBR값을 추정하기 위하여 이용되었다.
그러나 함수량과 단위중량의 경우 DCP지수와 CBR값은 종속변수로 작용하였으나 DCP지수와 CBR값 사이의 상관관계에 대해서는 독립적인 것으로 나타났다. 그러므로 이에 대하여 보다 자세하게 살펴보았다.

제안 방법

이를 위해 전국 9개 시공현장(노상층 8개현장, 동상 방지층 6개현장)에서 현장시험을 실시하였고, 그에 따른 현장의 각 토질물성을 파악하기 위해 입도 분석, 흙의 공학적 분류 및 현장함수량을 측정하였다.
모래, 점토 및 자갈에 대하여 다양한 함수량에 따라 다짐시험을 실시하였으며 몰드사이즈에 대한 DCP지수 값의 영향을 알아보기 위하여 다양한 크기의 몰드(150mm, 200mm, 250nm)를 가지고도 시험을 수행하였다. 그 결과 DCP 지수는 주어진 토질에서 함수량 변화에 따른 CBR 시험결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 발견되었다.
현장CBR시험을 실시하였다. 이 실험으로부터 DCP시험결과에 대한 연직 구속과 마찰의 복합적 인 영향을 평가하였다. 그 결과 상재하중과 마찰의 복합적인 영향은 무시할 수 있음이 밝혀졌다.
조사하였다. 시험시 표준 150mm(6in) 몰드를 사용하여 다짐을 실시한 후, DCP시험과 CBR 시험을 실시하였다. 그림 1에서 점토질 흙에 대해서 함수량과 건조단위중량의 변화에 따른 DCP지수와 CBR 값을 나타내었다.
현장시험은 그림 2와 같이 노상층, 동상 방지층에서 현장CBR시험, 평판재하시험, DCP시험을 수행하여 각 층의 지지력을 확인하였다.
노상 및 동상방지층에서 각각 동적관입시험 3회, CBR 1회, 평판재하시험 1회를 1세트로 실시하여 지역별로 현장여건에 따라 3~5 세트를 실시하였다. 현장시험값중 적합하지 못한 자료들은 제외시켰으며 함수량 측정의 경우 일부 현장에서만 측정하였다.
현장 함수량 측정은 데이터로거(Data Logger, CR-10)와 함수량 측정 장비 (CS-616)를 이용하여 현장에서 실시간 함수량을 측정하였다(그림 5). 이는 현장에서 코어채취 후 실내에서 함수량을 측정하는 방법은 시료채취를 위한 코어장비이동의 번거로움과 시료의 이동 중 수분 손실의 오차가 발생하기 때문이다.
본 연구는 현장에서 포장지지력을 산정하는 방법인 현장CBR시험과 DCP시험을 이용하여 두 개의 시험결과값의 상관관계를 분석하였다. 노상층에서의 CBR값과 DCP지수 간에 다음과 같은 상관관계를 도출하였다.

대상 데이터

현장시험은 각 지방국도관리청의 일반국도 공사 구간 중 노상 및 동상방지층이 시공된 총 9개 지역을 선정하여 수행하였다.

데이터처리

현장시험값중 적합하지 못한 자료들은 제외시켰으며 함수량 측정의 경우 일부 현장에서만 측정하였다. DCP값은 3회 평균값을 적용하였다. 그림 3은 각 현장별 시험횟수를 나타내었다.

성능/효과

모래, 점토 및 자갈에 대하여 다양한 함수량에 따라 다짐시험을 실시하였으며 몰드사이즈에 대한 DCP지수 값의 영향을 알아보기 위하여 다양한 크기의 몰드(150mm, 200mm, 250nm)를 가지고도 시험을 수행하였다. 그 결과 DCP 지수는 주어진 토질에서 함수량 변화에 따른 CBR 시험결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 발견되었다. 다시 말해, 함수량은 DCP-CBR의 상관관계에 독립적인 것으로 결론지었다.
그 결과 DCP 지수는 주어진 토질에서 함수량 변화에 따른 CBR 시험결과와 유사한 경향을 나타내는 것으로 발견되었다. 다시 말해, 함수량은 DCP-CBR의 상관관계에 독립적인 것으로 결론지었다. 그리고 몰드사이즈가 감소할수록 DCP지수는 증가하는 것으로 나타났다.
하였다. 연구결과 DCP 자료와 골재기층의 안정성 간에는 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 도로의 상태가 좋고 나쁜 판단기준으로 DCP지수 2.6mm/blow을 제시하였다. 즉, DCP지수가 2.
그러나 함수량과 단위중량의 경우 DCP지수와 CBR값은 종속변수로 작용하였으나 DCP지수와 CBR값 사이의 상관관계에 대해서는 독립적인 것으로 나타났다. 그러므로 이에 대하여 보다 자세하게 살펴보았다.
그 결과 그림 1(d)에서 함수량이나 건조단위중량값의 변화에 따른 CBR값과 DCP 지수간의 상관관계를 나타내었다. 결론적으로 말하자면, Harison은 함수량과 건조단위중량은 DCP 지수와 CBR값의 상관관계에 영향을 미치지 않는 독립적 변수라 결론지었다.
통하여 표 2의 결과를 얻을 수 있었다. 정리된 결과를 검토해 보면 우리나라 고속도로에서 사용하는 노상토는 대부분 모래 또는 실트질 모래 (70% 이상)로 나타났다. 또한, #200 체 통과량이 10% 이하인 경우가 50% 이상이고, 70% 이상이 비소성(Non- Plastic)으로 나타났다.
시험현장의 물성치를 보면 각 시험현장의 노상층에서 설계 CBR값(표 3)과 현장 CBR값(표 4)을 비교하면 설계당시 CBR값보다 모두 크게 나타났으며 평판재하시험의 경우 1개 현장을 제외하고는 아스팔트 포장의 노상 다짐기준인 20을 넘은 것으로 보아 현장의 다짐은 설계값 및 기준 값보다 높게 이루어지고 있음을 알 수 있다. 표 4, 5는 노상층, 동상 방지층에서의 시험결과를 나타내었다.
2장의 문헌고찰에서 DCP시험과 CBR시험은 각각 함수량, 단위건조중량, 토질 종류, 토질 입도에 따라 변하는 것으로 나타났으나 함수량과 단위 건조중량의 경우 CBR값-DCP지수의 상관성에 대해서는 아무 영향을 미치지 않는 독립변수로 결론이 났다. 이는 함수량 및 단위건조중량이 증가 또는 감소함에 따라 CBR 값과 DCP Index가 동시에 같은 경향을 보이며 증가 또는 감소하기 때문이다.
그럼에도 불구하고 이러한 상관관계가 나오는 것은 DCP지수가 낮아짐에 따라 CBR값의 변화 폭이 크게 작용하는 경향인 때문으로 판단된다. 특히 노상에서 CBR값의 범위가 20%〜50% 미만으로 나타났으며 DCP지수가 감소함에 따라 CBR값의차이가 큰 것을 알 수 있다.
이번 시험결과, 국내 노상토의 지지력은 현장CBR 값이 20〜45%범위로서 포장설계시 노상토의 설계 CBR값이 8〜10%인 점을 감안한다면 상당히 우수한 것으로 판단되며 현장에서 DCP장비를 통한 노상의 포장지지력을 평가할 경우 현장 CBR 20% 이상에 해당하는 DCP지수값 15mm/blow 이하로 나타날 경우 충분한 지지력을 가지는 것으로 판단해도 좋을 것이다.
다시 말해, 함수량은 DCP-CBR의 상관관계에 독립적인 것으로 결론지었다. 그리고 몰드사이즈가 감소할수록 DCP지수는 증가하는 것으로 나타났다.

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