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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 암성토 시공 후 상부 무캡핑시 세립분의 간극채움을 확인하여, 침하와 지지력이 성토체의 역할로서 가능한가를 검토하였다. 다짐시 발생하는 동적 토압에 의한 성토재료의 다짐특성을 고찰하고, 다짐에 의한 토질의 역학적 변화를 관찰하기 위해서 다짐횟수별로 들밀도, 현장지지력 시험을 실시하여, 다짐두께 및 다짐횟수에 의한 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서는 암성토두께, 토사캡핑 유무, 여러 품질관리시험 방법을 적용한 현장시험을 통하여 암성토 현장 다짐시 적정 방안을 제시하고자 하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 체가름 시험의 경우 현장 다짐상태의 양호 여부와 암입자 간극 채움율 파악 및 입도분포 상태 등을 알아보기 위하여 실시하였다. 현재까지의 체가름 시험의 기준은 106 mm까지 시험하였지만, 암성토의 최대치수가 600 mm로 규정되어 있어 KS F 2302가 정하는 입도시험법을 적용할 수 없어 별도의 임의 규정으로 600 mm, 300 mm, 150 mm를 정하여 실시하였다.
- 현장에서 전압된 재료의 다짐도를 측정하는 방법 중 암과 같은 조립재의 상대밀도를 측정하는 방법으로 물 치환법을 사용하고 있다. 현재 대부분의 경우, 댐공사에서 실시되고 있으며, 암성토의 확대 시공으로 인한 시험법의 보완과 개선이 필요하고, 다짐도를 효율적으로 판단하기 위하여 실시하였다.
제안 방법
- 동적토압 계측은 1단 (30 cm) 성토 후 다짐장비에 의해 5회 왕복 주행하여 계측하였다. 계측 후 단계별로 10 cm, 20 cm, 30 cm의 높이로 양질의 토사로 캡핑을 실시하여 동적토압 계측을 실시하였다. Fig.
- 또한, 수준기 등을 사용하여 계측기를 수평으로 설치하였다. 계측기 설치후 레벨 측량을 실시하여 심도를 확인하고 초기치를 측정하였다. 계측기 설치후, 계측기 상부에 굵은 자갈 등을 제거하고 고운 모래, 흙 등을 사용하여 도포한 다음, 암성토재료의 포설을 실시하여 다짐작업 및 계측을 실시하였다.
- 계측기 설치후 레벨 측량을 실시하여 심도를 확인하고 초기치를 측정하였다. 계측기 설치후, 계측기 상부에 굵은 자갈 등을 제거하고 고운 모래, 흙 등을 사용하여 도포한 다음, 암성토재료의 포설을 실시하여 다짐작업 및 계측을 실시하였다.
- 계측센서의 설치수량은 Table 2에 나타내었으며, 대형 진동다짐장비의 운행시 발생하는 충격하중에 의해 지반의 전달되는 응력을 심도별로 연속적으로 측정하기는 어렵기 때문에, 암성토실시전 원지반에 계측센서를 매설하여 측정하였으며, 1개소당 2개의 계측센서를 매설하였다.
- 기본적으로 다짐장비에 의해 발생하는 동적 수직토압을 측정하였다. 현장시험 다짐시, 대형 진동다짐장비의 중심이 계측센서가 매설된 지점들의 축선과 일치시켜 진동륜을 선행 주행시키면서, 발생하는 진동 다짐압을 측정한다.
- 다짐 후 현장에서 최대 지름 입자가 50 mm 이하 흙의 단위중량을 모래 치환법으로 측정하였지만, 암성토의 최대입경을 고려하여 물 치환법을 시행하였으며 Fig. 5와 같다.
- 따라서 본 연구에서는 암성토 시공 후 상부 무캡핑시 세립분의 간극채움을 확인하여, 침하와 지지력이 성토체의 역할로서 가능한가를 검토하였다. 다짐시 발생하는 동적 토압에 의한 성토재료의 다짐특성을 고찰하고, 다짐에 의한 토질의 역학적 변화를 관찰하기 위해서 다짐횟수별로 들밀도, 현장지지력 시험을 실시하여, 다짐두께 및 다짐횟수에 의한 영향을 분석하였다. 또한, 암성토 다짐의 품질관리방법중 현장지지력시험과 비교하여 새로운 다짐 관리방법을 적용하기 위하여 중추낙하법을 이용한 다짐관리방법(LWDT)과 지반강성을 이용한 다짐관리방법 (geogauge)의 적용성을 평가하였다.
- 고속도로 건설 현장 10개 zone에서 현장시험을 실시하였다. 다짐에 의한 토질의 역학적 변화를 관찰하기 위해서 다짐횟수별로 들밀도, 현장지지력 시험을 실시하여, 다짐두께 및 다짐횟수에 의한 영향을 분석하였으며, Table 1은 현장시험을 실시한 지역과 적용한 시험 내용을 나타낸 것이다.
- 다짐이 완료된 직후, 현장 들밀도시험 및 현장 지지력시험을 실시하였다. 이와 병행하여 지반강성 측정장비를 이용하여 다짐이 시행된 후, 지반강성을 측정하였다.
- 현장시험부지를 확보한 다음, 계측센서를 매설하고, 일정 두께로 성토한 후 다짐장비를 주행시킨다. 다짐중에 장비의 진동하중에 의해 토체에 가해지는 동적 수직토압을 실시간으로 측정하였다. 다짐도는 현장지지력시험 (평판재하시험)을 이용하였으며, 추가적으로 LWDT와 Geogauge에 의한 방법도 이용하였다.
- 대형 진동다짐장비를 사용하여 노체, 노상 등의 공종을 시행하는 경우, 토질의 종류, 다짐 장비의 제원에 따라, 다짐압이 미치는 범위와 심도는 달라질 것이므로 적정한 다짐두께를 산정하기 위해 진동하중에 의해 토체에 전달되는 응력과 다짐전후의 토압변화를 측정하였다.
- 기본적으로 동적 수직토압을 측정하는 동적 계측을 실시하였다. 대형 진동다짐장비의 중심이 계측센서가 매설된 지점들의 축선과 일치시켜 주행시키면서, 발생하는 진동하중을 측정하였다. 진동롤러를 주행시 강진동으로 하고 규정된 속도 6 Km/hr 이하로 완속 주행시키면서 측정하였다.
- 동적토압 계측은 1단 (30 cm) 성토 후 다짐장비에 의해 5회 왕복 주행하여 계측하였다. 계측 후 단계별로 10 cm, 20 cm, 30 cm의 높이로 양질의 토사로 캡핑을 실시하여 동적토압 계측을 실시하였다.
- 동적토압은 1단 및 2단 성토 후 다짐장비에 의해 5회 왕복 주행하여 계측하였다.
- 동적토압은 30 cm 1단 및 2단 성토 후 다짐장비에 의해 3회 왕복 주행하여 계측하였다. Fig.
- 지반을 편평하게 다지고, 모래 등을 포설하여 고른 다음, 계측기 수압판의 상단이 설계심도가 되도록 계측기를 조정하였다. 또한, 수준기 등을 사용하여 계측기를 수평으로 설치하였다. 계측기 설치후 레벨 측량을 실시하여 심도를 확인하고 초기치를 측정하였다.
- 다짐시 발생하는 동적 토압에 의한 성토재료의 다짐특성을 고찰하고, 다짐에 의한 토질의 역학적 변화를 관찰하기 위해서 다짐횟수별로 들밀도, 현장지지력 시험을 실시하여, 다짐두께 및 다짐횟수에 의한 영향을 분석하였다. 또한, 암성토 다짐의 품질관리방법중 현장지지력시험과 비교하여 새로운 다짐 관리방법을 적용하기 위하여 중추낙하법을 이용한 다짐관리방법(LWDT)과 지반강성을 이용한 다짐관리방법 (geogauge)의 적용성을 평가하였다.
- 모델명은 EDX-1500으로 동적 계측이 가능하며, 측정할 수 있는 채널의 개수가 32CH으로, 1CH당 계측빈도가 최고 10,000 Hz 이상으로 본 현장시험계측의 목적에 필요한 채널수와 측정범위를 충분히 만족시킨다. 또한, 초기치 설정 및 다짐완료후의 토압측정 등의 정적 토압 계측시에는, 핸드스트레이너 등을 사용하여 측정하였으며, 동적 및 장기계측에 필요한 동적측정장치 (EMR-1000A)를 이용하였다.
- 본 논문은 3년 동안의 연구결과로 동적토압은 3차년도에 연구한 지역인 z-2, z-5, z-7에 대하여 수행하였다.
- 본 현장시험에 사용되는 모든 토압계는 다짐시에 발생하는 토압을 가능한 정확하게 측정할 수 있도록 반력판 및 부품을 특수 설계, 제작하여 상기 사항을 보완하였다. 토압계는 전기저항방식으로 수압판 (□형, 20 cm×20 cm, t＝1.
- 다짐이 완료된 직후, 현장 들밀도시험 및 현장 지지력시험을 실시하였다. 이와 병행하여 지반강성 측정장비를 이용하여 다짐이 시행된 후, 지반강성을 측정하였다. 장비를 이용하여 측정할 부분을 평평하게 고르고, 측정할 장소를 락카 등을 이용하여 표선작업을 시행하고, 기본적으로 다짐시행 1개소에 1회 실시하였다.
- 이와 병행하여 지반강성 측정장비를 이용하여 다짐이 시행된 후, 지반강성을 측정하였다. 장비를 이용하여 측정할 부분을 평평하게 고르고, 측정할 장소를 락카 등을 이용하여 표선작업을 시행하고, 기본적으로 다짐시행 1개소에 1회 실시하였다.
- 계측기는 매설 설계심도보다 5 cm 깊게 굴착하였다. 지반을 편평하게 다지고, 모래 등을 포설하여 고른 다음, 계측기 수압판의 상단이 설계심도가 되도록 계측기를 조정하였다. 또한, 수준기 등을 사용하여 계측기를 수평으로 설치하였다.
- 대형 진동다짐장비의 중심이 계측센서가 매설된 지점들의 축선과 일치시켜 주행시키면서, 발생하는 진동하중을 측정하였다. 진동롤러를 주행시 강진동으로 하고 규정된 속도 6 Km/hr 이하로 완속 주행시키면서 측정하였다.
- 현장시험 다짐시, 대형 진동다짐장비의 중심이 계측센서가 매설된 지점들의 축선과 일치시켜 진동륜을 선행 주행시키면서, 발생하는 진동 다짐압을 측정한다. 진동롤러의 주행시 진동레벨은 강진동으로 하고 규정된 속도 6 km/hr 이하로 완속 주행시키면서 3회 및 5회 왕복 측정을 하였다.
- 측정은 사질이나 자갈질에 사용 가능하며 링 형태의 접지부가 60 % 이상 접촉시에 실시하며 100에서 196 Hz 사이의 25개 주파수에서 힘과 변형을 측정하고 평균값을 표시하여 준다. 총 측정시간은 약 1분 15초 내외 소요되며 500개의 측정자료를 기록할 수 있다.
- 토압계는 전기저항방식으로 수압판 (□형, 20 cm×20 cm, t＝1.0 cm)에 가해지는 압력을 직접적으로 스트레인 게이지에 전달할 수 있는 구조이고, 주위지반과 강성의 차이에서 오는 응력집중을 방지하기 위해 수압판의 주위를 5 cm 이상 칼라를 연장하였다.
- 기본적으로 다짐장비에 의해 발생하는 동적 수직토압을 측정하였다. 현장시험 다짐시, 대형 진동다짐장비의 중심이 계측센서가 매설된 지점들의 축선과 일치시켜 진동륜을 선행 주행시키면서, 발생하는 진동 다짐압을 측정한다. 진동롤러의 주행시 진동레벨은 강진동으로 하고 규정된 속도 6 km/hr 이하로 완속 주행시키면서 3회 및 5회 왕복 측정을 하였다.
- 현장에서 성토다짐의 품질관리 방법중 평판재하시험과 비교하여 새로운 다짐도 판정 방법을 적용하기 위하여 LWDT와 Geogauge의 두 가지 장비를 적용성을 검증하였다. 종래의 RI 시공관리방법이나 모래치환법은 측정범위가 30 cm 이하이므로 본 현장시험 목적과 같은 다짐층을 증가시키는 경우는 보다 깊은 층의 다짐도를 평가하는 것이 필요하다.
- 체가름 시험의 경우 현장 다짐상태의 양호 여부와 암입자 간극 채움율 파악 및 입도분포 상태 등을 알아보기 위하여 실시하였다. 현재까지의 체가름 시험의 기준은 106 mm까지 시험하였지만, 암성토의 최대치수가 600 mm로 규정되어 있어 KS F 2302가 정하는 입도시험법을 적용할 수 없어 별도의 임의 규정으로 600 mm, 300 mm, 150 mm를 정하여 실시하였다.
대상 데이터
- 고속도로 건설 현장 10개 zone에서 현장시험을 실시하였다. 다짐에 의한 토질의 역학적 변화를 관찰하기 위해서 다짐횟수별로 들밀도, 현장지지력 시험을 실시하여, 다짐두께 및 다짐횟수에 의한 영향을 분석하였으며, Table 1은 현장시험을 실시한 지역과 적용한 시험 내용을 나타낸 것이다.
- 따라서, 본 현장시험 목적을 달성하기 위해서는 원지반조건을 고려하여 적절한 토공지역을 선정하여야 하며, 암성토가 고속도로 건설사업이 시행되는 곳에 대부분 시행되고 있으므로 대표성을 가지는 지역을 선정하여야 한다. 또한, 사용되는 장비 조합들과 현장공사진행 일정을 고려하여 현장시험지역을 선정하였다.
- 이 방법은 종래의 방법에 비해 신속하고 간편하고, 개발비용이 비교적 저렴하다는 장점이 있으나, 적용토질에 한계가 있으며, 추의 종류에 따라 적용 깊이에 차이가 있다는 단점이 있다. 사용 시험기의 이름은 Light Drop-Weight Tester ZFG2000로 도로공사중 노반, 노상, 입상기층의 재하시험을 동적변형계수 (Evd, MN/m2)를 구함으로써 신속한 조사를 수행 할 수 있는 장점이 있다. 재하시험으로 구한 변형계수를 이용하여 골재, 재활용재료, 뒷채움재료, 생석회 다짐재료로 이루어진 노상, 노반, 입상기층의 지지력 계수로 이용할 수 있다.
- 현재 사용중인 방법으로는 측정에 오랜 시간이 걸리며 방법이 복잡하다는 단점이 있으나, 지오게이지의 경우는 간단하고 쉬운 측정을 제공하기 위하여 만들어진 장비이다. 지오게이지는 25 cm 의 원형으로 높이 28 cm, 중량 10 kg으로 Fig. 2와 Fig. 3에 나타내었다.
이론/모형
- 다짐중에 장비의 진동하중에 의해 토체에 가해지는 동적 수직토압을 실시간으로 측정하였다. 다짐도는 현장지지력시험 (평판재하시험)을 이용하였으며, 추가적으로 LWDT와 Geogauge에 의한 방법도 이용하였다.
성능/효과
- 1. 암성토 다짐도 평가를 위한 평판재하시험 결과 지지력계수가 평균 2.9 MPa 이상 으로 높은 값을 보이고 있어 상부포장 및 교통하중에 의한 충분한 강성을 갖고 있는 것으로 판단된다.
- 2. 현장밀도 시험결과 편차를 크게 나타내는 1개 지역을 제외하면 성토고 30 cm에서 평균 21.87 KN/m3, 성토고 60 cm에서는 평균 23.34 KN/m3으로 상부 하중에 대한 충분한 강성을 갖는 것으로 나타났다.
- 3. 성토다짐의 품질관리 방법을 개선하기 위한 다짐관리방법의 적용성 검증결과 현재 적용하고 있는 평판재하시험과의 상관관계가 있는 것으로 나타나 암성토 품질관리 방법으로 적용성이 있는 것으로 판단된다.
- 4. 동적다짐의 측정결과 성토두께 30 cm에서는 60 cm보다 약 40 % 이상 크게 동적다짐압에 발생되는 것으로 나타나 암성토 두께가 증가할수록 암버력의 인터록킹에 의해 상부응력이 암성토 하부로 골고루 분산되는 것으로 사료된다.
- 5. 현장시험 결과 암성토시 간극사이로 세립토가 충분히 채워지기 때문에 침하발생 등의 우려를 방지하기 위해 매층마다 실시하는 토사캡핑은 필요에 따라 완성면을 기준으로 실시하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 또한, 성토두게 60 cm와 30 cm에서 세립분의 유실이 적고, 세립분이 다량 함유되어 있어 노체 완성면까지 시공이 가능할 것으로 판단된다.
- Fig. 28에서 성토두께에 따른 다짐장비의 최대토압을 비교한 결과, 성토고가 30 cm에서 발생하는 토압이 60 cm 성토 후 최대 37.5 %에서 최소 18.9 %의 응력이 감소되는 것으로 나타났다. 암성토 시공시 성토고 증가시 암 입자간의 인터록킹에 의해 하부로 전달되는 응력이 성토고 30 cm 증가시 평균적으로 약 28.
- LWDT에 의한 탄성계수 측정 결과는 Fig. 12와 같이 현장시험지별로 차이를 보이고 있었지만, 평균적으로 45 MN/m2의 값을 나타내고 있었다. Fig.
- 3 %의 감소를 나타냈다. 또한, 성토두께와 무관하게 다짐장비에 의한 다짐압의 변화는 2회 왕복주행 이후 크게 증감하지 않는 것으로 나타났다.
- 암성토 시공시 성토고 증가시 암 입자간의 인터록킹에 의해 하부로 전달되는 응력이 성토고 30 cm 증가시 평균적으로 약 50 %의 감소를 나타내는 것으로 사료된다. 또한, 성토두께와 무관하게 다짐장비에 의한 다짐압의 변화는 2회 왕복주행 이후 크게 증감하지 않는 것으로 측정되었다.
- 특히, 토사캡핑의 두께가 20 cm에서 가장 큰 다짐압이 감소되었으며, 30 cm와 10 cm의 순서로 다짐압이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 캡핑과 무캡핑시 다짐장비에 의한 다짐압의 변화는 3회의 왕복 주행이후 큰 증감을 보이지 않고 일정한 다짐압의 값으로 수렴할 것으로 판단된다.
- 12에서 30 cm와 60 cm는 성토두께를 나타낸 것이다. 또한, 평판재하시험 결과를 동적변형계수와 상관관계를 분석한 결과 EDyn＝8.8209 K30＋22.3941의 관계가 있을 것으로 나타났으며 결정계수가 0.770 정도로 평가되어 상관성이 있는 것으로 분석되었다. 따라서, 암성토 다짐구간에 대한 다짐관리시 중추낙하법을 이용한 방법을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 동적 계측시 사용하는 Data logger의 사양은 다음과 같다. 모델명은 EDX-1500으로 동적 계측이 가능하며, 측정할 수 있는 채널의 개수가 32CH으로, 1CH당 계측빈도가 최고 10,000 Hz 이상으로 본 현장시험계측의 목적에 필요한 채널수와 측정범위를 충분히 만족시킨다. 또한, 초기치 설정 및 다짐완료후의 토압측정 등의 정적 토압 계측시에는, 핸드스트레이너 등을 사용하여 측정하였으며, 동적 및 장기계측에 필요한 동적측정장치 (EMR-1000A)를 이용하였다.
- 시험결과 입도분포곡선을 정량적으로 나타낼 수 있는 균등계수 (4 또는 6＜Cu)와 곡률계수(1＜Cg＜3)의 경우 Table 3과 4에 나타낸 것과 같이 양호한 분포를 이루고 있는 것으로 측정되었다.
- 9 %의 응력이 감소되는 것으로 나타났다. 암성토 시공시 성토고 증가시 암 입자간의 인터록킹에 의해 하부로 전달되는 응력이 성토고 30 cm 증가시 평균적으로 약 28.3 %의 감소를 나타냈다. 또한, 성토두께와 무관하게 다짐장비에 의한 다짐압의 변화는 2회 왕복주행 이후 크게 증감하지 않는 것으로 나타났다.
- 8 %의 응력이 감소되는 것으로 나타났다. 암성토 시공시 성토고 증가시 암 입자간의 인터록킹에 의해 하부로 전달되는 응력이 성토고 30 cm 증가시 평균적으로 약 50 %의 감소를 나타내는 것으로 사료된다. 또한, 성토두께와 무관하게 다짐장비에 의한 다짐압의 변화는 2회 왕복주행 이후 크게 증감하지 않는 것으로 측정되었다.
- 암성토 지반에서 행하여진 평판재하시험결과 지지력계수 값이 평균 3 MPa 이상으로 높은 값을 보이고 있어, 상부 포장 및 교통하중에 의한 강성을 충분히 갖고 있는 것으로 판단된다.
- 암성토 후 캡핑 유무에 따른 다짐장비의 최대토압을 비교한 결과 캡핑을 실시한 경우 다짐압이 무캡핑보다 적게 나타났다. 특히, 토사캡핑의 두께가 20 cm에서 가장 큰 다짐압이 감소되었으며, 30 cm와 10 cm의 순서로 다짐압이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
- 암성토 후 캡핑 유무에 따른 다짐장비의 최대토압을 비교한 결과 캡핑을 실시한 경우 다짐압이 무캡핑보다 적게 나타났다. 특히, 토사캡핑의 두께가 20 cm에서 가장 큰 다짐압이 감소되었으며, 30 cm와 10 cm의 순서로 다짐압이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 캡핑과 무캡핑시 다짐장비에 의한 다짐압의 변화는 3회의 왕복 주행이후 큰 증감을 보이지 않고 일정한 다짐압의 값으로 수렴할 것으로 판단된다.
- 현장밀도 시험결과, 성토두께 60 cm에서는 평균 23.3 KN/m3, 성토두께 30 cm에서는 21.8 KN/m3의 밀도값을 보였다. 암의 단위중량을 25.
- 현장시험을 통한 현장밀도 시험결과는 성토두께 30 cm와 60 cm의 상대밀도 측정값이 단위중량 19.6 KN/m3～24.5 KN/m3사이에 분포하는 것으로 측정되었다. 일반적으로 연암 또는 풍화암의 단위중량을 22.
후속연구
- 770 정도로 평가되어 상관성이 있는 것으로 분석되었다. 따라서, 암성토 다짐구간에 대한 다짐관리시 중추낙하법을 이용한 방법을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 현장시험 결과 암성토시 간극사이로 세립토가 충분히 채워지기 때문에 침하발생 등의 우려를 방지하기 위해 매층마다 실시하는 토사캡핑은 필요에 따라 완성면을 기준으로 실시하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 또한, 성토두게 60 cm와 30 cm에서 세립분의 유실이 적고, 세립분이 다량 함유되어 있어 노체 완성면까지 시공이 가능할 것으로 판단된다.
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