[논문]고속도로 건설 시 성토부 다짐관리를 위한 LFWD의 활용성

박양흠; 장일영; 도종남

doi:10.14481/jkges.2021.22.3.45

고속도로 건설 시 성토부 다짐관리를 위한 LFWD의 활용성
Utilization of LFWD for Compaction Management of Embankment in Expressway Construction 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.22 no.3, 2021년, pp.45 - 51

박양흠 (Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 장일영 (Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 도종남 (Korea Expressway Corporation Research Institute)

초록
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고속도로 토공에서 대부분을 차지하는 성토부의 다짐도 평가는 일반적으로 평판재하시험에 의해 이루어진다. 평판재하시험은 전통적인 시험법으로 높은 신뢰성을 가지고 있지만, 반력장비를 공수해야 하고, 시험 시 개소당 약 40분의 시간이 소요됨에 따라 광활한 토공부 전체를 관리하기에는 한계가 발생할 수 있다. 한편, 국토해양부에서는 이를 극복하고자 2010년에 '포장 하부구조 다짐관리 잠정지침'에서 간편한 다짐도 평가방법 기준을 제시한 바 있다. 하지만 10년이 지난 지금까지 고속도로공사 현장에서는 활용하고 있지 못하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 잠정지침에서 제시한 시험법 중 충격재하 방식의 LFWD(Light Falling Weight Deflectometer)를 활용한 다짐도 평가방법에 대한 활용성을 검증하고자 하였다. 이를 위하여 현장 토질 성상 및 다짐도별로 평판재하시험 및 LFWD시험을 실시하여 상관관계를 도출하였다. 시험결과, 80% 이하의 상대 다짐도를 가진 지반에서는 시험데이타의 일관성이 없었으나, 그 이상에서 상관도가 증가하는 경향을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 향후 충격재하 방식의 시험값의 일관성 확보를 위하여 본 연구 결과를 참고하여 시험방법 또는 시험장비를 개선한다면 토공부 다짐도 관리 사각지대를 해소하는 데에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The evaluation of the degree of compaction of the embankment area, which accounts for most of highway earthworks, is generally performed by a flat plate loading test. The plate loading test is a traditional test method and has high reliability in the field. However, as reaction force equipment must be carried out and it takes about 40 minutes per site during the test, there may be limitations in managing the entire expanse of earthworks. Meanwhile, in order to overcome this, the Ministry of Land, Infrastructure and Transport proposed a simple method of evaluating the level of compactness in the provisional guidelines for compaction management of the packaging infrastructure in 2010. However, it has not been utilized at the highway construction site until now, 10 years later. Therefore, this study attempted to verify the utility of the compaction evaluation method using LFWD (Light Falling Weight Deflectometer) of the impact loading method among the test methods suggested in the provisional guideline. To this end, the correlation was derived by conducting a plate loading test and an LFWD test for each site property and compaction degree. As a result of the test, there was no consistency of test data in the ground with a relative compaction of 80% or less. However, it was confirmed that the correlation has a tendency to increase beyond that. If the test method or test equipment is improved to ensure the consistency of the test values of the impact loading method in the future, it will play a big role in solving the blind spot for compaction management in the earthworks.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. General compact impact load tester configuration
그림 Fig. 2. Ground stiffness measurement principle of impact loading method (Korea Expressway Corporation, 2018c)
표 Table 1. General LFWD specifications
표 Table 2. Criteria for subgrade compaction test (Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2011)
표 Table 3. Criteria for subbase compaction test (Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2011)
표 Table 4. Correlation between dynamic cone penetration test value (P_R) and CBR (ASTM, 2015)
표 Table 5. Correlation between plate loading test and LFWD (Koonama et al., 2011)
표 Table 6. Correlation between static modulus (E_v2) and dynamic modulus (E_vd) (DIN, 2011)
표 Table 7. Number of field tests performed at test site A
그림 Fig. 3. Dry unit weight trend of on-site unit weight test according to the number of passes (N) (site A)
그림 Fig. 4. The bearing capacity factor of the plate loading test according to the number of passes (N) (site A)
그림 Fig. 5. The bearing capacity factor of the LFWD according to the number of passes (N) (site A)
그림 Fig. 6. Dry unit weight trend of on-site unit weight test according to the number of passes (N) (site B)
표 Table 8. Number of field tests performed at test site B
그림 Fig. 7. The bearing capacity factor of the plate loading test according to the number of passes (N) (site B)
그림 Fig. 8. The bearing capacity factor of the LFWD according to the number of passes (N) (site B)
그림 Fig. 9. Comparison of bearing capacity factor by plate bearing test and LFWD

AI 본문요약
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문제 정의

독일의 경우 평판재하시험을 2회 수행하며, 정적탄성계수산정하고 동적탄성계수와 비교하여 독일 시방서 DIN 18-196 규정에 Table 6과 같이 표준화하여 적용하고 있다. 동평판재하시험은 소형충격재하시험과 유사하며 시험결과를 활용하는 방법에 있어서 평판재하시험을 2 회동안 수행하는 번거로움이 있으므로 본 연구에서는 다른 방법론을 찾고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 잠정지침에서 제시한 시험법 중충격재하 방식의 소형충격재하시험을 활용한 다짐도 평가 방법에 대한 활용성을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 다짐장비의 통과횟수에 따른 평판재하시험과 소형충격재하시험의 상관관계를 분석하여 기존 다짐 관리 기준에 따른 소형충격재하시험의 적용성을 판단하고자 하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
이때 충격재하임에도 불구하고 관성과 속도효과를 무시한 채, 균질하고 등방인 반 무한 탄성공간에 대한 평판재하시험(PLT; Plate load test)에 적용할 수 있는 이론 탄성계수 산정식을 그대로 사용하여 동탄성계수를 구한다. 본 연구에서는 소형충격재하시험 장비의 재하 추를 자유낙하시켜 측정된 침하량을평판재하시험의값과 비교하여 다짐관리 기준을 수립하고자 하였다. Fig.
본 연구의 목표는 현행 평판재하시험이 가지는 문제점인 중차량 확보, 시험시간, 시험자 숙련도 등의 문제를 상대적으로 간편한 비파괴시험인 소형충격재하시험을 이용하여 개선하는 것이다. 이를 위해서는 먼저 평판재하시험과 소형충격재하시험 결과값의 상관관계를 실제 현장에서 검증할 필요가 있다.

가설 설정

Fig. 2의 오른쪽 그림은 충격직후 지반과 충격력 사이의 역학적 거동을 스프링과 질량체 및 감쇠기(damper)로 가정한 것으로서 흙의 거동을 스프링과 감쇠기로 구성된 유동모델로 가정한 것이다. 따라서 이때의 침하량과 스프링 계수 및 감쇠비를 이용하여 지반의 강성을 추정할 수 있다.

제안 방법

나타내었다. 각 통과횟수(N)에서 현장단위중량 시험은 각 6회, 총 30회 수행하였다. 각 통과횟수(N)에서 소형충격재하시험은 각 8회, 총 40회 수행하였다.
각 통과횟수(N)에서 현장단위중량 시험은 각 2 회, 총 12회 수행하였다. 각 통과횟수(N)에서 소형충격재하시험은 각 6회, 총 36회 수행하였다. 각 통과횟수(N)에서 평판재하시험은 각 3회, 총 18회 수행하였다.
각 통과횟수(N)에서 현장단위중량 시험은 각 6회, 총 30회 수행하였다. 각 통과횟수(N)에서 소형충격재하시험은 각 8회, 총 40회 수행하였다. 각 통과 횟수(N)에서 현장단위중량시험은 각 6회, 총 30회 수행하였다.
각 통과횟수(N)에서 소형충격재하시험은 각 6회, 총 36회 수행하였다. 각 통과횟수(N)에서 평판재하시험은 각 3회, 총 18회 수행하였다.
것이다. 각 통과횟수(N)에서 현장단위중량 시험은 각 2 회, 총 12회 수행하였다. 각 통과횟수(N)에서 소형충격재하시험은 각 6회, 총 36회 수행하였다.
나타내었다. 각 통과횟수(N)에서 현장단위중량 시험은 각 6회, 총 30회 수행하였다. 각 통과횟수(N)에서 소형충격재하시험은 각 8회, 총 40회 수행하였다.
Table 4는 동적 콘 관입시험의 P_R 값과 CBR의 상관관계를 나타낸 것이다. 본 연구에서도 다짐관리 방법으로 동적콘관입시험을 고려하였다. 그러나, 동적콘관입시험은 타격횟수와 관입 깊이를 육안으로확인해야 하는 번거로움이 있고, 특히 관잎 깊이를 확인 하는 과정은 시험자에 따라 차이가 발생할 수 있는 요소이므로 채택하지 않았다.
85이며, 상대다짐도 95%는 통과횟수 6회부터 만족하였다. 시험부지 B는 각 통과횟수에서 현장 단위 중량시험을 2회 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서 소형충격재하시험과 평판재하시험의 상관관계 분석을 위한 현장시험은 고속국도 건설공사 현장 중에 2곳의 시험부지에서 수행하였다. 시험부지 A와 B는 아스팔트 콘크리트 포장으로 설계되었으며, 노상 구간에서 노체 일반 쌓기 재료를 대상으로 시험을 수행하였다.
5mm에서 150이다. 성토재료는 통일분류법 기준으로 시험부지 A는 SP~SW, 시험부지 B는 GW~GP를 사용하였다. 그리고, 다짐장비는 모두 진동롤러를 사용하였다.
성토재료는 통일분류법에서 GP~GW이고, 다짐 장비는 진동롤러를 사용하였다. 다짐 장비의 통과횟수(N)는 2~12회까지 총 6단계로 선정하였다.
구간에서 시험을 수행하였다. 성토재료는 통일분류법에서 SP~SW이고, 다짐장비는 진동롤러를 사용하였다. 다짐 장비의 통과횟수(N)는 문헌고찰을 통해 4~12회까지 총 5단계로 선정하였다.
시험 부지 A는 아스팔트 콘크리트 포장으로 설계된 노상 다짐 구간에서 시험을 수행하였다. 성토재료는 통일분류법에서 SP~SW이고, 다짐장비는 진동롤러를 사용하였다.
시험 부지 B는 아스팔트 콘크리트 포장으로 설계된 노상 다짐 구간에서 구조물 뒤채움 재료를 대상으로 시험을 수행하였다. 성토재료는 통일분류법에서 GP~GW이고, 다짐 장비는 진동롤러를 사용하였다.
시험부지에서 수행하였다. 시험부지 A와 B는 아스팔트 콘크리트 포장으로 설계되었으며, 노상 구간에서 노체 일반 쌓기 재료를 대상으로 시험을 수행하였다. 고속도로 공사 전문시방서(Korea Expressway Corporation, 2018a; 2018b) 에 제시된 다짐시험의 판정기준은[지지력 계수] 기준 침하량 2.

이론/모형

즉, 소형충격재하시험기는 스프링-감쇠기-질량 시스템으로 구성된 동적충격장치로 간주할 수 있으며 일정 낙하 고에서 자유낙하되는 질량체의 충격력이 가이드축(질량)를 따라 움직일 때 재하판 질량에 침하량을 발생시킨다. 이때 발생하는 충격 시의 스프링-댐퍼의 역학적 거동을 Kelvin-Voigt 유동모델로 모델링할 수 있다.
를 산정한다. 이때 충격재하임에도 불구하고 관성과 속도효과를 무시한 채, 균질하고 등방인 반 무한 탄성공간에 대한 평판재하시험(PLT; Plate load test)에 적용할 수 있는 이론 탄성계수 산정식을 그대로 사용하여 동탄성계수를 구한다. 본 연구에서는 소형충격재하시험 장비의 재하 추를 자유낙하시켜 측정된 침하량을평판재하시험의값과 비교하여 다짐관리 기준을 수립하고자 하였다.
85이며, 상대다짐도 95%는 통과횟수 6회부터 만족하였다. 현장 단위중량시험은 모래치환법을 이용하였으며, 실험 결과에 많은 편차가 발생되었다. 그 이유는 시험부지 A의 성토재료에 많은 양의 골재가 포함되어있기 때문이다.

성능/효과

(1) 현장 단위중량 시험과 평판재하시험, 소형충격재하시험의 결과는 큰 편차를 나타냈다. 그 이유는 시험 장비의 정확도가 떨어진다기 보다는 흙의 비균질, 비등방에 의한 것이다.
(2) 평판재하시험과 소형충격재하시험의 지지력 계수를 비교한 결과, 시험부지 A와 시험부지 B의 지지력 계수의 관계는 모두 1:2 선을 따랐다. 일본 철도종합기술연구소에서 제시한 자갈 지반의 1 : 2선과 동일하다.
(3) 본 연구에서는 소형충격재하시험의 현장적용 가능성에 대한 판단을 수행하였으며, 그 결과 일정한 상관성을 나타내어 적용 가능한 것으로 판단하였다. 따라서, 소형충격재하시험은 평판재하시험을 수행하기 어려운 구조물뒤채움부, 옹벽 벽면 인접부 등에 편리하게 적용할 수 있고 시험방법이 비교적 간단하여 충분한 활용성을 가지는 것으로 나타났다.
적용 가능한 것으로 판단하였다. 따라서, 소형충격재하시험은 평판재하시험을 수행하기 어려운 구조물뒤채움부, 옹벽 벽면 인접부 등에 편리하게 적용할 수 있고 시험방법이 비교적 간단하여 충분한 활용성을 가지는 것으로 나타났다. 다만, 평판재하시험을 대체할 수 있는 평가 방법으로 사용되어지기 위해서는 다짐지반의 재료 특성이 반영된 다양한 시험이 추가적으로 수행되어져야 할 것으로 보여진다.
0의 상관관계를 가진다고 제시하였다. 시험부지 A 와 B는 모두 골재의 함유량이 40~70%로 상당히 높은 재료로 성토를 하였다. 따라서, 평판재하시험과 소형충격재하시험의 지지력 계수의 관계는 1:2 선을 따르는 것이 적절하다.
0의 상관관계를 가진다고 제시하였다. 시험부지 A 와 B는 모두 골재의 함유량이 40~70%로 상당히 높은 재료로 성토를 하였다. 따라서, 평판재하시험과 소형충격재하시험의 지지력 계수의 관계는 1:2 선을 따르는 것이 적절하다.
따라서, 평판재하시험과 소형충격재하시험의 지지력 계수의 관계는 1:2 선을 따르는 것이 적절하다. 전체적인 지반의 지지력 계수는 시험부지 B의 골재 지반이 시험부지 A의 골재가 혼재된 토사 지반보다 측정값이 높게 나타났다. 이와 같은 결과는 골재의 함량이 클수록 지반의 강성이 커지기 때문으로 판단되었다.
따라서, 평판재하시험과 소형충격재하시험의 지지력 계수의 관계는 1:2 선을 따르는 것이 적절하다. 전체적인 지반의 지지력 계수는 시험부지 B의 골재 지반이 시험부지 A의 골재가 혼재된 토사지반보다 측정값의 편차가 크게 나타났다. 이는 골재의 함량이 커질수록 지반의 강성이 커지기 때문에 나타나는 현상으로 판단되었다.
3에 나타내었다. 최대 건조단위 중량은 21.85이며, 상대다짐도 95%는 통과횟수 6회부터 만족하였다. 현장 단위중량시험은 모래치환법을 이용하였으며, 실험 결과에 많은 편차가 발생되었다.

후속연구

따라서, 소형충격재하시험은 평판재하시험을 수행하기 어려운 구조물뒤채움부, 옹벽 벽면 인접부 등에 편리하게 적용할 수 있고 시험방법이 비교적 간단하여 충분한 활용성을 가지는 것으로 나타났다. 다만, 평판재하시험을 대체할 수 있는 평가 방법으로 사용되어지기 위해서는 다짐지반의 재료 특성이 반영된 다양한 시험이 추가적으로 수행되어져야 할 것으로 보여진다.
이를 위해서는 먼저 평판재하시험과 소형충격재하시험 결과값의 상관관계를 실제 현장에서 검증할 필요가 있다. 즉, 향후 소형충격재하시험 시험을 실시하였을 경우 기존 평판재하시험과 동일한 결론을 취득할 수 있도록 다짐 상관관계 계수를 도출여야 한다.

참고문헌 (8)

ASTM (2015), Standard test method for use of the dynamic cone penetrometer in shallow pavement applications, ASTM D6951-03.
DIN (2011), Soil classification for civil engineering purposes, DIN 18-196.
Koonnama Punthutaecha., Kitti manokhoon. and Warat Kongkitkul. (2009), Development of Falling Weight Deflectometer (FWD) for evaluating the pavement conditions, pp. 25-133.
Korea Expressway Corporation (2018a), Expressway construction special specification-soil embankment, EXCS 11 20 20.
Korea Expressway Corporation (2018b), Expressway construction specialized specification-backfill and backfill, EXCS 11 20 25.
Korea Expressway Corporation (2018c), A study on verification of consolidation management standards using LFWD, pp. 46-81.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2010), A study on the development of Korean pavement design method and improvement of pavement performance, pp. H1-3-H1-14.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2011), Provisional guidelines for pavement dubstructure vompaction management, pp. 41-56.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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