1. 서 론

댐, 항만 구조물, 철도 노반, 도로 보조기층 등을 포함한 대부분의 지반 구조물의 축조에는 입경이 큰 조립재료가 널리 이용된다. 이러한 지반 구조물에 대한 정확한 해석과 안전한 설계를 위해서는 사전에 해당 재료에 대한 강도정수 및 변형계수의 확보가 필수적이다. 그러나 현재까지 국내에서는 시험장비의 제약 등으로 인해 시험을 통해 실제 필요한 값을 직접 얻기 보다는 기존 문헌 등에서 제시된 값들을 이용하여 해석 및 설계에 활용하는 경우가 대부분이었다(Seo et al., 2007). 최근 들어 소수의 대형 지반시험장비가 구축됨에 따라 비교적 입자크기가 큰 조립재료에 대하여 요소시험을 수행하여 물성을 산정하는 사례가 증가하고 있다(Kim et al., 2005; Lee et al., 2005; Kim et al., 2012). 그러나 대형 지반시험 장비를 이용한다 하더라도 장비에 허용되는 조립재료의 입자크기가 실제 현장에서 사용되는 입자크기에 비해 작은 경우가 종종 발생하게 된다. 이러한 경우에는 실제 입자크기를 시험장치의 가용 크기까지 축소시켜 시험을 수행하게 된다.

시험 가능 시편 크기에 따른 재료의 입경에 대한 기준으로 일본의 시험기준 JGS 0530-2000에서는 Fig. 1에 표시된 바와 같이, 조립재료의 삼축압축시험에서 합리적인 결과를 도출하기 위해서 시편에 포함된 입자 중 최대입경(d)과 공시체 직경(D)과의 비율(d/D)을 1/10으로 제안하고 있으며, 균등계수가 5이상일 경우 1/5까지를 합리적인 비율로 제안하고 있다. 미국의 시험기준인 ASTM D 3999-91에서도 d/D는 1/6로 제안되고 있다.

그러나 시험장비와 시험재료의 입자크기를 고려하여 입자크기가 축소된 입도보정재료와 원입도재료 사이의 거동, 물성 등의 차이나 상관성에 관해서는 아직까지 국내･외 연구자들 사이에서 일관된 결론을 얻지 못하고 있는 실정이다(Seo, 2007; Charles, 1973; Kwater, 1999). 특히 국내의 경우 크기별 시험장치 구비의 한계로 인해 이와 관련된 연구 사례는 극히 제한적이었다. 현재로서는 실제 시공되는 재료에 대한 정확한 강도 및 변형특성을 알 수 없기 때문에 입도조정시험 시 발생할 수 있는 실제 거동과의 차이를 정확하게 판단하기는 불가능하다. 그러나 입도조정된 시편으로 수행된 시험결과를 설계에 활용하기 위해서는 이러한 실제입도 재료와 입도조정된 재료사이에 존재할 수 있는 강도 및 변형 특성 차이를 파악하는 것이 매우 중요하다.

원입도를 축소된 시험입도로 조정하는 입도조정 방법에는 상사입도법, 전두입도법, 자갈입도보정법 등이 있으며(上本　雄也 et al., 2011), 이 중에서 가장 널리 적용되는 방법은 상사입도법(Parallel grading method)이다(Fig. 2). 이 방법은 시험기의 크기에 맞추어 최대입경을 결정한 후, 원재료의 입도곡선을 평행 이동하여 시험입도의 균등계수가 원입도와 같도록 입도를 축소 조정하는 방법이다. 그러나 이 방법을 적용할 때에는 세립분의 함유량이 원입도에 비해 증가할 수 있으며, 이는 지반의 강도, 변형 및 투수 특성에 영향을 미칠 수 있다(Hou et al., 2004). 따라서 상사입도로 시험입도를 구성할 때 세립분의 함량이 재료의 물리적 특성에 큰 영향을 미치지 않도록 주의를 기울여야 한다. 이러한 단점을 해결하기 위해서 전두입도법(Scalping method)이 이용되기도 하는데, 전두입도법이란 최대입경은 시험기 규모에 맞추어 축소시키되 세립분의 함량이 지나치게 많아지지 않도록 시험입도를 원입도에 비해 경사지게, 즉 균등계수가 작도록 입도를 구성하는 방법을 말한다. 그러나 이 방법은 현장의 재료를 별도의 입도재구성을 위한 노력 없이 시험 가능 최대입경 이상의 재료를 제거만 하고 시험 시편을 조성하기 때문에 간편하지만, 실제 대상 원입도와 균등계수, 세립분 함량, 최대입경 등이 모두 변하는 단점을 가지고 있다. 마지막으로 자갈입도보정법(Scalp and Replace method)은 시험시료의 최대입자 크기는 시험장치가 허용하는 최대값으로 조정하고 원입도에서 시험가능 최대입자크기 이상의 부분은 시험가능 최대크기의 입자로 치환하는 방법이다. 이 방법은 시험 가능한 최대입경 이하의 입자비율이 원입도 재료와 동일하기 때문에 상사입도재료나 전두입도법과 같이 세립분의 비율이 증가하지 않는 특징이 있다. 이 중에서 입도조정이 필요한 재료에 대한 요소시험은 주로 상사입도로 조정된 시험재료나 시편 제작이 간단한 전두입도법을 통한 원입도 재료의 물성을 평가하고자 하는 노력들이 주로 이루어져 왔다.

 한편 본질적으로 조립재료는 모래와 유사한 역학적 성질을 갖고 있으나 모래와 달리 입자의 크기가 크고 입자가 파쇄되기 쉬운 특성을 가지고 있어 이들 특성이 건조단위중량, 입자간의 마찰, 다이러턴시, 재배열 및 구속압 등 다른 여러 요인들에 영향을 받을 수 있는 것으로 알려져 있다(Kwater, 1999). 따라서 구하고자 하는 물성종류나 시험 종류에 따라 그 영향 정도가 다르게 나타날 수 있기 때문에 최대 입경크기 등 입도의 영향 뿐 아니라 합리적 시험방법의 확인을 위한 추가적인 연구가 필요한 상황이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 반복삼축압축시험을 수행하여 2가지 입도조정법(상사입도조정법, 자갈입도보정법)을 중심으로 입도특성이 저변형률에서의 탄성계수에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.

2. 대형삼축압축시험

본 연구에 사용된 대형삼축압축시험장비는 한국철도기술연구원에 구축된 장비로서 시험장비 구축 이후 검증연구를 통해 향후 수행되는 시험 결과의 신뢰성을 확보한 바 있다(Lee et al., 2010a; Lee et al., 2010b).

본 시험장비의 로드셀은 2MPa 압력까지 내압 방수형으로 삼축셀 내부에 위치하도록 하여 삼축셀과 재하로드(rod)와의 마찰이 시험에서 측정되는 하중에 미치는 영향을 제거하여 보다 정확한 하중제어가 가능하게 하였으며, 압축과 인장 시험이 모두 가능한 타입으로 설치하여, 다양한 하중 패턴의 하중제어를 수행할 수 있게 하였다(Fig. 3). 한편 저변형률 영역에서의 탄성계수 산정을 위한 시험에서 정확한 하중제어 및 측정과 더불어 중요한 것이 정확한 시편의 변형률의 측정일 것이다. 삼축압축시험에서 변위측정은 내부와 외부에서 측정하는 방법이 있으나, 외부 측정 변위는 시료의 양쪽 끝부분에서의 평탄성 등의 문제로 실제보다 큰 변위가 계측되어 변형률이 크게 평가되는 단부오차(bedding error)를 포함할 수밖에 없다. 물론 이러한 단부오차는 반복 재하를 통해 초기에 상당부분 제거하거나 단부의 석고처리 등으로 오차요인을 제거할 수 있으나(Kweon, 1999), 본 시험장비에서는 미소한 변위 수준에서 보다 정밀한 측정을 위해 국부(local)변형 측정법을 도입하였고, 이를 위해 셀 내부의 시편 측면에 변위센서(LDT, Local Deformation Transducer)를 부착하여 미소변위를 측정하였다. 시험은 일본 지반공학회의 JGS 0542-2000을 기준으로 수행하였으며, 먼저 재료에 따른 시험 조건을 만족하는 구속압 상태를 확인한 후 반복 축하중을 가하게 된다. 하중은 변형률이 0.000001 수준에서 0.01 수준까지 발생할 수 있도록 하중을 단계적으로 증가시켜서 시험을 수행하고, 각 하중단계에서는 일정 진폭의 연속적인 반복축하중을 정현파로 재하하여 하중과 변위를 측정하며, 이때 각 하중단계에서는 11번의 정현파를 가하였다(Fig. 4(a)). 이와 같이 하중단계별로 가해진 11번의 정현파 중 10번째 cycle의 정현파에서 측정된 하중과 변위로 축차응력의 편진폭, 축변형률의 편진폭 등을 계산하여 응력-변형률 곡선으로부터 등가탄성계수(Equivalent elastic modulus)를 산정하였다(Fig. 4(b), Lee et al., 2012).

특히 본 시험장비의 경우 동일한 시험 시스템(하중제어/측정장치, 변위측정장치 등) 하에서 다양한 직경, 즉 직경 500mm, 300mm, 150mm의 시편들에 대해 시험할 수 있도록 구성되어 있어 본 연구에서 목적으로 하는 최대입경 변화에 따른 연구가 보다 합리적으로 수행되고 신뢰도 높은 결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

3. 시험 재료

본 연구에서는 입도조정재료를 포함한 입도분포특성이 저변형률 탄성계수에 미치는 영향을 대형삼축압축시험으로 검토하기 위하여 고속철도현장에서 사용되는 강화노반재료와 접속부 자갈재료들을 시험 재료로 활용하였다. 이들 재료들의 기본 재료물성 및 입도분포 등은 다음 Table 1, Table 2, Fig. 5, Fig. 6과 같다.

본 연구에서는 먼저 원입도의 시편과 이를 시험 가능한 최대입경 수준으로 입도조정한 시편을 Fig. 6(a)의 입도분포와 같이 조성하여 시험을 수행하였다. 즉, 원입도 시편은 최대입경 100mm의 입도를 갖는 M100-Original GSD로 직경 500mm, 높이 1000mm, 건조단위중량 21의 시편으로 제작하여 시험하였으며, 입도조정 시편은 직경 300mm의 시편에 시험 가능한 최대입경을 50mm로 하여 상사입도조정재료(M50-P)와 자갈입도보정재료(M50-S&R) 및 최대입경 수준으로 25mm까지 상사입도 조정한 시편을 원입도 재료와 같은 건조단위중량으로 입도를 보정하여 시험을 수행하였다(Fig. 7, Fig. 8).

여기에 추가적으로 Fig. 6(b)와 같이 최대입경은 유사하지만 입도분포특성이 다른 Table 3과 같은 조건의 시편들을 조성하여 반복삼축압축시험을 수행하였다.

4. 시험 결과

선행연구로 보고되었던 결과(Lee, 2012)와 같이 본 연구결과에서도 상사입도로 입도조정된 시편의 경우 같은 변형률 수준에서 원입도 시편보다 상대적으로 낮은 탄성계수를 보였다. 한편 자갈입도보정된 시편의 경우에는 100kPa과 200kPa의 구속압 수준에서는 원입도 시편보다 낮은 탄성계수를 보였으나, 상사입도조정 시편보다는 상대적으로 큰 탄성계수값을 나타냈다(Fig. 9). 또한 이러한 탄성계수의 차이는 저변형률로 갈수록 더 크게 나타나고 있음을 볼 수 있었다. 물론 본 연구에서 수행된 재료와 입도분포 특성 등의 조건 하에서의 결과로서 일반화하기에는 어려움이 있다. 그러나 본 자갈입도보정시편의 경우 시험 가능한 최대입경 이하의 입자 비율은 원입도 재료와 같은 비율을 갖고 있으면서 상사입도보정재료보다 상대적으로 큰 입자들의 비율이 높아 이러한 큰 입자들 사이의 직접적인 접촉에 의해 저변형률 수준에서의 탄성거동이 크게 영향을 받았을 것으로 판단된다. 즉 큰 입자가 작은 입자들 사이에서 Floating될 가능성이 높은 상사입도법보다는 작은 입자들의 비율을 원입도 시편과 동일하게 유지하고 시험체에서 시험이 가능한 최대입경의 입자들로 그 이상의 입자들의 비율만큼 대체한 자갈입도보정방법의 시편이 원입도 시편의 저변형률 수준에서의 탄성계수를 보다 가깝게 재현할 수 있었던 것으로 평가된다.

한편 상사입도 시편들 사이(M100 ; M50-P ; M25-P)에서의 결과만 비교했을 때는 원입도 시편이 제일 큰 탄성계수를 보이고 있으며 나머지 두 재료에서는 오히려 M25-P재료가 유사한 탄성계수 수준을 보이고 있다. 이는 M50-P와 M25-P의 경우 최대입경에서도 차이를 보이고 있으며 상대적으로 큰 입자들(Oversize particle)의 비율도 차이를 보이지만 두 재료의 조건이 Fig. 10(a)와 유사한 Floating 구조로 시편의 저변형율 수준에서의 거동에 지배적인 영향을 주는 보다 작은 입자들(Soil matrix)의 조건이 유사했기 때문일 것으로 추정된다.

이러한 시험 결과들을 Fig. 10의 입자구성상태로 다시 설명하면, 원입도 시편의 재료는 Fig. 10(c) Non-Floating구조에 가까운 구조, 최대입경 50의 자갈입도보정재료인 M50-S&R 재료는 Fig. 10(b) Intermediate 구조와 Fig. 10(a) Floating 구조의 중간정도의 입도구조, 그리고 M50-P와 M25-P는 Fig. 10(a) Floating 구조에 가까운 구조로 조성되었기 때문으로 시험결과가 설명될 수 있을 것이다. 만약 원입도 재료의 경우에도 최대입경 크기와는 무관하게 입자들의 배열 구조가 Fig. 10(a)와 같이 Floating 구조와 같을 경우 입도조정된 재료들과의 탄성계수 차이가 크지 않을 수도 있을 것이다. 결국 최대입경크기와 입도조정재료들의 최대입경 축소비율에 따라 경우에 따라서는 원입도재료와 입도조정된 재료의 시편에서 유사한 결과를 보일 수도 있으며, 또는 매우 큰 차이의 결과를 보일 수도 있는 것으로 판단된다.

Table 1에 설명된 바와 같이 본 시험에 사용된 시편들은 접속부재료(Transition-Gravel)를 제외하고는 모두 같은 재료원과 같은 건조단위중량으로 시편이 성형되었으며, M100시편(함수비=3%) 이외의 재료들은 모두 7% 함수비로 조성되었다. 즉, 본 연구에서 제시된 시험 재료들은 유사한 함수비와 건조단위중량 조건 하에서 가능한 입도분포특성 및 재료특성에 따른 탄성계수의 영향만을 평가할 수 있도록 하였다.

각각 시편들의 탄성계수 결과는 앞서 언급된 바와 같이 최대입경이 100mm로 가장 큰 M100시편이 가장 큰 탄성계수 결과를 보이고 있다. 또한 이와 더불어 접속부 재료(Transition-Gravel)가 이와 유사한 정도까지 높은 탄성계수를 나타냈다. 접속부 재료는 최대입경은 40-53 mm이지만 다른 재료들에 비해 전체적으로 입경이 큰 입자들의 비율이 크게 조성되어 있다(Fig. 12). 또한 최대입경 이하에서 약 20mm 이상의 입자들이 상대적으로 집중되어 있는 분포형태로 균일한(uniform) 입도분포를 보이고 있다(Fig. 6, Fig. 12). 또한 M100과 비교했을 때, 최대입경의 크기는 작지만 20mm 이상의 비율은 거의 유사한 특징을 보이고 있으며, 반면 20mm 이하 입경 세립분의 입도분포 비율은 오히려 작은 특성을 갖고 있다(Fig. 6(b)). 결국 최대입경의 수준이 상대적으로 적은 반면 전체적인 입도에서 20mm 이상 입경 입자의 중량비는 유사하고, 세립분의 비율이 작아 상대적으로 같은 최대입경 재료들에 비해 굵은 입자들의 직접적인 응력 전달에 지배적인 구조로 조성되어 탄성계수의 증가에 일부 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 그러나 이러한 입도분포특성과 함께 M계열의 재료들(M100, M50-P, M50-S&R, M25-P, M40-Middle, M25-Upper)과는 다른 접속부재료(Transition-Gravel)의 입자 특성에 보다 큰 원인이 있는 것으로 판단된다. 즉, Table 1과 Table 2에서 볼 수 있듯이, 이들 재료에 대해 수행된 점하중시험 결과 M계열 재료들에 비해 접속부재료가 보다 큰 일축압축강도를 보이고 있다. 이러한 재료적 특성이 입도특성과 더불어 접속부 재료의 저변형률 수준에서의 높은 탄성계수를 나타낸 또 다른 원인이었던 것으로 추정된다. 그 외의 다른 재료들(M40-Middle, M25-Upper)은 M50-P와 M25-P와 거의 같은 탄성계수값을 보여주고 있다. 이들은 모두 같은 재료를 사용하고 입도분포만 다르게 조성되었지만, 입자배열 구조가 Fig. 10(a)와 같이 저변형률의 탄성계수에 지배적인 영향을 미치는 부분이 상대적인 세립자 부분(Soil matrix)으로 유사한 결과가 얻어진 것으로 판단된다. 

본 연구에서는 원입도시편과 상사입도조정재료, 자갈입도조정재료 모두 같은 건조단위중량으로 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. 따라서 원입도시편의 입도분포특성과 입도조정의 경우에 따라 그 특성이 변화할 수 있는 가능성은 매우 클 것이다. 즉, 전체 재료 내의 최대입경을 어떤 비율까지 입도조정할 때 합리적인 물성산정이 가능한지 또는 자갈입도보정 과정에서 시험 가능한 최대입경 수준까지 치환해야하는 재료의 비율이 어떤 영향을 미치는지 등에 대한 보다 다양한 재료, 입도분포, 시험 조건 등에 대해 시험으로 정확한 평가가 필요할 것으로 판단된다. 또한 추후에라도 향후에 성능 중심의 설계 및 유지관리 시에 성능 항목이 탄성계수와 같은 물성이 고려될 경우 이러한 특성이 보다 세부적으로 다양한 경우에 대해 시험적 검증이 있어야 할 것이다.

5. 결 론

본 연구에서는 반복삼축압축시험을 수행하여 2가지 입도조정법(상사입도조정법, 자갈입도보정법)을 중심으로 입도특성이 저변형률에서의 탄성계수에 미치는 영향을 평가하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

(1)상사입도로 입도조정된 시편의 경우 같은 변형률 수준에서 원입도 시편보다 상대적으로 낮은 탄성계수를 보였고, 자갈입도보정된 시편의 경우에는 100kPa과 200kPa의 구속압 수준에서는 원입도 시편보다 낮은 탄성계수를 보였으나, 상사입도조정 시편보다는 상대적으로 큰 탄성계수값을 나타냈다.

(2)원입도 재료의 시편과 입도보정된 재료에서 탄성계수의 차이는 저변형률로 갈수록 더 크게 나타났다.

(3)자갈입도보정시편의 경우 시험 가능한 최대입경 이하의 입자 비율은 원입도 재료와 같은 비율을 갖고 있으면서 상사입도보정재료보다 상대적으로 큰 골재들의 비율이 큰 입도분포 특성을 갖고 있다. 따라서 이러한 큰 입자들 사이의 직접적인 접촉에 의해 저변형률 수준에서의 탄성거동이 크게 영향을 받았을 것으로 판단된다.

(4)결국, 최대입경크기와 입도조정재료들의 최대입경 축소비율에 따라 경우에 따라서는 원입도재료와 입도조정된 재료의 시편에서 유사한 결과를 보일 수도 있으며, 또는 매우 큰 차이의 결과를 보일 수도 있는 것으로 판단된다.

(5)입도분포특성상 상대적으로 큰 입자들의 비율이 높고, 보다 균일한 입도분포특성의 재료가 상대적으로 높은 저변형률 탄성계수를 보였으며, 이 외에도 입자 자체의 점하중시험 결과 큰 일축압축강도를 보이는 재료가 저변형률 수준에서 높은 탄성계수를 보이고 있음을 확인할 수 있었다.

(6)원입도 재료를 단순히 입도조정해서 시편을 제작했을 때, 반복삼축압축시험으로 원입도재료에 대한 저변형률 수준의 탄성계수를 정확히 추정하기는 어려울 것으로 판단된다.

(7)따라서 가능한 한 원입도 재료에 대한 입도, 건조단위중량, 다짐함수비 조건 등을 현장 조건과 동일하게 재현하여 시험을 수행하는 것이 가장 합리적일 것이다.

(8)그러나 현실적으로 이러한 원입도재료에 대한 시험이 어려운 경우가 대부분이기 때문에, 최대입경의 입도조정 비율, 재료 치환비율 등에 대한 합리적인 판단 근거의 확보로 입도보정재료의 시험 결과를 보정할 수 있도록 보다 다양한 재료, 입도분포, 시험 조건 등에 대한 시험적 연구가 필요할 것이다.