1. 서 론
최근 극한지와 같은 동토지역에서 수행되는 건설사업 규모의 증가로 인해, 극저온 환경에서의 시공의 안정성과 효율성 확보는 필수적이다. 일반적으로 동절기 동안 토공 작업의 수행은 시공 안정성과 효율성이 감소하기 때문에 지양되고 있으나, 공기 단축 및 경제성 극대화 등 다양한 이유로 동절기 토공을 시행하는 추세가 늘어나고 있다. 구조물 기초지반의 강도와 같은 역학적 특성이 구조물이 요구하는 지지력에 비해 작거나 흙의 압축성이 크면 구조물에 일정 수준 이상의 침하가 발생될 수 있다. 과도한 침하 혹은 구조물 손상 등을 방지하기 위하여 다짐을 수행함으로써 기초지반의 밀도를 증가시켜 강도의 증가와 압축성 및 투수성을 감소시킬 수 있다. 즉, 다짐 작업은 흙의 입도분포와 함수비를 유지한 상태에서 외부로부터 물리적 에너지를 가해 간극 내 공기를 배출시키고 조밀하게 하여 구조물의 안정성을 증대시키는 일련의 과정을 의미한다. 흙의 다짐은 토공사에서 상당한 비중을 차지하고 있으며, 1970~80년대에 많은 연구가 이루어졌음에도 불구하고, 다른 지반공학 분야와 달리 다짐 작업 계획 및 시공과정은 과거의 기술을 그대로 적용하고 있으며 국내의 경우 동절기 시공에 대한 명확하고 구체적인 지침이 마련되어 있지 않다.
유기질토는 주로 분해되지 않은 섬유질로 구성되어 있으며, 보수력 및 팽창성이 크고 탈수 시 수축성이 큰 특징을 가지고 있어 되메움재(Backfill material) 등 토목공사에서 활용이 제한적이다. 유기질토는 유기물 함량(Organic matter)에 따라 열적·역학적·수리적 거동이 크게 변화된다고 알려져 있다(Mesri and Godlewski, 1977; Choi, 1995; Park et al., 2013). Shin et al.(2000)은 유기물 함량에 따른 압밀 특성을 분석하였으며, Park(2009)은 유기물 함량이 최대건조단위중량과 최적함수비에 미치는 영향을 평가하였다. 캐나다 알버타주와 같이 유기질토가 혼재된 지반에서 플랜트 설계 시 유기물 함유량에 따른 지반의 공학적 특성에 대한 이해는 필수적이며, 극한지의 경우, 일반적인 비동결 조건에서의 거동뿐만 아니라 동결 조건에서의 유기물을 함유한 지반의 거동에 대한 이해가 요구된다.
흙의 다짐에 영향을 미치는 요소들에는 함수비 외에 흙의 종류, 다짐에너지, 다짐 장비 및 방법, 그리고 온도 등이 있다. 흙 시료의 입자 모양, 비중, 광물의 종류와 양, 그리고 입도분포 등은 다짐 특성에 큰 영향을 미친다. 일반적으로, 조립토가 세립토에 비해 최대건조단위중량이 크고 최적함수비는 낮게 나타난다. 또한, 입도분포가 양호할수록 최대건조단위중량이 크고 최적함수비가 낮은 특성이 있다. 다짐에너지는 단위체적당 흙에 가해지는 에너지를 의미하며, 다짐에너지에 따라 같은 흙 시료라도 최대건조단위중량과 최적함수비가 달라질 수 있다(Johnson and Sallberg, 1962).
영하의 온도에서 다짐 시, 간극수의 상변화에 따른 얼음알갱이 형성으로 다짐 성능이 감소하여 낮은 건조단위중량이 산정된다고 알려져 있다(Highter, 1970). Lee and Hau(1973)은 불포화토의 함수비와 온도 사이의 관계 규명연구를 수행하였으며, 흙이 최적함수비에 가까워질수록 다짐곡선이 온도의 영향을 많이 받게 되고 함수비가 증가할수록 다짐 성능이 감소함을 확인하였다. Johnson(1962)은 실트질 모래의 온도에 따른 다짐곡선의 경향을 파악하기 위하여 실내시험을 수행하였으며, 온도가 24°C에서 -12°C로 낮아짐에 따라 최대건조단위중량이 감소되는 특성을 도출하였다. 특히, 얼음이 형성되는 0°C 이하의 온도에서는 다짐 성능이 급격하게 감소함을 확인하였다. 이는 동일한 다짐에너지를 적용할 때 동절기의 다짐시공에서 지반의 건조단위중량이 낮게 나타나며, 흙 입자가 차지했어야 할 공간과 간극에 얼음알갱이들이 생성되었다는 것을 의미한다(Heiner, 1972). 온도가 낮아질수록 상대다짐도가 감소하며, 함수비가 높을수록 상대다짐도가 더 심하게 감소된다. 즉, 저온 다짐에 따른 다짐 성능 감소는 온도가 낮거나 함수비가 높을수록 더 크게 나타나며, 이는 온도가 낮아지거나 함수비가 높을수록 형성되는 얼음의 양이 많아져 일정수준의 다짐에너지로는 흙 입자들이 조밀해지는 효과가 감쇄됨을 의미한다. 본 논문에서는 캐나다 알버타주와 같은 극한지에서 오일샌드 플랜트를 건설할 경우 구조물 혹은 파이프라인 뒤채움을 위한 현장 다짐 가이드라인을 제시하고자 하며, 동절기 기간이 긴 기후 환경 특성을 고려하여 0°C 이하의 온도에서도 다짐 작업을 수행함으로써 공사기간을 확보하고자 한다. 이를 위하여 유기물이 함유된 지반에 대한 저온 다짐 특성을 평가하였다. 현장조건을 고려하여 유기물 함량 및 온도 조건을 변화시키며 실내 다짐시험을 수행하였으며, 실험 결과를 분석하여 유기물 함량과 온도가 뒤채움 지반의 다짐 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 저온 다짐시험
2.1 시험시료
유기물 함량에 따른 저온 다짐 특성을 평가하기 위하여 인조규사와 피트모스(Peat moss) 혼합하는 방법으로 시료를 조성하였다. 피트모스란 수태 종류가 퇴적되어 만들어진 유기물질로, 이탄을 의미하는 피트(Peat)와 이끼를 뜻하는 모스(Moss)의 합성어이며 일반적으로 유럽, 러시아, 북미 등 북위도 지역에 분포되어 있다. 인조규사는 직경 0.75~1.4mm으로 통일분류법에 따라 SP(Poorly graded sand)로 분류된 모래를 적용하였으며, 피트모스는 강열감량법(LOI, Loss-on-lgnition)을 통해 유기물 함량이 99% 이상임을 확인하였다. 여기서, 강열감량법은 건조된 시료를 440±40°C의 높은 온도로 연소하고, 연소로 인해 손실되는 유기물의 양을 측정하여 유기물 함량을 평가하는 간접적 유기물 측정방법이다(Wang et al., 2012; Lee et al., 2016).
캐나다 알버타주의 유기물 함량은 일반적으로 10% 이내로 알려져 있으며, 캐나다 알버타주의 지반조건을 모사하기 위하여 유기물 함량 10% 이내 중 유기물 함량 3, 6, 9%를 설정하였고, 유기물 함량 증가가 다짐 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 유기물 함량은 인조규사 대비 무게비로 산정(식 (1))하였으며, 건조오븐에서 최소 24시간 이상 건조한 인조규사와 피트모스를 혼합하였다.
2.2 시험방법
간극수의 상변화가 발생되면 얼음알갱이가 형성되며 흙의 강도가 증가되기(Kang et al., 2013) 때문에 ASTM의 실내 다짐시험 방법 중 다짐에너지가 가장 큰 수정다짐 C 방법(ASTM D1557-12, 2021)을 적용하여 저온 다짐시험을 수행하였다(Table 1).
Table 1.
ASTM standard test methods for soil compaction (ASTM, 2021)
| Specification | Value | |
| Diameter of mold | 152.4 mm | |
| Rammer | weight | 44.48 N |
| drop height | 457.2 mm | |
| Layer | 5 (56 blows per layer) | |
흙 입자의 표면에 흡착되어 0°C 이하의 온도에서도 얼지 않는 간극수를 부동수분(Unfrozen water)이라 하며, 온도가 감소할수록 부동수분량은 감소된다(Kim et al., 2016; Park et al., 2022). 일반적으로 -4°C 내외에서 부동수분량이 급격하게 감소하며 흙의 종류에 따라 부동수분량이 급격하게 감소되는 변곡온도와 감소 기울기가 상이하다. 또한, 변곡온도보다 낮은 온도에서는 부동수분량이 수렴하는 경향이 나타난다(Lee et al., 2020; Kim et al., 2021). 본 연구에서는 부동수분 변화가 저온 다짐 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 온도조건을 상온, 0, -4, -10°C로 설정하였다. 또한, 외기의 영향을 최소화하기 위하여 시료 조성부터 다짐시험까지 0.1°C 단위로 -20°C까지 온도 제어가 가능한 대형 냉동챔버 내부에서 실험을 수행하였다(Fig. 1). 실내 다짐시험 시 시료의 사용 방법은 동일한 시료에 대해 함수비를 바꾸어 반복 사용하는 반복법과 매번 새로운 시료에 대해 함수비를 바꾸어 사용하는 비반복법으로 구분할 수 있다. 저온다짐 특성에 따라 다짐 후 동일한 시료에 수분을 추가하며 실험을 수행하는 반복법은 시료의 온도를 변화시킬 수 있기 때문에 비반복법을 적용하여 특정 함수비로 조성된 시료를 냉동챔버에서 18시간 이상 동결시킨 후 다짐시험을 수행하였다. 또한, 보다 정확한 실험을 위하여 시료의 함수비 조정이 가능한 건조법을 적용하여 시료를 준비하였다.
시료 동결과정에서 증발로 인한 수분 손실을 방지하기 위하여 시료를 래핑(Rapping)한 후 냉동챔버에서 시료를 동결시켰으며, 동결된 시료는 다짐시험 직전 망치를 이용하여 다짐시험이 가능한 크기까지 부순 후 다짐시험을 진행하였다(Fig. 2). 저온 다짐시험은 시료 조성, 냉각, 다짐, 습윤밀도 및 함수비 측정의 순서로 수행하였으며, 이 중 시료 조성, 냉각, 다짐의 과정을 대형 동결챔버 내부에서 진행하였다. 시험 순서를 Fig. 3에 정리하였다.
3. 다짐시험 결과
3.1 유기물 함량에 따른 다짐 특성
유기물 함량(3, 6, 9%)에 따라 상온, 0, -4, -10°C 온도조건에서 다짐시험을 수행하였으며, 실험결과를 Fig. 4에 정리하였다.
다짐시험 결과, 모든 온도조건에서 유기물 함량이 증가할수록 다짐곡선의 곡률이 완만해졌고, 최대건조단위중량이 0°C 조건에서 최대 21.9% 만큼 감소하는 것으로 분석되었다. 즉, 유기물 함량이 증가할수록 다짐 성능이 감소되는 것으로 분석되었다. 다만, -4°C 이하의 온도에서는 최적함수비가 나타나지 않고 함수비가 증가할수록 건조단위중량이 감소하는 경향이 나타났다. 이는 간극수가 얼음으로 상변화되어 인력구조를 형성하였기 때문으로 흙 입자 사이의 얼음으로 인해 충분한 다짐이 확보되지 않았으며, 함수비에 비례하여 얼음의 비율도 증가하기 때문에 저온 다짐 시 함수비가 증가될수록 건조단위중량이 감소하는 것으로 판단된다.
일반적으로 입도분포가 좋을수록 최대건조단위중량이 증가하고 최적함수비가 감소하는 것으로 알려져 있으나(Hwang and Oh, 2005; Baek et al., 2007), 본 연구에서는 이와 반대되는 실험 결과가 산정되었다. 이는 유기질토가 물을 흡수하면 팽창하고 건조하면 수축하는 특성 때문으로 자체 고팽창 성능에 의해 유기물 함량이 증가할수록 부피가 증가하게 되고 최대건조단위중량이 낮아져 다짐 성능이 감소되는 것으로 판단된다.
3.2 온도에 따른 다짐 특성
유기질 지반에서 저온다짐을 수행할 경우 온도에 대한 영향을 분석하기 위하여 실험 결과를 Fig. 5와 Table 2에 정리하였다.
Table 2.
Summary of soil compaction test results
온도가 감소할수록 최적함수비는 증가되고 최대건조단위중량은 감소하는 경향이 나타났다. 0°C와 -4, -10°C 온도조건의 최대건조단위중량 산정 결과를 비교하였을 때 0°C 대비 -4°C의 최대건조단위중량이 가장 크게 감소된 온도조건은 유기물 함량 3% 조건으로 약 11.3% 만큼 최대건조단위중량이 감소되었다. 반면 -4°C 대비 -10°C의 최대건조단위중량이 가장 크게 감소된 온도조건은 유기물 함량 9% 조건으로 약 4.2% 만큼의 최대건조단위중량 감소가 발생되었다. 부동수분량의 감소는 얼음의 증가를 의미하며 부동수분량이 급격하게 감소되는 온도를 전후하여 저온 다짐 성능이 저하되며, 부동수분량이 급격하게 감소되는 변곡온도가 저온 다짐 특성이 주요한 영향을 미치는 것으로 판단된다. 조립토에서 세립토로 변화할수록 부동수분량이 급격하게 감소되는 변곡온도가 낮아지고 감소 기울기가 완만해지는 것으로 알려져 있다(Hu et al., 2020; Zou et al., 2023). 이에 따라 유기질 함량이 증가할수록 부동수분량이 감소되는 변곡온도가 낮아졌으며, 유기질 함량이 작을수록 비교적 높은 온도에서 다짐 성능이 저하되고 유기질 함량이 클수록 낮은 온도범위까지 완만한 다짐 성능 저하가 발생하는 것으로 판단된다.
Hass(1988)는 함수비에 따른 흙의 건조단위중량의 변화를 분석하였으며, 본 논문과 유사하게 동결온도에서 흙 시료의 함수비가 증가할수록 건조단위중량이 감소됨을 확인하였다. 저온 다짐 시 형성된 얼음덩어리들은 압축과 변형이 동시에 발생되어 얼음조각의 형태로 변하게 되고 다짐 완료 후 이 조각들은 얼음의 결집력으로 인해 서로 결합하여 표면상으로는 매우 단단한 형태를 보였다. 하지만 해빙기에 융해 시 얼음의 결집력은 사라지게 되고 저하된 건조단위중량으로 인해 흙이 하중에 저항할 수 있는 능력 또한 저하될 위험이 있다. 또한, 함수비가 증가할수록 동결 시 발생되는 얼음의 결집력 또한 커지므로 더 큰 직경의 얼음덩어리가 형성되며, 함수비가 5% 이하일 경우에는 얼음덩어리의 직경이 비교적 균질하게 나타나지만 함수비가 5%보다 클 경우에는 얼음덩어리의 직경이 매우 불균질하게 형성될 수 있다(Hass, 1988). 이러한 얼음덩어리의 불균질적인 생성으로 인하여 함수비가 클수록 저온 다짐 성능이 저하되는 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 유기물 함량에 따른 뒤채움 지반의 저온 다짐 특성을 평가하기 위하여 인조규사와 피트모스를 혼합한 시료에 대한 실내 다짐시험을 수행하였다. 인조규사와 피트모스의 무게비를 통해 시료의 유기물 함량을 3, 6, 9%로 조성하였으며, 시료 제작부터 냉각 및 다짐까지의 과정을 동결챔버 내부에서 진행함으로써 외기에 의한 시료 융해를 최소화하였다. 다짐시험은 ASTM 기준에 따라 상온, 0, -4, -10°C 온도조건에서 수행하였으며 다음과 같은 주요 결론을 도출하였다.
(1) 모든 온도조건에서 유기물 함량이 증가할수록 완만한 다짐곡선이 산정되었으며, 최대건조단위중량이 최대 21.9% 만큼 감소되었다. 다만, -4°C와 -10°C 온도조건에서는 함수비가 증가될수록 건조단위중량이 감소되었으며 최대건조단위중량-최적함수비 특성이 나타나지 않았다.
(2) 간극수의 상변화에 따라 생성되는 얼음은 인력구조를 형성하여 다짐 성능을 감소시키며, 함수비가 커질수록 형성되는 얼음의 양도 증가되기 때문에 최적함수비 특성이 나타나지 않고 건조단위중량이 감소하였다. 이 때, 저온 조건에서의 다짐 성능 저하는 영하의 온도에서도 얼지 않는 부동수분량에 주요한 영향을 받는다. 유기질 함량이 증가될수록 부동수분량이 급격하게 감소하는 변곡온도가 낮아지고 감소율이 완만해지기 때문에 유기질 함량이 클수록 다짐 성능이 저하되는 온도가 낮아지고 낮은 온도조건까지 다짐 성능이 저하되는 것으로 판단된다.
(3) 유기질토의 경우 물을 흡수하는 보수성이 크기 때문에 유기물 함량이 클수록 단립구조가 발달되고 흙의 보수성이 증가되어 다짐 성능이 감소된다. 따라서 유기질 지반에서 저온 다짐을 수행할 경우 최소한의 살수를 통해 최대건조단위중량 확보가 필요하다. 또한, 저온 다짐 시 부동수분 특성에 따른 적정 다짐에너지 산정이 필요하다.
(4) 향후 다양한 흙의 종류, 입도분포, 온도 조건에 대한 실내 및 현장시험을 통한 유기질 지반의 저온 다짐 특성 평가가 필요하며, 보수성이 크고 동결·융해에 민감한 유기질토의 특성을 고려하여 함수비에 따른 다짐 특성에 관한 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.
