1. 서 론
2. 급속충격다짐(RIC)공법
2.1 공법 개요
2.2 다짐 품질관리기준(QC Criteria)
3. 현장 시험시공
3.1 시험시공 개요
3.2 동다짐 설계 및 시공계획
3.3 시험시공 결과
4. 세립분의 다짐영향 및 품질관리기준 제안
4.1 세립분의 다짐영향
4.2 토질에 따른 RIC 품질관리기준 제안
5. 결 론
1. 서 론
흙쌓기 다짐공사에서는 진동롤러를 이용하여 두께 200~300mm의 토층에 대해 다짐을 실시하고, 각 토층에서 기준 면적당 들밀도시험 및 평판재하시험을 통해 다짐도를 측정하여 시공품질을 평가하는 절차를 반복하는 것이 일반적이다. 대규모 부지조성 공사와 같은 대물량의 토공사에서는 진동롤러를 이용한 층다짐 시공 및 품질시험에 시간이 상당히 소요되어 프로젝트 수행기간에 큰 영향을 미치므로, 시공 및 품질시험의 소요시간 단축을 위한 공법의 선정 및 효율화가 매우 중요한 요소이다. 최근에는 공사기간과 관련한 시공리스크를 예방하기 위해, 머신가이던스 및 머신컨트롤을 이용한 자동화기술 도입을 통한 장비운영 효율화, 연속다짐관리가 가능한 지능형 다짐공(Intelligent Compaction), 일시에 큰 다짐에너지를 가하는 급속시공법, 신속한 품질확인이 가능한 역학적 특성 기반의 비파괴 시험법 등에 대한 다양한 연구개발 및 현장적용이 시도되고 있다(TRB, 1990; Kim and Fratta, 2014; Kim, 2015; Kim and Shin, 2022; Baek et al., 2020; Choi et al., 2021; Kim, 2023).
심층 동다짐(Deep Dynamic Compaction, DDC)공법은, Fig. 1에 나타냈듯이, 추의 자유낙하를 통한 위치에너지가 충격에너지로 전환되어 응력파의 지중전파를 통해 사질지반의 다짐을 수행하는 방법으로, 매커니즘이 단순하고 시공이 용이한 장점이 있다(Lukas, 1995; Lee et al., 2010; Kim, 2023). DDC공법의 유효개량심도(Effective improvement depth)는 10m 내외이므로, 진동롤러의 200~300mm 다짐 대상층 두께를 수 m로 증가시켜 일시에 다지기 위한 급속시험법으로 활용할 수 있다. 그러나 약 20톤(≒200kN) 무게의 추를 고공에서 낙하시킴에 따른 시공 및 안전관리에 어려움이 있고, 큰 충격에너지로 발생하는 진동 및 변위로 인해 인접구조물의 위치에 따라 공법 적용성의 한계가 있다. 이러한 단점을 보완하여, 파일시공에 사용되는 유압해머를 굴삭기에 장착하여 낙하높이와 타격횟수를 조절하여 제어된 상태의 낮은 에너지 수준의 동다짐을 수행할 수 있는 급속충격다짐(Rapid Impact Compaction, RIC)공법이 1990년대 초에 개발되어 최근 적용사례가 증가하고 있다. RIC공법은 간편한 공법특성 및 다짐효과로 인해 특히 중동지역에서 얕은 심도 원지반 사질토층에 대한 지반개량공법으로 활발하게 적용되고 있다(SAICE, 2006; Tarawneh et al., 2017; Cheng et al., 2021).
특히 최근의 건설현장에서 급속시공법을 이용한 공기단축에 대한 수요가 점차 증가함에 따라, 진동롤러에 의한 층다짐공법과 DDC공법 사이를 보완하는 중심도 지반개량공법으로써의 RIC공법에 대한 관심이 많아지고 있다(BRE, 2003; SAICE, 2006; Cheng et al., 2021). 예를 들어, 두께 4m 매립지반의 경우에는 진동롤러로는 약 15단 토층에 대한 반복다짐이 필요한 반면에, RIC공법으로는 해당 토층에 대한 일시 다짐을 통해 최대 70%의 공기절감이 가능하다. 또한 다짐품질 확인시험은 DDC공법과 마찬가지로 심도별로 연속적인 측정이 가능한 콘관입시험을 사용하여, 층별 들밀도시험에 비해 품질확인에 소요되는 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나, RIC공법은 현재까지는 명확한 설계 및 시공기준이 없고, 지역에 따른 매립재료 및 장비특성 또는 공사관행 등의 경험적 요소가 영향을 크게 미치는 공법이므로, 경우에 따라 타 공법에 비해 많은 수량의 시험시공을 통한 다짐성능 검증을 요구받는 경우도 있다.
본 연구에서는, 약 4m 두께의 매립지반 다짐을 위해 기존의 진동롤러를 RIC공법으로 변경하여 공사기간을 단축하기 위해 수행된 토공사에서 취득한 현장데이터를 비교·분석하였다. 최근 모래수급의 불안정으로 인해, 대상 현장의 매립재료로는 Public fill(도심지 발생토)이 선정되었다. Public fill은 일반 모래와는 달리 세립분 및 호박돌 등의 다양한 입경의 재료가 불규칙하게 섞여 있어 균질한 다짐이 어렵기 때문에, 기존의 사례와는 다른 다짐특성을 나타낼 수 있다. 매립지반에서의 다짐공사는 사용재료, 입도분포, 세립분 함량, 지하수 조건 등 여러 요인에 의해 영향을 받게 되는데(Robertson and Wride, 1998; Robertson, 2009; Robertson, 2016), 본 연구에서는 세립분 함량에 따른 RIC공법의 다짐효과 중심으로 유효개량심도를 비교·분석하여 Public fill 다짐 시에 사용할 수 있는 RIC 품질관리기준(QC criteria)을 수립하고자 하였다.
2. 급속충격다짐(RIC)공법
2.1 공법 개요
RIC공법은 1990년대에 영국군이 비행장 활주로를 보수하기 위한 공법으로 처음 도입했다. RIC 장비는 궤도식 유압굴삭기(Crawler hydraulic excavator)에 장착된 유압해머(Hydraulic hammer)로 구성된다. 통상 1.0~1.5m 직경의 강철모루(Steel foot)를 지표에 위치시키고, 유압해머로 반복적으로 모루를 타격하여 충격에너지를 지중에 전달하는 방식으로 다짐을 수행한다. 보통 5~12톤(≒50~120kN) 중량의 해머를 1.2m 내외의 진폭(Stroke)으로 약 60~140kN·m/blow의 타격에너지를 생성하며 분당 40~60회의 속도로 타격한다. 제어된 높이에서 모루로 낙하하는 해머의 동적에너지가 지중에 전달될 때, 모루는 지면에 접촉한 상태를 유지하므로 타격에너지가 지중으로 효과적으로 전달될 수 있는 장점이 있다. RIC공법은 DDC공법과 비교할 때 동적에너지를 비교적 균질하게 지중에 전달할 수 있다. 충격에너지가 상대적으로 작아서 발생되는 진동수준이 낮기 때문에, 구조물에 인접하여 시공하는 것이 가능하고, 모루가 지면에 접촉하고 있기 때문에 타격 중에 파편의 비산 위험성이 낮은 편이다. RIC 장비에는 모니터링 시스템을 통해 심도별 관입량, 해머의 진폭, 타격에너지에 대한 실시간 모니터링이 가능하고, 타격횟수, 관입심도, 관입량, 낙하높이에 대한 제한조건을 통해 RIC 시공 중 장비과열 및 과다관입으로 인한 안전사고를 방지할 수 있다(BRE, 2003; Kristiansen and Davies, 2004; Adam and Paulmicl, 2007; Becker, 2011).
RIC 개량심도는 지반재료 유형 및 특성, 지하수 높이 및 타격에너지에 따라 다르다. RIC공법은 유압해머를 이용하여 정해진 타격패턴에 따라 타격위치 및 타격횟수 제어를 통해 시공관리를 용이하게 할 수 있다는 장점이 있으나, 동다짐 자체의 매커니즘을 명확히 규명하기 어렵고, 현재의 타격패턴을 결정한 설계법에 포함된 경험적인 요소로 인해서 다짐시공에 따른 효과를 공학적으로 사전에 증명할 필요가 있다. 이를 위해서, 현장에서 실제 사용하는 토사를 매립하고 RIC 시험시공을 수행하여 다짐효과 및 주변 영향을 확인하고, 타격패턴에 대한 유효개량심도를 사전에 검증하는 현장 시험시공(Calibration test)이 중요하다. 시험시공을 통해 대상 지반에 대한 RIC공법의 성능을 분석하고 시공관리기준을 결정할 수 있다. 이후 다짐효과 확인을 위해 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT), 콘관입시험(Cone Penetration Test, CPT), 들밀도시험(Sand Replacement Test, SRT)과 같은 현장시험을 실시하여 심도별 다짐도를 평가한다. Fig. 2에는 본 연구에서 사용된 9톤(≒90kN) 규모 RIC 장비의 제원을 나타내었다. Table 1에는 지반종류에 따른 유효개량심도의 가이드라인이 제시되어 있는데, 일반적으로 RIC공법의 유효개량심도는 약 4m로 평가되고 있다(BRE, 2003; SAICE, 2006).
Table 1.
Effective improvement depths for RIC (BRE, 2003; SAICE, 2006)
| Soil type | Effective improvement depth (m) |
| Sand | 6 |
| Silty sand | 4.5 |
| Sandy silt | 3.5 ~ 4.5 |
| Uncontrolled fill | 3 ~ 5 |
2.2 다짐 품질관리기준(QC Criteria)
진동기반 다짐공법의 품질관리를 위해서는 일반적으로 표준관입시험(SPT), 콘관입시험(CPT) 및 재하시험(Zone Load Test, Pressuremeter Test 등)을 이용할 수 있다. 중동지역에서는 진동다짐 또는 동다짐공법 적용 후 품질확인시험으로 CPT를 주로 활용하고 있다. 과거 싱가포르에서 수행했던 모래매립 프로젝트에서의 다짐 품질관리기준 또한 CPT의 콘저항치 qc를 이용한 심도별 조건을 요구하였다.
일반적으로 모래와 같은 사질토에 대한 품질관리기준(QC criteria)은 상대밀도(Dr)에 근거하여 산정되어 왔다. 모래의 상대밀도(Dr)-콘저항치(qc)에 대한 비교연구에 따르면, 상재압력으로 정규화된 콘저항치는 상대밀도와 반대수 관계로 비례하는 것으로 나타내고 있으며, 연구자에 따라 다양한 식을 제안하고 있다(Jamiolkowski et al., 1985). 기존의 연구결과 중에서 Dr-qc-σv’의 관계로 나타낸 식 (1)을 이용하여, 특정 상대밀도를 만족하는 심도별 qc 프로파일을 산정할 수 있으며, 이를 다짐 품질관리기준으로 설정할 수 있다. 원 제안식은 tonf/m2 단위를 기준으로 계수가 산정되었으나, 식 (1)의 수치는 SI 단위로 변환을 위해 수정된 계수를 적용하였다.
여기서, Dr: 상대밀도(%), qc: 콘저항치(kPa), σv’: 유효상재압력(kPa)
구조물의 종류, 지반 지지력 등의 설계목표에 따른 진동다짐 지반에 대한 품질요구사양은 다양하다. 일반적으로 다짐작업 후의 qc로 규정되며, 65~70%의 상대밀도를 확보할 것을 요구한다. Fig. 3과 같이, 유효상재압력으로 정규화한 qc는 상대밀도와의 상관관계를 이용하여 요구 상대밀도에 대한 qc 기준을 설정할 수 있고, 이를 다짐 품질관리기준으로 활용할 수 있다. Fig. 4에는 실제 프로젝트에서 제시되었던 qc 기반의 품질관리기준을 나타내었다. 이는 싱가포르의 모래매립 2개 현장(Tuas Port 터미널, Jurong Island 부지매립)과 사우디아라비아의 원지반을 개량하는 1개 현장(Jazan Port 항만시설 및 도시인프라)에서 발주처가 요구하는 품질관리기준이다. 식 (1)의 관계에 따라 산정한 Dr=65~75%에 해당하는 심도별 qc를 Fig. 4에 음영 영역으로 표시하였는데, 이와 비교해보면, 실제 프로젝트에서 제시된 심도별 품질관리기준은 기존의 연구결과의 Dr-qc-σv’ 관계를 인용하여 설정한 것임을 추정할 수 있다.
Fig. 3
Correlation between relative density and cone resistance (modified from Jamiolkowski et al. (1985))
지반의 강도나 강성은 상대밀도로 나타내기가 어려운 경우가 종종 발생하기도 한다. 기존 연구에서 제시하고 있는 상대밀도 Dr과 콘저항치 qc와의 상관관계의 대부분은 대형 모형토조(Calibration chamber)에서 깨끗한 모래(Clean sand)에 대한 시험을 통해 수립된 관계이다. 과거에는 상대밀도를 참고하여 단일 qc 값이나 심도별 qc 프로파일을 다짐 품질관리기준으로 정의하였다. 그러나, 일반적으로 세립분의 함량이 높은 토질에서는 다짐효과가 저하되며, qc 또한 세립분 함량이 큰 토질에 대해서는 민감도가 낮아질 수 있다(Robertson and Wride, 1998; Robertson, 2009; Robertson, 2016; Bong et al., 2019). 따라서, 이런 경우에는 깨끗한 모래에 대한 정규화 콘저항치(Qtn,cs)를 사용하여 심도별 특성을 보정하여 다짐특성을 평가할 필요가 있다.
3. 현장 시험시공
3.1 시험시공 개요
대상 지반은 도심지 발생토인 Public fill을 약 4m 두께로 매립하여 조성할 계획인 동남아시아 부지매립 현장이다. 매립재료로 Public fill과 Sand fill이 사용되었으며 재료 입경에 대한 요구조건은 Table 2와 같다. 해당 현장에서는 토공사를 위해 계획된 기존의 진동롤러에 의한 층다짐을 RIC공법으로 변경하여 시공속도를 개선하고자 하였다. 이에 따라 RIC 장비를 도입하고, RIC공법의 적용성과 유효개량심도를 검증하기 위한 총 5회의 현장 시험시공(Calibration test)을 수행하였다. 각 시험시공 케이스별 매립재료의 종류, 품질확인시험 수량, 항목별 시험목적 및 고려사항은 Table 3에 정리하였다. 다짐을 위한 RIC 장비는 영국 BSP사의 9톤(≒90kN) 장비인 RIC9000을 사용하였고, 소음저감을 위해 해머부에 방음커버를 장착하여 시험을 수행하였다(Fig. 5 참조). 해당 장비의 유효개량심도는 4~6m로 소개되고 있어, 다짐 대상 토층두께(4m)에 적합한 장비로 판단하여 선정하였다.
Table 2.
Quality requirement of fill materials: Particle size distribution in soils
| Soil type | Percentage by mass passing BS (British Standard) sieve | |||||||
| 200 mm | 75 mm | 37.5 mm | 6 mm | 2 mm | 600 μm | 200 μm | 63 μm | |
| Sand fill | 100 | - | - | - | - | 0-5 | ||
| Public fill | 100 | 75-100 | - | - | - | - | - | 0-25 |
Table 3.
Calibration test program to evaluate the effective improvement depth of RIC
3.2 동다짐 설계 및 시공계획
RIC공법은 지반에 충격하중을 가하여 흙입자 재배열을 통해 다짐시공하여 시공성 및 경제성을 확보하는 공법이므로, 흙의 종류 및 다짐에너지 설계에 따른 지반거동 이해가 공법의 핵심이다. 식 (2)에 나타낸 적정 다짐에너지(Applied Energy, AE) 설계를 위해 격자형 타격패턴을 이용하여 3단계 타격에 의한 시공계획을 수립하였으며, 타격간격(s) 및 개소당 타격수(Nd)는 필요 다짐에너지를 고려하여 결정하였다(Lukas, 1995; Kim, 2023). RIC공법의 유효개량심도를 4m로 가정할 때, 진동다짐에 적합한 투수성 조립토(Pervious coarse-grained soil)에 대한 단위체적당 소요에너지(=200kN·m/m3, Table 4 참조)를 만족할 수 있도록 총 타격에너지를 계획하였다. 기본 타격패턴(6m×6m)에 대한 타격에너지 산정결과 960kN·m/m2으로 단위면적당 소요에너지(200kN·m/m3×4m=800kN·m/m2)를 만족함을 확인하였다(Table 5). 타격에너지 검토결과로부터 6m×6m 격자형 그리드를 기본패턴으로 결정하였고, 비교실험을 위해 4m×4m(AE=2,160kN·m/m2), 8m×8m(AE=540kN·m/m2)의 배치에 대한 시험시공을 추가 계획하였다(CT-1).
Table 4.
Applied energy guideline by the type of soil deposit (Lukas, 1995)
| Type of soil deposit | Unit applied energy (kN·m/m3) |
| Pervious coarse-grained soil | 200~250 |
|
Semi-pervious fine-grained soils Clay fills above the water table | 250~350 |
| Landfills | 600~1,100 |
Table 5.
Calculation of cumulative tamping energy comparing to the applied energy guideline
| Stage | Wt (kN) | Hd (m) | Nd (Blow) | Ae (m2) | AE (kN·m/m2) |
| Phase 1 | 90 | 1.2 | 40 | 17.98 | 240 |
| Phase 2 | 17.98 | 240 | |||
| Phase 3 | 9.00 | 480 | |||
| Σ | 960 > 800 (OK) | ||||
여기서, AE: 단위면적당 타격에너지(kN·m/m2), Wt: 해머무게(kN), Hd: 낙하높이(m), Nd: 타격횟수, Ae(=s×s): 타격영향범위(m2)
시험시공은 단위면적에 대해 3단계로 타격할 수 있도록 13개 타격개소의 격자형 그리드로 계획하였다(Fig. 6). 각 지점에서 9톤(≒90kN) 해머를 1.2m 진폭으로 타격하도록 계획하였으며, 강철모루의 과열방지를 위해 타격횟수는 40회로 제한하고, 필요 시 모루 냉각 후 추가 타격하도록 하였다. 그리고, 안전한 시공을 위해 관입깊이는 0.9m로 제한하여, 그 이상 심도로 관입할 경우 자동으로 타격을 중지할 수 있도록 설정하였다.
3.3 시험시공 결과
3.3.1 타격간격에 따른 다짐영향(CT-1)
타격간격에 따른 다짐영향 파악을 위해, RIC 타격 전·후 대상 지반에서 수행한 CPT 및 SPT 확인시험 비교결과를 Fig. 7에 나타내었다. Figs. 7(d), (e), (f)에서 SPT N은 심도별 경향을 파악하기가 어려운 반면에, Figs. 7(a), (b), (c)의 CPT qc 결과는 총 타격에너지에 따른 유효개량심도의 변화를 개략적으로 확인할 수 있다. 유효개량심도를 판정하기 위한 품질관리기준은 Dr=70%을 기준으로 Jamiolkowski et al.(1985)의 상관관계를 이용한 심도별 qc를 기준으로 작성하였고, Fig. 7의 CPT 결과에 점선으로 표시하였다. 당초 기본 설계패턴(6m×6m)에서의 RIC 다짐효과를 약 4m로 예상하였는데, Pre-CPT와 Post-CPT 비교결과로는 유효개량심도가 2m 내외로 평가되었다. 이는 Public fill 재료에 불규칙하게 포함된 호박돌로 인해 지중전파 에너지의 산란으로 다짐효율이 저감되었을 것으로 추정하여, 200mm 이상의 호박돌을 제거한 재료로 2차 시험시공(CT-2)을 수행하였다.
3.3.2 다짐방법에 따른 다짐영향(CT-2)
현장 반입된 Public fill 재료 중 200mm 이상의 호박돌 제거 후 해당 입경을 3% 내외로 관리한 재료(Public fill(sorted))를 매립재료로 사용하여 2차 시험시공(CT-2)을 수행하였다. CT-2에서는 다짐장비에 따른 다짐영향을 파악하기 위해, RIC 시험과 진동롤러 시험을 병행하였다. 우선 4m 포설 후 RIC 다짐 전·후에 대한 심도별 qc 프로파일을 취득하였고, 진동롤러 시험의 경우에는, 300mm 층두께에 대해 층다짐을 실시 후, 각 층별 들밀도시험(SRT)을 총 45회 실시하였다. Fig. 8에 각각의 다짐방법에 따른 심도별 qc 및 상대다짐도(Rc) 측정결과를 나타냈다. 매립재료를 4m 포설 후 다짐 전에 측정한 Pre-CPT 결과와 비교할 때, RIC 다짐에 의한 일시 다짐 및 진동롤러에 의한 층다짐 결과는 다짐 영향범위를 비슷하게 평가하였다(Fig. 8(a), (b)). 오히려 진동롤러로 다져진 지반 중간에서 qc가 저하되는 지점들이 일부 나타났는데, 이는 각 층간 경계에서 강도가 저하된 부분이 측정된 것으로 판단된다. qc 품질관리기준에 따른 유효개량심도는 1.5~1.7m로 나타났는데, 이는 CT-1에서 Public fill(unsorted)로 시험한 결과와 크게 다르지 않았다. 따라서, 유효개량심도 저하 요인으로 당초 예상했던 타격에너지 산란보다는 매립재료에 포함된 세립분 영향이 있는 것으로 추측되었다. 또한, Fig. 8(c)는 층별로 상대다짐도를 측정한 결과인데, 전층에 걸쳐서 균일하게 95% 다짐도를 상회하는 것으로 나타났다. 이는, 진동롤러로 다져진 지반은 기존의 들밀도시험에 의한 평가에서는 물리적 특성인 상대다짐도는 전 심도에서 만족하지만, CPT를 이용한 역학적 다짐기준 qc는 부분적으로 만족하지 못하는 것으로 평가될 수 있음을 의미한다. 이에 따라, Public fill에 대한 심도별 qc 품질관리기준의 적정성에 대해 재확인할 필요가 있는 것으로 판단되었다.
3.3.3 입도분포에 따른 다짐영향(CT-3~5)
두 차례의 시험시공(CT-1, CT-2) 결과를 통해 세립분을 포함하는 Public fill에 대한 다짐도 평가 시에는 기존의 qc 품질관리기준이 적합하지 않다는 것을 확인하였다. 이에 따라, 다짐효과에 대한 세립분의 영향을 파악하기 위해, 입도분포 특성이 다른 3가지 매립재료를 대상으로 시험시공을 수행하였으며(CT-3~5), 사용 매립재료에 대한 입도분포는 Fig. 9에 나타내었다. CT-3에서는 동적하중에 의한 다짐 시 세립분 영향을 최소화 할 수 있는 세립분 5% 미만의 깨끗한 모래(Clean sand)에 대한 다짐효과 검증을 위해, Sand fill 대상으로 RIC 다짐 전·후의 확인시험을 수행하였다. Fig. 10(a)에 나타낸 바와 같이, 깨끗한 모래에 대한 RIC 다짐은 기존의 qc 품질관리기준으로 4m 이상의 유효개량심도를 확인할 수 있었으며, 이는 설계 시의 예측심도와 거의 유사하다. 한편, 세립분이 포함된 Public fill에 대한 검증을 위해, 큰 입경의 재료를 1회 걸러낸 Public fill(A)과 큰 입경의 재료를 2회 걸러내서 세립분이 상대적으로 많이 포함된 Public fill(B), 두 가지 매립재료에 대한 다짐효과 검증을 각각 CT-4, CT-5를 통하여 수행하였다. 확인시험 결과, 세립분을 포함하는 Public fill은 Sand fill에 비해서 유효개량심도가 약 60~70% 과소평가되었다. 또한, Public fill(B)와 같이 두 차례 입경관리를 통해 호박돌을 제거할 경우에는 상대적으로 다짐을 고르게 할 수 있는 장점이 있으나, 세립분이 상대적으로 증가하게 되어 다짐효과가 항상 유효한 것은 아니다. 이와 같은 관찰을 통해서, 깨끗한 모래가 아닌 Public fill과 같은 매립재료에 대해서는 세립분을 고려하여 품질관리기준을 다르게 설정할 필요가 있는 것으로 판단되었다.
4. 세립분의 다짐영향 및 품질관리기준 제안
4.1 세립분의 다짐영향
CPT qc 결과는 흙의 소성성, 세립분, 광물함량, 예민성, 퇴적연대, 응력이력 등의 여러 요소에 영향을 받는 복합적인 수치이다(Robertson, 2009; Robertson, 2016). 앞에서 설명하였듯이, 본 연구에서 수행한 현장 시험시공(CT-3~5)에서는 세립분이 포함된 Public fill과 깨끗한 모래에 준하는 Sand fill에 대해 동일한 타격패턴(6m×6m, 개소당 40회 타격)으로 RIC 다짐시공을 실시하고 다짐 전·후 역학적 특성(qc)의 변화를 비교하였다. 시험시공 비교결과, 모래에 비해 세립분이 포함된 Public fill에서의 qc가 예상보다 크게 저감됨을 관찰할 수 있었다. Robertson and Wride(1998)는 세립토의 압축성이 커짐에 따라 qc가 작아지는 현상을 발견하였고, 세립분 함량에 따른 qc 보정을 위한 절차를 제시하였다. 이 방법은 재료의 세립분 함량을 결정하고 측정된 qc1n 값에 보정계수를 적용한 후, 깨끗한 모래에 대한 정규화 콘저항치(Qtn,cs)를 추정하는 것이다. 이후 Robertson(2009)은 무차원 형태로 정규화된 콘저항치(normalized cone resistance) Qtn과 응력지수(stress exponent) n을 다음 식과 같이 제안하였다. 정규화 콘저항치(Qtn)는 심도에 따라 비선형적으로 증가하는 상재압력에 대한 영향을 정규화 할 수 있는 장점이 있다.
여기서, qt: 간극수압 보정 콘저항치(kPa), Pa: 대기압(101.4kPa), n: 흙의 종류에 따른 응력지수(깨끗한 모래는 0.5, 실트나 실트질 모래는 0.5~1 사이의 값), σv 및 σv’: 전응력 및 유효응력(kPa), Ic: 흙거동 종류(Soil Behavior Type, SBT) 지수, F: 정규화 마찰비(%)
세립분 함량이 증가함에 따라 모래입자 사이의 접촉이 감소하고 이에 따라 qc가 감소하게 되는데, 이와 관련된 지표인 흙거동 종류(Soil Behavior Type, SBT) 지수 Ic가 증가할수록 진동다짐 방법은 효과가 저감된다(Robertson, 2016). 따라서, Ic는 다양한 진동기반의 다짐공법들에 대한 세립분이 포함된 토질에서의 보정을 할 수 있는 가이드라인이 될 수 있다. 일반적으로 Ic>2.6인 경우에는 진동다짐에 의한 다짐도 개선효과가 작아지게 된다(Robertson, 2009; Robertson, 2016). Fig. 11에 RIC 다짐 전·후에 흙의 종류에 따라 Ic-Qtn 및 CPT 흙분류 도표인 F-Qtn의 관계를 나타내었다. 여기서, Qtn을 산정하기 위한 응력지수 n은 Sand fill에 대해서는 0.5, Public fill(A, B)는 측정치를 기반으로 시행착오적으로 산정하여 각각 0.68과 0.56을 적용하였다. 흙 분류표에 따르면 Sand fill은 Sand로 분류되고, Public fill(A)는 Silt mixture~Sand mixture로, Public fill(B)는 Sand mixture~Sand의 토질에 해당되는 것으로 분류된다. Qtn의 변화폭이 RIC의 타격에너지로 인한 다짐효과의 지표가 되는데, Sand fill이 가장 효과가 큰 것으로 판단된다(Figs. 11(a), (d)). Public fill(A)와 Public fill(B)는 흙 분류표상 Qtn은 변화가 있지만, 세립분이 상대적으로 많이 포함되어 있기 때문에, 정규화 콘저항치에서 다짐효과가 크게 반영되지 않는 것으로 판단된다.
4.2 토질에 따른 RIC 품질관리기준 제안
세립분의 영향을 고려한 비교는 깨끗한 모래에 대한 정규화 콘저항치(Qtn,cs)를 기반으로 설명할 수 있으며, 이는 깨끗한 모래 뿐만 아니라 세립분이 포함된 토사까지의 대부분의 토질에 대한 다짐효과를 동일한 기준으로 규명할 수 있는 장점이 있다(Robertson and Wride, 1998; Robertson, 2009). 다양한 토질에 대한 거동을 파악하기 위해서는, CPT에서 SBT 지수인 Ic를 기반으로 흙의 거동특성의 함수와 관련된 보정계수 Kc를 이용하여 깨끗한 모래에 대한 정규화 콘저항치(Qtn,cs)를 산정하여 활용할 수 있다(Robertson and Wride, 1998).
깨끗한 모래를 기준으로 새로운 심도별 qc 품질관리기준을 수립하기 위해, 우선 깨끗한 모래에 해당하는 Sand fill 시험시공 결과(CT-3)를 기존의 Dr-qc 상관관계(Jamiolkowski et al., 1985)와 비교하였다. Sand fill의 상대밀도 Dr=70%에 해당하는 정규화 콘저항치(Qtn,cs)를 시행착오적으로 산정하였을 때 해당 값은 Qtn,cs=110으로 평가되었다. Public fill의 경우, 정규화 콘저항치(Qtn,cs) 110을 만족하는 Dr-qc 프로파일을 역산한 결과, 기존 상관관계 제안치 Dr=50~60%에 해당하는 것으로 산정되었다(Fig. 12). 이와 같이, 동일한 정규화 콘저항치(Qtn,cs)를 나타내는 조건이라도, 매립재료의 상태에 따라 qc에 의한 품질관리기준은 다짐도를 과소평가할 수도 있음을 의미한다. 그러므로, 콘저항치 qc를 현장 품질관리기준으로 적용할 경우에는, 재료의 특성을 반영한 기준치를 별도로 설정하여 다짐 품질관리를 수행해야 한다.
Fig. 13에는 Fig. 10에서 qc로 도시했던 프로파일을 Qtn,cs 프로파일로 변환하여 나타내었다. Qtn,cs 프로파일은 qc 프로파일에 비해서 상부층에서의 다짐에너지 영향이 명확하게 표현되므로, 직관적으로 다짐에너지에 의한 영향심도를 파악할 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다. Table 6에는 각 토질별로 qc 프로파일과 Qtn,cs 프로파일로 평가한 유효개량심도 결과를 각각 정리하여 비교하였다. Sand fill은 평가 심도에 차이가 없는 반면에, Public fill은 평가방법에 따라 0.7~1.0m의 차이가 발생하였다. 이는 세립분이 포함된 재료를 기존의 qc 기준으로 다짐 품질관리를 수행할 경우, 약 1m 정도 다짐효과를 과소평가할 수 있음을 의미한다.
Table 6.
Evaluated effective improvement depths by material types and QC criteria
앞에서 설명한 바와 같이, Qtn,cs 기준치를 이용하여 다짐 품질관리를 수행하는 것이, 흙의 종류에 상관없이 동일한 조건에서 품질관리를 수행할 수 있는 방법이다. 그러나, 현장기술자에게는 qc가 좀더 직관적인 수치이기 때문에, 시공 중 현장에서 발생한 문제에 대한 신속한 대응을 위해서는 기존의 qc 프로파일을 수정하여 적용하는 방법이 좀더 실용적이라고 생각된다. 그에 따라, Qtn,cs 기준치 110에 해당하는 심도별 qc를 역산하여 다짐 품질관리기준으로 재산정하였으며, 세립분의 함량에 따른 심도별 기준으로 재구성하여 제안된 품질관리기준은 Fig. 14에 나타낸 바와 같다. 기존 제안식의 상대밀도와 비교하면, 세립분 5% 재료는 Dr=70%, 세립분 15% 재료는 Dr=50~60% 제안식에 해당되었으며, 세립분 35% 재료는 세립분 5% 모래의 qc 값에 비해서 약 30%로 감소된 값을 나타내었다. 이와 같이, 새로운 품질관리기준은 현장 매립재료의 세립분을 파악하고, 그에 따라 적정한 심도별 qc 품질관리기준을 설정하여 현장관리치로 간편하게 사용할 수 있다. 또한, Public fill과 같이 세립분이 일부 포함된 지반을 RIC공법으로 다진 후 qc 품질확인시험을 수행할 경우, 다짐도를 확보하였음에도 미다짐으로 판정이 되는 불합리한 점을 보완할 수 있다.
제안된 품질관리기준 곡선(Fig. 14)에 Public fill의 범위를 도시한 결과, 본 연구에서 사용한 Public fill은 세립분 함량 15% 내외의 품질관리기준을 적용하는 것이 합리적인 것으로 판단되었다. 다만, 제안된 품질관리기준을 이용할 때, 계산상으로는 세립분 함량 35%에 해당하는 곡선도 제시 가능하나, 세립분이 많이 포함되어 점토와 유사한 거동을 나타내는 지반은 상대밀도 기준은 만족하더라도 다짐 대상 지반의 강성을 확보하지 못할 수도 있으므로, 세립분 함량이 높은 토질에서 적용할 때는 주의가 필요하다.
5. 결 론
본 연구는 부지매립을 위한 Public fill 다짐 시 RIC공법을 적용하기 위해, 매립재료에 따른 시험시공 결과를 분석하고 RIC공법의 유효개량심도(Effective improvement depth)를 검증하였다. RIC 다짐 전·후의 지반특성에 대한 비교를 위해서 CPT, SPT, SRT의 현장시험을 수행하였으며, 결론적으로 RIC공법은 약 4m 두께의 Public fill 매립공사에서 공기단축이 가능한 다짐시공법으로 평가되었다. 또한, 다양한 토질에 대해서도 CPT qc를 이용한 다짐 품질관리를 효율적으로 수행할 수 있음을 확인하였고, 비교·분석을 통해 도출한 결론을 정리하면 다음과 같다.
(1) 동일한 다짐에너지로 다져진 지반이더라도, 세립분이 함유된 Public fill은 깨끗한 모래(Clean sand)인 Sand fill에 비해 50~60% 저감된 qc로 평가되었다. 이는, 실제로는 기준 다짐도를 확보하더라도, 매립재의 세립분 함량에 따라 다짐불량으로 판정할 수 있음을 의미한다. 따라서, 심도별 qc 품질관리기준(QC criteria) 설정 시 재료의 세립분 함량에 따른 보정이 필요하며, 본 연구에서 사용된 Public fill의 경우에는 약 15%의 세립분 함량에 해당하는 심도별 qc 품질관리기준이 적합한 것으로 나타났다.
(2) 콘저항치(qc)는 세립분에 따라 측정치에 영향을 받기 때문에, 동일한 조건에서의 비교를 위해 깨끗한 모래에 대한 정규화 콘저항치(Qtn,cs)를 사용한 다짐 품질관리기준을 수립할 필요가 있다. 본 연구에서 사용한 Sand fill 재료는 Qtn,cs=110 일 때 상대밀도 70%를 확보하는 것으로 확인되었다.
(3) Sand fill과 Public fill 재료에 대한 현장시험으로 RIC공법의 유효개량심도를 평가한 결과, Sand fill은 평균 4.2m의 유효개량심도를 나타냈으나, Public fill은 세립분 함량에 따라 평균 3.5~3.7m의 감소된 유효개량심도로 평가되었다. Public fill과 같이 세립분이 함유된 매립재료에서 RIC 다짐을 실시할 경우에는 유효개량심도가 모래에 비해 최대 1m까지 저감될 수 있으므로, 세립분 15% 내외의 Public fill 대상으로 9톤 RIC공법을 적용할 경우에는 약 3m로 저감된 개량심도를 고려한 시공계획 수립이 필요하다.
(4) 본 연구에서는 깨끗한 모래에 대한 기존 연구결과(Dr-qc-σv’ 상관관계)와 상대밀도 70%에 해당하는 정규화 콘저항치 기준(Qtn,cs=110)을 이용하여, 세립분 함량을 보정할 수 있는 심도별 qc 품질관리기준을 제안하였다.
(5) 제안된 심도별 qc 품질관리기준은 사전에 파악된 매립재료의 세립분 함량을 기준으로 지반특성을 고려한 심도별 qc 현장관리치로 간편하게 사용할 수 있다. 특히, Public fill과 같이 세립분이 포함된 지반을 RIC공법으로 다진 후 qc 품질확인시험을 수행할 경우, 다짐도를 확보하였음에도 미다짐으로 판정되어 재시공되는 불합리한 점을 보완할 수 있다.
