1. 서 론
2. 현장시험 방법 및 조건
2.1 현장시험 개요
2.2 성토재료
2.3 현장시험 조건
3. 현장시험 결과 및 분석
3.1 동적콘관입시험(dynamic cone penetrometer test, DCPT) 결과 및 분석
3.2 소형충격재하시험(light weight deflectometer test, LWDT) 결과 및 분석
4. 현장시험 결과 간 상관관계 분석
5. 결 론
1. 서 론
토공사는 대지 조성을 위한 기초공사로 도로 및 단지 건설공사에서 차지하는 비중이 20~30%에 이를 정도로 중요한 공정이다(Baek et al., 2015; KICT, 2018). 토공사의 공정은 크게 롤러(roller)를 사용하는 다짐과 인력 기반의 현장시험을 통한 품질관리(quality control, QC)로 구분된다. 흙쌓기(성토) 표준시방서(KCS 11 20 20 : 2016)는 현장에서 작업자가 모래치환법(KS F 2311 : 2016)을 통해 구한 건조밀도 혹은 평판재하시험(KS F 2310 : 2020)을 통해 구한 지지력 계수를 활용해 다짐 품질을 관리하도록 규정하고 있다.
모래치환법은 다짐을 수행한 지반에 시험 구멍(test pit)을 판 뒤 구멍의 체적을 시험용 모래로 치환하여 건조밀도(시험 구멍에서 파낸 흙의 건조 무게와 시험용 모래로 치환한 구멍의 체적을 이용)를 구하는 방법이다. 모래치환법은 현장에서 지반의 다짐 품질을 판단하는 방법으로 널리 적용되지만, 그 결과가 시험 구멍의 모양과 크기, 시험용 모래의 입도 등에 큰 영향을 받으므로 시험자에 따라 오차가 발생할 여지가 크다(Park and Choi, 2009). 평판재하시험은 다짐을 수행한 지반에 지름 300mm의 판(plate)을 두고 연직하중을 재하하며 지반반력을 측정하는 방법이다. 평판재하시험은 지반반력(즉, 지반의 지지력)을 측정하기 위해 사용되는 가장 고전적인 방법이지만, 재하판에 가해지는 연직하중의 반력으로 사용될 고중량의 장비가 항시 대기해야 한다. 또한 모래치환법과 평판재하시험 모두는 시간 및 비용의 제약으로 인해 전체 다짐 영역의 극히 일부(약 1000m2 당 1회)에서만 시험이 가능하다는 현실적인 한계가 있다. 이에 비교적 간편하게 다짐 품질을 검사할 수 있도록 동적콘관입기(dynamic cone penetrometer, DCP)와 소형충격재하기(light weight deflectometer, LWD)가 개발되었다. 두 장비는 1인 혹은 2인의 작업자가 사용할 수 있도록 소형화 및 경량화된 형태로, 남아프리카공화국과 독일에서는 각각 DCP와 LWD를 다짐 품질관리에 적용하며 20~25년 이상의 수명을 가지는 도로를 성공적으로 시공하고 있다(Kessler, 2009). 특히 1990년대 후반 미국의 미네소타 교통국(Minnesota Department of Transportation)에서 DCP 및 LWD를 도로 하부지반의 품질관리에 활용하기 시작한 이래(Siekmeier et al., 2009), 많은 유럽의 여러 국가에서도 DCP와 LWD를 현장에 적용하며 시공 사례를 늘려가고 있다(Fleming et al., 2007). 이에 발맞춰 국내에서도 MOLIT(2017)를 통해 DCP와 LWD를 토공사 다짐품질 관리에 적용하기 위한 제도적 기반을 마련한 바 있다. 그러나 국내 현장에 적용된 사례가 부족해 DCP와 LWD로부터 얻은 품질정보의 신뢰성을 담보하기 어렵다는 현실적인 한계로, 토공사 다짐품질 관리에 두 장비가 적용되는 사례는 찾아보기 어렵다. 또한 두 장비 기반의 토공사 품질관리를 위한 구체적인 시험방법을 제시하는 KS 규정도 부재한 상황이다.
지능형 다짐기술(intelligent compaction technology)의 개발 및 보급도 DCP와 LWD에 대한 관심을 높이고 있다. 지능형 다짐기술은 토공사 다짐품질을 실시간, 연속적으로 관리할 수 있다는 기술적인 장점이 있으나(Baek et al., 2020; Choi et al., 2021), 데이터 측정 방식에 따른 내재적인 한계를 보완하기 위한 물리적인 시험방법이 필요하다. 지난 20년간 수행된 많은 연구자들의 현장시험 결과를 바탕으로 DCP 혹은 LWD를 지능형 다짐을 보조하기 위한 물리적 시험방법으로 추천하고 있으므로(Tehrani and Meehan, 2010; Meehan et al., 2012), 지능형 다짐기술의 활용을 위해서도 두 장비의 현장적용 사례 확보 및 구체적인 시험방법의 제시가 필요하다.
본 연구는 DCP와 LWD를 토공사 다짐품질 관리에 적용하기 위한 기초연구로 수행되었다. 서로 다른 성토재료를 사용하는 국내의 두 토공사 현장(경기도 A현장, 전라북도 S현장)에서 동적콘관입시험(dynamic cone penetrometer test, DCPT)과 소형충격재하시험(light weight deflectometer test, LWDT)을 각각 119회씩 수행했다. 그 결과를 성토재료, 시험 위치 및 심도 등에 따라 분석해 토공사 다짐품질 관점에서 두 장비의 적용성을 확인하고, 결과 해석 시 유의사항을 제시했다. 추가적으로 경기도 A현장에서는 토공사 다짐품질 관리를 위해 일반적으로 수행되는 평판재하시험(plate load test, PLT)을 6회 수행하고, 그 결과를 DCPT 및 LWDT 결과와 비교·분석했다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2절에서는 본 연구에서 수행된 현장시험 방법 및 조건을 기술하고, 3절에서는 DCPT와 LWDT 결과를 각각 분석했다. 4절에서는 DCPT, LWDT, PLT 결과를 비교 분석해 상관성을 확인했다. 본 연구의 요약 및 결론은 5절에 기술했다.
2. 현장시험 방법 및 조건
2.1 현장시험 개요
본 연구에서는 서로 다른 성토재료를 사용하는 두 토공사 현장(경기도 A현장, 전라북도 S현장)에서 DCPT와 LWDT를 수행했다. A현장에서는 토공사 다짐품질 관리를 위해 일반적으로 수행되는 PLT도 수행한 뒤 그 결과를 DCPT 및 LWDT 결과와 비교했다. A현장은 고속도로 건설현장이고, S현장은 농업용지를 조성하는 매립현장이다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이, 시험부지의 길이와 너비는 A현장이 각각 25m와 15m, S현장이 각각 35m와 10m 였다. 두 현장 모두 시험부지의 원지반(underlying layer) 위에 성토재료를 약 400mm 두께로 평평하게 포설했고, 드럼의 직경과 너비가 각각 1.5m와 2.1m 이고 총 중량이 10.6톤인 진동롤러(vibratory roller)를 활용해 다짐을 수행했다. 다짐이 완료된 뒤에는 DCPT, LWDT, PLT를 수행했고(Fig. 2), 각각 DPI(mm/회), ELWD(MPa), EPLT(MPa)와 같은 다짐품질을 획득했다.
2.2 성토재료
A현장과 S현장은 위치와 시공 목적이 상이한 현장으로, 서로 다른 성토재료를 사용했다. A현장은 경기도 내륙에 위치한 고속도로 건설현장으로 인근 토취장에서 채취한 화강 풍화토(weathered granite soil)를 사용했고, S현장은 전라북도 해안에 위치한 매립현장으로 근해에서 채취한 준설토(dredged soil)를 사용했다.
Table 1은 실내 토질시험으로부터 얻은 A현장과 S현장 성토재료의 기본 물성값을 나타낸다. A현장의 성토재료는 4번체 및 200번체 통과량이 각각 100% 및 10.6%, 균등계수(Cu)가 19.1로, 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS)에 따라 실트를 함유한 빈입도의 모래(SP-SM)로 분류되었다. S현장의 성토재료는 4번체 및 200번체 통과량이 각각 100% 및 16.3%, 균등계수(Cu)가 3.4로 USCS에 따라 실트질의 모래(SM)로 분류되었다. 흙쌓기(성토) 표준시방서(KCS 11 20 20 : 2016)에서는 흙쌓기 재료의 입도기준을 최대치수 25mm 이하, 4번체 통과율 25~100%, 200번체 통과율 0~25%로 제시하고 있다. Table 1에서 확인할 수 있듯이, A현장 및 S현장에서 사용된 성토재료는 모두 제시된 기준을 만족하여, 국내 현장에서 적용되는 성토재료로 적합한 것으로 나타났다.
Table 1.
Index properties of the fill materials
| Site | USCS | Gs | D10 (mm) | D50 (mm) | Cu | #4 passing (%) | #200 passing (%) |
| A | SP-SM | 2.68 | 0.07 | 1.47 | 19.1 | 100 | 10.6 |
| S | SM | 2.63 | 0.03 | 0.09 | 3.4 | 100 | 16.3 |
또한 수정다짐시험(ASTM D1557-02 : 2009)을 통해 평가한 최대 건조단위중량과 최적 함수비는 A현장에서 각각 1.95t/m3, 9.2% 이고, S현장에서 각각 1.63t/m3, 15.3% 였다(Fig. 3). 흙쌓기(성토) 표준시방서(KCS 11 20 20 : 2016)에서는 노상의 경우 최대 건조단위중량의 95%(노체의 경우 90%) 이상이 되도록 다짐품질 기준을 제시하고 있다. Fig. 3에서 확인할 수 있듯이, A현장에서는 함수비 4.6~14.2% 범위에서, S현장에서는 함수비 8.9~18.2% 범위에서 최대 건조단위중량의 95%를 만족하도록 다질 수 있었다. 현장시험 전 성토재료를 채취해 현장 함수비를 측정한 결과, A현장은 약 7.9%, S현장은 약 14.7%로 모두 최적 함수비 보다 낮은 건조측(dry side)에 위치했고 최대 건조단위중량의 95%를 달성할 수 있는 범위 내에 존재했다.
2.3 현장시험 조건
본 연구에서는 시험부지를 몇 개의 구역(A1~A4, S1~S3)으로 구분해 현장시험을 수행했다(Fig. 4). 각 구역은 진동롤러의 드럼과 동일한 2.1m의 너비와 시험부지와 동일한 길이(A현장과 S현장 각각 25m 및 35m)를 가지는 띠(strip) 모양이며, 서로 다른 다짐횟수를 적용했다. 다짐이 완료된 후에는 DCPT와 LWDT를 각각 ASTM D6951-09 : 2015와 ASTM E2583-07 : 2020에 따라 수행했고, PLT는 KS F 2310 : 2020에 따라 수행했다.
Table 2는 각각의 구역에서 수행된 현장시험 조건을 나타낸다. 우선 A현장에서는 A1~A4 구역의 성토재료를 진동롤러로 각각 2, 4, 8, 12회 씩 다짐했다. A1, A2, A3 구역에서는 다짐이 최종적으로 완료된 뒤(즉, 각각 2, 4, 8회 씩 다짐을 완료한 후)에 DCPT, LWDT, PLT를 수행했고, A4 구역에서는 4, 8, 12회를 다짐한 뒤 DCPT, LWDT, PLT를 수행했다. Fig. 4에서 확인할 수 있듯이, DCPT와 LWDT는 5m 간격으로 수행했으며 PLT는 각 시험조건 마다 1회 씩(즉, A1, A2, A3 구역에서 각 1회 씩, A4 구역에서 3회로 총 6회) 수행했다. S현장에서는 S1~S3 구역의 성토재료를 모두 4회 씩 다짐하며, 각 다짐횟수(즉, 각각 1, 2, 3, 4회 씩 다짐 후)마다 DCPT와 LWDT를 5m 간격으로 수행했다.
Table 2.
Summary of the field experiment program
3. 현장시험 결과 및 분석
3.1 동적콘관입시험(dynamic cone penetrometer test, DCPT) 결과 및 분석
DCPT는 8kg의 중량을 가지는 해머를 575mm 높이에서 자유낙하 시켜 엔빌(anvil)을 타격해, 원추각과 직경이 각각 60°와 20mm 인 콘(cone)을 지반에 관입시키는 시험이다(Fig. 2 참조). 지반의 강도는 1회 타격 시 콘의 관입량으로 산정되는 DPI(dynamic cone penetration index)로 나타내며, 단위는 mm/blow로 표시한다. DCPT 장비 및 구체적인 시험방법에 대해서는 ASTM D6951-09 : 2015에 보다 자세히 기술되어 있다.
ASTM D6951-09 : 2015에서는 일반적인 성토재료(normal materials)의 경우 5회 타격 시 콘의 평균 관입량(average dynamic cone penetration index, DPIA)을 다짐품질을 확인하는 지표로 활용하도록 명시하고 있다. DPI와 DPIA를 산정하는 식은 아래와 같다.
여기서, Dinitial은 초기 상태(첫 번째 타격 전)에서 측정된 콘의 관입깊이(mm)를, Dn, Dn+1, D5는 각각 n번째, n+1번째, 5번째 타격 후 측정된 콘의 관입깊이(mm)를 의미한다. Fig. 5는 각 시험조건 별로 중앙부(Fig. 4 참조)에서 측정된 DPI를 타격횟수에 따라 나타낸 것이다. 시험조건이 동일하면 DPI와 타격횟수의 정성적 관계는 큰 차이를 보이지 않았기 때문에 중앙부의 결과만 도시했다. Fig. 5에서 확인할 수 있듯이, 타격횟수가 증가할수록(즉, 콘의 관입 깊이가 깊어질수록) DPI가 감소했다. 특히, DPI의 감소는 초기 타격 시 크게 나타나다가 타격횟수가 증가함에 따라 줄어들었는데, 이는 지표면에서 지반의 구속(restraint)이 없어 초기 타격 시 지반의 저항력이 매우 낮게 측정되기 때문으로 판단된다. 같은 이유로 DCPT 수행 시, 첫 번째 타격 전 DCP의 자중으로 인해 콘이 지반에 관입되는 현상을 확인했다. 자중으로 인한 콘의 관입량은 DPI 산정 시 포함되지 않는데, 이를 고려하는 경우 초기 타격과 이후 타격 시 DPI의 차이는 더욱 크게 나타날 것으로 예상된다.
흙쌓기(성토) 표준시방서(KCS 11 20 20 : 2016)에서는 다짐 완료 후 1층 두께를 200mm(노상) 혹은 300mm(노체)로 규정하고 있다. 따라서 DCPT를 토공사 다짐품질 관리에 적용하기 위해서는 DCPT를 통해 도출되는 품질정보가 다짐층의 두께인 200mm 혹은 300mm의 평균적인 강성을 나타내야 한다. 그러나 ASTM D6951-09 : 2015에 따라 산정된 DPIA를 다짐품질 지표로 활용하는 경우 초기 타격의 영향이 매우 크게 작용하므로(시험조건에 따라 차이는 있지만 초기 타격 시 관입량과 이후 4회 타격 시 평균 관입량은 약 1.4~4.5배로 나타남), 다짐층의 평균적인 강성을 대표할 수 있을지에 대한 의문이 있다. 특히, 초기 타격 시 관입량은 시험 위치, 시간에 따라 변동성이 매우 큰 지표면 함수비의 영향을 크게 받는 것으로 알려져 있다(Tan et al., 2014). 또한 앞서 언급했던 자중에 의한 콘의 관입량도 시험 위치를 포함한 시험 환경에 따라 변동성이 매우 크므로, 품질시험 결과의 변동성을 심화시키는 요인이 될 것으로 판단된다.
Fig. 6은 각 시험조건 별로 측정된 DPIA를 시작점(Fig. 4 참조)으로부터 거리에 따라 나타낸 것이다. DCPT 결과를 토공사 다짐품질 관리에 적용하기 위해서는 동일한 시험조건에서 획득된 품질값(DPIA)이 위치에 관계없이 적은 변동성을 보여야 한다. 그러나 DPIA는 동일한 시험조건이 적용된 경우(동일한 성토재료와 다짐횟수가 적용된 경우)에도, 위치에 따라 매우 큰 변동성을 보였다. 동일한 시험조건에서 측정된 DPIA의 최대값과 최소값의 비율은 A현장에서 1.2~2.2배, S현장에서 1.2~1.7배로 나타났다. 이는 ASTM D6951-09 : 2015에 따라 DPIA를 얻은 뒤 이를 다짐품질 지표로 활용하는 경우, DCPT를 수행한 위치에 따라 동일한 다짐층의 품질이 크게 다르게 평가될 것임을 의미한다.
이러한 위치별 변동성은, 20mm 직경의 작은 콘을 관입시켜 지반의 저항력을 측정하기 때문에 발생되는 DCPT의 내재적인 한계와 더불어 초기 타격 시 관입량의 변동성이 큰 영향을 준 것으로 보인다. 이에 본 연구에서는 KS F 2307 : 2017에서 제시하는 표준관입시험(standard penetration test) 방법과 유사하게 초기 타격을 예비타격(preliminary drop)으로 보고 제외하는 방법을 제시했다. 즉, 첫 번째 타격을 예비타격으로 보는 경우, 이후 수행되는 다섯 번의 타격(두 번째 타격부터 여섯 번째 타격까지)의 평균 관입량(수정 DPIA로 본 연구에서는 DPIA*로 표시)을 산정하는 것이다. Fig. 7은 예비타격의 횟수를 0회부터 5회까지 적용했을 때 산정된 DPIA* 표준편차의 평균값(시험조건 별로 DPIA* 표준편차를 구한 뒤 각 현장 별로 평균한 값)을 나타낸 것이다. A현장과 S현장에서 사용된 성토재료가 달라 표준편차의 절대적인 값에는 차이가 있었지만, 예비타격 횟수를 0회부터 2회까지 늘려갈수록 편차가 급격히 감소하고 이후에는 큰 차이가 없다는 공통점이 있었다. 이에 본 연구에서는 두 번째 타격까지를 예비타격으로 보고 이후 수행되는 다섯 번의 타격(세 번째 타격부터 일곱 번째 타격까지) 시 관입량을 바탕으로 DPIA*를 산정해 분석에 활용했다. 다만, DCPT 결과의 위치별 변동성은 성토재료의 종류 및 현장의 환경(지표면 함수비 변동성 등)에 따라 달라질 수 있으므로, 일반적으로 적용되기 위한 예비타격 횟수를 정하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 8은 두 번째 타격까지를 예비타격으로 보고 산정된 DPIA*를 시작점(Fig. 4 참조)으로부터 거리에 따라 나타낸 것이다. 예비타격의 효과를 보다 명확하게 확인하고자 각 축의 경계값을 Fig. 6과 동일하게 설정했다. Fig. 6과 Fig. 8을 도식적으로 비교한 결과, DPIA에 비해 DPIA*의 위치별 변동성이 크게 줄어드는 것으로 나타났다. 동일한 시험조건에서 측정된 DPIA*의 최대값과 최소값의 비율은 A현장에서 1.1~1.5배, S현장에서 1.1~1.3배로 나타났다(DPIA는 A현장에서 1.2~2.2배, S현장에서 1.2~1.7배). 이는 위치별 변동성이 매우 큰 초기 타격 시 관입량을 제외했기 때문이다. 특히, S현장의 위치별 변동성이 더욱 작았는데, S현장에서 사용한 성토재료의 평균입경이 작으며 균질했기 때문이다(Table 1 참조). S현장과 같이 평균입경이 작고 균질한 성토재료를 사용하는 경우 일부 굵은 입자(coarse material)가 DCP 관입량에 미치는 과도한 영향을 피할 수 있으므로, 20mm 직경의 작은 콘을 사용하기 때문에 발생되는 DCPT의 내재적인 한계를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 9는 각 현장에서 동일한 다짐횟수 별로 측정된 DPIA와 DPIA*의 평균값을 다짐횟수에 따라 나타낸 것이다. 다짐횟수가 증가함에 따라 다짐도가 증가하므로, 콘의 평균 관입량(DPIA 혹은 DPIA*)은 감소해야 한다. 두 현장 모두에서 다짐횟수 증가에 따른 DPIA의 감소 경향을 확인할 수 없었지만, DPIA*는 감소 경향을 보였다. 즉, DPIA*가 DPIA에 비해 다짐횟수 증가에 따른 다짐도 증가를 명확하게 보여주므로, 초기 타격을 예비타격으로 보고 제외한 뒤 구한 DPIA*가 토공사의 다짐지표로 활용되기에 더 적합할 것으로 판단된다.
3.2 소형충격재하시험(light weight deflectometer test, LWDT) 결과 및 분석
LWDT는 낙하추(drop weight)를 일정한 높이에서 자유낙하 시켜 평판(plate)을 타격한 뒤 그 처짐량(deflection)을 측정해, 지반의 탄성계수를 산정하는 시험이다(Fig. 2 참조). 낙하추의 중량, 높이, 평판의 직경, 측정값은 제조사(manufacturer) 별로 차이가 있으며, 탄성계수 산정법(입력값 및 이론모델 등)에 차이가 있어 결과도 상당히 다르게 나타나는 것으로 알려져 있다(Fleming et al., 2000; Livneh and Goldberg, 2001; Hildebrand, 2003). 본 연구에서는 전 세계적으로 가장 많이 활용되고 있는 Dynatest 사가 제작한 LWD인 3032 Light Weight Deflectometer를 사용했고, 낙하추의 중량, 높이, 평판의 직경은 각각 10kg, 700mm, 300mm를 적용했다. LWDT를 수행하는 구체적인 방법에 대해서는 ASTM E2583-07 : 2020에 보다 자세히 기술되어 있다.
LWDT를 통해 측정된 지반의 탄성계수는 ELWD로 나타내며, 단위는 MPa로 표시한다. ASTM E2583-07 : 2020에서는 한 위치에서 낙하추를 두 번 이상 자유낙하 시켜 측정된 ELWD의 평균값을 다짐품질 지표로 활용하도록 명시하고 있다. 또한 초기 1~2회 타격을 평판과 지반의 밀착을 위한 타격(drop for seating)과정으로 보고 제외할 것을 추천하고 있다. A현장에서는 상기 추천사항에 따라 낙하추를 다섯 번 자유낙하 시켜 ELWD를 측정한 뒤, 세 번째부터 다섯 번째까지 값의 평균값을 분석에 사용했다. S현장에서는 초기 타격의 영향을 배재하지 않고 낙하추를 세 번 자유낙하 시키며 측정된 ELWD의 평균값을 분석에 사용했다.
Fig. 10은 각 시험조건 별로 측정된 ELWD를 시작점(Fig. 4 참조)으로부터 거리에 따라 나타낸 것이다. LWDT 결과를 토공사 품질관리에 적용하기 위해서는 동일한 조건에서 획득된 품질값(ELWD)의 변동성이 적어야 한다. Fig. 10에서 확인할 수 있듯이, A현장이 S현장에 비해 변동성이 더 작았다. 동일한 시험조건에서 측정된 ELWD의 최대값과 최소값의 비율은 A현장에서 1.2~1.3배, S현장에서 1.2~1.8배로 나타나, DCPT 결과의 위치별 변동성과 반대의 경향을 보였다. 이는 A현장에서 ELWD 산정 시, 두 번째 타격까지의 영향을 배재했기 때문으로, 초기 타격을 통해 평판과 지반을 밀착시킴으로써 노면의 불균질성에 기인하는 LWDT 결과의 변동성을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 11은 각 현장에서 동일한 다짐횟수 별로 측정된 ELWD의 평균값을 다짐횟수에 따라 나타낸 것이다. 다짐횟수가 증가함에 따라 다짐층의 강성이 증가하므로, LWDT를 통해 측정된 지반의 탄성계수(ELWD)도 증가해야 한다. A현장에서는 다짐횟수 증가에 따른 ELWD의 증가 경향을 보였지만, S현장에서는 다짐횟수가 증가함에 따라 ELWD가 감소하다가 약간 증가하는 경향을 보였다. 이 또한 LWDT 결과의 위치별 변동성과 마찬가지로, 초기 타격의 배재 여부가 영향을 준 것으로 판단된다. Fig. 10과 Fig. 11의 결과를 종합해볼 때, ASTM E2583-07 : 2020의 추천사항에 따라 초기 타격을 통해 평판과 지반을 밀착한 이후 측정된 ELWD을 토공사 다짐품질 지표로 활용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
4. 현장시험 결과 간 상관관계 분석
토공사의 품질을 평가하기 위해 수행되는 다양한 현장시험의 결과는 서로 상관관계가 있으며, 이는 시험이 수행된 환경적 특성(성토재료의 종류, 상태 등)에 큰 영향을 받는다. 본 연구에서는 국내 토공사 현장에서 널리 활용되는 화강 풍화토를 성토재료로 사용하는 A현장을 대상으로 DCPT, LWDT, PLT 결과의 상관관계를 분석했다. 앞서 언급한 바와 같이, 상관관계 분석에 사용된 DCPT와 LWDT 결과는 모두 초기 타격의 영향을 제외한 값을 사용했다.
Fig. 12는 A현장에서 수행된 PLT 결과(EPLT)의 다짐횟수 별 평균값을 다짐횟수에 따라 나타낸 것이다. 다짐횟수가 증가할수록 EPLT도 증가하여, DCPT 및 LFWD 결과와 마찬가지로 다짐횟수 증가에 따라 다짐층의 강성이 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 9와 Fig. 11 참조). 흙쌓기(성토) 표준시방서(KCS 11 20 20 : 2016)는 아스팔트 포장 시 노상 및 노체의 EPLT가 196.1MPa 및 147.1MPa 이상이 되도록 규정하고 있다. 상기 규정에 따르면 A현장은 다짐횟수 8회 이상일 때 노체의 품질기준을 만족하지만, 12회를 다짐하여도 노상의 품질기준은 만족하지 못했다. 일반적으로 토공사 현장에서 적용되는 한 층의 다짐횟수가 10회 이하임을 고려할 때, 현장시험에 사용된 성토재료는 노상의 재료로는 적절하지 않았다. A현장에서 사용된 성토재료의 세립분 비율은 10.6%로 흙쌓기(성토) 표준시방서(KCS 11 20 20 : 2016)가 제시한 기준(0~25%)은 만족했지만(Table 1), Mitchell(1982)이 진동다짐(vibratory compaction)이 적절한 흙으로 제시한 세립분 비율 10%를 상회했다. 국내 대부분의 토공사 현장에서는 진동롤러를 통해 다짐을 수행하므로, 노상과 같이 높은 품질을 만족해야 하는 경우 성토재료의 세립분 비율을 현재 기준보다 낮게 유지하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
Fig. 13은 동일한 위치(시작점으로부터 5m 위치)에서 수행된 DCPT 및 LWDT와 PLT의 상관관계를 나타낸다(Fig. 4 참조). 다짐품질 시험 간 상관관계를 분석한 기존 연구(Powell et al., 1984; Alshibli et al., 2005; Nazzal et al., 2007; Mohammadi et al., 2008; Kumar and Adigopula, 2017)를 참고해, DPIA*와 EPLT의 회귀식은 지수함수(exponential function)로 ELWD와 EPLT의 회귀식은 선형함수(linear function)의 형태로 나타냈다. 그 결과, DCPT 및 LWDT는 PLT와 높은 상관성을 보였다(상관계수, R2 > 0.750). 그러나, Fig. 13의 두 회귀식(DPIA*와 EPLT의 회귀식 및 ELWD와 EPLT의 회귀식)을 통해 예측된 EPLT 값과 실제 측정된 값과의 평균제곱근오차(root mean square error, RMSE)를 산정한 결과, 각각 10.1MPa과 11.8MPa 였다. 이는 다짐층의 EPLT가 흙쌓기(성토) 표준시방서(KCS 11 20 20 : 2016)가 제시하는 아스팔트 포장 시 노상 및 노체의 품질기준인(196.1MPa 및 147.1MPa)과 유사한 경우, 품질 판정에 상당한 오류가 생길 수 있음을 의미한다.
DCPT와 LWDT의 가장 큰 장점은 시험에 소요되는 시간이 매우 짧아 여러 위치에서 다짐품질을 확인할 수 있다는 점이다. 또한 Meehan et al.(2017)에 의하면 다짐품질과 관련한 현장시험 간 상관관계 분석 시 정확도를 향상시키는 방법으로 인접한 영역에서 측정된 평균값을 사용하도록 추천하고 있다. 이에 본 연구에서는 PLT가 수행된 위치에 인접한 세 위치(시작점, 시작점으로부터 5m, 중앙부)에서 측정된 DCPT 및 LWDT 결과의 평균값과 PLT의 상관관계를 추가적으로 분석했다(Fig. 4 참조). 그 결과, Fig. 14에 나타낸 바와 같이, DCPT 및 LWDT의 평균값을 사용하는 경우 상관성이 향상되는 것으로 나타났다(상관계수, R2 > 0.850). 이는 여러 위치의 평균값을 사용하는 것이 다짐품질 시험이 수행되는 한 점(individual point)에서 발생될 수 있는 국부적인 변동성을 보정(smoothing)해 주기 때문이다. Fig. 14의 두 회귀식(DPIA*와 EPLT의 회귀식 및 ELWD와 PLT의 회귀식)을 통해 예측된 EPLT 값과 실제 측정된 값과의 RMSE도 각각 7.9MPa과 9.0MPa으로 감소해, 품질 판정 시 발생되는 오류의 가능성도 줄어드는 것으로 나타났다.
Fig. 15는 DCPT와 LWDT의 상관관계를 나타낸다. 검정색 심볼(symbol)은 동일한 위치에서 수행된 DCPT와 LWDT 결과 모두를 도시한 것이고(일점 분석, individual point analysis), 하얀색 심볼은 동일한 시험조건에서 측정된 DCPT 및 LWDT 값을 각각 평균해 나타낸 것이다(평균값 분석, average point analysis). 검정색 점선과 빨간색 점선은 각각 일점 분석과 평균값 결과로 도출된 회귀식을 나타낸다. PLT와의 상관성 분석과 마찬가지로 기존 연구(Powell et al., 1984; Alshibli et al., 2005; Nazzal et al., 2007; Mohammadi et al., 2008; Kumar and Adigopula, 2017)를 참고해 회귀식을 지수함수(exponential function)의 형태로 나타냈다. 그 결과, DCPT와 LWDT 결과는 높은 상관성을 보였다. 특히 시험조건 별 평균값을 사용한 경우 더욱 높은 상관성(상관계수, R2 > 0.900)을 보이는 것으로 나타나, 앞서 언급한 Meehan et al.(2017)의 추천이 DCPT와 LWDT 상관성 분석에도 유효함을 확인할 수 있었다.
이상의 결과는 국내에서 가장 널리 활용되는 화강 풍화토를 대상으로 하며 실제 시공중인 현장에서 도출된 것임으로, DCPT와 LWDT를 토공사 품질관리에 적용하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 다만, 현장시험(DCPT, LWDT, PLT) 간 상관관계 분석 시, 일점 분석과 평균값 분석 결과로 도출된 회귀식에 매우 큰 차이가 있음을 유의해야 한다(Fig. 13, Fig. 14, Fig. 15 참조). 이는 토공사 품질을 평가하기 위해 수행되는 현장시험은 획득한 데이터(raw data)의 분석 방법에 따라 결과에 큰 차이가 있을 수 있음을 의미한다. 따라서 DCPT 및 LWDT를 토공사 품질관리에 적용하기 위해서는, 보다 다양한 성토재료를 대상으로 추가 연구를 수행해 본 연구의 결과를 확인 및 보완해야 할 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 DCP와 LWD를 토공사 다짐품질 관리에 적용하기 위한 기초연구로써 수행되었다. 서로 다른 성토재료를 사용하는 국내의 두 토공사 현장(경기도 A현장, 전라북도 S현장)에서 DCPT, LWDT, PLT 시험을 수행해 DPI, ELWD, EPLT를 얻었고, 이를 성토재료, 시험 위치 및 심도 등에 따라 분석해 다음과 같은 결론을 도출했다.
(1) DCPT를 수행한 뒤 ASTM D6951-09 : 2015에 따라 산정된 DPIA는 시험 환경(시험 위치 등)에 따라 변동성이 매우 큰 초기 타격의 영향이 크게 작용하여, 신뢰할만한 다짐품질 지표로 활용되기 어려운 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서는 DCPT 수행 시 두 번째 타격까지를 예비타격으로 보고 이후 수행되는 다섯 번의 타격 시 평균 관입량인 DPIA*를 다짐품질 지표로 활용하는 방법을 제안했다. DPIA*를 통해 다짐 품질을 보다 일정하게 평가할 수 있으며, 또한 다짐횟수 증가에 따른 다짐도 증가를 명확하게 확인할 수 있었다.
(2) LWDT를 수행한 뒤 ELWD 산정 시, 초기 타격을 통해 평판과 지반을 밀착시킴으로써 노면의 불균질성에 기인하는 LWDT 결과의 변동성을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 두 번째 타격까지를 예비타격으로 보고 이후 수행되는 세 번의 타격 시 측정된 평균 ELWD를 통해 다짐 품질을 보다 일정하게 평가할 수 있으며, 또한 다짐횟수 증가에 따른 다짐도 증가를 명확하게 확인할 수 있었다.
(3) 동일한 시험 조건에서 수행된 DCPT, LWDT, PLT 결과는 서로 높은 상관성을 보이는 것으로 나타났다. 특히, 각 시험이 수행된 위치에서의 결과 값을 비교하는 일점 분석(individual point analysis)보다, 인접한 위치에서 수행된 시험 결과의 평균값을 비교하는 평균값 분석(average point analysis) 시 상관성이 향상되는 것으로 나타났다. 이는 여러 위치의 평균값을 사용하는 것이 다짐품질 시험이 수행되는 한 점(individual point)에서 발생될 수 있는 국부적인 변동성을 보정(smoothing)해 주기 때문으로 판단된다. DCPT와 LWDT의 가장 큰 장점이 시험에 소요되는 시간이 짧아 여러 위치에서 다짐품질을 빠르게 확인할 수 있다는 점임을 고려할 때, 인접한 여러 위치에서 수행된 결과의 평균값을 다짐품질 지표로 활용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
본 연구가 국내에서 가장 널리 활용되는 화강 풍화토를 대상으로 하며 실제 시공중인 현장에서 수행되었음을 고려할 때, 상기 결과를 DCPT와 LWDT를 토공사 품질관리에 적용하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 보인다. 다만, DCPT 및 LWDT 결과가 분석 방법에 따라 상당한 차이를 보였음을 고려할 때, 향후 보다 다양한 성토재료를 대상으로 추가 연구를 수행해 본 연구에서 도출한 결과를 확인 및 보완하는 과정이 필요할 것으로 판단된다.
