Journal of the Korean Geotechnical Society. 31 December 2023. 23-35
https://doi.org/10.7843/kgs.2023.39.12.23

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 시험 방법

  •   2.1 토양 시료

  •   2.2 토양 경도

  •   2.3 흙의 다짐시험

  •   2.4 철항의 인발시험

  •   2.5 모형토조시험

  •   2.6 현장시험

  • 3. 결과 및 분석

  •   3.1 토양 경도에 기반한 다짐시험 결과 분석

  •   3.2 다짐시험과 모형토조시험의 경도의 상관관계

  •   3.3 철항의 인발저항력

  • 4. 결 론

1. 서 론

국내 농경지는 2018년 기준으로 국토 총 면적 9,752,000ha 중 1,565,000ha를 차지하고 있으며, 이 중 비닐하우스가 차지하고 있는 면적은 농경지의 약 3%인 53,225ha이다(KOSIS, 2023a). 국내 농경지 전체 면적은 2012년부터 현재까지 계속 감소해오고 있는 반면, 비닐하우스가 차지하고 있는 면적은 2012년 이후로 크게 증가하였다(KOSIS, 2023b)(Fig. 1).

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Fig. 1

Yearly trends of (a) agricultural land area and (b) greenhouse area

비닐하우스는 기상에 영향을 받지 않고 원하는 농작물을 재배하기 위한 시설물로, 태풍, 폭우, 폭설 등과 같은 기상 환경에서도 구조적 안정성이 확보되어야 한다. 하지만 기상재해로 인한 비닐하우스의 피해는 2017년까지 누적 피해 면적이 20,279ha에 달하며, 연평균 약 767억 원의 피해가 여전히 발생하고 있다(RDA, 2017). 비닐하우스의 피해를 야기시키는 기상재해는 대설 47.3%, 태풍 46.7%, 호우 3.7%, 강풍 2.3% 순으로 높은 비중을 차지하고 있으며, 이 중 2001년 대설(3,400억 원), 2012년 태풍 볼라벤(1,839억 원)과 같이 짧은 기간동안 적설하중이나 풍하중에 의한 피해가 발생했다(Ryu, 2015)(Fig. 2).

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Fig. 2

Damage area of greenhouse per disaster type

이와 같은 기상재해로 인한 비닐하우스의 구조적 피해 예방을 위해 농림축산식품부는 30년 빈도의 풍속과 적설심을 버틸 수 있는 내재해형 비닐하우스 규격을 2010년에 고시하였다(MAFRA, 2014). 과거 설치된 비닐하우스까지 고려하면 현재 과반수 이상의 비닐하우스가 내재해형이 아닌 농가보급·지도형으로 남아있다(KOSIS, 2021).

비닐하우스의 구조적 강화를 위한 다양한 연구가 최근까지 수행되어 왔다. 서까래 휨 강도 보강을 위한 서까래의 연결체 체결 및 용접에 대한 효과에 대한 연구인 Kim M.(2022)와 농가 보급·지도형 비닐하우스 B, G형에 파이프 단독기초, 줄기초, 스파이럴 기초를 사용한 기초 인발력 보강안에 따른 풍하중에 의한 인발력 분석에 대한 연구인 Lee et al.(2023) 등이 있다.

비닐하우스는 적설에 의한 상부하중 및 강풍에 의한 인발하중에 매우 취약하다. 이 중 인발하중에 저항하기 위해 비닐하우스를 보강하는 방법으로 주로 소형 말뚝인 철항이 사용된다. 철항을 사용한 보강 방법은 비닐하우스 측면 외부 토양에 철항을 관입하고 반대편 철항에 끈으로 연결시키는 것으로 비닐하우스의 외피를 고정하며 전체 골격의 인발저항력을 강화한다. 일반적인 직선 철항 이외에, 나선철항을 활용한 비닐하우스의 보강에 대한 연구가 존재하며(Lee et al., 2014), 지중 앵커를 활용한 보강 또한 존재한다(Yoon et al., 2003). 나선철항을 활용한 보강 방법은 농가 보급·지도형 비닐하우스의 외피에 대한 설치 요령에 포함되어 있다(RDA, 2003).

나선철항, 지중앵커 등 인발저항력이 높은 보강 방법이 존재하나, 실제 현장에서 인발보강은 설치가 더 용이하 일자형태의 길이 30 - 70cm 철항을 사용한다(Fig. 3). 일자형태의 철항은 단순 망치의 타격만으로 쉽게 설치할 수 있다. 이러한 철항의 인발저항력은 표층 토양의 강도에 의해 결정되며, 토양의 강도는 함수비와 다짐도에 따라 변화한다.

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Fig. 3

Steel peg used to reinforce greenhouses

국내에는 다양한 종류의 토양이 분포하고 있으며, 함수비, 다짐도와 같이 토양의 강도는 기상 및 다짐환경에 따라 변화한다. 따라서 다양한 토양 환경에서 철항을 이용한 효율적인 보강을 위해서는 토양 종류별 강도 특성과 철항의 관입 형태에 따른 보강 메뉴얼의 구축이 요구된다. 이번 연구는 이와 같은 메뉴얼 구축을 위한 기초 연구로서, 철항에 대한 인발저항력을 토양의 강도 특성과 연관시켜 유추하고자 한다. 연구에 사용된 철항의 규격은 Table 1 과 같이 KS D 3504의 D13을 따르며, 전체 길이 300mm, 수직 관입 깊이 200mm가 되도록 제작되었다. 이를 위해서 흙의 다짐시험, 모형토조실험, 농경지 현장에서의 철항의 인발시험을 수행하였으며, 그 분석결과를 나타내었다.

Table 1.

Installation shape and specification of steel peg using in this study

Installation shape Specification
https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2023-039-12/N0990391202/images/kgs_39_12_02_T1_1.jpg KS D 3504 - D13
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Installation angle 90 D1 12.2 mm
L1 300 mm D2 13.6 mm
L2 200 mm D3 13.8 mm
L3 52 mm D4 9 mm

2. 시험 방법

이번 장에서는 시험에 사용된 토양 시료에 대해 설명하고, 토양 경도계를 활용한 경도 측정, 흙의 다짐도 측정, 철항의 인발력 측정 방법에 대해 서술한다. 또한 경도, 다짐도, 인발력 측정을 모형토조와 현장에서 진행하였는데, 각 시험 조건에 대해 서술한다.

2.1 토양 시료

토양환경정보시스템(Korea Soil Information System, KSIS)에서 제공하는 토양환경지도(Fig. 4a)는 국내 농경지 토양의 표토 토성을 미국 농무성의 토성 분류법(USDA, 1975)인 삼각분류에 의해서 12가지로 분류하고 있다(KSIS, 2023). 이번 연구에 사용된 토양 시료는 대구 팔공산 인근에 위치한 두 지역(Site 1, Site 2)의 농경지에서 확보하였으며, 토양환경지도에 의하면 각각 국토의 약 41.2%와 33.8%에 분포하고 있는 양토(Loam)와 사양토(Sandy loam)인 것으로 확인된다(Fig. 4b). 두 토양은 통일분류법(KS F 2324)으로 분류한 결과, 모두 점토질 모래(SC)로 분류되기 때문에 공학적으로 유사한 경향이 나타날 것으로 보인다(Table 2 ).

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Fig. 4

Soil type distribution: (a) in South Korea; (b) study area

Table 2.

Soil classification based on laboratory test of soil samples

Sieve No. Sieve size (mm) Total percent passing (%)
Site 1 Site 2
4 4.750 91.45 93.6
10 2.000 83.21 74.1
20 0.850 65.8 52.34
40 0.425 52.19 41.13
60 0.250 42.72 32.77
100 0.150 34.36 26.73
200 0.075 25.93 21.53
Liquid limit 31.98 31.98
Plastic limit 13.95 18.03
Plasticity index 18.03 13.95
Soil class SC SC

2.2 토양 경도

토양의 강도를 평가하는 방법으로는 흙의 일축압축시험(KS F 2314), 직접전단시험(KS F 2343)과 삼축압축시험(KS F 2346) 등과 같은 실내시험이 있다. You et al.(2018)은 말뚝의 인발저항 평가를 위해서 흙 시료의 공학적 특성을 직접전단시험으로 측정하였다. 하지만, 다양한 종류의 토양에 대해 함수비, 다짐도의 변화에 따른 강도정수를 측정해야 하는 경우에는 직접전단시험, 삼축압축시험과 같은 실내시험으로부터 구하는 것은 많은 시간이 소요되며, 현장에서의 조건을 그대로 실내시험에서 재현하기는 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 현장에서의 얕은 표층에서의 강도를 손쉽게 평가하기 위해 토양 경도계를 사용하였다.

토양 경도계는 스프링에 연결된 쇠로 된 원뿔모양 부분을 토양 표면에 눌러 스프링의 반력으로 경도를 측정하는 것으로(Fig. 5), 한 손으로 휴대가 가능하여 현장에서의 측정이 용이하다. 스프링의 반력은 경도계 원뿔의 관입량을 나타내는 mm 단위로 표기되며, 이 값을 단위 면적당 하중인 kg/cm2 단위로 변환시킬 수 있다. 두 단위는 지수의 관계를 가지고 있다(Fig. 6). 이러한 경도는 표층의 강도에 비례하므로, 경도계를 활용하여 토양의 강도 특성을 간단하게 평가할 수 있다.

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Fig. 5

Structure of soil hardness meter

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Fig. 6

Relationship between the amount of penetration and pressure

Fig. 7은 Site 1의 토양을 사용하여 일축압축시험으로 추정한 일축압축강도와 일축압축시험에 사용한 시편의 경도계의 관입량을 비교한 결과이다. 관입량과 일축압축강도는 1차 다항식 형태의 지수함수 관계를 보인다. 따라서 시험체의 경도계의 하중과 일축압축강도가 선형의 관계를 갖는 것을 알 수 있다.

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Fig. 7

Relationship between maximum compression and amount of penetration of soil specimen

2.3 흙의 다짐시험

흙의 다짐시험(KS F 2312)은 다양한 함수비에서 일정한 다짐에너지로 시료를 다진 후, 건조단위중량(γd)을 계산한다. 다져진 시료 중 γd이 최대값인 함수비를 최적함수비(wopt)라 하며, 이때 적용된 다짐에너지에서의 다짐도가 가장 높다고 할 수 있다. 다짐에너지별 함수비 변화에 따른 토양의 강도를 평가하기 위해, 매 다짐시험마다 토양 경도계로 토양 시료의 경도를 측정하였다.

다짐시험은 다짐 조건에 따라 A부터 E로 분류되며, 약 550N·mm/mm3과 2,500N·mm/mm3의 다짐에너지로 분류된다. 이러한 다짐에너지는 보통 높은 다짐도를 요구하는 구조물 건설을 위한 다짐에 사용된다. 반면, 농경지의 토양은 높은 다짐도를 목표로 하지 않고 상대적으로 낮은 다짐도를 가지고 있다. 따라서 낮은 다짐에너지를 구현하기 위해 이번 연구에서는 A다짐의 에너지보다 작은 에너지인 A0다짐을 정의하였다. A0다짐은 약 200N·mm/mm3의 다짐에너지를 가지며, 다짐 층수와 층당 다짐 횟수는 Table 3 에 나타나 있다. 이번 연구에서는 A0, A, C다짐을 수행하여 총 3가지 다짐에너지에 대한 다짐시험을 수행하였다.

Table 3.

Specifications used for each type of soil compaction tests

Method
type
Rammer weight
(kgf)
Mold internal
diameter (mm)
The number of layers
of compaction
The number of
compactions per layer
Compaction energy
(N·mm/mm3)
A0 2.5 100 2 15 220
A 2.5 100 3 25 550
C 4.5 100 5 25 2,500

흙의 다짐시험으로 그려지는 다짐곡선은 흙의 종류에 따라 곡선의 형태와 함수비 변화에 따른 건조단위중량의 변화가 수 많은 유형으로 나타난다. 이번 연구에서 사용하는 시료는 공학적 분류에 의하면 모두 점토질 모래이나, 흙의 삼각분류에 의하면 양토와 사양토로 분류된다. 따라서 양토와 사양토가 다짐시험에서 비슷한 경향을 나타내는지 판단하기 위해 각 토양 시료에 대해서 다짐시험을 수행하였다. 또한, 관입량을 기반으로 한 다짐곡선과, 모형토조시험의 다짐에너지별 함수비 변화에 따른 관입량을 비교하였다.

2.4 철항의 인발시험

현장에서의 철항의 인발저항력 측정에는 철항과 인발시험기의 결속 상태나 인발속도와 같은 동일한 시험 조건에서 측정된 철항의 인발저항력 결과가 요구된다. Fig. 8은 이번 연구를 위해 제작된 인발시험기를 나타내며, 철항과 결속하여 속도가 25mm/min로 일정한 변위제어방식으로 철항을 인발한다. 위와 같은 인발속도는 앵커의 인발력에 대한 연구인 You and Lee(2017)와 나선철항의 인발저항력에 대한 연구(Lee et al., 2014)에서 사용하는 일반적인 인발속도인 1mm/min에 비해서 매우 빠르다. 하지만 철항의 인발저항은 태풍과 같이 빠른 하중이 작용할 때의 저항을 측정할 필요가 있으므로 빠른 인발속도일 때의 인발저항력을 측정하였다.

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Fig. 8

Pull-out test device and a state of solidarity with steel peg

이번 연구의 인발시험기는 이동이 가능하여 현장에서의 인발력 측정이 가능하다. 따라서 모형토조시험과 현장시험에서의 철항의 인발저항력을 측정하여 두 결과의 상관관계를 분석할 수 있다.

2.5 모형토조시험

현장실험은 연구에 필요한 특정한 함수비와 다짐도를 갖는 장소를 선택하고 조건을 조절하는데 많은 어려움이 따른다. 따라서, 원하는 토양 환경 구현을 위해 함수비와 다짐에너지를 제어할 수 있는 모형토조를 사용하였다. 사용한 모형토조의 크기는 400 × 400 × 400mm3이며(Fig. 9a), 낙하 높이 1,190mm, 무게 9.7kgf인 래머(Fig. 9b)를 사용하여 다짐을 수행하였다. 이번 연구에서는 20번의 모형토조 다짐시험으로부터 매 시험에 대한 토양의 함수비와 관입량, 철항의 인발저항력을 측정하였다. 관입된 철항은 추가 다짐 또는 토양의 안정화 시간 없이 즉시 인발되었다. 이러한 결과는 2.3절의 다짐시험의 결과와의 비교를 통해 다짐에너지별 함수비에 따른 관입량 예측, 현장시험 관입량에 따른 철항의 인발저항력 예측을 위한 매개로 사용된다.

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Fig. 9

Soil box test: (a) soil box; (b) soil compaction rammer

2.6 현장시험

현장에서의 토양 강도에 따른 철항의 인발저항력 확인을 위해서 Fig. 4의 양토와 사양토를 채취한 두 농경지 현장에서 토양 경도계 시험과 철항 인발강도 측정시험을 수행하였다. 실제 농경지 토양 환경의 다짐도는 오랜 시간 축적되어 상대적으로 깊은 곳까지 다짐이 되어 있으나, 모형토조에서는 비교적 짧은 시간 다짐이 이루어진다. 따라서 표층에서 관입량이 같아도 현장에서 높은 인발저항력이 나타날 수 있다. 또한, 토양의 종류를 결정하는 점토 함유량에 따른 투수계수의 차이로 인해서 비가 온 직후에 토양의 표층과 표층 아래의 함수비도 차이가 난다(Kim et al., 2013). 따라서 현장 토양 환경을 모형토조에서 동일하게 맞추기는 어려움이 따르며, 철항의 인발저항력 차이로 이어진다. 이러한 현장 토양 함수비의 다양성을 고려하기 위해서 철항 관입 후 오랜 기간 강우가 없던 날과 강우 이후에 현장을 방문하여 Fig. 10과 같이 총 10번의 현장시험을 수행하였다. 모형토조의 함수비 범위는 현장 함수비를 포함하도록 조성하였으며, 이를 통해서 관입량과 함수비에 따른 현장과 모형토조에서의 철항의 인발저항력 차이를 확인하였다.

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Fig. 10

Field pull-out test of steel peg

3. 결과 및 분석

3.1 토양 경도에 기반한 다짐시험 결과 분석

Fig. 11은 A0, A, C 타입의 다짐시험(Soil compaction test, SCT)으로부터 얻어진 다짐곡선을 보여준다. 양토인 Site 1과 사양토인 Site 2의 다짐곡선 경향이 유사한 것을 확인할 수 있다. 다짐에너지가 상승할수록 건조단위중량이 증가하며, 최적함수비가 감소한다. Fig. 12는 동일한 다짐시험에서 측정한 경도계의 관입량을 y축으로 나타낸 곡선이며, Fig. 11과 마찬가지로 양토와 사양토에서 유사한 경향이 나타났다. 반면, 경도계의 관입량이 아닌 kg/cm2으로 변환한 다짐곡선인 Fig. 13은 C다짐에서 두 가지 토양의 경도가 큰 차이로 벌어진 것을 확인할 수 있다. Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 관입량은 mm 단위가 높아질수록 kg/cm2 단위 값이 지수형태로 증가하기 때문에 강도가 높은 토양에서는 0.1mm의 관입량 차이에 의해 압력단위의 경도가 크게 변화한다. 현재 사용하는 토양 경도계의 관입 깊이는 육안으로 읽히기에, 측정의 오차가 발생할 수 있다.

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Fig. 11

Soil compaction test results based on test types on two types of soil

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Fig. 12

Amount of penetration of soil in terms of penetration length based on soil compaction test types on two types of soil

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Fig. 13

Hardness of soil in terms of pressures based on soil compaction test types on two types of soil

건조단위중량은 최적함수비에서 가장 큰 값을 가지므로 주어진 다짐에너지에서 100%의 상대다짐도가 나타나고, 낮은 함수비 또는 높은 함수비에서 상대다짐도가 낮아진다. 하지만 토양의 경도는 최적함수비보다 낮은 함수비에서 최대가 나타나며, 함수비가 낮은 구간에서는 경도의 저하가 나타나지 않으나, 함수비가 높아질수록 급격한 경도의 저하를 나타낸다. 표층의 흙은 건조상태에서 강도가 크므로, 건조단위중량이 최대인 최적함수비보다 낮은 함수비에서 경도가 크게 나타난 것으로 판단된다. 최대 경도 또한 다짐에너지가 증가할수록 수치가 증가한다.

3.2 다짐시험과 모형토조시험의 경도의 상관관계

Table 4는 총 19번의 모형토조시험 다짐조건과 흙의 함수비, 경도, 그리고 철항의 인발저항력을 보여준다. 이번 연구에서 수행한 다짐시험은 100mm의 지름을 갖는 원형 몰드에서 진행된 반면, 모형토조시험(Soil box test, SBT)은 한 변의 길이 400mm를 갖는 정사각형 토조에서 수행되었다. 다짐 방법에 따른 다짐 영향 깊이(D)는 식 (1)과 같이 낙하시키는 추의 무게(WH)와 낙하 높이(h)에 영향을 받는다(Leonards et al., 1980). 그 결과, 다짐 방법별 1회 타격에 의한 영향 깊이는 Table 5와 같이 계산된다. 같은 다짐에너지에서 영향 깊이가 작다는 것은 얕은 깊이에서 더욱 큰 에너지를 받는다는 것을 의미한다. 따라서 다짐 영향 깊이가 작은 흙의 다짐시험(원형 몰드)의 다짐 방법에서 모형토조시험의 다짐 방법보다 얕은 깊이에서 더욱 큰 에너지로 다져지며, 그로 인해 동일한 다짐에너지에서 원형 몰드에 더 높은 경도가 측정될 것이라고 예상할 수 있다.

Table 4.

Soil conditions and results for soil box test

No. The number of
layers of
compaction
The number of
compactions
per layer
Compaction
energy (N·mm/mm3)
Water content
(%)
Penetration
(mm)
Hardness
(kg/cm2)
Pull-out force
of the steel peg
(N)
1 8 4 57 3.33 9.5 1.28 43
2 8 4 57 3.33 10.2 1.44 37
3 8 4 57 10.1 17.5 4.35 48
4 8 4 57 10.1 19.8 6.11 69
5 8 4 57 17 14.5 2.8 42
6 8 4 57 17 14.5 2.8 53
7 12 20 425 4.88 20.8 7.1 146
8 12 20 425 4.88 18.2 4.82 131
9 12 20 425 4.59 16.4 3.7 85
10 12 20 425 4.59 17.3 4.22 85
11 12 24 510 9.84 22.8 9.69 147
12 12 24 510 9.84 22.8 9.69 84
13 13 40 920 4.3 23.9 11.6 333
14 13 40 920 4.3 24.4 12.61 222
15 15 60 1,592 7.5 27.9 23.98 234
16 15 60 1,592 7.5 27.9 23.98 235
17 15 60 1,592 8 29.3 32.23 260
18 15 60 1,592 7.2 29.5 33.63 524
19 15 60 1,592 7.2 29.5 33.63 447
(1)
D=12×WH×h
Table 5.

Depth of compaction influence

Method type Rammer weight (kgf) Drop height (m) Influence depth (m)
SCTA0, A 2.5 0.3 0.014
SCTC 4.5 0.45 0.023
SBT 9.7 1.19 0.054

Fig. 14Table 4의 모형토조시험 결과를 다짐시험의 다짐곡선에 나타낸 그래프이다. 다짐시험의 다짐에너지(ESCT)와 모형토조시험의 다짐에너지(ESBT)별 경도로부터 다음과 같은 관계를 확인할 수 있다.

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Fig. 14

Amount of penetration of soil box test and soil compaction test with varying compaction energies. Regression curves for soil compaction test results are shown

(1)모형토조시험 Case 15-19(ESBT = 1,592N·mm/mm3)의 경도는 A유형 다짐시험(ESCT = 550N·mm/mm3)의 경도와 유사하다.

(2)모형토조시험 Case 13-14(ESBT = 920N·mm/mm3)의 경도는 A유형 다짐시험의 경도보다 낮고 A0유형 다짐시험(ESCT = 220N·mm/mm3)의 경도보다 높거나 비슷하다.

(3)모형토조시험 Case 7-12(ESBT = 425 - 510N·mm/mm3)의 경도는 A0유형 다짐시험의 경도보다 낮다.

(4)모형토조시험 Case 1-6(ESBT = 56N·mm/mm3)의 경도는 A0유형 다짐시험의 경도보다 상당히 낮다.

(5)ESBT = 2,500N·mm/mm3에 해당하는 C유형 다짐시험의 경도에 근접한 모형토조에서의 경도는 측정되지 않았다.

이를 통해 다짐시험과 동일한 경도를 모형토조시험에서 구현하기 위해서는 ESBT가 ESCT의 약 3 배가 필요하다는 것을 확인하였다. 또한, C유형 다짐은 모형토조나 현장에서 인력 다짐으로 나타나기 어려운 높은 다짐도라고 볼 수 있다.

위의 관계로부터 ESBT의 1/3을 취하면 다짐시험과 모형토조시험으로부터 얻은 경도를 다짐시험의 다짐에너지로 정규화 된 값으로 표현할 수 있다. 다짐에너지가 일정하여도 함수비에 따라 경도가 변화하며, 최적함수비 근처의 함수비에서 최대 경도가 나타난다. Fig. 15는 다짐시험과 모형토조시험의 상위 경도와 정규화된 다짐에너지의 관계를 나타낸다. 이러한 관계로부터 다음과 같은 다짐에너지와 경도계의 관입량 관계식을 얻을 수 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2023-039-12/N0990391202/images/kgs_39_12_02_F15.jpg
Fig. 15

Amount of penetration versus compaction energy normalized to soil compaction test

(2)
Hn=3.504×lnESCT+6.984

여기서 Hn은 mm 단위의 관입량, ESCT는 다짐시험의 다짐에너지(N·mm/mm3 단위)를 뜻한다. 이 식을 이용하면 경도계를 활용하여 현장에서 측정한 관입량으로부터 다짐에너지를 추정할 수 있으며, 다짐에너지별 최대건조단위밀도의 관계로부터 상대다짐도를 추정할 수 있다. 다만, 위의 관계식은 양토 또는 사양토의 흙에 한정하며, 흙의 종류가 다르다면 다른 결과가 유추될 수 있다.

3.3 철항의 인발저항력

Table 6은 현장에서의 철항 인발시험(Field pull-out test, FT)결과를 나타낸다. 함수비의 다양성을 위해서철항 관입 후 인발 전 7일간 강우량을 고려하였다. 모형토조에서의 철항 인발시험(Laboratory pull-out test, LT) 결과는 Table 4에 나타나 있다. 현장을 아우르는 함수비와 다짐도(토양의 경도로 표현)에서 인발시험을 수행하였으며, FT와 LT의 결과가 Fig. 16에 나타나 있다. 철항의 인발력(N)은 관입량 증가할수록 증가하나, FT와 LT에서 증가하는 기울기가 다르게 나타났다. 철항을 관입 후 즉시 인발한 LT에서는 관입량 증가에 따른 인발력 증가는 식 (3)과 같은 1차 다항식 형태의 지수함수를 따르며, 관입 후 한 달 이상 지나서 인발한 FT에서는 식 (4)와 같은 형태를 따른다.

Table 6.

A soil conditions and result for field test

No. Site Period of installation
(days)
Water content
(%)
Rainfall for the previous
7 days (mm)
Penetration
(mm)
Hardness
(kg/cm2)
Pull-out force
(N)
1 1 29 14.4 47.4 10 1.4 102
2 1 29 14.4 47.4 12 1.93 94
3 2 29 13.2 47.4 10.5 1.52 139
4 2 29 13.2 47.4 11.5 1.78 109
5 2 29 13.2 47.4 14 2.62 193
6 2 29 13.2 47.4 10.5 1.52 133
7 1 84 12.8 3.4 20 6.3 135
8 1 84 12.8 3.4 20.5 6.8 261
9 2 92 8.2 0 25.5 15.25 724
10 2 92 8.2 0 23 10 741

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2023-039-12/N0990391202/images/kgs_39_12_02_F16.jpg
Fig. 16

A pull-out force of steel peg based on soil water content and amount of penetration in soil box test and field test

(3)
N=9.93×e0.1205×hn
(4)
N=32.80×e0.1124×hn

여기서 hn은 mm단위의 경도계의 관입량을 나타내며, N은 N단위의 철항의 인발저항력을 나타낸다. FT에서의 철항의 인발력은 LT에 비해서 10mm 이하의 낮은 관입량에서는 3 배 이상, 25mm 이상의 높은 관입량에서는 2.7 배 이하의 크기를 나타낸다. 이러한 결과는 현장의 토양 다짐도는 표면의 경도와 함수비가 토형토조와 같은 경우, 현장 토양의 표면 아래의 토양은 높은 다짐도를 가지고 있다는 것을 보여준다.

철항의 인발저항력은 동일한 관입량에서 또한 함수비에 영향을 받는다. Fig. 16의 LT의 결과에서 중간 관입량 범위에 해당하는 15 - 25mm에서는 함수비가 낮을 때 인발저항력이 높으며(연두색 점), 함수비가 높을 때 인발저항력이 낮게 나타났다(파란색 점). 이 때, 함수비의 높고 낮음의 기준은 Fig. 14에서 3가지 다짐 유형에서 경도가 최대로 나타나는 7 - 9%(하늘색 점)이다. 매우 건조(4% 미만, 주황색 점)하거나 매우 습윤한(13% 초과, 남색 점)토양에서는 경도와 인발저항력 모두 낮게 나타난다. 이 결과는 FT에서도 비슷하게 나타나나, 현장에서는 건조한(4 - 7%) 토양 환경에 해당하는 결과를 얻지 못하여 직접적인 비교는 불가능하였다.

4. 결 론

이번 연구는 강풍에 의한 농가보급·지도형 비닐하우스의 인발파괴에 저항하기 위한 보강재인 철항의 인발저항력을 실내시험으로부터 예측하여 비닐하우스 보강 메뉴얼 구축에 기여하고자 수행되었다. 토양환경지도에 의해 분류되는 양토와 사양토를 대상으로 흙의 다짐시험과 모형토조시험, 현장시험을 진행하였고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 미국 농무성의 토성 분류인 양토와 사양토는 통일분류법상 같은 점토질 모래이며, 두 가지 토양은 흙의 다짐시험의 일반적인 다짐곡선과 경도계의 관입량 기반의 다짐곡선이 유사한 경향을 보이기 때문에 하나의 공학적 특성을 갖는 토양으로 분석할 수 있다.

(2) 같은 다짐에너지에서 내경 100mm 몰드에서 진행되는 흙의 다짐시험의 경도는 400mm × 400mm 크기의 모형토조시험에서의 경도보다 높은 수치를 보이며, 같은 경도를 갖기 위해서는 모형토조에서 약 3 배의 다짐에너지가 요구된다.

(3) 모형토조시험에 사용된 다짐에너지를 정규화하고 다짐시험의 결과와 융합하여 다짐에너지와 경도계의 관입량의 관계에 대한 관계식을 도출하였다. 이러한 관계식으로부터 관입량과 상대다짐도 또는 상대밀도를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.

(4) 설치 후 일정 시간이 지난 철항의 인발저항력은 설치 후 즉시 인발할 때보다 동일한 표면 관입량에서 약 2.7 - 3 배 크게 나타난다. 이는 충분한 인발저항력의 예측을 위해서는 강풍이 예견되기 오랜 기간 전에 철항 보강이 필요하다는 것을 의미한다.

(5) 이번 연구에서 사용한 점토질 모래의 경우 함수비 7 - 9%에서 가장 큰 인발 저항력이 나타나며, 함수비가 4% 미만 또는 11% 초과인 경우, 철항의 인발저항력은 급격하게 낮아진다.

이번 연구의 대상 토양은 양토와 사양토로 국내 표토 대다수의 흙이 포함되나, 양토와 사양토 이외의 토양일 경우 다른 결과가 예측될 수 있다. 다양한 종류의 흙에 대한 추가적인 연구가 이루어진다면 국내 토양의 다양한 환경에서의 철항 인발력을 예측하여 비닐하우스 인발 피해에 대비할 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

이번 연구는 농촌진흥청 공동연구사업(세부과제번호: RS-2021-RD009628)의 지원으로 수행되었습니다.

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