1. 서 론

다짐(compaction)이란 간극 내 공기를 배출하여 흙의 단위중량을 증가시키는 과정을 의미한다. 다짐을 통해 흙의 전단강도를 높이고 압축성 및 투수계수를 감소시킬 수 있으므로 지반구조물의 시공 시 필수적으로 수행된다. 다짐 과정에서는 흙에 정적(static) 또는 동적(dynamic) 하중이 가해지는데, 이는 흙을 다짐할 뿐 아니라 입자파쇄를 유발할 수 있다(Sun et al., 2019). 입자파쇄는 물리·화학적 작용으로 큰 입자가 작은 입자로 변하는 현상을 뜻하며, 이는 흙의 구조적 상태(입자의 크기 및 배열, 입자 간 연결 상태)를 변화시켜 흙의 주요 물성치(전단강도, 투수계수 등)와 지반구조물의 거동에 중대한 영향을 미친다(Terzaghi and Peck, 1948; Einav, 2007).

입자파쇄가 지반구조물의 거동에 미치는 영향은 많은 연구자들의 실험적 연구를 통해 확인되어 왔다.

1. 록필댐(rockfill dam) 내의 입자파쇄: 록필댐 내의 입자파쇄는 주로 록필댐의 자중과 제채 내 유수에 의해서 발생하며, 록필재료의 주응력, 한계상태선(Critical State line, CSL) 등을 변화시켜 응력-변형 거동에 영향을 미친다(Xiao et al., 2014; Xiao et al., 2016). 또한, 입자파쇄로 인한 제채 내 과도한 미립자 생성은 지나친 투수성 저하를 일으켜 유수 막힘 및 간극수압 증가 문제를 발생시키는 것으로 알려져 있다(John et al., 2023).

2. 말뚝 기초 관입시의 입자파쇄: 기초를 항타하거나 관입시키는 과정에서 기초 선단 및 주면 주변에 입자파쇄가 발생하며 입자파쇄의 정도는 지반의 특성, 기초의 관입깊이와 관련이 있다(Yasufuku and Hyde, 1995; Mao et al., 2018). 말뚝 기초의 지지력은 크게 선단지지력과 주면마찰력으로 이루어지는데 입자파쇄로 인한 주변 지반 교란 및 수축은 주면마찰력을 크게 감소시키는 것으로 확인되었다(White and Bolton, 2004; Kuwajima et al., 2009).

3. 산사태 발생 시 입자파쇄: 지진으로 인한 액상화, 강우 및 침수로 인한 사면 전단강도 및 마찰저항 저하 등에 의해 발생하는 산사태는 입자파쇄에 큰 영향을 받는다. Wang et al.(2002)에 따르면 전단 파괴면에서 발생하는 입자파쇄는 흙의 유동성(mobility)을 증가시켜 장거리 유출을 유발한다고 설명했다. 또한 양입도 시료가 빈입도 시료보다 입자파쇄로 인한 전단강도 저하에 더 큰 저항성이 있음을 확인했으며, 이는 입자파쇄로 인한 입도분포 변화가 산사태 및 토양의 역학적 거동에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다(Igwe et al., 2007).

4. 철도 밸러스트의 파괴: 철도 상부에서 열차가 지속적으로 왕복하는 것은 밸러스트에 반복하중을 가한다. 이전 연구자들은 열차에 의한 반복하중이 철도 하부 밸러스트에 입자파쇄를 발생시켜, 밸러스트의 구조적 기능 및 성능을 저하시킬 수 있음을 밝혔다(Indraratna et al., 2012; Indraratna and Nimbalkar, 2013).

이러한 사례들은 입자파쇄가 지반구조물의 안정성과 성능을 변화시킬 수 있음을 명확히 보여준다. 따라서 흙의 다짐 시 발생하는 입자파쇄 현상을 정량적으로 평가하는 것은 지반구조물의 안정성과 성능 평가의 신뢰성을 높이는 데 필수적이다.

흙의 입자파쇄를 정량적으로 분석하기 위해서 다양한 파쇄지수(breakage index)가 제안되어 왔다(Marsal, 1967; Lee and Farhoomand, 1967; Hardin, 1985; Lade et al., 1996; Nakata et al., 1999; Miura et al., 2003). 이들 파쇄지수는 파쇄 전·후 흙의 입도분포의 차이를 바탕으로 산정된다. 예를 들어, Marsal(1967)의 파쇄지수는 파쇄 전·후 각 체의 잔존율의 차이, Lee and Farhoomand(1967)의 파쇄지수는 파쇄 전·후 입도분포에서 통과율 15%에 해당하는 입경(D₁₅)의 비, Hardin(1985)의 파쇄지수는 파쇄 전·후 입도분포곡선 사이의 면적, Lade et al.(1996)의 파쇄지수는 파쇄 전·후 유효입경(D₁₀)의 비를 이용하여 산정한다. 또한 흙의 입자파쇄에 따라 입도분포의 복잡성이 증가한다는 가정하에 프랙탈 이론에 기반한 프랙탈 차원(fractal dimension)도 파쇄지수의 대체 분석 방법으로 제안되었다(Tyler and Wheatcraft, 1992).

상술한 파쇄지수 및 프랙탈 차원을 기반으로 입자파쇄 현상을 분석하기 위한 실험연구가 다수 수행된 바 있다. 그러나 대부분의 연구는 실내 전단시험(직접전단시험, 링 전단시험, 삼축압축시험 등) 및 정재하 시험을 통해 전단 및 압축 시 발생하는 입자파쇄를 평가했다(Nakata et al., 2001; Jeong et al., 2014; Yu, 2017; Rahmani and Panah, 2021; Wei et al., 2021). 다짐 시 흙에 가해지는 충격하중에 따른 입자파쇄를 다룬 연구도 일부 존재하나, 탄산염 모래나 실리카 모래 등 입도가 균질한 특정 토질에 국한되어 있었다(Sun et al., 2019; Wang et al., 2021). 국내에 널리 분포하며 건설 재료로 활용되는 화강풍화토는 다양한 입도분포를 가지며 실리카 모래보다 입자파쇄에 취약한 것으로 알려져 있으나(Ham and Kim, 2008; Lee, 1999; Lee et al., 2020; Xiao et al., 2021), 다짐에 따른 화강풍화토의 입자파쇄를 평가한 연구는 찾아보기 어렵다. 즉, 화강풍화토의 다짐 시 입자파쇄 특성을 규명하고, 이로 인한 지반구조물의 안정성과 성능 변화를 분석하는 것은 국내 지반공학 분야에서 해결해야 할 중요한 과제로 남아있다.

본 연구는 화강풍화토의 입자파쇄 특성을 규명하기 위한 기초 연구로서, 화강풍화토의 입자파쇄 전개과정을 실험적으로 평가했다. 경기도 Y 토공사 현장에서 채취한 화강풍화토를 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS)에 따라 빈입도 모래(SP)와 양입도 모래(SW)로 인위적으로 조성한 뒤, 다양한 다짐에너지를 적용해 다짐을 수행했다. 다짐 전·후 입도분포의 차이를 바탕으로 다양한 파쇄지수 및 프랙탈 차원을 산정하여 입자파쇄를 정량적으로 분석하였다. 또한 스테레오 현미경을 이용해 다짐 전·후 입자 형상을 촬영하고, 원마도(roundness) 및 종횡비(aspect ratio)를 분석하여 입자파쇄로 인한 형상 변화를 평가하였다.

2. 시험장비 및 조건

2.1 흙 시료

본 연구에서는 경기도 Y 토공사 현장에서 성토재료로 사용되는 화강풍화토(이하, 원시료(original specimen))를 채취한 뒤, 통일분류법에 따라 빈입도 모래(poorly-graded sand, SP)와 양입도 모래(well-graded sand, SW)로 분류되는 시료를 인위적으로 조성해 시험에 사용했다. Fig. 1과 Table 1은 원시료와 시험에 사용된 시료(test specimen)의 입도분포곡선 및 기본 물성값을 각각 나타낸다. 원시료는 통일분류법에 따라 양입도 모래(SW)로 분류되었으며 현장 함수비는 8% 였다.

Fig. 1

Particle size distribution of the weathered granite soils used in this study

목표한 입도분포를 가지는 시료를 조성하기 위해서, 채취한 원시료를 72시간 이상 오븐(oven) 건조한 후 9.5 mm 체, 4번체, 8번체, 16번체, 40번체, 60번체, 100번체, 200번체를 이용해 입도별로 분류했다. 본 연구에서는 시료 다짐 시 지름이 100 mm 인 몰드(mold)를 사용했으므로, 해당 몰드에 대해 제시된 최대 허용 입경인 19 mm 보다 큰 입자는 제거했다(KS F 2312 : 2022). 이후, 입도별로 분류된 시료를 목표한 입도분포가 되도록 혼합한 뒤(Fig. 2), 함수비를 현장 함수비(8%)와 동일하게 맞춰 다짐시험에 사용했다.

Fig. 2

Images of test specimens before mixing with water: (a) SP specimen; (b) SW specimen

현행 쌓기 표준시방서(KCS 11 20 20 : 2019)는 선별 쌓기재료의 입도(25 mm 체 통과율 100%, 10 mm 체 통과율 75% 이상, 4번체 통과율 20% 이상, 200번체 통과율 35% 이하)와 도로 노상 쌓기재료의 입도(최대입경 100 mm, 4번체 통과율 25% 이상, 200번체 통과율 25% 이하)를 규정하고 있다. 본 연구에서 사용된 두 시료(SP 및 SW)는 모두 해당 기준을 만족하여(Table 1 참조), 다짐이 수반되는 공사에 쌓기재료로 사용될 수 있었다.

2.2 시험장비

2.2.1 자동다짐장비

본 연구에서는 흙 시료의 다짐을 위해서 자동다짐장비(automatic soil compactor)를 사용했다. 자동다짐장비는 흙 시료를 일관성 있게 다짐할 수 있도록 설계된 장치로, 다짐 과정에서 발생할 수 있는 인적 오차를 최소화하고 흙 시료 전체에 균질한 다짐에너지를 가할 수 있다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이, 자동다짐장비는 컨트롤러(controller), 래머(rammer), 몰드(mold)로 구성되어 있다. 컨트롤러에 목표 다짐횟수를 입력하면, 직경이 50 mm 인 래머가 공기압에 의해 설정된 높이까지 상승했다가 자유낙하 하는 과정을 입력된 다짐횟수 만큼 반복한다. 한번 다짐할 때 마다 몰드가 60° 씩 회전하여, 흙 시료 전체를 균일하게 다짐할 수 있다.

Fig. 3

Automatic soil compactor used in this study

본 연구에서 사용된 자동다짐장비는 다양한 조건에서 다짐을 수행할 수 있도록 래머 무게(2.5 kg, 4.5 kg), 낙하 높이(0.3 m, 0.45 m), 몰드 직경(100 mm, 150 mm), 다짐횟수(최대 10,000회)를 조절할 수 있었다. 본 연구에서는 래머 무게 2.5 kg, 낙하 높이 0.3 m, 몰드 직경 100 mm, 최대 다짐횟수 500회가 적용되었다.

2.2.2 스테레오 현미경

본 연구에서는 스테레오 현미경(stereotype microscope, Fig. 4)을 이용해 다짐 전·후 흙 시료의 형상 변화를 평가했다. 스테레오 현미경은 물체를 3차원으로 관찰할 수 있도록 설계된 광학현미경으로, 본 연구에서는 평행 옵틱(parallel-optics) 방식으로 작동하고 줌 비율은 12.7:1이며 줌 범위는 0.63배에서 8배까지 조절 가능한 Nikon 사의 SMZ 1270 모델을 사용하였다. 조명은 촬영 시 음영이 발생하지 않도록 화이버옵틱코리아(Fiber Optic Korea)에서 제조한 LED Ring Light를 사용하였으며 빛의 반사로 인한 영향을 최소화하기 위해 흙 시료를 암막천 위에 두고 촬영을 진행하였다. 스테레오 현미경과 한국광학(KOPTIC) 사의 이미징 소프트웨어인 HKBasic(Nov. 12. 2023)을 이용해 흙 시료를 0.63에서 4배율로 촬영한 뒤, 입자의 크기 및 형상 요소를 측정하여 입자파쇄로 인한 형상 변화를 평가했다.

Fig. 4

Stereotype microscope (Nikon SMZ 1270) and Flash used in this study

2.3 시험방법 및 조건

Table 2는 본 연구에서 수행된 다짐시험 조건을 나타낸다. 앞서 언급한 바와 같이 서로 다른 입도를 가지는 두 종류의 시료(SP, SW)를 사용했다. 직경과 높이가 각각 100 mm 및 127 mm인 몰드에 시료를 넣고 3층 다짐을 실시했는데, 다짐이 끝난 시료의 원활한 추출을 위해서 시험 전 몰드의 내측 면에 윤활유를 도포했다. 래머 무게(2.5 kg)와 낙하 높이(0.3 m)는 고정하고 층(layer) 별 다짐횟수를 10, 25, 55, 100, 200, 500으로 달리하여 여섯 가지 다짐에너지를 적용했다. 각 시험은 시료 종류와 층별 다짐횟수에 따라 구분되며, 예를 들어 ‘SP100’은 SP 시료를 사용하여 한 층당 100회씩 다짐한 시험을 의미한다. 본 연구에서 사용된 다짐에너지(E_c)는 식 (1)로 산정했으며(White et al., 2007), Table 2의 마지막 열에 제시되어 있다.

여기서, n은 다짐층 수, N은 층 별 다짐횟수, W와 H은 각각 래머의 무게와 낙하높이, V는 몰드의 내부 부피를 의미한다. Proctor(1948)는 폭 3 m의 롤러가 층 두께 0.152 m 조건에서 1회 통과할 때의 다짐에너지를 약 192 kN·m/m³로 제시하였다. 이를 기준으로 환산하면, 본 연구에서 적용된 다짐에너지는 롤러 약 1.2회(N = 10) 통과에 해당하는 수준에서부터 약 58.8회(N = 500) 통과에 해당하는 수준까지의 범위에 상응한다.

설정된 조건에 따라 다짐시험이 완료된 시료는 몰드에서 추출하여 72시간 이상 오븐 건조시켰다. 이후 9.5 mm 체, 4번체, 8번체, 16번체, 40번체, 60번체, 100번체, 200번체를 이용하여 체분석시험(KS F 2302 : 2022)을 진행했다. 체분석시험 결과에 따라 입도분포곡선을 작성하여 각 체의 잔존율을 계산했고 이를 토대로 파쇄지수 및 프랙탈 차원을 산정했다.

또한, 현미경 관찰을 통해 입자 형상을 촬영하고 종횡비와 원마도를 산정하여 형상을 정량적으로 분석했다. 본 연구에서 사용한 스테레오 현미경(Nikon SMZ 1270)의 해상도를 고려할 때, 입경이 40번체(0.425 mm) 이상인 경우에만 형상 분석이 가능하다고 판단되어 이보다 큰 입자들을 대상으로 분석을 수행했다. 흙 입자의 불규칙한 형상을 고려하여, 각 조건별로 40번체 이상 입자를 무작위로 50개 이상 샘플링하고 촬영하는 절차를 5회 반복하였다. 이후 추출된 형상 정보를 바탕으로 종횡비와 원마도를 산정했으며, 이미지 분석 과정에서 수작업으로 인한 오차를 최소화하기 위해 MATLAB(R2024a) Image Processing Toolbox를 이용하여 장축, 단축, 둘레, 면적을 자동으로 추출하였다.

3. 시험결과 및 분석

3.1 입도분포

Fig. 5는 SP 및 SW 시료의 다짐 전·후 입도분포곡선을 나타낸다. 각각의 입도분포곡선은 다짐횟수(즉, 다짐에너지) 증가에 따라 시료의 입도분포가 어떻게 달라지는지를 시각적으로 보여준다. 또한 Table 3은 Fig. 5를 바탕으로 산정된, 각 시험 조건별 다짐 전(initial) 입도분포곡선과 다짐 후(N10~N500) 입도분포곡선 사이의 면적 값(단위: %·mm)을 보여준다.

Fig. 5

Particle size distributions before and after compaction: (a) SP specimen; (b) SW specimen

SP와 SW 시료 모두 다짐횟수가 증가함에 따라 입도분포곡선이 우상향하는 경향을 나타냈다. 다짐 전·후 입도분포곡선 사이 면적의 변화량은 다짐횟수가 증가할수록 점차 줄어들었으며, 이는 초기에는 다짐횟수 증가가 입자파쇄를 크게 촉진하지만, 일정 수준을 넘어서면 추가적인 파쇄 효과가 점진적으로 감소함을 의미한다. 또한, SW 시료는 SP 시료에 비해 다짐 전·후 입도분포곡선 사이의 면적이 작았는데, 이는 SW 시료가 SP 시료보다 입자파쇄에 대해 더 큰 저항성을 가진다는 것을 보여준다. SP 시료의 경우, 다짐횟수가 55회를 초과하면 시료의 분류가 SP에서 SW로 전환되었으며(균등계수(C_u)가 1.61에서 11.6으로 증가), 이후부터는 다짐횟수 증가에 따른 입도분포곡선의 변화 폭이 현저히 줄어드는 경향을 보였다. 이러한 결과는 양입도가 빈입도보다 입자파쇄에 덜 취약하다는 기존 연구들(Niu et al., 2018; Sun et al., 2019)과 일치하며, 지반재료의 다짐 시 입자파쇄의 영향을 최소화하기 위해서는 양입도 재료를 사용하는 것이 중요하다는 점을 시사한다.

Table 4와 5는 각각 SP 및 SW 시료의 다짐 전·후 입도별 잔존량의 변화를 나타낸다. Table 4에서 확인할 수 있듯이, SP 시료는 다짐횟수 0~55회에는 비교적 굵은 입자(입경 8번체 이상)가 집중적으로 파쇄되어 잔존량이 감소했고, 상대적으로 작은 입자(입경 16번체 이하)의 양은 전반적으로 증가했다. 그러나 다짐횟수가 55회를 초과하면서 시료의 입도분포가 SW로 전환된 이후부터는 입자파쇄 양상이 달라졌다. 다짐횟수 100회 이후에는 입경 4번체 이상의 굵은 입자들은 거의 파쇄되지 않았으며, 200회 이후부터는 입경 8번체부터 60번체에 해당하는 중간 크기 입자들이 주로 파쇄되면서 잔존량이 크게 감소하고 그보다 작은 입자들의 양은 증가하는 경향을 보였다. 이는 다짐에너지가 빈입도 상태에서는 굵은 입자들에 집중되지만, 양입도 상태로 전환된 이후에는 다짐에너지가 중간 크기 이하 입자에 집중된다는 것을 의미한다.

이러한 경향은 Table 5의 SW 시료에서 보다 뚜렷하게 나타났다. 다짐 초기(다짐횟수 0~10회)에는 상대적으로 큰 입자(입경 60번체 이상)가 파쇄되어 잔존량이 감소하고 미세 입자의 잔존량이 증가했다. 그러나 다짐횟수 25회 이상부터는 입경 4번체 이상의 굵은 입자들은 잔존량의 변화가 거의 없었으며, 입경 8번체부터 60번체에 해당하는 중간 크기 입자들의 잔존량은 뚜렷하게 감소하고 그보다 작은 입자들의 양은 증가했다. 이는 양입도 상태의 시료에 가해지는 다짐에너지는 중간 크기 이하 입자에 집중되며, 입경 4번체 이상의 굵은 입자들은 다짐에너지를 거의 받지 않는다는 사실을 뒷받침한다.

이와 같이, 다짐 시 입자파쇄는 전체 입자에서 균일하게 발생하는 것이 아니라, 다짐에너지가 집중되는 특정 크기의 입자에서 주로 발생한다. 어떤 입자가 다짐에너지를 집중적으로 받는지는 시료의 입도분포에 따라 달라지며, 에너지를 집중적으로 받는 입자의 파쇄 저항성에 따라 전체 시료의 입자파쇄 정도가 결정된다. 일반적으로 굵은 입자는 단위 입자당 더 큰 집중하중을 받으며, 내부에 미세균열이 발생하고 전파(propagation)될 가능성이 높아 파쇄에 더 취약하다(Zhou et al., 2017; Niu; Meng et al., 2021; Zhao et al., 2024). SP 시료의 다짐 초기에 입자파쇄가 매우 크게 발생한 것은, 상대적으로 굵은 입자에 다짐에너지가 집중적으로 가해졌고 이들이 입자파쇄에 취약했기 때문으로 판단된다.

3.2 파쇄지수 및 프랙탈 차원

3.2.1 파쇄지수

본 장에서는 파쇄 전·후 흙의 입도분포를 바탕으로 제안된 파쇄지수를 활용하여, 화강풍화토의 입자파쇄를 정량적으로 평가했다. Fig. 6과 Table 6은 본 연구에서 활용한 여섯 가지 파쇄지수의 정의와 산정식을 나타낸 것이다. Marsal(1967)과 Hardin(1985)이 제안한 파쇄지수는 전체 입자의 잔존율 변화를 기반으로 산정되며, Lee and Farhoomand(1967), Lade et al.(1996), Nakata et al.(1999), Miura et al.(2003)이 제안한 파쇄지수는 특정 입경에 해당하는 입자의 잔존율 변화를 바탕으로 산정된다.

Fig. 6

Breakage indices visualized by particle size distribution curve

Marsal(1967)은 록필댐의 설계 및 시공과 관련하여 록필 재료를 대상으로 대형 삼축압축시험을 수행하였고, 시험 전·후 각 체 크기별 입자의 잔존율 차이(R_ij - R_fj)를 고려한 파쇄지수 B_g를 제안했다. 여기서, j는 특정 체 크기, R_ij와 R_fj는 각각 시험 전·후 j체의 잔존율을 의미한다. Marsal(1967)의 파쇄지수는 체분석 시험에 사용된 모든 체 크기를 고려하여 파쇄지수를 계산하므로 토양의 전반적인 파쇄정도를 나타낼 수 있지만, 체 세트의 구성 및 범위에 따라 파쇄지수 값이 영향을 받을 수 있다는 한계가 존재한다(John et al., 2023).

Hardin(1985)은 입도분포곡선의 형태를 기반으로 파쇄지수 B_r을 제시하였다. B_r은 초기 입도분포곡선과 파쇄 후 입도분포곡선 사이의 면적(total breakage, B_t)과, 초기 입도분포곡선과 모든 입자가 0.075 mm 이하로 파쇄되었다고 가정한 입도분포곡선 사이의 면적(breakage potential, B_p)의 비율로 정의된다. Hardin(1985)의 파쇄지수는 토양의 전체적인 입자파쇄를 평가할 수 있으며, Marsal(1967)의 파쇄지수와 비교할 때 체 세트의 구성에 따른 영향을 상대적으로 적게 받는다는 장점이 있다.

Lee and Farhoomand(1967)와 Lade et al.(1996)는 각각 입자파쇄 전·후 통과 백분율 15%에 해당하는 입자 크기(D₁₅)와 통과 백분율 10%에 해당하는 입자 크기(D₁₀)를 기반으로 파쇄지수 B₁₅와 B₁₀을 제안하였다. D₁₅는 통과 백분율 85%에 해당하는 입자 크기(D₈₅)와 함께 흙댐과 록필댐의 여과재 설계에 매우 중요한 요소이며, D₁₀은 유효입경으로 흙의 투수계수에 큰 영향을 미치는 지표이다. 따라서 B₁₅와 B₁₀은 배수 및 차수 기능이 중요한 지반구조물(흙댐, 록필댐 등)의 설계 시 유용하게 활용될 수 있다.

Nakata et al.(1999)과 Miura et al.(2003)은 입자파쇄에 따른 미세입자의 잔존율 변화를 나타내는 파쇄지수 B_f와 △F_c를 각각 제안했다. B_f는 파쇄 전 흙의 최소 입자 크기 보다 작은 입자가 시험 후 얼마나 생성되었는지 나타내는 비율(R)을 기반으로 산정하며, △F_c는 파쇄 전·후 200번체 통과율 차이를 기반으로 산정한다. 이러한 지표들은 입자파쇄에 따라 미세입자 함량이 얼마나 증가했는지를 평가할 수 있는 수단으로, 미세입자 증가에 따른 흙의 공학적 특성 변화와 관련한 분석에 활용될 수 있다.

Fig. 7은 SP 및 SW 시료의 다짐에너지 증가에 따른 파쇄지수의 변화를 나타낸 것이다. SP 시료의 Lee and Farhoomand(1967) 파쇄지수를 제외하면(Fig. 7(c)), 대부분의 파쇄지수는 다짐에너지가 증가함에 따라 증가 폭이 점차 감소하는 경향을 보였다. 입도분포 전체에 대한 입자파쇄 정도를 반영하는 Marsal(1967)과 Hardin(1985)의 파쇄지수는 SP 시료에서 SW 시료보다 더 큰 값을 나타냈으며(Fig. 7(a)와 7(b)), 이는 Fig. 5에서 확인된 바와 같이 SP 시료에서 입자파쇄가 더 활발하게 발생하였음을 의미한다. 또한, SW 시료는 SP 시료에 비해 상대적으로 낮은 다짐에너지 구간에서 Marsal(1967)과 Hardin(1985)의 파쇄지수가 수렴했는데, 이는 SW 시료가 더 빠르게 입자파쇄에 대한 저항성이 높은 입도분포 또는 구조로 변화하고 있음을 보여준다. 즉, SW 시료는 입자파쇄에 대해 보다 효과적으로 저항하는 특성을 가지는 것으로 해석할 수 있다.

가장 널리 사용되는 Marsal(1967)의 파쇄지수는 SW에서 약 16, SP 시료에서 약 59까지 증가했다. 이는 본 연구와 유사한 응력 수준으로 전단시험 및 정재하 시험을 수행한 연구(Rahmani)에서 제시한 Marsal(1967)의 파쇄지수(10 이하)보다 훨씬 큰 값이다. 이러한 결과는 다짐 시공 과정에서 발생하는 입자파쇄가 무시할 수 없을 정도로 크며, 지반구조물 설계 시 다짐에 의한 입자파쇄의 영향을 반드시 고려해야 함을 시사한다.

Lee and Farhoomand(1967)와 Lade et al.(1996)의 파쇄지수 또한 SP 시료가 SW 시료보다 더 큰 값을 나타났다(Fig. 7(c)와 7(d)). 두 지표 모두 다짐에너지 증가에 따라 점진적으로 증가하다가 일정 수준에서 수렴하는 경향을 보였지만, SP 시료의 Lee and Farhoomand(1967) 파쇄지수는 다짐에너지 11278.7 kN·m/m³(다짐횟수 500회)에서 약 2배로 급증하는 특이한 변화를 보였다. 이는 파쇄지수 산정에 사용되는 통과백분율 15%에 해당하는 입자(D₁₅)가 특정 다짐에너지 이상에서 급격히 파쇄되어 더 작은 입경으로 이동했기 때문으로 해석된다. 입자파쇄가 전체 입경에 걸쳐 고르게 발생하기보다는 특정 입경 구간에서 집중적으로 발생하기 때문에, 단일 입경 기반의 파쇄지수가 시료 전반의 파쇄 정도를 과소 또는 과대평가할 가능성이 있음을 보여준다.

한편, 미세입자의 양을 이용해 산정하는 Nakata et al.(1999)과 Miura et al.(2003)의 파쇄지수는 서로 상반된 경향을 보였다(Fig. 7(e)와 7(f)). Nakata et al.(1999)의 파쇄지수는 다짐에너지가 증가함에 따라 증가하다 점차 수렴하는 전형적인 경향을 보였다. 그러나 Miura et al.(2003)의 파쇄지수는 다짐에너지가 커져도 지속적으로 증가하였으며, 다른 파쇄지수들과 달리 SW 시료가 SP 시료보다 더 컸다. 이는 Miura et al.(2003)의 파쇄지수가 세립토로 분류되는 200번체 이하의 입자(0.075 mm)에만 초점을 두기 때문으로, SW 시료가 SP 시료보다 상대적으로 작은 입자를 더 많이 포함하고 있어 파쇄 시 세립토로 전환되는 비율이 높았던 것으로 판단된다. 또한 높은 다짐에너지에서도 파쇄에 의해 200번 체 이하의 입자가 계속 생성되었기 때문에, 해당 파쇄지수는 다짐에너지에 따라 꾸준히 증가하는 경향을 나타낸 것으로 판단된다.

Fig. 7

Variation of particle breakage indice of SP and SW specimens: (a) Marsal (1967); (b) Hardin (1985); (c) Lee and Farhoomand (1967); (d) Lade et al. (1996); (e) Nakata et al. (1999); (f) Miura et al. (2003)

상술한 여섯 가지 파쇄지수는 반영하는 입경 범위와 계산 방식에 따라 서로 다른 경향을 보였다. Marsal(1967)과 Hardin(1985)의 파쇄지수는 입도분포 전 범위를 반영하므로, 토양 전체의 파쇄 정도를 안정적으로 평가할 수 있었다. 두 파쇄지수 모두 SP 시료에서 SW 시료보다 항상 높은 값을 나타냈다. 반면, Lee and Farhoomand(1967)와 Lade et al.(1996)의 파쇄지수는 각각 통과 백분율 15%와 10%에 해당하는 특정 입경만을 반영하므로, 해당 구간에서 집중적으로 파쇄가 발생할 경우 급격한 값 변화를 보였다. Nakata et al.(1999)과 Miura et al.(2003)의 파쇄지수는 모두 미세입자 증가를 기반으로 하지만, 서로 다른 경향을 보였다. Nakata et al.(1999)은 원시료의 최소 입경 이하 입자 생성 비율에 따라 토양 전체의 파쇄 정도와 유사한 경향을 보였다. 반면, Miura et al.(2003)은 200번체 통과율 변화를 고려하므로 200번체에 가까운 미세입자가 많이 포함된 SW 시료에서 더 크게 나타났으며, 다짐에너지가 높아도 지속적으로 증가하였다. 종합하면, 전체 입도 변화를 포괄적으로 평가하려면 Marsal(1967)과 Hardin(1985)의 파쇄지수가 적합하며, 특정 입경 구간의 파쇄 집중 여부나 세립분 증가 양상을 분석하려면 해당 입경의 잔존율 변화를 반영하는 적절한 지표를 병행 활용하는 것이 바람직하다. 또한, 본 연구에서 사용한 화강풍화토와 같이 입경별 파쇄 특성이 상이한 경우 기존 파쇄지수만으로는 이를 정량적으로 표현하기 어려우므로, 이러한 특성을 반영할 수 있는 새로운 파쇄 특성 지표 개발이 필요할 것으로 판단된다.

3.2.2 프랙탈 차원

앞서 분석한 다양한 파쇄지수들은 입도분포 전체 또는 특정 입경에 대한 파쇄 경향을 정량화하는 데 유용한 도구로 활용될 수 있었다. 그러나 본 연구에 사용된 화강풍화토는 입경에 따라 상이한 파쇄 특성을 보였으며(Table 4 및 Table 5 참조), 이러한 특성은 기존 파쇄지수만으로 충분히 설명하기 어려운 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 프랙탈 차원(fractal dimension)을 도입하여, 입경별 파쇄 특성을 보다 세분화하여 분석했다.

프랙탈 차원은 Mandelbrot(1983)의 프랙탈 이론에 기초하며, 1990년대부터 입도분포를 정량적으로 표현하는 지표로 주목받아왔다(McDowell et al., 1996; Lobo-Guerrero and Vallejo, 2005). 흙 입자 집합은 큰 입자 속에 중간 입자, 중간 입자 속에 더 작은 입자가 포함되는 구조를 가지며, 일부 입경 구간의 입도분포가 전체와 유사한 형태로 반복되는 자기유사성(self-similarity)을 보인다(Turcotte, 1986). 이러한 자기유사성은 작은 입자의 비율이 증가할수록 입자 집합의 복잡성이 높아진다는 것을 의미한다. 프랙탈 차원은 이러한 복잡성을 수치화한 값으로, 값이 클수록 작은 입자가 더 많이 생성되어 파쇄가 심하게 진행되었음을 나타낸다(Lai et al., 2024). 본 연구에서는 Tyler and Wheatcraft(1992)가 제안한 식 (2)를 적용하여 프랙탈 차원을 산정하였다.

여기서, M(r)은 입경 r보다 작은 입자의 질량, M은 총 질량, D는 프랙탈 차원, r은 입자 크기, r_max는 최대 입자 크기를 의미한다. 프랙탈 차원은 로그(logarithm) 평면에서 M(r)/M과 r/r_max 간의 선형회귀직선의 기울기인 (3-D)를 통해 산정된다.

Fig. 8은 SP 및 SW 시료의 M(r)/M과 r/r_max 간의 관계를 로그 평면에 도시한 결과이다. 두 시료는 각각 log(r/r_max)가 약 -0.60(입경 2.36 mm) 및 -1.35(입경 0.425 mm)인 지점을 기준으로 bi-linear한 형태를 나타냈다. 이는 큰 입자 영역과 작은 입자 영역이 서로 다른 자기유사성을 가져, 결과적으로 서로 다른 프랙탈 거동을 보인다는 것을 의미한다. 이러한 거동은 토사나 자갈로만 구성된 단일 입경 재료에서는 거의 관찰되지 않으며, 주로 토사와 자갈이 일정 비율로 혼합된 재료에서 나타나는 현상이다(Hu et al., 2024). 다짐횟수(즉, 다짐에너지)가 증가함에 따라 M(r)/M과 r/r_max 간의 선형회귀직선의 기울기(3-D)는 점차 감소했으며, 이는 프랙탈 차원(D)의 증가를 의미한다. 이러한 경향은 다짐이 진행될수록 입자파쇄가 발생하여 입도분포의 복잡성이 증가하고 있음을 반영하며, 프랙탈 차원이 입자파쇄의 정도를 정량화할 수 있는 유효한 지표임을 시사한다.

Fig. 8

Fractal characteristic curves before and after compaction: (a) SP specimen; (b) SW specimen

Fig. 9는 프랙탈 거동이 전환되는 입경을 기준으로 나눈 각 영역에서 산정한 프랙탈 차원의 변화를 나타낸다. SP 시료는 SW 시료에 비해 큰 입자와 작은 입자 모두에서 프랙탈 차원의 변화량이 더 컸으며, 이는 SP 시료에서 입자파쇄가 더욱 활발하게 발생했음을 의미한다. 두 시료 모두 프랙탈 차원의 변화는 작은 입자 영역에서 더욱 뚜렷했고, 높은 다짐에너지에서도 약간의 증가 경향을 보였다. 반면, 큰 입자 영역에서는 프랙탈 차원의 변화가 상대적으로 작았고, 낮은 다짐에너지에서 수렴하는 경향이 관찰되었다.

Fig. 9

Fractal dimensions before and after compaction: (a) SP specimen; (b) SW specimen

이러한 결과는 입자파쇄가 진행됨에 따라 다양한 크기의 미세입자가 생성되면서 작은 입자 영역의 입도분포 복잡도가 크게 증가하고, 그 변화가 높은 다짐에너지 조건에서도 지속됨을 의미한다. 반면, 일정 수준 이상의 다짐에너지에서는 큰 입자의 추가적인 파쇄가 거의 발생하지 않기 때문에 해당 영역의 입도분포 복잡도는 더 이상 변화하지 않으며, 이에 따라 프랙탈 차원도 크게 변화하지 않는 경향을 보인다. 이러한 프랙탈 차원의 변화 양상은 앞서 제시한 입도별 잔존량 분석 결과(Table 4 및 Table 5 참조)와도 비교적 잘 일치한다.

상술한 결과는 프랙탈 차원이 입자파쇄의 정도를 정량화할 수 있다는 점에서 기존 파쇄지수와 유사한 기능을 수행함과 동시에, 입경 구간별 파쇄 민감도까지 반영할 수 있다는 점에서 차별화된 분석 도구가 될 수 있음을 시사한다. 그러나 프랙탈 거동이 전환되는 입경은 잔존량을 기준으로 분석한 입경 구간별 파쇄 특성(굵은 입자, 중간 입자, 미세입자에서 각각 나타나는 상이한 파쇄 거동)을 완벽하게 대변하지는 못했다. 이러한 불일치는 프랙탈 거동의 전환점이 입경 구간의 자기유사성이 변하는 지점을 의미하기 때문이며(Qiao et al., 2021), 자기유사성 변화와 파쇄 집중 구간이 항상 일치하는 것은 아니기 때문이다. 예를 들어, 4.75 mm 이상의 굵은 입자에서 잔존량 분석 결과 파쇄가 집중적으로 발생하더라도, 해당 구간 내 입도분포가 여전히 일정한 비율 관계를 유지한다면 프랙탈 전환점이 나타나지 않을 수 있다. 반대로, 파쇄 집중이 크지 않은 구간이라도 입자 크기 분포의 자기유사성이 변하면 프랙탈 전환점이 발생할 수 있다. 따라서 프랙탈 전환점은 입도 분포의 구조적 패턴 변화를 민감하게 포착하는 반면, 잔존량 기반 분석은 절대적인 파쇄량 변화를 강조하므로, 두 방법 간에 불일치가 나타날 수 있다. 향후에는 이러한 한계를 극복하고, 입경 구간별 파쇄 민감도를 더욱 정밀하게 정량화할 수 있는 지표를 개발할 필요가 있다. 프랙탈 차원은 이러한 분석기법의 기반이 될 수 있는 유효한 접근법으로 판단된다.

3.3 입자형상

본 장에서는 스테레오 현미경을 통해 촬영한 다짐 전·후 흙 입자의 이미지를 활용하여 입자 형상의 변화를 분석했다. Wei et al.(2021)을 참고하여, 입자의 형상을 정량적으로 나타내는 대표적인 지표인 종횡비와 원마도를 사용했다. Fig. 10은 종횡비와 원마도 산정에 필요한 요소들의 정의를 도식화한 그림이다. 종횡비(e)는 입자의 장축(Feret(max))과 단축(Feret(min)) 간의 비율을 나타내며, 식 (3)과 같이 산정된다. 원마도(R_w)는 입자 모서리의 둥근 정도를 나타내는 지표로, 입자의 둘레(P)와 입자의 면적(A)을 이용한 식 (4)를 통해 산정된다. 두 지표 모두 1에 가까울수록 입자가 이상적인 원형에 가까움을 의미한다.

Fig. 10

Definition of geometrical parameters for aspect ratio and roundness of soil particles

Fig. 11은 다짐에너지(즉, 다짐횟수)에 따른 흙 입자의 종횡비 및 원마도 평균값과 변동계수를 나타낸다. 여기서, 변동계수는 각 조건에서 산정된 지표의 표준편차를 평균값으로 나눈 후 백분율로 표현한 값으로, 입자 형상의 균질성을 나타낸다. 다짐 전 시료의 종횡비는 평균 약 1.50, 변동계수 약 20%였으며, 원마도는 평균 약 1.25, 변동계수 약 8%로 나타났다. 다짐에너지가 증가함에 따라 두 지표의 평균값과 변동계수는 모두 점진적으로 감소하는 경향을 보였으며, 초기 다짐 단계에서 변화폭이 크고 다짐이 반복될수록 그 폭은 점차 감소했다. 이러한 경향은 앞서 제시한 파쇄지수 및 프랙탈 차원의 변화와 유사하며(Fig. 7 및 Fig. 9 참조), 입자파쇄가 진행됨에 따라 입자의 형상이 부드러운 원형에 가까워지고, 입자 간 형상 차이도 줄어들고 있음을 의미한다.

Fig. 11

Aspect ratio and roundness of soil particles: (a) average values; (b) coefficients of variation

각 다짐에너지 수준에서 측정된 SP와 SW 시료(각각 250개 이상)의 형상 지표에 대해 독립표본 t-검정을 실시한 결과, 종횡비는 모든 에너지 수준에서 p-value가 0.05 이상(0.07~0.58 범위)으로 나타나 통계적으로 유의한 차이가 없었다. 반면, 원마도는 다짐 전(p = 0.08)을 제외한 모든 에너지 수준에서 p-value가 0.05 이하(0.001~0.04 범위)로 나타나 통계적으로 유의한 차이가 관찰되었다. 이는 입자파쇄에 따라 단축과 장축의 비율(종횡비)은 두 시료 간 큰 차이가 없으나, 모서리의 둥근 정도(원마도)는 파쇄가 더 많이 발생한 SP 시료에서 상대적으로 더 작은 값을 보임을 의미한다. 다만, Fig. 11에서 보이듯이 다짐에너지 증가에 따라 원마도의 차이가 점차 감소하므로, 충분한 파쇄가 진행되면 두 시료 간 형상 차이가 줄어들 수 있을 것으로 판단된다.

입자의 종횡비와 원마도가 감소하면 전단 시 입자의 회전(rotation) 및 재배열(rearrangement)에 따른 내부 저항과 표면 거칠기가 감소하여 전단강도 저하로 이어질 수 있다(Wei et al., 2021). 다만, 형상 외에도 입도분포 변화 역시 전단강도에 영향을 미치는 중요한 요소이므로, 향후 다짐 전·후 시료에 대한 전단시험을 통해 형상 변화와 전단강도의 관계를 정량적으로 규명할 필요가 있다.

3.4 다짐 시 입자파쇄 메커니즘

Fig. 12는 본 연구에 사용된 화강풍화토의 다짐에 따른 입자 구조의 변화를 개념적으로 도식화한 것이다. 앞서 분석한 입자파쇄 특성과 입도 변화 경향을 바탕으로, 다짐에 따라 변화하는 입자파쇄 메커니즘은 다음의 세 단계로 구분할 수 있다. 여기서는 입경 4.75 mm(4번체) 이상을 굵은(coarse) 입자, 2.36 mm(8번체)에서 0.25 mm(60번체)를 중간(intermediate) 입자, 0.15 mm(100번체) 이하를 미세(fine) 입자로 분류했다.

Fig. 12

Schematic diagram of the particle breakage mechanism during compaction: (a) initial structure; (b) transitional structure; (c) steady structure

(1) 초기 구조 단계(initial structure)에서는 굵은 입자가 형성하는 간극 내에 중간 입자와 미세입자가 존재하나, 굵은 입자의 비율이 높아 굵은 입자 간 직접적인 접촉이 형성된다. 이로 인해 다짐에너지가 굵은 입자 접촉면에 집중되며 입자파쇄가 발생한다. SP 및 SW 시료의 초기 입도분포는 이 단계에 해당하며, 이 시기에는 굵은 입자가 파쇄되며 일부는 중간 입자로 전환되고, 동시에 중간 입자 자체도 파쇄되어 중간 입자의 잔존량은 증가와 감소가 혼재되며, 미세입자 생성량은 전반적으로 증가하는 경향을 보인다.

(2) 전이 구조 단계(transitional structure)에서는 중간 입자 및 미세입자의 비율이 증가하여 굵은 입자 간 간극 대부분이 충진되고, 외력은 이들 입자를 통해 상대적으로 균일하게 분산된다. 이에 따라 다짐에너지는 주로 중간 입자 및 미세입자에 작용하게 되며, 주요 파쇄 대상이 이들로 전환된다. 중간 입자 및 미세입자는 굵은 입자에 비해 단위 입자당 하중 집중도가 작고 내부에 미세균열이 발생·전파될 가능성도 상대적으로 적기 때문에(Zhou et al., 2017; Zhao et al., 2024), 이 시점부터 전체적인 입자파쇄 경향은 점차 감소한다. 실험 결과, SP 시료는 55회, SW 시료는 10회 다짐 이후 해당 구조로 전환되기 시작한 것으로 판단된다.

(3) 안정 구조 단계(steady structure)에서는 중간 입자가 흙 구조의 주체가 되고 굵은 입자는 중간 입자 및 미세입자 사이에 위치하여 서로 직접 접촉하지 않게 된다. 이 구조에서는 다짐에너지가 중간 입자 및 미세입자를 통해 소산되며, 굵은 입자에 대한 유의미한 파쇄는 더 이상 발생하지 않는다. Fig. 13은 다짐에너지 증가에 따른 굵은 입자, 중간 입자, 미세입자의 구성비율 변화를 보여준다. 두 시료 모두 굵은 입자의 비율이 약 5% 이하로 감소한 이후에는 입자파쇄가 정체되는 경향을 보였으며, 이후에는 중간 입자의 비율이 점차 감소하고 미세입자의 비율이 지속적으로 증가하는 양상이 관찰되었다. 다만, 본 연구에서는 체분석을 기반으로 입도분포를 분석하였기 때문에, 미세입자에 대한 추가적인 파쇄 발생 여부는 직접적으로 확인할 수 없었다.

Fig. 13

Mass fraction of coarse (>4.75 mm), intermediate (2.36 - 0.25 mm), and fine (<0.15 mm) particles: (a) SP specimen; (b) SW specimen

이러한 현상은 작은 입자가 다짐에너지를 분산시켜 파쇄에 취약한 굵은 입자를 보호하는 일종의 ‘쿠션 효과(cushioning effect)’로 해석할 수 있다. 이는 Hu et al.(2024)이 Soil-rock mixture(SRM)에서 토사 함량이 80% 이상일 경우 암석 입자가 토사 내에 부유(suspended) 상태로 존재한다고 보고한 결과와 유사하다. 본 연구에서는 입경 2.36 mm(8번체) 이하의 입자들이 쿠션 효과를 일으켜 굵은 입자의 잔존량을 일정 수준 이상 유지시키는 데 기여하는 것으로 나타났다. 이 메커니즘은 입도분포에 따라 입자파쇄 경향이 달라질 수 있음을 보여주며, 기존 연구들에서 입자파쇄를 단일 파쇄지수로 평가해 온 방식의 한계를 시사한다. 따라서 입자파쇄 평가는 입경 구간별 변화와 각 구간이 구조 내에서 수행하는 역할을 함께 고려하는 다차원적 접근이 필요하다.

한편, 본 연구에서 확인된 입자 파쇄 경향은 현장 다짐 장비의 등가 에너지를 기준으로 현장 조건에 적용할 수 있다. 그러나 실내 다짐시험은 낙하 래머에 의한 순간 충격에 기반하는 반면, 현장 다짐은 롤러의 자중과 진동에 따른 반복 작용으로 에너지가 전달되므로 하중의 시간적 특성이 상이하다. 또한 흙의 종류와 함수비에 따라 에너지 전달 효율이 달라질 수 있으므로, 각 조건 간의 정량적 상관성에 대한 추가 검증이 필요하다. 더불어, 본 연구에서 제시한 메커니즘은 단일 현장에서 채취한 시료를 대상으로 한 다짐시험의 정성적 분석에 기반하므로, 향후에는 시료의 종류, 함수비, 다짐 조건 등을 달리한 추가 실험과 함께 Discrete Element Method(DEM)와 같은 수치해석을 병행하여 보다 명확히 규명할 필요가 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 다짐 시 화강풍화토의 입자파쇄 거동을 평가하기 위해서, 화강풍화토를 인위적으로 빈입도(SP) 및 양입도(SW) 시료로 조성한 후 다양한 다짐에너지를 적용하여 다짐 시험을 수행했다. 다짐 전·후의 입도분포 및 입자 형상 분석을 통해 다음과 같은 주요 결론을 도출했다.

(1) 다짐에 따라 입자파쇄가 발생하여 입도분포곡선은 전반적으로 우상향했다. 다짐 초기에는 입도분포의 변화 폭이 컸으나, 다짐에너지가 증가할수록 변화 폭이 점차 감소하였다. SW 시료는 SP 시료에 비해 변화 폭이 작아, 양입도가 빈입도보다 높은 파쇄 저항성을 가진다는 점이 확인되었다. 입도별 잔존량 분석 결과, 입자파쇄는 전 입경 범위에서 균일하게 발생하지 않고 특정 입경대에서 집중되었으며, 이는 입자파쇄의 정도가 특정 입경의 파쇄 저항성에 의해 좌우될 수 있음을 의미한다.

(2) 파쇄지수는 입도분포 전체 또는 특정 입경의 파쇄 정도를 평가하는 데 유용했으나, 입경별 파쇄 민감도를 설명하기에는 한계가 있었다. 프랙탈 차원은 입경 구간별 파쇄 특성을 세분화하여 평가할 수 있는 대안적인 지표였다. 그러나 프랙탈 거동의 전환점이 잔존량 기준으로 파악한 파쇄 경향과 완전히 일치하지는 않아, 향후 이를 보완할 수 있는 정량적 분석 지표의 개발이 필요한 것으로 나타났다.

(3) 입자파쇄가 진행됨에 따라 입자는 점차 원형에 가까워졌으며, 입자 간 형상 차이는 감소했다. 종횡비의 변화는 SP 및 SW 시료 간 큰 차이가 없으나, 원마도는 파쇄가 더 많이 발생한 SP 시료에서 더 작은 값을 보였다. 다만, 다짐에너지 증가에 따라 두 시료 간 원마도의 차이도 점차 감소하는 것으로 나타났다.

(4) 화강풍화토의 입자파쇄 거동은 ‘초기 구조-전이 구조-안정 구조’의 3단계로 구분될 수 있었다. 초기에는 4.75 mm 이상의 굵은 입자가 주로 파쇄되었으나, 전이 단계 이후에는 2.36 mm 이하의 중간 및 미세입자가 주된 파쇄 대상이 되었다. 굵은 입자의 구성비가 약 5% 이하로 감소한 이후에는 중간 입자 및 미세입자에 의한 ‘쿠션 효과’로 인해 유의미한 추가 파쇄가 더 이상 발생하지 않았다.

이상의 결과는 화강풍화토의 입자파쇄 특성을 규명하고 이를 지반구조물의 설계 및 시공에 반영하기 위한 연구 방향을 제시한다. 화강풍화토는 전 입경 범위에서 균일하게 파쇄되지 않고, 특정 입경대에서 단계적으로 집중되는 독특한 특성을 나타냈으며, 이를 정량적으로 분석하기 위한 새로운 지표의 개발 필요성이 확인되었다. 또한, 입자파쇄로 인해 입도분포가 변화하고 유효입경, 종횡비, 원마도가 감소함에 따라 투수계수와 전단강도가 감소할 가능성이 있으므로, 향후 입자파쇄에 따른 투수계수 및 전단강도 변화를 정량적으로 평가하고, 그 결과를 다짐이 수반되는 지반구조물의 설계에 반영할 필요가 있다. 다만, 본 연구는 하나의 현장에서 채취한 시료를 단일 함수비 조건에서 다짐횟수를 변화시켜 다짐에너지를 조절하는 방식으로 수행된 실험 결과에 기반하고 있다. 향후 시료 종류, 함수비, 다짐 조건 등을 달리한 추가 실험과 더불어 Discrete Element Method(DEM) 등의 수치해석을 통해 보다 다양한 조건에서의 화강풍화토 입자파쇄 특성을 규명할 필요가 있다.