흙 다짐

왜 배우는가: 흙 다짐은 도로 노반, 성토, 흙댐 같은 토구조물의 안정성과 품질을 좌우하는 기본 작업이다. 다짐곡선, 최적함수비, 최대건조밀도는 현장 품질관리의 기준 개념이므로 정확한 정의와 의미를 알아야 답안을 쓸 수 있다.

출제 이력: 제137회 3교시 1번, 제104회 2교시 4번, 제98회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흙의 다짐은 흙에 기계적 에너지를 가해 간극 속 공기를 배출하고 단위중량을 높이는 과정이다. 다짐의 결과는 함수비와 다짐 에너지에 따라 달라지므로 두 변수를 함께 이해해야 답안 첫 줄을 정확히 쓸 수 있다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 다짐: 함수비를 크게 바꾸지 않고 간극의 공기를 배출하여 입자 사이를 치밀하게 만드는 작업이다.
• 간극: 흙 입자 사이의 빈 공간이며, 다짐으로 줄어드는 대상이다.
• 단위중량: 흙의 단위 체적당 중량이며, 다짐으로 증가한다.
• 함수비: 흙 속 물의 무게를 흙 입자의 무게로 나눈 비율이다.
• 다짐에너지: 다짐 작업에 투입되는 기계적 에너지이며, 다짐 효과를 좌우하는 변수이다.
• 최적함수비: 같은 다짐 에너지에서 건조밀도가 최대가 되는 함수비이다.
• 최대건조밀도: 최적함수비에서 얻는 건조밀도의 최대값이다.
• 다짐곡선: 함수비와 건조밀도의 관계를 나타낸 곡선이다.

이 여덟 용어는 이후 설명에서 같은 뜻으로 반복되므로 정의를 먼저 고정해 두어야 한다.

2. 개념 풀이

다짐은 함수비를 크게 변화시키지 않은 상태에서 외부 에너지로 흙 입자를 물리적으로 더 가까이 접근시키고, 간극의 공기를 배출하여 단위중량을 증가시키는 작업이다. 정식 정의는 함수비가 크게 변하지 않는다는 조건과 공기가 배출된다는 결과를 함께 담아야 한다. 다짐은 외부 에너지로 입자가 재배열되는 현상이므로, 간극수가 빠져나가 생기는 체적 감소인 압밀과 구분해야 한다.

원리는 다음과 같다. 흙은 입자, 물, 공기가 섞인 구조이며, 다짐 에너지가 가해지면 입자가 서로 미끄러지며 조밀한 배열로 바뀌고 간극의 공기가 빠져나간다. 물은 쉽게 빠져나가지 않으므로 함수비는 거의 일정하게 유지된다. 함수비가 지나치게 낮으면 입자 사이 마찰이 커서 재배열이 잘 되지 않고, 지나치게 높으면 물이 간극을 차지하여 입자가 밀착되지 못한다. 이 두 한계 사이에 밀도가 가장 높아지는 함수비가 존재하며, 이것이 최적함수비이다.

다짐 효과는 밀도 증가에 그치지 않는다. 입자 사이 간극이 좁아지면 투수성이 줄고, 입자의 맞물림이 좋아지며 부착력이 커져 역학적 안정도가 높아진다. 따라서 다짐은 단순히 흙을 무겁게 만드는 작업이 아니라 흙의 역학적 성질 전반을 바꾸는 작업이다.

다짐곡선은 함수비를 가로축, 건조밀도를 세로축으로 한 곡선이며 대체로 위로 볼록한 형태를 보인다. 그 정점의 건조밀도가 최대건조밀도이고, 정점에 대응하는 함수비가 최적함수비이다. 이론적으로 공기가 완전히 빠져나간 상태를 나타내는 영공기공극선은 다짐곡선 위에 놓이지 않으며, 다짐으로 간극의 공기를 완전히 제거할 수 없다. 따라서 다짐곡선은 항상 영공기공극선 아래에 놓인다.

최적함수비는 다짐 효과가 가장 큰 함수비이고, 최대건조밀도는 그때 얻어지는 건조밀도이다. 두 값은 한 쌍으로 다짐 시공의 기준이 된다.

건조 측은 최적함수비보다 함수비가 낮은 쪽이고, 습윤 측은 높은 쪽이다. 같은 건조밀도를 얻더라도 두 측에서 흙의 구조와 투수성이 다르게 나타나므로, 현장에서는 다짐 시방으로 건조 측과 습윤 측의 함수비 범위를 함께 지정한다.

흙의 종류도 다짐 결과를 바꾼다. 입도가 양호한 조립토는 비교적 높은 건조밀도를 낮은 최적함수비에서 얻고, 세립토는 비표면적이 커서 더 많은 물이 필요하므로 최적함수비가 높고 최대건조밀도는 낮게 나타난다.

3. 등장 배경과 필요성

느슨한 흙은 외부 하중에 의한 파괴와 침하에 취약하다. 노상, 노반, 성토 등에 쓰이는 흙은 단위중량을 높이고 전단강도를 키워야 하며, 이를 위해 로울러나 진동기 같은 다짐기계를 사용하는 것이 가장 경제적인 방법이다. 다짐의 목적은 흙의 전단강도를 증가시키고 공극비를 감소시켜 압축성을 낮추고 투수계수를 줄이는 데 있다.

다짐의 목적은 다음과 같이 정리된다.

• 흙의 단위중량을 증가시킨다. 단위중량이 커지면 같은 체적의 흙이 더 큰 하중을 지지할 수 있다.
• 전단강도와 부착력을 증가시켜 지지력과 안정성을 높인다. 입자 사이의 맞물림이 좋아지기 때문이다.
• 공극비와 투수계수를 줄여 압축성과 투수성을 낮춘다. 간극이 줄어드는 만큼 물과 하중에 대한 변형이 작아진다.
• 동상, 팽창, 건조, 수축을 줄여 침하와 파괴를 막는다.

다짐시험이 체계화된 계기는 1933년 미국의 Proctor가 흙댐 시공과 관련하여 다짐시험의 의의와 적용 방법을 제안한 것이다. 이후 다짐 에너지를 달리하는 표준 다짐시험과 수정 다짐시험이 정립되었다. 표준 다짐시험은 ASTM D698과 AASHTO T99로, 수정 다짐시험은 ASTM D1557과 AASHTO T180-D로 규정된다.