흙의 다짐

왜 배우는가: 흙의 다짐은 도로 노상, 성토, 흙댐, 뒤채움 등 거의 모든 토공 구조물의 안정성을 결정하는 기본 작업이다. 다짐 정도가 부족하면 침하와 지지력 부족이 생기므로 현장 품질관리의 출발점이 된다. 시험에서는 다짐원리를 묻는 용어형 문제와 세립토 다짐특성을 묻는 논술형 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제126회 3교시 6번, 제95회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흙의 다짐은 함수비를 크게 바꾸지 않고 간극의 공기를 밀어내 흙입자를 치밀하게 결합시켜 단위중량을 높이는 과정이다.

핵심 키워드

• 다짐곡선
• 최적함수비
• 최대건조밀도
• 영공극선
• 다짐에너지
• 입자 치합
• 세립토 다짐

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 흙 속의 공기 주머니를 몰아내고 흙알갱이끼리 더 가깝게 붙게 만드는 작업이다. 물을 빼는 것이 아니라 함수비는 거의 그대로 두고 공기만 밀어낸다는 점이 핵심이다. 그래서 다짐은 압밀과 구별된다. 압밀은 간극수가 빠져나가며 시간에 따라 천천히 일어나는 현상이고, 다짐은 외부 에너지를 가해 짧은 시간에 일어나는 현상이다.

정식 정의는 다음과 같다. 다짐은 외부 에너지를 가해 흙입자를 물리적으로 더 접근시켜 단위중량을 증가시키는 작업이다. 다짐시험에서는 같은 몰드와 같은 다짐에너지로 함수비를 바꿔 가며 시료를 다지고, 각 함수비에서 건조밀도를 구한다. 이 자료를 함수비 축과 건조밀도 축에 이어 그리면 다짐곡선이 된다.

다짐곡선은 대체로 위로 볼록한 모양이다. 함수비가 낮으면 흙이 단단해서 잘 다져지지 않아 건조밀도가 작다. 함수비가 적당히 올라가면 물이 입자 표면을 얇게 적셔 입자가 미끄러지며 재배열되고, 건조밀도가 커진다. 함수비가 더 많아지면 물이 공극을 차지해 공기가 빠져나갈 자리가 줄어들고, 건조밀도는 다시 감소한다. 곡선의 꼭짓점 값이 최대건조밀도이고, 그때의 함수비가 최적함수비다. 두 값은 현장 다짐관리의 기준점이 된다.

건조밀도는 다음 식으로 구한다. 습윤밀도와 함수비를 알면 건조밀도를 계산할 수 있다.

$\rho_d = \dfrac{\rho_t}{1+w}$

여기서 \rho_d 는 건조밀도(g/㎤), \rho_t 는 습윤밀도(g/㎤), w 는 함수비(소수)다. 함수비가 같으면 습윤밀도가 클수록 건조밀도도 크다. 현장에서는 이 식으로 채취 시료의 습윤밀도를 건조밀도로 바꾸어 다짐도를 판정한다.

영공극선은 흙 속 공기가 완전히 빠져나간다고 가정했을 때의 이론적 건조밀도 상한선이다. 실제 다짐곡선은 이 선보다 항상 아래에 놓인다. 공기를 완전히 없앨 수 없기 때문이다. 이 선은 흙알갱이의 비중 G_s 와 물의 밀도 \rho_w 로 계산한다.

$\rho_{d,zav} = \dfrac{G_s \rho_w}{1 + w\,G_s}$

여기서 \rho_{d,zav} 는 영공극 건조밀도, G_s 는 흙입자의 비중, w 는 함수비다. 영공극선과 다짐곡선 사이의 간격은 아직 남아 있는 공기의 양을 보여 준다. 다짐이 잘 된 흙일수록 두 곡선이 가깝다.

다짐에너지는 다짐 횟수, 다짐 장비의 중량과 낙하고, 층 두께 등으로 결정된다. 같은 흙이라도 에너지가 커지면 다짐곡선은 위와 왼쪽으로 이동한다. 즉 최대건조밀도는 커지고 최적함수비는 작아진다. 이 관계는 장비 선정과 다짐 층 두께 결정의 근거가 된다.

흙의 종류도 다짐곡선을 바꾼다. 입도가 넓게 분포한 흙은 작은 입자가 큰 입자 사이 빈틈을 채워 최대건조밀도가 크게 나온다. 반대로 입도가 고른 흙은 빈틈이 많아 최대건조밀도가 낮다. 점토광물의 종류와 양도 영향이 크다. 점토는 흡착수를 많이 가져서 최적함수비가 높고 다짐곡선이 완만하다.

다짐 방법도 흙의 종류에 맞아야 한다. 사질토와 자갈은 진동으로 입자를 재배열시키는 방식이 효과적이다. 세립토와 점성토는 얇은 층에 강한 전단을 주어 공기를 밀어내는 방식, 예를 들어 양 발 롤러나 탬핑 롤러가 효과적이다. 이 차이는 뒤의 세립토 다짐특성 절에서 다시 다룬다.

3. 등장 배경과 필요성

자연 상태의 느슨한 지반은 흙입자 사이 공극이 커서 그 위에 구조물을 세우면 불안정하다. 지지력이 부족하고 하중이 가해지면 큰 침하가 생기며, 물이 쉽게 스며들어 투수성도 높다. 인위적으로 지반을 다지는 이유는 이 세 가지 공학적 불안정을 줄이기 위해서다.

느슨한 흙에 적당한 물을 뿌려 다지면 입자끼리 맞물리는 치합 작용이 활발해진다. 입자 간 간극이 줄고 밀도가 커지며, 그 결과 입자 사이 마찰과 부착이 커진다. 이 효과가 지지력 증대, 압축성 감소, 투수성 감소로 나타난다. 다짐은 단순히 흙을 단단하게 만드는 작업이 아니라 흙의 역학적 거동을 바꾸는 작업이다.

다짐 기술이 체계화된 계기는 흙댐 공사였다. 1933년 미국의 Proctor는 흙댐 공사에서 함수비에 따른 건조밀도 변화를 체계적으로 구하는 실내시험법을 제안했다. 이 방법이 오늘날 다짐시험의 표준이 되었다. 이후 현장 다짐 에너지가 커지면서 실내시험과 현장 다짐 사이의 관계를 확인하는 연구가 이어졌다.

다짐이 필요한 대표 현장은 도로와 철도의 노상·노반, 제방과 흙댐의 성토, 옹벽 뒤채움, 매립지, 건축물의 기초 지반이다. 각 현장은 요구하는 밀도와 함수비 범위가 다르다. 그래서 설계단계에서 재료별 최적함수비와 최대건조밀도를 정하고, 시공단계에서 그 기준에 맞추는 관리가 필요하다.

다짐의 필요성은 시공 후 침하 문제를 줄이는 데 있다. 다짐이 부족한 성토는 시간이 지나며 침하하고, 구조물과 지반 사이 단차를 만든다. 반대로 함수비를 무시하고 과도하게 다지면 흙이 파쇄되거나 다짐 후 팽창성이 커질 수 있다. 따라서 다짐은 밀도와 함수비를 함께 관리해야 한다.

다짐은 압밀이나 말뚝 설치로 생기는 밀도 증가와 구분한다. 다짐은 외부 기계 에너지로 짧은 시간에 밀도를 높이는 작업이다. 이 정의 덕분에 현장 다짐관리와 실내 다짐시험이 같은 기준으로 연결된다.

4. 구성요소·원리·절차

흙의 다짐은 토립자, 물, 공기의 세 구성요소가 이루는 간극을 줄이는 과정이다. 다짐 중에는 물이 거의 빠져나가지 않고 간극 공기가 배출되면서 입자가 재배열되고 치밀해진다. 함수비를 크게 바꾸지 않고 단위중량을 높이는 것이 핵심이다.

표의 세 요소는 함수비에 따라 역할이 달라진다. 함수비가 낮으면 입자 간 마찰이 커서 재배열이 어렵다. 함수비가 높으면 물이 다짐 에너지를 흡수해 공기 배출을 막는다. 그래서 두 극단 사이에 건조밀도가 최대가 되는 최적함수비(optimum moisture content, OMC) 가 존재한다.

다짐곡선은 함수비를 가로축, 건조밀도를 세로축으로 한 볼록한 곡선이다. 곡선의 극대점이 최대건조밀도(maximum dry density) 이고 그 점의 함수비가 최적함수비다. 최적함수비보다 건조한 쪽을 건조측, 습윤한 쪽을 습윤측이라 한다. 같은 밀도라도 건조측 다짐은 투수성이 크고 강도 변화 특성이 다르므로 설계 목적에 맞춰 측을 선택한다.

다짐곡선 위쪽에는 영공극곡선(zero air void line) 이 그려진다. 간극 공기가 완전히 빠졌다고 가정한 이론상 한계이며, 실제 다짐곡선은 이 선 아래에 놓인다. 공기를 완전히 배출하는 것은 현실적으로 불가능하다.

다짐 에너지는 다음 식으로 정리한다.

$E=\frac{N_b\,n\,W\,h}{V}$

여기서 E는 단위 체적당 다짐 에너지(J/m³), N_b는 층당 타격 횟수, n은 층수, W는 래머 질량에 중력가속도를 곱한 무게(N), h는 낙하고(m), V는 몰드 체적(m³)이다.

표준다짐 조건(래머 2.5kgf, 낙하고 0.3m, 3층, 층당 25회, 몰드 0.001m³)을 대입하면 다음과 같다. 주어진 값은 N_b=25, n=3, 래머 무게 2.5kgf, h=0.3m, V=0.001m³이다. 1회 타격 에너지는 2.5\times0.3=0.75kgf·m이고, 총 타격 75회이므로 E=\frac{75\times0.75}{0.001}=56{,}250kgf·m/m³이다. 1kgf·m=9.81J을 곱하면 약 5.5\times10^{5}J/m³, 즉 약 0.55MJ/m³ 이다. 흙 다짐 에너지가 수백 킬로줄 매立방미터 수준이라는 상식 범위와 맞다.

다짐 절차는 다음과 같다.

• 흙 시료를 자연건조 또는 함수비 조정 후 19mm 체 통과분을 준비한다.
• 함수비를 달리한 시료 4~5개를 만든다.
• 각 시료를 몰드에 3층으로 나눠 층당 일정 횟수로 다진다.
• 몰드의 질량과 체적으로 습윤밀도를 구하고, 함수비 시험으로 건조밀도를 구한다.
• 함수비-건조밀도 곡선을 그려 최적함수비와 최대건조밀도를 구한다.

흙 입도도 다짐에 영향을 준다. 입도 분포가 넓은 흙은 작은 입자가 큰 간극을 채워 밀도가 높아진다. 세립토는 점성 때문에 함수비 변화에 민감하게 반응한다.

5. 관련 법령·기준·표준

흙의 다짐 실내시험은 KS 규격으로 정해져 있고, 현장 다짐 관리는 설계도서와 토공 표준시방서를 따른다. 실내시험 조건은 다짐 에너지의 크기로 구분된다. 표준다짐은 다짐 에너지가 낮고, 수정다짐은 에너지가 높다.