흙 다짐특성

왜 배우는가: 흙 구조물의 안정은 재료인 흙을 얼마나 치밀하게 다졌는지에 크게 좌우된다. 최적함수비와 최대건조밀도는 현장 다짐 관리의 기준이 되므로, 다짐 시험의 원리를 정확히 알아야 답안의 근거를 세울 수 있다.

출제 이력: 제129회 3교시 6번, 제120회 1교시 10번, 제112회 2교시 3번, 제109회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흙의 다짐은 함수비를 크게 변화시키지 않고 간극 속 공기를 배출시켜 입자 간 결합을 치밀하게 함으로써 단위중량을 증가시키는 과정이다.

다짐은 흙에 외부 에너지를 가하여 흙 입자를 물리적으로 더 가깝게 접근시키는 작업이다. 다짐 효과는 흙의 종류, 다짐 에너지의 크기, 흙의 함수비에 따라 달라지므로 이 세 요인을 함께 보아야 한다. 흙의 다짐 특성은 함수비와 건조밀도의 관계로 나타내며, 이 관계를 그린 곡선이 다짐곡선이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 다짐: 외부 에너지로 흙 입자를 치밀하게 배열하여 단위중량을 높이는 작업이다.
• 함수비(w): 흙 속 물의 무게를 흙 입자의 무게로 나눈 백분율이다.
• 건조밀도(ρd): 흙 속 물을 제외한 흙 입자만의 질량을 전체 체적으로 나눈 값이다.
• 최적함수비(OMC): 일정한 다짐 에너지에서 건조밀도가 최대가 되는 함수비이다.
• 최대건조밀도: 다짐곡선의 극대값으로, 같은 조건에서 얻을 수 있는 가장 큰 건조밀도이다.
• 다짐곡선: 함수비를 가로축, 건조밀도를 세로축으로 하여 그린 위로 볼록한 종 모양의 곡선이다.
• 영공기간극선: 간극의 공기가 모두 빠져 포화도가 100%가 되는 이론적 한계선이다.

건조밀도는 습윤밀도와 함수비로 다음과 같이 구한다.

$ρ_d = ρ_t ÷ (1 + w/100)$

여기서 ρt는 흙의 습윤밀도(전체 질량을 전체 체적으로 나눈 값)이고, w는 함수비(%)이다.

2. 개념 풀이

흙의 다짐은 함수비를 크게 바꾸지 않은 상태에서 일정한 방법과 에너지로 흙을 다져 간극의 공기를 줄이는 작업이다. 다짐시험은 함수비를 달리한 시료를 같은 부피와 같은 에너지로 다진 뒤 건조밀도를 구하고, 그 결과로 다짐곡선, 최적함수비, 최대건조밀도를 결정하는 시험이다. 다짐시험 방법은 한국산업표준 KS F 2312에 규정되어 있으며, 시험 결과는 현장 다짐시공에서 함수비 범위를 정하는 근거가 된다.

다짐이 일어나는 원리는 흙 입자 사이 물의 윤활 작용에 있다. 적당한 물이 있으면 입자가 미끄러져 서로 맞물리므로 같은 에너지를 가해도 입자가 더 치밀하게 재배열된다. 함수비가 지나치게 낮으면 윤활 작용이 부족하여 입자가 잘 움직이지 않고 간극에 공기가 많이 남는다. 반대로 함수비가 지나치게 높으면 간극을 채운 물이 입자의 접근을 막아 건조밀도가 떨어진다. 이 두 한계 사이에 건조밀도가 최대가 되는 함수비가 존재하며, 이 함수비가 최적함수비이다.

다짐곡선은 위로 볼록한 종 모양이다. 극대점보다 함수비가 작은 쪽을 건조측, 함수비가 큰 쪽을 습윤측이라 한다. 다짐곡선의 극대값이 최대건조밀도이고, 그때의 함수비가 최적함수비이다. 같은 흙이라도 다짐 에너지가 커지면 곡선 전체가 위쪽과 왼쪽으로 이동하고, 각 에너지에서의 극대점을 이으면 최적함수비선이 된다.

흙의 종류에 따라 곡선의 모양도 달라진다. 조립토인 사질토는 다짐곡선이 급하며 최대건조밀도가 크고 최적함수비가 작다. 점토분이 많은 세립토는 곡선이 완만하며 최대건조밀도가 작고 최적함수비가 크다. 이 차이는 입자의 크기와 입도 분포가 간극 구조를 어떻게 바꾸는지에서 비롯된다.

다짐의 효과는 간극을 좁혀 밀도를 높이는 데 그치지 않는다. 간극이 줄면 투수성이 감소하고, 입자 사이의 맞물림과 부착력이 좋아져 역학적 안정도가 높아진다. 다짐 후의 성질은 건조측과 습윤측에서 서로 다르게 나타나므로 함수비 조건을 함께 기록해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

노상, 노반, 축제 등 토구조물의 안정을 유지하려면 그 재료인 흙을 잘 다져야 한다. 자연 상태의 흙은 강도, 압축성, 투수성이 공학적으로 불안정하여 그 위에 구조물을 세우기에 적합하지 않은 경우가 많다. 그래서 절취한 자연지반에 도로포장 같은 구조물을 축조하거나, 축제나 흙댐처럼 흙을 성토할 때 인위적인 다짐이 필요하다.

다짐은 흙에 압력만 가하는 것이 아니라 충격과 진동을 포함하는 작업이다. 다만 압밀이나 흙 속에 말뚝을 박아 지반 밀도를 높이는 것은 다짐의 범위에 포함하지 않는다. 이 구분을 알아야 압밀과 다짐의 효과를 답안에서 혼동하지 않는다.

느슨한 지반에 적당량의 물을 뿌리면 입자끼리 치합이 잘 이루어져 건조밀도가 증가한다. 건조밀도가 커지면 지지력이 증대되고, 압축성과 침하량이 줄며, 투수성이 감소한다. 이 효과가 흙을 다지는 공학적 목적이다.