성토 다짐관리

왜 배우는가: 성토 다짐은 도로, 제방, 흙댐 등 토공 구조물의 침하와 안정을 좌우하는 기본 공정이다. 다짐 결과는 시공이 끝난 뒤 눈으로 확인하기 어려워 시험과 기준값으로 관리해야 하므로 시험에서 반복해서 출제되는 주제이다.

출제 이력: 제133회 3교시 2번, 제127회 2교시 3번, 제112회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

성토 다짐관리는 성토재료를 다져 설계 기준의 밀도와 강도를 확보하도록, 다짐 상태를 시험으로 확인하고 제어하는 품질관리이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 본문에서는 정의 속 핵심어를 하나씩 풀어 설명한다. 핵심 키워드는 다음 일곱 가지이다.

• 성토재료: 제방, 도로 흙쌓기, 흙댐, 구조물 뒷채움에 쓰는 흙이다. 입도와 함수 상태가 다짐 결과를 좌우하므로 재료 선정이 다짐관리의 출발점이다.
• 다짐에너지: 롤러나 진동기 같은 다짐장비가 흙에 가하는 기계적 에너지이다. 같은 흙이라도 다짐에너지의 크기에 따라 얻어지는 밀도가 달라진다.
• 함수비: 흙 속 물의 무게를 흙 입자의 무게로 나눈 비율이다. 살수량을 조절하는 것이 현장 다짐관리의 핵심 작업이다.
• 최적함수비: 일정한 다짐에너지에서 건조단위중량이 최대가 되는 함수비이다.
• 최대건조단위중량: 최적함수비에서 얻는 건조단위중량의 최댓값이다. 현장 다짐도의 기준값이 된다.
• 다짐곡선: 함수비 변화에 따른 건조단위중량의 변화를 나타낸 곡선이다.
• 다짐도: 현장 건조단위중량이 최대건조단위중량에 대해 차지하는 백분율이다.

2. 개념 풀이

흙의 다짐은 함수비를 크게 바꾸지 않은 상태에서 흙에 기계적 에너지를 가해 간극 속 공기를 빼내고, 입자를 치밀하게 배열하여 단위체적중량을 높이는 작업이다. 여기서 함수비를 바꾸지 않는다는 조건이 중요하다. 함수비가 달라지면 같은 에너지로도 다짐 결과가 달라지므로, 다짐시험은 함수비를 단계별로 바꾼 시료마다 밀도를 구하여 함수비와 건조밀도의 관계를 찾는다.

다짐의 원리는 물과 공기의 작용으로 설명된다. 함수비가 낮은 건조한 흙은 입자 사이 마찰이 커서 다짐에너지가 입자를 재배열하는 데 충분히 전달되지 않는다. 함수비가 적당히 높아지면 입자 표면의 물막이 마찰을 줄여 입자가 쉽게 맞물리고, 간극의 공기가 빠지면서 밀도가 올라간다. 함수비가 지나치게 높아지면 간극이 물로 채워져 다짐에너지가 물을 밀어내는 데 소모되고, 공기가 빠지지 않아 건조단위중량이 오히려 줄어든다. 이 때문에 건조단위중량은 함수비가 늘수록 증가하다가 최고점에 이른 뒤 감소하는 볼록한 다짐곡선을 그린다.

곡선의 최고점이 최대건조단위중량과 최적함수비를 나타낸다. 최적함수비보다 낮은 쪽을 건조측, 높은 쪽을 습윤측이라 한다. 건조측에서 다진 흙은 같은 건조단위중량에서도 강도가 높고 압축성이 작은 경향이 있으며, 습윤측에서 다진 흙은 시공이 쉬운 대신 강도가 낮아지는 경향이 있다. 현장에서 살수량을 정할 때 이 두 측의 차이를 고려해야 한다.

다짐시험은 다짐에너지에 따라 두 가지 방법으로 나뉜다. 표준 다짐은 낮은 다짐에너지로, 수정 다짐은 높은 다짐에너지로 시료를 다진다. 같은 흙에서 수정 다짐은 최대건조단위중량을 더 크게, 최적함수비를 더 작게 얻는 것이 일반적이다. 시험 방법은 KS F 2312 흙의 다짐 시험 방법에 규정되어 있다. 다짐 효과는 흙의 종류, 다짐에너지의 크기, 흙의 함수량에 따라 달라지므로 세 조건을 함께 기록해야 한다.

현장 다짐의 합격 여부는 다짐도로 판정한다. 다짐도 D_c(%) = γd ÷ γd,max × 100 이며, γd는 현장 건조단위중량(kN/m³), γd,max는 최대건조단위중량(kN/m³)이다. 도로 흙쌓기의 다짐도 기준은 수정 다짐 최대건조단위중량의 95% 이상이다. 다짐이 목표 밀도에 미치지 못하면 장비 조합, 층 두께, 다짐 회수, 함수비를 조정하여 다시 다진다.

다짐으로 단위중량이 증가하면 입자 사이 간극이 줄고 흙이 치밀해져, 전단강도가 커지고 투수계수와 압축성이 작아진다. 입자 사이의 맞물림이 좋아지고 부착력이 증대되는 것도 역학적 안정도를 높이는 원인이다. 즉 다짐의 목적은 밀도를 높이는 것 자체보다 강도, 투수성, 압축성을 설계 목표에 맞추는 데 있다. 다짐의 목적은 흙의 밀도를 높여 전단강도와 역학적 안정성을 확보하는 데 있다.

3. 등장 배경과 필요성

자연지반의 흙이나 느슨하게 쌓은 성토체는 외부 하중에 큰 침하를 보이고 전단강도가 낮다. 도로, 제방, 흙댐, 비행장, 옹벽 뒷채움처럼 흙을 쌓아 만드는 구조물은 다짐으로 흙을 개선하지 않으면 설계 기능을 기대하기 어렵다. 롤러나 진동기 같은 다짐장비를 쓰는 것이 흙을 개선하는 가장 경제적인 수단이므로, 다짐은 토공의 필수 공정으로 자리 잡았다.