동다짐·동치환공법

왜 배우는가: 동다짐과 동치환공법은 매립지·폐기물 지반, 모래질 지반 등 연약하거나 이질적인 지반을 빠르고 경제적으로 개량하는 대표 공법이라 실무에서 자주 검토된다. 시험에서는 적용 지반의 구분, 설계 절차, 확인시험과 시공관리를 묶어 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제130회 4교시 3번, 제125회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

동다짐(Dynamic Compaction)은 중량 추를 일정 높이에서 반복 낙하시켜 지반을 다지는 공법이고, 동치환(Dynamic Replacement)은 같은 방식으로 추를 낙하시켜 지반 내부에 쇄석 등 채움재로 치환 말뚝을 형성하는 공법이다. 동다짐은 모래질 지반의 밀도 증가, 동치환은 점성토 등 연약 지반의 치환·배수 효과를 얻는 공법이다.

• 동다짐(Dynamic Compaction)
• 동치환(Dynamic Replacement)
• 낙하 에너지(Energy per Drop)
• 타격 간격(Grid Spacing)
• 개량 심도(Depth of Improvement)
• 크레이터(Crater)
• 충격 응력(Impact Stress)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 무거운 추를 땅 위에 떨어뜨려 땅을 두드려 단단하게 만드는 방법이다. 정식으로는 중량 추(통상 10~40톤 범위의 추)를 10~30m 높이에서 격자형 타격점에 반복 낙하시켜 지반에 충격 에너지를 주고, 그 결과 간극이 줄어 밀도가 증가하는 지반개량공법이다. 추 중량과 낙하 높이에 따라 전달되는 에너지가 결정되므로 개량 효과도 이 두 값으로 조절된다.

동다짐은 충격 에너지를 주로 사질토의 간극 재배열과 밀도 증가에 이용한다. 동치환은 연약 점성토에 낙하 에너지로 구멍을 만들고 그 안을 쇄석 등으로 채워 치환 말뚝을 만드는 방식이다. 치환된 쇄석 기둥은 배수로 역할도 하여 점성토의 압밀을 촉진한다. 두 공법은 같은 장비를 쓰지만 목적 지반과 채움재 사용 여부가 다르다.

크레이터(Crater)는 추가 떨어진 자리에 생기는 움푹 파인 부분이다. 시공 중 크레이터 깊이와 체적을 측정해 에너지가 지반에 제대로 전달되는지 판단한다. 충격 응력(Impact Stress)은 낙하 순간 지반 표면에 걸리는 응력으로 개량 심도 추정의 기초가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

매립지나 폐기물 지반, 해안 매립지처럼 다짐 장비가 접근하기 어려운 곳에서는 얕은 다짐이나 기계식 다짐으로 목표 밀도를 얻기 어렵다. 동다짐은 중량 추의 낙하만으로 깊은 곳까지 에너지를 전달할 수 있어 이런 제약을 해결하기 위해 도입되었다.

국내외 연구 경과를 보면 Gambin(1979)이 연약한 해안지역에서 동다짐을 실시한 뒤 실효성이 인정되기 시작하였다. 이후 충격 응력 산정, 낙하 추의 근입 깊이 예측, 파동방정식 기반 해석 등이 연구되었다. 그러나 동다짐은 점성토층에서 효과가 낮아, 이를 보완하기 위해 동치환공법이 개발되었다.

동치환공법은 개량 후 거동에 대한 체계적 이론과 기초자료가 다른 연약지반 개량공법보다 부족하다. 개량효과 측정값도 지반에 따라 분산이 커서 시험시공을 통한 경험적 시공관리가 일반적이다. 따라서 설계 단계에서 확인시험과 시공관리를 함께 계획하는 것이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

동다짐공법은 중량추를 일정 간격으로 반복 낙하시켜 지반에 충격 에너지를 전달하고, 그 에너지로 흙 입자를 재배열해 밀도를 높이는 공법이다. 동치환공법은 같은 장비로 낙하 지점에 쇄석 등 치환재를 채운 자리를 만들어 연약토를 밀어내고 치환하는 공법이다. 두 공법은 장비와 낙하 방식은 같고, 치환재 투입 여부로 구분된다.

충격 에너지는 추의 중량과 낙하고의 곱으로 정해진다. 이 값이 지반 깊이까지 얼마나 전달되는지가 개량 심도를 결정한다.

원리는 다음과 같다. 낙하 충격으로 지반에 전단파와 압축파가 발생하고, 흙 입자가 재배열되면서 공극이 줄어든다. 포화된 세립토에서는 충격으로 과잉간극수압이 생기므로 배수가 함께 일어나야 효과가 있다. 그래서 점성토에서는 효과가 낮아 동치환이 도입되었다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 시험 시공으로 낙하 에너지와 낙하 횟수를 정한다.
• 낙하점을 격자로 배치하고 1차 타격을 한다.
• 타격 후 지표 침하량과 깊이별 밀도를 측정한다.
• 목표 밀도에 미달하면 2차 타격을 반복한다.
• 동치환의 경우 낙하공에 쇄석을 충전하며 다져 치환체를 만든다.
• 최종 확인시험으로 개량 효과를 검증한다.

공식으로 낙하 에너지는 다음과 같이 쓴다.

$E = W \times H$

여기서 E는 낙하 에너지(kN·m), W는 추의 중량(kN), H는 낙하고(m)이다. 에너지가 커질수록 개량 심도가 깊어지지만, 과도한 에너지는 주변 구조물에 진동 피해를 준다.

5. 관련 법령·기준·표준

동다짐·동치환은 국내 법령에 개별 조문으로 정해진 공법은 아니다. 설계와 시공은 지반조사 결과, 시험 시공, 그리고 「건설기술 진흥법」에 따른 설계·시공 기준을 따른다. 아래 표는 공법 설계에 쓰는 대표 기준값이다.

그래서 본 절에서는 법령 개정 내용을 단정하지 않고, 시험 시공과 계측 관리를 중심으로 쓴다.

6. 유형과 비교

동다짐공법은 낙하 방식과 적용 지반에 따라 여러 형태로 나뉜다. 기본형은 중량 추를 지표면에 반복 낙하시켜 지반을 다지는 동다짐(Dynamic Compaction) 이고, 이를 점성토에 보완한 형태가 동치환(Dynamic Replacement) 이다. 두 공법의 차이는 아래 표로 정리한다.