다짐곡선·다짐특성

왜 배우는가: 다짐은 성토와 노상·노반 시공에서 지지력, 침하, 투수성을 좌우하는 기본 공정이다. 실내다짐시험의 다짐곡선과 최적함수비를 이해해야 현장 다짐관리 기준을 세울 수 있고, 이 내용은 토질역학 기출에서 2교시와 3교시 논술형으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 3교시 2번, 제94회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 다짐은 흙에 외부 에너지를 가해 입자를 밀착시켜 단위중량을 높이는 작업이며, 실내다짐시험은 함수비를 달리해 다짐곡선을 구하는 시험이다.

핵심 키워드

• 다짐(Compaction)
• 다짐곡선
• 최적함수비(OMC)
• 최대건조밀도
• 영공기간극곡선(Zero Air Void Line)
• 상대다짐도
• 다짐에너지
• 다짐 영향요인

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흙을 다질 때 물이 너무 적으면 입자가 서로 잘 미끄러져 잘 다져지지 않고, 물이 너무 많으면 물이 공기를 대신 차지해 입자가 밀착되지 못한다. 그래서 물의 양에 따라 다져진 밀도가 가장 높아지는 지점이 하나 생긴다. 이 지점을 찾는 것이 다짐시험의 목적이다.

정식 정의로는, 다짐은 흙의 함수비를 크게 바꾸지 않고 간극 속 공기를 배출시켜 입자 간 결합을 치밀하게 함으로써 단위중량을 증가시키는 과정이다. 실내다짐시험은 같은 체적과 같은 다짐에너지로 함수비를 바꿔 가며 다져서 함수비와 건조밀도의 관계를 구하는 시험이다.

다짐곡선은 가로축을 함수비, 세로축을 건조밀도로 하여 그린 곡선으로, 대개 종 모양(위로 볼록한 봉우리 형태)이다. 곡선의 최고점에 해당하는 건조밀도를 최대건조밀도, 그때의 함수비를 최적함수비라고 한다. 최적함수비 쪽 가지는 건조 측, 그보다 물이 많은 쪽은 습윤 측으로 부른다.

영공기간극곡선(Zero Air Void Line)은 흙 속 공기가 모두 빠져 완전히 포화됐다고 가정할 때 함수비와 건조밀도의 관계를 나타내는 이론선이다. 실제 다짐으로는 공기를 완전히 없애기 어려우므로 다짐곡선은 항상 이 선의 아래쪽에 놓인다. 다짐곡선이 이 선에 가까워질수록 공기함유율이 작아진다.

다짐의 효과는 다짐 목적에서 나온다. 다짐을 하면 흙의 단위중량이 증가하고, 공극비가 줄어 압축성과 투수성이 낮아지며, 전단강도와 지지력이 커진다. 또 동상, 팽창, 건조 수축이 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

느슨한 흙 위에 구조물을 만들면 강도가 부족하고 침하가 크며 물이 쉽게 스며든다. 이런 문제를 막으려고 인위적으로 흙을 다지는 방법이 발달했다. 흙에 적당한 물을 주고 다지면 입자들이 서로 맞물려 건조밀도가 커지고, 그 결과 지지력은 늘고 압축성과 투수성은 줄어든다.

다짐의 체계화는 1933년 미국의 Proctor가 흙 댐 공사에서 함수비에 따른 건조밀도 변화를 정리하면서 시작되었다. 이때 만든 시험이 실내다짐시험의 표준이 되었다. 이후 다짐에너지를 높인 수정다짐시험이 나왔다. 현장은 시험 결과를 기준으로 최적함수비 주변의 허용 함수비 범위와 목표 상대다짐도를 정한다.

실내다짐시험이 필요한 이유는 현장 흙의 다짐 특성을 미리 알아야 하기 때문이다. 같은 흙이라도 함수비와 다짐에너지에 따라 얻는 밀도가 달라지므로, 시험으로 최적 조건을 찾아 현장 시공관리 기준으로 삼는다. 결과는 현장 다짐도 판정과 사질토의 상대밀도 산정에도 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

다짐 현상은 흙 입자 사이의 공기를 밀어내고 입자가 재배열되어 간극이 줄어드는 과정이다. 함수비가 낮으면 입자 사이 마찰이 커서 잘 다져지지 않고, 함수비가 높으면 물이 간극을 차지해 건조밀도가 떨어진다. 그래서 최적함수비(Optimum Moisture Content, OMC)에서 최대건조밀도(Maximum Dry Density)가 나타난다.

다짐곡선의 구성요소는 다음과 같다.

각 구성요소는 같은 시료에서 함께 그려진다. 영공기간극곡선은 실제 다짐으로 도달할 수 없는 이론적 한계선이므로 다짐곡선은 항상 이 선의 아래쪽에 있다. 공기함유율곡선은 다짐 후 남은 공기의 양을 보여 주며, 최적함수비 부근에서 공기 비율이 상대적으로 작아진다.

다짐의 원리는 다음 세 가지다.

• 입자 재배열: 물이 윤활제 역할을 하여 입자가 치밀하게 배열된다.
• 공기 배출: 외부 에너지로 간극의 공기를 밀어낸다.
• 흡착수 작용: 점성토에서는 흡착수막이 입자 사이를 이동하며 재배열을 돕는다.

다짐 절차는 다음과 같다.

• 시료를 건조시키고 19mm 체로 입도를 조정한다.
• 함수비를 몇 단계로 다르게 조정한 시료를 준비한다.
• 각 시료를 같은 몰드와 같은 다짐 에너지로 다진다.
• 다진 시료의 습윤밀도와 함수비를 측정해 건조밀도를 계산한다.
• 함수비-건조밀도 점을 이어 다짐곡선을 작도하고 정점을 찾는다.

건조밀도는 다음 식으로 구한다.

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

여기서 \rho_d는 건조밀도(g/cm³), \rho_t는 습윤밀도(g/cm³), w는 함수비(소수)이다. 예를 들어 \rho_t = 2.10g/cm³, w = 0.10이면 \rho_d = 2.10/1.10 \approx 1.91g/cm³이며, 일반 흙의 건조밀도 범위인 1.5~2.2g/cm³ 안에 있으므로 상식 범위이다.

영공기간극곡선의 식은 다음과 같다.

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

여기서 G_s는 흙입자의 비중, \rho_w는 물의 밀도(1.0g/cm³), w는 함수비이다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 실내다짐시험의 기준은 한국산업표준 KS F 2312(흙의 다짐시험방법)이다. 다짐 방법은 다짐 에너지와 몰드 크기에 따라 A·B·C·D·E 등으로 구분된다. 현장 시공 기준은 시방서가 정하며, 실내시험 결과의 최대건조밀도 대비 다짐도로 관리한다.

다짐도 관리 기준은 공사의 종류와 구조물 중요도에 따라 시방서가 다르게 정한다. 한국 건설기준(KDS·KCS)에서도 성토는 최대건조밀도 대비 상대다짐도로 관리하는 원칙을 따른다. 개정 연혁은 시험법 명칭과 에너지 구분이 바뀌어 왔으므로 현행 시험법 명칭을 기준으로 쓴다.

다짐 기준은 지반 조건과 함께 적용한다. 예를 들어 점성토와 사질토는 최적함수비와 최대건조밀도 값이 다르므로 흙의 종류별로 다짐 기준을 따로 정한다.

6. 유형과 비교

다짐시험은 다짐에너지의 크기에 따라 표준 다짐과 수정 다짐으로 나뉜다. 두 시험은 몰드 크기와 함수비 측정 방법이 같고, 래머의 무게와 낙하고, 다짐 층수가 달라 다짐에너지만 차이가 난다.