다짐함수비와 점토 특성

왜 배우는가: 다짐함수비는 같은 다짐에너지에서도 점토의 구조(분산·이산, 면모 구조)를 바꾸고, 이는 투수성·압축성·전단강도를 동시에 좌우한다. 제방·성토·차수재 시공에서 함수비 관리가 품질을 결정하므로 시험에서 반복해 묻는다.

출제 이력: 제126회 4교시 1번, 제89회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

다짐함수비는 점토에 같은 다짐에너지를 가할 때 최대건조단위중량과 최적함수비를 결정하는 함수비로, 점토의 구조와 투수·압축·강도 특성을 바꾸는 기준이다.

• 다짐함수비
• 최적함수비(OMC)
• 건조측·습윤측
• 점토 구조(면모·분산 구조)
• 다짐에너지
• 최대건조단위중량

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 흙에 물을 얼마나 넣고 다지느냐에 따라 흙 입자의 배열이 달라지고, 그 배열이 흙의 성질을 정한다. 다짐은 흙 속의 공기를 밀어내고 입자 사이 간격을 줄여 단위중량을 높이는 작업이다.

다짐시험은 함수비를 바꿔 가며 같은 방법으로 다진 뒤 함수비와 건조단위중량의 관계를 그려 얻는다. 곡선의 극대점에서 건조단위중량이 최대가 되고, 이때의 함수비를 최적함수비라 한다. 다짐곡선은 일반적으로 볼록한 형태다.

건조측은 최적함수비보다 적은 함수비 쪽이고, 습윤측은 많은 쪽이다. 두 쪽은 같은 건조단위중량에서도 입자 배열이 다르다. 건조측에서는 입자가 엉성한 이산(flocculated) 구조가 많이 남고, 습윤측에서는 입자가 물의 윤활 작용으로 평행하게 배열된 분산(dispersed) 구조가 많이 생긴다.

점토는 입자가 작고 표면 전하를 가져 물과 결합하는 힘이 크다. 그래서 함수비에 따른 구조 변화가 모래보다 뚜렷하다. 실트 이하 세립토도 함수비에 민감하지만 점토만큼 구조 변화가 크지 않다.

다짐에너지가 커지면 같은 함수비에서 최대건조단위중량은 커지고 최적함수비는 작아진다. 다짐에너지가 함수비와 함께 구조를 결정하므로, 두 변수를 함께 보아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

토공 구조물은 흙을 다져 쌓아 올린다. 흙을 느슨하게 두면 시공 후 침하와 변형이 커진다. 다짐은 이 문제를 줄이기 위해 도입되었다. 다짐 효과는 강도 증가, 압축성 감소, 투수성 감소, 지지력 증가, 사면 안정 향상으로 나타난다.

그런데 점토는 함수비가 조금만 달라도 구조와 성질이 크게 바뀐다. 따라서 현장에서 임의의 함수비로 다지면 원하는 특성을 얻지 못한다. 실험실 다짐시험으로 함수비 범위를 정하고, 현장에서 그 범위를 관리하는 방식이 필요해졌다.

또 차수재나 방수층으로 점토를 쓸 때는 투수계수를 낮추는 것이 목적이다. 이때 함수비를 최적함수비보다 습윤측으로 잡으면 분산 구조가 생겨 투수성이 낮아진다는 점을 고려해야 한다. 함수비 선택이 시공 목적에 따라 달라지는 이유다.

4. 구성요소·원리·절차

다짐토는 고체 입자, 물, 공기의 세 상으로 이루어진다. 다짐은 간극 속 공기를 밀어내고 입자를 재배열해 건조단위중량을 높이는 작업이다. 점토에서는 함수비에 따라 입자 간 결합 형태가 달라지므로, 같은 에너지로 다져도 구조와 성질이 크게 달라진다. 따라서 점토 다짐의 핵심 원리는 함수비에 따른 입자 배열(응집·분산)과 간극수압의 거동이다.

다짐 구성요소는 다음 표로 정리한다.

다짐 원리는 함수비와 건조단위중량의 관계로 설명한다. 함수비가 낮으면 흡인력과 마찰로 흙이 잘 다져지지 않는다. 함수비가 높으면 물이 입자 사이 공간을 차지하여 건조밀도가 떨어진다. 중간의 최적함수비(OMC)에서 최대건조단위중량이 얻어진다. 이때 영공기간극선(Zero Air Void Line)에 가까운 상태가 된다.

점토의 구조는 함수비에 따라 두 형태로 나뉜다. 건조측에서는 입자가 응집(flocculated) 구조를 이룬다. 습윤측에서는 입자가 판상면이 평행하게 배열된 분산(dispersed) 구조를 이룬다. 같은 최적함수비 부근에서도 시공 함수비가 어느 쪽이냐에 따라 구조가 달라진다.

현장 다짐 절차는 다음과 같다.

• 현장 흙을 채취하고 입도와 함수비, 액성·소성한계를 확인한다.
• 실내 다짐시험(표준 또는 수정 다짐)으로 최대건조단위중량과 최적함수비를 구한다.
• 시공 목적에 따라 목표 다짐도와 함수비 범위를 정한다.
• 시험 성토를 실시하여 롤러 종류, 다짐 횟수, layer 두께를 확정한다.
• 시공 중 현장 밀도시험으로 다짐도를 확인하고 함수비를 조정한다.

다짐에너지가 커지면 최적함수비는 낮아지고 최대건조단위중량은 커진다. 이 관계는 다짐 곡선이 위와 왼쪽으로 이동하는 모양으로 나타난다. 함수비에 따른 다짐곡선의 대략 모양은 다음 그래프와 같다.

다짐곡선의 모양은 점토의 소성과 입도에 따라 달라진다. 소성이 큰 점토는 곡선이 완만하고 최적함수비가 높다. 같은 흙이라도 에너지가 커질수록 곡선의 정점이 좌상측으로 이동한다.

이 원리를 다짐곡선의 경계 해석에 쓴다. 건조측 다짐은 흡인력이 커서 간극수압이 낮고 압축성이 작다. 습윤측 다짐은 분산 구조를 이루어 투수계수가 낮고 전단강도가 작다. 그래서 설계는 목적에 따라 어느 측에서 다질지 선택한다.

5. 관련 법령·기준·표준

흙의 다짐시험은 국내에서 KS F 2312(흙의 다짐시험 방법)를 따른다. 다짐시험 방법은 다짐 에너지에 따라 표준 다짐과 수정 다짐으로 나뉜다. 두 방법은 다짐 에너지의 크기만 다르고 시험 절차는 같다. 현장 다짐 관리는 현장 밀도시험으로 상대다짐도를 확인하고, 설계 기준은 도로·철도·댐 등 시설별 시방서에서 정한다.

다짐 관리 기준 값은 다음 표와 같다.

위 상대다짐도 값은 시설과 시방에 따라 달라진다. 설계자는 해당 시방서의 값을 적용한다. 표준 다짐과 수정 다짐을 비교하면 수정 다짐은 에너지가 약 4.5배 크며, 최적함수비는 낮고 최대건조단위중량은 높다.

실내 시험 결과를 현장에 옮길 때는 다짐 목적에 따라 함수비 범위를 정한다. 강도 확보는 건조측, 침하와 팽창 억제는 최적함수비 부근이나 습윤측을 택한다.

6. 유형과 비교

다짐함수비에 따라 점토의 다짐 특성은 건조측(optimum 보다 건조한 쪽)과 습윤측(optimum 보다 젖은 쪽)으로 크게 나뉜다. 두 쪽은 흙 구조, 투수성, 압축성, 강도에서 서로 다른 거동을 보인다. 먼저 다짐 방식과 구조 유형을 비교하고, 이어서 함수비 조건별 특성을 비교한다.

건조측에서 다진 점토는 입자가 평행하게 배열된 분산 구조를 이룬다. 이 구조는 투수성이 낮고 팽창성이 크다. 습윤측에서 다진 점토는 입자가 무작위로 배열된 면모 구조를 이룬다. 이 구조는 투수성이 상대적으로 높고 압축성이 크다. 습윤측에서는 흙 입자의 응집이 깨지지 않아 간극이 많이 남는다.