다짐시험

왜 배우는가: 다짐시험은 성토·뒷채움·도로 기층의 품질을 관리하는 기준값(최대건조단위중량, 최적함수비)을 제공한다. 현장 다짐도를 판정하는 기준이 되므로 실무에서 매번 쓰이고, 시험에서는 계산 문제와 개념 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제135회 1교시 4번, 제128회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 다짐시험은 일정한 다짐에너지로 흙을 다져 함수비와 건조단위중량의 관계에서 최대건조단위중량과 최적함수비를 구하는 실내시험이다.

핵심 키워드

• 다짐(Compaction): 외부 에너지로 흙입자를 접근시켜 간극의 공기를 줄이는 작업
• 다짐곡선: 함수비에 따른 건조단위중량의 변화를 나타낸 곡선
• 최적함수비(OMC): 최대건조단위중량에 대응하는 함수비
• 최대건조단위중량: 다짐곡선의 극대점 건조단위중량
• 다짐에너지: 단위체적당 가해지는 다짐 일량
• 영공기간극선(Zero Air Void Line): 포화도 100%에 해당하는 이론 한계선
• 상대다짐도: 현장 건조단위중량을 실내 최대건조단위중량으로 나눈 백분율

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 흙에 물을 적당히 넣고 일정한 힘으로 두드려 가장 단단하게 만드는 최적 조건을 찾는 시험이다. 물이 너무 적으면 입자가 서로 잘 미끄러지지 않아 덜 다져지고, 물이 너무 많으면 물이 공기 자리를 차지해 흙이 다져지지 않는다. 그 사이에 건조단위중량이 가장 큰 점이 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 다짐은 함수비를 크게 바꾸지 않고 간극 속 공기를 배출하여 흙입자의 배열을 치밀하게 만들고, 이로써 단위중량을 높이는 작업이다. 다짐시험은 일정한 다짐에너지를 주었을 때 함수비와 건조단위중량의 관계를 구하고, 그 극대값으로 최대건조단위중량과 최적함수비를 결정한다.

건조단위중량은 습윤단위중량과 함수비로 계산한다.

$\gamma_d=\frac{\gamma_t}{1+w}$

\gamma_d는 건조단위중량(kN/m³), \gamma_t는 습윤단위중량(kN/m³), w는 함수비(소수 또는 %)이다.

다짐에너지는 몰드 체적과 램머 조건으로 정해진다.

$E_c=\frac{W\,H\,N\,M}{V}$

W는 램머 무게, H는 낙하고, N은 다짐 층수, M은 층당 낙하 횟수, V는 몰드 체적이다. 에너지가 커지면 같은 함수비에서도 건조단위중량이 커지고 최적함수비는 작아진다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 표준다짐시험: 2.5kg 램머를 300mm 높이에서 3층 각 25회 낙하시키는 방법
• 수정다짐시험: 4.5kg 램머를 450mm 높이에서 5층 각 25회 낙하시키는 방법으로 에너지가 크다
• 상대다짐도(Relative Compaction): 현장 건조단위중량과 실내 최대건조단위중량의 비율
• 영공기간극선: 포화도 100%일 때의 건조단위중량 곡선으로, 다짐곡선이 이 선을 넘을 수 없다

3. 등장 배경과 필요성

흙을 그대로 쓰면 압축성과 강도가 부족해 침하와 지지력 문제가 생긴다. 흙을 다져 밀도를 높이면 강도가 증가하고 압축성이 줄며 투수성이 낮아지고 동상이 억제된다. 그러나 현장에서 얼마나 다져야 충분한지 판단하려면 기준이 필요하다.

Proctor는 1930년대 초에 함수비에 따라 건조밀도가 달라진다는 점을 실험으로 보였다. 이후 표준화된 시험법이 만들어졌고, 우리나라에서는 KS F 2312로 규정하고 있다. 현장에서는 실내에서 구한 최대건조단위중량을 기준으로 시공 목표 밀도를 정한다.

이 기준이 있어야 다짐 시공을 관리할 수 있다. 예를 들어 도로 기층이나 성토 시방에서는 실내 최대건조단위중량의 95% 이상을 요구하는 경우가 많다. 따라서 상대다짐도 개념과 최적함수비의 의미를 이해하는 것이 현장 함수비 관리와 다짐 계획의 출발점이다.

다짐에너지가 크면 최대건조단위중량은 커지고 최적함수비는 작아진다. 따라서 현장 장비의 에너지에 맞는 실내시험 조건을 선택해야 한다. 이 점은 다짐 영향요인 절과 이어진다.

4. 구성요소·원리·절차

다짐은 흙 속 공기를 밖으로 빼내어 입자를 치밀하게 배열하는 작업이다. 흙은 고체 입자, 물, 공기의 세 상으로 이루어지며, 다짐에서는 공기상이 줄고 간극비가 작아진다. 다짐 효과는 건조단위중량 \gamma_d로 확인한다.

다짐 결과를 좌우하는 요소는 다음과 같다. 이 중 함수비와 다짐에너지가 시험과 현장 관리의 핵심 변수다.

원리는 함수비와 건조단위중량의 관계로 설명한다. 함수비가 너무 낮으면 입자 사이 마찰이 커서 입자가 잘 움직이지 않고 충분히 다져지지 않는다. 함수비가 너무 높으면 물이 간극을 차지해 흙 입자를 밀착시키지 못하고, 다짐 중 물이 공기를 빼내는 것을 방해한다. 그 사이에서 건조단위중량이 최대가 되는 점이 생기며, 이 점의 함수비가 최적함수비(w_{opt})다. 다짐곡선은 이 관계를 나타낸 완만한 봉우리형 곡선이다.

건조단위중량은 습윤단위중량과 함수비로 구한다.

$\gamma_d = \frac{\gamma_t}{1+w}$

여기서 \gamma_d는 건조단위중량(kN/m³), \gamma_t는 습윤단위중량(kN/m³), w는 함수비(소수 또는 %)이다.

다짐곡선의 상한선은 영공기간극선(Zero Air Void Line, 포화선)이다. 흙 속 공기를 모두 뺐을 때의 건조단위중량을 나타내며 다음과 같다.

$\gamma_{d,zav} = \frac{G_s\,\gamma_w}{1+w\,G_s}$

여기서 G_s는 흙입자의 비중, \gamma_w는 물의 단위중량(9.81kN/m³)이다. 실제 다짐으로는 공기를 완전히 빼지 못하므로 다짐곡선은 이 선보다 항상 아래에 놓인다.

실내다짐시험 절차는 다음과 같다.

• 흙 시료를 자연건조하고 19mm 체로 걸러 준비한다.
• 함수비를 2~3% 간격으로 달리한 시료를 4~5개 만든다.
• 몰드에 흙을 층별로 나누어 넣고 규정된 램머로 층마다 규정 횟수를 다진다.
• 몰드와 시료의 무게를 재어 습윤단위중량을 구하고, 같은 시료로 함수비를 측정한다.
• 각 시료의 \gamma_d를 계산하고 함수비-건조단위중량 곡선을 그린다.
• 곡선의 최대점에서 최대건조단위중량 \gamma_{d,max}와 최적함수비를 읽는다.

현장에서는 다짐 상태를 상대다짐도로 관리한다. 현장 건조단위중량과 실내 최대건조단위중량의 비다.

$R_c = \frac{\gamma_d}{\gamma_{d,max}} \times 100\,(\%)$

현장 함수비는 최적함수비 근처의 건조측이나 습윤측으로 시방서가 정한 범위에 두고 관리한다. 상대다짐도 기준값을 만족하는지 확인하는 것이 시공 품질 관리의 기본이다.

5. 관련 법령·기준·표준

실내다짐시험은 한국산업표준 KS F 2312에 규정되어 있다. 표준다짐(Proctor)과 수정다짐은 램머 무게, 낙하고, 층수, 다짐에너지가 다르다. 현장 관리에는 상대다짐도 기준을 적용하며, 도로 기층은 수정다짐 최대건조단위중량의 95% 이상으로 다지도록 도로교시방서에 규정되어 있다. 현장 단위중량 측정은 모래치환법(KS F 2311)을 많이 쓴다.

표의 값은 다짐에너지의 크기를 비교하기 위한 것이다. 시험 조건이 달라지면 최대건조단위중량과 최적함수비가 함께 변하므로, 현장 기준은 같은 에너지 조건의 실내값과 비교해야 한다. 상대다짐도 기준은 시방서와 설계도서가 정하는 값을 따른다.

현장 다짐 관리 기준은 다음 세 가지를 구분해 적용한다. 첫째, 최대건조단위중량에 대한 상대다짐도 기준이다. 둘째, 최적함수비 기준의 건조측과 습윤측 함수비 범위다. 셋째, 포화도나 영공기간극선에 대한 검토다. 이 셋을 함께 보아야 다짐 흙의 강도와 투수성, 압축성을 함께 확보할 수 있다.