1. 서 론
2. 시험방법 및 시험결과
2.1 시험방법
2.2 시험결과
3. 시험결과 분석
3.1 조립토 함유량에 따른 다짐특성 결과분석
3.2 세립토 함유량에 따른 다짐특성 결과분석
3.3 D30 입경에 따른 다짐특성
3.4 소성도에 따른 다짐특성 결과분석
3.5 세립토 함유량 및 소성도에 따른 다짐특성 변화율 분석결과
4. 결 론
1. 서 론
경상남도 지역(부산 포함)의 산업단지 및 주택단지의 경우, 일부 매립 지역을 제외한 대부분이 산지를 개발하여 형성되었다. 그리고 개발이 진행되고 있거나 진행될 예정인 주택단지 및 산업단지 역시 산지를 개발하여 부지를 조성하는 것이 일반적이다. 부지조성을 위해 산지를 개발할 경우, 대량의 토사가 발생하는데 양질의 토사가 아니고 재료의 강성 변화가 심해도 양질의 토사를 지속적으로 공급받을 수 있는 토취장을 구하기 어려워 대부분의 현장에서 현장 발생토를 부지조성을 위한 성토재료 및 뒷채움 재료로서 일반적으로 사용하고 있는 실정이다. Hong(2018)은 현장 발생토의 성토재 사용 관련하여 성토재료의 확보를 위한 추가적인 비용이 발생하여 현장에서는 공급이 용이한 현장 발생토를 직접 사용하는 경우가 많다고 지적하였다.
성토재료의 경우, 국토교통부 순환골재 품질기준 제2017-1711호(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)에 의하면 토취장 및 성토재료의 재질이 변화될 경우 물성시험 및 다짐시험을 실시하여, 성토재료의 기준에 만족하는지 확인하도록 업무 지침이 명시 되어있다(Table 1 참조). 하지만 현장에서는 부지조성을 위한 성토작업 중 재료의 재질이 변화하여도 시공기간 및 현장여건 등의 편의상의 이유로 성토 재료에 대하여 물성시험 및 다짐시험을 추가적으로 실시하지 않고 현장 발생토를 다짐 재료로 사용하고 있다. 이런 경우 결과적으로 부지조성 시 다짐관리가 제대로 이루어지지 않을 수도 있고, 부지조성 완료 후 침하와 관련된 문제들이 발생할 가능성이 있다. 그래서 현장의 원활한 시공을 위해 현장 발생토의 다짐 특성을 물성시험 결과만으로 개략적으로 예측할 수 있는 연구가 필요한 실정이다. 본 논문에서는 현장 발생토에 대한 물성특성과 다짐에너지에 따른 다짐특성의 관계를 회귀분석하여, 정량적으로 평가할 수 있는 기초자료를 제공함으로서, 부지조성 시 현장 발생토에 대한 다짐관리를 실시하는데 유용할 것으로 사료된다.
Table 1.
Recycled aggregate quality standards (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)
기존의 연구결과를 살펴보면 흙의 종류에 따른 다짐곡선과 다짐에너지에 따른 다짐특성, 물성특성과 다짐특성의 관계 등 다양한 연구 활동이 진행되었다. 하지만 기존의 연구 자료는 대부분 국외의 연구 자료와 비교분석 한 결과로, 국내 현장 발생토에 대한 물성특성 및 다짐에너지에 따른 다짐특성을 정략적으로 규명하기에는 다소 어려움이 있다.
국외 연구를 살펴보면, Ring et al.(1962)은 액성한계, 소성한계, 유효입경(D10), 세립율 등을 사용하여 최대건조단위중량과 최적함수비의 상관관계에 대하여 연구하였다. Sridaran and Nagaraj(2005)는 액성한계와 소성한계의 소성도에 따른 최대건조밀도 및 최적함수비의 상관관계를 연구하였다. 두 연구결과 모두 액성한계 및 소성한계가 증가할수록 최대건조밀도는 감소하고 최적함수비는 증가하는 경향의 연구결과를 제시하였으나, 상관성은 낮은 것으로 보인다.
국내연구 중 Jung(2001)은 0.075mm보다 큰 입자의 중량 백분율이 증가할수록 최대건조밀도가 증가하고, 실트 및 점토와 같이 세립분 함유량이 증가할수록 최대건조밀도는 감소하는 경향을 보인다고 하였다. Park and Kim (2017)은 다짐방법에 따른 다짐정도를 비교하였는데 최대건조밀도가 D다짐의 경우 A다짐 보다 약 10% 높게 나타남을 제시하였다.
본 논문에서는 부산, 경남 지역 산지의 단지조성에 주 재료로 사용되는 현장 발생토에 대하여 물성 특성과 다짐 특성을 알아보았다, 이를 위해 부산 및 경남지역의 현장 발생토를 채취하여 물성시험 및 다짐 시험을 실시하였다. 산지 현장 발생토 시료는 Fig. 1과 같이 14군데에서 채취하였다. 입도분석시험 결과 중 조립토 및 세립토의 함유량, 입도분포곡선에서 누적통과백분율 30%에 해당하는 입경(D30), 그리고 소성도에 대하여 최대건조밀도 및 최적함수비 관계의 회귀분석을 실시하였다. 또한 기존 국내 연구사례도 같이 비교하여 현장 발생토의 물성특성에 따른 다짐특성의 변화를 검토하였다.
2. 시험방법 및 시험결과
2.1 시험방법
본 연구를 진행하기 위하여 부산 및 경남지역의 단지 조성에 사용된 현장 발생토에 대하여 물성시험 및 다짐시험을 실시하였다. 본 연구를 위해 다짐시험은 표준다짐시험 중 A다짐, 수정다짐시험은 D다짐으로 실시하였다. 이는 소규모 제방 및 옹벽의 뒷채움 재료는 비교적 다짐에너지가 낮은 A다짐, 대규모 산업단지 및 주택단지, 도로(동상방지층 제외) 등의 경우 다짐에너지가 큰 D다짐에서 실시한 최대건조밀도 및 최적함수비를 기준으로 시공을 하고 있기 때문이다. 시험항목 및 시험방법, 시험수량은 Table 2와 같다. 구체적인 다짐시험 방법은 KS F 2312(Table 3 참조), 장비 규격은 Fig. 2와 같다.
Table 2.
Test method and quantity by test item
| Test item | Test method | Quantity (EA) |
| Water content | KS F 2306 | 108 |
| Specific gravity | KS F 2308 | 108 |
| No.200 Sieve washing | KS F 2309 | 108 |
| Grain size analysis | ASTM D 422 | 108 |
| Liquid limit | BS 1377 | 78 |
| Plastic limit | Wood and Wroth (1978) | 78 |
| Compaction (A Type) | KS F 2312 | 107 |
| Compaction (D Type) | 108 |
Table 3.
KS F 2312 Compaction test method
2.2 시험결과
부산 및 경남지역의 산지 현장 발생토를 대상으로 물성시험 및 다짐시험을 실시한 결과 Table 4와 같은 결과를 얻었다. 연구지역 현장 발생토는 대부분 화강암류 풍화토이며 물성특성과 다짐특성을 쉽게 이해하기 위하여 흙의 공학적 분류방법인 통일분류법(USCS)으로 분류하여 나타내었다. 부산 및 경남지역 풍화토의 경우 대부분 화강암류의 풍화토로서 구성성분 중 모래의 함유량이 가장 높게 나타났다. 공학적 분류를 실시한 결과 대체적으로 점토질모래(SC) 및 실트질모래(SM)로 분류되었다. 다만 경남 진주지역의 일부 산지 현장 발생토는 퇴적암류의 풍화토가 분포하는 것으로 조사되었다. 공학적 분류 결과 저소성점토(CL) 및 고소성점토(CH)로 분류되었다. 다짐시험 결과는 시험방법에 따라 표준다짐시험 A다짐과 수정다짐시험 D다짐을 실시하여 결과를 정리하였다.
Table 4.
Results of physical property tests and compaction tests on the soils generated in mounainous areas in Busan, Gyungnam province
3. 시험결과 분석
물성시험 결과를 활용하여 최대건조밀도 및 최적함수비에 대하여 회귀분석하여 상관관계식을 제안하였다. 또한 기존 연구에서 제시한 관계식을 본 연구결과와 함께 비교하였다.
3.1 조립토 함유량에 따른 다짐특성 결과분석
본 연구에 사용된 풍화토의 조립토의 함유량은 A다짐의 경우 5.63% ~ 63.16%, D다짐은 12.58% ~ 84.24%로 최대건조밀도 및 최적함수비에 대하여 회귀분석을 실시한 결과, 조립토 함유량이 증가할수록 최대건조밀도는 증가하고, 최적함수비는 감소하는 경향이 나타났다(Fig. 3 참조). 결과를 바탕으로 조립토 함유량에 따른 최대건조밀도 및 최적함수비의 상관관계식을 나타내었다(식 (1)~(4)).
여기서, CG : 조립토의 함유량(%)
표준편차는 0.3702 ~ 0.4864의 범위로 다소 분산된 형상으로 분포하나, 부산 및 경남지역 일대의 광범위한 지역에 대한 결과임을 고려하면(Fig. 1 참조) 그 상관성은 높은 것으로 보여진다.
다짐방법에 따른 조립토 함유량에 따른 최대건조밀도 및 최적함수비의 변화를 비교해 보면 표준다짐시험 A다짐을 실시한 결과보다 수정다짐시험 D다짐의 최대건조밀도가 약 9.3% 높게, 최적함수비는 약 8.0% 낮게 분포하는 것으로 분석되었다. Park and Kim(2017)의 연구결과 최대건조밀도가 D다짐의 경우 A다짐 보다 약 10% 높게 나타나는 것으로 검토되었는데, 본 연구결과와도 유사한 경향을 보인다. 이를 종합해 보면 조립토 함유량 및 다짐에너지 크기에 따른 최대건조밀도 및 최적함수비 변화는 상관성이 높은 것으로 보여진다.
3.2 세립토 함유량에 따른 다짐특성 결과분석
세립토 함유량에 따른 다짐특성은, 기존 연구 Jung(2001)의 입도분포특성이 다짐특성에 미치는 영향에 관한 연구결과와 비교하였다. Jung(2001)은 물성시험과 다짐시험(A다짐)을 실시한 후 세립토 함유량과 다짐특성의 상관성을 분석하였으며, 그 중 세립토 함유량에 따른 최대건조밀도 및 최적함수비의 상관관계가 가장 높은 것으로 분석되었다. 기존연구에서 나타낸 회귀분석 관계식을 본 연구결과에 적용시켜 분석한 결과 매우 유사한 경향을 보이고 있어 현장 발생토의 다짐관리 시 현장에서 체분석 시험을 실시하여 세립분 함유량을 결정할 수 있다면, 식 (5)~(6)을 활용하여 최대건조밀도 및 최적함수비를 산정하는데 매우 유용할 것으로 판단된다(Fig. 4 참조).
여기서, FG : 세립토의 함유량(%)
3.3 D30 입경에 따른 다짐특성
기존 연구에서는 유효입경(D10)을 사용하여 다짐특성을 분석하였으나, 본 연구에서는 유효입경(D10)을 산정하지 못하는 시료들이 많이 포함되어 D30의 입경을 이용하여 분석하였다. 분석결과 D30의 입경이 증가할수록 최대건조밀도는 증가하고 최적함수비는 감소하는 경향을 보여주고 있으며, 조립토 및 세립토의 다짐특성과 비교하여도 비교적 높은 상관성을 보이는 것으로 분석되었으며(Fig. 5 참조), D30을 산정하기 위해서는 현장에서 체분석시험과 비중계시험을 실시하여야 하는 번거로움 발생할 수 있지만 여러 분석방법을 이용하여 다짐특성을 결정하게 된다면 다짐관리 시 유용할 것으로 보여져 다음의 상관관계식을 나타내었다(식 (7)~(10)).
여기서, D30 : 누적통과백분율 30%에 해당하는 입경(mm)
3.4 소성도에 따른 다짐특성 결과분석
액성한계(LL) 및 소성한계(PL)에 따른 다짐특성은 국내·외 연구가 활발히 이루어졌다(Ring et al., 1962; Pandian et al., 1997; Seo et al., 2003; Park and Kim, 2017). 기존 연구 결과와 비교를 위해, 다짐시험 결과는 A다짐을 실시한 결과를 이용하여 소성도에 따른 다짐 특성을 회귀분석하였다. 액성한계 및 소성한계 결과에 따른 최대건조밀도와 최적함수비의 변화를 분석한 결과 액성한계 및 소성한계 값이 증가할수록 최대건조밀도는 감소하고, 최적함수비는 증가하는 경향을 보였다. 이 결과는 기존의 Park and Kim(2017) 연구결과와도 유사한 경향을 보여준다(Fig. 6 참조). 하지만 Fig. 7의 회귀분석결과를 보면 액성한계 및 소성한계를 활용하여 최대건조밀도 및 최적함수비의 변화를 보면 구성성분 및 입경 크기를 활용하여 산정하는 것 보다 변화율이 크며, 매우 분산된 형상을 보이고 있어 현장 발생토의 다짐관리 시 액성한계 및 소성한계를 이용하여 최대건조밀도 및 최적함수비를 산정하는 것은 부적절 한 것으로 판단된다. 이와 관련 자세한 사항은 다음 절 3.5에 추가적으로 설명하였다.
3.5 세립토 함유량 및 소성도에 따른 다짐특성 변화율 분석결과
기존 연구 및 본 연구 결과를 활용하여 세립토 함유량 및 소성도에 따른 최대건조밀도와 최적함수비의 변화율을 분석하였으며(Fig. 7 참조), 변화율의 크기는 기울기와 각도로 표기하였다. 세립토 함유량과 최대건조밀도의 변화율을 분석한 결과 0.030(1.7°)~0.032(1.8°)의 변화율을 보이며, 소성도에 대하여 변화율을 분석한 결과 액성한계는 0.069(3.9°)~0.100(5.7°), 소성한계의 경우 0.072(4.1°)~0.140(8.0°) 범위의 변화율을 보이는 것으로 분석되었다. 세립토 함유량에 따른 최적함수비의 변화율을 분석한 결과 0.093(5.3°)~0.105(6.0°)의 변화율을 보이며, 소성도에 대한 변화율을 분석한 결과 액성한계는 0.224(12.6°)~0.340(18.8°), 소성한계의 경우 0.783(38.0°)~0.860(40.7°)의 범위의 변화율을 보였다. 세립토 함유량과 소성도에 따른 최대건조밀도 및 최적함수비의 변화율은 세립토 함유량이 가장 낮게 나타났으며, 소성한계가 가장 높은 변화율을 보이는 것으로 분석되었다.
변화율이 높은 소성도 결과를 활용하여 최대건조밀도 및 최적함수비를 결정할 경우 불균질한 흙의 특성 및 시험오차 등으로 신뢰성이 확보되지 않을 것으로 판단된다. 하지만 세립토 함유량으로 최대건조밀도 및 최적함수비를 결정할 경우 시험방법이 간단한 체분석시험 만으로 결정하기 때문에 시험오차의 발생 가능성이 낮고, 현장 발생토가 불균질 하더라도 현장에서 많은 양의 시험을 직접 실시할 수 있으므로, 세립토 함유량을 활용하여 최대건조밀도 및 최적함수비를 결정하는데 매우 유용할 것으로 판단된다. 조립토 함유량의 경우 세립토 함유량과 대칭되는 결과를 보이므로 Fig. 7의 분석 결과에서는 제외하였다.
4. 결 론
본 연구결과 부산 경남지역 단지조성 성토재료로 많이 사용하는 현장 발생토(풍화토)에 대한 물성시험 및 다짐시험을 실시하여 회귀분석한 결과를 국내의 기존 연구결과와 비교 분석하여 다음의 결론을 얻었다.
조립토 함유량에 따른 다짐특성을 회귀분석한 결과 조립토 함유량이 증가할수록, 최대건조밀도는 증가하고 최적함수비는 감소하는 경향으로 나타났으며 조립토의 함유량에 따른 최대건조밀도 및 최적함수비를 산정할 수 있는 경험식을 제안하였다. 다짐방법에 따른 조립토 함유량과 최대건조밀도 및 최적함수비를 비교한 결과 표준 A다짐을 실시한 결과보다 수정 D다짐의 최대건조밀도가 약 9.0% 높게, 최적함수비는 약 8.0% 낮게 분포하는 것으로 분석되었으며 기존 연구 결과와 유사한 것으로 나타났다.
세립토 함유량과 표준 A다짐의 최대건조밀도의 관계를 회귀분석한 결과 세립토의 함유량이 증가할수록 최대건조밀도는 감소하는 것으로 분석되었다. 기존의 연구결과에서 제시한 관계식을 금 번 연구결과에 적용시켜 분석한 결과 매우 유사한 결과를 보여, 세립토 함유량에 따른 최대건조밀도를 산정할 수 있는 경험식을 제안하였다.
세립토 함유량에 따른 최대건조밀도의 변화율이 소성도에 해당하는 액성한계와 소성한계의 변화율 보다 상대적으로 작은 것으로 분석되었다. 최적함수비의 경우도 세립토 함유량에 따른 최적함수비의 변화율이 액성한계와 소성한계의 변화율 보다 상대적으로 작은 것으로 분석되었다. 즉 소성도 결과를 활용하여 최대건조밀도 및 최적함수비를 결정하는 것 보다 세립토 함유량 결과를 활용할 경우 현장 발생토의 최대건조밀도 및 최적함수비를 더 합리적으로 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
