1. 서 론

현재 국내외 모두 암성토에 대한 연구가 미흡한 실정이며, 공학적으로 활용할 수 있는 실험결과도 매우 부족한 실정이다. 특히 암과 토사를 혼합해서 성토하여 시공하는 경우에는 전단강도 및 투수성 저하로 소요다짐도를 확보하기 어렵기 때문에 구분하여 다짐하고 있다. 하지만 대부분 현장에서는 암과 토사를 구분하여 시공하고 있지만 공사특성상 부득히 혼합하여 시공하게 될 경우가 많다. 즉 암과 토사를 혼합하여 시공하게 되면 전단강도 감소, 도로포장파손, 우수에 의한 토사유출 및 부등침하의 원인이 되므로 여러 기관에서는 암성토와 관련하여 시방기준을 마련하여 규정하고 있다.

일반적인 성토시공에서는 암편과 흙을 적당히 혼합하여 사용함이 일반적이나 그 최적의 혼합율에 대한 이론은 아직까지 제시되지 못하고 있는 실정이다. 암성토된 지반의 침하에 대한 예측 및 그 과정에 대한 이론도 아직 확립된 바는 없으나 여러 록필댐(Rockfill Dam)에 대한 관측 결과, Osca Dascal(1987)은 대수시간에 따른 침하 크기는 대체로 선형관계를 나타내며 몇몇의 록필댐의 경우 침하는 시공 후 30년이 지나도 지속적으로 발생되지만 실제적인 문제에 있어서 36개월 이후에는 침하가 완료되는 것으로 판단하였다. Penman(1971), Lambe and Whitman (1986)은 암과 흙이 적절히 혼합되어 다져질 경우, 그 침하량은 최소가 된다고 제안하였으며, Jeong et al.(2002)의 연구결과 최적의 흙 혼합율은 41.78%로서 흙구조물이 가장 안정한 상태를 보인다고 발표하였다.

암버럭이 포함된 유용토를 사용하여 성토공사를 실시할 경우, 최대입경 초과골재의 혼입이 불가능하도록 규정되어 있다. 그러나, 현행 건설공사조건에서는 불가피하게 다소의 최대입경 초과골재의 혼입이 발생하며 이 경우의 성토체 지지력특성 변화에 대한 연구가 미미한 실정이다. 따라서 Park et al.(2004)등은 경부고속철도 노반을 대상으로 최대입경 초과골재(직경 200mm이상) 혼입률에 따른 지지력특성 및 품질관리 시험방법에 관하여 검토하고 각 정수간의상관식과, 합리적인 시험방법을 제안하였다.

최근 측량기술의 발전과 더불어 수치사진측량 및 지형곡면해석을 이용하여 보다 정확한 토공량 결정하는 추세에 있다. Ryu and Mun(2010)은 B-스플라인(spline)을 이용하여 주어진 데이터를 지나는 스플라인 곡면을 구하는 알고리즘을 살펴보고, 스플라인 곡면을 이용하여 토공량을 근사적으로 구하는 방법을 제시하였으며, 스플라엔 곡면을 이용한 방법이 Chen과 Lin이 제시한 방법보다 더 정확함을 몇 가지 예를 통해 확인하였다.

Lee et al.(2003)은 대규모 현장을 대상으로 절․성토부 풍화암의 정확한 체적환산계수를 산정하고자 20개소 절․성토부지역을 선정하였다. 대상지의 절․성토부를 굴착하고 굴착후의 체적을 계산였으며, 계산된 체적에 의한 습윤단위중량과 실내토질시험에 의한 함수비를 이용하여 풍화암의 체적환산계수를 측정한 결과 약 1.289로 나타났다. 또한 불규칙한 굴착부분의 체적을 수치사진측량을 이용하여 토공량 산정하였으므로 현장시험의 신뢰성을 높인 것으로 판단된다.

일반적으로 지형상태를 측정하는 방법에는 Total Station에 의한 경사변환점의 표고를 측정하는 방법과 RTK(Real Time Kinematic) GPS에 의한 방법 등이 응용되고 있다(Park et al., 2003).

Lee et al.(2006)은 대규모 절․성토부 토공현장을 대상으로 굴착 전후 및 다짐후의 체적을 사진측량기법 및 레이저 스캐닝기법으로 정밀한 수치표고모형을 제작하여 체적환산계수를 산정하였다.

Jeon et al.(2006)은 현장 발파암을 이용한 철로 하부구조물 성토시 차량 진동하중에 의한 철로거동을 파악하고, 장기 피로하중에 의한 성토구조물의 거동변화를 개별 요소해석 프로그램을 구현하여 분석하였다. 그리고 Park et al.(2006)은 탄성파시험을 이용한 암버럭-토사 성토노반의 다짐관리방안을 제안하였으며, Choi et. el.(2006)은 암성토 시공방법을 개선시키고자 암성토 상부 피복여부 판단, 암성토 노체전면 적용, 암성토 노상하부 60cm 확대 적용 등의 세부목적을 설정하여 실내모형시험 및 현장시험을 실시한 결과 암성토시 간극사이로 소성이 거의 없는 세립토가 충분히 간극을 채우는 것으로 판단되며, 상부교통하중에 의한 진동, 침투수 등 침하발생 등의 우려를 방지하기 위해 토사캡핑이 매우 효과적임을 입증하였다.

본 연구대상 현장은 해안을 매립하여 택지를 조성중인 곳으로서 당초계획하였던 설계토공량과 시공량이 상이하여 이에 대한 원인을 규명하고자 여러 가지 조사를 수행하게 되었다.

따라서 본 연구에서는 해안매립지역에서 시공되고 있는 암성토의 토공량설계에 대한 문제점과 대책 그리고 부족량을 판단할 수 있는 방안을  제시하였으며,  향후 암성토의 설계 및 시공시 정확한 토공량을 계산하기 위한 선례가 될 수 있도록 하였다.

2. 암성토 설계기준

흙이나 암석은 자연상태일 때와 굴착하여 흐트러질 때 또 다질 때의 체적이 달라진다. 이러한 체적 변화를 각각의 체적비로 환산한 값을 체적 환산계수라 하며, 흐트러진 상태 "L"과 다져진 상태 "C"로 구분된다. 건설공사에서는 절취,  운반, 다짐의 작업을 수반하게 되며, 토량의 변화는 단지 계획, 설계, 시공시의 중요한 지침이  되고 있다. 특히 암성토의 경우 대부분 경험적인 값에 의존하고 있으므로 현장여건에 따라 토공량의 증감의 원인을 제공하고 있다. 따라서 암성토의 경우 정확한 현장시험시공에 따른 체적환산계수가 요구되고 있으므로 이를 시방기준 및 설계에 적용하려는 노력이 필요하다.

일반적으로 단지매립 및 호안의 설계는 침하 및 유실에 의한 설계보다 과다 투여된 사석재료를 유실율로 정의하고, 이를 관행적으로 20~30%정도 값을 인정하는 것으로 설계되고 있다. 따라서 실제 시공하는 경우 대부분 설계보다 시공량이 많이 상회하고 있기 때문에 여러 가지 문제점 대두되고 있다.

사석재료를 단지에 매립하는 경우 지반침하 및 유실은 불가피하며, 현재 설계관행상 경험에 의한 침하 유실율, 시공지구의 지형, 축제재료, 조석을 고려하여 설계에 반영하고 있다. 암성토의 매립물량은 보통 세가지 방법에 의해 복합적으로 물량을 산정하고 있다. 첫 번째는 유수에 의한 손실량을 보정하는 방법으로 이에 대한 기존연구는 매우 미진한 상태이며, 경험적인 값을 인정하는 정도이다. 두 번째는 사석재의 치환량에 의한 산정방법으로 치환은 이론적인 방법과 유한요소해석에 의한 물량을 결정하며, 또는 매립후 치환형상과 침하량은 물리탐사 및 확인시추조사를 통하여 산정하고 있다. 세번째는 점토지반의 압밀침하량에 의한 방법으로 하중재하단계가 매우 복잡하므로 통상적인 연약지반 침하량 추정기법을 적용하기에는 매우 어려움이 많은 방법이다.

국내에서 암성토 또는 암버력 쌓기 시공법에 대한 내용을 포함하고 있는 설계기준는 Ministry of Land, Infra-structure and Transport, Road design practical manual(2012)과 Korea Expressway Corporation, Highway professional specification(2012) 및 Earthwork management guidelines(1997), Korea Railroad Corporation, Professional specification(2014) 등이 있다. 암성토의 설계기준은 대부분 노체 완성면 600 mm이하에서 시공하도록 규정하고 있으며, 층당 다짐두께는 600mm이하로 제한하고 있다. Table 1은 암버럭 성토에 관한 Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Road design practical manual(2012)의 설계기준을 나타낸 것으로 토사 또는 암버럭 등의 재료로 노체를 시공하는 경우 품질 및 다짐관리 사항을 Table 1과 같이 정리하였다.

Table 1. Quality and compaction of colid materials - Road design practical manual (2012)

3. 현장개요 및 시험방법

3.1 현장개요

연구 대상지역은 00시에 위치한 택지개발지역으로 현재 상대적으로 고지인 구릉성 산체지역을 절토하여 저지의 경작지 및 해안을 매립하여 택지를 조성 중에 있는 현장이다. Photo 1은 연구 대상지역의 시공전 전경사진을 나타낸 것으로 총사업 면적은 1단계 218,160평, 2단계 365,862평 그리고 3단계 264,566평으로 총 848,588평이다.

3.2 현장밀도 시험방법

다짐 후 현장에서 최대 지름 입자가 50mm 이하 흙에 대해서는 모래 치환법으로 단위중량을 측정하지만, 상대적으로 암성토의 경우와 같이 최대입경이 50mm이상인 조립재료에 대해서는 물치환법으로 현장밀도를 시험하는 것이 타당하다. 물치환법은 포설면이나 전압면에 시험공(치환공)을 굴착하여 공벽에 유연한 시트를 밀착시켜 부설한 후 그 안에 물을 주입하는 방법이다. 즉 치환공의 체적을 스트 내에 주입한 물의 체적으로 치환하여 계측하고, 굴착한 조립재료의 질량의 비로부터 현장밀도를 산정하는 방법이다(Choi et al., 2006).

현장밀도시험은 해안매립지역의 암성토 구간을 대상으로 체적환산계수를 산정하기 위하여 물치환법으로 실시하였으며, 설계시 적용된 매립지반의 체적환산계수를 실질적으로 확인하고자 시험하였다. 현장밀도시험은 Fig. 1과 같은 과정으로 수행하였다(Ju et al., 2007).

먼저 시험대상 부지에서 가로세로 1.5m정도로 측량한 후 약 1.0~1.5m정도로 굴착작업을 실시한 후 굴착토는 중량을 확인하기 위해 개근을 실시하였으며, 이때 시험전 트럭의 공차중량은 반드시 사전에 확인해야 한다. 그리고 시험대상 위치의 시료를 채취하여 시험공의 함수비 측정하고, 시험공 체적을 측정하기 위해 굴착공내 비닐을 2겹 포설한 후 물차와 대형계량기를 이용하여 시험공내에 물을 채운다. 물의 온도를 측정하여 밀도를 보정하며, 굴착토사량과 체적과의 관계를 이용하여 시험부지의 습윤단위중량과 건조단위중량을 계산한다.

이와 같이 물치환에 의한 현장밀도시험으로부터 구한 건조단위중량을 이용하여 체적변화율을 산정할 수 있으며, 이는 보다 정확한 현장의 체적환산계수를 결정하기 위한 시험방법이라 판단된다.

4. 암성토 지반의 체적환산계수 산정

4.1 암과 토사의 체적 부피비 산정

해안매립부지의 암성토지역을 대상으로 체적환산계수를 파악하기 위하여 3개소에 대하여 현장밀도시험을 실시하였으며, 시험과정은 앞서 설명한 바와 같이 실시하였다. Fig. 2는 채취시료에 대한 입도분석결과이다. 입도시험결과 한국토지공사 토공관리지침의 입도범위와 비교하면 Test-1의 경우에는 만족하고 있으나, Test-2,3의 경우에는 입도분포범위를 벗어나고 있다. 즉 암의 절취 및 운반과정에서 파쇄가 많이 진행된 것으로 암의 변질과 미세균열발달, 풍화 및 절리발달로 다량의 세편화가 되었음을 의미한다.

연구대상 현장은 비다짐 대상 해안매립부지이지만 운반, 정지시 중장비의 통행 및 도자에 의한 다짐이 발생한다. 따라서 매립과정에서 암을 토사와 혼합 성토하게 되면 자연적으로 공극채움을 현상과 더불어 다짐에 의한 파쇄토가 혼재하여 매립된다. 결과적으로 순수한 암버럭과 파쇄에 의한 매립토를 명확하게 구분하기는 현실적으로 어렵다.

체적부피비는 입도분석결과로부터 구하였으며, 입도는 최대 300mm, 최소 5mm정도의 현장용 체분석기를 제작하여 분석하였다. 그리고 본 연구에서는 입도분포곡선과 표준품셈의 토질 및 암의 분류에 기초하여 100mm를 기준하여 암을 분류하였다. 입도분석결과 암의 부피비는 Test-1, 2, 3의 경우 각각 57.1%, 61.8%, 65.5%이며, 토사의 부피비는 42.9%, 38.2%, 34.5%이다.

4.2 암성토 지반의 체적환산계수 산정

해안매립부지의 암성토지역을 대상으로 체적환산계수를 파악하기 위하여 Fig. 2와 같이 3개소에서 현장밀도시험을 실시하였으며, 체적환산계수는 건조단위중량법을 이용하여 산출하였다.

비다짐성토(혼합토) 1㎥의 건조단위중량은 성토량(혼합토) 1㎥속의 토사의 무게와 발파암 무게를 합한 중량이다. 를 비다짐성토(혼합토) 중의 비다짐 발파암의 건조단위중량이라 하면 다음과 같이 계산할 수 있다.

Test - 1    :          (1)

Test - 2    :          (2)

Test - 3    :          (3)

여기서 암과 토사의 체적부피비는 실내토질시험결과로부터 산정한결과 다음 Table 2와 같다.

Table 2. Volume ratio of mixing soil as grain size analysis

따라서, 비다짐성토(혼합토)상태 때의 체적환산계수를 C라 하면, C는 자연상태의 건조단위중량()을 비다짐성토(혼합토)상태의 건조단위중량()으로 나누어주면 된다.

Test - 1   :                       (4)

Test - 2   :                       (5)

Test - 3  :                        (6)

체적환산계수 :                         (7)

따라서 Table 3과 같이 물치환법에 의해 산정된 성토부의 발파암 평균체적환산계수를 검토한 결과는 1.001이었으며, 이는 일반적인 풍화암의 체적환산계수 1.1보다 작은 값이 나타났다. 암의 체적환산계수가 보다 작게 나타난 원인은 암성토지반의 공극채움재와 다짐 및 파쇄에 의한 지반침하에 의한 것으로 판단된다.

Table 3. Soil conversion factor of blasting rock using dry unit weight

그리고 체적환산계수 산정시 암의 자연상태 건조단위중량()은 시추조사시 core시료의 실내토질시험결과를 평균하여 24.72kN/㎥를 적용하였지만, 암석의 경우 심도와 위치에 따라 특성이 달라지므로 현장시험시 사전에 조사위치에서 암의 자연상태 건조단위중량()을 산정해야한다. 즉 Table 3에서와 같이 자연상태 건조단위중량()은 체적환산계수 C값의 주된 영향인자이기 때문에 매우 정확한 값이 요구된다.

암버럭을 이용하여 성토를 할 경우에는 교통하중에 의한 진동, 침투수 등에 의하여 세립자가 암버럭 사이의 공극으로 이동하여 침하가 발생될 가능성이 있으므로 이를 고려해야 한다. Construction Standard Production Unit system(2016)에서도 “암(경암·보통암·연암)을 토사와 혼합 성토할 때는 공극채움으로 인한 토사량을 계상할 수 있다”고 하였다. 이와 같이 공사특성상 암성토시 공극사이로 매립된 토사량은 매립물량부족의 원인으로 판단된다.

우리나라의 건설표준품셈은 품에 대한 실사자료가 많지 않기 때문에 대부분 일본자료를 많이 활용하고 있는 실정이다. 특히 암의 체적환산계수는 토질조사시에 측정도 불가능 하고 시공시 실시하더라도 암질 및 절취방법, 천공방법, 천공간격, 암과 토사의 혼합성토 비율 등으로 편차가 매우 크다. 또한 현재 우리나라의 절취를 위한 암분류는 풍화암, 연암, 보통암, 경암으로 구분하고 있으나, 체적변화률 적용을 위한 암분류에서는 풍화암이 별도로 구분되어 있지 않다. 부지에 매립하는 암성토의 경우 체적환산계수(체적산정)는 선정된 “C” 값에 따라 성토량을 결정한다. 따라서 공사현장 특성상 암성토에 따른 공극채움재를 현장밀도시험 결과에 따라 설계를 변경할 수 있다고 판단된다. Table 4는 국내기준과 현행 설계된 체적변화율 C값을 비교하여 나타낸 것이다.

Table 4. Comparison of the coil conversion factor “C” value

5. 암성토 지반의 체적환산계수에 관한 고찰

체적환산계수의 증감현상은 암버력 쌓기재와 상부 세립분 쌓기재와의 입자크기로 인한 세립토 침출, 암버력 쌓기에 따른 다짐방법, 암버력 쌓기시 파쇄, 또는 수침반복 등에 의한 연화로 인한 침하발생, 비다짐부에 대한 시방규정 미비, 발파암의 일률적인 체적환산계수 적용, 실시설계시 현장 및 실내토질시험 부족과 경험적인 값에 의존하는 등 여러 가지 근본적인 문제점에 안고 있다.

특히 암성토시 파쇄와 해안매립지에서의 연화로 인한 침하발생현상은 현장에서 빈번하게 발생하고 있으나 대부분 현장에서는 이를 규명하지 않고 경험적인 값에만 의존하고 있는 실정이다. 실제 암성토지반의 경우 Fig. 3과 같이 장비하중 및 다짐에 의해 암반의 파쇄가 발생하며 이는 결과적으로 토공량의 직접적인 증감원인을 제공하고 있다.

또한 매립구간에서 풍화 및 변질작용이 강하게 진행되는 암석의 경우에는 응력집중 및 장비하중에 의해 암석약화와 균열의 형성을 초래하게 된다. 즉 이러한 결과는  Fig. 3의 (a)와 같은 상태에서 수분공급이 빈번하거나 오랜 기간이 경과하면 암이 약화되어 응력이 집중된 부분이 파괴되며, 결과적으로 Fig. 3의(b)와 같은 상태로 암성토체의 침하를 유발하게 된다.

Fig. 4는 암성토지반의 지반침하에 관한 모식도이다.  Fig. 4의 (a)는 설계시 이상적인 토사와 암반지반의 성토고를 나타낸 것이며, Fig. 4의 (b)는 암성토지반의 경우 설계시 체적환산계수 C값에 의존하고 있는 암반의 공극을 고려한 것이다. 그리고 Fig. 4의 (c)는 암성토 지반내 공극이 암재료의 풍화 및 파쇄 그리고 연화현상과 암성토층 상부세립토의 침출 등에 의한 지반침하현상을 나타낸 것이다.

이와 같이 암석의 공극은 체적환산계수에 의해 결정되지만, 실질적으로 현장에서 공극의 측정이 매우 어려운 실정이다. 하지만 체적환산계수를 정확히 측정하기 위해 현장밀도시험을 실시하였으며, 현장밀도시험으로부터 구한 C값과 설계도서에 있는 평균 체적환산계수 C값을 비교함으로써 실제적인 증감토량을 간접적으로 추정할 수 있을 것으로 판단된다.

암성토의 경우 여러 가지 현상에 의해 토공량의 증감 원인을 제공하고 있으나, 이에 대한 조사 및 시험방법 등 구체적인 기술 등이 부족한 실정이다. 특히 체적환산계수는 실시설계시 대부분 경험적인 값에 의존하고 있으므로 현장 및 토질여건에 따라 정확한 현장시험시공에 따라 결정되어야 하지만, 현장에서는 여러 가지 조건을 고려한 체적변화율을 검토하여 적용하려는 의지와 관계시간의 노력이 부족한 상태이다. 이를 설계에 반영하기 위해서는 보다 많은 현장시험과 정확한 측정방법이 요구되고 있으나 무엇보다 이를 인정하지 않은 기술자의 불신과 현실이 가장 큰 문제점이라 판단된다.

6. 결 론

본 연구에서는 해안매립지역에서의 암성토 시공현장을 대상으로 체적환산계수를 산정하기 위하여 현장밀도시험을 실시하였으며, 결론을 다음과 같다.

(1)암성토지반의 경우 체적환산계수는 매우 중요한 설계항목으로 이를 정확히 측정하기 위해 현장밀도시험을 실시하였으며, 현장밀도시험으로부터 구한 C값과 설계도서에 있는 평균 체적환산계수 C값을 비교함으로써 실제적인 증감토량을 간접적으로 추정할 수 있을 것으로 판단된다.

(2)현장밀도시험결과 암성토부의 발파암 평균체적환산계수는 1.001로서 풍화암의 체적환산계수 1.1보다 작은 값이 나타났다. 암의 체적환산계수가 보다 작게 나타난 원인은 암성토지반의 공극채움재와 다짐 및 파쇄에 의한 지반침하에 의한 것으로 판단된다.

(3)해안지역의 암성토 시공사례를 통하여 체적환산계수를 검토하기 위한 조사방법중 물치환법에 의한 현장밀도시험방법이 매우 유용한 방법임을 확인하였다.

(4)향후 실시설계시 보다 합리적인 암성토의 토공량을 산정하기 위해서는 현장시험방법 및 자료축적과 더불어 암성토와 관련한 지속적인 연구가 진행되어야 할 것이다.