서 론
국내의 경우, 대부분 산지 지형이기에 도로나 구조물 시공을 위한 시설용지를 조성할 때 평탄성과 주행성 확보 등을 위해 흙쌓기는 필연적으로 발생한다. 흙쌓기 시 충분한 다짐을 수행하지 않을 경우, 구조물의 하중과 차량하중 등으로 인하여 침하가 발생하며, 발생한 침하로 인하여 흙쌓기층 상부에 위치한 구조물(건물, 도로 등)의 붕괴를 야기시킬 수 있다. 이에 따라 흙쌓기 시 다짐도 판정과 재료적 특성에 대해 엄격한 기준이 적용된다. 현재 현장의 지지력에 관한 다짐도 판정은 대부분 평판재하시험(plate loading test, PLT)을 통해 수행된다. 평판재하시험의 경우, 건설장비를 이용하여 반력하중을 재하하고, 재하판의 침하량을 측정하여 응력-침하 관계에 따른 곡선을 산정하고 기준 침하량에 따른 지지력을 산정하여 다짐도 판정을 수행한다. 이로 인해 상당한 비용과 작업공간, 충분한 시험시간 확보 및 시험자의 숙련도에 따른 오차 발생 등의 문제점이 있다. 이러한 평판재하시험의 문제점으로 인하여 MOLIT (2011)에서는 다짐도 판정 기법으로 평판재하시험을 대체하기 위해 소형충격재하시험(light falling weight deflectometer, LFWD)을 제안하였다. 소형충격재하시험의 경우, 경량 및 소형 장비로써 최소 1명으로 시험이 가능하며 시험시간 또한 5분 정도로 소모된다. 하지만, 평판재하시험에 비해 반력하중이 작아 응력전달범위가 적고 신뢰도는 다소 떨어지는 단점이 있으나, 이러한 문제점은 시험횟수를 증가시킴으로써 개선이 가능하다(KEC, 2018).
평판재하시험을 소형충격재하시험으로 대체하기 위한 연구는 다수 수행되었다(Choi et al., 2009; Bae, 2010; Lee et al., 2015; Baek et al., 2022). 하지만, 기존 연구들의 경우 대부분 지반조건에 따른 시험결과를 분리하지 않고 일괄적으로 회귀분석을 수행하는 등 제한적으로 수행되어 현장 기반의 시험데이터가 부족한 한계성을 가지고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 지반조건에 따른 분석을 위해 쌓기재의 종류가 골재와 토사로 구분되는 고속도로 건설현장 2곳을 선정하였다. 고속도로 건설현장 내 MOLIT (2017)에서 제시하는 시험시공에 대한 기준에 따라 시험부지를 조성하였으며, 시험부지 내 다짐장비의 통과횟수에 따라 다짐도를 다르게 설정하여 평판재하시험과 소형충격재하시험을 수행하였다. 지반종류에 따른 시험결과를 통해 지반조건에 따른 상관관계를 규명하였으며, 기존 제안식을 고찰하였다.
이론적 배경 및 기존 제안식
다짐 관리 기준
도로포장 하부구조 시공지침(MOLIT, 2017)에 따른 포장 하부구조의 다짐 판정 기준은 한국형 포장설계법(MOLIT, 2010)에 따른 설계탄성계수(resilient modulus, MR)와의 상관관계를 이용한다(Table 1 참고).
Fig. 1은 시험법에 따른 노상 다짐관리 방법을 나타내며, Fig. 2는 보조기층 다짐관리 방법을 타나낸다. 설계탄성계수(MR)를 통해 평판재하시험의 설계 지지력계수(K30)와 소형충격재하시험의 설계 탄성계수(ELFWD)를 산정하고, 최적함수비(optimum moisture content, O.M.C)의 ±2%의 범위를 유지하는 쌓기재를 이용하여 다짐을 수행한다. 다짐 시 현장의 다짐밀도는 쌓기재 최대건조단위중량()의 95% 이상이 되도록 하여야 하며, 최적함수비와 최대건조단위중량의 기준에 충족하지 못할 경우에는 재다짐을 수행한다. 다짐이 완료되면 현장에서 평판재하시험 또는 소형충격재하시험을 수행하여 현장 지지력계수와 현장 탄성계수를 측정한다. 측정된 현장 지지력계수 또는 탄성계수와 설계 계수를 비교하여 현장 측정값이 설계값보다 클 경우 다짐을 종료하며, 설계값이 클 경우 재다짐을 수행하여 다짐관리를 수행한다.
Table 1.
Compaction evaluation criteria for pavement substructures (MOLIT, 2017)
기존 제안식
Table 2는 기존 연구에서 제안된 평판재하시험의 지지력계수(K30)와 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)의 상관관계를 나타낸 것이다. Choi et al. (2009)은 노상 및 보조기층에서의 다짐관리장비로써 소형충격재하시험을 활용하기 위한 연구를 수행하였다. 지지력계수(K30)와 탄성계수(ELFWD) 간의 상관관계를 규명하였으며, 이를 위해 도로건설 현장 5곳을 선정하여 현장시험을 수행하였다. 하지만, 현장 유용토의 기본물성은 제공되지 않았으며, 모든 현장에서의 시험결과를 일괄적으로 분석하였다. 분석 결과, 노상의 경우 결정계수(R2)가 0.69로써 상관관계가 다소 떨어지는 것으로 나타났으며 보조기층의 경우 지지력계수(K30)와 탄성계수(ELFWD)를 약 1:2의 비율을 보이는 것으로 나타났다. MOLIT (2010)는 회복탄성계수(≒설계탄성계수, MR)를 이용한 한국형 포장설계법을 개발하였으며, 포장 하부구조의 다짐관리 시험으로써 소형충격재하시험을 제안하였다. 5곳의 현장을 선정하여, 평판재하시험과 소형충격재하시험을 수행하고 각 시험법들 간의 상관관계를 규명하였으며, 하한계 90% 이상을 만족하는 제안식으로써 Choi et al. (2009)의 연구에서의 보조기층 시험결과와 유사하게 지지력계수(K30)와 탄성계수(ELFWD)를 1:2의 비율을 보이는 것으로 제시하였다. Bae (2010)는 여러 다짐품질관리시험과 소형충격재하시험 간의 상관관계를 규명하였다. 철도 현장 및 도로 쌓기구간에서 평판재하시험과 반복평판재하시험, 소형충격재하시험을 수행하였다. 현장별로 통일분류법(USCS)에 따라 쌓기재는 SM, SC, GW이지만 지반 종류에 따른 시험결과를 구분하지는 않았다. 상관관계 분석 결과, 결정계수가 0.51로써 상관관계가 거의 없는 것으로 나타났다. Lee et al. (2015)은 다짐도 평가시험으로 수행되는 평판재하시험과 현장밀도시험, 동적콘관입시험, 동평판재하시험(≒소형충격재하시험)들 간의 상관관계를 분석하였다. 총 3곳의 현장을 선정하여 시험을 수행하였으며, 소형충격재하시험의 경우 현장 여건으로 인하여 2곳의 현장에서만 시험을 수행하였다. 노상의 두께를 20 cm부터 40 cm까지 조성하여 시험을 수행하여, 상관관계를 규명하였다. 상관관계를 분석한 결과, 기존의 연구와 비슷한 결과를 나타내지 못하며, 결정계수가 0.15로써 상관관계 없는 것으로 나타났다. Baek et al. (2022)은 다짐관리를 위한 동적콘관입시험과 소형충격재하시험의 활용성에 대한 연구를 수행하였다. 총 2곳의 현장 시험을 수행하였으며, 각 현장은 화강풍화토(통일분류법상 SP-SM)로 사용하는 고속도로 건설 현장과 준설토(통일분류법상 SM)를 사용한 매립현장이다. 원지반 위에 쌓기재를 400 mm 두께로 포설하고 다짐품질 기준(Table 1)에 따라 다짐을 수행하여 시험부지를 조성하였다. 상관관계 분석 결과, 평판재하시험의 탄성계수(EPLT)와 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)는 지수 형태의 상관관계를 보이는 것으로 나타났다.
Table 2.
Correlations between the bearing capacity and elastic modulus proposed in existing researches
| Researcher | Correlation | R2 | USCS |
| Choi et al. (2009) | Subgrade ELFWD = 0.2707 K30 + 11.146 | 0.69 | - |
| Subbase ELFWD = 0.4739 K30 + 7.9415 | 0.89 | ||
| MOLIT (2010) | ELFWD = 0.5 K30 | 0.80 | SW |
| Bae (2010) | ELFWD = 0.60 K30 − 43.39 | 0.51 | SM, SC, GW |
| ELFWD = 0.893 EPLT − 17.75 | 0.52 | ||
| Lee et al. (2015) | ELFWD = 0.1236 K30 + 12.082 | 0.15 | SM-SP |
| Baek et al. (2022) | EPLT = 15.277 (ELFWD)0.6077 | 0.7675 | SP-SM, SM |
현장시험 조건
시험부지 조성
지반조건에 따른 상관관계 분석을 위해 고속도로 건설현장 중 쌓기재로 골재와 토사가 사용되는 2개의 현장을 선정하였다. Fig. 3과 Table 3은 각 현장 쌓기재의 입도분포특성을 나타낸 것이다. Site A의 경우, 쌓기재로 토사가 사용되는 현장으로써 통일분류법 상 SP에 해당하며, 자갈과 모래의 함유량은 각각 30.41%, 68.51%로 산정되었다. 골재가 쌓기재로 사용되는 현장인 Site B의 입도분포 특성은 유효입경(D10) 3.41 mm이며, 통일분류법상 GP에 해당한다. 자갈의 함유량은 85.38%이며, 모래의 함유량은 14.44%로 나타났다. Table 4는 쌓기재의 기본 물성을 나타낸다. 입도분포시험을 통해 Site A의 쌓기재는 SP, 최대건조밀도는 17.71 kN/m3, 최적함수비는 10.1%로 산정되었다. Site B의 쌓기재는 GP에 해당하며, Site A에 비해 자갈 함유량이 높고, 대부분 골재에 해당하기 때문에 낮은 함수비에서 최대 건조밀도가 나타나며, 이 때의 최적함수비는 5.6%이며, 최대건조밀도는 21.72 kN/m3로 산정되었다.
Table 3.
Grain size properties of the fill material
| Division | Grain distribution | Contents (%) | |||||||
| D10 (mm) | D30 (mm) | D60 (mm) | Cu | Cg | Gravel | Sand | Silt | Clay | |
| Site A | 0.25 | 0.68 | 3.15 | 12.4 | 0.6 | 30.41 | 68.51 | 1.08 | - |
| Site B | 3.41 | 5.60 | 7.29 | 2.43 | 1.42 | 85.38 | 14.44 | 0.18 | - |
Table 4.
Soil properties of the fill material
| Division | USCS | (kN/m3) | O.M.C (%) |
| Site A | SP | 17.71 | 10.1 |
| Site B | GP | 21.72 | 5.6 |
현장시험 시 시험부지 조성은 MOLIT (2017)에 따라 조성하였으며, 시험부지 개요도는 Fig. 4와 같다. 시험부지는 다짐도에 따른 시험결과를 분석하기 위하여 다짐장비의 이동횟수에 따라 총 5구간으로 다짐도를 다르게 설정하였다. 각 현장의 시험부지는 다짐장비의 진입을 위해 12.0 m의 여유거리를 조성하였으며, 다짐도 구간의 길이는 6 m로 설정하였다. 한 구간 내 좌우로 구분하여 시험을 시행하였으며 각 시험 간의 간격은 Lee et al. (2015)과 KEC (2018)의 연구를 참고하여 소형충격재하시험과 평판재하시험의 간격은 1.5D를 적용하고, 평판재하시험 간의 간격은 3.0D를 적용하여 시험으로 인한 응력전달범위를 고려하였다. Fig. 5는 시험부지 조성과 현장시험 사진을 나타낸 것이다. 먼저, 현장에서 사용되는 쌓기재를 운반하고, 스크레이퍼 장비를 통해 부지를 조성하였다. 진동롤러 장비를 통해 진동다짐하였으며, 이 때 장비의 주행속도는 Lee (2009)의 연구결과를 참고하여 4 km/hr로 결정하였다.
본 연구에서 사용한 소형충격재하시험 장비는 TML사의 Portable FWD (TML, 2003)을 사용하였다. 해당 장비의 제원은 Table 5와 같으며, 현장시험 시 평판재하시험과의 시험결과를 비교하기 위하여 평판재하시험의 재하판과 동일한 직경인 300 mm을 사용하였으며, 하중추는 해당 장비에서의 최고 하중인 15 kg, 낙하고는 300 mm, 400 mm, 500 mm로 설정하여 시험을 수행하였다.
Table 5.
Specifications of TML Portable FWD model
| Division | Value |
| Load plate (mm) | 150, 200, 300 |
| Drop weight (kg) | 5, 10, 15 |
| Drop height (mm) | 50–530 |
| Max load (kN) | 20 |
| Max displacement (mm) | 2.500 |
지반조건이 다른 현장에서 소형충격재하시험과 평판재하시험의 상관관계 규명을 위하여 각 다짐도 구간별로 소형충격재하시험은 8회, 평판재하시험은 6회를 수행하였으며 각 현장별로 총 시험횟수는 소형충격재하시험 40회, 평판재하시험은 30회를 수행하였다(Table 6).
시험 결과 및 상관관계 분석
현장시험 결과
소형충격재하시험의 경우, 작용하는 하중의 크기가 작고 그에 따라 응력전달범위 또한 작다. 그로 인하여 응력전달범위 내에 위치한 골재 등에 대해 민감하게 반응하며 이로 인해 시험결과의 편차가 매우 크게 나타났다. Fig. 6은 다짐장비 통과횟수에 따른 소형충격재하시험 결과를 나타낸 것이다. 다짐장비 통과횟수가 증가함에 따라 소형충격재하시험을 통한 지지력계수(KLFWD)와 탄성계수(ELFWD) 모두 증가하는 것으로 나타났다. Site B에 비해 Site A에서 시험결과의 편차가 더욱 크게 나타났으며, 이는 현장 쌓기재의 골재 함유량에 기인한 것으로 검토되었다. Site A는 자갈함유량이 30.4%, 모래함유량이 68.5%이며, Site B는 자갈함유량 85% 이상으로 Site B에 비해 Site A가 재료의 이질적 특성에 민감하게 반응하기 때문이다.
Fig. 7은 다짐장비 통과횟수에 따른 평판재하시험 결과를 나타낸 것이다. 소형충격재하시험에 비해 비교적 시험결과의 편차가 작은 것으로 나타났다. 이는 소형충격재하시험과 반대로 중하중을 이용한 반력하중을 작용하기 때문에 하중의 크기가 크고, 그에 따라 응력전달범위가 크기에 범위 내에 위치한 골재에 대해 소형충격재하시험에 비해 민감도가 낮기 때문이다. 다짐장비 통과횟수가 증가함에 따라 평판재하시험을 통한 지지력계수(K30)와 탄성계수(EPLT) 모두 증가하는 것으로 나타났다.
지반조건에 따른 상관관계 분석
각 시험결과에 따른 상관관계 분석 시 Baek et al. (2022)은 일점 분석(individual point analysis, IPA)에 비해 평균값 분석(average point analysis, APA)을 사용할 경우 상관성이 향상되는 것으로 나타났으며, 평균값 분석의 경우 동일한 위치에서 반복적으로 수행되는 시험의 국부적인 변동성을 보정해준다고 제시하였다. 이에 따라 본 연구에서는 지반조건에 따른 상관관계 분석 시 평균값 분석을 사용하였으며, 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)와 평판재하시험의 지지력계수(K30)의 상관관계를 분석한 결과는 Fig. 8a와 같다. 토사로 구성된 Site A의 경우, Choi et al. (2009)의 보조기층에서의 상관관계와 MOLIT (2010)의 연구결과와 유사한 것으로 나타났다. 그러나 골재로 구성된 Site B의 경우, 기존 제안식과 상관성이 낮은 것으로 나타났으며, 이는 기존 제안식 유도를 위한 현장시험 시 적용된 지반조건이 토사가 대부분이기 때문이며 골재에 대한 연구는 미흡하기 때문으로 판단된다. Fig. 8b는 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)와 평판재하시험의 탄성계수(EPLT)의 상관관계를 분석한 결과이다. 토사인 Site A의 경우 소형충격재하시험과 평판재하시험의 탄성계수는 약 1:2의 관계를 보이는 것으로 나타났으며, 골재인 Site B의 경우 약 1:1.5의 관계를 보이는 것으로 나타났으며, 상관관계 규명을 위한 현장시험 시 입도조건과 대기 중 습도, 함수비 조건 등을 동일하게 설정하여 시험하는 것이 매우 어렵기 때문에 현장시험 결과를 통한 상관관계와 유사한 기존 제안식은 없는 것으로 나타났다.
본 연구를 통해 지반조건에 따른 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)와 평판재하시험의 지지력계수(K30)의 상관관계는 식 (1)과 같이 규명할 수 있다(Fig. 9a). 토사의 경우, MOLIT (2010)의 제안식과 동일하나, 자갈의 경우 상관성을 보이는 기존 제안식이 없으므로, 식 (2)와 같이 새로운 상관관계를 제안하였다. 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)와 평판재하시험의 탄성계수(EPLT)의 상관관계는 기존 제안식과 무관한 것으로 나타났으며, 이에 따라 지반조건별로 식 (2)와 같이 상관관계를 규명하고자 한다(Fig. 9b). 소형충격재하시험의 현장 적용성을 위해서는 절편값을 0으로 한 상관관계의 규명이 필요하지만, 이를 위해 함수비 조건과 많은 시험결과 등을 축적할 필요가 있다고 판단된다.
여기서, ELFWD는 소형충격재하시험을 통한 탄성계수(MPa), K30은 평판재하시험을 통한 지지력계수(MN/m3), EPLT는 평판재하시험을 통한 탄성계수(MPa)이다.
결 론
본 연구는 지반조건에 따른 소형충격재하시험과 평판재하시험 결과의 상관관계를 규명하고, 기존 제안식을 고찰하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 소형충격재하시험과 평판재하시험 간의 상관관계를 규명한 연구는 다수 수행되었으나, 지반조건에 따른 결과를 구분하지 않고 일괄적으로 상관관계를 분석하였으며 분석방법 또한 일점 분석(IPA)으로 수행하여 현장시험 시 발생하는 시험결과의 편차에 의한 오차를 고려하지 못하는 것으로 검토되었다.
(2) 자갈과 토사를 쌓기재로 사용하는 고속도로 건설현장 2곳을 선정하여, MOLIT (2011) 기준에 따라 시험부지를 조성하고, 소형충격재하시험과 평판재하시험을 수행하였다. 다짐장비 통과횟수에 따라 구간별로 다짐도를 다르게 설정하였으며, 다짐장비 통과횟수가 증가함에 따라 지지력계수와 탄성계수는 증가하는 것으로 나타났다. 또한 자갈로 구성된 Site B 현장이 토사로 구성된 Site A 현장에 비해 지지력계수와 탄성계수가 더욱 크게 나타났다.
(3) 소형충격재하시험의 경우, 평판재하시험에 비해 응력전달범위가 적고 그로 인해 응력전달범위 내에 위치한 골재에 대해 더욱 민감하게 반응하여 시험결과의 편차가 크게 나타났다. 또한, Site B는 대부분 자갈과 같은 골재로 구성된 데 비해, Site A는 대부분 토사로 구성되었으나 일부 골재를 포함하므로 Site A에서의 시험결과가 더욱 편차가 큰 것으로 나타났다.
(4) 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)와 평판재하시험의 지지력계수(K30) 간의 상관관계를 분석한 결과, Choi et al. (2009)의 보조기층에서의 상관관계와 MOLIT (2010)에서 제시한 상관관계와 비교적 유사한 것으로 나타났다. 하지만, 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)와 평판재하시험의 탄성계수(EPLT) 간의 상관관계는 기존 제안식과 상관성이 낮은 것으로 나타났다.
(5) 본 연구에서는 지반조건에 따라 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)와 평판재하시험의 지지력계수(K30) 간의 상관관계와 소형충격재하시험의 탄성계수(ELFWD)와 평판재하시험의 탄성계수(EPLT) 간의 상관관계를 규명하였다. 하지만, 현장 적용성을 확보하기 위해서는 함수비 조건, 다향한 지반조건 그리고 많은 시험결과를 축적하여 보다 높은 신뢰도의 상관관계를 규명할 필요가 있다고 판단된다.
