다짐 (토질역학)

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1. 개요
2. 목적
3. 다짐 곡선
- 3.1. 다짐 곡선의 특징
4. 다짐 에너지
5. 다짐도
6. 건설 현장에서의 흙 다짐
- 6.1. 흙 다짐 시 고려 사항
- 6.2. 다짐 방법
7. 실험실 다짐 시험
- 7.1. 주요 시험 방법
참조

1. 개요

다짐은 흙의 전단 강도를 증가시키고, 압축성 및 투수 계수를 감소시켜 지반의 성능을 향상시키는 기술이다. 다짐을 통해 흙의 단위 중량 증가, 지반의 압축성 및 투수성 감소, 전단 강도 및 지지력 증가 등의 효과를 얻을 수 있다. 흙을 다질 때 물의 양, 즉 함수비는 다짐 정도에 큰 영향을 미치며, 함수비와 건조 단위 중량의 관계를 나타낸 곡선을 다짐 곡선이라고 한다. 다짐 곡선은 최대 건조 밀도와 최적 함수비를 가지며, 흙의 종류와 다짐 에너지에 따라 곡선의 형태가 달라진다. 건설 현장에서는 구조물의 지지 기반을 다지기 위해 흙 다짐이 중요하게 사용되며, 흙의 다짐 정도는 현장 밀도를 실험실에서 결정된 최대 밀도와 비교하여 결정한다. 다짐 방법에는 정적, 충격, 진동, 선회, 롤링, 반죽 등이 있으며, 흙의 종류와 조건에 따라 적합한 방법을 선택한다. 실험실 다짐 시험은 흙의 성형 함수비와 건조 단위 중량 간의 관계를 결정하여 건설 현장에서 필요한 다짐 정도를 파악하는 데 사용된다.

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다짐 (토질역학)
개요
정의	토질의 밀도를 증가시키는 과정
목적	흙의 공학적 성질 개선 (전단 강도, 지지력, 투수성 감소, 침하량 감소 등) 구조물의 안정성 확보
적용 분야	흙댐 건설 도로 및 철도 건설 제방 및 하천 제방 건설 공항 건설 건축 구조물 기초 다짐
다짐 이론
함수비	흙 속에 포함된 물의 양 (건조 중량에 대한 물의 중량 백분율)
최대 건조 밀도	주어진 다짐 에너지에서 얻을 수 있는 최대 건조 단위 중량
최적 함수비	최대 건조 밀도를 얻을 수 있는 함수비
영 공기 간극 곡선	주어진 함수비에서 공기 간극이 0인 상태의 건조 밀도를 나타내는 곡선
다짐 방법
정적 다짐	롤러 다짐: 평탄 롤러, 탬핑 롤러, 진동 롤러, 고무 타이어 롤러 등 재하 다짐: 정적인 하중을 가하여 다짐
동적 다짐	낙하 다짐: 무거운 추를 낙하시켜 다짐 진동 다짐: 진동 에너지를 이용하여 다짐 폭발 다짐: 지표면이나 지중에 폭약을 터뜨려 다짐
특수 다짐	샌드 드레인 공법: 연약 지반에 모래 기둥을 설치하여 배수를 촉진하고 다짐 효과를 얻음 연직 드레인 공법: 연직 방향으로 배수재를 설치하여 다짐 효과를 높임 약액 주입 공법: 흙 입자 사이의 간극을 약액으로 채워 다짐 효과를 얻음 동결 융해 공법: 흙을 동결 융해시켜 다짐 심층 혼합 공법: 흙과 다른 재료를 혼합하여 다짐
다짐에 영향을 미치는 요인
흙의 종류	흙의 입도, 함수비, 액성 한계, 소성 지수 등에 따라 다짐 효과가 달라짐
다짐 에너지	다짐에 사용되는 에너지의 양 (다짐 횟수, 다짐 하중, 진동 주파수 등)
다짐 방법	사용되는 다짐 장비 및 방법에 따라 다짐 효과가 달라짐
층 다짐 두께	한 번에 다지는 흙의 두께
함수비	최적 함수비에 가까울수록 다짐 효과가 좋음
다짐 시험
실내 다짐 시험	표준 다짐 시험 (Standard Proctor Compaction Test): 3층 다짐 수정 다짐 시험 (Modified Proctor Compaction Test): 5층 다짐, 더 큰 다짐 에너지 사용 캘리포니아 지지력 시험 (California Bearing Ratio Test, CBR): 노상토 지지력 평가
현장 다짐 시험	모래 치환법 (Sand Cone Method): 흙을 파내고 모래로 채워 밀도 측정 고무 풍선법 (Rubber Balloon Method): 고무 풍선을 이용하여 흙의 부피 측정 방사성 동위원소법 (Nuclear Density Gauge Method): 방사성 동위원소를 이용하여 밀도 및 함수비 측정 들밀도 시험 (In-situ Density Test): 현장에서 직접 흙의 밀도를 측정
다짐도
정의	현장 건조 밀도와 실내 최대 건조 밀도의 비율 (%)
중요성	다짐도 90% 이상 확보가 일반적이며, 구조물 안정성에 중요한 지표
추가 정보
관련 용어	토질역학 지반공학 성토 절토

2. 목적

다짐을 실시하는 목적은 흙의 전단 강도를 증가시키고 공극비를 감소시켜 흙의 압축성을 낮게 하여 투수 계수를 감소시키는 데 있다. 다짐을 통해 얻을 수 있는 효과는 다음과 같다.

흙의 단위 중량 증가
지반의 압축성, 투수성 감소
전단 강도, 부착력 증가
침하나 파괴 방지
지반의 지지력 증가
동상, 팽창, 건조, 수축 감소

흙 다짐은 건설 과정에서 중요한 부분이다. 건물 기초, 도로, 보도, 토류 구조물 등 구조물의 지지 기반으로 사용된다. 일반적으로 미리 선택된 토양은 적절한 강도를 가져야 하며, 향후 압축성이 거의 없어 침하가 심각하지 않아야 하고, 수분 함량 또는 기타 요인이 변화함에 따라 부피 변화에 대해 안정적이어야 하며, 열화에 대해 내구성이 있고 안전하며, 적절한 투수성을 가져야 한다.^[3]

3. 다짐 곡선

흙을 다질 때는 물을 뿌리면서 다진다. 뿌려진 물은 흙 입자 사이에서 윤활유와 같은 역할을 하면서 흙이 잘 다져지도록 돕는다. 그러나 물이 너무 적어도, 너무 많아도 잘 다져지지 않기 때문에, 얼마만큼의 물을 뿌려야 하는지 정해야 한다. 흙에 물이 얼마나 포함되어 있는가는 함수비 w를 통해 나타내고, 얼마나 다져졌는가를 평가할 때는 건조단위중량

\gamma_d

를 본다. 따라서 이 둘의 관계를 곡선으로 나타내서, 필요한 살수량을 구할 수 있다.

x축을 함수비(w), y축을 건조 단위중량(

\gamma_d

)으로 하는 직교 좌표 상에 함수비와 건조 단위중량 사이의 관계를 나타낸 곡선을 '''다짐 곡선'''이라고 한다. 다짐 곡선은 위쪽이 볼록한 종 모양으로 나타나는데, 건조 밀도(

\gamma_d

)가 최대가 되는 값을 '''최대 건조 밀도'''(

\gamma_{dmax}

)라고 하고, 이때의 함수비를 '''최적 함수비'''(OMC,

W_{opt}

)라 한다. 최적 함수비보다 작은 쪽(함수비가 감소되는 방향)을 '''건조측''', 큰 쪽(함수비가 증가하는 방향)을 '''습윤측'''이라 한다.

3. 1. 다짐 곡선의 특징

흙을 다질 때 물을 뿌리면 물이 흙 입자 사이에서 윤활유 역할을 하여 흙이 잘 다져지도록 돕는다. 그러나 물이 너무 적거나 많으면 잘 다져지지 않으므로, 적절한 살수량을 정해야 한다. 흙의 함수비(w)와 건조단위중량(

\gamma_d

)의 관계를 나타낸 곡선을 '''다짐 곡선'''이라고 한다. 다짐 곡선은 위쪽이 볼록한 종 모양이며, 건조 밀도(

\gamma_d

)가 최대가 되는 값을 '''최대 건조 밀도'''(

\gamma_{dmax}

), 이때의 함수비를 '''최적 함수비'''(OMC,

W_{opt}

)라 한다. 최적 함수비보다 작은 쪽(함수비 감소)을 '''건조측''', 큰 쪽(함수비 증가)을 '''습윤측'''이라 한다.

다짐 곡선의 특징은 다음과 같다.

조립토(모래질)일수록 다짐 곡선은 급하고, 세립토(점토질)일수록 완만하다.
사질토에서는 최대 건조 밀도( $\gamma_{dmax}$ )가 증가하고 최적 함수비(OMC, $W_{opt}$ )는 감소한다. 즉, 곡선이 왼쪽 상방향에 그려진다.
점토분이 많은 흙은 최대 건조 밀도( $\gamma_{dmax}$ )가 감소하고 최적 함수비(OMC, $W_{opt}$ )는 증가한다. 즉, 곡선이 오른쪽 하방향에 그려진다.
양입도의 흙에서는 건조밀도( $\gamma_{dmax}$ )가 높고 최적 함수비(OMC, $W_{opt}$ )는 낮다. 즉, 곡선이 왼쪽 상방향에 그려진다.
사질토의 다짐일량이 점질토의 다짐일량보다 크다.
최적 함수비(OMC, $W_{opt}$ )보다 약간 건조측에서 전단 강도가 최대가 된다.
최적 함수비(OMC, $W_{opt}$ )보다 약간 습윤측에서 투수 계수가 최소가 된다.
건조측에서 다지면 팽창성이 크고, 최적 함수비(OMC, $W_{opt}$ )에서 다지면 팽창성이 최소이다.
건조측에서 다지면 면모 구조가 되고, 습윤측에서 다지면 이산 구조가 된다.

4. 다짐 에너지

다짐 에너지가 증가하면 최대 건조 밀도( $\gamma_{dmax}$ )가 증가하고, 최적 함수비(OMC, $W_{opt}$ )는 감소한다. 다짐 에너지가 감소하면 최대 건조 밀도( $\gamma_{dmax}$ )는 감소하고, 최적 함수비(OMC, $W_{opt}$ )는 증가한다.

5. 다짐도

다짐도 $R_c$ 는 현장의 건조 밀도를 시험실의 최대 건조 밀도로 나눈 백분율 값이다.

: $R_c=\frac{\gamma_{d(field)}}{\gamma_{dmax(lab)}}\times 100(\%)$

6. 건설 현장에서의 흙 다짐

흙 다짐은 건설 과정에서 건물 기초, 도로, 보도, 토류 구조물 등 구조물의 지지 기반으로 사용되므로 매우 중요하다.

영역을 채우거나 되메움할 때, 토양은 리프트라고 하는 층으로 배치된다. 첫 번째 채움 층이 제대로 다져지려면 덮여 있는 자연 재료의 상태가 적합해야 한다. 부적합한 재료 위에 흙을 채우면 오랜 시간 압축되어 흙 채움이나 그 위에 지지되는 구조물에 침하 균열이 발생할 수 있다.^[4] 이를 확인하기 위해 무거운 건설 장비를 굴려 변형을 관찰하는 검증을 할 수 있다. 바퀴 자국, 펌핑, 지반 흔들림 등이 발생하면 부적합한 재료가 있다는 것을 알 수 있다.^[5]

프로젝트 사양에는 적절한 흙 다짐을 위해 달성해야 하는 흙 밀도나 다짐 정도가 나타나 있으며, 이는 지반 기술 엔지니어가 보고서에서 권장한다.

토양 유형(흙 입자 크기 분포, 모양, 비중, 점토 광물 양과 유형)은 최대 건조 단위 중량과 최적 수분 함량, 그리고 다짐 방법에 큰 영향을 미친다.^[6] 모래와 자갈은 진동으로, 실트와 점토는 쉽풋 롤러를 사용해 공기를 빼내어 다진다.

다짐이 잘 되었는지는 현장 밀도를 실험실에서 얻은 최대 밀도와 비교하여 결정한다. 프록터 다짐 시험이 가장 흔한 실험실 테스트이며, '표준 프록터'와 '개량 프록터' 두 가지 방법이 있다. 개량 프록터가 더 많이 사용되지만, 작은 댐의 경우 표준 프록터가 참고가 될 수 있다.^[5]

구조물과 포장 도로 아래 흙은 다져야 하지만, 식물이 자랄 조경 영역은 다짐을 풀어주는 것이 중요하다.

6. 1. 흙 다짐 시 고려 사항

흙 다짐은 건설 과정에서 건물 기초, 도로, 보도, 토류 구조물 등 구조물의 지지 기반으로 사용되므로 매우 중요하다. 일반적으로 사용될 흙은 적절한 강도를 가져야 하며, 앞으로 압축성이 거의 없어 침하가 심각하지 않아야 한다. 또한, 수분 함량 등의 변화에 따라 부피 변화가 적고, 열화에 대해 안전하며, 적절한 투수성을 가져야 한다.^[3]

흙을 채우거나 되메울 때는 흙을 리프트라고 하는 층으로 배치한다. 첫 번째 층이 제대로 다져지는 것은 아래에 있는 자연 재료의 상태에 달려있다. 부적합한 재료 위에 흙을 채우면 오랜 시간 압축되어 흙 채움이나 그 위에 지지되는 구조물에 침하 균열이 발생할 수 있다.^[4] 이를 확인하기 위해 무거운 건설 장비를 굴려 변형을 관찰하는 검증을 할 수 있다. 바퀴 자국, 펌핑, 지반 흔들림 등이 발생하면 부적합한 재료가 있다는 것을 알 수 있다.^[5]

적절한 흙 다짐을 위해 프로젝트 사양에는 필요한 흙 밀도나 다짐 정도가 나타나 있으며, 이는 지반 기술 엔지니어가 보고서에서 권장한다.

토양 유형, 즉 흙 입자의 크기 분포, 모양, 비중, 점토 광물의 양과 유형은 최대 건조 단위 중량과 최적 수분 함량, 그리고 다짐 방법에 큰 영향을 미친다.^[6] 다짐은 중장비를 사용하는데, 모래와 자갈은 진동으로, 실트와 점토는 쉽풋 롤러를 사용해 공기를 빼낸다.

다짐이 잘 되었는지는 현장 밀도를 실험실에서 얻은 최대 밀도와 비교하여 결정한다. 가장 흔한 실험실 테스트는 프록터 다짐 시험이며, '표준 프록터'와 '개량 프록터' 두 가지 방법이 있다. 개량 프록터가 더 많이 사용되지만, 작은 댐의 경우 표준 프록터가 참고가 될 수 있다.^[5]

구조물과 포장 도로 아래 흙은 다져야 하지만, 식물이 자랄 조경 영역은 다짐을 풀어주는 것이 중요하다.

6. 2. 다짐 방법

흙을 다지는 방법에는 여러 가지가 있다. 어떤 방법은 특정 흙이나 특정 조건의 흙에 더 적합하며, 일부 기술은 아스팔트와 같은 흙이 아닌 재료를 다지는 데 더 효과적이다. 일반적으로 압축 응력뿐만 아니라 상당한 전단 응력을 가할 수 있는 방법이 가장 좋다.

흙을 다지는 기술은 다음과 같이 분류할 수 있다.

정적 다짐: 큰 응력을 흙에 천천히 가한 후 해제한다.
충격 다짐: 큰 질량을 흙 표면에 떨어뜨려 응력을 가한다.
진동 다짐: 기계로 구동되는 판이나 해머를 통해 응력을 반복적이고 빠르게 가한다. 종종 롤링 다짐과 결합된다.
선회 다짐: 정적 응력이 가해지고 한 방향으로 유지되는 동안 흙은 정적 하중 축을 중심으로 선회 운동을 한다. 실험실 적용에 제한된다.
롤링 다짐: 무거운 실린더를 흙 표면 위로 굴린다. 스포츠 경기장에서 흔히 사용된다. 롤러 콤팩터는 효과를 높이기 위해 진동 장치가 장착되는 경우가 많다.
반죽 다짐: 인접한 위치에서 교번 운동으로 전단이 가해진다. 롤링 다짐과 결합된 예로 매립지의 폐기물 다짐에 사용되는 '양발' 롤러가 있다.

다짐을 수행하는 데 사용할 수 있는 건설 장비는 매우 다양하며, 로드 롤러에 자세히 설명되어 있다.

7. 실험실 다짐 시험

실험실 다짐 시험은 흙의 성형 함수비와 건조 단위 중량 간의 관계를 결정하기 위해 사용되는 방법이다. 이 시험을 통해 토목 공학적 채움재로 사용되는 흙의 전단 강도, 압축성, 투수성 등 공학적 특성을 만족시키는 최적의 다짐 조건(다짐 백분율, 성형 함수비)을 결정할 수 있다. 또한, 기초 흙의 공학적 특성을 향상시키기 위해 다짐이 필요한 경우에도 이 시험을 활용한다.^[7]

7. 1. 주요 시험 방법

흙 다짐기는 흙의 성형 함수비와 건조 단위 중량 간의 관계를 결정하기 위해 사용되는 실험실 다짐 방법을 다루는 시험 방법을 수행하는 데 사용된다. 토목 공학적 채움재로 배치된 흙은 전단 강도, 압축성 또는 투수성과 같은 만족스러운 공학적 특성을 얻기 위해 조밀한 상태로 다져진다. 또한, 기초 흙은 종종 공학적 특성을 향상시키기 위해 다져진다. 실험실 다짐 시험은 필요한 공학적 특성을 달성하는 데 필요한 다짐 백분율과 성형 함수비를 결정하고, 필요한 다짐과 함수비가 달성되도록 건설을 관리하는 기초를 제공한다. EN 13286-2, EN 13286-47, ASTM D698, ASTM D1557, AASHTO T99, AASHTO T180, AASHTO T193, BS 1377:4와 같은 시험 방법은 흙 다짐 시험 절차를 제공한다.^[7]

참조

_[1] 웹사이트 Soil compaction due to lack of water in soil https://web.archive.[...]
_[2] 논문 Comparative Evaluation of Compacting Process for Base Materials using Lab Compaction Methods 2019
_[3] 서적 Essentials of Soil Mechanics and Foundations Pearson Prentice Hall
_[4] 서적 Essentials of Soil Mechanics and Foundations Pearson Prentice Hall
_[5] 서적 Essentials of Soil Mechanics and Foundations Pearson Prentice Hall
_[6] 서적 Principles of Geotechnical Engineering Brooks/Cole
_[7] 웹사이트 Automatic Soil Compactor http://cooper.co.uk/[...] Cooper Research Technology 2014-09-08

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