Physical and Mechanical Characteristics of Subgrade Soil using Nondestructive and Penetration Tests

地 盤 工 學

第31卷 第1C 號·2011年 1月 pp. 19~27

비파괴시험과 관입시험에 의한 노상토의 물리·역학적 특성

Physical and Mechanical Characteristics of Subgrade Soil using Nondestructive and Penetration Tests

김규선*·김동휘**·프라타 단테***·이우진****

Kim, Kyu-Sun·Kim, Dong-Hee·Fratta, Dante·Lee, Woojin

···

Abstract

This paper evaluates the applicability of wave-based nondestructive methodologies and a penetration test for compaction quality measurements during road construction. To evaluate the physical and mechanical properties of compacted subgrade soil layers, soil stiffness gauge (SSG), time domain reflectometry (TDR), and miniature electro-mechanical systems (MEMS) accel- erometers were used to nondestructively evaluate the soil response during and after compaction and dynamic cone penetrom- eter (DCP) profiles were used to evaluate the soil shear strength after compaction was completed. At the field site, two types of soils were compacted with four different compaction equipments and energies. Field testing results indicate that soil param- eters evaluated by different testing methods, which are SSG, TDR, MEMS accelerometer, and DCP, are highly correlated. In addition, it is shown that the physical and mechanical tests deployed in this study can be used as alternative methods to the conventional compaction quality evaluation methods when assessing the overall quality and the engineering response of com- pacted lifts.

Keywords : nondestructive test, penetration test, elastic wave, compaction

···

요 지

본 연구에서는 도로 성토현장에서 파 기반의 비파괴시험법과 관입시험의 현장 다짐품질 측정에 대한 적용성을 평가하였다.

현장에서 다짐 노상토의 물리·역학적 특성을 평가하기 위해 흙강성 측정기(SSG), 시간영역 반사측정기(TDR), 소형 전기-기 계 시스템(MEMS) 가속도계 등의 비파괴시험을 이용하여 다짐 전후 흙의 응답을 평가하였고, 동적 콘관입시험기(DCP)를 이용하여 다짐 후 전단특성을 평가하였다. 현장시험은 두 가지 흙의 종류에 대해 네 가지의 다짐장비 및 다짐에너지로 조성 된 성토지반에서 수행되었다. 시험결과, 조사 매커니즘이 다른 시험법인 SSG, TDR, MEMS 가속도계 및 DCP로 측정된 흙의 파라메터들은 상호 연관성이 있는 것으로 분석되었으며, 다짐지반의 전체적인 품질 및 공학적인 응답을 고려하여 시험 방법들을 현장에 적용할 경우, 기존의 다짐도 평가 방법들을 대체 또는 보완하여 현장에서 신속한 다짐품질 평가를 수행할 수 있는 것으로 나타났다.

핵심용어 : 비파괴시험, 관입시험, 탄성파, 다짐

···

1. 서 론

다짐은 흙의 밀도를 증가시켜 지반의 전단강도와 강성을 증가시키고, 흙의 압축성과 투수성을 감소시키는 과정으로, 도로, 제방 및 댐 공사의 필수 공정이다. 다짐 성토체에 대 한 관리기준을 만족시키기 위해서는 다짐 중 품질관리가 매 우 중요한데, 특히, 도로의 기초인 노상(subgrade)과 노체 (road bed) 는 지반지지력과 강성을 확보하여 상부 하중에 의 한 파괴 및 침하를 방지해야 하므로, 다짐시 품질관리는 도 로의 안정적인 운용을 위해 매우 중요하다. 전통적인 다짐관

리 방법은 오랜 기간 현장적용을 통해 검증되었지만, 시험시 간이 길고 측정자에 따른 개인 오차 등을 정량화하기 어렵 기 때문에, 경우에 따라 다짐관리기준을 만족시키기 위해 다 짐을 반복하다가 과다짐을 유발할 가능성이 존재한다(조성민, 2002). 또한, 도로 및 성토지반의 설계는 흙의 역학적 특성 인 강도 및 변형특성을 이용하나, 실제 다짐관리는 평판재하 시험 여건의 한계로 인해 들밀도시험으로 측정한 물리적 특 성인 단위중량을 주로 이용하고 있어 설계시와 시공시의 다 짐관리 기준의 개념적인 차이가 발생하기도 한다.

최근에는 설계와 시공단계에서 동일한 역학적 개념을 적용

*정회원·교신저자·삼성물산(주) 건설부문 기반기술연구소 선임연구원 (E-mail : [email protected])

**정회원·고려대학교 건축·사회환경공학부 박사과정

***위스콘신매디슨대학교 사회환경공학과 부교수

****정회원·고려대학교 건축·사회환경공학부 교수

할 수 있는 간편하고 정확한 다짐관리 기법에 관한 연구가 지속적으로 수행되고 있으며, 전통적인 다짐 품질관리 시험 방법을 보완하기 위한 빠르고 경제적인 비파괴시험법 및 지 반교란을 최소화할 수 있는 현장 관입시험의 수요가 점차 증가하고 있다(Nazzal, 2003; 최준성, 2008; 국토해양부, 2009). 비파괴시험법은 탄성파(elastic wave)나 전자기파 (electromagnetic wave) 가 지반을 투과하는 동안의 임피던스 변화나 파의 도달시간을 이용하여 지반 내의 이상치를 검측 하거나 물리·역학적인 특성을 파악하는 시험방법이다. 현장 관입시험은 지반교란을 최소할 수 있어 원지반의 이완을 최 소화하면서 특정 위치에서의 강도 특성을 평가할 수 있는 시험방법이다. 이들 방법들은 기존의 들밀도시험과 평판재하 시험보다 시험 소요시간이 짧아 경제적이고 간편하게 시험 을 수행 할 수 있으며, 비파괴 및 관입시험은 역학적 개념 의 시험방법이므로 도로의 설계, 시공 및 유지관리의 전 과 정에 대하여 일관성 있는 기준으로 다짐관리를 수행할 수 있는 장점이 있다. 기존의 연구에서는 비파괴 및 관입시험 결과를 다짐 평가방법으로 활용하기 위해, 모래치환법과 방 사선밀도 측정기(Mamlouk, 1988), 캘리포니아 지지력비 (California Bearing Ratio, CBR) 시험과 동적 콘관입시험 (Webster 등, 1992), 평판재하시험과 동적 콘관입시험 (Konrad 와 Lachance, 2001), 평판재하시험과 흙강성 측정기 (Petersen 등, 2002), 흙강성 측정기와 동적 콘관입시험(Edil 과 Sawangsuriya, 2006) 등의 상관관계에 관한 연구가 활 발히 진행되어 왔다. 비파괴 및 관입시험은 도로표면에서 수 행되는 간편한 방법이므로 다짐 품질조사 범위의 확대 및 공기를 단축할 수 있는 부가효과까지 기대할 수 있다. 하지 만, 이러한 시험법들을 기존의 다짐도 평가 시험의 대체 시 험법으로 이용하여 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해서는, 시험 방법의 특성, 흙의 상태에 따른 적용성 및 측정 깊이의 한 계 등에 대한 고려가 선행되어야 한다.

본 연구에서는 다짐 품질 평가를 위해 비파괴시험법과 관 입시험법을 이용하여 노상토의 물리·역학적 특성을 평가하 였다. 발생 가능한 여러 가지 현장상황을 고려하기 위해서, 다양한 다짐에너지(다짐장비) 및 다짐두께로 조성된 도로 성 토지반에 대해서 조사 매커니즘이 다른 시험방법으로 측정 된 파라메터들의 상관관계를 비교·분석하였으며, 이 결과들 을 이용하여 비파괴 및 관입시험법의 현장 적용과 관련한 발생 가능한 문제점 및 실험결과의 신뢰도 등을 평가하였다.

2. 다짐 품질 평가방법

2.1 국내 평가 방법

노상토의 다짐 품질을 평가하기 위한 방법으로는 다짐시험 (KS F 2312), 현장 들밀도시험(KS F 2311) 및 평판재하시 험(KS F 2310)이 있다(한국건설기술연구원, 2007; 건설교통 부, 2009; 박철수 등, 2009). 현재 국내 기준에 따르면, 노 상토의 다짐품질은 상대 다짐도와 지지력계수로 평가된다(표 1). 다짐시험 및 들밀도시험은 시험의 절차가 간단하나 측정 시간이 많이 소요되며, 시험자의 숙련도에 따라 시험의 정밀 도 차이가 발생하는 단점이 있다. 평판재하시험은 지반에 설 치된 재하판에 단계재하를 수행하여 얻은 하중-침하 곡선으

로부터 결정한 지반반력계수와 극한지지력을 다짐관리에 이 용하는 시험법이다. 이 방법은 큰 하중범위의 반력을 얻기 위해서 대형 장비가 필요할 뿐만 아니라 시험에 소요되는 시간도 오래 걸리는 단점이 있다. 통상적으로 평판재하시험 으로 산정한 지반반력계수와 다짐시험에서 결정한 최대 건 조밀도의 일정비율을 관리기준으로 이용하여 지반의 다짐품 질을 평가한다.

2.2 다짐품질 평가를 위한 비파괴시험과 관입시험 2.2.1 흙강성 측정기

흙강성 측정기(Soil stiffness gauge, 상품명 GeoGauge

, 이하 SSG)는 표면에서 간단하게 흙의 강성을 측정하기 위하 여 개발되었으며, 무게 10kg, 직경 280mm, 높이 254mm 크기로 휴대할 수 있다(그림 1). SSG는 지표면에서 측정된 흙의 강성을 이용하여 신속하게 흙의 탄성계수(SSG modulus, E

) 를 평가할 수 있어 평판재하시험과 같이 규 모가 큰 전통적인 시험방법에 비해 경제적인 실험이 가능하 다. 장비의 측정깊이는 20~30cm로 일반적인 도로의 회당 성토두께(lift thickness)에 해당되며, 측정장비의 구체적인 제 원은 표 2와 같다. SSG 내부의 진동발생기는 100~196Hz 범 위의 서로 다른 진동수를 가진 25회의 진동을 발생시키며, 각각의 진동에 대한 변위량을 내부 게이지를 이용하여 측정 한다. 표면에서 발생시킨 진동으로 발생한 단위 변위에 대한 하중의 평균값으로 흙의 강성을 측정한다. 측정된 강성은 식 (1) 과 같은 관계를 가지며, 흙의 탄성계수(E

) 는 이 식을 통하여 환산될 수 있다.

(1) 여기서, P는 진동에 의해서 가진된 하중, δ는 변형량, R은

K P

--- δ 1.77 RE ⋅

1 – ν

---

≈

=

표 1. 성토 종류별 다짐관리기준(국토해양부, 2009)

구 분 노체 노상 보조기층

수정CBR CBR(%) 2.5 10 30

들밀도시험 다짐도(%) 90 95 95

평판재하 시험

아스팔트 포장 침하량(cm) 0.25 0.25 0.25 지지력계수(kgf/cm

) 15 20 30 콘크리트 포장 침하량(cm) 0.125 0.125 0.125

지지력계수(kgf/cm

) 10 15 20

그림 1. 흙강성 측정기: (a) SSG 개략도, (b) 현장시험 장면

링의 외경, ν는 흙의 포아송비(=0.35), E

는 흙의 탄성계 수를 의미한다. 다른 일반적인 응력-변형 시험방법을 이용하 여 강성을 구하기 위해서는 측정 가능한 변형을 발생시키기 위해 큰 하중이 필요하므로 지반을 교란시키는 단점이 있다 . 그러나 SSG는 매우 작은 하중과 변형으로 지반의 강성을 측정하므로 지반의 교란을 최소화하는 장점이 있다. 따라서, 이 장비를 이용하여 건설재료의 품질관리를 비파괴적으로 신 속하게 수행할 경우 다짐관련 경비 절감을 기대할 수 있다 (Sawangsuriya 등, 2003; Edil과 Sawangsuriya, 2006).

2.2.2 소형 전기-기계 시스템 가속도계

소형 전기-기계 시스템(Miniature Electro-Mechanical Sys- tems 이하 MEMS) 가속도계는 시간에 따른 가속도, 속도, 변형을 모니터 할 수 있는 경제적인 센서이다. MEMS 가속 도계는 소형으로 지반 내부에 설치가 용이하여 경제적이고 정확한 계측이 가능하기 때문에 외부하중에 대한 지반 내부 의 다양한 정보를 얻을 수 있다(Hoffman 등, 2006). 성토 지반의 다짐품질 평가를 위해서 그림 2와 같이 가속도계를 다짐 이전에 설치하며, 상부에서 발생된 충격이 토층 내부로 전파되는 관계를 이용하여 흙의 P파 속도를 측정할 수 있다 ( 식 (2)). 또한, 흙의 P파 속도를 이용하여 흙의 탄성계수 (E

) 를 산정할 수 있다.

(2) 여기서, V

는 P파 속도, L은 전파거리, t

는 도달시간을 의 미한다.

2.2.3 시간영역 반사측정기

시간영역 반사측정기(Time domain reflectometry 이하 TDR) 는 흙의 체적함수비를 측정하는데 널리 사용되는 전자

기파 측정 장비로 외형 및 측정원리는 그림 3과 같다(Topp 등, 1980; Benson과 Bosscher, 1999; Schneider와 Fratta, 2009). TDR 은 측정된 탐사기 주변 흙의 전자기파 속도로 체적함수비를 추정한다. 또한, 다짐 전후의 체적함수비를 이 용하여 흙의 강도 및 변형특성의 변화를 추정한다. Topp 등 (1980) 은 측정된 전자기파 속도로 추정한 유전상수와 흙의 체적함수비와의 관계를 식 (3)과 같이 제안하였으며, 이 식 은 일반적인 경험식으로 널리 이용되고 있다.

(3) 여기서, θ는 체적함수비, K

는 겉보기 유전상수이다. TDR을 이용하여 측정된 체적함수비는 흙의 물리적인 관계(식 (4)- (6) 참조)를 이용하여 중량함수비로 환산이 가능하기 때문에 노건조의 과정 없이 신속하게 현장 흙의 함수비를 추정할 수 있다.

: 중량함수비 (4)

: 체적함수비 (5)

(6) 여기서, θ는 체적함수비, w는 중량함수비, W는 중량, V는 부피, ρ는 밀도를 의미한다.

2.2.4 동적 콘관입시험기

동적 콘관입시험기(Dynamic Cone Penetrometer 이하 DCP) 를 이용한 관입시험은 현장 강도특성을 평가하여 흙의 다짐 품질관리에 사용된다. DCP 시험은 사전 지반조사, 건 설 중 품질관리, 건설된 성토체에서의 연약지점 파악 및 현 장 재료의 균질성 검측 등에 이용될 수 있다(Abu-Farsakh 등, 2005; Edil과 Sawangsuriya, 2006). 콘의 선단은 60

이 며 2cm 직경의 콘팁은 8kg의 낙하추의 타격에 의해 관입된 다(그림 4). 콘관입시험기의 관입율은 DCP 지수(DPI, DCP Penetration Index) 혹은 DCP 관입율(DCP-PR, DCP Pene- tration Rate) 이라고 불린다. DPI는 토층의 균질성과 전단저 항력을 건조밀도 및 유효응력의 함수로 나타내며, 측정값은 CBR, 전단강도, 회복탄성계수, 탄성계수, 흙의 분류 등과의 상관관계가 있다(Burnham과 Johnson, 1993). 측정된 DPI V

L

t

= ----

θ = – 0.053 + 2.92 ⋅ 10

K

– 5.5 ⋅ 10

K

+ 4.3 ⋅ 10

K

w = W

⁄ W

θ V =

⁄ V

w ρ

ρ

--- ⋅ θ

= 표 2. 흙강성 측정기의 제원(Humboldt Mfg. Co., 2010)

구 분 제 원

층 강성 3,000~70,000kN/m

측정 가능 탄성계수 26,000~610,000kPa

측정 깊이 230~310mm

측정 시간 75 초

전원 6D 셀 배터리(1000~1500 개소 측정)

규격 280mm ×270mm

무게 10 kg

그림 2. MEMS 가속도계를 이용한 P파 도달시간 측정

그림 3. 시간영역 반사 측정기 외형 및 측정원리

프로파일을 통하여 현장다짐으로 인한 다짐효과와 토층의 두 께에 대한 정보를 파악할 수 있으며, DPI는 식 (7)과 같이 정의된다.

(7)

(8) 여기서, 관입량은 추의 낙하를 이용해 측정된다. RR

는 로드 의 초기 측정값, RR

는 i번째 해머낙하에서의 측정값, n는 해머의 낙하 회수, P는 관입량(mm), B는 타격회수를 의미 한다.

3. 현장 시험

3.1 시험 대상 현장

본 연구를 위한 현장시험은 미국 위스콘신주의 중부에 위 치한 도로현장에서 수행되었으며, 다른 특성을 보이는 두 개 의 토취장에서 채취한 재료(실트질 모래와 일반 모래 – 표 3) 를 이용하여 성토한 현장에서 수행되었다. 각각 다른 다짐 도에 해당하는 지반조건을 생성하기 위해 다양한 성토두께

(20cm~60cm) 와 네 가지의 다짐에너지(다른 종류의 다짐장비 사용)를 적용하였으며, 각각의 다짐조건은 표 4와 같다.

3.2 측정 시험

다짐조건에 따른 성토 노반의 현장 품질을 평가하기 위해 비파괴 시험법(SSG, TDR, MEMS 가속도계)과 관입시험을 이용하여 노상토의 물리·역학적 특성을 평가하였다. 또한, 매커니즘이 다른 각각의 시험방법에서 측정된 파라메터들의 상관관계를 분석하였다.

4. 시험결과 및 분석

4.1 시험방법 별 다짐효과 분석

다짐 전후에 측정한 SSG 탄성계수를 이용하여 다짐장비와 성토재료에 따른 다짐효과를 평가 하였다. 다짐장비 및 재료 에 따른 다짐 전후의 평균 탄성계수 변화는 그림 5와 같다.

양족롤러를 사용했을 경우에는 다짐 전후의 탄성계수 변화 가 뚜렷하지 않았다. 이는 양족롤러로 다져진 성토체의 표면 이 불규칙하여 SSG 탄성계수 측정시 오차가 발생했기 때문 인 것으로 판단된다. 따라서 표면이 불규칙한 경우에는 측정 대상지반을 최대한 평탄화하여 시험을 수행하는 주의가 필 요하다. 모래지반의 경우 다짐 전후의 탄성계수 차이가 모든 다짐장비에 대하여 미미한 것으로 나타나는데, 이는 함수비 가 낮고 입도가 균질한 모래지반의 다짐표면이 다짐장비로 인하여 교란되는 특성 때문인 것으로 판단된다.

다짐장비와 성토재료에 따른 다짐 전후의 P파 속도 (MEMS 가속도계로 측정)의 변화는 그림 6과 같다. 그림 6(a) 에서 볼 수 있듯이 실트질 모래의 경우 양족롤러로 다졌 을 경우 P파 속도의 증가가 가장 큰 것으로 나타났다. 이러 한 결과는 양족롤러의 다짐효과가 미미한 것으로 나타난 SSG 탄성계수 분석결과와는 상이하다. 이는 토층 내부에 설 치된 MEMS 가속도계를 이용하여 P파를 측정하기 때문에 SSG 기기보다는 상대적으로 양족롤러에 의해 생성된 불규칙 한 표면에 대한 영향을 적게 받기 때문인 것으로 판단된다.

SSG 탄성계수 분석결과에서는 모래(자연)의 다짐효과는 미 DPI P

– P

B

– B

---

=

P

RR

i 1=

∑

^{– RR}

=

그림 4. 동적 콘관입시험기

표 3. 현장 시료의 특성

구 분 실트질 모래 모래

USCS SM SP

균등계수 Cu 32.0 2.4

곡률계수 Cc 1.7 1.0

최대건조단위중량(kN/m

) 18.2 17.1

최적함수비(%) 16.7 9.5

표 4. 현장시험 지반조성을 위한 다짐조건 다짐장비 종류 다짐장비

무게(kN)

지반조성을 위한 성토두께(cm) 실트질 모래

( 자연상태) 모래

( 자연상태) 모래

( 습윤상태)

진동롤러 109 30-60 20-60 20-60

타이어롤러 282 20-50 20-50 30-60

양족롤러 321 30-50 - -

스크레이퍼 822 60 30-60 -

미한 것으로 나타났으나, 반면에 그림 6(b)에서 볼 수 있듯 이 모래(자연) 다짐 후의 P파 속도가 증가하는 것으로 나타 났으며, 이는 다짐효과를 MEMS 가속도계 시험으로 평가할 수 있는 것을 의미한다. 반면에 그림 6(c)에서와 같이 함수 비가 높은 모래(습윤)에서는 P-파로는 다짐효과를 정확하게 평가하기 어려운 것으로 나타났다.

DCP 를 이용하여 타격당 관입량(DCP 지수 혹은 DPI)을 측정하여 흙의 다짐도를 평가하였다. 다짐 후 DCP시험으로 측정한 다짐장비와 성토재료에 따른 DPI의 변화를 그림 7 에 나타내었으며, DPI 수치가 낮을수록 다짐효과가 큰 것 을 의미한다. 실트질 모래에서는 다짐에너지(다짐장비 무게 ) 가 클수록 다짐효과가 크게 발생하는 것으로 나타났고, 타 이어롤러와 양족롤러에 의한 다짐은 중간정도 다짐도를 나

타내는 것을 DPI 결과로 확인할 수 있었다. 균등한 모래지 반에서는 진동롤러가 상대적으로 큰 다짐효과를 나타내었으 나, 모든 다짐장비에 대해 흙의 다짐도는 느슨한 상태로 평 가되었다.

TDR 측정치인 유전상수는 체적함수비로 변환되며, 체적함 수비는 물리적인 상관관계를 이용하여 일반적인 중량함수비 로 환산된다. 따라서 TDR을 이용하여 산정한 중량함수비와 들밀도 시험으로 측정한 중량함수비를 비교할 수 있으며, 그 결과는 그림 8과 같다. 10% 이상의 함수비의 흙에서는 TDR 과 들밀도시험으로 측정한 중량함수비의 차이가 큰 것 으로 나타났으나, 5~10%의 함수비의 모래지반에서는 상당히 비슷한 결과를 보이는 것으로 나타났다.

그림 5. 다짐 전후의 SSG 탄성계수의 변화: (a) 실트질 모래(자연), (b) 모래(자연), (c) 모래(습윤)

그림 6. 다짐 전후의 P파 속도의 변화: (a) 실트질 모래(자연), (b) 모래(자연), (c) 모래(습윤)

그림 7. 다짐장비에 따른 다짐후 DCP지수: (a) 실트질 모래(자

연), (b) 모래(자연), (c) 모래(습윤)

4.2 시험결과 간의 상관관계

4.2.1 SSG 탄성계수와 타 시험결과와의 상관관계

그림 9에서 볼 수 있듯이 지표면에서 측정한 SSG 탄성계 수 E

는 DCP 관입량 지수 DPI, DCP의 경험적 관계로 부터 환산된 탄성계수 E

및 TDR로 측정한 체적함수비 θ와는 어느 정도 상관성이 있는 것으로 나타났으며, 상관관 계 식은 표 5와 같다. 그러나 E

는 MEMS 가속도계로

측정한 P파 속도(V

) 와는 상관성이 낮은 것으로 나타났다.

이와 같이 상관관계가 낮은 이유는 SSG는 지표면으로부터 깊이 20~30cm에 해당하는 지반의 강성을 측정하는 반면, MEMS 는 가속도계를 최대 두께 60cm의 성토체 하부에 매 설하여 P파 속도를 측정하기 때문인 것으로 판단된다. 상부 의 다짐에너지는 토층이 두꺼울 경우 토층 바닥면까지 전달 이 되지 않을 가능성이 있으므로 경우에 따라 미다짐 구간 이 존재할 수 있다. 따라서 이러한 미다짐 구간에서 MEMS 가속도계로 측정된 P파 속도와 지표면에서 측정된 SSG 탄 성계수와는 상관관계가 낮을 가능성이 크다. 이를 검증하기 위해 20~30cm와 40~60cm 두께의 성토층에서 SSG와 MEMS 로 측정된 탄성계수를 비교하였으며, 그 결과는 그림 10 과 같다. 두께 20~30cm의 성토체에서는 두 개의 시험결 과가 매우 유사한 것으로 나타났으나, 두께 40~60cm의 성 토체에서는 그림 10에서 볼 수 있듯이 두 개의 시험결과가 크게 다른 경우가 존재하는 것으로 나타났다. 따라서, 이러 그림 8. 들밀도시험과 TDR시험으로 산정한 중량함수비의 비교

표 5. SSG 시험결과를 기준으로 시험결과간 상관관계 요약

상관관계 결정계수

DPI (mm/blow) = -24.20 × ln(E

(MPa)) + 130.73 R

= 0.50 E

(MPa) = 0.52 × E

(MPa) + 7.78 R

= 0.63 V

(m/s) = 59.16 × (E

(MPa))

R

= 0.30 θ (%) = 0.45 × E

(MPa) – 5.40 R

= 0.76

그림 9. SSG 탄성계수와 타 시험결과와의 상관관계

한 시험방법들은 측정심도를 고려하여 적용해야 할 것으로 판단된다.

4.2.2 DCP 와 타 시험결과와의 상관관계

DCP 는 유사한 매커니즘으로 수행되는 CBR 값으로 변환 하려는 연구들이 수행되고 있으며, 평균 DPI는 미공병단 제 안식과 ASTM에서 제시한 방법을 이용하여 CBR로 환산

가능하다(Webster 등, 1992).

; CBR > 10% (9)

; CBR < 10% (10) 또한, CBR을 탄성계수로 환산하는 연구도 수행되었으며, 두 값은 상당한 상관성이 있는 것으로 나타났다(Powell 등, 1984). 따라서, 두 가지 기존의 연구결과를 이용하여 식 (11) 과 같은 관계를 도출할 수 있으며, 이는 DCP를 이용한 탄성계수(E

) 와 DPI의 관계를 나타내고 있다. 그림 11에 서 볼 수 있듯이 DPI는 E

, V

및 θ와 어느 정도 상관 성이 있는 것으로 나타났으며, 상관관계 식은 표 6과 같다.

그림 11(b)는 식 (11)을 이용하여 E

와 DPI의 관계를 도 시한 것이다.

CBR % ( ) 292 DPI mm/blow ( )

---

=

CBR % ( ) 1

0.017019 DPI mm/blow × ( )

( )

---

=

그림 10. 탄성계수 평가방법에 따른 미다짐 구간 파악

그림 11. DCP와 타 시험결과와의 상관관계

표 6. DCP 시험결과를 기준으로 시험결과간 상관관계 요약

상관관계 결정계수

E

(MPa) = -48.86 × ln(DPI(mm/blow)) + 226.27 R

= 0.57 Powell 등,

1984 V

(m/s) = -73.49 × ln(DPI(mm/blow)) + 484.17 R

= 0.58 θ(%) = -22.43 × ln(DPI(mm/blow)) + 97.37 R

= 0.69

E_DCP(MPa) 17.6 292

DPI mm/blow( )^1.12 ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞^0.64

×

=

(11)

4.2.3 TDR 과 타 시험결과와의 상관관계

체적함수비는 불포화토의 거동특성을 나타내는 흙-수분 특 성곡선(Soil Water Characteristic Curve, SWCC)의 중요한 변수로써, 식 (12)과 (13)에 나타낸 바와 같이 흙의 강성 및 강도와 밀접한 관계가 있다(Fredlund 등, 1996; Sawangsuriya 등, 2006).

(12) (13) 여기서, τ

= 불포화토의 전단강도; G

= 불포화토의 전단 탄성계수; c'=겉보기 점착력; φ'=마찰각; σ

= 수직응력; u

= 공

기압; u

= 수압; Θ=정규화 체적함수비(=θ/θ

); θ=체적함수비;

θ

= 포화 체적함수비; f(e)=간극비 함수; n=응력지수; A, C, κ=상수.

그림 12와 표 7에 의하면 TDR 시험으로 측정한 체적함 수비는 다른 시험법으로 측정한 값들과 상대적으로 높은 상 관관계를 보이는 것으로 나타났으며, 특히 측정깊이가 유사 한 SSG와는 높은 상관관계가 있는 것으로 분석되었다.

5. 요약 및 결론

본 연구에서는 노상토 다짐시 품질관리를 위한 비파괴시험 법과 관입시험법의 적용성을 확인하기 위해 다양한 다짐에 너지 및 다짐두께로 조성된 도로 성토지반에서 현장시험을 수행하였으며, 다짐 전후 흙의 물리·역학적 특성을 분석하 여 다짐효과를 평가하였다. 또한, 비파괴시험과 관입시험 측 정치들 간의 상관관계를 비교하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. SSG 는 지표면에서 일정깊이(20~30cm)까지의 흙의 탄성계 수를, MEMS 가속도계는 성토층 하부에서의 P파 속도를 측정하여 탄성계수를 추정할 수 있으며, TDR은 유전상수 를 이용하여 추정한 흙의 체적함수비로 중량함수비를 산 정할 수 있다. DCP 시험법은 DPI를 이용하여 흙의 탄성 계수를 추정할 수 있다.

2. 비파괴시험과 관입시험법은 현장에서 신속하게 시험결과 E MPa ( ) 17.6 CBR % × ( ) 17.6 292

DPI mm/blow ( )

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

×

= =

τ

= [ c' + ( σ

– u

) ⋅ tan φ' ] + [ ( u

– u

) Θ ⋅ (

⋅ tan φ' ) ] G

= A f e ⋅ ( ) σ ⋅ (

– u

)

+ C ⋅ Θ

⋅ ( u

– u

)

표 7. TDR 시험결과를 기준으로 시험결과간 상관관계 요약

상관관계 결정계수

E

(MPa) = 1.70 × θ(%) + 19.34 R

= 0.76 DPI(mm/blow) = -18.27 × ln( θ(%)) + 85.98 R

= 0.68 E

(MPa) = 36.09 × e

R

= 0.69 V

(m/s) = 3.49 × θ(%) + 165.69 R

= 0.54

그림 12. TDR과 타 시험결과와의 상관관계

를 확인할 수 있으며, 시험자의 숙련도에 따른 오차가 비 교적 적은 시험인 것으로 조사되었다. 따라서 비파괴시험 및 관입시험법은 다짐 품질평가 소요시간을 단축시킬 수 있는 것으로 평가되었다.

3. 조사 매커니즘이 다른 시험법인 SSG, TDR, MEMS 가 속도계 및 DCP로 측정된 흙의 파라메터들은 상호 연관성 이 있는 것으로 분석되었다. SSG와 DCP는 역학적 특성 으로 다짐도를 평가하는 방법이므로 일반적인 흙의 다짐 도 평가방법인 들밀도시험, CBR시험 및 평판재하시험을 대체 혹은 보완 할 수 있는 시험법으로 평가되었다.

4. MEMS 가속도계와 SSG를 이용한 탄성계수 추정결과에서 는, 성토두께가 큰 성토체에 대해서는 측정심도의 차이 때 문에 결과의 차이가 발생할 가능성이 있는 것으로 나타났 다. 따라서 이러한 측정심도의 한계를 고려하여 시험결과 를 분석 및 활용해야 하는 것으로 나타났다.

5. TDR 을 이용하여 측정된 체적함수비는 중량함수비로 환산 될 수 있으며, 환산된 중량함수비는 함수비 5~10%의 범 위에서 측정된 중량함수비와 비슷한 결과를 나타내었다.

6. DCP 는 소형 콘이 지반내에 관입하며 측정하므로 지반교 란을 최소화 하면서 다짐지반의 연속적인 강도특성을 파 악할 수 있는 시험법으로 조사되었다. DCP는 다짐 성토 체의 다짐수준과 균일성을 깊이에 따라 확인할 수 있었으 며, 탄성계수나 물리적인 특성과도 높은 상관성을 보이는 것으로 분석되었다. 따라서 현장 다짐관리 평가방법으로 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

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( 접수일: 2010.9.15/심사일: 2010.10.19/심사완료일: 2010.11.7)