A Study on the Selection of Compaction Method in Order to Utilize the Waste Landfill Selected Soils

한국지반공학회논문집 제33권 8호 2017년 8월 pp. 29 ～ 40 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY

Vol.33, No.8, August 2017 pp. 29 ～ 40

ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2017.33.8.29

폐기물매립장 선별토사 활용을 위한 다짐공법 선정에 관한 연구

A Study on the Selection of Compaction Method in Order to Utilize the Waste Landfill Selected Soils

남 홍 기¹ Nam, Hong-Ki 이 승 호² Lee, Seung-Ho

Abstract

In this study, the dynamic compaction method was selected by analyzing field situation, soil condition data and compaction test characteristics of the special selected soils, and the compaction method for using the selected soils as the site restoration soil of the ○○ city non-sanitary landfill maintenance project. The N value in the standard penetration test (SPT) before and after dynamic compaction increased by an average of 89% over the range 12∼18, and the allowable bearing capacity of the plate bearing test (PBT) was ranged 150∼227 kN/m², at least 80% higher than that before test. As a result, it can be seen that the same tendency as the dynamic compaction effect applied to the existing dredging and waste landfill is shown.

요 지

본 연구에서는 ○○시 비위생매립장 정비사업 시행시 발생하는 특수한 선별토사를 부지 복원토로 활용하기 위한 다짐방안으로 현장상황과 선별토사의 토질조사 자료, 다짐시험 특성을 분석하여 동다짐공법을 적용하였다. 동다짐 전･후에 수행한 표준관입시험(SPT)에서 N치는 12∼18 범위로 동다짐 전보다 평균 89% 증가하였으며, 평판재하시험 (PBT)의 허용지지력은 150∼227kN/m² 범위로 다짐 전에 비해 최소 80%이상 증가하였다. 이러한 결과로 기존의 준설 및 폐기물 매립지에 적용된 동다짐 효과와 비슷한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있었다.

Keywords : Selected soils, Dynamic compaction method, Site restoration soil, Waste landfill

1. 서 론

과거 우리나라는 폐기물의 처리를 단순매립 즉, 비위 생적 매립방식에 의존하여 왔으며, 주로 거주인구가 적 고 지대가 낮은 지역이 대상매립지로 이용되었다. 과거 에는 이러한 매립지가 건설기초 지반으로의 사용이 미

루어졌지만 인구의 증가에 따른 대도시 주변의 개발과 도시 확장으로 인하여 주거용지, 상업용지, 공공시설용 지, 위락시설용지 등 도시 생활공간의 일부로서 재활용 가치가 점점 커지고 있다(Kim, 2003).

이러한 폐기물 매립지를 재활용함에 있어서 대부분 의 처리방안은 매립 폐기물을 굴착하여 위생 매립지에

1 정회원, (주)코리아에스이 대표이사 (Member, Representative Director, Korease Corporation)

2 정회원, 상지대학교 건설시스템공학과 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil Engrg. Sangji Univ., Tel: +82-33-730-0473, Fax: +82-33-730-0606, [email protected], Corresponding Author, 교신저자)

* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2018년 2월 28일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.

Copyright © 2017 by the Korean Geotechnical Society

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Table 1. Landfill maintenance project contents

Area Landfill

capacity

Restoration capacity

Restoration height 54,480 m

654,460 m

284,324 m

6.2 m

Fig. 2. Landfill excavation and embankment state (under construction) (KGS, 2016)

Flg. 1. Landfill site selected soils embankment view (under construction)

재처분하는데 특히, 매립량이 대량인 경우에는 처리비 용이 과다하므로 선별 분류하여 일부를 자원화하거나 감량화하는 것이 바람직하다. 선별･이적 처리공법은 매 립폐기물을 굴착한 후 토사 성분은 매립지 복토재나 성 토재 등으로 재활용하는 방안이 있으나, 실제 적용과정 에 있어서 순수한 토사 성분만을 선별하는 것이 불가능 하고, 선별된 토사에 포함된 유기물이 충분히 안정화 되 었는지 혹은, 아직 충분히 안정화가 되지 않았다면 어떤 방법으로 어느 정도까지 안정화시키고 개량해야 복토 재 또는 성토재 등으로 재활용할 수 있는지에 대한 구체 적인 연구가 없는 실정이다.

동다짐공법(Dynamic Compaction Method)은 중추 (pounder)를 상당한 높이에서 자유 낙하시켜 지반에 충 격에너지를 가함으로써 지반을 강제 다짐하는 경험적인 지반개량공법이다. 이 공법은 중량이 100∼600kN(10∼

60ton)이고, 저면적 3∼7m²의 원형 또는 사각형인 강재 나 콘크리트 중추를 전용크레인을 이용하여 10∼40m 높 이에서 반복 낙하하여 심도 5∼20m 까지의 지반을 개 량하는 것으로 일반 다짐공법에 비해 다짐에너지가 크 기 때문에 준설 매립지반이나 폐기물 매립지 표층부에

주로 적용되어 왔으며, 본 연구부지와 같은 폐기물매립 장의 특수한 선별토사에 시행된 자료는 없는 실정이다.

따라서, 본 연구는 ○○시 비위생매립장 정비사업 시 행시 발생하는 토사인 선별토사를 부지 복원토로 성토 하여 화물차고 용지 및 체육시설 부지로 활용하기 위한 다짐방안으로 선별토사 성토부에 지반안정처리공법인 동다짐공법을 선정한 후, 시공과 확인시험을 통해 동다 짐공법의 적정성과 효과를 검증하였다.

2. 현장특성 및 현황분석

2.1 매립장 정비사업 개요

본 연구대상 사업은 Table 1, Fig. 1, Fig. 2와 같이 비위생적으로 매립된 폐기물을 전량 굴착 선별･분리하

Table 2. Criteria for compaction management in selected soils construction

Compaction thickness

Compaction density

Allowable bearing capacity

Standard penetration resistance (N)

300 mm Below

90%

More than

150 kN/m

(15.0 t/m

)

N≥12 (Load consideration

calculation)

Table 3. Results of boring (strata configuration)

Layer Hole

Landfill layer (m) (Selected soils)

Accumulation/

Weathered soil (m)

Groundwater level (GL-, m)

NBN -1 8.0 2.8 / 1.2 5.2

NBN -2 7.8 2.9 / 1.3 5.0

NBN -3 8.1 2.2 / 1.7 6.1

NBN -4 8.4 2.4 / 1.2 4.8

NBN -5 8.9 2.7 / 1.4 5.9

Fig. 3. Distribution characteristics of selected soils N values

Table 4. Results of physical characteristics test UD samples

Div. Water content (％)

L.L. / P.I.

(%)

#200 Through amount (%) USCS

SP-1 45.2 46.9 / 21.5 54.8 CL

SP-2 42.0 44.7 / 16.5 52.7 SC

SP-3 24.4 37.5 / 14.6 48.9 SC

SP-4 45.7 48.8 / 23.4 52.8 SM

SP-5 15.0 38.5 / 11.7 54.7 SM

여 선별된 가연물은 압축･포장 후 기존의 다른 위생매 립장에 이적하고, 선별된 토사와 파쇄불연물은 부지복 원토로 재활용하여 불량매립지를 정비하여 향후 상부 토지이용 효율을 극대화할 수 있도록 합리적인 폐기물 굴착･이적 계획과 부지복원 계획을 수립하기 위함이다.

복원부지는 향후 화물차고 용지 및 체육시설 부지 등 으로 활용이 가능하도록 도로 노체의 품질기준을 적용 하였으며, 현재 선별기에서 발생되는 선별토사는 25∼

45%의 매우 높은 함수비를 나타내고 있어, 층다짐이 불 가능하여 비다짐 형태로 성토 또는 적치되어 있는 특수 한 상태이다(KGS, 2016).

2.2 선별토사의 다짐관리 기준

선별토사의 성토에 의해 복원되는 부지의 다짐기준 은 본 현장의 공사시방서상에 Table 2와 같이 도로 노체 다짐, 허용지지력 등이 명기되어 있으며(○○ city, 2012), 동다짐에 의한 지반개량 확인을 위해 개량 설계목표는 허용지지력을 고려하여 N치 12 이상으로 산정하였다.

3. 선별토사 특성 분석

3.1 시추조사에 의한 선별토사 특성

본 연구대상 부지의 시추조사 결과, 지층은 Table 3과 같이 현 지표하로부터 매립층(성토층, 선별토사), 퇴적

층, 풍화토층으로 구성되어 있다.

최상부의 선별토사층은 7.8∼8.9m의 두께로 분포하 고, 실트 및 모래질 실트가 주 구성성분이며 점토섞인 실트, 점토질 실트, 자갈섞인 실트층으로 다양하게 구성 되어 있다.

지하수위를 측정한 결과, G.L(-) 4.8～6.1m에 분포하 고 있으며, 수위분포 지층은 선별토사층으로 조사되었 다(Syzygy E&C, 2017).

본 연구대상 부지의 최상부에 분포하는 매립층은 선별 토사가 성토된 층으로서 위치별로 세립분 및 점토층이 일부 분포하고 있어 N치 분포의 편차가 발생하고 있다.

Fig. 3에서 보듯이 N치 12 미만의 개량 대상층은 10m 전후로 분포하고 있으며, 개량 대상층(선별토사)의 N치 는 평균적으로 6～7 전후로 볼 수 있다.

3.2 토질시험 결과 분석

1) 불교란 시료의 물성시험 결과

선별토사의 기본 물성시험 결과, Table 4와 같이 시료 채취 위치에 따라 점토질 모래(SC), 모래질 실트(ML, SM), 저소성 점토(CL)의 토성을 보이며, 대체적으로 연 약지반의 특성을 나타내고, 함수비는 15.0～45.7%(평균

Table 5. Analysis of physical characteristics of disturbed selected soils

Water content (Wn,%) Plasticity index (PI,%)

#200 Through amount (%) Plastic chart

Table 6. Results of compaction test UD samples

Div. Compaction method

γ

(kN/m

)

O.M.C (%)

C.B.R

(%) USCS

TP-1 A 18.15 15.2

20.5 SM

D 19.03 12.7

TP-2 A 18.32 14.6

23.0 SM

D 19.20 12.3

TP-3 A 18.28 15.3

19.5 SM

D 19.10 12.5

TP-4 A 18.05 15.8

18.0 SM

D 18.90 13.1

Table 7. Results of compaction test disturbed samples

Div. Compaction method

γ

(kN/m

)

O.M.C

(%) USCS

1 A 14.78 19.8

SC - SM

D 14.84 19.0

2 A 14.80 20.0

D 14.93 19.5

3 A 14.81 21.0

D 14.82 19.6

34.5%)로 기존의 타 매립장에서 선별되는 토사보다 높 은 함수비를 나타내고 있다. 액성한계는 37.5～48.8%(평 균 43.3%), 소성지수는 11.7～23.4%(평균 17.5%), #200 체 통과량은 평균 52.7%를 나타내고 있다.

2) 교란 시료의 물성시험 결과

시추조사에 의한 교란 시료의 물성시험 결과, Table 5 에서 보는 바와 같이 함수비는 22.6～42.1%(평균 33.1%), 소성지수는 11.5～21.8%(평균 15.8%), #200체 통과량 은 평균 48.6%를 나타내고 있으며, 통일분류 결과 SC, ML, CL로 분류된다.

3) 선별토사의 토질시험 결과 분석

불교란 선별토사와 교란 선별토사의 기본물성시험 결 과, 함수비는 유사하게 나타났으나 타 매립장 선별토사 (일반적으로 16.8～22.0%, 김영수 2003)보다 매우 높은 것으로 분석되었으며, 액성한계 및 소성지수는 교란의 영향으로 교란 시료가 불교란 시료에 비해 약간 낮게 분포하는 것으로 분석되었다. 통일분류법에 의한 흙의 종류는 거의 동일하게 조사되었다(Syzygy E&C, 2017).

3.3 다짐시험 결과 분석

1) 불교란 시료의 다짐시험 결과

불교란 선별토사의 다짐시험 결과, Table 6과 같이 A 다짐 시험의 최대건조밀도는 18.05～18.32kN/m³, 최적 함수비는 14.6～15.8%의 결과를 보였다.

2) 교란 시료의 다짐시험 결과

교란 선별토사의 다짐시험 결과, Table 7과 같이 A다 짐 시험의 최대건조밀도는 14.78～14.93kN/m³, 최적함 수비는 19.0～21.0%의 결과를 보였다.

3) 선별토사의 다짐 특성 분석

선별토사의 토질시험 및 다짐시험 결과를 종합적으 로 분석해 보면, 선별토사를 성토재로 활용시 현장 함수 비와 다짐시 최적함수비가 큰 차이를 보이고 있어, 로울 러 등을 사용하는 일반적인 다짐공법으로는 다짐 효과 를 기대하기가 어려울 것으로 분석된다.

또한, 폐기물매립장 선별토사의 물리적･공학적 특성 은 원지반토에 비해 오염정도에 따라 오염수 배출효과 저감 등 함수비가 빨리 감소하지 않아 공학적으로 상당 히 불리하게 작용할 수 있다.

이러한 오염수를 포함한 선별토사의 공학적인 특성 분석을 위해 당초 매립지 조성시 사용된 오염되지 않은 원지반토와 현재의 선별토사에 대한 비교･분석이 필요 하나, 원지반토에 대한 자료가 없어 정량적인 분석은 불 가능한 상태이다.

따라서, 연구대상 부지에서의 배수불량 현상과 선별 토사에 함유되어 있는 이물질의 화학성분이 선별토사 토립자에 상당한 영향을 미쳐 일반적으로 통용되는 함

Table 8. Characteristics comparison of soil improvement method

Division Replacement method Compaction method Cementation method

Improvement effect

• Prevention of activity destruction and reduction of settlement

• Suppression of soil deformation

• Excavation replacement / forced replacement method

• Prevention of activity destruction and reduction of settlement

• Prevention of liquefaction

• Dynamic Compaction / Dynamic consolidation method

• Prevention of activity destruction and reduction of settlement

• Suppression of soil deformation

• Deep mixing / Spray agitation

Application ground

• Clayey soil, organic soil • Clayey soil, sandy soil, organic soil

• Clayey soil, sandy soil

Construction

• The simplest method (Construction efficiency is very good)

• For shallow depth (within 3 m)

• Good construction efficiency

• Noise and vibration generation

• Proper construction period

• Relatively good construction efficiency

• Suitable for small-scale construction

• Reduction of construction period

Economics

• Cheaper than other methods

• Sure improvement effect

• Relatively inexpensive compared to other methods

• Dynamic consolidation method is expensive

• Higher than other methods

Table 9. Comparison of compaction method characteristics

Division Dynamic compaction method Hydraulic hammer compaction method Floor compaction method

Summary

• A method of increasing the strength of ground by applying impact energy generated by dropping a heavy weight using a crane

• A method of dropping a weight drop at a relatively low height (about 1∼1.5 m) to strike a foot that is in close contact with the ground surface and using the impact force

• After excavation to the depth of the target, a general method of re-installing the excavated soil and using the roller etc.

Concept diagram

Charact- eristic

• Can be improved to deep depth

• Applied to various grounds such as sand, gravel, clay, waste layer

• Can cope with uneven ground flexibly

• Vibration / noise generation

• Rapid effect at relatively low depth (about 3∼5 m)

• The impact energy is limited and the improvement depth is limited

• General compaction management required

• If the excavated soil is poor or the water content is high, the effect is reduced

• When the lower part of the compaction layer is weak, the workability and the compaction effect are lowered

수비 조절 및 다짐은 어려울 것으로 분석되었다(KGS, 2017).

3.4 선별토사 특성분석에 의한 다짐공법 선정

1) 지반개량공법 검토

적절한 지반개량공법을 선정하기 위해서는 지반조건, 축조대상물의 특성, 현지여건 등을 고려하여 적용할 수 있는 공법들을 선정한 후, 각 공법별로 기대 개량효과, 시공성, 경제성 등을 비교하여 최적의 공법을 선정하여 야 한다.

그러나, 이러한 공법들은 대상지반의 불균질성, 각 공 법의 기본원리간의 차이 등으로 이들을 객관적으로 비

교하여 최적의 공법을 선정하기에는 많은 어려움이 있 다. 공기 및 경제성 분석에 있어서 대상지반은 조건별, 공사 규모별로 상이하여 범용성 있는 비교(즉, 절대적인 비교) 기준 설정은 불가능하며, 특히 근래에 강화되고 있는 각종 환경관련 제약 및 주변에 미치는 영향 등을 특별히 고려하여야 한다.

본 연구대상 부지에서 적용 가능한 지반개량공법의 특성을 개략적으로 비교해 보면 Table 8과 같다.

2) 선별토사 다짐공법 검토

본 연구대상 부지의 현장상황과 선별토사의 특수한 지반공학적 특성 및 개량심도(성토높이) 등을 고려하여 Table 9와 같이 다짐공법을 검토하였다.

(a- clayey soil) (b- sand)

Fig. 4. Microscopic behavior of soil particles during dynamic compaction (Casagrande, 1975)

(a) Dynamic compaction model (b) Shock energy concept diagram (Menard, 1975) Fig. 5. Principle of improving dynamic compaction

본 선별토사층은 비다짐 상태로 성토되어 있으며, 고 함수비를 나타내고 있고, 대부분 심도 8.0m의 느슨한 모 래질 실트층으로 구성되어 있는 특수한 형태를 나타내 고 있다.

또한, 연구대상 부지 주위가 광활한 농경지로 이루어 져 소음, 진동 발생으로 인한 악영향이 거의 없고, 부지 조성 후 액상화 방지 효과 및 장래 노체지역으로의 활용 을 위해 흙의 밀도 증가를 기대할 수 있는 동다짐공법을 선정하였다.

3) 선별토사에 대한 동다짐공법 선정

선별토사층은 자갈섞인 모래질 실트, 실트질 모래, 점 토 및 자갈섞인 실트의 인위적인 매립층으로 구성되어 있으며, 국부적으로 점토층 및 자갈층이 몰려있는 지반 이나, 개량대상층의 50% 이상은 동다짐이 적용될 수 있 을 것으로 분석된다.

입도 분포현황은 양입도의 형태를 띄고 있으나 세립 분 및 점토성분의 분포가 부분적으로 많이 포함되고 있 어 동다짐 적용시 효율이 다소 떨어질 수도 있으므로 타격에너지 산정시 이를 반영하여야 한다.

종합적으로 선별토사층은 주로 모래질 실트로 구성 되어 있고, 평균 N치는 6～7 전후로 나타나고 있으며, 지하수위는 일반적인 기준치인 GL-2.0m 이하(GL- 4.8～

6.1m)에 분포하므로 동다짐공법을 적용함에 큰 무리가

없을 것이며, 다짐 없이 단순 성토된 현상태에서는 가장 합리적으로 분석하여 지반안정처리공법으로 동다짐공 법을 선정하였다.

4. 동다짐공법 설계 및 시공

4.1 동다짐 개량원리

동다짐공법의 기본원리는 액상화지반, 연약지반 등 개 량하고자 하는 지반에 충격을 가하여 지반을 소정의 심 도까지 강제 다짐시키는 지반개량공법이다. 점성토 등 과 같은 포화지반에 충격 에너지를 가할 경우에는 Fig.

4(a)와 같이 과잉간극수압이 발생하여 이 간극수압의 배 출과 함께 강도가 증진되며, 사질토지반의 경우에는 Fig.

4(b)와 같이 충격에 의하여 한계간극비 이하로 다져 지 진시 및 진동시의 유동화를 방지할 수 있다(Casagrande, 1975).

동다짐에 의한 지반의 거동은 흙의 상태, 즉 포화토 인 경우와 비포화토인 경우에 따라서 큰 차이를 보이며, 비포화토인 경우에는 충격효과가 실험실에서 Proctor 다 짐시험을 할 때 발생하는 현상과 유사하게 나타난다.

포화토인 경우에는 Fig. 5의 충격에너지 개념도와 같 이 충격하중이 가해진 중심부에서 발생한 여러 종류의 충격파가 제각기 다른 역할을 하게 된다. 일반적으로 압

Fig. 6. Change of α value according to D~

^ _ ∙  relation

Fig. 7. Campaction improvement range overview diagram

Fig. 8. The increase N value (ΔN) and the amount of energy (Ev)

축파인 P파는 Push-Pull Motion을 하여 입자구조를 파 괴시키고 간극수압을 증가시킨다. 전단파인 S파는 입자 간의 전파속도가 다소 느리나 입자들을 조밀한 상태가 되게끔 재배열시키는 역할을 한다. Rayleigh파는 전단 파의 일종으로서 지표부근에서 전파되는 표면파이다. 이 러한 충격하중에 의해 발생된 여러 종류의 파들은 지반 내부에 인장응력을 유발시켜 충격하중이 가해진 중심 부에서 방사상으로 인장균열을 만들게 된다. 인장균열 은 유로(Drainage Path)로서 작용하여 포화토에서 과잉 간극수압의 소산과 함께 간극수를 배출시켜 지반의 지 지력을 증대시킨다(Menard and Broise, 1975).

4.2 동다짐 설계조건

1) 중추중량(W)과 낙하고(H)

일반적으로 중추중량(W)과 낙하고(H)는 다음의 식 (1)

과 Fig. 6에 의해 산정된다(Menard, 1975).

D  C ×  ×



여기서, D : 개량심도(m), W : 중추중량(tonf) H : 낙하고(m), α : 영향계수(0.5∼0.6) C : 낙하방법에 따른 계수

2) 타격지점의 간격(L)

타격지점의 간격(L)은 심부의 개량을 효율적으로 실 시하는데 영향이 있으며, 경험적으로 개량 심도(D)를 표준으로 하여 다음 식 (2)에서 산정한다.









여기서, L : 제 1단계 타격지점 간격(m) D : 개량심도(m)

3) 타격에너지(EA) 산정

단위면적당의 타격에너지(EA)는 다음의 식 (3)으로 산 정하며, 단위면적당 타격에너지(EA)는 과거의 경험식에 서 유도된 Fig. 8의 증가 N값(^











여기서,







Table 10. Selection of improved depth

• Ground condition     - Average N value: 6.7

    - Mainly soil: silty sand, clay silt

• Target improvement depth (Selected soils embankment height)

    - The maximum height of the embankment is 9.0 m, 8.0 m is improved by compaction, It is planned that the lowermost 1.0 m will be compressed and the strength will increase.

    - Therefore, target improvement depth (D

) is applied to 8.0 m, - Strike space (L

) is applied to 8.0 m

4) 타격횟수(N)

중추중량(W), 낙하고(H), 타격에너지(E)가 결정되면 단 계별 타격점당 타격횟수를 다음의 식 (4)에서 구할 수 있다.











(4)

여기서, Nb : 단계별 타격점당 타격횟수(회) L : 단계별 타격점 간격(m) E : 타격에너지(tf･m/m²) H : 낙하고(m)

W : 중추중량(tf)

5) 다짐단계(n)와 정치기간(T)

동다짐시 다짐 시방을 달리하는 개량과정의 순서를 다짐단계(compaction series)라 하는데, 제1단계에서는 심부의 개량을 유도하고, 2단계 이후는 중간층 이하를 다지는 방법이 적용되고 있다.

정치기간(T)은 효과적으로 탬핑을 실시하기 위하여 탬핑에 따라서 발생하는 과잉간극수압의 소산을 가리 키는 기간을 말하는 것이며, 지반의 다짐상태나 투수성 에 따라서 다르게 적용한다.

6) 마무리 탬핑(Ironing)

마무리 탬핑은 본 탬핑 후에 실시하는 표층부(2∼3m) 의 다지기이며, 타격으로 생긴 타격공 내의 매설 흙이나 느슨해진 주변지반을 다지기 위함이며, 보통의 타격배 치는 중추 저면적(2.2×2.2m)의 크기에서 전면적으로 실 시한다.

4.3 동다짐 설계 및 시공

1) 동다짐 개량심도 선정

선별토사의 지반조건과 최대 성토높이, 기존 설계사

례, Table 2의 선별토사 다짐관리 기준 등을 고려하여 Table 10과 같이 목표 개량심도를 선정하였다.

2) 동다짐공법 설계

4.2 동다짐 설계조건을 근거로 현상태에서 가장 합리 적인 동다짐공법을 다음과 같이 설계하였으며, 이를 반영 한 설계시방서와 시공순서도는 Table 12, Fig. 9와 같다.

가) 중추중량(W)과 낙하고(H)

Table 10의 개량심도(D1)와 영향계수(0.5), 낙하방법 에 따른 계수(0.9)를 적용하여 아래와 같이 산정하였다.

















⇔











∴









나) 타격지점의 간격(L)

본 선별토사층은 다량의 점토성분을 함유하고 있고 높은 함수비를 나타내고 있으며, 시험 동다짐 자료에 의 하면 타격시 주변 지반의 교란이 많이 발생하므로 작업 의 효율성을 고려하여





다) 타격에너지(EA) 산정

Fig. 8에서 ΔN(6)에 대응하는 단위체적당 타격에너지 (



∴







라) 타격횟수(Dp, 회)

위에서 산정한 중추 중량, 낙하고, 타격지점 간격, 타 격에너지 등을 이용하여 식 (4)의 타격횟수를 계산하면 Table 11과 같다.

Table 11. Estimate the number of hits

Division Weight

(W)

Height (H)

Step (n)

Strike energy (E

)

Space (L)

Count (Dp)

D

section (8.0 m) 20 16 3 304.0 8 20

Table 12. Compaction specification; Improved depth (D

): 8.0 m, Row spacing (L

): 8.0 m

Compaction step Interval (L

) Weight (tonf)

Height (m)

Count (No.)

Strike energy (tf/m

) (M × M)

1 8.0 × 8.0 20 16 20 100.0

2 8.0 × 8.0 20 16 20 100.0

3 5.66 × 5.66 15 13 12 73.0

Tamping (Ironing) 2.2 × 2.2 15 5 2 31.0

Total 304.0≤ 304.0

Fig. 9. Construction flowchart of compaction (1Step: ○ 2Step:

□ 3Step: △ Tamping: ×)

Fig. 10. Recovery of ground strength over time (Thixotropic Recovery, Menard 1975)

Fig. 11. Construction view of dynamic compaction

3) 선별토사 특성을 고려한 정치기간(T) 조정 Fig. 10은 동다짐할 때 에너지가 가해짐에 따라 시간에 따른 체적변화, 간극수압의 발생과 소산, 지지력의 변화 를 나타낸 것으로서, 중추낙하에 의해 수직/수평압과 함께 일시적으로 간극수압이 증가하고 시간이 경과에 따라 소 산되어 지지력의 증가를 가져오게 된다(Menard, 1975).

정치기간 T는 Tamping시 발생한 지반내의 과잉간극 수압이 소산되는데 요구되는 기간으로서 사질토 지반 의 경우는 수분～수시간에 불과하므로 실제 시공에 있 어서 정치기간을 고려할 필요가 거의 없다. 그러나, 세 립질토 지반에 있어서 소요기간은 1주～수주 정도가 소 요되는 경우가 많으며, 유사 현장 자료와 본 현장의 시 험시공시 주변지반의 교란정도, 표준관입시험에서 표층 부의 N치, 평판재하시험에서 허용지지력 등을 종합 분 석할 때, 본 선별토사에서는 최소 1주 정도의 정치기간 이 필요할 것으로 분석되었다.

4.4 지반개량 확인을 위한 현장시험

1) 확인 시험

동다짐공법 시공시 지반개량 확인시험 및 품질관리 방법은 통상 동다짐 적용대상의 지반조건에 따라 결정 하게 되는데, 본 연구대상 부지에서는 현장여건과 지반 조건을 감안하여 Table 13과 같이 적용하였다.

Table 13. Type and quantity of confirmation test Confirmation

test

Quantity (No.) Improvement check standard Before After

Boring 10 hole 10 hole Check soil condition

S.P.T 100 100 N value:12 more

(Investigate at 1.0 m intervals)

P.B.T 3time 7time qa=150 kN/m

(qa=15 t/m

) more

Fig. 12. Distribution characteristics of selected soils N values before and after compaction

Table 14. Status of plate bearing test

Test number/Location

Allowable bearing capacity (kN/m

, t/m

)

Design load

P.B.T-01

Before compaction

74 (7.4)

150 kN/m

(15.0 t/m

)

P.B.T-02 91 (9.1)

P.B.T-03 85 (8.5)

P.B.T-11

After compaction

150 (15.0)

P.B.T-12 160 (16.0)

P.B.T-21 227 (22.7)

P.B.T-22 227 (22.7)

P.B.T-23 227 (22.7)

P.B.T-24 150 (15.0)

P.B.T-25 227 (22.7)

Fig. 13. Results of PBT before and after compaction

2) 시추조사 및 표준관입시험 분석

동다짐에 의한 지반개량 효과 및 설계 목표 N치의 확 인을 위하여 10공의 시추조사를 시행하였으며, 1.0m 간 격으로 표준관입시험(Standard penetration test)을 병행 하였다.

Fig. 12는 선별토사층에서 동다짐 전･후의 N치 변화 를 분석한 것으로 심도가 깊어질수록 N치가 증가하는 경향을 보인다. 동다짐 전･후의 N치 변화가 부분적으로 불규칙함을 보이는 것은 선별토사층에 잔류하고 있는 자갈, 비닐 등의 영향으로 추정된다.

동다짐이 시행된 10개소의 선별토사층 N치는 설계목 표치(N≥12)를 상회하는 12∼18을 나타내고 있으며, 평 균 N치는 12.7을 나타내고 있어, 동다짐 전의 평균 N치 인 6.7보다 약 89% 이상 증가한 것으로 분석되었다.

3) 평판재하시험 결과 분석

평판재하시험(Plate Bearing Test)은 동다짐 후 지반개 량 효과와 지반의 지지력을 확인하기 위하여 Table 14 와 같이 총 10회(동다짐 전: 3회, 동다짐 후: 7회) 시험을 실시하였다.

평판재하시험은 항복하중, 극한하중, 침하량분석에 의

한 극한하중의 인지여부를 감안하여 각각의 대응하중에 안전율(Fs=2 또는 3)을 적용하여 허용지지력을 산출하 였고, 그 중 최소값을 장기 허용지지력으로 결정하였다.

본 연구대상 부지에서 각각의 시험최대하중까지 재 하한 결과, P.B.T-11과 24번을 제외한 나머지 시험부지 의 경우 침하량이 점진적으로 증가하여 그래프가 꺽이 는 항복하중이나 어떤 대응하중에 대하여 침하가 무한 히 일어나는 극한하중 및 침하량분석(60.0mm 침하일때 하중 ; D(판직경) × 10%)에 의한 극한하중이 모두 인지 되지 않으므로 시험최대하중을 항복하중의 최소값으로 가정하여 그 대응하중에 안전율(Fs=2)을 적용하여 허용 지지력을 결정하였으며, P.B.T-11과 24번은 시험최대하 중까지 재하한 결과 침하량분석(60.0mm 침하일때 하중

; D(판직경) × 10%)에 의한 극한하중이 450kN/m²에서 인지되므로 그 대응하중에 안전율(Fs=3)을 적용하여 시 험지반의 허용지지력으로 결정하였다.

그 결과, Fig. 13에서 보는 바와 같이 동다짐 시공부

Table 15. Comparison of ground improvement effects before and after dynamic compaction

Division Standard penetration resistance (N) Ave. Allowable bearing capacity Before compaction After compaction Before compaction After compaction

Selected soils 6.7 12.7 83 kN/m

150 ~ 227 kN/m

지인 도로 노체의 품질기준 적용구간에서 허용지지력 은 150～227kN/m²으로 산출되어, 합리적인 지반개량이 이루어졌음을 확인할 수 있었다.

한편, 류웅렬 등(2010)은 군산 및 인천송도 지역 준설 매립지의 동다짐공법 설계 사례 연구에서 평판재하시험 수행결과, 설계하중 50kN/m² 구역은 허용지지력 67kN/m², 설계하중 150kN/m² 구역은 허용지지력 185kN/m², 설계 하중 170kN/m² 구역은 허용지지력 175kN/m², 설계하중 200kN/m² 구역은 허용지지력 211kN/m²으로 각각 평가 하였다.

4.5 선별토사에 적용된 동다짐공법의 적정성 평가

1) 거동 분석에 의한 부지정지 계획고 조정 흙은 포화된 점토층이라 하더라도 흙속에 미세한 기 포(Micro Bubbles)가 존재하므로 상당한 압축성이 있어 Tamping에 의하여 즉시침하가 발생한다. 침하량은 토 질 및 Tamping Energy에 따라 다르나 대체적으로 지반 개량 대상층 두께의 3～8% 정도이며, 폐기물지반의 경 우에는 15～20%에 달하기도 한다(Kim, 1993).

동다짐이 진행되는 동안 Crater 주변의 거동을 파악 하기 위해 Check List에 따라 측정말뚝을 설치한 후 타 격횟수에 따른 주변지반의 침하량과 융기량을 측정하 여 변형형태를 계측한 결과, 본 선별토사층에서는 1단 계 타격 후 2.87m의 침하와 1.7m의 하부 폭 증가가 발 생하였으며, 마무리 탬핑 후 최종적으로 0.7m 정도가 압 축되어 약 10%의 압축효과가 나타났으며, 이를 감안하 여 최종 부지 정지 계획고는 F.L +7.0m로 조정하였다.

2) 동다짐 전･후의 지반개량효과 분석

동다짐 후의 표준관입시험에 의한 N치는 Table 15에 서 보듯이 선별토사층에서 평균 12.7을 나타내고 있어, 동 다짐 전의 평균 N치인 6.7보다 약 89% 이상 증가한 것 으로 확인되었다. 또한, 선별토사층 하부의 퇴적층에서 도 동다짐 전･후의 N치는 상당한 증가 효과가 있었다.

평판재하시험 결과, 동다짐 시행전 허용지지력은 평 균 83kN/m²를 나타냈으나, 동다짐 시공 후에는 150∼

227kN/m²으로 산출되어 최소 80% 이상 증가한 것으로 분석되었다.

또한, 이러한 결과는 기존의 준설 및 폐기물 매립지 와는 서로 다른 물성치를 가지고 있어 비교 자체가 어렵 지만, 지반개량효과 면에서 비슷한 경향(Chun, 2001; Lee, 2005; Kim, 2006)을 나타내고 있음을 알 수 있었다.

3) 동다짐공법 적정성 평가

현장 확인시험 결과로부터 동다짐에 의한 선별토사 층의 지반개량 효과를 확인할 수 있었으며, 이는 다짐없 이 단순 성토가 되어 있어 층다짐이 곤란한 현 상황의 특수한 선별토사 성토층에서는 Table 8, Table 9에서 검 토된 바와 같이 동다짐공법이 시공성(공기) 및 안정성, 경제성 등을 확보하는 가장 효과적인 공법임을 확인하 였다.

5. 결론 및 제언

폐기물매립장 선별토사를 활용하기 위한 다짐방안으 로 현장상황과 지반조건 등을 분석하여 동다짐공법을 선정하였으며, 현장 확인시험을 통해 동다짐공법의 적 정성을 검증한 연구 결과는 다음과 같다.

(1) ○○시 비위생매립장 정비사업 시행시 발생하는 선 별토사를 부지 복원토로 활용하기 위해 현재 비다 짐 상태로 성토되어 있는 지반은 심도 8～10m 미만 의 모래질 실트층(SC, ML, CL, SM)으로 N치는 하 부로 갈수록 증가되나 대체로 4～9 범위(평균 6.7) 의 연약한 지반이다.

(2) 교란된 선별토사의 물성시험 결과, 함수비 22.6～

42.1%, 액성한계 33.2～48.4%, 소성지수 11.5～21.8%,

#200체통과량은 평균 48.6%를 나타내며, 특히 타 매 립장의 선별토사보다 높은 함수비를 나타내고 있다. (3) 공사시방서의 품질기준(도로노체) 확보를 위하여 설 계하중에 대한 허용지지력을 Terzaghi 경험식을 사 용하여 지반개량 설계목표 N치는 12, 허용지지력은 150kN/m²(15.0t/m²)으로 산정하여, 지반개량의 품질

관리 기준으로 선정하였다.

(4) 현장상황과 선별토사층의 특수한 토질특성 등을 분 석하여 선별토사층에서 가장 경제적이고 합리적인 지반개량공법으로 동다짐공법을 선정하였다.

(5) 동다짐 후의 표준관입저항치(N)는 선별토사층에서 N치가 설계목표치를 상회하는 12～18(평균 12.7) 범 위로 나타났으며, N치가 시험 전보다 평균 89% 이 상 증가한 것으로 확인되었다.

(6) 동다짐 후의 평판재하시험 시행결과, 도로 노체의 품질기준 적용구간에서 요구되는 허용지지력을 충 족하는 150～227kN/m²으로 산출되어, 합리적인 지 반개량이 이루어졌음을 검증할 수 있었다.

(7) 본 연구는 폐기물매립장에서 발생되는 선별토사가 층다짐이 곤란하여 동다짐공법으로 지반개량효과 를 얻기 위한 것이므로 향후 동다짐공법을 선별토 사에 적용하기 위한 각종 경험계수 등에 대한 추가 연구 수행이 필요할 것으로 사료된다.

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Received : July 31

, 2017

Revised : August 7

, 2017

Accepted : August 12

, 2017