토질역학 흙의 다짐 시험 방법

지구를 토지 공학적으로 다룰 때, 우리는 흙이라는 자연의 기초 자원을 다양한 목적으로 활용합니다. 도로, 활주로, 철도, 흙댐과 같은 토공구조물의 안정성과 내구성을 확보하려면 흙의 물리적 특성을 정확하게 이해하는 것이 필수입니다. 이를 위해 흙의 고온력 간극수, 함수비, 밀도 등을 정밀하게 분석하는데, 이 중에서도 "흙의 다짐시험"은 핵심적인 역할을 합니다.

실험목적

시료에 섞는 물의 양을 변화시키면서 그때의 함수비와 건조단위중량을 구하여 다짐곡선을 그리고 이를 이용하여 최적함수비와 최대건조단위중량을 구한다.

실험장비

1. 몰드
2. 래머
3. 시료추출기
4. 저울
5. 건조기
6. 곧은날
7. 체
8. 매스실린더
9. 칼러

실험방법

1. 칼러를 제거하고 전판과 몰드, 시료건조용 캔의 무게를 측정한다.
2. 19mm체를 통과한 공기건조시킨 시료를 4kg 정도 준비한다.
3. 시료의 무게의 10%에 해당하는 400ml의 물을 가하고 골고루 섞는다. (함수비를 대략 10% 정도로 맞추기 위함이며, 섞는 과정에서 흙덩어리들은 잘게 부순다.)
4. 1층은 몰드의 1/2 정도로 시료를 채우고 2.5kg의 래머로 30cm 높이에서 25회 다진다.
5. 2층은 몰드의 끝까지, 3층은 칼러의 끝까지 시료를 채운 후 위와 같은 방법으로 다진다.
6. 칼러를 떼어내고 곧은 날로 몰드의 가장자리를 따라 깨끗이 깎는다.
7. 몰드 주위에 붙어 있는 흙을 깨끗이 털어낸 후 무게를 측정한다.
8. 시료추출기로 몰드에서 시료를 꺼낸 뒤 3 등분하여 가장자리를 모두 떼어낸 후 중앙 부분의 흙을 시 료건조용 캔에 담고 무게를 측정한다. (가장자리의 흙은 수분 손실이 예상되기 때문이다.)
9. 시료의 무게의 15%, 20%에 해당하는 물을 가하고 ③ ~ ⑧의 과정을 반복한다.(습윤식 반복법)
10. 시료건조용 캔들을 건조기에 넣고 건조한다.
11. 건조된 시료가 담겨있는 시료건조용 캔들의 무게를 측정한다.

실험이론

다짐의 정의

함수비를 크게 변화시키지 않고 간극 내의 공기를 배출시켜 입자 간의 결합을 치밀하 게 함으로써 단위 중량을 증가시키는 것, 다짐은 흙의 성질을 개선하기 위한 경제적 이고 효과적인 방법으로 도로, 활주로, 철도, 흙댐 등과 같은 토공구조물에서 매우 유용하다.

다 짐	압 밀
① 간극 내 공기를 배출시킨다.	① 간극 내 간극수를 배출시킨다.
② 단기적	② 장기적
③ 충격 또는 진동하중	③ 정적인 하중

다짐의 효과

1. 흙의 단위중량 증가
2. 전단강도 증가
3. 투수계수 감소
4. 압축성(향후 침하량) 감소
5. 지반 지지력 증가
6. 동상, 팽창, 건조수축 등 감소

다짐시험의 목적

다짐곡선을 그리고 최적함수비와 최대건조단위중량을 구함으로서 현장에서 흙을 다질 때 살포할 가장 적절한 수량과 이 수량으로 흙을 다질 때 예상되는 단위중 량을 결정하기 위한 것이다.

다짐시험 시료의 준비방법

1. 건조법 : 시료 전량을 최적함수비가 얻어지는 함수비까지 건조하고 다질 때 물을 가하여 필요한 함수비로 조정하는 방법
2. 습윤법 : 자연함수비에서 건조 또는 물을 가함으로써 시료를 필요한 함수비로 조정하는 방법

다짐시험 시료의 사용방법

1. 반복법 : 동일한 시료를 함수비를 바꾸어 가며 반복 사용하는 방법
2. 비반복법 : 항상 새로운 시료를 함수비를 바꾸어 사용하는 방법

다짐방법의 종류

실내시험에서 다짐에너지의 크기에 따라 표준다짐시험과 수정다짐시험으로 나누며 표준다짐시험은 Proctor에 의해 제안된 방법이므로 표준 Proctor 방법이라고 도 한다. A, B방법이 표준다짐이고 C, D, E방법이 수정다짐이며 수정다짐은 표 준다짐보다 약 4배의 에너지가 더 소요된다.

다짐방법의 호칭명	래머무게	몰드 안지름	다짐 층수	1층당 다짐횟수	허용최대 입경	몰드의 체적	낙하고
A	2.5	10	3	25	19	1000	30
B	2.5	15	3	55	37.5	2209	30
C	4.5	10	5	25	19	1000	45
D	4.5	15	5	55	19	2209	45
E	4.5	15	3	92	37.5	2209	45

영공기간극곡선

흙 속에 공기간극이 전혀 없는 경우(포화, =100%)의 건조단위중량과 함수비의 관계곡선

1. 토립자의 비중을 구한다.
2. 물의 단위중량을 구한다.
3. 여러 함수비 값을 에 대입하여 점을 찍고 연결한다. (포화 100% 시 S=100%, )

다짐도

다짐의 정도를 말하며, 보통 90~95%의 다짐도가 요구된다.

다짐에너지

다짐곡선

흙의 함수비와 다져진 흙의 건조단위중량과의 관계곡선 최적함수비(OMC, Wopt)란 흙이 가장 잘 다져지는 함수비이다. 최대건조단위중량은 최적함수비에서 얻어진다.

다짐곡선의 특징

1. 다짐에너지를 크게 할수록 최적함수비는 감소하고 최대건조단위중량은 증가한다.
2. 조립토일수록 최적함수비는 작고 최대건조단위중량은 크다.
3. 입도분포가 양호할수록 최적함수비는 작고 최대건조단위중량은 크다.
4. 점성토에서 소성이 증가할수록 최적함수비는 크고 최대건조단위중량은 작다.
5. 점성토일수록 다짐곡선이 평탄하고 최적함수비가 높아서 함수비의 변화에 따른 다짐효과가 작다.
6. 다짐곡선은 영공기간극곡선의 오른쪽에 놓일 수 없다.

실험결과

습윤	몰드	시료 단위중량	캔	캔+습윤	캔+건조	함수비	평균함수비	건조 단위중량
6100	1850	1.85	18.77	74.78	70.52	8.23%	8.44%	1.71
		21.84	90.21	84.88	8.45%	18.50	42.89	40.95	8.64%
6300	2050	2.05	19.10	130.10	115.34	15.34%	15.57%	1.77
		21.10	127.13	112.63	15.84%	18.04	96.03	85.55	15.52%
6200	1950	1.95	17.98	98.31	82.80	23.93%	23.62%	1.58
		17.15	125.70	105.04	23.51%	19.22	111.98	94.37	23.43%

다짐곡선

마무리 글

이번 실험은 함수비에 따른 다짐곡선을 도출하는데 그 목적이 있다. 우선 함수비가 증가함에 따라 흙을 다졌을 시 건조 단위중량은 점점 증가한다. 이 말은 흙과 흙 사이의 공기가 다짐에 의해 빠져나가 흙으로 채워지는데 함수비가 큰 역할을 한다고 볼 수 있다. 하지만 일정 함수비를 초과하면 건조 단위 중량은 다시 감소한다. 이와 같은 현상은 이론에서 공부한 그래프를 통해 확인할 수 있으며, 최대건조단위 중량일 때의 함수비를 최적함수비라 한다.

 

이번 실험은 먼저 시료를 채취하여 시작한다. 19번째를 이용해 사분법을 사용해야 하지만 편의상 사분법은 생략하였고 결과에 미치는 영향이 미미하다는 조교님의 판단에 근거하였다. 적당량의 물을 시료와 반죽한다. 반죽된 시료를 몰드에 1/3 정도 채우고 래머로 30cm 높이에서 25회 낙하하여 흙을 다진다. 남은 시료를 다시 추가하여 한 번 더 다짐하고, 이렇게 3층높이의 시료가 다져지도록 한다. 잘 다져진 시료를 유압기를 사용해 몰드와 분리시키고 3층으로 다져진 시료를 분리하여 정 가운데 부분을 채취한다. 이와 같은 방법으로 함수비를 늘려 2번 더 실험하여 데이터 값을 얻는다.

 

실험에서 오차가 발생할 수 있었던 부분은 첫 번째로 3점을 이용하여 다짐 곡선을 도출한 점이다. 좀 더 많은 실험을 통해서 점의 개수를 늘리면 충분히 오차를 줄일 수 있다.

두 번째로 시료를 제대로 섞지 못한 점이다. 제대로 섞으려면 분부기 같은 기구를 사용하면 좀 더 고르게 할 수 있었을 것이다.

셋째로 래머의 특성상 중앙 부분 위주로 다져진 것이다. 실험에서는 이를 충분히 고려하여 시료의 중앙 부분만을 채취하였다.

네 번째로 곧은 날로 깎을 시에 중앙 부분의 시료가 많이 깎였던 점이다. 우리 조에서는 이를 보완하기 위하여 남은 시료를 얹어 손으로 다지는 기지를 발휘하였다.

다섯 번째로 미미한 차이지만 손의 체온에 의해 시료를 만질 때 수분이 증발할 수 있다는 점이다. 이 부분에서 오차를 줄이기 위해 장갑을 끼고, 또한 상온에서 물이 증발할 수 있으므로 실험을 최대한 신속하게 진해할 필요가 있었다. 개인적인 생각으로는 세 점으로 다짐곡선을 그린 것이 가장 큰 오차를 만들었다고 생각되는데 그 이유로는 현재 그려져 있는 다짐곡선이 완벽한 모양이라고 판단할 수가 없기 때문이다.

 

현재 다짐곡선을 보면 최적함수비보다 건조 측에서 약간 평평한 형태를 띠고 있는데 만약 왼쪽 아래 부분에 한 점이 더 있었더라면 이런 모양이 아닌 비교적 대칭인 모양이 나왔을 것이고 최적함수비와 최대건조단위중량이 바뀌었을 것이다. 우리가 최소 다섯 점 정도를 찍는다면 이러한 오차는 줄일 수 있다. 영공기간극곡선은 위의 이론에서처럼 rzav=[Gsrw]/[1+wGs]

의 식에 임의의 함수비 10%, 15%, 20%를 넣어서 계산하였고 비중은 2.7, 물의 단위중량은 1g/cm^3을 사용하였다.

 

이번 다짐시험의 결과를 통해 건조한 흙에 물을 가해서(함수비를 증가시키면서) 다질수록 다짐이 잘되어 건조단위중량이 증가하다가 최적함수비에서 최대건조단위중량이 나오고(다짐이 가장 잘 됨) 최적함수비를 넘어서면 다짐이 잘 되지 않아서 건조단위중량이 다시 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 처음 건조된 흙에 물을 가하면 이 물이 흙의 입자들 사이에서 윤활유와 같은 역할을 하며 다짐이 더 잘되도록 만들고 최적함수비를 넘어설 때까지 물을 가했을 때는 다져지지 않는 물이 오히려 다짐을 방해하기 때문이다. 이번 실험을 통해 얻은 그래프를 이용하여 분석해 보면 함수비 14.5%에서 1.78g/cm^3으로 최대건조 단위중량을 얻을 수 있었다.

 

이렇게 책에서 이론으로만 보던 최적함수비와 최대건조단위중량을 실험을 통해서 도출해 보니 그 이론에 대한 확인을 할 수 있었고, 신뢰가 생겼다. 이렇게 이론을 확인해 보는 과정은 아주 중요하다고 생각한다. 이렇게 직접 눈으로 확인한 이론과 지식은 쉽게 잊히지 않으며 앞으로 실무에 나가서나 전공에 대한 지식을 이어가는데 상당한 도움이 되리라고 생각한다.