Ⅰ. 서 론
노상토의 강도와 강성은 도로 포장 설계 시 상부층의 두께와 구조를 결정하는 데 매우 중요한 인자이다. 일반적으로 노상토의 강도는 캘리포니아 지지력비 (California bearing Ratio, CBR) 시험을 통해 평가되며, 이는 일정 관입 깊이에서 시험체의 관입저항을 기준재료에 대한 저항과 비교하여 산정한다. 반복적인 차량 하중 작용에 의해 노상토에서는 회복 변형과 영구 변형이 동시에 발생하며, 반복 하중 조건에서의 축차응력과 회복변형률의 비로 정의되는 회복탄성계수 (Mr)는 Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG)에서 핵심 설계 인자로 간주된다. 회복탄성계수는 반복 삼축 압축시험을 통해 산정하는 것이 일반적이나, 해당 시험은 비용과 시간이 많이 소요되고 현장 조건에 적용하기 어렵다는 한계가 있다 (Kuttah, 2021).
현장 적용을 위해 다양한 비파괴 현장시험법이 노상토의 회복탄성계수 평가에 활용되고 있다. 대표적으로 동평판재하시험기 (Falling Weight Deflectometer, FWD)는 포장층의 탄성계수 산정에 널리 사용되지만, 탄성계수와 회복탄성계수의 특성 차이뿐만 아니라 하중판 직경의 약 1~2배 이내로 영향 깊이가 제한된다는 한계가 있다. 또한, 역해석을 통한 층별 계수 산정 시 단일 해답이 도출되지 않는 경우도 존재한다 (Nazzal et al., 2004). 소형 동평판재하시험기 (Light Weight Deflectometer, LWD)는 동평판재하시험기와 유사한 원리로 작동하지만, 영향 깊이의 한계는 여전히 존재한다. 따라서, 포장 시공 이후 다양한 심도에서의 회복탄성계수 평가에는 한계가 있다.
영향 깊이에 따른 한계를 극복하기 위해 다양한 관입시험법이 개발되어, 얕은 심도의 노상토 강도 및 강성 특성 평가에 활용되고 있다. 동적콘관입기 (Dynamic Cone penetrometer, DCP)는 타격당 관입깊이를 측정하여 동적콘관입지수 (Dynamic Cone penetration Index, DCPI)를 산정함으로써 노상토의 강도를 평가하는 대표적 원위치 시험법이다. 최근에는 하중계와 가속도계를 탑재한 계장화된 동적콘관입기 (Instrumented DCP, IDCP)가 개발되어, 에너지 전달 및 동적 저항을 보정함으로써 보다 신뢰성 높은 강도 분포 평가가 가능해졌다 (Byun and Lee, 2013). 한편, 기존의 동평판재하시험기와 계장화된 동적콘관입기의 한계를 보완하기 위해, 원위치 강성분석기 (In-situ Modulus Detector, IMD)가 개발되어 노상토의 회복탄성계수 분포 평가에 적용되고 있다 (Byun and Kim, 2022; Kim et al., 2023; Kim et al., 2024a). 원위치 강성분석기는 선단부에 하중계와 가속도계를 탑재하여 해머 낙하 시 발생하는 동적 하중과 변위를 측정함으로써 회복탄성계수를 산정할 수 있다. 그러나, 기존 연구는 실내 다짐 시료를 대상으로 수행된 실험에 국한되어 있어, 실제 현장 조건을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 또한, 원위치 강성분석기를 활용한 현장 규모의 회복탄성계수 평가 연구는 아직 미흡한 실정이다.
본 연구에서는 실제 현장 조건에서 원위치 강성분석기를 활용하여 노상토의 회복탄성계수를 평가하고자 하였다. 이를 위해, 원위치 강성분석기 및 동적콘관입기의 시험 원리 및 장비를 소개하고, 시험 대상지의 현장 조건과 사용된 재료의 특성을 제시하였다. 이후, 시험 절차를 기술하고, 상대다짐도가 상이한 다짐층에서 측정된 동적콘관입지수 및 회복탄성계수의 분포를 비교 및 분석하였다. 마지막으로, 원위치 강성분석기로부터 산정된 회복탄성계수와 상대다짐도 간의 상관관계를 고찰하여 현장 적용성을 평가하였다.
Ⅱ. 실험장비
1. 들밀도 시험기
들밀도 시험기는 모래 치환법을 이용하여 현장에서 흙의 건조단위중량을 측정하는 장비이다. 시험은 평탄하게 다져진 시험 부위에 밑판을 밀착시킨 후, 밑판의 구멍을 판 다음 해당 구멍에서 제거한 흙의 질량을 측정한다. 이후 시험기에 부착된 깔때기를 통해 표준 모래를 구멍에 채워 넣고, 남은 모래의 질량을 측정하여 구멍의 체적을 산정한다. 파낸 흙의 질량과 모래로 채운 체적을 비교함으로써 흙의 단위중량을 현장에서 직접 계산할 수 있다. 들밀도 시험기는 도로 노상 및 기타 지반의 다짐 상태를 평가하기 위해 널리 사용되는 현장시험으로, KS F 2311 규격에 따라 수행된다.
2. 동적콘관입기
동적콘관입기는 지반의 강도를 평가하기 위한 원위치 시험장비이다. 동적콘관입기는 직경 20 mm, 각도 60°의 원추형 선단부와 직경 16 mm의 롯드, 그리고 해머로 구성되어 있다. 해머는 78.5 N의 중량을 가지며, 575 mm의 높이에서 낙하시켜 선단부에 동적 하중을 가한다. 해머의 낙하로 발생한 동적 에너지는 앤빌을 통해 롯드와 선단부에 전달되어 지반을 관입하게 된다. 각 타격에 따른 관입깊이를 측정한다. 동적콘관입 시험을 통해 획득된 관입깊이를 통해 동적콘관입지수를 평가할 수 있으며, 동적콘관입지수는 다음과 같이 구할 수 있다.
여기서, Dn+1과 Dn은 각각 n+1과 n의 타격 횟수에서의 관입깊이를 나타낸다. 동적콘관입기는 시험이 간단하고 경제적이며 현장에서 신속하게 지반의 강도 특성을 평가할 수 있다는 장점이 있다.
3. 원위치 강성분석기
원위치 강성분석기는 현장에서 노상토의 회복탄성계수 분포를 평가하기 위해 개발된 장비이다. Kim et al. (2024a)과 Kim et al. (2023)은 실내실험을 통해 원위치 강성분석기로 산정한 탄성계수를 LWD와 반복삼축압축시험 결과와 비교하여, 원위치 강성분석기의 신뢰성을 검증한 바 있다. IMD는 직경 24 mm, 각도 60°의 원추형 선단부가 관입 롯드 하단에 연결된 구조로 설계되었으며, 관입 롯드에 연결된 가이드를 따라 해머를 낙하시켜 동적 하중을 재하할 수 있도록 구성되어 있다. 내부 센서 설치를 위해 원추형 선단부의 직경은 24 mm로 제작되었고, 롯드의 길이는 1,000 mm, 해머의 중량은 98.1 N, 최대 낙하 높이는 500 mm로 설계되었다. 해머 가이드 하단에는 앤빌과 고무 버퍼가 설치되어 있으며, 이를 통해 해머 낙하 시 발생한 동적 에너지가 효율적으로 관입 롯드에 전달된다. 또한, 버퍼는 하중 전달시간을 증가시키고 고주파수 노이즈를 저감하는 역할을 한다. 선단부에는 4개의 변형률계와 1개의 가속도계가 장착되어 있어, 해머 낙하에 따른 동적 하중 및 변위를 실시간으로 측정할 수 있다.
Ⅲ. 실험적 연구
1. 현장 개요
현장 실험은 화성시에 위치한 시험용 성토체에서 수행되었다. 성토체 조성에 사용된 재료는 사질토이며, 사용된 사질토의 입도분포와 다짐곡선은 Fig. 2에 나타내었다. 사질토의 최적함수비와 최대 건조단위중량은 각각 8.23%와 19.52 kN/m3로 확인되었다. 사질토의 기본 물성치는 Table 1에 정리되어 있으며, 통일분류법에 따라 SP로 분류되었다. 성토체는 Fig. 3과 같이 두께 300 mm의 두 층으로 조성되었으며, 세 구역으로 구분하였다. 각 구역은 12 ton 진동 롤러를 이용하여 2, 4, 6회의 서로 다른 다짐 횟수로 조성하였다. 이러한 다짐 조건의 차이는 실내 실험 (Kim et al., 2024a)에서 관찰된 상대 다짐도와 회복탄성계수 간의 상관관계를 실제 현장 조건에서 검증하고, 다짐 횟수 변화에 따른 강도 및 강성의 민감도를 분석하기 위함이다. 조성된 구역의 건조단위중량을 측정하기 위해 들밀도 시험을 실시하였고, 이를 바탕으로 상대다짐도를 산정하였다. 측정된 건조단위중량과 산정된 상대다짐도는 Table 2에 정리하였다. 상대다짐도는 2회 다짐 시 78.0%, 6회 다짐 시 86.4%로 증가하였으며, 건조단위중량 또한 2회 다짐 시 15.20 kN/m3, 6회 다짐 시 16.87 kN/m3로 증가하였다. 따라서, 다짐횟수가 증가할수록 노상토의 밀도와 다짐도가 향상되는 경향을 확인할 수 있었다.
Table 1
Soil index properties
[kN/m3]
2. 원위치 시험
상대다짐도가 서로 다른 세 종류의 노상토를 대상으로 원위치 강성분석기와 동적콘관입기를 이용한 관입 시험을 수행하였다. 시험은 원위치 강성분석기를 먼저 실시한 후, 동일 구역 내 인접 위치에서 동적콘관입기를 시험을 순차적으로 진행하였다. 각 시험은 약 350 mm까지 관입되도록 수행하였다. 원위치 강성분석기는 다짐된 노상토의 중앙에 위치시킨 후, 해머를 500 mm 높이에서 낙하시켜 관입을 실시하였다. 이때 관입 깊이별 최대 하중과 회복 변위를 측정하였다. 이후, 동적콘관입 시험은 원위치 강성분석기의 관입지점에서 75 mm 떨어진 위치에서 수행되었으며, 두 시험 결과는 관입 깊이와 다짐도에 따른 노상토의 강성 및 변형 특성 비교 분석에 활용되었다.
Ⅳ. 결과 및 분석
1. 관입지수
상대다짐도가 다른 세 종류의 노상토를 대상으로 두 가지 동적 관입시험을 수행하였다. Fig. 4(a)에 나타낸 바와 같이, 상대다짐도가 증가할수록 타격당 관입깊이는 감소하는 경향을 보였다. 이는 다짐도가 향상됨에 따라 노상토의 밀도와 강성이 증가하여 동일 타격에 대한 관입저항이 증가하기 때문이며, 이러한 결과는 관입시험 지표가 현장 다짐 품질을 민감하게 반영함을 의미한다. 또한, 상재하중의 영향으로 인해, 관입 초기에 동적콘관입지수는 급격히 감소하는 양상이 관찰되었으며, 이후 깊이가 증가함에 따라 완만한 변화로 전환되었다. Kim et al. (2024b)의 실내실험 결과에서도, 건조단위중량이 증가할수록 타격당 관입깊이가 감소하는 반비례 관계가 보고되었으며, 본 연구의 현장 결과와 유사한 경향을 확인할 수 있었다. 동적콘관입기는 원위치 강성분석기에 비해 타격당 더 큰 관입깊이를 나타냈다. 이는 원위치 강성분석기의 해머가 더 큰 에너지를 가지지만, 롯드 직경이 커짐에 따라 주면 마찰이 증가하고, 원위치 강성분석기에 설치된 고무버퍼로 인해 하중 전달 시간이 증가하기 때문으로 해석된다. 두 장비를 이용하여 동일한 심도에서 산정된 동적콘관입지수를 Fig. 4(b)에 도시하였으며, 회귀분석을 수행한 결과, 다음과 같은 선형적인 관계가 도출되었다.
Fig. 4
(a) Profiles of penetration index with penetration depth and (b) Comparison of DCPI obtained from IMD and DCP
여기서, DCPI_IMD와 DCPI_DCP는 각각 원위치 강성분석기와 동적콘관입기로부터 산정된 동적콘관입지수를 나타낸다. 동일 심도에서 두 장비간 동적콘관입지수는 선형적으로 연계되는 경향을 보였으며, 상대다짐도에 따른 동적콘관입지수의 감소 추세 또한 일관되게 확인되었다. 이는 원위치 강성분석기와 동적콘관입기 간 관입지수 비교가 가능하며, 두 시험 장비 간 상호 연관성이 높음을 보여준다. 따라서, 원위치 강성분석기를 활용한 현장 다짐 품질 관리의 적용 가능성을 뒷받침한다.
2. 상대밀도
본 연구에서는 동적콘관입시험 결과로부터 동적콘관입지수를 산정하고, 이를 토대로 경험식 기반의 상대밀도를 산정하였다. 상대밀도는 사질토의 조밀도와 다짐 상태를 정량적으로 나타내는 대표적인 지표로, 본 연구에서는 현장 다짐 구간별 강도⋅강성 특성의 차이를 분석하고, 회복탄성계수와의 상관관계를 검토하기 위해 사용하였다. 선행연구에서는 동적콘관입시험을 통해 산정된 동적콘관입지수와 상대밀도 사이의 경험적 상관 관계가 제시된 바 있다 (Mohammadi et al., 2008; MacRobert et al., 2019). 해당 경험식은 주로 세립분이 낮은 사질토에 대해 적용 가능한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 사용된 흙은 SP로 세립분 및 소성지수가 낮아, 해당 경험식을 적용하기에 적합한 조건을 충족한다. 이에 따라 다음 식을 적용하였다.
여기서, Dr은 상대밀도를 나타낸다. 각 상대다짐도 조건에서 측정된 깊이별 동적콘관입지수를 식 (3)를 대입하여 상대밀도를 산정하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 도시하였다. Fig. 5에 나타난 바와 같이, 상대다짐도가 증가할수록 상대밀도 또한 증가하는 경향을 보였으며, 관입깊이가 깊어질수록 상대밀도도 증가하였다.
3. 회복탄성계수
원위치 강성분석기를 이용하여 동적 관입시험을 수행한 결과, 각 상대다짐도 조건에서 측정된 하중 및 회복변위를 기반으로 회복탄성계수를 산정하였다. 세 종류의 상대다짐도 조건에서 얻은 대표적인 동적하중과 변위신호를 Fig. 6에 도시하였다. 노상토의 상대다짐도가 증가할수록 동적하중의 최대 진폭은 증가한 반면, 변위의 진폭은 감소하는 경향을 보였다. Kianirad (2011)의 연구결과에서도 건조단위중량이 감소하면 동적하중의 지속시간이 증가하고 진폭이 감소하는 현상이 보고된 바 있다. 회복탄성계수는 반복하중에 따른 축차응력을 회복변형률로 나누어 산정하였으며, 식은 다음과 같다.
여기서, 
는 동적 하중의 최대 진폭을 선단부의 단면적으로 나누어 산정한 축차응력이고, 
은 가속도계로 측정된 회복변위를 기준으로 산정한 회복변형률이다. Fig. 7의 회복탄성계수는 관입깊이 50 mm 간격으로 평균값을 산정하였다. 얕은 심도에서는 약 10개의 값, 깊은 심도에서는 약 20개의 값을 평균하여 대푯값을 도출하였다. 상대다짐도가 78.0%일 때 가장 낮고, 86.4%일 때 가장 높게 나타났으며, 관입심도가 증가할수록 회복탄성계수는 점진적으로 증가하는 경향을 보였다. 이러한 깊이에 따른 회복탄성계수 변화와 상대다짐도의 영향은 Kim et al. (2023)이 다짐시료에서 보고한 결과와 일치한다. 표층에서는 상대다짐도에 따른 회복탄성계수 차이가 크지 않았으나, 심도가 증가함에 따라 그 차이가 점차 확대되는 경향을 보였다. 이는 다짐도가 높을수록 관입심도 증가에 따른 구속압 효과가 더 크게 작용하는 것으로 보고된 바 있다 (Aregbesola and Byun, 2024; He et al., 2024; Heidarabadizadeh et al., 2021).
4. 회복탄성계수 비교
Fig. 8은 노상토의 상대다짐도에 따라 산정된 회복탄성계수와 상대다짐도 간의 관계를 나타낸다. 전체 관입깊이에 대해 산정된 회복탄성계수 (Mr)는 상대다짐도 (RC)가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 회귀분석 결과 다음과 같은 관계식이 도출되었다.
Fig. 9는 상대다짐도별로 산정된 회복탄성계수와 상대밀도 (Dr) 간의 관계를 나타낸다. 회복탄성계수와 상대밀도는 관입깊이 50 mm 간격으로 평균값을 산정하였으며, 회복탄성계수는 상대밀도가 증가할수록 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. Kim et al. (2024b)의 실내실험 결과에서도 높은 밀도의 다짐시료가 더 큰 회복탄성계수를 보였으며, 이는 본 연구의 현장 결고와 유사한 결과를 보였다. 회복탄성계수와 상대밀도간의 회귀분석 결과 식 (6)과 같은 선형적인 관계가 도출되었다.
현장 노상토의 상대 다짐도와 상대밀도가 증가함에 따라 회복탄성계수가 선형적으로 증가하였다. 이러한 결과는 원위치 강성분석기를 활용한 회복탄성계수 평가의 현장의 적용 가능성과 신뢰성을 뒷받침한다. 다만, 보다 일반화된 상관관계를 구축하기 위해서는 다양한 지반 조건의 노상토를 대상으로 한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.
Ⅴ. 요약 및 결론
본 연구에서는 원위치 강성분석기 (IMD)와 동적콘관입기 (DCP)를 활용하여 현장에서 조성된 노상토를 대상으로 세 가지 상대다짐도 조건에서 시험을 수행하였다. 대상 현장은 2, 4, 6회 롤러 다짐하여 서로 다른 밀도의 노상토를 조성하였으며, 들밀도 시험을 통해 각 구간의 건조단위중량을 측정하고 상대다짐도를 산정하였다. 원위치 강성분석기는 선단의 하중계와 가속도계를 통해 낙하에너지에 의한 동적응답을 계측하여 회복탄성계수를 산정하고, 동적콘관입기는 타격당 관입깊이를 기반으로 동적콘관입지수 (DCPI)를 계산하였다. 두 시험은 동일한 시험구역에서 순차적으로 실시하여 관입심도 및 다짐도변화에 따른 강성 및 변형 특성을 비교⋅분석하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
(2) 관입깊이에 따라 동적콘관입지수는 초기 급격한 감소 후 점진적으로 감소하였으며, 원위치 강성분석기와 동적콘관입기에서 산정된 동적콘관입지수는 회귀분석 결과 선형적인 관계가 나타났다.
