1. 서 론

도로 및 철도 현장의 일반적인 성토체 다짐관리는 현장에서 측정된 건조단위중량과 평판재하시험을 통해 얻은 지지력 계수가 다짐 기준을 만족하는 가를 확인하는 방법으로 이루어져 왔다. 최근에는 이러한 기존 방법보다 빠르게 성토체 다짐 상태를 확인하기 위해

LFWD(Light Falling Weight Deflectometer)나 HFWD(Handy Falling Weight Deflectometer) 등이 사용되고 있으며, LFWD 시험결과는 현재 철도 토공노반 및 도로 토공노반의 탄성계수 산정에 사용되기도 한다(Abu-Farsakh 등, 2004). 하지만 Taljaard (2006)는 LFWD를 사용해 획득한 탄성계수가 현장 탄성파 시험으로 획득한 탄성계수에 비하여 1/3~1/2 수준이며, 이러한 차이를 설명하기 위해서는 하중 주파수나 탄성계수의 변형률 수준을 고려해야 한다고 제시하였다.

Table 1. Physical properties of compacted soils
Test ID	Sampling location	Unified soil classification	% finer #200 sieve (%)	Level of ompaction energy (%)	Maximum dry density, (max) (kN/m3)	Optimum moisture content, OMC (%)	Natural water content, ωn (%)	Measurement of elastic wave velocity
								In the laboratory		In the field
								Compressive wave (P wave)	Shear wave (S wave)	Cross hole test	Direct arrival test
A100	Seocheon (Railway)	SW	1.6	100	19.90	10.2	8.6	○	×	×	×
B100	Onyang (Test fill)	SP	-	100	18.25	12.5	9.9	○	×	×	×
C60	Asan (Railway)	SW	-	60	18.40	13.8	10.7	×	○	×	×
C100				100	19.35	12.4
C136				136	19.50	10.6
D60	Uiwang (Test fill)	SW	2.1	60	20.64	8.7	9.7	○	○	○	○
D100				100	21.65	7.0
D136				136	21.59	5.9
E60	Yongin (top soil)	SW	4.5	60	19.12	11.8	8.9	○	○	×	×
E100				100	19.89	10.8
E136				136	19.84	9.7
F60	Yongin (top soil)	SW	0	60	19.31	10.8		○	○	×	×
F100				100	20.03	5.6
F136				136	20.43	9.3
* The number in each test ID indicates the ratio of applied compaction energy to the energy for standard test method D * Referring to Park et al (2009a, 2009b) for more information on samples from Seochon, Asan, and Uiwang

지반의 상대 다짐도를 확인하는 방법으로 박철수 등(2009a, 2009b)은 직접 도달파 시험(Direct Arrival Test, DAT)을 통해 측정된 탄성파 속도를 이용하였다. 박철수 등(2009)은 실내다짐시험에서 측정한 함수비별 압축파(compression wave) 속도를 이용하여 목표 최적함수비와 상대 다짐도에서의 압축파 속도를 현장다짐 품질기준으로 설정하고 현장에서 직접도달파 시험을 수행하여 얻은 압축파 속도를 품질 기준과 비교하여 현장의 다짐도를 관리하는 방안을 제시하였다. 하지만 이들이 제시한 방법에서는 실내다짐시험에서의 다짐에너지 수준과 현장다짐에서의 다짐에너지 수준이 상이할 수 있음은 별도로 고려하지 않았다.

또한 최근 다짐 기계 장비에서 다짐을 수행하는 동시에 다짐도를 실시간으로 평가할 수 있는 지능형 다짐관리가 시도되고 있는데, 이를 위해 다짐장비의 드럼에서 측정된 CMV(Compaction Meter Value)를 이용하고 있다(Iowa DOT, 2004). CMV는 다짐장비에서 전달되는 하중이 노반의 다짐 정도에 따라 상이한 반력으로 되돌아오는 원리에 의하여 산정되며 이를 통하여 지반의 다짐도를 평가하게 된다. 하지만 CMV를 이용한 다짐 관리는 CMV로 평가된 현장 지반 강성을 반 경험적으로 현장 다짐도와 연계시키는 한계가 있다.

실내 실험에서 다짐 시료에 대한 강성과 다짐도의 관계를 파악하기 위해 초음파 시험을 이용하는 연구가 진행 중이다. Weidinger 등(2009)은 초음파 시험으로 다져진 실트(ML) 시료를 대상으로 압축파와 전단파 속도를 측정하였는데, 가장 빠른 체적파인 압축파를 효과적으로 측정하였다. Slavova 등(2010)은 다진 실트를 대상으로 표준 다짐과 수정 다짐 시험에서 함수비 변화에 따른 압축파와 전단파 속도 변화를 비교하였으나 큰 차이점을 발견하진 못하였다. Yesiller 등(2011)은 점토질 모래와 점성토를 이용하여 표준 다짐과 수정 다짐으로 시료를 성형한 후 압축파 속도를 측정하였고, 건조 단위 중량이 증가할수록 압축파 속도가 증가하는 것을 확인하였으나 전단파 속도의 변화를 측정하지 못하였다.

본 연구에서는 다짐 에너지 수준에 따른 탄성파 속도 변화 양상을 파악하기 위해 다짐에너지 수준을 달리하여 실내 다짐 시험과 탄성파 속도 측정을 수행하였고, 그 결과를 분석하여 다짐에너지의 차이가 다짐 재료의 탄성파 속도에 어떻게 영향을 주는 지 제시하고자 하였다.

2. 실내시험

2.1 실험 대상 재료

본 연구의 대상 재료는 도로 및 철도 노반의 성토 재료로 주로 쓰이는 통일 분류법 상 SP 또는 SW의 재료를 사용하였다. Table 1에 제시한 바와 같이 A, B, C 와 D시료는 국내 도로 및 철도 노반 시공 현장에서 직접 채취하였다. 이중 A, B, C시료에 대한 실험 결과는 과거 박철수 등(2009a, 2009b)의 결과인데 불행히도 정확한 입도분포를 파악하기 어려웠다. 따라서 보다 명확한 입도 분포 조건에서 가공된 시료인 E와 F를 추가로 연구에 사용하였다. 대상 시료에 대한 입도분포는

Fig. 1. Particle size distributioncurve of sample A, D, E and F

Fig. 1에 도시하였다. A 시료는 충청남도 서천의 일반철도 건설 노반 조성 현장에서, B 시료는 충청남도 온양의 일반철도 시험 성토 현장에서, 그리고 C 시료는 충청남도 아산의 철도 노반 현장에서 채취하였다(한국건설교통기술평가원, 2008). D 시료는 한국철도기술연구원에서 실시한 콘크리트 궤도 노반의 실대형 모형 시험을 위해 조성된 노반의 재료이다. E와 F 시료는 경희대학교 국제캠퍼스 인근에서 채취한 표토를 이용하여 준비하였다.

2.2 다짐시험

다짐 시험은 D 다짐(KS F 2312, ASTM D422-63)을 기준으로 다짐에너지 수준을 달리하여 수행하기 위하여 직경 150 mm, 높이 125 mm의 몰드와 44.1 kN 무게의 래머(rammer)을 사용하였다. 본 연구에서는 래머의 낙하고를 45 cm로 고정하였고, 비 반복법에 따라 다짐 대상 재료를 준비하였다. 다짐에너지 수준에 따라 3가지 경우로 나누어 실험을 수행하였다. 에너지 수준에 따른 다짐 시험 조건은 Table 2과 같으며, 다짐에너지는 식 (1)을 이용하여 산정하였다.

Table 2. Specification of the compaction test
Level of compaction energy (%)	Number of layers	Blows per layer	Compaction energy (kJ/m3)	Note
60	3	55	1484
100	5	55	2473	Standard D
136	5	75	3372
* Level of compaction energy indicates the relative ratio of compaction energy to the energy for standard test method D.

Table 2에 제시한 바와 같이 D 다짐 시험의 에너지 수준을 100%로 하고 다짐층수와 층당 다짐횟수를 변화하여 다짐에너지 수준이 60% 또는 136%가 되도록 다짐을 실시하였다. 다짐 곡선을 얻기 위해 함수비를 달리하였고, 따라서 각 시료의 건조단위중량도 함수비와 다짐 에너지량에 따라 변화한다.

 (1)

여기서, 는 다짐 에너지(kN・m/m³)이고, 는 각 층당 다짐회수, 는 다짐 층 수, 는 래머의 낙하높이(m), V는 몰드의 체적(m³), W는 래머의 중량(kN)이다.

2.3 실내 탄성파 측정

Table 1에 정리한 시료에 대해 에너지 수준을 달리하여 다짐 시험을 실시하였고, 각기 다른 함수비 조건으로 다짐된 시료에 대해 탄성 압축파와 전단파 속도를 측정하였다. 탄성파 측정 시험은 다져진 시료가 다짐 몰드에 구속된 상태에서 수행하였다. 이는 실제 지반의 횡방향 구속 조건을 고려하고, 또한 추출 시 시료의 교란을 최소화시키기 위해서이다.

탄성파 계측에서 압축파와 전단파 계측은 서로 다른 방법이 적용되었다. 압축파 측정을 위해 다짐 시료의 한 쪽 면에 가진 판(직경 10 mm, 두께 1 mm)을 설치 한 후 Fig. 2(a)와 같이 충격해머(impulse hammer, PCB 086C80)를 가격하여 압축파를 발생시켰다. 압축파의 수신을 위해 1 Hz~30 kHz의 주파수 대역 측정이 가능한 가속도계(PCB 353B11)를 Fig. 2(b)와 같이 다짐시료의 반대 쪽 면에 부착하였다. 측정된 압축파 신호는 동적 신호 분석기를 통해 기록하였다.

전단파 계측은 충격해머 대신에 한 쌍의 벤더 엘리먼트(bender element, BE)를 사용하여 측정하였다. 측정에 사용된 벤더 엘리먼트는 5 mm×8 mm×0.8 mm 크기로 제작되었으며 Fig. 4(a)와 같이 하우징(housing)을 씌워 벤더 엘리먼트의 끝단이 1~2 mm만 돌출되도록 제작하여 사용하였다. 벤더 엘리먼트를 사용하여 탄성파를 측정할 때 발생할 수 있는 전기적 간섭현상(crosstalk)을 최소화하기 위하여 병렬식으로 제작되었고, 접지 및 차폐에 주의를 기울였다. 한 쌍의 벤더 엘리먼트는 가진 및 수신장치로 사용되었으며

(a) Impact hammer	(b) Accelerometer
Fig. 2. Measurement of compressive wave
(a) Dry of optimum	(b) Wet of optimum
Fig. 3. Typical signals of compressive wave for two different water contents (Specimen E136)
(a) Bender element (BE)		(b) Scheme of BE measurement system
Fig. 4. Measurement of shear wave

Fig. 4(a)의 벤더 엘리먼트를 클램프를 이용하여 시료의 양 표면에 밀착시켜 전단파 신호를 측정하였다. 벤더 엘리먼트를 이용한 신호 계측에서는 Fig. 4(b)와 같이 함수발생기(function generator), 전압증폭기(power amplifier)가 가진 측에 사용되며, 입력 및 수신된 파형은 오실로스코프(oscilloscope)를 통하여 확인한 후, 데이터 기록 장치를 통해 저장하였다. 본 연구에서는 전단파의 입력주파수를 2 kHz,로 결정하였고, 전압증폭기를 이용하여 20~30 V로 신호를 증폭하여 가진하였다. 입력주파수 결정을 위하여 0.5kHz에서 15kHz까지 스위핑(sweeping)을 실시하였으며, 전기적 간섭현상으로 인한 수신신호의 불확실한 초동(first arrival)이 발생하지 않으며 시료를 통해 전파된 신호가 분명하게 확인되는 주파수를 찾아 입력주파수로 결정하였다.

2.4 현장 탄성파 시험

(a) Dry of optimum	(b) Wet of optimum
Fig. 5. Typical signals of shear wave for two different water contents (Specimen E136)

본 연구에 사용된 시료 중 D 시료는 철도노반의 실대형 실험을 위한 상부 노반 조성에 사용된 재료와 동일한 시료이며, D 시료로 조성된 상부 노반에 대해 현장 탄성파 시험이 가능하였다. 먼저 상부 노반 조성 단계에서 직접 도달파 시험(direct arrival test, DAT)을 수행하였다. 직접 도달파 시험은 얕은 깊이의 지표면 근처 지반의 동적 물성을 측정하기 위한 탄성파 조사 기법 중 하나이다(Richart 등, 1970). 직접 도달파 시험에서는 지표면 위에 놓인 가진원에서 충격을 가하면 압축파와 전단파가 혼합되어 지표면 근처의 지반을 통해 전파된다. 혼합된 파형 중 압축파(compressive wave, P파)가 일반적으로 가장 빠른 전파속도를 가지며, 따라서 다른 종류의 탄성파보다 구분이 용이하다. 직접 도달파 시험은 Fig. 6(a)과 같이 가진원과 수신기를 설치하며, 가진원과 수신기(4.5 Hz geophone)사이의 거리는 1 m로, 각 수신기 간격은 1 m씩으로 총 3개의 수신기를 설치하였다. Fig. 6(b)

(a) Scheme of direct arrival test

(b) Wave directions for different impact directions

Fig. 6. Scheme of direct arrival test (Jung et al., 2011)

에서와 같이 가진원의 타격 방향에 따라 측정하고자 하는 탄성파를 변화시켜 주성분으로 전파시킬 수 있으며, 압축파 이외에 전단파의 측정도 가능하다. 가진은 Fig. 6(b)에 보인 플랭크(plank)에 신호선을 연결한 망치로 타격하는 방법을 사용하였으며, 수신기는 방향성에 따라 수평인 경우 P파와 SH파, 연직방향인 경우 SV파 측정이 가능하도록 두 종류를 사용하였다.

노반 조성이 끝난 후 열차하중 재하 전후에 크로스홀 시험(cross hole test, CHT)을 실시하였다. 크로스홀 시험은 지반에 두 개 이상의 검측공을 설치하고 한 쪽은 발진자(source), 다른 한쪽은 감지기(receiver)를 동일 심도에 설치한 후 발진자에서 발생시킨 진동이 지반을 통과하여 감지기에 도달하는 시간을 측정하여 깊이 별로 탄성파 속도를 측정할 수 있는 시험이다. 크로스 홀 시험에서는 파의 진행경로가 일정하고 발진기와 감지기가 같은 심도에 있어 자세한 지층구조를 알아낼 수 있는 비교적 정밀하게 측정할 수 있는 시험 방법이다. 크로스홀 시험을 위하여 노반 조성 전에 두 개의 마주보는 PVC관을 중심 거리 4.2 m로 설치하였으며, 노반 조성 과정 중 수직도를 유지하였다. 탄성파의 측정은 심도 0.5 m에서 1.8 m까지 10 cm 간격으로 압축파와 전단파를 측정하였으며, 이후 심도 2.65 m까지는 15 cm 간격으로 측정하였다.

3. 실험결과 및 분석

본 연구에는 총 6가지 종류(A~F)의 사질토 성분의 시료를 대상으로 실내다짐시험과 탄성파 속도 측정을 실시하였다.

Fig. 7. Compaction curves of specimen A & B

Fig. 8. Compressive wave velocity curves of specimen A & B

Fig. 7은 D 다짐 시험으로 구한 A와 B 시료의 다짐곡선이다. Fig. 8은 다짐이 끝난 A와 B 시료를 이용하여 실내 압축파 실험을 실시하여 구한 함수비에 따른 압축파 속도의 변화 곡선이다. Fig. 7과 Fig. 8의 화살표는 각 다짐 시험에서 구한 최적함수비의 위치를 표시한다.

Fig. 7과 Fig. 8을 살펴보면, 동일한 다짐에너지에서 B 시료가 A 시료보다 높은 최대 건조단위중량을 가지며, 이는 양입도를 가진 SW 시료가 상대적으로 불량한 입도를 가진 SP 시료보다 높은 최대 건조단위중량을 가진다는 사실(Johnson and Sallberg, 1960)과 일치한다. 하지만 이러한 차이가 압축파 속도에 대해서는 뚜렷하지 않은데, Fig. 8을 살펴보면 A와 B 시료 모두 최적함수비에 대한 압축파 속도는 서로 유사하다. 오히려 전반적인 압축파 속도는 B 시료에서 더 크게 나타난다. 이러한 차이는 압축파의 전달이 서로 다른 크기의 모든 입자에 걸쳐 균질하게 일어나지 않으며, 비교적 큰 입자들로 연결된 접촉력 연결 사슬(contact force chain)을 통해서만 국부적으로 일어날 가능성이 있음을 의미한다.

Fig. 9. Compaction curves of specimen C

Fig. 10. Shear wave velocity curves of specimen C

Fig. 9는 C 시료의 다짐곡선이다. C 시료의 경우, D 다짐의 에너지 수준을 100%로 가정하였을 때, 다짐층수와 층당 다짐수를 조절하여 다짐에너지 수준을 60%, 100%, 그리고 136%의 세 가지 경우로 나누어 각각 다짐시험을 수행하였다. 다짐이 끝난 후 벤더 엘리먼트를 이용하여 전단파 속도를 측정하였고 Fig. 10과 같이 함수비에 따른 전단파 속도 변화 곡선을 구하였다. 다짐에너지 수준이 60%와 100% 사이에서는 건조 단위 중량 및 전단파 속도의 변화가 뚜렷하게 나타났지만, 100%와 136%의 결과에서는 큰 차이가 나타나지 않았다. 이는 C 시료에 136%의 큰 다짐에너지를 가하더라도 이미 시료가 충분히 다져져서 더 이상 다짐도가 증가하지 못하는 상태에 이르렀음을 의미한다. Fig. 9와 10에서 C 시료의 함수비가 13%이상이면 다짐에너지 수준을 달리하여도 다짐 곡선과 전단파 속도 곡선이 거의 일치한다. 이는 최적 함수비보다 습윤 측에서는 모든 에너지 수준에서 흙의 다짐 곡선이 영간극비 곡선(zero air void curve)에 근접하였기 때문이다. 각 시험이 다짐에너지 수준은 달라도 다짐 상태가 동일해 졌기 때문에, 압축파 속도 및 전단파 속도가 동일해 진 것이다.

Fig. 11. Compaction curves of specimen D

Fig. 12. Compressive wave velocity curves of specimen D

Fig. 11은 D 시료의 다짐곡선이다. D 시료는 C 시료와 동일하게 다짐에너지 수준별 다짐시험을 수행하였으며, 압축파 속도와 전단파 속도를 모두 측정하였다. Fig. 12는 D 시료의 압축파 속도 곡선이고, Fig. 13은 전단파 속도 곡선이다. 또한 D 시료에 대해서는 현장에서 수행된 크로스홀 탄성파 시험과 직접도달파 시험의 측정결과가 있으며 Fig. 12와 Fig. 13

Fig. 13. Shear wave velocity curves of specimen D

Fig. 14. Compaction curves of specimen E & D

에 함께 도시하였다. D 시료에서는 다짐 에너지 수준에 따라 압축파 속도와 전단파 속도의 차이가 크지 않은데, 이는 C 시료의 경우처럼 대부분의 결과가 습윤 측에 대한 결과이고 다짐곡선에서 알 수 있듯이 영공기 곡선에 근접하여 단위 중량의 차이가 서로 크지 않았기 때문이다.

크로스홀 또는 직접 도달파 시험으로 구한 탄성파 속도 결과를 실내 시험에서 구한 결과와 비교하면 흥미로운 점을 확인 할 수 있다. Fig. 12와 Fig. 13를 살펴보면 현장 압축파 및 전단파 속도가 전반적으로 동일한 함수비에서 실내 탄성파 속도보다 큰 값을 가지는데, 이러한 현상의 원인으로는 크게 두 가지를 생각해 볼 수 있다. 첫 번째 원인으로 실내와 현장 시험의 다짐에너지 수준의 차이를 생각해 보자. 현대식 중장비를 이용한 현장 다짐에너지 수준은 일반적으로 D 다짐 에너지 수준으로 실내에서 다짐 상태를 모사할 수 있다고 알려져 있다(Terzaghi et al., 1996). 본 연구의 실험 결과에서는 크로스홀 시험(CHT)의 탄성파 속도는 실내에서 최대로 가해진 136%의 에너지 수준에 대한 결과보다 크게 상회하며, 직접 도달파 시험의 탄성파 속도는 136% 에너지 수준에 대한 값에 근접한다. 만약 다짐에너지의 증가가 탄성파 속도의 증가에 직접적인 영향을 준다면, 실내 탄성파 속도보다 큰 현장 탄성파 속도는 D 다짐 에너지의 136% 이상의 에너지를 사용하는 다짐 장비로 인해 현장 시료가 다져졌기 때문일 것이다. 하지만 앞서 실내 실험에서 설명한 바와 같이 다짐에너지가 증가하더라도 다짐 상태가 동일하다면 탄성파 속도의 증가는 뚜렷하게 나타나지 않았으므로, 다짐 에너지 증가를 이용하여 현장과 실내 탄성파 속도의 차이를 설명하는 것은 제한적이다.

두 번째 원인으로 구속압에 의한 영향을 고려할 수 있다. 동일하게 다져진 시료에 대해 서로 다른 구속압을 가하면 시료의 탄성파 속도는 달라지며, 구속압의 지수함수 형태로 구속압이 증가함에 따라 탄성파 속도가 증가한다(Hardin and Black, 1966). Fig. 12와 Fig. 13를 살펴보면 성토 완료 후 실시한 크로스홀 시험의 탄성파 속도가 성토 중 다짐 층 표면에서 실시한 직접 도달파 시험의 탄성파 속도보다 항상 크며, 이러한 차이는 각 시험에서 구속압 조건의 차이에 의해 발생한 것으로 판단된다. 즉 구속압이 상당히 작은 다짐 직후의 표층 상태에 대한 전단파 속도는 실내 다짐 에너지 수준에 근접하지만, 이후 성토가 진행되면서 구속압이 증가하게 되면 탄성파 속도가 증가하게 되는 것이다.

Fig. 15. Compressive wave velocity curves of specimen E & D

Fig. 16. Shear wave velocity curves of specimen E & D

C 시료와 달리 D 시료의 경우, Fig. 12와 Fig. 13의 탄성파 곡선에서와 같이 최적함수비의 건조 측 부분의 데이터가 부족하여, 전체적인 탄성파 속도 곡선의 형상 추정에 어려움이 있다. 이러한 이유로 입도조정을 통하여 세립분 미포함 시료와 4.5%이하의 세립분을 포함한 시료인 E와 F 시료를 각각 만들어 건조 측의 데이터를 확보할 수 있도록 다짐시험을 수행하였다. 두 시료 모두 통일 분류법 상 SW가 만족되도록 준비하였다. Fig. 14는 E와 F 시료의 다짐곡선이고, Fig. 15와 16는 각각 E와 F 시료의 압축파 속도곡선과 전단파 속도곡선이다.

Fig. 14~16에서와 같이 E와 F 시료에서는 앞서 다른 시료와 달리 건조 측에서 상당히 많은 결과를 얻을 수 있었다. Fig. 14에서 두 시료의 다짐 곡선은 에너지 수준과 관계없이 대략 일정한 최적 함수비 9.7%를 가졌으나, 세립분 함량이 높은 E 시료의 다짐곡선이 F 시료의 곡선보다 약간 낮은 위치에 놓인다. Fig. 15와 16를 살펴보면 최적 함수비를 기준으로 건조 측에서 함수비가 감소할수록 압축파와 전단파의 속도도 감소하였다. Fig. 15에서 보인 바와 같이 두 시료의 압축파 속도 곡선은 서로 구분하기 어려울 정도로 유사한 형태가 나타났으며, 이는 세립분의 함량이 압축파 속도에 큰 영향을 주지 않음을 의미한다. 이러한 결과는 앞서 A와 B 시료에서 얻은 결과와 같이 큰 입자로 형성된 접촉력 연결 구조가 압축파의 전달에 지배적인 영향을 주기 때문으로 판단된다. Fig. 15를 살펴보면 세립분이 없는 F 시료의 경우 다짐에너지 변화에 따른 전단파 속도의 차이가 거의 없지만, 세립분을 함유하고 있는 E 시료의 경우 136%의 다짐에너지를 가했을 때 가장 큰 전단파 속도를 보였다.

앞서 실험 결과를 종합해보면, 일반적인 다짐 곡선과 유사하게 압축파 속도와 전단파 속도 곡선은 건조 측에서는 함수비가 증가할수록 탄성파 속도가 증가하고 습윤 측에서는 함수비가 증가할수록 탄성파 속도가 감소한다. 이러한 경향을 보다 자세히 살펴보기 위하여 각 시료의 탄성파 측정 시험결과를 건조 측과 습윤 측로 나누어 Fig. 17~19에 도시하였다. A 시료는 자료의 숫자가 상대적으로 충분하지 않으며 B 시료는 다른 시료와 달리 SP 재료이어서 회귀분석에서 제외하였다.

Fig. 17과 Fig. 18에서는 압축파 속도와 건조단위 중량의 상관관계를 함수비 조건에 따라 건조 측과 습윤 측으로 나누어 도시하였다. 건조 측에 대한 상관관계 추세선은 충분한 실험이 이루어진 E와 F 시료의 결과만을 이용하여 제시하였고, 습윤 측은 D 시료에 대한 추세선과 E와 F 시료에 대한 추세선을 각각 제시하였다. Fig. 17에서 건조 측의 압축파 속도는 건조단위중량에 대해 선형적으로 증가한다. 반면 Fig. 18에서 습윤 측의 압축파 속도는 건조단위중량이 증가하면 지수함수의 형태로 증가하는 경향을 확인 할 수 있다. 흙의 압축파 속도는 물의 영향을 많이 받는데, 이는 물이 비압축성 재료이므로 흙 입자에 의해 전달되는 압축파 속도보다 훨씬 큰 압축파 속도를 가지기 때문이다. 따라서

Fig. 17. The relationship between compressive wave velocity and dry unit weight (dry of optimum)

Fig. 18. The relationship between compressive wave velocity and dry unit weight (wet of optimum)

Fig. 18의 비선형적인 압축파 속도 증가 패턴은 함수비 증가에 따라 포화도가 증가하며 따라서 압축파 전달이 흙 입자에 의해 이루어지지 않고 물에 의해 이루어지기 시작함을 의미한다. 앞서 Fig. 11의 다짐 곡선에서 보인 바와 같이 습윤 측에서 흙의 포화도는 90% 이상이다. Fig. 18에서는 또한 D시료에 대해 실시한 현장 탄성파 시험의 측정 결과도 보여준다. 현장에서 측정한 D 시료의 건조단위중량-직접 도달파 시험(DAT) 속도 관계는 실내 시험의 경향선에 거의 근접하고 있다. 하지만 건조단위중량-크로스홀 시험(CHT) 속도 관계는 동일한 건조단위중량에 대해 50∼100% 정도 큰 탄성파 속도를 보이는데 이는 앞서 설명한 바와 같이 구속압의 차이에 의해 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 19와 Fig. 20

Fig. 19. The relationship between shear wave velocity and dry unit weight (dry of optimum)

Fig. 20. The relationship between shear wave velocity and dry unit weight (wet of optimum)

은 전단파 속도와 건조단위 중량의 관계를 함수비 조건에 따라 건조 측과 습윤 측으로 각각 나누어 도시하였다. 상관관계를 얻기 위한 회귀분석은 C, D 시료와 E와 F 시료에 대해 각각 실시하였다. 압축파와는 달리 건조단위 중량이 증가함에 따라 전단파 속도는 건조 측과 습윤 측 모두에서 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 전단력을 전달하지 못하는 유체의 특성을 감안한다면 물은 전단파의 전달에 영향을 주지 못하며 습윤 측에서 흙의 포화도가 증가하더라도 대부분의 전단파는 흙 입자를 통해 전달된다. 따라서 건조단위중량 증가에 따른 입자 접촉 수의 증가만이 전단파 전달 경로의 확대로 이어지며 이로 인해 건조단위중량과 전단파 속도는 선형의 관계를 가진다고 유추할 수 있다. Fig. 20에서는 D 시료에 대해 측정한 현장 탄성파 시험의 결과를 함께 도시하였다. 압축파 시험의 결과와 유사하게 CHT 시험의 전단파 속도가 D 시료의 실내 시험 결과보다는 큰 값이며, 이 역시 구속압 증가에 의해 발생된 것으로 판단된다. 압축파 시험 결과와 달리 직접 도달파 시험(DAT)으로 구한 전단파 속도는 실내 시험의 값보다 약간 큰 값을 가지는데, 이는 현장에서의 다짐 에너지 수준이 실내에서 보다 큰 값을 가졌기 때문으로 판단된다. 앞서 Fig. 15에서 보인 바와 같이 전단파 속도는 압축파 속도보다 다짐 에너지 변화에 보다 민감하다.

Fig. 17∼19에서 보인 각 시료 별 회귀분석 결과를 정리하면 Table 3과 같다. 비선형적인 관계를 가지는 습윤 측 시료의 압축파 속도에 대한 관계식을 제외하면, E와 F시료의 건조 측 압축파 속도가 가장 높은 b 값을 가지며 이는 건조단위중량의 변화에 대해 가장 민감한 압축파 속도의 변화가 나타남을 의미한다. C 시료와 E와 F 시료의 전단파 결과는 건조 및 습윤 측 모두에서 매우 유사한 회귀분석 결과가 도출되었으나, D 시료는 동일한 SW 시료임에도 약간 다른 회귀분석 결과가 도출되었다. 따라서 동일한 기호로 분류된 시료의 건조단위중량-탄성파 속도의 고유한 관계를 본 연구 결과만으로 제시하기는 어려우며 이에 대한 추가의 연구가 필요하다고 판단된다.

Table 3. Results of regression analyses
Sample ID	Elastic Wave	Water  content	Regression, y=Wave velocity, x=	Regression results
				a	b	Coefficient of determination (r2)
C60 C100 C136	Shear	Dry	y=a+bx	-774	5.30	0.76
		Wet		-965	7.12	0.92
D60 D100 D136	Compressive	Wet	y=a exp(bx)	2.78E-05	0.08	0.88
	Shear	Dry	y=a+bx	-1653	9.30	0.56
		Wet		-561	3.45	0.66
E60 E100 E136 F60 F100 F136	Compressive	Dry	y=a+bx	-2086	14.16	0.64
		Wet	y=a exp(bx)	1.27E-02	0.05	0.39
	Shear	Dry	y=a+bx	-721	5.40	0.46
		Wet		-1058	6.84	0.39
* = Dry unit weight; = Unit weight of water (9.81 kN/m3)

4. 결  론

다짐 에너지에 따른 사질토 성토재의 탄성파 속도변화 특성을 규명하기 위하여 다양한 위치에서 채취한 시료를 이용하여 실내 다짐 시험, 실내 탄성파 측정 시험, 현장 탄성파 측정 시험을 실시하였고, 그 결과를 분석하여 다음의 결론을 도출하였다.

(1)함수비 변화에 따른 압축파와 전단파 속도 변화 곡선은 다짐 곡선과 유사한 형태를 보인다. 최적함수비를 기준으로 건조 측에서는 함수비가 증가함에 따라 압축파 및 전단파 속도 모두 증가하며, 습윤 측에서는 함수비가 증가함에 따라 압축파 및 전단파 속도가 감소한다.

(2)서로 다른 입도 분포에 따라 다짐곡선은 달라지지만 함수비-압축파 속도 곡선은 큰 차이가 나타나지 않았다. 이러한 차이는 압축파의 전달이 서로 다른 크기의 모든 입자에 걸쳐 일어나지 않으며 비교적 큰 입자들로 연결된 접촉력 연결 사슬에 의해 이루어짐을 의미한다.

(3)D 다짐시험의 다짐에너지 수준이 100%일 때 다짐 에너지를 60~136% 수준으로 변경하여 다짐시험과 탄성파 측정 시험을 수행한 결과, 다짐에너지가 100%이상 되는 조건에서는 다짐 에너지가 증가하더라도 습윤 측의 다짐곡선과 탄성파 속도 곡선에 큰 변화가 없는 것으로 확인되었다.

(4)압축파의 경우 건조 측에서 건조단위중량이 증가함에 따라 압축파 속도가 선형적으로 증가하는 양상이 나타나지만, 습윤 측에서는 건조단위중량이 증가함에 따라 지수함수의 형태로 압축파 속도가 비선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 비선형적인 압축파 속도 증가 패턴은 습윤 측에서 함수비 증가에 따라 포화도가 100%에 가깝게 증가하며 따라서 압축파 전달이 흙 입자에 의해 이루어지지 않고 물에 의해 이루어지기 시작함을 의미한다.

(5)전단파의 경우 건조 측과 습윤 측 모두에서 건조단위중량이 증가함에 따라 선형적으로 전단파 속도가 증가하였는데, 이는 물이 전단파의 전달에 영향을 주지 못하며 습윤 측에서 흙의 포화도가 증가하더라도 대부분의 전단파는 흙 입자를 통해 전달됨을 의미한다.

(6)현장 시험 중 직접 도달파 측정 시험으로 구한 압축파 속도는 실내 시험의 결과와 매우 근사하지만, 크로스홀 시험으로 구한 압축파 속도는 실내 시험의 결과보다 상당히 큰 값으로 나타났으며 이러한 차이는 구속압의 영향을 고려한다면 설명할 수 있다. 하지만 전단파 속도는 직접 도달파 시험과 크로스홀 시험 결과 모두 실내 시험 결과보다 큰 값이 나타났는데, 이러한 차이는 구속압과 다짐 에너지의 차이에 따른 영향으로 판단된다.