동다짐 공법(Dynamic Deep Compaciton)

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동다짐 공법

 

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O 동다짐 공법의 공법개요

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1) 공법개요 : 동다짐 공법(Dynamic Deep Compaction)은 무거운 중량의 추를 상당높이에서 자유낙하시켜 지반에 충격에너지를 가함으로써 지반을 상당 깊이까지 강제다짐시키는 지반개량공법이다. 이 공법은 중량 10∼40ton, 전면적 3∼7m2정도의 강재 및 콘크리트등으로 제작한 추를 70∼250ton의 대형크레인이나 전용장비를 이용하여 5∼40m 높이에서 자유낙하시켜 심도 5∼20m정도의 지반을 개량하는 것으로 1회 타격에너지가 종래의 다짐 공법에 비해 크다는 장점이 있다. 이제까지의 다짐공법은 무계획적으로 지표부근을 다지는 방법이었으나, 본 공법은 심부로부터 상부까지 개량을 한 번에 가하는 것이 아니고 여러 회로 나누어 시공하는 것으로 각 시공단계가 끝나고 개량효과를 확인하여 그 결과를 다음의 시공단계에 반영하는 것으로 정보화 시공을 실시할 수 있다. 이 공법의 대상치층은 전석 및 호박돌층, 자갈층, 모래층, 모래를 포함한 포화 점성토층, 폐기물지반 등으로 대상지층이 점차 사질토층에서 점성토층으로 확대되고 있으며, 건물기초, 탱크기초, 부지조성, 철도, 도로의 기초지반 처리, 공항활주로 등에 시공되고 있다.

 

 

2) 공법특징

① 1회의 타격당 에너지가 종래의 다짐공법보다 압도적으로 크다.

② 종래의 다짐공법은 무계획하게 다짐을 함으로써 먼저 지표면 부근이 굳어져서 타격에너지가 심부에 전달되기 어려워 결과적으로 지표면 부근의 개량에 그치게 되는데 비하여 공법의 깊은 곳부터 다져서 순차적으로 상부의 개량을 도모할 수 있도록 타격에 따른 개량조건 등을 결정하여 계획적으로 시공을 진행한다.

③ 소요의 타격에너지를 한번에 구하는 것이 아니고 여러 횟수로 나누어 시공함으로써 각 시공단계마다 개량효과를 확인하여 그 결과를 다음 시공단계에 반영토록 하는 이른바 정보화 시공을 행함으로써 최종개량 목표를 달성했음을 확인할 수 있다.

④ 잡석, 사력, 모래, 세립토, 니토, 폐기물 등 광범위한 토질에 적용할 수 있다.

⑤ 지반내에 암괴 등의 장애물이 있어도 시공이 가능하다.

⑥ 특별한 약품이나 재료가 필요 없다..

 

 

 

동다짐공법 lukas 1995

 

 

 

O 동다짐 개량 원리

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동다짐 공법에 의한 지반의 거동은 흙의 상태, 즉 포화토인 경우와 비포화토인 경우에 따라 서 큰 차이를 보이며 비포화토인 경우에는 충격효과가 실험실에서 Proctor 다짐시험을 할 때 발생하는 형상과 유사하게 나타난다. 포화토인 경우에는 충격하중이 가해 중심부에 발생한 여러 종류의 충격파가 제각기 다른 역할을 하게 된다. 일반적으로 압축파인 P파는 Push-Pull Motion을 하여 입자구조를 파괴시키고 간극수압을 증가시킨다. 전단파인 S파는 입자 간의 전파속도가 다소 느리나 입자들을 조밀한 상태가 되게끔 재배열시키는 역할을 한다. Reyleigh파는 전단파의 일종으로서 지표부근에서 전파되는 표면파이다.

충격지점에서 관찰되는 충격파의 종류로는 체적파와 Rayleigh파로 구분되며, 공학적인 특징을 요약하면 아래와 같다.

 

1) 체적파(Volumn파)

체적파는 전체 충격에너지 중 33%를 차지하며 P파와 S파로 구분된다.

 

(가) Primary wave(P파)

공기를 매체로 전달되는 음파와 유사하게 지중의 물을 따라서 전파되는 파로 압축파(Compress wave)로도 불리우며, 전체 충격에너지 중 7%를 차지한다. P파의 특성은 종파로 크기가 증가할수록 토입자 사이의 거리가 서로 멀어짐으로 인하여 간극수압은 감소된다.

 

(나) Secondary wave(S파)

전단파(Shear wave)로도 불리우는 S파는 횡파로 전체 충격에너지 중 26%를 차지하며, P파보다 속도가 느리고 P파에 의하여 서로 격리된 토입자를 매체로 전파된다. 토립자를 전단변형 시키므로 흙은 밀도가 보다 증가되는 상태로 재배열된다.

 

 

 

충격파의 전파 형태 Woods 1968

 

 

 

 

 

 

2) Rayleigh파(표면파)

전단변형을 야기하는 파로 전체 충격에너지 중 67%로 가장 많은 비중을 차지하고 지표면(전단면은 파의 진행방향에 평행하거나 직교)에 평행하게 발생하며, 공학적으로 S파와 동일한 효과를 나타내나, 지표면을 따라 널리 퍼지므로 인접 구조물에 심각한 피해를 야기할 수 있다.

 

이러한 충격하중에 의해 발생된 여러 종류의 파들은 지반내부에 인장응력을 유발시켜 충격하중이 가해진 중심부에서 방사상으로 인장균열을 만들게 된다.

인장균열은 배수길이로서 작용하여 포화토의 과잉간극수압의 소산과 함께 간극수를 배출시켜 지반의 지지력을 증대시킨다.

 

동다짐 공법에 의한 Tamping시 지반의 거동은 토질에 따라 다르나 개량 원리에 대한 MENARD의 소론을 요약하면 다음과 같다.

- 반복으로 가해지는 Tamping으로 인하여 흙은 점진적으로 액상화(Liquefaction) 한다.

- Tamping으로 인하여 지반 내에서 과잉간극수압이 발생하고 타격종료 후에도 잔류하게 되는데 과잉간극수압의 소산시간은 Preloading공법 등 정하중에 의한 공법에 비하여 매우 짧은데 MENARD(1975)는 그 원인 중 하나로 Tamping으로 인한 균열로 인하여 흙의 투수성의 증가 때문이라고 밝히고 있다.

- 지반강도의 회복

Tamping후의 지반강도의 변화는 토질 및 포화상태에 따라 다르다. 점성토의 지반강도는 타격직후에는 저하하나 그 후 정티기간에 서서히 회복되어 최종적으로 초기강도를 상회하는 개량효과를 얻게 되고 포화되지 않은 모래, 자갈등의 조립토의 타격 후 즉시 강도의 증가가 기대되며, 포화조립토도 과잉간극수압 소산 후에는 불포화토와 같은 강도 증가현상을 나타내게 된다

 

 

 

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O 동다짐 공법 설계 

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동다짐공법의 설계는 다음과 같은 Parameter에 대한 결정이 필요하다.

- 추의 중량 : W (ton)

- 낙하 높이 : H (m)

- 타격지점간격 : L (m)

- 타격에너지 : (t·m/m2)

- 타격 회수 : Nb (회)

- 타격단계 수 : n

- 휴지기간 : T (일)

 

상기 Parameter 결정 시 다음과 같은 사항을 고려하여야 한다.

- 개량목적에 필요한 목포치

- 개량심도

- 지반조건(토질구성에 의한 토질특성)

- 지하수위 분포상태

- 부지 주변여건 및 상황 (환경, 기존구조물 등)

 

 

1) 지반조건

시추조사(6공)을 실시하였고 본 현장에서 동다짐공사 적용면적을 산정하기 위하여 추가 시추조사(4공)를 실시하였다. 기존조사 및 추가 시추조사 자료 검토 결과, 본 지역은 지표로부터 매립층, 퇴적층 및 풍화대층으로 발달하고 있으며, 연약지반 검토대상이 되는 매립층 및 퇴적층의 토질공학적 특성을 서술하면 다음과 같다.

 

▣ 매립층 (Fill)

· 분포두께 : 2.3 ∼ 7.8m (평균 5.0m)

· 토질분류 : 실트질 모래, 모래질 자갈, 모래질 실트 (SM, GM, ML)

· N치 : 4회/30cm ∼ 43회/30cm

· N치 분포가 상당히 불규칙하여 지역에 따라 상재밀도 차이가 큼.

 

▣ 퇴적층 (Alluvial Deposit)

· 분포두께 : 0.0 ∼ 6.3m

· 토질분류 : 실트질 모래, 실트질 점토 (SM, ML, 치)

· N치 : 4회/30cm ∼ 33회/30cm

· 상부퇴적층의 N치가 대부분 10이하로 낮은 상대밀도를 나타내고 있음

 

 

 

 

2) 설계기준

실시설계시 제시된 동다짐 개량기준은 다음표와 같다.

구분	개량전	개량후	증가량
0~3.0m	평균 N치 =5	평균 N치 = 15~20	10 ~15
3~5.0m	평균 N치 =5	평균 N치 =10	5
5m 이하	현 지반상태로서 문제 없음		다소 증가

 

 

 

 

 

3) 추의 중량과 낙하높이 결정

개량 대상심도(D)와 Hammer 무게(W), 낙하고(H)간에는 다음과 같은 경험적인 관계식이 이용된다.

 

 

여기서, W = Hammer 무게 (ton)

             H = 낙하고(m)

             α = 0.5 ~ 0.8(경험치)

 

 

D와 W.H 관계 그래프

 

 

 

 

 

4) 타격점 간격의 산정

타격점 간격은 심부의 개량을 효율 있게 실시하는데 영향이 있으므로 심부개량에서부터 지표부의 개량을 효과적으로 하기 위해서는 다음과 같은 경험적인

개량심도 정도를 표준으로 산정한다.

 

L = D (사질토의 경우)

L = 0.5D (점성토의 경우)

여기서, L = 제 1 단계의 타격지점 간격 (m)

D = 개량심도 (m)

 

제 2단계, 제 3단계의 타격점 배치는 제 1단계의 타격점의 중간으로 하고 타격단계수가 증가함에 따라 타격점의 간격은 점차 좁아지도록 배치한다. 본 지역의 경우 매립층이 사질토로 구성되어 있고 평균개량 심도가 대략 5.0 m 이므로 L = 4.0 m로 결정한다.

 

 

 

 

5) 타격에너지

타격에너지는 지반의 개량심도 및 개량효과에 큰 영향을 준다. 타격에너지가 너무 클 경우에는 동다짐에 의한 지반의 진동이 커져서 지반이 교란되고 너무 작을 경우에는 큰 개량효과를 기대하기 힘들기 때문에 적절한 타격에너지 결정이 필요하다. 

 

 

 

 

6) 타격 횟수

추의 무게, 낙하높이 타격에너지가 결정되면 각 타격점의 타격회수는 다음식으로 구한다.

 

여기서, Nb = 1 타격점당 타격횟수(회)

             E = 타격에너지(tonm/m2)

             L = 제1단계의 타격점 간격

             W = 추의 중량(ton)  

             H = 낙하높이(m)

             n = 시공의 단계수

 

심부 개량효과가 중요한 현장에는 초기 단계에 많이 배분하고, 시공성 등 전층의 개량을 중요시할 때는 중간 단계에 배분을 많이 하는 것이 일반적이다. 특히, 표층의 지반이 불량한 경우 최초에는 시공성에 중점을 두어 배치하고, 그 후 하부의 개량효과를 중시하여 타격에너지량을 배분한다.

 

 

 

 

7) 확인시험 및 품질관리

동다짐 시공 시 지반개량 확인시험 및 품질관리방법은 동다짐 적용대상의 지반조건에 따라 결정하게 된다. 일반적으로 동다짐 공법의 지반개량 확인은 동다짐 전후에 확인시험을 시행하여 개량효과를 판단하고 이에 따라 품질관리방법 및 기준을 결정하게 된다. 이 지역의 현장시험에는 표준관입시험, 콘관입시험, 현장밀도시험, 공내수평재하시험(AUTO LLT), 평판재하시험, 간극수압계 등이 활용될 수 있으며, 이 결과로부터 개량효과를 분석하고 개량진행상태를 단계별 및 시간별로 검토하여 정확한 공사수행 및 공기예측을 할 수 있다. 또한 상시 현장시험 외에 동다짐 작업 시 체적 변화율에 따른 지반거동 분석 방법으로 개량효과를 판단할 수 있다.

 

 

 

8) 단계수와 휴지기간

단계수 n은 개량과정의 단계수를 나타내는 것으로 최초의 단계수에서 심부층을 다지고 점차 지표부를 다지는 것이 효과적이기 때문에 가능한 한 단계수가 많은 것이 개량효과를 극대화할 수 있으나 공사 측면을 고려하여 단계수를 산정해야 하며,, 보통 2∼3 단계로 설계하는 것이 보통이다. 

동다짐 시 각 타격 지점에 대한 타격회수와 휴지기간은 개량효과에 큰 영향을 준다. 따라서, 각 타격 지점에 대하여 단계별 타격 후 일정기간을 방치시키는 것을 의미하며 그 이유는 타격시 발생되는 과잉간극수압에 의하여 토층이 액상화 상태에 도달된 후에 타격을 가하는 것은 지반을 교란시킬 우려가 있으며 과잉간극수압이 소산할 때 비배수 전단강도가 일정기간 동안 계속 증가되기 때문이다. 휴지기간을 결정하기 위하여 시추조사 후 시추공에 간극수압계를 설치하여 간극수압의 소산 시간을 확인하여 휴지기간과 1단계 타격후 연속적으로 다음 단계 타격을 적용할 수 있는지의 여부를 판단한다.

본 지역의 경우, 사질토로 구성된 매립층에서는 간극수압의 소산이 매우 빨리 발생할 것이므로 간극수압계를 매립층하부 점토층에 설치하여 동다짐으로 인한 하부 점성토층의 과잉 간극수압증가 상태를 계측하여 타격 단계수, 휴지기간 및 Tamping Energy를 결정토록 한다.

 

※ 참고자료

2023.09.22 - [강박사의 토목이야기] - 흙의 다짐(Compaction)

2023.09.23 - [강박사의 토목이야기] - 기초공의 분류 및 공법(직접기초, 깊은 기초, 피어기초)