1. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적
1.2 비다짐 암버력 성토와 다짐 암성토의 구분
1.3 연구 방법 및 범위
2. 비다짐 암성토 기준 정립을 위한 현행 기준 분석 및 연구로드맵 제안
2.1 국내 관련 지침 및 시방서의 암쌓기 규격 현행 기준분석
2.2 현행 품질관리 항목 분석
2.3 개발철학과 단계별 연구로드맵 구축
3. 다짐 성토 기준과 비다짐 성토 기준의 비교
3.1 국내 철도･도로 기준 현황분석
3.2 한국도로공사 및 국가건설기준의 재료 품질평가 현황분석
3.3 국외 rockfill 관리 사례
4. 비다짐 암성토의 거동 기반 품질관리 체계 제안
4.1 변형계수 기반 관리지표 검토
4.2 상부 마감면의 입도조절 중간층 및 토사 캡핑 검토
5. 지침개정을 위한 개정 방향 수립
6. 결 론
1. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적
국내 아스팔트 단지도로의 부지조성공사 및 택지개발사업에서 한국토지주택공사(이하 LH)에서 발주하는 공사의 비중은 지속적으로 증가하고 있으며, 부지조성 현장에서는 단지 조성 과정에서 대량의 발파암 및 암버력이 발생한다. 이러한 발파암을 현장에서 성토재로 활용하는 것은 사토 처리 비용과 토취 비용을 절감하고 잔토 운반에 따른 탄소 배출을 저감하는 측면에서 경제적･환경적 가치를 가지는 것으로 알려져 있어, 대규모 부지조성 현장에서 채택되고 있다.
특히 부지조성 현장의 성토는 상부 구조물의 직접적인 동하중을 받지 않는 구간이 상당 부분을 차지하므로, 발생 암버력을 다짐 없이 또는 최소한의 정형만으로 쌓는 비다짐 암버력 성토가 적용되는 경우가 있다. 실제로 LH 설계지침 3.1.3에서는 단독주택지 이외 공급토지의 계획고 아래 1 m 구간에 대하여 발파 후 소할(300 mm 이하)하여 마감하거나 300 mm 이하의 암으로 마감할 수 있도록 허용하고 있으며, 「KCS 11 20 20」에서도 부지조성 공사의 비다짐 암(버력)쌓기 시공구간에 대한 입도 예시와 재료 기준을 별도로 제시하고 있다(국토교통부, 2021a). 즉 비다짐 암버력 성토는 부지조성 분야에서 실제로 적용되고 있는 시공 형태이다.
그러나 비다짐 암버력 성토는 다짐을 전제로 하는 일반 토사 성토 및 다짐 암성토와 거동 특성이 근본적으로 상이하여, 기존의 다짐도 중심 품질관리 체계를 그대로 적용하기 어려운 측면이 있다. 대표적인 요인으로는 다음과 같은 사항이 지적된다. 첫째, 다짐도 기반 품질관리의 적용성 문제이다. 다짐을 수행하지 않는 비다짐 구간에서는 최대건조밀도 대비 다짐도라는 지표 자체의 적용이 제한되며, 암버력 재료는 최대입경이 수백 mm 수준에 이를 수 있어 「KS F 2312」에 따른 실내 다짐몰드 시험을 그대로 적용하기 어렵다. 둘째, 공극 및 장기침하 문제이다. 다짐 에너지가 가해지지 않은 채 대입경 암괴들이 맞물려 형성되는 골격 구조에는 비교적 큰 공극이 잔존하며, 상부 하중과 진동에 의해 세립분이 이동･재배열되면서 잔류침하를 유발할 가능성이 제기된다(Karem and Lee, 2008; Gustafsson, 2015). 셋째, 지지력 및 변형특성 평가의 문제이다. 골격 구조에 의해 지지력이 결정되는 비다짐 암성토는 단순 현장밀도시험만으로 그 상태를 평가하기 어려워, 거동 기반의 평가 지표가 요구된다.
이에 본 연구는 아스팔트 단지도로 하부의 비다짐 암버력 부지조성을 대상으로, 현행 지침 및 관련 국내외 기준의 성토･암쌓기 관련 기술 현황에 대해 문헌분석을 실시하고, 비다짐 구간에 적용 가능성을 검토할 수 있는 재료공학적･시공공학적 측면에서 연구방법론을 제안하고자 한다.
1.2 비다짐 암버력 성토와 다짐 암성토의 구분
본 연구의 논의 범위를 명확히 하기 위하여, 비다짐 암버력 성토와 다짐 암성토를 다음과 같이 구분한다. 다짐 암성토는 포설 후 진동롤러 등 다짐장비로 소요 다짐도(또는 변형계수)를 확보하는 것을 전제로 하며, KCS 11 20 20의 암(버력)쌓기 조항, 한국도로공사 EXCS 11 20 20, 국가철도공단 KR C-04020 등 대부분의 현행 기준이 이에 해당한다. 반면 비다짐 암버력 성토는 다짐 에너지를 가하지 않거나 정형･고르기 수준의 최소 작업만 수행하는 형태로, 부지조성 현장의 계획고 하부 구간 등에 적용된다.
다짐 토사 성토가 다짐 에너지로 입자 접촉을 조밀화하여 최대건조밀도 대비 다짐도로 관리되는 것과 달리, 비다짐 암버력 성토는 대입경 암괴가 자중･투기(end-dumping) 과정에서 형성한 골격 구조와 암괴 간 기계적 맞물림(mechanical interlock)에 의해 지지력이 결정된다(Medley, 1994; Xu et al., 2007). 따라서 「KS F 2312」 실내 다짐몰드시험에 의한 최대건조밀도 산정과 다짐도 기반 관리를 그대로 적용하기 어렵고, 암괴 사이 잔류 공극에서 세립분 이동･재배열에 의한 장기침하 및 크리프 변형이 발생할 수 있다는 점에서 토사 성토와 본질적으로 구분된다. 본 연구의 대상은 후자인 비다짐 암버력 성토이며, 본문에서 인용하는 다짐 기준 및 도로･철도･댐 사례의 수치는 직접 적용 대상이 아니라 비다짐 기준 정립을 위한 비교･참조 자료로 활용함을 원칙으로 한다.
1.3 연구 방법 및 범위
본 연구에서는 연구방법론으로 세 단계 구성을 제안한다. 1단계(본 논문의 범위)는 국내외 관련 시방서･설계기준･연구 문헌의 비교를 통한 현행 국내외 지침분석을 통한 관련 지침 및 시방서의 비다짐 관련 한계 검토와 개선항목 제안이다. 2단계는 대표 암종을 대상으로 한 모형시험을 통해 입도분포･포설두께･구속효과 유무 및 각 조건에 따른 침하 거동과 변형계수를 측정･비교하는 단계이다. 3단계는 현장 시험시공을 통한 침하량 및 변형계수 계측으로 모형시험 결과의 재현성을 확인하고, 비다짐 암버력 부지조성에 적용할 관련 지침 및 시방서의 개정으로서 정량적 기준제시 가능성을 검토하는 단계이다. 본 논문에서는 1단계 결과를 정리하되, 후속 로드맵에서 비교 기준으로 활용할 수 있는 국내외 침하량･변형계수 기준값을 함께 검토한다.
2. 비다짐 암성토 기준 정립을 위한 현행 기준 분석 및 연구로드맵 제안
2.1 국내 관련 지침 및 시방서의 암쌓기 규격 현행 기준분석
국내의 관련지침으로는 한국도로공사 EXCS와 한국토지주택공사 LHCS, 한국철도공사 KR_C 코드를 기준으로 암성토 공사의 품질 일관성을 관리하고 있다. 동 시방서들은 노체나 노반, 비탈면을 설치하기 위한 흙쌓기 및 도로부의 노상 다짐공사에서 적정 다짐밀도를 얻을 때까지의 다짐을 적용 대상으로 규정하고 있으며, 시공 관련 조항의 대부분은 「KCS 11 20 20」의 해당 조항을 인용하는 방식으로 구성되어 있다. 부지조성을 위한 한국토지주택공사의 자체적인 추가 규정으로는 비탈면 마무리면 1.0 m 범위 내에 지름 100 mm 이상의 암석･버력 사용을 금지하는 조항(2.1.8), 말뚝 시공위치의 암석 사용 제한, 식재지반 흙쌓기 등이 있다. 일반적으로 암쌓기 관련 조항은 「KCS 11 20 20」을 따르도록 인용되어 있어, 실질적인 암쌓기 기준은 국가건설기준에 의존하고 있다. 그러나 「KCS 11 20 20」에서는 암버력쌓기의 최대치수를 600 mm 이하(풍화암･이암･셰일･천매암･편암 등은 300 mm 이하)로 규정하고, 1층 다짐 완료 후 두께를 600 mm 이하로 하며, 매 층마다 간극을 메울 수 있도록 작은 입경의 재료를 혼합하여 다짐하도록 명시하고 있다. 이처럼 본 연구에서 분석한 결과, 국내에서는 대부분 다짐을 주 전제로 한 암성토 기준에 대해 정의하고 있다.
부지조성을 위한 국내 관련 지침을 분석한 결과, 단독주택지 이외 공급토지의 계획고 아래 1 m 구간에 대하여 발파 후 300 mm 이하로 소할하여 마감하거나, 암쌓기 구간에서 300 mm 이하의 암으로 마감하도록 제안하고 있으나 해당 비다짐 구간의 다짐(또는 무다짐) 시공방법, 포설두께, 간극 채움 재료, 품질관리 시험 항목 등에 대한 세부 기준은 제한적으로 확인됨을 알 수 있었다. 또한 비다짐 구간에 대해 현행 기준이 제시하는 내용을 분석한 결과, Table 1과 같이 포설두께･간극충전 절차･지지력 및 침하 평가 등 시공･품질관리 절차에 관한 정량 기준은 제시되어 있지 않음을 알 수 있었다.
또한 국내 「KCS 11 20 20」 분석결과에서도 부지조성 공사의 비다짐 구간 쌓기 재료에 대하여 최대치수 300 mm 이하, 양질의 토사를 주 쌓기 재료로 사용하고, 300 mm 이하의 암(버력) 또는 전석의 쌓기 본체 및 부지 건축물의 시공 및 품질 확보에 지장이 없도록 할 것을 선언적으로만 규정하고 있음을 알 수 있었다. 아울러 비다짐 암(버력)쌓기 입도 예시(300 mm 통과율 100%, 100 mm 70~80%, 4.75 mm 25% 이상)를 제시하고 있으나, 이는 재료 입도에 관한 예시이며, 비다짐 구간의 시공･품질관리 절차나 침하･지지력 평가 기준까지 규정한 것은 아님을 알 수 있었다.
Table 1.
Analysis Rockfill Contents in Domestic Guideline
2.2 현행 품질관리 항목 분석
현행 LHCS 11 20 20(한국토지주택공사, 2024)의 노체･노상 품질시험 항목은 성토체의 다짐상태 및 지지성능을 확인하기 위한 일반적인 성토 품질관리 기준으로 볼 수 있다. 그러나 해당 기준은 다짐 시공을 전제로 한 품질확인 체계에 가까우며, 비다짐 암성토와 같이 대입경 암버력이 혼입되고 현장밀도시험 적용이 제한되는 조건에 대한 별도의 시험 절차와 판정기준은 구체적으로 제시되어 있지 않다. 따라서 비다짐 암성토의 품질관리를 위해서는 기존 노체･노상 품질시험 항목의 적용 가능성을 검토하되, 평판재하시험, LFWD, 침하계측 등 현장 거동 기반의 보완적 평가체계가 필요하다.
2.3 개발철학과 단계별 연구로드맵 구축
본 연구는 비다짐 암버력 성토에 대한 현행 기준의 한계가 단순한 수치 기준의 부재가 아니라, 다짐을 전제로 한 품질관리 패러다임 자체가 비다짐 조건에 적용되지 않는 데에서 비롯된다는 인식에서 출발한다. 국내 대형 인프라 부지조성 현장에서는 토사 확보의 어려움으로 발파암 활용이 증가하고 있으며, 암버력은 고성토 지반에서 경제성(공기단축)과 시공성을 이유로 비다짐 방식으로 적용되고 있다. 그러나 기존 다짐 쌓기와 달리 비다짐 암쌓기는 다짐 자체가 어렵고 공학적 불확실성이 크며, 현행 국가건설기준(KCS 11 20 20)은 개념적 개정은 이루어졌으나 비다짐 암쌓기에 대한 구체적 시공방법 및 품질관리 지표가 부재한 상태이다.
이에 본 연구의 개발철학은 다음 세 가지 원칙에 기반하여 제안하고자 한다. 첫째, 이론･해석에만 의존하지 않고 실증 데이터에 근거한 기준을 수립한다. 파쇄암의 불연속체적 특성과 비선형 거동은 이론적･해석적 방법만으로는 현장 적용성에 한계가 있으므로, 수치해석으로 시험 조건을 도출하고 실내 축소모형 시험과 현장 시험을 단계적으로 연계하여 정량적 근거를 확보한다. 둘째, 거동 기반(performance-based) 관리체계로 전환한다. 비다짐 조건에서는 최대건조밀도 대비 다짐도 산정이 불가능하므로, 다짐도 중심의 관리에서 벗어나 평판재하시험(PBT)･소형충격재하시험(LFWD)에 의한 지지력･침하 특성을 핵심 관리지표로 활용한다. 셋째, 위계적 지침 통일과 확산을 지향한다. 연구성과를 국가표준시방서(KCS 11 20 20) 개정에 반영하고, 이를 토대로 관련 전문시방서를 개정함으로써 국가기준과 발주처 기준 간의 정합성을 확보하며, 관･산･학･연 전문가 자문과 유관기관 협의를 통해 기준의 실효성과 수용성을 높인다.
이러한 철학 아래 본 연구는 국가표준시방서(KCS 11 20 20) 개정 시 ‘부지조성공사 비다짐 구간 암쌓기’ 기준의 개정 및 신설, 관련 지침 및 시방서의 설계･시공 단계에 적용할 품질관리 및 시공방법 기준의 수립, 그리고 이를 반영한 관련 전문시방서 개정을 최종 목표로 연구방법론을 제안한다. 또한 최종 목표를 달성하기 위해서 본 연구에서는 기준 조사(1~6개월), 실증 기반 기준안 구축(7~18개월), 기준 제정･정비 및 확산(19~21개월)의 3단계로 연구로드맵을 제안한다.
1단계(국내외 기준 및 사례 조사)에서는 현행 표준시방서(KCS 11 20 20)의 개정 내용･근거를 분석하고 KCS 및 관련 전문시방서의 현행 기준을 검토하며, 부지조성공사 비다짐 암쌓기 관련 국내외 시공기준 및 연구사례를 조사하여 문제점과 개선방향을 도출한다. 아울러 전문가 자문위원단을 구성하고 실내 축소모형 시험 및 현장 시험 계획을 수립함을 제안한다.
국내에서도 수치해석을 통해 암성토의 침하억제 효과를 평가한 연구가 수행된 바 있으며(이수형 등, 2023), 2단계(실증 기반 기준안 구축)에서는 파쇄암의 불연속체적 특성과 비선형성을 고려한 개별요소법(Discrete Element Method, DEM) 기반 입자유동해석으로 입도･포설 조건을 모사하여 시험 조건과 해석 Case를 설계하고, 실내 축소모형 시험에서 상사법칙(similarity law)을 적용하여 포설 방식･입도･적층 높이에 따른 거동을 분석한다. 이어 실제 부지 조건(풍화암 기반, 암반 굴착지 등)에서 평판재하시험(PBT) 및 소형충격재하시험(LFWD)을 적용한 현장 시험을 수행하여 시공성과 품질 확보 가능성을 검증하고, 부지 위 건축물의 시공성(기초 지지력･시공 정밀도･배수계획･공정관리)･품질(침하･내구성)･경제성을 분석함을 제안한다. 이를 위해 비다짐 부지조성을 확인할 수 있는 기존의 현장시험들의 적정성을 검토하여 실험방법론을 개발하고 실험 프로세스와 분석 절차 등의 현장시험에서 정합성을 검증하여 관련 지침과 시방서 개정시 추가할 수 있도록 하여야 한다.
3단계(기준 제정･정비 및 확산)에서는 사례 분석과 실내･현장 시험 결과를 종합하여 KCS 11 20 20을 만족하는 비다짐 암쌓기 품질관리 및 시공 기준을 수립하고, 이를 반영한 관련 전문시방서 개정(안)을 제안한다. 개정(안)은 관･산･학･연 자문위원단의 검증과 국토교통부 등 유관기관 협의를 거쳐 확정하며, 현장시험 결과에 기반한 후속 연구과제로 장기침하(2년 이상) 및 구조물-지반 상호작용 분석, AI 기반 최적 기초형식 선정 시스템, 품질확보･건전성 모니터링 체계 구축을 제안한다.
3. 다짐 성토 기준과 비다짐 성토 기준의 비교
3.1 국내 철도･도로 기준 현황분석
국가철도공단 「KR C-04020 쌓기(Rev.4, 2022)」에서는 암성토 관련 기준이 비교적 상세하게 규정되어 있다. (국가철도공단, 2022) 본 절에서 정리하는 국내 철도･도로 기준은 모두 다짐을 전제로 한 것으로, 비다짐 암버력 성토에 직접 적용하는 값이 아니라 거동 기반 관리지표(변형계수･잔류침하)의 틀과 수준을 참조하기 위한 비교 자료이다. 비다짐 암버력 성토는 이들 다짐 기반 기준 체계에 포함되지 않는다는 점을 전제로 아래 기준을 검토한다. 재료 기준으로 연암 또는 경암을 사용하며 최대입경을 300 mm로 제한하고, 이암･셰일･실트스톤･천매암･편암 등 수침이 반복될 때 연약해지는 재료는 공사감독자의 승인을 받은 후 사용하도록 하고 있다. 또한 시공기면으로부터 0.6 m까지는 암버력 성토를 금지하며, 암성토를 위한 재료 및 다짐방법은 시험시공 후 결정하도록 하고 있다. 품질관리 측면에서는 건조밀도와 함께 변형계수(하중-침하특성)를 적용하여, DIN 18134에 따른 반복평판재하시험(재하판 Φ300 mm) 기준으로 상부노반 Ev2 ≥ 80 MN/m2(Ev2/Ev1 < 2.3), 하부노반 Ev2 ≥ 60 MN/m2(Ev2/Ev1 < 2.7)을 적용하고, 다짐도는 상부노반 최대건조밀도의 95% 이상, 하부노반 90% 이상으로 규정하고 있다(Deutsches Institut für Normung, 2012)
특히 KR C-04020은 콘크리트궤도 노반에 대하여 암쌓기부분을 인수인계 후 허용잔류침하량을 30 mm 이하로 제한하고 있다. 이 값은 원지반 침하량, 성토체 침하량, 궤도구조 침하량의 합(25 mm)과 열차하중에 의한 침하량(5 mm 가정)을 포함하며, 분지 모양의 잔류침하 발생 시 보정된 종곡선 반경(ra = 0.35×V2, 여기서 V는 설계속도(km/h)) 조건을 만족하는 경우 60 mm까지 허용할 수 있도록 단서를 두고 있다. 다만 동 기준은 철도 콘크리트궤도 노반을 대상으로 한 값이므로, 부지조성 비다짐 암버력 성토에 그대로 적용하기보다는 비교･참조 목적으로 활용함이 적절하다.
주목할 점은, KR C-04020을 비롯한 위 기준에서 암쌓기는 모두 다짐을 전제로 규정되어 있으며, 다짐을 수행하지 않는 비다짐 암버력 성토는 이러한 다짐 기반 기준 체계 내에 포함되어 있지 않다는 것이다. 다만 KR C-04020은 암성토를 위한 재료 및 다짐방법을 시험시공 후 결정하도록 하고 별도의 입도요건을 적용할 수 있는 단서조항을 두고 있어, 본 연구에서는 이 단서조항의 틀을 참고하여 연구로드맵 2단계의 모형시험과 현장시험을 통해 비다짐 구간의 침하량 기반 품질관리 기준을 제안하고 관련 지침 및 시방서의 개정에 활용하고자 한다.
한국도로공사 「EXCS 11 20 20」(한국도로공사, 2021)에서는 암쌓기 시 노체 완성면까지 허용하되 풍화암･이암･셰일･천매암･편암 등의 최대치수는 300 mm 이하로 제한하고 있다. 또한 「KDS 44 30 00」에서는 암버력 재료의 경우 건조밀도에 의한 다짐관리가 어렵기 때문에 시험시공을 통해 현장 조건에 적합한 다짐관리 기준을 설정하도록 제시하고 있다(국토교통부, 2021b). 이상의 국내 기준을 비교하면 Table 2와 같으며, 표에 정리한 수치는 대부분 다짐 암성토를 전제로 한 기준임에 유의할 필요가 있다.
Table 2.
Comparison Analysis for Compacted with Non-compacted Rockfill for Domestic Criteria
note 1. All values under ‘Compacted Rockfill Criterion’ are premised on compaction and are intended for comparison/reference only, not for direct application to the non-compacted rockfill addressed in this study.
note 2. Compacted lift thickness: KCS 11 20 20 specifies maximum particle size and lift thickness independently as ≤ 600 mm each. However, international standards recommend a maximum stone size ≤ 2/3 of the compacted lift thickness; thus, for a 600 mm lift, the maximum particle size should be ≤ 400 mm. Engineering review is required for field application.
3.2 한국도로공사 및 국가건설기준의 재료 품질평가 현황분석
한국도로공사 관련 자료에서는 암성토 재료의 품질평가 항목으로 슬레이크 내구성 시험(ASTM D4644), 일축압축강도 시험(KS F 2519, ASTM D7012), 마모시험(KS F 2508), 자유팽창･팽윤 관련 시험(ASTM D4546 등)을 제시하고 있는 것으로 검토되었다. 이들 시험은 각각 서로 다른 열화 메커니즘을 겨냥한다. 슬레이크 내구성 시험은 건조-수침이 반복될 때 암편이 붕괴･세립화되는 정도를, 일축압축강도 시험은 재하 시 입자 파쇄에 저항하는 모암의 강도를, 마모시험은 운반･포설･전압 과정에서 입자 모서리가 마모되어 입도가 변화하는 정도를, 팽윤 관련 시험은 점토광물을 함유한 암석이 흡수 시 부피팽창을 일으키는 정도를 평가한다. 즉 이들 항목은 풍화 민감도･강도･내구성･팽윤성을 종합적으로 진단하여 풍화암･연약암의 사용 가능 여부를 판정하는 데 활용된다.
이러한 재료 품질평가는 다짐 성토보다 비다짐 암버력 성토에서 더욱 중요한 의미를 가진다. 비다짐 구간은 다짐 에너지에 의한 입자 재배열이 이루어지지 않으므로, 골격을 형성하는 개별 암괴의 강도와 내구성이 성토체의 장기 안정성을 직접적으로 좌우하기 때문이다. 특히 이암･셰일･실트스톤 등 강도가 낮은 암석은 시공 직후에는 골격 구조를 유지하더라도 강우 침투나 지하수위 변동에 의한 반복 수침 시 슬레이킹(slaking) 현상으로 급격히 연약해져, 입자 간 맞물림이 풀리고 대규모 수압축(hydro-compaction) 변형을 유발할 수 있다. 실제로 강도가 낮은 암버력을 성토재로 사용할 경우 충분한 단위중량 확보와 잔류침하 방지를 위해 최대 허용 입경을 작게 파쇄해야 한다는 점이 국내 연구에서 보고된 바 있으며, 이는 「KCS 11 20 20」 및 「EXCS 11 20 20」이 풍화암･이암･셰일･천매암･편암 등 수침 시 연약해지는 암종의 최대치수를 일반 암(600 mm)보다 엄격한 300 mm 이하로 제한하는 근거와도 부합한다.
다만 현행 기준은 이러한 평가 항목을 제시하는 데 그치고 있으며, 정량적 판정 기준값은 명시하지 않는다. 「KCS 11 20 20」(2.1.5)에서는 암(버력)에 대하여 KS F 2518에 따른 밀도･흡수율, KS F 2519에 따른 압축강도, KS F 2508에 따른 마모율을 평가하도록 규정하면서도, 그 합격 기준에 대해서는 “공사시방서에 적합성을 판단할 수 있는 기준을 명시하여야 한다”고 하여 개별 공사로 위임하고 있다. 따라서 어느 정도의 압축강도･슬레이크 내구성･마모율을 갖춘 재료라야 비다짐 성토재로 적합한지에 대한 통일된 기준은 부재한 상태이다. 본 연구에서는 이를 후속 로드맵 2단계의 모형시험 및 문헌조사와 연계하여, 압축강도･슬레이크 내구성 등의 상･하한 범위를 검토하고 풍화암･연암･경암을 세분화한 재료 적격 기준을 제시하는 방향으로 활용하고자 한다.
3.3 국외 rockfill 관리 사례
국외에서는 도로 성토용 rockfill의 다짐 품질관리에 관한 연구가 보고되어 왔다. Teijón-López-Zuazo et al.(2020)은 화강암 rockfill 도로 성토를 대상으로 성토층 휠-트래킹시험, 토포그래픽 침하시험, 평판재하시험(PBT, 재하판 Φ762 mm) 간의 통계적 상관관계를 분석하였다. 그 결과 코어부에서는 현장밀도와 토포그래픽 침하 간, 그리고 PBT 1차 변형계수(Ev1)와 성토층 휠-트래킹 침하량 간에 높은 상관관계가 확인되었으며(R2 = 0.749), Ev1의 실측 범위는 약 50~120 MPa로 나타났다. 이를 바탕으로 동 연구에서는 코어부와 크라운부에 대해 토포그래픽 침하시험과 PBT를 조합한 품질관리 절차를 제안하였다.
또한 Teijón-López-Zuazo et al.(2021)은 편암(metamorphic slate) 성토 코어부를 대상으로 동일 계열의 시험 절차를 적용하여, 다짐층 최대두께 800 mm 조건에서의 품질관리 임계값을 검토하였다. 동 연구에서는 PBT(재하판 Φ600 mm)의 1차 변형계수 Ev1과 토포그래픽 침하량(s) 간에 R2 = 0.925의 높은 상관관계가 확인되었으며, 2차 변형계수 Ev2와 토포그래픽 침하량 간에도 R2 = 0.990으로 매우 높은 상관관계가 도출되었다. 이를 토대로 품질관리 임계값으로 Ev1 = 20~100 MPa, Ev2 = 140~240 MPa(재하판 Φ600 mm 기준)를 제안하였으며, 핵밀도계를 병행한 현장밀도 측정이 함께 권고되었다. 다만 이 임계값은 편암 성토 다짐 구간에 대한 결과이므로, 비다짐 암버력 부지조성에 그대로 적용하기보다는 본 연구의 후속 모형시험에서 비교･참조할 기준점으로 활용하는 것이 적절하다.
독일에서는 DIN 18134(2012)에 따른 반복평판재하시험을 통해 1차･2차 재하 변형계수(Ev1, Ev2)와 그 비율(Ev2/Ev1)을 품질관리 지표로 활용하고 있다. DIN 18134는 시험방법 표준으로 허용기준 자체를 규정하지는 않으며, 이를 채택한 KR C-04020에서는 상부노반 Ev2 ≥ 80 MN/m2(Ev2/Ev1 < 2.3), 하부노반 Ev2 ≥ 60 MN/m2(Ev2/Ev1 < 2.7)을 허용기준으로 별도 규정하고 있다. 이들 기준은 철도 다짐 노반을 전제로 한 값이므로, 본 연구 대상인 비다짐 암버력 성토에 직접 적용하기보다는 후속 시험에서의 비교 기준점으로 참조한다. 다만 위 국외 사례는 도로 성토를 대상으로 한 다짐 rockfill 연구이며, 재료(화강암･편암)와 시공조건이 국내 부지조성 비다짐 암성토와 상이하므로, 그 시험 절차와 임계값을 직접 인용하기보다는 거동 기반 관리체계의 유효성 측면에서 시사점을 얻는 데 활용함이 적절하다.
국내 암버력의 강도 특성에 관한 실측 자료로서, 김홍배 등(2018)은 호상흑운모편마암･호상편마암･화강편마암의 3종 시료에 대하여 대형직접전단시험(전단상자 폭 80 cm × 길이 130 cm × 높이 80 cm)을 수행한 결과를 보고하였다. 동 연구에서 시료별 일축압축강도는 약 122~144 MPa, 겉보기점착력은 약 76.5~80.3 kPa, 내부마찰각은 약 48.2°~51.4°로 측정되었으며, 설계 적용값으로 점착력 20 kPa 이상, 내부마찰각 40° 이상을 적용하는 것이 타당하다고 제안되었다. 이는 편마암 계열 시료에 대한 결과로서 모든 암종의 대표값으로 일반화하기는 어려우나, 암성토가 일반 토사와 구분되는 강도 특성을 가지며 골격 구조에 의한 부가적 지지력이 존재할 가능성을 시사한다.
한편, Gustafsson(2015)은 스웨덴 Stockholm-Norvik 항만 개발부지의 비다짐 암버력 지반을 대상으로 실규모 성토하중 재하시험(full-scale embankment loading experiment)을 수행하고, 장기 침하계측 자료를 이용하여 시간의존 변형, 즉 크리프 변형(creep deformation)을 역해석하였다. 해당 부지는 1980년대에 투기된 암버력으로 조성된 인공지반으로, 전체 항만 계획면적 0.6 km2 중 약 0.3 km2가 기존 비다짐 암버력 지반 위에 조성될 예정이었다. 대상 재료는 모래질 자갈, 호박돌 및 대형 암괴가 혼재된 불균질 조립재료로, 현장 조사 결과 1,000 mm를 초과하는 대형 암괴가 확인되었고 입경 범위는 약 0~3,000 mm 수준으로 추정되었다. 현장에서는 실제 성토체를 이용하여 상재하중을 가하는 방식의 실규모 재하시험이 수행되었으며, 약 728일 동안 총 15회의 침하계측 자료가 수집되었다. 분석 결과, 지표면에서 약 0.2 m의 누적침하가 관측되었고, 침하량은 시간의 로그값에 대해 비교적 선형적인 경향을 나타냈다. 이는 비다짐 암버력 성토에서 하중 작용 이후에도 장기적인 침하와 크리프 변형이 지속될 수 있음을 보여준다. 다만 해당 연구는 평판재하시험이나 소형충격재하시험과 같은 표준 현장 품질시험이 아니라, 실규모 성토체를 이용한 장기 현장재하 및 침하계측 사례에 해당한다. 따라서 본 연구에서는 이를 시험 판정기준의 직접 근거로 적용하기보다는, 비다짐 암버력 성토의 장기 침하계측 및 실증 기반 거동평가 필요성을 뒷받침하는 사례로 활용하였다.
4. 비다짐 암성토의 거동 기반 품질관리 체계 제안
4.1 변형계수 기반 관리지표 검토
비다짐 암성토는 일반적인 토사 성토와 달리 대입경 암괴의 골격 구조, 암괴 간 맞물림, 공극 분포 및 세립분 충전 상태에 따라 지지력과 침하거동이 크게 달라질 수 있다. 따라서 동일한 건조밀도 또는 유사한 입도조건을 만족하더라도 실제 현장에서의 변형거동은 서로 다르게 나타날 가능성이 있다. 특히 대입경 암버력이 혼재된 경우에는 현장밀도시험의 적용성이 제한될 수 있으며, 단일 재하 평판재하시험만으로 성토체 내부의 균질성, 입자 재배열 가능성 및 장기침하 특성을 충분히 평가하기 어렵다.
이러한 한계를 보완하기 위한 관리지표로 반복평판재하시험에 기반한 1차 재하 변형계수(Ev1), 2차 재하 변형계수(Ev2) 및 변형계수비(Ev2/Ev1)의 활용을 검토할 수 있다. Ev1은 초기 재하 시 성토체의 변형저항성을 나타내며, Ev2는 재하-제하 이후 재재하 과정에서의 변형저항성을 나타낸다. Ev2/Ev1 비율은 1차 재하와 2차 재하 간 변형특성의 차이를 보여주는 지표로, 성토체의 재배열 가능성, 다짐 또는 안정화 정도, 변형거동의 균질성 평가에 활용될 수 있다. 일반적으로 Ev2/Ev1 값이 낮을수록 재하 반복에 따른 추가 변형이 작고, 성토체가 상대적으로 안정된 상태에 있는 것으로 해석할 수 있다.
다만 철도 노반 또는 국외 다짐 rockfill 사례에서 제시된 Ev1, Ev2 및 Ev2/Ev1 기준은 재료 조건, 다짐 조건, 재하판 크기 및 적용 목적이 관련 지침 및 시방서의 부지조성 비다짐 암성토와 상이하다. 따라서 기존 기준값을 비다짐 암성토의 허용기준으로 직접 적용하기보다는, 반복평판재하시험을 포함한 거동 기반 평가체계를 관리수단으로 검토하고, 구체적인 판정기준은 실내 축소모형 시험, 현장 재하시험, 침하계측 및 전문가 검토를 연계한 실증 연구를 통해 정립하는 것이 타당하다고 사료된다.
4.2 상부 마감면의 입도조절 중간층 및 토사 캡핑 검토
대입경 암버력 사이의 잔존 공극은 상부 하중과 진동에 의해 세립분이 이동하면서 침하 및 부등침하를 유발할 가능성이 있다. 이를 완화하기 위하여 비다짐 또는 부분 다짐 암성토 구간의 상부 마감면에 입도조절층(transition layer) 또는 토사 캡핑(soil capping)을 적용하는 방안을 제안하는 바이다. 입도조절층은 대입경 골격층과 상부 토사층 사이의 입경 차이를 완충하여 세립분의 필터 침투(piping)를 억제하는 역할을 한다. 다만 상부 교통하중에 의한 진동이 크다면 세립자가 하부로 이동할 우려가 있어 입상재료층보다 소일시멘트 층의 적용이 보고된 바 있으며, 캡핑층의 두께와 입도 조건은 상부 하중 및 재료 특성에 따라 달라지므로 시험시공을 통해 결정할 필요가 있다. 이에 대한 연구방향을 연구로드맵에서 계층적 연구 프로세스로서 토조시험과 모델링을 통해 검토하도록 제안한다.
5. 지침개정을 위한 개정 방향 수립
문헌분석과 구축된 연구로드맵을 바탕으로 KCS 11 20 20｣과 비교하여 관련 지침 및 시방서에 신설 또는 보완할 수 있는 조항을 Table 3에 제안하였다. 제안 핵심은 ① 간극 충전의 ‘안정’ 상태를 임계혼합비(MCcr) 기반으로 정량화하고, ② 입도 기준을 혼합비(MC) 관리체계로 전환하며, ③ 다짐도 대신 변형계수(Ev2)･침하량 기반 판정으로 대체하고, ④ 비다짐 전용 포설두께･잔류침하 관리 조항을 신설하는 것이다. Table 3의 [기준값]은 후속 연구로드맵의 모형시험 및 현장 시험시공을 통해 정량화하여야 할 것이다.
또한 최종적으로 정량적 수치 기준값 제시 외에도 위계적 지침통일을 위해 다음 내용의 지침 및 관련 시방서의 항목 개정을 제안한다.
1. 부지조성 공급토지의 계획고 아래 1 m 구간에 발파암 소할 마감을 적용하는 경우 본 항의 규정에 따른다.
2. 사용 재료의 최대치수, 일축압축강도, 슬레이크 내구성 등 재료 품질기준은 시험시공을 통해 결정함을 원칙으로 하며, 수침 반복 시 연약해지는 재료는 공사감독자의 승인을 받아 사용한다.
3. 포설두께는 시험시공을 통해 결정한다.
4. 품질관리는 반복평판재하시험(PBT), 침하량 계측, 최적입도선정시험 등을 조합하여 시행하며, 시험빈도와 허용기준은 시험시공 결과 및 공사감독자의 승인에 따른다. 이때 반복평판재하시험은 재하-제하-재재하를 통해 Ev1, Ev2을 측정하여 관리기준과 비교하여야 한다.
5. 상부 마감면에는 입도조절층 또는 토사 캡핑을 시공하여 상부 하중에 의한 세립분 이동 및 공극 발생을 방지한다.
Table 3.
Synthesis of Literature Analysis and Proposed Revisions for Non-compacted Rockfill in LHCS 11 20 20
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Current Provision |
Limitation for Non-compacted | Literature Analysis | Proposed Revision Direction |
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KCS 2.1.1(7) Void filling |
‘Fill voids with finer material to stabilize’ lacks a quantitative definition of ‘stable,’ hindering use as a field-control criterion | Vallejo and Mawby (2000): a critical matrix content minimizing porosity exists (MC ≈ 24%, WBP ≈ 76%); Xu et al. (2007): rock-block governs at > 75% by weight, soil governs at < 40% |
Define ‘stable’ quantitatively: matrix content ≥ critical mix ratio (MCcr) and loading settlement ≤ allowable residual settlement, or Ev2 ≥ [criterion] MPa |
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KCS 2.1.2(6)③, Table 2.1-4 Non-compacte d gradation |
No method to determine field gradation; the gradation example (30% soil mix) lacks engineering basis for stability; blasted gradation cannot be controlled afterward |
Soil-rock-mixture theory: behavior is governed by volumetric/weight block proportion (VBP/WBP) rather than gradation (Medley 1994; Xu et al. 2007). Table 2.1-4 is similar to Vallejo and Mawby MCcr ≈ 24% but lacks a settlement-allowance basis |
Shift from gradation to mix-ratio (MC) based control. 2.1.2(6)②: ‘field-soil mix ratio ≥ MCcr’. Replace/supplement Table 2.1-4 with an MC-based mix-ratio table. Add a water-content control provision |
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KCS 3.2.14 / LHCS 3.14 Rockfill placement |
Current provisions assume compaction and are structurally inapplicable to the dumping/self-weight stabilization of blasted rock plus field soil |
The key control factors for non-compacted fill are not the degree of compaction but the mix ratio (MC) and maximum size (Dmax) |
Add a non-compacted rockfill provision (separate clause): field-soil mix ratio MC ≥ MCcr; placement method (dumping then leveling, segregation prevention); review of drainage layers at the base and intermediate levels |
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KCS 3.2.14(6) Lift thickness |
The compacted-lift thickness ≤ 600 mm assumes compaction; no non-compacted lift-thickness criterion exists |
The thicker the lift, the less matrix infiltration → increased basal voids, fines segregating to the top, and greater intra-layer heterogeneity (subject for DEM modeling) |
Separate from compacted-lift thickness, present a literature/modeling-based non-compacted lift thickness. Specify cap-soil placement quantity, drop method (angle/amount), and infiltration method |
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KCS 3.2.16, Table 3.2-1 Compaction criterion |
The degree-of-compaction (ρd/ρd,max) concept is inapplicable to non-compacted fill → max. dry density not obtainable per KS F 2312 |
Ev2 from PLT is measurable even for non-compacted fill; LFWD Evd needs applicability verification for large particles; seismic Vs (→ Gmax) enables non-destructive evaluation. German ZTV E-StB: Ev2/Ev1 ≤ 2.0 |
Add a non-compacted row to Table 3.2-1: Ev2 ≥ [criterion] MPa, Evd ≥ [criterion] MPa, Vs ≥ [criterion] m/s, Ev2/Ev1 ≤ [criterion]. Mark degree of compaction as N/A |
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KCS 2.1.5(2) Material suitability |
Acceptance criteria for density, absorption, compressive strength, and abrasion are not provided |
DEM modeling to compare settlement by upper/lower compressive-strength bounds (bounds from literature). Abrasion-based crushing modeling is computationally heavy → literature-based proposal is realistic |
Add quantitative rock-quality acceptance criteria (uniaxial compressive strength, slake durability, abrasion, etc.) |
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LHCS 3.27, Table 3.28-1 Field quality control |
Degree of compaction and field density (sand-cone; infeasible for large particles) cannot be measured for non-compacted fill |
Measurable quantities: settlement, Ev2 (PBT), Evd (LFWD), Vs (seismic). An Oman rockfill site used PLT (K30) + settlement + uniformity coefficient (Cu) as QC, applying settlement ≤ 0.5% of lift thickness |
Add a non-compacted row to Table 3.28-1: mix ratio (MC) at each material-source change; specify frequencies for Ev2, Evd, Vs. Mark degree of compaction and field density as N/A |
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(New) Residual-settle ment control |
No management method or allowable criterion for residual settlement of non-compacted rockfill |
Back-analysis of the Wonju-Gangneung high-speed railway: residual settlement 40 mm (exceeding 30 mm domestic, 20 mm Japan). Karem and Lee (2008): for end-dumped fill < 30 m thick after > 10 years, suitable if 5-yr residual settlement ≤ 2.5 cm; 90% of the 6.4 cm preload settlement occurred within 100 days. Gordon (1989): long-term settlement converges to about 0.1-0.15% of fill height |
Add a ‘non-compacted rockfill residual-settlement control’ clause: management mode (one of A/B/C) + allowable residual settlement ≤ [criterion] mm + settlement-plate monitoring and termination-judgment procedure. Insert a residual-settlement row into Tables 3.2-1 and 3.28-1 |
6. 결 론
본 연구는 국내외 기준 및 문헌 자료를 바탕으로, 아스팔트 단지도로의 부지조성 시 비다짐 암성토 및 대입경 암버력 성토 구간에 대한 현행 관련 지침의 한계를 검토하고 연구로드맵과 개선방향을 제안하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.
1. 부지조성 분야에서 비다짐 암버력 성토는 LH 설계지침 3.1.3 및 「KCS 11 20 20」의 비다짐 입도 예시･재료 기준을 통해 실제로 적용되고 있는 시공 형태임에도, 현행 기준의 암쌓기 관련 규정은 대부분 다짐을 전제로 구성되어 있어 비다짐 구간의 시공･품질관리 절차에 관한 세부 기준의 제시가 필요함을 알 수 있었다.
2. 비다짐 암성토의 품질관리 기준 정립을 위하여 문헌 및 기준 검토, 실내 토조시험 및 수치해석, 시험시공 및 현장시험, 품질관리 기준안 도출로 구성되는 단계적 연구로드맵을 제안하였다. 1단계에서는 현행 기준의 한계와 개정 필요사항을 도출하고, 2단계에서는 입도조건, 포설두께, 간극 채움 조건, 입도조절 중간층 및 토사 캡핑층의 적용성을 실내시험과 해석을 통해 검토한다. 3단계에서는 평판재하시험, 반복평판재하시험, 소형충격재하시험, 프루프롤링 및 침하계측을 통해 현장 적용성을 검증하며, 최종적으로 실증자료를 바탕으로 비다짐 암성토의 품질관리 항목, 시험절차 및 판정기준을 도출하는 체계를 제시하였다.
3. 국가철도공단(KR C-04020) 및 국외 사례에서는 반복평판재하시험 기반의 변형계수(Ev2) 관리, 콘크리트궤도 허용잔류침하량 30 mm 등 거동 기반 관리기준이 적용되고 있으나, 이들은 모두 다짐을 전제로 한 기준이며 비다짐 암버력 성토는 이러한 다짐 기반 기준 체계에 포함되어 있지 않은 것으로 확인되었다. 따라서 이들 기준은 비다짐 기준 정립을 위한 비교･참조 자료로 활용하되, 비다짐 구간으로의 적용에는 별도의 검증이 요구된다.
4. 국내 문헌분석 결과 암성토가 일반 토사와 구분되는 거동을 보임이 확인되었고, 이는 골격 구조에 의한 부가적 지지력의 존재 가능성을 시사하며, 거동 기반 관리체계 도입의 필요함을 알 수 있었다.
5. 비다짐 암성토 구간에서의 반복평판재하시험(PBT, Ev2 및 Ev2/Ev1) 관리, 시험시공을 통한 포설두께, 침하량 계측, 상부 입도조절층 및 토사 캡핑 적용 등을 문헌분석적으로 검토하였다. 이를 통해 지침개정방향을 계층적 연구프로세스로 제안하였다.
본 연구는 아스팔트 단지도로의 부지조성 시 사용되는 비다짐 암버력 성토에 대한 관련 지침 및 시방서의 개정방향을 제안하고, 이를 통한 모형시험과 모델링을 통하여 입도분포･포설두께 등 변수에 따른 침하 거동과 변형계수의 거동 관리기준 개발을 최종 목표로 한다. 추후 실제 부지조성 현장에서 시험시공을 수행하여 비다짐용 현장확인시험들의 시험방법론을 개발하고 시험절차와 시방화를 통해 지침 개정안을 검증하고 제안할 계획이다. 본 연구의 문헌분석과 연구로드맵 제안 및 개정방향 제안이 국내 부지조성 현장의 안정적이고 경제적인 암성토 시공을 위한 지침 개정의 기초 자료로 활용되기를 기대한다.
