지반조사 및 시험

[최현기]

◇ 지 반 조 사 의 목 적◇

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① 구조물에 적합한 기초의 형태와 깊이 결정
② 기초의 지지력 계산
③ 구조물의 예상 침하량 산정
④ 지하수위 파악
⑤ 지반조건에 따른 시공법의 결정

 

◇ 지 반 조 사 의 단 계◇

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1) 예비조사
① 자료조사 : 지질도, 농경도, 수리학적 자료, 시공에 관한 토질시방서, 공사 기록 등 자료를 수집.
② 현지답사
    ⓐ 지표조사 : 관찰(지형, 지질, 폐기물 더미, 인접 건축물의 형태, 벽에서의 균열 등)
    ⓑ 지하조사 : 지하수위 조사
③ 개략조사 : boring, sounding, 물리학적 조사(탄성파탐사, 음파탐사, 전기탐사), sampling, 실내 토질시험 등

2) 본조사
① 정밀조사 : boring, 원위치시험, 실내토질시험 등을 실시하여 기초의 설계, 시공에 필요한 모든 자료를 얻는다.
② 보충조사 : 정밀조사의 보충조사

 

◇ 지 반 조 사 의 종 류 ◇

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1) 지하탐사법
① 짚어보기
② 터파보기
③ 물리탐사
    ⓐ 탄성파탐사, ⓑ 음파탐사, ⓒ 전기탐사

2) boring
① 목적
    ⓐ 지반의 구성상태 파악
    ⓑ 지하수위 파악
    ⓒ 토질시험을 위한 불교란시료의 채취(sampling)
    ⓓ boring 공내에서의 원위치시험
② 종류
    ⓐ 오거보링(auger boring)
    ⓑ 수세식 보링(wash boring)
    ⓒ 충격식 보링(percussion boring)
    ⓓ 회전식 보링(rotary boring)

3) 원위치시험(In-situ test)
현장에서 흙의 성질을 직접 측정하는 시험으로 토질시험에 필요한 불교란시료를 채취하는 것이 곤란한 경우나 역학적으로 복잡한 지반의 강도를 자연상태로 측정한다.
① sounding
    ⓐ 동적 sounding : 사질토 지반에 적용
    ⓑ 정적 sounding : 점성토 지반에 적용

계통	방 식	장   치   형   식	시   험   명   칭
동적	타입식	단관 cone	동적 원추관입시험 (dynamic cone penetration test)
		단관 split spoon sampler	표준관입시험(SPT)
정적	압입식	단관 cone	휴대용 원추관입시험 (portable cone penetration test)
		이중관 cone	화란식 원추관입시험 (Dutch cone penetration test)
	추 재하, 회전관입	단관 screw point	스웨덴식 관입시험 (Swedish penetration test)
	인 발	wire rope, 저항날개	이스키 미터 시험(Isky meter test)
	완속 회전	단관 vane	베인 시험(vane test)

② 현장재하시험

시   험   명   칭	득  할  토  질  정  수	시 험 결 과 의  내 용
평판재하시험(PBT)	ⓐ 지반반력계수(Kv) ⓑ 변형계수(E)	ⓐ 지반의 지지력 ⓑ 구조물의 침하량 ⓒ 지반반력 계산 ⓓ 노반 다짐관리
현장 CBR	C B R	ⓐ 노상, 노반의 지지력 ⓑ 포장두께의 결정 ⓒ 노반 다짐관리
공내 수평재하시험	횡방향 지반반력계수(Kh)	ⓐ 지반의 횡방력 지지력 ⓑ 횡방향 지반반력과 변위계산
공내 연직재하시험 (심층재하시험)	ⓐ 지반반력계수(Kv) ⓑ 변형계수(E)	ⓐ 지반의 지지력 ⓑ 구조물의 침하량 ⓒ 깊은 지반의 지반반력 계산

③ 현장단위중량시험

시   험   명   칭	득  할  정  수	시 험 결 과 의  내 용
ⓐ 모래치환법(들밀도시험) ⓑ 고무막법 ⓒ 절삭법 ⓓ 방사선 밀도측정기에 의한 방법	ⓐ 건조밀도(rd) ⓑ 습윤밀도(rt)	ⓐ 다짐관리 ⓑ 토압 ⓒ 지반의 지지력 계산

④ 지하수에 관한 시험

시   험   명   칭	득  할  정  수	시 험 결 과 의  내 용
현장투수시험	투수계수(K)	ⓐ 양수량 추정 ⓑ 침투력 해석 ⓒ 배수 계획
지하수위 관찰		최고 및 최저 지하수위 결정

4) 물리적 탐사법
① 넓은 지역에 대강의 판단을 내릴 수 있고 굴착에 의한 종래의 방법보다 비용이 저렴하지만 정확한 판단을 내리기는 어렵다. 따라서 이 방법은 예비적인 작업으로만 사용된다.
② 지반의 물리학적 성질을 측정 비교하여 지하 지질구조를 파악한다.
③ 종 류
    ⓐ 탄성파탐사법 : 지반의 탄성파 전파속도는 지질의 종류, 풍화의 정도 등에 따라 각각 다르므로 화약의 발파 등으로 탄성파를 발생시켜 그 도달시간을 측정하여 지하 지질구조를 추정하는 방법
    ⓑ 전기탐사법 : 지반의 토질과 공극의 다소, 함수상태에 따라서 전기비저항이 다르게 나타나는 것을 이용하여 지하 지질상태를 추정하는 방법
    ⓒ 방사능탐사법 : 단층, 파쇄대 부분에서 자연방사능이 강하게 나타나는 것을 이용하여 표토나 식생으로 피복된 단층이나 파쇄대를 발견하고자 할 때 사용 된다.

 

◇ 시 추 조 사 개 요 ◇

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    시추조사는 암상, 층서, 층후 및 균열의 수직 발달상태 등에 관한 직접적이고 명확한 자료를 얻기 위하여 수행하며 시추조사 과정중에 시료를 채취할 수 있다.
    일반적으로 시추조사는 조사목적, 예상지질조건, 필요한 자료의 정도 등에 따라서 달라지므로 소기의 목적을 달성할 수 있도록 심도, 공경 및 굴착방법 등을 적절히 결정하여야 한다.
    지반조사에 있어서 시추조사는 가장 확실한 조사방법이며 각종 물성 및 역학적 특성 파악에 필요한 시료를 확보할 수 있으며 시추공 속에서 각종 원위치 시험이 가능하다는 점이 장점이나 측면으로의 연속성 파악이 불가능하다는 단점도 있다. 연약 지반 위에 성토를 하는 경우 탈수, 다짐, 치환, 고결 등의 방법으로 지반을 개량하여 지반의 지지력 증대, 구조물의 침하량 감소, 투수성의 감소, 지반의 변형 억제등 기초지반의 공학적 성질을 적극적으로 개선하는 것을 연약 지반 개량이라 한다.

 

◇ 시 추 의 종 류 ◇

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시추의 종류는 시추의 경사도와 굴착 방법에 따라 분류할 수 있다.
경사도에 따른 분류
    ① 수직시추(Vertical Drilling)
    ② 경사시추(Inclined Drilling)
    ③ 수평시추(Horizontal Drilling)
대부분의 시추는 수직시추로 하지만 지형이나 조사 대상물의 지질구조 등에 따라서는 경사사추 또는 수평시추가 효과적인 경우가 있다.

굴착 방법에 따른 분류
    ① Cable Tool(Purcussion Method) : 굴착을 위한 뾰족하고 무거운 추를 반복적으로 들었다 놓았다 하면서 단단한 암석을 파쇄하는 방법으로 굴착한다.
    ② 수압식 방법(Jetting Method) : 파이프 아래에 비트를 달아 고압으로 물을 분사하는 동시에 비트의 진동으로 굴착한다.
    ③ 회전식 방법(Rotary Method) : 여러 톱니가 달린 파이프를 회전함으로써 굴착한다.
    ④ 충격식 방법(Hydraulic Percussion Method) : 에어해머드릴 등을 이용하여 굴착로드를 짧은 시간 간격으로 여러번 충격을 주어 굴착한다.
    ⑤ 오거 방법(Auger Method) : 자갈 등의 암석 덩어리를 포함하지 않는 미고결층에 한정하여 사용할 수 있으며 지질공학적인 지반조사에 필요한 시험용 우물굴착시에 주로 사용한다.

 

◇ 시 추 장 비 ◇

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1. 굴착을 위한 장비

동력장치에서부터 동력장치에서 발생된 동력을 전달하는 장치를 포함하여 최종 착공부분에 이르는 장치까지가 포함되며 모터, 윈치(winch), 삼발이(tripod), 롯드(drill rod), 코아튜브(core tube), 비트(bit) 등이 여기에 해당된다.

2. 시료채취를 위한 장비

시료채취 장비는 채취 대상에 따라 흙시료 채취기(soil sampler)와 암석시료 채취기(core sampler)로 구분된다.
1) 흙시료 채취기(soil sampler)
흙시료 채취기는 자연상태에서 흐트러진 상태의 시료채취를 목적으로 하는 교란시료 채취(disturbed sampling)와 자연상태로 채취하는 자연시료 채취(undisturbed sampling)로 분류된다.     ① 교란시료의 채취 : 일반적으로 표준관입시험시 SPT sampler로부터 얻는 방법이 가장 많이 사용되며 이외에도 split tube sampler, split spoon sampler, plug sampler 등을 사용한다.
    ② 자연시료의 채취 : 공학적으로 중요한 현장계수를 얻기 위하여 실시하지만 자연시료의 채취는 매우 어려운 작업이며 현장여건과 장비운영에 따라 성과의 차이가 생긴다.

2) 암석시료 채취기(core sampler)
대상 토양이 비교적 단단한 경우에는 단단한 외부관 속에 내장된 얇은 내부관을 이용하는 이중관식 흙 시료채취기가 유리하며 토양이 더욱 단단하면 코아바렐식 흙 시료채취기가 사용된다. 암석시료채취기는 코아바렐의 형태를 띠고 있으며 코아바렐의 형태에 따라 싱글코아바렐과 더블코아바렐로 구분한다.

 

◇ 시 추 결 과(시추주상도) ◇

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    시추결과는 시추과정에서 얻어진 각종 정보와 채취시료의 관찰결과를 정리한 시추주상도로 표시하며 시추주상도는 일반현황 부분과 세부조사 부분으로 구성된다.
    일반현황 부분에는 지질정보 이외의 시추공에 관련된 각종 정보가 포함되며 일반적으로 시추공의 이름, 위치, 지하수위를 기록하며 이외에도 시추작업시간, 조사자, 발주자, 시추장비, 시추의 유형 등이 포함된다.
    한편, 세부조사 부분에는 가능한 모든 정보가 간결하게 기재되어야 하는데, 흙 시료의 경우 입도, 입자의 모양, 색, 굳기, 다짐 정도, 함유물, 냄새, N값 등을 기록하며, 암석시료의 경우 암석의 종류, 강도, 풍화정도, 절리간격, 방향, 함유물, 코아회수율, RQD, 구성광물, 시간에 따른 변화특성 등을 기록한다.

 

◇ 표 준 관 입 시 험(SPT:Standard Penetration Test) ◇

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    개략적인 지반의 지지력, 대상지층의 토질, 심도별 강도변화, 지지층의 위치, 연약층의 유무 등을 판정하기 위하여 본 시험을 실시한다.
    표준관입시험은 KSF 2318에 의하면 스플릿 배럴 샘플러를 지반에 관입시켜 그 저항치를 기록하고 동시에 토질분류시험 및 실내시험을 위한 대표적 시료 채취하는 방법이라 규정되어 있다.
    본 시험은 KSF 2318 규정에 의거하여 64kg의 중량의 햄머를 76cm 높이에서 자유낙하시켜 관입시험용 샘플러를 지반에 30cm 관입시키는데 필요한 타격횟수 N치를 구한다.

 

◇ 평판재하시험(PBT:Plate Boring Test)의 개요 ◇

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    평판재하시험은 시공중인 건축물 부지에 기초가 설치된 지반을 대상으로 직접하중을 가하여 시험대상 부지의 허용지지력 및 예상침하량을 측정하기 위해 실시한다.
    평판재하시험은 허용지지력을 추정하고 이에 대해 재하판의 크기를 고려하여 실제구조물을 축조하였을 때 그 지반의 지지력 및 침하량 등의 안전확인을 위한 시험으로서 실 재하만은 못하나 지금까지 개발된 지지력 측정 시험중 가장 확실한 방법으로 알려져 있다.

 

◇ 평판재하시험(PBT:Plate Boring Test)의 유의사항 ◇

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    지반의 지지력은 기초 지반의 성질 뿐 아니라, 기초의 깊이, 기초의 폭과 길이, 지하수위 등에 의하여 영향을 받는 것이므로 비교적 작은 재하면에서 실시한 평판재하시험 결과를 적용할 경우에는 다음과 같은 사항에 유의하여야 한다.
1) 시험을 실시한 지점의 토질 종단을 파악해야 한다.
    기초 하중에 의하여 지반내부에 발생하는 응력의 범위는 재하면적의 크기에 따라 달라진다. 그러므로 재하시험시의 응력이 미치지 않았던 깊이에 연약지반에 있을 경우, 그 위치에 실제 건축물이 설치된다면 예기치 못했던 침하가 발생되거나 혹은 상층이 파괴되기도전에 하층의 연약층이 파괴 될 우려가 있다. 따라서 이와 같은 경우에는 하부 연약층의 전단 특성과 압밀특성 등을 자연시료에 의하여 파악한 후 실제 기초의 지지력과 침하량을 산출하여야 한다.
2) 지하수면과 그의 변동을 고려하여야 한다.
    재하시험시 지하수위가 기초저면에 위치하고 있다가 지점의 어떤 원인에 의해 지하수위가 상승하게 되면 흙의 유효 압밀도는 대략 50% 정도로 저하되므로 지반의 극한 지지력도 대략 반감되게 된다. 그러므로 기초설치 전의 지하수면과 그 변동사항을 고려하여야 한다.
3) Scale Effect를 고려하여야 한다.
    시추 조사 및 기타의 지반 조사에 의하여 특정지반의 일정 깊이까지 동일하며 하부에 연약지반이 없는 것으로 인정되었다 할지라도 재하시험시 사용되는 재하판은 실제 구조물의 기초면적에 비하여 상당히 적으므로 반드시 재하판의 크기에 의한 영향 즉 Scale Effect를 고려하여야 한다.

 

◇ 평판재하시험(PBT:Plate Boring Test)의 재하방법 ◇

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    평판재하시험에서는 재하속도(하중증가율)를 일정하게 유지하는 응력제어 방법과 침하속도(변형증가율)를 일정하게 유지하는 변형율제어 방법으로 재하할 수 있다. 원칙적으로 실제상향에 맞는 방법을 택해야하나 대체적으로 재하 속도를 일정하게 유지하는 방법이 조작이 용이하므로 자주 사용하며 다음의 재하방법이 자주 적용된다.
1) 등침하율 재하법(Constant Load and Settlement Rate Method)
    일정 하중을 재하 한 후에 침하율이 일정한 값에 도달되거나 거의 정지상태가 될 때까지 기다렸다가 다음 단계의 하중을 가하는 간편한 방법으로 점성토 지반에 적절하다. 이 시험의 결과는 기초의 침하와 지지력 결정에 이용된다.
2) 등시차 재하법(Constant Load and Time Interval Method)
    등시차 재하법에서는 등침하율 방법과는 달리 모든 하중증가분에 대하여 일정한 시간간격을 유지한다. 즉, 일정한 하중을 단계별로 가하고 일정한 시간이 지나면 다음 단계의 하중을 가한다. 이때에 시간 간격은 대게 한시간 미만으로 한다.
3) 반복 재하법(Cyclic Load Test)
    반복재하법은 강성지반 또는 유연성(flexible) 있는 고속도로나 공항 활주로 등의 설계평가시에 적용한다. 주로 자연상태로 다진 기층에서 유연성이 좋은 한 단면을 택하여 적용한다.
4) 등속 관입법(Constant Rate of Penetration Method)
    점성토 지반의 극한 지지력은 일정한 관입속도로 평판 재하시험을 실시하여 결정할 수 있다. 이 시험은 깊이가 상당히 깊은 보링공 속에서나 또는 깊이가 얕은 시험굴 속에서 수행한다.

◇ 시 추 조 사 ◇

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◇ 지 반 지 질 조 사 ◇

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▣ 표준관입시험(SPT)
▣ 표준관입시험에 의한 시료채취
▣ 시 료 상 자
▣ 투 수 시 험	▣ 수 압 시 험

[달려]

감사합니다