지반조사 계획

[수학박사]

지반조사 계획

1. 지반조사 개요

연약지반상에 건설될 구조물의 안정성은 연약지반 개량공법 시행후 구조물 허용 침하량 이내의 지지력을 확보할 수 있어야 한다. 이는 기초 지반인 연약토층에 대한 개량효과를 지반조사(시추조사, 채취시료에 대한 토성시험 및 역학시험, 정적 Cone관입시험 등의 원위치 시험)를 통하여 제반 지공학적 특성을 당초 기본 설계에서 추정한 지반특성치와 비교, 분석함으로써 지반 개량에 따른 효과를 검증하는데 있다.

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2. 지반조사 항목

연약지반에서의 지반개량 확인을 위한 지반조사 항목 및 목적은 <표 2.1>와 같다.

표 2.1 지반조사 및 목적

항 목	조 사 시 험 내 용 및 목 적
시 추 조 사	사전 혹은 지반개량 중간시 점 및 완료 시점에 시행 S.P.T 시험 및 토질시험시행을 위해 교란, 자연시료 채취
표준관입시험 (S.P.T)	점토층에 대하여 N치를 측정, 원지반의 N치와 비교하 므로서 압밀 및 강도 증가 진행 정도 판단
토 성 시 험	점토층에 대하여 입도시험, 액·소성 시험 및 함수비 시험을 통해 흐트러진 시료로 부터의 점토의 압밀특성 혹은 압밀진행 정도 파악
역 학 시 험	압밀시험, 일축압축시험 및 삼축압축시험 등 역학시험 을 시행, 압밀 및 강도증가 진행 정도 판단.
정 적 콘 관 입 시 험	시추조사를 통한 S.P.T 실내 토질시험 등은 토층의 연 속적 강도 변화추이를 파악할 수 없으나 정적콘 관입 시험에 의해 가능 정적콘 관입시험 장비로서 Dutch Cone 대신 최신장비 인 Piezo-Cone을 사용하는 경우 지반강도측정뿐 아니 라 Sand Seam의 용이한 발견 및 연속적 간극수압의 계측을 수행, 보다 정밀한 간극 수압상황 판단 가능.

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3. 지반조사의 평가

연약지반에 대한 개량공법 시행후 지반조사를 이용한 지반 안정성의 평가는 다음과 같은 여러 가지 방법에 의해 평가될 수 있다.

가. 토층의 물리적 특성

토층의 물리적 특성을 분석함으로써 연약지반의 역학적 성질, 즉 전단강도 특성 및 압밀특성 등을 추정할 수 있으며 이를 물리적 특성값으로는 함수비, 비중, 단위중량, 입도 및 Afterberg Limits 등이 있다. 이러한 물리적 특성값의 변화치로부터 대상연약지반의 함수비 및 액성 한계를 파악, 연약지반 토층을 평가할 수 있다.

나. 흙의 전단강도 특성

연약지반 개량후 지반 개량에 따른 지반강도 특성은 파괴와 관련된 지반의 강도문제로서 심도의 변화에 따른 강도의 분포상태와 외부조건에 의한 지반강도 변화에 대한 특성파악이다.

1) 심도별 비배수 전단강도(Su)의 변화 특성

실내시험에서 구한 점성토의 비배수 전단강도(Su)를 심도별로 Plot 함으로써 심도증가에 따라 비배수 전단강도의 변화양상을 파악할 수 있으며 이에 따른 상관식을 유추할 수 있다.

2) 유효상재하중과 비배수 전단강도와의 관계

채취한 불교란시료로 전단강도 시험 및 압밀시험을 시행하여 이 결과를 이용하여 유효압밀하중과 비배수 전단강도와의 관계식을 도출함으로써 유효압밀 하중과 비배수 전단강도와의 관계를 측정할 수 있다.

3) N치와 비배수 전단강도 와의 상관성

NAVFAC에서 발간된 Design-Manual-7.1에 수록된 N치와 일축압축강도와의 관계식과 Terzaghi와 Peak이 제안한 N치와 일축압축강도 관계식은 gu ≒ N/8(kg/m²)이다. 이 관계식은 점성토층의 소성정도에 따라 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 따라서 지반개량후의 연약토층에서 측정된 N치와 일축압축강도 상관관계를 도식화 함으로써 N치를 이용한 비배수 전단강도의 상관성을 추정함으로써 대상지반을 평가할 수 있다.

4)함수비와 비배수 전단강도와의 상관성

함수비와 비배수 전단강도의 상관성을 분석하면 함수비에 따른 N치의 증·감유무를 파악할 수 있다.

다. 압축특성

1) 압밀특성

점성토 지반의 압밀특성은 지반의 침하에 영향을 주게 될 뿐만 아니라 흙의 전단강도에 영향을 미친다. 흙은 완전 탄성체가 아니므로 과거에 작용했던 하중에 대해 일종의 기능력을 소유하고 있는데, 이중 과거에 경험한 최대하중을 선행압밀하중(Pre-Consolidation Pressure. Pc)이라 하며 현재 작용하고 있는 하중을 유효상재하중(Effective Overburden Pressure, Po)이라고 한다. 선행압밀하중이 현재 받고 있는 유효상재하중과 같으면 정규압밀점토(Normally Consolidated Clay) 유효상재하중보다 작으면 압밀진행중인 점토(Under Consolidated Clay), 유효상재하중보다 크면 과압밀점토(Overconsolidated Clay)라 하며, Pc에 대한 Po의 비를 OCR(Overconsolidated Ratio)이라 한다.

실내시험을 통해 얻어진 유효압밀압력(선행압밀하중, Pc)와 유효상재압과의 관계를 도식화할 수 있으며, 이들 상관관계를 분석할 수 있어 대상지반에 대한 압밀특성을 파악할 수 있다.

2) 압밀계수

연약지반 개량후 채취한 시료에 대한 실내시험에서 압밀시험을 통해 연직방향 압밀계수(Coefficient of Consolidation in Vertical Direction)를 압밀하중별로 액성한계와 함께 도식화하면 압밀계수의 분포형태를 평가할 수 있다.

3) 압축특성

압축지수(Compression Index, C_C)를 심도별, 함수비 및 액성한계와 함께 도식화하면 연약지반 개량지역에 대한 점성토층의 압축지수의 분포 및 깊이에 따른 압축지수의 변화경향을 파악할 수 있다. 또한 압축지수(C_C)와 함수비(W_N)의 상관관계식 및 압축지수(C_C)와 액성한계(L_L)의 상관식 등을 평가할 수 있다.

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4. 조사성과의 분석 및 평가의 제한성

불균질하고 이방성인 지반을 단순화시켜 분석하면 실제 시공시에 현장과 불일치하는 사항들이 있으며, 이러한 사항은 아래와같은 특성 및 제한성에 기인된다.

가. 지반특성

연약지반을 구성하는 토립자는 불연속체(Discrete Material)이다.

불연속체인 토립자 사이에는 공기와 물이 있기 때문에 본질적으로 삼상이다. 따라서 외부로부터 하중(외력)이 가해졌을 때는 이러한 물질 상호간의 작용 때문에 하나의 균질한 물질로 되어있는 경우와는 달리 힘의 전달이나 변위가 매우 복잡하다. 이러한 점으로부터 다음과 같은 몇가지 지반공학적인 특성을 알 수 있다.

지반의 거동은 압력에 의존할 뿐만 아니라 시간과 환경(Environment)에 의존한다. 지반은 본질적으로 위치마다 그 성질이 다르다. 지반속의 토립자는 직접 볼 수 없으며 한정된 위치에서 채취한 시료를 조사하고 시험하여 전체 지반의 거동특성을 평가할 수 없다. 지반속의 시료를 채취할 때, 정도의 차이는 있지만 시료는 교란(Disturbance)되며, 대부분의 거동은 이러한 시료의 교란에 민감하다. 따라서 시험실에서 얻어진 토질공학적인 제특성은 현장측정값을 대표할 수 없다.

나. 시료의 교란성에 의한 제한성

1) 시료의 교란성에 의한 제한성

지반의 역학적 특성은 구조물을 계획하거나 안정성을 검토하는데 있어서 가장 지배적인 요소이다. 지반의 역학적 특성(전단특성)은 지반의 배수상태(배수조건)에 따라 달라지게 된다. 즉 재하로 인한 과잉간극수압의 소산정도에 따라 그 특성을 달리 평가하여야 할 것이다. 또한 원지반의 강도정수를 평가하는 것은 지반을 등방성으로 보고 또 균질하다고 가정하는 대전제 이외에도 역학적 특성을 평가하기 위한 조사 및 시험과정에서 응력상태가 원지반과 다르게 되어 진정한 전단강도를 구하기 어렵다.

일반적으로 점성토에서 시료가 교란되면 비배수 전단강도는 과소평가 되며 압밀비배수시험( ) 및 압밀배수시험(CD)은 압밀이 허용되기 때문에 그 값이 과대평가된다. 또 시료가 교란되면 압축지수(CC)가 과소평가되며 압밀계수(CV) 역시 과소평가된다.

2) 시험방법이 강도정수에 미치는 영향

압밀비배수시험으로부터 SU/ P (비배수강도와 유효상재 하중과의 관계)를 구할 경우 정규압밀상태에 있는 점토층은 실제의 값보다도 더 크게 나타난다. 이는 자연상태에서는 압밀시험이 가로방향의 변위가 없이 연직방향으로만 진행되나 표준 삼축압축 시험에서나 압밀시험에세는 압밀이 등방성이므로 실제보다 더 큰 강도증가를 가져올 수 있기 때문이다. 또한 자연상태에 있는 시료를 채취하여 시험실에서 본래의 하중상태가 되도록 재압밀하면 간극비가 작아지며 강도는 증가하게 된다. 또 일축압축시험은 그 시행방법이 간단하나 시험의 특성상 삼축압축시험(UU)보다 작게 평가되며 특히 실트를 많이 함유한 점성토에는 그 경향이 더욱 크다.

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6. 지반조사 방법

6.1 표준관입시험

◆ 목적 : 흙의 연경 혹은 현장상태의 상대치를 알기 위한 N값을 측정하여 지반 강도 정수, 변형특성 등 다양한 지반정수 추정.

◆ 시험방법 :

무게 63.5Kg의 햄머를 76cm의 높이에서 자유낙하시켜 시험용 샘플러를 30 ㎝관입시키는데 필요한 타격횟수를 측정한다. 소요 깊이까지 시추공을 천공하고 공저의 슬라임을 제거한 다음 샘플러를 로드에 접속하여 공저로 내린 후 햄머의 타격에 의해서 15cm는 예비타, 30cm는 본타, 5cm의 후타를 실행하면서 타격횟수를 기록한다. 타격횟수는 50회로 제한하고 50회의 타격수가되면 그 때의 관입량을 기록한다.

6. 2 정적전기식 콘 관입시험

◆ 목적 : 일정 관입심도 마다 필요한 압력을 측정하여 2cm간격으로 지반의 토질정수를 정확히 추정하여 표준 관입시험의 N치와 비교 혹은 일축압축강도 등의 토질정수 추정.

◆ 시험방법 :

정적전기식 콘 콘관입시험은 일련의 연결롯드 끝에 전기식 콘을 장착하여 일정한 관입속도로 지속적으로 지중에 압입하여 소정의 심도까지 연속적으로 관입저항 및 슬리브의 마찰력을 측정한다. 콘선단부에 포화된 다공질 필터를 장착하여 관입시 발생하는 과잉간극수압을 획득하고 소정의 심도에서 소산시험을 실시하여 지반의 압밀특성을 추정한다.

6. 3 소산시험

◆ 목적 : 정적전기식 콘 관입시험과 동시에 소산시험을 실시하여 점성토 지반의 압밀계수를 추정하여 지반의 압밀특성을 파악.

◆ 시험방법 :

소산시험은 정적전기식 콘 콘관입시험과 동시에 이루어지며 일련의 연결롯드 끝에 전기식 콘을 장착하여 일정한 관입속도로 지속적으로 지중에 압입하는 도중 원하는 심도에서 관입을 멈추어 관입도중 발생한 과잉간극수압의 소산과정을 측정하여 압밀계수를 추정한다.

6. 4 현장밀도시험

◆ 목적 : 현장밀도와 체고도의 평가에 필요한 건조 밀도, 공기 간극률, 포화도가 요구되어 시공관리면에서 필요한 자료를 획득하기 위함.

◆ 시험방법 :

현장밀도시험의 기본적인 측정항목은 밀도와 함수비이며 밀도는 체적과 질량을 측정하여 구한다. 측정하고자 하는 지점의 지표면 이완토 먼지 및 점재하는 자갈을 제외하고 스트에이트에지로 지름 35cm 정도의 범위를 수평으로 고른다. 수평으로 고른 지표면에 베이스플레이트를 밀착시켜 둔다. 굴착용기를 사용하여 베이스플레이트 구멍의 내측 흙을 파내고 흙을 남기지 않도록 전부 용기에 넣고 파낸 흙의 질량을 측정하고 다시 용기내 흙을 잘 혼합하고 일부를 꺼내서 함수비 측정에 이용한다. 측정기와 모래와의 질량을 측정후 밸브를 열고 모래를 시험공에 넣고 모래 이동이 멈춘다음 밸브를 닫고 측정용기에 남은 모래의 질량을 측정한다.

6. 5 VANE TEST

◆ 목적 : 원위치에서 연약한 점성토 지반의 vane 전단강도를 측정

◆ 시험방법

일반적으로 끝 부분에 십자형의 날개를 단 측정장치를 지층 속에 삽입하여 이를 회전시키는데 필요한 최대 저항값을 얻는다. 측정방법은 응력 제어방식과 변형율 제어방식으로 나눌 수 있으나 대부분의 경우 회전각 속도를 일정하게 유지한 상태에서 대응하는 저항력을 측정하는 변형율 제어방식을 사용한다.

6. 6 입도시험

◆ 목적 : 흙의 분류와 점성토의 압축성 판별을 목적.

◆ 시험방법

입도시험은 No. 200체에 남는 시료는 체분석법으로, No. 200체의 통과분은 비중계법으로 측정한다. 체분석 시험은 흙 시료를 입경별 표준체로 쳐서 남은 무게를 측정한다. 비중계 분석은 Stoke의 법칙을 이용하여 침강 거리로서 토립자의 크기와 함유량을 구하는 방법으로 시험전에 비중계상수를 구하고 시료를 분산시킨 후 실린더에 옮긴후 증류수를 가한다. 항온수조에 실린더를 넣고 현탁액의 온도와 수조의 온도가 같아지도록하며, 현탁액과 수조의 온도가 같아지면 메스실린더를 꺼내어 실린더의 입구를 고무마개 등으로 막고 1분간 30회 정도 위, 아래로 반전시킨 후 실린더를 수조에 천천히 넣는다. 흔들어 주는 작업 완료시각을 시점으로하여 시간의 경과에 따라 비중계를 메스실린더의 현탁액에 넣어서 비중계값을 읽는다. 비중계 측정이 완료된 후 실린더내의 시료를 No. 200체로 깨끗이 물로 씻고 체에남은 시료를 건조시킨 후 각 체를 사용하여 체가름한다.

6. 7 함수비(비중)

◆ 목적 : 흙의 기본적 성질을 계산하고 압밀이 진행됨에 따른 함수비 변화를 확인.

◆ 시험방법

습윤토를 건조로에서 수분을 증발시켜서 증발 전·후의 흙 무게 차이를 측정해서 흙에 함유된 건조토와 수분의 무게 비를 정량적으로 표현한다. 실험실로 운반된 시료는 맨 먼저 자연함수비를 측정하여야 하고 일반적으로 건조로에서 110±5。C 로 18시간 이상 건조시켜야 하지만 유기질토는 건조시 온도를 80。C 이하로 유지한다.

6. 8 액성한계

◆ 목적 : 자연상태의 점성토의 안정성 판단, 재료로서의 흙의 분류 판정

◆ 시험방법

흙이 함수비의 감소로 액성에서 소성으로 옮겨지는 한계의 함수비를 액성 한계라 하는데 자연 건조된 세립토를 No. 40체로 친 것으로 물로 반죽해서 황동접시에 두께 1cm 정도로 넣고 홈내기 주걱을 이용하여 시료를 두 부분으로 갈라놓고 1초에 2회의 비율로 고무판에 떨어뜨린다. 홈 밑부분이 약 1.5cm가 합류되도록 조작을 계속해서 홈의 밑 부분에 맞닿을 때의 황동접시의 낙하횟수를 기록한 다음 이때 시료의 함수비를 측정한다. 이 동작을 반복하여 25∼35회의 것 2개, 10∼25회의 것들을 얻어 그래프를 그리고 낙하 횟수 25회에 해당하는 함수비를 구한다.

6. 9 소성한계

◆ 목적 : 자연상태의 점성토의 안정성 판단, 재료로서의 흙의 분류 판정

◆ 시험방법

흙이 소성상태에서 반고체상태로 옮겨지는 한계의 함수비를 소성한계라하며, 이 시험은 시료를 유리판에 놓고 증류수를 가하여 덩어리가 되기까지 잘 이겨 그것을 유리판 위에 올려 놓고 손바닥으로 밀어서, 균일한 지름 3mm의 국수 모양의 흙실로 만들고, 이것을 반복하여 1∼2cm 부서러질 때의 함수비를 구한다.

6. 10 압밀시험

◆ 목적 : 점성토 지반의 압밀 침하량 및 침하속도의 계산

◆ 시험방법

압밀시험은 압밀상자(고정링, 부동링)을 이용하여 시험하며 점성토 지반의 압밀에 의한 침하량과 압밀 시간의 추정에 이용한다. 점성토지반의 압밀침하는 토립자간의 간극이 감소하기 때문인데 통상 흙의 간극은 물로 포화되어 있으며, 물은 비압축성이기 때문에 간극이 감소하기 위해서는 물이 배출 되어야 한다. 정해진 하중단계(0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6, 3.2, 6.4, 12.8 kg/cm²)을 사용하여 한 하중단계에서 24시간 압밀 후 다음의 하중단계로 증가시켜 재하하면서 변형량을 측정한다. 최종단계의 하중에 의한 압밀이 끝나면 6.4, 3.2, 1.6, 0.8, 0.05kg/cm² 로 재하하면서 각 변형량을 측정하고, 각 하중단계에 대한 것과 전하중 단계에 대한 값을 이용하여 압밀계산에 필요한 계수를 구한다. 시험에 의해 구해진 Log P-e 곡선에서 도해적 방법으로 선행압밀하중을 구할 수 있고 이 곡선의 직선부는 압축지수를 나타낸다. 선행압밀하중이 결정되면 현재의 유효상재하중과 대비하여 과압밀비를 나타내고 점토에 작영하는 현재의 유효상재하중이 선행압밀하중과 같은 경우를 정규압밀, 작은경우를 과압밀되었다고 한다.

6. 11 삼축압축시험(UU)

◆ 목적 : 지반의 기초 안정계산, 단기안정성 점토

◆ 시험방법

흙의 간극내에 함유되어 있는 수분이 배출되지 않도록 하고 공시체 주변에 측압을 부하하고 상하방향에 축압을 가하여 흙을 전단한다. 전응력 표시의 Mohr 원으로 표시하여 포락선으로부터 Cu를 구한다. 이 시험에서 구속압을 0으로 한경우가 일축압축시험이다. UU시험은 시공중의 단기 안정성 검토 등에 이용된다.

6. 12 자연시료 채취

◆ 목적 : 토질특성을 구하기 위한 자연시료 채취

◆ 시험방법

◎ 교란시료 : 교란시료는 주로 흙의 물리적 성질을 파악하여 흙을 판별하고 분류하거나, 또는 다짐특성을 파악할 목적으로 사용된다. 교란시료는 지표면에서는 큰 어려움 없이 채취할 수 있으며, 깊은 심도에서는 일반적으로 표준관입시험과 병행하여 Split Spoon Sampler를 사용하여 채취한다.

◎ 불교란시료 : 불교란 시료는 주로 공학적인 특성을 규명하기 위해 사용되며, 시료는 Tube Sampling 방법으로 채취한다. Tube Sampling은 얇은 두께의 황동관을 땅속으로 밀어넣어 시료를 채취하는 방법이다. 흙을채취하는 Sampler가 지상로 올라오면 곧 Sampler 양단의 흙을 약간 잘 라내고 왁스나 파라핀으로 봉하여 함수비의 변화를 방지하여야 하며, 운반시에는 충격을 받지 않도록 밀폐가 잘되어야 한다.

지반조사용 보링공 NX와 BX의 차이점

1. 차이점

NX와 BX는 시추구경에 따른 국제규격 분류로서 NX size의 공경은 76mm(코아직경(내경) 54.7mm), BX size의 외경은 60mm(코아직경(내경) 42mm)이다.

2. 규격별 적용범위

NX size

일반적으로 암반을 대상으로 시추할 경우 암의 core회수율을 높여 joint 및 절리의 간격과 폭을 측정함과 동시에 암석상태를 더욱 명확히 판정할 수 있다. NX로 시추할 경우에는 불교란시료를 채취하게 되고 토질상수를 구하여 토목설계 및 시공에 반영한다. 1995년 7월 이후 서울시에서는 굴토깊이가 10.0m 이상인 건축물의 심의 시 NX size로 조사하는 것이 의무화 되었으나, 최근에 와서는 터파기 작업이 시행되는 모든 건축심의건에 대하여 적용하는 것이 일반적이며 여타 자치단체에서도 이를 준용하는 추세입니다.

또한, 원지반의 토질정수 산정을 위하여 시행하는 현장시험(수압시험, 공내재하시험, 다운홀TEST, 시추공영상촬영 등)과 실내시험(물성시험, 암석일축압축강도 등)을 위해서는 반드시 NX size의 시추조사가 이루어져야 합니다.

- 연암지반의 정밀한 상태분석 및 파쇄대 파악을 위해서는 반드시 NX size의 시추조사가 필요합니다.

- BX size의 경우는 연암반 시추(굴진)가 어렵고 지내력 추정을 위한 암석시험 시료(코아) 채취가 불가능합니다.

BX size

과거에 일반적인 지질조사시에 보편적으로 사용하는 조사로서, 현재는 터파기 심도가 깊지 않은 부지나 중요도가 떨어지는 일반적인 건축물 계획시 암반층의 출현심도 파악에 이용되는 지질조사 입니다. 그래서, BX size 시추조사는 풍화암 또는 연암 2m 확인만 하고 시추를 종료합니다