지반조사 - 보링과 표준 관입 시험

공사 대지의 땅속을 정확하게 예측하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 가장 일반적인 방법은 몇 군데 구멍을 파서 깊이별로 어떤 지층으로 구성되어 있는지 직접 살펴보고, 그 구멍을 이용해서 공학적인 성질을 시험해 보는 것입니다. 즉 보링과 표준 관입 시험을 하는 것입니다. 여기서는 KS F 2307에 규정된 표준 관입 시험 방법에 대해 알아보겠습니다.

 

회전 수세식(Rotary wash type) 시추기를 이용해서 BX(Φ=58mm) 규격으로 보링작업을 하고 있는 모습

 

표준 관입 시험(SPT; Standard Penetration Test)

보링(Boring)은 지층의 수직분포 상태를 파악하기 위해 지반에 구멍을 뚫어 지반을 조사하는 방법을 말합니다. 위 사진은 회전 수세식(Rotary wash type) 시추기를 이용해서 BX(Φ=58mm) 규격으로 보링작업을 하고 있는 사진입니다.

 

이렇게 구멍을 파들어가면서 일정한 깊이마다 표준 관입 시험을 하게 됩니다. 표준 관입 시험을 하면 원위치에서 지반의 단단한 정도와 다져진 정도를 파악할 수 있습니다. 보링 구멍을 이용해서 시험을 하려면 긴 막대 형상으로 된 시험 방법을 사용할 수 밖에 없는데, 이처럼 막대(Rod)에 붙은 저항체를 땅속에 삽입해서 관입, 회전, 인발 등의 저항값을 측정해서 토층의 성상을 탐사하는 방법을 사운딩(Sounding) 시험이라고 합니다.

 

긴 막대 형상의 시험체로 표준 관입 시험을 하고 있다.

 

표준 관입 시험은 사운딩 시험의 일종인데 원위치에서 지반의 단단한 정도와 다져진 정도 또는 흙층의 구성을 판정하기 위한 N값을 측정하는 시험입니다. 표준 관입 시험을 하려면 시추 장치는 지름 65mm∼150mm의 시추공을 굴착할 수 있는 보링 기계식이어야 합니다.

 

다음 사진은 표준 관입 시험을 설명한 그림입니다. 시험은 간단한 편입니다. 질량이 63.5kg인 드라이버 해머를 760mm 높이에서 떨어 뜨리는 것입니다. 즉 무게가 무거운 드라이브 해머를 자유 낙하시키는 것인데 이렇게 해머가 떨어지면서 보링로드 머리부에 부착한 노킹블록을 타격하게 되면 보링로드 앞 끝에 부착한 표준 관입 시험용 샘플러를 지반에 박히게 됩니다. 이 때 이 샘플러를 300mm 박아 넣는데 필요한 타격 횟수(N)를 구하는 것입니다. 

 

 

원칙적으로 예비 타격을 먼저 해서 150mm 정도 박아 넣은 다음, 300mm의 본타격을 하게 됩니다. 그래서 N값을 구하면 지반의 공학적인 성질을 어느 정도 예측할 수 있습니다. N값이 작다면 땅이 물러서 쉽게 박히는 것이고 N값이 크다면 땅이 단단해서 잘 박히지 않겠죠?

 

N값을 이용해서 추정할 수 있는 값들은 지반에 따라 다음과 같은 값이 있습니다.

 

사질토 지반	점성토 지반	일반 사항
상대밀도 (Relative density) 내부마찰각 지반의 지지력 액상화 가능성	연경도(Consistency) 일축압축강도 점착력 지반 및 말뚝의 지지력	지반의 극한지지력 말뚝의 연직지지력 지반반력계수 횡파속도

 

N값과 지반의 상대밀도 등의 관계는 다음과 같습니다.

 

N 값	상대밀도		내부 마찰각(Φ)
	설명	범위	Peck	Meyerthof
0 ∼ 4 4 ∼ 10 10 ∼ 30 30 ∼ 50 50 이상	매우 느슨 느슨 중간 조밀 매우 조밀	0.0 ∼ 0.2 0.2 ∼ 0.4 0.4 ∼ 0.6 0.6 ∼ 0.8 0.8∼ 1.0	28.5 이하 28.5 ∼ 30 30 ∼ 36 36 ∼41 41 이상	30 이하 30 ∼ 35 35 ∼ 40 40 ∼ 45 45 이상

 

N값과 점토의 연경도(Consistency), 일축압축강도와 관계는 다음과 같습니다.

 

점토의 연경도	N값	현장 관찰 (Peck, Hansen & Thornburm)	qu(kgf/cm²) (Terzaghi & Peck)
매우 연약 (Very soft)	2 이하	주먹이 쉽게 10cm 정도 들어간다.	0.25 이하
연약 (Soft)	2 ∼ 4	엄지손가락이 쉽게 10cm 정도 들어간다.	0.25 ∼ 0.5
보통 굳음 (Medium)	4 ∼ 8	노력하면 엄지손가락이 10cm 정도 들어간다.	0.5 ∼1.0
굳음 (Stiff)	8 ∼ 15	엄지손가락으로 흙을 움푹 들어가게 할 수 있지만 흙 속에 엄지손가락을 넣기는 힘들다.	1.0 ∼ 2.0
매우 굳음 (Very stiff)	15 ∼ 30	손톱으로 흙에 자국을 낼 수 있다.	2.0 ∼ 4.0
고결 (Hard)	30 이상	손톱으로 자국을 내기 힘들다.	4.0 이상

 

보링 시험을 하면서 지하수위(공내 수위)를 측정할 수 있습니다. 시추조사 완료 후 24시간이 경과한 후, 혹은 시추공내의 수위가 회복되어 안정되었다고 판단하면 지하수위의 분포상태를 파악할 수 있습니다.

 

▶ 지하수 및 부력

 

주상도

이렇게 보링을 해서 시추조사, 표준 관입 시험을 수행하면 기초 지반의 분포현황나 구성상태, 각 지층의 공학적 특성을 어느 정도 파악할 수 있고 이것을 그림으로 표현한 것이 주상도입니다. 다음 주상도 실제 사례를 보면 오른쪽 편에 1.5m 깊이마다 표준 관입 시험의 결과값이 제시되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 대부분의 지층은 땅속으로 들어갈수록 지반이 단단해셔 N값이 증가하게 됩니다.

 

▶ 암반의 분류

▶ 지내력 시험

 

참고로 KS F 2307에 규정된 표준 관입 시험 방법은 다음과 같습니다.

1) 표준 관입 시험용 샘플러를 보링로드에 연결하고 가만히 구멍 바닥으로 내린다.

2) 보링로드 상부에 노킹블록 및 가이드용 보링로드를 붙인다.

3) 가이드용 보링로드 등의 연직성을 확보함과 동시에, 타격 시의 흔들림을 방지하기 위한 조치를 강구한다. 보링로드 접속부의 헐거움이 생기지 않도록 단단히 조인다. 만약 헐거워지면 신속하게 조인다.

4) 드라이버 해머를 노킹블록에 세트한다.

5) 드라이버 해머의 타격에 의해 원칙적으로 150mm의 예비 타격, 300mm의 본타격을 한다. 이때 본타격 개시 깊이 및 본타격 종료 깊이를 측정한다.

6) 예비 타격은 드라이버 해머 낙하 높이를 작에 하여 경타격에 의한 관입 저항을 확인하면서 관입한다. 다만 N값이 50회 이상으로 상정되는 지반에서는 드라이버 해머 낙하 높이를 760mm로 하여 드라이버 해머를 자유 낙하시키고 본타격을 대신할 수 있다.

7) 본타격의 드라이버 해머 낙하 높이는 760mm로 하고 드라이버 해머를 자유 낙하시킨다. 또한 드라이버 해머는 그 정지를 확인하고 나서 다음 타격으로 옮긴다.

8) 본타격에서는 타격 1회마다 누계 관입량을 측정한다. 다만, N값의 이용 목적에 따라 관입량 100mm마다 타격 횟수를 측정하여도 좋다.

9) 본타격의 타격 횟수는 특별한 필요가 없는 한 50회를 한도로 하고, 그 때의 누계 관입량을 측정한다. 다만, 예비 타격 단계에서 50회에 도달한 경우는 그때의 누계 관입량을 측정하여 N값으로 한다.

10) 측정을 종료한 후 지표에 표준 관입 시험용 샘틀러를 올리고, 슈 및 커넥트 헤드를 떼고 스필릿 배럴을 두 개로 나누어 채취 시료를 관찰한다.

11) 대표적인 시료를 투명한 용기에 보존한다.

 

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