토공사 - 지반조사로 무엇을 알 수 있을까?

토공사의 가장 큰 어려움은 지반을 정확하게 알 수 있는 방법이 없다는 점일 것입니다. 즉 땅 속을 다 파보기 전까지는 정확히 알지 못합니다. 병원에 가면 X-ray나 초음파 검사를 해서 내부를 들여다 볼 수 있지만, 지반은 워낙 두껍기 때문에 이런 방식으로 전체를 투과해서 볼 수 없습니다. 따라서 몇 군데 구멍을 파보는 것(시추, 보링)이 가장 효과적인 방법입니다. 지반조사는 건축물을 설계하기 위해 보링 등의 방법을 이용해서 지반전체를 모델화하는 것입니다.

■ 토공사 개요
■ 암반의 분류

 

지반조사 순서

기본적으로 설계단계에서 지반조사를 실시하지만 구조물이 철거되지 않은 단계라면 철거된 후에 시추조사를 실시하게 됩니다.

몇 가지 용어를 살펴보겠습니다.

보링(Boring) : 지반의 구성확인이나 원위치 시험을 하기 위한 구멍을 만드는 작업
사운딩(Sounding) : 막대(ROD)에 붙은 저항체를 땅속에 삽입하여 관입, 회전, 인발 등의 저항으로부터 토층의 성상을 탐사
샘플링(Sampling) : 흙의 밀도, 강도 및 압축성 등을 시험하기 위해 흐트러짐 없는 시료를 채취하는 것. 교란, 불교란 시료 샘플링
지내력시험 : 구조물을 설치하는 지반에 재하판을 통하여 하중을 가한 후 하중-침하량의 관계에서 지반의 지내력을 구하는 원위치 시험

지반조사의 가장 일반적인 방법은 대지의 몇 군데 지점에 구멍을 파보는 것(보링(Boring))입니다. 구멍을 파는 방법은 크게 4가지로 나뉩니다.

• 오거식: 오거에 의해 시료 채취. 깊이 10m 이하의 점토층에 적합
• 충격식: 타격에 의해 경지층을 파는데 이용
• 수세식: 내관 끝에 충격을 주면서 물을 뿜어내어 파진 흙과 지상의 침전통에 침전시켜 지층 토질을 판별
• 회전식: 지층의 변화를 정확히 알고자 할 때 드릴 로드(Rod)의 회전 손서대로 시료를 채취

아래 사진처럼 규모가 크지 않은 현장이라면 대지 가운데와 대각선 두 군데를 포함해 3 지점을 파보거나 주요 구조물이 설치되는 지점을 파볼 수 있습니다.

사운딩(Sounding) 시험 - 이렇게 구멍을 파들어가면 좁은 구멍이 만들어지는데, 이 구멍으로 막대(Rod)를 집어넣어서 찔러보면 지반이 어느 정도 단단한 지 감을 잡을 수 있겠죠? 이렇게 막대 형상의 시험체로 보링 구멍 아래쪽 지반을 조사하는 것을 통틀어서 사운딩(Sounding) 시험이라고 합니다. 대표적인 것이 표준관입시험(SPT; Standard Penetration Test)입니다. 이렇게 보링하면서 보통 1.5m마다 표준관입시험을 병행합니다.

사운딩 시험으로 베인테스트(Vane test)가 있습니다. 주로 연약점토질에 적용하는데 보링의 로드에 십자(＋자) 날개형 베인 테스터를 회전시켜 점착력을 시험하는 것입니다.

■ 보링과 표준 관입 시험


샘플링 - 보링과 함께 병행하는 것이 샘플링입니다. 아무래도 막대로 쑤셔보는 것도 좋지만 땅속 지반을 채취하고 실험실로 가져와서 더 자세하게 검사하면 더 많은 성질(물리적, 역학적 성질)을 파악할 수 있습니다.

■ 토질시험

• 교란시료(BX Boring) : 물리적시험만 적용
• 불교란시료(NX Boring) : 흙의 물리적 성질시험. 역학적 성질시험이 모두 적용

아무래도 불교란시료 채취가 더 정확한 값을 얻을 수 있습니다.

지내력 시험을 대지를 다 파고나서 기초가 설치될 지반에 직접하는 시험입니다.

■ 지내력 시험- 평판재하시험

■ 평판재하시험 사례 - 결과의 해석

 

지반조사의 결과물

앞에서 정리한 지반조사로 알 수 있는 내용을 정리하면 다음과 같습니다.

• 지반의 종류와 분포 상태
• 지지지반의 분포
• 기초 설계를 위한 지반정수
• 지하수의 상태
• 액상화의 위험성

▒ 지반의 종류와 분포 상태 - 보링으로 구멍을 파보면 지표에서 아래쪽으로 깊이에 따라 어떤 지반이 있는지 알 수 있습니다. 이 구멍을 서로 연결해서 보면 대지 아래쪽 지반이 깊이에 따라 어떻게 분포되어 있는지 알 수 있습니다. 다만 보링 간격을 넓게 하거나 대지 넓이에 비해 보링 개수가 적다면 불확실성이 커지게 됩니다. 보링 사이의 지층은 파보지 않았기 때문에 다른 분포를 보일 수 있습니다.

▒ 지지지반의 분포 - 건축물에는 자중뿐 아니라 많은 하중이 가해집니다. 건축물이 안전하게 기능하려면 건축물에 가해지는 하중을 안정적으로 지반에 전달해야만 합니다. 따라서 건축물이 가하는 하중을 안정적으로 지지할 수 있는 지지지반 위에 건축물을 세워야 합니다. 지지지반의 분포는 표준관입시험의 N값으로 추정할 수 있지만, 건축물에 가해지는 하중의 크기와 지반의 지지력과 침하 등을 고려하여 설계자가 판단하게 됩니다.

▒ 기초설계를 위한 지반정수 - 지반정수는 표준관입시험의 N값, 전단강도, 수직·수평하중의 변형계수, 단위체적중량 등을 말합니다. 직접기초나 말뚝기초를 설계하기 위해서는 지반의 설계정수가 필요합니다. 연약 점토질 지반에서 문제가 될 수 있는 장기침하(압밀침하)에 대한 지반정수도 실내시험으로 파악할 수 있습니다.

▒ 지하수의 상태 - 지반은 항상 일정한 높이로 물이 차 있습니다. 즉 땅속을 파서 어느 정도 깊이에 도달하면 그 아래쪽으로는 흙입자 사이가 항상 물로 차 있다는 뜻입니다. 이렇게 항상 입자 사이에 물이 차 있는 최고높이가 지하수위입니다. 지하수위는 계절에 따라 현장상황에 따라 달라질 수 있기 때문에 주의해야 합니다. 지하수위가 높으면 구조물에 수압이 크게 작용할 뿐 아니라, 토공사를 진행하는 동안에도 현장에 많은 물이 고이기 때문에 이 지하수를 어떻게 처리할 것인지 미리 계획을 세워서 대처해야 합니다.

▒ 액상화의 위험성 - 지진이 발생해서 지반이 반복적으로 흔들리는 상황에서 지반의 액상화가 일어날 수 있습니다. 반복적으로 지반에 전단응력이 발생하면 토립자 사이의 지하수 수압이 상승하고 흙탕물처럼 섞여서 거동할 수 있습니다. 지반조사에서는 N값과 토립자의 배합비율을 조사하여 액상화의 위험성을 판단할 수 있습니다.


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