2. 지  반  조  사

2.1	지반조사의 목적과 범위

2.2	보링(boring)과 시료 채취(Sampling)

2.3	사운딩(Sounding)

2.4	평판재하시험(Plate Bearing Test ; P.B.T)

2.5	공내재하시험(PressureMeter Test ; P.M.T)

2.6	물리 탐사

2.1	지반조사의 목적과 범위

(1) 지반조사의 목적

지반조사는 구조물을 경제적으로 설계 및 시공하기 위해서 필요한 지반의 특성 및 지층상태, 지지력 및 침하량 산정에 필요한 기본 자료를 얻는데 그 목적이 있다.

(2) 지반조사의 범위

1) 예비조사

지반조사의 예비단계로 부지를 선정하고 기초의 형식을 결정하며, 본 조사의 계획을 세우기 위하여 수행하고 구조물 설치시나 그 이후에 일어날 문제점을 예견함.

표 2-1  예비 조사의 범위

자료 조사	현지 답사	개략 조사
인근 조사자료 지질도(자원연구소) 지형도(국립지리원) 토양도(농촌진흥청) 기상 및 수문 조사(기상청) 과거 공사자료 조사 지하수 조사 인근 구조물 조사 지하 매설물 조사	지표 조사 지하 조사 지하수 조사 인근현장 시공법 조사	보 링 샘플링 사운딩

2)	본 조사

본 조사는 구조물 설계 및 시공을 위한 조사로 크게 현장시험과 실내시험으로 구분하며, 현장시험을 대상지반에서 실시하기 때문에 원위치시험이라고도 한다.

									본 조 사
현장 시험									보링				현장 계측			물리 탐사			시료채취(샘플링)
원위치시험					시공관리시험								지반의 변위 지하수위 변동 관측 등						교란 시료					불교란 시료
사운딩 현장투수시험 재하시험 등					현장밀도시험 등														실내 토성 시험					실내 역학 시험

그림 2-1 지반조사의 범위

① 현장시험(원위치시험)

	평판재하시험(Plate Bearing Test)
	사운딩			동적관입				표준관입시험기
								동적 원추관입시험기
				정적관입				휴대용 원추관입시험기
								화란식 원추관입시험기
								스웨덴식 관입시험기
				인 발				이스키메터
				회 전				베인시험기
	공내재하시험(Pressure meter, Dilatometer)
	물리탐사			탄성파 탐사
				전기 탐사
				음파 탐사
				속도 검층(PS 검층)
	샘플링			Thin wall 튜브 샘플링, 코어 보링, 블록 샘플링, S.P.T 샘플링

그림 2-2 원위치시험

② 실내시험

	흙분류시험				입도분석(체분석 ＋ 침강분석)
					에터버그 한계 : 액 ․ 소성한계시험, 수축한계시험
	토성시험				자연함수비, 비중, 단위체적중량
	강도시험				1축 압축시험, 3축 압축시험, 직접전단시험
	압밀시험				표준압밀시험, 급속압밀시험
					수평배수압밀시험(로우셀시험), 일정변형률 압밀시험

그림 2-3 실내시험

2.2	보링(boring)과 시료 채취(Sampling)

(1) 보링의 개요

보링은 토목공사의 설계 및 시공을 위한 지반조사로 지반구성 및 지하수위 파악, 불교란시료 채취, 기초 암반의 심도 및 말뚝타입길이 결정, 계측기기 설치를 위한 천공을 그 대상으로 한다.

1) 보링 심도

- 일반 구조물 : 응력이 작용하는 범위까지로 구조물 기초 폭의 2배 이상

- 중요 구조물 : 충분한 지지층인 암반층 1～2 m 까지

그림 2-4 응력범위와 보링 심도

(2) 보링의 종류

1) 오거 보링(Auger boring)

오거를 회전 압입하여 굴진하고 주기적으로 오거를 인발하여 시료를 뽑아내는 방법

도로지반조사, 연약하거나 단단한 토사지반, 말뚝 및 전신주 타입, 지반개량 특수공법에 이용

2) 로터리 보링(Rotary boring ; 회전식)

■ 코아(Core) 보링 : 코아배럴의 선단에 설치한 비트를 회전시켜 굴진하고 코아를 채취하는 방법, 주로 불교란시료 및 암석코아 채취, 균열상황 관찰, 표준관입시험에 사용

- T.C.R(Total Core Ratio ; 코아회수율) ＝[eqn: rm { 코아~길이 } over { 굴진~깊이} TIMES 100]   (%)

- R.Q.D(Rock Quality Designation) ＝[eqn: rm {10 cm ~이상~ 코아~길이의~ 합} over {굴진 ~깊이} TIMES 100]   (%)

■ 논코아(Non-core) 보링 : 로드 선단에 설치한 비트를 회전시켜 지반을 파쇄하면서 굴진하고, 이수(泥水)에 의하여 공벽을 유지하며, 파쇄된 부스러기는 굴착유체의 순환으로 배제시킴. 주로 석유, 온천, 지하수 개발, 그라우팅공, 발파공, 말뚝공, 계측기기 설치공 천공시 사용

3) 퍼쿠션 보링(Percussion boring ; 충격식)

무거운 비트를 상하로 굴진시켜 지반을 파쇄하면서 굴진하고 슬라임(Slime)은 베라 등을 사용하여 주기적으로 배제한다. 주로 우물 및 자원조사, 논코어 보링에 사용

(3) 시료의 교란

시료의 채취는 그 공학적 성질이 원 위치와 동일한 상태로 실시하는 것이 바람직하지만 실제로 기술적으로 곤란하고 비용도 비싸서 어느 정도의 변화를 허용하고 있다. 이러한 시료의 교란정도는 시험결과에 직접 영향을 주며, 설계 및 시공 정밀도, 나가서는 공사비용과 안전성을 크게 좌우한다. 따라서 샘플링 계획 및 시행시 시료의 교란에 관해 기본적인 인식과 교란정도의 판정이 필요함.

표 2-2  시료 교란의 원인

원인	항 목	내용 및 대책
응력 해방	천공에 의한 응력변화	천으로 인한 [eqn: sigma_v]의 과다한 인장변형 유발 ․큰 천공압력에 의한 과잉 압축변형 유발
	현장 초기 전단응력의 제거	․결과로 발생하는 전단변형률은 일반적으로 적음
	구속응력의 제거	․조립재의 존재로 인한 부의 간극수압의 손실 ․기포나 용해되지 않은 가스의 팽창
시료 채취 기술	샘플러의 직경, 길이, 면적비	․회수율, ․시료 벽면의 마찰력, ․내부벽면을 따라 교란된 영역의 두께 파악
	샘플러 추진	타격법보다 연속적인 추진방법이 좋음
	시료의 회수	시료의 바닥에서 Suction효과를 제거하기 위해 진공 브레이커 사용
다루는 방법	운반	충격, 기온변화 등을 피할 것
	저장	․박테리아 성장을 최소화하기 위해 현장온도로 관리 ․저장시간 장기화에 따른 간극수 이동으로 함수비 재배열 및 건조 방지
	시료 추출과 성형 등	․추가변형을 최소화시킬 것

(a) 샘플러 설치

(b) 샘플러 굴진

(c) 샘플러 분해

(e) 시료명 기입 장면

(d) 시료 채취

그림 2-5  SPT에 의한 교란시료 샘플링 장면

(a) 샘플러 설치 및 관입

(b) 샘플러 인발

(d) 불교란 시료 추출

(c) 샘플러 해체

그림 2-6  불교란 시료 샘플링 장면

(4) 시료의 구분

1) 교란 시료

- 오거로 보링하고 표준관입시험용 샘플러를 타격 및 관입시켜 채취하는 시료는 교란이 심함

- 교란정도가 심한 시료는 단지 흙의 입도분포, 밀도, 연경도와 같은 흙의 물리적 특성 파악에만 쓰임

2) 불교란 시료(Undisturbed sample)

- 주로 얕고 균질한 점성토 지반를 대상으로 고정 피스톤식 샘플러와 코어 커터에 의한 압입식으로 교란이 적음

- 교란이 적은 시료는 실내시험으로 원 위치의 강도, 압밀, 투수특성 및 물리적 특성을 결정함.

① 고정 피스톤식 샘플러(Stationary piston sampler)

- 충격없이 샘플러를 30cm/초의 속도로 압입하고 180°회전시켜 시료를 절단하여 채취하며, 교란 흙의 유입을 막기 위해 고정 피스톤을 사용함.

- 면적비가 적은 두께가 얇은 튜브를 Thin wall tube라 하고 주로 황동으로 된 튜브를 사용함

② 블록 샘플러(Block Sampler)

- 시료 채취방법에는 트렌치 굴착방법과 보링공에 의한 방법이 있음.

- 트렌치 굴착방법은 깊이 제한을 받음

- 보링공에 의한 방법은 물이나 벤토나이트로 채운 상태에서 샘플링하기 때문에 깊이의 제한과 응력이완 현상을 극복할 수 있지만, 함수비 변화와 시료 팽창에 주의해야함

- 거의 모든 흙에 적용이 가능하고 교란 정도가 적음

- 비용이 비싸서 연구용이나 중요 구조물에 사용됨.

(5) 샘플러의 조건

상

하

Ds

De

Dw

1) 면적비(Area ratio, Ca)

- 지반에 샘플러 관입시 배제되는 흙의 체적의 비율

- Dw-De가 클수록 여잉토의 혼입으로 시료에 교란이 발생

- Ca는 10% 이하가 되도록 함.

[eqn: rm C_a&＝ {{D_w}^2 -{D_e}^2} over {D_e}^2 times 100]

그림 2-7 Thin wall tube의 형상

2) 내부여유(Ci)

- Ds > De 인 경우 내부여유가 생겨 시료가 팽창되어

마찰 및 압축저항이 생김

시료토 유입

마찰저항

- Ci는 0.75～1.5% 사이의 값을 사용함.

[eqn: rm C_i ＝ {D_s -D_e} over D_e TIMES 100]

그림 2-8 시료 관입시 모식도

2.3	사운딩(Sounding)

2.3.1	사운딩의 정의 및 종류

사운딩은 로드 선단에 설치한 저항체를 땅 속에 넣어 관입, 회전, 압입 및 인발시켜 발생하는 저항을 측정하여 지반의 강도 및 밀도 등을 파악하는 원위치시험을 말한다.

표 2-3  사운딩의 종류

작동 방법		장치 형식	대표 장치	적용 토질	보 링	특 징
정적	압입	단관 원추	휴대용 원추관입시험기 (Portable cone penetrameter)	연약 점성토, peat	불필요	연약지반 전용
		이중관 원추	화란식 원추관입시험기 (Dutch cone penetrameter)	큰자갈 이외의 흙	불필요	로드주면 마찰분리, 높은 능률
	추재하, 회전관입	단관 Screw point	스웨덴식 관입시험기 (Swedish penetrameter)	큰자갈,조밀한 모래자갈 이외의 흙	불필요	일반탐사용, S.P.T 보간
	인발	Wire rope 저항날개	이스키미터(Iskymeter)	연약 점성토, peat	불필요	연약지반 조사전용, 완전연속 자료
	회전	단관 베인	각종 베인 시험기 (Vane tester)	연약 점성토	불필요	현장의 전단강도 측정
동적	타입	단관 원추	동적 원추관입시험기 (Dynamic cone penetrameter)	큰자갈, 조밀한 모래자갈 이외의 흙	불필요	일반탐사용, S.P.T 보간 Na≒N
		단관 Split spoon sampler	표준관입시험기 (Standard penetration tester)	큰자갈, 조밀한 모래자갈 이외의 흙	필요	N치를 측정하는 동시에 시료를 채취

2.3.2	표준관입시험(Standard Penetration Test ; S.P.T)

그림 2-9 표준관입시험장치

해머

76

300

점토수

코넥디헤드

배수공

175

560

케이싱

51

35

샘플링

스푼

75

드라이브 슈

단위(mm)

150

300

관

입

시

험

전

관

입

시

험

(1) 시험 방법

- 소정의 위치까지 보링한 후, 공내의 슬라임을 제거함

- 로드 끝에 중공의 샘플러를 설치한 다음 지중선단에 위치시킴

- 중량 64kgf 해머를 76cm 높이에서 자연낙하시켜 로드를 타격하여

지중 15cm를 관입시킴(예비타)

- 샘플러가 지중에 30cm 관입될 때의 타격수 N값을 측정한다.

- 샘플러를 인발하여 교란시료를 채취한다.

(2)	N값의 보정

1) 로드 길이에 대한 보정

심도가 깊어지면 타격에너지 손실로 실제보다 크게 나오므로 수정함.

[eqn: rm N ＝N prime( 1 － {x }over {200})]

2) 토질에 대한 수정

일반적으로 15보다 크면 실제보다 크게 나오므로 보정함.

[eqn: rm N&＝15＋{1}OVER {2} (N'－ 15)]

3) 상재압 수정

지표부근에서는 구속압이 없어 실제보다 작게 나오므로 보정함. 단, 유효상재하중, p는 2.8kgf/cm²보다 적어야 함.

[eqn: rm N&＝ N`prime{5} over{1.4p ＋1}]

(3)	N값의 이용

1) 사질토 지반의 조밀도 파악

표 2-4  N값에 따른 사질토의 상태 분류

N값 범위	조밀한 정도
0 ~ 4 4 ~ 10 10 ~ 30 30 ~ 50 50 이상	대단히 느슨 느슨 중간 조밀 대단히 조밀

2) 점성토 지반의 연경도 파악

표 2-5  점성토의 연경도, 일축압축강도와 N값과의 관계

점토의 컨시스턴시	N값	qu(kgf/cm²)
대단히 연약 연약 중간 견고 대단히 견고 고결(hard)	< 2 2～4 4～8 8～15 15～30 > 30	< 0.25 0.25～0.5 0.5～1.0 1.0～2.0 2.0～4.0 > 4.0

표 2-6  N값에 의한 각종 강도정수 추정식

제안자	추정 강도정수 및 조건	산정식
Dunham	입자가 둥글고 균일하여 입도가 불량한 경우	[eqn: rm phi``=sqrt12N & ＋15]
	입자가 모나고 균일하여 입도가 불량한 경우 입자가 둥글고 입도분포가 양호한 경우	[eqn: rm phi``＝sqrt12N &＋20]
	입자가 모나고 입도분포가 양호한 경우	[eqn: rm phi``＝sqrt12N &＋25]
Peck	사질토 지반	[eqn: rm phi``＝ 0.3`N＋27]
오자키	사질토 지반	[eqn: rm phi``＝ sqrt{20N} ＋15]
Terzaghi-Peck	[eqn: phi``＝0 DEG]인 점성토 지반의 비배수 전단강도 추정 (kgf/cm²)	[eqn: rm q_u ＝ N / 8], [eqn: rm c_u ＝ q_u / 2& ＝ N / 16]
후쿠오카	수평방향 지지력계수 추정 (kgf/cm³)	[eqn: rm K_h&＝0.691N^{~0.406}]

3) N값을 이용한 각종 경험식

2.3.3	네덜란드식 원추관입시험(Dutch cone penetration test, 2중관식)

60° 의 콘이 외관으로 둘러싸여 로드에 연결되어 있어 원추로 선단저항을 측정하고 외관으로 주면마찰력을 측정함.

1. 관입시

2. 측정값

3. 재관입시

(1) 시험방법

외관관입

내관관입

외관정지

외관관입

① 외관을 눌러 관입 선단을 측정깊이까지 관입한다.

② 그 위치에서 내관을 눌러 원추만을 1~2cm/s의 속도로

5cm 관입시킴, 측정간격은 대개 25cm마다 실시.

③ 이때 원추에 걸리는 하중([eqn: rm q_c])를 구한다.

(2) 결과 이용

1) 선단지지력([eqn: rm q_c] ; 콘지수 ) 산정

[eqn: rm q_c ```＝``{원추~관입력(Q_c )} over {원추 ~저면적(A)}] (kgf/cm²)

2) 개략적인 토층상태 파악

① 점  토 : [eqn: rm q_c] ＝ 14 Cu,

측정개시깊이

여기서, Cu : UU 삼축시험에 의한 점착력

약 5cm

② 사질토 :[eqn: rm q_c] ＝ (4~6)N

Qrd 독해깊이

③ 자갈질 :[eqn: rm q_c] ＝ (8~10)N

3) 연약지반 장비진입성 판단 및 Sand Mat 포장두께 산정

4) 기초의 지지력 추정

그림 2-10  네덜란드식 원추관입시험기

2.3.4 베인전단시험(Vane shear test)

M

H

D

(1) 시험방법

- 보통 높이와 직경이 H＝2D로 구성된 베인을 지중속에 관입함.

- 일정한 속도로 수직축을 회전시켜 저항을 측정함.

- 보통 0.5kgf/cm² 이하의 연약 점토지반에 적당한 현장시험방법

- 10m 이상인 지반에 적용할 경우 수직축에 휨이 발생하여 부정확함

- 회전속도가 빠르면 강도가 과대평가됨.

(2) 결과 이용

1) 비배수 전단강도 산정(사면안정해석, 기초지지력 계산시)

[eqn: rm Cu &＝ {M_max} over { {pi D^2 H} over 2 ＋{pi D^3} over {6}}]

여기서, [eqn: rm M_max] : 날개회전시 최대 비틀림모멘트(kgf․cm)

2) 교란 전단강도로부터 예민비 산정

[eqn: rm S_t ＝ {불교란~상태 ~Cu} over { 교란~상태~Cu }]

3) 심도별 지반강도 평가 및 강도증가율 산정

4) 지반개량 전, 후에 실시하여 개량정도 확인

그림 2-11  베인 전단시험기

2.4	평판재하시험(Plate Bearing Test ; P.B.T)

2.4.1	시험목적 및 장치

(1) 시험목적

재하판을 통하여 지반에 하중을 주고, 침하를 측정하여 기초 지반의 허용지내력 및 탄성계수를 파악하거나 도로 포장설계를 위한 지지력 계수(K)를 결정함.

그림 2-12 평판재하시험 모식도(기초용)

(2) 시험장치

1) 재하판

① 재하판의 규격

30×30×2.5cm, 40×40×2.5cm, 75×75×2.5cm

② 재하판에 따른 지반의 지지력 계수

[eqn: rm K_c&＝ y over p~ ,~ K_75&＝ 1 over 2.2 K_30], [eqn: rm K_75 ＝ 1 over 1.5 K_40]

2) 하중재하장치(잭 ; Jack)

기중기, 지주, 재하말뚝 및 반력장치로 구성되어짐,

① 연약 지반 : 5tf

② 단단한 지반 : 10~30tf

3) 침하측정계

정밀도 0.01~0.001mm의 30mm이상 측정가능한 것

4) 침하대 : H빔, 트러스 구조, I빔, 강봉

5) 재하중 : 차량, 백호, 흙 가마니, 철근덩어리, 반력하중

2.4.2	시험방법(기초설계시)

그림 2-13  평판재하시험 준비

지표면

2B 이상

B

재하판

2m 내외

기

초

깊

이

5B 이상

설계기초면

G.W.L

(1) 시험위치 및 재하방법의 선정

(2) 대상 지반을 굴착하고 바닥 고르기

(3) 재하판 및 재하대 설치, 재하중 준비

(4) 하중 재하

- 계획 최대하중을 설계하중의 2배정도로 결정

(a) 시험위치의 선정 및 바닥고르기

(b) 재하판 설치

- 계획 최대하중을 5~8 단계로 나누어 재하

- 1단계의 하중을 넘지 않는 범위로 예비재하 실시

- 재하는 2kgf/cm²/분 이하의 일정속도로 함

- 단계별 재하시간은 15분 이상으로 함.

(5) 침하량의 측정

- 각 단계에서 0, 1, 2, 5 및 이후 5분경과마다 측정

- 1분간 침하량이 그 단계 침하량의 1% 이하가 되면

침하가 종료한 것으로 보고 다음 단계로 진행

(c) 재하장치 및 침하계 설치

(d) 재하 및 침하량 측정

(6) 시험의 종료

- 시험기의 용량이상 및 계획하중까자 실시

- 침하량이 재하판 지름의 10% 이상 되거나

15mm 이상 발생시 종료

- 하중을 제거하고 회복량 측정

그림 2-14  평판재하시험장면(도로용)

2.4.3	시험결과 해석

(1) P.B.T 야장의 기록

표 2-7 평판재하시험시 기록 내용

그림 2-15  P.B.T 야장 기록 사례

5단계 이상

40

30

20

10

10

20

30

하중강도(tf/m²)

하중강도(tf/m²)

시간-하중곡선

경과시간(h)

시간-침하곡선

하중-침하곡선

0

15

20

기록 항목 구분	상세 내용
시간-하중 곡선	재하중과 침하량의 데이터를 체크 전반적인 시험상황을 파악
시간-침하량 곡선
하중-침하량 곡선	지반반력계수, 극한지지력 추정
하중-잔류침하량 곡선	잔류침하량 = 각 하중단계의 최종침하량 - 제하시의 제하량
하중-제하량 곡선	제하량 = 각 하중단계의 최종침하량 - 제하시 잔류침하량
기타	기상상황, 재하판 주변지반의 상황

(2) 항복하중 결정법

지반의 지지력은 다음의 4가지 도해적인 방법을 사용하며, 장기허용지지력(qa)는 Py/2 또는 qu/3 중 작은 값

(a) P-S 곡선법

logP

Py

Py : 항복강도

qu : 극한강도

크리프

logs

qu

(b) log P - log s 곡선법

(c) P-ds/d (logt) 곡선법

4

3

2

1

0

12

24

36

48

60

하중(t) →

곡선이 급격하게 꺾이는 하중

↑

log30~log15

log15~ log5

42t

44t

(d) S - logt 곡선법

곡선에 요철이 생기거나

급격하게 꺾이는 단계

↑

60t

48t

36t

24t

12t

5

10

20

30

60

시간(분) →

그림 2-16  항복하중 결정법

(3) 하중-침하곡선의 모양과 전단파괴의 종류

1) 전반전단파괴(General shear failure)

그림 2-17 하중-침하량 곡선

- 임의 하중까지는 경사가 완만하고 직선적이지만

하중이 극한하중(qu)에 도달하면 침하가 급격히

커지고 주위지반이 솟아오르며 지표면에 균열이 생기면서

땅 속에 활동 파괴면이 생기는 현상

- 주로 조밀한 모래지반이나 굳은 점성토 지반에 나타남

2) 국부전단파괴(Local shear failure)

- 처음부터 하중-침하곡선의 경사가 급하다가 더 급한경사

로 직선으로 옮아가는 항복하중(Py)에서 파괴됨

- 활동파괴면이 명확하지 않고 국부적 파괴가 점점 확대됨

- 주로 느슨한 모래지반이나 연약한 점토지반에 나타남

3) 관입전단파괴(Punching failure)

- 처음부터 침하가 급격하게 일어나다가 크리프(Creep) 거동을 보임.

(a) 전반전단파괴                  (b) 국부전단파괴                   (c) 관입전단파괴

그림 2-18 기초의 파괴 형태

(4) 결과 이용시 고려사항

그림 2-19 응력범위와 크기

1) 시험한 지반의 토질종단을 알아야 한다

- 평판재하시험의 압력구근의 범위가 제한적이다.

- 실제 건물기초 폭의 두 배 깊이까지 응력이 작용함

2) 지하수위의 변동상황을 알아야 한다

- 계절에 따른 지하수위의 변동으로 지반의 강도와

침하량은 달라짐

- 시험시 응력구근의 범위까지 지반을 포화시킴

그림 2-20  기초의 폭과 근입깊이

3) Scale effect를 고려해야 한다

기초의 지지력 산정식(Terzaghi-Peck 제안식)에서

[eqn: rm q_ult ~＝~ alpha cdot c cdot N_c ~＋~ beta cdot B cdot gamma _1 cdot N_r ~＋~ gamma _2 cdot D_f cdot N_q]

평판재하시험 조건상 [eqn: rm D_f ＝0]

Df

B

① 지지력 - 점토층 : 재하판 폭에 무관

[eqn: rm phi＝0 , ~ N_q = 0,~ N_r = 0 ,~ q_ult ＝ alpha cdot c cdot N_c]

- 모래층 : 재하판 폭에 비례,

[eqn: rm C＝0 , ~ q_ult ＝ beta cdot gamma cdot N_r cdot B]

② 침하량 - 점토층 : 재하판 폭에 비례

- 모래층 : 재하판 폭에 무관(측압저항과 침하량이 상쇄되기 때문)

4) 부등침하를 고려하기 위해 여러 위치에서 시험을 수행한다.

2.5	공내재하시험(Pressuremeter test ; P.M.T)

2.5.1	시험개요

- 시추공의 벽면을 가압하여 변형량과 압력을 측정하여 지반강도 및 변형특성을 파악

- 주로 지반의 변형계수, 암반분류의 지표를 얻기 위하여 실시, 발전소 및 지하철, 고층빌딩 기초지반 조사에 적용함.

- 토사층부터 연암, 경암에 이르기까지 적용범위가 넓고, 지반의 큰 변형없이 지반강도와 변형특성을 구할 수 있음

2.5.2	시험장치 및 원리

(1) 시험장치

시추공내에 삽입하는 프로브의 외경은 62~85mm 정도이고 가이드 셀 및 고무튜브는 60~80mm 정도

그림 2-21 P.M.T의 모식도

그림 2-22 P.M.T장치의 구성

(2) 시험원리

- 지반을 완정탄성체로 가정하고 평면변형조건 하에서 탄성 원통체의 변형

[eqn: rm u``＝ {P`(1 ＋ nu`)``r_i} over E]                                  (1)

(a) 초기상태              (b) 확장상태

그림 2-23  P.M.T에 의한 공동확장

ri

PPo

L

L

P

ri＋u

여기서,	[eqn: rm u] : 횡방향 변위

[eqn: rm P] :[eqn: rm u]를 일으킬 때 압력

[eqn: rm nu] : 포아슨비

[eqn: rm r_i] : 원통체의 초기 반지름

[eqn: rm E] : 탄성계수

- 반경[eqn: rm r_i], 길이 L인 원통의 초기부피 [eqn: \V_0``＝ pi rm ``r_i^2 `` L]

- P에 의한 원통의 부피팽창[eqn: rm TRIANGLE V``＝ V-V_0 ``＝ 2 pi L`r_i u ＋pi L u^2]

-[eqn: rm u^2]은 매우 작은 값이므로 무시하면

[eqn: rm u``＝ {triangle \V} over { 2 ``pi`` L`` r_i }]                                     (2)

- 식 (1), (2)에 의한 탄성계수

[eqn: \E_m``＝ rm 2(1＋nu) V_0 {triangle P } over {triangle V}]

여기서, △ P = P - [eqn: rm P_0] (초기 지중의 횡방향응력)

2.5.3	시험결과

(1) 시험결과 해석

① Po 산정               ② Py＝Py' - Po                 ③ ΔP＝P1 - Po

④ Δr＝r1 - ro            ⑤ rm＝(r1 ＋ ro)/2               ⑥ Km＝ΔP/Δr

⑦ Em＝(1 ＋ ν)․Km․rm

0    1     2     3     4     5   ∠H (cm)

30

25

20

15

10

5

0

하중

(kgf/cm²)

Py'

P1

ΔP

P0

4.5         5.0          5.5           6.0      radius, r(cm)

r0 Δr r1

그림 2-24 P.B.T 시험 결과 사례

(2) 시험결과 이용

1) 정지토압계수(Ko) 산정          [eqn: rm K_0 ＝ P_0 OVER sigma _v]

여기서,[eqn: rm sigma_v] : P.M.T가 행해진 지점의 상재하중

[eqn: rm P_0] : 지반을 원 상태로 회복시키는 압력.

2) 얕은 기초나 말뚝기초 선단의 극한지지력        [eqn: { \q _l - \q_0 } over { \p _l -p_0 } ＝ \q_ l over \p_ l ＝ k]

3) 주면 마찰력                                   [eqn: \f_i ＝ \p_ l over 30 ＋ 30]    (kpa)

여기서, [eqn: \q_ l] : 극한지지력

[eqn: rm q_0] : 기초 저면까지의 상재압력

[eqn: \p_ l] : 한계응력

[eqn: rm p_0] : 초기 수평응력

k : 지반의 종류, 근입깊이, 기초형태, 설치방법에 따라 0.8~9의 값을 사용

4) 침하량 및 지반특성 파악을 위한 [eqn: \E_m / \p_ l]

5) 기타

- 일축압축강도 : P.M.T의 시험곡선으로부터 전단곡선을 유도하여 비배수 전단강도와 일축압축강도를 산정.

- 내부마찰각 : 사질토의 체적변화를 고려한 Rowe의 Stress-dilatancy 이론 이용

(3) 결과 이용시 유의사항

1) 공벽 지반의 교란

- 시험공벽을 만들 때에 생기는 지반교란과 재하 및 ․제하과정은 지반의 실제 [eqn: \E_m] 값에 영향을 미침.

2) 재하방법의 차이

- P.M.T의 재하방법은 구조물이 지반에 가하는 재하형태와는 달라 구조물의 침하량 및 지지력 산정시 주의해야함.

3) 적용상의 문제점

- 불균질성 암반이나 공벽 교란, 느슨함에 기인하여 측정치가 상당히 분산되므로 실내시험을 병용하여 제반 측정치와 비교, 검토함으로써 변형계수의 대표치를 결정함

- P.B.T와 P.M.T의 재하조건이 다르므로 구해진 변형계수 등의 값이 다르게 나오게 됨

2.6	물리 탐사

- 탄성파, 전기비저항 등과 같은 여러가지 매개체를 통하여 지반속의 물리적 성질과 상태를 지표에서 조사하는 기술

- 지층의 분포 및 지층의 역학적 특성 파악, 지하수나 환경문제 해결에 효과적이며, 연속적인 지반특성의 파악 가능

그림 2-25 지진파 탐사의 개요

컴퓨터

전원

증폭유닛

필터

제어 유닛

시스템

진원

트리거 유닛

지진계

2.6.1	탄성파 탐사(지진파 탐사)

(1) 개요

지진파에 대한 지반의 탄성거동으로부터 지반의 종류, 지층 및 강성도를 파악하는 방법으로 굴절법, 반사법이 있음.

(2) 원 리

1) 폭발 및 충격에 의해 생성된 표면파가 지층을 따라 전파되어 최초로 지진계에 도착한다.

굴절파가 도달하지 않는 구간

시

간

시간절편=tr2

시간절편=tr1

거리(m)

기울기＝1＋V1

기울기＝1＋V2

기울기＝1＋V3

2층굴절파

3층굴절파

굴절파

V1=100m/s

그림 2-26 주시곡선 모식도

[eqn: rm t_1 ＝ s over V_1]

여기서,  v1 : 전파속도

s : 진원에서 지진계까지의 거리

t1 : 걸린 시간

2) 다른 파는 스넬의 법칙에 의해 지층1을 관통하여 지층1과 2의

표면에서 굴절되는 경로로 지진계에 도달됨.

[eqn: rm t_2 ＝ v_2 over {v_1 ~cos i} ＋ {2s cdot tani} over v_2]

※ 스넬(Snell)의 법칙

그림 2-27 상이한 매질을 통과하는 음파의 성질

음파가 서로 다른 매질의 경계면을 통과할 때 입사각도와 경계면을 지나

V1

V2

θi

θi

θt

다른 매질로 전파되는 각도는 각 매질에서의 음파속도와 관련있다.

[eqn: rm {sin θ_i} over V_1 ~＝~ {sin θ_t} over V_2]

여기서 V1, V2	: 각 매질의 음파속도

θi	: 입사파의 입사각도

θt	: 투과파의 전파각도

3) 위 식으로부터 지층1의 두께 H를 구할 수 있다.

[eqn: rm H ＝ L over 2 sqrt{{v_2 -v_1 } over { v_2 ＋v_1 }}]

그림 2-28 굴절법 탐사에 의한 지중 탄성파속도 분포

(3) 탄성파 탐사의 적용

① 기초지반의 지층상태 파악

② 탄성파속도에 의한 암반분류 및 암반굴착의 난이도 평가

2.6.2	동역학적 탐사

그림 2-29  동역학적 탐사법

기진 홀

수진 홀

상향

햄머링

파의 경로

하향 햄머링

다운 홀 전단파 해머

3방향 지오폰

(1) 원 리

- 보링공내에 설치한 발진기에서 진폭과 진동수가 일정한 Sine(횡)파를 발진하고 인접한 보링공이나 지표에서 수신기로 전파속도의 변화를 측정하여 지반구성 및 상태를 파악함

(2) 적용분야

① 지진시 지반거동 파악하여 지진응답 계산시 입력 파라미터로 이용.

② 동적 하중을 받는 구조물의 동적 특성을 파악.

③ 탄성파 속도에 따른 암반분류, 풍화정도, 균열 유무 등을 파악

④ 탄성파 속도로 지반의 역학적 물성값을 추정

그림 2-30  P.S 검층 개요도

⑤ 속도검층을 이용하여, 말뚝이나 강널말뚝의 매설깊이를 추정

시공추

상부수진기

하부수진기

필터튜브

전원

기진기

하중&배터리

파

(Wave)

상부감쇄기

(3) 종류

1) P.S 검층

- 발진기와 수진기를 일련의 프로브에 연결하고 시추공내의 각 심도별

구간 전파시간을 측정함으로써 지반의 P파 및 S파의 속도를 구함.

- 시추지점의 P파와 S파의 속도분포를 측정하여 지반설계 및 내진설계의 필수적인 포아송비, 전단계수, 탄성계수 등을 구함

2) 다운홀 P.S 검층에 의한  말뚝 근입길이 추정

그림 2-31 말뚝 근입깊이 추정 개요도

타격점

- 지중에 매설된 말뚝의 근입길이는 말뚝 또는 지반에 전달되는

P파 속도의 분포차이를 이용하여 추정

보링 홀

말뚝

- 구조물 기초를 타격하여 발생시킨 P파는 구조물 기초말뚝과 지반을 통하여 시추공내에 설치된 수진기로 수진된다.

기초

파

의

경

로

- 수진점을 일정한 간격의 심도별로 이동시켜 각 수진점에 전달되는 파동을 수진하여 파형을 기록

수진기

- 기록된 파형으로부터 최초로 도달되는 시간, 초동주시를 산정함

2.6.3	기타 탐사방법

(1) 전기저항 탐사

- 지반의 전도성이 함수비에 따라 달라지는 특성을 이용하여 지반의 상태를 파악하는 시험

- 지반에 설치한 두 개의 전류전극을 통하여 직류를 흘려 보내고 두 지점의 전위전극을 통해 저항을 측정한다.

- 지하수위와 암반 경계면의 위치를 파악하거나, 지반개량정도를 파악하는데 효과적

(2)	방사능 동위원소 탐사

- 동위원소의 방사선이 물체를 투과할 때 물체의 종류, 밀도 및 두께에 따라 다르게 흡수되는 원리를 이용

- 감마선의 방출량과 접수량의 차이로부터 지반의 상대밀도를 구함

- 함수비 측정시 중성자선 원소인 라듐-베리리움을 사용