표준관입시험(Standard Penetration Test)

가. 개 요

(1) 시험 목적

㉠ 토층의 관입저항치(N치)를 산정한다.

㉡ 토질 분류 및 실내시험을 위한 대표 시료를 채취한다.

(2) 관련기준

㉠ 한국공업규격 KS F 2318

㉡ ASTM D 1586

(3) 타격장비

㉠ 63.5kg(140 파운드) 해머를 76cm(30 인치)높이에서 자유낙하 시킬 때 해머와 유도관 사이의 마찰로 인하여 타격 에너지가 감소되지 않아야 한다.

㉡ KS규정에는 해머 중량을 64kg으로 규정하고 있으나, ASTM 이나 ICSMFE 기준에는 63.5kg으로 규정하고 있으며, 관입저항치를 이용하는 경험식들이 대체로 ASTM이나, ICSMFE 기준에 의거하고 있으므로 경험식 이용을 위하여 해머 중량을 63.5kg으로 하는 것이 바람직하다.

(4) 시료 채취장비

㉠ 시료를 채취하기 위하여 일정 규격의 split barrel sampler를 사용한다.

㉡ 샘플러 규격은 각 기준마다 차이를 보이나 국내에서는 한국공업규격(KSF)에 규정한 규격을 사용한다.

㉢ 각 기준별 샘플러 규격, 단위 cm

기준	길이	shoe	barrel	head	외경	내경	shoe각
KS	61.00	7.60	38.00	15.20	5.08	3.49	18.43
ASTM	60.96	7.62	38.10	15.24	5.08	3.49	19.47
ICSMFE	68.50	7.60	45.70	15.20	5.10	3.50	18.62
JIS	81.00	7.50	56.00	17.50	5.10	3.50	19.78
Terzaghi	81.28	7.62	55.88	17.78	5.08	3.49	19.78
Hvorslev	80.64	7.62	55.88	17.14	5.08	3.49	19.78

(5) 부대장비

㉠ 시험 기록치

㉡ 시료를 표시할 수 있는 표식지

㉢ 시료병표준관입시험 과정에서 회수한 시료를 이용하여 토층을 분류하며, 이 중 대표시료를 선별하여 실내 토질시험을 실시한다. 흙의 물리적 성질을 측정하기 위한 토질시험에 200~300g 정도 시료가 필요하므로 가급적 회수한 시료 전체를 보관하는 것이 바람직하다. 그러나 실제로 현장에서는 보관상 이유로 일반적으로 직경 50mm, 길이 80mm 규격의 시료병을 사용한다. 따라서 시료 보관을 고려하여, 토층 분류를 위한 시료는 전술한 규격의 시료병을 사용하되, 토질시험을 실시할 시료는 회수 시료 전량을 보관할 수 있도록 별도 용기를 사용한다.

㉣ 시료병 밀봉을 위한 파라핀일반적으로 사용하는 시료병에 시료를 보관할 경우 밀폐상태가 불완전하기 때문에 토성이 변화될 수 있으므로 토질시험을 실시할 시료는 별도 용기에 담아 병 입구를 파라핀으로 밀봉한다.

 

나. 시험방법

(1) 굴 진

㉠ 시료 채취 깊이까지 깨끗하게 굴진한다.

㉡ 포화된 모래층이나 실트층에서는 공 주위 토양이 흐트러지지 않도록 비트를 서서히 꺼낸다.

㉢ 바닥으로 물을 분출하는 비트는 사용할 수 없으나 옆으로 물을 분출하는 비트는 사용할 수 있다.

㉣ 케이싱을 사용할 경우 케이싱을 시료 채취 깊이 이상 삽입하지 않는다.

㉤ 공을 굴진하는 동안 시추용수가 누수되거나 이상 압력대가 확인될 경우, 이에 대하여 기록한다.

 

(2) 시험 실시

㉠ 굴진한 공 바닥에 샘플러를 놓고 63.5 kg 해머를 76cm 높이에서 자유낙하시켜 샘플러를 45cm 관입시킨다.

㉡ 시험간격은 균일 지층은 2~3m 마다 1회, 불균일 지층은 1~2m 마다 1회씩 하되 연속적으로 시험을 하여 조사의 점밀도를 높인다.

 

(3) 시험 결과 기록

㉠ 각 15cm를 관입시키는데 소요되는 타격횟수를 기록한다. 이때 처음 15cm를 관입시키는데 소요되는 타격횟수는 예비타격으로, 즉 공 바닥에 굴진 잔재물이 약간 깔려 있는 것으로 간주하여 마지막 30cm 관입에 소요되는 타격횟수(N)를 관입저항치로 한다.

㉡ 타격횟수가 처음 15cm 구간을 제외하고 50타에 이를 때까지 관입깊이가 45cm에 이르지 않을 경우 더 이상 타격하지 않고 그때까지 관입된 깊이 중 처음 15cm를 제외한 관입 깊이를 기재한다.

㉢ 샘플러를 꺼내어 채취한 시료의 구성성분, 조직, 밀도, 입도 색깔 및 습윤 상태를 관찰, 기록한다.

 

(4) 시료 채취 및 관리

㉠ 샘플러에서 채취한 시료를 시료병에 다져지지 않도록 넣은 다음 시료의 수분변화를 방지하기 위하여 왁스나 기타 밀봉재료를 사용하여 밀봉한다.

㉡ 시료병에는 조사명, 시추공번, 채취심도, 시료번호, 채취한 시료 길이, 타격횟수 등을 기록한 표식지를 붙인다.

㉢ 시료는 극심한 온도변화를 받지 않도록 한다.

 

(5) 기 록

㉠ 조사명, 조사 위치, 시험 담당자, 굴진 일자, 기후

㉡ 시추공 번호, 좌표 및 표고

㉢ 시료 번호, 채취 심도, 시료 채취방법 및 채취한 시료 길이

㉣ 샘플러 형태 및 크기

㉤ 토양상태 및 토층 두께

㉥ 굴진용수 누수나 피압수두가 일어난 지점까지의 깊이 및 측정시간

㉦ 굴진 장비, 케이싱 규격 및 설치 심도

㉧ 타격회수

 

다. 관입저항치에 영향을 미치는 시험조건

(1) 굴진

㉠ 공내 이물질을 제대로 제거하지 않을 경우 샘플러 내부가 이물질로 차며, 관입시 이물질이 압축되므로 타격수가 증가할 수 있다. 또한 샘플러 내부에 찬 이물질로 인해 시험이 원지반이 아닌 구간에서 이루어질 수 있으며 시료회수율이 감소한다.

㉡ 치밀한 모래층에서 지나치게 공을 청소할 경우 모래층 자체가 느슨해져서 타격수가 감소할 수 있다.

㉢ 공경이 4인치 (10cm)이상일 경우 타격수가 감소할 수 있으므로 가능한 이보다 작은 구경으로 굴진한다.

㉣ 굴진용 펌프 압력이 너무 강할 경우 공저의 지층을 느슨하게 하여 타격수가 감소 될 수 있다.

㉤ 동일한 지층이라 하더라도 케이싱을 설치한 경우와 이수를 사용하여 공벽을 유지시킨 경우의 타격수가 차이를 보일 수 있다.

㉥ 규격보다 무거운 로드를 사용할 경우 타격에너지가 로드에 흡수되므로 타격에너지가 감소되어 타격수가 증가할 수가 있다.

 

(2) 타격

㉠ 해머 낙하 높이가 달라질 경우 전달되는 에너지 크기가 다르기 때문에 타격수가 달라질 수 있다. 이를 해결하기 위하여 automatic trip hammer를 사용하는 방법을 고려할 수 있다.

㉡ 로프를 드럼에 한 바퀴 반 이상 감거나 wire cable을 사용할 경우 해머가 자유 낙하하는 것을 방해하기 때문에 타격 에너지가 감소하며, 따라서 타격수가 증가할 수 있다.

㉢ 케이싱 설치 심도보다 상부에 샘플러를 위치시키고 시험을 실시할 경우 사질토층에서는 타격수가 증가하고 점성토층에서는 타격수가 감소할 수 있다.

㉣ guide rod를 사용하지 않을 경우 타격수가 달라질 수 있다.

 

(3) 관입

㉠ 샘플러입구에 자갈이 물릴 경우 타격수가 증가할 수 있다.

㉡ 샘플러 팁 부분이 손상을 입어 샘플러 끝 부분의 내경이 줄어들거나 샘플러 팁 부분 면적이 증가할 경우 타격수가 증가할 수 있다.

(4) 지하수위

㉠ 사질토층에서 공내 지하수위가 자연 지하수위와 동일하거나 그 이상 유지되지 않을 경우 공저 부분의 사질토층이 느슨해질 수 있다.

㉡ 느슨한 사질토층에서 지하수위 하부 구간에서 시험을 실시 할 경우 수압으로 인해 흙이 밀려 올라와 케이싱을 막음으로서 타격수가 증가할 수 있다.

㉢ 피압 대수층에서는 유효 응력이 수압에 의해 감소되므로 불투수층을 지나 피압 대수층에 도달할 경우 타격수가 감소할 수 있다.

㉣ 사력층에서는 지하수위 하부구간의 타격수가 지하수위 상부구간의 타격수보다 감소할 수 있다.

라. 관입저항치 보정

(1) 보정 필요성

㉠실질적으로 현장에서 장비 규격이라던가 시험 과정이 정확하게 지켜지지 않고 있으며, 따라서 관입저항치의 정확성이 매우 낮기 때문에 관입저항치 보정이 기대만큼 의미를 가질 수 없다.

㉡그러나 표준관입시험으로 얻은 관입저항치의 활용도가 매우 높기 때문에 가능한 관입저항치를 정확하게 산출하기 위하여 이를 각 조건을 고려하여 보정하는 것이 바람직하다.

(2) 타격 에너지

㉠관입저항치는 타격 에너지와 직접 관련되기 때문에 타격 에너지를 일정하게 유지하기 위하여 일정 무게의 해머를 일정 높이에서 자유낙하 시키도록 규정하고 있으나 시험 과정에서 발생하는 오차로 인하여 타격 에너지가 감소하는 경향을 보인다.

㉡타격 효율(hammer efficiency) e는 해머 형태와 자유낙하 방식에 따라 차이를 보이나 국내에선 많이 사용하는 doughnut형 rope-pulley 방식의 경우 대체로 65% 내외이며 Kovacs & Salomone(1984)도 평균효율이 65~70% 정도인 것으로 발표하고 있다.

㉢타격율이 떨어질 경우 타격 에너지가 감소하여 타격수가 증가하므로 지반이 과대평가될 우려가 있다.

㉣관입저항치를 이용하여 제반 토질정수를 추정하는 경험식 역시 타격효율은 70%정도로 감안하여 제안한 것이기 때문에 타격효율에 따른 보정을 별도로 실시할 필요는 없다. 다만 타격효율이 70%에 이를 수 있도록 모든 규정을 준수한다.

(3) 토층 상태

㉠포화된 이토질 모래층 또는 세립질 모래층(유효입경 D10=0.05-0.1mm)에서 관입저항치가 15이상으로 치밀한 경우 실제 그 흙이 가지고 있는 밀도에 비해 관입저항치가 과대하게 측정되므로 관입저항치를 보정한다.

㉡Terzaghi & Peck (1948) 보정식

(4) 로드 길이

㉠로드가 길어지면 해머와 로드 중량이 불균형을 이루거나 로드가 변형되는 등의 원인으로 타격효율이 저하되므로 관입저항치를 수정한다.

㉡Yoshimaka (1967) 보정식

(6) 채취 시료의 실내시험 항목

㉠ 함수비(moisture content)	:	KSF 2306-95, ASTM-D-2216-90
㉡ 비중 (specific gravity)	:	KSF 2308-91, ASTM-D- 854-91
㉢ 액성한계 (liquid limit)	:	KSF 2303-95, ASTM-D-4318-84
㉣ 소성한계 (plastic limit)	:	KSF 2304-95, ASTM-D-4318-84
㉤ 체가름(sieve analysis)	:	KSF 2309-95, ASTM-D- 422-90
㉥ 비중계(hydrometer analysis)	:	KSF 2302-92, ASTM-D- 421-95

마. 시험결과 이용

(1) 풍화암선의 판단

㉠ 풍화암의 정의풍화암은 기반암이 completely weathered 된 상태로서 풍화토와는 모암의 조직을 유지하며 최소한의 결합력을 유지한다는 점에서 차이를 보인다.

㉡ 풍화암의 공학적 의미사질토 지반의 경우 풍화암은 일반적인 구조물의 지지층으로서 역할을 담당하며, 이때 허용지내력은 대체로 100ton/㎡ 정도이다. 설계자의 판단에 따라 허용 지내력을 50ton/㎡ 정도만 적용하는 경우도 있을수 있으나, 어느 쪽이든 일반 구조물의 지지층으로 충분한 의미를 갖는다.

㉢ 풍화암 기준국내에서는 풍화암층의 허용 지내력을 일반적으로 100ton/m2으로 적용하고 있으며, 관입저항치와 허용 지내력의 관계는 학자에 따라 차이가 있으나 25mm침하를 전제할 때 대체로 q  allwatle=Nton/m2범위를 보이는 점을 감안할 때 풍화암층에 해당하는 관입저항치는 N=100/30cm, 또는 N=50/15cm로 보는 것이 타당하다.

㉣ 풍화암선 확인풍화암은 공학적으로 지지층으로서 의미가 있기 때문에 풍화암층이라고 판단하기 위해서는 풍화암층이 지지층으로서 역할을 감당할 수 있어야 한다. 따라서 풍화암층이 최소한의 두께 이상을 확보하여야 지지층으로서 의미가 있다. 일반적으로 관입저항치가 50/15cm를 넘는 지층이 3회 이상 확인될 경우 관입저항치가 처음 50/15cm 이상된 지점을 풍화암선으로 판단한다.

(2) 내부마찰각

㉠ Peck & Meyerhof (1956)

 

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