안전진단에서 이용하는 토질시험

가. 개 요

안전진단에서 이용하는 토질시험결과는 시설물의 안정성 평가에 주로 사용할 공학적인 특성을 얻기 위하여 사용한다. 또한 양수장 예정부지에 대한 조사시에 채취하는 불교란시료는 구조물의 안정성과 옹벽설치시 토압에 대한 제반 자료의 지질상수를 제공하는 데 그 목적이 있다.

(1) 시료채취

현장조사전에 토목조사자와 지질 및 토질조사자는 조사 위치 및 조사방법, 시료의 채취구간 및 시료 점수등에 대하여 충분한 협의가 필요하다.

채취한 시료에 대하여 실내시험 의뢰시에는 시험종목 및 안정성 분석에 필요한 토질정수 등에 관한 사항이 협의되어야 한다. 예를 들면, 댐 및 방조제에서의 압밀비배수(CU) 전단시험과 방조제 연약지반의 압밀시험 여부등이 해당된다.

 

(2) 시료채취방법

㉠ 일반사항

1) 현장조사시 채취하는 시료는 토층의 특성을 대표할 수 있는 위치에서 가능한 불교란시료를 채취하여야 한다.

2)Sampler의 규격은 KSF 2317에 명시되어 있으며 바깥지름은 50.8 -127mm이어야 한다. 우리공사에서는 74mm 규격 제품을 주로 이용하는데 이는 한 단면에서 2개의 시료를 성형하기 위해서이다. 시료 채취는 최소 30cm 이상이어야 한다. 한국공업규격 3. 시험방법에는 관입길이는 사질토에서는 5-10배, 점토질에서는 10-15배를 초과할 수 없다고 명시되어 있다.

3) 채취한 시료는 함수비의 변화가 생기지 않도록 밀봉하여 보관해야 하며, 직사광선을 피하고 운반시 교란되지 않도록 충격에 주의하여야 한다.

4) 시료에는 지구명, 채취구간, 채취일자. 등을 표기하여야 한다.

㉡ 휠댐(안전진단조사시)

1) 존형 휠댐의 경우 사면안정해석을 위하여 점토재와 성토재에 대하여 각각 습윤상태와 포화상태의 불교란시료가 필요하다.

㉢ 방조제(안전진단조사시)

1) 방조제의 경우에는 성토재료와 기초지반(연약지반)에 대한 시료가 필요하며 , 기초지반의 경우 토층구성의 변화가 심할 때에는 변화 토층마다 채취하는 것을 원칙으로 한다.

2) 연약시료는 수직으로 방치하면 아랫방향으로 압축될수 있으므로 수평을 유지하여 운반하고 충격에 주의한다.

㉣ 시료준비시험용 시료를 준비하는데 있어서는 그 시료가 현장조건을 대표할 수 있도록 하기 위하여 교란시료는 4분법으로 시료를 조제하면 만족스러운 결과를 얻을 수 있고, 불교란시료는 채취할 때 Sampler로 들어 갔던 방향과 동일한 방향으로 시료를 추출하여 시료 교란을 최소화 하여야 한다.

 

나. 실내토질시험

(1) 시험목적

채취된 교란 및 불교란 흙 시료를 이용하여 흙의 물리적․역학적 특성을 파악하여 설계정수를 결정하기 위하여 실내 토질시험을 수행한다.

① 실내토질시험은 일반적으로 물리적 특성시험, 역학적 특성시험으로 구분되며, 물리적 특성시험은 흙 분류나 판별에 관한 기본적인 성질을 규명하기 위하여 실시하는 시험으로 흙의 입도, 비중, Consistency등과 같은 흙 분류 판별시험과, 함수량, 간극비, 밀도등과 같이 흙의 물성을 알기 위한 시험으로 구분된다.

② 역학적 특성시험은 흙의 강도특성과 변형특성에 관한 시험이 있으며, 기초의 시공, 지하굴착, 절취 및 성토 등의 목적으로 지반의 거동하는데 필요한 정수를 결정하기 위해 실시한다.

 

(2) 시험방법

실내 토질시험은 원칙적으로 한국공업규격(KSF)에 제시된 시험방법에 따라 수행되어야 한다. 단, 동 규격에 명시되지 아니한 시험은 국제적으로 인정되는 시험방법으로 수행할 수 있다.

① 시험항목별 한국공업규격 번호 및 결과치의 이용은 다음 표에 정리한 바와 같다.

 

<표 7.1-3> 항목별 KSF 번호 및 시험결과 이용

(1) 물리성시험

흙의 물리성시험에는 입도분석, 조도(액성한계, 소성한계, 소성지수), 통일흙분류명, 비중, 자연상태(함수비, 단위중량, 간극비, 포화도)등이 기재된다.

 

(2) 역학시험

역학시험에는 일축압축시험(일축압축강도, 예민비), 삼축압축시험(시험조건, 점착력, 내부마찰각), 직접전단시험(시험조건, 점착력, 내부마찰각), 압밀시험(선행압밀하중, 압축지수), 투수계수등이 기재된다. 우리공사에서는 주로 삼축압축시험과 투수계수가 기재된다.

 

(3) 전단시험

흙은 고유의 전단강도를 가지고 있는 것이 아니며 파괴를 일으키는 조건에 따라 강도가 변하는 것으로서 시험조건 및 이에 상응하는 현장조건 변화에 따라 흙의 강도가 변하는 양상을 판단하는 것이 중요한 문제다. 이는 배수조건에 의한 전단시험과 시험기구에 의한 전단시험의 종류로 구분할 수 있다.

가) 시험기구에 의한 전단시험의 종류

1) 일축압축시험 이 시험은 측방 구속력이 없는 상태에서 변형 또는 응력제어 방법으로 축하중을 가하여 신속하게 압축강도를 구하는 방법으로 일축압축강도(qu)외에 예빈비도 구할수 있다.시료내의 간극수가 자유롭게 유동할 수 없는 속도로 하중을 전달하므로 비압밀비배수(UU)의 전단강도를 구하는 경우이며 전단저항각은 0에 가깝고 균열이 없는 포화된 점성토에 적용한다.(점착력 Cu=qu/2)

2) 삼축압축시험 이시험은 공시체에 측압(σ3)을 일정하게 가하고 축압(σ1)을 증가시켜 흙의 전단강도를 구하는 시험으로 시험중 공시체 내부의 응력-변형분포가 일정하며, 간극수압 조절 및 배수조건을 제어할 수 있으므로 현장조건에 맞추어 시험할 수 있다. 시험방법은 압밀조건과 배수조건에 따라 다음과 같이 분류된다.

3) 직접전단시험 일반적으로 실시되고 있는 시험은 일면전단시험으로 모든 흙의 시험에 적용할 수 있으나 간극수압의 측정이 곤란하기 때문에 비배수조건의 전단이 불가능할 뿐만 아니라 유효응력에 의한 정리가 어려운 결점이 있다.

나) 배수조건에 의한 전단시험의종류

1) 비압밀비배수 전단시험 : 공시체의 공극유체를 배출하지 않도록 주변에 압력을 가하여 비배수상태에서 전단하는 시험으로 UU시험 이라고도 하며 강도정수는 Cu,øu로 표시한다.

2) 압밀비배수 전단시험: 일정한 압력하에서 공시체를 압밀시킨후 그 압력하에서 비배수상태로 전단하는 시험으로 CU시험이라고 하며 강도정수는 Ccu,øcu로 표시하고 간극수압 또는 유효응력을 측정할 경우에는 CU 시험으로 C',ø'로 표시한다.

3) 압밀배수 전단시험: 공시체의 공극유체가 외부로 자유로이 배출되는 상태에서 압밀시킨 후에 과잉공극이 남지 않은 상태에서 전단하는 시험으로 CD시험이라고도 하며 Cd,ød로 표시한다.

다) 기타시험

1) 현장단위중량, 현장함수비 및 다짐시험 토층이 자갈, 호박돌 등을 다량 함유하여 불교란시료 채취가 불가능하거나 채취된 불교란시료의 대표성이 부족할 경우에는 현장단위중량, 현장함수비를 측정하고 교란시료를 채취하여 실내에서의 다짐시험 결과에 따라 현장조건의 공시체를 조제하여 전단강도를 구하여 사용할 수도 있다.

2) 압밀시험 방조제등과 같이 연약지반에 설치된 시설물은 안정성 분석 및 보수․보강 방안을 고려하여 압밀시험을 실시하여야 한다.

3) 투수시험 시추조사시 구간별 투수시험을 실시하여 현장투수계수를 구하고 채취된 불교란시료는 실내시험에 의한 투수계수를 구하여 그 결과를 비교 분석하여 침투류 해석등에 적용하여야 한다.

 

다. 시험결과의 적용

(1) 물리성시험 결과

㉠ 불교란시료채취 위치에 따라 현장과 다른 시험 결과치를 얻을 수 있으므로 입도분포를 검토하여 현장과의 부합여부를 판단한다.

㉡ 입도는 흙의 공학적인 특성을 파악하는데 기본이 된다.

㉢ 비중은 흙의 기본적인 성질인 간극비와 포화도를 구하는데 사용한다.

㉣ 현장함수비는 현장에서 순수한 흙 중량에 대한 간극속의 물의 중량에 대한 비로서 흙의 기본적인 성질 및 수중, 포화, 습윤단위중량을 구하는데 사용된다.

㉤ 단위중량은 사면안정 해석이나 응력-변형 해석시 지하수의 위치에 의해 구별되는 단위중량을 사용하며, 전상재하중, 유효상재하중 등을 구한다.

 

(2) 역학시험 결과

㉠ 전단시험

1) 전단시험을 통하여 탄성계수, 점착력, 내부마찰각 등을 구할 수 있으며 이중 탄성계수는 응력-변형 해석시 주어진 하중에 대한 변형량을 구할 때 사용된다.

2) UU 시험에서 얻은 비배수강도는 시공직후의 안정해석, 다시 말하면 구조물의 시공속도가 과잉간극수압이 소산되는 속도보다 더 빠를 때의 안정계산등에 사용된다.

3) CU 시험에서는 전응력과 유효응력으로 전단강도가 구해지므로 이들을 실제에 어떻게 적용하는가가 중요하다. 전응력으로 구한 전단강도는 지반이 외력의 작용으로 완전히 압밀되어 평형을 유지하고 있다가 외력이 추가로 작용(수위급강하, 숭상)할 때의 안정계산에 쓰이며 유효응력(CU)으로 구한 전단강도는 CD시험으로 구한 전단강도와 실제로 동일하며 간극수압과 함께 유효응력으로 안정해석을 하는데 사용된다.

㉡ 압밀시험으로 점토의 투수계수를 구할 수 있으며 응력-변형 해석에 필요한 자료를 구할수 있다.

㉢ 현장투수시험 수행시 조사위치에서 제체내의 투수성에 대한 결함사항을 인지하고 시험결과를 침투류 해석에 사용하여 허용침투수량을 산출하며 현장시험결과가 없을시 실내시험에 의한 투수계수를 이용한다.

(3) 현업에서의 적용

침투류의 해석에 쓰이는 SEEP/W 프로그램은 수위, 제체단면, 투수계수 등을 수치해석하여 침투유량, 파이핑, 간극수압, 동수경사 침투수압 및 양압력등을 해석한다. 이에대한 적용인자는 다음과 같다.

㉠ 해석단면 : 현황측량 및 기존자료에 의한 제체 표준단면 또는 위험단면 적용

㉡ 수위상태 : 홍수위(파이핑 검토), 상시만수위(허용누수량검토, 사면안정 해석에 활용)

㉢ 토질정수 : 제체 및 기초지반의 투수계수 및 강도정수(C,ø)등이며 안전진단업무에서는 침투해석 및 사면안정성 검토에 사용된다.

㉣ 투수계수 : 현장투수계수값을 우선하며 실내투수계수는 이방성을 고려하여 적용한다. 안전진단업무에서 중심점토에 대한 투수계수는 중심점토를 통한 누수량 계산에 이용한다.

㉤ 표준관입시험치 : 보통암 상부의 지층에 대한 표준관입치는 평균을 취한후 내진설계 적용자료로 이용한다. 내진설계시 적용하는 기반암이라 함은 보통암을 지칭한다.

<표 7.1-4> 조립토와 세립토의 공학적 특성

 

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