표준관입시험 (SPT ; Standard Penetration Test)과 특징의 모든 것<허용 지지력 계산 포함>

▣ 원위치시험(In-Situ Test)

기초설계를 하기 위해서는 무엇보다도 현장 지반의 층서(ground profile)를 아는 것과 함께 흙의 역학적 특성치를 알아야 한다. 불교란 시료도 완전히 교란을 없앨 수는 없다.

따라서 현장 지층의 층서를 파악하고，또한 역해석을 통하여 흙의 역학적 특성을 예측할 목적으로 현장에서의 원위치시험이 종종 이용된다.

▪ 실무에서 많이 사용하고 있는 현장조사시험

원위치시험 종류에는 저항체를 지중에 관입하여 지반의 강도특성을 측정하는 사운딩，공내재하시험，전단시험，지하수 조사，현장의 응력·변형 측정 등이 있다.

실무에서 많이 사용하고 있는 현장조사시험은 표준관입시험(SPT)，콘관입시험(CPT)，딜라토미터(DMT), 프레셔미터(PMT) 그리고 베인전단시험(VST) 등이 있으며，각 시험항목의 적용지반은 아래 표와 같고 시험방법의 개념도는 아래 그림과 같다.

1) 표준관입시험의 개요

표준관입시험은 사질토를 대상으로 지층의 상대밀도 및 연경도를 파악하기 위하여 개발된 원위치 시험장비로서 스플릿스푼샘플러（split spoon sampler）를 보링로드（drill rod） 하단에 연결시켜 보링 구멍에 넣고 1.5m 간격으로 지층의 연경도 파악，상대밀도 및 실내시험에 필요한 교란시료를 채취한다.

표준관입시험에서 N값은 중량이 63.5±0.5kgf인 해머를 75±lcm 높이에서 자유 낙하시켜 스푼샘플러가 15cm씩 3회（총 45cm） 관입될 때의 낙하횟수 중 2, 3번째를 더한 횟수，즉 로드가 30cm 관입될 때의 타격횟수를 말한다.

① 표준관입시험은 토질의 지반특성을 파악하기 위한 N값을 구하는 원위치시험으로서，실무에서 가장 널리 사용되는 지반조사 방법이다.

② 이 시험의 특징은 원지반의 강도 및 지지력을 N값으로 간략하게 계산할 수 있을 뿐 아니라 실내시험을 위한 교란시료도 채취가 가능하다.

③ N치란 63.5kg의 해머를 76cm의 높이에서 “자유낙하” 시켜 드릴로드의 머리(앤빌)를 타격하여 표준 샘플튜브를 30cm 관입시키는데 요구되는 타격 횟수를 말한다. 즉, 63.5kg(635N) 해머를 76cm의 높이에서 자유낙하 시켜서 Split spoon Sampler를 30cm 관입시키는데 요구되는 타격수를 N치라 한다.

④ N치로 모래의 상대밀도나 점성토의 컨시스턴시를 추정하는 데 사용한다.

⑤ 사질토는 불교란 시료 채취가 어렵고 시험실에서 현장응력상태 재현이 대단히 어렵다. 따라서，사질토의 강도정수는 주로 표준관입시험을 통하여 상대밀도를 추정하고 채취된 시료로 입도분석을 하여 구한다. 표준관입시험은 수세식 시추기나 회전수세식 시추기를 이용하여 소요깊이까지 시추공을 굴착한 다음，표준 스플릿 스푼 샘플러를 굴착봉에 장착하고 천공 바닥까지 삽입한 다음，굴착봉의 상부를 63.5kg가 되는 해머로 76cm 높이에서 타격하며，관입깊이 15cm씩 3번，즉 45cm를 관입시킨다. 이때，처음 15cm 관입에 소요된 타격회수를 제외하고 나머지 30cm 관입에 소요된 타격회수를 기록한다. 이 타격회수를 표준관입시험 "N값“이라고 한다.

a) 표준관입시험은 심도 1.0~1.5m마다 반복하여 실시하며，지반의 층서를 파악할 수 있도록 한다. 결국, 표준관입시험으로부터 얻을 수 있는 것은 "N값“이다. 지반이 단단할수록 30cm 관입에 필요한 "N값“은 커질 것이다.

b) 지반이 워낙 단단하여 50번을 타입하여도 30cm 관입이 어려울 경우는 50회 이상 타격은 하지 않으며，예를 들어서 50/10 등으로 표시한다. 50회 타격하여 10cm 관입에 그쳤다는 의미로 이해하면 될 것이다.

c) 본타격의 타격 횟수는 50회 이상으로 하고, 타격을 종료할 때의 누계 관입량을 측정한다. 다만, 예비타격 단계에서 50회에 도달한 경우는 그때의 누계 관입량을 측정하여 N값으로 한다.

d) 예비타격 및 본타격에서 누계 관입량이 각각 150mm, 300mm 미만으로, 타격 횟수가 50회에 도달한 경우의 N값은 50 이상으로 하여 분자에 50, 분모에 누계 관입량을 분수형으로 기록한다. 이때 4.2 o)에서 본타격의 타격 회수 기준이 50회를 초과하는 경우에는 그 값을 기준으로 한다.

2) 표준관입시험 방법

① 표준관입시험은 주로 3단계로 시험을 실시한다.

1단계는 시험 깊이까지 케이싱 비트외경으로 보링공을 천공하고 공벽이 무너지지 않도록 케이싱을 지중에 둔다.

2단계는 코어배럴 비트를 이용하여 천공을 한다.

3단계는 스플릿스푼 샘플러를 보링공 내에 삽입하고 해머를 타격할 수 있도록 파이프 로드와 연결시킨다. 여기서 2단계 천공을 코어배럴로 하지 않고 케이싱으로 하는 경우(그림(a))가 있는데 이 경우 공저와 공벽의 지반교란이 심하게 되어 공저에 쌓인 슬라임 제거가 확인되지 않고 N값도 제대로 측정되지 않는다. 따라서 슬라임 제거는 케이싱을 설치하고(그림(b)) 내부를 코어배럴 비트로 굴착하여 천공수로 제거하도록 하여야 한다.

<비정상적인 천공과 정상적인 천공 방법_현장실무를 위한 지반공학>

② 로프와 도르래 또는 자동해머장치를 이용하여 해머를 76cm 들어 올린 후 자유낙하시킨다.

③ 15cm 관입마다 해머의 낙하횟수를 기록하고 낙하횟수가 15cm 관입 시 50회를 초과하면 시험을 중단한다. 즉，지층이 매우 단단하여 타격을 50회 이상 가하여도 30cm 관입이 불가능한 지층에서는 50회 타격에 의한 관입깊이를 측정하여 시추주상도에 기록 한다.

예를 들어 주상도에 기록된 6/30, 50/5의 의미는 각각 30cm 관입 시 6회 타격，50회 타격 시 5cm 관입된 것을 말한다. 따라서 슬래쉬(/) 좌측 숫자는 타격회수，우측 숫자는 관입깊이 이며, 동일 관입 깊이에서 좌측의 수치가 높을수록 지반이 단단한 것을 의미한다.

④ 총 45cm (15cm×3회)관입 중에서 나중 30cm 관입될 때의 낙하 횟수를 N값으로 한다.

이때 첫번째 15cm에 대한 낙하횟수는 기록하지 않는데，이는 보링시 발생하는 보링공 바닥면과 보링공 벽면에서 떨어져 내린 느슨한 흙은 교란되었으므로 N값의 의미가 없기 때문이다.

3) N값의 불확정성 및 보정

표준관입시험 N값은 지반의 층서를 파악할 수 있고，더욱이 N값과 지반정수와의 상관관계식을 통하여 지반정수의 예측도 가능하며，특히 가장 사용실적이 많다는 장점을 갖고 있다.

이에 반하여 문제점도 여실히 존재하는 바，시험자의 숙련도에 따라 크게 달라지며，특히 자갈이 있는 경우는 터무니없이 큰 "값이 나오는 등의 단점이 존재한다.

측정된 N값은 여러 인자를 고려하여 보정 해주어야 한다.

위의 여러 보정계수 중에서 가장 영향을 많이 미치는 것은 η1 （해머 에너지 효율 영향）과 CN（유효상재압력 영향）이다.

① 유효상재압력에 대한 보정

표준관입시험 “N값”은 현장의 지반이 받고 있는 유효상재압력이 커지면 이에 따라 커지는 것이 보통이다. 사질토에서 수행한 표준관입시험의 N값은 유효연직응력(σ‘v)에 의해 좌우되기 때문에 표준 유효상재압력으로 보정해주어야 한다.

즉，똑같은 지반이라도 시험깊이가 깊을수록 N값이 크게 나오기 때문이다.

표준 유효상재압력은 대기압，Pa = 98kPa ≒ 100kPa(또는 10t/m2)로 가정한다.

현장 흙의 상재압력이 이 값보다 작으면 측정값을 증가시켜주어야 하고，이 값보다 크면 오히려 감소시켜주어야 한다.

                                                                      <유효상재압 보정_토질및기초공학>

② 해머의 에너지 효율에 따른 보정

아래 그림에서 보여주는 바와 같이，해머 타격은 Eh = WH（여기서，W=해머의 무게，H=낙하고）의 위치에너지가 롯드를 타격함으로써 운동에너지로 바꾸어주는 운동이다. 즉, 말뚝의 항타와 원리가 같다. 문제는 WH의 모든 위치에너지가 운동에너지로 시료 채취기에 전달되지 않는다는 것이다.

에너지 전달률(ηD)은 해머의 종류(도우넛 해머, 안전해머, 자동해머 등)，로프의 상태 등에 따라 다른 효율의 값을 띠게 된다. 보통 ηD =60%인 경우를 표준 "N값“으로 보고，전달률이 60%를 상회하는 경우는 측정값을 오히려 증가시켜주어야 하며，60% 이하의 에너지 효율인 경우는 측정된 ”N값“을 줄여주어야 한다.

우리나라의 경우, Donut 해머를 사용하는 경우는 40% 정도，자동해머인 경우는 50〜55% 정도，안전해머인 경우는 65% 정도의 효율을 갖는 것으로 알려져 있다.

                                      <해머 에너지의 전달 효율_기초공학의 원리>

                                        <해머종류별 효율 및 보정 예_토질및기초공학>

                                  <해머의 종류별 효율 및 보정예_현장실무를 위한 지반공학>

③ 로드길이에 대한 보정

로드길이는 Anvil 아래의 길이를 나타내며 다음과 같이 보정을 한다.

<로드길이에 대한 보정_토질및기초공학>

④ 샘플러 종류에 대한 보정

샘플러에 Liner의 부착여부에 대한 효율을 다음과 같이 적용한다.

<샘플러 종류에 대한 보정_토질및기초공학>

⑤ 굴착홀 직경에 따른 보정

보링홀의 직경에 따라 아래의 표와 같이 효율을 보정하여야 하며 보링 타입별 비트 및 굴착홀 직경은 아래와 같다.

<굴착홀 직경에 대한 보정_토질및기초공학>

<타입에 따른 굴착공 직경_토질및기초공학>

<시추공 규격에 따른 제원_현장실무를 위한 지반공학>

4) N치 편차의 주요 인자

N값은 각국에서 규격이 정해져 있지만, 시험기구의 규격이 세세한 부품까지 규격화 되어 있지 않고，현장작업을 통일시키기 어렵기 때문에 현장 기술자의 능력，시험도중 지층변화 및 자갈과 전석 등의 혼합 조건 등이 있는 경우에서의 편차가 발생한다.

① 시험자에 의한 편차

▷ 지반고 측정오차

▷ Boring공의 경사

▷ 낙하고 미준수

▷ 타입시 두부의 흔들림

▷ 감독자 없이 실행한 결과 등

② 지반상태에 따른 값의 편차

▷ 입경 1cm이상의 자갈이 섞인 흙 : 과다 측정됨

▷ 초연약지반에서는 샘플러 자체중량 만으로도 관입됨

▷ 불투수층을 지나 피압대수층에 도달한 경우 : 과소 측정됨

▷ 함수비의 영향 : 포화상태 一 건조상태 — 습윤상태 순서로 N값이 큼

▷ 사질토에서는 지하수 아래가 위보다 과소 측정됨

▷ 지하수위 변동으로 유효상재압 변화

▷ 굴착 Slime 잔류

5) N값으로부터 지반정수의 추정

N값으로부터 사질토의 내부 마찰각(Φ)，점성토의 비배수 전단강도(cu), 지반의 변형계수(또는 탄성계수)를 예측하고자 하는 여러 상관관계식이 제안되었다. 상관관계식에 사용된 “N값”은 측정치인지，아니면 보정치인지 분명하게 제시되지 않은 경우도 많다.

<N값에 의한 지반 판정 및 추정사항_현장실무를 위한 지반공학>

① 사질토 지반 활용

상대밀도，내부마찰각，기초지반의 허용지지력，탄성계수，액상화 가능성

<상대밀도 및 내부마찰각(Peck-Meyerhof, 1956)_토질및기초공학,>

▷ 상대밀도 및 내부마찰각

▷ 얕은기초의 허용지지력 (수정 Meyerhof 방법)

▷ 깊은기초의 허용지지력

▷ 변형계수

▷ 기초지반의 즉시침하량 추정 (De Beer(1952)의 제안식)

▷ 액상화 가능성 판단 : N < 10이면 액상화 발생 가능성 있음

▷ 지반반력계수 추정

② 점토지반 활용

<점성토의 N치와 연경도 및 일축압축강도 관계_토질및기초공학>

▷ 일축압축강도 및 비배수강도의 추정

▷ 점성토의 Consistency (Terzaghi & Peck)

▷ 변형계수 추정

6) 실무적용 시 유의사항

1) 표준관입시험 실용심도는 약 40m이며, 이보다 깊은 경우, 로드 변형에 의한 타격에너지 손실과 마찰 때문에 N값이 크게 나타나므로 적용 시 주의하여야 한다.

2) 시료채취를 위한 공내 청소시, 일본은 시료교란 방지를 위하여 낮은 수압으로 슬라임을 제거하나，국내는 높은 수압으로 슬라임을 제거하여 시료교란이 심하므로 슬라임 제거시, 저압으로 슬라임을 제거토록 노력해야 한다.

3) 표준관입시험은 사질토 증에서 N값으로 상대밀도를 알기위해 개발된 시험장비로서 점성토층 조사에는 부적합하므로 점성토층 지반조사는 표준관입시험(N값)과 피조콘관입시험(qc)값을 병행하여 조사하는 것이 바람직하다. 표준관입시험만으로 조사할 경우, 조사심도 간격은 1.0m이므로 1.0m 내의 연경도는 정확히 알 수 없기 때문에 연직배수재 타입심도를 결정할 경우, 타입장비로 시험시공을 통하여 타입심도를 결정하여야 한다.

4) N치는 횡방향의 구속압력의 영향을 크게 받는다. 따라서 동일한 상대밀도를 갖는 모래지반 에 대해 N치를 측정하면 지표면 부근에서는 구속압이 작아서 N치가 작게 측정되지만 아래로 내려갈수록 구속압력이 커져 N값이 크게 측정되므로 적용시 보정이 필요하다.

5) 수동 표준관입시험으로 지반조사를 실시할 경우, 낙하고(76cm) 규정 미달이 많이 발생하므로 정도 높은 자동장비를 사용하는 것이 바람직하다.

6) 세계적으로 시험장비가 표준화 되어있지 않고，시험법이 다양하므로 동일한 지반에 대한 시험도 N치가 다르게 측정된다. 따라서 현장 표준관입시험의 일관성 적용 및 경험식 유도배경에 맞는 N값을 사용하기 위해서는 국제 표준규격인 해머효율 60%의 N60으로 보정하여 적용하는 것이 바람직하다.

7) N값은 실험의 간편성과 여러 지반특성과의 상관관계식이 제안되어 있어 개략적인 지반의 특성파악에 많이 이용되고 있다. 주로 원지반 시료채취가 불가능한 사질토 지반에 대해 많이 이용되고 있고，점성토 지반에 대해서는 그 신뢰성이 다소 떨어진다고 알려져 있다.

4. 표준관입시험방법

4.1 시추공 굴착

a) 표준관입시험을 위한 시추공은 지름 65mm~150mm로 한다.

b) 시험을 수행하고자 하는 깊이까지 시추공을 굴착한다. 이때 굴착수는 지하수위 상단을 유지하여야 한다.

c) 시추공 바닥의 슬라임을 제거한다.

d) b) 및 c)의 작업에서는 시추공 바닥 이하의 지반을 흐트러뜨리지 않도록 주의하여야 한다.

특히 코어배럴을 끌어올릴 때 시추공 바닥에서 보일링을 일으키지 않도록 신중하게 천천히 한다.

4.2 표준관입시험

a) 슈의 손상 여부를 점검하여 손상이 있을 경우에 새 것으로 교체하거나 보수한다.

b) 표준관입시험용 샘플러를 시추 로드에 연결하고 가만히 시추공 바닥으로 내린다.

c) 시추 로드 상부에 앤빌 및 가이드용 시추 로드를 붙인다.

d) a) 또는 b)의 시점에서 자중 관입한 경우는 로드 자중 관입으로 기록하고, 자중 관입깊이를 측정한다. 로드 자중 관입으로 450mm에 도달한 경우는 이 깊이어서의 시험을 종료한다.

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

f) 해머를 조심스럽게 앤빌에 올려놓는다. 이때 타격면이 일치하도록 한다.

g) 이 시점에서 자중 관입한 경우는 해머 자중 관입으로 기록하고, 자중 관입 깊이를 측정한다. 해머 자중 관입으로 450mm에 도달한 경우는 이 깊이에서의 시험을 종료한다.

h) 자중 관입량의 누계는 600mm를 넘지 않도록 한다.

i) 해머의 타격은 초기 150mm의 예비타격, 300mm의 본타격으로 구분한다. 이때 본타격 개시 깊이 및 본타격 종료 깊이를 측정한다.

j) 예비타격은 해머 낙하 높이를 작게하여 경타격에 의해 관입 저항을 확인하면서 관입한다. 타격 후 해머의 정지를 확인한 후 다음 타격을 실시한다.

k) 다만, N값 50회 이상으로 예상되는 지반에서는 예비타격에 의한 관입량을 150mm 이내로 할 수 있다.

l) 예비타격 단계에서 자중 관입한 경우는 예비타격 자중 관입으로 기록하고, 자중 관입 깊이를 측정한다. 해머 자중 관입으로 450mm에 도달한 경우는 이 깊이에서의 시험을 종료한다.

m) 본타격의 해머 낙하 높이는 (760±10)mm로 하고, 해머는 자유 낙하시킨다. 해머는 그 정지를 확인하고 나서 다음 타격으로 옮긴다.

n) 본타격에서는 타격 1회 마다 누계 관입량을 측정한다. 다만, N값의 이용 목적에 따라 관입량 100mm 마다의 타격 횟수를 측정하여도 좋다.

o) 본타격의 타격 횟수는 50회 이상으로 하고, 타격을 종료할 때의 누계 관입량을 측정한다. 다만, 예비타격 단계에서 50회에 도달한 경우는 그때의 누계 관입량을 측정하여 N값으로 한다.

p) 측정을 종료한 후 지표에 표준관입시험용 샘플러를 올리고, 슈 및 커넥터 헤드를 떼고 스플릿 배럴을 두 개로 나누어 채취 시료를 관찰한다.

q) 대표적인 시료를 채취 깊이가 기록된 투명한 용기에 보존한다.

5. 기록 및 정리

5.1 시험 장비의 기록

a) 시험에 사용한 장비의 종류와 특성을 기록한다.

b) 시험에 사용된 해머의 에너지 효율을 기록한다.

5.2 N값의 기록

a) 예비타격 및 본타격의 시작 깊이와 종료 깊이를 기록 또는 출력한다.

b) 타격 1회 마다의 관입량을 측정한 경우는, 필요에 따라 타격 횟수와 누계 관입량의 관계를 도시 또는 출력한다.

c) 본타격 300mm에 대한 타격 횟수를 N값으로 기록한다.

d) 예비타격 및 본타격에서 누계 관입량이 각각 150mm, 300mm 미만으로, 타격 횟수가 50회에 도달한 경우의 N값은 50 이상으로 하여 분자에 50, 분모에 누계 관입량을 분수형으로 기록한다. 이때 4.2 o)에서 본타격의 타격 회수 기준이 50회를 초과하는 경우에는 그 값을 기준으로 한다.

e) 사용한 장비의 효율에 대하여 60% 장비 효율값으로 환산한 N60을 산정하여 기록한다.

5.3 채취 시료 관찰 결과의 기록

a) 관찰 결과를 기록한다.

b) 채취 시료를 보존한 용기에 지점 번호, 시험 깊이, N값, 토질명 등의 기재를 한다.

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계산 예

□ 건조하거나 습윤상태의 사질토지반의 설치한 기초의 지지력은 기초의 폭과 표준관입시험 결과를

이용하여 직접 구할 수 있다.

[예제] SPT(표준관입시험)결과 N=8 인 모래지반에 폭 B=3.0m, 깊이 Df=0.5m 에 설치하였다.

Meyerhof, Bowles, Terzaghi의 식을 각각 적용하여, 허용지지력 검토

1. Meyerhof식 적용

2. Bowles식 적용

3. Terzaghi식 적용

표1 : Terzaghi의 기초형상계수

형상계수	연속기초	원형기초	정사각형기초	직사각형기초
α	1.0	1.3	1.3	1+0.3 B/L
β	0.5	0.3	0.4	0.5-0.1 B/L

표2 : Terzaghi의 지지력계수

위의 예제에서 기초size를 3.0×3.0m로 가정하고, 점착력 0.1 t/㎡라 하면,

N = 8 일 때 내부마찰각 φ=28.5 (‘핵심구조-0624 표준관입시험’의 내부마찰각과 N치와의 관계 참조)

표1,2 적용하여 정리하면,

8.415 t/㎡

특징

•  시추공 필요
•  교란시료 채취가능
• 기존 경험자료가 많고 시험이 간단하여 많이 이용된다.
• 시험자의 숙련도에 따른 오차가 크다.
• 점성토에 대한 시험치는 신뢰도가 낮다.
• N값은 보정이 필요하다.

 

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