조사 및 탐사 실습(현장지반조사), 시추조사와 불교란시료채취

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<기초공학의 원리, 이인모>

지반공학은 다음의 관점에서 구조역학이나 수리학과 다르다.

① 토질은 고체와 달리 ‘흙입자+물+공기’로 이루어진 3상 구조이며，

② 태초부터 존재하는 자연지반을 대상으로 한다는 것이다.

인간이 임의로 제작하는 강구조，콘크리트 구조에서는 그 기본 물성인 탄성계수，항복응력을 미리 알 수 있다.

그러나 자연지반을 상대하는 지반공학에서는 그 물성이 지반에 따라 다르기 때문에 이를 지반조사，실내 및 현장실험을 바탕으로 예측해야 한다. ​이를 위한 첫 번째가 지반조사이다.

“지반조사는 지반의 층서를 파악하기 위한 시험”

지반의 구성 및 암반층의 깊이，지하수의 깊이，기초설계를 하기 위한 지반의 층서를 파악하는 것이 중요한 선행 과제이며，이 목적을 위해서는 다음의 지반조사가 이루어져야 한다.

① 시추(boring) : 지반의 층서도 파악하고 흙시료도 채취하는 목적으로 시행한다.

② 사운딩(sounding) : 현위치시험의 하나로서 콘(cone) 등을 연속적으로 삽입하면서 저항력을 측정하여 깊이에 따른 지반의 변화를 연속적으로 구할 수 있다.

③ 지하수위 측정은 시추된 보아홀(borehole)을 이용한다.

④ 각종 물리탐사법이 층서 파악의 수단으로 이용하기도 한다.

<토질및기초공학, 최인걸>

1. 시추조사 (Test Boring)

1) 개요

① 시추조사는 시추기를 사용하여 지반에 일정한 직경의 시험공을 굴착하면서 조사하는 것을 말한다.

② 시추목적은 지층변화와 구조를 파악하고 교란시료 및 불교란시료를 채취하며，또한 시추공에서 표준관입시험이나 베인전단시험과 같은 원위치 시험을 실시하거나, 지하수위의 관측 및 현장투수시험을 실시하는 것이다.

③ 시추종류는 굴진하는 방법에 따라 변위식，회전식，충격식，수세식，오거식 등으로 분류한다

<시추방식의 분류_현장실무를 위한 지반공학, 박영목>

□ 수세식 시추 (Wash boring)

수세식 시추는 아래 그림에서 보여주는 바와 같이 절삭비트를 상하로 타입하고，압력수를 굴착롯드 내부로 투입하여 절삭비트 하단부에 있는 구멍을 통해 분사하여 굴착을 도우며，물과 혼합된 굴착토는 수압에 의하여 롯드 밖으로 지표면까지 운반된다. 굴착된 시추공의 붕괴 가능성이 있는 경우는 케이싱을 사용한다.

<수세식 시추기 모식도_기초공학의 원리, 이인모>

□ 회전식 시주(Rotary Boring)

회전식 시추(rotary boring) 또는 회전식 굴착(rotary drilling)은 굴착롯드 하단부에 있는 절삭비트를 회전시킴으로써 흙을 굴착하면서 계속 시추하는 방법이다.

천공용 진흙물(drilling mud)을 굴착롯드를 통하여 압력을 주어 분사시키며，굴착토를 지표면으로 운반시킨다. 천공용 진흙물은 물과 벤토나이트로 이루어진 이수(slurry)이며，이 천공용 진흙물을 사용하면 대부분의 경우 시추공의 공벽 붕괴를 방지할 수 있다.

굴착비트를 회전시키는 경우, 굴착 진흙 대신 자연수를 이용하면 앞의 수세식 시추와 흡사하여 이를 회전수세식 시추라 한다. 국내에서는 회전수세식 시추가 가장 많이 적용되는 방법이다.

물론 회전수세식 시추 중간 중간에 표준관입시험(Standard Penetration Test； SPT)을 병행하게 된다. 굴착비트는 직접 지반을 천공하는 가장 중요한 부속으로써，지층의 단단도에 따라 여러 종류가 있으며，직경 또한 다양하다. 가장 흔히 사용되는 비트는 BX규격(내경 42mm, 외경 59.9mm)와 NX규격(내경 54.7mm, 외경 75.7mm)이다.

다이아몬드 비트를 사용하면 암석 코아도 채취가 가능하다. 이때는 특히 Core Drilling이란 용어를 사용하기도 한다. BX 비트로부터 직경 41.3mm의 암석 코아를，NX 비트로부터는 54mm의 암석 코아를 채취할 수 있다.

< NX규격_굴착로드(Drill Rod) 실무적용시 >

*비트(NQ3 Rod) : 내경 63.5mm, 외경 74.0mm

*케이싱(NW Casing) : 내경 78.0mm, 외경 88.9mm

*코아직경 : 54.0mm

 

④ 시추장비는 조사대상 지층과 목적에 따라 적절한 장비를 선정하여야 하며 실무에서는 회전식과 수세식을 병행한 회전수세식 시추기를 주로 사용한다.

 

2) 목적

 

① 지반종류 판단

② 지질구조 파악

③ 원지반의 공학적 성질 파악

④ 불연속면분포 검토

⑤ 지층의 구성 파악

⑥ 지하수위 파악

⑦ 실내시험을 위한 시료채취

⑧ 현장시험 등을 수행하기 위해 시추조사

3) 실무적용 시 유의사항

① 시추는 원칙적으로 NX규격(코어직경 54mm) 이상의 이중코어바렐(Double core barrel)을 사용해야 하며，풍화대나 파쇄대 등에서는 삼중코어배럴(Triple core barrel) 또는 D-3샘플러 등을 사용해야 한다.

② 시추는 원칙적으로 수직으로 실시하는 것이 원칙이나 단층 · 절리 · 공동 분포상태 확인 등을 위해 경사시추를 실시할 수도 있다.

③ 시추공 간격은 노선방향으로 50~200m로 실시한다.

④ 시추심도는 원칙적으로 터널바닥에서 터널 최대직경의 1/2 이상의 깊이까지 실시한다.

⑤ 시추공 지하수위 측정은 시추직후 및 24시간 경과 후 실시한다.

⑥ 시추공은 반드시 시멘트풀이나 시멘트 모르타르 등으로 폐공하여야 한다.

⑦ 시추장비의 성능과 시추자의 숙련도에 따라 결과가 달라지므로 장비선정과 숙련도가 있는 기술자 확보가 되어야 한다.

⑧ 시추주상도에 표기된 정보의 불확실성으로 인하여 설계시 오판할 수 있으므로 주상도에 상세한 현장정보 언급이 필요하다.

⑨ 코어상자의 보관 및 관리에 대한 제약성，취급의 불편성 등이 따르므로 관련내용은 주요내용 관계자 서명 후 스캐닝하여 보관하여야 한다.

4) 시추주상도

각 시추공에서 얻은 상세한 정보는 시추주상도라는 그림표에 나타내어야 하며 다음과 같은 사항을 기록하여야 한다.

① 시추 회사명과 주소

② 시추작업자의 이름

③ 현장작업명과 시추횟수

④ 시추종류와 횟수，시추위치

⑤시추일자

⑥ 지층구성

⑦ 지하수위 관측일자，사용 케이싱과 진흙유실 등

⑧ 토층깊이 및 표준관입치

⑨ 채취한 시료의 깊이，번호，종류

⑩ 암석시료의 경우 코아배럴의 종류

2. 시료채취 (Sampling)

1) 개요

① 현장조사를 실시할 때, 실내시험을 위한 시료를 채취하게 된다.

시료를 채취할 때 교란의 여부에 따라 교란시료와 불교란시료로 구분한다.

② 교란시료는 주로 입도분석시험，아터버그한계시험，비중시험，밀도시험，함수비시험 등의 물리적 특성을 파악하는데 이용되며，불교란시료는 압축특성，강도특성 등 역학적 특성을 파악하는데 이용된다.

2) 시료채취기 종류와 특징

교란시료는 지층변화시 마다 또는 동일 지층이라도 1.0m 간격으로 채취한다.

<시료채취기의 종류 및 특징_토질및기초공학, 최인걸>

3) 교란 시료채취

가장 대표적인 교란 시료를 채취하는 방법은 스플릿 스푼(split-spoon)을 이용한 방법이다.

수세식 시추 또는 회전수세식 시추기로서 시료 채취를 하고자 하는 깊이까지 천공이 완료되면，굴착봉을 지표면까지 다시 끌어올린 다음 굴착롯드 하부에 스플릿 스푼 채취기를 연결하고 천공된 깊이까지 재차 삽입한다. 그 후 굴착롯드 상부를 해머를 이용하여 타격함으로써 시료 채취기를 지반에 관입하여 시료를 채취한다.

해머로 타격하여 시료 채취기를 소요 깊이까지 관입시키는 실험 자체는 소위 표준관입시험으로 불린다. 즉，표준관입시험과 시료 채취가 동시에 이루어진다.

아래 그림에서 제시된 시료 채취기의 제원을 이용하여 표준 스플릿 스푼 채취기의 면적비를 구해보면，Ar = ((50.8)2-(34.93)2) / (34.93)2 = 111.5% 이며，10%를 크게 상회하므로 이 방법으로 얻어진 흙시료는 교란 시료(disturbed sample) 이다.

                         <표준형 스플릿 스푼 시료 채취기(Split Spoon Sampler)_기초공학의 원리>

<스플릿 스푼 시료 채취기 (Split Spoon Sampler) 사진>

<스플릿 배럴 (Split barrel / Split spoon) 관찰 사진>

<표준관입시험 모식도>

4) 불교란 시료채취

가장 보편적으로 사용되는 불교란 시료 채취기는 얇은 관 튜브(thin-walled tube)이며，이를 쉘비 튜브(Shelby tube)로 명명하기도 한다. 얇은 관을 주로 압입으로 점토층에 관입시켜 불교란 시료를 채취한다.

채취기의 단면이 아래 그림과 같다. 채취된 시료는 끓인 파라핀을 이용하여 밀봉한 후 수분이 날아가지 못하도록 현장에서 조치한 뒤에 실험실로 운반된다. 아래 그림 제원으로부터 Ar = ((50.8)2-(47.63)2) / (47.63)2 = 13.75% 이며，비록 10%는 약간 상회하지만 불교란시료(undisturbed sample)로 간주한다. 외경이 76.2mm인 튜브도 사용되며，보다 나은 시료를 채취할 수 있다.

​<얇은 관 튜브(쉘비 튜브)_기초공학의 원리>

<KS F 2317, 얇은 관에 의한 흙의 시료 채취 방법_e나라표준인증>

현장의 점토가 매우 연약하여 얇은 관 튜브로써 불교란 시료의 채취가 어려운 경우는 아래 그림과 같이 피스톤 시료 채취기를 종종 이용한다.

이 채취기의 끝단을 피스톤으로 막은 상태에서 시추공 바닥까지 내리고，유압을 이용하여 얇은 관 튜브만을 지반 속에 압입하여 불교란 시료를 채취하는 방법이다.

<피스톤 시료 채취기_기초공학의 원리, 이인모>

① 불교란 시료란 채취한 시료로부터 지반의 강도，압축성，투수성 등을 결정할 수 있을 정도로 교란이 적게 된 시료를 말한다.

② 점성토층에서는 매 보링공에서 깊이 5m 정도마다 최소한 1개의 대표성이 있는 불교란시료를 채취한다.

③ 불교란 시료 채취시 만족 기준

□ 토층에 뒤틀림과 같은 변형이 발생하여서는 안되며，시료내에 공간이 있거나 약화되어서는 안 된다.

□ 회수율은 95% 이상이 어야 한다.

□ 시료채취기의 면적비는 15% 이내이어야 한다.

 

④ 불교란 시료 채취기 종류

불교란 시료 샘플러는 신월(Thin wall)튜브를 사용한 샘플러，이중관입식 샘플러，포일 샘플러，표층블록 샘플러 등으로 분류할 수 있다. 튜브 샘플링은 가장 많이 사용되는 시료채취 방법으로써 튜브형의 샘플러를 압입이나 타격에 의하여 지중에 관입하여 시료를 채취하는 방법이다.

튜브식 샘플러는 크게 피스톤이 없는 오픈드라이브 샘플러와 피스톤이 있는 샘플러로 분류된다. Canadian Foundation Engineering Manual에서는 역학적 특성을 결정하는 시험은 등급 1에 해당하는 시료를 사용하여야 한다고 되어 있고，등급 1의 시료는 블록 샘플과 피스톤 샘플러에 의하여 얻어지며, 등급 2의 시료는 약간 교란된 시료로써 오픈 튜브 샘플러로부터 얻어진다.

<대표적인 불교란 샘플러의 종류_현장실무를 위한 지반공학, 박영목>

 

□ 신월(Thin wall)튜브 샘플러 ; 오픈드라이브 샘플러, 고정피스톤식 샘플러

□ 이중관식 샘플러 ; 데니슨식 샘플러

□ 블록 샘플링

□ 대구경 샘플러 ; 쉘부루 샘플러, 라발 샘플러, NGI 샘플러 외

5) 불교란시료 채취시 유의사항

① 고정피스톤식 샘플러로 시료를 채취할 경우 피스톤 롯드 또는 체인고정을 완전하게 하여야한다.

② 샘플러의 압입은 적당한 속도를 유지하여야 하며, 채취기 길이보다 약간 적게 압입하여야 한다.

③ 샘플러 압입도중 정지하거나 충격 및 진동을 받으면 안 된다.

④ 신월튜브 샘플러 내에서 채취한 시료는 파라핀 또는 실리콘 파우더，기타 밀봉재로 봉하고 캡을 씌워 주어야 한다.

⑤ 튜브에는 현장조사，시추공번，시료번호，관입깊이，채취된 시료의 깊이 등을 기입한 표를 붙인다.

⑥ 시료는 파라핀으로 밀봉할 때를 제외하고는 항상 수평을 유지하도록 하며，충격이나 진동을 받지 않도록 운반 및 보관에 세심한 주의를 하여야 한다.

⑦ 시료는 극심한 온도변화를 받지 않도록 보호하여야 한다.

 

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