지반 변형시험(현장 원위치시험 및 평판재하시험)의 방법과 해석의 고찰

-. 현장 원위치시험

1) 현장밀도 시험

현장에서 흙의 밀도는 체적과 중량을 얻기 위해 치환법에 의해 지표상에서 측정할 수 있으며, 밀도시험기(RI)에 의해서도 측정된다. 어떤 흙에 대한 깊은 곳에서의 밀도는 압입 실린더(샘플링 관) 법에 의해 측정할 수 있다.
(1) 치환법
모래치환법과 물주머니 방법은 현장의 밀도를 측정하기 위한 직접적인 방법이다. 모래치환법과 물주머니법은 어떠한 지반에도 적용이 가능하고 실험과정의 편리성 때문에 가장 넓게 사용되는 방법이다. 모래치환법은 지표면 시험 중에서 가장 자주 사용되며 다른 시험 방법들에 대한 기준이 된다.
(2) 압입실린더법
압입실린더법은 밀도를 측정하고자 하는 지표 아래에서 시료 획득을 위해 사용된다. 그러나 이 방법은 습윤상태이고, 약간 또는 자갈을 포함하지 않은 점성토나 겉보기 점착력이 있는 세립질 모래에만 적용 가능하다.
(3) 방사선 습윤밀도법
원위치에서 방사선 법에 의한 토사와 골재의 밀도측정 방법으로 현장에서 방사선이 사용되기 전에 밀도 및 함수비 측정 결과는 치환법에 의한 결과와 비교되어야 한다. 이 시험 시에는 안전 규칙을 사전에 숙지하고 사고가 발생하지 않도록 하여야 한다.

2) 평판재하시험

이 시험은 지반에 설치한 재하판의 하중과 침하량의 관계에서 구조물 기초지반의 지반반력계수나 극한지지력 등 지반의 변형 및 지지력 특성을 구하는 것을 목적으로 한다. 이 시험은 현장에서 강성재하판에 단계적으로 하중을 가하여 침하량을 측정하여 지반의 전단 파괴유형, 극한지지력, 항복지지력, 지반반력계수, 변형 계수 등을 구하기 위하여 실시하며, 평판 재하시험에서 구한 지지력의 유효심도는 재하판 지름의 2배 정도이다. 지반의 지내력은 기초지반의 성질 뿐 아니라 기초의 깊이, 폭, 길이, 지하수 등이 영향을 받는 지반의 지층 상태를 충분히 고려하여야 한다.

3) 공내재하시험

이 시험은 지반의 역학적 특성을 현장에서 비교란 상태로 신속히 구할 수 있는 시험으로서 특히 사운딩시험을 실시할 수 없거나 비교란 시료를 채취할 수 없는 암반층, 자갈층 등에 적용하면 좋은 결과를 얻을 수 있다. 공내재하시험기는 재하장치, 가압장치 및 측정계기 등의 3가지 주요 계통으로 이루어져 있으며, 시험은 시추조사와 병행하여 실시한다. 시험방법은 시추공에서 시험하고자 하는 심도까지 Sonde를 삽입한 후 가압 장치에서 Sonde 외부에 부착된 고무 튜브를 팽창시키며, 이때 발생하는 공벽의 변위를 측정한다.
(1) 등분포하중 방식
시추공 내에 고무 튜브의 측정 판을 삽입하고 그것에 가압액(물 또는 기름)이나 공기를 보내는 것에 의해 공벽에 등분포 하중을 주는 방식이다. 이 방식의 특징은 시험공 공벽에 대한 한결같이 동등한 하중이 가해지기 때문에 응력분포가 축 대칭이 되고 이론적인 취급이 용이한 것이다. 그러나 불균질 지반이나 이방성 지반의 경우에 얻어지는 변형 계수 등은 시험지점의 공벽 전 둘레의 평균값이 된다.
(2) 등변위 방식
시추공 내에 소형의 특수 Jack을 가지는 측정관을 삽입하고 벽면에 밀착한 강체 재하판을 끼워 공벽의 일정부분에 등변의 하중을 주는 방식이다. 이 방식은 시험 시의 지반 내의 응력분포가 복잡하지만 등분포하중 방식에 비해 큰 하중이 걸리는 장점이 있다. 그러나 불균질 지반이나 이방성 지반의 경우 지하 방향에 따라 시험 값이 다른 경우가 있기 때문에 재하방향을 명확히 할 필요가 있다.

-. 평판재하시험

평판재하시험(Plate bearing test)은 기초 지반 지지력 확인을 위한 시험으로, 기초 조건을 평가할 때 가장 중요한 시험 중 하나입니다. 이 시험은 기초 설계를 최적화하는 데 필수적입니다. 또한, 도로나 비행장의 포장 두께를 확인하기 위한 시험으로도 사용됩니다. 평판재하시험은  반복 시험과 비반복 시험 법으로 구분되어 있으며, 기초의 지지력을 확인할 때 각 하중 단계에서의 지반 변형 특성을 파악하기 위해서는 반복법을 적용하는 것이 유리합니다.

평판재하시험의 목적

평판재하시험의 목적은 설계 단계에서 추정한 지반의 지지력에 대한 타당성 여부를 확인하는 것과 기초 지반의 변형 특성과 극한 지지력을 확인하는 것입니다. 이 시험을 통해 사이트의 기초 조건을 이해하고 설계를 최적화하는 데 필수적인 정보를 수집할 수 있습니다.

특히, 기초의 지지력을 확인할 때는 각 하중 단계에서의 지반 변형 특성을 파악하기 위해서는 반복법을 적용하는 것이 유리합니다. 반복법을 사용하면, 각 하중 단계에서 침하량과 하중의 관계를 파악할 수 있으며, 이를 통해 기초의 지지력을 정확하게 평가할 수 있습니다.

평판재하시험 장비

평판재하시험을 수행하기 위해서는 지지판, 유압 잭 및 반력 장치, 계측 장치 등의 장비가 필요합니다.

1.지지판

지지판은 평평한 철판으로, 지름 30cm를 기준으로 사용됩니다. 지지판은 평탄한 지면에 놓이며, 유압 잭과 함께 사용됩니다. 지지판의 지름이 작을수록 시험결과에 영향을 미치므로, 지지판의 지름을 선택할 때는 지반의 특성과 시험 목적을 고려해야 합니다.

2.유압 잭 및 반력 장치

유압 잭은 수동식이나 전동식으로 사용됩니다. 유압 잭은 지지판 위에 연결되어 하중을 버틸 수 있도록 해줍니다
반력 장치는 사하중, 앵커 등을 이용하여 최대로 받는 하중의 120% 이상의 반작용으로 받는 힘, 
즉 반력을 얻을 수 있게 하는 장치입니다. 반력 장치는 하중 증가에 따라 반작용이 증가하므로, 시험 결과에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다.

3.계측 장치

계측 장치는 하중계와 변위계로 이루어져 있습니다. 하중계의 용량은 시험하중의 최대 200%까지 측정 가능해야 하며, 
변위계는 최대 측정이 가능한 변위를 볼 때 예상 침하량의 이하이어야 합니다. 계측 장치는 시험 결과의 정확성에 매우 중요한 역할을 합니다.

평판재하시험의 방법

평판재하시험의 방법은 하중을 증가시키면서 땅이 가라앉는, 즉 침하가 되는 침하량마다의 하중을 측정하는 것입니다. 
각 하중 단계마다 침하를 측정하는 것이 일반적인 방법입니다. 각 단계별로 무게에 대한 하중을 가하는 시간이 약 
15분 이상이 들어가야 하며 일정 비율의 침하가 될 때까지 힘을 들여야 합니다. 하중이 증가되기 전과 직후와
하중이 일정하게 유지되는 동안 동일 시간 간격을 보아서 최소 6회 이상 측정을 가하여야 합니다. 이렇게 진행하면서,
재하하중이 시험기 용량을 초과하게 되면 시험을 완료합니다.

건축물을 설치하는 기초 저면까지 굴착한다. 시험을 실시하는 깊이에서의 굴착 폭은 재하판 크기의 4배 이상이 되어야 한다.
재하판에 하중을 가하고, 다이얼 게이지로 침하를 측정한다. 예상 지지력의 1/5씩 단계적으로 하중을 증가시키며, 침하가 거의 정지하거나 1시간 이상 경과된 후에 다음 단계의 하중을 가한다.
파괴가 발생하거나 침하량이 25mm가 될 때까지 시험을 계속하고, 하중을 제거한 후 1시간 이상 탄성회복량을 측정한다.

평판재하시험은 지반의 특성을 정확하게 파악하여 적절한 기초 조건을 설정하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 
따라서, 이 시험의 결과는 건축물이나 도로 등의 안전성과 수명에 직접적인 영향을 미치게 됩니다.

평판재하시험의 결과 해석

평판재하시험의 결과는 크게 침하량에 대한 결과와 안정성 분석 결과로 나뉩니다.

1.침하량에 대한 결과

침하량에 대한 결과는 제한상태선(limit state line)과 진동영역(rebound area)으로 나뉩니다. 
제한상태선은 지지력이 충분히 크지 않아서 침하량이 일정한 범위 이상이 되면 기초가 붕괴될 가능성이 있는 
경계선을 의미합니다. 진동영역은 지지력이 충분히 크기 때문에 지반 재질에 따라 침하량이 진동하는 영역을 의미합니다.

2.안정성 분석 결과

안정성 분석 결과는 각 하중 단계에서 안정성 수치를 계산한 결과입니다. 
안정성 수치는 제한상태선과 기초의 실제 침하량과의 차이를 나타냅니다.
안정성 수치가 1보다 작으면 기초가 붕괴될 가능성이 있는 것으로 판단합니다.
따라서, 평판재하시험의 결과를 통해 기초 조건을 평가하고 적절한 안전성을 확보할 수 있습니다.

평판재하시험의 요령과 주의사항
- 최소한 3개소를 선정하여 시험한다.
- 재하판은 지름 30, 45,75cm의 원형 철판을 표준으로 사용한다.
- 다이얼 게이지는 스트룩 50mm 이상으로서 0.01mm 이상의 정밀도를 가져야 한다.
- 잭은 유압잭이나 기계식 잭으로서 충분한 용량을 갖고 있어야 하며, 가해진 하중을 측정할 수 있도록 압력 게이지나 하중계 또는 하중 변환기가 부착되어 있어야 한다.
- 재하판에 하중을 가하는 방식으로 철근, PC판 등의 중량물을 이용하는 중력식과 어스앵커, 인장 말뚝 등을 이용하는 반력식, 그리고 공사현장에서 트럭이나 굴착기 등 중장비를 사용하는 방법이 있다.
- 하중 속도를 일정하게 유지하는 경우 계획 최대 하중을 5~7단계로 나누어 재하한다.
- 재하 단계에서 2, 4, 6, 8, 15, 30, 45, 60분, 그 후에는 15분마다 하중과 침하량을 측정한다.
- 침하량이 15분간 0.01mm보다 작아지면 다음 단계의 하중을 재하한다.
- 예상 최대하중을 초과하고 침하량이 15분간 0.01mm보다 작으면 침하정지로 간주한다.
- 허용지지력은 다음 값 중에서 작은 값을 택한다
▶항복하중의 1/2 이하
▶극한하중 1/3 이하
▶상부 구조물에 따라 정한 허용 침하량에 상당하는 하중 이하

평판재하시험의 목적, 방법 및 결과 해석

평판재하시험(Plate bearing test)은 기초 지반 지지력 확인을 위한 시험으로,
기초 조건을 평가할 때 가장 중요한 시험 중 하나입니다. 이 시험은 기초 설계를 최적화하는 데 필수적입니다. 
또한, 도로나 비행장의 포장 두께를 확인하기 위한 시험으로도 사용됩니다. 평판재하시험은
 반복 시험과 비반복 시험 법으로 구분되어 있으며, 기초의 지지력을 확인할 때 각 하중 단계에서의 
지반 변형 특성을 파악하기 위해서는 반복법을 적용하는 것이 유리합니다.

평판재하시험의 목적

평판재하시험의 목적은 설계 단계에서 추정한 지반의 지지력에 대한 타당성 여부를 확인하는 것과 
기초 지반의 변형 특성과 극한 지지력을 확인하는 것입니다. 이 시험을 통해 사이트의 기초
 조건을 이해하고 설계를 최적화하는 데 필수적인 정보를 수집할 수 있습니다.

특히, 기초의 지지력을 확인할 때는 각 하중 단계에서의 지반 변형 특성을 파악하기 위해서는 반복법을
적용하는 것이 유리합니다. 반복법을 사용하면, 각 하중 단계에서 침하량과 하중의 관계를 파악할 수 있으며, 
이를 통해 기초의 지지력을 정확하게 평가할 수 있습니다.

평판재하시험 장비

평판재하시험을 수행하기 위해서는 지지판, 유압 잭 및 반력 장치, 계측 장치 등의 장비가 필요합니다.

1.지지판

지지판은 평평한 철판으로, 지름 30cm를 기준으로 사용됩니다. 지지판은 평탄한 지면에 놓이며, 
유압 잭과 함께 사용됩니다. 지지판의 지름이 작을수록 시험결과에 영향을 미치므로, 
지지판의 지름을 선택할 때는 지반의 특성과 시험 목적을 고려해야 합니다.

2.유압 잭 및 반력 장치

유압 잭은 수동식이나 전동식으로 사용됩니다. 유압 잭은 지지판 위에 연결되어 하중을 버틸 수 있도록 해줍니다
반력 장치는 사하중, 앵커 등을 이용하여 최대로 받는 하중의 120% 이상의 반작용으로 받는 힘, 
즉 반력을 얻을 수 있게 하는 장치입니다. 반력 장치는 하중 증가에 따라 반작용이 증가하므로, 시험 결과에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다.

3.계측 장치

계측 장치는 하중계와 변위계로 이루어져 있습니다. 하중계의 용량은 시험하중의 최대 200%까지 측정 가능해야 하며, 
변위계는 최대 측정이 가능한 변위를 볼 때 예상 침하량의 이하이어야 합니다. 계측 장치는 시험 결과의 정확성에 매우 중요한 역할을 합니다.

평판재하시험의 방법

평판재하시험의 방법은 하중을 증가시키면서 땅이 가라앉는, 즉 침하가 되는 침하량마다의 하중을 측정하는 것입니다. 
각 하중 단계마다 침하를 측정하는 것이 일반적인 방법입니다. 각 단계별로 무게에 대한 하중을 가하는 시간이 약 
15분 이상이 들어가야 하며 일정 비율의 침하가 될 때까지 힘을 들여야 합니다. 하중이 증가되기 전과 직후와
하중이 일정하게 유지되는 동안 동일 시간 간격을 보아서 최소 6회 이상 측정을 가하여야 합니다. 이렇게 진행하면서,
재하하중이 시험기 용량을 초과하게 되면 시험을 완료합니다.

평판재하시험은 지반의 특성을 정확하게 파악하여 적절한 기초 조건을 설정하는 데 매우 중요한 역할을 합니다. 
따라서, 이 시험의 결과는 건축물이나 도로 등의 안전성과 수명에 직접적인 영향을 미치게 됩니다.

평판재하시험의 결과 해석

평판재하시험의 결과는 크게 침하량에 대한 결과와 안정성 분석 결과로 나뉩니다.

1.침하량에 대한 결과

침하량에 대한 결과는 제한상태선(limit state line)과 진동영역(rebound area)으로 나뉩니다. 
제한상태선은 지지력이 충분히 크지 않아서 침하량이 일정한 범위 이상이 되면 기초가 붕괴될 가능성이 있는 
경계선을 의미합니다. 진동영역은 지지력이 충분히 크기 때문에 지반 재질에 따라 침하량이 진동하는 영역을 의미합니다.

2.안정성 분석 결과

안정성 분석 결과는 각 하중 단계에서 안정성 수치를 계산한 결과입니다. 
안정성 수치는 제한상태선과 기초의 실제 침하량과의 차이를 나타냅니다.
안정성 수치가 1보다 작으면 기초가 붕괴될 가능성이 있는 것으로 판단합니다.
따라서, 평판재하시험의 결과를 통해 기초 조건을 평가하고 적절한 안전성을 확보할 수 있습니다.

 

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