공내전단시험[Borehole Shear Test (BST)]의 모든 것

※ 지반조사시 시추조사에 의한 불교란시료의 채취가 불가능할 경우, 원지반 풍화대(풍화토 및 풍화암)의 전단강도정수 측정을 위해 대부분 현장시험 중 ‘공내전단시험’ 항목을 반영하고 있다.

공내전단시험에 대한 국가표준(KS 규정)은 없으며, ASTM에서 제안하는 방법 및 장비 제작업체의 매뉴얼 등을 참고할 수 있다.

1. 개요

1) 시추공내 전단시험은 시추공을 이용하여 원위치에서 흙의 전단강도정수인 내부마찰각(φ)과 점착력(c)을 직접 측정하는 시험이며，주로 토사 및 풍화암층에 적용한다.

* The Borehole Shear Test (BST) was developed as a method of measuring the drained in situ shear strength of soils by performing a series of direct shear tests on the sides of a borehole (Handy & Fox 1967).

2) 공내전단시험은 현장의 불교란시료 채취유무에 의한 실내시험이나 경험적 상관 관계없이 현장에서 빠른시간에 직접 전단강도정수를 측정할 수 있으며, 시추공 공벽에서 시험하므로 시추조사에 의한 샘플링으로부터 실내시험 보다 시료교란이 최소화 된다.

* The borehole shear test has proved extremely useful for investigation of landslides, which require an accurate determination of the in situ shear strength (Handy, 1986).

3) 즉, 지반의 전단파괴(shear failure)를 유도하는 시험법으로 지반파괴시 작용하는 수직응력(normal stress)과 전단응력(shear stress) 관계로부터 강도정수를 산정한다.

4) 공내전단시험기는 확장형 전단기(shear head)를 시험깊이까지 시추공에 삽입하고 전단판(shear plate)을 공벽에 밀착시켜 압력을 가하는 시험기이다.

<공내전단시험기의 구성품>

 

2. 공내전단시험의 시험장비

1) Handy Geotechnical Instruments(미국)

BST(Borehole Shear Test) 장치는 개략적으로 아래와 같고, 시험장치는 보통 (1) Device, (2) Base Plate, (3) 전단기(shear head), (4) Hand Pump 등으로 구성된다.

<BST 장비 모식도>

 

2) (주)에이스인스트루먼트

 

<ACE Instrument의 BST 장비구성>

​

<Testing head>

<Pulling assembly>

<Readout unit>

<Extension rod & air hose>

<ACE Instrument의 BST 모식도>

 

3. 공내전단시험의 시험방법

1) 대상지반에 대하여 시추조사(test boring)시 지층 분포상태(지층변화의 구조)를 확인 후 시험목적에 따라 최적의 시험위치를 결정한다.

2) 시험공(borehole)의 시험심도(test depth)까지 천공(일반적으로 NX 규격 사용)하며, 지반의 응력이완 및 지반상태를 고려하여 시추 후 신속히 시험을 수행한다.

* In all cases, at the time the hole is drilled, disturbance of in the soil should be minimized, so as not to affect the original soil structure (Lutenegger 1987).

 

<NX규격_굴착로드(Drill Rod)>

* 비트 (NQ3 ; 2.5-inch Rod) : 내경 63.5mm, 외경 74.0mm

* 케이싱 (NX ; 3.0-inch Casing) : 내경 78.0mm, 외경 88.9mm

* 코아직경 : 54.0mm

​3) 시험공내 시험심도 선정 후, 강봉(pull load)을 전단기(shear head) 상부에 연결하여 소정의 시험심도까지 전단기를 내린다.

<BST 장비_부속품_BST Shear Head>

4) 시험공 상부 주변 지표면을 평탄하게 한 후, 인발장치(pulling device)의 저판을 거치한다. 이 때, 지표면이 전단기 인발에 따른 침하우려 시 별도의 지지대를 설치하여야 한다.

5) 전단기가 연결된 강봉을 인발장치에 장착시켜 고정되도록 전단부와 인발장치를 연결한다.

6) 전단기에 장착된 전단판(shear plate)에 연결된 압력전달관(pressure supply line)을 가압장치(control console)에 연결하고, 적절한 시간동안 소정의 수평응력(normal stress, 사실은 수직응력임)을 가한 상태로 유지시켜 전단판을 공벽에 완전히 밀착시켜 정착되도록 한다.

* 전단기에는 시추공내 측면을 따라 시험심도의 지층에서 확장되어 날카로운 톱니가 있는 전단판이 장착(고정)되고 가해진 수평응력이 공벽으로 전달된다.

<BST 장비_부속품_BST 장비_부속품_BST Shear Head_Shear Plate>

 

* 전단기의 전단판이 공벽에 밀착되어 토층과 맞물리게 하기 위해서 지상에서 공기압 Hand Pump를 이용하여 고압호스로 압력을 가하게 된다.

<Operation scheme for Borehole Shear Test equipment>​​

 

<BST Device 상세-1>

7) 수평응력(즉, 수직응력)이 전단기에 의해 지반에 작용되고 silt나 clay 등의 미세입자로 이루어진 흙에서는 과잉간극수압이 발생하므로 소산시까지 대기한다. (일반적으로 5~15분)

* 가압된 전단판은 접촉 지반에 압력을 가하며, 과잉간극수압이 완전히 소산되는데 시간 소요

* Since the staged test is performed without relocating the shear head or removing the normal pressure, the drainage times will be cumulative for each normal stress and will allow for pore water pressure dissipation (Lutenegger and Tierney, 1986).

* The determination of soil pore water pressure during testing can be difficult and often requires experience (Handy, 2002).

8) 전단판이 공벽에 확장되어 밀착된 후 압밀에 충분한 시간이 경과한 후, 인발장치에 장착된 인발회전장치(screw arrangement)를 시계방향으로 2회/sec 정도의 속도로 회전하여 시험 공 내에 위치한 전단기를 상향으로 인발시켜 전단을 실시하며, 이 때 인발장치에 부착된 유압게이지를 통해 나타나는 전단응력을 관찰하여 최대값을 측정토록 한다.

<BST Device 상세-2>

* 시험 Mode는 축 방향으로 하중을 받는 말뚝과 drilled shafts 또는 grouted anchors의 측면 마찰저항을 평가하는 데 적합할 수 있다.

9) 수직응력에 해당하는 전단응력-전단변형(shear stress-shear deformation) 관계 곡선을 그려 최대전단응력(또는 극한전단응력)을 결정한다.

<각 수직응력별 전단응력-전단변형 관계 곡선>

* But, 일반적으로 국내 현장의 현장시험시, 인발장치에 부착된 ‘Shear Pressure’ 계기판에서 전단응력 값의 변화를 관찰하고 전단응력 최대값을 수동으로 기록한다.

10) 최대 전단 응력 값 측정 후, 인발 회전 장치를 반대로 회전시켜 유압게이지상에서 전단응력을 0(zero)이 될 때까지 낮춘다.

11) 다음단계의 수평응력(normal stress, 사실은 수직응력임)을 가압한다. 이 때 다음단계의 수직응력은 반드시 전단된 토층부분이 미 전단된 토층의 강도를 초과할 수 있을 정도의 충분한 크기로 가해 전단된 영역의 토층이 충분히 압밀 될 수 있도록 한다.

12) 이상의 6)~11)의 과정을 반복하여 시험을 실시하며, 완료 후 측정된 수직응력(normaL stress), 전단응력(shear stress) 값을 plot 하고 선형회귀분석을 실시하여 직선의 파괴포락선(Failure envelope) 작도 및 시험지층에 대한 점착력(Cohesion)과 내부마찰각(Friction angle)값을 도출한다.

 

* 위와 동일한 방법으로 수평응력을 단계적으로 증가시키며 3~5회 시험한다.

<Typical borehole shear testing procedure>

(Typical loading rate for increasing shear displacement is 0.002 in/s)

 

10) Mohr-Coulomb의 파괴포락선으로부터 파괴기준에 의하여 강도정수(c, φ)를 구한다.

즉, 지반의 전단파괴(shear failure)를 유도하는 시험법으로 지반파괴시 작용하는 수직응력(normal stress)과 전단응력(shear stress) 관계로부터 강도정수를 산정한다.

* 공내전단시험은 현장원위치시험 중 원지반 상태에서 강도정수를 산정할 수 있는 전단시험으로 실내시험 중 직접전단시험과 유사한 시험방법이다.

따라서 실내시험이나 경험적 상관 관계없이 현장에서 빠른시간(일반적으로 1시간 이내)에 직접 전단강도정수를 측정할 수 있으며, 시추공 공벽에서 시험하므로 시추조사에 의한 샘플링으로부터 실내시험 보다 시료교란이 최소화 된다.

* For these reasons, the borehole shear test has proved extremely useful for investigation of landslides, which require an accurate determination of the in situ shear strength (Handy, 1986).

* 단, 공내전단시험은 수평면이 아닌 수직면(시추공내 공벽)에서 시험을 수행하므로 자갈, 호박돌 등의 지층에서는 전단강도 측정에 오류가 발생할 수 있다.

4. 공내전단시험의 계산 및 결과정리

1） 각각의 수평응력（사실은 수직응력）에 해당하는 전단응력-변형률 관계곡선을 그려 최대전단응력（또는 극한전단응력을 구한다.

2） 1）의 방법으로 구한 몇 쌍의 수직응력(σ)，전단응력(τ)으로 그래프를 그려 선형회귀분석법에 의해 점착력(c)과 내부마찰각(φ)을 구한다.

3) 전단강도정수(c, φ)를 산정하기 위해 Mohr-Coulomb의 파괴기준을 이용하며, 각각의 수직응력에 해당하는 최대전단응력을 τ-σ 그래프상에 나타내고, 이를 연결하여 아래와 같이 산정한다.

<전단응력-전단변형률 관계_토질 및 기초공학 이론 및 실무, 최인걸>

<전단응력-수직응력 관계_토질 및 기초공학 이론 및 실무, 최인걸>

 

<전단응력-수직응력으로부터 강도정수 산정결과>

 

5. 공내전단시험의 특징 (장/단점)

1) 장점

① 현장에서 짧은 시간에 강도정수 추정이 가능하다.

원위치에서 흙의 전단강도정수인 내부마찰각(φ)과 점착력(c)을 직접 측정할 수 있는 유일한 현장시험이다.

② 일축압축시험 및 삼축압축시험을 위해 시료를 채취하고 운반하는 과정에서 발생하는 시료교란 등을 사전에 예방할 수 있어 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다. 실내시험이나 경험적 상관 관계없이 현장에서 빠른시간(일반적으로 1시간 이내)에 직접 전단강도정수를 측정할 수 있으며, 시추공 공벽에서 시험하므로 시추조사에 의한 샘플링으로부터 실내시험 보다 시료교란이 최소화 된다.

③ 시험 장비는 상대적으로 견고하고 휴대 가능하며, 시험방법이 간단하여 작업자의 숙련도와 무관하여 광범위한 지층에서 사용할 수 있다.

2) 단점

① 시험속도와 배수조건을 고정하기 어렵고 기타 Software을 사용하지 않는 이상 응력-변형에 대한 데이터 획득이 어렵다.

② 시험 가능한 최대 심도의 이론적 기준은 없으나 심도가 깊으면 어려움이 있을 수 있다.

③ 시험심도 지층의 자갈 성분이 10% 이상인 경우, 전단 센서(shear sensor)의 삽입을 위한 시추에 어려움이 있으며, 전단판이 공벽에 밀착하여 토층과 맞물리는 과정에서 시험결과에 오차가 발생할 수 있다.

(According to the equipment manual provided by Handy Geotechnical Instruments)

② 공내전단시험에 대한 국가표준(KS 규정)이 없으며, 시험에 대한 작업자의 이해와 시험방법, 시험순서 및 결과정리 등 교육 및 훈련이 필요하다.

 

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