본 연구에서는 광역 부지나 현장 접근성이 용이하지 않은 현장의 지반조사를 신속 정확하게 수행하기 위한 목적으로 해외에서 널리 사용되고 있는 동적 콘 관입시험기를 개선한 개량형 동적 콘 관입시험기를 개발하였다. 기존의 동적 콘 관입시험기의 장점인 휴대성, 간단한 시험방법 등은 그대로 반영하는 한편, 하부 로트의 결합 연장을 통하여 기존 시험기의 지반 관입심도 1m에서 6m까지 관입되도록 고안하였다. 또한, 해머(2+3+3kg), 콘(3type) 등의 조합으로 독일식/일본식 간이 동적 콘 관입시험기(Tsukuba, PWRI, SH type)와 동일한 제원으로 시험이 가능하며, 심도가 깊어짐에 따라 시험 결과에 영향을 미치는 수직도를 확보할 수 있도록 보조 장치를 적용시켰다. 이렇게 개발 제작한 개량형 동적 콘 관입시험기의 적용성을 평가하기 위하여 국내/외 현장의 다양한 지반에 대하여 시험을 수행하여 그 신뢰성을 확보하였다.
본 연구에서는 광역 부지나 현장 접근성이 용이하지 않은 현장의 지반조사를 신속 정확하게 수행하기 위한 목적으로 해외에서 널리 사용되고 있는 동적 콘 관입시험기를 개선한 개량형 동적 콘 관입시험기를 개발하였다. 기존의 동적 콘 관입시험기의 장점인 휴대성, 간단한 시험방법 등은 그대로 반영하는 한편, 하부 로트의 결합 연장을 통하여 기존 시험기의 지반 관입심도 1m에서 6m까지 관입되도록 고안하였다. 또한, 해머(2+3+3kg), 콘(3type) 등의 조합으로 독일식/일본식 간이 동적 콘 관입시험기(Tsukuba, PWRI, SH type)와 동일한 제원으로 시험이 가능하며, 심도가 깊어짐에 따라 시험 결과에 영향을 미치는 수직도를 확보할 수 있도록 보조 장치를 적용시켰다. 이렇게 개발 제작한 개량형 동적 콘 관입시험기의 적용성을 평가하기 위하여 국내/외 현장의 다양한 지반에 대하여 시험을 수행하여 그 신뢰성을 확보하였다.
For quick and accurate ground investigation in wide construction site being not easy to access, advanced dynamic cone penetration test equipment was developed based on widely used equipment abroad. Advantages of existing equipment of portability and simple testing method were reflected in the new de...
For quick and accurate ground investigation in wide construction site being not easy to access, advanced dynamic cone penetration test equipment was developed based on widely used equipment abroad. Advantages of existing equipment of portability and simple testing method were reflected in the new developed equipment. Meanwhile, by extending connection of lower rod, penetration depth is raised to 6m from 1 m of the existing equipment. Moreover, by assembly of hammer (2+3+3kg) and cone (3 types) etc., it is possible to perform test under the same conditions with those by German and Japan dynamic cone penetration test equipment (Tsukuba, PWRI and SH types). Auxiliary equipment was applied to make sure of perpendicularity as penetration depth increases. Applicability of the new developed equipment was evaluated through tests on various fields and its reliability was verified.
For quick and accurate ground investigation in wide construction site being not easy to access, advanced dynamic cone penetration test equipment was developed based on widely used equipment abroad. Advantages of existing equipment of portability and simple testing method were reflected in the new developed equipment. Meanwhile, by extending connection of lower rod, penetration depth is raised to 6m from 1 m of the existing equipment. Moreover, by assembly of hammer (2+3+3kg) and cone (3 types) etc., it is possible to perform test under the same conditions with those by German and Japan dynamic cone penetration test equipment (Tsukuba, PWRI and SH types). Auxiliary equipment was applied to make sure of perpendicularity as penetration depth increases. Applicability of the new developed equipment was evaluated through tests on various fields and its reliability was verified.
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문제 정의
간이 동적 콘 관입시험기의 활용 사례로는 Kimura(木村, 2012)가 일본 대지진의 피해를 입은 하천 제방을 대상으로 피해 전/후의 제방강도를 비교 조사하기 위한 목적으로 보링조사를 병행한 SPT를 수행했다. Fig.
기존의 동적 콘 관입시험기는 휴대성이 용이하고 비교적 시험방법이 간단한 장점을 가지고 있어 포장 하부구조의 강성, 강도특성 및 사운딩으로 널리 활용되어 왔으나, 측정 가능한 지반 관입심도가 1m 로 제한적이어서 표층이상의 지반에 대한 조사는 불가능한 실정이다. 따라서, 본 연구를 통해 이와 같은 단점을 보완하고자 하부 로트를 심도 6m까지 관입시킬 수 있도록 연장시키고 수직도 유지할 수 있는 장치를 개발하였으며, 다른 유사 동적 콘 관입시험기와 동일한 제원으로 조립이 가능하도록 개량형 동적 콘 관입시험기를 제작하고 국내/외 현장시험을 통하여 그 적용성을 평가하였다.
본 연구에서는 2장에 설명한 문헌연구 결과를 토대로 기존의 동적 콘 관입시험기의 장점인 휴대성, 간편성 등을 최대한 반영하고 하부로드의 관입 깊이를 6m까지 연장시킨 개량형 동적 콘 관입시험기를 개발하였다. 개량형 동적 콘 관입시험기는 콘과 해머를 적절히 조합하여 독일식 동적 콘 관입시험기 혹은 일본식 간이 동적 콘 관입시험기(Tsukuba, PWRI, SH Type)와 동일한 제원으로 조립할 수 있다.
본 연구에서는 개량형 동적 콘 관입시험기의 효율적인 개발을 위해 우선 국외에서 사용되고 있는 대표적인 동적 콘 관입시험기를 분류하고 활용사례를 조사하였다. 국외의 동적 콘 관입시험기는 제원의 미소한 차이는 있지만, 유럽, 미국에서 널리 사용되고 있는 독일식 동적 콘 관입 시험기와 일본식 간이 동적 콘 관입시험기로 분류하였다.
본 연구에서는 이러한 광역부지에 대한 지반조사를 신속･정확하게 수행하기 위한 목적으로 포장 하부구조(노상, 보조기층)의 지지력 평가를 위해 해외에서 널리 사용되고 있는 동적 콘 관입시험기를 개선한 개량형 동적 콘 관입시험기를 개발하였다. 기존의 동적 콘 관입시험기는 휴대성이 용이하고 비교적 시험방법이 간단한 장점을 가지고 있어 포장 하부구조의 강성, 강도특성 및 사운딩으로 널리 활용되어 왔으나, 측정 가능한 지반 관입심도가 1m 로 제한적이어서 표층이상의 지반에 대한 조사는 불가능한 실정이다.
본 연구에서는 지반조사를 보다 신속·정확하게 수행하기 위한 목적으로 개량형 동적 콘 관입시험기를 개발하였고, 현장시험을 통하여 그 적용성을 평가하였다.
지반조사에서 가장 널리 활용되고 있는 SPT N값은 Table 6에 나타낸 바와 같이 지반의 공학적 특성 평가와 지층분류에 효과적이다. 이에 동적 콘 관입시험의 활용성을 검토하기 위해, 현장시험을 실시하였다. 본 현장시험은 개도국에 대한 공적원조사업이 수행되고 있는 라오스 OO 현장에서 실시하였다.
가설 설정
∙ 독일식 동적 콘 관입시험기는 관입심도가 1m로 얕은 표층에서만 측정 가능하여 SPT N값 등의 결과 비교에 한계가 있으나, 750mm의 로드를 6개까지 연장시켜 6m 심도까지 측정 가능하다.
제안 방법
(1) 기존의 동적 콘 관입시험기의 장점인 이동성, 접근성 및 간이성을 반영하여 개량형 동적 콘 관입시험기를 제작하였다. 본 시험기는 사용목적 및 현장 조건에 따라 3, 2, 3kg의 해머와 적절한 콘을 조합하여 독일식 동적 콘 관입시험기(8kg) 혹은 일본식 간이 동적 콘 관입시험기 Tsukuba type, PWRI type(5kg), SH type (3kg)과 동일한 조건에서 시험을 수행할 수 있다.
(3) 현장시험을 통하여 SPT N값과 콘 저항값에 대한 관계를 기존 제안식에 의해 확인하였으며, 사질토 지반 및 점성토 지반에 대한 실험을 수행하여 Kobayashi(2012)가 제안한 주면 마찰의 영향을 제거한 Nd 값과 N값의 관계와 비교하여 적용성을 검토하였다.
∙ 실험결과를 바탕으로 주면 마찰의 영향을 제거한 Nd값과 SPT N값의 관계는 점성토 지반에서 N≒(1∼1/2)×Nd, 사질토 지반에서 N≒(1/2∼1/3)×Nd의 관계를 나타내고, 동일한 조건에서 공내 수평재하시험(In Situ Pressuremeter Test)을 수행하여 주면 마찰의 영향을 받지 않을 경우의 Nd값과 변형계수 EB=(300∼500)Nd (kN/m2)의 관계를 나타내는 경험식을 제안하였다.
7에는 SPT시험의 대표적인 결과인 N값과 동일한 개소에서 측정한 Nd값의 상관관계를 검토한 결과를 나타낸다. 그림에 나타낸 바와 같이 SPT N값=0.43Nd의 결과를 도출하고 장대역에 걸친 하천제방에 대하여 간이 동적 콘 관입시험을 수행하여 환산 N값으로 역산함으로 제방의 연약화를 판정, 검토하였다.
구조물의 기초가 되는 지반특성을 파악하기 위해서 반드시 선행되어야 하는 작업 중 하나가 대상지반의 공학적 특성과 지층구성을 파악하는 것이다. 따라서, 국내에서 사용되고 있는 독일식 동적 콘 관입시험기로 실제로 표층의 강성 및 콘 저항에 따른 토질상태 파악하기 위해 ○○부지에서 시험을 수행하였으며, 동일 부지에 SPT시험을 수행하여 N값과의 관계를 조사하였다. 시험에 사용한 독일식 동적 콘 관입시험기는 지표에서 최대 1mm 깊이까지 관입이 가능하므로 시추조사에서 확인된 표토층과 풍화토층상부까지의 콘 저항값을 산정하였다.
또한 기존 시험기에서 심도가 깊어짐에 따라 수직도 확보가 어려워 신뢰성 있는 데이터 취득이 어려운 점을 개선하기 위해 수직도 유지 장치를 고안하였으며, 접근성이 어려운 현장에서도 활용성을 높이기 위해 수직도 유지 장치는 손쉽게 탈·부착이 가능하도록 하였다.
(2) SPT N값이 1이하인 연약한 지반에 대한 강성을 검토할 수 있으며, 관입심도를 1m에서 6m까지 연장시켜 측정할 수 있다. 또한, 탈/부착 가능한 수직도 조절장치를 개발하여 깊은 심도에 대한 실험값의 신뢰성을 확보하였다.
일본식 간이 동적 콘 관입시험기는 전술한 독일식 동적 콘 관입시험기와 시험원리는 동일하나 해머무게를 5kg(SH type은 심도별로 3kg과 5kg 해머 사용)로 감소시킴으로써 연약지반 및 표층에 대한 지반 특성을 자세히 조사할 수 있도록 개조하였다. 또한, 하부로드를 체결 연장하여 심도 5m까지 측정 가능하도록 개량하고 결과 값으로 콘이 지중으로 10cm관입하는데 필요한 타격횟수를 기록하도록 고안되었다. 이와 같이 개발된 일본식 간이 동적 콘 관입시험기를 활용한 주요 최근 연구결과 및 활용사례를 요약하면 다음과 같다.
(1) 기존의 동적 콘 관입시험기의 장점인 이동성, 접근성 및 간이성을 반영하여 개량형 동적 콘 관입시험기를 제작하였다. 본 시험기는 사용목적 및 현장 조건에 따라 3, 2, 3kg의 해머와 적절한 콘을 조합하여 독일식 동적 콘 관입시험기(8kg) 혹은 일본식 간이 동적 콘 관입시험기 Tsukuba type, PWRI type(5kg), SH type (3kg)과 동일한 조건에서 시험을 수행할 수 있다.
따라서, 국내에서 사용되고 있는 독일식 동적 콘 관입시험기로 실제로 표층의 강성 및 콘 저항에 따른 토질상태 파악하기 위해 ○○부지에서 시험을 수행하였으며, 동일 부지에 SPT시험을 수행하여 N값과의 관계를 조사하였다. 시험에 사용한 독일식 동적 콘 관입시험기는 지표에서 최대 1mm 깊이까지 관입이 가능하므로 시추조사에서 확인된 표토층과 풍화토층상부까지의 콘 저항값을 산정하였다. 일반적인 콘 저항값 산정식은 다음 식 (1)과 같다.
BH-5는 표층에 매립층이 있어 높은 N값을 나타내며, 아래에 점토층이 존재하여 N값이 감소하는 경향을 가진 지층구조를 가진다. 이와 같이 각기 다른 특징을 가진 지층을 대상으로 시추 조사 실시하고 동일한 위치에서 개량형 동적 콘 관입시험기를 수행하였으며 실험 결과를 Fig. 11에 나타낸다.
일본식 간이 동적 콘 관입시험기는 전술한 독일식 동적 콘 관입시험기와 시험원리는 동일하나 해머무게를 5kg(SH type은 심도별로 3kg과 5kg 해머 사용)로 감소시킴으로써 연약지반 및 표층에 대한 지반 특성을 자세히 조사할 수 있도록 개조하였다. 또한, 하부로드를 체결 연장하여 심도 5m까지 측정 가능하도록 개량하고 결과 값으로 콘이 지중으로 10cm관입하는데 필요한 타격횟수를 기록하도록 고안되었다.
10는 현장시험을 실시한 현장중 “국도 23호선 익산 함열 다송교차로 개선공사” 현장의 종단면도를 나타낸다. 종단면도에서 나타낸 8개의 시추조사 개소 중에서 다양한 지반 분포 상황과 현장 여건을 고려하여 BH-1, BH-2, BH-5개소를 시험 대상으로 선정하고 개량형 동적 콘 관입시험(Tsukuba type)을 수행하였다.
12). 현장시험은 적용방법을 달리하며 1개소의 시추조사 지점에 일본식 간이 동적 콘 관입시험기 Tsukuba, PWRI, SH type을 적용하여 타격심도와 타격횟수의 관계를 정리하였다.
대상 데이터
개발된 시험기의 두 번째 현장으로 파주시 탄현면의 “강널말뚝 항타 시험구간”에서 시험을 수행하였다(Fig. 12).
개발한 개량형 동적 콘 관입시험기의 현장 적용성을 평가하기 위해 국내 현장 2개소에서 시험을 수행하였다. Fig.
이에 동적 콘 관입시험의 활용성을 검토하기 위해, 현장시험을 실시하였다. 본 현장시험은 개도국에 대한 공적원조사업이 수행되고 있는 라오스 OO 현장에서 실시하였다. 동적 콘 관입시험으로부터 산정한 콘 저항값을 산정하여 SPT N값과의 상관관계를 비교하였으며 그 결과를 Table 7, Fig.
이론/모형
시험방법은 핸들을 잡고 수직 상태를 유지한 후 8kg의 해머를 상부모루까지 올리고 자유 낙하시켜 하부모루로 전달되는 자유낙하 에너지가 충격하중으로 바뀌어 하루로트에 전달시킨다. 이와 같은 과정을 반복하여 콘이 지반에 관입되는 1회 타격에 대한 관입량을 눈금자로 측정하고 다짐 강도를 결정하는 시험 방법으로(ASTM D6951/ D6951M-09, 2001)는 충격횟수 당 관입량(PR: mm/blow)을 측정하거나 측정된 전체 관입량을 충격 횟수로 나누어 평균값으로 포장의 다짐기준측정(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2011)에 적용한다.
성능/효과
Fig. 13(a)에 일본 Tsukuba type의 시험 결과에서 동일한 시험기를 2회 시험한 결과, 초기에 높은 낙하 횟수를 나타낸 후 1m이상의 심도에서 낙하횟수는 감소하며 다시 4m부근에서 증가함을 알 수 있다. 이와 같은 경향은 Fig.
분석 결과, Fig. 2(a)와 같이 싱가폴에서 수행한 시험 결과는 N값과 콘 저항값이 좋은 상관관계를 보이는 반면에, 아프리카에서 수행한 시험 결과는 분산정도가 상당히 큰 것으로 나타났다(Fig. 2(b)).
∙ 오거보링으로 지반을 굴착하여 시험시작 심도를 바꾼 상태에서 콘 및 하부로트에 대한 주면마찰의 영향을 조사한 결과, 점성토 지반에서는 0.5∼1.0m에서 주면 마찰의 영향을 받아 심도가 증가할 수록 저항값이 증가하는 경향을 나타내고 사질토 지반에서는 주면 마찰의 영향이 작아 심도 5m 정도까지 적용 가능하다.
개량형 동적 콘 관입시험(Tsukuba type)결과, SPT의 N 값과 유사하게 NH-1의 경우 점토층에서 낮은 타격횟수를 나타내며 모래층이 존재하는 4.0m 부근에서 타격횟수가 증가함을 알 수 있다. BH-2에서는 매립층토층과 풍화토층이 있어 심도가 증가할수록 타격횟수 또한 증가하나 매립층에서 매립쇄석 등의 영향으로 몇 개소에서 높은 타격 횟수를 나타낸다.
∙ 사용목적에 따라 3, 2, 3kg의 낙하 해머와 콘을 조합하여 독일식 동적 콘 관입시험기(8kg), 일본식 간이동적 콘 관입시험기 Tsukuba type, PWRI type(5kg), SH type(3kg)의 제원에 맞게 시험을 수행할 수 있다. 따라서, SPT N값이 1이하인 연약한 지반에 대한 강성을 검토할 수 있으며, 느슨한 표층의 공벽을 유지시킬 수 있도록 수평판에 공벽 유지관과 4개의 전단키를 설치하여 표층 교란 없이 정확한 측정값를 얻을 수 있다.
또한, Yachie(谷內江, 2013)는 Tsukuba type 간이 동적 콘 관입시험기의 점성토 지반에 대한 주면마찰 영향과 주면 마찰을 감소시킬 수 있는 시험방법을 고안하기 위해 오거보링, 단일관, 이중관식 등 3종류의 시험기를 이용하여 충적 점성토와 홍적 점성토에서 시험을 수행하였다. 시험 결과, Fig. 6과 같이 홍적 점성토의 주면 마찰영향은 선단 심도 0.3m부근부터 주면 마찰의 영향을 받기 시작하며, 이중관을 이용하여 시험을 수행하는 경우, 단일관 형식과 비교하여 Nd값은 확연히 감소함을 확인하였고 보링과 같이 주면마찰 영향을 제거한 시험결과와 유사한 결과를 얻어 주면 마찰의 영향을 제거할 수 있었다. 이중관식 관입 시험의 작업 시간은 단일관 형식과 비교하여 약 1.
후속연구
본 연구에서 개발한 개량형 간이 동적 콘 관입시험기의 현장 적용성을 보다 면밀히 평가하기 위해서는 다양한 현장 지반조건을 반영한 추가적인 연구가 필요하다. 특히, 국내외 현장에서 널리 활용되어 빅데이터를 확보하고 있는 SPT N값과의 비교/분석을 수행한다면 개발 시험기의 현장 활용성이 크게 증대될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 개발한 개량형 간이 동적 콘 관입시험기의 현장 적용성을 보다 면밀히 평가하기 위해서는 다양한 현장 지반조건을 반영한 추가적인 연구가 필요하다. 특히, 국내외 현장에서 널리 활용되어 빅데이터를 확보하고 있는 SPT N값과의 비교/분석을 수행한다면 개발 시험기의 현장 활용성이 크게 증대될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대규모 건설 부지의 지반조사나 해외 건설에서는 무엇이 중요시 되는가?
최근 건설동향은 고속철도나 플랜트 건설과 같이 장대/ 광역부지에 대한 사회기반시설의 대형화와 해외건설 진출이 눈이 띄게 진행되고 있으나, 양질의 부지확보에 어려움이 있어 산지나 해안에 근접하고 있는 경향이다. 이러한 대규모 건설 부지의 지반조사나 해외 건설에서는 다양하고 복합적인 지반이 분포함에 따라 보다 신속하고 신뢰성 있는 지반조사 자료가 무엇보다 중요시 되고 있다. 또한, 이상 기후에 의한 국부적인 집중호우에 따른 산사태나 토석류 등의 재해방지, 원인 조사를 위한 지반조사에서도 광역산지에 대한 다방면의 지반조사 자료가 요구되고 있으나, 지반조사 장비의 접근성과 비용 등의 문제로 그 조사에 한계가 있는 실정이다.
기존의 동적 콘 관입시험기의 단점을 보완하고자 어떠한 장치가 개발되었는가?
기존의 동적 콘 관입시험기는 휴대성이 용이하고 비교적 시험방법이 간단한 장점을 가지고 있어 포장 하부구조의 강성, 강도특성 및 사운딩으로 널리 활용되어 왔으나, 측정 가능한 지반 관입심도가 1m 로 제한적이어서 표층이상의 지반에 대한 조사는 불가능한 실정이다. 따라서, 본 연구를 통해 이와 같은 단점을 보완하고자 하부 로트를 심도 6m까지 관입시킬 수 있도록 연장시키고 수직도 유지할 수 있는 장치를 개발하였으며, 다른 유사 동적 콘 관입시험기와 동일한 제원으로 조립이 가능하도록 개량형 동적 콘 관입시험기를 제작하고 국내/외 현장시험을 통하여 그 적용성을 평가하였다.
최근 건설동향은 어떠한가?
최근 건설동향은 고속철도나 플랜트 건설과 같이 장대/ 광역부지에 대한 사회기반시설의 대형화와 해외건설 진출이 눈이 띄게 진행되고 있으나, 양질의 부지확보에 어려움이 있어 산지나 해안에 근접하고 있는 경향이다. 이러한 대규모 건설 부지의 지반조사나 해외 건설에서는 다양하고 복합적인 지반이 분포함에 따라 보다 신속하고 신뢰성 있는 지반조사 자료가 무엇보다 중요시 되고 있다.
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