현장 지반조사에서 가장 많이 쓰이는 표준관입시험 SPT 개념 설명

오늘은 현장 지반조사에서 가장 많이 쓰이는 표준관입시험 SPT 개념에 대해 설명하고자 합니다.

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현장 지반조사에서 가장 많이 쓰이는 표준관입시험 SPT 개념 설명

표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)은 지반의 강도와 밀도를 측정하기 위한 대표적인 현장 시험 중 하나입니다. 이 시험은 특히 건물 기초 설계와 지반 안정성 평가에 중요한 정보를 제공하는데요, 정말로 현장에서 우리가 가장 많이 보이고, 가장 간단하며, 가장 비용이 적게 드는 지반조사 방법으로 알려져 있습니다.

Spt ( 출처: Construction Cost )

1. 표준관입시험이란? 

표준관입시험은 1902년 Colonel ow of Raymond Pile이라는 회사에서 나온 현장지반조사 시험입니다. 

표준관입시험은 보링(boring) 작업 중에 실시되며, 무게 63.5kg의 해머를 76cm 높이에서 표준 샘플러 위로 떨어뜨려 지반에 타격을 주고, 30cm 깊이를 관입할 때 필요한 타격 횟수(N값)를 측정하는 시험입니다. 이 N값을 통해 지반의 밀도와 강도를 파악할 수 있습니다. 

 도로에서 표준관입시험을 하는 것을 많이 보셨을 거예요. 도로에서 이런 장비 많이 보시지 않았나요?

 

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2. 표준관입시험의 절차 

표준관입시험은 이미 ASTM(American Standart Test Method)라는 곳에서 어떻게 시험을 하는지 규정을 했기 때문에, 이렇게 정해진 대로 실험만 하면 되는 것입니다. 100년이 넘는 기간이니.. 데이터도 엄청 많고 시험도 당연히 정형화되어 있겠죠?
(규정 코드: ASTM D 1586: Standard Test Method for Standard Penetration Test (SPT) and Split-Barrel Sampling of Soils)

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Standard Test Method for Standard Penetration Test (SPT) and Split-Barrel Sampling of Soils

 

1. 보링 작업

지반을 보링기로 뚫어 목표 깊이까지 구멍을 냅니다. 보통 3~5m 간격으로 샘플을 채취하며, 더 깊은 경우에도 SPT를 진행할 수 있습니다. 

2. 샘플러 삽입

표준 샘플러를 보링기로 뚫어놓은 구멍에 삽입하여 땅속 15cm까지 관입시킵니다. 이 15cm는 초기 관입을 위한 것으로 타격 횟수는 기록하지 않습니다. 그러니깐 망치로 지반을 두들기면서 샘플러를 15cm 정도 깊이까지 관입을 시키는 거예요. 

3. 해머 타격

63.5kg의 해머를 76cm 높이에서 자유 낙하시켜 샘플러를 땅속 30cm 더 관입시킵니다. 이때 관입에 필요한 타격 횟수를 기록합니다. 이를 N값이라고 합니다.

이걸 N 치라고도 부르는데, 만약에 N치가 15면, 이 지반을 30cm 관입시키기 위해서 해머를 15번 타격했다는 소리가 됩니다.

한 번으로 끝나지는 않고 2~3번 정도 이 과정을 반복하면서 깊이에 따른 평균적인 N치 값을 구하게 됩니다.

4. 결과 분석

30cm 관입에 걸린 타격 횟수인 N값을 기반으로, 지반의 상대 밀도와 강도를 평가합니다. 예를 들어, 높은 N값은 지반이 단단함을, 낮은 N값은 지반이 연약함을 나타냅니다.

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3. 표준관입시험의 결과 해석 

표준관입시험에서 얻는 것은 N치(N- value) 하나입니다. 이 N치로 어지간한 지반의 물성들은 전부 다 구할 수 있어요. 하나의 실험으로 이만큼의 물성을 얻을 수 있습니다.

비배수 전단강도, 단위중량, Rigidty Index(강성지수), 내부마찰각, OCR, 수평토압계수, 공극비, 전단속도, 탄성계수, 압축지수, skin friction, 투수성, 전단강도, 상대밀도, 액성지수, Dilatancy Angle, 선행압밀응력, 점착력 등등...

N치의 의존성이 너무 크죠? 

그래서 표준관입시험 하나에 지반조사 결과 값을 너무 의지하고 있는 것 아니냐는 비판이 있지만, 그럼에도 표준관입시험 하나로 이 모든 것을 파악할 수 있다는 압도적인 간편성 때문에 120년이 지난 현재에도 가장 많이 쓰고 있는 지반조사 방법 중 하나로 남겨져 있습니다.

표준관입시험 결과값 기록지

N값의 변환값 N60 얻기

N 치를 통해 지반물성을 얻기 위해서는 실험을 통해 얻은 N값을 정제하는 과정이 필요합니다.

N60은 SPT N값을 다양한 현장 조건에 맞게 표준화한 값입니다. N60 값을 통해 현장 조건에 따른 오차를 줄이고, 보다 일관된 지반 평가를 할 수 있습니다.

왜 N60이라고 이름 붙였냐 하면, 표준화된 이 N값은 해머의 효율을 60%로 두기 때문입니다. 

N60 값은 해머 효율, 로드 길이, 보링 직경 등 여러 조건이 시험 결과에 영향을 미친다는 점을 고려합니다. 

N60을 구하는 공식은 다음과 같아요.

N60 = N × (Em / 60) × Cr × Cb × Cs

 

• N: SPT 시험에서 측정한 타격 횟수
• Em: 해머 효율(보통 60%로 가정)
• Cr: 로드 길이 보정 계수
• Cb: 보링 직경 보정 계수
• Cs: 샘플러 타입 보정 계수

spt 개략도

로드 길이 보정 계수 Cr

: 로드 길이에 따라 에너지 전달 효율이 달라지게 됩니다.

 

• 로드 길이 3m 이하: Cr = 0.75
• 로드 길이 3~4m: Cr = 0.85
• 로드 길이 4~6m: Cr = 0.95
• 로드 길이 6m 이상: Cr = 1.00

보링 직경 보정 계수 (Cb)

보링 구멍의 직경에 따라 계수가 달라지게 됩니다.:

• 보링 직경 65~115mm: Cb = 1.00
• 보링 직경 150mm: Cb = 1.15
• 보링 직경 200mm: Cb = 1.05

샘플러 타입 보정 계수 (Cs)

사용한 샘플러에 따라 보정 계수가 달라지게 됩니다.

• 스플릿 스푼 샘플러(개방형): Cs = 1.00
• 끝이 막힌 샘플러(밀봉형): Cs = 1.20

 

Clean Sand에 대해서는, SPT를 통해 얻은 N값을 지반의 상재압 조건에 맞게 보정을 진행할 수도 있습니다. 이를 "Stress Normalization of N-values"라고 부르며, 그 공식은 다음과 같아요.

. 

• (N1​)60​: 상재압을 보정한 N값
• N60​: 해머 효율 등을 보정한 N값
• Pa: 기준 상재압 (일반적으로 100 kPa)
• σv0′​: 유효 상재압
• n: 경험적 상수 (일반적으로 0.5)

 

 

이런 (N1)60이나 N60등의 값으로 지반 물성을 얻게 되는 겁니다. 물론 여기서는 지반조사에 대한 간략한 소개이기 때문에 그 과정은 생략하도록 할게요! 

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4. 표준관입시험의 장점과 한계 

다음은 표준관입시험의 장점과 한계입니다.

장점:

• 간단하고 비용 효율적: 특별한 장비 없이 비교적 간단한 과정으로 실시할 수 있어, 다양한 현장에서 많이 사용됩니다.
• 실제 현장 조건 반영: 시험이 현장에서 직접 이루어지기 때문에, 현장 조건을 그대로 반영한 결과를 얻을 수 있습니다.

한계:

• 정확도 한계: 고체 암반층이나 매우 자갈이 많은 지층에서는 N값이 과대평가될 수 있어, 이러한 지반에서는 다른 시험과 병행하는 것이 필요합니다.
• 국소적인 지반만 반영: 시험이 이루어지는 특정 지점의 지반 상태만을 측정하므로, 지역 전체의 지반 특성을 대표하지 못할 수 있습니다. 특히 점토지반에 대해서는 정확한 N치를 얻기가 힘든 것으로 알려져 있어요. 
• 교란된 시료를 얻게됨: 현장지반조사실험이 가지는 모든 문제점이기도 한데요, 조사를 하는 순간 지반이 교란되기 때문에 정확한 값을 얻을 수 없고, 특정 보정 값을 넣어 지반물성을 얻어야 해요. 
• 얻은 데이터가 이산적임: 30cm를 관입하는 동안 두들긴 망치의 횟수인 N치를 얻는 표준관입시험 특성 상 30cm마다 값이 끊어질 수 밖에 없어요. 이 역시 특정 몇몇 지반조사시험을 제외한 대부분 지반조사실험이 가지고 있는 문제점이기도 한답니다.

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표준관입시험은 지반의 밀도와 강도를 평가하는 데 매우 유용한 방법으로, 건물 기초 설계와 지반 안전성 평가에서 중요한 역할을 합니다. 현장에서 간편하게 실시할 수 있지만, 정확한 해석을 위해서는 다른 조사 방법과 병행할 필요가 있어요. 하지만 그 하나의 조사만으로 여러 물성값을 평가할 수 있다는 가장 큰 장점 덕분에 대부분 지반조사에서 표준관입시험은 일단 하고 보는 편입니다. 대부분 표준관입조사는 사질토(Sand)에 대해서만 시행되어요. 

 

다음으로는 Clay, 즉, 점토에 대해서 대표적으로 시행되는 지반조사공법인 VST(Vane Shear Test)에 대해 알아보겠습니다.

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