가장 많이 쓰이는 현장조사실험인 CPT(Cone Penetration Test) 개념 및 CPT를 이용한 토질분류법

이번에는 가장 많이 쓰이는 현장조사실험인 CPT(Cone Penetration Test)에 대해서 다루어보겠습니다.

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가장 많이 쓰이는 현장조사실험인 CPT(Cone Penetration Test)

Cone Penetration Test입니다. 점토를 대상으로 물성을 얻고 싶다면 가장 많이 쓰이는 방법이며, 현재 지반조사 중에서 가장 활발하게 연구가 이루어지고 있는 분야 중 하나이기도 합니다. 흔히 줄여서 CPT라고 부릅니다.

1. CPT는 무엇일까? CPT의 정의

Cone Penetration Test라는 말 그대로, 콘을 지반 아래로 뚫고 들어가서 그 안에서 지반이 뚫는데 저항하는 성질과 지반이 새롭게 뚫린 곳에 가하는 여러 압력을 이용해서 3가지의 값을 측정. 그리고 그 값으로 여러가지 지반물성을 얻는 방식이라고 할 수 있겠습니다. 

CPT Process

2. CPT 실험과정 및 얻는 물성값

CPT는 지반의 특성을 평가하는 빠르고 효율적인 방법으로, 다음과 같은 과정으로 진행됩니다:

1. 탐침 장비 설치: 무거운 장비를 이용해 지표면에 콘 형태의 탐침을 배치합니다.
2. 콘 삽입: 콘 팁이 장비에 의해 일정한 속도로 지표면 아래로 관입됩니다.
3. 저항 측정: 탐침이 하강하면서 팁 저항(콘 저항)과 마찰 저항(측면 마찰)을 측정합니다.
4. 지하수 위치 측정: 지하수의 영향을 평가하기 위해 간헐적으로 지하수 위치도 기록됩니다.

이렇게 해서 얻는 것은 그림에서 보듯이 3가지의 파라미터가 있습니다.
(기본적으로, 일부 4가지, 5가지 파라미터를 얻을 수도 있음)

1. Total Cone Tip Resistance(qt)

: 콘의 끝부분을 지반에 찔러넣어서 이 찔러 넣었을 때 지반이 Cone Tip에 가해지는 저항을 측정한 값이에요.

: 지반의 강도를 직접적으로 나타내며, 단위 면적당 지반이 저항하는 힘을 나타내므로, 응력 단위로 표기됩니다.(kPa)

: 당연히, 단단한 지반일수록 강도가 큰 모습을 보이겠죠?

2. Sleeve Friction Resistance(fs)

: 탐침의 슬리브 부분이 지반을 통과할 때 측정되는 마찰 저항력

: 지반이 뚫고 내려갈때, 측면에서 발생하는 마찰저항을 측정하는 것으로, 토양의 밀도와 응집력에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

: Sleeve Friction은 마찰비 계산에 이용되고, 이는 나중에 토질분류를 할 때 사용돼요. 

3. Porewater Pressure(u2, 여기서는 um)

: 기공수압입니다. 지반 내의 물이 지반을 통과하는 탐침에 가하는 압력을 측정한 값입니다.

: 연약지반이나, 포화상태의 점토층에서 주로 관측되는 값이에요. 

: 원래 지반에 들어있는 정수압(uo)랑은 다른 값입니다. 정수압은 [물의 단위중량 x 지하수위에서부터의 깊이 h] 값과는 다르다고 볼 수 있습니다. 

 

대표적인 이 3가지 값을 이용해서 CPT를 이용해 지반 분류를 진행할 수 있습니다.

CPT Data(출처: Geoprobe System)

2. CPT의 가장 큰 특성

: CPT는 보링을 하는게 아닙니다. 그냥 뚫어버리는 것이에요.(Penetration) 그리고 SPT처럼 따로 샘플링도 하지 않습니다.

: 또한, 관입하고 그대로 거기서 지반물성을 관측하기 때문에 어떠한 컷팅 없이 그대로 데이터를 "연속적"으로 얻을 수 있어요.
 (30cm 마다 끊어줘야 하는 SPT등과 가장 큰 차이점.)

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3. CPTu Soil Behavioral Classification (Cone Penetration Test를 이용한 토질분류)

: CPT 값을 이용해 토질을 분류하는 방법에 대해 알아보아요. 

: 여기에는 일단 첫번째로, 데이터 값을 보고 정성적으로 판단하는 방법인 "Approximate Rule of Thumb"가 있습니다.

 

Approximate Rule of Thumb

: 이 방법은 실제 나온 데이터를 토대로 대강의 기준 값을 제시해, 그 분류에 맞으면 특정 토질로 분류하는 방법입니다.

: 주로 Cone Tip Resistance(qt)랑 Friction Ratio(FR) 두 가지로 분류를 해요. 

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일단, Friction Ratio는 다음과 같이 쓰며, 

$$FR = f_s/q_t < 1%$$

이제 이 값에 따라 3가지의 분류법 정도를 소개해보겠습니다.

1. Clean Quartz Sands

: qc ~ qt > 5Mpa

: u2 = ub ~ uo(즉, 정수압이랑 측정간극수압이 비슷해야 함)

: Friction Ratio가 1% 미만이어야 함. 

2. Soft to Firm to Stiff Intact Clays

: qt < 2 Mpa 

: u2 >>> uo (물이 안 빠지게 되므로(Stiff Intact니깐) 간극수압이 과잉될 정도로 크게 발생함)

3. Fissured Overconsolidated Clays

: qt < 5 Mpa

: u2 < uo (일부는 negative porewater pressure로 변할 수도 있음)

CPTu Sounding(Source: Bray et al., 2004)

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2. Normalized Piezocone Parameter를 이용한 토질분류 (SBT: Soil Behavioral Type from CPT)

: 아래에 후술 하겠지만, CPT를 하다 보면, 지반이 교란되었는지 불교란인지, 그리고 깊이에 따라서 발생하는 교정, CPT를 읽으면서 각각 지반 상황에 맞춰서 진행하는 물성 교정 작업 등등 여러가지 상황에 따라 각기 다른 파라미터나 공식을 적용해야 하므로 오차가 발생할 수 있습니다.

: 이런 변수를 제거하기 위해서 위에서 서술한 피에조콘 파라미터를 표준화한(Normalized 한) 값들을 이용한 토질분류법이 개발되었습니다.

1. Normalized Tip Resistance Q

$$ Q = {(q_t - \sigma_{vo} )\over \sigma'_{vo}}$$

2. Normalized Sleeve Friction F

$$ F = {f_s \over (q_t - \sigma_{vo}) $$

3. Normalized Excess Porewater Pressure

$$ B_q = {(u_2-u_o)\over(q_t-\sigma_{vo}) $$

 

σvo는 지반의 전체 수직응력,

σ'vo는 지반의 유효 수직응력,

uo: static porewater pressure,

u2: measured porewater pressure 

 

이 값들을 이용해 CPT Soil Index(Ic)라는 개념을 Jefferies & Davies 가 1993년 개발하였고, 이 값은 다음과 같으며, 그 값에 따라 흙을 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

$$I_c=\sqrt{{3-log[Q\times(1-B_q)]}^2+[1.5+1.3\times(logF)^2}$$

지반 분류	Zone Number	Ic 값의 범위
Organic Clay Soil	2	Ic > 3.22
Clay	3	3.22 > Ic > 2.82
Silt Mixtures	4	2.82 > Ic > 2.54
Sand Mixtures	5	2.54 > Ic > 1.90
Sands	6	1.90 > Ic > 1.25
Gravelly Sands	7	1.25 > Ic

 

그리고 Robertson & Wride가 1998년에 개발한 CPT Soil Index Icrw와는 다른 값이에요.

물론 같은 개념이긴 한데, 넣는 공식이 달라요.

사실 위의 식보다는, Robertson의 공식을 더 많이 쓰는 추세라고는 하지만, 그래도 Jefferies의 공식도 쓰이고 있다고 합니다.

$$ I_{cRW} = \sqrt{{3.47-logQ}^2+{1.22+logF}^2}

이에 따른 토질분류는 다음과 같이 시행해요.

지반 분류	Zone Number	Ic 값의 범위	Icrw값의 범위
Organic Clay Soil	2	Ic > 3.22	Icrw > 3.60
Clay	3	3.22 > Ic > 2.82	3.60 > Icrw > 2.95
Silt Mixtures	4	2.82 > Ic > 2.54	2.95 > Icrw > 2.60
Sand Mixtures	5	2.54 > Ic > 1.90	2.60 > Icrw > 2.05
Sands	6	1.90 > Ic > 1.25	2.05 > Icrw > 1.31
Gravelly Sands	7	1.25 > Ic	1.31 > Icrw

만약, Icrw값이 0보다 작은 경우 Sensitive Soil로 봄.(예민도가 큰, 즉, 좀만 건드려도 강도를 상실해 버리는 위험한 흙)

 

SBT의 예시 (Source: Geotill Engineering)

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오늘은 CPT, Cone Penetration Test랑, CPT를 이용해서 토질분류를 어떻게 하는지에 대해 알아보았습니다.