점토에 대한 현장지반조사인 베인 전단 시험(Vane Shear Test)에 대한 절차 및 활용법 설명

이번에는 점토를 조사하기 위한 대표적인 지반조사방법인 VST, 베인전단시험(Vane Shear Test)에 대해 알아보겠습니다.

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베인 전단 시험(VST, Vane Shear Test)

베인 전단 시험(Vane Shear Test)은 주로 연약 점토 지반의 전단 강도를 측정하는 시험입니다. 이 시험은 현장에서나 실험실에서 모두 실시할 수 있으며, 지반의 안정성과 침하 위험을 평가하는 데 사용됩니다. 특히 연약한 점토 지반에서 기초 설계를 위한 중요한 데이터를 제공합니다.

 

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1. 베인 전단 시험이란? 

베인 전단 시험은 4개의 날개(vane)가 달린 회전식 장치를 지반에 삽입한 후, 회전시키면서 점토의 **전단 강도(Shear Strength)**를 측정하는 시험입니다. 날개가 지반을 회전하며 저항하는 힘을 측정해, 지반의 전단 저항력을 계산합니다. 이 방법은 시료를 채취할 필요 없이 현장에서 바로 측정할 수 있다는 장점이 있습니다.

Vane Shear Test(베인전단시험)

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베인 전단 시험(Vane Shear Test) 절차 

**베인 전단 시험(Vane Shear Test)**은 연약 점토 지반에서 전단 강도를 측정하기 위한 간편한 시험 방법입니다. 현장에서 지반의 강도를 빠르게 파악할 수 있어 기초 설계 및 안정성 평가에 널리 사용됩니다. 이제 시험 절차를 단계별로 설명하겠습니다.

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베인 전단 시험(VST, Vane Shear Test) 절차

1. 장비 준비 및 설치 

• **베인 장치(Vane Shear Device)**를 준비합니다. 베인 장치는 4개의 날개가 달린 회전식 장치로, 날개는 지반에 삽입하여 회전하며 저항력을 측정합니다.
• 장비는 현장에서 직접 사용될 수 있으며, 필요한 경우 실험실용 장치도 사용됩니다.
• 베인의 날개 크기는 지반 상태에 맞춰 적절한 크기를 선택합니다. 일반적으로 직경 2.5~5cm, 높이 10~20cm의 베인을 사용합니다.

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2. 시험 위치 선정 및 베인 삽입 

• 시험할 지반 위치를 선정합니다. 일반적으로 기초가 설치될 깊이에 베인을 삽입합니다. 그리고 보통 점토에 설치합니다. 넣고 돌리는거여서 사질토나 단단한 지반에 삽입도 힘들고 삽입하고 회전시키는 순간 기기 망가져요.
• 베인 장비를 수직으로 지반에 삽입합니다. 이때 기계적 장치나 손으로 베인을 천천히 회전시키며 지반에 삽입합니다.
  • 현장 시험에서는 베인을 직접 지반에 삽입하고,
  • 실험실 시험에서는 채취한 토양 시료에 삽입합니다.

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3. 베인 회전 및 전단 강도 측정 

• 베인이 완전히 삽입된 후, 베인을 천천히 일정 속도로 회전시킵니다. 회전 속도는 일반적으로 0.1~0.2도/초로 유지합니다. 아주 천천히 돌리나는 의미에요.
• 회전하면서 지반이 베인에 저항하는 힘(토크)를 측정합니다. 이 저항력은 지반의 전단 강도를 나타내며, 베인이 회전할 때 저항력이 최대가 되는 지점을 기록합니다.
• 이 과정에서 지반이 파괴될 때의 최대 저항력을 측정하여, 전단 강도(Shear Strength)를 계산합니다.

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4. 잔류 전단 강도 측정 (선택적) 

• 지반이 한 번 파괴된 후에는 지반이 회복된 상태에서 다시 **잔류 전단 강도(Residual Shear Strength)**를 측정할 수 있습니다.
• 첫 번째 회전 후, 지반이 재정착하는 것을 기다린 후, 다시 회전하여 저항력을 측정합니다. 이는 지반의 잔류 강도를 평가하는 데 유용합니다.

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5. 결과 분석 및 전단 강도 계산 

베인전단기기는 정말 다양한 모양이 있기 때문에, 그 모양에 따라 적용되는 공식이 다 달라지게 됩니다.

가장 표준적인 베인전단기기(위에 첨부했던 그림)에 대해서는 다음과 같이 점토지반의 비배수 전단강도를 얻을 수 있어요. 

$$S_{uv}={6T_{max} \over 7\pi \cdot D^3}$$

$ T_{max} $: 최대 측정된 토크(Maximum Measured Torque)

D: 베인전단 회전반경의 직경 

이 외에 형태에 따라 여러 가지 비배수 전단강도 산정하는 방정식이 있으며, 그거는 업체에 따라 적용되는 수식이 다르므로 각각 확인해 주는 것이 좋아요. 

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6. 시험 후 마무리 

• 시험이 끝난 후, 베인을 천천히 제거합니다.
• 기록한 전단 강도 데이터를 분석하여 지반의 상태를 평가합니다. 만약 여러 깊이에서 시험을 수행했다면, 각 깊이에서의 전단 강도를 비교하여 지반의 균질성을 파악할 수 있습니다.

 

가장 대표적인 Vane Shear Test로 얻을 수 있는 것은 예민비입니다.

예민비

: 예민비란, 한번 지반이 지반조사든 뭐든 간에 교란이 되어버렸을 때, 시간이 지나서 그 강도가 얼마나 회복하는지를 나타내는 지수입니다. 이 지수가 중요한 이유는, 만약 흙의 예민비가 높을 때, 즉 흙이 예민하면, 흙을 조금만 건드려도 지지력이나 강도 등이 완전히 상실해서 겉보기에는 말짱한 흙이 기초 하나만 올려놓아도 와르르 무너지는 경우가 있기 때문이에요. 

 

예민비는 다음과 같이 산정합니다.

$$Sensitivity = {S_{u(undisturbed)} \over S_{u(remolded)}}$$

undisturbed가 비교란, 즉, 흙에 어떤 작업을 하기 전 상태이고

remolded가 흙에 어떤 작업을 진행하고 나서 강도가 어느 정도 회복되었는지를 알려주는 상태예요. 

이 예민비에 따라 흙의 상태를 다음과 같이 분류해요.

 

흙의 분류	예민비
Insensitive	~1
Slightly Sensitive	1~2
Meidum Sensitive	2~4
Very Sensitive	4~8
Slightly Quick	8~16
Medium Quick	16~32
Very Quick Clay	32~64
Extra Quick	>64

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베인전단시험의 장단점

베인전단시험의 장점은 다음과 같습니다.

베인전단시험 장점

1. 간편하고 빠른 시험 과정 

• 베인 전단 시험은 절차가 비교적 간단하고 빠르게 진행됩니다.
• 별도의 시료 채취 없이 현장에서 바로 측정할 수 있기 때문에, 시료의 교란 없이 지반의 전단 강도를 평가할 수 있습니다. 위에 유튜브 동영상만 봐도 알 수 있죠?
• 시험 장비가 복잡하지 않으며, 작은 공간에서도 실시할 수 있어 좁은 현장에서도 활용이 가능합니다.

2. 비용 효율성 

• 베인 전단 시험은 다른 지반 조사 방법에 비해 비용이 저렴합니다. 고가의 장비나 복잡한 실험 절차가 필요 없기 때문에 경제적인 지반 조사를 가능하게 합니다.
• 현장에서 바로 측정할 수 있어, 시료 운반과 보관 비용을 절감할 수 있습니다.

3. 연약 점토 지반에서 신뢰성 높은 결과 

• 연약 점토 지반의 전단 강도를 측정할 때 매우 유용합니다. 특히 비배수 상태에서 전단 강도를 쉽게 측정할 수 있어, 연약한 지반의 안정성 평가에 적합합니다.
• 지반의 자연 상태와 재성형 상태에서의 전단 강도를 모두 측정할 수 있어, **예민비(Sensitivity)**를 통해 지반의 특성을 종합적으로 파악할 수 있습니다.

4. 잔류 전단 강도 측정 가능 

• 베인 전단 시험을 통해 흙의 **잔류 전단 강도(Residual Shear Strength)**를 측정할 수 있습니다. 이는 지반이 교란된 후 얼마나 강도를 유지하는지를 평가하는 데 유용합니다.
• 특히 연약한 지반에서 지반 붕괴 가능성을 예측할 때 중요한 정보를 제공합니다.

베인 전단 시험의 단점 

1. 모래나 자갈 지반에 부적합 

• 베인 전단 시험은 주로 연약 점토 지반에 적합하며, 모래나 자갈 같은 입자가 큰 지반에서는 정확한 결과를 얻기 어렵습니다.
• 이런 지반에서는 전단 저항을 제대로 측정할 수 없어, 다른 시험 방법(예: 직접 전단 시험, 삼축 압축 시험)이 필요합니다.

2 깊이에 따른 적용 한계 

• 베인 전단 시험은 얕은 깊이에서 주로 사용되며, 깊은 지반에서는 장비 사용이 제한됩니다.
• 깊은 지반에서 베인을 삽입하는 것이 어려울 뿐만 아니라, 상부 토층의 영향으로 전단 강도를 정확히 측정하기 어렵습니다.
• 기기도 영상에서 보는것처럼 짧은 경우가 대부분이기도 하고요.

3 . 정확도 제한 

• 시험 과정에서 회전 속도나 베인의 삽입 깊이에 따라 측정 결과가 달라질 수 있습니다. 따라서 시험자의 숙련도가 결과에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 지반의 이질성이나 불균질성에 따라 다른 깊이에서 측정된 전단 강도 값이 상이할 수 있으며, 이는 결과의 정확성에 한계를 줄 수 있습니다.

4. 교란된 지반에 민감 

• 지반이 이미 교란된 경우, 시험 결과가 실제 지반의 전단 강도를 제대로 반영하지 못할 수 있습니다. 특히 공사 현장이나 이미 개발된 지역에서는 교란된 지반이 많아 신뢰성 있는 결과를 얻기 어려울 수 있습니다. 예민비 개념을 볼 때 알 수 있던 것들이죠?

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실내에서의 베인전단시험

베인전단시험은 실내에서도 할 수 있습니다. 여러 교정 작업들을 거쳐야 하기는 하지만요. 하지만 지금 파트들은 현장지반조사에 대해서 다루고 있기 때문에, 나중에 실내지반조사를 다룰 때 베인전단시험도 따로 다루어 보도록 하겠습니다. 

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 그럼에도 불구하고 베인 전단 시험은 연약 점토 지반의 전단 강도를 신속하게 측정할 수 있는 효율적인 방법이기 때문에 비배수 전단강도시험을 측정하는데 많이 쓰이고 있습니다. 현재에도 말이죠! 지반조사를 공부하면서 느끼는 건데, 아무리 정확도가 좋은 시험들이어도 절차가 간단하고, 정보가 직관적인 시험들을 이기기는 힘든 것 같아요. 비용적인 문제가 아무래도 크기 때문이겠죠?

 오늘은 VST에 대해 알아보았습니다. 다음번에는  Dilatometer Test(DMT), 그리고  Pressuremeter Test(PMT)에 대해 다루어볼게요.

 

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