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표준관입시험(SPT 시험) 개요와 N치 보정
1. 표준관입시험의 개요
표준관입시험은 사질토를 대상으로 하는 시험으로 이층의 상대밀도 및 연경도를 파악하기 위해 개발된 원위치 시험입니다. 이 시험은 샘플러(스플릿 스푼 샘플러 Split spoon sampler)를 보링로드(Drill rod)하단에 연결해 보링 구멍에 삽입하고 1.5m간격으로 지층의 연경도를 파악하고 상대밀도 또는 실내시험에 필요한 교란시료를 채취하게 됩니다. 표준관입시험에서 N값은 중량인 63.5 ± 0.5 kgf 인 해머를 75 ± 1cm 높이에서 자유낙하시켜 샘플러가 15cm씩 3회(총 45cm) 관입할때의 낙하횟수중 2,3번째를 더한 횟수, 즉 로드(Rod)가 30cm 관입될 때의 타격횟수를 말합니다.
2. 표준관입시험 방법
1) 표준관입시험은 주로 3단계로 시험을 실시합니다. 1단계는 시험 깊이까지 케이싱 비트외경으로 보링공을 천공하고 공벽이 무너지지 않도록 케이싱을 지중에 둡니다. 2단계는 코어배럴 비트를 이용해 천공을 합니다. 3단계를 샘플러를 보링공 내에 삽입하고 해머를 타격할 수 있도록 파이프 로드와 연결시킵니다. 여기서 2단계 천공을 코어배럴로 하지 않고 케이싱으로 하는 경우 가 있는데 이 경우 공저와 공벽의 지반교란이 심하게 되어 공저에 쌓인 슬라임 제거가 확인되지 않고 N값도 제대로 측정되지 않습니다. 따라서 슬라임 제거는 케이싱을 설치하고 내부를 코어 배럴 비트로 굴착해 천공수로 제거하도록 해야 합니다.
2) 로프와 도르래 또는 자동해머장치를 이용해 해머를 76cm 들어 올린후 자유 낙하시킵니다.
3) 샘플러가 지반에 15cm 관입할때 마다 해머의 낙하횟수를 기록합니다. 낙하횟수가 15cm 관입시 50회를 초과하면 시험을 중단하게 됩니다. 즉, 지층이 매우 단단하여 타격을 50회 이상 했는데도 30cm 관입이 불가능한 지층이라면 50회 타격에 의한 관입깊이를 측정하여 시추주상도에 기록 합니다. 예를 들어 주상도에 기록된 6/30, 50/5의 의미는 각각 30cm 관입시 6회 타격, 50회 타격시 5cm 관입된것을 말합니다. 즉, 좌측 숫자는 타격 횟수를 말하는 것이며 우측 숫자는 관입깊이를 의미하는것입니다. 이 의미는 우측이 작을수록 관입이 잘 되지 않는다는 의미이기 때문에 지반이 단단하다는것을 알수 있습니다.
4) 15cm 를 3회 즉, 총 45cm관입 중에서 2,3회 30cm 관입될 때 낙하 횟수를 N값으로 합니다. 이때 1회 때 15cm의 경우는 낙하횟수로 기록하지 않는데 이는 보링시 발생하는 보링공 바닥면과 보링공 벽면에서 떨어져 내린 느슨한 흙이 교란되었다고 가정하기에 N값을 반영하지 않는것입니다.
5) 표준관입시험(SPT시험) 시 시료채취는 주로 수압식 시프톤샘플러로 채취합니다. 채취된 시료는 함수비 변화가 없도록 밀봉하여야 하고 시료병에는 조사명, 조사이자, 공번, 시료채취심도, N값을 기재하여 시료표본 상자에 정리 보관합니다.
3. 표준관입시험 조사심도 및 간격
표준관입시험을 1회 시행하는데 필요한 최소심도는 50cm 입니다. 이는 예비타격 15cm, 본타격 30cm , 여유 심도 5cm 입니다. 하지만 공벽이 무너질수 있기 때문에 50cm 간격으로는 어렵고 약 80cm를 최소간격으로 하는게 좋습니다. 실무에서는 1m에서 1.5m 까지도 간격을 띄워서 실시합니다.
4. N치를 보정하는 방법
1) N치가 15이상인경우 토질에 대하여 보정을 합니다. 그 이유는 포화된 실트질 모래에서는 N치가 15이상으로 조밀한 경우 샘플러 관입시 부의 간극수압이 발생하여 유효응력이 증가하게 되며 이는 실제 N치보다 크게 나타날수 있기 때문입니다. N = 15+(N'-15)/2 여기서 N = 수정치 이며 N' = 실측치 입니다.
2) 로드길이가 15m보다 큰 경우에 대하여 보정을 합니다. 그 이유는 심도가 깊어질수록 로드변형에 의한 타격에너지가 손실이 되 고 마찰 때문에 해머의 효율이 저하되기 때문에 실제 N치 보다 크게 나타나기 때문입니다. N = N'(1- l/200) 여기서 l=rod의 길이(m) 입니다.
3) N값 측정치는 유효상재압의 크기에 따라 현저하게 커지므로 상재압에 대한 보정을 합니다. 그 이뉴느 지표면 부근의 경우 구속응력이 없기 때문에 실제보다 N치가 작게 나올수 있습니다. N=N'xCn 여기서 Cn = 0.77log(20/Po)가 되며 Po는 유효상재하중(kg/cm2) > 0.25kg/cm2 입니다.
5. 표준관입시험 N치의 실무적용시 유의사항
1) 지하수위 측정은 시추작업 종료후 케이싱 내에서 1차로 실시하고, 시추작업 완료후 측정하기 위해 24~48시간 경과후 재 측정합니다.
2) 시료채취를 위해 공내 청소시 높은 수압으로 슬라임을 제거하여 시료교란이 심하므로 슬라임 제거시 저압으로 슬라임을 제거하도록 노력해야 합니다.
3) 표준관입시험은 사질토층에서 N값으로 상대밀도를 알기위해 개발된 시험장비로서 점성토층 조사에는 부적합 하므로 점성토층 지반조사는 표준관입시험(N값)과 피조콘관입시험(qc값)을 병행하여 조사하는 것이 바람직합니다.
4) 표준관입시험을 연약한 점성토지반에 적용할 경우 동적하중의 적용에 의해 지반교란이 발생하여 강도가 과소 평가될수 있습니다. 그렇기에 느슨한 사질토에 적용시 다짐효과에 의해 강도의 과대평가가 우려되고 자갈, 호박돌, 전석 등이 혼재된 경우 N값이 과대하게 측정될 우려가 있으므로 주의가 요망됩니다.
5) 수동 표준관입시험으로 지반조사 실시하는 경우 낙하고(76cm) 규정미달이 많이 발생하므로 자동 표준관입시험 장비를 사용하는 것이 바람직합니다.