표준관입시험

표준관입시험 현장 사진(출처 : 피티씨 홈페이지)

정의

• 표준관입시험은 지반조사의 대표적인 방법(시험)으로서 SPT(Standard Penetration Test)라고 하며, 지반의 지지력 즉, 지반 위에 구축되는 시설물의 무게를 견딜 수 있는 능력을 측정하는 시험이다.
• 측정 대상의 지반 원위치에서 흙의 연경도(Consistency)와 상대밀도(Relatively density) 등을 확인하기 위해 N 값을 측정하는 관입시험으로, 기초의 설계, 흙막이 설계 등을 위하여 여러가지 지반의 특성을 파악하는 시험 방법이다.

표준관입시험 목적

• 지내력 측정
• 지지층의 위치 확보
• 연약층 파악
• 지질주상도의 기초자료로 활용

시험 결과의 활용 방안

• 분포한 지반의 지층 판별, 토질의 특성을 추정하고 연약층 유무를 판단할 수 있다.
• 기초지반 구조물 안전성 검토시 기초자료로 활용이 가능(지반 지지력, 지반반력계수, 전단강도의 추정)하다.
• 사질토 지반의 액상화 가능성 평가자료로 활용이 가능하다.
• 기초지반 구조물의 동적 해석을 위한 지반의 강도 특성, 변형특성에 대한 파악이 가능하다.
• 지반의 기본 물성시험용의 시료 채취가 가능하다.

구분		내용
조사결과로 확인이 가능한 항목		지반내 토층분포 및 토질의 종류 지지층의 분포 심도 연약층의 유무(압밀침하층 두께)
N값을 통한 추정 항목	사질토	상대밀도(Dr) 내부마찰각(Φ) 기초지반의 탄성침하 및 허용지지력 액상화 가능성
	점성토	일축압축강도(qu) 비배수점착력(Cu) 기초지반의 허용지지력 연·경정도

표준관입시험 특성

• 표준관입시험은 지반조사의 가장 보편적인 방법으로 기존의 관련 연구, 사례 자료가 많이 존재하며 비교적 간단한 시험 방법이다.
• 흙의 다짐 상태 확인을 위한 타격횟수 N값을 측정하며, 다양한 요소에 대한 N값 보정이 필요하다. (에너지 효율에 대한 보정은 필수)
• 보링과 병행하여 시험한다.
• 주로 모래지반에서 사용하는 지반시험 방법이다. 암반, 점토지반에서도 시험이 가능하지만 편차가 커서 신뢰성이 저하되는 단점이 있다.
• 표준관입시험 수행자의 경험, 숙련도에 따라 오차의 범위가 크다.

표준관입시험 장비

• 시추 장비 : 지름이 65~150mm의 시추 굴착 장비
• 표준관입시험 장비 : 시험용 샘플러(슈, 스플릿 배럴 및 커넥트 헤드로 구성됨), 시추로드, 시추로드 커플링, 해머, 낙하 기구 및 장치

표준관입시험 모식도(한국산업규격 KS F 2307)

표준관입시험 순서

1. 시험 대상 위치의 터고르기를 통해 지표면을 평평하게 정리한 후, 지반 천공

- 보링의 구멍은 지름 6.5~15cm 범위로 한다.

- 소요 깊이까지 보링 구멍을 굴착하고 보링 구멍 하부의 슬라임을 제거한다.

2. 시험기구 설치(샘플러를 로드 선단부에 부착)

표준관입시험 - 스플릿 스푼 샘플러(출처 : https://www.constructioncivil.com/)

- 표준관입시험의 장치는 지름 65~150mm의 시추공을 굴착할 수 있는 보링 기계식

3. 예비타격 실시

4. 본타격 실시

- 63.5±0.5kg의 해머를 높이 76±1cm에서 자유낙하 한다.

- 해머의 타격횟수 N값(N-Value)을 측정한다.

표준관입시험 - 해머(출처 : https://www.constructioncivil.com/)

5. 시료관찰 및 보존

- 지표에 샘플러를 올려 채취 시료를 관찰한다.

- 대표 시료를 투명한 용기에 밀봉하고 시험 내역을 기재한다.

6. 시험 데이터 정리 및 시험보고서 작성

- 본 타격 개시 깊이 및 타격 종료 깊이 등을 측정하고 기록한다.

- 타격수와 누계 관입량의 관계를 도식화 한다.

표준관입시험 절차

N값

• N값은 63.5kg의 추로 75cm 높이에서 타격시 로드가 30cm 관입할 때의 타격 횟수를 의미한다.
• 즉, N=15라는 것은 30cm의 관입에 필요한 타격 횟수가 15회임을 의미한다.

N값에 따른 토층의 강도

모래		점토
N값	밀도	N값	밀도
0~4	아주 느슨	0~2	아주 연함
4~10	느슨	2~4	연함
10~30	중간	4~8	중간
30~50	치밀	8~15	강한 점착력
50 이상	아주 치밀	15~20	매우 강한 점착력
-	-	20 이상	견고

N값의 영향요인

• 해머의 종류, 해머의 인양 및 낙하방식, 로프 및 강선 등의 부속도구 상태 등 시험장비 해머의 에너지 효율에 따라 N값이 달라질 수 있다.
• 시추공 바닥면의 상태 : 슬라임 처리 상태, 교란 정도에 다라 관입량과 타격수가 달라지며, 시추공의 직경이 커질 수록 N값도 커진다. 시추공의 직경은 10cm 이내가 적합하다.
• 샘플러의 위치, 종류(형태/모양) : 샘플러 위치가 부적절할 경우 타격수에 영향을 미칠 수 있다. 케이싱 선단이 샘플러보다 아래에 있게 되면 사질토에서는 N값이 증가하며, 점성토에서는 감소할 수 있다.
• 시추공 내 지하수위 : 사질토의 경우 시추공 내 정수압이 지하수위보다 낮으면 N값이 증가하게 된다.
• 슈의 상태 : 낡은 슈를 사용하거나, 슈가 자갈 등으로 막히는 상태로 타격하는 경우 N값이 증가한다.
• 롯드의 무게 : 롯드가 무거울 경우 타격에너지를 많이 흡수함에 따라 N값이 증가한다. 롯드가 짧은 경우에는 압축파가 샘플러에 도달하기 전에 인장파와 중첩되면서 에너지가 감소하고 N값이 증가하게 된다.
• 라이너 및 볼 밸브 유무 : 라이너가 없으면 N값이 감소하며, 점토층에서는 신속한 굴진을 위하여 볼 밸브가 없는 샘플러를 관입시키기도 하는데 이러한 경우 N값에 영향을 미칠 수 있다.
• 관입지반의 배수조건 : 지층의 종류와 배수, 비배수 조건에 따라 N값에 차이가 발생할 수 있다.
• 상재압력
• 작업자의 숙련도 등

N값의 보정

• 현장에서 측정한 N값은 다양한 요인의 영향을 받는다. Skempton은 현장에서 측정된 N값에 해머 효율, 로드 길이, 샘플러의 종류 및 시추공 지름 등에 의한 영향 보정 방법을 추천했으며, 국제표준에너지비 N의 보정 공식은 에너지 효율 60%를 기준으로 아래와 같다.

- Das의 N값 보정 공식 N₆₀ = (N×C_E×C_B×C_S×C_R) ÷ 60

· N : 표준관입시험 측정값

· C_E : 해머의 에너지 효율 보정계수

· C_B : 시추공 지름에 대함 보정계수

· C_S : 샘플러 종류에 대한 보정계수

· C_R : 로드 길이에 대한 보정계수

각 항목별 보정계수

해머의 에너지 효율		시추공 지름		샘플러 종류		로드 길이
종류	보정계수	지름	보정계수	종류	보정계수	길이	보정계수
도넛형	46%	65~115mm	1.00	라이너 없음	1.2	3~4m	0.75
Safety형	65%	150mm	1.05	라이너 있음	1.0	4~6m	0.85
자동형	54%	200mm	1.15	-	-	6~10m	0.95
-	-	-	-	-	-	10m	1.00

N값 결과 정리 예시

• 표준관입시험을 통해 각 공번과 심도별 값은 아래와 같이 표기할 수 있으며 N값을 도출할 수 있다.

공번 및 심도	1.5	3.0	4.5	6.0	7.5	9.0	10.5	12.0	13.5	15.0	16.5	18.0	19.5	21.0	22.5	24.0	25.5	27.0	28.5	30.0	횟수
공번-1	타격불가	14/30	11/30	9/30	10/30	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	50/1	19회
공번-2	15/30	33/30	12/30	11/30	10/30	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	10회
ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː	ː
공번-n	8/30	8/30	11/30	50/23	21/30	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	11회

표준관입시험 결과 보고

• 한국산업표준 KS F 2307(표준관입시험방법)에 의하면 표준관입시험 결과보고서에는 아래와 같은 사항이 명시되어야 한다.

- 지점 번호

- 시험 일자

- 시험자

- 사업명 또는 용역명

- 시험 위치의 좌표

- 시험 위치의 지반 높이 및 타격 깊이

- 지반 높이 및 시험 깊이

- 지하 수위

- 시험 장비의 효율

- 해머 낙하 방법

- 기록 방법

- 예비타격 및 본타격의 개시깊이와 종료 깊이

- 타격 1회마다의 관입량을 측정한 경우, 필요에 따라 타격 횟수와 누계 관입량의 관계를 나타내는 그림

- N₆₀ 값

- 채취 시료의 관찰 결과

- 기타 보고사항

표준관입시험시 유의사항

• 보링 구멍 하부의 슬라임을 제거한 후 시험을 실시한다.
• 지층의 특성이 달라질 때마다 시험해야 한다.
• 보통 1.5m 간격을 유지한다.
• 15cm 예비타격 후에 30cm 본타격을 실시한다. (본타격에서는 타격 1회마다 누계 관입량을 측정한다)
• 50회 이상 타격시 50회 타격에 대한 관입 자료만 기록한다.
• 지반 중 점토지반은 편차가 큼에 따라 토질자료의 채취를 목적으로 한다.
• 시험시료는 Split Spoon Sampler로 채취하며, 함수비 변화가 없도록 시료병에 넣어 필요한 사항을 기재하여 시료상자에 정리·보관하도록 한다. 여기서 기재가 필요한 사항은 조사명, 조사일자, 공번, 시료채취 심도, N값, 토질명 등이 있다.

- 스플릿 스푼(Split Spoon) : 표준관입시험 기기를 구성하는 부품 중 하나로, 표준관입시험에서 로드의 선단에 붙이는 시료 채취 기구

• KS에서 표준관입시험 장비의 각 부분에 대해 구체적인 규정을 짓고 있지 않으며, 실제 현장에서는 여러종류의 시험장비가 활용되고 있어 해머의 형태, 인양 및 낙하방식, 타격방법, 동력원 등의 상이하여 시험결과의 일관성이 보장되지는 않을 수 있다.

관련규정

• 한국산업규격 KS F - 2430(관능검사에 의한 흙의 분류 방법)
• 한국산업규격 KS F - 2324(흙의 공학적 분류 방법)
• 한국산업규격 KS F - 2307(표준 관입 시험방법)
• 설계기준 KDS 11 10 10(지반조사)
• 설계기준 KDS 11 10 15(지반계측)
• 설계기준 KDS 11 00 00(지반설계기준)
• 설계기준 KDS 11 10 05(지반 설계 일반)
• 건설공사표준품셈(국토교통부)
• 건설공사 품질관리 업무지침(국토교통부)

관련용어

• 지반(Ground)
• 시추시험
• 지반조사(Site investigation)