표준 관입 시험

표준관입시험(SPT; standard penetration test)은 스플리트 스푼(split spoon)이라고 하는 원통형 sampler를 시추공에 넣고 동일한 에너지로 타격을 가해 흙의 저항력을 측정하는 시험이다. 토질의 특성을 조사하는 방법 중, 시험기의 선단에 장착한 저항체를 흙속에 압입 후 관입, 회전, 인발시의 저항을 측정하여 토질 특성을 조사하는 사운딩(sounding)의 일부며, 콘 관입시험, 베인 시험 등이 이에 포함된다.

샘플러

분리형 원통 샘플러(split spoon sampler)는 표준 관입 시험에서 사용되는 샘플러이다. 시추가 끝나고 시추 로드 하단에 연결해서 땅 속에 관입하여 시료를 채취한다. 분리형 원통 샘플러는 땅 속에서 흙 시료가 채취되면 샘플러 상단의 밸브를 통해 공기가 빠져나간다. 시료 채취가 완료되면 다시 지상으로 나오는데 이때는 밸브가 닫히면서 통 속을 진공상태로 만들어 시료가 빠져나가는 것을 방지한다.

시험방법 및 N 값

1. 시추공을 굴착후 샘플러(sampler)를 로드에 접속시켜 시추공 바닥으로 내린다.
2. 로드 상단을 63.5Kg의 해머로 76cm에서 낙하, 시추공 바닥에서의 지반교란의 영향을 없애기 위해서 15cm의 예비타격을 실시한다.
3. 15cm 예비 타격이 끝나면 샘플러가 30cm 관입에 필요한 타격횟수를 구하여 표준관입시험치(N값)으로 한다.(총 15cm씩 세 번 타입)
4. 50회 타격을 해도 관입량이 30cm가 되지 않으면 50회 타격시의 관입량을 기록한다(예 : 50/10 기록. 50회 타입했지만 10cm밖에 관입되지 않았다는 의미)

표준 관입 시험은 심도 1~1.5m마다 반복하여 실시한다.

특징

• 시추공 필요
• 교란시료 채취가능
• 기존 경험자료가 많고 시험이 간단하여 많이 이용된다.
• 시험자의 숙련도에 따른 오차가 크다.
• 점성토에 대한 시험치는 신뢰도가 낮다.
• N값은 보정이 필요하다.

N값에 영향을 주는요인

• 해머효율, 로드길이, 샘플러 종류(모양), 보링공 지름, 상재하중, 숙련도

N값을 설계에 적용하기 위한 보정

N값이 과소 혹은 과대 추정되는 것을 막기 위해 보정을 해준다.

• 포화된 미세한 실트 사질층에 대한 보정 : N값>15이면 다음 식으로 보정

$N_{2}=15+{\frac {1}{2}}(N_{1}-15)\qquad (N_{1}$은 로드 길이에 의해 보정된 N치)

• 상재하중에 대한 보정
• 로드길이에 대한 보정

결과의 이용

지반정수 추정

• 지반의 전단 강도 추정
• 지반의 탄성계수($E_{s}$) 추정 : ${\frac {E_{s}}{N}}$ 의 값이 클수록 자갈쪽 토질
• 지반의 상대밀도($D_{r}$) 추정 : N값이 높을수록 $D_{r}$값이 높다 (촘촘한 모래)
• 지반의 연경도 추정 : N값이 크면 단단
• 지반의 일축압축강도($q_{u}$) 추정 : $q_{u}={\frac {1}{8}}N$
• 말뚝의 지지력 추정

지반의 내부 마찰각 추정

Peck의 공식을 이용하면 내부 마찰각은 다음 식으로 추정 가능하다. $\phi =0.3N+27$

Dunham 공식을 이용하여 N치와 내부 마찰각의 관계를 알 수 있다.

• 입도가 양호하고, 토립자가 모났을 때 : $\phi ={\sqrt {12N}}+25$
• 입도가 양호하고, 토립자가 둥글 때 : $\phi ={\sqrt {12N}}+20$
• 입도가 불량(균일한 입경)하고, 토립자가 모났을 때 : $\phi ={\sqrt {12N}}+20$
• 입도가 불량(균일한 입경)하고, 토립자가 둥글 때 : $\phi ={\sqrt {12N}}+15$

지반공학적 설계값

• 얕은 기초의 허용지지력 추정 (Meyerhof의 공식)
• 깊은 기초 (말뚝)의 허용지지력
• 액상화 가능성 파악 (간이예측법)
• 지반반력계수 값 추정

한계

N값은 근사적인 값으로 사질토에서는 신뢰할만 하나, 점성토에 대한 시험에서는 신뢰성이 떨어진다. 자갈이 많은 토질에서는 N값이 너무 크게 측정될 수 있다. 또한 N값은 보정하는 것이 중요하며, 특히 에너지 효율에 대한 보정은 필수적이다.

같이 보기

• 지반 조사

외부 링크

• 표준관입시험 - 유튜브

참고 문헌

• 천병식, 지반공학(이론과 실제), 2002
• 김상규, 토질역학 (이론과 응용), 2009
• 성안당 출판사, 토목기사 과년도 시리즈(토질 및 기초), 2015
• 이인모 (2015). 《기초공학의 원리》 1판. 씨아이알. ISBN 979-11-5610-063-8. 
• 권호진, 김동수, 박준범, 정성교 (2015). 《기초공학》 2판. 구미서관. ISBN 978-89-8225-5854.  CS1 관리 - 여러 이름 (링크)