지반 조사

3. 시추 조사

시추 조사는 지반 조사를 위해 땅속에 구멍(보링, boring)을 뚫는 방법으로, 시험굴 조사, 오거 시추, 수세식 시추, 회전식 시추, 회전 수세식 시추 등 다양한 방법이 있다. 일반적으로 지반 조사를 위한 시추는 기초 슬래브 단변의 2배 이상, 구조물 폭의 1.5~2.0배 깊이로 한다. 토층 단면이 변화하는 경우 중간에 보링을 하여 변화 상태가 전부 명확히 나타나도록 해야 하며, 특히 기복이 심한 지형, 흙깎기, 흙쌓기 부분에서 보링을 한다. 보링 후 나온 시추공은 사용 후 흙이나 시멘트 그라우트로 메워야 한다.

시험굴 조사, 오거 시추, 수세식 시추, 회전식 시추, 회전 수세식 시추에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참고하면 된다.

보링은 크게 대구경과 소구경 두 가지로 나뉜다. 대구경 보링은 안전 문제와 비용 때문에 드물게 사용되지만, 지질학자나 엔지니어가 현장에서 토양 및 암석의 층서를 육안으로, 그리고 수동으로 검사할 수 있도록 하기 위해 가끔 사용된다. 소구경 보링은 지질학자 또는 엔지니어가 토양 또는 암석 절삭물을 검사하거나 토양 샘플러를 사용하여 깊이에서 샘플을 회수하고, 현장 토양 시험을 수행하기 위해 자주 사용된다. 조사 간격 및 깊이에 대한 권장 사항은 유로코드 7 - 지반 설계 - 파트 2의 부록 B.3에 제시되어 있다.^[2]

토양 샘플은 '교란' 또는 '비교란'으로 분류되지만, "비교란" 샘플은 실제로 비교란 상태가 아니다. 교란 샘플은 토양의 구조가 충분히 변경되어 토양의 구조적 특성에 대한 시험이 현장 조건을 대표하지 않으며, 토양 입자의 특성(예: 입도 분포, 아테르버그 한계, 토양의 다짐 특성, 토양 퇴적물의 일반적인 암상과 가능한 함수비)만 정확하게 결정할 수 있는 샘플이다. 비교란 샘플은 샘플 내 토양의 상태가 현장 토양의 조건에 충분히 가까워서 토양의 구조적 특성에 대한 시험을 사용하여 현장 토양의 특성을 근사할 수 있는 샘플이다. 비교란 방법으로 얻은 시료는 토양 층서, 투수성, 밀도, 압밀 및 기타 공학적 특성을 결정하는 데 사용된다.

해상 토양 채취는 많은 어려운 변수를 포함한다. 얕은 수심에서는 바지선에서 작업을 수행할 수 있다. 더 깊은 수심에서는 선박이 필요하다. 심해 토양 샘플러는 일반적으로 피스톤을 사용하는 기본 중력 코어의 수정된 형태인 쿨렌베르크형 샘플러의 변형이다.^[3] 해저 샘플러도 사용할 수 있으며, 이 샘플러는 채취 튜브를 토양에 천천히 밀어 넣는다.

흙 시료는 다양한 시료 채취기를 사용하여 채취하며, 어떤 시료 채취기는 교란된 시료만 제공하는 반면, 다른 시료 채취기는 비교적 교란되지 않은 시료를 제공할 수 있다. 시료 채취기의 종류는 다음과 같다.

• 삽: 현장에서 흙을 파내어 시료를 얻을 수 있다. 이 방식으로 채취한 시료는 교란된 시료이다.
• 트라이얼핏: 지하수위를 결정하고 교란된 시료를 채취하기 위해 사용되는 비교적 작은 수동 또는 기계 굴착 트렌치이다.
• 수동/기계 구동 오거: 절삭 날이 부착된 짧은 원통형 튜브와 로드 및 핸들로 구성된다. 회전과 하향력을 조합하여 전진하며, 이 방식으로 채취한 시료는 교란된 시료이다.
• 연속 비행 오거: 코르크 마개와 같은 오거를 사용하여 시료를 채취한다. 오거를 땅에 나사로 박은 다음 들어 올리며, 흙은 오거의 날에 유지되어 테스트를 위해 보관된다. 이 방식으로 채취한 흙은 교란된 것으로 간주된다.
• 스플릿 스푼 / SPT 시료 채취기: '토양의 표준 관입 시험(SPT) 및 분할 배럴 시료 채취를 위한 표준 시험 방법'(ASTM D 1586)에 사용된다. 일반적으로 길이가 약 45.72cm - 약 76.20cm, 외경(OD)이 약 5.08cm인 속이 빈 튜브로, 길이 방향으로 반으로 갈라져 있다. 약 3.49cm 개구부가 있는 경화 금속 구동 슈가 하단에 부착되어 있고, 시료 채취기 헤드에는 일방향 밸브와 드릴 로드 어댑터가 있다. 약 63.50kg 해머가 약 76.20cm에서 떨어져 땅에 박으며, 시료 채취기를 총 약 45.72cm 전진시키는 데 필요한 타격 횟수(해머 타격)를 세고 보고한다. 비 점착성 토양에 사용되며, 이 방식으로 채취한 시료는 교란된 것으로 간주된다.
• 개량형 캘리포니아 시료 채취기: '토양의 두꺼운 벽, 링 라이닝, 분할 배럴, 구동 시료 채취를 위한 표준 실무' (ASTM D 3550)에 사용된다. SPT 시료 채취기와 개념이 유사하며, 시료 채취기 배럴은 직경이 더 크고 일반적으로 시료를 담기 위해 금속 튜브로 안(lining) 되어 있다. 개량형 캘리포니아 시료 채취기에서 채취한 시료는 시료 채취기의 면적비(시료 채취기 벽 면적/시료 단면적)가 크기 때문에 교란된 것으로 간주된다.
• 셸비 튜브 시료 채취기: '지반 공학적 목적으로 토양의 얇은 벽 튜브 시료 채취를 위한 표준 실무' (ASTM D 1587)에 사용된다. 발가락에 절삭 날이 있는 얇은 벽 튜브로 구성된다. 시료 채취기 헤드는 튜브를 드릴 로드에 부착하고, 체크 밸브와 압력 배출구를 포함한다. 점착성 토양에 사용되며, 이 시료 채취기는 토양층으로 전진하며, 일반적으로 튜브 길이보다 약 15.24cm 짧다. 체크 밸브로 생성된 진공과 튜브 내 시료의 응집력으로 인해 튜브가 인출될 때 시료가 유지된다. 표준 ASTM 치수는 다음과 같다. 외경 약 5.08cm, 길이 약 91.44cm, 게이지 두께 18; 외경 약 7.62cm, 길이 약 91.44cm, 게이지 두께 16; 그리고 외경 약 12.70cm, 길이 약 137.16cm, 게이지 두께 11. ASTM은 표준화된 튜브 디자인에 비례하는 한 다른 직경을 허용하며, 튜브 길이는 현장 조건에 적합해야 한다. 이 방식으로 채취한 토양은 교란되지 않은 것으로 간주된다.
• 피스톤 시료 채취기: 끝에 피스톤이 있는 얇은 벽 금속 튜브이다. 보어홀 바닥에 밀어 넣고, 피스톤은 튜브가 통과하는 동안 토양 표면에 남아 있다. 연약한 토양에서 교란되지 않은 시료를 반환하지만, 모래 및 단단한 점토에서는 전진하기 어렵고 자갈을 만나면 손상될 수 있다(시료 손상). D. A. Livingstone이 개발한 [https://web.archive.org/web/20070328204138/http://lrc.geo.umn.edu/livingstone-bolivia.pdf 리빙스턴 코어]는 일반적으로 사용되는 피스톤 시료 채취기이다. 톱니 모양의 코어 헤드가 있는 리빙스턴 코어의 수정은 작은 뿌리 또는 묻힌 잔가지와 같은 지하 식물 물질을 잘라내기 위해 회전할 수 있다.
• 피쳐 배럴 시료 채취기: 피스톤이 없다는 점을 제외하고는 피스톤 시료 채취기와 유사하다. 토양 시료 위의 물이나 공기의 압력 축적을 방지하기 위해 시료 채취기 상단 근처에 압력 완화 구멍이 있다. 이 시료 채취기에 적합한 토양 시료는 점토, 실트, 모래, 부분적으로 풍화된 암석이다.

3. 1. 시험굴 조사

4. 시료 채취

• $A\_r\; \backslash leq\; 10\backslash \%$이면 불교란 시료
• $A\_r\; >\; 10\backslash \%$이면 교란 시료

4. 1. 교란 시료 채취

• 스플릿 스푼 (split spoon) 시료 채취: 굴착 로드 하단에 스플릿 스푼을 연결하고 시추공에 삽입한 후, 해머로 굴착 로드 상부를 타격하여 스플릿 스푼을 지반에 관입시켜 교란 시료를 채취한다. 이 과정에서 해머 타격 횟수를 측정하는 표준 관입 시험과 시료 채취가 동시에 이루어진다.
• 삽: 현장에서 흙을 파내어 시료를 얻을 수 있다.
• 트라이얼핏: 지하수위를 결정하고 교란된 시료를 채취하기 위해 사용되는 비교적 작은 수동 또는 기계 굴착 트렌치이다.
• 수동/기계 구동 오거: 일반적으로 절삭 날이 부착된 짧은 원통형 튜브와 로드 및 핸들로 구성된다. 시료 채취기는 회전과 하향력을 조합하여 전진한다.
• 연속 비행 오거: 코르크 마개와 같은 오거를 사용하여 시료를 채취하는 방법이다. 오거를 땅에 나사로 박은 다음 들어 올려 흙을 오거의 날에 유지시켜 보관한다.
• 개량형 캘리포니아 시료 채취기: SPT 시료 채취기와 개념이 유사하며, 시료 채취기 배럴은 직경이 더 크고 일반적으로 시료를 담기 위해 금속 튜브로 안 lining 되어 있다.

4. 2. 불교란 시료 채취

• 셸비 튜브 시료 채취기: '지반 공학적 목적으로 토양의 얇은 벽 튜브 시료 채취를 위한 표준 실무' (ASTM D 1587)에 사용된다. 이 시료 채취기는 발가락에 절삭 날이 있는 얇은 벽 튜브로 구성된다. 시료 채취기 헤드는 튜브를 드릴 로드에 부착하고, 체크 밸브와 압력 배출구를 포함한다. 일반적으로 점착성 토양에 사용되며, 이 시료 채취기는 토양층으로 전진하며, 일반적으로 튜브 길이보다 약 15.24cm 짧다. 체크 밸브로 생성된 진공과 튜브 내 시료의 응집력으로 인해 튜브가 인출될 때 시료가 유지된다. 표준 ASTM 치수는 다음과 같다.

ASTM은 표준화된 튜브 디자인에 비례하는 한 다른 직경을 허용하며, 튜브 길이는 현장 조건에 적합해야 한다. 이 방식으로 채취한 토양은 교란되지 않은 것으로 간주된다.

• 피스톤 시료 채취기: 이 시료 채취기는 끝에 피스톤이 있는 얇은 벽 금속 튜브이다. 시료 채취기는 보어홀 바닥에 밀어 넣고, 피스톤은 튜브가 통과하는 동안 토양 표면에 남아 있다. 이 시료 채취기는 연약한 토양에서 교란되지 않은 시료를 반환하지만, 모래 및 단단한 점토에서는 전진하기 어렵고 자갈을 만나면 손상될 수 있다(시료 손상). D. A. Livingstone이 개발한 [https://web.archive.org/web/20070328204138/http://lrc.geo.umn.edu/livingstone-bolivia.pdf 리빙스턴 코어]는 일반적으로 사용되는 피스톤 시료 채취기이다. 톱니 모양의 코어 헤드가 있는 리빙스턴 코어의 수정은 작은 뿌리 또는 묻힌 잔가지와 같은 지하 식물 물질을 잘라내기 위해 회전할 수 있다.

5. 원위치 시험(In-situ Test)

원위치 시험(In-situ Test)은 현장에서 지반의 상태를 조사하는 방법이다. 여러가지 시험 방법이 있는데, 대표적으로 표준 관입 시험, 베인 전단 시험, 콘 관입 시험, 프레셔미터 시험 등이 있다.^[6]

• 동적 콘 관입 시험: 무게를 수동으로 들어 올려 땅에 관입하는 콘에 떨어뜨리는 현장 시험이다. 타격당 mm 수를 기록하고 이를 사용하여 특정 토양 특성을 추정한다. 이 방법은 간단하며, 좋은 상관 관계를 얻기 위해서는 일반적으로 실험실 데이터로 보강해야 한다.
• 콘 관입 시험(CPT) 관련 추가 시험
• 피에조콘 관입 시험 프로브: 일반 CPT 프로브와 동일한 장비를 사용하지만, 프로브가 전진할 때 지하수 압력을 측정하는 추가 계측기가 있다.
• 지진 피에조콘 관입 시험 프로브: CPT 또는 CPTu 프로브와 동일한 장비를 사용하지만, 지표면 소스에서 생성된 전단파 및/또는 압력파를 감지하기 위해 지오폰 또는 가속도계를 장착하기도 한다.
• 전체 유동 관입계(T-바, 볼, 플레이트) 프로브: 극도로 부드러운 점토 토양(예: 해저 퇴적물)에서 사용되며 CPT와 동일한 방식으로 전진한다. T-바는 드릴 스트링에 직각으로 부착되어 T자 모양을 형성하는 원통형 막대이고, 볼은 큰 구체이며, 플레이트는 평평한 원형 판이다. 부드러운 점토에서는 토양이 점성 유체와 유사하게 프로브 주위로 흘러가며, 과도 하중 응력 및 간극 수압으로 인한 압력은 프로브의 모든 측면에서 동일하므로(CPT와 달리) 보정이 필요하지 않아 오류를 줄이고 정확도를 높인다. 측정 센서에 가해지는 부하가 매우 낮기 때문에 특히 부드러운 토양에서 선호된다. 전체 유동 프로브는 재성형된 토양 저항 측정을 위해 위아래로 순환할 수도 있다. 궁극적으로 지반 기술 전문가는 측정된 관입 저항을 사용하여 비배수 전단 강도와 재성형된 전단 강도를 추정할 수 있다.
• 헬리컬 프로브 시험(HPT): 비교적 얕은 깊이에서 토양 특성을 빠르고 정확하게 결정하는 방법으로, 가볍고 한 사람이 신속하게 수행할 수 있어 현장 기초 검사에 적합하다. 시험 중 프로브를 원하는 깊이까지 밀어 넣고 프로브를 회전시키는 데 필요한 토크를 측정하여 토양의 특성을 결정한다.
• 전기 토모그래피: 건설 프로젝트에서 토양 및 암석 특성 및 기존 지하 기반 시설을 조사하는 데 사용될 수 있다.^[6]
• 평판 팽창계 시험(DMT): 평판 프로브로, 종종 CPT 장비를 사용하여 전진하지만 기존 드릴 장비에서도 전진할 수 있다. 평판의 다이어프램은 토양 재료에 측방향 힘을 가하고 원하는 깊이 간격에서 적용된 다양한 수준의 응력에 대해 유도된 변형을 측정한다.

5. 1. 표준 관입 시험(SPT)

5. 2. 베인 전단 시험

5. 3. 콘 관입 시험(CPT)

6. 물리 탐사

물리 탐사는 지표면 또는 시추공에서 물리적인 방법을 이용하여 지반의 특성을 조사하는 방법이다.^[15] 여기에는 다음과 같은 방법들이 있다.

• 전자기(레이더, 전기비저항) 탐사
• 광학/음향 원격 뷰어 조사
• 표면파 분석
• 지진 처리 및 모델링

7. 지하수 조사

지하수 조사는 지반의 수리적 특성을 파악하기 위해 지하수위, 투수 계수, 간극 수압 등을 측정하는 과정이다.

• 보링공을 이용한 사질·자갈 지반의 지하수위 측정 방법
• 관측정을 이용한 사질·자갈 지반의 지하수위 측정 방법
• 보링공 내에 설치한 전기식 간극 수압계에 의한 간극 수압 측정 방법
• 단공을 이용한 투수 시험 방법
• 양수 시험 방법
• 다짐된 지반의 투수 시험 방법
• 트레이서를 이용한 지하수 유동층 검층 방법
• 공내 수위 회복법에 의한 암반의 투수 시험 방법
• 주수에 의한 암반의 투수 시험 방법
• 루지온 시험 방법

8. 환경 지반 조사

환경 지반 조사는 지반 오염 물질의 종류, 농도, 분포 범위 등을 파악하고, 오염 정화 및 복원 방법을 결정하기 위해 실시한다. 이 조사는 토양 및 지하수 시료 채취, 화학 분석 등을 포함한다.^[1]

환경 화학 분석을 위한 샘플링 방법은 다음과 같다.^[1]

• 로터리식 슬리브 내장 이중관 샘플러에 의한 환경 화학 분석을 위한 시료 채취^[1]
• 타격 관입법에 의한 환경 화학 분석을 위한 시료 채취^[1]
• 환경 화학 분석을 위한 표층 토양 시료 채취^[1]
• 관측정으로부터의 환경 화학 분석을 위한 지하수 시료 채취^[1]

참조

_[1] 웹사이트 Contaminated Land Assessment Consultants Nottingham http://www.rangoonpo[...] 2019-04-09
_[2] 문서 Eurocode 7 - Geotechnical design - Part 2 https://www.phd.eng.[...]
_[3] 논문 Effects of sample disturbance and consolidation procedures on measured shear strength of soft marine Norwegian clays Canadian Geotechnical Journal 2011
_[4] 문서 Standard Test Method for Standard Penetration Test (SPT) and Split-Barrel http://www.astm.org/[...]
_[5] 문서 Standard Practice for Thin-Walled Tube Sampling of Soils for Geotechnical http://www.astm.org/[...]
_[6] 뉴스 Deep Scan Tech uncovers hidden structures at the site of Denmark's tallest building https://www.deepscan[...] Deep Scan Tech 2023
_[7] 웹사이트 D4318-10 Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils http://www.astm.org/[...] 2011-01-16
_[8] 웹사이트 D1883-07e2 Standard Test Method for CBR (California Bearing Ratio) of Laboratory-Compacted Soils http://www.astm.org/[...] 2011-01-16
_[9] 웹사이트 CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR) AND ROAD PAVEMENT DESIGN https://web.archive.[...] 2007-02-07
_[10] 웹사이트 D3080-04 Standard Test Method for Direct Shear Test of Soils Under Consolidated Drained Conditions http://www.astm.org/[...] 2007-02-07
_[11] 웹사이트 D4829-08a Standard Test Method for Expansion Index of Soils http://www.astm.org/[...] 2011-01-16
_[12] 웹사이트 D5084-10 Standard Test Methods for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter http://www.astm.org/[...] 2011-01-16
_[13] 웹사이트 D422-63(2007) Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils http://www.astm.org/[...] 2007-02-07
_[14] 문서 Soil moisture content https://www.environm[...]
_[15] 학회발표 Determination of Shear Wave Velocity Profile of Sedimentary Deposits in Bam City (Southeast of Iran) using Microtremor Measurements American Society of Civil Engineers (ASCE) 2006-06-06