(LM1402010805_14v2.4)
5-1. 지반정수 조사 및 산정
학습 목표
• 관련 타사업 설계지반정수 산정 자료 및 문헌자료 등을 조사하여 정리할 수 있다.
• 현장조사, 현장시험, 실내시험 자료 및 문헌자료 등을 종합적으로 분석하고, 이론적 고찰을 통하여 설계시 적용 가능한 지반정수를 산정할 수 있다.
• 터널 및 비탈면, 연약지반, 교량기초, 토공 등의 설계에 적용 가능하도록 설계지반 정수를 산정할 수 있다.
필요 지식 /
지반정수의 산정
1. 설계를 위한 토층의 대표 지반정수는 오직 하나의 시험 방법에 의해 구해진 토질시험 의 기계적인 평균값으로 산정하는 것이 아니고, 다른 토질시험 결과를 참고하여 그 지 층을 대표할 수 있는 토질시험 결과로부터 획득해야 한다. 특히, 매우 연약한 지반의 경우나 중요 구조물을 건설하는 경우에는 실제 현장에서 실물 크기의 재하시험, 또는 시험 성토를 하고 침하, 측방 변위, 간극수압 등 각종 계측을 실시하여 그 측정치를 활 용하여 설계의 타당성을 검증하는 것이 중요하다.
2. 흙막이 구조물에 작용하는 수평하중은 토압 및 수압 그리고 기타 압력으로 구성된다.
하지만 그 값의 크기와 분포 상태는 지반의 특성에 따라 다르며, 흙막이벽의 변형, 굴 착, 배수의 시공 조건에 따라서도 달라진다.
3. 흙막이벽에 작용하는 측압을 결정하는 단계에서는 전체 단위중량(), 점착력(c), 내부
지반정수의 분석
1. 자연현상에 크게 영향을 받아 생긴 재료를 공학적 대상으로 하는 지반공학에서는 공장 이나 현장에서 일정한 규격에 맞추어 생산한 제품을 쓰는 구조, 기계 분야 등 여타 공 학 분야에 비해 설계 재료의 공학적 성질을 파악하는 것이 상대적으로 어렵다. 게다가 경제적·시간적 이유로 구조물을 구성하는 재료 전체를 대상으로 재료 성질을 시험하 지 못하고, 극히 일부분만을 대상으로 하여 얻은 시험 결과를 가지고 전체 재료 성질을 추정해야 하는 문제도 있다. 또한 얻고자 하는 지반재료 성질이 재료 자체의 고유한 성 질(inherent property)이 아니고, 재료에 작용하는 현재 응력 상태, 과거의 응력 이력, 시 험기 특성 및 시험 방법 등에 영향을 받는 경우가 대부분이다.
2. 이렇듯 지반 구조물을 설계할 때 지반 구조물을 형성하는 재료들의 공학적 성질을 제 대로 파악하는 것은 지반공학자에게 있어 가장 중요한 일 중의 하나로 볼 수 있으나, 측정기기와 방법의 발전 속도에 비해 측정 결과를 분석하여 설계정수를 도출하는 것은 어려운 과정이다. 아무리 지반 구조물의 거동을 해석하는 수학적 모델이 정확하다고 해 도 지반 성질을 실제와 맞지 않게 입력하면 당연히 그 해석 결과도 신뢰할 수 없는 엉 뚱한 결과를 얻게 된다. 예를 들어 동일 지반에 대해 근처에서 몇 개의 시추조사를 통 해 지반성질을 파악했을 때 여러 시추공 결과 중에서 어느 시추공 결과를 해석에 반영 하느냐에 따라 그 결과에 큰 차이가 있을 수 있다.
(1) 지반성질의 불확실성의 원인
(가) 비교적 규격화된 자재를 주로 쓰는 구조 분야와는 달리, 자연 상태에 가까운 지반의 성질은 변동이 크고 불확실성의 원인도 복잡하다.
(나) 지반 성질의 불확실성(geotechnical property uncertainty) 은 다양한 원인에서 기인하며, 이 중에서 중요한 네 가지는 본질적 변동성(inherent variability, spatial variation), 측정(조사)오차(measurement error), 통계오차(statistical error or uncertainty) 그리고 변환 모델 불확실성(transformation model uncertainty)을 들 수 있다.
(다) 지반의 본질적인 변동성은 지반의 생성, 풍화, 운반, 퇴적 과정 등 지반 형성 과정(natural geologic formation process)과 형성 후 변화 과정에서 지반 구성 광물의 차이, 지반의 응력, 함수비 등등의 지반 형성 조건의 차이에 따라 지반 성질이 위치마다 다르고, 또 연직 방향과 수평 방향의 성질이 차이가 나는 현 상을 총칭한다. 다시 말해서 지반 성질의 본질적 변동성이란 지반의 성질이 본 질적으로 한 위치와 다른 위치에서 서로 공학적 성질이 동일하지 않으며(즉, 비균질), 한 위치에서 사방으로 공학적 성질이 동일하지 않다는(즉, 비등방성)
2. 확률통계의 기초
일반적으로 통계학은 데이터를 합리적으로 모아, 연구하려는 현상에 알맞게 분석하여 결 론을 이끌어 내는 추론의 문제를 다룬다. 물론 잘못 사용되었을 때 통계학은 약이 아니라 독이 될 수 도 있다. 만약 어떤 현상이 단 하나의 확정적 결과를 가진다면 통계학은 불필 요하다. 그러나 대부분의 현상은 불확실한 성질을 가지며, 확정적으로 하나로 정의하기 힘 들다. 이에 더하여 경제성과 시간성의 제한 때문에 전체(모집단)를 다 조사하지 못하고, 부분(표본)만을 가지고 전체의 분포를 추론하는 것이 일반적이다. 물론 조사를 시작하기 전에 표본 추출 과정과 범위를 합리적으로 결정하여 타당한 추론을 이끌어 내는 것이 매 우 중요하다. 다시 말해 데이터를 수집하고 기록하는 단계에서부터 사후 이용 단계를 고 려하여 데이터를 효과적으로 모으고 분석하는 것이 필수적이다.
설계지반정수 문헌자료 분석 1. 쌓기재 강도정수
계획된 쌓기 비탈면의 쌓기 재료는 시방서에 따른 쌓기 재료 선정 기준 및 품질관리 기준 을 만족하도록 되어 있으므로, 쌓기 재료의 특성에 따른 개략적인 토질 정수의 추정이 가 능하다.
종 류 재료의 상태 단위중량
(kN/m3)
점착력 (kPa)
내부 마찰각
(ﾟ) 비 고
자갈 및 자갈섞인 모래 20 0 40 GW,GP
모 래
입도가 좋은 것 20 0 35 SW, SP
입도가 나쁜 것 19 0 30
사 질 토 19 30 이하 25 SM, SC
점 성 토 18 50 이하 15 ML,CL,
MH,CH 출처: 도로설계요령, 제2권 토공 및 배수, 2009
<표 5-1> 토사 쌓기 재료의 개략적인 토질 정수
구 분 단위중량
(kN/m3)
점착력 (kPa)
내부 마찰각
(ﾟ) 비 고
Design of small dam 23 0 45 Joutnal of Geotechnical Engeneering 20 0 38
구조물 기초 설계기준 20 0 35
<표 5-2> 암버럭 쌓기 재료의 개략적인 토질 정수
2. 토사층의 설계정수
일반적으로 토사 지층은 매립층, 퇴적층, 풍화토층으로 구분되며, 점토, 모래, 자갈로 구성되 어 있다. 따라서 토사층의 설계정수 산정은 점성토, 사질토, 자갈로 구분하여 산정하게 된다.
종 류 재료의 상태 단위중량
(kN/m3)
점착력 (kPa)
내부마찰각
(ﾟ) 비 고
자갈
밀실한 것, 입도가 좋은 것 20 0 40 GW,
GP 밀실하지 않은 것,
입도가 나쁜 것 18 0 35
자갈섞인 모래
밀실한 것 21 0 40 GW,
GP
밀실하지 않은 것 19 0 35
모래
밀실한 것, 입도가 좋은 것 20 0 35 SW,
SP 밀실하지 않은 것,
입도가 나쁜 것 18 0 30
사질토
밀실한 것 19 30이하 30 SM,
SC
밀실하지 않은 것 17 0 25
점성토
굳은 것
(손가락으로 강하게 눌러 조금 들어감)
18 50이하 25 ML,
CL 약간 무른 것
(손가락 중간 정도의 힘으로 들 어감)
17 30이하 20
무른 것
(손가락이 쉽게 들어감) 17 15이하 20
점토 및 실트
굳은 것
(손가락으로 세게 눌러 조금 들 어감)
17 50이하 20
CH, MH, ML 약간 무른 것
(손가락의 중간 정도 힘으로 들 어감)
16 30이하 15
무른 것
(손가락이 쉽게 들어감) 14 15이하 10
출처: 도로설계요령, 제2권 토공 및 배수, 2009
<표 5-3> 토공재료의 개략적인 토질 정수
구분 Braja, M. Das Joseph E. Bowels (1996) 변형계수(MPa) 포아송비 (ν) 변형계수(MPa) 포아송비 (ν) 느슨한 모래 10 ~ 25 0.20 ~ 0.40 10 ~ 25 0.20 ~ 0.35
보통굳기 모래 17 ~ 28 0.25 ~ 0.40 - -
조밀한 모래 35 ~ 55 0.30 ~ 0.45 50 ~ 81 0.30 ~ 0.40 실트질 모래 10 ~ 17 0.20 ~ 0.40 5 ~ 20 -
연약한 점토 2 ~ 5 - 2 ~ 25
0.40 ~ 0.50 중간 점토 5 ~ 10 0.20 ~ 0.50 15 ~ 50
견고한 점토 1 ~ 24 - 50 ~ 100
느슨한 모래 섞인 자갈
69 ~ 172 0.15 ~ 0.35
50 ~ 150
0.30 ~ 0.40
조밀한 모래 섞인 자갈 100 ~ 200
출처: Braja, M. DasJoseph E. Bowels (1996)
<표 5-4> 토공 재료 지반정수의 범위
3. 풍화암의 설계정수
풍화암층은 기반암이 심한 풍화 내지 완전 풍화된 상태로, 관련 문헌자료에서 제시하는 지반정수의 범위는 다음과 같다.
구분
암반 파쇄 상태 전단 강도
비고 TCR (%) RQD (%) 내부 마찰각
( o )
점착력 (kN/㎡) 풍화암 또는 파쇄가
극심한 기반암 경우 20 이하 10 이하 30 100 암반의 파쇄 상태에 따른 전단 강도 제안 출처: 한국도로공사(1996). 도로설계실무편람. 한국도로공사
<표 5-5> 풍화암의 개략적인 지반정수
구 분 단위중량 (kN/m3)
점착력 (kPa)
내부 마찰각 (ﾟ)
변형계수 (MPa)
포아송비
(ν) 비 고
풍화암 20.0~22.0 100~300 30~35 100~200 0.3~0.4
<표 5-6> 토사 쌓기 재료의 개략적인 토질 정수
4. 기반암의 설계정수
구분
암반 파쇄 상태 전단 강도
TCR (%) RQD (%) 내부 마찰각 (ﾟ)
점착력 (kN/㎡)
강한 풍화암으로서 파쇄가 거의 없 는 경우와 대부분의 연·경암
20~30% 10~25% 0.13 33°
40~50% 25~35% 0.15 35°
70% 이상 40~50% 0.20 40°
출처: 한국도로공사(1996). 도로설계실무편람. 한국도로공사
<표 5-7> 기반암의 개략적인 지반정수
구분 단위중량
(포화상태/건조상태)
마찰각
(°) 점착력
종류 재료 lb/ft³ tf/m³ lb/ft² MPa
점착 력이 없는 물질
발파 / 파쇄 암석
현무암 백 암 화강암 석회암 사 암 셰 일
140 / 110 80 / 62 125 / 110 120 / 100 110 / 80 125 / 100
2.2 / 1.7 1.3 / 1.0 2.0 / 1.7 1.9 / 1.6 1.7 / 1.3 2.0 / 1.6
40∼50 30∼40 45∼50 35∼40 35∼45 30∼35
- -
점착 력이 있는 물질
암 석
견고한 화성암‥‥
화강암, 현무암, 반암 변성암‥‥
규암, 편마암, 절판암 견고한 퇴적암‥‥
석회암, 백운석, 사암 연약한 퇴적암‥‥
사암, 석탄, 백악, 셰일
160∼190
160∼190
160∼190
160∼190
2.5∼3.0
2.5∼2.8
2.3∼2.8
1.7∼2.3
35∼45
30∼40
35∼45
25∼35
720,000∼
1,150,000 400,000∼
800,000 200,000∼
600,000 20,000∼
400,000
35∼
55 20∼
40 10∼
30 0.10∼
20 출처: E. Hoek and J. W Bray "Rock slope Engineering" 3th (1981)
<표 5-8> 암종에 따른 암반의 설계정수 범위
구 분 단위중량 (kN/m3)
점착력 (kPa)
내부 마찰각 (ﾟ)
변형계수 (MPa)
포아송비 (ν) 연 암 23.0~25.0 300~600 30~40 200~400 0.25~0.30 보통암 24.0~26.0 600~1,500 35~40 400~1,000 0.25 경 암 25.0~27.0 1,500~2,000 35~45 1,000~4,000 0.20 출처: 서울특별시(2006). 지반조사편람, 서울특별시
<표 5-9> 암반에 따른 설계정수 범위
설계정수 항목별 산정 방법
1. 토사에 대한 설계정수 산정 방법 (1) 기본 물성
(가) 단위중량()
• 실내시험 결과에 의한 산정 방법 : 불교란 시료 단위중량 측정, 현장밀도시험
• 경험적 추정 방법 : 풍화암층의 경우 N > 50/10이므로 매우 조밀한 토사층으로 간주하여 추정
(나) 포아송비()
• 기존 문헌자료, 토질 종류 및 조성 상태에 따른 일반적인 범위값 비교 추정 (2) 역학 물성
(가) 강도정수( )
• 실내 및 현장시험 결과에 의한 산정 방법 - 토사층 : 직접전단시험(불교란 시료 채취) - 풍화암층 : 공내전단시험(BST)
• 경험적 추정 방법
- 풍화암층의 경우 N > 50/10이므로 매우 조밀한 토사층으로 간주하여 추정 - 기존 적용 사례 및 문헌자료를 이용하여 추정
(나) 변형계수()
• 시험에 의한 추정 방법 : 공내수평재하시험 결과에 의한 산정 방법
• 경험적 추정 방법