연약지반 개량 기술 편람 - 일반사항 및 지반조사

[돌이]

1. 연약지반 일반

1.1 연약지반의 정의

연약지반이란 유기물을 함유한 연약한 점토, 실트 등의 미세한 세립토, 표준관입시험치(N치)가 4~10 보다 적은 느슨한 모래층, 준설매립층 및 쓰레기매립층 등 지지력이 약하고 압축성이 큰 토질을 총칭하며, 그 위에 성토와 같은 하중을 제하하면 현저하게 침하하거나 전단파괴되어 상부구조물을 지지할 수 없는 상태의 지반을 말한다.

그러나 연약지반은 연약층의 깊이, 넓이, 구조물의 규모 등에 따라 다르기 때문에 일률적으로 정하기는 어려우며, 연약지반에 가해지는 힘, 즉 구조물의 규모나 하중강도 등의 상대적인 하중에 의해 결정되고 평가되어져야 한다. 왜냐하면 연약지반상에 놓인 하중이 작을때에는 그것을 지지할 수 있는 경우도 있기 때문이다.

따라서 연약지반상에 축조되는 구조물에 대하여는 연약지반의 제반성질 및 특성을 파악하고 구조물에 어떠한 영향을 끼치는 가를 검토, 분석하여 연약지반에 대한 처리대책을 수립하여야 한다.

1.2 연약지반의 판정기준

지반의 연약성을 평가할 때에는 대상지반을 모래지반과 점토지반으로 구분하여 경험적으로 사용되고 있는 여러 가지 개략적인 수치들로 판단하는데 표 1.1 및 1.2와 같이 모래지반은 상대밀도로, 점토는 연경도(consistency)로 표시하여 판정한 결과를 이용하는 것이 일반적이다. 그러나 점토지반에서 측정된 N치는 점토의 연경도에 대한 판별뿐만 아니라 전단강도를 추정하는데 있어서도 극히 개략적인 추정치 밖에 제시하지 못한다는 것을 유의하여야 한다. 표 1.3은 대상지반에 따른 연약지반의 구분을 보여주고 있다.

1.3 연약지반의 분포

우리나라의 연약지반은 내륙지방의 충적연약점토와 연약해성점토 지반으로 크게 나눌 수 있으며, 생성환경상 하천주변, 해안인접, 자연제방의 배후습지, 연약매립지 및 저습한 논경작지 등과 같은 지역에 일반적으로 분포되어 있다. 대부분 자연함수비가 액성한계와 비슷하고 100%이하로 나타나고 있으며, 통일분류법에 의한 분류결과 CL, CH, MH, OH등의 토질이 불규칙하게 분포되어 있으나 동해안 일부지역에서 발생되는 점토는 자연함수비가 120%~230%의 높은 값을 보이기도 하며, 유기질을 다량 함유하는 경우도 있다.

우리나라는 해안선을 따라서 연약한 실트질 해성점토지반이 넓게 분포되어 있으며, 그림 1.1에 그 추정 분포도를 보였다.

1.4 연약지반의 문제점

연약지반 위에 구조물을 건설할 경우의 문제는 크게 안정과 침하라고 할 수 있다. 안전문제에는 사면과 성토의 안정뿐만 아니라 기초와 말뚝의 지지력, 옹벽 등에 작용하는 토압, 그 외에 지진시의 액상화도 포함된다. 침하문제는 주로 압밀에 의한 침하와 부등침하이지만 전단변형에 따른 지반의 투수성이 문제가 되는 것도 있다. 특히, 우수, 오수, 급수 및 가스관 등의 지하 매설관로 공사가 많은 아파트 건설공사의 경우 입주후에 지반침하로 인한 피해가 발생하면 입주자의 불편은 물론 보수 및 보강이 어렵고 많은 비용이 소요됨을 유념하여야 한다.

2. 지반조사

2.1 지반조사

건설공사를 위한 지반조사는 공사의 계획, 설계, 시공 및 유지관리 등에 이용할 지층구조 및 토질정수를 얻기 위하여 실시하며, 예비조사, 본조사 및 확인조사로 구분할 수 있다. 시험방법은 한국산업규격(KS)에 의거 실시하되, 필요한 경우에는 외국의 기준을 적용할 수도 있다.

연약지반 지역에 대하여 지반조사 계획을 할 때 연약지반의 분포범위, 심도 등의 연약지반 분포상황, 투수성, 압밀속도, 압축성, 배수조검 등의 침하특성과 전단강도, 강도증가율, 강도이방성 등의 강도특성을 우선적으로 고려해야 할 사항이다.

또한, 설계시점이나 시공단계 중 예상치 못했던 문제가 발생하는 것에 대비하여 정보화시공(계측관리)에 의한 안전관리나 품질관리 등을 행하고 필요에 따라서 별도의 대책을 시행해야 한다.

표 2.1은 지반조건에 따라 시공중 발생할 수 있는 여러 가지 문제점을 보여주고 있다.

2.2 연약지반의 조사

2.2.1 예비조사

계획중인 구조물의 위치선정에 필요한 예비검토용 자료를 제공하기 위하여 광범위한 지역에 대해 개략적인 현장조사를 실시한다. 먼저 해당지역에 대한 기존자료의 수집과 분석이 선행되고 기존자료의 분석결과를 바탕으로 현장답사를 실시하여 보총 및 수정한다.

(1) 기존자료의 수집 : 지형도, 지질도, 항공사진, 인접구조물의 설계 및 시공기록, 토질조사, 지하수위, 재해기록 등

(2) 현장답사 : 기존자료에 대한 신뢰성 및 의문점의 확인을 위하여 현장답사를 시행하며, 조사하여야 할 사항은 다음과 같다.

- 실제의 지형과 지질이 지형도나 지질도에 표시된 것과 동일한지 여부

- 기존의 토질조사 기록과 본 지역의 연관성 및 지형적인 차이점

- 자연지반, 매립지반 여부

- 과거 자연재해에 대한 파악

- 최대 홍수위, 최저 갈수위 등 지하수위 변동상황을 조사

- 인접구조물이나 지하매설물에 대한 확인 및 조사

- 연약지반에 대한 생성환경, 분포범위, 발달깊이, 종류, 강도 등을 측정확인

- 수로 및 도로 등을 조사

2.2.2 본조사

(1) 지반조사 방법의 분류 : 예비조사 결과 연약지반이 존재할 경우 그 지층구조와 공학적 특성을 파악하여 설계와 시공에 이용하기 위하여 실시하며, 조사방법을 분류하면 그림2.2와 같다.

(2) 지반조사 시험법 및 시험종류 : 지반공학적 안정과 관련한 지반조사 항복과 이를 구하기 위한 적정 시험법, 연약지반개량공법 설계에 적용되는 시험종류는 표 2.2~2.3과 같다

2.2.3 확인조사

(1) 목적 : 연약지반개량에 중요한 목적은 지반강도 증가, 구조물의 안정성 확보 및 잔류침하량ㅇㄹ 줄여 과도한 변형에 따른 구조물의 기능상실 및 파괴를 방지하는 것이다. 따라서 연약지반개량공사를 실시할 경우 정보화시공(계측관리)실시와 동시에 시공중, 시공후에 목적하는 개량효과를 판단하기 위하여 확인조사를 실시하며, 계측관리 및 확인조사 결과를 종합하여 예상한 개량효과를 얻지 못하였을 경우에는 그 대책을 강구하여야 한다.

(2) 확인조사의 방법 ; 확인조사는 본조사와 비교, 검토하는 것이기 때문에 본조사시 실시한 시험사항과 동일하게 실시하고 가능하면 조사위치와 시료채취 심도를 본조사와 동일한 위치에서 실시하도록 한다. 지반강도 증가의 확인은 현장시험(원위치시험)의 경우 표준관입시험, 콘관입시험 및 베인전단시험이 있으며, 실내시험의 경우 일축압축시험, 직접전단시험 및 삼축압축시험 등이 있다. 흙의 압축성이나 잔류침하량의 변화를 측정할 수 있는 시험으로는 실내압밀시험과 현장침하측정법이 있다. 또한 계측을 통한 확인조사 방법으로 안전관리와 침하관리가 있다.

- 시공중 확인조사 : 연약지반개량공법을 적용한 직후의 시공중 확인조사는 연약지반개량공법의 적용에 따른 지반거동과 개량효과의 진행사항을 조사하여 후속작업의 진행여부를 판단하는 것이다.

- 시공후 확인조사 : 시공후 확인조사의 목적은 계측관리 결과와 종합하여 설계시 요구한 개량효과의 달성여부를 판정하고 목적하는 구조물의 안정성을 확인하는 것이다. 연약지반개량은 지반조사의 한계성, 개량공법의 설계시 착오, 시공경험 미숙 등에 의해서 기대했던 효과를 충분히 달성하지 못하는 경우가 많기 때문이다.

2.3 현장조사

현장조사는 시추조사, 시료채취 등으로 나누어 생각할 수 있으며, 연약층에 대한 불교란시료는 얇은 관 샘플러를 이용하여 채취한다. 핸드오거보링은 심도가 낮게 예상되는 연약지반에서 실시하거나 시추조사 사이에서 실시하며, 시추조사의 보조자료로 이용한다.

2.3.1 시추조사

시추조사란 지표로부터 지반내를 천공하여 지층의 구조와 깊이 및 두께등을 조사하는 방법으로 지하수위를 파악할 수 있고 시료를 채취를 할 수 있으며, 표준관입시험, 공내재하시험 및 계측기기의 매설 등을 수행할 수 있다. 시추조사는 신속하고 안전하며, 깊은 심도까지 시험이 가능하여 많이 이용되는 지반조사 방법이다.

2.3.1.1 시추의 종류

지반조사에 있어 시추공의 굴착은 시추목적과 지반상태 등에 따라 가장 효율적인 방법을 선택해야 하며, 시추방법에는 세척식 시추, 충격식 시추, 회전식 시추, 오거식 시추 등이 있다. 가장 많이 사용되고 있는 회전식시추 방법은 속이 빈 굴착막대 끝에 용도에 따라 절단 날이나 시료채취 날 등을 부착하여 날에 있는 작은 구멍으로 내뿜는다. 이 액체는 마찰로 인하여 뜨거워지는 굴착 날을 식히고 날이 회전시 윤활유 역할을 하며, 부스러기 흙을 시표면 위로 운반한다. 회전식 시추는 굴착속도가 다른 방법보다 빠르며, 시추구멍 바닥면 아래의 지반이 거의 교란되지 않는 장점을 갖고 있으나 지반내에 자갈 또는 자갈보다 큰 입자가 많이 섞여 있는 경우에는 사용이 곤란하다. 그림 2.3은 회전식 시추장비이다.

2.3.1.2 시추공의 배치 및 심도

시추공의 배치 및 심도는 지형, 지질, 구조물의 종류에 따라 달라지며, 위치 선정을 위한 일반적이고 경험적인 사항을 요약하면 다음과 같다.

2.3.1.2.1 시추공의 배치

시추공의 위치, 간격 및 심도는 본 조사가 시작되기 전에 결정하며, 공동주택, 공업단지 및 택지조성 등 조사지역이 광범위할 때에는 등간격의 격자형으로, 도로처럼 선형인 경우는 길이방향의 등간격으로 시추공 위치를 배치하는 것이 좋다.

2.3.1.2.2 시추공의 심도

시추공의 심도는 얕은 기초의 경우 기초폭의 2배 이상의 심도를 확인하여 기초하중에 의한 지지력 및 침하의 영향을 검토하여야 하며, 깊은기포의 경우는 지지층까지 그 심도를 확인하여야 한다. 연약지반의 경우는 풍화암 이상의 암반층을 확인하는 것이 좋은 데 도로 및 하천제방의 경우는 지지층 하부 3.0~5.0m 정도, 구조물의 경우는 지지층 하부의 기초폭1.5~2.0배까지 확인하여야 한다.

2.3.1.2.3 시추조사순서

지반조사에 있어 가장 많이 사용되고 있는 최전식시추 방법의 조사순서를 간략히 기술하면 다음과 같다.

(1) 지표부터 일정심도까지 굴착한다.

(2) 케이싱을 1.0m 정도 설치한다.

(3) 케이싱 설치심도 아래 10cm 정도까지 깨끗이 정리하여 케이싱 설치시에 떨어진 이물질로 인하여 시료가 교란되지 않도록 하며, 순환수를 따라 공밖으로 흘러나온 슬라임을 관찰하여 지층분류에 자료로 이용한다.

(4) 시료를 채취한다.

(5) 벤토나이트 슬러리로 시추공을 보호하며, 위화 같은 방법으로 1m를 굴진한 다음 시료를 채취한다.

(6) 동일한 방법으로 계획심도까지 시추를 계속한다. 시추심도가 깊거나 추가조사일 경우에는 시료채취 간격을 3~6m 까지 늘릴 수 있다.

(7) 기반암에 도달하면 케이싱을 기반암 상부에 설치한다.(단, 벤토나이트 슬러리만으로는 공벽의 붕괴를 막지 못할 경우).

(8) 케이싱 설치심도, 로드 길이, 비트 길이, 시료채취장비 길이를 측정하여 기록한다. 케이싱을 설치하지 않은 경우에는 공내가 붕괴되지 않았는지 확인하며, 시료를 채취하기에 앞서 시료채취장비가 케이싱 설치심도나 최종 굴진삼도보다 아래까지 갔는지 확인한다.

2.3.2 시료채취

흙의 공학적 특성을 파악하기 위해 시료를 채취하며, 시표채취는 지반의 물리적, 역학적 특성 또는 조건 등을 사전에 조사하여 공사 목적에 적합한 공법을 선정하기 위한 것으로 교란시료(disturbed sample) 및 불교란시료(undisturbed sample)의 채취로 의미한다.

일반적으로 교란시료는 입도분석, 비중 간극비 및 간극률, 아터버그 한계 등의 물리적 특성을 파악하여 흙을 분류하는데 직접적으로 사용되며, 불교란 시료는 점성토를 대상으로 하여 시험실에서의 강도특성과 압축성의 파악, 원위치에서의 토질특성을 검토해야 할 경우에 사용된다.

(1) 교란시료 : 교란시료는 수직으로 1.5m 정도 간격으로 또는 지층의 변화시마다 채취하며, 시추조사시 흙의 교란된 시료채취 방법은 스플릿 배럴 샘플러에 의한 현장관입시험 및 시료채취 방법(KS F 2318)에 의한다. 스플릿 배럴 샘플러는 커넥터 헤드와 샘플링 튜브로 된 가장 간단한 구조의 샘플러로서 주로 점성토를 대상지반으로 샘플링튜브의 압입 또는 타입에 의하여 시료를 채취한다.

(2) 불교란시료 : 불교란시료의 채취개수와 채취간격은 예상되는 설계상의 문제점과 필요한 시험계획에 다라 좌우되며, 시표채취는 얇은 관에 의한 흙의 시료채취방법(KS F 2317)을 따른다. 얇은 관 샘플러는 연약점성토의 불교란상태의 시료를 채취하는 것으로서 신뢰성이 높아 널리 이용되고 있으며, 샘플링튜브, 샘플러헤드, 피스톤, 피스톤로드를 갖추고 로드의 상단에는 샘플러 압입장치 및 피스톤 고정장치가 장착되어 있다. 그림 2.6 KS 규정에 의한 표준화된 얇은 관의 모양을 나타내고 있다.

2.4 현장시험(원위치시험)

현장시험이란 로드선단에 설치한 저항체를 땅속에 삽입하여 관입, 회전, 인발 등의 저항에 의해서 토층의 성상과 지반강도를 측정하는 것으로서 시추조사와 병행하여 실시하는 표준관입시험이 있으며, 점성토의 비배수 전단강도 및 지지력과 주행성을 현장에서 직접 측정할 수 있는 베인시험 및 콘관입시험 등이 있다.

2.4.1 표준관입시험

시추공을 이용하여 스플릿 스푼 샘플러(split spoon sampler)를 부착시켜 지반의 밀도 및 강도 측정의 자료가 되는 N값을 얻는다. 연약지반이나 전석이 섞인 지반에 적용함에는 문제가 있다 시푸조사시 1.5m마다 또는 토층이 변할 때마다 실시하며, 동일층이 계속될 때는 전문기술자의 판단에 따라 시험간격을 증가 혹은 감소시켜야 한다.

2.4.2 콘관입시험

콘을 연속적으로 지반내 관입시킴으로서 선단저항력, 마찰력 및 간극수압(피조콘관입시험기)의 측정이 가능하며, 강도정수 c,Ø값을 추정할 수 있다.

지지력 특성과 주행성 예측을 위하여 100~250m당 1회 실시한다.

2.4.3 베인전단시험

연약점성토 지반의 비배수 전단강도 측정에 사용하여 안정해석과 지지력계산에 이용하며, 핸드오거보링과 병행하여 실시한다. 조사간격은 100~250m, 측정심도는 연약층 전체 또는 시료채취 위치에서 실시한다.

2.5 실내시험

실내시험은 크게 흙의 물리 · 화학적 성질시험과 역학적 성질시험으로 분류할 수 있으며, 물리 · 화학적 성질시험의 결과는 흙을 판별하고 분류하거나 공학적인 성질을 추정하는데 사용할 수 있고 역학적 성질시험의 결과는 흙의 전단강도를 결정하고 압축특성을 파악하여 구조물의 설계와 시공에 필요한 토질정수로서 사용할 수 있다. 연약지반의 경우 침하와 안정이 주요 문제가 되므로 연약층의 압밀특성과 전단특성을 규명할 수 있는 역학적 성직시험을 중점으로 실시하여야 한다.

2.6 지반조사 결과의 활용

현장 원위치 시험과 실내시험의 조사결과는 설계, 시공 및 유지관리의 기초자료로서 높은 정확성이 요구되고 있어 그 중요성이 점점 커지고 있으며, 특히 설계를 위한 토질정수의 산정은 실내시험을 통하여 결정하거나 현장 원위치 시험결과 또는 이들의 상관관계를 이용하여 결정하게 된다.

2.6.1 사질토지반

표준관입시험을 통해 얻은 N값과 토질정수의 관계는 흙의 종류에 따라 다르므로 일률적인 관계식으로 표시할 수는 없으나 N값을 이용하여 지반의 밀도와 전단강도 특성을 효과적으로 추정할 수 있다. Peck 및 Meyerhof의 제안에 의하면 N값과 상대밀도, 내부마찰각(Ø)과의 관계는 표 2.7과 같다. 표 2.7에서 Meyerhof의 값은 모래의 입도가 균일할 경우나 이토질 모래인 경우에는 작은 쪽의 값을 취하고, 입도의 분포가 좋은 경우는 큰 쪽의 값을 택하는 것이 좋다.

N값에 따른 현장판별법은 표 2.8과 같다. 또한, N값과 내부마찰각과의 관계식으로는 표 2.9가 많이 사용되며, Dunham, Ohsaki. Peck등의 제안한 공식 및 N값과 내부마찰각과의 관계는 그림 2.11 ~2.12과 같다

그림 2.11에서 보듯이 N값의 증가와 더불어 내부마찰각이 증가하는 경향은 동일하지만 일치를 보이지 않으며, N값을 기준으로 내부마찰각을 추정할 때는 입도분포, 입자의 모양, 입자의 최대치수 등 현장조건을 충분히 감안한 공학적 판단이 병행되어야 한다.

그림 2.13은 사질토에 대한 건조단위중량, 간극비, 간극률과 전단저항각과의 관계를 나타내는 경험적인 자료이다.

2.6.2 점성토지반

점성토 지반에서의 표준관입시험 결과인 N값은 사질토에 비하여 신뢰도가 낮고 편차도 큰 편이나 기초계획단계의 개략설계에서는 강도정수를 N값으로부터 표 2.10과 그림 2.14~2.15와 같이 추정할 수 있다.

점성토의 일축압축강도 qu와 N의 관계는 표 2.10의 수치 중간적인 값을 취하여 개략의 관계식으로서 qu ≒ N／8(㎏／㎠)이 사용되는 경우가 많다. 표 2.11은 N값과 점착력과의 관계식을 보여주고 있으며, 표 2.12는 점성토의 N값과 현장판별법을 나타내고 있다.

Meyerhof는 그림 2.16과 같이 콘 저항과 내부마찰각(Ø˚)의 관계를 제시하였으며, Schmertmann은 표준관입저항값(N치)과 콘 관입저항(qc) 사이에는 표 2.13과 같은 관계가 있다고 제안하였다.