1. 서 론
2. 시험장비 및 기존 연구결과
2.1 소형시추기
2.2 동적콘관입시험 장치
2.3 기존연구 결과
3. 현장측정 자료분석
3.1 현장 자료측정
3.2 기존 관계식과의 비교·분석
4. 결 론
1. 서 론
우리나라는 대부분 산악지형으로 이루어져 있어 산지 개발시에 수목이 제거된 경사면이 많이 발생되어 있다. 최근에는 집중호우와 많은 강우에 의한 지반약화로 산사태가 다수 발생되고 있기 때문에 기존에 형성되어 있는 경사면이나 도로나 태양광 건설 시 추가로 형성되는 경사면 부지에 대한 지반 안정성의 파악을 위하여 지반상태를 조사할 수 있는 방법이 필요하다.
기존 경사면이나 새로 개발될 부지에서의 지층 구성상태, 역학적 특성 등의 지반정보를 조사하기 위한 방법은 일반적으로 시추조사와 시추조사 시 병행되는 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)가 있으나 시추장비의 크기와 무게 때문에 주변 산림훼손과 운용에 높은 비용이 발생되어 지반정보가 필요한 현장에 적용하기에는 한계가 있는 실정이다.
표준관입시험과 같이 원위치에서 수행이 가능한 Cone 관입방법 중 동적콘관입(Drop Cone Penetrometer, DCP)은 간편한 휴대성으로 도로 포장 하부구조의 지지력을 평가하기 위해 많이 사용되고 있다. 하지만 콘관입을 위한 타격에너지가 부족하고 관입되는 Cone-rod의 강성이 부족하여 필요 깊이까지 관입이 어려운 문제점이 있으며, cone 관입결과와 원위치에의 실내시험 및 현장시험과의 상관관계 등에 대한 연구결과가 부족하여 많이 활용되지 못하고 있는 실정이다.
본 연구에서는 인위적으로 조성된 경사면의 배후 또는 산지에 건설되는 태양광 부지의 지반특성을 파악하기 위하여 현장접근이 용이하도록 소형화된 시추장비에 장착된 자동햄머를 장착한 동적콘관입시험기를 제작하였다. 제작된 동적콘관입시험기를 이용하여 측정된 동적콘관입시험값을 이용한 지반의 안정성 평가를 위하여 지반평가에 많이 사용되고 표준관입시험값과의 상관관계를 분석하였다.
2. 시험장비 및 기존 연구결과
2.1 소형시추기
경사면의 배후, 산지에 건설된 태양광 부지에 대하여 지반상태를 확인하기 위한 조사를 목적으로 개발된 소형시추기는 운반장치를 이용하여 견인 및 동력전달이 가능하며, 운반장치의 진입이 불가능할 경우 운반장치와 분리 후 인력에 의해 지게형으로 운반이 가능한 소형시추기와 동적콘관입시험기를 제작하였다(Fig. 1). 동적콘관입시험과 병행하여 오거드릴 형식으로 토사층의 천공이 가능하며, 일반오거와 중공식오거 2가지를 사용할 수 있도록 제작하였다. 시추기에는 오거드릴부와 동적콘관입시험기가 동시에 장착되어 교차 작업이 가능하다.
2.2 동적콘관입시험 장치
동적콘관입시험은 원위치에서의 토질특성과 강성, 강도특성을 파악하기 위하여 많이 사용되고 있다. 동적콘관입시험기는 여러나라에서 해머의 중량, 낙하고, 관입깊이 등의 규격이 통일되지 않은 상태로 여러 가지 형태로 사용되고 있다(Table 1). 시험방법은 표준관입시험과 동일하게 해머를 일정높이에서 낙하시켜 콘이 부착된 로드를 타격하여 콘을 일정심도까지 관입시키는 방식이며, 해머를 자유낙하시켜 일정심도까지 콘이 관입될 때의 타격횟수와 관입저항지수(DPI: mm/blow)를 측정한다.
Table 1.
Type of dynamic cone penetrometer (Oh, 2009; Langton, 1999; Kim et al., 2014)
| Dynamic Cone Penetrometer | Rod (mm) | Hammer (kg) | Drop height (cm) | Peneration depth (cm) |
| Prototype DCP (Scala, 1956) | 15.9 | 9.0 | 50.8 | 76.2 |
| Iron DCP | 40.5 | 63.5 | 75.0 | 30.0 |
| Large DCP | 60.0 | 100.0 | 150.0 | 30.0 |
| Texas DCP | - | 77.5 | 50.0 | - |
| Light weight DCP (ASTM, 2001) | 16.0 | 8.0 | 57.5 | 10.0 |
| Tsukuba type DCP | 25.0 | 5.0 | 50.0 | 10.0 |
| RWRI type DCP | 30.0 | 5.0 | 50.0 | 10.0 |
동적콘관입시험기는 해머의 중량에 따라서 대형동적콘관입시험기와 소형동적콘관입시험기로 구분된다.
본 연구에서는 Table 2와 같이 미국 ASTM(2001) 규격을 준용하여 해머 8.0kg, 낙하높이 575mm, 로드의 직경 16mm로 적용하였다. 콘의 제원은 지름이 20mm의 원추 각 60°로 구성된다. 8kg의 해머를 575mm의 높이에서 낙하시키는 방법은 유압을 이용하여 자동으로 해머를 상승시킨 후 낙하시키는 방식을 사용하였으며, 해머 낙하 시 정확한 타격에너지를 전달하기 위하여 2개의 가이드를 설치하였다. 그리고 정확한 관입량 및 타격정보를 획득하기 위하여 근접센서에 의한 타격횟수와 레이저거리측정기로 관입량을 측정하였다(Fig. 2). ASTM규격은 1m의 얕은 표층에서만 측정이 가능하지만 연구에 사용된 장비는 중공식 Auger로 굴진하면서 동적콘관입시험이 가능하여 관입 시 발생되는 마찰력을 줄이고 로드를 연장하여 3m 이상 측정이 가능하다.
Table 2.
Dynamic cone penetration test equipment specifications used in the study
| Item | Unit | Specification |
| Hammer | kg | 8.0 |
| Drop height | mm | 575 |
| Diameter of rod | mm | 16.0 |
| Diameter of cone | mm | 20.0 |
| Angle of cone | degree | 60.0 |
| Area of cone | cm2 | 6.28 |
2.3 기존연구 결과
동적콘관입시험과 관련하여 Meyerhof(1956)이 처음으로 콘저항값과 표준관입시험 N값의 상관관계를 연구하였으며, 이후 Meigh & Nixon(1961)에 의한 연구에서도 Meyerhof와 유사한 상관성을 확인하였다(Table 3). 그리고 동적콘관입시험값(Nd)과 표준관입시험값(N)의 상관계수를 평가하기 위한 연구가 많은 연구자들에 의하여 시도되었으며, Nd값과 N값의 상관관계는 Table 4와 같다. 기존 연구에 사용된 동적콘관입시험기는 대부분 해머의 중량이 큰 Large DCP 및 Texas DCP를 사용한 것이지만 해머의 중량이 작은 일본식 간이 동적콘관입시험기(Tsukuba type)에서도 N값과 Nd값의 상관관계가 유사한 범위를 보여주고 있다. 국내에서는 Lee & Lee(2014)가 표준관입시험기의 로드 끝에 부착된 원추형 콘을 63.5kg의 해머로 75cm 높이에서 자유낙하시켜 콘을 30cm 관입시키는 방법으로 현장시험을 수행하고 장비의 관입 에너지효율을 보정하여 Nd/N값을 1.12~1.31N의 값을 발표하기도 하였다. 그리고 소형 해머로 연구된 결과에서는 Kim et al.(2014)가 개량식 동적콘관입시험기의 개발 및 적용성을 평가하였다.
Table 3.
Correlation between qc value and N value
| Proposer | qc / N | Unit |
| Meyerhof | qc / N = 0.4 |
qc (MPa) N (blow/30cm) |
| Meigh and Nixon | qc / N = 0.4 ∼ 0.8 |
Table 4.
Correlation between N value and Nd value (Daniel & Howie, 2003; TxDOT, 2012; Oh, 2009; Kobayashi(小林), 2012)
3. 현장측정 자료분석
3.1 현장 자료측정
산지의 지반조건으로 상부 풍화토에 대하여 금회 개발된 동적콘관입시험기의 적용성을 평가하였다. 적용성 확인을 위해서 표준관입시험을 병행하여 현장자료를 측정하였으며, 표준관입시험을 실시할때 시추작업은 주변지반에 영향을 줄 수 있는 수세식이 아닌 무수방식을 적용하였다.
표준관입시험으로 회수된 시료를 이용하여 구성지층을 분석하였으며, 지층은 상부의 일부 매립층과 풍화토층으로 확인되었다. 매립층은 0.0 ~ 0.2m 심도에서 대부분 소량의 자갈이 섞인 실트질모래(SM)가 분포하며, 풍화토층은 실트질모래(SM)로 8.0m 까지 분포하였다. Auger 굴진 및 동적콘관입시험은 산지 태양광 설치 시 타설되는 콘크리트 기초의 안정성을 확보가 가능한 풍화토 2m 이내에서 수행하였다. 표준관입시험과 동적콘관입시험 간격 및 위치는 Fig. 3에서와 같으며, 관입심도를 10cm로 동일하게 설정하고 연속적으로 타격수를 측정하였다. Fig. 4에서 각각 위치에서의 심도에 따른 측정결과를 보여주고 있으며, 측정된 자료는 인접한 위치에서의 표준관입시험결과와 동적콘관입시험 결과를 비교·분석하였다. 동적콘관입시험 결과 중 중간부분에 해당하는 D-2와 D-3의 최하부의 측정결과가 크게 나타난 것은 모암인 흑운모편마암의 편마구조에서 풍화에 강한 광물이 포함된 우백대의 영향으로 판단된다.
3.1.1 콘저항값 분석
동적콘관입시험을 통하여 측정된 관입저항지수(DPI)를 이용하여 콘저항값을 산정하였으며, 산정식은 Eq. (1)과 같다(Khodaparast et al., 2015).
여기서, M1는 해머중량(kg), H는 해머 낙하높이(cm), M2는 시험기중량(해머제외, kg), A는 콘 단면적(cm2), e는 관입깊이/타격횟수(cm/blow)이다.
Fig. 5는 Eq. (1)에 의해서 산정된 콘저항값으로 30cm 관입 시 평균값과 N값의 상관성을 보여주고 있다. 선형회귀분석 결과 위치에 따라서 콘저항값 qd(MPa)=0.38~0.78N의 범위로 상관관계가 나타났으며, 종합하여 분석한 결과 Eq. (2)와 같은 상관식으로 분석되었으며, 결정계수는 0.52로 나타났다(Fig. 5(e)).
여기서, N은 30cm를 관입한 타격수이다.
3.1.2 동적콘관입시험값 분석
10cm씩 측정된 동일심도에서의 동적콘관입시험값과 표준관입시험값에 대한 상관관계는 Fig. 6에서 보여주고 있다. 선형회귀분석 결과 동적콘관입시험값 Nd=1.55~2.12N의 범위로 상관관계가 나타났으며, 종합하여 분석한 결과 Eq. (3)과 같은 상관식으로 분석되었으며, 결정계수는 0.55로 나타났다(Fig. 6(e)).
3.2 기존 관계식과의 비교·분석
이 연구에서 확인된 콘저항값(qd), Nd값에 대한 N값과의 관계식에 대해서 기존에 연구된 관계식과 비교·분석하였다(Fig. 7).
콘저항값과 N값의 상관관계는 Meyerhof가 제안한 0.4N 보다 큰 0.46N으로 분석되었다. 이러한 이유는 현장에서 획득한 일부 단단한 지반에서의 데이터에 의한 것으로 판단된다.
Nd/N값은 1.58N으로 Khan(2005)의 제안식 4m 이내의 1.5N과 가장 유사한 결과를 보이며, 소형동적콘관입시험으로 수행한 Kobayashi의 제안식 2.0~3.0N 보다는 작은 결과를 보이고 있다.
이러한 결과는 Table 1 및 Table 4에서와 같이 연구에 사용된 시험기의 제원과 시험대상 토층의 구성성분 및 지층(퇴적층, 풍화토)의 차이에 의한 것으로 판단된다.
4. 결 론
인위적으로 조성된 경사면의 배후 또는 산지에 건설되는 태양광 부지의 지반특성을 파악하기 위해 개발된 Auger식 시추가 가능한 소형 시추장비와 관입심도 및 타격횟수를 자동으로 측정하도록 제작된 소형동적콘관입시험기를 이용하여 풍화토에 대하여 표준관입시험과의 상관관계에 대한 연구를 수행하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 소형이동장치 또는 배낭형으로 이동이 가능한 자동으로 동적콘관입시험이 가능하고 중공식 Auger와 병행하여 시험이 가능한 장비를 제작하였다.
(2) 자동으로 관입심도 및 타격횟수를 측정할 수 있도록 추가장치를 개발하여 실험값의 신뢰성을 확보하였다.
(3) 개발된 동적콘관입시험기를 이용하여 qd값과 N값의 상관식은 qd = 0.46 N, Nd값과 N값의 상관식은 Nd = 1.58 N으로 나타났다.
(4) 기존의 경험식들은 대부분 퇴적층에서의 결과로 풍화토에 대한 관계식을 확인하였다.
본 연구에서 개발한 장비에 대한 현장 적용성을 평가하기 위해서는 좀더 다양한 지반조건에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단되며, 앞으로 추가적인 연구가 선행되면 장비의 활용성이 높아질 것으로 생각된다.
