Chapter 18 Subsoil Exploration

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1 Chapter 18 Subsoil Exploration
연세대학교 지반공학연구실

2 What is site investigation (SI)?
Introduction What is site investigation (SI)? Site investigation (SI) or soil exploration is the process of gathering information, within practical limits, about the stratification (layers) and engineering properties of the soils underlying the proposed construction site. The principal engineering properties of interest are the strength, deformation, and permeability characteristics. Drilling rig Structure Site Investigation Ground Soil exploration or site investigation happens to be one of the most important parts of Foundation Engineering (and at the same time the most neglected part of it). Layers Borehole

3 Why site investigation (SI)?
Introduction Why site investigation (SI)? Many engineering failures could have been avoided if a proper site investigation had been carried out. The site has a sinkhole risk which might have been discovered in a proper site investigation Sinkhole

4 Why site investigation (SI)?
Introduction Why site investigation (SI)? The success or failure of a foundation depends essentially on the reliability of the knowledge obtained from the site investigation. Sophisticated theories alone will not give a safe and sound design.

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6 지반조사의 목적 설계 및 시공측면 : 시공현장의 지반조건에 대한 정보를 설계자와 시공자에게 제공. 시추조사, 현장시험, 실내시험, 물리탐사, 육안관찰조사 등으로 구분 주요목적 구 분 내 용 지반조사 지반분포 상태와 각 지층의 지반공학적 특성, 기반암의 분포상태 및 풍화도 등을 파악 구조물의 계획, 설계, 시공 및 유지관리 업무를 수행하는데 필요한 제반 지반정보를 제공 재해방지 자연상태 또는 현재상태의 지반이 현재 또는 변화된 주변 여건이 환경에 대하여 안정한지 여부를 판단하기 위한 정보 제공

7 지반조사의 단계 1. 예비조사 2. 기본설계를 위한 지반조사 3. 실시설계를 위한 지반조사 4. 시공 중 확인지반조사

8 시추방법 (a) 수직시추 (b) 경사시추 그림 2.3 시추 방법

9 시료채취 시료채취(sampling) – 굴착공으로부터 흙이나 암석 시료를 채취하는 것 ♦ 흙시료 채취 교란시료 채취
♦ 흙시료 채취 교란시료 채취 불교란시료 채취 ♦ 암석시료 채취 단관 코어 배럴 사용 이중관 코어 배럴 사용 삼중관 코어 배럴 사용 그림 2.4 흙과 암석시료의 보관

10 기초의 설계 순서 상부구조물로부터 전달되는 하중 산정 지반조사 기초의 형식 결정 기초의 규격 결정 설계 시방화 작성

11 설계 지반 물성치 결정 계 측 실내시험 현장시험 설계대상에 따른 선택 이론값 상관관계 경험값 유도된 값들 ① ② ③
계 측 실내시험 현장시험 설계대상에 따른 선택 이론값 상관관계 경험값 유도된 값들 ① ② ③ 설계대상에 따른 선택 대상에 따라 선택 특성치 시방기준 반영 설계치

12 Subsoil Exploration ▶ The purpose of subsoil exploration include the following : 1. Determining the nature of soil at the site and its stratification 2. Obtaining disturbed and undisturbed soil samples for visual identification and appropriate laboratory test 3. Determining the depth and nature of bedrock, if and when encountered

13 Subsoil Exploration 4. Performing some in situ field test, such as permeability tests (Chapter 5), vane shear tests (Chapter 9), and standard penetration tests 5. Observing drainage conditions from and into the site 6. Assessing any special construction problems with respect to the existing structure (s) nearby 7. Determining the position of the water table

14 18.1 Planning for Soil Exploration
▶ A soil exploration program : 1. Compilation of the existing information regarding the structure 2. Collection of existing information for the subsoil condition Geologic survey maps County soil survey maps prepared by the U.S. Department of Agriculture and the Soil Conservation Service

15 18.1 Planning for Soil Exploration
Soil manuals published by the state highway department Existing soil exploration reports prepared for the construction of nearby structure 3. Reconnaissance of the proposed construction site 4. Detailed site investigation

16 Why planning? Borehole How many borings do we need?
How deep the borings should be? The more the better, but what about the cost? Borehole

17 Why planning? Planning for site investigation is required to:
Minimize cost of explorations and yet give reliable data. Decide on quantity and quality depending on type, size and importance of project and whether investigation is preliminary or detailed. Decide on minimum depth and spacing of exploration. Borehole Spacing Depth of Borehole

18 Depth of investigation
In general, depth of investigation should be such that any/all strata that are likely to experience settlement or failure due to loading. The estimated depths can be changed during the drilling operation, depending on the subsoil encoun­tered. To determine the approximate minimum depth of boring, engineers may use the following rules: Depth of Borehole

19 Determination of the minimum depth of boring
Depth of investigation Determination of the minimum depth of boring Determine the net increase of stress,  under a foundation with depth as shown in the Figure. Estimate the variation of the vertical effective stress, ‘0 , with depth. Determine the depth, D = D1, at which the stress increase ’ is equal to (1/10) q (q = estimated net stress on the foundation).  ’ 0’ q D Determine the depth, D = D2, at which ’/'0 = 0.05. Unless bedrock is encountered, the smaller of the two depths, D1 and D2, is the approximate minimum depth of boring required.

20 18.1 Planning for Soil Exploration
Guidelines for initial planning of borehole spacing

21 18.1 Planning for Soil Exploration
Sowers & Sowers (1970) provided a rough estimate of Min. depth of borings for multistory building ▶ Light steel or narrow concrete buildings (18.1) S is the number of stories. ▶ Heavy steel or wide concrete buildings (18.2)

22 18.2 Boring Methods ▶ The test boring can be advanced in the field by several methods : Use of augers (Fig 18.1) Rotary drilling Wash boring (Fig 18.4) Percussion drilling

23 18.2 Boring Methods

24 Boreholes Auger Boring
This is the simplest of the methods. Hand operated or power driven augers may be used. Suitable in all soils above GWT but only in cohesive soil below GWT. Power driven augers Hand operated augers Post hole auger Helical auger

25 18.2 Boring Methods

26 18.2 Boring Methods

27 18.2 Boring Methods

28 Boreholes Rotary Drilling
In this method a rapidly retaining drilling bit (attached to a drilling rod) cut the soil and advance the borehole. Movement transmitter When soil sample is needed the drilling rod is raised and the drilling bit is replaced by a sampler. This method is suitable for soil and rock. Rotary Head Drilling rod Drilling bit

29 18.2 Boring Methods Wash boring

30 18.3 Common Sampling Methods
▶ Methods of sample collection : Sampling by Standard Split Spoon (Fig 18.5, Fig 18.6~7) Sampling by Thin Wall Tube (Fig 18.8) Sampling by Piston Sampler (Fig 18.9)

31 18.3 Common Sampling Methods
Split-spoon sampler

32 18.3 Common Sampling Methods

33 Soil sampling Disturbed vs Undisturbed
Two types of soil samples can be obtained during sampling: disturbed and undisturbed. The most important engineering properties required for foundation design are strength, compressibility, and permeability. These tests require undisturbed samples. Disturbed samples can be used for determining other properties such as Moisture content, Classification & Grain size analysis, Specific Gravity, and Plasticity Limits.

34 18.3 Common Sampling Methods
Thin-wall tube

35 18.3 Common Sampling Methods
Piston sampler

36 18.4 Sample Disturbance ▶ The degree of disturbance of the sample ; area ratio, (18.6) where outside diameter of the sampler inside diameter of the sampler ▶ A soil sample can generally be considered undisturbed if the area ratio is less than or equal to 10%

37 18.4 Sample Disturbance ▶ Standard split-spoon sampler :
▶ Shelby tube sampler :

38 현장시험 표준관입시험 (SPT) 구 분 내 용 특 징 대부분의 토질에 대하여 지반특성을 알기 위한 N값을 구하는 원위치시험
구 분 내 용 특 징 지반구성과 강도 분포, 기초의 지지층 심도, 말뚝의 항타 관입 가능성, 연약층 유무 등을 간단하게 확인할 수 있는 가장 널리 보급되고 사용되는 지반조사 방법 63.5 kg의 해머를 760 mm 높이에서 자유낙하시켜 샘플러가 300 mm 관입하는데 소요되는 타격횟수를 측정하는 시험 상대밀도, 점성토의 비배수전단강도를 비롯하여 지반의 지지력 이나 말뚝의 연직지지력, 지반반력계수, 액상화 가능성 등 여러 가지 공학적 특성을 추정

39 표준관입시험 (SPT) 시험장비 시험전경

40 표준관입시험 (SPT) 그림 2.15 표준관입시험의 모식도

41 표준관입시험 (SPT; Standard Penetration Test)

42 표준관입시험 (SPT) N치와 지반물성의 상관관계 사질토 (양질의 지지층 N≥ 30) N치 지반상태 상대밀도 (%) 0-4
매우 느슨 0-20 4-10 느슨 20-40 10-30 중간 조밀 40-60 30-50 조밀 60-80 50 이상 매우 조밀 80-100 Peak (1953) : Dunham (1954) : 오자끼식 :

43 표준관입시험 (SPT) N치와 지반물성의 상관관계 (3) 점성토 (양질의 지지층 N ≥ 20, qu ≥ 4kg/cm2) N치
연경도 일축압축강도 (kg/cm2) < 2 매우 연약 < 0.25 2 – 4 연약 4 – 8 중간 정도 단단 8 – 15 단단 15 – 30 매우 단단 > 30 견고 > 4.0

44 18.5 Correlations for Standard Penetration Test
▶ The unconfined compression strength of clay soils can be approximately correlated to the standard penetration number, N

45 18.5 Correlations for Standard Penetration Test
▶ For clays of a given geology, a reasonable correlation between can be obtained

46 18.5 Correlations for Standard Penetration Test
▶ Note that the notation is the atmospheric pressure (in the same unit as ) ▶ Based on data shown in Fig 17.9, the reported regression (17.8)

47 18.5 Correlations for Standard Penetration Test
▶ Empirical relationships has proposed to convert to a standard effective overburden pressure of (17.9) where corrected standard penetration number correction factor field standard penetration number

48 18.5 Correlations for Standard Penetration Test
▶ Correlation of Liao and Whitman (1986) (SI unit) (18.10) where effective overburden pressure in ▶ Correlation of Skempton (1986) (SI unit) (18.12) ▶ Correlation between and

49 18.5 Correlations for Standard Penetration Test

50 18.5 Correlations for Standard Penetration Test
Cubrinovski and Ishihara (1999) (18.14) ▶ The angle of friction of granular soils, has been correlated to the standard penetration number (Peck, Hanson, and Thornburn) (deg) (18.15)

51 18.5 Correlations for Standard Penetration Test
▶ Kulhawy and Mayne (1990) provided a correlation for versus (18.16) Example 18.1 18.2 18.3

52 콘관입시험 (CPT; Cone Penetration Test)
18.6 Other In Situ Tests 콘관입시험 (CPT; Cone Penetration Test) 지반특성 판별을 위하여 현재 가장 많이 시행되는 지반조사 방법 중의 하나 콘관입시험은 콘을 로드 하단에 연결한 후 유압식 관입기로 지중에 관입시키면서 지반심도에 따라 연속적인 지반의 저항력을 측정하는 지반조사 방법 대개 연약한 점성토나 실트층 또는 세립의 사질토 지반에 주로 사용됨 콘관입시험기는 기계식과 전기식으로 분류 분 류 특 징 기계식 콘 - 일반적으로 마찰 맨틀콘이라고 불림. 원추와 마찰슬리브가 이중관으로 분리됨. 경제적인 점에서는 유리하지만 단속적으로 측정이 되고 내부관의 마찰 등 으로 인해 시험 시 오차유발요인이 많은 것이 단점 전기식 콘 자동측정이 가능하고 측정오차를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 간극수압 측정 가능. 현재 가장 널리 사용 전기식 콘은 표준 마찰콘(standard friction cone, CPT)과 피에조콘 (piezocone, CPTu)으로 구분

53 콘관입시험 (CPT) *전기 마찰콘관입시험기 (ASTM, 1992) *역학적 마찰콘관입시험기 (ASTM, 1992)

54 콘관입시험 (CPT) 콘을 일련의 로드와 연결한 후 10∼30 ton의 관입용 유압램(hydraulic ram)을 사용하여 지반 속으로 압입. 이때 관입속도는 20±5 mm/sec로 유지 콘과 마찰관에 위치한 센서를 통해 콘관입저항값(qc)과 마찰저항값(fs)을 연속적으로 측정 CPTu시험은 콘관입저항값과 마찰저항값 이외에 다공성의 필터가 설치되어 있어 관입이 이루어지는 동안 관입저항에 의하여 유도된 간극수압 (u)을 측정할 수 있도록 구성 콘의 끝(u1) 또는 콘의 상부(u2), 마찰관의 상부(u3)등에 위치하며 필터 위치에 따라 측정 간급수압이 다름 그림 2.20 콘관입시험

55 콘관입시험 (CPT) ♦ 피에조콘 관입시험 (CPTu)
피에조콘 선단에서의 저항력인 원추관입저항력(qc ), 마찰슬리브에서의 저항력인 주면마찰력(fs), 그리고 콘이 관입될 때의 간극수압(u)을 측정 그림 (a)와 같이 CPTu 콘의 내부 구조로 인해 시험 시 발생된 간극수압(u2)이 시험기 내부로 관입된 필터를 통하여 원추관입저항력에 영향을 주므로 이 영향을 고려한 식 (1)을 이용하여 보정된 원추관입저항력, qt 를 사용하여야 함 (1) 여기서, a는 콘면적비로 정의하며 다음과 같다. (2) 여기서, Ac는 콘의 단면적이며 An 은 그림 (a)에서 보는 바와 같이 콘 내부 로드의 단면적이다 수압의 영향 (b) 콘면적비의 결정법 콘 면적비

56 콘관입시험 (CPT) 1. 비배수전단강도 피에조콘 관입시험으로부터 점성토의 비배수전단강도, Su를 산정하는 가장 보편적인 방법은 Schmertmann(1978)이 제시한 피에조콘계수, Nk를 토대로 한 방법 Nk는 경험벅 방법에 의하여 결정되는 콘계수(cone factor)로서 흙의 특성에 따라 다르게 나타나며, 대략 5~30의 범위 값을 가짐

57 콘관입시험 2. 내부마찰각 표 2.15는 조밀한 상태에 따른 사질토의 내부마찰각, Φ’과 원추관입저항력과의 근사적 상관관계를 지반의 유효연직응력(σ’v0)영향을 고려하여 제시 Φ’은 Kulhawy와 Mayne(1990)이 제안한 다음 식을 이용하여 평가 표 2.15 원추관입 저항력과 사질토의 내부마찰각의 관계

58 콘관입시험 3. 압밀계수 피에조콘의 관입을 멈추면 시간이 지남에 따라 간극수압이 감소하게 되므로 시간에 따른 간극수압 소산곡선을 얻을 수 있음 간극수압 소산곡선을 통해 점성토 지반의 압밀계수 산정 여기서, ut = 시간 t에서의 간극수압 ui = 초기간극수압

59 콘관입시험 Torstensson(1975, 1977)은 50%의 간극수압 소산 시 압밀계수 제시
콘관입시험의 결과 : 과압밀비, 투수계수, 변형계수, 점성토의 예민비, 사질토의 상대밀도 구하는데 사용할 수 있으며, 액상화 가능성이나 얕은 기초, 깊은 기초의 지지력을 구하는데 이용 여기서, T50 = 시간계수 t50 = 50%소산에 대응하는 시간 r0 = 관입시험기의 반경

60 18.6 Other In Situ Tests 현장베인전단시험
현장베인전단시험(field vane shear test, FVT) : 점성토의 비배수전단강도(Su)를 원위치 (in-situ)에서 측정하는 방법 때로는 소형 베인을 사용하여 채취된 자연시료의 전단강도를 실험실에서 측정 십자형 날개를 로드에 붙여 연약지반에서 소정 심도까지 압입한 후 핸들을 회전시키거나 또는 기어로 회전 모멘트를 주어 흙이 저항하는 전단강도를 측정하는 방법 베인은 측정방법에 따라 변형률제어형과 응력제어형으로 나눌 수 있으나 대부분의 베인시 험기는 변형률제어형에 속함 시험은 회전각속도를 일정하게 유지하며 전단시켜 이에 대한 저항력을 측정하는 방식으로 기어를 감는 식, 수동레버식, 토크렌치를 이용한 간이식 등이 있음

61 현장베인전단시험 그림 2.24 현장베인전단시험

62 18.6 Other In Situ Tests 공내재하시험
공내재하시험 : 사운딩 시험을 실시할 수 없거나 비교란 시료를 채취하기 어려운 충적층, 풍화암 및 암반층에 적용하는 시험 시추공을 이용하여 재하장치를 시추공 내에 삽입시켜 일정 구간의 시추공 벽에 하중을 가하여 하중과 시추공 직경의 변화의 관계를 구하는 시험 1933년에 Lögler에 의하여 최초로 고안되었으며, 1950년대 말 Menard가 프레셔미터를 개발한 이후 1960년대부터 널리 보급되기 시작, 당초에는 횡방향 지반반력계수(kh)를 구 하는 시험으로 시작하여 기초 말뚝 등의 수평지반반력계수를 구하는 시험으로도 이용 근래 수치해석 등에 필요한 지반물성치를 구하는 방법으로 높은 정밀도로 암반 등을 대상 으로 한 고압 재하형까지 개발

63 공내재하시험 (a) PMT (b) DMT 그림 2.25 딜라토미터 시험기

64 공내재하시험 프레셔미터시험(pressuremeter test, PMT) : 시추공의 공벽을 방사방향으로 가압하고, 그때 발생하는 공벽의 변형량과 가해진 압력의 관계로부터 지반의 특성을 조사하는 시험 지반의 변형특성과 강도특성을 동시에 측정할 수 있으며, 또한 시험 시 주변지반의 경계 조건 및 응력-변형량 상태가 비교적 명료한 장점 고무 멤브레인으로 둘러싸인 프레셔미터 프로브(probe)를 지반내 임의 깊이에 연직으로 설치하고 지상의 압력조절장치를 통해 멤브레인을 팽창시켜 지반에 수평방향의 압력을 가함으로써 이루어짐 압력-부피변형량 관계(또는 압력-방사변형량 관계 곡선)를 나타내는 프레셔미터 곡선을 얻을 수 있음

65 공내재하시험 (a) 시험장비 (b) 시험전경 그림 2.26 프레셔미터시험

66 공내재하시험 프레셔미터 곡선 : 공벽의 변형에 따라 3개의 구간으로 구분 P0 : 원상태로 회복될 수 있는 범위
P0~ Py : 탄성영역 Py ~ Pf : 소성 영역 프레셔미터 곡선으로부터 다음 식과 같이 횡방향 변형계수(Ep)와 수평지반반력계수(kh)를 구할 수 있다. 여기서, ν = 포아송비 rm = 시추공 반경의 평균치 kh = 수평지반반력계수 ΔP = 압력 증분 Δr = 변위 증분 그림 2.27 압력-변위곡선

67 18.6 Other In Situ Tests 시추공전단시험
불교란시료 채취가 어려운 풍화암층 및 연암층의 강도정수를 산정하기 위한 원위치 시험 으로서 풍화암 및 연암의 점착력( ) 및 내부마찰각( )을 결정하는 시험 시추공 내 시험구간에 전단기를 삽입 ⇒ 펌프를 이용하여 전단기를 공벽에 부착 ⇒ 수평압력을 가함 ⇒ 시추공 내 전단기와 연결된 로드를 지상에서 유압잭(hydraulic jack) 으로 끌어당김으로써 전단응력을 함 ⇒ 공벽지반 파괴시의 전단력을 시험 시험구간을 변경한 후 동일한 방법으로 수평응력을 바꾸어 3회 이상 수행 (a) 시험장비 (b) 시험전경 그림 2.30 시추공전단시험

68 평판재하시험 재하판에 가해진 하중과 침하량 관계를 이용
전단파괴 유형, 극한 및 항복지지력, 지반반력계수 및 변형계수 등을 측정하는 시험 유압잭의 규격은 최대 30 ton이상, 토압에 의한 상재하중의 영향을 배제하기 위해서 재하판의 직경의 네배 이상 되도록 지반을 굴착 그림 2.33 평판재하시험

69 18.6 Other In Situ Tests ▶ Vane Shear Test (see Chapter 11)
▶ Borehole Pressure Meter Test

70 18.6 Other In Situ Tests

71 18.6 Other In Situ Tests ▶ For the pseudoelastic zone (18.17)
where modulus of elasticity of soil Poisson’s ratio Cell volume corresponding to pressure (that is, the cell pressure corresponding to the beginning of zoneⅡ) Slope of straight-line plot of zoneⅡ (18.18)

72 18.6 Other In Situ Tests ▶ Relationship between the (18.19)
where shear modulus of soil (18.20) ▶ The at-rest earth pressure coefficient, (18.21) where, represents the in situ lateral pressure

73 18.6 Other In Situ Tests ▶ Cone Penetration Test

74 18.6 Other In Situ Tests ▶The relationship between and can be approximated (after Kulhawy and Mayne, 1990) as (18.22) ▶ Schmertmann (1970) gave a simple correlation for sand as ; (18.23)

75 18.6 Other In Situ Tests ▶ Trofimenkov (1974) gave correlations for
modulus in sand & clay ; (for sands) (18.24) (for clays) (18.25)

76 18.7 Rock Coring ▶ It may be necessary to core rock if bedrock is encountered at a certain depth during drilling. ▶ It is always desirable that coring be done for at least 3 m.

77 Rock Sampling (Coring)
Rock samples are called “rock cores”, and they are necessary if the soundness of the rock is to be established. Core drilling equipment? Core recovery parameters?

78 18.7 Rock Coring

79 Rock Sampling (Coring)
Core drilling equipment Assuming the following pieces for a given core run: (Core run) Rr Recovery Ratio, Rr Core recovery (lengths of intact pieces of core) Rock Quality Designation, RQD 10 S L i = 100% ( L i ≥ 10 cm ) (Core run) L

80 18.7 Rock Coring

81 18.7 Rock Coring

82 18.8 Soil Exploration Report
1. Scope of investigation 2. General description of the proposed structure for which the exploration has been conducted 3. Geologic conditions of the site 4. Drainage facilities at the site 5. Details of boring 6. Description of subsoil conditions as determined from the soil and rock samples collected 7. Groundwater table as observed from the boreholes 8. Details of foundation recommendations and alternatives 9. Any anticipated construction problems 10. Limitations of the investigation

83 Preparation of Boring Logs
Initial information: Name and address of the drilling company, Driller’s name, Job description and reference number, boring information (number, type, and location of, and date of boring) Example of a typical boring log

84 Preparation of Boring Logs
Subsurface stratification: which can be obtained by visual observation of the soil brought out by auger, split- spoon sampler, and thin- walled Shelby tube sampler. Groundwater: Elevation of water table and date observed, use of casing and mud losses, and so on

85 Preparation of Boring Logs
In-situ tests: Standard penetration resistance and the depth of SPT Samples: Number, type, and depth of soil sample collected; in case of rock coring, type of core barrel used and, for each run, the actual length of coring, length of core recovery, and RQD.

86 18.8 Soil Exploration Report
▶ Graphic presentation also need to be attached to the soil exploration report ; 1. Site location map 2. Location of borings with respect to the proposed structure 3. Boring logs 4. Laboratory test results 5. Other special presentations

87 Site Investigation Report
Geotechnical cross section based on the boring logs