얕은기초의 평판재하시험(KS F 2444)

1. 서론

평판재하시험(PBT, Plate Bearing Test)은 기초저면 위치까지 굴착한 후, 현장에서 평평한 재하판을 사용하여 직접 하중을 가하여 하중의 크기와 재하면의 변위 관계로부터 기초지반의 지지력을 측정하는 시험이다.

본 시험을 통해 기초 설계에 필요한 허용지지력과 침하량을 산정하고, 지반의 강성을 평가하여 기초 형식 및 크기 결정에 중요한 자료를 제공한다.

2. 평판재하시험의 지지력 측정 개념도

항복점: 하중-변위 곡선에서 기울기가 급격히 변하는 지점

3. 시험 방법 및 절차

3.1 시험 장비

• 재하판: 직경 300mm의 강성 원형 강판 사용
• 하중 재하 장치: 유압잭, 로드셀 등
• 변위 측정 장치: 다이얼 게이지 (0.01mm 정밀도)
• 반력 장치: 트럭, 앵커 등

3.2 시험 절차 및 유의사항

1. 시험 위치 선정 및 지반 정지
   • 유의사항: 대표성 있는 위치 선정, 교란 최소화
2. 재하판 설치 및 계측기 셋팅
   • 유의사항: 수평 유지, 편심 하중 방지
3. 단계별 하중 재하 (설계하중의 2~3배까지)
   • 유의사항: 일정한 속도로 하중 증가, 각 단계별 충분한 시간 유지
4. 각 하중 단계별 침하량 측정 (0, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15분)
   • 유의사항: 정확한 시간 간격 준수, 계측기 오작동 주의
5. 최대하중 도달 후 하중 제거 및 잔류 침하량 측정
   • 유의사항: 단계적 하중 제거, 리바운드 특성 관찰

4. 허용지지력 산정 방법

4.1 항복하중 결정 방법

• P-S 곡선법: 하중-침하 곡선의 변곡점
• Log P - Log S 곡선법: 양대수 그래프의 기울기 변화점
• S-Log t 곡선법: 시간-침하 곡선의 기울기 급변점

4.2 허용지지력 산정

• 항복하중의 1/2 이하
• 극한하중의 1/3 이하
• 허용침하량에 해당하는 하중 이하
• 재하판 직경의 10% 침하시 하중의 1/2 이하

4.3 허용지지력 산정시 유의사항

• 지반 조건에 따른 적절한 안전율 적용
• 장기 침하 고려 필요
• 반복하중, 동하중 등 실제 하중 조건 반영
• 기초 크기 및 형상에 따른 보정 필요

5. 스케일 이펙트와 기초 형상이 지지력에 미치는 영향

5.1 스케일 이펙트

실제 기초는 평판재하시험에 사용되는 재하판보다 크기 때문에, 시험 결과를 그대로 적용할 수 없다. 기초 크기가 증가함에 따라 지지력 특성이 변화하는데, 이는 다음과 같은 이유 때문이다:

1. 응력 분포 범위의 차이: 큰 기초는 더 넓고 깊은 범위의 지반에 영향을 미침
2. 지반의 불균질성: 큰 기초는 더 다양한 지반 조건을 포함할 가능성이 높음
3. 파괴 메커니즘의 차이: 기초 크기에 따라 전단파괴 형태가 달라질 수 있음

5.2 기초 형상의 영향

기초의 형상(원형, 정사각형, 직사각형 등)에 따라 지지력 특성이 달라진다. 이는 다음과 같은 이유 때문이다:

1. 응력 집중: 모서리 부분의 응력 집중 정도가 형상에 따라 다름
2. 전단 저항 면적: 기초 둘레에 따른 전단 저항 면적이 형상별로 상이함
3. 지반 구속 효과: 형상에 따라 주변 지반의 구속 효과가 달라짐

6. 보정 방법

6.1 스케일 이펙트 보정

• 점성토: S = S30 × (B/30)
• 사질토: S = S30 × [2B/(B+30)]2

여기서, S: 실제 기초의 예상 침하량, S30: 직경 30cm 재하판의 침하량, B: 실제 기초 폭

6.2 기초 형상 보정

• 정사각형 기초: qa = 1.3qt
• 장방형 기초: qa = (1+0.3B/L)qt

여기서, qa: 보정된 허용지지력, qt: 평판재하시험 결과의 허용지지력, B: 기초 폭, L: 기초 길이

6.3 근입 효과 보정

qa = qt + 1/3γDfNq

여기서, γ: 지반의 단위중량, Df: 기초 근입 깊이, Nq: 지지력 계수

7. 결론: 시험 결과 활용시 유의사항

평판재하시험은 실제 지반의 거동을 직접 확인할 수 있는 유용한 시험법이지만, 다음과 같은 한계와 유의사항을 고려해야 한다:

1. 시험 결과는 재하판 직경의 2배 깊이까지의 지반 특성만 반영한다.
2. 지하수위 변동에 따른 영향을 고려해야 한다.
3. 장기 침하에 대한 평가는 어려우므로, 압밀 특성 등을 별도로 고려해야 한다.
4. 지층 구조 및 토질 특성을 함께 고려하여 종합적으로 판단해야 한다.
5. 반복하중, 동하중 등 특수한 하중 조건에 대한 평가는 불가능하므로, 필요시 추가 시험이 요구된다.
6. 시공 중 실제 지반 상태를 확인하고 필요시 설계 변경도 고려해야 한다.

따라서 평판재하시험 결과는 다른 지반조사 결과와 함께 종합적으로 분석하여 기초 설계에 활용해야 하며, 시험의 한계를 인지하고 필요시 추가적인 조사나 분석을 수행해야 한다.