평판재하시험

왜 배우는가: 평판재하시험은 기초 지반의 지지력과 침하 특성을 실제 현장에서 직접 확인하는 시험이므로, 얕은기초 설계의 검증과 지반개량 효과 확인에 쓰인다. 기출에서 용어형(1교시)과 논술형(2~4교시)으로 함께 출제되었으므로 정의, 절차, 재하판 크기에 따른 척도효과를 한 흐름으로 정리해야 한다.

출제 이력: 제139회 2교시 5번, 제120회 1교시 11번, 제100회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

평판재하시험은 기초 예정 지반에 강성 재하판을 놓고 하중을 단계적으로 가하여, 하중과 침하의 관계로 지지력과 변형특성을 현장에서 직접 구하는 현장시험이다.

평판재하시험(PBT)은 지반공학 자료에서 PBT로 줄여 쓰인다. 시험 결과를 읽고 답안을 쓰려면 아래 키워드의 뜻을 먼저 잡아야 한다.

• 재하판: 지반에 밀착시켜 하중을 전달하는 강재 원형판이다.
• 하중–침하 곡선: 단계별 압력과 그때 안정된 침하량을 이은 곡선이다.
• 항복하중: 곡선의 기울기가 뚜렷하게 바뀌어 침하가 급격히 늘기 시작하는 하중이다.
• 극한하중: 지반이 파괴되는 하중이며, 파괴가 뚜렷하지 않으면 침하 기준으로 판정한다.
• 허용지지력: 지지력 파괴에 대해 안전하고, 허용침하 조건도 만족하는 압력이다.
• 지반반력계수: 압력을 침하량으로 나눈 값으로, 지반의 강성을 나타낸다.
• 척도효과: 재하판 크기와 실제 기초 크기가 달라서 생기는 결과 차이이다.

2. 개념 풀이

평판재하시험은 기초 저면과 같은 높이의 지반 위에 원형 재하판을 놓고, 반력장치를 이용해 하중을 단계적으로 가하면서 재하판의 침하량을 측정하는 현장시험이다. 재하판은 지름 30~75cm의 강재 원형판을 쓰는 것이 일반적이다. 시험의 목적은 극한지지력과 항복하중을 구하고, 하중이 작용할 때의 지반 변형특성을 함께 파악하는 데 있다.

원리는 압력과 침하의 관계에 있다. 재하판에 가한 하중을 판의 면적으로 나누어 압력 p를 구하고, 각 단계에서 침하가 안정될 때까지 기다려 침하량 S를 읽는다. 압력이 작은 구간에서는 침하가 압력에 거의 비례하여 늘고, 압력이 더 커지면 항복하중을 지나 침하가 급격히 커진다. 이 전환점을 찾아 허용지지력을 정하는 것이 해석의 핵심이다. 극한지지력은 파괴가 뚜렷하게 나타날 때 그 하중으로 정하고, 파괴가 뚜렷하지 않으면 침하 기준을 정해 판정한다. 허용지지력은 극한지지력에 안전성을 반영한 값과 허용침하량을 만족하는 하중 중 작은 값으로 정하는 것이 일반적이다.

지반의 강성은 지반반력계수로 나타낸다. 식으로 쓰면 다음과 같다. $K = \frac{p}{S}$ 여기서 K는 지반반력계수(kN/m³), p는 재하 압력(kN/m²), S는 그 압력에서 측정한 침하량(m)이다. 단위는 kN/m²를 m로 나눈 kN/m³로 정리된다.

시험 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 기초 저면 깊이까지 굴착하고 시험면을 평탄하게 정리하되, 원지반의 교란을 최소화한다.
• 재하판을 지반에 밀착시키고 장비의 중심과 수평, 침하계의 기준점을 확인한다.
• 1회 재하 압력은 10t/m² 이하 또는 예상 지지력의 1/10 이하로 하여 단계별로 재하한다. 각 단계의 하중은 15분 이상 유지하며, 재하 직전과 직후 및 재하 중에 최소 6회 침하를 측정한다.
• 재하판 직경의 10%에 해당하는 침하가 생기거나, 침하량이 25mm 이상이 되거나, 작용 압력이 허용압력의 3배 이상이 되면 시험을 종료한다.
• 필요하면 단계적으로 제하하면서 회복 침하를 측정한다.

척도효과는 재하판의 폭 b와 실제 기초의 폭 B가 다르기 때문에 생긴다. 재하판 결과를 그대로 실제 기초에 대입하면 지지력과 침하량 모두 오차가 생기므로, 기초 크기와 영향깊이를 고려해 보정하여 해석해야 한다. 이 점이 평판재하시험 결과를 설계에 쓰기 전에 반드시 검토해야 하는 이유이다.

3. 등장 배경과 필요성

실내시험은 샘플링한 흙을 가져와 시험하므로 현장의 응력 상태, 지층 구조, 교란 상태를 그대로 재현하기 어렵다. 특히 연약지반이나 자갈이 섞인 지층에서는 대표성 있는 시료를 얻기 어려워, 실내시험값만으로 지지력을 판단하기에는 한계가 있다. 이 때문에 기초 자리에서 실제 하중을 가해 지반의 응답을 직접 측정하는 현장시험이 필요해졌다.

얕은기초 설계는 지지력과 허용침하량을 함께 만족해야 한다. 평판재하시험은 두 조건을 동시에 확인하는 대표적 방법이어서, 지반조사 결과를 설계값으로 쓰기 전에 검증하는 단계로 활용된다. 같은 원리로 지반개량 공사 뒤에 설계지지력을 확인하는 데에도 쓰인다. 동치환 공법을 적용한 지반에서 시험을 수행해 설계하중을 만족하는지 확인한 사례가 이를 보여준다.