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문제 정의
- 본 논문에서는 지표면에 말뚝 캡이 접촉되어 있는 무리말뚝에 대한 현장 재하시험을 통하여 말뚝 캡의 하중 분담율을 파악하고 무리말뚝을 구성하는 개개말뚝의 하중-침하 특성과 하중전이 특성을 단말뚝 재하시험 결과와 비교하여 봄으로써 말뚝 캡의 지지력 기여 효과와 개개말뚝의 하중지지 특성을 실험적으로 규명하고자 하였다.
제안 방법
- 무리말뚝에 대한 재하시험을 위하여 풍화암 상부층까지 균질한 모래로 치환하고 시험 말뚝의 선단은 N치가 50이상인 풍화암층에 근입시켰다. 시험지반으로 사용된 모래의 유효경( 久)은 0.
- 약 3m 깊이까지 굴착이 완료된 후에는 말뚝 선단이 근입될 풍화암층에 대하여 평판 재하시험을 실시하였으며 시험 결과로 구한 탄성계수는 6, 123로 산정되었다 (윤지선 역, 2000). 굴착 완료 후에는 모래를 채우고 새로 조성된 모래지반 13곳에 대해 콘관입 시험을 실시하였다. 시험지반 모래의 단위 중량은 1.
- 시험에 사용한 각각의 말뚝에는 하중계 또는 스트레인 게이지를 설치하여 말뚝에 작용하는 하중을 측정하도록 하였다. 그림 3에 나타나 있는 바와 같이 계측기를 설치한 방식에 따라 말뚝을 크게 4종류로 분류할 수 있다.
- 그림 3에 나타나 있는 바와 같이 계측기를 설치한 방식에 따라 말뚝을 크게 4종류로 분류할 수 있다. 축하중 전이 측정을 위해 말뚝머리, 선단 및 말뚝 중간 2곳에 하중계를 설치한 말뚝 2개, 말뚝머리와 선단에 하중계를 설치한 말뚝 3개, 말뚝머리에 하중계를 설치한 말뚝 6개 그리고 말뚝머리에 스트레인 게이지를 설치한 말뚝 13개 등 총 24개 말뚝 전부에 계측기를 설치 하였다.
- 말뚝 설치는 콘관입 시험기가 장착된 특장차를 이용해 수행하였는데 콘압입기를 이용하여 말뚝을 압입하여 설치하였다. 말뚝캡 콘크리트를 타설하기 직전 모든 말뚝이 시공된 상황이 그림 4(a)에 나타나 있다.
- 말뚝캡 콘크리트를 타설하기 직전 모든 말뚝이 시공된 상황이 그림 4(a)에 나타나 있다. 24개의 말뚝이 시공된 후에 무리말뚝 중앙부에 설치된 15번 말뚝과 무리말뚝 최 외각에 설치된 24번 말뚝에 대하여 단말뚝 재하시험을 실시하였다. 2개의 단말뚝에 대한 재하시험 완료 후에는 500mm 두께의 말뚝캡 콘크리트를 타설하였는데 Hain과 Lee(1978)의 기준에 의하면 말뚝 캡의 강성이 매우 큰(very stiff) 것으로 분류된다.
- 2개의 단말뚝에 대한 재하시험 완료 후에는 500mm 두께의 말뚝캡 콘크리트를 타설하였는데 Hain과 Lee(1978)의 기준에 의하면 말뚝 캡의 강성이 매우 큰(very stiff) 것으로 분류된다. 말뚝캡 콘크리트가 완성된 후에는 그림 4(b)와 같이 재하판을 놓고 무리말뚝에 대한 재하시험을 실시하였으며, 말뚝캡에 가해지는 전체 하중은 하중계를 이용하여 측정하였고 말뚝 캡의 침하량은 다이얼 게이지를 이용하여 측정하였다. 개개말뚝에 작용하는 하중은 말뚝에 설치한 계측기를 자동계측장비에 연결하여 시간에 따른 하중값이 자동으로 측정되도록 하였다.
- 말뚝캡 콘크리트가 완성된 후에는 그림 4(b)와 같이 재하판을 놓고 무리말뚝에 대한 재하시험을 실시하였으며, 말뚝캡에 가해지는 전체 하중은 하중계를 이용하여 측정하였고 말뚝 캡의 침하량은 다이얼 게이지를 이용하여 측정하였다. 개개말뚝에 작용하는 하중은 말뚝에 설치한 계측기를 자동계측장비에 연결하여 시간에 따른 하중값이 자동으로 측정되도록 하였다.
- 무리말뚝에 대한 재하시험 계획에 따라 말뚝캡에 320t까지 하중을 가하여 하중 침하량 곡선을 얻었다. 재하시험시 적용한 하중과 7개의 다이얼 게이지에 의해 측정한 말뚝 캡의 평균 침하량 사이의 관계를 그래프로 나타내면 그림 7(a)와 같다.
- 말뚝에 같은 하중이 작용할 때 단말뚝의 침하량과 무리말뚝의 침하량 비를 살펴보기 위해서 24번 말뚝의 단말뚝 재하시험과 무리말뚝 시험의 말뚝개당 평균하중에 대한 하중침하 곡선을 비교하여 그림 12과 같이 침 하량비를 구했다. 그림 12에 의하면 초기 하중 단계에서 는 무리말뚝의 변위장 중첩 효과로 인하여 침하량비가 1보다 큰 것으로 나타나나 하중이 증가함에 따라 단말뚝이 파괴에 이르면서 침하가 급격히 증가하면 침하량비는 1 이하로 감소함을 알 수 있다.
- 말뚝 캡이 지표면에 접촉되어 있는 무리말뚝에 대하여, 말뚝 캡-지반-말뚝 사이의 복잡한 상호작용 및 말뚝 캡의 지지력 분담 효과 등을 파악하기 위하여, 직경이 92.5mm이고 길이가 약 3.1m인 축소 강관 말뚝을 사용한 단말뚝 및 무리말뚝(말뚝24본 : 4 X6, 말뚝 캡 : 1.5m X 2.3m X 0.5m)에 대하여 재하시험을 수행하여 다음 과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 모형 말뚝으로는 바깥 지름 92.5mm, 두께 6mm, 길이 3, 230mm인강관을 사용하였다. 말뚝 선단부는 끝단의 각도가 60。인 슈우(shoe)를 장착하였다.
이론/모형
- 각각의 하중 단계별 재하시간은 ASTM D1143-81 (1989) 규정에 따라 단위 시간 당 침하량이 0.25mm 이내 일 때까지로 하였으며, 표 1에 나타낸 단계별 하중값은 말뚝이 급격히 파괴에 이르지 않도록 하중 단계를 적절히 조정한 것이다.
성능/효과
- 그러나 말뚝 기초 는 말뚝캡-지반-말뚝 사이의 복잡한 상호작용에 의해 영향을 받는다. 이러한 상호작용을 단순하게 분류하면 1) 말뚝설치 시 주변 지반의 응력 상태, 밀도 때로는 입도 분 포 등이 변화하는 것과 2) 말뚝 기초에 하중이 작용할 때 근접되어 있는 말뚝 간 혹은 말뚝캡에 의한 응력 또는 변위 중첩과 파괴영역이 변화하는 것으로 나눌 수 있다. (Hansbo, 1993).
- Phung(1993)은 사질토지반에서 말뚝이 설치되지 않은 캡, 간 말뚝, 자립식 무리말뚝 및 지표면과 접하고 있는 무兰말뚝에 대해 재하시험을 수행하였으며, 이 결과 지표면과 접하고 있는 무리말뚝의 지지력이 자립식 무리말뚝의 지지력보다 크다는 것을 증명하였다. 이때, 말뚝의 선단지지력은 거의 비슷하였으나 말뚝캡에 의한 수평유효응력의 증가로 지표면과 접하고 있는 무리말뚝의 주면 마찰력이 현저하게 증가한 것으로 나타났다. 그러나, 말뚝 캡의 효율은 0.
- (1) 외고 말뚝의 경우에는 단말뚝과 무리말뚝의 초기 하奇침하량 거동이 비슷하나, 하중이 증가함에 따라 단말뚝은 급속히 파괴에 이르고 무리말뚝은 상당히 큰 하중을 지지하는 것을 볼 수 있다.
- (2) 중앙말뚝의 경우에, 단말뚝이 무리말뚝에 비해 초기에는 같은 하중에 대해 침하량작으나, 하중이 증가함에 따라 급속히 파괴에 도달하였고 무리말뚝은 지속적으로 하중을 지지하는 것으로 나타났다.
- (3) 무리말뚝으로 거동하는 말뚝의 극한 지지력이 단말뚝에 비하여 상당히 큰 것을 알 수 있다. 그 이유는 무리말뚝의 경우에 강성 기초와 지반의 상호작용에 의해 상당히 큰 구속 응력이 말뚝에 작용하여 지지력이 증가한 것으로 판단된다.
- (2) 무리말뚝의 경우에는, 같은 침하량에 대해서 중앙부 말뚝이 외곽 말뚝에 비하여 하중 분 담이 작은 것으로 나타났다. 이는, 강성기초의 경우에는 변위장 중 첩효과로 인해 중앙부 말뚝에 작은 하중이 작용하여도 외곽부와 같은 침하량을 유발하기 때문이다.
- (3) 주변 말뚝 설치로 인한 영향을 비교적 덜 받은 단말뚝 24번의 지지력을 chin방법으로 구하면 2.6t이고 말뚝개당 평균 하중에 대한 하중 침하곡선으로 지지력을 구하면 16.6t으로 무리말뚝으로 거동시의 지지력이 단말뚝에 비해 6.4배로 나타났다.
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그림 13.주면마찰력 분담률(15번 말뚝)
말뚝머리 하중에 대한 말뚝주면하중의 분담비율이 단 말뚝 재하시험의 경우에는 침하(하중)가 증가함에 따라 82%에서 65%로 감소하였으나, 무리말뚝 재하시험에서는 주면마찰력의 분담비율이 흐卜중 크기에 따라 일정한 경향을 보이지 않고 59% ~ 66% 정도로 단말뚝 재하시험시보다 작다
. 이것은 무리말뚝에서의 말뚝 캡-말뚝-지 반 사이의 상호작용 효과가 말뚝선단보다 말뚝 주면에서 더 크다는 기존의 시험결과(Akinmusum, 1980 : Phimg, 1993)와는 다소 다른 경향을 보인다. - (1) 말뚝 캡 설치전에 수행된 단말뚝 시험에서는, 말뚝 설치 시의 다짐 효과로 인하여 중앙부에 위치한 말뚝(15번 말뚝, 극한 지지력 5.2t) 이 외곽부에 위치한 말뚝(24번 말뚝, 극한 지지력 2.6t)보다 지지력이 크게 나타났다.
- (2) 무리말뚝 시험에서는, 하중이 증가함에 따라 전체 하 중에 대해 말뚝 캡이 분담하는 하중의 비율이 점진적으로 커져 최종 하중 단계인 320t에서는 전체 하중의 약 22%에 해당하는 하중을 분담하였다.
- (4) 무리말뚝의 경우에는, 같은 침하량에 대해서 중앙부 말뚝이 외곽 말뚝에 비하여 하중 분담이 작은 것으로 나타났다. 이는, 강성기초의 경우에는 변위장 중첩 효과로 인해 중앙부 말뚝에 작은 하중이 작용하여도 외곽부와 같은 침하량을 유발하기 때문으로 판단된다
- (5) 말뚝에 같은 크기의 하중이 작용할 때 단말뚝의 침하량과 무리말뚝의 침하량 비를 나타내는 침하량 비가 하중 초기 단계에서는 1 이상이나 단말뚝이 파괴에 근접함에 따라 1이하로 작아지는 것으로 나타났다.
- (6) 말뚝머리 하중에 대한 말뚝주면 하중의 분담 비율이 단말뚝 재하시험의 경우에는 흐) 중이 증가함에 따라주면마찰력의 분담비율이 82%에서 65%로 감소하였으나, 무리말뚝 재하시험에서는 같은 말뚝에서 주면 마찰력의 분담비율이 59% ~ 66% 정도로 비교적 일정하게 나타났다.
- (1) 단말뚝의 경우에는 전술한 바와 같이, 중앙부에 위치하고 있어 주변 말뚝 설치로 인한 다짐의 영향을 많이 받은 15번 말뚝이 외곽부에 위치한 24번 말뚝보다 강성 및 지지력이 크게 나타난다.
- (3) Chin 방법을 사용하여 구한 무리말뚝의 개당 평균 극한 지지력은 16.4t으로 단말뚝(무리말뚝 외곽의 24번 말뚝) 재하시험으로 구한 지지력2.6t보다 상당히 크게 나타났다.
후속연구
- 이것은 무리말뚝에서의 말뚝 캡-말뚝-지 반 사이의 상호작용 효과가 말뚝선단보다 말뚝 주면에서 더 크다는 기존의 시험결과(Akinmusum, 1980 : Phimg, 1993)와는 다소 다른 경향을 보인다. 이때는 말뚝 캡 폭과 말뚝길이의 비가 2.5 ~ 5.0으로 이 비가 약 2.0인 본 시험보다는 구속 응력이 말뚝선단에 미치는 영향이 작았을 것으로 판단되나 구체적인 원인에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
- 다양한 지층 구조와 말뚝 특성을 고려하면 위의 실험결과를 설계에 직접 반영하는 데는 한계가 있을 것이며, 또한 본 실험이 가지고 있는 축척효과(scale efffect)로 인한 실물거동과의 차이점을 극복하기 위해서는 무리말뚝을 적용한 대형 구조물 말뚝 기초에 대한 시험이 필요할 것으로 판단된다.
- 지반 에 말뚝캡이 접촉되어 있는 무리말뚝에 대한 외국의 몇몇 현장 계측 사례를 통해 볼 때 무리말뚝 전체 지지력 중에서 말뚝 캡이 부담하는 지지력이 약 35~50%에 이르는 경우도 있다. 무리말뚝 설계시 말뚝캡의 지지력을 반영하지 못하는 이유는 무리말뚝의 거동에 영향을 미치는 말뚝캡-지반-말뚝 사이의 복잡한 상호작용 효과 및 말뚝 캡의 지지력 분담 효과에 대한 정확한 이해 부족에 있으며 경제적인 무리말뚝 설계를 위해서는 이들에 대한 계속적인 연구가 필요하다. 최근에는, 래프트 기초 (raft fbundation)를 사용할 경우 지지력은 충분 하나 침하가 과다할 때 침하량 혹은 부등 침하량을 줄이기 위해 말뚝을 사용하는 개념(piled raft)의 설계가 많이 연구되고 있으며 (Clancy와 Randolph, 1996 : Randolph, 1994) 실제 적용한 사례(Sommer 등, 1991 : Katzenbach등, 1994)가 증가 추세에 있다.
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