말뚝 선단 조건에 따른 충격반향기법의 시간영역 신호를 실내 모형실험에 의하여 분석하였다. 선단조건으로는 자유단, 고정단, 암반 근입, 연약 선단부의 네 가지 조건을 고려하였으며, 이를 위하여 폴리우레탄 재질의 모형말뚝과 모노캐스트 재질의 모형암반을 제작하여 실험을 수행하였다. 실내실험 결과 각각의 경계조건에 대한 신호의 특성을 파악할 수 있었으며, 말뚝 선단 조건뿐만 아니라 말뚝과 주변 암반과의 부착상태도 추정할 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한 실내 모형실험의 결과를 검증하기 위하여 현장실험을 수행하였으며, 암반 근입 말뚝에 대한 신호 분석 결과 충격반향기법에 의한 현장타설말뚝의 비파괴 건전도 평가는 적용성이 충분히 있는 것으로 파악되었다.
말뚝 선단 조건에 따른 충격반향기법의 시간영역 신호를 실내 모형실험에 의하여 분석하였다. 선단조건으로는 자유단, 고정단, 암반 근입, 연약 선단부의 네 가지 조건을 고려하였으며, 이를 위하여 폴리우레탄 재질의 모형말뚝과 모노캐스트 재질의 모형암반을 제작하여 실험을 수행하였다. 실내실험 결과 각각의 경계조건에 대한 신호의 특성을 파악할 수 있었으며, 말뚝 선단 조건뿐만 아니라 말뚝과 주변 암반과의 부착상태도 추정할 수 있는 가능성을 확인하였다. 또한 실내 모형실험의 결과를 검증하기 위하여 현장실험을 수행하였으며, 암반 근입 말뚝에 대한 신호 분석 결과 충격반향기법에 의한 현장타설말뚝의 비파괴 건전도 평가는 적용성이 충분히 있는 것으로 파악되었다.
Small and full scale model tests were performed to obtain the transient responses of shafts subjected to elastic impact by impact-echo test. Four end conditions of drilled shafts were considered: (1) free, (2) fixed, (3) rock-socketed, and (4) soft bottom. In small scale model tests, mock-up shafts ...
Small and full scale model tests were performed to obtain the transient responses of shafts subjected to elastic impact by impact-echo test. Four end conditions of drilled shafts were considered: (1) free, (2) fixed, (3) rock-socketed, and (4) soft bottom. In small scale model tests, mock-up shafts were fabricated to simulate these four drilled shafts using poly-urethane and plastic material. Additionally, skin frictions between shaft and rock were changed to find out the effect of side contact on dynamic responses. All impact responses were tested in the air. Subsequently, full scale model tests were also carried out on concrete shafts that were in free and rock-socketed condition. The end conditions of the drilled shafts could be identified with good reliability by the waveforms from both small and full scale model tests. The results obtained in this study will provide an improved understanding of the impact responses for end conditions, especially for rock-socketed drilled shafts that are frequently designed and built in Korea.
Small and full scale model tests were performed to obtain the transient responses of shafts subjected to elastic impact by impact-echo test. Four end conditions of drilled shafts were considered: (1) free, (2) fixed, (3) rock-socketed, and (4) soft bottom. In small scale model tests, mock-up shafts were fabricated to simulate these four drilled shafts using poly-urethane and plastic material. Additionally, skin frictions between shaft and rock were changed to find out the effect of side contact on dynamic responses. All impact responses were tested in the air. Subsequently, full scale model tests were also carried out on concrete shafts that were in free and rock-socketed condition. The end conditions of the drilled shafts could be identified with good reliability by the waveforms from both small and full scale model tests. The results obtained in this study will provide an improved understanding of the impact responses for end conditions, especially for rock-socketed drilled shafts that are frequently designed and built in Korea.
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문제 정의
본 논문에서는 비검측공 시험법인 충격 반향 기법을 사용하여 현장타설 말뚝의 선단조건 및 결함 탐사에 대한 적용성을 검토하였다. 선단 조건으로는 자유단, 고정단, 암반 근입, 연약 선단부의 네 가지 조건을 고려하였으며 이를 위하여 폴리우레탄 재질의 모형 말뚝과 모노 캐스트 재질의 모형 암반을 제작하여 실내 모형실험을 수행하였다(Kim, 2000b).
하지만, 고 정단에서는 자유 단에서와 달리 압축파는 동일한 크기와 형상을 갖는 압축파로, 인장파는 동일한 크기와 형상을 갖는 인장파로 반사된다(Brgja, 1993; Richart, 1970). 이러한 파의 전파 특성은 말뚝의 선단조건 뿐만 아니라 말뚝 내부의 결함을 탐지할 수 있게 해주며, 충격반향기법의의 시간영역 신호를 분석하는데 이론적 근거를 제공해 준다.
제안 방법
충격반향기법의 신호 처리는 시간 영역 해석과 주파수 영역 해석의 두 가지로 나누어 생각할 수 있다 (Sansalone, 1997). 가늘고 긴 말뚝이나 피어 기초에는 충격파가 콘크리트 속으로 충분히 전달될 수 있도록 상대적으로 저주파의 파를 사용하는데, 이러한 파는 시험체 내의 반사체에 적당한 각도로 부딪치면 표면으로 돌 아와 변위를 유발하며, 이러한 표면 변위를 시간 영역상 에서 해석하여 말뚝의 선단조건 및 결함 등을 평가한다. 말뚝과 같은 구조물은 기하학적 구조의 특성상 전파되는 파의 에너지를 좁은 경로에 집중시키므로 표면에서의 파형 분석을 쉽게 한다.
세 번째의 암반근입 조건은 모노캐스트에 모형말뚝의 직경인 6cm의 깊이로 천공을 한 후, 말뚝을 모노캐스트에 에폭시로 단단히 접착시켰다. 그리고 마지막 네 번째인 연약 선단 조건은 (1) 천공된 구멍 바닥에 스타이로폼을 설치한 후, 모형말뚝을 에폭시로 접착시키지 않고 구멍에 끼워 넣은 경우와 (2) 천공된 구멍 바닥에 스타이로폼을 설치한 후, 모형말뚝을 에폭시를 사용하여 구멍에 단단히 접착시킨 경우의 두 가지로 다시 구분하였다. 이렇게 구분한 이유는 실제 암반 근입 현장타설 말뚝의 선단주면 마찰 (side :friction)에 따라 말뚝과 암반과의 접착상태(contact condition)가 달라지기 때문이다(Paolo, 1997).
선단 조건으로는 자유단, 고정단, 암반 근입, 연약 선단부의 네 가지 조건을 고려하였으며 이를 위하여 폴리우레탄 재질의 모형 말뚝과 모노 캐스트 재질의 모형 암반을 제작하여 실내 모형실험을 수행하였다(Kim, 2000b). 또한 실내 모형실험의 결과를 검증하기 위하여 실대형 크기의 현장타설 콘크리트 말뚝에 대한 현장 실험을 실시하였다.
이는 암반에 근입되어 있거나 암반 위에 놓여 있는 말뚝의 경우 암반의 강성이 콘크리트와 비슷하거나 크지 않은 연암의 경우에도, 수평 방향으로 무한히 넓은 면적의 매질을 형성하므로 말뚝보다 강성이 큰 고정면을 형성하게 되어, 자유단-고정단의 경계조건을 가지게 되기 때문이다(김동수 등, 1999). 말뚝의 선단 조건에 따른 충격반향기법의 동적 거동 특성을 파악하기 위하여 본 연구에서는 선단조건을 자 유단, 고정단, 암반 근입, 연약 선단부의 네 가지 조건으로 나누어 각각에 대한 모형말뚝을 제작하여 실내실험을 수행하였으며(Kim, 2000b), 또한 실내 모형실험의 결과를 검증하기 위하여 실대형 현장타설 콘크리트 말뚝에 대한 현장 실험도 실시하였다.
본 논문에서는 비검측공 시험법인 충격 반향 기법을 사용하여 현장타설 말뚝의 선단조건 및 결함 탐사에 대한 적용성을 검토하였다. 선단 조건으로는 자유단, 고정단, 암반 근입, 연약 선단부의 네 가지 조건을 고려하였으며 이를 위하여 폴리우레탄 재질의 모형 말뚝과 모노 캐스트 재질의 모형 암반을 제작하여 실내 모형실험을 수행하였다(Kim, 2000b). 또한 실내 모형실험의 결과를 검증하기 위하여 실대형 크기의 현장타설 콘크리트 말뚝에 대한 현장 실험을 실시하였다.
위의 네 가지 조건에 대한 파의 전파특성을 살펴보기 위하여 그림 5와 같이 실내 모형말뚝 실험을 실시하였다. 첫 번째의 자유단 조건을 모사하기 위하여 우레탄 모형말뚝을 스타이로폼 위에 올려놓았으며, 두 번째의 고정단 조건은 우레탄 모형말뚝을 딱딱한 모노캐스트 플레이트 위에 올려놓아 실험을 실시하였다.
지금까지 충격 반향 기법을 사용하여 암반에 근입된 현장타설 말뚝의 선단조건 평가 연구를 수행하였으며, 실내 모형실험 및 현장 실험으로부터 얻은 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
위의 네 가지 조건에 대한 파의 전파특성을 살펴보기 위하여 그림 5와 같이 실내 모형말뚝 실험을 실시하였다. 첫 번째의 자유단 조건을 모사하기 위하여 우레탄 모형말뚝을 스타이로폼 위에 올려놓았으며, 두 번째의 고정단 조건은 우레탄 모형말뚝을 딱딱한 모노캐스트 플레이트 위에 올려놓아 실험을 실시하였다. 세 번째의 암반근입 조건은 모노캐스트에 모형말뚝의 직경인 6cm의 깊이로 천공을 한 후, 말뚝을 모노캐스트에 에폭시로 단단히 접착시켰다.
대상 데이터
말뚝과 암반을 실제와 유사하게 재현하고 실내에서 의미있는 신호를 획득하기 위하여, 모형 말뚝으로서는 파의 전파속도가 비교적 느린 우레탄 재질의 봉(직경 6cm, 길이 60cm)을 사용하였으며, 암반으로서는 파의 전파속도가 우레탄보다 상대적으로 삐른 모노캐스트(Monocast) 재질의 원형 플레이트(직경 25cm, 높이 15cm)를 사용하였다. 자유단-자유단 공진 주시 험 (Free Free Resonant Col umn Test) 결과 우레탄의 P파 속도는 470 m/sec로 측정되었고, 모노 캐스트의 P파 속도는 1, 883 .
현장 실험은 그림 7에 제시된 바와 같이 토사층 및 암반에 근입되어 있는 말뚝에 대하여 각각 수행되었다. 각 말뚝의 직경은 0.
성능/효과
(1) 충격반향기법의 실험으로부터 얻은 시간영역의 신호에 의하면 말뚝 선단부의 경계조건이 자유단(f?ee) 상태인지, 고정단(fixed) 상태인지를 판별할 수 있다.
(3) 말뚝 선단부와 주위 암반과의 부착상태가 양호하다면 말뚝 선단부에 슬라임과 같은 연약층이 존재하더 라도 고정단의 신호를 보이게 되며, 따라서 이 경우에는 연약층의 존재 여부를 충격 반향 기법으로 추정할 수 없을 것으로 판단된다.
(4) 말뚝 선단부와 주위 암반과의 부착상태가 보통이면, 말뚝 선단부에 슬라임과 같은 연약층이 존재할 경우 자유단의 신호가 우세하게 나타날 것으로 판단된다. 따라서 이로부터 연약 선단층의 존재 여부는 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
(5) 암반근입 말뚝에 대한 현장 실험 결과 토사층과 암반의 경계면 위치는 탐지 가능한 것으로 파악되었다.
그리고 선단부에서의 반사신호 사이의 시간차를 구하여 산정한 말뚝 전체의 길이도 10.4m로서 실제 길이인 10.2m와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
이 말뚝은 마찰 말뚝으로서 자유단의 조건을 가지므로 시간영역 신호의 극성이 동일함을 볼 수 있으며, 충격시점과 반사신호 사이의 시간차인 dt를 그림에 표시하였다. 시간차 dt에 말뚝에서의 파의 전파 속도를 곱해주면 말뚝의 길이를 산정할 수 있으며, 계산 결과는 7.0m로서 실제 마찰말뚝 길이인 7.6m와 거의 일치하는 것으로 나타났다.
이상의 결과를 종합해 볼 때 충격반향기 법은 현장타설콘크리트 말뚝의 선단조건 평가에 적용할 수 있을 것으로 판단되며, 특히 암반근입 말뚝 선단부와 주변 암반과의 부착상태까지도 추정할 수 있는 가능성이 있는 것으로 파악되었다.
말뚝과 암반을 실제와 유사하게 재현하고 실내에서 의미있는 신호를 획득하기 위하여, 모형 말뚝으로서는 파의 전파속도가 비교적 느린 우레탄 재질의 봉(직경 6cm, 길이 60cm)을 사용하였으며, 암반으로서는 파의 전파속도가 우레탄보다 상대적으로 삐른 모노캐스트(Monocast) 재질의 원형 플레이트(직경 25cm, 높이 15cm)를 사용하였다. 자유단-자유단 공진 주시 험 (Free Free Resonant Col umn Test) 결과 우레탄의 P파 속도는 470 m/sec로 측정되었고, 모노 캐스트의 P파 속도는 1, 883 .m/sec로 측정되었으며(Kweon, 1998), 속도 차이를 비교해 볼 때, 이들 재질의 강성비가 말뚝과 암반의 강성비를 어느 정도 재현할 수 있다고 판단된다.
또한 signal 1은 토사 층과 풍화암 경계면에서의 반사 신호로 판단되며, signal 2는 말뚝 선단부에서의 반사 신호로 판단된다. 토사층과 풍화암 경계부까지의 길이는 4.5m로 산정되었으며 실제 깊이인 7.1m와 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. 그리고 말뚝 전체의 길이는 13.
후속연구
3m와는 약간의 차이가 있는 것으로 나타났다. 하지만 충격반향기법의 시간영역 신호를 분석하여 얻은 지금까지의 결과를 종합해 볼 때 말뚝의 길이, 그리고 토사층 및 암반 경계부에 대한 깊이를 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
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