여러 가지 현장 시험과 실내 시험 결과 진동쇄석말뚝공법은 기존의 모래말뚝공법에 비해 지지력증대, 지반보강, 사면보강, 액상화 방지억제 그리고 배수촉진 등의 효과를 극대화할 수 있는 공법으로 알려져 있으나, 설계실무에서는 경험적인 방법이나 공식에만 의존하여 설계가 이루어지고 있는 상태이다. 또한, 이 공법은 경제성을 갖춘 대체재료(즉, 쇄석)의 활용이 가능한 공법으로 해안 구조물의 시공에 적극적으로 활용가능한 공법이다. 본 연구에서는 쇄석말뚝에 대한 현 단계에서의 기술적 수준과 향후 연구방향 및 연구의 필요성에 대하여 고찰하였다.
여러 가지 현장 시험과 실내 시험 결과 진동쇄석말뚝공법은 기존의 모래말뚝공법에 비해 지지력증대, 지반보강, 사면보강, 액상화 방지억제 그리고 배수촉진 등의 효과를 극대화할 수 있는 공법으로 알려져 있으나, 설계실무에서는 경험적인 방법이나 공식에만 의존하여 설계가 이루어지고 있는 상태이다. 또한, 이 공법은 경제성을 갖춘 대체재료(즉, 쇄석)의 활용이 가능한 공법으로 해안 구조물의 시공에 적극적으로 활용가능한 공법이다. 본 연구에서는 쇄석말뚝에 대한 현 단계에서의 기술적 수준과 향후 연구방향 및 연구의 필요성에 대하여 고찰하였다.
Based from the results of various field and laboratory tests, it was determined that VCCP(Vibrated Crushed-stone Compaction Pile) Method is more effective compared to SCP(Sand Compaction Pile) Method. VCCP method effectively increases soil bearing capacity and reinforces soil and slopes, prevents li...
Based from the results of various field and laboratory tests, it was determined that VCCP(Vibrated Crushed-stone Compaction Pile) Method is more effective compared to SCP(Sand Compaction Pile) Method. VCCP method effectively increases soil bearing capacity and reinforces soil and slopes, prevents liquefaction, enhances drainage. But when it comes to the engineering design these factors are not considered, instead designs are performed using practical methods and equations. Furthermore, this method is very economical since crushed stone can be used instead of sand and it can be also used in off-shore construction. In this paper, it will be synthetically considered technical state at the present time, research object after this and necessity of research for VCCP Method.
Based from the results of various field and laboratory tests, it was determined that VCCP(Vibrated Crushed-stone Compaction Pile) Method is more effective compared to SCP(Sand Compaction Pile) Method. VCCP method effectively increases soil bearing capacity and reinforces soil and slopes, prevents liquefaction, enhances drainage. But when it comes to the engineering design these factors are not considered, instead designs are performed using practical methods and equations. Furthermore, this method is very economical since crushed stone can be used instead of sand and it can be also used in off-shore construction. In this paper, it will be synthetically considered technical state at the present time, research object after this and necessity of research for VCCP Method.
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문제 정의
따라서, 현장 시험시공 및 재하시험 결과를 토대로한 설계기술의 개발이 시급하다고 할 수 있다. 여기에서는 쇄석말뚝에 대한 현 단계에서의 기술적 수준을 종합적으로 고찰하고 향후 연구의 추진방향 및 연구의 필요성에 대하여 고찰하였다.
가설 설정
(3) Priebe법
Priebe(해양수산부, 2000)는 쇄석다짐말뚝으로 개량된 지반의 침하 감소를 예측하기 위해서 등가단일원주 모형을 사용하였고, 쇄석다짐말뚝은 소성평형상태에 있으며, 등가 유효원주내의 흙은 탄성체로 가정하였으며 그의 제안식은 다음과 같다.
① 등가유효원주는 유효하다.
① 쇄석은 모래에 비해 가격이 싸므로 경제적이다
② 등가유효원주에 적용된 총 연직 하중은 쇄석과 흙에 발생된 힘의 합과 같다(평형상태).
② 지지력 및 전단강도가 크므로 설치간격 확대가 가능하다.
④ 다짐에 의해 잔류침하가 조기에 안정된다.
강성 등가원주에 있는 경계면의 존재 때문에 쇄석다짐말뚝은 소성평형의 구속상태로 존재한다. 또한, 쇄석과 흙 사이의 내부에서 연직, 방사상 그리고 접선응력이 주요한 응력으로 간주되므로 전단응력은 쇄석과 흙 사이의 연직경계에서 발생된다고 가정한다.
Balaam 등(1976)은 등가원주개념을 사용하여 대규모 무리쇄석다짐말뚝을 유한요소 방법으로 해석하였다. 비배수 조건에서 쇄석다짐 말뚝의 침하는 작거나 보통 무시되고, 점토에 대한 쇄석의 탄성 계수비는 1 0～40으로 다양하게 가정되며 각 재료의 포아송비는 0.3 으로 가정되었고 정지토압계수 (K0 ) 는 1이 사용되 었다. 탄성과 탄소성 반응 사이에서 침하는 약 6% 차이가 발견되었다.
최근 수행된 유한요소 해석과 하중증가법을 적용한 연구 결과, 쇄석다짐말뚝의 경계면에 작용하는 전단응력이 일반적으로 1tonf/ ㎡ 보다 작은 것으로 나타났다. 쇄석다짐 말뚝의 내부에서 상대적으로 작은 전단응력이 발생하므로 연직응력과 방사상응력이 주응력이라는 가정은 공학적 접근법으로서 만족된다. 하중증분법에서 쇄석의 파괴시 연직 응력은 쇄석의 수동토압계수와 내부에서 점토의 수평방향의 곱과 같다고 가정한다.
이 연구와 Datye (1982) 등의 연구는 흙과 쇄석 사이의 탄성계수비가 40～100 또는 그 이상의 범위를 갖는 연약한 흙에 대해 수행하였다. 압축성 흙 (즉, Es/Ec ≥ 10)에서 압밀침하를 계산하기 위한 설계곡선은 점토가 탄소성이고, 쇄석의 특성은 응력 의 종속관계라는 가정으로 전개되었다. 비선형 응력의 종속관계 강도 특성의 파악을 위해 사용된 쇄석은 Santa Barbara에서 사용되었던 쇄석을 사용하였다.
③ 연직 수평방향이 압밀이 근사적으로 해석에 고려되고, 등가원주는 작은 수평 증분으로 분할된다. 연직변위와 연직, 방사방향 응력들은 모든 변수들이 증분에 대하여 일정하다는 가정하에 각각의 증분에 대하여 계산된다.
이 소성이론은 기하학적 응력증분에 대해 적용할 수 있는 점토에서 측방응력의 계수인 연직응력변화의 함수 그리고 점토에서의 초기 응력 상태로써 방사상 응력 변화 를 준다. 이러한 문제 해결시 쇄석다짐말뚝이 소성평형상태일 때 점토 또한 소성상태라고 가정한다. 점토의 수평방향 압밀은 Terzaghi 1차원 압밀이론을 수정하여 고려한다.
침하계산 방법은 일반적으로 수많은 가정에 따라 단순화하여 만든 근사계산법들과 탄성이나 소성이론을 기본으로 하는 FEM 해석법으로 분류한다. 침하를 추정하기 위한 방법들은 모두 일정한 직경과 간격을 갖는 쇄석다짐말뚝으로 보강되어 있으며 재하면적이 무한히 넓다고 가정한다.
그림 6(a)과 같이 성토하중으로 인해 하부지반에 측방 유동 현상이 발생하며, 과도한 측방유동현상을 퍼짐(spreading)이라 한다. 퍼짐 현상이 발생하면 침하량은 더욱 증가할 것이다. 그림 6(b)와 같이 선단지지된 쇄석다짐말뚝은 상부에서 팽창 또는 전단파괴가 일어나며, 그림 6(c)과 같이 선단이 지지되지 않은 쇄석다짐말뚝은 관입파괴가 일어날 수 있다.
쇄석다짐 말뚝의 내부에서 상대적으로 작은 전단응력이 발생하므로 연직응력과 방사상응력이 주응력이라는 가정은 공학적 접근법으로서 만족된다. 하중증분법에서 쇄석의 파괴시 연직 응력은 쇄석의 수동토압계수와 내부에서 점토의 수평방향의 곱과 같다고 가정한다. 점성토에서 수평방향 응력은 점토 내에서 평형을 고려한 Kirkpatrick, Whitman, Wu 등(해양수산부, 2000)에 의해 개발된 소성이론에 따라 계산된다.
제안 방법
Hughes와 Withers(1974)는 주로 상부에서 발생하는 벌징(Bulging)에 의하여 과도한 침하를 일으키며 파괴된다고 하였고 프레셔미터 시험을 이용한 침하 계산방법을 발표하였다. 그리고, 단일 쇄석다짐말뚝의 극한지지력을 계산하는 식을 제안하였다. Bachus와 Barksdale(해양수 산부, 2000)는 무리쇄석다짐말뚝의 극한지지력을 이론적으로 연구하였다.
김홍택 등(1998, 1999)은 “조립토군말뚝의 극한지지력 평가에 관한 연구”, “강관스커트 보강 조립토 군말뚝의 극한지지력 평가에 관한 연구”를 발표하였다. 전자의 연구에서는 각 말뚝의 팽창파괴 중심부까지의 깊이를 결정하는 기법, 합성탄성계수 개념을 토대로 극한공동압을 평가하는 기법 등을 제시하였고, 이 기법을 이용하여 극한지지력을 산정하였다. 후자는 상부매트기초와 하부기초지반사이의 접촉면 각 지점별 불균등 침하량 예측을 위한 간편 유한요소해석기법과 하중분담비 평가방법 및 극한지지력 평가절차 등을 제시하였다.
이러한 문제 해결시 쇄석다짐말뚝이 소성평형상태일 때 점토 또한 소성상태라고 가정한다. 점토의 수평방향 압밀은 Terzaghi 1차원 압밀이론을 수정하여 고려한다. 이 접근에 따르면 Terzaghi의 1차원 압밀 방정식을 사용하지만 점토에서의 연직응력은 수평방향 압밀에 의해 증가된 체적변화에 반영되어 증가된다.
전자의 연구에서는 각 말뚝의 팽창파괴 중심부까지의 깊이를 결정하는 기법, 합성탄성계수 개념을 토대로 극한공동압을 평가하는 기법 등을 제시하였고, 이 기법을 이용하여 극한지지력을 산정하였다. 후자는 상부매트기초와 하부기초지반사이의 접촉면 각 지점별 불균등 침하량 예측을 위한 간편 유한요소해석기법과 하중분담비 평가방법 및 극한지지력 평가절차 등을 제시하였다.
대상 데이터
일반적으로 쇄석다짐말뚝 시공에 쇄석이 사용되기 때문에 Santa Barbara 자갈의 강성은 약간 안전측으로 실제에 거의 가깝다고 볼 수 있다. 비선형 응력-변형 특성은 직경 305mm (12in)의 삼축 시험 결과로 얻어졌다.
압축성 흙 (즉, Es/Ec ≥ 10)에서 압밀침하를 계산하기 위한 설계곡선은 점토가 탄소성이고, 쇄석의 특성은 응력 의 종속관계라는 가정으로 전개되었다. 비선형 응력의 종속관계 강도 특성의 파악을 위해 사용된 쇄석은 Santa Barbara에서 사용되었던 쇄석을 사용하였다. 일반적으로 쇄석다짐말뚝 시공에 쇄석이 사용되기 때문에 Santa Barbara 자갈의 강성은 약간 안전측으로 실제에 거의 가깝다고 볼 수 있다.
이론/모형
쇄석다짐말뚝으로 보강된 모래, 실트질 모래, 그리고 실트와 같은 낮은 압축성 흙의 침하에 대한 예측 곡선은 선형 탄성이론을 사용하여 전개되었다. 낮은 압축성 흙은 탄성 계수비 Es/Ec ≤ 10를 갖는 흙에 한정된다 (여기서, Es와 Ec는 각각 쇄석과 흙의 평균 탄성계수).
쇄석의 탄성과 소성반응은 Goughnour와 Bayuk (1979)의 하중증분법을 사용하여 분석된다. 응력의 범위가 충분히 낮다면 쇄석다짐말뚝은 탄성범위에 놓이게 된다.
하중증분법에서 쇄석의 파괴시 연직 응력은 쇄석의 수동토압계수와 내부에서 점토의 수평방향의 곱과 같다고 가정한다. 점성토에서 수평방향 응력은 점토 내에서 평형을 고려한 Kirkpatrick, Whitman, Wu 등(해양수산부, 2000)에 의해 개발된 소성이론에 따라 계산된다. 이 소성이론은 기하학적 응력증분에 대해 적용할 수 있는 점토에서 측방응력의 계수인 연직응력변화의 함수 그리고 점토에서의 초기 응력 상태로써 방사상 응력 변화 를 준다.
성능/효과
Greenwood(해양수산부, 2000)는 쇄석다짐말뚝의 간격과 점토의 비배수강도를 침하량 영향요소로 제시하여 쇄석다짐말뚝 처리지반의 침하량 산정을 위한 도표를 제시하 였다. 또한 응력분담비가 3, 5, 10, 20일 때 평형법에 대한 상계해법이 추가되었고, 단단한 흙과 보통의 지반개량 수준 ( 0.15≤ a s≤0.35)에 대하여 그림 9에 나타난 개량계수는 높아진다고 제안하였다.
여러 실험에 의한 결과를 인용하면 임의 점착성 지반에 진동쇄석말뚝공법을 적용하여 계측한 결과, 50～70%의 침하량 저감과 20～200%의 지지력이 증가함을 알 수 있 었다.
탄성과 탄소성 반응 사이에서 침하는 약 6% 차이가 발견되었다. 연약층으로 관입한 쇄석다짐말뚝의 양과 말뚝의 직경은 침하에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
강성재하에 대한 선형탄성이론을 사용한 단위 셀 모형에 대해서 Balaam와 Booker (해양수산부, 2000)는 연직응력이 쇄석다짐말뚝에서 수평면에 거의 균등하고 점토에서도 균등하다는 것을 발견했다. 이들 해석은 점토가 비배수 상태에서 배수상태로 진행되는 것처럼 배수상태에서는 점토에서 연직응력이 감소하고 쇄석에서 응력이 증가하는 것으로 나타났다. 압축성이 낮은 흙과 압축성 흙에 대한 설계 곡선은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
천병식 등 (1999, 2000)은 “실내모형시험을 통한 Gravel Drain의 배수효과에 관한 연구”, “연약지반에서 쇄석골재말뚝의 지지력 특성 연구”, “Gravel pile의 지지력 특성에 관한 연 구” 등을 발표하였다. 특히, 쇄석말뚝(Gravel pile)의 지지력 특성에 관한 연구에서 모형토조 시험결과 최종침하량은 모래다짐말뚝(Sand pile) 설치지반보다 약 20%의 침 하저감효과가 있는 것과 현장 평판재하시험 결과 주변지반 및 말뚝 상부의 지지력이 모두 큰 것으로 평가되었다. 김홍택 등(1998, 1999)은 “조립토군말뚝의 극한지지력 평가에 관한 연구”, “강관스커트 보강 조립토 군말뚝의 극한지지력 평가에 관한 연구”를 발표하였다.
후속연구
또한, 이 공법은 쇄석과 같은 경제성을 갖춘 대체재료의 활용이 가능한 공법으로 해안 구조물의 시공에 적극적으로 활용가능한 공법이다. 그러나, 현재까 지의 연구에서는 실내모형실험연구가 대부분이며 현장실험연구 실적이 미흡한 실정이므로, 향후 현장시험을 실시하여 쇄석말뚝과 지반의 실제 하중분담율을 측정해내고, 이를 토대로 합리적인 설계기법을 개발하여야 한다. 또한, 큰 입경의 쇄석을 사용할 수 있는 시공장비의 개선이 절실하게 필요한 상황이다.
따라서, 양질의 모래 대신 재료구득이 쉽고 경제성이 좋은 쇄석을 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 폐콘크리트파 쇄물, 터널공사시 발파석 버력, 석산개발시 버력, 그리고 화력발전소 부산물인 동슬래그 등을 시공재료로 사용할 수 있어 환경친화적인 공법으로 사용될 수도 있을 것이며, 저소음 저진동공법으로도 발전시킬 수 있을 것이다.
이에 따라 쇄석다짐말뚝에 대한 앞으로의 연구에서는 현장에서 재하시험 및 계측을 실시하여 복합지반의 하중분담 특성을 규명하고 원지반과 쇄석다짐말뚝의 응력분담율을 고려한 지지력산정 공식을 개발해야 할 것이다. 또한, 현장 실험을 통하여 치환율과 시공간격의 변화에 따른 응력분 담, 침하저감효과 그리고 강도증진효과 등을 규명해야 할 것이며 복합지반의 압밀 및 지지력 특성을 연구해야 할 것이다. 현장에 시공된 진동쇄석말뚝에 대한 시공 결과를 토대로 쇄석다짐말뚝공법의 경험적인 설계법을 대체할 수 있는 실용적인 설계법 및 전산프로그램을 개발해야 할 것이며, 국내 지반조건에 적합한 시공방법 및 시공장비를 개발해야 할 것이다.
이에 따라 쇄석다짐말뚝에 대한 앞으로의 연구에서는 현장에서 재하시험 및 계측을 실시하여 복합지반의 하중분담 특성을 규명하고 원지반과 쇄석다짐말뚝의 응력분담율을 고려한 지지력산정 공식을 개발해야 할 것이다. 또한, 현장 실험을 통하여 치환율과 시공간격의 변화에 따른 응력분 담, 침하저감효과 그리고 강도증진효과 등을 규명해야 할 것이며 복합지반의 압밀 및 지지력 특성을 연구해야 할 것이다.
또한, 현장 실험을 통하여 치환율과 시공간격의 변화에 따른 응력분 담, 침하저감효과 그리고 강도증진효과 등을 규명해야 할 것이며 복합지반의 압밀 및 지지력 특성을 연구해야 할 것이다. 현장에 시공된 진동쇄석말뚝에 대한 시공 결과를 토대로 쇄석다짐말뚝공법의 경험적인 설계법을 대체할 수 있는 실용적인 설계법 및 전산프로그램을 개발해야 할 것이며, 국내 지반조건에 적합한 시공방법 및 시공장비를 개발해야 할 것이다.
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