현행 무리말뚝 설계에서는 하나의 무리효율을 이용하여 개별말뚝의 지지력으로부터 전체 무리말뚝의 지지력을 산정하고 있다. 그러나, 무리말뚝의 지지 거동은 말뚝 시공 방법, 말뚝지반말뚝 상호작용, 캡-지반말뚝 상호작용 등의 복합적인 영향을 받으며, 따라서 하나의 무리효율만으로 이렇게 다양한 영향 요소들을 합리적으로 고려하는 것은 불가능하다. 본 논문에서는 다양한 효율을 도입하여, 이들 영향 요소들을 분리하여 고려할 수 있는 무리말뚝 설계 방법을 제안하였다. 제안된 방법에서는 이 외에도 말뚝의 하중 전이 특성과 위치에 따른 말뚝 거동의 차이를 고려할 수 있으며, 침하 기준을 이용한 효율의 산정을 통해 침하 관점의 설계가 이루어질 수 있다. 기존의 모형실험 결과로부터 제안된 설계 방법에 적용할 수 있는 효율을 산정하여 제시하였으며, 이를 이용하여 또 다른 모형 실험의 지지력을 산정하고 시험결과와 비교함으로써 제안된 방법의 유효성을 평가하였다.
현행 무리말뚝 설계에서는 하나의 무리효율을 이용하여 개별말뚝의 지지력으로부터 전체 무리말뚝의 지지력을 산정하고 있다. 그러나, 무리말뚝의 지지 거동은 말뚝 시공 방법, 말뚝지반말뚝 상호작용, 캡-지반말뚝 상호작용 등의 복합적인 영향을 받으며, 따라서 하나의 무리효율만으로 이렇게 다양한 영향 요소들을 합리적으로 고려하는 것은 불가능하다. 본 논문에서는 다양한 효율을 도입하여, 이들 영향 요소들을 분리하여 고려할 수 있는 무리말뚝 설계 방법을 제안하였다. 제안된 방법에서는 이 외에도 말뚝의 하중 전이 특성과 위치에 따른 말뚝 거동의 차이를 고려할 수 있으며, 침하 기준을 이용한 효율의 산정을 통해 침하 관점의 설계가 이루어질 수 있다. 기존의 모형실험 결과로부터 제안된 설계 방법에 적용할 수 있는 효율을 산정하여 제시하였으며, 이를 이용하여 또 다른 모형 실험의 지지력을 산정하고 시험결과와 비교함으로써 제안된 방법의 유효성을 평가하였다.
Current design of pile group is based on the estimation of the overall bearing capacity of a pile group from that of a single pile using a group efficiency. However, the behaviors of a pile group are influenced by various factors such as the method of pile installation, pile-soil-pile interaction, c...
Current design of pile group is based on the estimation of the overall bearing capacity of a pile group from that of a single pile using a group efficiency. However, the behaviors of a pile group are influenced by various factors such as the method of pile installation, pile-soil-pile interaction, cap-soil-pile interaction, etc. Thus, it is practically impossible to take into account these factors reasonably with the only group efficiency. In this paper, a new method for the design of pile groups is proposed, where the significant factors affecting the behavior of a pile group are considered separately by adopting several efficiencies. Furthermore, in the proposed method, the load transfer characteristics of piles and the difference of pile behaviors with respect to the pile locations in group can be taken into account. The efficiencies for the method are determined using the settlement failure criterion, which is consistent with the concept of allowable settlement fur structures. The efficiencies calculated from the results of existing model tests are presented, and the bearing capacity of a pile group in the other model test is calculated and compared with that from the test result to verify the validity of the proposed method.
Current design of pile group is based on the estimation of the overall bearing capacity of a pile group from that of a single pile using a group efficiency. However, the behaviors of a pile group are influenced by various factors such as the method of pile installation, pile-soil-pile interaction, cap-soil-pile interaction, etc. Thus, it is practically impossible to take into account these factors reasonably with the only group efficiency. In this paper, a new method for the design of pile groups is proposed, where the significant factors affecting the behavior of a pile group are considered separately by adopting several efficiencies. Furthermore, in the proposed method, the load transfer characteristics of piles and the difference of pile behaviors with respect to the pile locations in group can be taken into account. The efficiencies for the method are determined using the settlement failure criterion, which is consistent with the concept of allowable settlement fur structures. The efficiencies calculated from the results of existing model tests are presented, and the bearing capacity of a pile group in the other model test is calculated and compared with that from the test result to verify the validity of the proposed method.
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문제 정의
본 논문에서는 무리 말뚝 설계 방법의 문제점을 보완한 새로운 무리 말뚝 설계 방법을 제안하였다. 제안된 방법의 특징은 다음과 같다.
가설 설정
1) 파괴 기준에 따라 극한지지력이 다르게 산정된다. 2) 말뚝과 캡의 하중-침하 거동의 차이가 고려되지 않는다.
1) 파괴 기준에 따라 극한지지력이 다르게 산정된다. 2) 말뚝과 캡의 하중-침하 거동의 차이가 고려되지 않는다. (말뚝의 파괴가 발생되는 침하량은 캡의 파괴 가 발행하는 침하량과 상당한 차이가 있다.
3) 무리 말뚝 내 위치에 따른 말뚝 하중-침하 거동의 차이를 고려할 수 없다.
제안 방법
기존의 무리 말뚝에 대한 적용을 통해 제안된 무리 말 뚝 설계 방법의 적용성을 검토하였다. 대상 무리 말뚝은 Phung(1993)이 수행한 현장 모형시험의 무리말뚝으 지반 조건이나 말뚝 설치 방법 등이 유사한 이수형 등 (2000)의 시험 결과로부터 산정한 균질한 사질토 지반에 대한 하중효율(표 2)을 제안된 방법에 적용하여 그 지지력을 계산하였다.
기존의 무리 말뚝에 대한 적용을 통해 제안된 무리 말 뚝 설계 방법의 적용성을 검토하였다. 대상 무리 말뚝은 Phung(1993)이 수행한 현장 모형시험의 무리말뚝으 지반 조건이나 말뚝 설치 방법 등이 유사한 이수형 등 (2000)의 시험 결과로부터 산정한 균질한 사질토 지반에 대한 하중효율(표 2)을 제안된 방법에 적용하여 그 지지력을 계산하였다. 계산된 지지력을 시험 결과와 비교 분석함으로써 제안된 방법의 유효성을 평가하였다.
제안된 무리 말뚝 지지력 예측 식은 Phung(1993)이 제안한 식 (4) 를 무리 말뚝 내 위치에 따른 말뚝 거동의 차이를 고려할 수 있도록 보완한 것이다. 더불어, 제안된 식에서는 말뚝 설치 효과에 대한 영향계수를 추가함으로써, 말뚝 설치 효과를 말뚝-지반-말뚝 상호작용과 분리하여 고려할 수 있도록 하였다. 제안된 식에서는 모두 네 종류의 영향계수가 적용되었으며, Hi, 8, lbe 각각 말뚝 설치 효과, 말뚝-지반-말뚝 상호작용, 캡-지반-말뚝 상호작용이 무리 말뚝 내 말뚝들의 거동에 미치는 효과를 고려하기 위한 것이고, TU는 캡-지반-말뚝 상호작용과 말뚝 설치 효과가 캡의 거동에 미치는 영향을 고려하기 위한 것이다.
하중 효율을 구하기 위한 기준 침하량은 말뚝의 파괴가 발생하는 침하량의 절반 정도의 침하량으로 결정하였으며, 따라서 표 2와 3에 제시된 값들은 사용 하중 영역에서의 하중 효율을 대표한다고 할 수 있다. 무리 말뚝 내 단 말뚝에 대한 재하시험은 균질한 사질토 지반에서 중앙말뚝에 대해서만 수행되었기 때문에 균질한 사질토 지반의 외곽부 말뚝과 이층지반의 말뚝에 대해서는 말뚝 설치 중첩 효과에 대한 하중 효율(m)과 말环 지반-말뚝 상호작용에 대한 하중 효율 012)을 분리하여 평가할 수 없었으며, 대신에 독립된 단 말뚝과 캡과 지반이 접촉하지 않은 무리 말뚝 내 개별말뚝의 지지력을 비교함으로써, 말뚝 설치 중첩 효과와 말*지반-말뚝 사이의 상호작용이 모두 반영된 하중 효율(nixib)을 제시하였다. 표 2와 표 3에 제시된 하중 효율에서는 같은 말뚝 간격인 경우에도 말뚝 위치에 따라 하중 효율의 차이가 상당히 큰 것을 알 수 있으며 말뚝 설치 효과나 지지 요소들 사이의 상호작용 효과가 더 크게 작용하는 중앙부 말뚝이 외곽부 말뚝에 비해 말뚝 위치나 말뚝 간격에 따른 하중 효율의 변화가 더 큰 것을 알 수 있다.
Phung(1993)은 비점착성 지반에 설치된 대규모 무리 말뚝에 대한 현장 모형시험을 수행하였다. 본 예제에서는 5개의 말뚝(중앙부 말뚝 1개, 외곽부 말뚝 4개)으로 이루어진 무리 말뚝의 전체 지지력을 제안된 방법을 이용하여 예측하였다 재하시험의 개요 및 무리 말뚝의 제원은 표 4에 정리하여 나타내었다. 그림 5는 말뚝 배치를 나타낸다.
합리적이고 정확한 무리 말뚝 설계를 위해서는 말뚝 설치 효과, 말牛지반-말뚝 상호작용, 캡-지반-말뚝 상호 작용, 전면기초로서의 캡의 지지 효과 등이 고려되어야 하며, 무리 효과로 인한 지지 요소들의 침하 특성 변화도 반드시 고려되어야 한다. 새로운 무리 말뚝 설계 방법에서는 위에서 열거한 고려 사항뿐만 아니라, 지금까지 간과되었던 무리 말뚝 내 말뚝 위치에 따른 말뚝 지지 거동의 변화도 고려할 수 있도록 개발되었다.
여기서, G와 Gp는 말뚝-지반-말뚝 상호작용이 각각 말뚝의 주면 마찰력과 선단지지력에 미치는 효과를 고려하기 위한 계수이^, G와 Cp는 캡-지반-말뚝 상호작용이 각각 말뚝의 주면 마찰력과 선단지지력에 미치는 효과를 고려하기 위한 계수이며, 33개의 무리 말뚝에 대한 재하시험 결과를 이용하여 이들 계수를 구하기 위한 경 험식이 제안되었다. 경험식에서 계수 G, Gp, G, G의 값은 무리 말뚝을 이루는 말뚝의 개수, 말뚝 간격, 캡 너 비의 말뚝 길이에 대한 비 등의 함수로 표현된다.
이 논문에서는 기존의 연구 결과에서 파악된 무리 말 뚝 지지 거동 특성을 토대로 무리 말뚝 내 말뚝 위치에 따라서, 말뚝 설치 효과의 중첩, 말뚝들 사이의 상호작용, 캡과 지반의 상호작용 등을 분리하여 고려할 수 있는 무리말뚝 설계 방법을 제안하였다.
제안된 무리 말뚝 지지력 예측 식은 Phung(1993)이 제안한 식 (4) 를 무리 말뚝 내 위치에 따른 말뚝 거동의 차이를 고려할 수 있도록 보완한 것이다. 더불어, 제안된 식에서는 말뚝 설치 효과에 대한 영향계수를 추가함으로써, 말뚝 설치 효과를 말뚝-지반-말뚝 상호작용과 분리하여 고려할 수 있도록 하였다.
더불어 캡과 말뚝의 하중침하 거동의 특성 차이와 상호작용에 의한 말뚝이나 캡의 흐! 중침하 거동의 변화를 고려하기 위하여, 식 (4) 의 영향계수로서 극한지지력을 비교하여 산정한 무리 효율을 적용하는 대신에, 동일 침하량에서 단 말뚝, 전면기초, 캡과 지반이 접촉하지 않은 무리 말뚝, 캡과 지반이 접촉한 무리 말뚝의 지지력을 비교하여 구한 하중 효율(load efficiency)을 적용할 것을 제안하였다. 하중 효율은 침하량 파괴기준을 적용하여 구한 일종의 무리 효율이라 할 수 있다.
데이터처리
대상 무리 말뚝은 Phung(1993)이 수행한 현장 모형시험의 무리말뚝으 지반 조건이나 말뚝 설치 방법 등이 유사한 이수형 등 (2000)의 시험 결과로부터 산정한 균질한 사질토 지반에 대한 하중효율(표 2)을 제안된 방법에 적용하여 그 지지력을 계산하였다. 계산된 지지력을 시험 결과와 비교 분석함으로써 제안된 방법의 유효성을 평가하였다.
기존의 모형 무리말뚝 재하시험대하여 제안된 방법을 적용하고 계산 결과를 시험 결과와 비교함으로써, 그 적용성을 확인하였다. 또한, 다양한 지반 조건 및 말뚝 설치 방법에 따른 실물 크기 무리말뚝에 대한 재하시험이나 현장 계측 결과가 축적된다면, 제안된 무리말뚝 설계 방법의 실제적인 활용이 가능할 것으로 판단된다.
성능/효과
(1) 지금까지 하나의 무리 효율만을 이용하여 한꺼번에 대략적으로 고려해왔던, 말뚝 설치 중첩 효과, 말뚝- 지반-말뚝 상호작용, 캡-지반-말뚝 상호작용 등의 무 리 말뚝 거동에 영향을 미치는 주요한 요소에 대하여 각각 독립적인 효율을 도입함으로써 이러한 요소들의 효과를 명확하게 분리하여 고려할 수 있다.
(2) 말뚝의 주면 마찰력과 선단 지지력을 분리하여 서로 다른 효율을 적용함으로써 보다 정확한 설계가 가능하다. (3) 무리 말뚝 내 말뚝의 상대적인 위치에 따라 말뚝을 중앙부 말뚝과 외곽부 말뚝으로 구분하여 서로 다른 효율을 적용함으로써, 무리 말뚝 내 위치에 따른 말뚝 거동의 차이를 고려할 수 있다.
(2) 말뚝의 주면 마찰력과 선단 지지력을 분리하여 서로 다른 효율을 적용함으로써 보다 정확한 설계가 가능하다. (3) 무리 말뚝 내 말뚝의 상대적인 위치에 따라 말뚝을 중앙부 말뚝과 외곽부 말뚝으로 구분하여 서로 다른 효율을 적용함으로써, 무리 말뚝 내 위치에 따른 말뚝 거동의 차이를 고려할 수 있다.
(5) 침하량 관점의 설계를 통해 캡과 말뚝의 하중-침하거동 특성 차이(캡의 파괴는 점진적으로 발생하는 데 비해 말뚝의 파괴는 상대적으로 관입 형태로 발생함)로 발생하는 캡과 말뚝의 극한하중에서의 침하량 차이 문제를 해결할 수 있는 동시에, 캡에 대해서도 효율을 적용함으로써, 캡의 전면 기초로서의 지지효 과를 무리 말뚝 설계에 합리적으로 고려할 수 있다.
4) 말뚝 설치 효과, 말뚝-지반-말뚝 및 캡-지반-말뚝 상호작용에 의한 말뚝 또는 캡의 하중-침하 거동의 변화를 고려할 수 없다.
표 2와 표 3에 제시된 하중 효율에서는 같은 말뚝 간격인 경우에도 말뚝 위치에 따라 하중 효율의 차이가 상당히 큰 것을 알 수 있으며 말뚝 설치 효과나 지지 요소들 사이의 상호작용 효과가 더 크게 작용하는 중앙부 말뚝이 외곽부 말뚝에 비해 말뚝 위치나 말뚝 간격에 따른 하중 효율의 변화가 더 큰 것을 알 수 있다. 또한 지반 조건에 따른 하중 효율의 차이도 상당히 큰 것으로 나타났다. 예를 들면 캡에 대한 하중효율(闿)의 경우 균질한 사질토 지반에서는 말뚝 간격에 따라 1에 가깝거 나 조금 크게 산정된 것에 반해 이층지반에서는 0.
더불어, 제안된 식에서는 말뚝 설치 효과에 대한 영향계수를 추가함으로써, 말뚝 설치 효과를 말뚝-지반-말뚝 상호작용과 분리하여 고려할 수 있도록 하였다. 제안된 식에서는 모두 네 종류의 영향계수가 적용되었으며, Hi, 8, lbe 각각 말뚝 설치 효과, 말뚝-지반-말뚝 상호작용, 캡-지반-말뚝 상호작용이 무리 말뚝 내 말뚝들의 거동에 미치는 효과를 고려하기 위한 것이고, TU는 캡-지반-말뚝 상호작용과 말뚝 설치 효과가 캡의 거동에 미치는 영향을 고려하기 위한 것이다. 각 영향계수 뒤에 붙는 아래 첨자 s와 P는 각각 주면 마찰력과 선단 지지력을 나타내며, c와 e 는 중앙부 말뚝과 외곽부 말뚝을 나타낸다.
크기 효과로 인해 표 2와 3에 제시한, 모형 말뚝으로 산정된 하중 효율들을 실제 무리 말뚝에 직접적으로 적용하기는 어렵지만, 제시된 하중 효율들의 지반 조건이나 말뚝 간격에 따른 변화 특성을 고려하면, 본 논문에서 제안한 설계 방법의 타당성 및 필요성을 충분히 유추 할 수 있다. 따라서, 앞으로 다양한 지반 조건에 대하여 실제 크기의 무리 말뚝이나 현장 계측 결과가 축적된다면 제안된 방법을 이용한 실제 무리 말뚝에 대한 합리적인 설계가 가능할 것으로 기대된다.
무리 말뚝 내 단 말뚝에 대한 재하시험은 균질한 사질토 지반에서 중앙말뚝에 대해서만 수행되었기 때문에 균질한 사질토 지반의 외곽부 말뚝과 이층지반의 말뚝에 대해서는 말뚝 설치 중첩 효과에 대한 하중 효율(m)과 말环 지반-말뚝 상호작용에 대한 하중 효율 012)을 분리하여 평가할 수 없었으며, 대신에 독립된 단 말뚝과 캡과 지반이 접촉하지 않은 무리 말뚝 내 개별말뚝의 지지력을 비교함으로써, 말뚝 설치 중첩 효과와 말*지반-말뚝 사이의 상호작용이 모두 반영된 하중 효율(nixib)을 제시하였다. 표 2와 표 3에 제시된 하중 효율에서는 같은 말뚝 간격인 경우에도 말뚝 위치에 따라 하중 효율의 차이가 상당히 큰 것을 알 수 있으며 말뚝 설치 효과나 지지 요소들 사이의 상호작용 효과가 더 크게 작용하는 중앙부 말뚝이 외곽부 말뚝에 비해 말뚝 위치나 말뚝 간격에 따른 하중 효율의 변화가 더 큰 것을 알 수 있다. 또한 지반 조건에 따른 하중 효율의 차이도 상당히 큰 것으로 나타났다.
후속연구
지반 조건, 말뚝 설치 방법, 말뚝 간격, 말뚝 길이, 캡과 지반의 상대 강성 등 하중 효율에 영향을 줄 수 있는 요소 들은 매우 많으나, 현행 무리 말뚝 설계에서 무리 효율이 주로 지반 조건과 말뚝 간격에 따라 결정되는 것과 마찬가지로, 하중 효율도 지반 조건과 말뚝 간격에 가장 큰 영향을 받을 것으로 판단된다. 따라서, 다양한 지반 조건에서 말뚝 간격에 따른 하중 효율의 변화에 관한 자료가 수집된다면, 실용적이면서도 합리적인 무리 말뚝 설계가 이루어질 수 있을 것이다. 그러나, 지금까지는 무리 말뚝 에 대한 재하시험이나 계측이 주로 무리 말뚝의 전체 지 지력 산정에 관점을 두고 있기 때문에, 제안된 설계 방법 에 적용하기 위한 세분화된 하중 효율을 산정할 수 있는 시험 또는 계측 결과는 매우 적은 상황이다.
크기 효과로 인해 표 2와 3에 제시한, 모형 말뚝으로 산정된 하중 효율들을 실제 무리 말뚝에 직접적으로 적용하기는 어렵지만, 제시된 하중 효율들의 지반 조건이나 말뚝 간격에 따른 변화 특성을 고려하면, 본 논문에서 제안한 설계 방법의 타당성 및 필요성을 충분히 유추 할 수 있다. 따라서, 앞으로 다양한 지반 조건에 대하여 실제 크기의 무리 말뚝이나 현장 계측 결과가 축적된다면 제안된 방법을 이용한 실제 무리 말뚝에 대한 합리적인 설계가 가능할 것으로 기대된다.
기존의 모형 무리말뚝 재하시험대하여 제안된 방법을 적용하고 계산 결과를 시험 결과와 비교함으로써, 그 적용성을 확인하였다. 또한, 다양한 지반 조건 및 말뚝 설치 방법에 따른 실물 크기 무리말뚝에 대한 재하시험이나 현장 계측 결과가 축적된다면, 제안된 무리말뚝 설계 방법의 실제적인 활용이 가능할 것으로 판단된다.
즉, 이수형 등 (2000)의 시험 결과로부터 산정된 말뚝 설치 효과를 고려하기 위한 하중 효율, 山이 Phimg(1993)의 시험에 적용하기에 다소 과소 평가되었기 때문에 말뚝 지지력이 작게 예측된 것으로 판단된다. 이러한 지반 조건의 차이를 고려한다면, 제안된 방법을 이용하여 무리 말뚝의 지지력을 대체로 정확하게 예측할 수 있는 것으로 평가된다.
제안된 방법을 실제 무리 말뚝 설계에 적용하기 위해서는 다양한 조건에서의 하중 효율이 평가되어야 한다.
제안된 지지력 예측식의 영향계수들을 이용하여 고려하고자 하는 효과를 평가하기 위해서는, 독립된 단 말뚝 및 캡과 동일한 크기의 전면기초 무리 말뚝 내의 단 말뚝, 캡과 지반이 접촉하지 않은 무리 말뚝, 캡과 지반이 접촉한 무리 말뚝에 대한 하중-침하 관계가 필요하다. 말뚝 설치 중첩 효과를 평가하기 위해서는 주변에 말뚝이 존재하지 않는 독립된 단 말뚝과 무리 말뚝을 이루는 말뚝 들 중에 하나의 말뚝만을 재하한 경우 즉 주변 말뚝 설치의 영향을 받는 무리 말뚝 내 단 말뚝의 거동을 비교하 여야 한다.
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