현장타설말뚝의 정재하시험에 의한 지지력과 이론식에 의한 지지력과의 비교 The Bearing Capacity Comparison of Drilled Shaft by the Static Load Test and the Suggested Bearing Capacity Formulas원문보기
항타말뚝은 진동과 소음같은 환경적인 문제점이 있다. 특히 대상 토질이 자갈, 호박돌, 풍화암으로 구성되어있다면 항타말뚝의 적용은 불가능하기 때문에 우리나라에서는 현장말뚝의 적용이 증가하고 있는 추세이다. 일반적으로 이론적인 공식에 의한 현장타설말뚝의 지지력은 과소하게 산정되는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 기존에 제안된 국내외 지지력 산정식과 현장시험을 통한 실측데이터를 비교하기위해 광안대로와 수영 3호교의 암반에 근입된 현장 타설말뚝에 대한 정재하시험을 수행하였으며, 현장타설말뚝의 주변마찰력을 측정하기 위하여 변위계를 설치하였다. 현장시험을 통한 현장타설말뚝의 거동은 반복하중 재하시 완전한 탄성거동을 보였으므로 이는 실제말뚝의 극한지지력에 도달하지 못하였음을 입증한다. 이때 측정된 말뚝의 지지력이 이론식에 의하여 산정된 지지력보다 크게 산정되었다. 또한 실험에서 측정된 결과에 의하면 현장타설말뚝의 주된 지지력이 선단지지력이 아닌 주변마찰저항에 의한 것이라는 것을 보였다. 그리고 이와같은 결과에 의거하여 현장타설말뚝의 설계에 대한 몇가지 제안들을 도출하였다.
항타말뚝은 진동과 소음같은 환경적인 문제점이 있다. 특히 대상 토질이 자갈, 호박돌, 풍화암으로 구성되어있다면 항타말뚝의 적용은 불가능하기 때문에 우리나라에서는 현장말뚝의 적용이 증가하고 있는 추세이다. 일반적으로 이론적인 공식에 의한 현장타설말뚝의 지지력은 과소하게 산정되는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 기존에 제안된 국내외 지지력 산정식과 현장시험을 통한 실측데이터를 비교하기위해 광안대로와 수영 3호교의 암반에 근입된 현장 타설말뚝에 대한 정재하시험을 수행하였으며, 현장타설말뚝의 주변마찰력을 측정하기 위하여 변위계를 설치하였다. 현장시험을 통한 현장타설말뚝의 거동은 반복하중 재하시 완전한 탄성거동을 보였으므로 이는 실제말뚝의 극한지지력에 도달하지 못하였음을 입증한다. 이때 측정된 말뚝의 지지력이 이론식에 의하여 산정된 지지력보다 크게 산정되었다. 또한 실험에서 측정된 결과에 의하면 현장타설말뚝의 주된 지지력이 선단지지력이 아닌 주변마찰저항에 의한 것이라는 것을 보였다. 그리고 이와같은 결과에 의거하여 현장타설말뚝의 설계에 대한 몇가지 제안들을 도출하였다.
The driven pile has environmental problems such as vibration and noise. Especially, if the site consists of gravel, cobble and weather rock, the driven pile can not be applied. Therefore, the application of the drilled shafts is increasing in Korea. However, the bearing capacity values by the sugges...
The driven pile has environmental problems such as vibration and noise. Especially, if the site consists of gravel, cobble and weather rock, the driven pile can not be applied. Therefore, the application of the drilled shafts is increasing in Korea. However, the bearing capacity values by the suggested theoretical formulas are generally considered too conservative. In this paper, static load tests for the rock socketed drilled shaft at Gwangandaero and Suyeong3hogyo are performed and in order to estimate the side friction of the shaft, strain gauges are applied. The bearing capacities from the field test data and the bearing capacity values by the theoretical formula are compared. Even the static load tests didn't reach to the ultimate bearing capacity condition, and all the measured bearing capacity values were higher than those by the theoretical formulas. The field data also showed that the major bearing capacities were not due to end bearings but side friction resistances. Based on the above results, several suggestions are proposed for the drilled shaft design.
The driven pile has environmental problems such as vibration and noise. Especially, if the site consists of gravel, cobble and weather rock, the driven pile can not be applied. Therefore, the application of the drilled shafts is increasing in Korea. However, the bearing capacity values by the suggested theoretical formulas are generally considered too conservative. In this paper, static load tests for the rock socketed drilled shaft at Gwangandaero and Suyeong3hogyo are performed and in order to estimate the side friction of the shaft, strain gauges are applied. The bearing capacities from the field test data and the bearing capacity values by the theoretical formula are compared. Even the static load tests didn't reach to the ultimate bearing capacity condition, and all the measured bearing capacity values were higher than those by the theoretical formulas. The field data also showed that the major bearing capacities were not due to end bearings but side friction resistances. Based on the above results, several suggestions are proposed for the drilled shaft design.
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문제 정의
본 논문에서는 부산 광안대로와 수영3호교 건설 현장의 암반에 관입 된 현장 타설 말뚝 2본에 대한 정재하시험 데이터(경성대 2000; 백경지앤씨 2002)와 기존에 제안 되어진 국내외 여러 극한지지력 산정 식을 비교 검토하였으며, 이를 통하여 국내설계의 문제점을 제시하고 이를 보완하기 위한 방법을 제안하고자 하였다.
본 논문에서는 이러한 지지력 이론 식을 이용하여 산 정해낸 극한지지력과 정재하시험을 통해 구한, 실제 현 장지 반에서의 실측치를 서로 비교하여 그 신뢰성을 확인해 보고자 하였다.
가설 설정
· 비 배수 전단 강도는 일축 압축강도의 1/2.
5cm보다 큰 경우에 대해 적용 가능하며, 암의 일축 압축강도 외에 이러한 절리 데이터(절리 간격, 절리 틈새)를 지 지력산정식에 직접 사용하고 있다. 그런 데, 본 연구의 정재하시험현장에서는 암반 절리 면에 대한 상세한 조사가 이루어지지 않아, FHWA(1999)의 산 정식에 적용 가능한 가장 위험한 상태의 절리값(절리간 격 30.5cm, 절리 틈새 0.5cm)으로 가정하였고, 그 외의 물성치는 다른 설계기준과 같이 표 5, 6의 물성치를 이용하여 극한지지력을 계산하였다. 따라서, 선단지지력 이 매우 작게 계산되었는데 이는 다른 제안 식으로 계산된 선단지지력과 비교해도 매우 작은 값으로 설계에 FHWA(1999)의 지지력 산정 식을 적용하기 위해서는 암반의 절리에 대한 조사가 별도로 반드시 이루어져야 한 다는 것을 의미한다.
제안 방법
암반 부의 일축 압축강도를 추정해내기 위해 ISRM(Intemational Society for Rock Me아lanics) 에서 제안한 강도에 따른 암반분류기준(그림 2)을 사용하였다(이부경, 1998). ISRM에서는 풍화암이란 용어를 사용하지 않고, 강도에 따라 극 연 암에서 극 경 암까지로 분류하고 있으므로 본 논문에서는 가장 연약한 극 연 암에 대해 제안한 값을 풍화암의 일축 압축강도로 추정하여 사용하였다.
광안대로 5공구와 수영 3호 교의 시험 말뚝에 대한 정 재하 시험 결과와 기존에 제안된 지지력 이론 식을 이용화 여 산정한 극한지지력을 비교해 본 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
국내에서 실시된 일반적인 정재하시험은 하중에 따른 말뚝 두부의 변형량만을 측정하여 설계하중에 대한 검증목적으로만 사용하였다. 그러나, 본 논문에서 사용된 부산 광안대로 5공구와 수영3호교에서 실시된 정재 하 시험에서는 하중말뚝두부변형량(그림 3)뿐만 아니라 말뚝 깊이에 따라 심도별로 스트레인 게이지(철근 응력 계, 콘크리트 응력 계)를 설치하여 축하증전이해석을 수행하였다. 이를 통해 주면 마찰력 및 선단 지지력을 분리하여, 지지력 산정 식으로 구한 극한지지력과 비교하였 다{그림 4~6).
따라서, 암반에 관입 된 현장 타설 말뚝의 경우, 설계자에 따른 지지력 산정의 차이를 줄이기 위해서는 토사 부의 물 성 치뿐만 아니라 정확한 암반의 물성치(단위 중량, 일축 압축강도, 내부마찰각 등)를 측정하는 것이 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. 그리고 표 8에서의 정재하시험 실측치인 선단지지력은 선단부에 O-cell을 설치하여 측정하였으며 주면 마찰력은 총 극한지지력에서 O-cell로 측정한 선단 지지력을 감한 값을 주면 마찰력으로 산정하였다.
수영 3호 교의 경우, 토사 부의 N 치와와 암반의 일반적인 상태로부터 산정한 물성치의 상한치와 하한치(표 6)에 대해 각각 극한지지력을 계산하여 지반물성치에 대한 정확한 데이터가 없을 때 설계자의 물성치 추정에 따라 달라질 수 있는 극한지지력의 차이를 비교하였다. 그 결과 설계 방법에 따라 상한치와 하한치로 구한 총 극한지지력 사이에, 최대 3배에 가까운 차이가 발생하였다.
그러나, 본 논문에서 사용된 부산 광안대로 5공구와 수영3호교에서 실시된 정재 하 시험에서는 하중말뚝두부변형량(그림 3)뿐만 아니라 말뚝 깊이에 따라 심도별로 스트레인 게이지(철근 응력 계, 콘크리트 응력 계)를 설치하여 축하증전이해석을 수행하였다. 이를 통해 주면 마찰력 및 선단 지지력을 분리하여, 지지력 산정 식으로 구한 극한지지력과 비교하였 다{그림 4~6).
정재하시험의 실측치와 비교하기 위해 표 5, 6의 지 반물성치를 이용하여 기존의 설계기준 및 지지력 제안 식에 의한 극한지지력을 계산하였다(표 7, 8).
수영 3호 교의 경우 점토층의 비 배수 전단 강도는 콘관 입 시험 결과로부터 구하였으며, 그 외 다른 토사 부의 지반 물성치(단위 중량, 일축 압축강도 내부마찰각)는 Bowles (1977)에 의해 제안된 N 치와의 상관관계(표 3, 4)를 이용하여 그림 1의 SPT 결과로부터 구하였다. 해당 지층의 평균 N치로부터 경험적으로 추정해낼 수 있는 물성치의 범위 중 가장 큰 값을 상한礼 가장 작은 값을 하한치로 규정하였다. 암반 부의 일축 압축강도를 추정해내기 위해 ISRM(Intemational Society for Rock Me아lanics) 에서 제안한 강도에 따른 암반분류기준(그림 2)을 사용하였다(이부경, 1998).
대상 데이터
본 연구에서는 기존에 제안된 지지력 공식과의 비교 검토를 위해, 부산 센텀 진입도로 수영3호교 가설 현장과 부산 수영만 매립지의 광안대로 육상부 제5공구 건설 현장에서 실시된 정재하시험 데이터를 사용하였으며 시험 말뚝의 제원은 표 2에, 지반물성치 추정에 사용된 수영 3호 교의 동일한 현장에서 수행한 SPT, CPT 시험 데이터는 그림 1에 수록하였다(경성대, 2000; 백경지앤씨, 2002).
이론/모형
수영 3호 교의 경우 점토층의 비 배수 전단 강도는 콘관 입 시험 결과로부터 구하였으며, 그 외 다른 토사 부의 지반 물성치(단위 중량, 일축 압축강도 내부마찰각)는 Bowles (1977)에 의해 제안된 N 치와의 상관관계(표 3, 4)를 이용하여 그림 1의 SPT 결과로부터 구하였다. 해당 지층의 평균 N치로부터 경험적으로 추정해낼 수 있는 물성치의 범위 중 가장 큰 값을 상한礼 가장 작은 값을 하한치로 규정하였다.
또한, FHWA(1999)에 따르면, 사질토 지반에 설치된 현장 타설 말뚝에 대해 주면 마찰력은 선단부직경 1% 이 상, 선단지지력은 선단부직경 5% 이상의 침하량이 발생했을 때 각각 극한값이 발휘된다고 하였다. 시험 말뚝이 관입 된 풍화암은 보링조사결과 완전 풍화되어 실 트질 모래 및 자갈로 구성되어 있는 상태이므로, 이를 사질토로 간주하여 위의 FHWA(1999)의 기준을 적용하였다. 광안대로 5공구와 수영 3호 교의 정재하시험에서 발생한 말뚝 두부 침하량은 각각 1 mm와 35mm로 측정되었고, 여기서 Vesic( 1977)0] 제안한 식으로 구한 말뚝 자체의 탄성 압축변형량(광안대로5공구 : 11mm, 수영3호교 : 7mm)을 제외하면 실제 말뚝의 선단 침하량은 각각 Omm와 28mm가 된다.
해당 지층의 평균 N치로부터 경험적으로 추정해낼 수 있는 물성치의 범위 중 가장 큰 값을 상한礼 가장 작은 값을 하한치로 규정하였다. 암반 부의 일축 압축강도를 추정해내기 위해 ISRM(Intemational Society for Rock Me아lanics) 에서 제안한 강도에 따른 암반분류기준(그림 2)을 사용하였다(이부경, 1998). ISRM에서는 풍화암이란 용어를 사용하지 않고, 강도에 따라 극 연 암에서 극 경 암까지로 분류하고 있으므로 본 논문에서는 가장 연약한 극 연 암에 대해 제안한 값을 풍화암의 일축 압축강도로 추정하여 사용하였다.
여기서, 사용된 지지력 이론 식은 Reese & O'Neill (1988), Das(1984), Bowles(1988) 등에 의해 제안된 식과 Canadian Geotechnical Society(1992), FHWA(1999), 기존 도로 공사 도로교 설계기준(2000) 및 2002년 개정된 도로 공사 도로교 설계기준(2002)에 따른 것이다.
여기서, 사용된 지지력 이론 식은 Reese & O'Neill (1988), Das(1984), Bowles(1988)에 의해 제안된 식과 Canadian Geotechnical Society(1992), FHWA(1999), 기존 도로 공사 도로교 설계기준(2000) 및 개정된 도로 공사 도로교 설계기준(2002)에서 제안된 식을 사용하였다.
성능/효과
(1) 지지력 이론 식으로 구한 극한지지력은 정재하시험의 실측치보다 대부분 적거나 비슷한 결과를 보였다. 정재하시험의 실측치가 실제 말뚝의 극한지지력에 못 미치는 값이라는 것을 감안하면, 제한된 시험 결과의 분석이지만, 현재 제안된 지지력 이론식들이 실제 말뚝의 극한지지력을 과소평가하는 것으로 나타났다.
(3) 비교한 지지력 이론값 중 Canadian Geotechnical Society(1992)와 FHWA(1999)의 주면 마찰력 계산 값이 정재하시험의 주면 마찰력 실측치와 가장 근접한 결과를 보였다. 따라서, 본 논문에서 비교된 제 안식 중 Canadian Geotechnical Society] 1992)와 FHWA (1999)의 주면 마찰력 계산식이 신뢰도가 있는 것으로 분석되었다.
수영 3호 교의 경우, 토사 부의 N 치와와 암반의 일반적인 상태로부터 산정한 물성치의 상한치와 하한치(표 6)에 대해 각각 극한지지력을 계산하여 지반물성치에 대한 정확한 데이터가 없을 때 설계자의 물성치 추정에 따라 달라질 수 있는 극한지지력의 차이를 비교하였다. 그 결과 설계 방법에 따라 상한치와 하한치로 구한 총 극한지지력 사이에, 최대 3배에 가까운 차이가 발생하였다. 따라서, 암반에 관입 된 현장 타설 말뚝의 경우, 설계자에 따른 지지력 산정의 차이를 줄이기 위해서는 토사 부의 물 성 치뿐만 아니라 정확한 암반의 물성치(단위 중량, 일축 압축강도, 내부마찰각 등)를 측정하는 것이 매우 중요하다는 것을 알 수 있다.
(3) 비교한 지지력 이론값 중 Canadian Geotechnical Society(1992)와 FHWA(1999)의 주면 마찰력 계산 값이 정재하시험의 주면 마찰력 실측치와 가장 근접한 결과를 보였다. 따라서, 본 논문에서 비교된 제 안식 중 Canadian Geotechnical Society] 1992)와 FHWA (1999)의 주면 마찰력 계산식이 신뢰도가 있는 것으로 분석되었다.
(1) 지지력 이론 식으로 구한 극한지지력은 정재하시험의 실측치보다 대부분 적거나 비슷한 결과를 보였다. 정재하시험의 실측치가 실제 말뚝의 극한지지력에 못 미치는 값이라는 것을 감안하면, 제한된 시험 결과의 분석이지만, 현재 제안된 지지력 이론식들이 실제 말뚝의 극한지지력을 과소평가하는 것으로 나타났다.
특히, 주면 마찰력의 경우, 정재하시험에 의한 모든 실측치가 이론지지력 값보다 크게 산정되었으며, 더욱이, 정재하시험의 실측치가 극한값이 아니라는 것을 감안 하면, 기존의 지지력 산정 식이 실제 현장 타설 말뚝의 극 한주면 마찰력보다 매우 작게 산정되는 것으로 나타났으며, 정재하시험의 주면 마찰력 실측치와 비교한 지지력 이론값 중 Canadian Geotechnical Society(1992)와 FHWA(1999)의 주면 마찰력 계산 값이 가장 근접한 결과를 보였다.
후속연구
(2) 본 논문에서 사용된 데이터에 국한된 결과이고 적용된 일축 압축강도가 일반적인 암석의 일축 강도보다 적게 산정되기는 하였으나, 일반적인경우 지지력이 론식으로 구한 극한지지력에 안전률 3.0을 적용하여 설계하는 현재의 방법은 추후의 연구를 통하여 보완 할 수 있는 여지가 충분한 것으로 보인다.
(5) 국내 지반에 적합한 설계 방법을 수립하기 위한 충분한 데이터가 축적될 때까지 축하중계측장치를 통한 하중 전이해석이 재하시험에 병행되어야 할 것이며, 더불어 실제 극한지지력을 확인하기 위하여 사전 현장 시험을 통하여 파괴 시까지 하중재하가 이루어져야 할 것으로 보인다.
(4) FHWA(1999)의 경우 주면 마찰력은 실제 정재하시 험의 실측치와 가장 근접하였으나 선단지지력은 매우 작게 계산되었다. 그 이유는 선단지지력 계산에 필요한 암반 절리에 대한 데이터가 없어 가장 안정한 조건으로 가정하여 계산하였기 때문으로 판단되며, 차후에 FHWA의 이론 식을 설계에 사용하기 위해서는 지반조사 시 암반의 절리에 대한 조사가 반드시 선행되어야 할 것으로 보인다.
따라서, 본 연구에서 나타낸 실측치에 의한 분석 결과에 의하면 이론식에 의하여 산정된 극한지지력에 안전 률 2.0을 적용, 설계하여도 가할 것으로 사료된다.
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