[논문]암반에 근입된 현장타설말뚝의 지지력 산정기준에 대한 평가

백규호; 사공명

문제 정의

따라서 본 연구에서는 암반에 근입된 현장 타설 말뚝의 지지력을 합리적으로 산정할 수 있는 최적의 지지력 산정식을 결정하기 위하여 기존의 지지력산정식들에 대하여 정확도를 조사하였다. 이를 위하여 각종 설계기준이나 제안식으로부터 계산된 예측치들을 다양한 조건에서 측정된 재하시험 결과들과 비교하였다.
그러나 이 산정식들의 대부분은 말뚝재하시험의 결과에 각기 다른 파괴기준을 적용해서 얻어진 말뚝의 극한지지력 값들에 근거하여 도출된 것으로, 동일한 지반조건과 말뚝조건에 대해서도 서로 다른 지지력 예측치들을 제공하고 있다. 따라서 본 연구에서는 암반에 근입된 현장타설말뚝에 대한 기존의 지지력 산정식 중 최적의 산정식을 결정하기 위하여 기존의 각종 설계기준과 제안식들에 대하여 정확도를 평가하였다.

가설 설정

간주하였다. 그리고 그림 3에 보이는 말뚝 P8과 같이 시공중 발생한 말뚝 선단부의 슬라임 때문에 말뚝이 상당히 침하한 후에 선단지지력이 발현되는 경우에는 이러한 특별한 시공상황이 지지력에 미치는 영향을 배제하기 위하여 그림과 같이 말뚝의 선단지지력이 본격적으로 발휘되기 시작하는 상대침하량(말뚝 P8의 경우에는 약 2.6%)을 재하시험의 시작단계로 가정하고 말뚝의 극한선단지지력을 산정하였다. 이상과 같은 방법에 의해 결정된 11개의 시험말뚝에 대한 극한주면마찰력과 극한선단지지력이 표 2에 정리되었다.

제안 방법

이때 FHWA (1999)의 설계기준에서 암반에 절리가 발달한 경우에 적용할 수 있는 세개의 산정식중 식 (16)과 (17)은 지지력의 산정을 위하여 말뚝이 근입된 암반의 절리 간격과 틈새에 대한 정량적인 값들을 필요로 한다. 그리고 CFEM과 AASHTOQ996)의 설계기준 또한 말뚝이 근입된 암반의 절리간격과 암반의 풍화도, RQD 등을 이용해서 말뚝의 선단지지력을 산정한다. 그러나 재하시험의 결과가 보고된 문헌중 일부를 제외한 대부분의 경우에서는 암반의 절리간격과 RQD 등의 자료들을 보고하고 있지 않기 때문에 FHWA(1999)의 설계기준중 식 (16)과 (17), 그리고 CFEM과 AASHTO(1996)2] 설계기준은 정확도를 조사하는 대상에서 제외하였다.
따라서 본 연구에서는 각종 문헌을 통해 보고된 말뚝재하시험의 결과 중 말뚝의 하중전이분포가 측정되어 말뚝의 지지력을 선단지지력과 주면마찰력으로 분리할 수 있으면서 동시에 말뚝이 극한상태에 도달할 때까지 재하시험이 진행된 11개의 재하시험 결과를 수집하였다. 그리고 이들 재하시험의 결과에 일정한 파괴기준을 적용함으로써 6개의 극한선단지지력과 8개의 극한주면마찰력을 결정하였다.
따라서 FHWA(1999)와 NAVFAC(1982)의 설계기준과 5개의 제안식을 이용하여 6개의 시험말뚝에 대한 극한선단지지력을 계산하였으며, 그 결과를 표 5에 정리하였다. 또한 기존의 설계기준과 각종 제안식들에 대한 정확도를 판단하기 위하여 이들 제안식으로부터 계산된 극한선단지지력에 대한 예측치를 측정치와 비교하였으며 이들 두 값의 비를 표 6에 정리하였다.
그리고 하중-침하량 곡선을 포물선으로 가정하여 말뚝의 극한지지력을 구하는 Chin의 방법(1970)은 Davisson의 방법과는 반대로 말뚝의 극한지지력을 다소 과대평가하는 경향이 있다. 따라서 본 연구에서는 말뚝이 직경의 10% 만큼 침하했을 때 말뚝의 주면과 선단에 전달되는 하중을 말뚝의 극한주면마찰력과 극한선단지지력으로 간주하였다. 이러한 기준은 토사지반에 설치된 말뚝의 극한지지력을 결정할 때 일반적으로 사용하는 것으로 비교적 적절한 크기의 극한지지력을 제공하는 것으로 알려져 있다.
또한 기존의 설계기준과 각종 제안식들에 대한 정확도를 판단하기 위하여 이들 제안식으로부터 계산된 극한선단지지력에 대한 예측치를 측정치와 비교하였으며 이들 두 값의 비를 표 6에 정리하였다. 표 5와 6에 근거할 때 FHWA(1999)의 설계기준중 식 (14)는 말뚝이 점토 질암에 근입된 경우<P1, P2, P5)에 있어서 지지력을 상당히 작게 예측하였으며, Teng(1962)의 제안식은 지지력을 전반적으로 과대평가하는 것으로 나타났다.
암반에 근입된 현장타설말뚝의 극한주면마찰력에 대한 기존의 설계기준과 제안식들의 정확도를 검증하기 위하여 각종 설계기준이나 제안식으로부터 산정된 예측치를 측정치와 비교하였으며, 그 결과가 측정치에 대한 예측치의 비로 표 4에 표시되었다. 표 4를 살펴보면 비록 비교의 대상이 되는 측정치의 개수가 8개로 충분치는 않지만 Rosenberg와 Joumeaux(1976)의 제안식이 가장 측정치에 근접하는 결과를 제공하고 있음을 알 수 있다.
암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면마찰력에 대한 기존 지지력산정식의 정확도를 검증하기 위하여 앞에서 언급된 11개의 시험말뚝중 주면마찰력이 측정된 8개의 재하시험 결과에 FHWA(1999)를 포함한 4개의 설계기준과 각종 제안식들을 적용하였다. 이 과정에서 FHWA(1999)의 설계기준 중 암의 일축압축강도가 s<51 kg/cm2°l 경우에 적용할 수 있는 식 (1)과 (2)를 이용하기 위해서는 암의 일축압축강도 이외에 암의 절리상태 및 시공조건과 관련된 다양한 값들이 필요하다.
이를 위하여 각종 설계기준이나 제안식으로부터 계산된 예측치들을 다양한 조건에서 측정된 재하시험 결과들과 비교하였다. 이때 예측치와 실측치의 비교를 위하여 재하시험이 극한 상태까지 진행된 11개의 말뚝재하시험 결과들을 각종 문헌을 통해서 수집하였으며, 이들 재하시험 결과에 동일한 파괴기준을 적용하여 각 말뚝의 극한선단지지력과 극한주면마찰력 을 결 정 하였다.
정확도를 조사하였다. 이를 위하여 각종 설계기준이나 제안식으로부터 계산된 예측치들을 다양한 조건에서 측정된 재하시험 결과들과 비교하였다. 이때 예측치와 실측치의 비교를 위하여 재하시험이 극한 상태까지 진행된 11개의 말뚝재하시험 결과들을 각종 문헌을 통해서 수집하였으며, 이들 재하시험 결과에 동일한 파괴기준을 적용하여 각 말뚝의 극한선단지지력과 극한주면마찰력 을 결 정 하였다.
필요하게 된다. 이를 위해서 각종 문헌에 보고된 재하시험 결과 중 말뚝의 지지력을 주면마찰력과 선단지지력으로 분리해서 측정하는 동시에 말뚝이 극한상태까지 재하된 총 11개의 재하시험 결과를 수집하여 재분석하였다. 이때 각 말뚝의 극한지지력은 말뚝의 침하량이 말뚝 직경의 10%에 도달했을 때의 하중으로 정의하였다.
주면마찰력의 경우와 마찬가지로 선단지지력에 대해서도 기존 지지력산정식의 정확도를 검증하기 위하여 선단지지력이 측정된 6개의 재하시험 결과에 기존의 설계기준과 각종 제안식들을 적용하였다. 이때 FHWA (1999)의 설계기준에서 암반에 절리가 발달한 경우에 적용할 수 있는 세개의 산정식중 식 (16)과 (17)은 지지력의 산정을 위하여 말뚝이 근입된 암반의 절리 간격과 틈새에 대한 정량적인 값들을 필요로 한다.
(8a) 직경 > 406.4 mm인 경우, /s(^«)=(2.3~3)(^)1/2 (8b) 이들 설계기준 외에도 많은 연구자들이 재하시험의 결과에 근거하거나 이론적인 해석을 통해서 암반에 근입된 현장타설말뚝의 단위 극한주면마찰력과 무결암의 일축압축강도와의 관계를 제안하였다. 이들 제안식들은 말뚝의 단위 극한주면마찰력과 암석의 일축압축강도 간의 관계를 선형으로 설정한 것과 비선형으로 설정한 것으로 분류될 수 있으며, 기존 제안식의 대부분이 후자에 속한다.

대상 데이터

결국 암반에 근입된 현장타설말뚝에 대하여 경제적이고 합리적인 설계를 행하기 위해서는 기존의 지지력산정식들 중에서 다양한 암반 조건에 대하여 적절한 크기의 지지력을 제공할 수 있는 최적의 지지력산정식이 결정되어야 하며, 이를 위해서는 재하시험의 결과에 일정한 파괴기준을 적용함으로써 얻어진 다수의 극한지지력 값이 필요하게 된다. 따라서 본 연구에서는 각종 문헌을 통해 보고된 말뚝재하시험의 결과 중 말뚝의 하중전이분포가 측정되어 말뚝의 지지력을 선단지지력과 주면마찰력으로 분리할 수 있으면서 동시에 말뚝이 극한상태에 도달할 때까지 재하시험이 진행된 11개의 재하시험 결과를 수집하였다. 그리고 이들 재하시험의 결과에 일정한 파괴기준을 적용함으로써 6개의 극한선단지지력과 8개의 극한주면마찰력을 결정하였다.

이론/모형

암반에 근입 된 현장타설말뚝의 극한주면마찰력에 대하여 만족스러운 예측치를 제공하는 것으로 나타난 Rosenberg와 Joumeaux(1976)의 제안식, 그리고 극한선단지지력에 대하여 만족스러운 결과를 제공하는 NAVFAC (1982)의 설계기준과 Zhang과 Einstein(1998)의 제안식을 이용하여 전체지지력이 측정된 3개의 말뚝(Pl, P2, P6)에 대하여 극한전체지지력을 산정하였다. 이때 극한선단지지력은 NAVFAC(1982)의 설계기준과 Zhang과 Einstein(1998)의 제안식 모두를 이용하여 계산되었으며, 이들 두 가지 극한선단지지 력을 이용하여 두 종류의 극한전체지 지력이 계산되었다.
대하여 극한전체지지력을 산정하였다. 이때 극한선단지지력은 NAVFAC(1982)의 설계기준과 Zhang과 Einstein(1998)의 제안식 모두를 이용하여 계산되었으며, 이들 두 가지 극한선단지지 력을 이용하여 두 종류의 극한전체지 지력이 계산되었다.

성능/효과

그리고 극한선단지지력의 경우에는 NAVFAC(1982)의 설계기준과 Zhang과 Einstein(1998)의 제안식이 만족스런 예측치를 제공하였다. 또한 이들 3개의 산정식을 이용해서 계산된 말뚝의 극한전체지지력 또한 측정치에 매우 근접하는 것으로 나타났다.
현재까지 제안된 각종 설계기준과 제안식들을 이용해서 말뚝의 극한주면마찰력과 극한선단지지력을 계산한 후 이들 예측치를 측정치와 비교한 결과 말뚝의 주면에 의도적으로 돌기를 성형하지 않고 오거나 RCD 등을 이용해서 일반적인 방법으로 말뚝을 시공한 경우에 Rosenberg와 Joumeaux(1976)의 제안식이 실측치에 가장 근접한 극한주면마찰력을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 극한선단지지력의 경우에는 NAVFAC(1982)의 설계기준과 Zhang과 Einstein(1998)의 제안식이 만족스런 예측치를 제공하였다.

후속연구

측정치의 개수가 충분하지 않았다. 그러나 최근들어 Osterberg-Cell 등을 이용한 새로운 재하시험 방법들이 등장함에 따라 향후 보다 정확하고 많은 수의 재하 시험 결과들이 보고될 것으로 생각되며, 이러한 시험 결과들이 기존 지지력산정식의 정확도 검증에 추가로 사용된다면 보다 정확한 검증 결과가 얻어질 것으로 사료된다.

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