현장 시험치를 이용한 단일 쇄석다짐말뚝의 Bulging 및 General Shear Failure시의 극한지지력 제안식에 관한 비교 연구 Comparison of Ultimate Bearing Capacity Formulas for Single Stone column in Bulging and General shear failure using in-situ test results원문보기
쇄석다짐말뚝(Stone Column Method)은 연약한 점성토 지반이나 느슨한 사질토 지반의 개량에 사용되는 연약지반처리공법이다. 여러 가지 현장 시험과 실내 시험 결과, 쇄석다짐말뚝은 기존의 모래말뚝공법에 비해 지지력증대, 지반보강, 사면보강, 액상화 방지억제 등의 효과를 극대화할 수 있는 공법으로 알려져 있으나, 국내에서는 그 연구가 미약하여 설계 실무에서는 경험적인 방법이나 공식에만 의존하여 설계가 이루어지고 있는 상태이다(천병식, 2001). 또한 기존의 제안식에 대하여 검증 없이 사용되고 있어 기존에 제안된 지지력 이론식에 대해 검증할 필요가 있다. 본 연구에서는 부산 00 0호교 건설공사지역 A1교대 구간의 실제 정재하시험 데이터와 가덕, 광양, 울산 신항만건설현장에 대한 비배수전단강도($c_u$)를 이용하여 단일쇄석다짐말뚝에 대한 Bulging 및 General shear failure시의 기존의 이론식들을 각각 비교분석하고, 실제 재하시험에서 얻은 극한지지력과 함께 비교 분석하였다. 분석결과, 지지력 이론식으로 구한 극한지지력이 정재하시험의 실측치 보다 매우 적은 결과를 보였으며, 원지반의 비배수전단강도($c_u$)는 극한지지력에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 향후 실내 및 현장실험을 통해 보다 정확한 지반물성치와 현장 재하시험을 통해 국내적용시 실용적인 극한지지력을 산정하고 기존의 이론식을 개선해 나가야 할 것이다.
쇄석다짐말뚝(Stone Column Method)은 연약한 점성토 지반이나 느슨한 사질토 지반의 개량에 사용되는 연약지반처리공법이다. 여러 가지 현장 시험과 실내 시험 결과, 쇄석다짐말뚝은 기존의 모래말뚝공법에 비해 지지력증대, 지반보강, 사면보강, 액상화 방지억제 등의 효과를 극대화할 수 있는 공법으로 알려져 있으나, 국내에서는 그 연구가 미약하여 설계 실무에서는 경험적인 방법이나 공식에만 의존하여 설계가 이루어지고 있는 상태이다(천병식, 2001). 또한 기존의 제안식에 대하여 검증 없이 사용되고 있어 기존에 제안된 지지력 이론식에 대해 검증할 필요가 있다. 본 연구에서는 부산 00 0호교 건설공사지역 A1교대 구간의 실제 정재하시험 데이터와 가덕, 광양, 울산 신항만건설현장에 대한 비배수전단강도($c_u$)를 이용하여 단일쇄석다짐말뚝에 대한 Bulging 및 General shear failure시의 기존의 이론식들을 각각 비교분석하고, 실제 재하시험에서 얻은 극한지지력과 함께 비교 분석하였다. 분석결과, 지지력 이론식으로 구한 극한지지력이 정재하시험의 실측치 보다 매우 적은 결과를 보였으며, 원지반의 비배수전단강도($c_u$)는 극한지지력에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 향후 실내 및 현장실험을 통해 보다 정확한 지반물성치와 현장 재하시험을 통해 국내적용시 실용적인 극한지지력을 산정하고 기존의 이론식을 개선해 나가야 할 것이다.
Stone column is a soil improvement method and can be applicable for loose sand or weak cohesive soil. Since the lack of sand, stone column seems one of the most adaptable approach for poor ground as a soil improvement technique. However, this method was not studied for practical application. In this...
Stone column is a soil improvement method and can be applicable for loose sand or weak cohesive soil. Since the lack of sand, stone column seems one of the most adaptable approach for poor ground as a soil improvement technique. However, this method was not studied for practical application. In this paper, the bearing capacity of single stone column at the Gaduk, Ulsan and Gwangyang under the bulging and general shear failure mode were compared with those of the suggested formulas. Especially, a test result of single stone column at the Busan area by static load was compared with the bearing capacity of suggested formulas. The analysis results showed that there were not much bearing capacity differences among those suggested bearing capacity formulas. However, the bearing capacity by static load test was almost double of those with suggested formula. The result also showed that the undrained shear strength was the most important parameter for the bearing capacity estimation of stone column.
Stone column is a soil improvement method and can be applicable for loose sand or weak cohesive soil. Since the lack of sand, stone column seems one of the most adaptable approach for poor ground as a soil improvement technique. However, this method was not studied for practical application. In this paper, the bearing capacity of single stone column at the Gaduk, Ulsan and Gwangyang under the bulging and general shear failure mode were compared with those of the suggested formulas. Especially, a test result of single stone column at the Busan area by static load was compared with the bearing capacity of suggested formulas. The analysis results showed that there were not much bearing capacity differences among those suggested bearing capacity formulas. However, the bearing capacity by static load test was almost double of those with suggested formula. The result also showed that the undrained shear strength was the most important parameter for the bearing capacity estimation of stone column.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 국내 쇄석말뚝공법 적용을 위한 연구의 일환으로 국내 현장에서 시행한 재하시험 결과를 이용하여 현재 주로 이용되고 있는 지지력 예측 이론들의 적용성을 고찰하고자 하였다. 또한, 쇄석말뚝의 내부마찰 각과 함께 쇄석다짐말뚝의 지지력에 가장 크게 영향을 미치는 설계 Parameter로 알려진 점성토의 비배수전단강도(cu)의 영향을 검토하기 위해 4개 현장에서 측정된 비배수 전단강도(cu)를 이용하여 단일 쇄석다짐말뚝의 주요 파괴 Mechanism인 Bulging과 General Shear Failure시의 지지력을 산정한 후 cu값의 변화에 따른 지지력 값의 변화 경향을 각 지지력 이론별로 비교분석하였다.
부산광역시 OO O호교 현장정재하시험은 치환율 20%, 30%, 40%의 쇄석말뚝에 대하여 각각 실시되었다. 본 연구에서는 하중재하판과 말뚝직경의 크기와 가장 유사한 치환율 40%일 때의 시험결과를 이용하였고 침하량 1 in일 때의 재하응력을 극한지지력으로 보고 분석하였다. 또한 정재하시험의 실측치와 비교하기 위해 표 3의 지반물성치를 이용하여 기존의 제안식에 의한 극한 지지력을 계산하였다(표.
가설 설정
6m 길이로 시공되어 비교적 긴 말뚝으로서 실제파괴는 General Shear 보다는 Bulging Failure 형태로 일어났을 가능성이 크지만 본 분석시에는 Bulging 외에도 General Shear 일 때의 이론지지력도 함께 계산하였으며, 여기서 사용된 지지력 이론식은 표 1에서 제시한 바와 같이 Bulging Failure 시에서는 Gibson & Anderson(1961), Vesic(1972), Datye & Nagaraju(1975), Hughes & Withers(1974), Brauns (1978), Hansbo(1994)에 의해 제안된 식을 따른 것이고, General Shear Failure 시에서는 Madhav & Vitkar(1978), Brauns(1978)에 의해 제안된 식을 따른 것이다. 이때, 지반은 정규압밀조건으로 가정 하였고, 정지토압계수(K0)는 Brooker & Ireand(1965), Alpan(1967), Holtz & Kovacs(1981)이 제안한 식을 이용하여 계산하였다(표 4. 참조).
제안 방법
7t/m2을 크게 상회하여 5t/m2 정도까지 값이 나타났고 광양항 건설공사현장도 최연약지반에서 쇄석다짐말뚝을 형성할 수 있는 범위를 제시하였다. 가덕 신항만건설현장의 비배수전단강도(cu)는 쇄대 4t/m2 정도의 값을 보였으며, 또한 울산 신항만건설현장의 비배수전단강도(cu)는 가덕신항 및 광양항 건설현장의 지반보다 다소 연약한 것으로 나타나고 있으나 쇄석다짐말뚝의 형성하한치인 0.7t/m2을 상회하여 1.5t/m2 정도의 값을 보이고 있어 FHWA(1983) 기준 적용시 쇄석 다짐말뚝의 형성에 문제가 없는 것으로 판단되어 본 논문의 지지력 비교검토에 이용하였다.
지지력 공식에 사용된 쇄석과 지반물성치는 표 3에 나타내었다. 또한 (초기)횡방향응력( σr0 )의 산정을 위한 정지토압계수(K0)는 표 4식에서 제안된 식을 이용하여 지지력 산정시 적용하였다.
4 t/㎡를 적용하였다(김태훈 외 2003). 또한 가덕신항만건설현장과 광양항건설공사현장, 울산신항만건설현장의 비배수 전단강도(cu)는 각 현장의 상한치를 사용하였고, 탄성계수는 정규압밀점토로 하여 Bowles(1996)이 제시한 식 (1)에 의해 얻어진 평균값을 사용하였으며 단위중량( γt )과 소성지수(PI), 포아슨비(υ)는 국내 토질의 일반적인 물성치로 추정하여 같은 조건 하에서 비교검토 하였다. 지지력 공식에 사용된 쇄석과 지반물성치는 표 3에 나타내었다.
본 연구에서는 하중재하판과 말뚝직경의 크기와 가장 유사한 치환율 40%일 때의 시험결과를 이용하였고 침하량 1 in일 때의 재하응력을 극한지지력으로 보고 분석하였다. 또한 정재하시험의 실측치와 비교하기 위해 표 3의 지반물성치를 이용하여 기존의 제안식에 의한 극한 지지력을 계산하였다(표. 5 ).
따라서 본 연구에서는 국내 쇄석말뚝공법 적용을 위한 연구의 일환으로 국내 현장에서 시행한 재하시험 결과를 이용하여 현재 주로 이용되고 있는 지지력 예측 이론들의 적용성을 고찰하고자 하였다. 또한, 쇄석말뚝의 내부마찰 각과 함께 쇄석다짐말뚝의 지지력에 가장 크게 영향을 미치는 설계 Parameter로 알려진 점성토의 비배수전단강도(cu)의 영향을 검토하기 위해 4개 현장에서 측정된 비배수 전단강도(cu)를 이용하여 단일 쇄석다짐말뚝의 주요 파괴 Mechanism인 Bulging과 General Shear Failure시의 지지력을 산정한 후 cu값의 변화에 따른 지지력 값의 변화 경향을 각 지지력 이론별로 비교분석하였다.
쇄석다짐말뚝의 지지력에 영향을 미치는 설계 물성치들 중 점성토의 비배수전단강도(cu)가 쇄석다짐말뚝의 내부마찰각( φs )과 함께 지지력 예측시 가장 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있어 본 연구에서는 가덕 신항만 현장, 광양 항건설현장, 울산신항만 현장 등 쇄석다짐말뚝의 적용이 예정되어 있는 현장의 cu값을 이용하여 cu값이 지지력 이론들에 미치는 영향을 비교분석 하였다. FHWA(1983)에 따르면 연약지반에서 cu의 최소치는 0.
쇄석다짐말뚝의 합리적인 국내 적용을 위한 연구의 일환으로 기존에 제안된 극한지지력 이론들의 적용성 및 특징을 분석하였으며, 이를 위해 국내 1개 현장의 단일 쇄석다짐말뚝에 대한 정재하시험 결과와 4개 현장의 비배수전단 강도(cu) 측정치를 이용하여 단일 쇄석다짐말뚝의 주요 파괴 Mechanism인 Bulging과 General Shear Failure 시의 극한 지지력의 이론치와 시험치의 비교분석 및 점성토의 비배수전단강도가 지지력 이론에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
)가 지지력 산정시 미치는 영향에 대해 검토하였으며, 그 결과는 그림 6～13과 같다. 이때, 점토의 Ec 값은 비배수전단강도(cu)에 따라 Bowels(1996)이 제안한 식으로 값을 변화시켜 적용하였으며 점토의 νc , PI, γt, φc 값은 동일하게 적용하여 cu값의 변화(1.5t/m2, 2.4t/m2, 4.0t/m2, 5.0t/m2)에 따른 영향을 분석하였다.
대상 데이터
부산 OO O호교, 가덕, 광양, 울산 신항만 현장 등 국내 4개 현장에서 조사된 비배수전단강도(cu)를 이용하여 비배수전단강도(cu)가 지지력 산정시 미치는 영향에 대해 검토하였으며, 그 결과는 그림 6～13과 같다. 이때, 점토의 Ec 값은 비배수전단강도(cu)에 따라 Bowels(1996)이 제안한 식으로 값을 변화시켜 적용하였으며 점토의 νc , PI, γt, φc 값은 동일하게 적용하여 cu값의 변화(1.
지반물성치 추정에 사용된 부산광역시 OO O호교 건설 공사지역 A1교대 구간의 현장의 시험 말뚝은 지름 0.7m, 지중관입 깊이 17.6m로 시공하였다. 쇄석말뚝의 내부마찰각은 보통 42～45°이지만 시공 및 관리에 따른 손실을 고려하여 40°를 적용하였으며, 시공지역의 비배수 전단강도는 지질조사에 의하여 비배수전단강도(cu) = 2.
데이터처리
기존에 제안된 지지력 이론의 적용성을 검토하기 위해 부산광역시 OO O호교 건설공사지역 교대(A1)구간의 단일 쇄석다짐말뚝의 현장 정재하시험 결과를 이용하여 실측치와 계산치를 비교분석 하였다. 재하시험 결과와 그래프 Greenwood(1970)와 Wong(1975)이 제안한 식은 Kpc의 적용시 또다른 불확실성이 내포할 수 있는 등의 문제점이 예상되어 지지력 산정 및 비교 분석에는 이용하지 않았다.
이론/모형
재하시험에 이용된 쇄석다짐말뚝의 경우 17.6m 길이로 시공되어 비교적 긴 말뚝으로서 실제파괴는 General Shear 보다는 Bulging Failure 형태로 일어났을 가능성이 크지만 본 분석시에는 Bulging 외에도 General Shear 일 때의 이론지지력도 함께 계산하였으며, 여기서 사용된 지지력 이론식은 표 1에서 제시한 바와 같이 Bulging Failure 시에서는 Gibson & Anderson(1961), Vesic(1972), Datye & Nagaraju(1975), Hughes & Withers(1974), Brauns (1978), Hansbo(1994)에 의해 제안된 식을 따른 것이고, General Shear Failure 시에서는 Madhav & Vitkar(1978), Brauns(1978)에 의해 제안된 식을 따른 것이다. 이때, 지반은 정규압밀조건으로 가정 하였고, 정지토압계수(K0)는 Brooker & Ireand(1965), Alpan(1967), Holtz & Kovacs(1981)이 제안한 식을 이용하여 계산하였다(표 4.
한편, Bulging Failure Mode 시의 극한지지력 계산시(초기)횡방향응력(σro) 산정을 위해 소성지수(PI)를 이용하여 Brooker & Ireland(1965), Alpan(1967), Holtz & Kovacs(1981) 등이 제안한 정지토압계수(K0)산정식들을 이용하였으며, 제안식별로 지지력 값은 큰 차이를 보이지 않아 그 영향은 거의 없는 것으로 나타나고 있다(그림 14, 표 5 참조).
성능/효과
1) 단일 쇄석다짐말뚝의 정재하시험 실측치와 지지력이론에 의해 산정된 이론치를 비교한 결과 Bulging Failure Mode 시에는 약 3~4배, General Failure Mode 시에는 약 2.5~3.3배 만큼 실측치가 이론치에 비해 크게 나타나고 있으며, Bulging Failure Mode일 때가 실측치에 비해 이론치가 더 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있었다.
3) 4개 현장의 실측 cu값을 이용하여 cu값이 기존의 이론식에 미치는 영향을 검토한 결과 cu값의 증가에 따라 지지력 산정값이 선형적으로 증가함을 보였으며, Vesic(1972)의 제안식이 가장 크게 영향을 받는 반면, General Failure 시의 Madhav & Vitkar(1978)의 제안식은 가장 작은 변화 경향을 보였다.
3배 크게 나타나고 있다. 따라서 본 연구에 아용된 시험결과로 볼 때 계산에 적용된 일부 물성치들의 불확실성이나 어떤 이론에 의한 파괴 Mode를 적용하는가에는 크게 상관없이 기존의 지지력 값이 쇄석다짐말뚝의 실제 지지력에 비해 매우 과소 평가되고 있음을 알 수 있다. 따라서 쇄석다짐말뚝의 국내 적용시 지지력 평가 방법에 대한 새로운 접근 방법이 검토되어야 할 것으로 보이며, 이를 위해 적용지반에 대한 상세한 물성시험(cu, Ec, νc 등)과 쇄석말뚝의 물성시험( φs, γs 등), 그리고 현장재하시험을 통한 극한지지력 검증, 시험후 파괴 Mode의 확인 등을 통해 국내 실정에 적합한 지지력 평가방법의 제안이나 기존 이론의 개선, 안전율의 변경 적용 등에 대한 추가적인 연구가 시급한 것으로 판단된다.
분석 결과 Bulging Failure Mode의 경우 계산된 이론 지지력 값은 50.88t/m2 ～73.80t/m2으로 나타나 실측에 의한 극한지지력 200t/m2과 비교하면 실측치가 이론치에 비해 약 3～4배 더 큰 것으로 나타나고 있다. 한편 General Failure Mode 시의 경우 계산된 지지력은 61.
후속연구
2) 본 연구에 적용된 시험결과를 보면, 적용된 일부 지반물성치들의 불확실성이나 Failure Mode의 적용에 상관없이 기존 지지력 이론식들이 실제 지지력을 과소평가하고 있으므로 지지력 예측방법에 대한 새로운 접근 방법이 모색되어야 할 것으로 판단된다.
5) cu 등 설계 물성치에 따라 지지력은 크게 영향을 받으므로 쇄석다짐말뚝의 합리적인 국내 적용을 위해서는 적용 지반에 대한 상세한 물성시험(cu, Ec, νc 등)과 쇄석말뚝의 물성시험( φs, γs 등), 그리고 현장재하시험을 통한 극한 지지력 검증, 시험 후 파괴 Mode의 확인 등을 통해 국내 실정에 적합한 지지력 평가방법의 제안이나 기존 이론의 개선, 안전율의 변경 적용 등에 대한 추가적인 연구가 시급한 것으로 판단된다.
6) 본 논문에서는 cu값의 지지력에 대한 영향이나 Failure Mode 별 지지력의 실측치와 이론치를 비교한 결과를 위주로 분석하였으나 쇄석다짐말뚝의 Group Effect, 복합지반효과(하중분담 등) 쇄석다짐말뚝의 지반조건 및 길이에 따른 Failure Mode의 확인, cu 이외의 다른 설계 물성치들이 미치는 영향 등에 관해서는 추후 연구가 필요하다.
따라서 본 연구에 아용된 시험결과로 볼 때 계산에 적용된 일부 물성치들의 불확실성이나 어떤 이론에 의한 파괴 Mode를 적용하는가에는 크게 상관없이 기존의 지지력 값이 쇄석다짐말뚝의 실제 지지력에 비해 매우 과소 평가되고 있음을 알 수 있다. 따라서 쇄석다짐말뚝의 국내 적용시 지지력 평가 방법에 대한 새로운 접근 방법이 검토되어야 할 것으로 보이며, 이를 위해 적용지반에 대한 상세한 물성시험(cu, Ec, νc 등)과 쇄석말뚝의 물성시험( φs, γs 등), 그리고 현장재하시험을 통한 극한지지력 검증, 시험후 파괴 Mode의 확인 등을 통해 국내 실정에 적합한 지지력 평가방법의 제안이나 기존 이론의 개선, 안전율의 변경 적용 등에 대한 추가적인 연구가 시급한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
쇄석다짐말뚝공법의 장점은?
이에 따라 우리나라 건설현장여건에 맞는 경제적이고 시공성이 뛰어난 연약지반 보강공법의 개발의 필요성이 증대하고 있다. 쇄석다짐말뚝공법(Stone Column Method)은 6～40mm의 쇄석을 진동치환에 의해 다져서 Column형 토체를 형성시키는 공법으로서, 연약한 점성토 지반이나 느슨한 사질토 지반에 시공시, 원지반과 쇄석다짐말뚝이 함께 거동하는 복합지반을 형성하여 복합강도를 가지게 되므로 지지력증대, 침하저감, 액상화 방지억제 등의 효과를 기대할 수 있으며, SCP공법에 비해 강성이 크고 쇄석재료의 확보 등이 용이하여 향후 연약지반 보강공법으로의 활용이 더욱 증대될 전망이다. 해외의 경우는 극한지지력, 침하저감효과 등에 관하여 여러 연구가 진행된 바 있으나, 국내의 경우는 공법의 적용사례가 적고, 공법의 효과를 확보한 시험 사례가 거의 없으며, 국내 지반조건에 적용할 경우에 대한 상세 연구가 제대로 이루어지지 않은 실정이다.
쇄석다짐말뚝공법이란?
이에 따라 우리나라 건설현장여건에 맞는 경제적이고 시공성이 뛰어난 연약지반 보강공법의 개발의 필요성이 증대하고 있다. 쇄석다짐말뚝공법(Stone Column Method)은 6～40mm의 쇄석을 진동치환에 의해 다져서 Column형 토체를 형성시키는 공법으로서, 연약한 점성토 지반이나 느슨한 사질토 지반에 시공시, 원지반과 쇄석다짐말뚝이 함께 거동하는 복합지반을 형성하여 복합강도를 가지게 되므로 지지력증대, 침하저감, 액상화 방지억제 등의 효과를 기대할 수 있으며, SCP공법에 비해 강성이 크고 쇄석재료의 확보 등이 용이하여 향후 연약지반 보강공법으로의 활용이 더욱 증대될 전망이다. 해외의 경우는 극한지지력, 침하저감효과 등에 관하여 여러 연구가 진행된 바 있으나, 국내의 경우는 공법의 적용사례가 적고, 공법의 효과를 확보한 시험 사례가 거의 없으며, 국내 지반조건에 적용할 경우에 대한 상세 연구가 제대로 이루어지지 않은 실정이다.
Bulging Failure와 General Shear Failure의 주요 설계 물성치는?
2절에서 언급한 바와 같이 Bulging Failure와 General Shear Failure로 구분할 수 있으며, 이들 파괴 Mechanism 별로 제안된 지지력 예측이론들은 표 1에 요약하였다. 표 1에 의하면 Bulging Failure일 경우 주요 설계 물성치(Parameter)로는 초기 횡방향응력( σr0, initial in-situ lateral stress), 점성토의 비배수 전단 강도(cu), 쇄석다짐말뚝의 내부마찰각( φs ), 점토의 탄성계수(Ec), 점토의 포아슨 비( νc ), 등이 있으며 또한 General Shear Failure의 경우 주요 설계 물성치로는 점토의 비배수 전단강도(cu), 주변지반의 단위중량( γc ), 유효상재하중 등을 들 수 있다(표. 2 참조).
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