현장타설말뚝의 지지력에 영향을 미치는 요소로는 말뚝의 길이 및 형상, 주면부 거칠기, 지반 및 말뚝의 탄성계수, 지반의 강도, 구속응력 등이 있으나 기존의 국내ㆍ외 설계기준에서는 이들을 모두 고려한 설계방법이 제시되지 않았다. 또한, 지반을 토사와 암반으로만 분류하여 중간특성을 가진 지반(IGM, Intermediate Geomaterials)에 대한 설계기준이 없어서 지지력 예측값이 다양하게 나타났다. 본 연구에서는 현장타설말뚝의 지지력에 관하여 하중전이 시험 결과를 이용해 기존 및 IGM 이론의 적용성을 비교 평가하였다. 연구 결과 기존의 주요 지지력 산정방법들은 실측치와 비교한 결과 지지력을 과소 평가하고 있었으며, IGM 이론의 경우 지지력 예측결과가 실측치와 잘 일치하고 있음을 보였다.
현장타설말뚝의 지지력에 영향을 미치는 요소로는 말뚝의 길이 및 형상, 주면부 거칠기, 지반 및 말뚝의 탄성계수, 지반의 강도, 구속응력 등이 있으나 기존의 국내ㆍ외 설계기준에서는 이들을 모두 고려한 설계방법이 제시되지 않았다. 또한, 지반을 토사와 암반으로만 분류하여 중간특성을 가진 지반(IGM, Intermediate Geomaterials)에 대한 설계기준이 없어서 지지력 예측값이 다양하게 나타났다. 본 연구에서는 현장타설말뚝의 지지력에 관하여 하중전이 시험 결과를 이용해 기존 및 IGM 이론의 적용성을 비교 평가하였다. 연구 결과 기존의 주요 지지력 산정방법들은 실측치와 비교한 결과 지지력을 과소 평가하고 있었으며, IGM 이론의 경우 지지력 예측결과가 실측치와 잘 일치하고 있음을 보였다.
The bearing capacity of drilled shaft is affected by several factors, such as shaft length, shape, surface roughness, young's modulus of geomaterials and shaft, soil strength, confining stress and so on. However, there has been no design method of drilled shaft considering all factors mentioned abov...
The bearing capacity of drilled shaft is affected by several factors, such as shaft length, shape, surface roughness, young's modulus of geomaterials and shaft, soil strength, confining stress and so on. However, there has been no design method of drilled shaft considering all factors mentioned above. Moreover, since geomaterials are simply classified as sand, clay and rock, there was no design criterion for IGM (Intermediate Geomaterials). Therefore, the rigorous design approach of drilled shaft was not possible by classical design method. However, since these characteristics were not considered in classical theories, bearing capacity was generally different ken practical value. In this study, the bearing capacity of drilled shaft with the IGM's theory was compared with those of classical theories. The results showed that classical method showed smaller values of bearing capacity than those of field load transfer data. Moreover, the evaluated value of bearing capacity with IGM theory corresponded fairly well with those of field data.
The bearing capacity of drilled shaft is affected by several factors, such as shaft length, shape, surface roughness, young's modulus of geomaterials and shaft, soil strength, confining stress and so on. However, there has been no design method of drilled shaft considering all factors mentioned above. Moreover, since geomaterials are simply classified as sand, clay and rock, there was no design criterion for IGM (Intermediate Geomaterials). Therefore, the rigorous design approach of drilled shaft was not possible by classical design method. However, since these characteristics were not considered in classical theories, bearing capacity was generally different ken practical value. In this study, the bearing capacity of drilled shaft with the IGM's theory was compared with those of classical theories. The results showed that classical method showed smaller values of bearing capacity than those of field load transfer data. Moreover, the evaluated value of bearing capacity with IGM theory corresponded fairly well with those of field data.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 지반특성상 상기에서 언급한 IGM으로 분류되는 지반조건이 상당부분 분포하고 있는 점과 기존의 지지력 이론이나 설계기준들의 불합리성, 실제 지지력과 기존 설계방법에 의한 예측치와의 차이점 등을 개선하기 위한 연구의 일환으로 기존 설계 방법의 문제점 제시 및 IGM 설계이론의 적용성 등을 국내 및 해외 현장 시험치를 이용하여 비교 평가하였다.
제안 방법
FHWA(1996)에서 제시된 7개 시험결과를 이용하여 IGM이론에 의한 주면마찰력과 기존의 FHWA(1988) 의 방법을 사용하여 구한 주면마찰저항력 및 7개 현장의 실측 주면마찰력값을 비교.분석하여 기존이론 및 IGM이론의 적용성을 평가하였다.
IGM 설계이론의 적용성을 평가하기 위해 국내에서 하중 전이 측정이 이루어지고, IGM으로 분류될 수 있는 지반 조건에 근입된 광안대로 5공구 현장의 시험자료와 국외 7개 시험 데이터를 이용하여 IGM 설계이론에 의한 계산치와 비교하였으며, FHWA(1988) 기준에 의한 계산치와도 비교 . 분석하였다.
IGM내에서 축방향하중을 받는 현장타설말뚝에 대한 설계를 위해 2.3.2절에 기술된 설계 이론을 바탕으로 2가지의 모델(모델 1, 2)이 제안되었으며, 모델 1은점착성 IGM(분류 1, 2), 모델 2는 비점착성 IGM(분류 3)에 적용된다. IGM의 예측 모델들은 주로 하중침하거동을 예측하므로 허용침하기준의 적용에 주의해야하며, 어떤 침하량을 예측시 적용하는가가 매우 중요하다.
98Mia IGM 범주 안에속함)만 분석에 이용하였다. 국내 실정상 IGM 설계이론을 적용하기 위한 지반조사나 말뚝 및 기타 시공시의상세정보 등에 대한 자료가 부족하고, 국내 지반에 대한 IGM의 분류기준이 없어 일축압축강도를 설계에 이용할 수 있는 IGM의 설계모델 중 점성의 IGM 조건을 적용하였으며, 거칠기 조사 등 IGM이론으로 분석을 위한기본적인 조사가 이루어져 있지 않아 “거친” 조건과 “매끄러운” 조건으로 구분하여 계산하였다.
사용하였다. 그러나, 본 논문에서 사용된 광안대로 5공구의 재하시험에서는 하중-말뚝두부 변형량(그림 5)뿐만 아니라 말뚝깊이에 따라 심도별로 스트레인 게이지(철근 응력계, 콘크리트 응력겨】)를 설치하여 축하중전이 해석(그림 6)을 수행하였다.
기존 및 IGM 설계이론에 대한 적용성을 비교 평가하기 위해 국내외 재하시험 결과를 이용하여 기존의 지지력 산정 방법에 의한 계산치와 시험에 의해 실측된 값을 비교분석하였다 또한 기존 이론과 IGM 이론의 특징을 분석하여 문제점 및 개선사항에 대해 이론적 고찰을 실시하였다.
모델 1은 선단지지력을 단단한 암반이나 점성의 IGM 과 절리가 심한 점성의 IGM으로 설계를 하고, 주면마찰력은 주면부의 거친조건과 매끄러운 조건에 따라 산정한다. 주요 설계요소로는 IGM의 비배수 압축강도, IGM 의 내부마찰각과 변형 특성, IGM과 훤장타설콘크리트의 내면 거칠기, 접촉면의 교란도(콘크리트와 교란되지않은 IGM 사이 재성형지반의 존재), IGM과 콘크리트의 탄성계수, 말뚝과 IGM내에 있는 콘크리트의 초기 접촉압력(콘크리트 슬럼프, 타설속도) 소켓의 깊이와 직경등이 있다.
방법을 사용하여 구한 주면마찰저항력 및 7개 현장의 실측 주면마찰력값을 비교.분석하여 기존이론 및 IGM이론의 적용성을 평가하였다. 이 중 5개의 현장에서는 주면마찰력만 측정하기 위하여 오스터버그 셀을 사용하였고, 2개의 현장에서는 정재하시험시 말뚝 선단에 스티로폼을 넣어 주면마찰력만 측정하도록 하였다.
분석하여 기존이론 및 IGM이론의 적용성을 평가하였다. 이 중 5개의 현장에서는 주면마찰력만 측정하기 위하여 오스터버그 셀을 사용하였고, 2개의 현장에서는 정재하시험시 말뚝 선단에 스티로폼을 넣어 주면마찰력만 측정하도록 하였다. 7개 현장의 지반특성, 시공 및 말뚝제원은 표 6, 7과 같다.
즉 토사와 암반의중간적인 특징을 보이는 지반(IGM, Intermediate Geo- materials)에 대해서는 연구자에 따라 토사 혹은 암반으로분류하여 지지력 이론들을 제안하였다. 이러한 지반조건에 대한 보다 구체적이고 합리적인 논의는 1996년에 보고된 FHWA 연구보고서에서 비로소 IGM이라는 새로운 「지반재료를 정의하고 분류하면서부터 정리되었으며, 기존의 연약한 암반을 대상으로 한 연구성과들을 재평가하고 현장 시험치와 FEM해석 등을 통해 제안된 주요 이론들을 이용한 새로운 설계 모델을 제시하였다. 특히, 1999 년에 새롭게 개정된 FHWA 설계매뉴얼에 IGM에 대한설계이론을 기준으로 채택하기에 이르렀다.
1996년 이전의 말뚝설계와 관련한 모든 연구나 기준은 지반을 토사(점성 £, 사질토)와 암반으로만 분류하여 진행되어져 왔다(한국지반공학회, 1997 ; FHWA, 1996). 즉 토사와 암반의중간적인 특징을 보이는 지반(IGM, Intermediate Geo- materials)에 대해서는 연구자에 따라 토사 혹은 암반으로분류하여 지지력 이론들을 제안하였다. 이러한 지반조건에 대한 보다 구체적이고 합리적인 논의는 1996년에 보고된 FHWA 연구보고서에서 비로소 IGM이라는 새로운 「지반재료를 정의하고 분류하면서부터 정리되었으며, 기존의 연약한 암반을 대상으로 한 연구성과들을 재평가하고 현장 시험치와 FEM해석 등을 통해 제안된 주요 이론들을 이용한 새로운 설계 모델을 제시하였다.
지반을 사질토, 점성토, 암반으로만 구분해서 지지력식을 제안한 FHWA기준(1988)에 의한 계산치와 IGM 지지력 제안식에 의한 계산치, 그리고 실측지지력 값을 비교하였다.
현장타설말뚝의 기존 지지력 이론 및 IGM 이론의 적용성을 평가하기 위해 국내 광안대로 5공구 현장과 외 7개 현장의 하중전이 측정값을 통해서 비교 . 분석을 실시하였다.
대상 데이터
광안대로 5공구 시추조사 의하면, IGM으로 적용 가능한 N치가 50이상인 토층이 풍화암층 상부에 토사층과 혼재하여 있는 것으로 나타났으나, 매우 불규칙한 성층상태를 보여 풍화암층(%=0.98Mia IGM 범주 안에속함)만 분석에 이용하였다. 국내 실정상 IGM 설계이론을 적용하기 위한 지반조사나 말뚝 및 기타 시공시의상세정보 등에 대한 자료가 부족하고, 국내 지반에 대한 IGM의 분류기준이 없어 일축압축강도를 설계에 이용할 수 있는 IGM의 설계모델 중 점성의 IGM 조건을 적용하였으며, 거칠기 조사 등 IGM이론으로 분석을 위한기본적인 조사가 이루어져 있지 않아 “거친” 조건과 “매끄러운” 조건으로 구분하여 계산하였다.
기존에 사용되어온 지지력 산정법과 IGM 설계이론에 의한 산정법을 비교 분석하기 위하여 부산 수영만매립지의 광안대로 육상부 제5공구 건설현장에서 실시된 정재하시험과 하중전이 측정 결과를 사용하였다. 시험 말뚝의 제원은 지중관입깊이 32m, 말뚝직경은 Im, 정재하시 험시 최대시 험하중은 1500톤이다.
주요 설계요소로는 IGM의 비배수 압축강도, IGM 의 내부마찰각과 변형 특성, IGM과 훤장타설콘크리트의 내면 거칠기, 접촉면의 교란도(콘크리트와 교란되지않은 IGM 사이 재성형지반의 존재), IGM과 콘크리트의 탄성계수, 말뚝과 IGM내에 있는 콘크리트의 초기 접촉압력(콘크리트 슬럼프, 타설속도) 소켓의 깊이와 직경등이 있다.
이론/모형
모델 2로 제시된 비점성 IGM의 설계지침은 Mayne and Harris(1993)의 이론이 그대로 이용된다. 주요 설계요소로는 IGM과 콘크리트의 탄성계수, IGM의 내부마찰각(배수 시), IGM의 정지토압계수, IGM의 수직 유효 응력, 소켓의 형상 등이 있다.
성능/효과
(1) 기존의 주요 지지력 산정방법들은 실측치와 비교한 결과 지지력을 과소 평가하고 있음을 알 수 있었다. 그러므로 합리적인 설계를 위해 지지력 예측방법의 개선이나 일괄적인 안전율 적용기준을 개선해야 한다.
(2) IGM 이론의 경우 기존 이론에 비해 지반의 강도 이외의 매우 다양한 요소들을 설계에 반영할 수 있고, 변위를 고려한 지지력 산정이 가능한 특징을 보였으며, 국내 광안대로 하중전이 측정시험 사례분석결과와 국외 7개 현장 재하시험결과도 실측치와 잘일치하고 있음을 보였다.
실측치와 비교시 점성의 IGM의 “거친” 조건으로 적용했을 때가 실측치와 가장 근접한 결과를 보였다.
후속연구
(3) 국내 지반에 IGM의 설계이론을 적용할 경우 설계자에 따라 서로 다른 분류기준을 적용할 가능성이 있어 국내지반 중 IGM으로 분류될 수 있는 지반에 대한 별도의 분류기준이 필요하며, 상기 분류체계에 포함되지 않은 경우는 추가하는 등의 보다 체계적인 연구가 필요하다고 판단된다. 특히 IGM 이론이 미국 FHWA에서 주관하여 개발된 것을 감안하면, 미국과 국내의 암반의 지질학적, 공학적 특성이다를 수 있어 설계를 위한 각종 설계정수의 추정 식이 국내 지반조건에 적합하지 않을 수 있다는 것을 유의해야 할 것이다.
또한, 현장타설말뚝은 충분히 근입되었을 경우 주면 마찰력이 대부분의 하중을 지지할 수 있으며, 실제 측정된 시험사례로도 국내의 주요 설계 기준이 실제 주면 마찰력보다 과소하게 평가하고 있어 합리적이고 경제적인 설계를 위해서는 국내 지반조건에 적합한 설계기준이 지속적으로 보완되어야 할 것이다.
반면에 기존 설계 방법에 비해 상당히 많은 설계요소들을 결정하고 측정하고 추정해야 하는 번거로움과 계산 및 이론의 복잡성으로 인해 실무자들이 쉽게 접근하기 어려운 단점도 있다고 볼 수 있다. 즉 현재까지의 지반조사 방법이외에도 샘플링의 문제, 주면부의 거칠기 및 교란도 조사, 말뚝 및 지반의 탄성계수 측정, 형상파악, 효율을 고려한 N6o 값의 측정 등 실무적용을 위한 조사 및 시험, 설계자들의 합리적인 판단이 수반되어야 IGM 이론의 적용성이 검증되고 보다 발전될 수 있을 것이다.
연구가 필요하다고 판단된다. 특히 IGM 이론이 미국 FHWA에서 주관하여 개발된 것을 감안하면, 미국과 국내의 암반의 지질학적, 공학적 특성이다를 수 있어 설계를 위한 각종 설계정수의 추정 식이 국내 지반조건에 적합하지 않을 수 있다는 것을 유의해야 할 것이다.
향후 더 많은 재하시험 분석과 상세한 지반조사, 현장타설말뚝의 시공과 관련한 정보, 소켓 주면부에 대한 조사, 국내 IGM의 정성적인 분석등이 진행되어 IGM 설계이론의 적용에 따른 지속적인 보완이 이루어져 하며, 실측치와 비교시 기존이론에 비해 매우 적용성이 높은 것으로 나타나고 있으므로 실무적용을 위한 다각적인 검토가 이루어져야 할 것으로 본다.
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