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문제 정의
- 이를 보완하기 위하여 해석결과에서는 특정 변위에서 극한하중을정의하여 분석하였다. 이로부터 실험과 해석간의 차이가전반적인 분석의 일관성을 해치지 않도록 노력하였다.
- 이에 본 연구에서는 수직방향 압축하중을 받는 경사말뚝에 대한 거동특성을 파악하기 위해 실내모형 실험을 수행하였으며, 말뚝내부에 변형율 게이지를 부착하여 하중에 따른 축하중전이 특성을 분석하였다. 그리고 말뚝의 선단하중과 주면마찰력을 비교 및 분석하여 말뚝경사에 따른 토압계수의 변화를 파악하였다.
제안 방법
- 하중에 따른 축하중전이 특성을 분석하였다. 그리고 말뚝의 선단하중과 주면마찰력을 비교 및 분석하여 말뚝경사에 따른 토압계수의 변화를 파악하였다. 또한 유한요소해석 프로그램 인 PENTAGON 3D에 의한 수치해석결과를 모형실험결과와 비교 및 분석하였다.
- 말뚝재하실험은 모형지반을 조성한 후 24시간 이상 경과한 다음, 항타하여 말뚝을 관입시켰고, 말뚝의 경사 각도는 수직선에 대하여 0°, 10°, 20º, 30°로 변화시켰다. 말뚝 설치는 경계효과를 고려하여 말뚝의 관입 위치를 선정하고, 말뚝지지대 내부에 모형말뚝을 위치시킨후 해머(무게 58.86 N)를 사용하여 낙하높이 50cm를 유지하면서 항타 관입시켰다. 그림 5는 경사각도 0와 10º 에 대한 말뚝재하실험 모습을 보여준다.
- 그리고 모형실험 결과와 비교·분석하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 PENTAGON-3D(에머랄드 소프트,, 1998)를 사용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 말뚝 해석조건은 말뚝의 중심축을 대칭으로 축대칭 반단면 해석을 수행하였다. 말뚝과지반은 육면체 요소(hexa-hedral solid element), 강관말뚝은 쉘요소(shell element)로 모형화하였고, 강관은 등방탄성모델, 지반은 Mohr-Coulomb의 파괴규준을 따르는 탄소성 모델로 모형화하였다.
- 말뚝 해석조건은 말뚝의 중심축을 대칭으로 축대칭 반단면 해석을 수행하였다. 말뚝과지반은 육면체 요소(hexa-hedral solid element), 강관말뚝은 쉘요소(shell element)로 모형화하였고, 강관은 등방탄성모델, 지반은 Mohr-Coulomb의 파괴규준을 따르는 탄소성 모델로 모형화하였다. 수치해석 방법은 초기단계, 지반굴착, 말뚝설치, 하중재하의 단계로 구성되고, 초기 단계에서 수치모형은 원지반의 응력상태로 구성되며, 시공 단계에서는 지반 굴착, 강관 설치의 과정으로 모형화하였다.
- 말뚝의 하중 전이를 파악하기 위하여 말뚝내부에 변형율계(strain gauge)를 부착하였으며, 그림 4는 모형말뚝의 단면도를 보여준다. 말뚝재하실험은 모형지반을 조성한 후 24시간 이상 경과한 다음, 항타하여 말뚝을 관입시켰고, 말뚝의 경사 각도는 수직선에 대하여 0°, 10°, 20º, 30°로 변화시켰다. 말뚝 설치는 경계효과를 고려하여 말뚝의 관입 위치를 선정하고, 말뚝지지대 내부에 모형말뚝을 위치시킨후 해머(무게 58.
- 모형말뚝은 외경 40㎜, 길이 840㎜, 두께 3㎜의 강재로 제작하였고, 말뚝선단부에 각도 60º, 길이 40㎜의 원추형으로 제작된 강재를 말뚝선단에 부착하여 폐단 말뚝으로 모형실험을 실시하였다. 말뚝의 하중 전이를 파악하기 위하여 말뚝내부에 변형율계(strain gauge)를 부착하였으며, 그림 4는 모형말뚝의 단면도를 보여준다.
- 모형말뚝의 하중재하실험에서 모형말뚝 내부에 부착된 변형율계로부터 각 하중단계에서 말뚝에 전달된 축하중 분포를 측정하였으며, 각 경사각도에서 말뚝 길이에 따른 축하중 분포는 그림 9와 같다. 이 그림에서 마지막 하중단계는 각 경사말뚝에서의 극한하중이다.
- 모형실험은 3회 반복하여 실시하였다. 그리고 모형실험 결과와 비교·분석하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 PENTAGON-3D(에머랄드 소프트,, 1998)를 사용하여 3차원 수치해석을 수행하였다.
- 모형토조는 그림 3과 같이 1500㎜ × 1000㎜ × 1200㎜ 의 크기로 강재를 사용하여 제작하였고 모형실험의 진행상황을 관찰하기 위하여 모형토조의 한쪽 면은 두께 20㎜의 투명 아크릴판으로 제작하였다 토조의 상부에는 지반조성을 위한 레이닝 장치를 설치하였다. 모형토조에서의 실험은 모형토조 모형구조체, 지반 사이의 경계 효과를 고려하여야 한다.
- 5배 보다 크고, 말뚝의 최대 관입깊이는 토조 밑면으로부터 말뚝직경의 4배 깊이까지 제한한 바 있다. 본 모형실험에서도 이러한 제한 규정을 고려하여 경계조건의 효과가 최소화되도록 토조의 크기를 결정하였다.
- 나타내었다. 본 연구에서 경사말뚝의 극한하중은 하중-변위 곡선에서 말뚝 직경의 10%에 해당하는 변위에서의 하중으로 결정하였다. 이 그림에서 보는 바와 같이 경사각도에 따른 말뚝의 극한하중은 경사각도 10°에서 가장 크고, 경사각도가 커짐에 따라 점차 감소하는 경향을 나타냈다.
- 본 연구에서는 모래지반에 설치된 축방향 압축하중을받는 경사말뚝의 하중-변위 특성, 선단지지력, 주면마찰력등의 거동특성을 규명하기 위하여 말뚝의 설치 각도를 0°, 10º, 20º, 30º로 변화시켜 모형실험을 수행하였다. 모형실험은 3회 반복하여 실시하였다.
- 본 연구에서는 축방향 압축하중을 받는 경사말뚝의거동 특성을 연구하기 위해 경사각도를 0°, 10°, 20º, 30º로 변화시켜 실내모형실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 말뚝과지반은 육면체 요소(hexa-hedral solid element), 강관말뚝은 쉘요소(shell element)로 모형화하였고, 강관은 등방탄성모델, 지반은 Mohr-Coulomb의 파괴규준을 따르는 탄소성 모델로 모형화하였다. 수치해석 방법은 초기단계, 지반굴착, 말뚝설치, 하중재하의 단계로 구성되고, 초기 단계에서 수치모형은 원지반의 응력상태로 구성되며, 시공 단계에서는 지반 굴착, 강관 설치의 과정으로 모형화하였다.
- 5㎜/min.의 일정한 속도로재하하였으며, 하중재하에 따른 말뚝의 하중, 변위, 변형율은 각각 로드셀(용량 4.9 kN), LVDT, 변형율계를 이용하여 측정하였으며 모든 데이터는 TDS-301 로 자동계측하였다.
- 모형실험과정에서 획득한 자료의 한계로 인하여 이러한절차를 엄밀하게 모델링하는데 한계가 있었다. 이를 보완하기 위하여 해석결과에서는 특정 변위에서 극한하중을정의하여 분석하였다. 이로부터 실험과 해석간의 차이가전반적인 분석의 일관성을 해치지 않도록 노력하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 모형실험에 사용된 시료는 낙동강 성주지역의 모래를 이용하였다. 함수비의 변화를 줄이기 위해 모래를 자연 건조시킨 다음, No.
데이터처리
- 모형실험은 3회 반복하여 실시하였다. 그리고 모형실험 결과와 비교·분석하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 PENTAGON-3D(에머랄드 소프트,, 1998)를 사용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. 말뚝 해석조건은 말뚝의 중심축을 대칭으로 축대칭 반단면 해석을 수행하였다.
- 그리고 말뚝의 선단하중과 주면마찰력을 비교 및 분석하여 말뚝경사에 따른 토압계수의 변화를 파악하였다. 또한 유한요소해석 프로그램 인 PENTAGON 3D에 의한 수치해석결과를 모형실험결과와 비교 및 분석하였다.
이론/모형
- 30kN/㎥이며 평균 상대 밀도는 79%이다. 모형지반의 상대밀도는 Bowles 방법(Bowles, 1978)으로 결정하였고, 직접전단시험장치(김상규와 이은수, 1996)에 의한 모형말뚝재료와 모래 지반 사이의 표면마찰각은 약 19º로 나타났다.
성능/효과
- (1) 모형실험에 의한 경사말뚝의 축방향 지지력은 경사각 도가 10º, 20º, 30º에서 연직말뚝에 비하여 111, 95, 81%로 나타났고, 수치해석의 결과도 다소 차이는 있지만 모형실험의 결과와 비슷하게 나타났다. 그러 나 Petrasovits & Award의 결과는 경사각 10º에서 모형실험결과와 유사하지만, 경사각 20º와 30º 에서는 모형실험결과를 과대평가 하였다.
- (2) 경사각도에 따른 주면마찰력과 선단하중은 모형실험과 수치해석 모두 10°경사에서 최대값을 나타낸후, 경사각도가 증가함에 따라 감소하였고, 전체하중에서 주면마찰력과 선단하중의 구성비율은 경사각도에 관계없이 거의 비슷하게 나타났다.
- (3) 모형실험으로부터 역산된 토압계수는 모든 경사 각도에서 정지토압계수보다 크고, 수동토압계수와 비슷하지만 경사각도 30º에서는 다소 작게 나타났다.
- (4) 모형실험 결과 말뚝두부 부분에서 지반으로 하중 전이가 크게 나타났고, 경사각도가 증가할수록 깊이에 따른 단위주면 마찰력은 다소 차이는 있지만 감소흐}는 경향을 나타냈다.
- 경사각도 0º와 10° 말뚝의 토압 계수는 Rankine의 수동토압계수와 비슷하며 이는 Meyerhof[1959)와 Nordlund(1963)가 타입에 의해 관입된 연직말뚝에 대한 연구결과로 제시한 결과와 유사함을 알 수 있다. 모형실험과 수치해석 결과로부터 역산된 수평 토압 계수는 20º이하의 경사각도에서 지반의 수동토압 계수와 유사하지만, 경사각도가 20º보다 크게 되면 지반의 수동토압계수보다 작아지는 경향을 나타내었다. 이는 말뚝의 주면마찰력과 토압계수가 말뚝의 경사에 의해 영향을 받고 있는 것을 나타내고 있는 것으로 판단된다.
- 그림 8은 여러가지 방법들에 의한 경사말뚝의 지지력비를 보여준다. 모형실험과 수치해석에 의한 지지력비는 경사각도 10° 에서 약 111%로 최대값을 나타내고, 경사각도가 증가함에 따라 점차 감소하여 경사각도 30º에서 모형실험의 결과는 81%, 수치해석의 결과는 89%를 나타냈다. 이 그림에서 보는 바와 같이 수치해석과모형실험은 거의 비슷한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다.
- 이 그림에서 보는 바와 같이 경사말뚝의선단하중과 주면마찰력은 경사각도 10°에서 모두 최대값을 나타낸 후 점차 감소하였고, 이러한 경향은 경사각도에 따른 극한하중의 변화와 비슷하게 나타났다. 모형실험에 의한 선단하중은 수치해석의 결과 보다 약간 크고, 주면마찰력은 수치해석 결과가 더 크게 나타났지만, 경사각도에 따른 경향은 비슷하였다.
- 모형실험으로부터 역산된 토압계수는 모든 경사각도에서 정지토압계수 보다 크게 나타났다. 경사각도 0º와 10° 말뚝의 토압 계수는 Rankine의 수동토압계수와 비슷하며 이는 Meyerhof[1959)와 Nordlund(1963)가 타입에 의해 관입된 연직말뚝에 대한 연구결과로 제시한 결과와 유사함을 알 수 있다.
- 이 그림에서 마지막 하중단계는 각 경사말뚝에서의 극한하중이다. 약간의 차이는 있지만 모든 경사각도에서 대체로 말뚝의 상부 부분에서 지반으로 하중전이가 많이 발생하였고, 선단지지력이 상당히 크게 나타났는데, 이는 모형실험의 지반이 견고하지 않고 말뚝길이가 길지 않아서 주면 마찰력이 충분히 발휘되지 못한 것에 기인하는 것으로 판단되었다. 수치해석에 의한 경사말뚝의 하중전이 양상도 비슷하게 나타났다.
- 이 그림에서 보는 바와 같이 수치해석과모형실험은 거의 비슷한 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이 결과들을 기존의 Petrasovits와 Award(1968), Meyerhof와 Ranjan(1973)의 연구결과와 비교하면, 대략 10º이하의 경사각도에서 모형실험에 의한 지지력비는수치해석 결과 및 기존 연구자들의 실험결과들과 거의비슷하지만, 경사각도가 15º보다 커지면 모형실험의 결과는 기존의 결과들 보다 작고, 그 차이는 약 20% 정도로 매우 크게 나타났다.
- 구성비율을 보여준다. 이 그림에서 보는 바와 같이 모형실험의 결과, 극한하중 상태에서 전체하중에서 주면마찰력은 58~60%, 선단하중은 38~40%로 나타났고, 이 결과는 경사각도에 관계없이 거의 비슷하게 나타났다. 그리고 수치해석결과도 약간의 차이는 있지만 비슷한 경향을 보여준다.
후속연구
- 이는 말뚝의 주면마찰력과 토압계수가 말뚝의 경사에 의해 영향을 받고 있는 것을 나타내고 있는 것으로 판단된다. 또한 실험결과와 수치해석결과 모두 지반의 정지토압계수 보다 크게 나타나 경사말뚝의 마찰력 산정시사용되는 토압계수는 지반의 정지토압계수와 수동토압 계수 사이의 값으로 적용하여야 할 것으로 판단된다.
- 앞으로의 연구방향은 하중방향, 지반조건 등의 변화에 따른 경사말뚝의 거동특성과 현장에서의 하중재하실험에 의한 추가적인 연구가 수행된다면, 경사말뚝에대한 합리적인 설계절차가 이루어질 것으로 판단된다.
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