[논문]LRFD설계법에 의한 부마찰력이 작용하는 말뚝의 안정성 평가 사례 연구

조천환; 김웅규; 이우철

[국내논문] LRFD설계법에 의한 부마찰력이 작용하는 말뚝의 안정성 평가 사례 연구
A Case Study on the Stability Evaluation of Piles for Negative Skin Eviction by the LRFD Approach 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.21 no.5, 2005년, pp.123 - 131

조천환 (삼성건설 T.A.팀) , 김웅규 (삼성건설 주택공사팀 토목파트) , 이우철 (삼성건설 T.A.팀)

초록
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우리나라에서는 최근 해안 매립지역에서의 건설공사가 증가하고 있는 추세이다. 이러한 경우 말뚝기초에서는 부마찰력과 관련된 안정성 평가가 중요한 설계요소가 된다. 그럼에도 불구하고 말뚝의 부마찰력 문제는 많은 지반 기술자들에게 충분한 이해가 부족한 실정이다. 그 이유는 부마찰력이 말뚝의 침하와 관련된 문제임에도 불구하고 대부분의 설계기준들은 안전율에 의한 말뚝의 지지력 산정에만 초점을 맞추고 있기 때문이라고 생각된다. LRFD 설계법은 말뚝의 지지력과 관련된 극한한계상태해석 외에 침하량과 관련된 사용성해석을 고려하므로 전통적인 국내 설계기준을 보완하는 방법이 될 수 있다. 본 논문에서는 부마찰력이 작용하는 말뚝에서 LRFD 설계기법을 적용하는 방법에 대해 논의하고 이를 전통적인 설계기법과 비교하여 보았다. 또한, 말뚝 재하시험을 통한 실제 사례분석을 통하여 각 설계기법의 적용성을 비교분석 하였다. 이러한 분석을 통해 부마찰력이 작용하는 말뚝의 안정성 분석 시 접하는 문제를 해결하기 위해 몇 가지 대안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, construction activities in reclaimed onshore areas increase in our country In this case, the stability evaluation of the piles for negative skin friction is an important factor for the design of pile foundation in soft grounds. Nevertheless, the design of piles for negative skin friction (or downdrag forces) is probably poorly understood by many geotechnical engineers. It is mainly because only the bearing capacity aspect is taken into account for the downdrag evaluation of piles in most of design specifications. However, the problems fur negative skin friction of piles are mostly related with settlement rather than bearing capacity Meanwhile, LRFD (Load Resistance Factor Design) approach considers both ultimate limit state in terms of bearing capacity and serviceability limit state in terms of settlements. This paper proposes LRFD approach for the downdrag evaluation of piles and compares this approach to traditional design approach. And also a case history is analyzed. Through the analysis some suggestions to solve the problems for the design of piles for negative skin friction are suggested.

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문제 정의

본 논문에서는 부마찰력을 고려해야하는 말뚝의 안정성 평가를 극한한계상태설계법으로 접근하는 방법을 실무적인 관점에서 검토하고 이를 전통적인 설계법과 비교 고찰하여 보았다 또한 부마찰력 작용 시 현장에서동재하시험을 통해 이를 평가하는 방법을 검토해 보았다. 마지막으로 실 사례를 통해 검토된 방법을 평가해보았다.
마지막으로 실 사례를 통해 검토된 방법을 평가해보았다. 본 논문은 단말뚝(single pile)에 대해서 국한한 것이다.
것이다. 즉, 부마찰력이 작용하는 말뚝에서 침하량에 대한 안정성을 평가하는 것이다.
(4) 본 논문에서는 극한상태해석 개념에 따라 부 마찰력이 작용하는 말뚝의 안정성을 평가하는 LRFD방법을 제시하였다. 국내 지반조건에서 LRFD 방법의 보다 정밀한 적용을 위해서는 신뢰성 있는 말뚝 재하시험 결과를 축적하고 이에 대한 회기분석을 통해 국내 실정에 부합되는 저항계수(0)를 선정하는 과정이 선행되어야 할 것이다.

가설 설정

2)까지 존재하는데 이 지층들의 N값은 9〜22로써 연약지층은 아니다. 그러나 그 하부에 N값이 7인 점토층이 나타나기 때문에 결국 연약지반은 지표면에서 47.3m(DL-40.0)의 깊이까지로 가정하였다. 본 연약지반구간에 대해서는 시추조사시 2.

제안 방법

마지막으로 실 사례를 통해 검토된 방법을 평가해보았다. 본 논문은 단말뚝(single pile)에 대해서 국한한 것이다.
일구역이다. 현장은 항만공사현장으로 대심도 연약지반으로 구성되어 있으며, 상부 연약지반을 PBD 및 재하성토를 통해 안정시킨 후 항만부지로 조성하였다. 본 지역의 토층은 지표로부터 해성퇴적 점토층, 해성 퇴적 모래 자갈층, 풍화대층, 기반암층으로 구성되었으며 기반암은 화강암이다.
0)의 깊이까지로 가정하였다. 본 연약지반구간에 대해서는 시추조사시 2.0m 심도마다 불교란 시료(UD sample)를 채취하여 기본물성시험 및 역학시험을 실시하였으며, 실내시험 결과 및 중앙값으로서 선정한 대표값을 표 2에 나타내었다.
3ton이다. 현장 지반의 특성을 고려하여 설계단계에서 부마찰력과항타시 인장파손에 대한 검토를 집중적으로 수행하였다.
부마찰력의 발생여부 및 중립축의 위치를 판단하기 위해 우선 침하계측을 실시하여 층별 침하량을 구하였다(그림 4 참조). 그리고 측정된 침하량, 토성 및 역학시험치를 이용하여 재하성토 이력에 따른 향후 침하량을 예측한 후 이 값을 기준으로 부마찰력의 발생여부와 크기를 평가하였다.
4 참조). 그리고 측정된 침하량, 토성 및 역학시험치를 이용하여 재하성토 이력에 따른 향후 침하량을 예측한 후 이 값을 기준으로 부마찰력의 발생여부와 크기를 평가하였다. 그림 5는 이러한 결과를 보여주고 있다.
본 건의 경우 부마찰력에 대한 대책으로 말뚝에 SL 코팅을 실시하였다. 또한 항타시 인장파손을 막기위해 B 종의 PHC 말뚝을 선정하였고 150mm의 합판을 쿠션으로이용하였으며 비교적 용량이 큰 해머인 DKH₁₃(램 중량 13 톤)을 이용하였다 아울러 상부 조밀 매립층에서 코팅 부의 손상을 막고 인장응력과 부마찰력을 줄이기 위해 조밀한 상부 매립층을 오가로 천공한 후 항타를 실시하였다.
실시하였다. 또한 항타시 인장파손을 막기위해 B 종의 PHC 말뚝을 선정하였고 150mm의 합판을 쿠션으로이용하였으며 비교적 용량이 큰 해머인 DKH₁₃(램 중량 13 톤)을 이용하였다 아울러 상부 조밀 매립층에서 코팅 부의 손상을 막고 인장응력과 부마찰력을 줄이기 위해 조밀한 상부 매립층을 오가로 천공한 후 항타를 실시하였다. 말뚝은 DL-52.
시험 말뚝에 대해서 동재하시험이 수행되었다. 동재하시험은 동일 말뚝에 대해 총 3회 실시되었는데, 이는항타시 시험과 시간 경과별로 재항타 시험 2회(1 일과 7 일 경과 후 시험)로 이루어 졌다.
동재하시험은 동일 말뚝에 대해 총 3회 실시되었는데, 이는항타시 시험과 시간 경과별로 재항타 시험 2회(1 일과 7 일 경과 후 시험)로 이루어 졌다. 재하시험은 PDA를 사용하여 동적 측정 데이터를 수집한 후 CAPWAP(CAse Pile Wave Analysis Programme; GRL Associates, 1996) 을 사용하여 분석하였다.
표 4에서 재항타시 선단지지력이 작은 이유는 앞서 언급한 바와 같이 말뚝지지력의 증가효과에 따른 해머 에너지의 불충분함에 기인한다. 따라서 본 말뚝에서는 항타시와 재항타시의 지지력을 종합하여 설계변수를 결정하였다. Qns의 지지력은 향후 말뚝주변 지반의 압밀에 따라 변경될 수 있는 것이므로 안정성 평가에서는 6 방법으로 계산된 부마찰력(Qns)을 사용하였다.
Qns의 지지력은 향후 말뚝주변 지반의 압밀에 따라 변경될 수 있는 것이므로 안정성 평가에서는 6 방법으로 계산된 부마찰력(Qns)을 사용하였다. 또한 본 건에서는 활하중이 비교적 작으므로 상부하중으로서 전 하중(Qsl+Qtl)을 적용하였다.

대상 데이터

본 현장은 우리나라 남동쪽의 해안에 위치한 진해시의 일구역이다. 현장은 항만공사현장으로 대심도 연약지반으로 구성되어 있으며, 상부 연약지반을 PBD 및 재하성토를 통해 안정시킨 후 항만부지로 조성하였다.
현장은 항만공사현장으로 대심도 연약지반으로 구성되어 있으며, 상부 연약지반을 PBD 및 재하성토를 통해 안정시킨 후 항만부지로 조성하였다. 본 지역의 토층은 지표로부터 해성퇴적 점토층, 해성 퇴적 모래 자갈층, 풍화대층, 기반암층으로 구성되었으며 기반암은 화강암이다. 해성점토층은 주로 CL, CH로 구성되어 있으며 상부는 N값이 약 1 정도로 매우 연약하고, 액성한계는 33-81% 정도로서 이는 자연함수비와 비슷하다 해성점토층에 대한 토성시험결과는 표 2에 나타내었다
현장은 매우 광범위한 지역으로 많은 구조물(23개 구조물-2000여 본 말뚝)이 건설되었지만 본 연구에서는 이들 중 1개소를 선정하여 사례분석을 실시하였다. 그림 3은 시험위치의 지층단면도와 말뚝의 시공단면을 도시한 것이다.
각종 분석을 통해 시험시공시 결정된 말뚝은 PHC₆₀0 이며, 구조적으로 계산된 본당 설계하중은 93.3ton이다. 현장 지반의 특성을 고려하여 설계단계에서 부마찰력과항타시 인장파손에 대한 검토를 집중적으로 수행하였다.

이론/모형

동재하시험은 동일 말뚝에 대해 총 3회 실시되었는데, 이는항타시 시험과 시간 경과별로 재항타 시험 2회(1 일과 7 일 경과 후 시험)로 이루어 졌다. 재하시험은 PDA를 사용하여 동적 측정 데이터를 수집한 후 CAPWAP(CAse Pile Wave Analysis Programme; GRL Associates, 1996) 을 사용하여 분석하였다. 표 3은 PDA로 측정된 항타 결과를 요약한 것이다.
따라서 본 말뚝에서는 항타시와 재항타시의 지지력을 종합하여 설계변수를 결정하였다. Qns의 지지력은 향후 말뚝주변 지반의 압밀에 따라 변경될 수 있는 것이므로 안정성 평가에서는 6 방법으로 계산된 부마찰력(Qns)을 사용하였다. 또한 본 건에서는 활하중이 비교적 작으므로 상부하중으로서 전 하중(Qsl+Qtl)을 적용하였다.

성능/효과

주는 예를 보여 주고 있다. 즉 본 건의 경우 코팅을 하지 않을 경우 지지력에는 문제가 없다(안전율 3.07) 하더라도 침하에 대한 문제(안전율 0.98)는 발생할 수 있으므로 코팅을 함으로써 침하에 대한 안정성(안전율 1.93) 을 확보할 수 있는 결과를 보여주고 있다.
(1) 부마찰력이 작용하는 말뚝의 안정성을 평가하는 현재의 설계기준들은 전체안전율을 고려하여 제시하고 있는데 여기서 이용하는 안전율은 설계기준마다 큰 차이를 주고 있다. 따라서 설계기준들을 이용하여 허용지지력을 구할 경우 설계기준에 따라 허용지지력의 차이가 크게 나타나며 말뚝의 안정성이 뒤바뀌는 경우도 있다.
(2) 부마찰력을 고려한 허용지지력의 전통적인 계산 방법의 개념은 지지력을 만족했을 때 침하량 문제도 일어나지 않는다는 가정이 경험적으로 전제되는 것이다. 그러나 기준에서 채택한 안전율의 차이가 커서 이러한 가정이 모든 상황에 지켜질지는 의문이다.

후속연구

본 사례로써 판단할 때 부마찰력이 작용하는 말뚝의 안정성을 평가하는데 있어 한 가지 기준만을 이용하여 분석하는 것은 바람직하지 않다고 생각된다. 이와 관련하여 전통적인 여러 기준 중 어느 기준이 보다 합리적인가 하는 데는 보다 많은 검토가 필요하며, 가능하면 해당 내용을 통일하는 것도 필요하다고 생각된다.
이와 관련하여 전통적인 여러 기준 중 어느 기준이 보다 합리적인가 하는 데는 보다 많은 검토가 필요하며, 가능하면 해당 내용을 통일하는 것도 필요하다고 생각된다. 또한, 기존 방식의 보다 합리적인 검토 및 향 후 개선 방향의 관점에서 LRFD방법을 기존방식과 한번 비교해 보는 것이 필요하다고 생각된다.

참고문헌 (13)

대한건축학회 (2004), 건축기초구조설계지침, 2004
대한토목학회 (1999), 철도설계기준(철도교편), 1999
대한토목학회 (2001), 도로교설계기준 해설(하부구조편), 2001
대한토목학회 (1997), 도로교표준시방서, 1997
이명환, 홍헌성, 이장덕, 조천환, 이원제 (1996), '부마찰력 고려시 동재하시험결과를 이용한 말뚝의 허용지지력 평가', 1996 봄 학술발표회 논문집, 한국지반공학회
조천환, 김웅규, 강인철, 이우철, 김영식 (2005), 'LRFD 설계법에 의한 부마찰력이 작용하는 말뚝의 안정성 평가', 2005 봄학술발표회 논문집, 한국지반공학회
한국지반공학회 (2003), 구조물기초설계기준 해설 2003
한국지반공학회 (1999), 깊은기초, pp.509-525
해양수산부 (1999), 항만 및 어항설계기준, 1999
Fellenius B.H. (1998), 'Recent Advances in the design of piles for axial loads, dragloads, downdrag and settlement', Proc. ASCE Seminar and Pore of New York and New Jersey, April, 1998, pp.19
GRL Associates, Inc. (1996), CAPWAP User Manual
Pile Dynamics, Inc. (1995), PDA User Manual
Seidel J.P. (2004), 'Dynamic Pile Testing and Design Verification for Downdrag Evaluation of Single Piles', Proc. of the 7th Int. Conf. on the Application of Stresswave Theory to Piles, Kualalumpur, pp.167-175

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