풍화 및 절리가 발달한 암반에 근입된 말뚝의 허용지지력 결정에는 침하량이 매우 중요한 인자가 되며, 설계단계에서 말뚝두부의 침하량을 예측하기 위해서는 말뚝의 하중전이기구에 대한 이해가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 풍화된 암반에 근입된 현장타설말뚝의 하중전이기구에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 직경 1m의 총 5본의 현장 타설말뚝을 풍화된 편마암 부지에 시공하구 재하시험 및 하중전이 계측을 수행하여 말뚝의 축방향 지지거동을 분석하였다. 암반상태를 정량적으로 파악하기 위하여 재하시험 부지의 암반에 대한 엄밀한 현장/실내시험을 수행하고, 이를 토대로 암반상태가 말뚝의 하중전이기구에 미치는 영향을 분석하였다. 하중전이 계측을 통해 얻은 주면하중전이 (f-w) 곡선은 풍화상태가 상대적으로 양호한(MW) 연암의 경우, 수 mm의 변위에서 항복에 도달하며, 이후 변위에 따른 지지하중의 증가율이 급격히 둔화되는 경향을 보였다. 반면 풍화암/풍화토에 근입된 말뚝의 f-w 곡선은 뚜렷한 항복점을 보이지 않으며, 상대적으로 큰(>15m) 변위까지 주면하중이 쌍곡선 형태로 증가하였다. 선단하중전이(q-w) 곡선은 암반상태에 관계없이 선단변위 (q-w)까지는 선형적인 거동을 보였다.
풍화 및 절리가 발달한 암반에 근입된 말뚝의 허용지지력 결정에는 침하량이 매우 중요한 인자가 되며, 설계단계에서 말뚝두부의 침하량을 예측하기 위해서는 말뚝의 하중전이기구에 대한 이해가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 풍화된 암반에 근입된 현장타설말뚝의 하중전이기구에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 직경 1m의 총 5본의 현장 타설말뚝을 풍화된 편마암 부지에 시공하구 재하시험 및 하중전이 계측을 수행하여 말뚝의 축방향 지지거동을 분석하였다. 암반상태를 정량적으로 파악하기 위하여 재하시험 부지의 암반에 대한 엄밀한 현장/실내시험을 수행하고, 이를 토대로 암반상태가 말뚝의 하중전이기구에 미치는 영향을 분석하였다. 하중전이 계측을 통해 얻은 주면하중전이 (f-w) 곡선은 풍화상태가 상대적으로 양호한(MW) 연암의 경우, 수 mm의 변위에서 항복에 도달하며, 이후 변위에 따른 지지하중의 증가율이 급격히 둔화되는 경향을 보였다. 반면 풍화암/풍화토에 근입된 말뚝의 f-w 곡선은 뚜렷한 항복점을 보이지 않으며, 상대적으로 큰(>15m) 변위까지 주면하중이 쌍곡선 형태로 증가하였다. 선단하중전이(q-w) 곡선은 암반상태에 관계없이 선단변위 (q-w)까지는 선형적인 거동을 보였다.
Since the allowable bearing capacities of piles in weathered/fractured rock are mainly governed by settlement, the load-displacement behavior of pile should be known accurately. To predict pile head settlement at the design stage, the exact understanding of the load-transfer mechanisms is essential....
Since the allowable bearing capacities of piles in weathered/fractured rock are mainly governed by settlement, the load-displacement behavior of pile should be known accurately. To predict pile head settlement at the design stage, the exact understanding of the load-transfer mechanisms is essential. Therefore, in this research, the load-transfer mechanism of drilled shaft socketed into weathered rock was investigated. For the investigation, five cast-in-place concrete piles with diameters of 1,000 mm were socketed into weathered gneiss. The static axial load tests and the load-transfer measurements were performed to examine the axial resistant behavior of the piles. A comprehensive field/laboratory testing program on weathered rock at the Held test sites was also performed to describe the in situ rock mass conditions quantitatively. And then, the effect of rock mass condition on the load transfer mechanism was investigated. The f-w (side shear resistance-displacement) curve of the pile in moderately weathered rock reached to yielding point at a for millimeter displacements, and after yielding point, the rate of resistance increment dramatically decreased. However, the f-w curve in the highly/completely weathered rock did not show the obvious yielding point, and the resistance gradually increased showing the hyperbolic pattern until relatively high displacement (>15 mm). The q-w (end bearing resistance-displacement) curves showed linear response at least until the base displacement of approximately 10 mm, regardless of rock mass conditions.
Since the allowable bearing capacities of piles in weathered/fractured rock are mainly governed by settlement, the load-displacement behavior of pile should be known accurately. To predict pile head settlement at the design stage, the exact understanding of the load-transfer mechanisms is essential. Therefore, in this research, the load-transfer mechanism of drilled shaft socketed into weathered rock was investigated. For the investigation, five cast-in-place concrete piles with diameters of 1,000 mm were socketed into weathered gneiss. The static axial load tests and the load-transfer measurements were performed to examine the axial resistant behavior of the piles. A comprehensive field/laboratory testing program on weathered rock at the Held test sites was also performed to describe the in situ rock mass conditions quantitatively. And then, the effect of rock mass condition on the load transfer mechanism was investigated. The f-w (side shear resistance-displacement) curve of the pile in moderately weathered rock reached to yielding point at a for millimeter displacements, and after yielding point, the rate of resistance increment dramatically decreased. However, the f-w curve in the highly/completely weathered rock did not show the obvious yielding point, and the resistance gradually increased showing the hyperbolic pattern until relatively high displacement (>15 mm). The q-w (end bearing resistance-displacement) curves showed linear response at least until the base displacement of approximately 10 mm, regardless of rock mass conditions.
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문제 정의
그러나 현재까지 암반의 풍화상태를 고려한 극한주면 지지력의 추정 방법에 대한명확한 시방이나 연구결과가 많이 부족하기 때문에, 재하시험을 실시하지 않고서는 신뢰성 있는 값을 얻기가 어려운 실정이다. 따라서 본 절에서는 국내 풍화암 및 연암의 풍화상태에 따른 주면 지지력을 합리적으로 산정하기 위한 기초단계로, 재하시험 결과암반근입부의 주면 지지력과 암반 상태를 나타내는 물성치의 상관관계를 분석해 보고자 하였다. 표 4는 본 연구의 현장조사 및 시험을 통해 구한 암반 근입부의 물성치와, 재하시험 및 하중전이 계측을 통해 얻은 각 말뚝의 주면 지지력을 정리한 것이다.
본 연구에서는 암반 상태가 현장타설 콘크리트 말뚝의 하중전이기구에 미치는 영향을 알아보기 위해 총 5 본의 시험 말뚝을 시공하고 재하시험과 하중전이 계측을 수행하였다. 시험 결과의 분석으로 얻은 결론은 다음과 같다
제안 방법
(2) 일축압축 강도 시험을 수행하지 않은 경우 점하 중시험 결과를 이용하여 추정.
측정하였다. 圧한 철근의 변형률 계측값이 말뚝 전체의 변형률을 대표할 수 있는지의 확인을 위해 콘크리트 변형률계(SM-2 type, Roctest 사)를 5번 말뚝에 함께 설치하였다 또한 말뚝의 선단 침하를 측정하기 위하여 콘크리트 타설 전 철근망에 부착한 강관에선 단침하봉을 삽입하였다.
나타내었다. 계측 변형률 값을 이용하여 말뚝의 깊이별 축하 중을 산정할 때, 하중 증가에 따른 말뚝 강성의 변화를 고려하였다. 임의의 깊이에서 말뚝에 작용하는 축 방향 응력은 계측 변형률에 말뚝의 할선 변형계수를 곱하여 구할 수 있으며,
그러나 재하시험을 먼저 수행한 1번과 2번 말뚝의 경우 하중이 18, 000kN에 이르기 전에 말뚝 두부가 파손되어, 나머지 말뚝은 강재링과 무수측 모르타르를 이용하여 말뚝의 두부를 보강 후 시험하였으며 그 결과 계획 최대하중 이상으로 재하할 수 있었다. 그림 5에 재하 시험 결과 하중-변위 곡선을 도시하였다.
그림 4에서 보는 바와 같이 깊이 별로 진동현식 철근변형률 계(SM-3 type, Roctest 사) 각 한쌍씩을 설치하여 재하 하중에 따른 말뚝의 깊이 별 변형율을 측정하였다. 圧한 철근의 변형률 계측값이 말뚝 전체의 변형률을 대표할 수 있는지의 확인을 위해 콘크리트 변형률계(SM-2 type, Roctest 사)를 5번 말뚝에 함께 설치하였다 또한 말뚝의 선단 침하를 측정하기 위하여 콘크리트 타설 전 철근망에 부착한 강관에선 단침하봉을 삽입하였다.
5배가 되도록 시공하였다. 근입부 암반의 상태를 정량적으로 파악하기 위하여 공내재하시험(24회), 일축 압축시험(10회)을 수행하였으며, 채취된 암석 시료에 대한 회수율(TCR)과 RQD를 깊이 별로 측정하였다. 또한 일축시험을 위한 시편을 얻기가 곤란한 심하게 풍화한 암반의 경우, 추가로 점 하중 시험(10회)을 수행하여 강도 특성을 추정하였다.
기존에 제안된, 암반근입 말뚝에 적용 가능한 주면 하중 전이 함수(표 3)와 본 연구에서 계측된 하중 전이 함수의 비교를 통해 기존 하중전이 함수의 국내 풍화암/연 암에 대한 적용성을 분석하였다. 비교 대상으로 주 면의 항복 이후까지 재하시험을 수행하였으며, 각각 풍화암 (CW)과 연암(MW)에 근입된 3번 말뚝과 4번 말뚝의 계측 f-w 곡선을 선정하였으며, 그림 12(a)와 그림 12(b)에 기존 제안식으로 구한 f-w 곡선과 계측 f-w 곡선을 함께 도시하였다.
따라서 본 연구에서는 먼저 풍화된 편마암 지역에 직경 Im의 현장타설 말뚝 5본을 시공하고 정재하 시험, 그리고 선단 침하봉과 변형률계를 이용한 하중전이 계측을 수행하여 암반 근입부의 주면 및 선단에서의 하중 전이 기구를 분석하였다. 또한 재하시험 부지의 암반에 대한 엄밀한 현장조사와 실내시험을 수행하여 현장 암반의 상태를 정량적으로 표현하였으며 마지막으로 암반의 풍화상태가 말뚝의 하중전이기구에 미치는 영향을 분석하였다.
근입부 암반의 상태를 정량적으로 파악하기 위하여 공내재하시험(24회), 일축 압축시험(10회)을 수행하였으며, 채취된 암석 시료에 대한 회수율(TCR)과 RQD를 깊이 별로 측정하였다. 또한 일축시험을 위한 시편을 얻기가 곤란한 심하게 풍화한 암반의 경우, 추가로 점 하중 시험(10회)을 수행하여 강도 특성을 추정하였다. 그림 2에 재하시험 부지에서 수행한 각종 시험 결과를 함께 도시하였다.
분석하였다. 또한 재하시험 부지의 암반에 대한 엄밀한 현장조사와 실내시험을 수행하여 현장 암반의 상태를 정량적으로 표현하였으며 마지막으로 암반의 풍화상태가 말뚝의 하중전이기구에 미치는 영향을 분석하였다.
5m 근입시켜 시공하였으며 콘크리트 타설 후 토사부의 케이싱을 인발하였다. 또한 콘크리트 양생 후 초음파 탐상법과 충격 반향 시험을 통해 말뚝의 건전도를 확인하였다. 그림 4는 하중전이 계측을 위해 말뚝에 설치한 진동현식 철근 변형률계 및 콘크리트 변형률계의 위치를 나타낸 것이다.
말뚝의 깊이 별 변형률 측정값과 말뚝 두부 및 선단 변위 측정값을 이용하여 깊이 별 주면 하중전이곡선 (f-w curve)과, 선단하중전이 곡선(q-w curve)을 도출하였다. 그림 8은 풍화암/풍화토에 근입된 말뚝의 f-w 곡선, 그림 9는 연암에 근입된 말뚝의 f-w 곡선을 나타낸다 그림 내의 기호 RS, CW, HW, MW는 각각 Residual soil, Completely weathered rock, Highly weathered rock, Moderately weathered rock 의 약자이다.
말뚝이 설치될 부지의 지반 조건을 알아보기 위하여 그림 1에 표시한 위치에 총 6공의 NX 보링을 실시하였으며, 말뚝의 강성 및 강도 확인을 위한 말뚝체 보링(2 공)을 추가로 수행하였다. 시추심도는 말뚝 선단 하부로 최소 5m(5D) 이상 수행하는 것으로 계획하였다.
추가로 수행하였다. 시추심도는 말뚝 선단 하부로 최소 5m(5D) 이상 수행하는 것으로 계획하였다. 시추 조사 결과 현장의 지층은 10-12m 두께의 상부 매립층 (GM 또는 SM: 실트질 모래 또는 자갈), O~lm 두께의 풍화토층, 그리고 기반 암층으로 이루어져 있으며, 암반의 풍화상태는 깊이가 깊어짐에 따라 완전 풍화, 심한 풍화, 보통 풍화의 순으로 좋아지는 것으로 나타났다.
암석 시험과는 별도로, 2번과 3번 말뚝보링을 통해 얻은 콘크리트 시료에 대해 일축압축 시험(10회)을 수행하였다. 콘크리트 시험 결과 평균 일축 압축강도는 32.
재하시험을 위한 반력장치로 말뚝 1본당 총 24본의 반력 앵커를 이용하였는데, 말뚝과 반력 앵커의 최소 간격은 그림 1에 보는 바와 같이 2.5D(D=말뚝 직경)를 유지하도록 설계하였다.
이와 유사한 결과가 Chan(1975), Balakrishnan( 1999) 등에 의해 보고된 바 있다. 총 10회의 실험결과를 이용하여, 말뚝의 할선탄 성계수와 축방향 재하응력의 상관관계를 식 (2)와 같이 제안하였으며, 이후 변형률계 분석을 통한 말뚝의 깊이별 축하 중 분포 산정에 이 식을 적용하였다.
대상 데이터
재하시험을 위한 시험 말뚝은 직경 Im, 길이 13m 내외로, 완전풍화~중간정도 풍화된 편마암에 근입하여시공하였다. 재하시험을 위한 반력장치로 말뚝 1본당 총 24본의 반력 앵커를 이용하였는데, 말뚝과 반력 앵커의 최소 간격은 그림 1에 보는 바와 같이 2.
이론/모형
시험말뚝 시공을 위한 굴착방법은 토사부는 Allcasing 후 Hammer Grab로 암반 근입부는 Benoto method를 적용하여 2.5ton의 chisel 해머를 자유낙하함으로써 굴착하였다. 선단 부 슬라임은 굴착공 속으로 직접 인부가 들어가 제거하였다.
재하시험은 ASTM D1143-81에서 규정하는 완속재하시험 법에 따라 실시하였으며, 재하단계는 총 3 cycle 로 18, 000kN까지 재하한 후, 말뚝의 파괴가 일어날 때까지 추가로 하중을 증가시키는 것으로 계획하였다. 그러나 재하시험을 먼저 수행한 1번과 2번 말뚝의 경우 하중이 18, 000kN에 이르기 전에 말뚝 두부가 파손되어, 나머지 말뚝은 강재링과 무수측 모르타르를 이용하여 말뚝의 두부를 보강 후 시험하였으며 그 결과 계획 최대하중 이상으로 재하할 수 있었다.
성능/효과
(2) 선단 하중전이(q-w) 곡선은 모든 시험 말뚝에 대해 선단부 암반의 상태에 관계없이 최소 10mm까지는 선형적으로 증가하는 거동을 보인다. 또한 곡선의 초기 기울기는 암반의 상태가 양호할수록 큰 값을 나타내었다.
(3) 계측 f-w 곡선을 기존에 제안된 하중 전이 함수와 비교한 결과, 곡선의 초기 기울기는 Castelli(1992), O'Neill(1994) 등이 제안한 함수와 거의 일치하지만, 주면항복 이후의 형상은 문헌에 소개된 어떤 곡선과도 일치하지 않았다. 국내 풍화암/연암에 적용 가능한 일반화된 하중전이 함수의 도출을 위해서는 보다 많은 데이터의 축적과 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
(4) 본 연구의 재하시험 및 하중전이 계측 결과로 추정한 주면 지지력과 일축압축 강도와의 상관관계 분석 결과 일관된 상관성을 찾을 수 없었다. 그러나 현장 암반 상태를 나타내는 물성치(공내재하시험 변형계수 및 탄성계수, RMR, RQD 등)는 암반 근입부의 주면 지지력은 회귀분석 결과 상관계 수 0.
일관된 상관성을 찾을 수 없었다. 그러나 현장 암반 상태를 나타내는 물성치(공내재하시험 변형계수 및 탄성계수, RMR, RQD 등)는 암반 근입부의 주면 지지력은 회귀분석 결과 상관계 수 0.95 이상으로 상관성이 양호한 것으로 나타났다. 암반의 주면 지지력과 암반상태를 나타내는 물성치의 상관관계를 맺는 본 연구의 접근 방법은 향후 보다 많은 재하시험자료가 축적된다면, 풍화된 암반에 근입된 말뚝의 설계에 매우 유용할 것으로 판단된다.
증가하는 거동을 보인다. 또한 곡선의 초기 기울기는 암반의 상태가 양호할수록 큰 값을 나타내었다.
즉 기존의 일축강도를 이용한 주면 지지력 추정 식은 암반의 풍화 및 절리 상태에 대한 별도의 고려 없이 사용할 경우 풍화암 또는 연암의 주면 지지력을 과대평가할 수 있다고 판단된다. 반면, 현장의 암반 상태를 대변하는 물성치인 공내재하시험의 변형계수 Em, 탄성계수 玖, RQD, RMR 등과 주면지지력 간의 최적 회귀곡선식의 상관계수(『)는 모든 경우 0.95 이상으로 상관성이 매우 뛰어난 것으로 나타났다. 암반근입 말뚝의 주면 지지력과 현장암반의 물성치와의 상관관계를 맺는 본연구의 접근 방법은 향후 보다 많은 자료의 축적 및 분석이 수행된다면 암반근입 말뚝의 침하를 고려한 설계에
시추심도는 말뚝 선단 하부로 최소 5m(5D) 이상 수행하는 것으로 계획하였다. 시추 조사 결과 현장의 지층은 10-12m 두께의 상부 매립층 (GM 또는 SM: 실트질 모래 또는 자갈), O~lm 두께의 풍화토층, 그리고 기반 암층으로 이루어져 있으며, 암반의 풍화상태는 깊이가 깊어짐에 따라 완전 풍화, 심한 풍화, 보통 풍화의 순으로 좋아지는 것으로 나타났다. 지하 수위는 지표면 하부 약 9m에 위치하였다.
.추정 극한주면마찰력은 항복시의 주면 하중의 약 1.3배 정도이며, 항복점 이후의 곡선의 기울기는 주면 변위가 증가함에 따라 쌍곡선 형태로 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
일치하지 않았다. 국내 풍화암/연암에 적용 가능한 일반화된 하중전이 함수의 도출을 위해서는 보다 많은 데이터의 축적과 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
다만, 전체적인 계측 f-w 곡선의 형태는 문헌에 제시된 하중전이 함수의 상-하한 범위 내에 있는 것으로 생각된다. 그러나 보다 신뢰성 있는, 국내 풍화암/연암에 적용 가능한 하중 전이 함수를 도출하기 위해서는 보다 많은 자료의 축적과 심도 있는 분석이 필요할 것으로 판단된다.
95 이상으로 상관성이 양호한 것으로 나타났다. 암반의 주면 지지력과 암반상태를 나타내는 물성치의 상관관계를 맺는 본 연구의 접근 방법은 향후 보다 많은 재하시험자료가 축적된다면, 풍화된 암반에 근입된 말뚝의 설계에 매우 유용할 것으로 판단된다.
이는 암석 시편의 강도가 풍화된 암반의 상태를 대변할 수 없기 때문으로 생각되나, 보다 신뢰성 있는 결론을 도출하기 위해서는 보다 많은 자료의 축적과 분석이 필요할 것으로 생각된다. 동일한 그래프에 기존의 일축 압축강도와 주면 지지력의 경험적 상관관계를 함께 도시하였다.
참고문헌 (12)
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