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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 직접 기초의 효율적인 설계 및 안정성 평가에 활용할 수 있도록 편마암 풍화토 지 반의 A, B 대상현장에 실시되어진 평판재하시험의 결과를 이용하여 현재 적용하고 있는 이론적, 경험적 지지력 공식 및 여러 침하량 산정공식에 대한 비교.분석을 실시하였다.
- 분석을 실시하였다. 또한, 편마암의 풍화토 지 반에 실시되어진 평판재 하시험 결과를 이용한 효율적인 안정성 평가방법을 고찰하고자 한다.
- 검토하였다. 본 연구에서는 대표적인 대상 지반에 대하여 다음과 같은 순서로 직접 기초의 안정성 평가에 관한 연구를 수행하였다. 첫 번째로 기존의 직접 기초에 대한 이론적, 경험적 공식들을 정리하고, 두 번째로 국내의 대표적인 지반 특성을 가진 두 현장의 8개 지점에서 평판재하시험을 실시하여 지지력과 침하량, 지반반력 계수를 결정하고, 세 번째로 재하실험결과를 이용한 Bowles(1988)의 수치해석 프로그램을 이용한 침하량을 산출하였으며, 마지막으로 각각의 방법으로 산출된 결과 값을 비교 검토하였으며 지반특성에 따른 적합한 안정성 평가방법을 고찰하였다.
- 지반특성에 따라 국내외에서 현재까지 제안되어 사용되어오고 있는 이론적, 경험적 지지력과 침하량 산정 공식에 대하여 살펴보았다.
- 흙 지반에서의 평판재하시험은 흙의 전단강도와 변형특성을 알기 위해 실시한다. 풍화암 이상의 암반에서의 평판재하시험은 극한하중을 얻지 못하고 변형 특성, 즉 지반반력계수를 얻기 위해 이용한다.
제안 방법
- 평판재하시험결과와 지반의 물성치를 이용한 허용 지지력을 산정한 결과 다음 Table3과 같은 결과를 얻었다. Terzaghi의 공식에 의한 값은 안전율 3을 기준으로 산정하였으며 또한, 평판재하시험결과를 바탕으로 산정된 여러 결과 값 중 최소값을 허용지지력으로 결정하였다（박영호와 정종홍, 2000>;
- 국내의 지반특성은 외국의 경우처럼 점성토와 사질토로 양분하기 어려우며 이에 따라 제안된 외국의 공식들을 국내 지반특성에 그대로 적용하기에는 많은 문제점이 발생하는 것은 사실이다. 따라서 국내외에서 제안된 공식을 통한 적합성을 비교.검토하였다.
- 본 연구대상 A,B현장에서 각각 4개소에서 평판재하시험을 실시하여 시험지반의 상태에 따라 그 결과를 초기부분과 후미부분이 직선인 경우에 적용할 수 있는 방법인 Mansur-Kaufmann방법 즉 P-S곡선방법과 4Q logP-logS,logP-S,elogt, ds/d(logt)-P분석 법을 이용하여 항복하중과 극한하중 값을 결정하여 지지력 관점에서와 뚜렷한 극한하중을 구할 수 없는 선형적인 거동을 보이는 경우에 적용되는 침하량 관점에서 안정성 평가를 실시하여 적합한 검토방법을 고찰하고자 한다.
- 본 연구에서는 안정성평가 방법의 타당성을 검증하고자 본 연구대상지역에 지지력 및 침하량 관점에서 평판재하시험결과와 Terzaghi의 이론 공식에 의해 산정한 허용지지력과 평판재하시험결과를 이용한 기초의 침하량 값을 바탕으로 본 연구대상지에 설치될 기초구조물에 대해 안정성 평가를 실시하여 Table 6, 7에 나타내었다.
- 직접 기초의 침하량을 산정하기 위한 수치해석법으로 유한차분법(FDM)과 유한요소법(FEM)법이 있다. 본 연구에서는 평판재하시험결과에서 구한 지반반력계수를 사용하여 Winkler의 기초이론을 기본으로 한 탄성지반상보의 유한요소해석(FEM) 프로그램인 Bowles의 프로그램을 적용하여 침하량을 산출하였다. WirMer의 기초이론에 의한 침하량의 구하는 기본식은 다음식(13)과 같다.
- 29kg/㎤의 범위로 나타났다. 위의 결과값을 수치해석에 의한 침하량 산정시 적용하였다.
- 본 연구를 위한 대상현장은 유사한 기초 지지층으로 구성된 광주.전남지역의 대형 구조물 직접기초 현장을 A, B대상 현장으로 나누어 각각 실시하였다.
- 직접 기초의 안정성을 평가하는 방법들을 정리하였으며 편마암의 풍화토지반인 A, B 대상현장에 평판재 하시험을 실시하여 시험결과를 바탕으로 직접 기초의 설계 및 안정성 평가에 현재 적용하고 있는 이론적, 경 험적 지지 력 공식 및 침하량산정공식 에 의한 값과 평판재 하시험에서 획득한 지반반력계수를 적용한 수치해석 결과 값을 비교.분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 대표적인 대상 지반에 대하여 다음과 같은 순서로 직접 기초의 안정성 평가에 관한 연구를 수행하였다. 첫 번째로 기존의 직접 기초에 대한 이론적, 경험적 공식들을 정리하고, 두 번째로 국내의 대표적인 지반 특성을 가진 두 현장의 8개 지점에서 평판재하시험을 실시하여 지지력과 침하량, 지반반력 계수를 결정하고, 세 번째로 재하실험결과를 이용한 Bowles(1988)의 수치해석 프로그램을 이용한 침하량을 산출하였으며, 마지막으로 각각의 방법으로 산출된 결과 값을 비교 검토하였으며 지반특성에 따른 적합한 안정성 평가방법을 고찰하였다.
- 평판재시험의 결과와 표준관입 시험에서 얻어진 N 치를 이용하여 A, B대상 현장의 설계하중 각각 45t/㎥와 301/㎥, 폭 4m인 정방형 독립기초구조물에 대한 실제 침하량을 Boussinesq(1951), Terzaghi(1955), Bond(1961), Terzaghi-Peck (1967), NAVFAC DM7Q982), Bowles의 유한요소해석 프로그램에 적용하여 산정한 결과 Table 5와 같은 결과를 얻었다.
- 또한 평판재하시험이 실시된 4개 지점의 N치는 25~37정도의 값으로 나타났다(광주광역시, 1999). 평판재하시험을 실시하기 위하여 각 지점 에 X 2차로 나누어 터파기를 실시하였으며 1차로 원지반고에서 3.1~3.3m 정도, 2차로 3.4~4.0m 정도 터파기를 한 후 풍화토층에서 직경 30cm 평판을 사용하여 평판재하시험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구대상지역은 설계하중 30t/㎡, 폭 4m의 정방형독립기초가 설치될 현장이다. 지반상태는 매립토층, 점토층, 사력층, 풍화토층, 연암층으로 구성되어 있고, 매립토층은 풍화 잔류토와 자갈 등이 혼재되어 매립되어 있다.
- 본 연구대상지역은 설계하중 45t/㎡폭 4m의 정방형 독립기초가 설치될 현장이다. 지반상태는 편마암의 풍화대로 보이며 실트 섞인 모래질로써 색깔은 대체적으로 황갈색을 띠고 있으며, 함수비는 9~17%이내이고 지하수위는 인근에 위치하고 있는 저수지의 영향으로 시험지반에서 20m에 있을 것으로 추정되었다.
- 본 연구를 위한 대상현장은 유사한 기초 지지층으로 구성된 광주.전남지역의 대형 구조물 직접기초 현장을 A, B대상 현장으로 나누어 각각 실시하였다.
- 토사층은 토사와 점토가 퇴적 되었으며 하부에는 자갈과 전석이 혼재되어 있는 것으로 나타났으며 현장함수비는 12~20%이내 이 었다. 본 연구를 위한 평판재하시험은 풍화토층에서 직경 30cm인 평판을 사용하여 시험을 실시하였다(전라남도, 1998).
이론/모형
- NAVFACDM7Q982)방법은 미 해군시설감리단에서 제안한 방법으로 평판재하시험에서 얻은 연직지반 반력계수를 적용하여 다음 식(11)과 같이 제안했다.
- 지지력관점에서 안정성 검토시 허용지지력은 평판 재하시험 결과와 Terzaghi의 정역학적 지지력공식 산정한 값 중 최소값을 선정하였으며, 침하량 관점에서 안정성 검토시 현재 국내에서 가장 많이 활용하고 있는 Terzaghi-Peck 방법의 값을 기준으로 검토하였다. 또한, 직접 기초의 허용침하량 값은 Terzaghi-Peck0] 제시한 25.4mm값을 적용하였다. 편마암 풍화토층으로 구성된 연구대상 A, B현장에 대해서는 평판재하시험에 의해 허용지지력이 산정되어 지지력관점과 침하량관점측면에 안정 성검토가 가능한 것으로 나타났다.
- 지지력관점에서 안정성 검토시 허용지지력은 평판 재하시험 결과와 Terzaghi의 정역학적 지지력공식 산정한 값 중 최소값을 선정하였으며, 침하량 관점에서 안정성 검토시 현재 국내에서 가장 많이 활용하고 있는 Terzaghi-Peck 방법의 값을 기준으로 검토하였다. 또한, 직접 기초의 허용침하량 값은 Terzaghi-Peck0] 제시한 25.
성능/효과
- 1) 편마암 풍화토지반의 허용지지력은 Terzaghi의 이론공식이 평판재하시험 결과에 비교하여 과대하게 산정되어지는것으로 나타났다.
- 3) 평판재하시험결과를 이용하여 침하량을 산정 비교한 결과 Bond의 식은 과대한 침하량 산정으로 편마암 풍화토지반에 적합하지 않으며, 국내에서 가장 널리 이용되고 있는 Terzaghi-Peck방법이 침하량이 크게 나타나 안정적인 설계를 하는데 효과적으로 나타났다.
- 4) 편마암의 풍화토지반에 실시된 평판재하시험결 과하중-침하곡선에서 얻어진 지지력으로 안정성을 검토하는 경우 침하량 관점보다 더 안전측으로 평가되어짐을 알 수 있다.
- 5) 평판재하시험결과를 이용하여 Boussinesq, Terzaghi, Terzaghi-Peck, NAVFAC DM7, Bo wles의 유한요소해석 프로그램에 적용하여 침하량을 산정하여 비교하였을 때 국내에서 가장 널리 사용하고 있는 Terzaghi-Peck방법이 가장 큰 침하량을 나타내어 안정적인 설계를 하는데 있어서는 효과적이나 간혹 과다설계를 할 우려가 있음을 알 수 있다.
- 5는 Bond(1961)의 방법을 제외한 여러 방법에 적용하여 비교하여 나타낸 것이다. A, B대상현장 모두 Terzaghi-Peck 방법이 가장 크게 나타났으며 Boussinesq 방법이 다른 방법에 비해 작은 값으로 나타났다. 또한, NAVFACDM7 과 Bowles의 유한요소해석 프로그램에 적용하여 산정한 결과는 대상 A의 경우 14.
- 대상현장 A의 경우 이론공식에 의해 산정된 값이 평판재하시험에 의해 산정된 값보다 25~64%정도 과대하게 산출되었으며, 대상현장B의 경우 27~39%정도 과대하게 산출되었다. 이는 Terzaghi의 이론공식이 평판재하시험 결과에 비교하여 과대하게 산정되어진 것으로 볼 수 있으나 또한 적용되어진 토질시험에 많은 변수 때문인 것으로 판단된다.
- 이에 본 연구 대상지와 같이 하중-침하량 거동곡선에서 항복점을 찾을 수 있는 지반조건에 침하량 관점에서 안정성평가 를 실시할 경우 기초구조물의 큰 손상이 발생할 수 있으므로 지지력에 의해 안정성 검토를 실시하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 또한, 평판재하시험결과를 이용하여 다양한 방법으로 침하량을 산정하여 비교하였을 때 국내에서 가장 널리 사용하고 있는 Terzaghi-Peck방법이 가장 큰 침하량을 나타내어 안정적인 설계를 하는데 있어서는 효과적이나 간혹과 다설계를 할 우려가 있음을 알 수 있었다.
- 편마암 풍화토층으로 구성된 연구대상 A, B현장에 대해서는 평판재하시험에 의해 허용지지력이 산정되어 지지력관점과 침하량관점측면에 안정 성검토가 가능한 것으로 나타났다. 안정성 검토결과 지지력관점에서는 A, B대상 모든 구간에 대해 불안정으로 나타났으며, 침하량관점에서는 A, B대상 일부구간에서 침하량이 허용침하량보다 작게 산정되었으므로 안정으로 나타났다. 이에 본 연구 대상지와 같이 하중-침하량 거동곡선에서 항복점을 찾을 수 있는 지반조건에 침하량 관점에서 안정성평가 를 실시할 경우 기초구조물의 큰 손상이 발생할 수 있으므로 지지력에 의해 안정성 검토를 실시하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
- 안정성 검토결과 지지력관점에서는 A, B대상 모든 구간에 대해 불안정으로 나타났으며, 침하량관점에서는 A, B대상 일부구간에서 침하량이 허용침하량보다 작게 산정되었으므로 안정으로 나타났다. 이에 본 연구 대상지와 같이 하중-침하량 거동곡선에서 항복점을 찾을 수 있는 지반조건에 침하량 관점에서 안정성평가 를 실시할 경우 기초구조물의 큰 손상이 발생할 수 있으므로 지지력에 의해 안정성 검토를 실시하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 또한, 평판재하시험결과를 이용하여 다양한 방법으로 침하량을 산정하여 비교하였을 때 국내에서 가장 널리 사용하고 있는 Terzaghi-Peck방법이 가장 큰 침하량을 나타내어 안정적인 설계를 하는데 있어서는 효과적이나 간혹과 다설계를 할 우려가 있음을 알 수 있었다.
- 본 연구대상지역은 설계하중 45t/㎡폭 4m의 정방형 독립기초가 설치될 현장이다. 지반상태는 편마암의 풍화대로 보이며 실트 섞인 모래질로써 색깔은 대체적으로 황갈색을 띠고 있으며, 함수비는 9~17%이내이고 지하수위는 인근에 위치하고 있는 저수지의 영향으로 시험지반에서 20m에 있을 것으로 추정되었다. 또한 평판재하시험이 실시된 4개 지점의 N치는 25~37정도의 값으로 나타났다(광주광역시, 1999).
- 4mm값을 적용하였다. 편마암 풍화토층으로 구성된 연구대상 A, B현장에 대해서는 평판재하시험에 의해 허용지지력이 산정되어 지지력관점과 침하량관점측면에 안정 성검토가 가능한 것으로 나타났다. 안정성 검토결과 지지력관점에서는 A, B대상 모든 구간에 대해 불안정으로 나타났으며, 침하량관점에서는 A, B대상 일부구간에서 침하량이 허용침하량보다 작게 산정되었으므로 안정으로 나타났다.
- TerzaghiS] 방법은 Terzaghi-Peck 방법과 NAVFACDM7 방법 의 사이에 분포하는 것으로 나타났다. 평판재하시험에서 얻어진 지반반력 계수를 적용하여 Bowles의 유한요소해석 프로그램방법에 산정된 결과는 Terzaghi의 방법, Terzaghi-Peck 방법, NAVFAC DM7 방법에 비해 작은 침하량 값을 나타내었다.
- 평판재하시험의 결과를 이용하여 산정한 경우 A,B 대상현장 각각 20.5~29t/m, 12.9~22.0t/m으로 나타났으며, Terzaghi의 공식에 의한 결과값은 각각 31.5~36.2t/rn, 16.9~27.9t/nf로 나타났다.
후속연구
- 2) Terzaghi의 이론 공식 에 의해 산정된 값으로 직접 기초 설계시 과소설계로 안정성에 문제를 초래 할 수 있으므로 정확한 토질시험과 현장재하시험을 병행하여 설계에 적용하여야 한다.
- 최근 각종 건설공사에서 구조물의 기초건설이 계속해서 실시되고 있는 상황이다. 특히 각종 건설현장에서 토사 및 암반에 토목건축구조물의 직접기초 설계 및 안정 검토시 많은 수의 평판재하시험 이 실시되고 있으며 앞으로도 계속해서 더 많은 수의 평판재하시험이 실시될 전망이다. 직접기초를 설계함에 있어서 안정하고 경제적인 지지력의 예측이 필요할 뿐만 아니라 시공성과 경제성을 고려하여 설계하여야 하며, 이러한 직접기초 의 설계 및 시 공시 상부 하중조건과 기초지반의 특성을 고려해야 함은 물론 해당지반의 정확한 지지력의 추정은 매우 중요한 문제 이다.
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