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문제 정의
- 수행되었다. 말뚝설치 후에 약 5개월의 경과 시간은 지반이 안정화되고 말뚝체내의 부마찰력이 가급적 최대로 발휘된 상태를 기대하여 장기적인 지지력을 평가하기 위해서이다. 따라서 말뚝설치시점부터 주기적으로 말뚝체 내에서 발생하는 변형률을 즉정하여 재하시험의 시점을 결정하였다.
- 본 논문은 (주)영조주택의 지원 하에서 수행된 것임을 밝히며, 이에 감사를 표한다.
가설 설정
- ① 그림 8에서와 같이 마지막 하중단계에서 부드럽게 이은 축하중 분포곡선을 TALSE(smooth)'로정의하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 연약 점성토가 대심도로 분포하고 있는 낙동강 하구지역에서 PHC 말뚝을 대상으로 하중 전이 실험을 수행하였다. 말뚝은 공장제작단계에서 변형률계를 PHC 말뚝 내부에 설치하였으며, 국내에서 적용되고 있는 방법과는 달리 급속재하법에 의하여 재하실험을 수행하였다. 실험에서 얻어진 자료를 이용하여 국내에서 적용하지 않는 여러 가지 분석법들을 도입하여 콘크리트 탄성계수, 잔류하중, 참지지력을 평가하였다.
- 말뚝은 공장제작단계에서 변형률계를 PHC 말뚝 내부에 설치하였으며, 국내에서 적용되고 있는 방법과는 달리 급속재하법에 의하여 재하실험을 수행하였다. 실험에서 얻어진 자료를 이용하여 국내에서 적용하지 않는 여러 가지 분석법들을 도입하여 콘크리트 탄성계수, 잔류하중, 참지지력을 평가하였다. 그리고 동재하실험 결과와의 비교를 통하여 대심도 연약지반에서 강도회복(setup)효과의 중요성에 대하여 논의하였다.
- 실험에서 얻어진 자료를 이용하여 국내에서 적용하지 않는 여러 가지 분석법들을 도입하여 콘크리트 탄성계수, 잔류하중, 참지지력을 평가하였다. 그리고 동재하실험 결과와의 비교를 통하여 대심도 연약지반에서 강도회복(setup)효과의 중요성에 대하여 논의하였다.
- 본 지역에서는 약 10년 전에 매립되었음에도 불구하고 점성토층 내에는 현재까지 최대 20kPa 정도의 과잉률계를 PHC 말뚝 내부에 설치하였으며, 국내에서 적용되고 있는 방법과는 달리 급속재하법에 의하여 재하실험을 수행하였다. 실험에서 얻어진 자료를 이용하여 국내에서 적용하지 않는 여러 가지 분석법들을 도입하여 콘크리트 탄성계수, 잔류하중, 참지지력을 평가하였다.
- 변형률계는 지표면 위치에 4개(Im 지점), 지표면 아래로는 3m 간격으로 양방향 2개씩 13곳의 단면에 총 28개를 설치하였다. 철근변형률계는 직경 6mm, 길이 80cm의 이형철근의 가운데 부분을 매끈하게 갈아낸 후 전기저항식 변형률계를 부착하여 제작하였다. 공장 제작 단계에서 말뚝의 철근망에 철근 변형률계를 부착한 이후에 말뚝체를 제작하였다.
- 철근변형률계는 직경 6mm, 길이 80cm의 이형철근의 가운데 부분을 매끈하게 갈아낸 후 전기저항식 변형률계를 부착하여 제작하였다. 공장 제작 단계에서 말뚝의 철근망에 철근 변형률계를 부착한 이후에 말뚝체를 제작하였다.
- 그 결과, 말뚝체에 발생한 인장 및 압축응력이 허용 값보다 작았고, 말뚝의 건전도는 양호한 것으로 나타났다. 동재하실험은 초기 항타시험과 56일 경과 후 재항 타 시험을 실시하였다. 그리고 CAPWAP분석을 실시하여 지반의 지지력을 산정하였다.
- 동재하실험은 초기 항타시험과 56일 경과 후 재항 타 시험을 실시하였다. 그리고 CAPWAP분석을 실시하여 지반의 지지력을 산정하였다. 이 결과는 정재하실험으로얻어진 지반지지력과 비교하여 분석하였다.
- 그리고 CAPWAP분석을 실시하여 지반의 지지력을 산정하였다. 이 결과는 정재하실험으로얻어진 지반지지력과 비교하여 분석하였다.
- 말뚝설치 후에 약 5개월의 경과 시간은 지반이 안정화되고 말뚝체내의 부마찰력이 가급적 최대로 발휘된 상태를 기대하여 장기적인 지지력을 평가하기 위해서이다. 따라서 말뚝설치시점부터 주기적으로 말뚝체 내에서 발생하는 변형률을 즉정하여 재하시험의 시점을 결정하였다.
- ① 재하실험 중에 말뚝두부의 파손을 방지하기 위하여 말뚝 두부를 고강도 몰타르 및 탄소섬유를 이용하여 보강하였다.
- ③ 로드셀을 이용하여 말뚝에 가해지는 재하하중을 정확히 측정하였다.
- 변위측정 오차가 발생하지 않도록 침하 봉이 닿은 면에 매끈한 유리판을 부착하였다. 변위계를 고정하도록 2개의 레퍼런스 빔을 설치하고 각각 독립적으로 거동하도록 하였다. 또한 빔의 한쪽 끝에 롤러를 설치하여 자유롭게 움직이게 함으로써 온도변화에 의한 길이변화 영향을 제거하였다.
- 변위계를 고정하도록 2개의 레퍼런스 빔을 설치하고 각각 독립적으로 거동하도록 하였다. 또한 빔의 한쪽 끝에 롤러를 설치하여 자유롭게 움직이게 함으로써 온도변화에 의한 길이변화 영향을 제거하였다. 이러한 변위계 설치방법은 ASTM 기준(1981)에 자세히 언급되어 있다.
- 그러므로 본 실험에서는 급속재하법을 적용하였으며, 반복재하는 수행하지 않았다. 이러한 방법에 근거하여본 실험을 위하여 계획된 하중지속시간 및 하중 증분은 아래에서와 같다.
- 이러한 방법에 근거하여본 실험을 위하여 계획된 하중지속시간 및 하중 증분은 아래에서와 같다. 즉, 아래의 방법으로 최대하중까지 일정한 속도로 재하(loa(血g)를 한 후 최대 극한지지력에 도달하면 제하(unloading)를 실시하는 것으로 계획하였다.
- 재하실험의 결과는 콘크리트 탄성계수, 축하중 분포곡선, 참 주면마찰력(true shaft resistance), 잔류하중(residual load) 및 참 선단지지력 산정 (true toe resistance) 등을 산정하기 위하여 국내에서는 처음으로 다음의 방법들을 적용하여 분석하였다.
- 이 그림에서 보면, 말뚝 설치 후 상부에는 지표면 근처에서 상당한 크기의 인장 축하중이 계측되었는데, 이것은 수분흡수 및 장기계측 등에 따른 전기저항식 변형률계의 오차로 판단된다. 이론적으로 지표면에서의 인장 축흐}중은 0이 되어야 하므로, 지표면 근처의 인장 축하중을 0이 되도록 축하중 곡선을 평행이동시켰다. 그림을 보면 말뚝설치 직후부터 시험 직전까지 계속하여 압축하중이 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 이러한.잔류응력의 증가 추이는 계속될 것으로 예상되었지만 이 시점에서 정재하실험을 실시하기로 하였다. 왜냐하면, 본 시험말뚝을 위하여 매설된 전기저항식 변형률계가 철근과의 접합점에서 Creep발생이 예상되므로 장기거동을 대하여 크게 신뢰를 가지지 못한다고 판단하였기 때문이었다.
- 것으로 알려져 있다. 본 실험에서는 말뚝두부에 로드 셀을 설치하여 재하하중을 정확히 즉정하였다. 그림 6 은 로드셀에 의한 측정하중과 로드셀과 유압잭의 측정오차의 관계를 보여준다.
- 본 분석에서는 FelIenius(2006)의 방법을 적용하여 변형률 측정결과로부터 콘크리트 탄성계수 변화를 추정하였다. 그리고 이 결과를 이용하여 해당 깊이에서 극한 주면마찰력의 발현여부를 판정하였다. 그림 7은 재하실험에서 얻어진 콘크리트 접선탄성계수但血=재하응력 증분/변형률 증분)를 변형률에 대하여 나타낸 것으로, 변형률이 증가함에 따라 접선 탄성계수는 일정한 기울기로 수렴하게 된다.
- 접선탄성계수는 지표면에 설치된 2쌍의 변형률계와3m 깊이에 설치된 1쌍의 변형률계에서 측정한 변형률의 평균값을 이용하여 산정하였다. 응력증분은 로드 셀에서 측정한 하중증분을'실제단면적으로 나누어 산정하였다.
- 평균값을 이용하여 산정하였다. 응력증분은 로드 셀에서 측정한 하중증분을'실제단면적으로 나누어 산정하였다. 접선탄성계수의 값은 변형률이 증가함에 따라 30GPa에서 26GPa로 감소하였다.
- 보정하였다. 즉, 가운데 직선은 말뚝 압축량과 말뚝 두부 변위가 같아질 때이므로, 말뚝 두부 변위-말뚝압축량 곡선이 초기에 그 직선과 일치하며, 그 이후 이직선 아래에 놓이도록 조정하였다. 그 결과, 변형률 측정값에 80%의 보정계수를 곱하였을 때 그림에서와 같이 말뚝의 압축곡선과 선단 변위의 관계를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 식 ⑵를 이용하여 말뚝 선단 하중-선단변위 곡선(Rm°b-6m°b 곡선)을 모사하였다. 이 식에서 얻어진 곡선은 그림 12의 말뚝 선단하중-선단변위 곡선의 후반부와 만나고, 잔류하중 2300kN을 지나야 한다.
- 비교한 것이다. 동재하실험의 지지력 곡선은 초기 항타(EOID)와 항타 후 56일 경과시점에서의 재항타 (Restrike)결과에 대해 CAPWAP 분석을 수행하여 산정하였다. 동재하실험의 지지력 곡선 역시 Fellenius의 방법을 적용하여 얻어진 참지지력 곡선이다.
- 낙동강 하구지역의 대심도 연약지반에 설치된 PHC 말뚝에 대하여 하중전이 실험을 수행하여 다음의 결론을 얻었다.
- (2) 콘크리트 탄성계수, 잔류하중, 참 지지력 곡선의 산정은 이제까지 국내에서 적용되지 않았던 분석법들을 이용하여 재하실험 결과를 분석하였다. 그 결과 정밀분석 없이 재하실험만으로 얻어진 지지력은 참 지지력(true resistance)과 비교하여 선단지지력을 약 60% 과소평가하고, 주면마찰력을 약 70% 정도 과대평가하였다.
- 말뚝의 항타는 16톤 유압 햄머에 의하여 실시되었으며, 항타 중에 연속적으로 동재하 실험을 실시하였다. 그 결과, 말뚝체에 발생한 인장 및 압축응력이 허용 값보다 작았고, 말뚝의 건전도는 양호한 것으로 나타났다.
대상 데이터
- . 본 연구에서는 연약 점성토가 대심도로 분포하고 있는 낙동강 하구지역에서 PHC 말뚝을 대상으로 하중 전이 실험을 수행하였다. 말뚝은 공장제작단계에서 변형률계를 PHC 말뚝 내부에 설치하였으며, 국내에서 적용되고 있는 방법과는 달리 급속재하법에 의하여 재하실험을 수행하였다.
- 실험이 수행된 곳의 지층구조는 상부에서부터 매립층 및 실트질 모래층(0〜 14m), 연약점토층(14~ 33m), 조밀한 중간모래층(33〜41m), 점토층(41~43m), 모래층(43〜57m) 그리고 모래자갈층(57m 이하)으로 구성되어 있다. 기반암은 약 100m 아래에 존재하고 있는 것으로 알려지고 있다.
- 실험 대상말뚝은 외경 600mm, 내경 360 mm으로 서 단면적이 IMOcn?이며. B타입의 PHC 말뚝이다.
- 변형률계는 지표면 위치에 4개(Im 지점), 지표면 아래로는 3m 간격으로 양방향 2개씩 13곳의 단면에 총 28개를 설치하였다. 철근변형률계는 직경 6mm, 길이 80cm의 이형철근의 가운데 부분을 매끈하게 갈아낸 후 전기저항식 변형률계를 부착하여 제작하였다.
- ④ 말뚝상부와 반력보 아래에 놓이는 철판은 재하 중에 휨 변형이 발생하지 않도록 100mm 두께의 철판을 이용하였다.
- 곡선을 나타내었다. 재하하중이 최대 6850kN 에 달할 때에 말뚝 두부가 파손되어 실험이 종료되었다 최대 하중까지의 하중재하 단계는 총 36단계였다. 이 결과에 근거하면, 말뚝두부의 침하량이 Davisson의 항복 침하량 기준보다 작으므로 지반의 극한지지력은 6850kN보다 큰 것으로 판단된다.
이론/모형
- 재하실험은 ASTM 기준(1981) 등을 참고하여 다음과 같이 준비하였다.
- 일반적으로 콘크리트의 탄성계수는 변형률 크기에 따라 비선형적으로 변화한다. 본 분석에서는 FelIenius(2006)의 방법을 적용하여 변형률 측정결과로부터 콘크리트 탄성계수 변화를 추정하였다. 그리고 이 결과를 이용하여 해당 깊이에서 극한 주면마찰력의 발현여부를 판정하였다.
- 동재하실험의 지지력 곡선은 초기 항타(EOID)와 항타 후 56일 경과시점에서의 재항타 (Restrike)결과에 대해 CAPWAP 분석을 수행하여 산정하였다. 동재하실험의 지지력 곡선 역시 Fellenius의 방법을 적용하여 얻어진 참지지력 곡선이다. 선단 저항력의 경우, 정재하실험에 의한 참지지력 곡선의 값이 동재하실험보다 크게 얻어졌는데, 그 이유는 동재하실험 시에 선단변위가 작아서 저항력이 완전히 발현되지 않았기 때문인 것으로 판단된다.
- (1) 국내에서 일반적으로 수행되는 완속재하시험법 대신에 급속재하시험법을 적용하여 실험을 수행하였다. 이 결과 최대하중까지의 하중단계수가 많아 부드러운 하중침하곡선을 얻을 수 있었으며, 각 하중 단계의 지속시간이 일정하여 별도의 보정 없이 각 하중 단계의 결과를 비교할 수 있다는 장점이 있는 것으로 나타났다.
성능/효과
- 실시하였다. 그 결과, 말뚝체에 발생한 인장 및 압축응력이 허용 값보다 작았고, 말뚝의 건전도는 양호한 것으로 나타났다. 동재하실험은 초기 항타시험과 56일 경과 후 재항 타 시험을 실시하였다.
- 재하하중이 최대 6850kN 에 달할 때에 말뚝 두부가 파손되어 실험이 종료되었다 최대 하중까지의 하중재하 단계는 총 36단계였다. 이 결과에 근거하면, 말뚝두부의 침하량이 Davisson의 항복 침하량 기준보다 작으므로 지반의 극한지지력은 6850kN보다 큰 것으로 판단된다.
- 그림 6 은 로드셀에 의한 측정하중과 로드셀과 유압잭의 측정오차의 관계를 보여준다. 본 실험에서는 유압잭 측정 하중이 로드셀 하중보다 약 5% 큰 것으로 나타났으며, 최종적으로 약 350kN 정도의 오차가 발생하였다. 그러므로 안전측의 설계를 위해서는 재하하중은 로드셀을 이용하여 측정하여야 한다는 것을 알 수 있다.
- 즉, 가운데 직선은 말뚝 압축량과 말뚝 두부 변위가 같아질 때이므로, 말뚝 두부 변위-말뚝압축량 곡선이 초기에 그 직선과 일치하며, 그 이후 이직선 아래에 놓이도록 조정하였다. 그 결과, 변형률 측정값에 80%의 보정계수를 곱하였을 때 그림에서와 같이 말뚝의 압축곡선과 선단 변위의 관계를 얻을 수 있었다. 그림 12는 그림 11에서 얻어진 선단 변위와 그에 해당하는 말뚝의 선단하중을 이용하여 얻어진 말뚝 선단 하중-선단변위 곡선이다.
- 그 결과, RUit=3420kN, SuitMmm, e==0.25를 입력시키고 그림 12의 곡선과 잔류하중 점을 0.7m만큼 평행이동 시킬 경우 그림 13과 같은 최적의 곡선을 얻을 수 있었다. 결과적으로, 참 선단지지력(true toe resistance)은 10mm의 선단변위에 해당하는 4370kN으로 결정할 수 있다.
- 7m만큼 평행이동 시킬 경우 그림 13과 같은 최적의 곡선을 얻을 수 있었다. 결과적으로, 참 선단지지력(true toe resistance)은 10mm의 선단변위에 해당하는 4370kN으로 결정할 수 있다.
- 재하실험의 하중분포 곡선에서 얻어진 주면 마찰력과 선단지지력은 각각 5130kN과 1720kN 이며, 총 지지력은 6850kN이다. 그러나 참 지지력 곡선의 주면 마찰력과 선단지지력은 각각 3000kN과 4370kN 이며, 총 지지 력은 7370kN으로 나타났다.
- 잔류하중을 고려하지 않고 q-z 곡선을 이용하여 극한선단지지력을 추정하지 않을 경우 참 지지력과 비교하여 선단지지력은 무려 약 60%(약 2600kN) 과소평가되고, 주면마찰력은 약 70% (약 2100kN) 정도 과대평가됨을 알 수 있다. 이 분석 결과는 잔류하중을 고려한 재하실험 결과의 분석이 매우 중요하다는 것을 보여준다.
- 이 결과 최대하중까지의 하중단계수가 많아 부드러운 하중침하곡선을 얻을 수 있었으며, 각 하중 단계의 지속시간이 일정하여 별도의 보정 없이 각 하중 단계의 결과를 비교할 수 있다는 장점이 있는 것으로 나타났다.
- 이용하여 재하실험 결과를 분석하였다. 그 결과 정밀분석 없이 재하실험만으로 얻어진 지지력은 참 지지력(true resistance)과 비교하여 선단지지력을 약 60% 과소평가하고, 주면마찰력을 약 70% 정도 과대평가하였다. 따라서 잔류응력을 무시한 재하실험만의 결과분석은 그릇된 결과를 주는 것을 확인할 수 있었다.
- 그 결과 정밀분석 없이 재하실험만으로 얻어진 지지력은 참 지지력(true resistance)과 비교하여 선단지지력을 약 60% 과소평가하고, 주면마찰력을 약 70% 정도 과대평가하였다. 따라서 잔류응력을 무시한 재하실험만의 결과분석은 그릇된 결과를 주는 것을 확인할 수 있었다.
- (3) 동재하실험에 의한 지지력과 비교해본 결과, 대심도 연약지반에 설치된 말뚝은 주면지반의 setup 효과가 대단히 큰 것으로 나타났다. 지반 setup 효과를 고려하여 정확한 지반 지지력을 산정하려면 말뚝 설치 후 지속적인 계측을 수행하여 말뚝 변형이 안정화된 시점에 재하실험을 수행할 필요가 있다는 것을 알았다.
- 대단히 큰 것으로 나타났다. 지반 setup 효과를 고려하여 정확한 지반 지지력을 산정하려면 말뚝 설치 후 지속적인 계측을 수행하여 말뚝 변형이 안정화된 시점에 재하실험을 수행할 필요가 있다는 것을 알았다.
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