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문제 정의
- 본 연구에서는 IGM에 대한 압축강도시험의 대체 시험으로서, 현재 텍사스주 도로국[Texas Department of Transportation(TxDOT)] 에서 말뚝기초의 설계 인자로 서사용 중인 텍사스 콘 관입시험[Texas Cone Penetrometer Test (TCPT)]을 제시하였고, 이를 위하여 미국의 텍사스주 지역에서 현장시험 및 실내 시험을 수행하였다. 이러한 TCPT의 결과치와 압축강도와의 상관관계를 비교 및 분석 하였고, TCPT를 이용한 IGM 근입 현장 타설 말뚝에서의 주면마찰력과 선단지지력과의 상관관계를 현장재하시험과 수치해석을 통하여 도출하였다.
- 본 연구에서는 풍화대가 발달한 IGM에 대한 압축강도 시험의 대체 시험으로서, 현재 텍사스주 도로국에서 말뚝기초의 설계인자로서 사용 중인 텍사스 콘 관입시험을 제시하였다. 셰일과 석회암의 IGM 지반을 지닌 시험 현장에 텍사스 콘 관입시험과 말뚝재하시험을 수행하여 IGM에 근입된 현장타설말뚝의 주면 및 선단지지력과의 상관관계를 도출하였다.
- 이를 위하여 본 연구에서는 실제 현장에서 IGM에 근입된 현장타설말뚝에 대한 재하시험을 수행하여 현행 설계차트에 대한 검증하였다.
가설 설정
- 시험말뚝의 콘크리트 구조체는 등방 및 균질하고 현장 타설 말뚝 구조체의 일반적인 푸아송 비(Poisson's ratio) 값인 0.15를 지닌 선형탄성모델로 가정하였다(Hassan, 1994). 지반과 지반-시험말뚝 인터페이스의 경우는 탄 소성 모델인 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다.
제안 방법
- (1) 풍화된 IGM에서의 현장타설말뚝의 설계 시, IGM의 강도 특성 파악을 위한 압축강도시험의 대체 방법으로 텍사스 콘 관입시험을 제시하였으며, 텍사스콘 관입 지수와 일축 압축 강도에 대한 상관관계를 IGM의 종류에 따라 제시하였다.
- (2) 시험현장에 대하여 텍사스 콘 관입시험과 말뚝재하시험을 수행하여 텍사스 콘 관입지수에 대한 최대주면마찰력과 최대 선단지지력과의 관계를 제시하였다.
- (4) 시험현장과 텍사스주의 전반의 지반조사자료를 이용하여 텍사스 콘 관입지수와 일축압축 강도에 대한 상관관계를 제시하였으며, 이를 적용하여 미국 텍사스 지역 외 다양한 지역에서 텍사스 콘 관입지수에 대한 최대 주면마찰력과 최대 선 단지 지력과 의 관계를 제안하였다. 이와 같은 방법으로 풍화 대가발달 하여 IGM지반의 강도특성 파악이 힘든 지역에서는 텍사스 콘 관입 시험을 이용한 현장 타설 말뚝설계법의 적용성이 있을 것으로 판단된다.
- 0MPa, 그리고 RC 현장에서는 ll.OMPa 이다 여기서, ONeill과 Reese (1999)이 제시한 IGM 강도 기준(0.5M M5.0MPa)에 따라 셰일은 IGM으로 분류되었고, 석회암은 IGM보다 큰 강도를 지녔으나 본 연구에서는 IGM으로 간주하였다.
- 각각의 시험 현장에서는 약 7~8m 간격의 정삼각형 형태로 세 공을 천공하여 이 중 두 개의 공에서는 압축강도 시험을 위해 코어를 채취하였고 나머지 한 공은 텍사스 콘 관입시험을 실시하였다. 현장에서 채취된 코어에 대하여 압축강도시험을 LS현장을 제외하고 모든 현장에 대하여 수행하였다.
- 셰일의 경우는 하중의 재하 속도가 배수 속도보다 상대적으로 크고 투수계수 또한 아주 낮아서 비배수 조건을 사용하였다. 구속압은 시료의 실제 깊이에 작용하는 상재압을 그대로 적용하여 0.6m간격으로 시험을 수행하였다.
- 셰일과 석회암의 IGM 지반을 지닌 시험 현장에 텍사스 콘 관입시험과 말뚝재하시험을 수행하여 IGM에 근입된 현장타설말뚝의 주면 및 선단지지력과의 상관관계를 도출하였다. 그리고 도출된 상관관계를 이용하여 현행 텍사스주 도로국의 TCPT를 이용한 IGM에 근입된 현장타설말뚝의 설계법을 비교 분석 하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 여기서 셰일층 위의 토사층에도 말뚝을 시공하여 IGM 근입말뚝의 토사부 주면마찰력도 분석하였다. 그리고 축하중전이해석을 위하여 Geokon사의 진동현식 스트레인 게이지(모델명 4911)를 시험말뚝과 발력말뚝에각각 설치하여 축하중을 측정하였다.
- 이러한 TCPT의 결과치와 압축강도와의 상관관계를 비교 및 분석 하였고, TCPT를 이용한 IGM 근입 현장 타설 말뚝에서의 주면마찰력과 선단지지력과의 상관관계를 현장재하시험과 수치해석을 통하여 도출하였다. 도출된 상관관계를 텍사스주 도로국의 TCPT를 이용한 IGM 근입현장타설말뚝의 설계법과 비교 분석하였다.
- 제시하였다. 셰일과 석회암의 IGM 지반을 지닌 시험 현장에 텍사스 콘 관입시험과 말뚝재하시험을 수행하여 IGM에 근입된 현장타설말뚝의 주면 및 선단지지력과의 상관관계를 도출하였다. 그리고 도출된 상관관계를 이용하여 현행 텍사스주 도로국의 TCPT를 이용한 IGM에 근입된 현장타설말뚝의 설계법을 비교 분석 하였다.
- 시험말뚝과 반력말뚝의 九林와 细成을 산정하기 위하여 하중전이해석을 수행하였으며, 그림 7에서는 하중 전이 곡선을 도시하고 있다. 그림 7에 보여 주듯이 대부분의 하중은 O-Cell 주변에서 전이되었다.
- 2m)이다. 여기서 셰일층 위의 토사층에도 말뚝을 시공하여 IGM 근입말뚝의 토사부 주면마찰력도 분석하였다. 그리고 축하중전이해석을 위하여 Geokon사의 진동현식 스트레인 게이지(모델명 4911)를 시험말뚝과 발력말뚝에각각 설치하여 축하중을 측정하였다.
- 8MN이 였고, 이에 상응하는 하향 변위 값은 45mm이다. 이러한 PLAXIS의 해석 결과에 근거하여 HT현장의 반력말뚝에 대한 하중 전이해석을 극한하중단계까지 수행하였고, 이에 근거하여 HT 반력말뜩에 대한 九必와 细成를 그림 8과 그림 9와 같이 추정하였다.
- 이러한 TCPT의 결과치와 압축강도와의 상관관계를 비교 및 분석 하였고, TCPT를 이용한 IGM 근입 현장 타설 말뚝에서의 주면마찰력과 선단지지력과의 상관관계를 현장재하시험과 수치해석을 통하여 도출하였다. 도출된 상관관계를 텍사스주 도로국의 TCPT를 이용한 IGM 근입현장타설말뚝의 설계법과 비교 분석하였다.
- (Hassan, 1994). 이런 현상을 규명하기 위하여 X선 회절 분석 [X-Ray Diffraction (XRD)]을 상부 쪽과 하부 쪽 셰일에 대하여 수행하였으며, 그 결과를 DT현장에 대하여 그림 3에 도시하였다. 그림 3에서와 같이 상부 쪽의 셰일이 하부 쪽의 셰일보다 다량의 탄산칼슘(calcium carbonate)을 함유하고 있으며, 이러한 탄산칼슘이 셰일에서의 고결작용을 유발하여 높은 강도를 지니게 된다.
- 일련의 현장 시험과 실내 시험을 통하여 얻어진 %와 TCPR 값들을 이용하여 상관관계를 그림 4와 같이 IGM 의 종류에 따라 도시하였다. 여기서, 보다 양질의 상관관계를 만들기 위하여 기준의 현장 외에 텍사스 도로국에서 제공된 현장들(SH45, GTE와 Dallas)의 자료를 이용하여 그림 4에 추가 도시하였다 그림 4에 도시되어 있는 상관관계를 IGM에 따라 수식적으로 표현하면 다음과 같다.
- 3mm의 NWD4의이중관를 이용하여 시편를 채취하였고 RQD(rock quality designation)를 측정한 후에 시편의 보호를 위해 알루미늄 호일과 테이프를 이용하여 싼 후에 비닐백으로 밀봉하였다. 채취된 시편에 대하여 0.6m 간격으로 각각 압축강도 시험을 수행하였다. 각각의 시험들의 세부사항은 다음과 같다.
- 텍사스 콘 관입시험(TCPT)를 이용한 IGM에 근입된 현장 타설 말뚝 설계의 검증을 위하여 선택된 다섯 곳의 시험 현장 중 세 灵HT, DT와 RC)의 현장에 대하여 O-Cell을 이용한 현장말뚝재하시험을 실시하였다. 실물 크기의 O-Cell 재하 시험 결과를 TCPR에 대한 爲와 %林와의관계를 각각 그림 13에 도시하였다.
- 텍사스 콘 관입지수(TCPR)에 대한 IGM에 근입된 현장 타설 말뚝의 九嵌와 %賦 와의 상관관계를 도출하기 위하여, 앞서 언급한 다섯 곳의 현장 중 세 곳의 현장(HT, DT와 RC)에 대하여 IGM에 근입된 시험말뚝을 시공하여 말뚝재하시험을 수행하였다. 시험 현장은 상대적으로 약한 강도를 대표하는 HT현장(셰일), 중간 강도를 대표하는 DT현장(셰일), 그리고 강한 강도를 대표하는 RC현장(석회암)으로 구성되었다.
- 현장 지반조사와 실내시험 등-을 토대로 하여 오스터 버그 셀[Osterberg Cells (O-Cell)]을 이용하여 시험 말뚝을 평가하였으며, 그 시험내용은 다음과 같다: (1)직경이 0.76m인 시험말뚝과 반력말뚝을 IGM에 근입시키고, (2)O-Cell의 용량은 셰일의 경우 8.9MN이고 석회암의 경우는 16.0MN을 적용하고, (3)반력말뚝의 총 반력은 시험 말뚝 지지력에 대하여 최소한 L5의 안젼율을 적용하고, 그리고 (4)O-Cell의 용량은 설계된 시험 말뚝 의지 지력에 대하여 최소한 2.0의 안전율을 적용한다. 이에 따라 설계된 시험말뚝과 반력말뚝은 그림 5에 도시되어 있다.
대상 데이터
- IGM 시편의 채취를 위해 내경 52.3mm의 NWD4의이중관를 이용하여 시편를 채취하였고 RQD(rock quality designation)를 측정한 후에 시편의 보호를 위해 알루미늄 호일과 테이프를 이용하여 싼 후에 비닐백으로 밀봉하였다. 채취된 시편에 대하여 0.
- 모든 삼축압축시험에 사용된 시료들은 ASTM D 4543 -85에 준하여 직경 50mm와 길이 102mm로 준비되었으며, DT, HT와 BL 현장 에서 채취된 셰일 시료에 대하여 수행되었다. 삼축압축시험의 조건은 비압밀.
- 셰일(Clay Shale)과 석회암(Limestone) 등의 IGM 지반이 주로 분포하는 미국 텍사스주 지역에서 본 연구는 수행되었으며, 이를 위하여 다섯 곳의 시험 현장이 선택되었다. 네 곳[Denton Tap(DT), Belt Line Road(BL), Hampton Road(HT)과 Lone Star Park(LS)] 은 기반암이 셰일이고 나머지 한 곳 [Rowlett Creek(RC)]은 기반 암이 석회암이 었다.
- 말뚝재하시험을 수행하였다. 시험 현장은 상대적으로 약한 강도를 대표하는 HT현장(셰일), 중간 강도를 대표하는 DT현장(셰일), 그리고 강한 강도를 대표하는 RC현장(석회암)으로 구성되었다.
- 콘 관입시험을 실시하였다. 현장에서 채취된 코어에 대하여 압축강도시험을 LS현장을 제외하고 모든 현장에 대하여 수행하였다. LS 현장의 경우는 Hassan (1994)의 시험 결과를 사용하였다.
- 현재 텍사스주 도로국에서 IGM 근입 현장 타설 말뚝의 설계인자로서 사용 중인 텍사스 콘 관입시험(TCPT) 를 각각의 현장에 적용하였다. 그림 1에서는 TCPT의 개요도와 시험 순서를 도시하고 있다.
이론/모형
- 현장에서 채취된 코어에 대하여 압축강도시험을 LS현장을 제외하고 모든 현장에 대하여 수행하였다. LS 현장의 경우는 Hassan (1994)의 시험 결과를 사용하였다.
- 그림 13에 보인 TCPR에 대한 fmax 과 龜成 의 상관관계는 단지 세 곳의 현장에 제한되어 있으므로 문헌고찰 [Aurora와 Reese(1976), Seikh 외(1985), ONeill 외(1992), 그리고 Hassan(1994)]을 통해 텍사스 주에서 수행된 양질의 현장말뚝재하시험 결과를 추가로 선정하였다. 추가된 현장(Montopolis, Dallas, Irvin) 에 대한 재하 시험 결과는 표 2에 정리하였고, 그림 14에 추가로 도시하였다.
- 삼축압축시험의 조건은 비압밀. 비배수 상태이였고 절차는 ASTM D 266475a에 준하여 수행되었다. 셰일의 경우는 하중의 재하 속도가 배수 속도보다 상대적으로 크고 투수계수 또한 아주 낮아서 비배수 조건을 사용하였다.
- 시료의 준비는 삼축시험과 동일한 크기와 절차 (ASTM D 4543-85)로 준비되었으며, ASTM D 2938- 95에 따라 0.6m간격으로 시험을 수행하였다.
- 시험말뚝의 시공 후 약 50이 경과한 후, O-Cell을 이용한 TxDOT 급속재하시험을 텍사스주 도로교 표준시방서 (TxDOT, 1993)과 ASTM D 1143에 준하여 수행하였다. O-Cell을 이용한 말뚝재하시험 결과로 그림 6에서 하중- 변위 곡선을 도시하였다.
- 15를 지닌 선형탄성모델로 가정하였다(Hassan, 1994). 지반과 지반-시험말뚝 인터페이스의 경우는 탄 소성 모델인 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. 그리고 Plaxis 해석에 사용된 입력변수는 표 1에서 각각의 시험 현장별로 나타내었다.
성능/효과
- (3) 제시된 텍사스 콘 관입지수에 대한 최대 주면 마찰력과 최대 선단지지력과의 상관관계를 이용하여 현행 텍사스주 도로국의 IGM에 근입된 현장 타설 말뚝의 설계를 검증하였는데, 최대 주면마찰력에 대한 설계는 과다 설계의 경향을 보였다. 최대 선단지지력의 경우-, 텍사스 콘 관입지수 기준으로 80mm/100타수보다 작은 범위에서는 현행 설계차트가 재하 시험 결과보다 과대평가하는 경향을 보이고, 80mm/100 타수보다 큰 범위에서는 현행 설계차트가 재하 시험 결과보다 과소평가하는 경향을 보인다.
- 각 현장에서의 평균 텍사스 콘 관입지수(TCPR)은 HT 현장에선 178.6mm/100타수, LS현장에선 282.8mm/100 타수, DT현장에선 133.4mm/100타수, BL현장에선 63.8 mm/100타수, 그리고 RC현장에선 45.4mm/100타수이다.
- 과다 설계의 경향을 보였다. 최대 선단지지력의 경우-, 텍사스 콘 관입지수 기준으로 80mm/100타수보다 작은 범위에서는 현행 설계차트가 재하 시험 결과보다 과대평가하는 경향을 보이고, 80mm/100 타수보다 큰 범위에서는 현행 설계차트가 재하 시험 결과보다 과소평가하는 경향을 보인다.
후속연구
- 본 연구결과를 바탕으로, 풍화대가 발달하여 양질의 시편 회수율이 낮아 &값을 산정하기가 어렵고, SPT용스프릿 샘플러(split spoon sampler)의 강성부족으로 SPT 의 IGM에 대한 적용이 어려운 지역에서는 대체 방법으로 TCPT을 적용시 킬 수가 있고, TCPT에 산정된 TCPR 을 사용하여 식 (10), (11)과 (12)와 같이 IGM에 근입된현장타설말뚝을 설계를 고려할 수도 있을 것이다. 특히 풍화대가 발달되어 있는 우리나라에서도 TCPT을 이용하여 IGM의 강도특성을 산정하여 IGM에 근입된 현장 타설 말뚝의 설계법을 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
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