1990년대 이후로 양방향 재하시험(Bi-directional pile load test)은 기존 재하시험 방법에 대한 장점으로 인해 최근 여러 나라에서 그 사용이 증가하고 있다. 그러나 양방향재하시험은 두부재하시험과 상이한 재하기구를 따르므로 실제 구조물의 거동, 특히 말뚝 두부에서의 하중-변위 거동에 있어 실제와 다른 결과를 줄 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 동일한 형상과 지반조건을 갖는 두 본의 말뚝에 대해 한 본은 두부재하 방식으로, 한 본은 선단부 양방향 재하방식으로 정재하시험을 수행하였으며, 이 때 말뚝 깊이별로 변형률계를 부착하여 말뚝의 하중-전이 기구를 분석하였다. 변형률계 분석으로 구한 말뚝의 깊이별 하중 전이 함수의 모양은 시험방법에 따른 큰 차이를 보이지 않았으나, 양방향 재하시험을 이용하여 기존의 방법으로 추정한 말뚝두부 변위는 두부재하시험으로 구한 변위에 비해 사용하중하에서 1/2 미만인 것으로 나타났다. 양방향 재하시험 결과를 이용하여 보다 정확한 하중-변위곡선을 예측하기 위해 말뚝의 탄성압축량을 고려하는 간단한 방법을 제안하였다. 또한 양방향 재하시험시 변형률계 계측자료를 이용하여 두부재하시험 곡선과 거의 동일한 하중-변위 곡선을 예측할 수 있었다.
1990년대 이후로 양방향 재하시험(Bi-directional pile load test)은 기존 재하시험 방법에 대한 장점으로 인해 최근 여러 나라에서 그 사용이 증가하고 있다. 그러나 양방향재하시험은 두부재하시험과 상이한 재하기구를 따르므로 실제 구조물의 거동, 특히 말뚝 두부에서의 하중-변위 거동에 있어 실제와 다른 결과를 줄 우려가 있다. 따라서 본 논문에서는 동일한 형상과 지반조건을 갖는 두 본의 말뚝에 대해 한 본은 두부재하 방식으로, 한 본은 선단부 양방향 재하방식으로 정재하시험을 수행하였으며, 이 때 말뚝 깊이별로 변형률계를 부착하여 말뚝의 하중-전이 기구를 분석하였다. 변형률계 분석으로 구한 말뚝의 깊이별 하중 전이 함수의 모양은 시험방법에 따른 큰 차이를 보이지 않았으나, 양방향 재하시험을 이용하여 기존의 방법으로 추정한 말뚝두부 변위는 두부재하시험으로 구한 변위에 비해 사용하중하에서 1/2 미만인 것으로 나타났다. 양방향 재하시험 결과를 이용하여 보다 정확한 하중-변위곡선을 예측하기 위해 말뚝의 탄성압축량을 고려하는 간단한 방법을 제안하였다. 또한 양방향 재하시험시 변형률계 계측자료를 이용하여 두부재하시험 곡선과 거의 동일한 하중-변위 곡선을 예측할 수 있었다.
For the last decade, the hi-directional testing method has been advantageous over the conventional pile load testing method in many aspects. However, because the hi-directional test uses a loading mechanism entirely different from that of the conventional pile load testing method, many investigators...
For the last decade, the hi-directional testing method has been advantageous over the conventional pile load testing method in many aspects. However, because the hi-directional test uses a loading mechanism entirely different from that of the conventional pile load testing method, many investigators and practicing engineers have been concerned that the hi-directional test would give inaccurate results, especially about the pile head settlement behavior. Therefore, a hi-directional load test and the conventional top-down load test were executed on 1.5 m diameter cast-in-situ concrete piles at the same time and site. Strain gauges were placed on the piles. The two tests gave similar load transfer curves at various depth of piles. However, the top-down equivalent curve constructed from the hi-directional load test results predicted the pile head settlement under the pile design load to be about one half of that predicted by the conventional top-down load test. To improve the prediction accuracy of the top-down equivalent curve, a simple method that accounts for the pile compression is proposed. It was also shown that the strain gauge measurement data from the hi-directional load test could reproduce almost the same top-down curve.
For the last decade, the hi-directional testing method has been advantageous over the conventional pile load testing method in many aspects. However, because the hi-directional test uses a loading mechanism entirely different from that of the conventional pile load testing method, many investigators and practicing engineers have been concerned that the hi-directional test would give inaccurate results, especially about the pile head settlement behavior. Therefore, a hi-directional load test and the conventional top-down load test were executed on 1.5 m diameter cast-in-situ concrete piles at the same time and site. Strain gauges were placed on the piles. The two tests gave similar load transfer curves at various depth of piles. However, the top-down equivalent curve constructed from the hi-directional load test results predicted the pile head settlement under the pile design load to be about one half of that predicted by the conventional top-down load test. To improve the prediction accuracy of the top-down equivalent curve, a simple method that accounts for the pile compression is proposed. It was also shown that the strain gauge measurement data from the hi-directional load test could reproduce almost the same top-down curve.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 먼저 말뚝의 압축량을 고려한 간단한 등가하중-변위곡선 작도법을 새로이 제안해 보고자 하였다. 등가하중-변위곡선 작도시 말뚝의 압축성을 고려하기 위해서는 먼저 양방향 재하에 따른 말뚝의 압축량을 알아야 한다.
본 연구는 부산 N현장의 교각 기초로 시공중인 현장타설 콘크리트 말뚝의 해상부 재하시험시 기존 두부재하시험 장치의 설치 및 적용의 난이성에 따른 대안으로 양방향 재하시험의 적용성 검토를 위해 시작되었다. 연구대상 현장은 교각 기초로 직경 1.
선을 예측해 보고자 하였다. 하중전이함수법 에서 두부 하중-변위곡선을 예측하는 절차를 간단히 소개하면 다음과 같다.
가설 설정
다음과 같이 요약할 수 있다. 1) 각각의 시험에서 말뚝과 주변지반 사이에 발현되는 주면마찰력의 방향은 반대가 된다. 2) 그림 5와 그림 6에서 알 수 있듯이, 양방향 재하시험의 경우 유압잭에 근접한 하부지반으로 하중이 먼저 전달되는데 반해 두부재하시험은 상부지반에 하중이 먼저 전달된다.
① 상향하중을 받는 양방향재하시험 말뚝의 주면하중-변위 곡선은 하향하중을 받는 두부재하시험말뚝의 주면하중-변위 곡선과 동일하다.
상기 방법의 적용을 위해서 필요한 각 지층별 하중전이곡선은 양방향 재하시험중 변형률계 측정을 통해 얻은 자료(그림 7, 그림 8)를 사용하였으며, 말뚝 두부에서흐卜중이 가해진다고 가정하고 하중전이함수법을 이용하여 추정한 말뚝두부 하중-변위 곡선을 그림 12에 추가로 도시하였다.
위의 방법은 계산의 간편성을 위해 양방향 재하방식과 두부재하방식에 의한 탄성압축량비 A가 일정하다고 가정하였는데, 실제로 이 값은 작용하중의 크기에 따라변화하는 값으로 재하 하중에 따른 탄성압축량을 엄밀히 고려한 것은 아니다. 말뚝의 압축량과 더불어 말뚝의하중 전이 기구를 엄밀히 고려하여 보다 실제에 가까운 등가하중변위 곡선을 얻기 위해 하중 전이함수법(Coyle and Reese, 1966)을 이용하여 말뚝 두부의 하중변위 곡
ABCEA의 면적비를 계산하였다. 이 때 AE는 CD와 평행하고, EC는 AD와 평행하도록 하여 두부재하시 가상 말뚝 축하중 분포 형태를 가정하였다. 이러한 방법으로 구한 면적비(= 口ABCEA/口ABCDA)는 2 정도이며 이는 두부하중 재하시 말뚝 선단변위가 w 만큼 유발되기 위한 말뚝 두부의 변위가 w + 2Aw임을의미한다.
제안 방법
(3) 말뚝 두부의 하중-변위 관계를 보다 합리적으로 예측하기 위해, 양방향 재하시험의 해석시 말뚝의 압축량을 고려하여 수정한 등가하중-변위 곡선 작도법을 제안하였다.
굴착 완료 후 선단부 굴착 슬라임은 RCD 장비 중앙에 위치한 파이프를 통해 제거하였으며, 파이프에서 깨끗한 물이 나올 때까지 흡입하여 굴착 슬라임의 제거를 확인하였다. 굴착 및 선단 슬라임 처리완료 후 보강철근망을 삽입하고 콘크리트를 타설하였으며, 콘크리트 양생 후 공대공 초음파 탐상(Crosshole Sonic Logging)을 통하여 말뚝의 건전도를 확인하였다.
암반근입 깊이는 5m로 설계되었다. 굴착 완료 후 선단부 굴착 슬라임은 RCD 장비 중앙에 위치한 파이프를 통해 제거하였으며, 파이프에서 깨끗한 물이 나올 때까지 흡입하여 굴착 슬라임의 제거를 확인하였다. 굴착 및 선단 슬라임 처리완료 후 보강철근망을 삽입하고 콘크리트를 타설하였으며, 콘크리트 양생 후 공대공 초음파 탐상(Crosshole Sonic Logging)을 통하여 말뚝의 건전도를 확인하였다.
분류되는 화산 각력암이다. 그림 1에서 보는 바와 같이 재하시험 말뚝 중 한 본(P1)은 양방향 재하시험을 위한 시험말뚝으로 시공되었으며, 다른 한 본(P2)의 말뚝은 교각기초로 이용될 사용말뚝으로 두부재하 방식에 의해 재하시험을 수행하였다.
동일한 지반조건과 형상을 갖는 두 본의 대구경(φ 1, 500) 현장타설 콘크리트 말뚝에 대해 각각 양방향 재하시험과 두부재하시험을 수행하였으며 결과의 비교분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
0m인 현장타설 콘크리트말뚝 8본이 군말뚝 형태로 설계되었으며 이 중 한 본의 말뚝에 대해 두부재하방법으로 재하시험을 수행하였다. 또한 이 기초와 5m 정도 떨어진 위치에 동일한 직경과 길이로 시험말뚝을 한 본 더 시공한 후 양방향 재하시험을 수행하였으며, 각 재하시험말뚝의 하중전이거동 분석을 위해각 말뚝에 깊이별로 변형률계를 설치하여 말뚝의 하중전이기구를 측정하고자 하였다. 그림 1에 시험말뚝 및지반조사 위치 평면도를 도시하였다.
하단 변위를 측정하였으며, 말뚝 두부에 총 4개의 변위계를 설치하여 두부 변위를계측하였다. 또한 그림 2에 보인 바와 같이 재하하중에 따른 말뚝의 하중 전이 기구를 계측하기 위해 각각의 시험 말뚝에 깊이별로 전기저항식 철근 변형률계 한 쌍 (180。방향)과 전기저항식 콘크리트 변형률계 한씽080。 방향)을 부착하여 말뚝의 깊이별 변형률을 측정하였다.
시추 깊이는 기반암선 하부 최소 5m 이상(최대 7m)까지 조사하는 것으로 하였으며, 채취된암반시료에 대한 육안조사 결과 RQD 값은 완전히 풍화된 암반(Completely weathered) 의 경우 0, 심하게 풍화된암반(Highly weathered)의 경우 30% 내외 였다. 암반 상태 및 깊이에 따른 암반 물성의 변화를 알아보기 위해그림 2에 표시된 위치에서 공내재하시험을 실시하였으며, 채취된 암석시료에 대한 일축압축시험과 점하중 시험을 수행하였다. 암반근입부의 현장/실내시험 결과를 표 1에 정리하였다.
양방향 재하시험과 두부재하시험 에서 하중재하 방식의 차이가 말뚝의 축방향 지지거동에 미치는 영향을 분석하기 위해, 각 말뚝의 변형률계 계측결과로부터 구한깊이별 주면하중전이 곡선(f-w 곡선)과 선단하중전이곡선(q-w 곡선)을 비교하였다. f-w 곡선은 임의의 깊이에서의 말뚝 변위에 따른 주면마찰력의 발현 정도를 나타내는 곡선이며, 변형률계 계측값으로부터 다음과 같은 방법으로 쉽게 얻을 수 있다.
이와 같이 재하방식에 따른 말뚝의 압축량은 지반조건에 따라 다르므로 본 논문의 재하시험에서 이러한 압축량 차이를 정량적으로 산정하기 위해 그림 11의 口 ABCDA와 C3ABCEA의 면적비를 계산하였다. 이 때 AE는 CD와 평행하고, EC는 AD와 평행하도록 하여 두부재하시 가상 말뚝 축하중 분포 형태를 가정하였다.
재하시험 방식은 양방향 재하시험 및 두부재하시험 모두 ASTM D1143-81 에서 규정하고 있는 완속 표준재하방식과 반복재하방식에 따라 수행하였으며, 각각의 시험을 위한 재하 장치 및 시험하중을 표 2에 정리하였다.
하중에 따른 상.하단 변위를 측정하였으며, 말뚝 두부에 총 4개의 변위계를 설치하여 두부 변위를계측하였다. 또한 그림 2에 보인 바와 같이 재하하중에 따른 말뚝의 하중 전이 기구를 계측하기 위해 각각의 시험 말뚝에 깊이별로 전기저항식 철근 변형률계 한 쌍 (180。방향)과 전기저항식 콘크리트 변형률계 한씽080。 방향)을 부착하여 말뚝의 깊이별 변형률을 측정하였다.
대상 데이터
그러나 BH-4 위치에서는 공내재하시험과 전길이의시료채취를 위해 표준관입시험을 수행하지 않았다. 보링조사 및 채취된 비교란시료에 대한 물성시험 결과, 대상지반은 상부 매립층(Silty sand, SM), 상부 퇴적토층 (Low plasticity clay, CL), 하부 퇴적토층(Clayey gravel, GC), 풍화암(CW), 연암(HW ~MW) 순으로 분포하며, 지하수위는 지표면에서 1.8m 하부에 위치하였다. 시주조사 및 표준관입시험 결과 각 지층의 두께와 지반조건은 공번에 따라 큰 차이가 없으나, 하부 퇴적토층의 경우 두부재하시험 말뚝에 가장 가까운 BH-3에서 수행한표준관입시험 N 값이 다른 시추공에서의 값보다 상당히 크게 나타났다.
연구대상 현장은 교각 기초로 직경 1.5m, 총 길이 33.5m, 암반근입깊이 5.0m인 현장타설 콘크리트말뚝 8본이 군말뚝 형태로 설계되었으며 이 중 한 본의 말뚝에 대해 두부재하방법으로 재하시험을 수행하였다. 또한 이 기초와 5m 정도 떨어진 위치에 동일한 직경과 길이로 시험말뚝을 한 본 더 시공한 후 양방향 재하시험을 수행하였으며, 각 재하시험말뚝의 하중전이거동 분석을 위해각 말뚝에 깊이별로 변형률계를 설치하여 말뚝의 하중전이기구를 측정하고자 하였다.
이론/모형
말뚝 시공을 위한 굴착방법은 토사층의 경우에는 요동식 올케이싱 공법을, 암반층의 경우에는 RCD(Reverse circulation drilling) 공법을 적용하였다. 토사층에서는케이싱을 회전압입한 후 케이싱 내부의 흙을 해머그랩으로 굴착하였으며, 암반층은 케이싱 선단에서 암반을 RCD에 의해 갈아낸 후 굴착하였다.
성능/효과
(1) 재하방식의 확연한 차이점에도 불구하고, 재하시험및 변형률계 계측으로 구한 깊이별 f-w 곡선의 모양은 시험방법에 따라 큰 차이를 보이지 않는 것으로나타났다.
(2) 본 연구의 양방향 재하시험으로 예측한 등가하중- 변위 곡선의 모양은 두부재하시험곡선과 비교적 큰 차이를 보이며, 그 차이는 특히 곡선의 초기 부분에서 더 심하게 나타났다. 이러한 두 곡선의 차이는 말뚝의 깊이에 따른 지반 강성의 급격한 변화에 기인하는 것으로 판단되었다.
1) 각각의 시험에서 말뚝과 주변지반 사이에 발현되는 주면마찰력의 방향은 반대가 된다. 2) 그림 5와 그림 6에서 알 수 있듯이, 양방향 재하시험의 경우 유압잭에 근접한 하부지반으로 하중이 먼저 전달되는데 반해 두부재하시험은 상부지반에 하중이 먼저 전달된다.
8m 하부에 위치하였다. 시주조사 및 표준관입시험 결과 각 지층의 두께와 지반조건은 공번에 따라 큰 차이가 없으나, 하부 퇴적토층의 경우 두부재하시험 말뚝에 가장 가까운 BH-3에서 수행한표준관입시험 N 값이 다른 시추공에서의 값보다 상당히 크게 나타났다. 시추 깊이는 기반암선 하부 최소 5m 이상(최대 7m)까지 조사하는 것으로 하였으며, 채취된암반시료에 대한 육안조사 결과 RQD 값은 완전히 풍화된 암반(Completely weathered) 의 경우 0, 심하게 풍화된암반(Highly weathered)의 경우 30% 내외 였다.
시주조사 및 표준관입시험 결과 각 지층의 두께와 지반조건은 공번에 따라 큰 차이가 없으나, 하부 퇴적토층의 경우 두부재하시험 말뚝에 가장 가까운 BH-3에서 수행한표준관입시험 N 값이 다른 시추공에서의 값보다 상당히 크게 나타났다. 시추 깊이는 기반암선 하부 최소 5m 이상(최대 7m)까지 조사하는 것으로 하였으며, 채취된암반시료에 대한 육안조사 결과 RQD 값은 완전히 풍화된 암반(Completely weathered) 의 경우 0, 심하게 풍화된암반(Highly weathered)의 경우 30% 내외 였다. 암반 상태 및 깊이에 따른 암반 물성의 변화를 알아보기 위해그림 2에 표시된 위치에서 공내재하시험을 실시하였으며, 채취된 암석시료에 대한 일축압축시험과 점하중 시험을 수행하였다.
표 1에서 보는 바와 같이, 암석 시료의 일축 압축시험과 점하중 시험 결과 암석의 일축압축강도는 71.4- 87.2MPa 정도였으며, 공내재하시험으로부터 구한 암반의 변형계수는 105.6~ 154.3MPa 사이에 분포하였다. 그러나 시험 위치 및 심도에 따른 암반 물성의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
후속연구
즉, 선단부유압잭과 말뚝 선단 사이의 공동은 유압잭 상판과 하판에 뚫린 구멍을 통해 중력식으로 타설되는 콘크리트에의해 채워지게 되는데, 이러한 타설방법은 선단부 콘크리트의 강성을 저하시킬 가능성(예를 들어 재료분리, 말뚝선단과 지반 사이의 공동 등)이 있다. 상기의 문제를 극복하기 위해 차후에는 트레미관을 하판 아래까지 삽입하여 굴착 바닥면부터 압력식 타설이 가능하도록 상부판과 하부판의 구멍을 확대시키거나, 트레미관을 하판 하부까지 유도하는 장치 등을 설치하는 등의 보강방안이 필요할 것으로 생각된다. 말뚝 선단부에서부터 압력식 콘크리트 타설에 의해 시공한 두부재하시험말뚝 (P2)의 경우, 그림 4에서 보는 바와 같이 설계하중의 약 3배인 최대 재하하중 35, 000kN에서 말뚝의 항복은 일어나지 않았으며, 이 때의 두부변위는 36mm 이었다.
참고문헌 (5)
정창규 (2004), 선단유압재하시험법의 현장적용성에 관한 연구, 경성대학교 박사학위 논문
Coyle, H. M., and Reese (1966), L. C. Load Transfer for Axially Loaded Piles in Clay, J. Soil Mech. And Found. Div., ASCE, Vol. 92, No.2, pp.1-26
Kishida, H., Tsubakihara, Y., and Ogura, T. (1992), Pile Loading Tests at Osaka Amenity Park Project, preprint by Mitsubishi Co
Ogura, T., Sumi, M., Kishida, H., and Yoshifuka, T. (1996), Application of the Pile Toe Test to Cast-in-place and Precast Piles., translated by MandanB. Karkee, Foundation Drilling Magazine, ADSC, December1996/January 1997, pp.23-28
Osterberg, J. O. (1998), The Osterberg Load Test method for Drilled Shafts and Driven Piles-the First Ten Years. Proceedings 7th International Conference on Deep Foundations, Vienna, Austria., June 15-17, Deep Foundation Institute, Englewood Cliffs, N.J., 1.28.1-1.28.11
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