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문제 정의
- 본 연구는 기존 연구를 토대로 말뚝보강기초에 대한 거동을 이해하고 설계 변수인 말뚝 보강량과 그에 따른 침하 억제 정도를 규명하기 위하여 다양한 조건 하에서 실내 모형시험을 실시하여 그 거동을 분석하고자 하였다. 일반적으로 말뚝 또는 기초에 대한 실내 모형시험은 토조 내에 토사를 포설한 후 시험하는 방식이 주로 이용되나, 본 연구에서는 말뚝 설치 위치에서의 응력 상태를 모사하기 위하여 삼축압축시험기를 이용하여 일정 구속응력을 공시체에 가한 다음 재하 시험을 실시하는 방법을 제안하였다.
- 본 연구는 말뚝보강기초(Disconnected piled raft)의 침하 억제 효과를 규명하기 위하여 삼축압축시험기를 이용하여 구속응력 재하 상태에서 말뚝 보강률 변화 즉말뚝 개수 및 말뚝 직경 변화(수평 단면 보강률 변화), 말뚝 길이 변화(수직 단면 보강률 변화) 및 기초판과 말뚝사이 갭(Gap) 포설 재료 변화에 따른 하중-침하 거동을 분석하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
가설 설정
- 또한 시험에 사용되는 모형말뚝으로 탄소봉을 사용하였고, 기초판은 말뚝과 연결되지 않은 채 강성 거동을 하는 것으로 가정하였는데, 본 연구의 경우 삼축압축시험기 셀 부속인 상부 재하판을 기초판으로 가정하였다.
제안 방법
- 그러나 토조 용적은 상대적으로 그 깊이가 얕기 때문에 실제 지반에 비하여 구속응력이 작게 작용한다고 볼 수 있다. 따라서 본 시험에서는 현장 구속 응력 상태를 모사하기 위하여 그림 2와 같은 삼축압축시험기를 이용하여 구속응력 재하 상태의 모형시험을 수행하였다. 이에 대한 시험 방법을 요약하면 다음과 같다.
- 말뚝보강기초를 모사하기 위하여 모형 말뚝을 삽입, 보강한 형태의 공시쳇를 만들어 삼축압축시험을 실시하였는데 모형말뚝으로는 탄소봉을 사용하였다. 말뚝 보강량의 변화에 따른 하중-침하 관계 및 보강 지반의 변형계수 등을 분석하기 위하여 말뚝의 직경, 개수, 길이 및 기초판과 모형말뚝사이의 재료를 변화시키면서 삼축압축시 험을 수행하였다.
- 본 시험에 사용한 탄소봉의 탄성계수는 측정 결과 평균 5MPa로 나타났다. 말뚝 설치 전후 시료의 상대밀도가 같도록 타입 방식이 아닌 말뚝을 세운 후 측면에 표준사를 포설하는 방식을 적용하였으며, 말뚝의 간격을 일정하게 유지하기 위하여 구멍을 낸 위치 표시용 비닐판(그림 4)을 표준사 위에 올린 다음 착색물감을 구멍에 소량 포설하여 말뚝 설치 위치를 표시하였다. 모형말뚝의 배치 형태를 그림 5와 그림 6에, 이러한 방식으로 조성된 모형말뚝 설치 모형지반을 그림 7에 도시하였다.
- 여기서 침하량은 극한하중(qu)의 1/2에 해당하는 하중이 작용할 때 발생하는 침하량을 의미한다. 말뚝기초에서 말뚝의 하중 분담 정도는 말뚝에 하중계 또는 변형률계를 부착하여 실측정하는 것이 일반적이나 본 시험에서는 용이치 않아 말뚝 보강 시 하중으로부터 말뚝 무보강시 하중을 제함으로서 말뚝의 하중 분담 정도를 추정하였다.
- 일반적으로 말뚝 또는 기초에 대한 실내 모형시험은 토조 내에 토사를 포설한 후 시험하는 방식이 주로 이용되나, 본 연구에서는 말뚝 설치 위치에서의 응력 상태를 모사하기 위하여 삼축압축시험기를 이용하여 일정 구속응력을 공시체에 가한 다음 재하 시험을 실시하는 방법을 제안하였다. 말뚝보강기초를 모사하기 위하여 모형 말뚝을 삽입, 보강한 형태의 공시쳇를 만들어 삼축압축시험을 실시하였는데 모형말뚝으로는 탄소봉을 사용하였다. 말뚝 보강량의 변화에 따른 하중-침하 관계 및 보강 지반의 변형계수 등을 분석하기 위하여 말뚝의 직경, 개수, 길이 및 기초판과 모형말뚝사이의 재료를 변화시키면서 삼축압축시 험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 다양한 조건 하에서 말뚝보강기초의 거동을 비교, 분석하기 위하여 구속응력을 lOOkPa로 일정하게 유지한 상태에서 축방향 변형률 즉 기초판의 침하율이 15% 이상 되도록 재하하는 방식으로 총 9회의 시험을 실시하였으며, 각 시험에서 사용된 말뚝 직경, 말뚝 길이 및 말뚝 개수는 표 2와 같다.
- 표 3과 같다. 본 절에서는 말뚝 개수 및 말뚝 직경 변화(수평 단면 보강률 변화), 말뚝 길이 변화(수직 단면 보강률 변화) 및 기초판과 말뚝 사이 갭 (Gap) 에 다른 시료 사용에 따른 하중-침하 거동을 분석하였다. 여기서, 보강률이란 기초지반 면적에 대한 보강된 말뚝 면적의 비로 정의하였다.
- 이에 대한 효과를 규명하기 위하여 표준사 직경의 약 2배 굵기 모래를 상부 재하판과 모형 말뚝머리 사이에 포설한 후 재하시험을 실시하였다. 시험 결과 그림 17에서와 같이 말뚝 머리 지반 보강 유무에 관계없이 거의 동일한 거동을 보였는데 이는 본 삼축압축시험에서는 굵은 모래 포설 후 다짐을 시행하지 못함으로 인한 원인으로 보강 효과가 없는 것으로 나타났다.
- 일반적으로 말뚝 또는 기초에 대한 실내 모형시험은 토조 내에 토사를 포설한 후 시험하는 방식이 주로 이용되나, 본 연구에서는 말뚝 설치 위치에서의 응력 상태를 모사하기 위하여 삼축압축시험기를 이용하여 일정 구속응력을 공시체에 가한 다음 재하 시험을 실시하는 방법을 제안하였다. 말뚝보강기초를 모사하기 위하여 모형 말뚝을 삽입, 보강한 형태의 공시쳇를 만들어 삼축압축시험을 실시하였는데 모형말뚝으로는 탄소봉을 사용하였다.
- 일정한 상대밀도의 지름 50mm, 높이 100mm의 원주형 공시체를 성형하기 위하여 거푸집 역할의 시료 성형 틀을 사용하고 깔대기를 이용하여 최대한 얕은 높이에서 자유 낙하하여 공시체를 성형하는 방법을 사용하였는데 조성된 지반(시료)의 평균상대밀도는 약 70%이었다. 또한 시험에 사용되는 모형말뚝으로 탄소봉을 사용하였고, 기초판은 말뚝과 연결되지 않은 채 강성 거동을 하는 것으로 가정하였는데, 본 연구의 경우 삼축압축시험기 셀 부속인 상부 재하판을 기초판으로 가정하였다.
대상 데이터
- 모형말뚝은 그림 3과 같은 직경 4mm, 6mm 및 8mm 탄소봉을 길이 48mm, 60mm, 70mm로 각각 준비하여 사용하였다. 본 시험에 사용한 탄소봉의 탄성계수는 측정 결과 평균 5MPa로 나타났다.
- 본 실험에서는 주문진 표준사를 사용하였으며 시료의 물리적 성질은 표 1과 같다.
성능/효과
- (2) 말뚝보강기초 시스템에서 침하 억제 효과는 말뚝보강으로 인한 지반 강성 증가와 말뚝 보강 시 말뚝 설치 부근의 토사에 대한 횡방향 변위 억제로 인한 강도 증가에 따른 것으로 보인다. 따라서 보강 말뚝 (Disconnected pile)은 전면기초(Raft)뿐만 아니 라 푸팅기초(Footing)와 같은 국부적인 기초시스템에 설치하여도 침하 억제가 가능할 것으로 보이며, 또한 보강 말뚝을 이용하여 부등침하를 조절할 수도 있을 것으로 보인다.
- (3) 말뚝 보강률이 증가할수록 기초 침하량이 큰 폭으로 감소함을 알 수 있었으며, 본 시험에서는 말뚝수평단면 보강률이 약 18%이고, 수직단면 보강률이 약 70%일 때 침하량은 무보강시에 비하여 약 80% 까지 감소되는 것으로 나타나 말뚝 보강이 침하량 억제에 큰 효과가 있는 것을 확인하였다.
- (4) 본 시험에서 수평, 수직 말뚝 보강률에 따른 말뚝보강 기초 지반의 변형계수 변화는 각각 직선식 E(MPa) = 8.3p(%) + 121.2와 E(MPa) =1.8p(%) +105.5로 나타낼 수 있다.
- 증가에 따른 것으로 보인다. 따라서 보강 말뚝 (Disconnected pile)은 전면기초(Raft)뿐만 아니 라 푸팅기초(Footing)와 같은 국부적인 기초시스템에 설치하여도 침하 억제가 가능할 것으로 보이며, 또한 보강 말뚝을 이용하여 부등침하를 조절할 수도 있을 것으로 보인다.
- 본 시험 결과 역시 말뚝 길이에 비례하여 하중 증가가 뚜렷이 나타남을 알 수 있었다. 다만 8-48-7EA와 8-60-7EA의 경우 길이의 증가에 따라 극한하중은 비례하여 증가하나 초기 탄성범위에서는 작게 나타났는데 이는 말뚝 설치시 말뚝이 다소간 기울어짐과 같은 실험적 원인에 기 인한 것으로 판단된다.
- 본 시험에 사용한 탄소봉의 탄성계수는 측정 결과 평균 5MPa로 나타났다. 말뚝 설치 전후 시료의 상대밀도가 같도록 타입 방식이 아닌 말뚝을 세운 후 측면에 표준사를 포설하는 방식을 적용하였으며, 말뚝의 간격을 일정하게 유지하기 위하여 구멍을 낸 위치 표시용 비닐판(그림 4)을 표준사 위에 올린 다음 착색물감을 구멍에 소량 포설하여 말뚝 설치 위치를 표시하였다.
- Wong 등(2000) 은 인도네시아 자카르타의 39층 빌딩 기초 설계시 두께가 86m인 견고한 점토층상의 44m×99m 전면기초에직경 1m, 길이 35m, 65m인 현장타설말뚝을 말뚝지지전면기초(Piled raft)와 기초판과 연결되지 않은 말뚝 (Disconnected pile)기초에 대하여 유한요소해석을 실시하여 그 결과를 비교하였다. 수치해석결과 무보강상태(직접기초)의 침하량은 약 54mm인 반면 보강기초 시스템인 경우 침하량은 65m 말뚝 보강인 경우 약 33 ~ 34mm로 감소되었으며, 말뚝지지 전면기초(Piled raft)와 기초판과 연결되지 않은 말뚝(Disconnected pile)은 거의 유사한 침하량이 발생됨을 소개하고 있다.
- 후 재하시험을 실시하였다. 시험 결과 그림 17에서와 같이 말뚝 머리 지반 보강 유무에 관계없이 거의 동일한 거동을 보였는데 이는 본 삼축압축시험에서는 굵은 모래 포설 후 다짐을 시행하지 못함으로 인한 원인으로 보강 효과가 없는 것으로 나타났다. 그러나 실제 시공시 진동 및 다짐 등으로 말뚝 머리와 기초판 사이의 지반을 개량한다면 그 효과는 클 것으로 생각된다.
- 이상에서 말뚝보강기초 시스템에서 말뚝길이 역시 보강 효과에 큰 역할을 하는 것을 알 수 있다.
- 하중.침하 관계로부터 전반적으로 보강률에 비례하여 극한하중이 증가함을 알 수 있었으며, 특히 말뚝 개수 및 말뚝 길이 증가의 경우 보강 효과가 큰 것으로 나타났다.
- 다만 민기훈 등 (2005)은 국내 ○○아파트 현장에서 소음 등의 문제로 기존 말뚝기초 시공이 어려움에 대한 대안으로서 오거 천공 후 현장타설 방식의 말뚝보강기초(Disconnected piled raft)를 적용하고 현장 재하시험을 통하여 그 효과를 평가한 사례를 보고하였다. 표준관입저항치(N)가 평균 25인 지반(두께 약 10m)에서 직경 400mm인 무근 현장 타설 말뚝을 풍화암에 1m 근입시킨 후 말뚝머리와 기초판사이에 집석을 포설 다짐한 후 현장 제작한 l.0m × l.0m 의 콘크리트 대형평판에 대한 재하시험과 무보강 원지반에 대한 대형평판재하시험 결과를 비교 분석하여, 무보강시에 비하여 말뚝보강시 침하량이 25%정도 감소됨을 확인하였다. 본 재하시험의 경우 단일 말뚝에 대한 재하시험이며, 1회 시험에 그친 점이 아쉽지만 현장 실 모형시험으로서 그 가치가 있다고 할 수 있다.
후속연구
- (5) 말뚝보강기초 시스템에서 말뚝과 지반, 기초판과 말뚝 및 기초판과 지반사이의 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction)거동이 복잡함을 감안할 때 실제 설계시 수치해석 등 다른 기법과 함께 기초 설치 대상 지반의 응력 상태를 재현할 수 있는 삼축압축시험기를 이용한 모형 시험으로 말뚝 보강 효과와 그 거동을 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
- 그러나 전반적으로 본 실험에서 도출된 수치를 실제 말뚝보강기초 시스템에 정량적으로 적용하는 것은 아직은 무리가 있다고 볼 수 있다. 그렇지만 실 대형 현장시험의 경우 현실적으로 또 한 경제적으로 한계가 있고, 소형 모형실험의 경우 실제 현장응력 재현에 한계가 있는 사실 등을 감안한다면, 현장 구속응력을 재현 및 제어하여 모형시험을 시도한 본 연구는 일부 한계에도 불구하고 말뚝보강기초 시스템에 대한 정성적 거동 분석에는 어느 정도 효과가 있을 것으로 판단된다. 즉 말뚝보강기초 시스템에서 말뚝과 지반, 기초판과 말뚝 및 기초판과 지반 사이의 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction)거 동이 복잡하고, 실 대형 시험의 여러 가지 한계 등을 감안할 때 실제 설계시 수치해석 등 다른 기법과 함께 기초 설치 대상 지반의 응력상태를 재현할 수 있는 삼 축압축시험기를 이용한 모형시험을 병행함으로써 말 뚝보강기초 거동 해석에 유용한 수단이 될 수 있을 것 으로 기대된다.
- 본 실험적 연구를 토대로 말뚝보강기초 시스템에서 침하 억제에 중요한 매개 변수는 보강량 즉 말뚝 개수와 대상 지반 내 타설 말뚝 길이로 볼 수 있는데, 실제 현장 적용시 무보강 상태 기초판의 침하량을 계산한 후 말뚝 개수 및 타설 말뚝 길이를 적절히 조절함으로써 침하량을 상당 부분 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 그렇지만 실 대형 현장시험의 경우 현실적으로 또 한 경제적으로 한계가 있고, 소형 모형실험의 경우 실제 현장응력 재현에 한계가 있는 사실 등을 감안한다면, 현장 구속응력을 재현 및 제어하여 모형시험을 시도한 본 연구는 일부 한계에도 불구하고 말뚝보강기초 시스템에 대한 정성적 거동 분석에는 어느 정도 효과가 있을 것으로 판단된다. 즉 말뚝보강기초 시스템에서 말뚝과 지반, 기초판과 말뚝 및 기초판과 지반 사이의 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction)거 동이 복잡하고, 실 대형 시험의 여러 가지 한계 등을 감안할 때 실제 설계시 수치해석 등 다른 기법과 함께 기초 설치 대상 지반의 응력상태를 재현할 수 있는 삼 축압축시험기를 이용한 모형시험을 병행함으로써 말 뚝보강기초 거동 해석에 유용한 수단이 될 수 있을 것 으로 기대된다.
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