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문제 정의
- 본 연구에서는 무보강 지반의 지지특성과 마이크로파일에 의한 보강 특성을 파악하고 기초하부 보강시 보강효과와 지반변형 분석을 통해서 파일-지반-기초의 상호작용에 의한 영향을 분석하여 적절한 보강형식을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 파일 간격(S)은 0.4B로 일정하게 유지하고, 기초하부에 마이크로파일을 설치하여 파일 직경(D), 길이(L)를 달리하였을 때, 말뚝-지반-기초의 상호작용에 의한 보강효과를 모형실험을 통하여 확인하고자 하였다. 실험 결과에서 극한 지지력이 명확하지 않은 경우는 지지력의 산정 방법 중 Fig.
- 이에 본 연구에서는 실험을 통해서 마이크로파일의 지지특성을 파악하고, 기초하부에 마이크로파일 설치시 파일의 직경(D)과 길이(L)에 따른 보강 효과를 확인하고, 지반변형 분석을 통해서 파괴메커니즘을 파악하기 위하여 실내 모형실험을 실시하였다.
- 주면 마찰에 지배되는 마이크로파일 특성을 이용하여 파일 길이(L), 본수(n), 직경(D)을 달리하는 조건으로 파일-지반-파일의 상호작용에 의한 정의 무리효과(Positive group effect)와 파일-지반-기초의 상호작용에 의한 지반의 구속효과(Confining effect)를 확인하고자 한다.
가설 설정
- 21과 같다. 여기서, 파일 길이 4B 이후는 지지력의 증가가 없는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 2) 지반은 주문진사를 이용하여 강사(降砂)법에 의해 조성되었고, 모형 마이크로파일은 직경(D) 2, 4mm의 강봉에 주문진사를 부착시켜 표면을 거칠게 하였다.
- 3) 토조(Soil tank)의 아크릴면에 그리스를 도포한 후, 격자 모양이 그려진 멤브레인(Memb rane)을 부착하였으며, 재하는 분당 1.0mm의 변위 제어를 실시하였다. 그리고 재하에 따른 지반의 변형을 파악하기 위하여 침하 1.
- 5) 지반 거동관찰 및 밀도 측정 : 재하 종료후, 육안에 의한 멤브레인 변형 형상을 관찰·기록하고, 모형 지반의 건조 밀도 및 함수비를 측정한다.
- 0mm의 변위 제어를 실시하였다. 그리고 재하에 따른 지반의 변형을 파악하기 위하여 침하 1.0mm 마다 멤브레인을 사진촬영하여 격자모양이 그려진 멤브레인 사각형 요소에서 각 절점의 변위 변화량으로부터 지반의 변형, 무신축 방향 등을 분석하였다(임 등, 1992). 지반 변형분석에 의한 무신축 방향은 임의의 요소에서 수직 변형률이 0인 방향으로 한 요소에서 2개가 정의되는데, 이 방향은 지반 파괴면의 방향과 일치하는 경우가 많아 전단면(Shear plane)의 위치를 구하는 등 해석상 대단히 중요한 의미를 가지고 있다(박, 2003).
- 0mm의 모형말뚝을 사용하였다. 마이크로파일을 원형의 재하판(B=4cm)과 일체화시켜, 지반의 상대밀도 95%(조밀), 68%(중간), 50%(느슨)의 3종류에 대해 파일 설치 각도(θ)와 길이(L)를 달리하여 실험하였다.
- 지반재료로 균질한 모래를 사용하였으며, 표면을 거칠게 할 목적으로 직경(D) 8mm의 강봉에 모래를 입혀서 제작한 직경 10mm의 모형말뚝을 원형기초 하부에 수직으로 설치하여 실험하였다. 말뚝 길이(L)는 직경의 50, 100, 150, 200배의 4종류에 대하여 말뚝 간격을 변화시켜 실험하였으며, Fig. 1의 실험결과에서 횡축은 말뚝 간격(s)을 말뚝 직경(D)으로 정규화한 것이고, 종축은 무리말뚝과 단말뚝의 지지력비로서 무리효율을 나타낸 것이다. 그림에서 말뚝 간격(s)이 직경(D)의 2~7배 범위일 때 무리말뚝의 지지력은 단말뚝의 지지력 합보다 큰 값, 즉 무리효율이 1.
- 일반적으로 보강토 이론에서 적용되는 개념은 ① 점착력 증가효과, ② 전단저항각 증가효과, ③ 구속응력 증가효과 등을 들 수 있으며, 본 실험 지반은 건조 모래로서 이에 적합한 개념으로 전단저항각 증가효과를 적용하여 마이크로파일 보강에 의해 증가된 지지력을 지반의 전단저항각(φ)의 증가로 유도하고자 한다. 먼저 파일 길이에 따른 극한 지지력(qu)을 이용하여 지지력 계수(Nγ = 2qu/γB)를 산정한 후, 이를 다수의 실험을 통해서 연구되고 제안된 DIN 4017(독일공업규격) 지지력식의 역산을 통해 지반의 전단저항각(φ)을 구한다. 결과를 파일 길이(L)에 따라 나타내면 Fig.
- 무보강 지반의 지지특성을 파악하기 위해 상대밀도(Dr)를 달리하여 실험하였으며, 실험 결과는 Fig. 9, Fig. 10과 같다. Fig.
- 본 연구에서는 기초의 하부지반에 마이크로파일 보강을 통해서 지지력 증가효과 및 침하 억제효과를 파악하고, 지반 변형분석을 통해 파괴 메커니즘을 관찰하여 보강 효과를 분석하였다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 실험에서는 강사(降砂)기에 의해 낙하고 1.2m를 유지하면서 지반을 조성하였으며, 주문진사의 물리적 성질은 Table 1과 같다. 여기서 최대 및 최소 건조밀도시험은 국내에서는 이에 대한 규정이 없어 JSF T161-1990의 규정(日本土質工學會, 1991)을 적용하였다.
- 마이크로파일에 의한 보강 효과를 지반-기초-파일과의 상호작용에 근거한 보강토 측면에서 정량적으로 평가하기 위해 보강토 개념(이 등, 1993)을 적용하고자 한다. 일반적으로 보강토 이론에서 적용되는 개념은 ① 점착력 증가효과, ② 전단저항각 증가효과, ③ 구속응력 증가효과 등을 들 수 있으며, 본 실험 지반은 건조 모래로서 이에 적합한 개념으로 전단저항각 증가효과를 적용하여 마이크로파일 보강에 의해 증가된 지지력을 지반의 전단저항각(φ)의 증가로 유도하고자 한다. 먼저 파일 길이에 따른 극한 지지력(qu)을 이용하여 지지력 계수(Nγ = 2qu/γB)를 산정한 후, 이를 다수의 실험을 통해서 연구되고 제안된 DIN 4017(독일공업규격) 지지력식의 역산을 통해 지반의 전단저항각(φ)을 구한다.
- 주문진사에 대해 역학적 특성을 파악하기 위해 다양한 상대밀도에 대하여 직접전단(Direct Shear), 삼축압축(Triaxial Compression), 평면변형률압축(Plane Strain Compression)시험을 실시하였다. 직접전단은 건조밀도 8종류, 삼축압축은 건조밀도 4종류에 대해서 구속압()을 100, 150, 200kPa, 평면 변형률압축은 건조밀도 6종류에 대해서 구속압을 80, 100, 150, 200kPa로 달리하여 시험하였다.
- 이(1991)는 사질토에서 그물씩 뿌리말뚝에 의한 기초 보강시, 효과적인 말뚝의 배치방법에 대해 실험을 통하여 연구하였다. 지반재료로 2mm의 체를 통과한 자연 건조사를 사용하였으며, 표면을 거칠게 할 목적으로 직경(D) 4mm의 강봉에 모래를 입혀서 제작한 직경 6.25mm의 모형말뚝을 이용하여 띠기초(L=25cm, B=5cm)의 인접지반에 설치하여 실험하였다. Fig.
- 지표면에서 파일 두부를 약 2.0cm 돌출시켜 연직으로 설치하고, 간격은 0.4B(B=10cm, Footing width)를 유지하면서 파일 직경 2, 4mm(이하 ‘D2’와 ‘D4’로 기술함), 본수(n)를 1, 2, 4, 12본, 길이(L)를 2B~5B로 달리하여 Fig. 12와 같이 실험하였다.
- 주문진사에 대해 역학적 특성을 파악하기 위해 다양한 상대밀도에 대하여 직접전단(Direct Shear), 삼축압축(Triaxial Compression), 평면변형률압축(Plane Strain Compression)시험을 실시하였다. 직접전단은 건조밀도 8종류, 삼축압축은 건조밀도 4종류에 대해서 구속압()을 100, 150, 200kPa, 평면 변형률압축은 건조밀도 6종류에 대해서 구속압을 80, 100, 150, 200kPa로 달리하여 시험하였다. Fig.
- 5cm의 직사각형 강판(강성 기초)을 사용하였다. 측벽 마찰의 영향을 감소시키기 위해 아크릴면과 멤브레인 사이에 도포된 실리콘 그리스로 마찰을 1차 감소시키고, 강판을 3등분하여 가운데 강판(폭 10cm, 길이 15cm)에 로드셀을 장착하여 측벽의 마찰을 최대한으로 감소시켜 재하 하중을 측정하였다. 본 연구에서 수행된 실험 조건을 정리하면 다음과 같다.
- 파일 두부와 지표면을 일치시키고, 길이(L) 4B, 간격(S) 0.4B를 유지하면서 Fig. 15의 우측 그림과 같이 기초하부 파일을 1열(CL), 2열(SL), 3열(TL)로 배치형태를 달리하여 실험하였다.
- 파일 배치형태에 따른 지지력(qu)을 무보강 극한지지력(qur)으로 정규화(BCR, Bearing Capacity Ratio)하여 Fig. 16에 나타냈으며, 개별 재하(Pile+UR)와 동시 재하(Soil+Pile)로 구분하여 정리하였다. 여기서, 개별 재하는 무보강 지반의 지지력(qur)과 돌출 파일의 지지력(qp)을 합한 것이고, 동시 재하는 파일의 두부를 지표면과 동일하게 했을 때의 지지력(qu)을 뜻한다.
대상 데이터
- 재하 하중에 의한 토조 변형을 억제하기 위해서 아크릴판의 외부에 충분한 강성을 가진 강재(ㄷ형강)로 보강하였으며, 재하판은 Fig. 5(c)의 폭 10cm, 길이 40cm, 두께 2.5cm의 직사각형 강판(강성 기초)을 사용하였다. 측벽 마찰의 영향을 감소시키기 위해 아크릴면과 멤브레인 사이에 도포된 실리콘 그리스로 마찰을 1차 감소시키고, 강판을 3등분하여 가운데 강판(폭 10cm, 길이 15cm)에 로드셀을 장착하여 측벽의 마찰을 최대한으로 감소시켜 재하 하중을 측정하였다.
- 塚田 등(1999)은 마이크로파일에 의한 지지력 보강 메커니즘을 명확히 파악하고자 모형실험을 실시하였다. 지반재료로 건조된 규사(硅砂)를 사용하였으며, 표면을 거칠게 할 목적으로 직경 1.8mm의 강봉에 모래를 입혀서 제작한 직경 2.0mm의 모형말뚝을 사용하였다. 마이크로파일을 원형의 재하판(B=4cm)과 일체화시켜, 지반의 상대밀도 95%(조밀), 68%(중간), 50%(느슨)의 3종류에 대해 파일 설치 각도(θ)와 길이(L)를 달리하여 실험하였다.
- Lizzi 등(1979)은 무리지어 시공되는 마이크로파일의 무리 효과에 대해서 실험을 통하여 연구하였다. 지반재료로 균질한 모래를 사용하였으며, 표면을 거칠게 할 목적으로 직경(D) 8mm의 강봉에 모래를 입혀서 제작한 직경 10mm의 모형말뚝을 원형기초 하부에 수직으로 설치하여 실험하였다. 말뚝 길이(L)는 직경의 50, 100, 150, 200배의 4종류에 대하여 말뚝 간격을 변화시켜 실험하였으며, Fig.
이론/모형
- 마이크로파일에 의한 보강 효과를 지반-기초-파일과의 상호작용에 근거한 보강토 측면에서 정량적으로 평가하기 위해 보강토 개념(이 등, 1993)을 적용하고자 한다. 일반적으로 보강토 이론에서 적용되는 개념은 ① 점착력 증가효과, ② 전단저항각 증가효과, ③ 구속응력 증가효과 등을 들 수 있으며, 본 실험 지반은 건조 모래로서 이에 적합한 개념으로 전단저항각 증가효과를 적용하여 마이크로파일 보강에 의해 증가된 지지력을 지반의 전단저항각(φ)의 증가로 유도하고자 한다.
- 4B로 일정하게 유지하고, 기초하부에 마이크로파일을 설치하여 파일 직경(D), 길이(L)를 달리하였을 때, 말뚝-지반-기초의 상호작용에 의한 보강효과를 모형실험을 통하여 확인하고자 하였다. 실험 결과에서 극한 지지력이 명확하지 않은 경우는 지지력의 산정 방법 중 Fig. 17과 같이 하중-침하곡선의 직선부 시작점을 극한지지력으로 취하는 Terzaghi/Yelinek 방법(이, 1991)을 적용하여 결정하였다.
- 2m를 유지하면서 지반을 조성하였으며, 주문진사의 물리적 성질은 Table 1과 같다. 여기서 최대 및 최소 건조밀도시험은 국내에서는 이에 대한 규정이 없어 JSF T161-1990의 규정(日本土質工學會, 1991)을 적용하였다. 평균 건조밀도는 1.
- 10으로부터 상대밀도(Dr)가 클수록 지지력(qur)이 증가하는 반면에 침하량(Sur/B)은 감소함을 알 수 있다. 전술한 주문진사의 역학시험 결과를 이용하여 무보강 지반의 상대밀도에 따른 실험값과 Meyerhof, Vesic 및 DIN 4017(독일공업규정) 등의 각 이론방법(Bowles, 1996)에 의한 값을 비교하여 Fig. 11에 나타냈다. Fig.
성능/효과
- Fig. 3(a)로부터 파일 길이가 기초폭(B)의 약 5배(약 25cm) 이상이면 지지력 증가 효과에 대한 길이의 영향은 거의 없음을 알 수 있다. 그리고 Fig.
- 1) 평면변형 상태에서 실험이 실시되었으며, 재하판(Plate, 폭(B)=10.0cm) 표면은 샌드페이퍼를 부착하여 거칠게 하였다.
- 1. 주문진사의 상대밀도(Dr)에 따른 φTC ≒ φDS는 유사한 값을 나타내고, 이론에 의한 얕은 기초 지지력 산정시 φPSC 적용은 다소 위험측이 될 수 있으며, φTC(≒ φDS)의 적용은 보수적인 관점에서의 설계가 될 수 있을 것으로 분석된다.
- 2. 돌출 파일에 대한 재하실험을 통해서 본당 지지력이 증가하는 ‘정의 무리효과’와 재하판의 지표면 접촉에 의해 지지력이 10~33% 증가하는 ‘지반의 구속효과’를 확인하였다.
- 3) 재하장치 및 변위계 설치 : 하중을 가할 수 있도록 재하판을 파일이 설치된 부분의 지표면 상부에 위치시키며, 이때 파일과 재하판은 연결되어 있지 않다. 이후 침하량 측정을 위해 변위계(1/100mm)를 설치한다.
- 3. 기초하부 파일 보강시의 하중-침하거동으로부터 조밀한 모래지반에서의 파일 직경(D)의 차이로 인해 전반전단과 국부전단 파괴거동이 발생하며, 이러한 거동상의 차이와 지반변형 분석 결과로부터 D2는 지반에 의한 저항이 지배적이며, D4는 파일의 주면저항이 지배적임을 알 수 있다.
- 4. 기초하부 보강시, 무보강에 비해 D2(직경=2mm)는 1.58~2.43배, D4는(직경=4mm) 1.92~3.81배의 지지력 증가효과를 나타내며, 파일 길이(L) 4B부터 지지력은 수렴 혹은 증가의 둔화 경향으로부터 유사한 조건에서 기초하부 보강시 효과적인 파일 길이(L)는 기초폭(B)의 약 4B~5B로 분석된다.
- 5. 기초하부 보강시, 파일 길이(L)에 따라 무보강에 비해 D2는 평균 63%, D4는 평균 71%의 침하억제 효과를 나타내어 D4가 더 큰 효과를 나타낸다. 그리고 D2는 길이 2B부터 일정한 경향을 나타내며, D4는 길이에 따라 침하억제 효과가 증가하는 경향을 나타낸다.
- 5(c) 참조)으로 정규화하여 주면적율(α=As/A0), 종축은 실험 결과(Qpn)를 산술 극한 하중(Qen)으로 정규화하여 무리효과(Qpn/Qen)로 정의하였다. Fig. 14로부터 주면적율(α)의 증가와 함께 무리효과도 증가함을 확인할 수 있으며, 동일한 주면적율에서 D2가 D4 보다 높은 무리효과를 나타냄으로써 지지력 증가는 D4가 크지만, 효율의 측면에서는 D2가 보다 양호한 결과를 나타냈다.
- Fig. 16의 결과로부터 파일의 배치형태 CL, SL, TL의 순으로 지지력이 증가됨을 알 수 있으며, 동시 재하에 의한 지지력(qu)이 개별 재하에 의한 지지력(qur + qp)보다 10~33% 정도 증가함을 알 수 있다. 이것은 기초와 지반의 접촉에 따른 지반의 구속효과(Confining effect)에 의한 영향으로 판단된다.
- 8mm)으로 정규화한 것이다. Fig. 20으로부터 D2는 무보강의 34~40%(평균 37%) 침하를 나타내어 파일 길이에 따라 일정하게 평균 63% 침하억제 효과를 나타내며, D4는 무보강의 15~45%(평균 29%)를 나타내어 평균 71%의 침하억제 효과를 나타내지만 파일 길이에 따라 억제 효과가 증가함을 알 수 있다. 이것은 Fig.
- 11로부터 어떤 추정식을 적용하느냐에 따라 이론과 실험결과는 많은 차이를 나타내고 있다. φPSC를 적용한 경우는 이론식보다 과소하게 평가되었으며, φTC를 적용한 경우는 이론식과 다소 차이를 나타내지만 정성적, 정량적으로 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 즉, φPSC를 기존의 이론식에 적용할 경우, 일반적인 허용 안전율(=3.
- 81배 지지력이 증가됨을 알 수 있으며, 파일 길이 4B이상에서 지지력이 수렴 혹은 증가가 둔화됨을 알 수 있다. 결과로부터 일정한 파일 길이 이상에서는 지지력 증가가 수렴 혹은 둔화됨으로서 지반-말뚝-기초의 상호작용에 의한 유효 파일 길이가 4B~5B임을 알 수 있다.
- 0)을 고려한 지지력은 얕은 기초(한국지반공학회, 2003)의 극한 지지력에 거의 상응하는 값이 될 수 있다. 따라서 이론식에 의한 지지력의 산정에는 φTC를 적용하는 것이 다소 보수적인 관점에서의 설계가 될 수 있을 것으로 분석된다.
- 실험 결과인 Fig. 18로부터 D2, D4 모두 파일 길이(L)가 증가함에 따라 지지력이 증가하는 경향을 나타내며, 특히 파괴 이후의 거동에 있어서 D2는 변형 연화현상, D4는 변형경화현상으로 상당한 차이를 나타낸다(한국지반공학회, 2003). Fig.
- 4(a)로부터 파일 길이(L) 50mm일 때는 각도 45도일 때 효과적이며, 길이 100mm일 때는 각도 30도일 때가 효과적인 것으로 나타났다. 여기에는 파일 길이(L)에 따른 마찰저항과 휨강성 효과, 지반의 구속효과 등이 상호작용하여 나타난 결과로서, 파일의 휨강성이 발휘되는 침하량(S)이 작은 단계에서는 구속효과와 휨강성 효과를 종합하여 연직에서 설치각도(θ)가 약 30도일 때가 효과적이라 기술하고 있다.
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