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문제 정의
- 또한 국내에서 수행된 항타강관말뚝 재하시험은 대부분 하중전이시험을 병행하지 않아 선단지지력과 주면마찰력을 구분할 수 있는 자료가 매우 제한적이었다. 따라서 본 연구에서는 국내의 현실을 고려하여 선단지지력과 주면마찰력을 합한 전체 지지력에 대한 저항편향계수를 산정하였다.
- 본 연구에서는 국내 기초구조물에 대한 저항계수 산정 및 하중저항계수설계법(LRFD) 개발의 일환으로 토목구조물의 기초로 범용화되어 있는 항타강관말뚝에 대한 저항편향계수를 산정하였다. 먼저, 국내 전역에서 실시된 많은 수의 항타 강관말뚝의 현장 재하시험 및 지반조사 자료를 수집하여 국내외의 기준에 따른 극한지지력을 산정한 후 통계 분석을 실시하여 말뚝의 대표 극한지지력을 결정하였다.
- 미국과 유럽을 포함한 선진외국에서는 기준 작성을 완료하여 시행중에 있으며, 특히 북미지역에서는 하중계수 조건 및 설계 실정에 적합한 저항계수를 산정하여 하중저항계수설계법을 이미 도입하였다. 본 연구에서는 국내의 독자적인 연구를 통해 국내 지반특성에 적합한 저항계수를 산정하기 위하여 많은 재하시험 자료를 수집, 검토하여 저항 편향계수를 산정하고 통계 특성을 분석하였다. 국내 기초구조물 중 사용성이 높은 항타강관말뚝에 대한 정재하시험 및지반조사, 실내실험 자료를 수집하여 국내외 다양한 기준에 따라 말뚝의 극한지지력을 산정하였으며, 수집된 자료의 지층 특성에 따라 자료를 분류하고 지반조사 결과를 이용하여 정역학적 지지력 공식과 N치를 이용한 경험식에 의한 설계 극한지지력을 산정하였다.
- 지역별 상이한 지층과 지반조건을 대변할 수 있는 충분한 양의 정도 높은 자료 축적이 선행되어야만 정확성 높은 신뢰성 평가가 이루어질 수 있으므로 저항편향계수의 분석에 있어 정도 높은 자료의 확보는 가장 중요한 업무 중의 하나이다. 본 연구의 목적상 극한지지력을 확인할 수 있는 재하시험 자료의 확보가 필수적이므로 연구목적의 보고서나 학위논문, 논문집 등에 보고된 자료를 수집하기 위해서 다양한 형태의 방대한 자료를 검토하였다(표 1).
제안 방법
- 2. 선정된 재하시험에 대해서 국내외의 6가지 극한지지력 산정법(Davisson 기준, ∆=25.4mm 방법, ∆=0.1D 방법, Shape of curve 방법, DeBeer 기준, ASCE 20-96 방법) 에 대해서 극한지지력을 분석하였다. 각 방법에 따른 지지력 결과를 분석하여 편차가 작고 반복 가능한 과정을 통해 객관적 수치를 얻을 수 있으며 적용성이 우수한 Davisson 기준을 말뚝의 대표 극한지지력을 평가하기 위한 방법으로 결정하였다.
- 1D 방법, Shape of curve 방법, DeBeer 기준, ASCE 20-96 방법) 에 대해서 극한지지력을 분석하였다. 각 방법에 따른 지지력 결과를 분석하여 편차가 작고 반복 가능한 과정을 통해 객관적 수치를 얻을 수 있으며 적용성이 우수한 Davisson 기준을 말뚝의 대표 극한지지력을 평가하기 위한 방법으로 결정하였다.
- 검토된 재하시험 자료 중 극한지지력의 확인이 가능한 총 43개 정재하시험 자료에 대해서 국내외 기준에서 제시하고 있는 극한지지력 결정방법에 따라 극한지지력을 결정하고 국내 설계기준에서 제시하고 있는 지지력 산정방법에 따라 설계 극한지지력을 산정하였다.
- 본 연구에서는 국내의 독자적인 연구를 통해 국내 지반특성에 적합한 저항계수를 산정하기 위하여 많은 재하시험 자료를 수집, 검토하여 저항 편향계수를 산정하고 통계 특성을 분석하였다. 국내 기초구조물 중 사용성이 높은 항타강관말뚝에 대한 정재하시험 및지반조사, 실내실험 자료를 수집하여 국내외 다양한 기준에 따라 말뚝의 극한지지력을 산정하였으며, 수집된 자료의 지층 특성에 따라 자료를 분류하고 지반조사 결과를 이용하여 정역학적 지지력 공식과 N치를 이용한 경험식에 의한 설계 극한지지력을 산정하였다. 이를 통해 저항편향계수를 산정하고 이에 대한 통계특성 규명 및 확률밀도함수를 분석하였다.
- 말뚝재하시험은 하중의 재하 방법에 따라 정재하시험, 동 재하시험, 기타 방법(양방향재하시험, 정·동재하시험, 간편 재하시험) 등으로 분류할 수 있는데 그 중 정재하시험이 실제 기초의 하중-침하 거동을 가장 정확히 반영하는 것으로 알려져 있으며(한국지반공학회, 2002), 정재하시험의 세 가지 재하방법인 완속재하, 급속재하, 반복재하 방법에 따른 재하 시험 결과는 유의할 만한 차이를 보이지 않는 것으로 알려져 있다(Paikowsky 등, 1999). 따라서 본 연구에서는 재하방법에 상관없이 정재하시험 결과를 말뚝의 대표 극한지지력으로 결정하였다.
- 주면부는 모두 혼합토 지층이었으며, 선단부는 풍화암이나 연암 등 암반층 또는 혼합토 지층이었다. 따라서 재하시험 자료는 말뚝의 선단부 지층을 기준으로 암반 선단과 혼합토 선단의 두 종류로 구분하였다.
- 43회의 재하시험 자료에 대하여 극한지지력을 산정한 결과는 표 3과 같다. 또한 산정된 극한지지력의 평균값과각 기준에 의한 결과를 통계 분석하여 말뚝의 대표 극한지지력을 결정하였다. 지층 조건에 따라 평균값에 대한 각 기준의 지지력 특성을 표 4에 나타내었으며, Ksx는 각 기준에 의한 값과 평균값의 비(평균/각 기준에 의한 지지력)이다.
- 먼저, 국내 전역에서 실시된 많은 수의 항타 강관말뚝의 현장 재하시험 및 지반조사 자료를 수집하여 국내외의 기준에 따른 극한지지력을 산정한 후 통계 분석을 실시하여 말뚝의 대표 극한지지력을 결정하였다. 또한 지반 조사 및 실내실험 결과를 이용하여 지지력 공식에 따른 설계 극한지지력을 산정하였다. 이렇게 결정된 대표 극한지지력과 설계 극한지지력에 대한 비교ㆍ분석을 실시하여 항타 강관말뚝의 저항편향계수를 산정하였으며, 이에 대한 통계 특성(평균, 표준편차와 변동계수, 분포형태)을 분석하였다.
- 지지력 공식에 의한 설계 극한지지력을 산정하기 위해서 구조물기초 설계기준(건설교통부, 2003)에서 제안하고 있는 일반적인 정역학적 지지력 공식 및 N치를 이용한 경험식(Meyerhof, 1976)을 43회 재하시험 자료에 대해 적용하였다. 말뚝 제원과 지반조건 등은 재하시험 사례와 동일하게 적용하였으며 선단부의 지층 구성에 따라 두 가지 지층 종류로(선단부 암반, 선단부 혼합토) 구분하였다. 점성토 지반의 주면마찰력은 α계수법을 적용하였으며, 비배수 전단강도에 대한 지반조사 결과가 부족한 자료에 대해서는 구조물기초 설계기준(건설교통부, 2003)에서 제안하고 있는 Hara 등 (1971)의 식을 적용하여 비배수전단강도를 추정하였다.
- 본 연구에서는 국내 기초구조물에 대한 저항계수 산정 및 하중저항계수설계법(LRFD) 개발의 일환으로 토목구조물의 기초로 범용화되어 있는 항타강관말뚝에 대한 저항편향계수를 산정하였다. 먼저, 국내 전역에서 실시된 많은 수의 항타 강관말뚝의 현장 재하시험 및 지반조사 자료를 수집하여 국내외의 기준에 따른 극한지지력을 산정한 후 통계 분석을 실시하여 말뚝의 대표 극한지지력을 결정하였다. 또한 지반 조사 및 실내실험 결과를 이용하여 지지력 공식에 따른 설계 극한지지력을 산정하였다.
- 국내 기초구조물 중 사용성이 높은 항타강관말뚝에 대한 정재하시험 및지반조사, 실내실험 자료를 수집하여 국내외 다양한 기준에 따라 말뚝의 극한지지력을 산정하였으며, 수집된 자료의 지층 특성에 따라 자료를 분류하고 지반조사 결과를 이용하여 정역학적 지지력 공식과 N치를 이용한 경험식에 의한 설계 극한지지력을 산정하였다. 이를 통해 저항편향계수를 산정하고 이에 대한 통계특성 규명 및 확률밀도함수를 분석하였다. 본 연구에서 도출한 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 저항편향계수를 결정하기 위해 재하시험으로부터 산정된 대표 극한지지력과 지지력 공식에 의해 산정된 설계 극한지지력을 비교ㆍ분석하고, 이들 자료의 통계분석을 수행하였다.
- 하중-침하 그래프의 크기 효과를 고려하기 위해서 말뚝의 탄성침하량 직선을 약 20도로 조정한 후 동일 그래프 상에서 각 기준을 적용하여 극한지지력을 판단하였다(Paikowsky, 2004). 43회의 재하시험 자료에 대하여 극한지지력을 산정한 결과는 표 3과 같다.
대상 데이터
- 1. 문헌조사 및 시공사, 설계회사, 연구기관 등의 협조를 받아 항타강관말뚝에 대한 약 2200여건의 현장재하시험, 지반조사, 실내실험 자료를 수집하였으며, 이에 대한 검토를 통해 극한지지력을 확인할 수 있는 총 43개의 지반조사및 재하시험 자료를 선정, 분석하였다.
- 항타강관말뚝의 저항편향계수를 분석하기 위해서 국내 각지역에서 실시된 항타강관말뚝의 설계 및 시공 사례와 함께 현장 재하시험, 현장 지반조사 자료, 실내 실험 자료를 수집하였다. 지역별 상이한 지층과 지반조건을 대변할 수 있는 충분한 양의 정도 높은 자료 축적이 선행되어야만 정확성 높은 신뢰성 평가가 이루어질 수 있으므로 저항편향계수의 분석에 있어 정도 높은 자료의 확보는 가장 중요한 업무 중의 하나이다.
데이터처리
- 3. 재하시험에 의한 대표 극한지지력과 지지력 공식에 의한 설계 극한지지력을 비교·분석하여 저항편향계수를 산정하였으며, 저항편향계수의 통계 특성치 및 확률밀도함수를 분석하였다. 정역학적 지지력 공식은 0.
- 또한 지반 조사 및 실내실험 결과를 이용하여 지지력 공식에 따른 설계 극한지지력을 산정하였다. 이렇게 결정된 대표 극한지지력과 설계 극한지지력에 대한 비교ㆍ분석을 실시하여 항타 강관말뚝의 저항편향계수를 산정하였으며, 이에 대한 통계 특성(평균, 표준편차와 변동계수, 분포형태)을 분석하였다.
이론/모형
- 점성토 지반의 주면마찰력은 α계수법을 적용하였으며, 비배수 전단강도에 대한 지반조사 결과가 부족한 자료에 대해서는 구조물기초 설계기준(건설교통부, 2003)에서 제안하고 있는 Hara 등 (1971)의 식을 적용하여 비배수전단강도를 추정하였다. N치를 이용한 경험식에서는 국내 실무에서 표준관입시험 N치로부터 말뚝의 지지력을 추정하는 경우 일반적으로 보정이 행해지지 않고 있으며 실험 장비, 에너지효율 측정 및 해석법에 따라 그 편차가 큰 것으로 알려져 있으므로(한국지반공학회, 1997) 보정하지 않은 N치 결과를 적용하였다.
- 반면에 Davisson(1972) 기준은 반복 가능한 과정을 통해 객관적 수치를 얻음으로 인해 Ksx의 분산성이 낮았으며 많은 자료에 적용가능 함으로써 우수한 적용성을 보였다. 따라서, 본 연구에서는 말뚝의 대표 극한지지력은 Davisson(1972) 기준에 의한 결과를 적용하였다.
- 말뚝의 재하시험 자료를 분석하여 극한지지력을 산정하기 위해 구조물기초 설계기준(건설교통부, 2003)과 깊은기초의 저항계수 결정에 관한 미국의 NCHRP(National Coorporative Highway Research Program) 연구보고서(Paikowsky 등, 2004) 등에서 제안하는 극한지지력 산정 기준을 적용하였다 (표 2). 또한 국내에서 수행된 항타강관말뚝 재하시험은 대부분 하중전이시험을 병행하지 않아 선단지지력과 주면마찰력을 구분할 수 있는 자료가 매우 제한적이었다.
- 말뚝 제원과 지반조건 등은 재하시험 사례와 동일하게 적용하였으며 선단부의 지층 구성에 따라 두 가지 지층 종류로(선단부 암반, 선단부 혼합토) 구분하였다. 점성토 지반의 주면마찰력은 α계수법을 적용하였으며, 비배수 전단강도에 대한 지반조사 결과가 부족한 자료에 대해서는 구조물기초 설계기준(건설교통부, 2003)에서 제안하고 있는 Hara 등 (1971)의 식을 적용하여 비배수전단강도를 추정하였다. N치를 이용한 경험식에서는 국내 실무에서 표준관입시험 N치로부터 말뚝의 지지력을 추정하는 경우 일반적으로 보정이 행해지지 않고 있으며 실험 장비, 에너지효율 측정 및 해석법에 따라 그 편차가 큰 것으로 알려져 있으므로(한국지반공학회, 1997) 보정하지 않은 N치 결과를 적용하였다.
- 지지력 공식에 의한 설계 극한지지력을 산정하기 위해서 구조물기초 설계기준(건설교통부, 2003)에서 제안하고 있는 일반적인 정역학적 지지력 공식 및 N치를 이용한 경험식(Meyerhof, 1976)을 43회 재하시험 자료에 대해 적용하였다. 말뚝 제원과 지반조건 등은 재하시험 사례와 동일하게 적용하였으며 선단부의 지층 구성에 따라 두 가지 지층 종류로(선단부 암반, 선단부 혼합토) 구분하였다.
성능/효과
- 46의 저항편향계수값을 나타냄으로써, N치를 이용한 경험식은 지지력을 과소평가하는 경향이 있음을 확인하였다. 또한 저항편향계수의 변동계수는 정역학적 지지력 공식의 경우 0.67, N치를 이용한 경험식은 0.74를 나타내었으며, 이로써 두 방법 중 정역학적 지지력 공식의 불확실성이 상대적으로 낮으며 보다 일관성 있는 설계 결과를 도출함을 예상할 수 있다.
- 지지력 공식에 의한 설계 극한지지력 평가를 위해서는 말뚝기초가 근입된 선단과 주면 지층에 대한 분석이 우선되어야 한다. 선정된 43회의 재하시험 자료에 대한 선단 및 주면의 지층은 단일 지층보다는 모래질, 자갈질, 실트질, 점토질 등 여러 가지 상이한 지층이 섞여 있는 혼합토 지층을 보였는데, 이는 국내의 지반특성이 그대로 반영된 것으로 판단된다. 주면부는 모두 혼합토 지층이었으며, 선단부는 풍화암이나 연암 등 암반층 또는 혼합토 지층이었다.
- 선정된 재하시험 자료의 분류 결과 말뚝의 직경은 406 mm~812mm에 걸쳐 분포하고 있으며, 말뚝 길이 역시 10m 미만(23%), 10m~30m(40%), 30m 이상(37%)으로 고르게 분포하고 있다. 또한 재하시험 수행 지역은 제주 지역을 제외한 전국 각지에 걸쳐 분포하고 있다.
- 표 6은 설계 극한지지력과 Davisson 기준(1972)에 의한 대표 극한지지력을 비교하여 저항편향계수를 산정한 분석 결과이다. 저항편향계수의 N치를 이용한 경험식은 1.0보다 큰 저항편향계수를 보임으로써 평균적으로 지지력을 과소평가하는 경향을 나타내었다. 또한 변동계수는 지지력 산정법의 불확실성을 나타내는 지표로서 N치를 이용한 경험식의 변동계수는 0.
- 저항편향계수(λR)는 식 (8)과 같이 재하시험을 통해 측정된 대표적 저항(극한지지력) 값에 대한 설계방법에 따라 예측되는 저항(극한지지력) 값의 비로써 나타내며 변동계수와 더불어 저항계수의 값을 결정하는 중요한 설계변수 중의 하나이다. 저항편향계수의 값이 1보다 크고 작음에 따라 (λR<0.1 or λR<1.0) 적용된 설계법의 지지력 과소 또는 과대평가 여부 및 그 정도를 확인할 수 있으며, 저항편향계수가 1.0보다 크면 설계법의 내재적 보수성이 고려되므로 저항편향계수가 1.0에 근접한 설계법에 비해 동일한 조건하에서 저항계수 값이 증가하는 결과를 보이게 된다. Paikowsky 등(2004)은 분산정도가 동일한 조건하에서(COVR=0.
- 재하시험에 의한 대표 극한지지력과 지지력 공식에 의한 설계 극한지지력을 비교·분석하여 저항편향계수를 산정하였으며, 저항편향계수의 통계 특성치 및 확률밀도함수를 분석하였다. 정역학적 지지력 공식은 0.98, N치를 이용한 경험식은 1.46의 저항편향계수값을 나타냄으로써, N치를 이용한 경험식은 지지력을 과소평가하는 경향이 있음을 확인하였다. 또한 저항편향계수의 변동계수는 정역학적 지지력 공식의 경우 0.
- 두 가지 지지력 설계 공식에 대한 저항편향계수의 정규 분포 및 대수정규분포의 확률밀도함수(PDF)는 그림 4와 같다. 통계분석의 신뢰성 있는 결과도출을 위하여 저항편향계수의 평균값을 기준으로 ±(2×표준편차) 범위 밖에 있는 몇몇 경우를 제외하면 정역학적 지지력 공식과 N치를 이용한 경험식 모두 저항편향계수의 확률밀도함수는 정규분포 보다는 상대적으로 대수정규분포에 가까운 형태를 보임을 확인하였다.
- 표 4에 나타난 바와 같이 전침하량 기준 ∆=0.1B과 ASCE 20-96 기준은 적용가능 대상 자료의 수가 상대적으로 작았을 뿐만 아니라 Ksx의 평균값이 1.0보다 작음으로서 타 방법과 비교하여 지지력을 과대평가하는 경향을 보였다. Shape of curve 기준과 DeBeer(1970)기준은 주관적 판단여부가 지지력 결정에 지대한 영향을 미치는 특성상 Ksx의 분산정도가 심하였으며, ∆=25.
후속연구
- 본 연구 결과는 향후 신뢰성 분석기법의 개발, 신뢰도 지수 결정 및 저항계수 산정을 위한 유용한 자료가 될 것이며 항타강관말뚝 뿐만 아니라 다양한 기초구조물 및 지반구조물의 하중저항계수설계법(LRFD) 개발을 위한 기초 자료로도 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
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