[국내논문]수치해석을 통한 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면부 거동특성 분석 및 설계차트 제시 Numerical Analyses on the Behavioral Characteristics of Side of Drilled Shafts in Rocks and Suggestion of Design Charts원문보기
현장타설말뚝이 주면저항력에 의해서만 지지되는 상황은 천공홀 바닥을 청소할 수 없어서 선단부 지지력의 반현 여부를 확신할 수 없을 때이다. 반대로, 신선한 기반암이 낮은 강도의 상부 재료 하부에 있는 경우는 암반에서의 선단지지력만으로 상부 하중을 지탱할 수 있으며, 상부 재료에서는 지지력 발현을 기대하지 않아도 된다. 그러나 신선암에서 일정 깊이 천공을 실시한 경우, 현장타설말뚝은 주면저항력과 선단지지력 모두를 기대할 수 있다. 암반에 근입된 현장타설말뚝의 거동에 관한 이론적 연구와 현장 시험을 통하여 작용 하중의 대부분이 통상 주면저항력에 의해서 지지되게 된다는 사실이 알려져 있다. 암-콘크리트 접촉면에서의 수직응력은 두 가지 기구에 의해 증가하게 된다. 먼저, 말뚝 상부에 작용하는 압축하중에 의해서 콘크리트는 탄성 다이레이션이 발생하고 두 번째로 거친 천공홀 표면에서 전단 변위를 통해서 접촉면의 역학적 다이레이션이 발생되게 된다. 수직 변위에 대한 근입부 주변 물질의 강성도가 일정하면, 작용하중이 증가함에 따라서 수직응력은 증가하게 되며 따라서, 전단강도의 증가 현상이 발생하게 된다. 본 연구에서는 수치해석을 통하여 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면부 거동특성을 조사하였다. 또한, 두부의 하중-침하량(선단부 침하량+말뚝의 탄성변형량) 관계가 비선형성을 띠는 원인 및 파괴기구를 충분히 조사함으로써 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면저항력에 영향을 미치는 요소들을 모두 고려하여 국내 풍화암 및 연암에 근입되는 현장타설말뚝의 설계차트를 제시하고 이를 검증하였다.
현장타설말뚝이 주면저항력에 의해서만 지지되는 상황은 천공홀 바닥을 청소할 수 없어서 선단부 지지력의 반현 여부를 확신할 수 없을 때이다. 반대로, 신선한 기반암이 낮은 강도의 상부 재료 하부에 있는 경우는 암반에서의 선단지지력만으로 상부 하중을 지탱할 수 있으며, 상부 재료에서는 지지력 발현을 기대하지 않아도 된다. 그러나 신선암에서 일정 깊이 천공을 실시한 경우, 현장타설말뚝은 주면저항력과 선단지지력 모두를 기대할 수 있다. 암반에 근입된 현장타설말뚝의 거동에 관한 이론적 연구와 현장 시험을 통하여 작용 하중의 대부분이 통상 주면저항력에 의해서 지지되게 된다는 사실이 알려져 있다. 암-콘크리트 접촉면에서의 수직응력은 두 가지 기구에 의해 증가하게 된다. 먼저, 말뚝 상부에 작용하는 압축하중에 의해서 콘크리트는 탄성 다이레이션이 발생하고 두 번째로 거친 천공홀 표면에서 전단 변위를 통해서 접촉면의 역학적 다이레이션이 발생되게 된다. 수직 변위에 대한 근입부 주변 물질의 강성도가 일정하면, 작용하중이 증가함에 따라서 수직응력은 증가하게 되며 따라서, 전단강도의 증가 현상이 발생하게 된다. 본 연구에서는 수치해석을 통하여 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면부 거동특성을 조사하였다. 또한, 두부의 하중-침하량(선단부 침하량+말뚝의 탄성변형량) 관계가 비선형성을 띠는 원인 및 파괴기구를 충분히 조사함으로써 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면저항력에 영향을 미치는 요소들을 모두 고려하여 국내 풍화암 및 연암에 근입되는 현장타설말뚝의 설계차트를 제시하고 이를 검증하였다.
Situations where support is provided solely in shaft resistance of drilled shafts are where the base of the drilled hole cannot be cleaned so that it is uncertain that any end bearing support will be developed. Alternatively, where sound bed rock underlies low strength overburden material, it may be...
Situations where support is provided solely in shaft resistance of drilled shafts are where the base of the drilled hole cannot be cleaned so that it is uncertain that any end bearing support will be developed. Alternatively, where sound bed rock underlies low strength overburden material, it may be possible to achieve the required support in end bearing on the rock only, and assume that no support is developed in the overburden. However, where the drilled shaft is drilled some depth into sound rock, a combination of side wall resistance and end bearing can be assumed. Both theoretical and field studies of the performance of rock socketed drilled shafts show that the major portion of applied load is usually carried in side wall resistance. Normal stress at the rock-concrete interface is induced by two mechanisms. First, application of a compressive load on the top of the pile results in elastic dilation of the concrete, and second, shear displacement at the rough surface of the drilled hole results in mechanical dilation of the interface. If the stiffness of the material surrounding the socket with respect to normal displacement is constant, then the normal stress will increase with increasing applied load, and there will be a corresponding increase in the shear strength. In this study, the numerical analyses are carried out to investigate the behavioral characteristics of side of rock socketed drilled shafts. The cause of non-linear head load-settlement relationship and failure mechanism at side are also investigated properly and the design charts are suggested and verified for the leading to greater efficiency and reliability in the pile design.
Situations where support is provided solely in shaft resistance of drilled shafts are where the base of the drilled hole cannot be cleaned so that it is uncertain that any end bearing support will be developed. Alternatively, where sound bed rock underlies low strength overburden material, it may be possible to achieve the required support in end bearing on the rock only, and assume that no support is developed in the overburden. However, where the drilled shaft is drilled some depth into sound rock, a combination of side wall resistance and end bearing can be assumed. Both theoretical and field studies of the performance of rock socketed drilled shafts show that the major portion of applied load is usually carried in side wall resistance. Normal stress at the rock-concrete interface is induced by two mechanisms. First, application of a compressive load on the top of the pile results in elastic dilation of the concrete, and second, shear displacement at the rough surface of the drilled hole results in mechanical dilation of the interface. If the stiffness of the material surrounding the socket with respect to normal displacement is constant, then the normal stress will increase with increasing applied load, and there will be a corresponding increase in the shear strength. In this study, the numerical analyses are carried out to investigate the behavioral characteristics of side of rock socketed drilled shafts. The cause of non-linear head load-settlement relationship and failure mechanism at side are also investigated properly and the design charts are suggested and verified for the leading to greater efficiency and reliability in the pile design.
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문제 정의
기존 국내외 재하시험 자료 중 국내 풍화암 및 연암의 일축압축강도인 20~100MPa 범위의 암반에 근입된 현장타설말 뚝의 국내외 재하시험 자료를 이용하여 본 연구에서 제시한 설계도표의 적절성을 검증하였다. 국내ㆍ외 재하시험 자료는 많이 있으나 이 가운데 위의 조건을 만족하고 극한지지력까지 확인한 재하시험 자료는 많지 않았다.
본 연구에서는 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면부 거동 특성을 규명하기 위하여 FLAC 2D를 이용하여 해석을 실시하였다. 이러한 과정에서 도출된 본 연구의 결론을 정리하면 다음과 같다.
본 절에서는 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면부 거동특성을 규명하기 위해서 실시한 본 해석의 적절성을 검증하기 위하여 기 제시된 암석의 일축압축강도를 이용한 주면저항력 산정식을 사용하여 산출되는 최대 단위주면저항력을 비교하여 보았다.
표 1과 표 2에는 본 연구에서 거칠기 특성에 따른 주면부 거동특성을 조사하기 위하여 거칠기 각도를 일정하게 하고 거칠기 높이를 증가시킨 경우에 대한 거칠기 요소의 소성영역 발생영역의 기하학적 형상과 거칠기 높이를 일정하게 하고 거칠기 각도를 증가시켰을 때의 거칠기 요소의 소성영역 발생영역의 기하학적 형상을 제시한 것이다.
가설 설정
본 연구에서 사용된 프로그램은 지반공학분야에서 널리 쓰이고 있는 FLAC 2D(Ver. 3.3)로서, 연속체역학에 기초한 프로그램으로 암반과 말뚝의 접촉면을 제외한 부분은 연속 체로 가정하였다. 말뚝과 암반의 접촉면에서는 FLAC 프로그램에서 제공하는 interface 요소로 해석을 실시하여 말뚝과 암반 경계면의 미끄러짐과 분리(다이레이션) 현상을 모델링 하였다.
5GPa이고, 포아슨 비(νc)는 이다. 암반 근입부의 적용 물성치는 균질한 등방성 재료로 가정하였다. 암반-말뚝의 접촉면은 그림 1과 같은 삼각형 형태의 선형 세그먼트를 연속으로 이어서 형상화하였다(그림 2).
그러나 그림 13에 제시한 바와 같이 다이레이션이 발생하게 되면 거칠기 빗변의 길이가 짧을 수록 접촉면적은 작아지게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 깊이에 따라 각각의 요소들의 변형특성은 거의 동일하기 때문에 이 설명은 설득력을 갖는 가정으로 판단된다. 이것은 거칠기 높이가 5mm일 때와 10mm일 때의 최대주응력의 크기를 비교한 그림 13에서도 확인할 수 있다.
제안 방법
(2) 말뚝 두부에서 단계적으로 하중을 가하여 해석이 수렴되지 않거나 소성영역이 말뚝을 따라서 암반 근입부 전체에 소성영역이 발생한 시점(또는 콘크리트-암반 근입부의 접촉면 전체에서 미끄러짐 현상이 발생하는 때로 가정하였으나, 실제 해석결과에서는 이러한 현상이 발생하기 전에 암반 근입부 전체에서 소성현상이 발생하였다) 까지 구조하중을 두부에 단계적으로 올려서 적용
그러나 그림 10에 제시한 호주 Monash 대학에서의 직접 전단시험결과를 살펴보면, 다이레이션이 수 mm에 이르는 것을 알 수 있다(조 등, 2003). CNS 전단시험을 실시하는 과정에서 일정수직강성도를 100~960kPa 범위의 값으로 주어 실험을 진행되었다. 즉, 이러한 차이는 같은 말뚝 및 암반에 실시되었으므로 재료의 차이로 보기는 힘들며 일정수직강성도의 차이로 추정된다.
본 설계차트 제시에 사용된 일축압축강도 및 GSI는 국내 풍화암 및 연암의 물성치에 해당하는 20MPa~100MPa, GSI 는 풍화암의 값에 해당하는 10~40, 연암에서는 10~60으로 설정하였다. mi 는 장 등(1999)의 국내 화강암과 편마암에 대한 연구결과를 이용하여 18로 사용하였으며, D는 0일 때 시공에 의한 암반의 교란이 발생하지 않으므로 그때 산출되는 Mohr-Coulomb 강도 정수를 상한의 최대주면저항력 산정시 적용하였으며, D를 1로 설정했을 때 시공에 의한 암반의 상태 교란이 가장 크므로 그 때 산출되는 MohrCoulomb 강도 정수를 하한의 최소주면저항력 산정시 적용하였다. 또한 암반 근입부의 거칠기 높이는 이 등의 연구결과에서, 최대주면저항력은 거칠기높이 증가와 함께 증가하므로, Collingwood에 제시된 거칠기 높이의 상, 하한값을 이용하여 상한의 최대주면저항력 산정시는 최대 거칠기 높이를 적용하였으며, 하한의 최대주면저항력 산정시는 최소 거칠기 높이를 적용하여 해석을 실시하였다.
거칠기 길이는 조 등(2003)에 제시된 국내 현장에 대한 거칠기 측정자료로부터, 거칠기 높이 및 경사가 수렴하는 길이인 50mm로 설정하였다. 거칠기 높이는 Seidel에 제시된 암석의 일축압축강도에 따른 거칠기 높이에서 국내 풍화암 및 연암의 일축압축강도인 20~100MPa에서 평균값에 해당하는 3mm로 설정하였다. 거칠기 높이에 대한 변수 연구에서는 Seidel에 제시된 거칠기 높이 중 국내 풍화암 및 연암의 일축압축강도인 20~100MPa에서 최대 및 최소 높이 및 그 중간 정도의 높이를 나타내는 1mm, 5mm, 10mm로 거칠기의 높이를 검토하였으며, 이때 거칠기 경사의 영향을 없애기 위하여 거칠기 경사는 3o 로 일정하게 유지하였다.
거칠기 높이는 Seidel에 제시된 암석의 일축압축강도에 따른 거칠기 높이에서 국내 풍화암 및 연암의 일축압축강도인 20~100MPa에서 평균값에 해당하는 3mm로 설정하였다. 거칠기 높이에 대한 변수 연구에서는 Seidel에 제시된 거칠기 높이 중 국내 풍화암 및 연암의 일축압축강도인 20~100MPa에서 최대 및 최소 높이 및 그 중간 정도의 높이를 나타내는 1mm, 5mm, 10mm로 거칠기의 높이를 검토하였으며, 이때 거칠기 경사의 영향을 없애기 위하여 거칠기 경사는 3o 로 일정하게 유지하였다. 또한 거칠기 경사의 영향을 알아보기 위하여 거칠기 경사는 2o , 4o 및 6o 의 값에 대하여 거칠기 높이를 3mm로 일정하게 가정하여 거칠기 높이의 영향을 배제한 거칠기 경사의 영향을 검토하였다.
거칠기 요소 하나를 모델링하는데 약 100개의 요소를 사용하여 Seidel의 연구결과 중에서 내부 파괴 형상을 소성상태가 된 요소들의 전체적인 형상으로 확인하였다. 말뚝과 주변 암반접촉면을 따라서 발생하는 미끄러짐 및 분리(다이레이션)는 FLAC 프로그램에서 제시한 Cundall과 Hart(1992) 의 개별요소법을 적용하였다.
그리고 설계차트에 대한 검증을 위하여 기존 문헌에 제시된, 재하시험으로 도출된 극한지지력과 비교하였으며, 또한 기존 경험식과의 비교를 통하여 적절성을 검증하였다.
또한 선단지지력 효과의 배제를 위하여 선단부 하부 지반은 모델링하지 않았다. 단지, 경계조건은 말뚝 하부는 자유단으로 설정하고, 암반층 하부는 y축 방향의 변위를 억제하는 로울러로, 암반층 측면은 x축 방향의 변위를 억제하는 로울러로 설정하였다.
두부 하중-침하량 곡선이 비선형성을 나타내는 원인을 분석하기 위하여 두부에서의 각 하중단계별로 접촉면에서의 미끄러짐 발생 여부와 근입부 암반의 소성 상태 발생 여부를 확인하여 보았다. 그림 5(a)에서 알 수 있듯이 두부에서 177kN 작용시는 접촉면의 미끄러짐 및 암반 내부에서 어떠한 파괴도 발생하지 않았음을 알 수 있다.
거칠기 높이에 대한 변수 연구에서는 Seidel에 제시된 거칠기 높이 중 국내 풍화암 및 연암의 일축압축강도인 20~100MPa에서 최대 및 최소 높이 및 그 중간 정도의 높이를 나타내는 1mm, 5mm, 10mm로 거칠기의 높이를 검토하였으며, 이때 거칠기 경사의 영향을 없애기 위하여 거칠기 경사는 3o 로 일정하게 유지하였다. 또한 거칠기 경사의 영향을 알아보기 위하여 거칠기 경사는 2o , 4o 및 6o 의 값에 대하여 거칠기 높이를 3mm로 일정하게 가정하여 거칠기 높이의 영향을 배제한 거칠기 경사의 영향을 검토하였다.
mi 는 장 등(1999)의 국내 화강암과 편마암에 대한 연구결과를 이용하여 18로 사용하였으며, D는 0일 때 시공에 의한 암반의 교란이 발생하지 않으므로 그때 산출되는 Mohr-Coulomb 강도 정수를 상한의 최대주면저항력 산정시 적용하였으며, D를 1로 설정했을 때 시공에 의한 암반의 상태 교란이 가장 크므로 그 때 산출되는 MohrCoulomb 강도 정수를 하한의 최소주면저항력 산정시 적용하였다. 또한 암반 근입부의 거칠기 높이는 이 등의 연구결과에서, 최대주면저항력은 거칠기높이 증가와 함께 증가하므로, Collingwood에 제시된 거칠기 높이의 상, 하한값을 이용하여 상한의 최대주면저항력 산정시는 최대 거칠기 높이를 적용하였으며, 하한의 최대주면저항력 산정시는 최소 거칠기 높이를 적용하여 해석을 실시하였다. 이렇게 산출한 암석의 일축압축강도별 최대·최소 거칠기 높이는 표 3과 같다.
3)로서, 연속체역학에 기초한 프로그램으로 암반과 말뚝의 접촉면을 제외한 부분은 연속 체로 가정하였다. 말뚝과 암반의 접촉면에서는 FLAC 프로그램에서 제공하는 interface 요소로 해석을 실시하여 말뚝과 암반 경계면의 미끄러짐과 분리(다이레이션) 현상을 모델링 하였다. 암반에 근입되는 현장타설말뚝의 경우는 통상 군효과를 무시함으로 본 연구에서는 단항 형태의 현장타설말뚝에 대해서 축대칭모델(axi-symmetry)을 이용하여 해석을 실시하였다.
본 연구에서는 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면부 거동 특성을 분석하기 위하여 FLAC 2D(Ver. 3.3)를 이용하여 주면부의 미소한 거동을 분석하였다. 이를 통하여 두부 하중침하량 관계의 비선형성 및 진행성 파괴기구 등을 조사하였다.
암반에 근입되는 현장타설말뚝의 경우는 통상 군효과를 무시함으로 본 연구에서는 단항 형태의 현장타설말뚝에 대해서 축대칭모델(axi-symmetry)을 이용하여 해석을 실시하였다. 수평방향 모델링은 대칭축으로부터 40D(D : 말뚝의 직경), 연직방향 모델링은 암반 근입부만 모델링하였다. 또한 선단지지력 효과의 배제를 위하여 선단부 하부 지반은 모델링하지 않았다.
말뚝 주면부에 대한 모델링은 일정한 삼각형 거칠기로 이루어진 이상화된 콘크리트-암반에 대한 수치 해석적 방법으로 묘사되었다. 이 모델은 기본적인 암반의 강도와 변형 특성을 고려하였으며, 근입부의 형상과 콘크리트암반 접촉면의 다이레이션(암반층에 대해서 말뚝의 상대적인 이동에 의해서 말뚝과 암반 경계면이 벌어지는 현상)을 고려 하였다.
이러한 결과의 확인을 위하여 그림 16에 거칠기 빗변의 길이를 일정하게 5cm로 하고, 거칠기 높이 및 거칠기 각도를 변화시켜서 소성영역의 발생 범위를 확인하기 위한 그림을 제시하였다. 그림 16에서 알 수 있듯이 거칠기 요소의 전면부 길이가 일정할 경우, 소성영역의 발생 범위는 거의 변화가 없음을 알 수 있다.
이를 통하여 두부 하중침하량 관계의 비선형성 및 진행성 파괴기구 등을 조사하였다. 이러한 분석을 통하여 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면저항력에 영향을 미치는 요소들을 모두 고려한 국내 풍화암 및 연암에 근입되는 현장타설말뚝의 설계차트를 제시하였다.
3)를 이용하여 주면부의 미소한 거동을 분석하였다. 이를 통하여 두부 하중침하량 관계의 비선형성 및 진행성 파괴기구 등을 조사하였다. 이러한 분석을 통하여 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면저항력에 영향을 미치는 요소들을 모두 고려한 국내 풍화암 및 연암에 근입되는 현장타설말뚝의 설계차트를 제시하였다.
Mohr-Coulomb의 모델을 사용하여 두 물질 사이의 미끄러짐을 표현하였다. 즉, 본 연구에서는 접촉면을 형성하는 하나의 세그먼트에서의 응력상태가 Mohr-Coulomb 파괴기준에서 정의하는 소성상태(파괴)시를 미끄러짐현상이 발생하는 것으로 정의하였다. 접촉면에 사용된 Mohr-Coulomb의 모델은 배수상태로 가정하여 내부마찰 각은 30o , 점착력 및 인장강도 성분은 없는 것으로 설정하였으며, 이것은 다른 연약한 암이나 IGM 값을 대표한다고볼 수 있다(Hassan과 O'Neill, 1997).
대상 데이터
암반-말뚝의 접촉면은 그림 1과 같은 삼각형 형태의 선형 세그먼트를 연속으로 이어서 형상화하였다(그림 2). 거칠기 길이는 조 등(2003)에 제시된 국내 현장에 대한 거칠기 측정자료로부터, 거칠기 높이 및 경사가 수렴하는 길이인 50mm로 설정하였다. 거칠기 높이는 Seidel에 제시된 암석의 일축압축강도에 따른 거칠기 높이에서 국내 풍화암 및 연암의 일축압축강도인 20~100MPa에서 평균값에 해당하는 3mm로 설정하였다.
본 설계차트 제시에 사용된 일축압축강도 및 GSI는 국내 풍화암 및 연암의 물성치에 해당하는 20MPa~100MPa, GSI 는 풍화암의 값에 해당하는 10~40, 연암에서는 10~60으로 설정하였다. mi 는 장 등(1999)의 국내 화강암과 편마암에 대한 연구결과를 이용하여 18로 사용하였으며, D는 0일 때 시공에 의한 암반의 교란이 발생하지 않으므로 그때 산출되는 Mohr-Coulomb 강도 정수를 상한의 최대주면저항력 산정시 적용하였으며, D를 1로 설정했을 때 시공에 의한 암반의 상태 교란이 가장 크므로 그 때 산출되는 MohrCoulomb 강도 정수를 하한의 최소주면저항력 산정시 적용하였다.
콘크리트 말뚝은 등방성, 동질성, 탄성 솔리드요소로 모델링하였다. 콘크리트의 탄성계수(Ec)는 25.
이론/모형
Hoek-Brwon 파괴규준(1980)에서 무결암의 물성치로부터 암반에서의 절리 특성에 기초하여 이들 물성치의 감소를 고려할 수 있도록 하기 위해서 암반분류체계의 하나를 지질학적 관찰과 파괴규준을 연관시키기 위하여 Bieniawski(1976) 의 RMR(rock mass rating)을 채택하게 되었다.
말뚝과 주변 암반접촉면을 따라서 발생하는 미끄러짐 및 분리(다이레이션)는 FLAC 프로그램에서 제시한 Cundall과 Hart(1992) 의 개별요소법을 적용하였다. Mohr-Coulomb의 모델을 사용하여 두 물질 사이의 미끄러짐을 표현하였다. 즉, 본 연구에서는 접촉면을 형성하는 하나의 세그먼트에서의 응력상태가 Mohr-Coulomb 파괴기준에서 정의하는 소성상태(파괴)시를 미끄러짐현상이 발생하는 것으로 정의하였다.
거칠기 요소 하나를 모델링하는데 약 100개의 요소를 사용하여 Seidel의 연구결과 중에서 내부 파괴 형상을 소성상태가 된 요소들의 전체적인 형상으로 확인하였다. 말뚝과 주변 암반접촉면을 따라서 발생하는 미끄러짐 및 분리(다이레이션)는 FLAC 프로그램에서 제시한 Cundall과 Hart(1992) 의 개별요소법을 적용하였다. Mohr-Coulomb의 모델을 사용하여 두 물질 사이의 미끄러짐을 표현하였다.
본 연구에서는 설계도표를 만들기 위한 해석과정에서 사용된 암반과 관련된 물성치(내부마찰각, 점착력, 인장강도 및 탄성계수)는 Hoek-Brown 파괴규준(2002)을 이용하여 산출하였다. Hoek-Brown 파괴규준(2002)을 이용하여 암반의 물성치를 결정할 때, 사용되는 입력치는 암석의 일축압축강도, GSI, mi 및 D이다.
말뚝과 암반의 접촉면에서는 FLAC 프로그램에서 제공하는 interface 요소로 해석을 실시하여 말뚝과 암반 경계면의 미끄러짐과 분리(다이레이션) 현상을 모델링 하였다. 암반에 근입되는 현장타설말뚝의 경우는 통상 군효과를 무시함으로 본 연구에서는 단항 형태의 현장타설말뚝에 대해서 축대칭모델(axi-symmetry)을 이용하여 해석을 실시하였다. 수평방향 모델링은 대칭축으로부터 40D(D : 말뚝의 직경), 연직방향 모델링은 암반 근입부만 모델링하였다.
성능/효과
1. 두부 하중-침하량 곡선의 초기 비선형성은 암반 내부의 파괴에 의해서 발생하며, 초기 파괴는 계곡부에서 발생 하여 배면부 및 전면부의 순으로 전파되는 것으로 밝혀졌다.
2. 암반 내부의 파괴는 초기에 인장강도 부족에 의한 파괴가 발생하지만, 이것은 국부적으로 발생하여 전체 파괴양상에는 전혀 영향을 주지 못하였다. 실제 파괴는 전단파괴에 의해서 발생하는 것을 확인하였다.
3. 최대단위주면저항력의 거칠기 영향은 거칠기 경사가 아닌 거칠기 높이에 의해 크게 영향을 받으며 따라서 거칠기 조성 작업이 이루어지는 경우, 작은 거칠기를 여러 개 만드는 것보다 최대한 큰 거칠기를 만드는 것이 최대주면저항력 향상에 도움이 되는 것으로 나타났다.
4. 수치해석을 통하여 설계도표를 제시하였으며, 기존 설계법 및 재하시험자료와 최대단위주면저항력을 비교해 본 결과, 기존 재하시험자료 및 기존 설계법에서 제시하는 값들이 거의 대부분 설계도표에서 각 암석의 일축압축강도별 최대·최소 단위주면저항력 범위 내에 있는 것을 확인할 수 있었다.
Hassan과 O'Neill (1997)의 연구결과에서는 이러한 다이레이션이 매우 작게 발생한다고 밝히고 있으나 호주 Monash 대학 연구와의 직접 적인 비교가 이루어지지 않았다. 본 연구에서의 검토결과, 다이레이션 효과는 발생을 하지만 이로 인해서 파괴 거동에큰 영향을 미치지 않는 것으로 밝혀졌다. 즉, 거칠기 요소 상부에서의 다이레이션 효과는 발생을 하지만 그 양이 최대 0.
이 등에 제시한 바와 같이 암반에 근입된 현장타설말뚝의 최대주면저항력에 영향을 미치는 요인은 암반 근입부 최상부의 깊이, 거칠기 높이와 암반의 내부마찰각, 점착력 및 포아슨비 등임을 알 수 있었다.
본 연구에서의 검토결과, 다이레이션 효과는 발생을 하지만 이로 인해서 파괴 거동에큰 영향을 미치지 않는 것으로 밝혀졌다. 즉, 거칠기 요소 상부에서의 다이레이션 효과는 발생을 하지만 그 양이 최대 0.2mm로 매우 작기 때문에 거칠기 요소의 파괴에는 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있었다.
이러한 사실은 두부 하중이 530kN일 때 접촉면의 미끄러짐 상태와 소성 영역의 분포를 제시한 그림 5(c)에서도 확인할 수 있다. 즉, 두부에서 작용하는 하중이 증가함에 따라서 접촉면에서의 추가적인 미끄러짐 현상은 발생하지 않고 근입부 암반에서 소성상태가 된 영역의 넓이가 넓어질수록 비선형성이 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 접촉면에서의 미끄러짐 현상은 근입부 암반에서 소성상태가 발생한 이후에 일어나는 현상 임을 확인할 수 있다.
후속연구
Seidel(1993)은 암반에 근입된 현장타설말뚝의 전통적인 설계방법이 주로 암석의 일축압축강도를 이용한다는 불합리한 점을 개선하기 위해 암반 근입부의 주면저항력을 계산하는데 있어서 일축압축강도 외에 마찰력에 영향을 주는 구속응력, 굴착면의 거칠기, 말뚝의 직경, 암반의 탄성계수 등을 고려하여 지지력을 계산하는 새로운 설계법을 제안하였다. 이 설계법은 말뚝의 거동을 기존의 경험적인 방법보다 신뢰성 있게 예측할 수 있다는 사실로부터 경제적이고 안전한 설계에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 이러한 연구결과들은 국내의 암종과 강도 및 변형 특성이 상이한 이 암이나 쉐일 등이 근입부를 형성하는 경우에 해당하며 국내 근입부 암종의 대부분을 차지하는 화강암이나 편마암 계통의 암종에 대해서는 검증이 이루어지지 않은 실정이다.
참고문헌 (49)
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