[논문]선단확장형 PHC 말뚝

송기용; 허갑수; 유충식

문제 정의

이러한 맥락에서 최근 들어 매입공법으로 시공되는 PHC 말뚝의 지지력 증진 방안으로서 선단에 선 단확장판을 설치하여 선단 확장을 통해 선단지지력을 증가시키는 개념(일명 应T-Pile)이 개발되어 현장에 적용되고 있다. 본 원고에서는 EXT-Pile의 개념과 현장재하시험 결과를 소개하고자한다
본고에서는 기성 PHC 말뚝의 선단에 선단확장판을 부착하여 선단지지력을 향상시킨 EXT-Pile을 소개하였다. 현장시험을 통해 EXT-Hle의 선단지지력은 PHC 말뚝 대비 140-150%정도를 확보할 수 있는 것으로 나타나 매입 공법으로 시공되는 PHC 말뚝의 주면 마찰에 의한 지지력이 불확실하여 선단지지력 확보가 중요한 시공조건에서는 EDCT-Pile 적용을 통해 기존의 설계하중을 증가시켜 적용할 수 있는 것으로 나타났다.
현장 말뚝 시공조건에서 EXT-Pile의 선단지지력 증진 효과를 보다 구체적으로 확인하기 위해 직경 400mm의 기성 PHC 말뚝과 EXT-Pile을시험시공 하고 이에 대한 동재하 및 정재하시험을 수행하였 다 본 장에서는 현장재하시험에 대한 개요와 그 결과를 소개하고자한다

제안 방법

본 장에서는 EXT-PileO] 적용된 건축현장 사례를 기술하였다. 당 현징에서는 당초 60~70ton의 설계하중으로 직경 400mm PHC 말뚝을 적용하는 것으로 설계되었으나 EXT-Pile로 변경하면서 현장 정재하 및 동재하시험 결과에 근거하여 lOOton의 설계하중을 적용하였다. 그림 &은 당 현장에 PHG 말뚝 적용시와 EXT-Rle 적용시 도면을 비교하고 있는데 좌측은 PHC 말뚝을 사용한 경우와 우측은 EXT-Rle을 사용한 도면을 비교할 경우 말뚝의 수량이 현격히 줄어드는 것을 알 수 있다.
7mm) 을 수직으로 약 25m 설치하고 전면을 정착하여 25m의 정착장을 갖도록 시공하였다. 또한 말뚝 1본당 4개소의 반력앵커를 설치하여 말뚝에 400ton 이상을 재하할 수 있도록 계획하였다. 앵커 정착을 위한 그라우팅은 물-시멘트비를 45% 이하로 배합하여 3일 재령후 압축강도가 220kg/cm2 이상 되도록 하였다.
0에 선단보강판을 장착한 EXT-Pile(EXT400)을 대상으로 하였다. 말 뚝 타설 본수는 PHC₄₀0, EXT400 각각 3본씩 설치하였으며 N치 50/10이상의 풍화암에 안착시키는 것으로 하였다. 말뚝 설치 후 측정한 관입깊이는 PHC 400 및 EXT400 공히 약 13m 정도가 되는 것으로 나타났다 표 3은 본 재하시험에 적용된 PHC 말뚝의 제원을 정리하고 있다
표 2와 그림 4는 말뚝 시 공 순서를 정리요약하고 있다. 보이는 바와 같이 먼저 DH₅₀8-105M 장비의 오거를 이용하여 50/10 이상의 풍화암 내지 연암층 위치까지 천공을 하였다 천공은 선단확징판의 외경 450mm를 감안하여 케이싱 직경을 48Qmm 하여 수행하였으며, 이후 선 단이 지지층과 일체화가 되도록 하기 위해 선단부에 시멘트 페이스트를 주입하면서 말뚝을 침설하였다. 일반적으로 SDA 공법은 시멘트 페이스트를 선단부 뿐만이 아니라 주면 전체에 주입하여 주면마찰력을 확보하나 본 재하시험은 EKT-PRe의 선단지지력 증가 효과를 확인하는데 주목적을 두고 선단부에만 시멘트페이스트를 주입하고 주면에는 주입하지 않는 방법으로 의도적으로 주면마찰은 제거되도록 하였다.
본 재하시험에서는 시험말뚝의 극한하중까지 재 하 하고자 300ton 이상의 매우 큰 하중이 필요할 것으로 예상되어 반력앵커를 설치하여 재하하는 방법을 채택하였다. 사용된 반력앵커는 공당 약 10(gn 의 용량을 보유하도록 9가닥의 PC강연선(각 강선의 직경 12.
본 재하시험에서는 시험말뚝의 극한하중까지 재 하 하고자 300ton 이상의 매우 큰 하중이 필요할 것으로 예상되어 반력앵커를 설치하여 재하하는 방법을 채택하였다. 사용된 반력앵커는 공당 약 10(gn 의 용량을 보유하도록 9가닥의 PC강연선(각 강선의 직경 12.7mm) 을 수직으로 약 25m 설치하고 전면을 정착하여 25m의 정착장을 갖도록 시공하였다. 또한 말뚝 1본당 4개소의 반력앵커를 설치하여 말뚝에 400ton 이상을 재하할 수 있도록 계획하였다.
보이는 바와 같이 먼저 DH₅₀8-105M 장비의 오거를 이용하여 50/10 이상의 풍화암 내지 연암층 위치까지 천공을 하였다 천공은 선단확징판의 외경 450mm를 감안하여 케이싱 직경을 48Qmm 하여 수행하였으며, 이후 선 단이 지지층과 일체화가 되도록 하기 위해 선단부에 시멘트 페이스트를 주입하면서 말뚝을 침설하였다. 일반적으로 SDA 공법은 시멘트 페이스트를 선단부 뿐만이 아니라 주면 전체에 주입하여 주면마찰력을 확보하나 본 재하시험은 EKT-PRe의 선단지지력 증가 효과를 확인하는데 주목적을 두고 선단부에만 시멘트페이스트를 주입하고 주면에는 주입하지 않는 방법으로 의도적으로 주면마찰은 제거되도록 하였다. 그림 4는 시공과정을 보여주고 있으며 그림 5 는 말뚝 설치 평면도를 보여주고 있다.
정재하시험은 말뚝을 시공 완료 후 20일 경과 후에 KS F-2445 규정에 의거한 완속시험법에 근거하여 수행하였다. 한편 KS F-2445 규정에서 외말뚝의 경우 설계하중의 2배 이상을 가하도록 규정하였으나 앞서 언급한 바와 같이 본 실험에서는 극한하중 하에서의 하중-변위 특성을 파익하기 위해 300ton 이상의 하중을 가하여 말뚝 혹은 지반이 극한상태에 도달하여 파괴에 이를 때까지 재하하도록 하였다.
한편, 말뚝설치시 최종단계에서 경타시키는 과정에서 정재하시험 아울러 시험말뚝의 시공직후 선단지지력 확인 및 해머의 효율 측정과 말뚝의 건전도 점검을 위해 항타분석기(Pile Driving Analyzer, PDA)를 이용하여 동재하시험(End of Initial Driving Test, EOID Test)을 실시하였다. 표 5는 동재하시험 결과를 토대로 CAPWAP 분석을 실시하여 산정한 극한 및 허용지지력을 정리하고 있다.
성균관대 지반시험장의 크기는 약 2251^(15111X15®로 서 총 6본에 대한 시험시공이 가능한 공간을 확보하도록 하였다. 한편, 현장재하시험을 원활히 수행할 수 있도록 주변 정지작업 후에 말뚝시공장비 및 재하 시험 장치를 반입하여 현장재하시 험을수행하였다.

대상 데이터

현장재하시험은 재하시험을 보다 수월하게 관리하고 진행하기 위해 시험시공 측면에서 현장관리가 용이한 부지인 경기도 수원시 장안구 천천동에 소재한 성균관대 소재 지반시험장에서 수행하였다. 성균관대 지반시험장의 크기는 약 2251^(15111X15®로 서 총 6본에 대한 시험시공이 가능한 공간을 확보하도록 하였다. 한편, 현장재하시험을 원활히 수행할 수 있도록 주변 정지작업 후에 말뚝시공장비 및 재하 시험 장치를 반입하여 현장재하시 험을수행하였다.
시험말뚝으로는 A-T江e직경 400mm 말뚝의기성 PHC 말뚝 (PHC₄₀0)과:PHC₄₀0에 선단보강판을 장착한 EXT-Pile(EXT400)을 대상으로 하였다. 말 뚝 타설 본수는 PHC₄₀0, EXT400 각각 3본씩 설치하였으며 N치 50/10이상의 풍화암에 안착시키는 것으로 하였다.
현장재하시험은 재하시험을 보다 수월하게 관리하고 진행하기 위해 시험시공 측면에서 현장관리가 용이한 부지인 경기도 수원시 장안구 천천동에 소재한 성균관대 소재 지반시험장에서 수행하였다. 성균관대 지반시험장의 크기는 약 2251^(15111X15®로 서 총 6본에 대한 시험시공이 가능한 공간을 확보하도록 하였다.

이론/모형

본 장에서는 EXT-PileO] 적용된 건축현장 사례를 기술하였다. 당 현징에서는 당초 60~70ton의 설계하중으로 직경 400mm PHC 말뚝을 적용하는 것으로 설계되었으나 EXT-Pile로 변경하면서 현장 정재하 및 동재하시험 결과에 근거하여 lOOton의 설계하중을 적용하였다.
시험말뚝은 선굴착후 케이싱과함께 말뚝을 설치하고 케이싱 인발 후 최종 경타를 실시하는 일명 SDA공법으로 시공하였다. 표 2와 그림 4는 말뚝 시 공 순서를 정리요약하고 있다.
정재하시험은 말뚝을 시공 완료 후 20일 경과 후에 KS F-2445 규정에 의거한 완속시험법에 근거하여 수행하였다. 한편 KS F-2445 규정에서 외말뚝의 경우 설계하중의 2배 이상을 가하도록 규정하였으나 앞서 언급한 바와 같이 본 실험에서는 극한하중 하에서의 하중-변위 특성을 파익하기 위해 300ton 이상의 하중을 가하여 말뚝 혹은 지반이 극한상태에 도달하여 파괴에 이를 때까지 재하하도록 하였다.
표 4는 P-S 곡선을 이용하여 Davisson 방법 ODavisson 1973)을 이용하여 산정한 극한지지력과 안전율 2.0을 적용하여 결정한 허용지지력을 비교하고 있다. 이 표에서 관찰할 수 있는 바와 같이 Davisson 방법에 근거할 때.

성능/효과

이 표에서 관찰할 수 있는 바와 같이 Davisson 방법에 근거할 때.PHC 말뚝은 110~ 240ton 정도의 극한지지력을, EXT-Pilee 280~ 360ton 정도의 극한지지력을 보이는 것으로 분석되어 EXT-Pile 말뚝이 PHC 대비 150% 정도의 극한 지지력을 보이는 것으로 나타났다.
건축현장에 적용한 사례를 분석한 결과 EXT- Pile 적용 시 추가의 선단지지력 확보를 통해 설계하중을 상향 조정할 경우에는 말뚝 설치 본 수가 줄어듦에 따라 말뚝 배열의 조정을 통해 벽체나 기등의 직하부에서 구조물의 하중을 지반에 전달할 수 있게 하여 말뚝 기초의 콘크리트 두께 및 철근량도 줄어드는 효과를 얻을 수 있어 경제적인 말뚝시공이 가능할 것으로 판단된다
시험말뚝의 타설에 앞서 지반시험장의 지질특성 파악을 위해 시추조사를 실시하였다 시추조사는 시 추기(OP-200)를 이용하여 BX사이즈로 수행하였으며, 조사 결과 대상 지층은 상부에 조밀한상태의 모래질 점토 및 실트질 매립층이 위치하고 그 하부에 는 조밀하게 형성된 풍화잔류토가, 그리고 그 아래에 풍화암 내지 연암이 위치하는 것으로 나타났다. 시추조사로부터 작성된 표준관입 시험결과와 주상 도(그림 3) 분석결과 깊이 4~5m에 위치하는 매립층 /퇴적증은 10내외의 N치를 보였으며 그 하부 약 8~9m의 두께로 위치하는 풍화토는 50/3050/15 정도로서 매우 조밀하게 형성되어 있는 것으로 조사되었다. 한편, GL-12m 정도에 위치하는 암반층은 N치가 50/10 이상으로 조사되었다
표 5는 동재하시험 결과를 토대로 CAPWAP 분석을 실시하여 산정한 극한 및 허용지지력을 정리하고 있다. 표 5에서와 관찰할 수 있는 바와 같이 동재하시험이 정재하시험에 비해 선단지지력이 모든 말뚝에 있어 과소 평가 되고는 있으나 EXT-M 극한/허용지지력은 PHC 말뚝 대비 약 140%의 정도를 보이고 있어 증가비의 측면에서는 정재하시험과 유사한 것으로 나타났다
본고에서는 기성 PHC 말뚝의 선단에 선단확장판을 부착하여 선단지지력을 향상시킨 EXT-Pile을 소개하였다. 현장시험을 통해 EXT-Hle의 선단지지력은 PHC 말뚝 대비 140-150%정도를 확보할 수 있는 것으로 나타나 매입 공법으로 시공되는 PHC 말뚝의 주면 마찰에 의한 지지력이 불확실하여 선단지지력 확보가 중요한 시공조건에서는 EDCT-Pile 적용을 통해 기존의 설계하중을 증가시켜 적용할 수 있는 것으로 나타났다.

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