[논문]모형토조실험을 통한 현장타설 팽이기초의 거동특성 연구

김학문; 김찬국

문제 정의

현장타설 팽이기초는 재활용 합성수지인 팽이형 수지 용기를 지반에 압입하고 수지용기에 콘크리트를 타설한 다음, 잔여 공극부분에 쇄석을 충진하는 공정으로 이루어 지며, 시공성 및 경제성에 있어서 기존 공장제작형 콘크 리트 팽이기초공법을 한 단계 발전시킨 공법이다.卩] 따 라서 본 연구에서는 기존 공작제작 콘크리트 팽이기초와 새로 개발된 현장타설 팽이기초의 거동특성을 비교 검토 하며, 팽이기초공법의 하중전달메커니즘 및 지지력 증대 효과를 평가하기 위하여, 기초형식과 지반조건을 달리하 여 모형실험을 수행하였다.
본 연구에서는 현장타설 팽이기초의 지지력 및 침하특 성을 고찰하고자 모형토조실험을 수행하였다.[7] 지반의 조성은 상대밀도 변화에 따라 느슨한 경우(Loose Sand) 와 중간 조밀한(Medium Sand) 경우의 사질토 지반으로 하였으며, 각 지반조건에서의 기초형태는 원지반 무처리, 전면기초, 공장제작 콘크리트 팽이기초(PC-TBF) 및 현장 타설 팽이기초(In-situ TBF)로 변화시키며 재하시험을 실 시하였다.
지금까지 시공되고 있는 공장제작형 콘크리트 팽이기 초의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 현장타설 팽이기 초의 거동특성을 검토하기 위하여 모형실험을 수행하였 으며, 그 결과는 다음과 같다.

제안 방법

A, B지반에서 각 기초조건별로 재하하중에 따른 지반 내 연직응력을 측정하였으며, 측정위치는 기초의 중심부 로부터 0.5B, 1.0B, 1.5B, 2.0B로 하였다.[6]
본 연구에서는 현장타설 팽이기초의 지지력 및 침하특 성을 고찰하고자 모형토조실험을 수행하였다.[7] 지반의 조성은 상대밀도 변화에 따라 느슨한 경우(Loose Sand) 와 중간 조밀한(Medium Sand) 경우의 사질토 지반으로 하였으며, 각 지반조건에서의 기초형태는 원지반 무처리, 전면기초, 공장제작 콘크리트 팽이기초(PC-TBF) 및 현장 타설 팽이기초(In-situ TBF)로 변화시키며 재하시험을 실 시하였다.
계측기기는 재하시험에 따른 기초의 침하 및 지중에 작용하는 토압 등을 측정하기 위해 기기의 용도 및 정밀 도 등을 고려하여 선정하였으며 확실한 데이터의 검증을 위해 계측기마다 보정 및 검증실험을 계속적으로 실시하 였으며, 지중응력, 기초의 침하량 및 지표침하량을 측정 하기 위한 계측기기는 그림 6과 같이 토압계, 기초침하 계, 지표침하계를 사용하였다.
기초형식별 허용지지력은 재하시험 결과에 대해 P-s 분석, logP-logs분석, logP-s분석 및 P-ds/log(dt) 분석을 수행하여 이중 최소값을 항복지지력으로 결정하였으며, 항복지지력에 대해 안전율 2를 고려하여 기초의 허용지 지력을 산정하였다.
본 모형실험에서 사용된 팽이기초는 실제 ©500형 현 장타설 팽이기초 및 공장제작 콘크리트 팽이기초의 강도 와 단위중량을 고려하여 1/5 Scale로 축소하였으며, 팽이 기초의 재료 변화에 따른 거동차이를 검토하기 위하여 현장타설 팽이기초의 경우 실제 PE용기의 마찰특성이 나 타나도록 제작하였다. 또한 모형 전면기초에 대하여는 콘 크리트만으로도 재하하중에 대하여 충분한 강성을 가지 므로 철근은 배제하였고, 팽이기초의 거동과 비교 검토하 기 위하여 기초크기 및 근입깊이를 동일하게 적용한 30cmx30cm><10cm 크기로 제작하였다.
모형실험에 사용된 토조의 크기는 가로 120cm, 세로 100cm, 높이 110cm이며, 외부하중에 의해 발생되는 지중 응력과 소성영역의 크기 및 변위 등이 토조벽체 영향을 받지 않는 크기여야 하므로 본 연구에서는 접지면적에 따른 응력구근(stress bulb)범위를 고려하여 기초크기를 결정하였으며, 토압계를 토조벽체에 설치하여 영향이 없 음을 확인하였다. 또한 토조내 관찰을 용이하도록 두 면 은 30mm의 아크릴 판으로 제작하였고, 토조의 변형이 없도록【-형강으로 보강하였다.
하중재하시험은 KS F2444-90(95), ASTM D1194-94, AASHTO T221 의 시험기준에 따라 기초상에 균등한 하 중을 가하기 위하여 30cmx30cm의 정사각형 재하판을 사 용하였다. 매회의 하중은 예상되는 파괴하중의 1/5이하로 하였으며 각 하중의 침하량은 2분, 4분, 8분의 간격으로 Dial Gauge의 침하량이 0.01mm이하가 될 때까지 측정하 였다.
모형실험에 사용된 토조의 크기는 가로 120cm, 세로 100cm, 높이 110cm이며, 외부하중에 의해 발생되는 지중 응력과 소성영역의 크기 및 변위 등이 토조벽체 영향을 받지 않는 크기여야 하므로 본 연구에서는 접지면적에 따른 응력구근(stress bulb)범위를 고려하여 기초크기를 결정하였으며, 토압계를 토조벽체에 설치하여 영향이 없 음을 확인하였다. 또한 토조내 관찰을 용이하도록 두 면 은 30mm의 아크릴 판으로 제작하였고, 토조의 변형이 없도록【-형강으로 보강하였다.
0ton 용량의 유압잭을 거치시켜 재하를 실시하였다. 재하시 유압잭 위에 하중계(Load Cell)를 설 치하여 하중재하에 정확성을 기하였다.
팽이기초의 설치는 말뚝부 위쪽을 철사(D13철근의 1/5 scale)로 연결하고 팽이기초의 말뚝부 만을 사질지반 상에 관입시킨 다음, 최대직경 5mm의 쇄석을 팽이말뚝 과 지반사이의 공극에 충분히 다져 넣어 설치하였다
하중재하는 하중지지대를 설치하고 기초위에 정사각 형의 재하판과 3.0ton 용량의 유압잭을 거치시켜 재하를 실시하였다. 재하시 유압잭 위에 하중계(Load Cell)를 설 치하여 하중재하에 정확성을 기하였다.

대상 데이터

본 모형실험에서 사용된 팽이기초는 실제 ©500형 현 장타설 팽이기초 및 공장제작 콘크리트 팽이기초의 강도 와 단위중량을 고려하여 1/5 Scale로 축소하였으며, 팽이 기초의 재료 변화에 따른 거동차이를 검토하기 위하여 현장타설 팽이기초의 경우 실제 PE용기의 마찰특성이 나 타나도록 제작하였다. 또한 모형 전면기초에 대하여는 콘 크리트만으로도 재하하중에 대하여 충분한 강성을 가지 므로 철근은 배제하였고, 팽이기초의 거동과 비교 검토하 기 위하여 기초크기 및 근입깊이를 동일하게 적용한 30cmx30cm><10cm 크기로 제작하였다.
본 연구에 사용된 모형실험 장치는 토조, 강사장치, 하 중재하장치, 계측기기로 분류되며, 모형실험장치의 개요 도는 그림 5와 같다
하중재하시험은 KS F2444-90(95), ASTM D1194-94, AASHTO T221 의 시험기준에 따라 기초상에 균등한 하 중을 가하기 위하여 30cmx30cm의 정사각형 재하판을 사 용하였다. 매회의 하중은 예상되는 파괴하중의 1/5이하로 하였으며 각 하중의 침하량은 2분, 4분, 8분의 간격으로 Dial Gauge의 침하량이 0.

이론/모형

검토하였다. 원지반(무처리)과 전면 기초조건일 경우에는 Terzaghi의 정역학적 지지력 이론 식을 적용하였으며, 팽이기초의 지지력은 일본의「토목 연구 센타」의 설계 매뉴얼[5]에서 Terzaghi의 지지력 이 론식을 수정 제안한 팽이기초의 지지력 이론식을 적용하 였다.

성능/효과

1. 모형실험결과에 의하면 현장타설 팽이기초(In-Situ TBF)와 공장제작 팽이기초(PC-TBF)의 하중-침하곡 선은 거의 유사하게 나타났으며, 지반거동 및 지지력 증대효과에서도 거의 유사한 결과를 갖는 것으로 나 .타났다.
2. 팽이기초의 지지거동 특성을 검토한 결과 중간 조밀한 모래지반보다 느슨한 모래지반에서 허용지지력 증대 효과가 큰 것으로 나타났으며, 중간 조밀한 모래지반 에서 실험에 의한 허용지지력보다 팽이기초이론식에 의한 허용지지력이 크게 산정되었다. 이는 팽이기초 이론식에 적용된 지지력 증가계수(Ki)의 변수인 응력 분산각佃)이 지반이 조밀할수록 작아지기 때문에 응력 분산효과가 감소하는 것으로 판단된다.
3. 동일하중에서의 지중연직응력을 살펴보면, 팽이기초 를 적용하는 경우가 원지반 및 전면기초를 적용하는 것에 비해서 지반내 전달되는 지중연직응력의 영향범 위가 감소되는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 팽이 말뚝 원추면의 접지압이 수평 및 수직응력으로 나누 어지면서 수평응력이 서로 상쇄되는 효과와 채움쇄석 과 말뚝부가 조합을 이루어 기초아래 지반주변의 측 방변형을 구속하기 때문에 팽이기초 적용시 주변지반 거동과 침하억제효과가 큰 것으로 판단된다.
기초조건별 모형토조실험 결과는 느슨한 모래지반(A 지반)에서 현장타설 팽이기초는 원지반(무처리) 지반의 경우보다 9배, 전면기초의 경우보다 1.7배 증가된 허용지 지력 값을 나타내었고, 중간 조밀한 모래지반(B지반)에 서는 원지반(무처리)의 경우보다 7배, 전면기초의 경우보 다 1.3배정도 증가된 허용지지력 값을 갖는 것으로 나타 났다. 이와 같은 결과로부터 현장타설 팽이기초 적용시 A, B의 두 지반에 대하여 허용지지력이 크게 증가한 것 을 확인할 수 있으며, 느슨한 모래 지반의 경우가 중간 조밀한 모래지반의 경우보다 허용지지력 증대효과가 더 큼을 알 수 있다.
느슨한 모래지반과 중간 조밀한 지반에 대하여 각각 현장타설 팽이기초를 설치하였을 때, 기존 콘크리트 팽이 기초와 유사한 거동을 보이고 있으며, 원지반(무처리)과 전면기초 조건에 비하여 지지력이 향상되는 것으로 나타 났다. 이는 팽이기초의 형상과 채움쇄석 내에서 발생되는 마찰저항 및 수평력 상쇄효과에 의해 지중으로 전달되는 하중이 감소하며.
또한, 모형실험 및 이론식에 의한 허용지지력을 검토 한 결과 느슨한 모래지반에서는 이론식에 의한 허용지지 력 값과 거의 일치하는 것으로 나타났으나, 중간 조밀한 모래지 반에서 원지 반과 전면기초는 실험값과 이론지 지력 이 거의 유사한 값을 갖는 반면, 팽이기초에서는 이론식 에 의한 허용지지력 값보다 40%정도 작게 나타났다. 이 는 팽이기초 이론식에 적용된 지지력 증가계수의 변수인 응력분산각(3)이 지반상대밀도가 클수록 작아지기 때문 에 응력분산효과가 감소하는 것으로 판단된다.
타났다. 또한, 지지력은 전반 전단파괴의 지지력 값에 가까운 것으로 나타났으며, 원지반과 전면기초에 비 하여 지지력 증대효과가 큰 것으로 나타났다.
3배정도 증가된 허용지지력 값을 갖는 것으로 나타 났다. 이와 같은 결과로부터 현장타설 팽이기초 적용시 A, B의 두 지반에 대하여 허용지지력이 크게 증가한 것 을 확인할 수 있으며, 느슨한 모래 지반의 경우가 중간 조밀한 모래지반의 경우보다 허용지지력 증대효과가 더 큼을 알 수 있다.
재하판 중심에서 동일하중에 대하여 지중연직응력을 살펴보면, 팽이기초를 적용한 경우가 원지반 및 전면기초 를 적용한 조건보다 깊이별 지반내 응력이 크게 감소하 는 것으로 나타났으며, 팽이기초에 대한 실험결과를 통해 볼 때 전면기초를 적용한 경우에 비해 깊이에 따라 다소 차이는 있으나 약 0.67배 정도로 연직응력이 감소된 것으 로 나타났다. 이러한 결과는 팽이기초 원추부의 45。형상 때문에 접지입.

후속연구

팽이말뚝기초의 지지력공식에서 %값 산정시 응력 분산각은 30。로 정하고 있으나 중간 조밀한 모래지반에 서는 그림 9에서 보는 바와 같이 응력분산각이 15。일때 실험치와 유사한 값으로 나타나 모래지반이 조밀할수록 지지력 증가계수 값이 감소하여 지지력 증대효과가 느슨 한 모래지반에 비하여 반감하는 것으로 하는 것으로 판 단된다. 그러나 본 실험에서는 두가지 지반조건에 대한 실험결과이므로 향후 추가 시험을 통하여 상대밀도 변화 에 따른 지지력 향상효과를 검토되어야 할 것으로 판단 된다.

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