본 연구에서는 현장타설말뚝을 대상으로 지반조건 및 말뚝형태에 따른 수평지지력과 수평거동에 대하여 실험적 분석을 실시하였다. 이를 위해 가압토조실험을 수행하였으며 상대밀도와 지반응력의 변화를 고려하여 원통형과 테이퍼형 말뚝에 대해 재하시험을 수행하였다. 토조실험결과, 수직응력과 수평응력은 모두 말뚝의 수평거동 및 극한수평 지지력에 영향을 나타내는 것으로 관찰되고 있으나, 수평응력의 영향이 보다 더 크게 작용하고 있음을 알 수 있다. 상대밀도 또한 수평거동 및 지지력에 상당한 영향을 미치고 있는 것으로 나타나고 있었다. 수평거동에 대한 말뚝형태의 영향은 지반상태에 따라 다소간의 차이가 보이고 있으나, 전반적으로 지반응렬이나 상대밀도와 같은 지반특성치에 의한 영향에 비해서는 작게 나타나고 있었다. 기존 예측식을 이용한 비교분석 결과, 기존의 예측식에 의해 산정된 결과는 실측된 결과와 상당한 차이를 보이고 있었으며, 이는 지지력 산정시 수평응력의 변화량이 고려되어 있지 않았기 때문임을 알 수 있었다.
본 연구에서는 현장타설말뚝을 대상으로 지반조건 및 말뚝형태에 따른 수평지지력과 수평거동에 대하여 실험적 분석을 실시하였다. 이를 위해 가압토조실험을 수행하였으며 상대밀도와 지반응력의 변화를 고려하여 원통형과 테이퍼형 말뚝에 대해 재하시험을 수행하였다. 토조실험결과, 수직응력과 수평응력은 모두 말뚝의 수평거동 및 극한수평 지지력에 영향을 나타내는 것으로 관찰되고 있으나, 수평응력의 영향이 보다 더 크게 작용하고 있음을 알 수 있다. 상대밀도 또한 수평거동 및 지지력에 상당한 영향을 미치고 있는 것으로 나타나고 있었다. 수평거동에 대한 말뚝형태의 영향은 지반상태에 따라 다소간의 차이가 보이고 있으나, 전반적으로 지반응렬이나 상대밀도와 같은 지반특성치에 의한 영향에 비해서는 작게 나타나고 있었다. 기존 예측식을 이용한 비교분석 결과, 기존의 예측식에 의해 산정된 결과는 실측된 결과와 상당한 차이를 보이고 있었으며, 이는 지지력 산정시 수평응력의 변화량이 고려되어 있지 않았기 때문임을 알 수 있었다.
In this study, experimental analysis was performed about lateral load capacity and behavior of laterally loaded-bored piles for soil conditions and pile shape, i.e. cylindrical and taper piles. Also, Calibration chamber load tests were performed for cylindrical and taper piles considering the variat...
In this study, experimental analysis was performed about lateral load capacity and behavior of laterally loaded-bored piles for soil conditions and pile shape, i.e. cylindrical and taper piles. Also, Calibration chamber load tests were performed for cylindrical and taper piles considering the variations of relative densities and restraint stresses. According to the results of chamber tests, it was found that, while both vertical and horizontal stresses affect load-responses and ultimate lateral load capacity of laterally loaded piles, effect of the horizontal stress was larger than that of the vertical stress. Effect of lateral load capacity and behavior was relatively small compared to relative density and stress state of soils surrounding piles, but showed a little difference for soil conditions. From comparison between predicted and measured lateral load capacity, it was observed that predicted results differ significantly from measured results. This is mainly due to the fact that the effect of horizontal stress is not considered in the conventional prediction methods.
In this study, experimental analysis was performed about lateral load capacity and behavior of laterally loaded-bored piles for soil conditions and pile shape, i.e. cylindrical and taper piles. Also, Calibration chamber load tests were performed for cylindrical and taper piles considering the variations of relative densities and restraint stresses. According to the results of chamber tests, it was found that, while both vertical and horizontal stresses affect load-responses and ultimate lateral load capacity of laterally loaded piles, effect of the horizontal stress was larger than that of the vertical stress. Effect of lateral load capacity and behavior was relatively small compared to relative density and stress state of soils surrounding piles, but showed a little difference for soil conditions. From comparison between predicted and measured lateral load capacity, it was observed that predicted results differ significantly from measured results. This is mainly due to the fact that the effect of horizontal stress is not considered in the conventional prediction methods.
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문제 정의
본 연구에서는 사질토 지반에 근입되어 있는 현장타설말뚝을 대상으로 다양한 지반조건에 따른 수평 거동 및 지지력 평가에 대해 알아보고자 한다. 이를 위해 가압토조를 이용하여 사질토지반에 근입되어 있는 현장타설말뚝의 설치과정을 모사하였으며, 설치된 말뚝에 대해 재하실험을 수행하였다.
본 연구에서 대상으로 하고 있는 현장타설말뚝의 수평 거동 및 지지력을 알아 보기 위하여 가압토조를 이용한 모형수평말뚝재하시험을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 토조는 그림 2에 나타난 바와 같이 직경 77cm, 높이 121cm의 모형지반이 조성되는 용기와 일정한 조건하에서 용기 내부에 건조모래를 낙하시켜서 모형지반을 조성하기 위해 필요한 강사장치로 구분된다.
그림 5(c)와 (d)는 각각 상대 밀도 55%와 86%인 경우에 있어서의 실린더 및 테이퍼 말뚝에 대한 하중변위량 곡선을 나타내고 있으며, 응력 상태는 두 가지의 상대밀도에 대해 동일하게 수직 및 수평응력이 각각 lOOkPa와 40kPa를 기준하고 있다. 본 연구에서 고려된 토압계수 1.0은 일반적인 토압계수인 0.4 뿐만 아니라, 수평토압의 영향을 보다 광범위하고 구체적으로 살펴보기 위해 포함하였다.
말뚝의 수평지지력은 수평하중이 지배적인 구조물에 있어 핵심적인 설계요소로 간주되고 있으며, 따라서 본연구에서는 현장타설말뚝을 대상으로 다양한 지반조건하에서 발휘되는 수평지지력과 수평거동에 대하여 실험 척 분석을 실시하였다. 토조실험결과, 수직응력과 수평 응력은 모두 말뚝의 수평거동에 영향을 나타내는 것으로 관찰되고 있으나, 수평응력의 영향이 보다 더 크게 작용하고 있음을 알 수 있다.
가설 설정
그림에서 보는 바와 같이 단말뚝에 대한 Broms의 방법은 수평변위분포에 따른 말뚝의 회전점이 말뚝선 단부근에 위치한다고 가정하고 있으며, 말뚝선단부분에는 집중하중이 작용하는 것으로 하여, 말뚝변위의 회전점은 고려하지 않고 있다. 그러나 실제 대부분의 실측 결과에 의하면(Zhang et al.
제안 방법
지지력 평가에 대해 알아보고자 한다. 이를 위해 가압토조를 이용하여 사질토지반에 근입되어 있는 현장타설말뚝의 설치과정을 모사하였으며, 설치된 말뚝에 대해 재하실험을 수행하였다. 다양한 지반조건의 변화를 반영하기 위해 사질토지반에서 기초거동의 중요한 영향 인자인 상대밀도와 지반응력을 변화시키면서 실험을 수행하였다.
이를 위해 가압토조를 이용하여 사질토지반에 근입되어 있는 현장타설말뚝의 설치과정을 모사하였으며, 설치된 말뚝에 대해 재하실험을 수행하였다. 다양한 지반조건의 변화를 반영하기 위해 사질토지반에서 기초거동의 중요한 영향 인자인 상대밀도와 지반응력을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 아울러 수평지지력 확보를 위한 보다 효과적인 기초형식을 평가하기 위해 원통형 및 테이퍼형 말뚝을 각각 모형실험에 적용하였으며, 각각의 경우에 대해 지지성능을 비교분석하였다.
다양한 지반조건의 변화를 반영하기 위해 사질토지반에서 기초거동의 중요한 영향 인자인 상대밀도와 지반응력을 변화시키면서 실험을 수행하였다. 아울러 수평지지력 확보를 위한 보다 효과적인 기초형식을 평가하기 위해 원통형 및 테이퍼형 말뚝을 각각 모형실험에 적용하였으며, 각각의 경우에 대해 지지성능을 비교분석하였다.
본 연구에서 사용된 토조는 그림 2에 나타난 바와 같이 직경 77cm, 높이 121cm의 모형지반이 조성되는 용기와 일정한 조건하에서 용기 내부에 건조모래를 낙하시켜서 모형지반을 조성하기 위해 필요한 강사장치로 구분된다. 본 실험에서는 강사장치의 낙하고와 모래유출량을 조절하여 계획된 지반의 상대밀도를 조절하였으며, 모형지반 조성 전에 여러 번의 시행착오를 통하여 상대밀도 86%와 55% 에 해당하는 낙차고와 유출구멍의 크기를 결정하였다.
응력조절법이 채택되었다. 이를 위하여 토조의 밑면과 측면에 두 개의 고무막을 설치하고 각기 다른 압력조절기를 통해 밑면과 옆면의 공기압을 독립적으로 조절할 수 있도록 하였다. 따라서 모형지반에 가해지는 수평 응력은 측면의 고무막을 통한 압력으로 조절이 가능하며, 수직응력은 밑면에 부착되어 있는 고무막에 압력을 가함으로써 조절이 가능하다.
따라서 모형지반에 가해지는 수평 응력은 측면의 고무막을 통한 압력으로 조절이 가능하며, 수직응력은 밑면에 부착되어 있는 고무막에 압력을 가함으로써 조절이 가능하다. 각기 다른 수직과 수평 응력에 의해 다양한 깊이에서 발생할 수 있는 다양한 정지토압계수(Ko)를 갖는 지반을 구현할 수 있게 하였다.
이때 모래 위에 놓여진 말뚝이 연직상태를 유지할 수 있도록 사전에 제작된 보조 프레임을 사용하였다. 사질토 지반을 모사하기 위해 모형토조 내에 모래의 강사를 실행하였으며, 그 과정에서 말뚝을 설치하기 위해 말뚝 선단 상부지반과 말뚝선단하부지반으로 구분하여 지반을 구성하였다 우선 모래를 일정한 상대밀도 조건에 맞추어 강사 시키면서 말뚝선단하부지반을 조성하고, 그 위에 모형 말뚝을 보조프레임을 사용하여 연직으로 설치하였다. 그 후 중앙부에 말뚝직경과 동일한 크기의 삽입구가 존재하는 강사체를 사용하여 강사높이를 일정하게 유지하였으며, 여러 차례의 실험을 통하여 모형지반의 균질성을 확인하였다.
사질토 지반을 모사하기 위해 모형토조 내에 모래의 강사를 실행하였으며, 그 과정에서 말뚝을 설치하기 위해 말뚝 선단 상부지반과 말뚝선단하부지반으로 구분하여 지반을 구성하였다 우선 모래를 일정한 상대밀도 조건에 맞추어 강사 시키면서 말뚝선단하부지반을 조성하고, 그 위에 모형 말뚝을 보조프레임을 사용하여 연직으로 설치하였다. 그 후 중앙부에 말뚝직경과 동일한 크기의 삽입구가 존재하는 강사체를 사용하여 강사높이를 일정하게 유지하였으며, 여러 차례의 실험을 통하여 모형지반의 균질성을 확인하였다. 말뚝선단 상부지반을 조성하는 과정에는 말뚝 주위에 토압계를 설치하여 말뚝주변에 발생하는 토압을 측정하였다.
그 후 중앙부에 말뚝직경과 동일한 크기의 삽입구가 존재하는 강사체를 사용하여 강사높이를 일정하게 유지하였으며, 여러 차례의 실험을 통하여 모형지반의 균질성을 확인하였다. 말뚝선단 상부지반을 조성하는 과정에는 말뚝 주위에 토압계를 설치하여 말뚝주변에 발생하는 토압을 측정하였다. 모형말뚝과 토압계 설치 후 모형토조의 잔여부분에 대한 강사가 끝나면 토조 뚜껑을 닫고, 주어진 수직 및 수평압 조건에 해당하는 압력을 모형지반에 가하고 17시간 동안 압밀시킴으로서 모형지반 내의 균질한 압력상태를 구현하였다.
말뚝선단 상부지반을 조성하는 과정에는 말뚝 주위에 토압계를 설치하여 말뚝주변에 발생하는 토압을 측정하였다. 모형말뚝과 토압계 설치 후 모형토조의 잔여부분에 대한 강사가 끝나면 토조 뚜껑을 닫고, 주어진 수직 및 수평압 조건에 해당하는 압력을 모형지반에 가하고 17시간 동안 압밀시킴으로서 모형지반 내의 균질한 압력상태를 구현하였다. 표 1은 토조시험에 적용된 모형지반의 응력조건을 나타내고 있다.
수평재하장치는 일반적인 수직재하장치와 유사한 구성으로 이루어져 있으며, 유압잭과 로드셀을 포함하게 된다. 재하과정 중 발생되는 수평변위의 측정을 위해 재하지점의 반대편에 LVPT를 설치하였고, 하중 단계별 말뚝의 경사도를 즉정하기 위하여 9cm 상부지점에 추가적인 LVDT를 설치하였다. 수평재하를 위한 흐}중증분은 2kN으로부터 시작하여 변위량이 증가함에 따라 각 하중단계별로 감소시켜 나갔으며, 말뚝두부의 전체 변위가 약 2cm 에 이를 때까지 재하시험을 지속하였다.
재하과정 중 발생되는 수평변위의 측정을 위해 재하지점의 반대편에 LVPT를 설치하였고, 하중 단계별 말뚝의 경사도를 즉정하기 위하여 9cm 상부지점에 추가적인 LVDT를 설치하였다. 수평재하를 위한 흐}중증분은 2kN으로부터 시작하여 변위량이 증가함에 따라 각 하중단계별로 감소시켜 나갔으며, 말뚝두부의 전체 변위가 약 2cm 에 이를 때까지 재하시험을 지속하였다.
지반조건별 극한수평지지력의 변화추이를 보다 구체적으로 분석하기 위해 하중-변위량 곡선을 토대로 각각의 경우에 대해 극한수평지지력을 평가하였으며, 이를 각 지반조건의 변화에 따라 비교 분석하였다. 극한수평지지력은 소성상태를 나타내는 지반의 영향범위가 연직지지력에 비해 크며 파괴의 정의가 명확하지 않으므로 극한수평지지력의 평가 및 결정을 위한 절대적 기준이 제시되어 있지는 않은 실정이다.
본 연구에서 수행된 토조실험으로부터 얻어진 극한수평지지력과의 비교를 위해 그림 1(d)에 나타난 Prasad와 Chari(1999)의 단위수평지지력의 분포형태를 기반으로 하여, Broms(1964)와 Barton(1982)에 의해 제안된 최대수평 지지력을 적용하여 극한수평지지력을 평가하였으며, 이를 실측결과와 비교, 분석하였다. 그림 1에 나타난 토압분포 중 Prasad와 Chari(1999) 의 토압분포가 사용된 이유는 비교적 최근에 연구된 결과이며, 실측된 토압분포와 유사하다는 연구결과가 발표되어 왔기 때문이다(Zhang et al.
Prasad와 Chari(1999)에 의하면수평하중을 받고 있는 말뚝에 작용하는 단위수평지지력은 말뚝형상의 영향을 받게 되며, 원형말뚝의 경우 변위 방향의 중심에서 최대값을 보이고 말뚝원주를 따라 감소하는 토압분포를 나타내게 되는 것으로 관찰되었다. 따라서 말뚝단면의 위치에 따른 단위수평지지력의 변화를 고려하기 위해서는 평균지지력개념을 도입해야 하며, 원형말뚝의 경우 Prasad와 Chari(1999)가 제안한 바와 같이 극한수평지지력의 산정에 적용되는 단위 수평 지지 력을 변위중심에서 나타나는 최대수평토압의 0.8 배를 적용하여 극한수평지지력을 산정하였다.
대상 데이터
모형수평말뚝재하시험을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 토조는 그림 2에 나타난 바와 같이 직경 77cm, 높이 121cm의 모형지반이 조성되는 용기와 일정한 조건하에서 용기 내부에 건조모래를 낙하시켜서 모형지반을 조성하기 위해 필요한 강사장치로 구분된다. 본 실험에서는 강사장치의 낙하고와 모래유출량을 조절하여 계획된 지반의 상대밀도를 조절하였으며, 모형지반 조성 전에 여러 번의 시행착오를 통하여 상대밀도 86%와 55% 에 해당하는 낙차고와 유출구멍의 크기를 결정하였다.
본 연구에서 진행된 실험은 천공말뚝을 모형화한 방식으로써, 실험에 사용된 말뚝은 짧은 강관말뚝의 거동을 고려하여 제작되었다. 앞 절에서 언급한 바와 같이 지반을 형성하는 경우, 말뚝을 거치한 후 말뚝선단상부지반을 형성하기 때문에 말뚝 주변지반의 교란이나 배토가 발생하지 않으며, 강관말뚝 내에 플러그가 발생하지 않는다.
본 실험에서는 말뚝형태의 영향을 알아보기 위해 부피는 동일하고 형태가 다른 두 개의 말뚝이 사용되었다. 실험에 사용된 모형말뚝들의 제원 및 변형율게이지의 위치는 그림 3에 나타나 있다.
말뚝의 형태는 일반적인 원통형 형태와 선단쪽으로 갈수록 직경이 줄어드는 테이퍼 형태가 고려되었으며, 재질은 모두 강재이다. 테이퍼형 말뚝은 말뚝주면의 테이퍼 경사각이 1도로 구성되어 있으며, 원통형 말뚝은 보편적으로 적용되는 현장타설말뚝의 형태를 모사하도록 제작되었다. 원통형 말뚝은 직경 6cm, 길이 90cm로 제작되었으며, 테이퍼형 말뚝의 경우 두부직경 7.
실험에 사용된 모래는 주문진 표준사이며, 모형지반의 조성을 위해 강사법을 사용하여 먼저 10cm씩 5회 모래를 강사한 후에 모형말뚝을 중앙에 설치하였다. 이때 모래 위에 놓여진 말뚝이 연직상태를 유지할 수 있도록 사전에 제작된 보조 프레임을 사용하였다.
이론/모형
본 실험에서는 모형지반의 응력상태를 구현하기 위하여 응력조절법이 채택되었다. 이를 위하여 토조의 밑면과 측면에 두 개의 고무막을 설치하고 각기 다른 압력조절기를 통해 밑면과 옆면의 공기압을 독립적으로 조절할 수 있도록 하였다.
이에 본 연구에서는 Meyerhof et al.(1981)와 Chari and Meyerhof(1983) 방법을 채택하여 적용하였다. Meyerhof et al.
성능/효과
이러한 과정은 수평응력의 증가와 상하부 면의 무변위조건에 의해 초기지반응력을 구현하게 되므로 정지토압계수 Ko의 값은 1 이상으로 나타나게 되어 실제 지반응력상태와는 많은 차이를 보이게 된다. 결과적으로 테이퍼말뚝의 지지성능이 정지토압계수의 영향을 받는다면 이를 통해 얻어진 결과는 다소의 왜곡 성을 포함할 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구에서 얻어진 결과와도 상이할 수 있음을 나타내고 있다.
그림에서 보는 바와 같이 말뚝형태에 따른 극한수평지지력은 경우에 따라 다소간의 차이가 발견되고 있으나, 전반적인 추세는 유사한 것으로 나타나고 있다. 또한 극한수평지지력의 증대효과는 수직 응력보다는 수평응력의 증가량에 보다 민감하게 변화하는 것으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 결과적으로 그림 6의 결과의 종합해 보면, 말뚝의 극한수평지지력은 상대 밀도와 수평응력이 핵심영향인자로 작용하는 것으로 나타나고 있으며, 수직응력의 영향은 상대적으로 작은 것임을 알 수 있다.
또한 극한수평지지력의 증대효과는 수직 응력보다는 수평응력의 증가량에 보다 민감하게 변화하는 것으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 결과적으로 그림 6의 결과의 종합해 보면, 말뚝의 극한수평지지력은 상대 밀도와 수평응력이 핵심영향인자로 작용하는 것으로 나타나고 있으며, 수직응력의 영향은 상대적으로 작은 것임을 알 수 있다.
정지토압계수에 따른 예측결과와 실측결과의 차이는 토압계수가 증가함에 따라 감소하고 있었으며, 정지토압계수가 0.6이상에서는 예측된 지지력이 실측 결과와 비교적 유사한 경향을 나타내고 있었음을 알 수 있었다. 극한수평지지력을 예측함에 있어서 지반응력상태를 나타내는 정지토압계수에 따라 달라질 수 있으며, 수평압력에 의한 변화에 민감하게 나타나 이에 대한 고려가 필요하다는 것을 보이고 있다.
참고문헌 (12)
Barton, Y. O. (1982), 'Laterally loaded model piles in sand: Centrifuge tests and finite element analyses', Ph.D. Thesis, University of Cambridge
Brinch-Hansen, J. (1961), 'The ultimate resistance of rigid piles against transversal forces', Danish Geotechnical Institute, Copenhagen, Bulletin No.12, pp.5-9
Broms, B. B. (1964), 'Lateral resistance of piles in cohesive soils', Journal of Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE, Vol.90, No.2, pp.27-64
Chari, T. R. and Meyerhof G. G. (1983), 'Ultimate capacity of rigid single piles under inclined loads in sands', Canadian Geotechnical Journal, Vol.20, pp.849-854
Fleming, W. G., Weltman, A. J, Randolph, M. F., and Elson, W. K. (1992), 'Piling Engineering', 2nd ed. John Wiley and Sons, Inc
Meyerhof, G. G., Mathur, S. K., and Valsangkar, A. J. (1981), 'Lateral resistance and deflection of rigid wall and piles in layered soils', Canadian Geotechnical Journal, Vol.18, pp.159-170
Poulus, H. G. and Davis, E. H. (1980), 'Pile foundation analysis and design', John Wiley and Sons
Petrasovits, G. and Award, A. (1972), 'Ultimate lateral resistance of a rigid pile in cohesionless soil', Proc. Of 5th European conf. on SMFE, Vol.3, pp.407-4l2
Prasad, Y. V. S. and Chari, T. R. (1999), 'Lateral capacity of model rigid piles in cohesionless soils', Soils and Foundations, Vol.39, No.2, pp.2l-29
Reese, L. C, Cox, W. R., and Koop, F. D. (1974), 'Analysis of laterally loaded piles in sand', Proc. of 6th Offshore Technology Conf. Vol.2, pp.4 73-483
Zhang, L., Silva, F., and Grismala, R. (2005), 'Ultimate lateral resistance to pile in cohesionless soils', Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Eng., ASCE, Vol.131, No.1, pp.78-83
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