최근, 대형구조물의 기초로서 현장타설말뚝의 사용이 증가하면서 신뢰성있는 말뚝 지지력의 산정이 중요해졌다. 이에 따라, 본 연구에서는 국내 풍화암에 근입된 현장타설말뚝을 대상으로 정재하시험 수행결과와 지지력 공식으로부터 구한 지지력값을 비교함으로써 지지력 공식의 신뢰성을 확인하고자 하였다. 분석대상은 4개 현장에서 수행된 총 12본의 정재하시험 말뚝이며, 시험말뚝에 대한 재하시험 자료 및 풍화암의 암반 물성값을 분석하였다. 본 연구에서 분석한 지지력 공식은 실무에서 널리 적용되고 있는 AASHTO 방법(1996), Carter와 Kulhawy 방법(1988), 그리고 FHWA 방법(1999)등이다. 재하시험에서 결정된 지지력과 각 지지력 공식들의 산정 결과를 비교 분석한 결과 Carter와 Kulhawy 방법(1988)이 설계 안전측의 지지력값을 주며 변동계수가 작아서 신뢰성이 높은 것으로 평가되었다.
최근, 대형구조물의 기초로서 현장타설말뚝의 사용이 증가하면서 신뢰성있는 말뚝 지지력의 산정이 중요해졌다. 이에 따라, 본 연구에서는 국내 풍화암에 근입된 현장타설말뚝을 대상으로 정재하시험 수행결과와 지지력 공식으로부터 구한 지지력값을 비교함으로써 지지력 공식의 신뢰성을 확인하고자 하였다. 분석대상은 4개 현장에서 수행된 총 12본의 정재하시험 말뚝이며, 시험말뚝에 대한 재하시험 자료 및 풍화암의 암반 물성값을 분석하였다. 본 연구에서 분석한 지지력 공식은 실무에서 널리 적용되고 있는 AASHTO 방법(1996), Carter와 Kulhawy 방법(1988), 그리고 FHWA 방법(1999)등이다. 재하시험에서 결정된 지지력과 각 지지력 공식들의 산정 결과를 비교 분석한 결과 Carter와 Kulhawy 방법(1988)이 설계 안전측의 지지력값을 주며 변동계수가 작아서 신뢰성이 높은 것으로 평가되었다.
As the use of drilled shafts for foundation of a large size structure increases, the evaluation of the reliable bearing capacity of the pile has become important. The purpose of this study is to verify the reliability of bearing capacity equations for drilled shafts socketed in weathered rock by com...
As the use of drilled shafts for foundation of a large size structure increases, the evaluation of the reliable bearing capacity of the pile has become important. The purpose of this study is to verify the reliability of bearing capacity equations for drilled shafts socketed in weathered rock by comparing the bearing capacity values from static load tests with values from bearing capacity equations. In this study, twelve data from static load test were selected from four field sites, and the data of load test and the properties of weathered rock were analyzed. Three methods widely used in practice were selected for analysis, namely the AASHTO method (1996), Carter & Kulhawy method (1988), and FHWA method (1999). The comparison of the bearing capacity values from the bearing capacity equations to those obtained from load tests showed that the Carter & Kulhawy method (1988) was the most reliable in giving conservative design values and smaller COV (Coefficient Of Variation).
As the use of drilled shafts for foundation of a large size structure increases, the evaluation of the reliable bearing capacity of the pile has become important. The purpose of this study is to verify the reliability of bearing capacity equations for drilled shafts socketed in weathered rock by comparing the bearing capacity values from static load tests with values from bearing capacity equations. In this study, twelve data from static load test were selected from four field sites, and the data of load test and the properties of weathered rock were analyzed. Three methods widely used in practice were selected for analysis, namely the AASHTO method (1996), Carter & Kulhawy method (1988), and FHWA method (1999). The comparison of the bearing capacity values from the bearing capacity equations to those obtained from load tests showed that the Carter & Kulhawy method (1988) was the most reliable in giving conservative design values and smaller COV (Coefficient Of Variation).
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문제 정의
본 연구는 국내 풍화암에 근입된 현장타설말뚝을 대상으로 정재하 시험과 지지력 공식으로부터 구한 지지력 값을 비교함으로써 여러 지지력 공식의 신뢰성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 국내 풍화암에 근입된 현장 타설 말뚝을 대상으로 정재하 시험과 지지력 공식으로부터 구한 지 지력값을 비교함으로써 이론적 지지력 공식의 신뢰성을 확인하고자 하였다. 본 연구로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
가설 설정
① 현장타설말뚝에 대한 재하시험 사례의 부족 : 현장 타설 말뚝은 지지력이 커서 시험비용이 많이 소요되기 때문에 재하시험 횟수가 소구경 항타말뚝 등에 비하여 매우 적다.
선단지지력은 암반 근입부깊이와 지름을 고려하여 계산된 깊이계수와 절리의 간격, 틈 그리고 선단지름으로부터 선단지지력 계수를 암의 일축압축강도에 곱하여 산정한다. 그러나 본 연구에서 수집한 자료의 경우 절리면에 대한 상세한 조사가 이루어지지 않아 가장 보수적인 지지력을 산정하기 위해선 단지 지력 계수 변수인 절리간격과 틈을 각각 300mm 와 5mm로 가정하였다. 주면마찰력은 절리와 풍화 상태 등을 고려한 감소계수를 암의 일축압축강도에 곱하여 산정한다.
수집하였다. 재하시험으로부터 얻어지는 말뚝 지지력은 신뢰성이높으므로 말뚝의 실제 지지력으로 가정하고 이론적 지지력 공식의 신뢰성을 분석하였다. 지지력 공식들의 신뢰성 분석에 앞서 재하시험의 하중-침하량 곡선으로부터 총 5가지 방법들을 적용하여 지지 력을 산정한 후 비교분석을 통해 신뢰성있는 방법을 결정하였다.
제안 방법
(2) 신뢰성 있는 지지력 공식을 확인하기 위하여 AASHTO 방법(1996), Carter와 Kulhawy 방법(1988), 그리고 FHWA 방법(1999)등 총 3가지 방법을 대상으로 분석하였다. 이 중 FHWA 방법(1999)에는 선단 지지력과 주면 마찰력 산정시 각각 CFEM(1985)과 Hovath 와 Kenney(1979) 지지력 공식을 사용하였다.
그림 1과 그림 2는 각각 Davisson 방법과.FHWA 5% 방법으로 결정한 극한지지력과 여러 경험식들(FHWA 방법(1999), Carter와 Kulhawy 방법(1988), 그리고 AASHTO 방법(1996))로부터 추정한 극한지지력 값을 비교하여 보여준다. 추정 지지력 값의 분산정도를 판단하기 위해 재하시험 결과보다 25% 큰 값을 나타내는 경계선과 25% 작은 값을 나타내는 경계선을 각 그림에 도시하였다.
우선, 5가지의 방법들로부터 산정된 지지력의 평균값에 대하여 각 방법으로 측정된 지지력의 비(心)를 산정한 후 분석을 수행하였다. 만일, 어떤 방법의 六政값이 1보다 크면 지지력을 평균보다 작게 산정하고, Ksx 값이 1보다 작으면 지지력을 평균보다 크게 산정함을 의미한다.
재하시험으로부터 얻어지는 말뚝 지지력은 신뢰성이높으므로 말뚝의 실제 지지력으로 가정하고 이론적 지지력 공식의 신뢰성을 분석하였다. 지지력 공식들의 신뢰성 분석에 앞서 재하시험의 하중-침하량 곡선으로부터 총 5가지 방법들을 적용하여 지지 력을 산정한 후 비교분석을 통해 신뢰성있는 방법을 결정하였다.
대상 데이터
본 연구에서 분석된 말뚝은 선단이 풍화암에 근입된 현장 타설 말뚝이다. 연구에 이용된 12본의 말뚝에 대한 선단과 주면의 암반 물성값을 표 1에 요약흐였다.
본 연구에 적용 가능한 재하시험자료는 말뚝의 극한지지력이 확인되어야 하고, 암반에 대한 신뢰성있는 설계물성값이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 대학, 연구소 회사 등 여러 기관의 협조를 받아 풍화암에 근입된 총 13개 현장 의총 29본의 현장타설말뚝에 대한 지반조사 및 재하시험자료를 수집하였다. 그러나 본 연구에 이용할 수 있는 자료는 극한하중이 확인되거나 암의 설계물성값이 얻어진 4개 현장의 12본 말뚝뿐이었다(권오성, 2004).
이를 위해 4개 현장의 총 12본의 정재하 시험 말뚝을 대상으로 재하시험자료와 암반 물성값을 수집하였다. 재하시험으로부터 얻어지는 말뚝 지지력은 신뢰성이높으므로 말뚝의 실제 지지력으로 가정하고 이론적 지지력 공식의 신뢰성을 분석하였다.
데이터처리
(1) 재하시험 결과로 부터 극한지지력을 결정하는 총 5 가지의 방법에 대한 신뢰성분석을 실시하였다. 그 결과, FHWA의 5% 기준이 여러 극한 지지력 값 들의 평균 값에 가장 가까운 값을 나타내었고, 현재 사용 빈도가 가장 높은 Davisson 방법이 평균 값에 가까우면서 보수적인 결과를 나타내었다.
각 방법들로부터 산정된 지지력값 중 가장 본편성 있는 값을 결정하기 위해 통계분석을 수행하였다. 우선, 5가지의 방법들로부터 산정된 지지력의 평균값에 대하여 각 방법으로 측정된 지지력의 비(心)를 산정한 후 분석을 수행하였다.
지지력 공식의 신뢰성은 정재하시험의 실측지지력과 지지력 공식의 추정지지력 값의 비로 정의되는 편향계수를 산정한 후 각각에 대한 평균, 표준편차, 변동계수 등의 통계치를 분석하였다.
지지력 공식의 신뢰성을 분석하기 위하여 편향계수를 산정하였다. 편향계수는 지지력 공식의 극한지지력에 대한 재하시험의 극한지지력 비로 정의된다.
이론/모형
ASCE 방법 : ASCE 방법은 Davisson 방법과 기본적으로 동일하며 상수값으로 (0.15+1/100) inch를 적용한다.
그러나 ASCE 방법은 급속재하시험에 적용하도록 제안된 방법이므로 제외하였다. 따라서 본 연구에서는 평균값에 가장 가까운 결과를 주는 FHWA 5% 기준과 현재 사용빈도가 가장 높으며 가장 보수적인 결과를 나타내는 Davisson 방법(이 방법은 항복 지지력을 이용)을이용하여 지지력 공식의 신뢰성 분석을 수행하였다.
제안하고 있다. 본 연구에서는 선단 지지력과 주면 마찰력 산정시 각각 CFEM(1985)과 Hovath와 Kenney(]979) 지지력 공식을 사용하였다. 선단지지력은 암반 근입부깊이와 지름을 고려하여 계산된 깊이계수와 절리의 간격, 틈 그리고 선단지름으로부터 선단지지력 계수를 암의 일축압축강도에 곱하여 산정한다.
재하시험의 흐)중-침하량 곡선으로부터 지지력을 결정하는 방법은 여러 연구자들에 의해 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 본 연구에서는 실무에서 널리 이용되는 방법들 중 ① Davisson 방법(Davisson, 1972), ② 25.4mm 방법(Terzaghi와 Peck, 1967), ③ 0.1D 방법(Terzaghi, 1942), ④ FHWA 5% 기준(O'Neill and Reese, 1999), ⑤ ASCE 방법 (ASCE, 1997) 등 총 5가지 방법을 이용하여 재하시험 하중-침하량 곡선으로부터ㄹ 지지력을 산정하였다.
암반에 근입된 현장타설말뚝에 대하여 국내외에서 널리 적용하고 있는 지지력 공식들 중 Carter와 Kulhawy 방법(1988), AASHTO 방법(1996), 그리고 FHWA 방법 (1999)의 3가지 공식을 이용하여 극한지지력을 추정하였다. 각 방법의 지지력 산정방법에 대한 간략한 설명은 다음과 같다.
이 중 FHWA 방법(1999)에는 선단 지지력과 주면 마찰력 산정시 각각 CFEM(1985)과 Hovath 와 Kenney(1979) 지지력 공식을 사용하였다. 그 결과, Carter와 Kulhawy 방법(1988)이 보수적인 지지력 값을 나타내면서 변동계수가 작아 상대적으로 신뢰성 이 가장 높은 것으로 평가되었다.
2~5m이다. 재하시험방법은 ASTMD 1143의 시험법에 의거하여 완속재하와 반복재하를 혼합하여 적용하였다. 본 연구에 수집된 재하시험 자료 중 말뚝 No.
재하시험의 극한지지력은 신뢰성있는 방법으로 분석된 Davisson 방법과 FHWA 5% 기준을 적용하여 산정하였고, 이 방법으로 극한지지력을 결정할 수 없는 경우에는 시험에 적용한 최대하중을 극한지지력으로 결정하여 분석을 수행하였다.
지지력 공식은 국내 설계 실무에서 널리 이용되고 있는 공식 중 AASHTO 방법(1996), Carter와 Kulhawy 방법(1988), FHWA 방법(1999)의 3가지를 적용하였다. 지지력 공식의 신뢰성은 정재하시험의 실측지지력과 지지력 공식의 추정지지력 값의 비로 정의되는 편향계수를 산정한 후 각각에 대한 평균, 표준편차, 변동계수 등의 통계치를 분석하였다.
성능/효과
(3) 지지력 공식에 의해 산정된 극한 지지력 크기를 비교해보면, FHWA 방법(1999), Carter와 Kulhawy 방법(1988), 그리고 AASHTO 방법(1996)의 순서로 지지력을 크게 평가하는 것으로 나타났다. FHWA(1999) 방법에서 지지력이 크게 산정된 것은 암의 종류에 따른 영향은 고려하지 못하고 암질의 영향만을 고려하므로 선단지지력이 크게 산정되었기 때문이다.
7MPa의 범위를 가지며, S 현장을 제외한 나머지 현장의 일축 압축 강도 값은 콘크리트의 일축압축 강도보다 더 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. S 현장은 암반의 상태를 나타내는 RQD와 RMR 값을 확인한 결과, 수집된 자료 중에서 암반 상태가 가장 나쁜 것으로 나타났다.
② 설계 지지력 확인 목적의 시험수행 : 실무에서 수행되는 재하시험의 주목적은 대부분 설계 지지력의 확인이었다. 그러므로 설계 지지력의 2배 크기의 재하 하중만 가한 후 시험을 종료하였으며 이 때의 말뚝 변위량은 대부분 말뚝 탄성압축량 정도의 크기만 발생하여 극한지지력을 구할 수 없었다.
지반조사 자료의 부족 : 많은 비용을 들여 말뚝재하시험을 수행함에도 불구하고 현장에서 수행된 지반조사는 대부분 표준관입시험 뿐이었다. 그러므로, 지지력 산정에 중요한 암반 등에 대한 신뢰성 있는 설계 물성값을 산정할 수 없었다
결론적으로 Hoek (1983)이 제안한 암 분류 기준에서 암질이 양호(Good)이상으로 분류된 경우에는 일반적으로 Carter와 Kulhawy 방법(1988)과 AASHTO 방법(1996) 이 CFEM(1985) 방법보다 큰 선단지지력을 제시하는 경향이 있으나, 암질이 보통®ir)이하로 분류된 경우에는 작은 값을 제시한다. 본 연구에서 사용된 자료의 경우, 암질이 대부분 보통(值ir)이하로 분류되었기 때문에 CFEM(1985) 공식으로 계산된 선단지지력이 상대적으로 크게 산정된 것이다.
결론적으로, Carter와 Kulhawy 방법(1988)이 보수적이면서 가장 작은 변동계수를 나타내기 때문에 비교 대상 중 가장 신뢰성이 높은 방법으로 판단되었다. 그러나 본 연구는 제한된 재하시험 자료로부터 분석된 결과이므로, 향후 추가적인 연구가 필요하다.
이 중 FHWA 방법(1999)에는 선단 지지력과 주면 마찰력 산정시 각각 CFEM(1985)과 Hovath 와 Kenney(1979) 지지력 공식을 사용하였다. 그 결과, Carter와 Kulhawy 방법(1988)이 보수적인 지지력 값을 나타내면서 변동계수가 작아 상대적으로 신뢰성 이 가장 높은 것으로 평가되었다. 그러나 본 결과는 말뚝 12본의 제한된 시험자료로부터 분석된 결과이므로 향후 추가적인 연구가 필요하다.
그 결과, FHWA의 5% 기준이 여러 극한 지지력 값 들의 평균 값에 가장 가까운 값을 나타내었고, 현재 사용 빈도가 가장 높은 Davisson 방법이 평균 값에 가까우면서 보수적인 결과를 나타내었다.
그러므로 설계 지지력의 2배 크기의 재하 하중만 가한 후 시험을 종료하였으며 이 때의 말뚝 변위량은 대부분 말뚝 탄성압축량 정도의 크기만 발생하여 극한지지력을 구할 수 없었다. 이러한 사실은 말뚝기초가 과도하게 설계되고 있음을 의미한다.
본 연구에서는 분석자료의 양적 한계 때문에 신뢰성 분석을 위하여 주면과 선단지지력을 합한 전체지지력을 사용하였다 표에서 보듯이, 일반적으로 FHWA 방법(1999), Carter와 Kulhawy 방-법(1988), 그리고 AA아방법(1996)의 순서로 지지력을 크게 평가하는 것으로 나타났다. 이 중 Carter와 Kulhawy 방법(1988)에 의한 극한지지력은 AASHTO 방법(1996)과 비교하여 0.
암반의 상태는 완전 풍화(completely weathered) 에서 중간정도 풍화(moderately weathered) 로분류되었다. 일축압축강도는 15.7~84.7MPa의 범위를 가지며, S 현장을 제외한 나머지 현장의 일축 압축 강도 값은 콘크리트의 일축압축 강도보다 더 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. S 현장은 암반의 상태를 나타내는 RQD와 RMR 값을 확인한 결과, 수집된 자료 중에서 암반 상태가 가장 나쁜 것으로 나타났다.
후속연구
그 결과, Carter와 Kulhawy 방법(1988)이 보수적인 지지력 값을 나타내면서 변동계수가 작아 상대적으로 신뢰성 이 가장 높은 것으로 평가되었다. 그러나 본 결과는 말뚝 12본의 제한된 시험자료로부터 분석된 결과이므로 향후 추가적인 연구가 필요하다.
그러나 본 연구는 제한된 재하시험 자료로부터 분석된 결과이므로, 향후 추가적인 연구가 필요하다.
정재하시험 자료개수가 중요하다. 본 연구에 적용 가능한 재하시험자료는 말뚝의 극한지지력이 확인되어야 하고, 암반에 대한 신뢰성있는 설계물성값이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 대학, 연구소 회사 등 여러 기관의 협조를 받아 풍화암에 근입된 총 13개 현장 의총 29본의 현장타설말뚝에 대한 지반조사 및 재하시험자료를 수집하였다.
본 연구에서 사용된 자료의 경우, 암질이 대부분 보통(值ir)이하로 분류되었기 때문에 CFEM(1985) 공식으로 계산된 선단지지력이 상대적으로 크게 산정된 것이다. 향후 위 지지력 공식들을 적용하기 위해서는 암반 종류와 암질에 대한 충분한 지반조사가 수행되어야 하며, 그것을 바탕으로 현장의 지반상태를 충분히 반영할 수 있도록 적절한 계수를 산정하는 것이 중요하다.
참고문헌 (16)
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