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문제 정의
- 본 논문은 (주)영조주택과 건설교통평가원의 건설 핵심사업의 지원 하에서 수행된 것임을 밝히며, 이에 감사를 표한다.
가설 설정
- 일반적으로 직경 600mm의 PHC B종 말뚝의 축방향 허용압축하중은 2, 300kN 인데(한국지반공학회, 2003), 이 값은 말뚝 두부에서의 허용하중으로서 전단력, 모멘트 등의 영향을 고려하여 제시된 값이다. 잔류하중의 최대값은 약 35m 깊이의 말뚝 중립면에서 발생하였는데, 말뚝은 이 깊이에서 주면지반의 횡토압에 의해 수평변형이 억제되므로 순수한 압축력만이 발생하는 것으로 가정할 수 있다. 이 경우 중립면에서의 말뚝재료 허용압축응력은 콘크리트 압축강도의 2/3(Fellenius, 1991) 또는 말뚝두부 허용하중의 2배로 산정하고 있으며, (일본 토질공학회, 1997), 이 방법들로 산정된 중립면 말뚝재료 허용 압축강도는 약 5,000kN~6, 500kN으로서 말뚝 재료 강도의 안정성에는 여유가 있는 것으로 판단된다.
제안 방법
- 본 연구에서는 최근 국내에서 사용이 증가하고 있는 PHC 말■뚝(Pretensioned spun High strength Concrete pile) 을 대상으로 대심도 연약지반 내에 말뚝의 항타 중, 설치 후 시간경과에 따른 지반거동 및 말뚝의 잔류응력을 장기간 계측하였다. 지반거동 계측항목은 경사계를 이용한 인접지반의 수평변위 계측, 거리별, 깊이별로 설치한 간극수압계를 이용한 간극수압 계측, 그리고 변위 말뚝을 이용한 지표면 침하계측 등이다.
- 지반거동 계측항목은 경사계를 이용한 인접지반의 수평변위 계측, 거리별, 깊이별로 설치한 간극수압계를 이용한 간극수압 계측, 그리고 변위 말뚝을 이용한 지표면 침하계측 등이다. 또한, 공장제 작시에 PHC 말뚝 내에 변형률계를 설치하고, 말뚝 항타 직후부터 말뚝체 내에 발생하는 잔류하중을 계측하였다. 이러한 결과를 바탕으로 말뚝 인접지반의 간극수압, 수평 변위, 지표면 침하량, 그리고 말뚝체 잔류하중 변화와 서로의 상관관계를 분석하였다.
- 또한, 공장제 작시에 PHC 말뚝 내에 변형률계를 설치하고, 말뚝 항타 직후부터 말뚝체 내에 발생하는 잔류하중을 계측하였다. 이러한 결과를 바탕으로 말뚝 인접지반의 간극수압, 수평 변위, 지표면 침하량, 그리고 말뚝체 잔류하중 변화와 서로의 상관관계를 분석하였다.
- 점토층 아래에는 표준관입시험 N값이 50이 넘는 조밀한 모래층이 약 10m 두께로 존재하며 그 아래에 다시 연약한 모래층이 약 57m 깊이까지 분포한다. 본 시험말뚝은 약 57m 깊이에 존재하는 단단한 자갈모래층에 지지시키는 것으로 계획하였다.
- 본 연구에서는 말뚝 항타 전 인접지반에 간극수압계, 경사계, 지표 변위말뚝 등을 설치하고 항타 중에 발생하는 간극수압과 변위를 계측하였다. 그리고, 말뚝체 내에 변형률 계를 설치하여 말뚝체의 축력 변화를 계측하였다.
- 간극수압과 변위를 계측하였다. 그리고, 말뚝체 내에 변형률 계를 설치하여 말뚝체의 축력 변화를 계측하였다.
- 설치위치를 보여준다. 간극수압계는 총 7개를 설치하여 설치 깊이 및 말뚝으로부터의 거리에 따른 지반 내 간극수압 변화를 계측하였다. 간극수압계 형식은 장기간의 계측에 유리한 진동현식을 사용하였다.
- 정시간이 긴 단점이 있다. 본 계측에서는 신뢰성 있는 既을 얻기 위해 계측간격을 10초로 설정하였다. 그러므로 10초 간격 이내의 순간적인 간극수압 변화 값은 계측되지 않을 수도 있다.
- 변위말뚝은 말뚝 중심으로부터 거리에 따라 총 6개를 설치한 후 수준측량을 실시하여 말뚝 항타 중과 항타 종료 후의 지표면 침하량을 측정하였다.
- 변형률계는 지표면 위치에 4개(Im 지점), 지표면 아래로는 5m 간격으로 양방향 2개씩 13곳의 단면에 총 28개를 설치하였다. 변형률계는 직경 6mm, 길이 80cm의 이형철근의 가운데 부분을 매끈하게 갈아낸 후 전기저항식 변형률계를 부착하여 철근 변형률계 형태로 제작하였다. 공장제작 단계에서 말뚝의 철근망에 철근 변형률계를 부착한 이후에 콘크리트를 타설하고 말뚝 체를 제작하였다.
- 변형률계는 직경 6mm, 길이 80cm의 이형철근의 가운데 부분을 매끈하게 갈아낸 후 전기저항식 변형률계를 부착하여 철근 변형률계 형태로 제작하였다. 공장제작 단계에서 말뚝의 철근망에 철근 변형률계를 부착한 이후에 콘크리트를 타설하고 말뚝 체를 제작하였다.
- 최종 근입깊이가 57m이고 말뚝 1개의 길이는 15m이므로 총 4개의 말뚝을 항타하고 3번 용접이음 하였다. 말뚝 1개의 항타시간은 30분 이내였으나 각 말뚝의 항타 후 상부말뚝 용접, 상하부의 변형률계를 위한 계측선 연결, 경사계 및 지표면 변위측정 등을 수행하는데 약 4~5시간이 소요되었다.
- 보여주고 있다. 본 항타는 15m 길이의 말뚝 4개를 용접이음하기 때문에 총 4단계의 항타과정으로 이루어졌다. 각 항타 종료 후의 근입깊이(PD)는 첫번째 항타의 경우 14m, 2번째 항타의 경우 29m, 3번째 항타의 경우 44m, 그리고 항타 종료 후 57m이었다.
- 본 연구에서는 간극수압계, 경사계, 지표 변위말뚝, 그리고 말뚝 변형률계 등을 설치하여 대심도 연약지반에 PHC 말뚝을 항타하였을 때의 지반거동과 말뚝체 잔류하중을 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 본 시험은 낙동강 하구지역에 위치한 매립지역에서 수행하였다. 그림 1은 시험부지의 지층구성을 보여준다.
- 변형률계는 지표면 위치에 4개(Im 지점), 지표면 아래로는 5m 간격으로 양방향 2개씩 13곳의 단면에 총 28개를 설치하였다. 변형률계는 직경 6mm, 길이 80cm의 이형철근의 가운데 부분을 매끈하게 갈아낸 후 전기저항식 변형률계를 부착하여 철근 변형률계 형태로 제작하였다.
- 본 시험에 이용된 PHC 말뚝은 외경 600mm, 내경 360 mm으로서 단면적이 1810cn?이다. 말뚝 선단은 폐쇄형이며 십자형 슈를 용접하여 관입을 용이하게 하고 선단의 손상을 방지하도록 하였다.
이론/모형
- 간극수압계는 총 7개를 설치하여 설치 깊이 및 말뚝으로부터의 거리에 따른 지반 내 간극수압 변화를 계측하였다. 간극수압계 형식은 장기간의 계측에 유리한 진동현식을 사용하였다. 진동현식은 내구성이 좋다는 것이 장점이나 전기저항식에 비하여 1회의 측.
성능/효과
- 최종적인 말뚝 근입깊이는 57m로서, 말뚝선단이 조밀한 모래자갈층에 놓인다. 밀뚝의 항타는 16톤 유압 해머(제작사: 동광해머, 모델명: DKH-16)를 이용하여 실시되 었으며, 항타 중에 연속적으로 동재하 시험을 실시한 결과 말뚝체에 발생한 인장 및 압축응력이 허용값보다 작았고 말뚝의 건전도는 양호한 것으로 나타났다.
- 초기에 점토층 내의 간극수압(실선)이 정수압(점선)보다 크므로 과잉간극수압이 존재하고 그 크기는 약 20~30kPa로 나타났다. 항타 후 간극수압 변화를 살펴보면 말뚝 선단이 간극수압계의 설치위치를 지나는 순간에 간극수압이 크게 증가하며, 간극수압계 설치위치를 지나게 되면 추가 증가 없이 소산되는 것으로 나타났다. 또한, 13m와 44m 깊이의 모래층에서는 항타 중 증가된 간극수압이 약 1시간 후에 대부분 소산되었음을 나타내고 있다.
- 보여준다. 간극수압 최대값은 말뚝으로부터 거리가 멀어질수록 감소하였으며 말뚝으로부터 8D 위치에서의 간극수앝 증가량은 매우 작은 것으로 나타났다.
- 과잉간극수압이 존재하였다. 항타 중 발생한 초대 간극수압을 이용하여 계산된 과잉간극수압 비는 상부 모래층에서 0.87, 중간모래층에서 0.03으로서 상부 모래층은 항타 중 액상화에 가까운 상태가 되었으며, 중간모래층은 매우 조밀한 상태여서 항타중 발생하는 간극수압 증가량은 매우 작았다. 점토층에서의 과잉간극수압 비는 3D 거리에서 1.
- 35m 깊이의 간극수압은 계속 감소하면서 정수압보다 작아져 부의 과잉간극수압이 발생하는 것으로 나타났는데, 이에 대한 원인은 향후 추가적인 연구를 통하여 규명되어야 할 것으로 판단된다. 점토층에서 항타에 의한 간극수압이 소산하는데 걸리는 시간, 즉 항 타전의 과잉간극수압과 동일해지는 시점은 27m와 35m 깊이의 간극수압계의 경우 약 2주일로 나타났으나, 20 m 깊이의 간극수압계의 경우 약 140일로 일반적으로 예상되는 소산시간보다 매우 긴 것으로 나타났다. 20m 깊이의 간극수압계 결과를 제외하면 점토층에서는 약 2주일이 경과되면 항타 중에 증가된 간극수압이 대부분 소산되는 것으로 판단된다.
- 20m 깊이의 간극수압계 결과를 제외하면 점토층에서는 약 2주일이 경과되면 항타 중에 증가된 간극수압이 대부분 소산되는 것으로 판단된다. 또한, 말뚝 설치 후 약 130 일이 지난 후 말뚝 정재하시험을 위한 반력앵커를 말뚝 중심으로부터 약 3.8m 위치에 시공하였는데, 이때 지반 교란에 의하여 간극수압이 증가된 것으로 나타났다.
- 6D 거 리에서는 상부 모래층에서 최대 5mm(평균=3mm), 점토층에서 최대 13mm (평균=9mm), 조밀한 모래층에서 최대 7mm(평균=4 mm) 발생하였다. 점토층에서 발생한 수평변위는 모래층에 비해 평균 약 2배 이상 큰 것으로 나타났다 그리고, 말뚝에서의 거리가 3D에서 6D로 멀어짐에 따라 수평 변위값은 약 3배~4배 감소하였다. 수평변위가 최대가 되는 깊이는 상부 점토층 내의 약 22m로 나타났다.
- 13m와 44m 깊이의 모래층의 경우 항타 종료 후의 수평변위 변화량은 무시할 수 있는 것으르 나타났다. 그러나, 점토층의 수평 변위량은 점차 감소하였으며, 점토층에서 항타 중 발생한 과잉간극수압이 소산되는 약 2주 후에 수평 변위량의 감소량이 수렴되는 것으로 나타났다. 감소량의 최대값은 약 8 mm로 나타났으며 이는 항타중 발생한 점토층 평균 수평 변위량의 약 30%에 해당한다.
- 5D 거리에서 최대 45mm로 나타났다. 말뚝으로부터 거리에 따른 침하량을 살펴보면 1.5D 거리에서 45mm 의 침하량이 발생하였으나, 말뚝으로부터 3D 이상 떨어지면 침하량 크기가 10mm 이하인 것으로 나타났다. 또한, 12D 거리에서 발생한 침하량은 무시할만한 수준으로 나타났다.
- 때 최대가 되었다. 간극수압 크기는 말뚝으로부터 거리가 멀어질수록 감소하였으며 8D 위치에서의 간극수압 증가량은 매우 작은 것으로 나타났다. 또한, 항타 중 증가된 간극수압은 모래층에서는 1시간, 점토층에서는 2주일이 경과하면 대부분 소산되는 것으로 나타났다.
- 간극수압 크기는 말뚝으로부터 거리가 멀어질수록 감소하였으며 8D 위치에서의 간극수압 증가량은 매우 작은 것으로 나타났다. 또한, 항타 중 증가된 간극수압은 모래층에서는 1시간, 점토층에서는 2주일이 경과하면 대부분 소산되는 것으로 나타났다.
- (2) 말뚝으로부터 3D 위치에서 말뚝 항타에 의해 발생한 수평변위량은 상부 모래층에서 최대 20mm(평균 =12mm), 점토층에서 최대 36mm(평균=25mm) 로 나타났다. 그리고, 말뚝으로부터 거리가 3D에서 6D로 멀어짐에 따라 수평변위량은 약 3배~4배 감소하였다.
- (3) 항타에 의한 지표면 침하량은 말뚝 항타가 지속될수록 점차 증가하였다. 말뚝으로부터 3D이상 떨어지면 침하량 크기가 10mm 이하로 감소하는 것으로 나타났으며, 12D 거리에서의 침하량은 무시할 수 있는 크기였다.
- 점차 증가하였다. 말뚝으로부터 3D이상 떨어지면 침하량 크기가 10mm 이하로 감소하는 것으로 나타났으며, 12D 거리에서의 침하량은 무시할 수 있는 크기였다.
- (4) 말뚝 잔류하중의 증가와 감소는 지반 내 과잉간극수압 거동에 지배된다. 점토층 내 과잉간극수압이 약 10kPa 감소하는 경우 최종 잔류하중의 약 80% 크기의 잔류하중이 발생하였다.
- 감소량의 최대값은 약 8 mm로 나타났으며 이는 항타중 발생한 점토층 평균 수평 변위량의 약 30%에 해당한다. 또한, 정재하시험을 위한 앵커설치로 인하여 지반의 수평변위가 약 2mm 증가한 것으로 나타났다.
- (1) 말뚝 항타 중에 간극수압은 말뚝선단이 간극수압계설치 깊이로부터 3m~7m 위에 위치할 때 발생하기 시작하였으며, 말뚝선단이 간극수압계 설치 깊이를 지날 때 최대가 되었다. 간극수압 크기는 말뚝으로부터 거리가 멀어질수록 감소하였으며 8D 위치에서의 간극수압 증가량은 매우 작은 것으로 나타났다.
후속연구
- 매립에 의해 지반 내 존재하던 과잉간극수압이 소산되면서 간극수압이 점차 정수압에 가까워졌다. 35m 깊이의 간극수압은 계속 감소하면서 정수압보다 작아져 부의 과잉간극수압이 발생하는 것으로 나타났는데, 이에 대한 원인은 향후 추가적인 연구를 통하여 규명되어야 할 것으로 판단된다. 점토층에서 항타에 의한 간극수압이 소산하는데 걸리는 시간, 즉 항 타전의 과잉간극수압과 동일해지는 시점은 27m와 35m 깊이의 간극수압계의 경우 약 2주일로 나타났으나, 20 m 깊이의 간극수압계의 경우 약 140일로 일반적으로 예상되는 소산시간보다 매우 긴 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 계측된 최대 잔류하중에 대하여 말뚝재료 강도의 안정성을 검토할 필요가 있다. 일반적으로 직경 600mm의 PHC B종 말뚝의 축방향 허용압축하중은 2, 300kN 인데(한국지반공학회, 2003), 이 값은 말뚝 두부에서의 허용하중으로서 전단력, 모멘트 등의 영향을 고려하여 제시된 값이다.
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