[논문]풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 저항계수 산정

윤홍준; 정성준; 김명모

doi:10.7843/kgs.2007.23.8.107

풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 저항계수 산정
Resistance Factors for Drilled Shafts Embedded in Weathered Rock 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.23 no.8, 2007년, pp.107 - 116

윤홍준 (한국도로공사) , 정성준 (서울대학교 지구환경시스템공학부) , 김명모 (서울대학교 지구환경시스템공학부)

초록
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하중저항계수설계법(LRFD)은 세계적으로 지반공학적 설계의 실무에서 사용이 증가하고 있으며 머지않아 현재의 허용응력설계법(ASD)을 완전히 대체할 것으로 예상된다. 하중저항계수설계법은 신뢰도해석(Reliability analysis)을 바탕으로 파괴확률을 정량화하여 상부구조물과 하부구조물을 일관된 신뢰도 수준으로 설계할 수 있게 하는 장점을 가지고 있다. 현재 암반에 근입된 현장타설말뚝의 저항계수는 단지 무결암 상태일 경우에 대하여 AASHTO에 의해 제시되어 있다. 그러나 국내의 경우, 말뚝이 근입되는 대부분의 기반암은 심하게 풍화되어 있다. 따라서 본 연구에서는 풍화암(흔히 IGM)에 대한 저항계수를 산정하고자 하였다. 이를 위해 국내 풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 저항계수를 산정하기 위하여 신뢰도 해석을 수행하였다. 4개 현장에서 수행된 21본의 재하시험자료가 분석에 사용되었으며, 말뚝지지력을 계산하는 방법에 따라 저항계수는 $0.1{\sim}0.6$의 범위 내에서 산정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Load and Resistance Factor Design (LRFD) method is being used increasingly in geotechnical design practice worldwide, and is expected to completely replace the current Allowable Stress Design (ASD) method in the near future. LRFD has advantages over ASD in that it allows the design of superstructures and substructures at a consistent reliable level by quantification of failure probability based on reliability analysis. At present, resistance factors for cast-in-place piles embedded in rocks are determined by AASHTO only for the intact rock conditions. In Korea, however, most of the bedrocks in which piles are embedded are heavily weathered. Thus, this study will try to determine the resistance factors of heavily weathered rocks (so-called intermediate goo-materials). To this aim, reliability analysis was carried out to evaluate the resistance factors of cast-in-place piles embedded in intermediate geo-materials in Korea. Pile load test data of 21 cast-in-place piles of 4 construction sites were used for the analysis. Depending on the method which calculates the pile capacities, the resulting resistance factors ranged between 0.1 and 0.6.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 4개소 현장의 총 21개 시험 말뚝에 대한 말뚝재하시험자료와 그 시험현장의 암반 물성치를 수집하여 풍화암에 근입된 말뚝을 위한 저항계수를 산정하고자 하였다. 저항계수 산정을 위해서는 하중 계수, 하중과 저항에 대한 편향계수, 목표 신뢰도지수가 필요하다.
본 연구에서는 풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 저항계수를 산정하기 위하여 신뢰성 분석을 수행하였다. 본 연구결과 다음의 결론을 도출하였다.
현재 국내에서 사용 중인 허용응력설계법에 대한 신뢰도 수준을 파악하기 위하여, 실무에서 적용되고 있는 전체 안전율의 신뢰도 지수를 검토하였다. 신뢰도 지수는 전체안전율(FS), 하중비(Q/0), 하중 통계적 변수, 저항 통계적 변수의 함수로서 신뢰성 해석기법 중 일계이 차모멘트분석 법 (First Order Second Moment; FOSM) 으로 산정하였다.

가설 설정

또한, 저항의 편향계수를 구하기 위해서 실측지지력과 추정지지력을 각각 산정하였다. 그리고 하중과 저항의 통계분포는 대수 정규분포로 가정하였다. 재하시 험으로부터 얻은 말뚝의 실측지지력을, 주면과 선단지지력으로 분리 산정하기 위하여 변형률계 및 변형봉을 설치한 말뚝에서는 하중 전이시험 결과를 이용하여 분리하였고, 계측기를 부착하지 않은 나머지 시험 말뚝에 대해서는 수치해석 방법으로 역해 석을 수행하여 분리하였다 그리고, 추정지지력은 일반적으로 사용하는 지지력 공식을 이용하여 산정하였다.

제안 방법

D(동탄)현장과 N(남항대교)현장에서는 주면과 선단지지력으로 분리 산정하기 위하여 하중전이 시험 결과를 이용하였고, S(서해대교)현장과 K(금강대교) 현장에서는 하중 전이 시험을 수행하지 않아 수치해석 방법으로 역해 석을 수행하여 분리 산정하였다. 이러한 과정을 이용하여 계산된 극한지지력을 측정 지지력이라고 정의하였다.
FOSM 방법을 이용하여 위에서 결정한 목표 신뢰도지수 2.5와 3.0에 대한 저항계수를 산출하였다. 표 11에 하중 통계적 변수, 저항통계적 변수 그리고, 목표 신뢰도지수를 이용하여 저항계수를 산정한 결과를 정리하였다.
각 현장의 암반 물성 값은 실내시험(uniaxial compressive test, point load test)과 현장시험 (NX boring, sampling,pressuremeter test, and observation of rock cores)으로부터 측정되었으며, 주면과 선단지지력을 산정하기 위한 암반 물성 값을 각각 표 3과 4에 정리하였다.
즉, 극한값을 확인한 5개 말뚝재하시험결과인극한선단지지력과 그 때의 할선선단접지압계수와의 상관도를 그림 2와 같이 도시하였다. 그리고, 극한값을 확인하지 못한 경우에는 위의 상관성을 이용하여 간접적으로 극한선단지지력을 추정하였다. 표 2에 각 현장의 재하시험으로부터 얻은 실측지지력 값을 정리하였다.
따라서, 현행 허용응력설계법에 대한 신뢰도 수준과 문헌 연구 결과를 종합하여 본 연구에서는 목표 신뢰도지수의 범위를 2.5와 3.0으로 결정하였다.
LRFD(2004)에서 제시한 값을 이용하였다. 또한, 저항의 편향계수를 구하기 위해서 실측지지력과 추정지지력을 각각 산정하였다. 그리고 하중과 저항의 통계분포는 대수 정규분포로 가정하였다.
또한, 하중저항계수설계법의 저항계수 산정에 필요한 목표신뢰도 지수를 결정하기 위하여, 현행 허용응력 설계법에 대한 신뢰도수준을 통계적 방법으로 산정하였으며 그 결과를 기존 문헌과 비교하여 목표 신뢰도지수를 결정하였다.
본 연구에서는 총 4부지에서 수행된 21개 시험 말뚝에 대한 재하시험 자료를 이용하여 풍화암에 근입된 현장 타설 말뚝의 저항계수를 산정하였다. 표 1은 시험 현장의 암반 상태와 말뚝지름, 그리고 풍화암 근입깊이를 나타낸다.
사용하였다. 실무에 적용되고 있는 안전율의 일반적인 범위는 2~3이므로, 본 연구에서는 안전율 2, 2.5, 3에 대하여 신뢰도 분석을 수행하였다. 하중비는 시공재료와 교량 경간길이에 의존하나, 하중비(Q丿Q)와 신뢰도지수(们와의 관계(그림 3)에서 보이는 것처럼 하중 비의 영향은 신뢰도 지수에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수가 있다.
위의 암반 물성값을 이용하여, 21개 말뚝에 대한 주면 과 선단의 극한지지력을 산정하였다. 이러한 과정을 이용하여 계산된 극한지지력을 추정 지지력이라고 정의하였다.
그리고 하중과 저항의 통계분포는 대수 정규분포로 가정하였다. 재하시 험으로부터 얻은 말뚝의 실측지지력을, 주면과 선단지지력으로 분리 산정하기 위하여 변형률계 및 변형봉을 설치한 말뚝에서는 하중 전이시험 결과를 이용하여 분리하였고, 계측기를 부착하지 않은 나머지 시험 말뚝에 대해서는 수치해석 방법으로 역해 석을 수행하여 분리하였다 그리고, 추정지지력은 일반적으로 사용하는 지지력 공식을 이용하여 산정하였다.
저항에 대한 편향계수의 통계값을 파악하기 위하여 실측지지력과 추정지지력을 산정하였다.

이론/모형

따라서, 대부분의 재하시험이 극한상태에 이르지 않았기 때문에 암반에 근입된 말뚝의 극한선단지지력을 측정하는 것이 불가능하였다. 그리하여, 명백한 극한지지력이 나타나지 않을 경우, 권오성(2004)이 제안한 선단변위 20mm에서 q-w곡선의 기울기인 할선선단접지압계수(統) 와 선단지지력과의 상관성을 이용하여 선단지지력을 추정하였다. 즉, 극한값을 확인한 5개 말뚝재하시험결과인극한선단지지력과 그 때의 할선선단접지압계수와의 상관도를 그림 2와 같이 도시하였다.
하중비는 시공재료와 교량 경간길이에 의존하나, 하중비(Q丿Q)와 신뢰도지수(们와의 관계(그림 3)에서 보이는 것처럼 하중 비의 영향은 신뢰도 지수에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수가 있다. 따라서 본 연구에서는 AASHTO LRFD (2004)에서 사용되는 장대교량에 적용 가능한 하중비 2 의 값을 적용하였다.
본 연구에서는 하중계수 및 하중에 대한 편향계수를 AASHTO LRFD(2004)에서 제시한 값을 이용하였다. 또한, 저항의 편향계수를 구하기 위해서 실측지지력과 추정지지력을 각각 산정하였다.
안전율의 신뢰도 지수를 검토하였다. 신뢰도 지수는 전체안전율(FS), 하중비(Q/0), 하중 통계적 변수, 저항 통계적 변수의 함수로서 신뢰성 해석기법 중 일계이 차모멘트분석 법 (First Order Second Moment; FOSM) 으로 산정하였다. FOSM에 의하여 人卜하중 Qd, 활하중 Q, 저항 石>이 각각 독립이며, 대수정규분포를 따른다고 가정하면, 신뢰도 지수는 다음과 같이 표현된다.
이 중 하중통계적 변수는 AASHTO LRFD(2004) 상부 구조 편에서 제시하는 값을 사용하였고, 저항 통계적 변수는 자료에 대한 편향계수 분포에 근거하여 설정된 값을 사용하였다. 실무에 적용되고 있는 안전율의 일반적인 범위는 2~3이므로, 본 연구에서는 안전율 2, 2.
이러한 과정을 이용하여 계산된 극한지지력을 추정 지지력이라고 정의하였다. 주면지지력을 산정하기 위하여 Horvath and Kenny(1979), Rowe and Armitage(1987), FHWA IGM(1999)과 같은 지지력 공식이 적용되었으며, 선단지지력을 산정하기 위하여 Zhang and Einstein(1998), Carter and Kulhawy(1988), LCPC SETRA(1985) 지지력 공식이 적용되었다. 주면 지지력과 선단지지력을 구하기 위하여 필요한 변수와 식, 그리고 적용한계를 각각 표 5에 정리하였다.
허용응력설계법의 신뢰도 지수를 NCHRP 507(2004) 에서 적용한 2차모멘트법인 FOSM 방법에 의해 평가하였으며 그 결과는 표 9와 같다. 표 9에서 보는 것처럼 계산되어진 신뢰도지수는 지지력공식에 따라 다르며 이는 같은 안전율을 사용함에도 불구하고 설계 방법에 따라 신뢰도 수준의 차이가 있음을 알 수가 있다.

성능/효과

(1) 현행 기초설계기준인 허용응력설계법의 전체안전율 2.0, 2.5, 3.0에 대한 신뢰도 지수를 FOSM 방법에 의해 검토하였으며, 분석결과, 신뢰도 지수는 -1.24~ 2.86의 범위를 가지는 것을 확인하였다.
이러한 과정을 이용하여 계산된 극한지지력을 측정 지지력이라고 정의하였다. 재하시험결과, 단 위선 단지 지력-상대변위(g-徵)곡선을 확인해 보면, 그림 1과 같이 대부분의 경우 극한 선단 지지력을 확인하지 못하고 탄성변위 범위의 침하가 발생하는 설계하중의 확인만으로 재하시험을 종료하였다. 따라서, 대부분의 재하시험이 극한상태에 이르지 않았기 때문에 암반에 근입된 말뚝의 극한선단지지력을 측정하는 것이 불가능하였다.

후속연구

(3) 본 연구의 신뢰성 분석에 이용된 재하시험 데이터 수가 적어 저항계수 산정에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되며, 양질의 데이터가 축척되면 앞으로 더욱더 신뢰성 높은 저항계수를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (14)

권오성 (2004). '암반의 풍화도가 암반근입말뚝의 지지거동에 미치는영향', 서울대, 박사학위 논문
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Carter, J. P., and Kulhawy, F. H. (1987), 'Analysis and design of foundations socketed into rock', Research Report 1493-4, Geotechnical Engineering Group, Cornell University, Ithaca, New York
Carter, J. P. and Kulhawy, F. H. (1988), 'Analysis and design of drilled shaft foundations socketed into rock', Report EL-5918, Electric Power Research Institute, Palo Alto, California
Horvath, R. G. and Kenny, T. C. (1979), 'Shaft resistance of rock-socketed drilled piers', Drilled shaft design and construction in Florida, Department of Civil Engineering, University of Florida, Gainesville
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Meyerhof, G. (1970), 'Safety Factors in Soil Mechanics', Canadian Geotechnical Journal, Vol.7, No.4, pp.349-555

상세보기
National Cooperative Highway Research Program REPORT 507 (2004), Load and Resistance Factor Design (LRFD) for Deep Foundations, TRB, Washington, D.C
O'Neill, M., Townsend, F., Hassan, K., Buller, A., and Chang, P. (1996), 'Load Transfer for Drilled Shafts in Intermediate Geomaterial', FHWA-RD-95-172, FHWA
Rowe, R. K. and Armitage, H. H. (1987), 'A design method for drilled piers in soft rock', Canadian Geotechnical Journal, Vol.24, pp.126-142

상세보기
Tang, W. Woodford, D., and Pelletier, J. (1990), 'Performance Reliability of Offshore Piles', Proceedings of the 22nd Annual Offshore Technology Conference. May 7-10, Houston, IX, Paper No. OTC 6379, Offshore Technology Conference, Richardson, TX, Vol.3, pp.299-308
Wu, T., Tang, W., Sangrey, D., and Baecher, G. (1989), 'Reliability of Offshore Foundations-State of the Art', Journal of Geotechnical Engineering, Vol.115, No.2, pp.157-178

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Zhang, L. and Einstein, H. H. (1988), 'End bearing capacity of drilled shafts in rock', Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.124, No.7, pp.574-584

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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