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문제 정의
- 본 논문에서는 기존 공장제작 콘크리트 팽이기초와 달리 재활용 합성수지인 팽이형 용기(거푸집활용)를 이용하여 시공하는 현장타설 팽이기초(In-situ TBF)의 거동특성을 검토하기 위해 현장에서 수행된 재하시험 결과를 토대로 수치해석을 수행하였으며, 구성된 수치해석모델링을 이용하여 대상현장과 동일한 지반조건에서 기초형식 및 팽이기초의 형상 변화에 따른 결과를 비교.검토하였다.
- 본 연구에서는 현장타설 팽이기초의 거동특성을 검토하기 위하여 N치가 4~13 범위의 연약한 하상퇴적층 (실트질 모래층(SM))에서 수행된 재하시험 결과를 입력자료로 하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 원지반(무처리기초)에서 수행된 재하시험 결과를 역해석하여 기초 지반의 물성치를 산정하였으며, 결정된 지반 물성치를 팽이기초모델링시 적용하여 현장재하시험 결과와 비교.
제안 방법
- 기초형식별 허용지지력을 산정하기 위하여 하중(P) - 침하(S), Log(P) - Log(S) 방법을 적용하여 항복하중을결정한 후 안전율 2를 고려하여 허용지지력을 산정하였으며, 기초형식별 발생된 침하량을 비교.검토하기 위하여 팽이기초의 허용지지력인 20아"P 작용시 침하량에대해 서로 비교하였다.
- (1) 동일한 하중조건에서 기초하부에 발생되는 지중응력을 비교.분석한 결과, 무처리기초는 발생응력이기초 중앙부에 집중되어 작은 하중에서 국부파괴가발생되나, 팽이기초는 채움쇄석과 팽이기초의 형상으로 인한 응력분산효과로 기초전체에 비교적 균등하게 응력이 분포하여 응력집중에 의한 지반파괴를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
- 재하하중 및 재하폭(B=lm)은 현장재하하시험과 동일하게 적용하였으며, 역해석을 통하여결정된 물성치는 표 2와 같다. 그림 7 및 표 3과 같이재하시험 결과와 수치해석 결과가 유사한 거동을 나타냄으로 최종 결정된 모델링을 이용하여 기초형식 및 형상변화에 따른 거동특성을 검토하였다.
- 기초형식별 거동특성을 검토하기 위하여 전면매트기초에 보강이 이루어지지 않은 무처 리기초(Type-C)와 근입깊이를 0.25m 증가시 킨 전면매트기초(Type-B), 그리고 팽이기초(Type-A)로 구분하여 수치해석을 수행하였다. 기초형식별 허용지지력을 산정하기 위하여 하중(P) - 침하(S), Log(P) - Log(S) 방법을 적용하여 항복하중을결정한 후 안전율 2를 고려하여 허용지지력을 산정하였으며, 기초형식별 발생된 침하량을 비교.
- 25m 증가시 킨 전면매트기초(Type-B), 그리고 팽이기초(Type-A)로 구분하여 수치해석을 수행하였다. 기초형식별 허용지지력을 산정하기 위하여 하중(P) - 침하(S), Log(P) - Log(S) 방법을 적용하여 항복하중을결정한 후 안전율 2를 고려하여 허용지지력을 산정하였으며, 기초형식별 발생된 침하량을 비교.검토하기 위하여 팽이기초의 허용지지력인 20아"P 작용시 침하량에대해 서로 비교하였다.
- 동일한 하중조건에서 무처리기초(Type-C)와 팽이기초(Type-A)의 지중응력분포를 비교.검토하였다.
- 것으로 나타났다. 또한 기초형식별 지지력 및침하량을 비교.검토한 결과는 그림 9와 같으며, 지지력은 근입깊이를 0.
- 말뚝길이 변화에 따른 팽이기초의 거동특성을 분석하기 위하여 말뚝을 제거한(0L) 원추형기초(Type-D) 와 표준형팽이기초(Type-A)의 말뚝길이(1L)에 대해 2배, 3 배 증가시킨 경우 팽이기초의 거동을 비교.검토하였다.
- 발생한다. 본 수치해석에서는 그림 12와 같이 무처리기초(Type-C)와 팽이기초(Type-A)가 각각 파괴되었을경우에 대한 지반의 소성상태를 비교하였다. 무처리 기초(그림 12(a))의 경우에는 하중재하에 따른 전단파괴면이 심도 0.
- 이와 같은 방법으로 결정된 해석자료를 근거로 기초형식, 팽이기초의 형상, 말뚝길이변화에 따른 거동특성을 검토하였으며, 기초크기 및 형상은 표 1과 같다. 설치조건은 팽이기초 및 팽이기초의 형상변화를 고려한 기초의 경우 3열로 배열된 기초 상부에 히중을 재하 하였으며, 기초의 근입깊이를 증가시켜 지지력을 향상시키는 전면매트기초는 팽이의 원추부깊이와 동일하게 0.25m 증가시킨 기초를 모델링하였다. 또한 무처리기초는 원지반에 보강없이 전면매트기초가설치된 경우를 의미히-며 모든 기초의 재하폭은 Im로 동일하게 적용하였다.
- 하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 원지반(무처리기초)에서 수행된 재하시험 결과를 역해석하여 기초 지반의 물성치를 산정하였으며, 결정된 지반 물성치를 팽이기초모델링시 적용하여 현장재하시험 결과와 비교.검토하였다.
- 검토하였다. 이와 같은 방법으로 결정된 해석자료를 근거로 기초형식, 팽이기초의 형상, 말뚝길이변화에 따른 거동특성을 검토하였으며, 기초크기 및 형상은 표 1과 같다. 설치조건은 팽이기초 및 팽이기초의 형상변화를 고려한 기초의 경우 3열로 배열된 기초 상부에 히중을 재하 하였으며, 기초의 근입깊이를 증가시켜 지지력을 향상시키는 전면매트기초는 팽이의 원추부깊이와 동일하게 0.
- 또한 무처리기초는 원지반에 보강없이 전면매트기초가설치된 경우를 의미히-며 모든 기초의 재하폭은 Im로 동일하게 적용하였다. 팽이기초의 원추부가 거동에 미치는 영향을 고려하기 위해 팽이기초의 말뚝부를 제거한원추형기초를 모델링하였으며, 팽이의 말뚝부 효과만을 고려하기 위하여 원추부를 제거한 T형기초를 모델링하였다 또한, 말뚝부 길이에 따른 팽이기초의 향상효과를 확인하기 위하여 기존 팽이말뚝부 길이인 0.25m(L)의 2 배, 3배 증가시킨 경우에 대해 수치해석을 수행하였다.
- 팽이기초의 형싱(원추부+말뚝부)이 거동에 미치는 영향을 검토하기 위하여 원추형기초(Type-D)와 T형기초 (Type-E)에 대해 수치해석을 수행하였으며, 해석결과는 그림 13 및 14와 같다. 기초형상별 지지력 및 침하량 비교시 분석법은 41절에서와 동일하게 검토하였다 검토결과, 낮은 하중단계에서는 원주부의 응력분산효과에의하여 침하억제효과가 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 재하하중의 크기가 커질수록 밀뚝부의 효과가 커지는데, 이는 하중증가에 따른 말뚝부내의 구속력 증가에 의한 것으로 사료된다.
- 현장타설 팽이기초의 거동메커니즘을 확인하기 위하여 N치가 4~13인 실트질모래(SM)층 현장에서 수행된재하시험 결과를 입력 자료로 하여 Mohr-Coulomb 탄소성모델을 사용한 유한차분 수치해석을 시행한 후 기초형식 및 형상변화에 따른 거동특성을 비교.검토하였다.
대상 데이터
- 대상지반의 지층상태는 그림 3에서와 같이 약 3m 정도의 매립층이 존재하고 그 아래 원지반인 연약 퇴적층(실트질 모래층(SM), N=4~13)이 약 15m의 깊이 까지 위치하고 있다. 재하시험시 무처리기초는 표준재하방법인 ASTM.
데이터처리
- 해석시 현장타설 팽이기초 거동을 실제조건과 유사하게 모사하기 위하여 유한차분 해석프로그램인 FLAC 을 이용하여 현장재하시험 결과를 근거로 팽이기초의수치해석을 수행하였으며, 수치해석에 사용된 요소망은그림 6과 같이 모델링하였다. 지반의 좌우측 경계부는수평변위를 구속하였으며, 하부경계는 수직변위를 구속 하였고, 팽이기초와 채움쇄석의 경계조건은 고려하지않았다.
이론/모형
- 재하시험시 무처리기초는 표준재하방법인 ASTM. D 1143을 기준으로 실시하였으며, 현장타설 팽이기초의 경우에는 일본토목연구센타(1990)에서 제시한 팽이기초의 설계와 시공편람(에스트건설, 1990)의 팽이기초 재하시험법을 기준으로 하여 그림 4와 같이 시험을 수행하였으며, 현장재하시험 결과는 그림 5 와 같다.
- 대상지반의 지층상태는 그림 3에서와 같이 약 3m 정도의 매립층이 존재하고 그 아래 원지반인 연약 퇴적층(실트질 모래층(SM), N=4~13)이 약 15m의 깊이 까지 위치하고 있다. 재하시험시 무처리기초는 표준재하방법인 ASTM. D 1143을 기준으로 실시하였으며, 현장타설 팽이기초의 경우에는 일본토목연구센타(1990)에서 제시한 팽이기초의 설계와 시공편람(에스트건설, 1990)의 팽이기초 재하시험법을 기준으로 하여 그림 4와 같이 시험을 수행하였으며, 현장재하시험 결과는 그림 5 와 같다.
- 지반의 좌우측 경계부는수평변위를 구속하였으며, 하부경계는 수직변위를 구속 하였고, 팽이기초와 채움쇄석의 경계조건은 고려하지않았다. 지반 및 채움쇄석은 Mohr-Coulomb 파괴규준을따르는 탄소성모델을 사용하였으며, 팽이기초는 탄성모델로 모사하였다. 재하하중 및 재하폭(B=lm)은 현장재하하시험과 동일하게 적용하였으며, 역해석을 통하여결정된 물성치는 표 2와 같다.
성능/효과
- (2) 무처리기초는 하중재하에 따른 전단파괴면이 심도 0.7B(B=z]초폭), 폭 3B까지 형성도]나- 팽이기초는심도 1.2B, 폭 4B 깊이까지 넓고 깊게 형성되어 지반의 전단저항면이 증가됨으로 팽이기초의 지지력이 향상되는 것으로 판단된다.
- (3) 팽이기초의 형상(원추부+말뚝부)이 거동에 미치는영향을 검토한 결과-, 원추부와 말뚝부의 조합에 의해 팽이기초의 효과가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 낮은 하중단계에서는 원추부의 응력분산효과에 의하여 침하억제효과가 크게 발생하는 것으로나타났으며, 재하하중의 크기가 커질수록 말뚝부의효과가 커지는데, 이는 하중증가에 따른 말뚝부내의 구속력 증가에 의한 것으로 시료된다.
- (4) 말뚝길이 변화에 따른 거동특성을 검토한 결과, 말뚝부의 증가에 따른 팽이기초의 효과는 일부 향상되는 것으로 나타났으나, 기존 팽이기초(Type-A)의말뚝길이(lL)인 경우가 가장 큰 효과를 나타내어 합리적 형상이라고 판단된다.
- 검토하였다. 검토결과, 그림 15와 같이 표준형팽이기초(Type-A)의말뚝길이(1L)인 경우 가장 큰 효과를 나타냈으며, 말뚝부 증가에 따른 팽이기초의 효과는 일부 향상되는 것으로 나타났다. 따라서 말뚝부증가에 따른 시공적인 어려움 및 공기 연장 등의 문제 등을 고려할 때 향상효과는미미하게 나타나 기존의 말뚝부 길이가 합리적인 형상이라고 판단된다.
- 또한 기초형식별 지지력 및침하량을 비교.검토한 결과는 그림 9와 같으며, 지지력은 근입깊이를 0.25m 증가시킨 전면매트기초(Type-B) 의 경우 무처리기초에 비하여 약 1.7배 증가하며, 팽이기초(Type-A)의 경우 약 2.1 배 증가하는 것으로 나타났고, 동일하중(200kPa)에서 발생침하량을 비교하면, 무처리 기초(Type-C)에 비하여 전면매트기초의 경우 33%, 팽이기초(Type-A)의 경우 26% 정도 수준으로 감소하는것으로 나타났다.
- 와 같다. 기초형상별 지지력 및 침하량 비교시 분석법은 41절에서와 동일하게 검토하였다 검토결과, 낮은 하중단계에서는 원주부의 응력분산효과에의하여 침하억제효과가 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 재하하중의 크기가 커질수록 밀뚝부의 효과가 커지는데, 이는 하중증가에 따른 말뚝부내의 구속력 증가에 의한 것으로 사료된다. 원추형기초(Type-D)는 무처리기초와 팽이기초의 중간정도의 거동을 보이고 있으며, 지지력은 무처리기초에 비하여 1.
- 기초형식에 따른 하중-침하특성을 검토하면, 그림 8 과 같이 무처리기초(Type-C) 및 전면매트기초(Type-B) 의 경우에는 작은 하중조건에서 항복되었으며, 지반이 항복된 후에 급격한 침하가 발생하는 것으로 나타났으나, 팽이기초의 경우에는 급격한 파괴 없이 큰 하중까지지지하는 것으로 나타났다. 또한 기초형식별 지지력 및침하량을 비교.
- 5배, 침하는 74% 수준으로 발생하였다. 또한, T형기초(Type-E)의 경우 전체적인 거동은 팽이기초와 유사한 거동을 보였으며, 지지력은 무처리기초에 비하여 지지력은 1.9배 침하는 33% 수준으로 발생하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 고려할 때 팽이기초의 효과는 원추부와 말뚝부의조합에 의해 팽이기초의 효과가 발생하는 것을 확인할수 있었으며, 하중단계가 커질수록 말뚝부 효과가 중요한 것으로 판단된다.
- 0Ht(Ht=팽이기초 높이)에서 발생응력이 기초 중앙부에 집중되며, 기초 외측으로는 적게 발생되는 반면, 팽이기초의 경우 응력분포가 기초하부 전체에 비교적 균등하게 분포하는 것으로 나타났다. 또한, 심도 2.0Ht에서도 무처리기초(Type-C) 에 비하여 팽이기초(Type-A) 설치시 지중응력이 균등하게 분포하며 작은 응력이 발생하는 것으로 나타나 팽이기초가 응력분산 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 재하하중이 큰(Type-C의 항복하중(160kPa) 적용시) 그림 11의 결과를 검토하면, 그림 10에서의 결과와 달리 전체적으로 무처리 기초 (Type-C) 하부의 응력이 팽이기초(Type-A)의 응력보다 적게 발생하고 있다.
- 분석한 결과, 무처리기초는 발생응력이기초 중앙부에 집중되어 작은 하중에서 국부파괴가발생되나, 팽이기초는 채움쇄석과 팽이기초의 형상으로 인한 응력분산효과로 기초전체에 비교적 균등하게 응력이 분포하여 응력집중에 의한 지반파괴를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 본 지반조건의 경우에는 기초형식에 따른 수치해석을 수행한 결과, 무처리기초에 비해 현장타설 팽이기초의 지지력은약 2배 증가하였으며, 침하는 약 1/3로 감소하는 것으로 나타났다.
- 비교.분석한 결과, 무처리기초는 발생응력이기초 중앙부에 집중되어 작은 하중에서 국부파괴가발생되나, 팽이기초는 채움쇄석과 팽이기초의 형상으로 인한 응력분산효과로 기초전체에 비교적 균등하게 응력이 분포하여 응력집중에 의한 지반파괴를 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 본 지반조건의 경우에는 기초형식에 따른 수치해석을 수행한 결과, 무처리기초에 비해 현장타설 팽이기초의 지지력은약 2배 증가하였으며, 침하는 약 1/3로 감소하는 것으로 나타났다.
- 9배 침하는 33% 수준으로 발생하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 고려할 때 팽이기초의 효과는 원추부와 말뚝부의조합에 의해 팽이기초의 효과가 발생하는 것을 확인할수 있었으며, 하중단계가 커질수록 말뚝부 효과가 중요한 것으로 판단된다.
- 검토하였다. 재하하중이 작은(Type-C 허용하중 (80kPa) 적용시) 그림 10의지중응력 분포를 비교하면 무처리기초(Type-C)는 심도 1.0Ht(Ht=팽이기초 높이)에서 발생응력이 기초 중앙부에 집중되며, 기초 외측으로는 적게 발생되는 반면, 팽이기초의 경우 응력분포가 기초하부 전체에 비교적 균등하게 분포하는 것으로 나타났다. 또한, 심도 2.
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