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문제 정의
- 현재까지의 연구 결과는 대구경 현장타설말뚝의 경우 풍화암 이상의 암반층에 근입하는 것을 전제로 해석이 수행되고 있는데, 본 연구에서는 점성토와 사질토로 구성된 다층지반에 근입된 대구경 현장 타설 말뚝에 대해 계측된 데이터를 통한 수평재하시험 결과를 분석하여 하중-변위 모델을 제안하고, 기존의 이론 식을 이용한 수치해석결과와 현장시험결과를 비교, 분석을 수행하여 수평 지지거동 특성을 분석하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- 굴삭방법은 로타리 테이블의 회전력으로 드릴의 선단에 취부된 특수 비트를 회전시키면서 지반을 굴삭하고 흡상펌프로 드릴파이프를 통하여 순환수와 토사를 공 외로 배출한 후 배출된 니수는 침전지로 유도시켜토사를 침전시겼다. 토사가 어느 정도 침전된 후 상등 수는 수중펌프에 의하여 다시 굴삭공내로 순환시켜 재활용 하였다.
- 다층지반에 관입되어 사질토에 근입된 대구경 현장 타설 말뚝의 수평재하시험을 실시하여 계측결과를 분석하였고, 계측데이타의 분석을 통해 현장에 적용 가능한 하중-침하 모델을 제안하였다. 또한 현장재하시험결과와 유한차분해석 프로그램인 “LPILE”에 의한 기존에 제안된 하중전이함수식의 조합에 의한 해석결과를 대상으로 비교, 분석을 수행하였다.
- 다층지반에 근입된 말뚝의 수평거동을 분석하기 위해 현장타설말뚝을 시공하고 정적재하시험을 수행하였다. 말뚝 시공시 경사계 캐이싱을 설치하여 재하시험시 각 하중 단계에 따른 깊이별 수평변위를 측정하여말뚝기 초의 수평지지 거동을 파악하였다.
- 3에서 보듯이 말뚝의 몸체에 4개의 변위계 (LVDT)를 사용하였으며, 이 중 전면부에 2가지 값 (S1, S2)의 평균치를 말뚝두부의 평균 수평 변위량으로 말뚝의 거동을 분석하였다. 또한 말뚝의 깊이별 수평 변위는 말뚝두부로부터 40m까지 50cm 간격으로 경사계 케이싱을 통해 산정하였다.
- 또한 소요지지력을 충족할 수 있는 적정 단면을 산정하기 위해 직경을 변화시켜 실험을 실시하였다. 올케이싱 공법을 적용한 시험말뚝(TP-1, TP-2, TP-4, TP-6) 시공은 굴착시 공벽붕괴를 방지하기 위하여 Casing tube를 좌 .
- 말뚝 시공시 경사계 캐이싱을 설치하여 재하시험시 각 하중 단계에 따른 깊이별 수평변위를 측정하여말뚝기 초의 수평지지 거동을 파악하였다.
- 하중 재하 (Loading) 및 제하(Unloading)는 ASTM D3966- 81의 Standard Loading 방식에 의하여 실시하였다. 본 수평재하시험에서는 시험말뚝에 유압잭에 의해 하중이 작용할 때 2본의 말뚝이 앵커시스템으로 사용되도록 하였다. Fig.
- 수평재하시 말뚝두부의 수평변위를 측정하기 위하여 Fig. 3에서 보듯이 말뚝의 몸체에 4개의 변위계 (LVDT)를 사용하였으며, 이 중 전면부에 2가지 값 (S1, S2)의 평균치를 말뚝두부의 평균 수평 변위량으로 말뚝의 거동을 분석하였다. 또한 말뚝의 깊이별 수평 변위는 말뚝두부로부터 40m까지 50cm 간격으로 경사계 케이싱을 통해 산정하였다.
- 굴착이 완료된 후 말뚝 선단의 슬라임(Slime)을 제거한다. 슬라임 제거는 펌프를 이용하여 청수의 수위를 말뚝의 두부까지 유지시키고 이 상태에서 직경 15cm의 파이프 선단부 옆면에 고압의 공기를 불어넣는 방식(Air surging)을 사용하여 실시하였다. 이상의 방법으로 슬라임을 제거한 후 조립된 철근망을 거치하였다.
- 시험말뚝의 시공법으로는 두 가지 방법이 사용되었는데 TP-1, TP-2, TP-4, TP-6 말뚝에는 올케이싱(All Casing Drilling) 공법을 그리고 TP-3, TP-5 말뚝은 RCD(Reverse Circular Drilling) 공법을 적용하였다. 또한 소요지지력을 충족할 수 있는 적정 단면을 산정하기 위해 직경을 변화시켜 실험을 실시하였다.
- 시험방법은 ASTM D3966-81 규정에 의한 표준재하시험방법(Standard Loading Test)인 설계하중의 200%까지 하중을 재하하는 것으로 하였으며, 설계하중의 200% 단계에서 60분 동안 하중을 지속시킨 후 하중을 제거하고 소성변위를 측정하였다. 하중 재하 (Loading) 및 제하(Unloading)는 ASTM D3966- 81의 Standard Loading 방식에 의하여 실시하였다.
- 슬라임 제거는 펌프를 이용하여 청수의 수위를 말뚝의 두부까지 유지시키고 이 상태에서 직경 15cm의 파이프 선단부 옆면에 고압의 공기를 불어넣는 방식(Air surging)을 사용하여 실시하였다. 이상의 방법으로 슬라임을 제거한 후 조립된 철근망을 거치하였다. 철근은 주철근으로 D32를 사용하였고 전단 철근으로 D19를 사용하였다.
대상 데이터
- 제하(unloading) 구간의 데이터는 수평재하에 따른 현장타설말뚝의 변형과는 무관하므로 분석대상에서 제외하였다. 나아가 재하(loading)구간의데이터는 지반이 견딜 수 있는 극한지지력 범위까지를 대상으로 하였다. 이는 지반이 잔류변형과 파괴를 동반하지 않는 탄성영역내의 small strain만을 분석대상으로 함으로서, 파괴전 지반과 현장타설말뚝의 수평재하에 따른 거동을 분석하기 위함이다.
- 대만고속철도 구간중 연구대상 구역은 총 연장 34.4km로 지층구성은 충적층과 퇴적층으로 구성되어있다. 대상지반에 대해 지반조사를 실시한 결과 지표면으로부터 110m까지도 암반층(bedrock)이 발견되지 않았다.
- 이상의 방법으로 슬라임을 제거한 후 조립된 철근망을 거치하였다. 철근은 주철근으로 D32를 사용하였고 전단 철근으로 D19를 사용하였다. 철근망을 거치한 후 트레미관(Tremie pipe)에 의해 말뚝의 선단부에 서부터 콘크리트를 타설하였고 마지막으로 요동압입장치로 케이싱을 인발하였다.
- 현장에서 실측한 수평재하시의 현장타설말뚝의 변형에 관한 데이터는 수평재하와 말뚝의 하중-변위 모델을 제안하기 위해 재하(loading) 구간만의 데이터를 이용하였다. 제하(unloading) 구간의 데이터는 수평재하에 따른 현장타설말뚝의 변형과는 무관하므로 분석대상에서 제외하였다.
데이터처리
- 모델을 제안하였다. 또한 현장재하시험결과와 유한차분해석 프로그램인 “LPILE”에 의한 기존에 제안된 하중전이함수식의 조합에 의한 해석결과를 대상으로 비교, 분석을 수행하였다. 이와 같은 연구를 통하여 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
이론/모형
- 수치해석은 미국 Ensoft사의 유한차분해석프로그램인 ‘LPILE'을 이용하였다. 말뚝의 변위가 커지면 지반 반력이 항복치에 도달하게 되므로 이러한 지반에서의 말뚝 변위와 지반반력사이의 일반적인 관계는 비선형성을 보인다.
- 제거하고 소성변위를 측정하였다. 하중 재하 (Loading) 및 제하(Unloading)는 ASTM D3966- 81의 Standard Loading 방식에 의하여 실시하였다. 본 수평재하시험에서는 시험말뚝에 유압잭에 의해 하중이 작용할 때 2본의 말뚝이 앵커시스템으로 사용되도록 하였다.
- 해석시 적용한 수평하중전이함수는 Table 9.와 같이 사질토에 Reese 등 및 API에서 제안한 함수식을이용하였으며, 점성토에 대하여는 Matlock이 제안한 함수식을 각각 적용하였다.
성능/효과
- 1) 수평재하시험결과 초기 탄성구간은 하중과 변위의 관계가 직선으로 나타나며, 탄성구간 이후부터는하중-변위 곡선의 기울기가 크게 커지며 하중-변위 관계는 비선형성을 보인다.
- 2) 계측데이타의 분석에 의해 하중-변위곡선을 여러 함수식으로 표현해본 결과, 지수형 모델인 y= a ebx (여기서 y : 변위 (mm), x : 하중 (ton))가 가장 간단하고 적용성이 뛰어나며, a 값은 대체로 1.3에, b값은 0.02에 가깝다.
- 3) 전체 하중단계별 말뚝 두부수평변위관계 및 심도와 수평 변위 관계는 TP-3, TP-4 경우를 제외하고는 계산된 변위가 실측변위에 비하여 대체적으로 큰 값을 나타내고 있다. 수평하중이 작을 때에는 계산된 변위와 실측 변위가 거의 같은 값을 보이다가 수평 하중이 커짐에 따라 계산된 변위가 실측된 값보다 크게 나타나는 경향이 있다.
- 4) 수평하중 전이함수(p-y 곡선)의 조합인 Matlock- Reese의 방법과 Matlock-API 방법에 의한 결과를 비교해보면 Matlock-Reese의 방법이 수평 변위가 상대적으로 크게 산정되어 안전측의 결과를 보인다. 특히 계측결과 수평지지력이 크게 산정되었던 TP-3, TP-4 말뚝에 대해서는 Matlock- API 방법에 의해 수치해석결과가 실측치에 비해 수평 변위가 작게 산정되는 결과를 보였다.
- 11은 각각의 시험말뚝에 대한 재하시험 및 수치해석 결과 얻어진 말뚝 두부에서의 하중-수평변위 관계를 도시하였다. 그 결과 적용한 두 가지 하중 전이 함수 조합의 경우 모두 재하시험에 의한 실측결과와 대체로 유사한 곡선경향을 보였다.
- 이 지수형 모델은 간단하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 함께 분석된 로그 방 정식형 모델, 다항식형 모델, 선형모델, 거듭제곱형 모델 및 이동평균모델 등의 여러가지 모델에 따른 함수식과 비교하여 계측데이타의 graph에 가장 근접하는 최상의 R2 값을 나타내었다. 그러므로 가장 간단하며 최상의 R2 값을 나타내는 지수형 모델이 현장에 적용된 말뚝의 수평재하에 따른 변형을 계산하는데 있어 적용성이 가장 뛰어남을 알 수 있었다.
- 4km로 지층구성은 충적층과 퇴적층으로 구성되어있다. 대상지반에 대해 지반조사를 실시한 결과 지표면으로부터 110m까지도 암반층(bedrock)이 발견되지 않았다. 충적층은 주로 실트질 모래와 점성토층으로 복합된 다층지반으로 구성되어 있기 때문에 교량 구조물은 충분한 지지력을 확보를 위해 말뚝기초로 지지하는 것으로 계획되었다.
- 특히 계측결과 수평 지지력이 크게 산정되었던 TP-3, TP-4 말뚝에 대해서는 Matlock-API 방법에 의해 수치해석결과가 실측치에 비해 수평변위가 작게 산정되는 결과를 보였다. 따라서 두 가지 경우로 나누어 해석한 결과 사질토에서 Reese 등이 제안한 함수식을 사용하고, 점성토에서 Matlock이 제안한 함수식을 사용하는 경우가 실측치와 유사한 것을 알 수 있었다.
- 상기에 언급한 계측데이타의 분류 및 분석에 의한계측데이타의 pattern을 여러가지 함수식으로 표현해본 결과, 가장 간단하고 현장 적용성이 뛰어난 모델은 지수형 모델로 판명되었다.
- 간단한 형태이다. 이 지수형 모델은 간단하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 함께 분석된 로그 방 정식형 모델, 다항식형 모델, 선형모델, 거듭제곱형 모델 및 이동평균모델 등의 여러가지 모델에 따른 함수식과 비교하여 계측데이타의 graph에 가장 근접하는 최상의 R2 값을 나타내었다. 그러므로 가장 간단하며 최상의 R2 값을 나타내는 지수형 모델이 현장에 적용된 말뚝의 수평재하에 따른 변형을 계산하는데 있어 적용성이 가장 뛰어남을 알 수 있었다.
- 안전측의 결과를 보인다. 특히 계측결과 수평 지지력이 크게 산정되었던 TP-3, TP-4 말뚝에 대해서는 Matlock-API 방법에 의해 수치해석결과가 실측치에 비해 수평변위가 작게 산정되는 결과를 보였다. 따라서 두 가지 경우로 나누어 해석한 결과 사질토에서 Reese 등이 제안한 함수식을 사용하고, 점성토에서 Matlock이 제안한 함수식을 사용하는 경우가 실측치와 유사한 것을 알 수 있었다.
- 안전측의 결과를 보인다. 특히 계측결과 수평 지지력이 크게 산정되었던 TP-3, TP-4 말뚝에 대해서는 Matlock-API 방법에 의해 수치해석결과가 실측치에 비해 수평변위가 작게 산정되는 결과를 보였다. 따라서 두 가지 경우로 나누어 해석한 결과 사질토에서 Reese 등이 제안한 함수식을 사용하고, 점성토에서 Matlock이 제안한 함수식을 사용하는 경우가 실측치와 유사한 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 02에 수렴하는 경향을 보인다. 이는 복잡한 다층지반에 적용된 현장타설말뚝의수평재하에 따른 모델식의 경향을 결정할 수 있는 중요한 지표가 될 수 있을 것으로 판단된다.
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