풍화된 암반에 근입된 말뚝의 선단지지거동은 신선암의 강도보다는 절리를 포함한 암반 상태에 의존한다. 본 연구에서는 암반상태가 말뚝의 선단지지력에 미치는 영향을 알아보기 위해 먼저 총 4부지의 암반에 근입된 13본의 현장타설콘크리트 말뚝에 대한 재하시험, 그리고 재하시험 부지의 지반조사 자료를 포함하는 데이터베이스를 구축하고, 말뚝선단부의 거동과 암반물성치의 상관관계를 분석하였다. 선단지반반력계수와 암반물성치의 상관관계 분석 결과 암석의 일축압축강도와 지반반력계수 사이에는 일관된 상관관계를 찾을 수 없었으나, 암반의 상태를 나타내는 물성치인 $E_m$, $E_{ur}$, RMR, 그리고 RQD 등과 지반반력계수의 상관계수는 대부분 0.7 이상으로 매우 뛰어난 상관성을 보였다. 또한, 기존의 방법으로 추정한 선단지지력과 실측 선단지지력의 비교를 통해 기존 방법의 적용성을 검증하였다.
풍화된 암반에 근입된 말뚝의 선단지지거동은 신선암의 강도보다는 절리를 포함한 암반 상태에 의존한다. 본 연구에서는 암반상태가 말뚝의 선단지지력에 미치는 영향을 알아보기 위해 먼저 총 4부지의 암반에 근입된 13본의 현장타설콘크리트 말뚝에 대한 재하시험, 그리고 재하시험 부지의 지반조사 자료를 포함하는 데이터베이스를 구축하고, 말뚝선단부의 거동과 암반물성치의 상관관계를 분석하였다. 선단지반반력계수와 암반물성치의 상관관계 분석 결과 암석의 일축압축강도와 지반반력계수 사이에는 일관된 상관관계를 찾을 수 없었으나, 암반의 상태를 나타내는 물성치인 $E_m$, $E_{ur}$, RMR, 그리고 RQD 등과 지반반력계수의 상관계수는 대부분 0.7 이상으로 매우 뛰어난 상관성을 보였다. 또한, 기존의 방법으로 추정한 선단지지력과 실측 선단지지력의 비교를 통해 기존 방법의 적용성을 검증하였다.
The end bearing behavior of piles socketed in weathered/soft rock is generally dependent upon the rock mass conditions with fractures rather than the strength of intact rock. Therefore, a database which includes 13 load tests performed on cast-in-place concrete piles and soil investigation data at t...
The end bearing behavior of piles socketed in weathered/soft rock is generally dependent upon the rock mass conditions with fractures rather than the strength of intact rock. Therefore, a database which includes 13 load tests performed on cast-in-place concrete piles and soil investigation data at the field test sites was made first, and new empirical relationships between the base reaction modulus of piles in rock and rock mass properties were developed. No correlation was found between the compressive strengths of intact rock and the base reaction modulus of weathered/soft rock. The ground investigation data regarding the rock mass conditions (e.g. Pressuremeter modulus and limit pressure, RMR, RQD) was found to be highly correlated with the base reaction modulus, showing the coefficients of correlation greater than 0.7 in most cases. In addition, the applicability of existing methods for the end bearing capacity of piles in rock was verified by comparison with the field test data.
The end bearing behavior of piles socketed in weathered/soft rock is generally dependent upon the rock mass conditions with fractures rather than the strength of intact rock. Therefore, a database which includes 13 load tests performed on cast-in-place concrete piles and soil investigation data at the field test sites was made first, and new empirical relationships between the base reaction modulus of piles in rock and rock mass properties were developed. No correlation was found between the compressive strengths of intact rock and the base reaction modulus of weathered/soft rock. The ground investigation data regarding the rock mass conditions (e.g. Pressuremeter modulus and limit pressure, RMR, RQD) was found to be highly correlated with the base reaction modulus, showing the coefficients of correlation greater than 0.7 in most cases. In addition, the applicability of existing methods for the end bearing capacity of piles in rock was verified by comparison with the field test data.
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문제 정의
본 연구에서는 암반상태가 현장타설 콘크리트 말뚝의 축방향 선단지지거동에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 먼저 4개 부지의 풍화암 및 연암에 근입된 총 13본의 현장타설 콘크리트말뚝에 대한 재하시험 및 하중전이 계측자료, 그리고 시험부지에서 수행한 지반조사 자료에 대한 데이터베이스를 구축하고, 재하시험 결과 분석으로 구한 암반선단부의 지지거동과, 지반조사 및 시험을 통해 구한 암반상태를 나타내는 물성치와의 상관관계를 분석하였다.
제안 방법
7)N1 말뚝에 대해서는 양방향 재하시험 수행, 나머지 모든 말뚝에 대해서는 두부재하시험 실시.
각 시험부지의 선단부 암반 물성치를 정량적으로 얻기 위하여 말뚝이 설치될 위치 또는 인접한 위치에서 NX 크기의 시추조사, 공내재하시험, 채취한 시료에 대한 육안조사, 점하중시험, 일축압축시험 등 가능한 모든 시험들을 충분히 수행하였다. 지반조사 결과 표 1의 암반물성치 중 공내재하시험으로 구한 암반의 변형계수(Em), 탄성계수(Eur), 한계압(plm)은 LCPC SETRA(1985)에서 규정한 범위(선단위치의 상하부로 말뚝 반지름 또는 0.
재하시험 말뚝 중 N 현장과 D 현장에 시공된 말뚝에는 깊이별로 철근변형률계, 콘크리트변형률계, 그리고 선단침하봉을 설치하여 계측을 수행함으로써 재하하중에 따른 말뚝의 선단지지거동만을 분리할 수 있었다. 그러나 K 현장과 S 현장에 시공된 말뚝에 대해서는 시험중 하중전이 계측을 수행하지 않았거나 신뢰할 만한 계측결과를 획득하지 못하였으므로, 수치해석을 이용한 하중변위곡선의 역해석 기법을 이용하여 암선단부의 거동만을 분리추정하였다(Kwon, 2004). 표 1의 말뚝선단부의 지지거동을 나타내는 물성치 중 선단부의 단위침하당 선단지지력으로 정의되는 선단지반반력계수(kb)는 선단하중-선단변위(q-w) 곡선이 선형으로 거동하는 구간(본 연구에 사용된 자료의 경우 대체적으로 선단변위 20mm 내외)의 기울기로 정의하였다.
기존에 제안되어 있는 암반근입말뚝의 선단지지력 산정 방법의 국내 암반에의 적용성을 검토해 보기 위해 표 3에 기존의 여러 방법으로 추정한 극한선단지지력과 본 연구의 재하시험 결과를 함께 수록하였다. 극한선단지지력 추정에 필요한 각종 암반물성치는 표 1의 값을 사용하였다.
본 연구에서는 먼저 4개 부지의 암반에 근입된 총 13본의 현장타설 콘크리트말뚝에 대한 재하시험 및 하중전이 계측자료, 그리고 시험부지에서 수행한 지반조사 자료에 대한 데이터베이스를 구축하였다. 다음으로 말뚝재하시험 결과 분석으로 구한 암반선단부의 지지거동과, 지반조사 및 시험을 통해 구한 암반상태를 나타내는 물성치와의 상관성을 분석하였으며, 마지막으로 기존의 선단지지력 추정방법의 국내 암반에의 적용성을 검증해 보았다.
이를 위해 먼저 4개 부지의 풍화암 및 연암에 근입된 총 13본의 현장타설 콘크리트말뚝에 대한 재하시험 및 하중전이 계측자료, 그리고 시험부지에서 수행한 지반조사 자료에 대한 데이터베이스를 구축하고, 재하시험 결과 분석으로 구한 암반선단부의 지지거동과, 지반조사 및 시험을 통해 구한 암반상태를 나타내는 물성치와의 상관관계를 분석하였다. 또한 기존 문헌에 제안되어 있는 암선단지지력 추정방법의 국내 암반에의 적용성을 검증하였다. 이상의 연구결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 먼저 4개 부지의 암반에 근입된 총 13본의 현장타설 콘크리트말뚝에 대한 재하시험 및 하중전이 계측자료, 그리고 시험부지에서 수행한 지반조사 자료에 대한 데이터베이스를 구축하였다. 다음으로 말뚝재하시험 결과 분석으로 구한 암반선단부의 지지거동과, 지반조사 및 시험을 통해 구한 암반상태를 나타내는 물성치와의 상관성을 분석하였으며, 마지막으로 기존의 선단지지력 추정방법의 국내 암반에의 적용성을 검증해 보았다.
암반상태가 말뚝의 선단하중-선단변위 거동에 미치는 영향을 알아보기 위해 본 연구에서는 일축압축강도, 공내재하시험 변형계수 및 탄성계수, RQD, RMR 등 말뚝 선단부의 암반상태를 나타내는 물성치들과 선단지반반력계수(kb)의 상관관계를 분석하였으며, 그 결과를 그림 1~그림 5에 나타내었다. 각각의 그래프에는 최적 회귀분석곡선과 상관계수값(R2)을 함께 나타내었다.
본 연구에서는 암반상태가 현장타설 콘크리트 말뚝의 축방향 선단지지거동에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 먼저 4개 부지의 풍화암 및 연암에 근입된 총 13본의 현장타설 콘크리트말뚝에 대한 재하시험 및 하중전이 계측자료, 그리고 시험부지에서 수행한 지반조사 자료에 대한 데이터베이스를 구축하고, 재하시험 결과 분석으로 구한 암반선단부의 지지거동과, 지반조사 및 시험을 통해 구한 암반상태를 나타내는 물성치와의 상관관계를 분석하였다. 또한 기존 문헌에 제안되어 있는 암선단지지력 추정방법의 국내 암반에의 적용성을 검증하였다.
표 1에 정리한 시험말뚝은 모두 현장타설 콘크리트 말뚝으로, ASTM D 1143-81에서 규정하고 있는 완속재하시험방법에 따라 재하시험을 수행하였다. 재하시험 말뚝 중 N 현장과 D 현장에 시공된 말뚝에는 깊이별로 철근변형률계, 콘크리트변형률계, 그리고 선단침하봉을 설치하여 계측을 수행함으로써 재하하중에 따른 말뚝의 선단지지거동만을 분리할 수 있었다. 그러나 K 현장과 S 현장에 시공된 말뚝에 대해서는 시험중 하중전이 계측을 수행하지 않았거나 신뢰할 만한 계측결과를 획득하지 못하였으므로, 수치해석을 이용한 하중변위곡선의 역해석 기법을 이용하여 암선단부의 거동만을 분리추정하였다(Kwon, 2004).
본 연구를 위해 수집 또는 수행한 재하시험 및 지반조사결과 자료를 분석하여 얻은, 암반선단부의 지지거동을 나타내는 지표와 선단부 암반의 물성치를 표 1에 수록하였다. 표 1에 정리한 시험말뚝은 모두 현장타설 콘크리트 말뚝으로, ASTM D 1143-81에서 규정하고 있는 완속재하시험방법에 따라 재하시험을 수행하였다. 재하시험 말뚝 중 N 현장과 D 현장에 시공된 말뚝에는 깊이별로 철근변형률계, 콘크리트변형률계, 그리고 선단침하봉을 설치하여 계측을 수행함으로써 재하하중에 따른 말뚝의 선단지지거동만을 분리할 수 있었다.
이론/모형
2)FHWA 방법의 m, s 계수는 Hoek 과 Brown(1997)이 제안한 방법을 이용하여 추정.
5)Rock Mass Rating : Bieniawski(1989) 가 제안한 방법을 이용하여 계산하였으며, 절리방향에 대한 보정은 하지 않음.
Hoek과 Brown(1997)은 암반상태가 불량한 경우에도 암반의 강도 산정이 가능하도록 파괴규준을 보완한 바 있으며, 이 때 RMR이 아닌 GSI(Geological Strength Index)를 이용하도록 규정하였다. 따라서 표 3의 FHWA(1999) 방법을 이용한 선단지지력 산정시에는 상기의 보완된 파괴규준을 적용하였다. 선단지지력 계산시 필요한 매개변수 m과 s는 식(5) 및 식 (6)을 이용하여 산정할 수 있다.
성능/효과
1. 선단의 항복까지 재하시험을 수행한 말뚝 중 연암에 근입된 말뚝(K4, K7, N1)은 말뚝 직경의 5.0%~10.0%의 선단변위에서 극한값이 나타났으며, 풍화암에 근입된 말뚝(S3, S5)은 말뚝 직경의 12.5%~15.0%의 변위까지 선단 지지력이 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다.
2. 풍화가 상당히 진행된 암반(풍화암~연암)에 근입된 말뚝의 경우, 암석의 일축압축강도와 선단지반반력계수의 상관관계를 분석한 결과 일관적인 상관성을 찾을 수 없었다.
3. 암반의 풍화 상태를 대변하는 물성치인 Em, Eur, RMR, 그리고 RQD 등과 선단지반반력계수의 상관성을 분석한 결과, 회귀분석을 통한 상관계수는 대부분 0.7 이상으로 매우 뛰어난 상관성을 보였다. 따라서 본 연구에서 상관관계 분석을 통해 제안한 경험적 상관관계식들은 풍화암 및 연암에 근입된 현장타설말뚝의 침하를 고려한 설계에 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 암반상태를 고려하지 않고 암석의 일축압축강도만으로 선단지지력을 산정하는 기존의 방법들은 연암 또는 풍화암에 근입된 말뚝의 실측 선단지지력의 10배 이상 큰 값을 산정하므로 적용이 불가능하다. 암석강도와 함께 암반상태를 고려한 선단지지력 산정방법 중 AASHTO의 방법은 연암 및 풍화암의 극한지지력을 실측값의 1/5 정도로 과소평가하므로 비경제적인 설계의 가능성이 있다.
5. Zhang과 Einstein의 RMR을 이용한 선단지지력 산정방법, 현장 공내재하시험 한계압을 매개변수로 하는 LCPC SETRA의 방법, 침하량 기준으로 말뚝의 허용지지력을 예측하는 Peck 등의 방법은 말뚝의 계측 선단지지력을 비교적 합리적으로 예측하는 것으로 판단되었다. FHWA에서 제안한 선단지지력 추정방법은, 1997년 이후 개정된 Hoek과 Brown의 파괴규준을 채용할 경우, 특히 암반상태가 상대적으로 불량한 풍화암 또는 파쇄가 심한 연암에 근입된 말뚝에 적용성이 큰 것으로 나타났다.
식 (5)와 식 (6)에서 D는 굴착 및 응력해방 등에 의한 암반의 교란정도를 나타내는 계수로 0에서 1 사이의 값을 가지며, 소규모 기계굴착에 해당하는 현장타설말뚝의 경우 0을 적용할 수 있다. FHWA 방법으로 선단지지력을 계산한 결과, 연암 이상의 암반에 근입된 말뚝(K4, K7)의 경우에는 타 방법과 마찬가지로 선단지지력을 과다 추정하나, 암반상태가 상대적으로 불량한 풍화암 또는 파쇄가 심한 연암에 근입된 말뚝(S3, S5, N1)의 경우는 선단지지력을 실측치와 비교적 유사하게 추정하는 것으로 나타났다.
Zhang과 Einstein의 RMR을 이용한 선단지지력 산정방법, 현장 공내재하시험 한계압을 매개변수로 하는 LCPC SETRA의 방법, 침하량 기준으로 말뚝의 허용지지력을 예측하는 Peck 등의 방법은 말뚝의 계측 선단지지력을 비교적 합리적으로 예측하는 것으로 판단되었다. FHWA에서 제안한 선단지지력 추정방법은, 1997년 이후 개정된 Hoek과 Brown의 파괴규준을 채용할 경우, 특히 암반상태가 상대적으로 불량한 풍화암 또는 파쇄가 심한 연암에 근입된 말뚝에 적용성이 큰 것으로 나타났다.
Zhang과 Einstein이 제안한 방법으로 추정한 선단지지력은 실측값의 2배 내외의 큰 값을 보이나 다른 방법들에 비해서는 비교적 실측치에 부합되는 결과를 보이는 것으로 나타났다. 한편, 암반의 RMR값을 이용하는 이들 방법은 암반상태가 매우 불량하여 풍화암으로 분류되는 지층에서는 적용성이 떨어진다.
그 이유는 절리가 발달하고 풍화상태가 불량한 풍화암 또는 연암의 경우 무결암의 특성인 일축압축강도가 현장 암반의 변형특성을 대변할 수 없기 때문으로 판단된다. 그러나 그림 2~그림 4에서 알 수 있는 바와 같이 현장의 암반상태를 대변하는 물성치인 공내재하시험의 변형계수 Em, 탄성계수 Eur, RMR 등의 경우는 선단지반반력계수와 최적회귀분석곡선의 상관계수가 0.7 이상으로 상관성이 뛰어남을 알 수 있었다. RQD의 경우(그림 5) 다른 물성치에 비해 선단지반반력계수와의 상관계수값이 작은데, 이는 선단부 암반 RQD 값의 범위가 20~50 사이로 상대적으로 좁기 때문(상관관계 분석시 RQD 0인 자료는 제외)인 것으로 판단된다.
전술한 바와 같이, 총 13본의 시험말뚝 중 5본의 말뚝에 대해서만 선단의 항복까지 시험을 수행하였으므로, 극한선단 지지력에 대한 정량적인 분석을 수행하기에는 자료가 부족하였다. 다만 선단의 항복까지 재하시험을 수행한 말뚝 중풍화암에 근입된 말뚝(S3, S5)은 말뚝 직경의 12.5%~15.0% 정도의 선단변위에서 극한값이 발휘되며, 연암에 근입된 말뚝(K4, K7, N1)은 말뚝 직경의 5.0%~10.0%의 선단변위에서 극한값이 나타나는 것으로 미루어 암반상태가 불량할수록 선단지지력이 발휘되기 위해 큰 변위가 요구된다는 것을 알 수 있었다. 이 결과는 말뚝기초의 허용침하량을 말뚝 직경의 1% 정도로 규정하고 있는 도로교설계기준(2001)과는 극한값과 허용값의 차이를 감안하더라도 큰 차이가 있다.
분석 결과, 모든 재하시험 말뚝의 실측 선단지지력이 Peck이 제안한 허용선단지지력의 하한치 기준 이상인 것으로 나타났다. 따라서 Peck 등이 제안한 기준을 이용하면 풍화암 또는 연암에 근입된 말뚝의 선단지지력에 대한 안전측의 설계가 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
7 이상으로 매우 뛰어난 상관성을 보였다. 따라서 본 연구에서 상관관계 분석을 통해 제안한 경험적 상관관계식들은 풍화암 및 연암에 근입된 현장타설말뚝의 침하를 고려한 설계에 유용하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
암반근입말뚝의 경우 극한선단지지력뿐만 아니라 선단하중-선단침하 거동을 이해하는 것이 엄번암반에 근입된 말뚝의 합리적 설계를 위해 필요한 이유는 무엇인가?
한편, 일반적으로 암석강도가 크지만 절리가 발달한 암반에 근입된 대구경 현장타설말뚝의 축방향 설계에는 극한 주면지지력과 선단지지력보다는 침하량이 더 중요한 인자가 된다. 또한 주면마찰력이 최대로 발휘되기 위한 변위는 수mm에 불과하지만(Whiteaker과 Cooke, 1966; Aurora과 Reese, 1977; Horvath와 Kenny, 1979; O'Neill과 Reese, 1972), 선단지지력이 발휘되기 위해서는 말뚝직경의 5~10% 정도의 상대적으로 큰 변위가 요구되므로(Vesic, 1977; Chang과 Broms, 1990), 주면지지력과 선단지지력의 합으로 말뚝의 지지력을 추정하는 전통적인 설계방법에는 오류가 있다. 따라서 특히 암반근입말뚝의 경우 극한선단지지력뿐만 아니라 선단하중-선단침하 거동을 이해하는 것이 암반에 근입된 말뚝의 합리적 설계를 위해 필요하다.
풍화된 암반에 근입된 말뚝의 선단지지거동은 무엇에 의존하는가?
풍화된 암반에 근입된 말뚝의 선단지지거동은 신선암의 강도보다는 절리를 포함한 암반 상태에 의존한다. 본 연구에서는 암반상태가 말뚝의 선단지지력에 미치는 영향을 알아보기 위해 먼저 총 4부지의 암반에 근입된 13본의 현장타설콘크리트 말뚝에 대한 재하시험, 그리고 재하시험 부지의 지반조사 자료를 포함하는 데이터베이스를 구축하고, 말뚝선단부의 거동과 암반물성치의 상관관계를 분석하였다.
국내의 대표적 암반인, 암석강도가 크지만 절리가 발달한 것은 무엇인가?
4MPa) 암반상태는 상대적으로 좋은(RMR 44 이상) 퇴적암에 대한 자료를 토대로 한 것이다. 따라서 국내의 대표적 암반인, 암석강도가 크지만 절리가 발달한 화강암·편마암종의 연암 또는 풍화암에 적용하기에는 문제가 있다.
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