[논문]모형실험을 통한 말뚝의 p-y 곡선에 관한 연구

김태식; 정상섬; 김영호

doi:10.12652/ksce.2008.28.1c.041

모형실험을 통한 말뚝의 p-y 곡선에 관한 연구
A Study on the p-y Curves by Small-Scale Model Tests 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, C. 지반공학, 터널공학, v.28 no.1C, 2008년, pp.41 - 51

김태식 (고려개발 토목사업본부) , 정상섬 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 김영호 (연세대학교 사회환경시스템공학부)

초록
AI-Helper

본 논문은 말뚝 및 기초지반의 강성이 수평재하말뚝의 거동에 미치는 영향을 알아보고자 주문진 표준사와 김해점토를 기초지반으로 수평재하말뚝에 대한 실내실험을 실시하였다. 또한 실험 결과를 바탕으로 영향계수를 정량화 할 수 있는 경험식을 산정하였다. 말뚝과 지반의 강성을 고려하기 위하여 길이가 다른 3개의 알루미늄 모형말뚝을 제작하였으며 이를 사질토와 점성토 지반에 설치한 후 기초지반의 상대밀도(사질토 지반) 및 비배수전단강도(점성토 지반)를 변화시켜가며 수평재하 실내실험을 수행하였다. 실험을 통하여 산정된 p-y 곡선의 초기기울기는 사질토와 점성토 지반 모두에서 깊이와 말뚝-지반의 강성에 비례하였으나 점성토 지반의 경우 사질토 지반에 비하여 깊이에 따른 초기기울기의 증가율이 작은 경향을 나타내었다. 또한 극한 지반반력의 경우 모든 지반 조건에서 수평지반반력계수와 유사하게 깊이와 지반강성에 비례하여 증가하였으나 말뚝 강성에 대한 영향은 적게 나타났다. 이와 같은 특성을 고려하여 본 논문에서는 p-y 곡선의 초기기울기 산정 식을 실험결과와 가장 유사한 형태를 지니는 쌍곡선으로 지반 조건에 따라 제시하였으며 제안된 식을 기존의 연구 및 현장재하시험과 비교하여 제안 식의 적용성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The load distribution and deformation of single piles which is embedded in Jumunjin sand and Kimhae clay are investigated, based on small scale model tests. Special attention is given to the consideration of flexural rigidity in laterally loaded piles. To consider the flexural rigidity of the pile, tests are performed with the aluminium piles of three different length under different relative densities and undrained shear strength. The test results indicate that the initial slope from the results of tests is proportional to the depth and pile-soil rigidity in both soils. But the increasing rate of the initial slope in the clay is less than in the sand. In addition, the soil resistance is more related to the depth and soil condition than the pile rigidity. Base on the test results, an empirical formula is proposed, which is good agreement with previously published small scale model test and field lateral load test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 실험에서는 수평지반반력계수와 극한지반반력에 대한말뚝-지반의 상대강성을 고려하고자 말뚝의 길이와 지반의 상대밀도를 변화시켰다.
본 연구에서는 영향계수들을 고려하고자 변수의 제어 및 지배가 비교적 쉬운 모형토조실험을 실시하였다.
본 연구에서는 주문진 표준사와 점성토로 조성된 지반에 말뚝 및 지반 강성 변화에 따른 말뚝의 p-y 곡선에 대한 영향을 파악하고자 실내실험을 실시하였으며 이를 토대로 수평 변위와 모멘트를 측정하여 p-y곡선을 산정하였다. 산정된 p-y 곡선에 대하여 영향계수별 거동특성을 파악하고, 이런 변수들을 고려할 수 있는 초기기울기 산정 식을 제안하였으며 이를 타 실험결과 및 현장재하시험과 비교, 분석하여 그 적용성과 타당성을 분석하였다.
본 연구에서는 지반-말뚝의 상대강성과 선단구속조건이 p-y 곡선의 초기기울기에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실험 결과와 유사한 형태를 띠는 Kondner(1963)가 제안한 쌍곡선 함수에 곡선의 초기기울기와 극한지반반력을 대입한 후 시산법을 통하여 실험결과와 가장 유사한 형태를 보이는 p-y 곡선을 선정하여 p-y 곡선의 초기기울기를 산정하였다.
본 연구에서는 지반의 강성에 따른 말뚝의 거동특성을 파악하고자 비배수전단강도 17kPa와 비배수전단강도 40kPa 지반을 조성하였다. 균질한 점성토 지반을 조성하기 위하여 본 실험에 앞서 Field vane test를 통한 함수비-비배수전단강도 곡선을 산정하였으며(그림 2.
이에 본 논문에서는 주문진 표준사와 김해점토를 이용하여 말뚝의 수평거동에 영향을 미치는 말뚝 및 지반의 강성에 따른 p-y 곡선의 초기기울기 및 극한지반반력 변화를 모형토조실험으로 파악하고, 이러한 영향계수들을 정량화 할 수 있는 실험적 결과를 도출하는데 그 목적이 있다.

가설 설정

여기서 사질토의 지반반력상수는 Davisson이 제안한 “상대 밀도에 비례”를 가정하여 상대밀도 0%=2770, 100%=27700으로 가정하여 상대밀도 별 지반반력상수를 산정하였으며 점성토의 경우 실험을 통하여 구한 비배수전단강도를 이용하여 지반반력상수를 산정하였다.

제안 방법

3. p-y 곡선의 초기기울기는 말뚝 및 지반의 강성과 깊이에 비례하였고 말뚝수평변위의 크기는 말뚝의 강성에 비례하였으나 지반의 강성에는 반비례하였다.
본 연구에서는 지반의 강성에 따른 말뚝의 거동특성을 파악하고자 비배수전단강도 17kPa와 비배수전단강도 40kPa 지반을 조성하였다. 균질한 점성토 지반을 조성하기 위하여 본 실험에 앞서 Field vane test를 통한 함수비-비배수전단강도 곡선을 산정하였으며(그림 2.3 참조), 본 실험에서는 완전 건조된 점성토에 증류수를 첨가시켜 함수비를 조정하는 방법을 통하여 목표 비배수 전단강도를 지니는 지반을 조성하였다. 또한 응력이완 및 점성토 내 불포화 영역을 최소화하기 위하여 지반 조성 시 10cm 마다 휴대용 진동기를 이용하여 충분히 다짐하였으며 높이별 비배수전단강도를 측정하여 그 오차를 최소화하였다.
2 참조)를 사용하였다. 또한 말뚝의 수평변위를 측정하기 위한 Ring type 변위계 설치를 위하여 토조 한쪽 벽면에 25cm의 격벽을 설치하였다.
또한 본 실험시, 보다 균질한 지반조성을 조성하고자 말뚝 거동 영향 범위 밖의 두 지점에서 높이별 3회에 걸친 상대밀도를 측정하여 그 편차를 ±1.8% 이내로 유지시켰다.
본 실험에서는 strain gauge로 말뚝의 변형을 측정할 수있었으며 측정된 값을 식 (3.1)에 대입하여 휨모멘트를(그림 3.1 참조) 구한 후 curve-fitting에 의해 x-y 관계식을 구하고 이를 4차 미분하여(식 (3.2)~식 (3.3) 참고) 지반반력을 산정하였다. 또한 산정된 지반반력과 링 타입 변위계로 측정된 수평변위(그림 3.
본 실험을 위하여 가력방향과 가력반대방향에 각각 6개, 총 12개의 변형률계이지가 설치하였으며 수평변위를 직접 측정하기 위하여 말뚝에 링 타입 변위계를 부착하였다. 또한 재하방법 및 속도는 ASTM D 3966-90(optional)의 주기하중재하법에 따라 실시하였다.
본 연구에서는 지반의 강성에 따른 말뚝의 거동특성을 파악하고자 상대밀도 40% 및 80% 지반을 조성하였으며, 이를 위하여 외부공기유입을 차단한 상태에서 Traveling spreader법 및 높이별 3회에 걸친 Pluviation 포설을 예비 실험으로 실시하여 목표 상대밀도와 일치하는 강사기의 높이 및 노즐 폭을 결정하였다(표 2.8 참조). 또한 본 실험시, 보다 균질한 지반조성을 조성하고자 말뚝 거동 영향 범위 밖의 두 지점에서 높이별 3회에 걸친 상대밀도를 측정하여 그 편차를 ±1.
본 연구에서의 지반반력산정은 말뚝 지름의 7배인 7D 이상의 깊이에서는 지반반력의 방향이 번갈아가며 바뀌면서 서로 상쇄되어 실제적으로 수평저항에 기인하는 깊이는 지표면부근의 저심도라고 제안한 Baguelin 등(1978)과 Briaud(1997)의 실험결과를 토대로 하여 6D에 해당하는 0.18m까지의 지반반력을 산정하였으며 극한지반반력은 초기기울기와 동일한 방법인 시산법을 통하여 산정하였다(표 3.1 참조).
본 절에서는 제안된 함수식의 적용성을 검증하기 위하여 사질토지반의 경우 정상훈 등(2001)의 실험결과와 제안식에 의해 산정된 p-y곡선을 비교하였으며, 점성토의 경우 인천 송도 대교 현장에서 시행한 일방향 재하시험결과와 비교하였다.
본 연구에서는 주문진 표준사와 점성토로 조성된 지반에 말뚝 및 지반 강성 변화에 따른 말뚝의 p-y 곡선에 대한 영향을 파악하고자 실내실험을 실시하였으며 이를 토대로 수평 변위와 모멘트를 측정하여 p-y곡선을 산정하였다. 산정된 p-y 곡선에 대하여 영향계수별 거동특성을 파악하고, 이런 변수들을 고려할 수 있는 초기기울기 산정 식을 제안하였으며 이를 타 실험결과 및 현장재하시험과 비교, 분석하여 그 적용성과 타당성을 분석하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
본 실험에 사용된 시료는 지반의 거동을 비교적 명확히 알 수 있고 그 특성이 널리 알려진 주문진 표준사와 김해시 공사현장에서 채취한 점성토를 사용하였다. 선정된 시료의 공학적 성질을 파악하기 위하여 기본물성실험을 실시하였으며 그 결과는 표 2.1 및 표 2.2와 같다.
실험결과 극한지반반력은 말뚝의 강성에 관계없이 지반 강성의 영향만을 받는 것으로 나타났으며, 실험결과를 바탕으로 하여 극한지반반력 산정식을 제안하였다.
본 연구에서 수행한 실험을 분석한 결과 p-y 곡선은 쌍곡선 형태를 띠었으며, 이때의 초기기울기는 말뚝 및 지반의 강성에 의하여 영향을 받았으나 극한지반반력은 말뚝의 강성과는 무관하였다. 이를 바탕으로 본 장에서는 조건별 p-y 곡선의 초기기울기와 극한지반반력을 고려할 수 있는 식을 산정하고 기존의 연구결과와 제안 식을 비교하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시료는 지반의 거동을 비교적 명확히 알 수 있고 그 특성이 널리 알려진 주문진 표준사와 김해시 공사현장에서 채취한 점성토를 사용하였다. 선정된 시료의 공학적 성질을 파악하기 위하여 기본물성실험을 실시하였으며 그 결과는 표 2.
본 실험에서는 말뚝 강성에 따른 말뚝거동을 파악하고자 EN AW 6063-T5 알루미늄 파이프를 이용하여 길이가 0.40 m, 0.65m, 그리고 0.85m인 총 3본의 말뚝을 제작하였으며, 사용된 말뚝의 제원은 European Aluminium Association의 Physical & Elastic Properties를 참고하였다(표 2.3 참조).
본 연구에서는 수평하중 받는 말뚝의 응력-변형에 관한 실험을 위하여, 사질토 지반의 경우 양 측면과 후면 그리고 밑면은 강, 앞면은 실험 관찰이 용이한 2cm 두께의 아크릴판으로 되어 있는 1.0×1.5×1.0m 의 박스형 토조(그림 2.1참조)를, 점성토 지반의 경우 2cm 두께의 아크릴 판으로 되어 있는 지름 80cm×높이 1.0m의 원형 토조(그림 2.2 참조)를 사용하였다.

데이터처리

본 연구를 통하여 제안한 수평지반반력계수와 극한지반반력에 대한 적용성 검증을 위하여 정상훈 등(2001)이 시행한 실험결과와 비교하였다. 말뚝의 제원과 사질토 지반의 물성치는 표 4.
산정된 값을 식 5.1에 대입하여 p-y 곡선을 산정하였으며그 결과를 기존실험의 p-y 곡선과 비교하였다. 그 결과 초기 기울기 및 극한지반반력을 적절히 반영하고 있음을 알 수 있었다(그림 4.
점성토 지반에 대하여 본 연구에서 제안한 수평지반반력계수의 적용성 평가를 위하여 인천 송도에서 시행한 현장실험 결과와 제안된 식에서 산정된 p-y 곡선을 비교하였다. 이 때 각 실험에 사용된 말뚝 및 지반의 제원은 표 4.

이론/모형

본 실험을 위하여 가력방향과 가력반대방향에 각각 6개, 총 12개의 변형률계이지가 설치하였으며 수평변위를 직접 측정하기 위하여 말뚝에 링 타입 변위계를 부착하였다. 또한 재하방법 및 속도는 ASTM D 3966-90(optional)의 주기하중재하법에 따라 실시하였다.
산정된 수평지반반력계수를 참조하여 Broms 이론(표 2.5 참조)에 의거, 말뚝 길이에 따른 강성을 결정하였다.
일반적으로 조립토의 수평지반반력계수는 상대밀도에 비례하는 것으로 알려져 있으며(표 2.4 참조), 이에 본 연구에서는 Davisson (1970)이 제안한 말뚝 기초의 수평방향 지반반력상수(표 2.4 참조)를 사용하여 상대밀도 평균 40%와 80%의 수평지반반력계수를 산정하였다(표 2.6 참조). 점성토의 수평지반반력계수는 점성토의 함수비에 따른 비배수전단강도를 측정하여 Davisson이 제안한 수평방향 지반반력상수를 사용하여 비배수전단강도 17kPa와 40kPa 지반에 대한 수평지반반력계수를 산정하였다(표 2.
6 참조). 점성토의 수평지반반력계수는 점성토의 함수비에 따른 비배수전단강도를 측정하여 Davisson이 제안한 수평방향 지반반력상수를 사용하여 비배수전단강도 17kPa와 40kPa 지반에 대한 수평지반반력계수를 산정하였다(표 2.7 참조).

성능/효과

1. 말뚝의 강성을 고려한 제안 함수식은 실내실험 결과를 잘 반영하였다. 또한, 타 실험 및 현장재하시험과 비교한 결과 비교적 잘 일치하였다.
2. 사질토 지반에 대한 극한지반반력은 깊이와 지반강성에 비례하였으나 말뚝 강성의 변화에 따른 영향은 매우 작았다. 점성토 지반의 경우 깊이에 비례하였으나 지반이 연약하고 연성인 말뚝에 대한 극한지반반력은 깊이에 관계없이 유사하였다.
4. 사질토 지반에 대한 휨모멘트의 크기는 말뚝 및 지반의 강성에 반비례하였으며, 최대 휨모멘트의 발생위치는 말뚝 및 지반의 강성에 무관하게 말뚝 중앙부로 유사하였다. 점성토 지반의 경우 휨모멘트의 크기는 말뚝 및 지반의 강성에 반비례하였다.
점성토 지반의 경우 깊이에 비례하였으나 지반이 연약하고 연성인 말뚝에 대한 극한지반반력은 깊이에 관계없이 유사하였다. 또한 사질토와 유사하게 말뚝의 강성보다는 지반의 강성이 극한지반반력의 크기에 미치는 영향이 크게 나타났다.
3 참조), 본 실험에서는 완전 건조된 점성토에 증류수를 첨가시켜 함수비를 조정하는 방법을 통하여 목표 비배수 전단강도를 지니는 지반을 조성하였다. 또한 응력이완 및 점성토 내 불포화 영역을 최소화하기 위하여 지반 조성 시 10cm 마다 휴대용 진동기를 이용하여 충분히 다짐하였으며 높이별 비배수전단강도를 측정하여 그 오차를 최소화하였다.
말뚝의 강성을 고려한 제안 함수식은 실내실험 결과를 잘 반영하였다. 또한, 타 실험 및 현장재하시험과 비교한 결과 비교적 잘 일치하였다. 이는 제안된 함수식이 말뚝 및 지반의 강성변화에 따른 수평지반반력계수와 지반반력의 변화를 적절히 고려할 수 있음을 나타낸다.
본 연구에서 수행한 실험을 분석한 결과 p-y 곡선은 쌍곡선 형태를 띠었으며, 이때의 초기기울기는 말뚝 및 지반의 강성에 의하여 영향을 받았으나 극한지반반력은 말뚝의 강성과는 무관하였다. 이를 바탕으로 본 장에서는 조건별 p-y 곡선의 초기기울기와 극한지반반력을 고려할 수 있는 식을 산정하고 기존의 연구결과와 제안 식을 비교하였다.
사질토 지반에서 동일재하하중에 따른 최대 휨모멘트의 크기는 말뚝의 강성에 반비례하는 것으로 나타났으며(그림 3.4(a) 참조), 지반강성의 증가에 따른 휨모멘트의 감소율은 연성말뚝에서 더 크게 나타났다. 이는 강성말뚝일수록 강성의 크기가 커서 축 변형이 거의 발생하지 않았기 때문이며 강성일수록 말뚝 부재의 휨보다는 회전이 많이 발생하였기 때문이라고 판단된다.
실험결과, 사질토 지반의 경우 하중초기단계에서는 지반 및 말뚝의 강성에 대한 말뚝의 수평변위가 큰 차이를 보이지 않았으나 하중이 증가할수록 그 차이는 크게 나타났다. 또한 하중최종단계에서 말뚝의 수평변위는 지반의 강성에 무관하게 말뚝의 강성이 클수록 크게 발생하였으며 말뚝 강성에 따른 수평변위의 차이는 지반의 강성이 작을 때보다 지반이 견고할 때 더 큰 것으로 측정되었다(그림 3.
점성토 지반의 경우 사질토와 동일하게 하중초기단계보다 최종단계로 갈수록 말뚝 및 지반 강성에 따른 수평변위의 특징이 명확히 나타났으며 말뚝의 강성이 클수록 더 큰 수평변위가 발생하였다. 지반 강성 증가에 따른 수평변위 감소율은 말뚝의 강성이 클수록, 말뚝 강성 증가에 따른 수평변위 감소율은 지반이 연약할수록 크게 나타났다(그림 3.
점성토 지반의 경우 산정된 초기기울기는 깊이에 비례하였으나 지반이 연약하고 연성말뚝일수록 깊이에 따른 초기기울기의 증가량이 지반이 견고하거나 강성말뚝 또는 사질토지반에 비하여 현저히 작게 나타났으며 지반강성의 변화에 따른 초기기울기의 변화는 강성말뚝이 연성말뚝에 비하여 더 크게 나타났다(그림 3.5(b) 참조).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	극한지반반력은 말뚝의 강성에 관계없이 어떤 영향만을 받는 것으로 나타났는가?	실험결과 극한지반반력은 말뚝의 강성에 관계없이 지반 강성의 영향만을 받는 것으로 나타났으며, 실험결과를 바탕으로 하여 극한지반반력 산정식을 제안하였다.
	수평하중을 받는 단독말뚝을 해석하는 방법으로는 어떤 방법이 있는가?	수평하중을 받는 단독말뚝을 해석하는 방법으로는 탄성지반 상보 이론에 기초한 지반 반력법, 탄성해 방법 등이 있으나 이러한 방법들은 모두 지반을 탄성으로 가정하고 있다. 이에 반하여 p-y 곡선법은 지반의 비선형거동을 고려할 수 있으므로 상대적으로 큰 수평하중을 받는 탄소성 말뚝기초의 해석기법으로 적절하다고 할 수 있다.
	주문진 표준사와 점성토로 조성된 지반에 말뚝 및 지반 강성 변화에 따른 말뚝의 p-y 곡선에 대한 영향을 파악하고자 실내실험을 실시하였으며 이를 토대로 수평 변위와 모멘트를 측정하여 p-y곡선을 산정하였다. 산정된 p-y 곡선에 대하여 영향계수별 거동특성을 파악하고, 이런 변수들을 고려할 수 있는 초기기울기 산정 식을 제안하였으며 이를 타 실험결과 및 현장재하시험과 비교, 분석하여 그 적용성과 타당성을 분석한 연구 결론은?	1. 말뚝의 강성을 고려한 제안 함수식은 실내실험 결과를 잘 반영하였다. 또한, 타 실험 및 현장재하시험과 비교한 결과 비교적 잘 일치하였다. 이는 제안된 함수식이 말뚝 및 지반의 강성변화에 따른 수평지반반력계수와 지반반력의 변화를 적절히 고려할 수 있음을 나타낸다. 2. 사질토 지반에 대한 극한지반반력은 깊이와 지반강성에 비례하였으나 말뚝 강성의 변화에 따른 영향은 매우 작았다. 점성토 지반의 경우 깊이에 비례하였으나 지반이 연약하고 연성인 말뚝에 대한 극한지반반력은 깊이에 관계없이 유사하였다. 또한 사질토와 유사하게 말뚝의 강성보다는 지반의 강성이 극한지반반력의 크기에 미치는 영향이 크게 나타났다. 3. p-y 곡선의 초기기울기는 말뚝 및 지반의 강성과 깊이에 비례하였고 말뚝수평변위의 크기는 말뚝의 강성에 비례하였으나 지반의 강성에는 반비례하였다. 4. 사질토 지반에 대한 휨모멘트의 크기는 말뚝 및 지반의 강성에 반비례하였으며, 최대 휨모멘트의 발생위치는 말뚝 및 지반의 강성에 무관하게 말뚝 중앙부로 유사하였다. 점성토 지반의 경우 휨모멘트의 크기는 말뚝 및 지반의 강성에 반비례하였다.

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Welch, R.C. and Reese, L.C. (1972) Laterally loaded behavior of drilled shafts. Research Report 3-5-65-89., Center for Highway Research., University of Texas, Austin

저자의 다른 논문 :

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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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