CPT의 관입과 말뚝의 항타는 그들의 거동이 아주 유사하기 때문에 CPT 결과를 이용한 말뚝의 지지력 예측방법이 많이 제안되어 있다. 본 연구에서는 CPT 결과를 이용한 선단지지력 산정공식의 국내 적용성을 분석하기 위하여 낙동강 하구 대심도 연약지반 현장에서 시공된 PHC 항타말뚝을 대상으로 총 172본의 동재하시험 자료와 82개소의 CPT 자료를 수집하였다. 신뢰성 높은 자료 선정을 위해 4단계의 보정절차를 거쳤으며, 통계적 기법을 이용하여 각 공식의 적용성을 분석하였다. 그 결과, 총 10가지의 공식 중에서 Aoki 방법(1975), LCPC 방법(1982), ICP 방법(2005)의 순서로 그 적용성이 높은 것으로 나타났다.
CPT의 관입과 말뚝의 항타는 그들의 거동이 아주 유사하기 때문에 CPT 결과를 이용한 말뚝의 지지력 예측방법이 많이 제안되어 있다. 본 연구에서는 CPT 결과를 이용한 선단지지력 산정공식의 국내 적용성을 분석하기 위하여 낙동강 하구 대심도 연약지반 현장에서 시공된 PHC 항타말뚝을 대상으로 총 172본의 동재하시험 자료와 82개소의 CPT 자료를 수집하였다. 신뢰성 높은 자료 선정을 위해 4단계의 보정절차를 거쳤으며, 통계적 기법을 이용하여 각 공식의 적용성을 분석하였다. 그 결과, 총 10가지의 공식 중에서 Aoki 방법(1975), LCPC 방법(1982), ICP 방법(2005)의 순서로 그 적용성이 높은 것으로 나타났다.
As CPT penetration tends to show a similar behavior to that of pile driving, a number of methods for estimating the toe bearing capacity of piles based on CPT data have been proposed. To evaluate the applicability of the methods in this country, a total of 172 dynamic load tests data on PHC piles an...
As CPT penetration tends to show a similar behavior to that of pile driving, a number of methods for estimating the toe bearing capacity of piles based on CPT data have been proposed. To evaluate the applicability of the methods in this country, a total of 172 dynamic load tests data on PHC piles and 82 CPT data at a site in the Nakdong River estuary were collected. A specific four-step procedure was adopted for the selection of the reliable data, and statistical techniques were then applied to the analysis of the applicability. The results indicated that among a total of 10 CPT-based methods applied, the best one is the Aoki method (1975), followed by the LCPC (1982), ICP (2005) methods and others.
As CPT penetration tends to show a similar behavior to that of pile driving, a number of methods for estimating the toe bearing capacity of piles based on CPT data have been proposed. To evaluate the applicability of the methods in this country, a total of 172 dynamic load tests data on PHC piles and 82 CPT data at a site in the Nakdong River estuary were collected. A specific four-step procedure was adopted for the selection of the reliable data, and statistical techniques were then applied to the analysis of the applicability. The results indicated that among a total of 10 CPT-based methods applied, the best one is the Aoki method (1975), followed by the LCPC (1982), ICP (2005) methods and others.
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문제 정의
본 연구에서는 세계적으로 널리 사용되고 있는 CPT에 근거한 지지력 공식(‘CPT-지지력 공식’이라 칭함)에 대한 국내 적용성을 규명하는데 목적이 있다.
본 연구에서는 부산 낙동강 하구 대심도 연약지반에 시공된 PHC 항타말뚝을 대상으로 CPT 결과를 이용하는 선단지지력 공식의 적용성을 분석하였다. 본 연구를 위하여 총 82개소의 CPT 자료 및 172본의 PHC 항타말뚝에 대한 동재하시험 자료를 수집하여 분석하였다.
제안 방법
본 연구에서는 세계적으로 널리 사용되고 있는 CPT에 근거한 지지력 공식(‘CPT-지지력 공식’이라 칭함)에 대한 국내 적용성을 규명하는데 목적이 있다. 이를 위하여 낙동강 하구지역에 분포하는 대심도 모래지반을 대상으로 수행된 CPT 결과를 비교적 잘 알려진 CPT-선단지지력 공식에 적용하여 말뚝의 선단지지력을 평가하였으며, 이 결과는 동재하 시험결과와의 비교를 통하여 그 방법의 적용성을 분석하였다.
동재하 시험에서 측정된 자료를 이용하여 CAPWAP분석(CAse Pile Wave Analysis Program)을 실시하여 선단지지력과 주면마찰력을 평가하였다. 최근 CAPWAP분석에 의한 지지력은 신뢰성이 높은 것으로 알려져 있다.
그러나 동재하 시험의 신뢰성은 대상지층 특성을 고려한 입력값의 결정과 시험자에 의해 영향을 크게 받는다. 그러므로 본 연구에서는 1개의 말뚝을 선정하여 동재하시험과 정재하시험을 수행하였으며, 그들에 의한 지지력을 서로 비교하여 CAPWAP분석의 신뢰성을 분석하였다.
이를 위하여, 우선 CPT 결과를 Robertson & Campanella방법(1988)에 적용하여 지반분류를 수행하였다. 다음으로, 지반분류에 근거하여 얻어진 세부지층의 두께를 상용 프로그램(Rockware Inc., 2006)에 입력하여 3차원적으로 지층 변화에 대한 정보를 구축하였다(그림 6). 그리고, 말뚝선단부의 영향범위 내에서 말뚝과 CPT 위치에서의 지층두께 변화가 큰 자료(지층두께 변화>0.
본 연구를 위하여 총 82개소의 CPT 자료 및 172본의 PHC 항타말뚝에 대한 동재하시험 자료를 수집하여 분석하였다. 분석결과의 신뢰성을 높이기 위하여 CPT 위치와 PHC 말뚝시공 위치간의 거리분석, CPT qe와 동재하 시험의 RMX값을 이용한 말뚝 근입깊이 보정, 지층 두께변화를 고려한 자료 선정, 그리고 통계기법을 활용한 자료 선정과 같이 4단계의 분석자료 선정절차를 적용하였다. 다음 단계로서, 이와 같이 선정된 자료를 총 10가지의 CPT-선단지지력 공식에 적용하였으며, Abu-Farsakh 등(2004) 등이 제시한 4가지 기준을 이용하여 그 공식의 적용성을 분석하였다.
대상 데이터
사질토 지반에 지지되는 말뚝의 CPT 선단지지력 공식 중 표 1에서 보는 바와 같이 총 10가지의 공식을 선정하였다. 본 공식들은 다음과 같이 크게 3가지의 측면에서 다른 특징을 가지고 있다.
사용된 콘의 면적은 10cm2이며, 선단각은 60°이고 관입속도는 2cm/sec 이었다.
본 연구가 수행된 지역은 부산 낙동강 하구에 위치한 명지주거지역으로, 대심도 연약지반으로 구성되어있다. 그림 1에서는 대상지역의 지층조건을 보여준다.
그림 1에서는 대상지역의 지층조건을 보여준다. 실험이 수행된 곳의 지층구조는 상부에서부터 매립층 및 실트질 모래층(0～15m), 연약점토층(15～33m), 연약 실트질점토층이 포함된 조밀한 모래층(33～57m), 그리고 그 하부에 모래 자갈층으로 구성되어 있다. 상부 매립층은 약 5m 두께의 매립층이 존재하고 있는데, 이는 1990년대 중반에 매립이 실시된 것으로 보고되고 있다.
그림 2는 현장에서 수행된 총 82개소의 CPT 자료 중대표적인 CPT 주상도를 보여준다. 본 연구를 위해 도입한 CPT 장비는 GeoMil사에서 개발한 장비로서 20ton의CPT 콘 관입력을 가지고 있다. 사용된 콘의 면적은 10cm2이며, 선단각은 60°이고 관입속도는 2cm/sec 이었다.
본 연구에서는 정재하 시험결과보다는 동재하 시험자료를 이용하였다. 왜냐하면, 일반 정재하시험의 경우극한지지력을 확인하거나 선단지지력과 주면마찰력을 분리 측정한 자료 수가 절대적으로 부족하다.
본 연구에서는 총 172본의 PHC 항타말뚝에 대하여동재하시험을 수행하였다. 총 172본 중 105본은 외경 0.
본 연구에서는 총 172본의 PHC 항타말뚝에 대하여동재하시험을 수행하였다. 총 172본 중 105본은 외경 0.5m(두께 80mm, B형식)의 말뚝이며, 나머지 67본은 외경 0.6m(두께 90mm, B형식)의 말뚝이다. 항타에 이용된 해머는 램 중량 13ton의 유압해머(모델명 DKH-13)를 이용하였다.
6m(두께 90mm, B형식)의 말뚝이다. 항타에 이용된 해머는 램 중량 13ton의 유압해머(모델명 DKH-13)를 이용하였다. 말뚝은 연약 점토층 하부에 위치한 32m～53m 깊이에 분포하는 단단한 모래층까지 항타 근입되었으며, 평균 근입깊이는 약 39m 이었다.
시험은 동일현장에서 수행되었으며, PHC 말뚝의 제원은 외경 0.5m, 두께 80mm, 그리고 B형식(인장응력 =80MPa)이다. 본 재하시험의 수행 및 분석에 관한 내용은 김성렬 등(2008)에 의하여 상세히 기술하고 있다.
40m 이상인 경우에는 지층변화에 따른 영향이 크게 미칠 것으로 판단하여 분석자료에서 제외하였으며, 그 결과 지지력 예측값과 측정 지지력 사이의 상관성이 높아지는 것으로 나타났다. 그러므로, 172본의 말뚝자료 중35본의 자료가 제거되고 137본이 선정되었다.
그런데, 선정된 말뚝 중에는 동일한 말뚝의 2∼3 깊이에서 선단지지력이 산정된 자료들이 포함되어 있으므로 총 분석자료의 수는 154개가 되었다.
2D)는 분석에서 제외하였다. 그 결과, 3단계 분석을 통하여 총 134본의 말뚝자료가 선정되었다. 그런데, 선정된 말뚝 중에는 동일한 말뚝의 2∼3 깊이에서 선단지지력이 산정된 자료들이 포함되어 있으므로 총 분석자료의 수는 154개가 되었다.
본 연구에서는 부산 낙동강 하구 대심도 연약지반에 시공된 PHC 항타말뚝을 대상으로 CPT 결과를 이용하는 선단지지력 공식의 적용성을 분석하였다. 본 연구를 위하여 총 82개소의 CPT 자료 및 172본의 PHC 항타말뚝에 대한 동재하시험 자료를 수집하여 분석하였다. 분석결과의 신뢰성을 높이기 위하여 CPT 위치와 PHC 말뚝시공 위치간의 거리분석, CPT qe와 동재하 시험의 RMX값을 이용한 말뚝 근입깊이 보정, 지층 두께변화를 고려한 자료 선정, 그리고 통계기법을 활용한 자료 선정과 같이 4단계의 분석자료 선정절차를 적용하였다.
이론/모형
이를 위하여, 우선 CPT 결과를 Robertson & Campanella방법(1988)에 적용하여 지반분류를 수행하였다.
본 연구에서는 각각의 CPT-지지력 공식의 적합성을 규명하기 위하여 Abu-Farsakh 등(2004)과 유사한 분석방법을 적용하기로 한다. 그들의 방법은 식 (4)에서와 같은 순위 계산 방법이다.
분석결과의 신뢰성을 높이기 위하여 CPT 위치와 PHC 말뚝시공 위치간의 거리분석, CPT qe와 동재하 시험의 RMX값을 이용한 말뚝 근입깊이 보정, 지층 두께변화를 고려한 자료 선정, 그리고 통계기법을 활용한 자료 선정과 같이 4단계의 분석자료 선정절차를 적용하였다. 다음 단계로서, 이와 같이 선정된 자료를 총 10가지의 CPT-선단지지력 공식에 적용하였으며, Abu-Farsakh 등(2004) 등이 제시한 4가지 기준을 이용하여 그 공식의 적용성을 분석하였다.
성능/효과
말뚝은 연약 점토층 하부에 위치한 32m～53m 깊이에 분포하는 단단한 모래층까지 항타 근입되었으며, 평균 근입깊이는 약 39m 이었다. 특히, 동재하시험에 의한 말뚝 건전도를 분석한 결과, 항타 시에 말뚝체에 발생한 압축 및 인장응력에 대하여 말뚝 손상이 발생하지 않았음을 확인하였다.
정재하 시험은 말뚝선단에 O-cell을 설치하는 양방향 재하시험이며, 동재하 시험은 말뚝을 설치하는 시점에 실시한 EOID의 결과이다. 양방향 재하시험 결과 주면마찰력과 선단지지력이 서로 균형을 이루어 각각의 극한지지력을 확인할 수 있었으며 잔류하중을 고려한 보정을 수행하여 최종적으로 그림 3과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 그림을 보면, CAPWAP 분석으로 얻어진 주면마찰력과 선단지지력은 각각 913kN과 2480kN으로 나타났다.
그림을 보면, CAPWAP 분석으로 얻어진 주면마찰력과 선단지지력은 각각 913kN과 2480kN으로 나타났다.CAPWAP 분석의 주면마찰력은 항타 중의 지반교란에 의해 정재하시험으로 결정된 값인 2830kN의 약 1/3로 나타났다. 그러나 CAPWAP 선단지지력은 정재하시험에서 선단침하량 10mm(=0.
CAPWAP 분석의 주면마찰력은 항타 중의 지반교란에 의해 정재하시험으로 결정된 값인 2830kN의 약 1/3로 나타났다. 그러나 CAPWAP 선단지지력은 정재하시험에서 선단침하량 10mm(=0.02D)에 해당하는 값인 2.48MN과 동일한 것으로 나타나, 본 동재하 시험으로 산정된 선단지지력 값은 신뢰성이 높다는 것을 확인하였다.
그림 4에서는 CPT와 말뚝 사이의 거리를 나타낸 것으로 대부분의 말뚝이 40m 이내에 위치하였다. 40m 이상인 경우에는 지층변화에 따른 영향이 크게 미칠 것으로 판단하여 분석자료에서 제외하였으며, 그 결과 지지력 예측값과 측정 지지력 사이의 상관성이 높아지는 것으로 나타났다. 그러므로, 172본의 말뚝자료 중35본의 자료가 제거되고 137본이 선정되었다.
그림 5에서는 RMX값과 qe값이 증가하기 시작하는 깊이가 서로 일치되도록 말뚝의 근입깊이를 보정한 사례를 보여주고 있다. 이와 같이 1단계에서 선정된 137본의 말뚝에 대하여 2단계 보정을 실시한 결과, 보정 후 지지력 예측값과 동재하시험의 측정 지지력사이의 상관성이 크게 높아지는 것으로 나타났다.
산술평균(μ)에 의한 순위는 Aoki 방법(1.00), ICP 방법(0.95), Schmertmann 방법(0.94), LCPC 방법(0.91) 그리고 Eslami&Fellenius 방법(0.89) 등의 순서로 나타났다.
65)에서는 지지력을 매우 과대평가하는 것으로 나타났으며, 그 외의 방법들은 모두 지지력을 측정값보다 작게 평가하였다. 또한, Zhou 방법, UWA 방법, Penpile 방법의 (Qfit/Qm)값은 각각 0.64,0.55 및 0.31으로서 지지력을 매우 과소평가하였다.
상관계수(R2)에 의한 순위는 Aoki 방법(0.63), Zhou 방법(0.62), LCPC 방법(0.61), Philipponnat 방법(0.60), 그리고 Penpile 방법(0.50) 등의 순서로 나타났다. Zhou방법의 경우 추세선의 기울기는 작았으나 상관계수에 의한 순위가 2위로 나타나 적절한 보정절차가 적용되면 적용성이 높아질 것으로 판단된다.
log-normal 분포에 의한 비율의 순위는 Aoki 방법(65%), LCPC 방법(51%), ICP 방법(50%), Philipponnat방법(48%), 그리고 Schmertmann 방법(42%) 등의 순서로 나타났다. 히스토그램에 의한 순위는 Aoki 방법(66%), Pilipponnat 방법(54%), LCPC 방법(51%), ICP방법(47%), 그리고 Schmertmann 방법(43%) 등의 순서로 나타났다.
87) 등의 순서로 나타났다. P50과P90 차이(P90-P50)에 의한 순위는 Penpile 방법(0.14), Zhou방법(0.18), UWA 방법(0.29), Philipponnat 방법(0.30), 그리고 Aoki 방법(0.32) 등의 순서로 나타났다.
1절에서 얻어진 결과를 종합적으로 정리한 표이다. 이 표에서 보면, RI값이 작은 순서로서 Aoki 방법, LCPC 방법, ICP 방법, Philipponnat 방법, Zhou 방법 및 Schmertmann 방법 등의 순서로 적용성이 높은 것으로 나타났다.
Abu-Farsakh 등(2004)은 미국 Louisiana지역에 분포하는 점토 또는 점토-모래 지반에 항타근입된 마찰말뚝을 대상으로 총 10가지 CPT 지지력 공식의적용성을 분석하였다. 이들이 적용한 지지력 공식들 중에서 5가지의 방법은 본 연구에서 동일하게 적용하였는데, 상기의 결과와는 약간 다르게 LCPC 방법, Philipponnat 방법, Schmertmann 방법, Aoki 방법, Penpile 방법의 순서로 적용성이 높은 것으로 나타났다. 이러한 차이가 발생한 이유는 Abu-Farshkh 등(2004)이 주로 점토지반에 근입되는 마찰말뚝을 대상으로 하였으며, 주면 및 선단지지력을 더한 전체 지지력을 대상으로 분석한데 비하여, 본 연구의 경우 선단지지력만을 대상으로 말뚝선단부가 단단한 모래층에 근입된 경우를 분석하였기 때문으로 판단된다.
상기의 분석으로 얻어진 결론으로서, CPT 선단지지력 공식의 적용성은 Aoki 방법, LCPC 방법, ICP 방법, Phillipponnat 방법, 그리고 Zhou 방법 및 Schmertmann방법 등의 순서로 높은 것으로 나타났다. Meyerhof 방법은 지지력을 평균적으로 40% 정도 과대평가하는 것으로 나타났으며, Meyerhof 방법을 제외한 나머지 방법들은 모두 지지력을 작게 평가하는 것으로 나타났다.
상기의 분석으로 얻어진 결론으로서, CPT 선단지지력 공식의 적용성은 Aoki 방법, LCPC 방법, ICP 방법, Phillipponnat 방법, 그리고 Zhou 방법 및 Schmertmann방법 등의 순서로 높은 것으로 나타났다. Meyerhof 방법은 지지력을 평균적으로 40% 정도 과대평가하는 것으로 나타났으며, Meyerhof 방법을 제외한 나머지 방법들은 모두 지지력을 작게 평가하는 것으로 나타났다. Zhou방법의 경우 측정값에 비하여 지지력을 약 30% 이상 과소평가하지만 측정값에 대한 예측값의 분산도가 작은 것으로 나타나 적절한 보정계수가 도입된다면 적용성이 향상될 수 있을 것으로 판단되었다.
본 연구와 기존의 연구결과를 비교하면, 국내 해안 매립지역 등 유사한 지층조건을 가진 곳에서 시공되는PHC 항타말뚝의 선단지지력 산정에 LCPC 및 Aoki 방법을 적용하도록 추천할 수 있다.감사의 글이 논문은 2008년 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국학술진흥재단의 지원(KRF-D00604) 및 한국과학재단의 국가지정연구실사업의 지원(No.
후속연구
이와 같이, 국내외에서 수행된 연구 결과에서 보면,LCPC 방법 및 Aoki 방법의 적용성이 공통적으로 우수하다는 것을 알 수 있다. 신뢰성 있는 결론을 위하여 더 많은 사례연구가 물론 수행되어야 하겠지만, 국내의 여러 현장에 상기의 방법을 적용하도록 권장할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CPT 선단지지력 공식의 적용성이 높은 것부터 순서로 나타내면?
상기의 분석으로 얻어진 결론으로서, CPT 선단지지력 공식의 적용성은 Aoki 방법, LCPC 방법, ICP 방법,Phillipponnat 방법, 그리고 Zhou 방법 및 Schmertmann방법 등의 순서로 높은 것으로 나타났다. Meyerhof 방법은 지지력을 평균적으로 40% 정도 과대평가하는 것으로 나타났으며, Meyerhof 방법을 제외한 나머지 방법들은 모두 지지력을 작게 평가하는 것으로 나타났다.
CPT 시험에서 얻어지는 콘 선단저항력과 주면저항력이 CPT 결과를 이용하여 말뚝 지지력을 산정하는 공식이 여러 연구자들에 의하여 제안되어 온 이유는?
과거에는 CPT 콘 관입장비의 재하용량이 작았기 때문에 CPT 시험이 주로 연약 점토층 또는 느슨한 사질토층의 조사에만 이용되어 왔으나, 최근에는 큰 관입력을 가진 대형 CPT 장비가 개발되면서 대심도의 단단한 점토 및 사질토 지반의 조사에도 확대 적용되고 있다. 특히, CPT 시험에서 얻어지는 콘 선단저항력과 주면저항력은 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력과 연관성이 크기 때문에 CPT 결과를 이용하여 말뚝 지지력을 산정하는 공식이 여러 연구자들에 의하여 제안되어 왔다. 따라서 여러 나라에서는 그 지역의 지반 및 말뚝 특성에 적합한 지지력 공식을 개발하여 설계에 적용하고 있다.
CPT 선단지지력 공식의 3가지의 측면의 특징은?
① 콘 선단저항력의 영향범위: 말뚝 선단 위 1D～8D(D=말뚝직경)와 말뚝 선단 아래 1.5D～4D의 범위내에서 상이한 영향범위의 고려
② 영향범위 내에서 콘 선단저항력의 대표 값을 산정하는 방법
⦁ 기하평균법: Eslami & Fellenius법
⦁ 산술평균법 + 보정절차: LCPC법
⦁ 최소경로법: Schmertmann법, UWA법
⦁ 단순 산술평균법: 그 외 방법
③ 보정계수: 말뚝종류, 말뚝 시공방법, 흙의 종류 등에 따라 상이한 보정계수의 적용
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