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문제 정의
- 본 연구에서는 단일지반을 대상으로 제안된 CPT7] 반의 수평 지 지 력산정 법을 다층지반조건에 적용함으로써, 다양한 지반조건에서의 적용성 및 타당성을 검토, 분석하였다. 이를 위해 다층지반조건으로 조성된 시료를 대상으로 얻어진 말뚝수평재하실험 결과와 콘 관입시험 결과를 적용하였으며, 실제 지반조건을 보다 효과적으로 반영할 수 있는 수정토압분포형태를 제안하였다.
- CPT를 이용한 수평지지력 산정에는 기존에 제안된 방-법 중 가장 대표적인 Broms(1964), Petrasovits & Award(1972), Prasad & ChaH(1999) 에 의한 토압분포 형태가 적용되었으며, 다층지반조건에서 얻어진 수평재하실험의 실측치와 예측치를 비교 분석하였다. 이를 통해 단일지반을 대상으로 제안되었던 CPT기반의 수 평지 지력 산정법을 다층지반조건에 적용할 수 있는 수정 토압분포 형태를 새로이 제안하였으며, 단일 및 다층지반 조건을 포함한 다양한 지반조건에서의 적용성 및 타당성을 검토, 분석하고자 한다.
제안 방법
- 평가법을 제안하였다. %기반의 단위 극한 수평 지지력에 대한 식은 아래와 같으며, Broms(1964), Petrasovits & Award(1972), Prasad & Chari(1999)의 각 방법에 따라 모델 계수A, B, C를 제안하였다.
- (1) 층별 상대밀도를 달리하는 12가지의 다층지반 상태를 구성하여, 각 지반에 대해 콘관입시험을 수행하였으며, 동일한 지반 조건에서 수평재하실험을 실시하여 그 결과값과 비교하였다. 극한수평지지력은 qc를 이용하여 단위극한수평지지력을 산정 후, 모멘트 평형관계(equilibrium)을 통해 산정하였으며, 기존의 수직응력과 토압계수를 이용한 방법도 비교분석에 적용흐]였다.
- (2) Prasad & Chari(1999) 방법에 의한 수평 토압분포의 경우, 회전점 이하의 지반에 대해서는 실질적인 다층지반 조건을 반영할 수 없으므로, 단일지반에서의 수평 토압분포 형상을 기준으로 말뚝의 회전점 이하부터 선단까지 의 단위극한수평 지지력의 증가분과 기존에 제안된 선단에서의 수평토압값의 비를 이용하여, 하부 지반조건을 효과적으로 반영할 수 있는 수정 수평 토압분포 형태를 제안하였다.
- CPT 콘지지력 %를 이용한 다층지반에서의 말뚝 수평 지지력을 평가하기 위해, 앞서 언급된 각 지반조건에 대해 콘관입시험(CPT)을 수행하였다. 콘관입시험에 사용된 콘은 Zen?의 선단면적을 가진 미니콘으로 콘관 입속도는 2cm/sec의 속도로 유압을 이용하여 일정한 속도로 각각의 다층지반에 관입되 었다.
- 이를 통해 동일 지반조건에 얻어진 CPT 시험 결과와 말뚝시험결과를 이용하여, 수평하중을 받는 말뚝에 대한 단위극한수평지지력(Pu)과 극한 수평 지지력을 산정하였다. CPT를 이용한 수평지지력 산정에는 기존에 제안된 방-법 중 가장 대표적인 Broms(1964), Petrasovits & Award(1972), Prasad & ChaH(1999) 에 의한 토압분포 형태가 적용되었으며, 다층지반조건에서 얻어진 수평재하실험의 실측치와 예측치를 비교 분석하였다. 이를 통해 단일지반을 대상으로 제안되었던 CPT기반의 수 평지 지력 산정법을 다층지반조건에 적용할 수 있는 수정 토압분포 형태를 새로이 제안하였으며, 단일 및 다층지반 조건을 포함한 다양한 지반조건에서의 적용성 및 타당성을 검토, 분석하고자 한다.
- 사전 계획된 모형지반의 상대밀도를 형성하기 위해 모래 호퍼 하단에 강사장치를 장착하였다. 강사장치는 상단 8번 체, 하단 10번 체로 구성되어 있으며 15cm의 간격을 두고 결합하여 강사 시 시료를 분산시킴으로써 낙하에너지를 일정하도록 하였다. 이러한 구성은 지반의 균질성을 유지시킴으로써 상대밀도를 일정하게 유지하는 효과를 나타낸다.
- 극한수평지지력은 qc를 이용하여 단위극한수평지지력을 산정 후, 모멘트 평형관계(equilibrium)을 통해 산정하였으며, 기존의 수직응력과 토압계수를 이용한 방법도 비교분석에 적용흐]였다. 그 결과 Brom(1964)와 Petrasovits & Award(1972)의 방법에서는 토압분포를 이용한 극한 수평 지지력과 근사한 값을 보였지만, Prasad & Chari(1999)의 방법은 비교적 큰 분산도를 보였다.
- 기존에 제안된 극한수평지지력 산정 방법은 지반의 단위 중량 Y와 말뚝의 근입깊이를 통해 유효연직 응력을 산정하고 지반의 마찰각에 의해 주어지는 수동토압 계수(K@와 주동토압계수(Ka)로 산정된 단위 극한 수평 지지력을 이용한다. 이와 같이 산정된 단위 극한 수평 지지력의 근입깊이까지의 합력은 말뚝에 대한 지반의 지지력을 나타내므로, 말뚝 두부에 가해지는 극한하중과 물리적 평형관계를 이룬디.
- 다층지 반조건에서 CPT기반의 극한수평지지 력 산정법의 적정성을 확인하고자, 기존의 토압계수를 이용하여 산정한 극한수평지지력(Hu, er)과 콘지지력을 이용하여 산정한 극한수평지지력(Hu, qc)을 비교, 분석하였다. 각 경우에 있어 Broms(1964), Peterasovits & Award (1972), Prasad & Chari(1999) 방법이 적용되었다.
- 다층지반에 근입된 말뚝의 수평지지력 평가를 위해 모형토조를 이용해 다층지반을 조성하였으며, 수평재하실험을 실시하였다. 사용된 토조의 크기는 직경 77cm, 높이 121cm이며 그 형태는 그림 1과 같다.
- 따라서, 본 연구에서는 모형토조를 이용하여 각 지층별 상대밀도를 달리한 12가지 다층지반을 조성하여, 각 지반 조건에 대해 수평말뚝재하시험과 콘관입시험을 수행하였다. 이를 통해 동일 지반조건에 얻어진 CPT 시험 결과와 말뚝시험결과를 이용하여, 수평하중을 받는 말뚝에 대한 단위극한수평지지력(Pu)과 극한 수평 지지력을 산정하였다.
- 롯드의 직경은 콘의 직경과 동일하며 그 길이는 Im이다. 또한 콘관입속도 조절을 위해 유압장치로 관입하였고 엔코더를 사용하여 속도를 확인하였다.
- Prasad & Chari(1999)에 따르면 수평하중을 받는 말뚝은 말뚝의 단면형상에 따라 단위 극한 수평 지지력의 크기가 영향을 받게 된다. 또한, 원형말뚝의 경우 연직반력과 주면반력으로 표현되는 두 요소(Briaud & Smith 1983; Smith 1987)에 의해 지반반력이 발생하므로 말뚝 단면을 따라 다른 값을 갖는 단위 극한 수평 지지력을 구하기 위해 재하 반대면에서 발생하는 최대수평토압의 0.8배를 도입하였다. Prasad & Chari(1999)는 지표면으로부터 0.
- 말뚝은 프레임과 쇠막대를 이용하여 거치하였다. 프레임은 쇠막대를 고정하는 역할을 하며, 쇠막대는 말뚝을 잡아주는 역할을 한다.
- 호퍼 거더를 이용하여 프레임의 높이를 조절하고 이로 인해 각 층을 조성할 때마다 모래 호퍼와 지반의 거 리를 일정하도록 하였다. 반면 강사장치와 모래 호퍼의 거리를 조절하므로써, 지반과 강사장치의 거리 차로 상대밀도를 달리 구현하는 방법을 이용하였다. 즉, 상대밀도가 큰 지반을 조성할 시에는 호퍼와 강사 장치의 거리를 짧게 함으로써 모형토조 내의 지반과의 거리 차를 상대적으로 크게 하상대밀도가 작은 지반을 조성할 시에는 호퍼와 강사장치의 거리를 길게 조정하여 강사 장치를 통과한 모래의 낙하거리를 줄이는 방법을 이용하여 다층지반을 조성하였다.
- 사용된 토조의 크기는 직경 77cm, 높이 121cm이며 그 형태는 그림 1과 같다. 사전 계획된 모형지반의 상대밀도를 형성하기 위해 모래 호퍼 하단에 강사장치를 장착하였다. 강사장치는 상단 8번 체, 하단 10번 체로 구성되어 있으며 15cm의 간격을 두고 결합하여 강사 시 시료를 분산시킴으로써 낙하에너지를 일정하도록 하였다.
- 상대밀도는 호퍼 거더와 강사장치를 이용하여 조절하였다. 호퍼 거더를 이용하여 프레임의 높이를 조절하고 이로 인해 각 층을 조성할 때마다 모래 호퍼와 지반의 거 리를 일정하도록 하였다.
- 수평재하시험은 길이를 달리한 두 가지 종류의 모형 말뚝(장말뚝과 단말뚝)을 이용하여 수행되었다. 장 말뚝의 경우 지름 6cm, 말뚝 길이 90cm, 근입깊이 66cm로 이루어진 원통형 강관말뚝이며, 단말뚝의 경우에는 말뚝 길이 60cm, 근입깊이 32cm이다.
- 이를 위해 다층지반조건으로 조성된 시료를 대상으로 얻어진 말뚝수평재하실험 결과와 콘 관입시험 결과를 적용하였으며, 실제 지반조건을 보다 효과적으로 반영할 수 있는 수정토압분포형태를 제안하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 이를 통해 동일 지반조건에 얻어진 CPT 시험 결과와 말뚝시험결과를 이용하여, 수평하중을 받는 말뚝에 대한 단위극한수평지지력(Pu)과 극한 수평 지지력을 산정하였다. CPT를 이용한 수평지지력 산정에는 기존에 제안된 방-법 중 가장 대표적인 Broms(1964), Petrasovits & Award(1972), Prasad & ChaH(1999) 에 의한 토압분포 형태가 적용되었으며, 다층지반조건에서 얻어진 수평재하실험의 실측치와 예측치를 비교 분석하였다.
- 동일한 시료형성과정을 거쳤다. 이에 각 다층조건에 따른 시료형성이 완료되면 상부 덮개를 덮은 후 중앙 홀을 통해 콘을 관입하였다 콘의 관입깊이는 장 말뚝과 단말뚝에 대한 모든 지층조건에 상응하도록 최하층까지 이르도록 조절하였다. 그림 4는 각 지반 조건에 대해 수행된 CPT시험결과를 나타내고 있다.
- 말뚝 선단 이하의 최하층은 상대 밀도 92% 지반으로 지층을 조성하였으며, 최상층에서 최하부의 순서로 지층의 번호를 부여하였다. 이에 따라 표 3과 같은 총 8개의 지층을 구성하여 각각의 지반 조건에 대해 수평재하시험을 수행하였다.
- 발생한다고 가정하였다. 이에 말뚝의 주변 지반의 주동토압과 수동토압을 고려하여 다음과 같은 단위 극한 수평 지지력 식을 제안하였다.
- 장 말뚝의 실험과 마찬가지로 2개의 상부지층은 상대밀도를 달리하였고, 말뚝 선단 이후의 최하층 지반에 대해서는 상대 밀도 92%를 유지하였다. 이에 총 4개의 지층으로 지반을 조성, 수평재하시험을 수행하였다. 각 층에 대한 상대 밀도를 정리하면 표 4와 같다.
- 반면 강사장치와 모래 호퍼의 거리를 조절하므로써, 지반과 강사장치의 거리 차로 상대밀도를 달리 구현하는 방법을 이용하였다. 즉, 상대밀도가 큰 지반을 조성할 시에는 호퍼와 강사 장치의 거리를 짧게 함으로써 모형토조 내의 지반과의 거리 차를 상대적으로 크게 하상대밀도가 작은 지반을 조성할 시에는 호퍼와 강사장치의 거리를 길게 조정하여 강사 장치를 통과한 모래의 낙하거리를 줄이는 방법을 이용하여 다층지반을 조성하였다. 이에 호퍼와 강사 장치의 사이가 15cm일 경우 상대밀도는 약 92%로 지반이 조성되었으며, 50cm일 경우에는 상대밀도 52%의 지반이 조성되었다.
- 각 경우에 있어 Broms(1964), Peterasovits & Award (1972), Prasad & Chari(1999) 방법이 적용되었다. 토압 계수에 의한 극한수평지지력은 각 지층의 지반 물성치를 통해 도출된 토압계수와 유효수직응력으로부터 단위 극한 수평 지지력을 산정한 후, 모멘트 평형조건을 적용하여 산정되었다. 그림 7은 콘지지력을 통해 예측된 극한 수평 지지력과 토압계수를 이용하여 예측된 극한 수평 지지력을 비교한 그래프이다.
- 호퍼 거더를 이용하여 프레임의 높이를 조절하고 이로 인해 각 층을 조성할 때마다 모래 호퍼와 지반의 거 리를 일정하도록 하였다. 반면 강사장치와 모래 호퍼의 거리를 조절하므로써, 지반과 강사장치의 거리 차로 상대밀도를 달리 구현하는 방법을 이용하였다.
대상 데이터
- 상부 3개 지층의 싱.대밀도(Dr)는 92%(이하 Dense(D)), 52%(이하 Medium(M))으로 구성되었으며, 각 조건의 조합을 이용하여 실험에 적용하였다. 말뚝 선단 이하의 최하층은 상대 밀도 92% 지반으로 지층을 조성하였으며, 최상층에서 최하부의 순서로 지층의 번호를 부여하였다.
- 모형지반의 지층 분할을 위해 장말뚝에 대해서는 총 4개의 층으로 단말뚝의 경우에는 3개의 층으로 모형지반을 구성하였다. 모형지반을 구성에 사용된 시료는 주문진 표준사이며, 주요 물성치는 표 2를 통해 정리하였다.
- 실시하였다. 사용된 토조의 크기는 직경 77cm, 높이 121cm이며 그 형태는 그림 1과 같다. 사전 계획된 모형지반의 상대밀도를 형성하기 위해 모래 호퍼 하단에 강사장치를 장착하였다.
- 콘관입시험(CPT)을 수행하였다. 콘관입시험에 사용된 콘은 Zen?의 선단면적을 가진 미니콘으로 콘관 입속도는 2cm/sec의 속도로 유압을 이용하여 일정한 속도로 각각의 다층지반에 관입되 었다. 사용된 콘의 자세한 사항은 표 5와 그림 3을 통해 표시하였다.
성능/효과
- (3) 다층지반을 고려할 수 있도록 제안된 토압분포 형상을 이용하여 예측한 극한수평지지력은 다층지반을 고려하지 않은 극한수평지지력에 비해 정밀도가 증가하였으며 Broms(1964), Petrasovits & Award (1972)의 방법으로 산정한 예측치와 유사한 분포도를 보임을 알 수 있었다.
- 그러나 이러한 과다평가의 결과는 적용된 방법 모두에 대해 일관적으로 나타나고 있으며, 특히 그림 7에서 나타난 바와 같이 다층지반을 고려한 Prasad & Chari(1999)의 방법이 다층지반을 고려하지 않은 방법에 비해 보다 향상된 정밀도를 나타내고 있음을 알 수 있다. 보다 정확한 비교, 검증을 위해 변동계수(Coefiicient of Variation, CV)로 분석해 본 결과, 다층지 반으로 고려한 토압분포로 산정된 瓦값의 CV가 0.175로 다층지반을 고려하지 않은 예측값(CV = 0.230)에 비해 적은 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이는 다층지반을 고려한 극한수평지지력의 예측값이 보다 적은 산포를 갖는다는 것을 의미한다.
- 그림에서 보는 바와 같이 토압계수를 통해 산정된 극한수평지지력과 콘 지지력을 이용하여 산정된 극한수평지지력 값이 비교적 유사한 결과를 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 다층지반 조건에서도 CPT기반의 수평지지력산정법이 매우 효과적으로 사용될 수 있음을 의미하며, 특히 실제 현장지반에서는 토압계수와 같은 지반특성치의 깊이 별 파악이 매우 어렵다는 사실을 감안하면, CPT기반의 방법 이 보다 효과적인 접근법임을 알 수 있다. 또한 그림 7(c)와 (d)는 Prasad & Chari(1999)방법에 근거한 결과로서, 앞서 설명된 바와 같이 다층지반을 고려한 수정수평토압을 고려한 경우(그림 7(c))와 다층지반을 고려하지 않은 경우(그림 7(d))를 비교하여 나타내고 있다.
후속연구
- 연속적 데이터 습득은 각 깊이별 단위극한수평지지력과 변화추이를 지지력 산정과정에 직접 적용할 수 있어 매우 효과적이며, 현장지반의 실제 응력상태와 지반조건을 단위지지력 분포에 반영할 수 있다. 그러나 제안된 콘관입치를 이용한 방법은 기존 방법에서 적용하고 있는 단일지반 대상의 토압분포 형태를 그대로 도입하고 있어, 각 방법에 해당하는 토압분포 형태로 변형해 주어야 하며, 보다 신뢰성 있는 예측 결과 도출을 위해서는 다층지반과 같은 실제적인 지반 조건을 반영할 수 있는 토압분포형상이 필요하다.
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