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문제 정의
- 의한 영구수평변위의 예측이 필요하다. 본 연구에서는 모래지반에서 반복수평하중을 받는 항타말뚝의 거동 특성을 조사하기 위해서 가압토조와 길이가 다른 3 개의 모형말뚝을 이용해서 모형말뚝재하시험을 수행하였고, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 반복수평하중을 받는 단말뚝의 거동 특성을 조사하기 위해 가압토조와 길이가 다른 3개의 모형 말뚝을 이용해서 모형말뚝재하시험을 수행하였다. 모형실험의 결과를 통해서 지반의 상대밀도와 응력상태 반복 수평 하중의 크기와 작용방법(한방향 또는 양방향 재하), 말뚝의 근입길이가 모래지반에 타입된 말뚝의 영구 수평 변위와 영구회전각에 미치는 영향을 조사하였고 실험 결과에 근거해서 반복수평하중을 받는 말뚝의 영구 수평 변위와 영구회전각을 예측하기 위한 산정식을 제안하였다.
제안 방법
- 6배로 변화시켰고, 이들 수평 하중을 한방향(1-way) 과 양방향(2-way) 으로 반복 재하 하면서 4회의 반복수평재하시험을 실시하였다. 그 외에도 말뚝의 근입길이에 따른 수평거동 변화를 조사하기 위해서 지반 및 하중조건은 일정하게 유지한 상태에서 말뚝의 근입길이만을 330, 440, 55어rm로 증가시키면서 반복수평 재하시 험을 수행하였다.
- 사용하였다. 그리고 수평하중을 받는 말뚝의 중요 설계인자 중 하나인 말뚝에 유발되는 휨모멘트 특성을 조사하기 위해서 시험 말뚝 중 모형지반에 관입되는 부분(시험말뚝 하부 330, 440, 550mm)에 총 16개의 스트레인게이지를 8개 위치에 대칭으로 부착하였다. 특히 시험말뚝을 모형지반에 타입하는 동안 말뚝에 설치한 스트레인게이지가파손되는 것을 방지하기 위해서 말뚝 표면에 폭과 길이가 각각 3mm와 10mm이고 깊이가 3mm인 홈을 성형한 후 그 홈 내부에 스트레인게이지를 설치하였m 홈의 입구부는 덮게 철판(cover plate)으로 폐쇄하였다.
- 0인 경우 그리고 말뚝의 근입길이(L)가 330, 440, 550mm인 경우에 대해서 정적수평 재하시험을 수행함으로써 다양한 조건하에서 말뚝의 정적극한수평지지력(Hus)을 결정하였다. 그리고 지반의 상대밀도와 응력상태에 따른 반복수평하중을 받는 말뚝의 거동 변화를 조사하기 위해서 모형지반의 상대 밀도를 30, 60, 90%로 그리고 토압계수를 0.4, 0, 7, 1.0으로 변경하면서 5회의 반복수평재하시험을 수행하였다. 또한 말뚝에 재하되는 수평하중의 크기(H)와 재하방법이 말뚝의 거동에 미치는 영향을 규명하기 위해서 말뚝에 가해지는 하중을 동일 조건하에서 측정된 정적 극한 수평 지지력의 0.
- 모래 저장조는 직경이 775mm이고 높이가 1250mm 로, 그 바닥과 측벽에는 고무막(membrane)을 설치하여 압축공기를 이용한 모형지반의 응력상태 조절이 가능하도록 하였다. 그리고 지반조성장치는 다시 모래상자 (sand hopper)와 모래분산장치 (sand diffiiser)로 구성되는데 모래상자의 바닥에는 크기 조절이 가능한 여러 개의 구멍을 설치해서 모래의 유출량을 조절할 수 있도록 하였다. 모래상자의 아래에 위치하는 모래분산장치는 8 번과 1。번 체(sieve)로 구성되며, 모래상자에서 유출된 모래가 모래분산장치를 통과함으로써 모형지반이 균질하게 조성되도록 하였다.
- 0으로 변경하면서 5회의 반복수평재하시험을 수행하였다. 또한 말뚝에 재하되는 수평하중의 크기(H)와 재하방법이 말뚝의 거동에 미치는 영향을 규명하기 위해서 말뚝에 가해지는 하중을 동일 조건하에서 측정된 정적 극한 수평 지지력의 0.2, 0.4, 0.6배로 변화시켰고, 이들 수평 하중을 한방향(1-way) 과 양방향(2-way) 으로 반복 재하 하면서 4회의 반복수평재하시험을 실시하였다. 그 외에도 말뚝의 근입길이에 따른 수평거동 변화를 조사하기 위해서 지반 및 하중조건은 일정하게 유지한 상태에서 말뚝의 근입길이만을 330, 440, 55어rm로 증가시키면서 반복수평 재하시 험을 수행하였다.
- 수행하였다. 먼저, 모형지반의 상대밀도(Dr)가 30, 60, 90%인 경우와 토압계수(Ko)가 0.4, 0.7, 1.0인 경우 그리고 말뚝의 근입길이(L)가 330, 440, 550mm인 경우에 대해서 정적수평 재하시험을 수행함으로써 다양한 조건하에서 말뚝의 정적극한수평지지력(Hus)을 결정하였다. 그리고 지반의 상대밀도와 응력상태에 따른 반복수평하중을 받는 말뚝의 거동 변화를 조사하기 위해서 모형지반의 상대 밀도를 30, 60, 90%로 그리고 토압계수를 0.
- 모래 저장조는 직경이 775mm이고 높이가 1250mm 로, 그 바닥과 측벽에는 고무막(membrane)을 설치하여 압축공기를 이용한 모형지반의 응력상태 조절이 가능하도록 하였다. 그리고 지반조성장치는 다시 모래상자 (sand hopper)와 모래분산장치 (sand diffiiser)로 구성되는데 모래상자의 바닥에는 크기 조절이 가능한 여러 개의 구멍을 설치해서 모래의 유출량을 조절할 수 있도록 하였다.
- 모형실험의 결과를 통해서 지반의 상대밀도와 응력상태 반복 수평 하중의 크기와 작용방법(한방향 또는 양방향 재하), 말뚝의 근입길이가 모래지반에 타입된 말뚝의 영구 수평 변위와 영구회전각에 미치는 영향을 조사하였고 실험 결과에 근거해서 반복수평하중을 받는 말뚝의 영구 수평 변위와 영구회전각을 예측하기 위한 산정식을 제안하였다. 그리고 또 다른 조건에서 수행된 모형실험의 결과를 이용해서 제안된 영구변위 산정식의 정확도를 검증하였다.
- 모형지반은 깊이방향의 균질성을 확보하기 위해 13개 층으로 나누어 조성하였고, 지반 조성 후 가압토조의 뚜껑을 결합 시 키고 토조의 바닥과 측벽에 설치한 고무막에 계획한 크기의 압축공기를 18시간 동안 가함으로써 소정의 상대 밀도와 응력상태를 갖도록 하였다.
- 모형지반은 모래상자로부터 유출되는 모래의 양과 모래 분산 장치로부터 떨어지는 모래 입자의 낙하고를 조절해서 지반의 상대밀도를 결정하는 낙사법(raining method) 으로 조성하였고, 본 실험에서는 상대밀도가 Dr=30, 60, 90%인 세가지 상태의 모형지반을 조성하였다. 모형지반은 깊이방향의 균질성을 확보하기 위해 13개 층으로 나누어 조성하였고, 지반 조성 후 가압토조의 뚜껑을 결합 시 키고 토조의 바닥과 측벽에 설치한 고무막에 계획한 크기의 압축공기를 18시간 동안 가함으로써 소정의 상대 밀도와 응력상태를 갖도록 하였다.
- 1° 이하가 될 때까지 해당 하중단계를 유지하였다. 반면 반복수평 재하시험을위해 동일 지반 및 말뚝조건 하에서 측정된 정적 극한 수평 지지력의 20, 40, 60%에 해당하는 수평하중을 시험 말뚝의 두부에 한방향 또는 양방향으로 계획된 횟수0)만큼 재하(loading)와 제하(unloading)한 후 위에서 언급한 정적수평 재하시 험과 동일한 방법으로 수평 재하시 험을 수행하였다. 이때 그림 4에서 보듯이 1회의 한방향 반복재하는 최초 재하방향으로 하중을 재하 및 제하하는 것이고, 1회의 양방향 반복재하는 최초 재하방향으로 하중을 재하 및 제하한 후 연속해서 최초 재하방향과 반대방향으로 동일크기의 수평하중을 재하 및 제하하는 것이다.
- 본 연구에서는 표 1과 같이 모형지반의 상대 밀도와 응력 상태, 반복수평하중의 크기와 재하횟수, 작용방법, 그리고 말뚝의 근입길이를 변경하면서 7회의 정적수평재하시 험과 11회의 반복수평 재하시 험을 수행하였다. 먼저, 모형지반의 상대밀도(Dr)가 30, 60, 90%인 경우와 토압계수(Ko)가 0.
- 시험말뚝의 타입과 계측기 설치가 완료된 후에는 정적 혹은 반복수평재하시 험을 수행하였다. 정적수평 재하시험을 위해 수평하중은 단계별로 약 20분간 일정하게 유지하였고, 20분이 경과한 후에도 말뚝의 변위가 계속 발생할 경우에는 말뚝의 시간당 회전각이 0.
- 타입하였다. 시험말뚝이 타입되면 그림 3에서 보듯이 지표면으로부터 75mm 떨어진 높이에서 시험 말뚝에 수평하중을 반복재하했고, 하중이 재하되는 동안 지표면으로부터 각각 45mm와 145mm 떨어진 높이에서 LVDT를 이용해서 하중단계별 말뚝의 수평변위를 측정하였다. 특히 시험말뚝에 반복수평하중을 한방향과 양방향으로 원활하게 재하할 수 있도록 재하장치로 복동식 유압잭을 사용하였고, 수평하중의 측정을 위해 유압잭과 연결된 로드(rod)의 단부에는 하중계(load cell)를 설치했다, 그리고 수평재하시험이 진행되는 동안 시험 말뚝의 단부를 자유단 상태로 유지하기 위해서 유압잭에 연결된 하중계와 시험말뚝의 두부는 클램프(clamp) 를 이용해서 힌지(hinge)형태로 결합시켰다.
- 특히 시험말뚝을 모형지반에 타입하는 동안 말뚝에 설치한 스트레인게이지가파손되는 것을 방지하기 위해서 말뚝 표면에 폭과 길이가 각각 3mm와 10mm이고 깊이가 3mm인 홈을 성형한 후 그 홈 내부에 스트레인게이지를 설치하였m 홈의 입구부는 덮게 철판(cover plate)으로 폐쇄하였다. 이때 스트레인 게이지의 전선들은 그림 2에서 보듯이 스트레인 게이지 설치용 홈의 상부에 설치한 배선용 구멍을 통해서 시험말뚝 내부로 배선되어 말뚝 두부에 설치한 전선 구멍으로 빼냄으로써 모형말뚝실험을 수행하는 동안 스트레인 게이지의 전선이 파손되거나 재하시험에 지장을 주지 않도록 하였다.
- 시험말뚝이 타입되면 그림 3에서 보듯이 지표면으로부터 75mm 떨어진 높이에서 시험 말뚝에 수평하중을 반복재하했고, 하중이 재하되는 동안 지표면으로부터 각각 45mm와 145mm 떨어진 높이에서 LVDT를 이용해서 하중단계별 말뚝의 수평변위를 측정하였다. 특히 시험말뚝에 반복수평하중을 한방향과 양방향으로 원활하게 재하할 수 있도록 재하장치로 복동식 유압잭을 사용하였고, 수평하중의 측정을 위해 유압잭과 연결된 로드(rod)의 단부에는 하중계(load cell)를 설치했다, 그리고 수평재하시험이 진행되는 동안 시험 말뚝의 단부를 자유단 상태로 유지하기 위해서 유압잭에 연결된 하중계와 시험말뚝의 두부는 클램프(clamp) 를 이용해서 힌지(hinge)형태로 결합시켰다.
- 그리고 수평하중을 받는 말뚝의 중요 설계인자 중 하나인 말뚝에 유발되는 휨모멘트 특성을 조사하기 위해서 시험 말뚝 중 모형지반에 관입되는 부분(시험말뚝 하부 330, 440, 550mm)에 총 16개의 스트레인게이지를 8개 위치에 대칭으로 부착하였다. 특히 시험말뚝을 모형지반에 타입하는 동안 말뚝에 설치한 스트레인게이지가파손되는 것을 방지하기 위해서 말뚝 표면에 폭과 길이가 각각 3mm와 10mm이고 깊이가 3mm인 홈을 성형한 후 그 홈 내부에 스트레인게이지를 설치하였m 홈의 입구부는 덮게 철판(cover plate)으로 폐쇄하였다. 이때 스트레인 게이지의 전선들은 그림 2에서 보듯이 스트레인 게이지 설치용 홈의 상부에 설치한 배선용 구멍을 통해서 시험말뚝 내부로 배선되어 말뚝 두부에 설치한 전선 구멍으로 빼냄으로써 모형말뚝실험을 수행하는 동안 스트레인 게이지의 전선이 파손되거나 재하시험에 지장을 주지 않도록 하였다.
- 표 1에 보이는 지반조건을 갖는 모형지반이 조성되면 무게가 49N인 도넛형 햄머를 50cm높이에서 자유 낙하시키는 방법으로 시험말뚝을 모형지반에 330, 440, 550mm 깊이로 타입하였다. 시험말뚝이 타입되면 그림 3에서 보듯이 지표면으로부터 75mm 떨어진 높이에서 시험 말뚝에 수평하중을 반복재하했고, 하중이 재하되는 동안 지표면으로부터 각각 45mm와 145mm 떨어진 높이에서 LVDT를 이용해서 하중단계별 말뚝의 수평변위를 측정하였다.
대상 데이터
- 본 모형실험에서는 반복수평하중을 받는 말뚝의 거동특성을 조사하기 위해서 그림 2와 같이 외경이 40mm로 일정하고 길이가 480, 590, 700mm로 각기 다른 3개의 폐단 말뚝(ciosed-ended pile)을 시험말뚝으로 사용하였다. 그리고 수평하중을 받는 말뚝의 중요 설계인자 중 하나인 말뚝에 유발되는 휨모멘트 특성을 조사하기 위해서 시험 말뚝 중 모형지반에 관입되는 부분(시험말뚝 하부 330, 440, 550mm)에 총 16개의 스트레인게이지를 8개 위치에 대칭으로 부착하였다.
- 본 연구에서는 소정의 상대밀도와 응력상태를 갖는 모형지반을 조성하기 위해서 가압토조(calibration chamber) 를 사용하였으며, 가압토조는 그림 1과 같이 모형지반이 조성되는 모래 저장조(container)와 모형지반의 상대 밀도와 균질도를 조절하기 위한 지반조성장치로 구성된다. 모래 저장조는 직경이 775mm이고 높이가 1250mm 로, 그 바닥과 측벽에는 고무막(membrane)을 설치하여 압축공기를 이용한 모형지반의 응력상태 조절이 가능하도록 하였다.
- 이상과 같은 가압토조에 모형지반을 조성하기 위해서 대기 건조된 주문진 표준사 중 10번 체를 통과한 모래만을 지반조성 재료로 사용하였다. 지반조성용 모래의 비중(Gs)은 2.
데이터처리
- 모형실험의 결과를 통해서 지반의 상대밀도와 응력상태 반복 수평 하중의 크기와 작용방법(한방향 또는 양방향 재하), 말뚝의 근입길이가 모래지반에 타입된 말뚝의 영구 수평 변위와 영구회전각에 미치는 영향을 조사하였고 실험 결과에 근거해서 반복수평하중을 받는 말뚝의 영구 수평 변위와 영구회전각을 예측하기 위한 산정식을 제안하였다. 그리고 또 다른 조건에서 수행된 모형실험의 결과를 이용해서 제안된 영구변위 산정식의 정확도를 검증하였다.
- 반복수평하중을 받는 말뚝의 영구수평변위를 예측하기 위한 식 (1)의 정확도를 평가하기 위해서 제 안식으로부터 계산된 예측치를 기존의 제안식들과 비교함과 동시에 Dr=90%이고 K°=0.4 인 모형지반에 타입된 Le40mm 인 말뚝에 o.4Hus 크기의 수평하중을 한방향으로 50회반복재하했을 때 측정한 모형실험 결과와도 비교하였다. 그 결과 그림 11에서 보듯이 식 (1)은 N=50회에서 실측치보다 말뚝의 영구수평변위를 약 10% 크게 예측하였다.
이론/모형
- 또한 Lee 등(2010)은 모형 말뚝실험의 결과를 이용해서 Davidson 등(1982)과 Meyerhof 등(1981)의 방법에 의해 결정되는 극한수평지지력이 큰 차이를 보이지 않음을 보고하였다. 따라서 본 연구에서는 해석의 편의성을 고려해서 Davidson 등(1982)의 방법을 이용하여 시험말뚝의 극한수평지지력을 결정하였다.
성능/효과
- (1) 최초의 하중재하는 이후에 가해지는 반복재하보다 말뚝에 매우 큰 수평변위를 발생시켰고, 수평흐】중의 반복재하횟수가 증가함에 따라 말뚝의 누적 수평 변위는 증가하지만 1회 재하로 인해 발생하는 말뚝의 수평변위량은 감소하였다.
- (2) 반복수평하중의 한방향 재하는 하중재하 방향으로 말뚝의 영구수평변위를 일으키지만, 양방향 재하는최초 하중재하 방향과 반대방향으로 말뚝의 영구 수평 변위를 발생시킨다.
- (3) 반복수평하중으로 인한 말뚝의 영구수평변위는 지반의 상대밀도가 감소하거나 말뚝에 작용하는 반복하중의 크기가 커질수록 급격히 증가하였으나, 지반의 토압계수와 말뚝의 근입길이 변화에는 큰 영향을 받지 않았다.
- (4) 반복수평하중이 한방향으로 재하된 경우 최초 재하시 발생한 영구수평변위에 대한 반복재하로 인한 누적 영구 수평 변위의 비로 정의되는 말뚝의 정규화된 영구수평변위는 수평하중의 반복재하횟수에 매우 민감하게 반응했으며, 지반 및 말뚝조건과 하중 특성의 변화에는 크게 반응하지 않았다.
- (5) 모형실험의 결과에 근거해서 하중이 한방향으로 반복재하될 때 말뚝의 영구수평변위와 영구회전각을예측할 수 있는 산정식을 제안하였으며, 제안된 산정 식은 반복수평하중을 받는 말뚝의 영구 수평 변위 특성을 비교적 정확하게 예측하였다.
- 이때 정규화된 영구회전각(normalized permanent rotation angle)은 최초 재하 시 발생한 말뚝의 영구회전각(&)과반복재하로 인해 발생한 말뚝의 영구회전각(如)의 비로 정의된다. 그 결과 N=10회일 때 측정된 모형실험의 결과에 근거해서 식 (5)와 같은 하중재하횟수와 말뚝의 정규화된 영구회전각간의 관계식이 도출되었으며, 이 제안 식은 N=50회일 때 측정된 말뚝의 거동을 정성적으로나 정량적으로 비교적 정확하게 예측하였다. 또한 말뚝의 영구회전각을 산정하기 위한 식 (5)는 영구 수평 변위를 산정하기 위한 식 (1)과 형식 및 크기 측면에서 매우 유사한 것으로 나타났다.
- 그림에서 보듯이 말뚝 두부의 회전각이 일정할 때 지반의 상대 밀도가 커질수록 그리고 지반의 연직응력에 대한수평응력의 비로 정의되는 토압계수가 커질수록 말뚝이 지지하는 수평하중은 증가하였다. 그리고 말뚝의 근입길이가 증가할수록 일정한 크기의 말뚝 회전각에서 말뚝이 지지하는 수평하중의 크기도 증가하였다.
- 직경을 의미한다. 그림과 같이 말뚝에 발생한 영구 수평 변위는 지반조건과 반복하중의 크기, 말뚝의 근입길이를 달리한 모든 경우에서 말뚝에 가해지는 반복하중의 재하횟수가 많아질수록 증가하였고, 지반의 상대 밀도가 감소하거나 말뚝에 가해지는 반복수평하중의 크기가 커질수록 말뚝의 영구수평변위도 급격히 증가하였다. 반면 말뚝에 정적극한수평지지력의 0.
- 4Hus 크기의 수평 하중을 한 방향과 양방향으로 10회 작용시켰을 때 말뚝의 수평 하중-영구회전각 관계를 보인 것이다. 그림에서 보듯이 최초 반복하중은 그 이후에 가해진 반복하중보다 말뚝에 상당히 큰 영구회전각을 발생시켰으며, 하중 재하횟수가 증가할수록 단위 영구회전각에 대응하는 반복 수평 하중의 증분으로 정의되는 접선강성도 증가하였다. 이처럼 반복수평하중을 받는 말뚝의 영구회전각 특성은 그림 7에서 보인 영구수평변위 특성과 정성 적으로 동일한 것으로 나타났다.
- 4배에 달하는 수평하중이 일정한 횟수만큼 반복해서 가해질 때 지반의 토압계수에 따른 영구수평변위의 변화는 무시할 정도였고, 말뚝의 근입길이에 따른 영구수평변위 변화도 그다지 크지 않았다. 따라서 반복수평하중을 받는 말뚝의 영구수평변위는 말뚝의 정적극한수평지지력과 말뚝에 가해지는 반복수평하중의 비로 정의되는 정규화된 수평하중(H/Hus)의 크기와 지반의 상대밀도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 그 결과 10회의 반복재하가 완료된 후에 말뚝은 초기 재하방향의 반대방향으로 영구변위가 발생한 상태였으며, 이것은 동일한 크기의 하중을 말뚝에 양방향으로 반복재하하더라도 초기 재하 시 말뚝 전면부 지반은 원지반보다 다져지는 반면 후면부 지반은 틈새의 발생으로 인해 원지반보다 느슨해지기 때문이다. 또한 한방향 재하의 경우와 마찬가지로 양뱡향 재하의 경우에도 최초 재하에 의한 영구변위가 이 이후에가해지는 재하에 의한 영구변위보다 매우 큰 것으로 나타났다. 이처럼 반복하중의 재하방법에 따른 말뚝의 수평 거동 변화는 하중의 재하방법별 재하횟수와 말뚝의 영구 수평 변위 간의 관계를 나타낸 그림 7에서 분명하게 볼 수 있다.
- 회전각 곡선에 Davidson 등(1982)의 파괴기준을 적용해서 다양한 조건하에서 말뚝의 정적극한수평지지력을 구한 결과 표 2와 같았다. 표에서 보듯이 말뚝의 정적 극한 수평 지지력은 지반의 상대밀도와 토압계수, 그리고 말뚝의 근입길이가 커질수록 증가하였다. 이러한 정적 극한 수평 지지력의 경향은 사질토 지반에서 말뚝의 극한수평지지력이 지반의 단위중량과 수동토압계수, 말뚝의 근입길이에 비례한다는 Broms(1964)의 지지력산정식이 갖는 의미와 일치하는 것이다.
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