[논문]부양형 팽이기초의 하중전달 메커니즘에 따른 거동

정진혁; 정효권; 이송

doi:10.11112/jksmi.2010.14.2.137

부양형 팽이기초의 하중전달 메커니즘에 따른 거동
Behavior of Floating Base Plate by Stress Delivery Mechanism 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.14 no.2 = no.60, 2010년, pp.137 - 144

정진혁 ((주)동호 단지설계부) , 정효권 ((주)뉴탑이엔씨) , 이송 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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팽이기초에 대한 일본과 국내에서 현재까지 공통적으로 연구되고 있는 것은 팽이기초의 현장재하실험에 대한 지지력과 침하량에 주목되어 있다. 그러나 팽이기초에서 선행되어야할 연구는 공법 자체가 상재하중을 하부에 어떠한 원리로 전달되는 지에 대한 분석이 수행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 일본에서 개발된 Top-Base Foundation과 국내에서 개발된 부양형 팽이기초의 응력전달 메커니즘을 수치해석 및 실내모형실험을 통하여 분석하였다. 팽이기초의 하중전달 메커니즘을 분석한 결과 상재하중에 대한 팽이기초 자체의 하중저감 분담률은 주로 팽이기초와 쇄석사이에서 발생하는 주면마찰력이 가장 크게 나타났다. 또한, 팽이기초의 내부응력분산효과를 포함한 Top-Base Foundation의 총 응력분산각은 $41.8^{\circ}$이며, 부양형 팽이기초의 총 응력분산각은 $44.5^{\circ}$로 산정되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Up to now, common studies of top base have concentrated upon bearing capacity and settlement by in-situ loading test in Japan and Korea. But most of all preceding study for top base must analyze how to deliver overburden loading on bottom of foundation. Therefore, in this study, the stress delivery mechanism of Top-Base Foundation developed in Japan and Floating Top Base developed in Korea is investigated through numerical analysis and laboratory model test. Analyzing the load delivery mechanism of top base, it was found that the division rate of load reduction of top base for overburden load was largest in peripheral skin friction between the top base and the crushed stone. Further, total stress dispersion angle of Top-Base Foundation including internal stress dispersion effect of top base was $41.8^{\circ}$ and total stress dispersion angle of Floating Top Base was $44.5^{\circ}$.

주제어

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문제 정의

본 연구의 실험대상인 부양형 팽이기초는 형상의 변화를 준 다양한 팽이기초에 대한 수치해석을 실시하여 가장 우수하게 평가된 볼록한 형태의 팽이기초를 모델로 개발되었다. 이후 수치해석 및 현장재하실험을 통해 그 거동 특성을 검토하였다(이송 등, 2008).
이에 본 연구에서는 일본에서 개발된 Top-Base Foundation과 기존 팽이기초의 응력분산효과를 증대시키고 채움쇄석의 변형을 구속하여 지반의 측방변형을 억제할 목적으로 국내에서 개발된 부양형 팽이기초의 응력전달 메커니즘을 수치해석 및 실내모형실험을 통하여 분석하고, 국내와 일본의 시공법 차이로 인한 팽이기초 내부에서의 응력분산효과 차이를 규명하였다.

가설 설정

여기서 팽이기초의 분력은 팽이기초 자체의 탄성계수, 쇄석의 탄성계수 등과 상호작용하여 상부하중에 대한 팽이기초 자체의 반력으로 작용한다는 가정 하에 연구를 진행하였기 때문에, 수치해석 및 실내실험의 경우 지반의 영향을 최소화하기 위하여 경계면을 모두 고정한 상태로 수행되었다.
팽이기초의 침하량 산정은 상재하중이 팽이기초 부설 폭으로 분산되기 때문에 상기 지지력 산정시의 하중강도 q를 적용하고 지반내의 응력분산 효과를 나타내는 응력분산각은 30°로 분포하는 것으로 가정하였다(荒井克彥 등, 1990).

제안 방법

기존 응력분산각인 30°에 내부응력분산각을 산술적으로 합산하여 구한 접지응력과 기초저면에서 측정된 접지 응력을 상재하중으로 일본에서 제시하고 있는 방법으로 응력분산각을 30°로 하여 계산된 값을 Table 4에 비교해 보았다.
따라서 Fig. 7에서와 같이 모형팽이기초를 구성하고 있는 소요강도 2.25×104kPa의 콘크리트와 축소된 쇄석과의 마찰계수를 직접전단실험으로 산출하였다.
따라서 본 연구에서는 국내에서 적용되고 있는 연약지반 점토에 적용성이 높은 Fig. 4(b) 모델에 대해서 하중 메커니즘을 분석하였다.
38kPa)의 등분포하중을 가하고, 접지면에 전달되는 응력을 측정하였다. 모형실험은 매트 기초, 원추형 팽이기초, 부양형 팽이기초에 대하여 진행되었으며, 말뚝부와 쇄석부 저면에 토압계를 설치하여 접지압을 측정하였다. Table 3은 실험대상 기초저면에서 측정된 하중과 이를 응력으로 환산하여 나타낸 것이다.
모형팽이기초의 축소비율을 15%로 하였기 때문에 최대치수 기준인 20, 25mm 대하여 축소비율을 적용한 결과 3~3.75mm가 되어 #4번체와 #10번체 사이에 남은 자갈을 사용하였으며, 콘크리트 표준시방서를 기준으로 축소된 자갈 크기의 굵은골재 양을 변화시켜서 콘크리트 배합 및 압축강도 실험결과 양생일 1일간, 평균 압축강도 2.25×104kPa을 만족시킨 배합비를 이용하여 모형팽이 기초를 제작하였다.
본 모형실험은 응력분산각에 대한 고증으로 원추형 팽이기초와 부양형 팽이기초에 대하여 진행하였다.
본 실험에서 팽이기초 자체의 자중을 배제하는 것은 상재하중 q가 기초 내부의 하중전달 메커니즘에 의해서 어느 정도 상쇄되는 지를 확인하기 위함이며, 이를 위해 접지압 측정시 토압계 위에 기초를 타설하고 토압계의 영점을 조절한 후 실험을 수행하였다.
본 연구에 사용된 콘크리트는 상기 구성요소 중 자갈을 제외한 모든 구성요소가 콘크리트 배합기준에 상응하는 재료를 사용하였으나, 자갈의 크기는 콘크리트 표준시방서에서 제시하는 보통콘크리트 굵은골재의 최대치수 기준인 20, 25, 40mm에 맞출 경우 모형팽이기초 제작이 불가능하기 때문에 모형팽이기초 크기의 축소비율만큼 자갈의 크기를 조정하였다. 기존의 연구에서는 10% 축소 모형을 많이 사용하였으나, 이 경우 굵은골재의 크기가 통일분류상의 자갈의 최대입경보다 작아지기 때문에 축소비율은 15%로 정하였다.
본 연구에서의 대상 모형팽이기초는 일본에서 개발된 Top-Base Foundation과 국내에서 개발된 부양형 팽이 기초, 팽이기초에 상응하는 부피의 매트기초가 사용되었으며, 구분의 편의상 본 논문에서 Top-Base Foundation은 원추형 팽이기초로 호칭하도록 하겠다.
실내실험과 수치해석을 병행하여 팽이기초의 하중 메커니즘을 분석해 본 결과 상재하중 459N, 상재응력 20.38 kPa에 대하여 다음과 같은 결과를 도출하였다. 상재하중 q는 팽이기초 내부의 반력으로 가정한 요소 중 주면마찰력과 쇄석의 탄성변형에 의하여 상재하중을 저감시키는 결과가 나타났다.
실험방법은 우선 2.2절에서 선정된 강도와 크기의 모형 팽이기초와 모형팽이기초 3×3배열의 부피에 상응하는 모형 매트기초를 제작하였다.
까지 채우고 그 하부에는 상기 실험과 동일하게 토압계를 설치하였다. 여기에 하중 전달 모형실험과 동일한 하중을 재하한 후 접지압을 측정 하였다.
이 중 강도를 결정하기 위해서 현재 국내에서 제작되고 있는 공장제 팽이기초의 콘크리트 강도인 2.06×104kPa을 기준으로, 일반적으로 콘크리트 시방에서 구조물의 안전을 위해서 제시하고 있는 2.06×104kPa이상의 강도를 발현하기 위하여 여러 가지 배합비에 따라 콘크리트 강도실험을 수행하여 최적 배합비와 양생일을 결정하였다.
상기에 도출된 하중 메커니즘은 저면을 고정 상태로 구현하여 이상적인 하중분산효과를 구현한 것이다. 이에 연약지반과의 상호작용에 따른 하중분산효과를 확인하기 위하여 기초저면에서 D_f까지 유사한 비배수전단강도를 갖게 배합한 실험대상 시료 CL, ML, SC에 대하여 Fig. 10과 같은 실험을 수행하였다.
일본에서 개발된 원추형 팽이기초와 국내에서 개발된 부양형 팽이기초의 모형을 제작하여 팽이기초 자체의 하중전달 메커니즘을 모형실험을 통하여 구현하고, 그 결과를 분석하였다.
직접전단실험을 통하여 모형팽이기초를 구성하는 콘크리트와 본 연구에서 사용된 축소된 쇄석사이의 마찰계수를 측정하였다.
팽이기초 내부의 하중전달 메커니즘에 관한 실험결과로 상재하중 459N(20.38kPa)의 등분포하중을 가하고, 접지면에 전달되는 응력을 측정하였다. 모형실험은 매트 기초, 원추형 팽이기초, 부양형 팽이기초에 대하여 진행되었으며, 말뚝부와 쇄석부 저면에 토압계를 설치하여 접지압을 측정하였다.
팽이기초 자체의 하중전달 메커니즘을 구현하기 위하여 팽이기초 내부에서 기초와 쇄석 사이에 발생하는 분력에 대한 분석을 통하여 기초에 작용하는 상재하중이 팽이 기초 내부에서 얼마나 상쇄되는 지를 검토하고, 두 가지 팽이기초에 작용하는 상부하중이 기초저면에 얼마나 전달되는지를 실내실험으로 산출하여 팽이기초 자체에서의 응력분산효과와 관련된 내부응력분산각인 ω′을 산정하였다.
팽이기초와 지반사이에서 측정된 접지하중의 결과를 토대로 앞에서 측정된 팽이기초 저면의 접지하중에 대하여 흙 종류에 따른 지반에서의 응력분산각인 w″을 산정해 보았다.
하중전달 메커니즘에 관한 실험으로 측방구속이 가능한 대형전단 상자에 팽이기초와 매트기초를 3×3 배열로 타설하여 상재하중을 가한 후 저면에 토압계를 설치하여 기초저면에 전달되는 접지압을 측정하였다.
하중전달 모형실험에서 측정된 접지압이 관입심도 D_f 만큼까지의 지반에서 얼마만큼 전달되는 가를 측정하기 위해서 기초저면에 실험대상 지반인 CL, ML, SC 시료를 대형전단 상자의 반쪽부분에 D_f까지 채우고 그 하부에는 상기 실험과 동일하게 토압계를 설치하였다. 여기에 하중 전달 모형실험과 동일한 하중을 재하한 후 접지압을 측정 하였다.
11은 수치해석 결과를 3차원으로 나타낸 것이다. 해석에 구현된 팽이기초의 크기는 실내실험모형 크기로 하였으며, 팽이기초의 경계면은 고정하여 절점에서의 반력분포를 확인하였다.

대상 데이터

상기 1986, 1987년 山田淸臣 등의 연구에서 침하량 저감효과와 함께 지지력증가효과에 관한 연구도 수행되었으며, N값이 0인 유기질 점성토 지반에서 매트기초, 쇄석기초, 나무말뚝기초, 팽이기초 1단, 팽이기초 2단 등 총 5가지의 기초에 대하여 현장재하실험을 수행하였다. 또한, 荒井克彥 등도 폭 20cm, 길이 1.8cm, 깊이 72cm의 대형토조에서 실내장기침하실험과 함께 재하실험을 수행하였다.

데이터처리

상기 측정된 마찰계수를 통해 쇄석과 팽이기초 사이의 주면마찰력을 계산하기 위해서는 상부하중에 대한 원추부의 경사면과 말뚝끝단 경사면에 작용하는 연직분력을 산정해야한다. 이에 구조해석 범용 program인 MIDAS/CIVIL 2006을 사용하여 3차원해석을 수행하였다. Fig.

성능/효과

1. 부양형 팽이기초는 말뚝부의 길이 확장을 통한 주면 마찰력의 증진과 원추부 경사각의 완화로 인한 채움쇄석과의 하중분담을 동시에 얻을 수 있는 팽이기초라고 판단된다.
2. 내부분산효과를 포함한 원추형팽이기초의 총 응력분산각 ωt 는 41.8°이며, 부양형 팽이기초의 총 응력분산각 ωt 는 44.5°로 산정되었다.
3. 실험에 적용된 연약지반에서는 팽이기초 저면에 전달된 응력을 기준으로 기초저면의 응력은 지반의 종류에 따라 약간의 차이는 있으나 기초내부의 응력분산효과와 유사하게 응력이 분산되는 것으로 나타났다.
Table 2의 결과에서 보면 팽이기초에 적용된 위치철근은 하중을 분담하는 역할은 없으며, 대부분 팽이기초와 쇄석과의 마찰력이 상재하중에 대한 반력으로 작용하며 쇄석의 탄성변형에 의해 약간부분 저감된다는 결과가 나타났다.
Table 3을 통해 알 수 있는 사실은 매트기초의 경우 상재하중이 98% 기초저면에 전달되었으며, 원추형 팽이기초와 부양팽이기초는 각각 75, 70% 기초저면에 전달되었다는 것이다. 이는 팽이기초가 내부의 하중 메커니즘을 통해 상재하중을 저감시키는 결과라고 판단되며, 본 결과에서도 알 수 있듯이 부양형 팽이기초가 원추형 팽이기초에 비해 하중을 저감시키는 효과가 더 좋은 것으로 나타났다.
상기 결과를 토대로 국내에서 시공방법의 차이에 의해 일본에서는 고려되지 않았던 팽이기초 내부의 하중저감 효과에 의한 정방형 팽이기초의 내부응력분산각을 식 (2)를 이용하여 산정하면 원추형 팽이기초가 w′ =12.8°, 부양형 팽이기초는 w′ =16.0°로 나타났다.
상기 결과에서 알 수 있듯이 흙 종류에 따른 접지하중 분포는 SC 〉ML 〉CL 순으로 나타났으며, 지반과의 상호작용에서도 원추형팽이기초에 비해 부양형 팽이기초가 지반에 전달되는 하중이 평균적으로 8.76% 저감되는 것으로 나타났다. 팽이기초와 지반사이에서 측정된 접지하중의 결과를 토대로 앞에서 측정된 팽이기초 저면의 접지하중에 대하여 흙 종류에 따른 지반에서의 응력분산각인 w″을 산정해 보았다.
3에서 알 수 있듯이 원추부가 44°로 일정한 단면을 갖는 원추형 팽이기초에 비해 원추부 경사각을 52°로 눕혀서 쇄석과의 접지면적을 넓혀 응력분산효과를 높였으며, 62°의 턱을 만들어 쇄석의 측방유동을 억제하며, 늘어난 원추부의 경사각으로 인해 길어진 말뚝의 길이가 기존 25cm에서 30cm로 되어 주면마찰력을 향상시킨 형태이다. 원추형팽이기초의 무게 60kg보다 그 무게가 약 17% 가벼운 50kg이 되도록 제작되어 팽이기초의 자중에 의한 영향을 최소화하였다.
Table 3을 통해 알 수 있는 사실은 매트기초의 경우 상재하중이 98% 기초저면에 전달되었으며, 원추형 팽이기초와 부양팽이기초는 각각 75, 70% 기초저면에 전달되었다는 것이다. 이는 팽이기초가 내부의 하중 메커니즘을 통해 상재하중을 저감시키는 결과라고 판단되며, 본 결과에서도 알 수 있듯이 부양형 팽이기초가 원추형 팽이기초에 비해 하중을 저감시키는 효과가 더 좋은 것으로 나타났다.
이에 tan값에 대한 보정을 수행한 결과 원추형팽이기초의 총 응력분산각 ωt =41.8°이며, 부양형 팽이기초의 총 응력분산각 ωt =44.5°로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	팽이기초 공법은 일본에서 언제 특허 출원한 발매품인가?	팽이기초 공법은 일본에서 개발될 당시 공장제작 콘크리트 팽이기초로 제작되어 1985년 일본에서 특허 출원한 발매품으로서, 1980년대 말까지 6천여개소의 현장에 시공되었으며, 이와 관련하여 일본에서는 많은 연구가 진행되어 그 효과가 입증되었다.
	팽이기초 공법은 언제 국내에 도입되었는가?	국내에는 1991년 도입되어 최근까지 다양한 현장에서 적용되고 있으나 현재까지 국내 지반특성에 따른 팽이기초의 공학적 원리에 관한 연구가 부족한 상태로 시공되어, 향후 팽이기초가 적용된 구조물의 진단 및 유지관리에서 발생될 문제의 기초지지력에 관련된 원인을 분석하는 지표연구가 필요한 실정이다.
	말뚝부의 주면마찰력을 산정하기 위해서는 어떠한 하중을 측정해야 하는가?	또한, 말뚝부의 주면마찰력을 산정하기 위해서는 말뚝부에 작용하는 수평방향 하중을 측정해야 한다. Fig.

참고문헌 (12)

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서울대학교, 팽이형 파일 공법, 연구보고서, 1995.
이강일, 이정영, 홍기채, 황순종, "지내력 보강 기초인 현장타설형 팽이말뚝 기초공법", 대한토목학회 2006년도 정기학술 대회 논문집, 2006, pp.1685-1688.
이종규, 김대훈 "톱-베이스(TOP-BASE) 공법: 연약지반과 호안방파블럭의 안정화를 위한 콘크리트 팽이형 파일공법", 한국지반공학회, Vol. 6, No. 4, 1990, pp.75-77.
이송, 정대열, 정효권, 이무철, "팽이기초의 형상에 따른 특성 분석", 한국지반공학회논문집, 제24권, 2호, 2008, pp.15-25.

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山田淸臣, 安川郁夫, 齊藤實, "軟弱地盤에 있어서 콘크리트팽이型블럭基礎의 現場？荷試驗", 第21回, 土質工學？安發表會講演嶪, 1986, pp.1281-1284.
山田淸臣, 齊藤實, 安川郁夫, "팽이型基礎의 沈下？制效果에 對한 考蔡", 第22回, 土質工學？安發表會講演嶪, 1987, pp. 1833-1836.
荒井克？, 町原秀夫, 大西有三, 小久保晴康, "軟弱地盤에 있어서 콘크리트팽이型블럭基礎의 室內模型實驗", 제21回, 土質工學？安發表會講演嶪, 1986, pp.1285-1286.
荒井克？, 町原水夫, 淸水活美, 大西有三, "軟弱地盤에 있어서 콘크리트팽이型 블럭基礎의 支持力向上效果", 第22回, 土質工學？安發表會講演嶪, 1987, pp.1131-1132.
荒井克？, 大西有三, 安川郁夫, "軟弱地盤에 있어서 팽이型基礎의 ？形과 支持特性 및 地盤災？防上에 있어서 新材料.新工法의 適用"에 關한 심포지움 論文集, 西日本工業大學地盤工學？究所, 1990, pp.95-104.
Nichols, John R., "Two-way Slabs in the Proposed Building Code for BOSTON AND NEW ENGLAND", ACI, Journal Proceedings, Vol. 30, 1934.
Arai, K., Ohnishi, Y., Horita, M., Yasukawa, I., and Nakaya, S., "Interpretation of Concrete Top Base Foundation Behaviour on Soft Ground by Coupled Stress Flow Finite Element Analysis", 6th International Conference on Numerical Method in Geomechanics. Vol. 1, 1988, pp. 625-630.

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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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