풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 지지력 예측에는 최근 미국 FHWA에서 제안된 IGM 설계법이 가장 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 IGM 이론을 적용하기 위하여 시험시공 현장에서 지반조사를 실시하고, 교란여부, 거칠기 상태를 측정한 결과, 점성, 비교란, 매끄러운 조건으로 지반을 분류하였으며, 일축압축강도($q_u$) 측정이 불가능한 화강풍화암 구간에서 정재하시험 및 하중전이시험과 N값을 이용하여 간편하게 $q_u$값을 예측할 수 있는 관계식을 제안하였다. 본 시험시공을 통한 연구결과 화강풍화암에서 IGM 이론을 적용하여 현장타설말뚝의 지지력 산정에 대한 설계방법을 개선할 수 있음을 확인하였다.
풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 지지력 예측에는 최근 미국 FHWA에서 제안된 IGM 설계법이 가장 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 IGM 이론을 적용하기 위하여 시험시공 현장에서 지반조사를 실시하고, 교란여부, 거칠기 상태를 측정한 결과, 점성, 비교란, 매끄러운 조건으로 지반을 분류하였으며, 일축압축강도($q_u$) 측정이 불가능한 화강풍화암 구간에서 정재하시험 및 하중전이시험과 N값을 이용하여 간편하게 $q_u$값을 예측할 수 있는 관계식을 제안하였다. 본 시험시공을 통한 연구결과 화강풍화암에서 IGM 이론을 적용하여 현장타설말뚝의 지지력 산정에 대한 설계방법을 개선할 수 있음을 확인하였다.
The design method of IGM proposed by FHWA to predict bearing capacities of drilled shaft socketed in weathered granite has been used generally. In this study, site investigations were performed in a pilot test site, and disturbance and roughness were measured. Geotechnical properties were assorted a...
The design method of IGM proposed by FHWA to predict bearing capacities of drilled shaft socketed in weathered granite has been used generally. In this study, site investigations were performed in a pilot test site, and disturbance and roughness were measured. Geotechnical properties were assorted as cohesive material and undisturbed and smooth surface. A simple relationship was proposed to predict unconfined strength ($q_u$) of weathered granite using static load test results, load transfer test results and N values. It was confirmed that the design method to estimate bearing capacities of drilled shaft could improve IGM's theory for weathered granite from this research.
The design method of IGM proposed by FHWA to predict bearing capacities of drilled shaft socketed in weathered granite has been used generally. In this study, site investigations were performed in a pilot test site, and disturbance and roughness were measured. Geotechnical properties were assorted as cohesive material and undisturbed and smooth surface. A simple relationship was proposed to predict unconfined strength ($q_u$) of weathered granite using static load test results, load transfer test results and N values. It was confirmed that the design method to estimate bearing capacities of drilled shaft could improve IGM's theory for weathered granite from this research.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 기성말뚝 하부 풍화암 구간, 즉 IGM에 부분적으로 현장타설말뚝을 적용한 공법을 이용하고, 정재하시험 및 하중전이시험을 통해 주면마찰력을 산정하여, 국내 화강풍화암 구간에서 IGM 설계법의 현장 적용성을 평가하고자 하였다.
또한, 하중전이시험을 통해 말뚝과 주면사이에 발생하는 마찰력의 응력-변위-시간의 특성과 말뚝-흙 시스템의 파괴 특성을 알아보고자 하였다. 그림 5는 정재하 시험 전경이다.
그러나 설계 및 시공시 정량화된 기준이나 자료가 부족하여 대부분 거칠기 조건을 가정하거나 기존 연구결과 등을 이용하고 있을 뿐이다. 본 연구에서는 결과 분석시 거칠기 조건에 따른 영향을 최소화하기 위해 레이저 센서를 이용하여 천공된 내부 공벽의 거칠기를 측정할 수 있는 BKS-LRPS 장치(박봉근, 2007)를 이용하여 거칠기를 직접 측정하였다. 그림 2는 BKS-LRPS 장비 및 레이져 센서 부착 전경이며, 표 8은 BKS-LRPS 레이저 센서 제원이다.
제안 방법
극한하중 및 항복하중 분석을 위해 하중-침하 곡선에 의한 분석과 침하량 기준에 의한 분석을 실시하였으며(구조물 기초 설계기준, 1997), 전체 침하량이 말뚝직경의 10%일 때 시험을 종료하였다. 시험결과를 이용한 IGM 이론과의 적용 성 검토를 위한 침하기준은 FHWA(1996, 1999)에서 제안한 IGM 소켓의 한계침하량 기준인 1inch(25.
O'Neill과 Hassan(1994)은 IGM에 설치된 현장타설말뚝의 재하시험결과(139개소) 비교연구를 통해, 암석의 일축압축강도를 이용하는 암반에서의 전통적인 지지력 산정방법들은 IGM에서의 지지력을 정확히 예측할 수 없다는 결론을 얻었다. 또한, 기존의 연약한 암반을 대상으로 한 연구성과 들을 재평가하고 현장 재하시험 분석 및 말뚝의 지지력에 영향을 미치는 다양한 요소를 반영한 유한요소해석을 통해 Cohesive IGM에서의 현장타설말뚝의 새로운 설계모델을 제시하였으며, Cohesionless IGM에 대해서는 기존의 Mayne과 Harris의 방법(1993)을 인용하여 설계모델을 제시하였다.
풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 IGM 설계이론의 적용성을 평가하기 위해 정재하 시험 및 하중전이 시험을 통해 하중지지능력 및 하중전이 특성을 측정하였다, 또한, 반력 Anchor의 인발저항력을 이용하기 위하여 말뚝 한 본당 4공의 지중 Anchor를 사용하는 재하방식으로 항복이나 극한하중 발생 시점까지를 최종 하중으로 수행하였다. 말뚝의 극한 주면마찰력 값만을 이용하기 위해 선단부는 20cm이상 이격 되도록 시공하였으며, 시험말뚝은 풍화암에 1.5m 근입된 것(L=10.5m, Case 1)과 3.0m 근입된 것(L=12.0m, Case 2)으로 구분하여 2.0m 이격되어 설치되었다.
본 시험시공 현장에서 IGM 이론을 적용하기 위하여 공내 재하시험을 실시하였으며, 시추 종료 직후와 12시간 이후 재측정을 통해 변형계수의 변화여부, 즉 천공후 풍화암 지반의 이완 특성을 확인하였다. 그 결과 시추 종료 직후와 12시간 경과후 변형계수의 변화량은 미미한 것으로 나타났으며, 이는 IGM 이론 적용시 “Non-smear”조건으로 적용할 수 있음을 보여주고 있다.
본 연구에서는 시험시공 현장의 지반특성 분석을 통해 화강풍화암에서 IGM 이론을 적용하여 현장타설말뚝의 주면마찰력 적용성을 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
정재하시험을 통해 측정된 극한 주면마찰력을 통해 IGM 설계법에서의 주면마찰력 산정기준인 fa = α·qu에서 α값을 결정하였으며, 또한 하중전이시험을 통해 측정된 단위주면마찰력을 활용하여 그림 11과 같이 심도별 일축압축강도(qu)를 추정하였으며, 최적회귀곡선과 상관계수(R2)값을 함께 나타내었다.
즉, 파쇄가 심하기는 하나 강도가 크게 나타나는 화강풍화암의 특성을 보이고 있다. 표준관입시험(SPT) 결과는 표 6과 같으며 표준관입시험시 효율측정시험을 실시하였으며, 에너지 효율 및 상재하중 등에 대해 보정을 실시하였다.
풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 IGM 설계이론의 적용성을 평가하기 위해 정재하 시험 및 하중전이 시험을 통해 하중지지능력 및 하중전이 특성을 측정하였다, 또한, 반력 Anchor의 인발저항력을 이용하기 위하여 말뚝 한 본당 4공의 지중 Anchor를 사용하는 재하방식으로 항복이나 극한하중 발생 시점까지를 최종 하중으로 수행하였다. 말뚝의 극한 주면마찰력 값만을 이용하기 위해 선단부는 20cm이상 이격 되도록 시공하였으며, 시험말뚝은 풍화암에 1.
하중전이 측정은 풍화암에 3.0m 근입된 말뚝(Case 2)에 대해서만 실시하였으며, 하중전이 센서는 말뚝부재에 발생되는 변형율을 측정하기 위해서 속채움 철근망에 진동현식 (Vibrating wire type) 변형율 센서를 5단면에 각각 2개씩 180º 방향으로 설치하여, 축방향 압축재하시험시 각 지층에서 발생되는 주면마찰력을 측정하였다.
대상 데이터
시험말뚝은 중구경(Ø 500mm) 말뚝으로서 충청북도 오창읍 00현장에서 2011년 2월에 시공되었으며((주)하경엔지니어링, 2011), 기성말뚝 하부에 일부 풍화암 구간만 현장타설말뚝으로 지지되도록 한 새로운 형태의 복합말뚝(Bottom Cast-in-place Concrete Pile(이하 BCC로 칭함))으로 시공되었다.
데이터처리
극한하중 및 항복하중 분석을 위해 하중-침하 곡선에 의한 분석과 침하량 기준에 의한 분석을 실시하였으며(구조물 기초 설계기준, 1997), 전체 침하량이 말뚝직경의 10%일 때 시험을 종료하였다. 시험결과를 이용한 IGM 이론과의 적용 성 검토를 위한 침하기준은 FHWA(1996, 1999)에서 제안한 IGM 소켓의 한계침하량 기준인 1inch(25.4mm), 즉, 말뚝 두부 전체침하량이 1inch와 근사한 값인 25mm에 대해서만 결과를 분석하였다.
이론/모형
그림 4는 BKS-LRPS 장비를 사용하여 거칠기를 측정한 결과이며, Horvath 등(1983)이 제안한 암석의 일축압축강도 만을 고려한 식 (1)를 통해 거칠기 계수(RF, Roughness Factor)를 산정하였다.
성능/효과
1. IGM 이론의 지지력을 판단하고자 공내재하시험을 통해 변형계수를 측정함으로써 시험시공 현장의 상태가 Nonsmear 상태임을 추정할 수 있었으며, 거칠기 측정결과 RF값이 약 0.014~0.022 범위로 나타나 “smooth” 조건으로 IGM 이론을 적용해야 하는 것으로 나타났다.
2. 표준관입시험을 통해 구한 N값을 가지고 Cohesionless 조건에서 주면마찰력을 분석한 결과, 정재하시험을 통해 얻은 극한 주면마찰력보다 상대적으로 매우 작은 값을 나타냈으며, 이는 시험시공 현장의 풍화암에서 IGM 이론 적용시 Cohesionless 조건보다는 Cohesive 조건이 타당할 것으로 판단된다.
3. 풍화암의 근입 깊이가 깊어질수록 일축압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 이러한 특성은 하중재하 방식과 지지력 발휘 특성에 따라서 다른 경향을 보일 수 있을 것으로 판단된다.
그 결과 시추 종료 직후와 12시간 경과후 변형계수의 변화량은 미미한 것으로 나타났으며, 이는 IGM 이론 적용시 “Non-smear”조건으로 적용할 수 있음을 보여주고 있다.
(천병식 등, 2003). 또한, IGM의 높은 저항특성을 고려하지 못한 이유로 인해 실측치에 비해 지지력을 과소하게 평가한 사례도 발생하였으며, IGM을 암반으로 보고 계산하여 실측치보다 오히려 과다하게 산정한 경우도 있었다. (FHWA, 1996).
0tonf 하중단계에서 급속하게 증가하여 지반의 극한 상태에 도달하였음을 알 수 있었다. 또한, 시험 말뚝의 시험 결과를 외국의 전침하량, 순침하량 설계기준(독일 DIN)에 적 용해 본 결과, Case 1(IGM 1.5m) 경우 176.5tonf에서 극한침하량 기준값(천공경 0.1D=55mm)을 초과하였으며, 안전율(F.S=3.0)을 고려한 말뚝의 허용지지력은 58.8tonf으로 나타났다. Case 2(IGM 3m)의 경우 385.
시험지반 풍화암의 경우 공내재하시험 결과 Em1(시추직 후의 변형계수)과 Em2(시추 12시간 경과 후 변형계수)의 값의 차이가 거의 변화가 없어 천공후 시간 경과에 따라 교란이 쉽게 일어나지 않는 지반(Non-smear) 특성을 보이고 있다. 또한, 표준관입시험에 의한 N값을 이용하여 Cohesionless IGM 조건으로 해석한 결과 Case 1, 2의 경우 극한하중이 각각 129.5, 207.8 tonf으로 정재하시험을 통해 얻은 극한하중 값인 140.1, 315.1 tonf에 비해 작은 값을 갖는 것으로 보아 IGM 이론 적용시 Cohesionless보다는 Cohesive 조건으로 해석하는 것이 타당하다고 판단된다.
상기에서 검토한 바와 같이 본 시험시공 지반의 경우 IGM 이론 적용을 통한 지지력 예측시 Cohesive - smooth 조건으로 해석하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 그러나, Cohesive - smooth 조건에서 IGM 이론을 적용시 가장 중요한 factor인 qu(일축압축강도)값과 α값은 국내 풍화암의 경우 본 시험시공 지반과 마찬가지로 지반조사시 시료채취가 불가능하여 직접 측정으로 구할 수 없어, 그림 10과 같은 과정을 통해 α값을 결정하고 일축압축강도(qu)를 추정하였다 (서덕동, 2004).
BCC 말뚝 공법은 일반 소~중구경 천공장비를 이용하여 기성말뚝에 비해 큰 지지력 확보가 가능하도록 개발된 PHC와 현장타설말뚝의 혼합말뚝 공법으로서 지반조건에 따라 말뚝 시공 본수를 줄일 수 있어 경제성이 개선된 공법이다. 특히, 주면마찰력 측면에서 풍화암 구간의 현장타설말뚝이 매입말뚝에 비해 크게 발휘된다는 점을 이용한 공법으로 기존 콘크리트 말뚝과 현장타설말뚝의 장점만을 최대한 발휘하게 하므로 지지력을 확보함과 동시에 경제성을 개선하였으며, 일반적인 매입말뚝 시공시 말뚝 최종 항타로 인한 소음, 진동 문제를 동시에 해결하였다.
후속연구
4. 본 연구에서는 N값의 상한을 500으로 확대 적용할 것을 제안하여, 이를 토대로 분석한 일축압축강도 예측식을 제안하였으나, N값의 상한 값에 대한 결정은 추가 Data 확보 및 다양한 연구결과를 토대로 재평가되어야 할 것으로 판단된다.
5. 본 시험 시공을 통한 연구는 국내 현장타설말뚝의 설계방법을 개선하기 위한 방안으로 풍화암에서의 주면마찰력에 대한 기초자료를 제공하기 위해 이루어졌으며, 국내 풍화암에서 IGM 이론은 적용 가능한 것으로 판단되나, 최종적인 판단은 본 연구에서 측정한 데이터 수의 한계 및 강도치의 신뢰도를 감안하여 향후 보다 많은 계측과 연구가 이루어져야 한다고 판단된다.
그림 12에서 보는 바와 같이 본 연구에서는 N값의 상한을 500으로 할 것을 제안하여 이를 토대로 분석한 결과를 이용하여 일축압축강도 예측식을 제안하였으나, N값의 상한 값에 대한 결정은 다양한 연구결과를 토대로 재평가되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풍화토나 풍화암에 근입된 현장타설 말뚝의 지지력 예측에는 어떠한 설계법이 이용되고 있는가?
풍화토나 풍화암에 근입된 현장타설 말뚝의 지지력 예측에는 최근 IGM 설계법이 가장 많이 이용되고 있으며, 비교적 합리적인 방법으로 평가받고 있다(서덕동, 2004). IGM 설계 법은 토사와 암반의 중간 특성을 갖는 지반에 대해 Intermediate Geomaterials(이하 IGM으로 칭함)로 분류하여 미국 FHWA(1996, 1999)에서 최초로 제안되었으며, 국내의 경우 도로설계편람(국토해양부, 2008) 등에도 제시되어 있다.
IGM 설계 법의 특징은 무엇인가?
풍화토나 풍화암에 근입된 현장타설 말뚝의 지지력 예측에는 최근 IGM 설계법이 가장 많이 이용되고 있으며, 비교적 합리적인 방법으로 평가받고 있다(서덕동, 2004). IGM 설계 법은 토사와 암반의 중간 특성을 갖는 지반에 대해 Intermediate Geomaterials(이하 IGM으로 칭함)로 분류하여 미국 FHWA(1996, 1999)에서 최초로 제안되었으며, 국내의 경우 도로설계편람(국토해양부, 2008) 등에도 제시되어 있다. 그러나, 국내의 경우 토사와 암반의 중간 특성을 갖는 지반조건으로 가장 많이 분포되어 있는 풍화토나 풍화암, 모래자갈층 등에 대한 체계적인 지반특성 평가 및 시험, 말뚝 의 지지거동 특성 분석 등이 미흡한 실정이다.
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