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문제 정의
- 이런 경우가 생긴다면 제방하중을 piled raft로 지지한다고 하기보다 무리말뚝으로 지지하는 결과가 된다. 이에 대한 검토는 말뚝 하중 전이에 대한 자료를 가지고 지반에 부마찰력이 작용하는지 검토해보면 될 것이다.
제안 방법
- Piled raft 전체 시공구간을 통해서 ‘A’, ‘B’, ‘C’의 세 곳을 대표 계측위치로 정하고 다양한 계측기를 매설하였다.
- 계측기 매설의 문제로 판명되었다. 그 대신 앞서 설명한 바와 같이 말뚝 머리에 설치된 변형률계의 측정치로부터 말뚝 하중을 추정하였다.
- 래프트의 침하량은 그 표면을 따라 중앙과 양쪽에 침하판(settlement gauge)을 묻어 측정하였다. 지반의 침하량은 piled raft 시공에 앞서 제방 중앙 지표면에 침하판을 심어 측정하였다.
- 재하시험은 각 구간에서 대표적인 지층을 선정하여 수행되었다. 마찰력 만에 의해 하중을 지지할 수 있는 능력을 알기 위해 각 구간마다 말뚝 선단을 점토층의 중간, 중간 2/3, 점토층 하단(사질토층 상면)까지 각각 타입하고(그림 3 참조) 지지능력을 비교하였다.
- 말뚝 재하시험은 1단계의 제방이 시공된 지표면에서 수행되었다. 다짐을 한 제방의 두께는 침하된 두께까지 포함하여 약 6.
- 즉, 두 구간 말뚝의 직경은 450mm, 간격은 3m x 3m, 래프트 두께는 400mm로 설계되었다. 말뚝의 침하를 유도하기 위해 말뚝 선단은 느슨한 실트질 모래층 상단 또는 풍화토층 상단 50cm이내에서 정지하도록 하였다.
- 본 프로젝트에서는 앞서 언급한 1차 성토를 가하여 8개월 정도 방치한 후 2m를 더 성토하고 4개월 후에 piled raft 를 시공하기 시작하였다. 따라서 먼저 가해진 하중으로 인해 압밀이 진행 중인 상태에서 piled raft를 시공한 셈이다.
- 따라서 이것은 단지지말뚝에서 나타나는 응력전이 양상이라는 것을 알 수 있다. 시공 시에는 시실 상 모든 말뚝이 마찰말뚝으로 작용하도록 최종타격회수를 정하여 통제하였다. 그러나 계측위치 ‘C’에서는 말뚝 선단이 훨씬 견고한 지층을 만났거나 더 깊이 타격되었던 것으로 추정된다.
- 그럼에도 불구하고 연약한 점토지반에서도 piled raft기초의 적용이 끊임없이 요구되고 있어서 Poulos(2004)는 연약지반에 놓인 piled raft 모델에 대해 수치해석을 수행한바 있다. 이 논문에서는 특히 지반침하가 있는 경우에 대해 래프트와 지반의 부등침하, 하중의 분담 등을 집중 적으로 분석하였다. 말레이시아에서는 Klang clay 정규압밀점토 지반에 piled raft기초로 지지된 각각 2층 및 5층의 아파트 건물을 실제로 건설하였다(Tan 등, 2004; Tan 등, 2005).
- 더욱이이 프로젝트에서는 먼저 가해진 1단계 제방하중으로 인해 압밀침하가 진행되고 있었다. 이러한 특이한 현장조건 때문에 제방 노선을 따라 3개소에 계측기를 중점적으로 설치하여 piled raft의 거동을 관찰하였다. 그 결과를 종합하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 따라서 먼저 가해진 하중으로 인해 압밀이 진행 중인 상태에서 piled raft를 시공한 셈이다. 이와 같은 현장의 지반조건에서 piled raft를 설치하고 그 위에 놓인 제방하중의 증가에 따른 piled raft와 지반의 거동을 계측을 통해 추적하였다. 계측기기의 정확성이나 신뢰성에 있어서 다소 문제는 있었지만 계측 결과는 전반 적으로 대단히 흥미로운 사실을 보여주고 있다.
- 제방 중앙에 위치한 말뚝에 대해 말뚝하중의 전이를 측정할 수 있도록 PHC말뚝을 특별히 제작하였다. 25mm 철근에 적절한 간격으로 변형률계(strain gauge)를 붙이고 PHC말뚝의 중심을 따라 이것을 안으로 삽입하였다.
- 바깥쪽 공간은 몰탈로 채워 말뚝 한 가운데 고정시켰다. 제방하중의 증가에 따라 말뚝의 머리와 끝은 물론 중간 에서 발생한 변형률을 측정하였다. 측정된 변형률은 말뚝의 탄성계수를 사용하여 응력으로 변환시켰다.
- 래프트의 침하량은 그 표면을 따라 중앙과 양쪽에 침하판(settlement gauge)을 묻어 측정하였다. 지반의 침하량은 piled raft 시공에 앞서 제방 중앙 지표면에 침하판을 심어 측정하였다. 그림 5는 계측위치 ‘B’에 대해 제방고 증가와 경과시간에 따른 침하량의 변화를 보여준다.
- 지반정보와 말뚝 재하시험 결과를 가지고 설계를 위한 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 호주의 Poulos 교수와 Coffey Geotechnics사 팀에 의해 수행되었는데, 그 결과는 설계 보고서(한국철도시설공단, 2008)에 수록되어 있다.
- 제방하중의 증가에 따라 말뚝의 머리와 끝은 물론 중간 에서 발생한 변형률을 측정하였다. 측정된 변형률은 말뚝의 탄성계수를 사용하여 응력으로 변환시켰다. 그림 7은 측정위치 ‘B’와 ‘C’의 제방 중앙에 있는 말뚝에 대해 제방하중의 증가에 따른 경시별 응력의 변화(축 하중 전이)를 보인 것이다.
대상 데이터
- 1m)을 중심으로 1구간과 2구간으로 나누인다. 1구간에서 약 170m(점토층 평균 두께 14m)와 2구간에서 819m(점토층 두께 28m)가 piled raft 시공대상으로 선정되었다. 점토지반은 비교적 균질한 정규압밀점토이고, 2구간의 상층부에는 얇은 두께의 샌드 심(sand seam)을 협재하고 있다.
- 5m가 된다. 시험말뚝으로 1구간에서는 400mm, 2구간에서는 450mm의 PHC말뚝을 사용하였다. 말뚝재하시험 결과는 표 1에 요약되어 있다.
- 설계단면은 그림 4에 보인 바와 같이 단순 하다. 즉, 두 구간 말뚝의 직경은 450mm, 간격은 3m x 3m, 래프트 두께는 400mm로 설계되었다. 말뚝의 침하를 유도하기 위해 말뚝 선단은 느슨한 실트질 모래층 상단 또는 풍화토층 상단 50cm이내에서 정지하도록 하였다.
성능/효과
- (1) 말뚝선단이 점토층 중간 또는 연약층 중간 2/3 깊이에 놓인 경우, 1, 2구간 모두 극한지지력이 너무 낮다. 말뚝의 하중-변위 관계는 탄성적이며, 하중이 극한치에 도달한 후에는 침하량 10mm이내에서 미끄러짐(slippage)이 발생하고 더 이상 지지력은 증가하지 않았다.
- (1) 제방을 지지하는 말뚝 무리가 본질적으로 마찰말뚝의 거동을 보일 때에는 정규압밀점토에서도 piled raft 의 모든 요소가 효과적으로 제방하중을 지지할 수 있다. 이 경우의 계측결과는 먼저 가해진 하중으로 인해 압밀침하가 발생하고 있는데도 불구하고 제방 완공 후에는 부마찰력은 상쇄되었고, 래프트의 접촉압력은 양의 값을 보인 것으로 판단된다.
- (2) 만일 제방을 지지하는 무리말뚝이 단지지말뚝으로 거동한다면 부마찰력이 발생하기 때문에 래프트의 접촉압력은 0이다. 이것은 제방하중이 말뚝 선단으로 많이 전이되기 때문이다.
- (2) 말뚝 선단이 점토층을 통해 사질토층 상단에 놓인 경우, 극한 지지력은 1,620kN이상 얻어졌고, 1구간의 400mm말뚝은 20mm, 2구간의 450mm말뚝은 30mm 이상 침하한 후부터 하중은 더 증가하지 않았다.
- (4) 말뚝과 지반의 침하량의 대부분은 piled raft 시공 시에 발생하였다. 제방완공 후 4-7개월간 계측된 압밀 침하량은 6mm이하로 계측되었는데, 이로 미루어보면 철도 개통 후 발생하는 침하량은 거의 무시해도 좋을 것 같다.
- 결론적으로 말하면 기초지반 상층에서는 제외측으로 횡력이 작용하여 변위를 일으켰고 그 아래 점토지반 내에서는 이 횡력이 작용함으로써 점토지반에서는 제체 중심을 향하여 변위를 일으킨 것으로 보인다.
- 이와 같은 현장의 지반조건에서 piled raft를 설치하고 그 위에 놓인 제방하중의 증가에 따른 piled raft와 지반의 거동을 계측을 통해 추적하였다. 계측기기의 정확성이나 신뢰성에 있어서 다소 문제는 있었지만 계측 결과는 전반 적으로 대단히 흥미로운 사실을 보여주고 있다.
- 이 표에 보인 바와 같이 래프트의 추가침하량은 1-6mm, 지반은 2-6mm로 계측되었다. 이 값은 완공된 전체 제방 하중으로 발생한 압밀침하량이며, 래프트와 지반은 거의 동일하게 침하하고 있다는 것을 보여주고 있다. 한 가지 특이한 사실은 제방완공 이후 발생한 압밀침하량은 piled raft의 시공 이전에 비해 현저히 감소되었다는 것이다.
- 2m에 이르기 전에 그 차이가 감소하기 시작한다는 것이다. 이 자료는 제방완공 후 4개월 까지 측정한 값인데 초기치와 비교해보면 최대 42mm만큼 지반분리가 생겼으나 이 차이가 38mm로 수렴하고 있다. 이와 같은 거동은 앞서 보인 부마찰력의 측정결과와 잘 일치한다.
- 이때부터 탄성변형은 발생하지 않는다. 이러한 분석으로부터 제방높이가 2.4m에 도달할 때까지는 지반의 침하는 탄성침하가 지배적이었고 그 이후에는 제방고의 증가에도 불구하고 이 영향은 현저히 감소하였다는 것을 알 수 있다. 제방완공 후에는 압밀침하량의 발생도 미미하다.
- (4) 말뚝과 지반의 침하량의 대부분은 piled raft 시공 시에 발생하였다. 제방완공 후 4-7개월간 계측된 압밀 침하량은 6mm이하로 계측되었는데, 이로 미루어보면 철도 개통 후 발생하는 침하량은 거의 무시해도 좋을 것 같다.
- (3) 래프트 연단 아래에 있는 말뚝과 지반은 특이한 횡방향 변형을 나타낸다. 즉, 연약지반 에서는 제방중심을 향하여 변위가 발생하였고 그 크기는 점토층 중앙부근에서 가장 크게 나타났다. 이러한 변형이 발생하게 된 것은 말뚝 머리 부근에서는 제방외측을 향하여 편심의 응력이 작용하였고, 이에 반해 piled raft 아래 연약지반은 말뚝 타입 시 교란되어 바깥쪽의 원 지반에 비해 강성이 많이 저하되었기 때문으로 보인다.
- 이 값은 완공된 전체 제방 하중으로 발생한 압밀침하량이며, 래프트와 지반은 거의 동일하게 침하하고 있다는 것을 보여주고 있다. 한 가지 특이한 사실은 제방완공 이후 발생한 압밀침하량은 piled raft의 시공 이전에 비해 현저히 감소되었다는 것이다. 측정위치 'B'의 예를 들면, 제방하중이 가해지기 전 86일 동안 발생한 지반의 압밀침하량은 71mm인데 비해 제방완공 후 7개월간에 발생한 침하량은 4mm에지나지 않았다.
후속연구
- 또한 래프트의 침하는 제방의 최종 제방고 도달이 전에 거의 일정해졌고, 지반의 침하곡선은 래프트의 침하곡선과 거의 평행하다. 더 자세한 분석은 후술하기로 한다.
- 이러한 시험결과로부터 piled raft용 말뚝은 1, 2구간 공통으로 450mm를 사용하고 말뚝 선단은 사질토층 또는 풍화토층 상면에 놓이게 하면 최적설계가 될 수 있을 것이라고 판단하였다.
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