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문제 정의
- 본 연구는 현장타설형 팽이말뚝기초(Top-Base)공법 적용 시 현장타설형 팽이말뚝을 이용한 기초 시스템 적용을 검토하였다. 팽이말뚝의 시공방법과 지지력 시험방법에 대하여 기술하였으며 현장평판재하시험을 통하여 이론식과 팽이기초 제안식을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 또한, 팽이말뚝기초 공법의 기능과 개별요소가 일체화된 자재의 특성상 내진과 방진에도 우수한 효과가 나타나는 것이 이 공법의 특징이다. 이에 본 연구에서는 현장타설형 팽이말뚝 기초공법 적용하여 현장 재하시험에 따른 기초의 지지력을 비교･분석함으로써 팽이기초공법의 기초자료로 활용하는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- 재하시험결과는 재하판(지름 30cm, 1m×1m)에 대한 시험 값을 단위면적(m2)에 대하여 환산한 값으로 실제기초에 적용 시는 기초의 크기(scale effect)를 고려하여야 한다. PBT-3은 재하판 지름 300mm에 대한 재하판 환산에 따른 결과이며 재하시험 시 항복하중이나 극한하중이 발견되지 않아 재하 최대하중에 안전율 3.0을 적용하여 허용지지력을 산정하였다. PBT-4는 재하판 1m×1m에 대한 재하판 환산에 따른 결과로서 구조물 기초 허용침하량을 기준으로 산정하였다.
- 재하시험은 지정한 부지에 원지반 2개소, 팽이말뚝기초상부 2개소로 총 4개 지점을 선정하여 현장답사 후 실시하였다. 굴삭기를 사용하여 기초저면을 굴착한 후 굴착저면에서 원지반 재하시험을 하고 팽이말뚝을 시공한 다음, 팽이말뚝 상부에 재하판을 놓고 단계별 하중을 가하여 침하량을 측정함으로써 허용지내력을 계산하였다.
- 본 연구에서는 지름 30cm재하판과 1m×1m 재하판을 이용하여 시험을 수행하였으며 4가지 방법을 조합하여 극한지지력을 결정하였다.
- 재하하중은 설계하중의 3배 이상을 6∼9단계로 나누어 단계적으로 하중을 가하였다.
- 재하하중은 설계하중의 3배 이상을 6∼9단계로 나누어 단계적으로 하중을 가하였다. 침하량 측정은 하중을 가한 후 0.1, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 분의 간격으로 측정하였다. 침하량은 좌우 2개의 다이얼 게이지로 측정하여 평균치를 적용하였다.
- 1, 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15 분의 간격으로 측정하였다. 침하량은 좌우 2개의 다이얼 게이지로 측정하여 평균치를 적용하였다. 평판재하시험은 하중-침하곡선 위 항복점이 나타날 때까지 시험을 계속하였다.
- 본 연구는 현장타설형 팽이말뚝기초(Top-Base)공법 적용 시 현장타설형 팽이말뚝을 이용한 기초 시스템 적용을 검토하였다. 팽이말뚝의 시공방법과 지지력 시험방법에 대하여 기술하였으며 현장평판재하시험을 통하여 이론식과 팽이기초 제안식을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 팽이사이의 공극에 쇄석채움 시 원추부하부와 쇄석의 접점부에 다짐불량이 발생하지 않도록 현장여건에 따라 19mm∼40mm 골재로 포설 후 다짐봉을 이용하여 선단부 및 원추부 주변을 견실하게 다진 다음 허용지내력 이상을 확보하는지 재하시험을 통해 확인한다.
- 침하량은 좌우 2개의 다이얼 게이지로 측정하여 평균치를 적용하였다. 평판재하시험은 하중-침하곡선 위 항복점이 나타날 때까지 시험을 계속하였다. 그림 5는 팽이말뚝기초에 대한 평판재하시험의 모식도(이정영 등, 2009)이다.
- 현장시험은 팽이말뚝기초로 시공된 “00센터 조성사업” 부지에서 2개소를 선정하여 원지반 지지력을 확인하고 시공에 따른 기초지지력 향상 및 설계적합여부를 판단하였다.
대상 데이터
- 재하시험은 지정한 부지에 원지반 2개소, 팽이말뚝기초상부 2개소로 총 4개 지점을 선정하여 현장답사 후 실시하였다. 굴삭기를 사용하여 기초저면을 굴착한 후 굴착저면에서 원지반 재하시험을 하고 팽이말뚝을 시공한 다음, 팽이말뚝 상부에 재하판을 놓고 단계별 하중을 가하여 침하량을 측정함으로써 허용지내력을 계산하였다.
이론/모형
- 건물기초에 대하여 팽이기초의 제안식과 평판재하 값을 비교한 결과 유사한 값을 보이나 이론식에 의한 값이 재하시험에 의한 결과 값보다 보수적으로 나타나는 경향을 보이는 것으로 확인되었다. 지하수영향이 없는 지반으로 N값에 따른 내부마찰각은 Dunham(1954) 공식을 이용하였으며 결과 값은 표 5에 정리하였다.
- 침하량 예측방법은 Davis and Poulos(1963)에 의해 제안된 방법을 활용하였다. 팽이말뚝 기초는 비균질하고 층상인 지반에 적합한 연직변형의 합을 이용하는 방법을 적용하며, 층별침하량은 각 층의 연직변형도에 층의 두께를 곱함으로써 구할 수 있다.
- 평판재하시험 방법은 KS F 2444규정에 의하여 실시하였으며, 재하판의 크기는 1m×1m, 300mm 원형재하판을 사용하고 하중에 의해 변형하지 않도록 두께 25mm 철판을 사용하였다. 침하량의 측정은 다이얼게이지 4개를 대각선으로 설치하여 측정하였으며, 응력제어방법(stress control method)에 따라 실시하였다. 재하하중은 설계하중의 3배 이상을 6∼9단계로 나누어 단계적으로 하중을 가하였다.
- 팽이말뚝기초공법의 허용지지력 계산식은 소성이론에 근거한 Terzaghi(1943) 및 Meyerhof(1953)의 지지력 공식을 기본으로 하며, 지지력공식에 응력분산효과 K1과 점성토지반 강성기초의 응력분포를 등분포로 개선한 지지력 향상계수 K2가 추가되었다. 식 (1)과 식 (2)는 일본 도로교시방서에 제안된 연속기초 및 직사각형 기초에 대한 수정식이다.
- 평판재하시험 방법은 KS F 2444규정에 의하여 실시하였으며, 재하판의 크기는 1m×1m, 300mm 원형재하판을 사용하고 하중에 의해 변형하지 않도록 두께 25mm 철판을 사용하였다.
- 본 연구에서는 지름 30cm재하판과 1m×1m 재하판을 이용하여 시험을 수행하였으며 4가지 방법을 조합하여 극한지지력을 결정하였다. 평판재하시험은 원지반에서 시험한 PBT-1, PBT-2와 팽이기초지반에서 시험한 PBT-3, PBT-4로 구분하여 측정하였으며 재하시험 결과를 S-logT법에 따라 그림 7에 나타내었다. PBT-1과 PBT-2는 각각 1단계, 4단계에서 극한하중이 발생하였으며 PBT-3과 PBT-4는 재하하중에 따른 극한하중이 발생하지 않았다.
성능/효과
- (1) 현장타설형 팽이말뚝 기초공법은 기존 공장제작형 팽이말뚝 기초공법과 비교하여 경량화된 재활용 팽이용기를 사용하므로 자재의 현장반입과 시공성이 우수하고 공사비와 공사기간을 단축함으로써 시공의 편의성을 확보할 수 있는 방법으로 판단된다.
- (2) 평판재하시험 결과 원지반은 초기단계하중에서 극한지지력이 발생하였으나 팽이말뚝기초시공 이후에는 뚜렷한 절곡점이 나타나지 않았다. 평판재하시험 PBT-4지역의 경우 구조물 기초 허용침하량 기준에 따라 지지력을 결정하였으며 원지반 보강 후 허용지지력은 설계기준 값의 1.
- (3) 팽이말뚝기초는 원추부의 응력분산과 말뚝에 의한 지반 구속을 통해 측방변형을 억제하여 침하를 방지함으로써 지지력이 향상되는 것으로 나타났다. 따라서, 지반 내 공극에 의한 구속압의 변형을 최소화하기 위해 원추부 사이의 쇄석다짐이 중요하며 시공 후 가시설 제거 등에 따른 공극이 생기지 않도록 주의해야 할 것으로 판단된다.
- (4) 본 연구에서는 평판재하시험을 통해 팽이말뚝기초의 지지력향상 효과를 분석하였으며 그 결과 팽이말뚝 기초는 설계하중보다 다소 부족한 기초의 지지력을 증가시키는데 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 제안식과 평판재하시험을 비교분석한 결과 제안식이 재하시험에 비하여 보수적으로 나타나는 경향을 보였다.
- 건물기초에 대하여 팽이기초의 제안식과 평판재하 값을 비교한 결과 유사한 값을 보이나 이론식에 의한 값이 재하시험에 의한 결과 값보다 보수적으로 나타나는 경향을 보이는 것으로 확인되었다. 지하수영향이 없는 지반으로 N값에 따른 내부마찰각은 Dunham(1954) 공식을 이용하였으며 결과 값은 표 5에 정리하였다.
- (4) 본 연구에서는 평판재하시험을 통해 팽이말뚝기초의 지지력향상 효과를 분석하였으며 그 결과 팽이말뚝 기초는 설계하중보다 다소 부족한 기초의 지지력을 증가시키는데 효과적인 것으로 나타났다. 또한, 제안식과 평판재하시험을 비교분석한 결과 제안식이 재하시험에 비하여 보수적으로 나타나는 경향을 보였다. 기초의 지지력은 토질 조건, 지하수 영향, 기초의 크기 등에 따라 편차가 크게 발생하므로 실물재하를 통한 분석이 중요하며 다양한 제안식을 이용한 지지력 연구검토가 필요한 것으로 판단된다.
- 또한 지하수위가 상승하면 지지력이 반감하게 되므로 재하시험결과를 그대로 적용해서는 안 되며 지하수면과 그 변동을 고려하여야 한다. 실험결과에 의하면 모래 및 실트계열의 경우 지하수위 상승 시 지지력이 30%정도(김찬국, 2009) 저하되는 것으로 나타났다.
- 지하 2층 지상 6층 규모의 신축공사 기초로 현장의 지반상태는 N=15∼20인 모래자갈층으로 구성되어 있었으며 지하수위에 의한 영향은 없는 것으로 나타났다.
- 팽이말뚝기초 시공 후 기초 상부에서 평판재하시험을 실시한 결과 PBT-1의 시험위치와 인접한 PBT-3에 대한 허용지지력은 56.6tonf/m2을 나타내었고 PBT-4의 허용지지력은 구조물 기초 허용침하량 25.0mm기준으로 82.6tonf/m2 이상으로 측정되어 설계하중 기준인 45.0tonf/m2에 대해 만족하는 결과를 얻었다.
- (2) 평판재하시험 결과 원지반은 초기단계하중에서 극한지지력이 발생하였으나 팽이말뚝기초시공 이후에는 뚜렷한 절곡점이 나타나지 않았다. 평판재하시험 PBT-4지역의 경우 구조물 기초 허용침하량 기준에 따라 지지력을 결정하였으며 원지반 보강 후 허용지지력은 설계기준 값의 1.8배 상회하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 또한, 제안식과 평판재하시험을 비교분석한 결과 제안식이 재하시험에 비하여 보수적으로 나타나는 경향을 보였다. 기초의 지지력은 토질 조건, 지하수 영향, 기초의 크기 등에 따라 편차가 크게 발생하므로 실물재하를 통한 분석이 중요하며 다양한 제안식을 이용한 지지력 연구검토가 필요한 것으로 판단된다.
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