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문제 정의
- 그러나 기존 연구자들이 제안한 마이크로 파일 설치방법의 대부분은 모래 지반만을 대상으로 연구한 결과를 통해 제안된 방법들로, 황태현 등(2010, 2011)이 제안한 것과 같이 마이크로파일은 파일의 인접지반에 많은 영향을 받으므로, 보다 다양한 지반조건을 적용한 연구가 요망될 것이다. 따라서 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 모래지반과 실트지반을 대상으로 모형시험을 수행하였고, 시험결과를 통해 지반조건에 따른 마이크로 파일의 설치방법을 제안하였다.
- 본 연구는 지반 조건에 따른 마이크로 파일의 적정 설치방법을 제안하기 위해 모래와 실트지반을 대상으로 실내시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 그러므로 이 같은 문제를 해결하기 위해 1차적으로 소정의 위치까지 지반을 조성하였다(그림 1(b)). 그리고 1차적으로 조성한 지반에 파일간격이 직경의 4배가 되도록 2열로 모형파일(총 파일개수=110; 1열의 파일개수=55, 그림 5)을설치한 후, 추가적으로 지반을 조성하고 모형 기초를 설치하였다. 지반을 조성하는 과정 중 지반변위 형상을 육안으로 관찰할 수 있도록 활용한 시료와 동일한 입경을 가진 검정 모래 또는 실트 시료를 활용하여 얇은 층을 지반에 형성시켰고(검정색 모래와 실트 층당 표시간격=50mm), 조성된 지반이 균질하게 형성되었는지 판단하기 위해 아크릴로 제작한 상대밀도 측정 장치(장치 개수=5개, 그림 1(b))를 설치하였다.
- 그림 5 그리고 표 2와 3은 본 연구에서 적용한 시험조건과 각 경우별 파일 설치방법 을 나타낸 것으로, 표와 그림에서 보는 것 같이, 우선 조성된 모래와 실트지반을 대상으로 시험을 수행하였다. 그리고 파일보강 모래 또는 실트지반을 대상으로 모형시험을 수행하는 경우에는 이태형과 임종철(2006)이 제안한 마이크로 파일의 설치 길이(L=4B)를 적용하고, 지반조건에 따른 마이크로 파일의 적정 설치각도를 알아보기 위해, 마이크로 파일의 설치각도만을 달리하여 시험을 수행하였다. 또한 지반 조건(특히 실트지반인 경우)에 따라 마이크로 파일의 적정 파일길이가 다를 수 있으므로 본 연구에서 수행한 모형시험 결과를 통해 얻은 적정 파일 설치각도를 적용하고, 파일의 설치길이를 달리하여 추가적으로 연구를 수행하였다.
- 각 경우별 나타난 시험결과는 식 (1), (2)을 적용하여 비교･분석하였다. 또한 시험 후 나타난 각 경우별 지반 파괴형상을 비교하는 경우에는 그림 6과 같이 지반파괴면 내의 영역을 활동(Active state zone) 또는 수동영역(Active state zone)으로 구분하여 비교하였다.
- 그리고 파일보강 모래 또는 실트지반을 대상으로 모형시험을 수행하는 경우에는 이태형과 임종철(2006)이 제안한 마이크로 파일의 설치 길이(L=4B)를 적용하고, 지반조건에 따른 마이크로 파일의 적정 설치각도를 알아보기 위해, 마이크로 파일의 설치각도만을 달리하여 시험을 수행하였다. 또한 지반 조건(특히 실트지반인 경우)에 따라 마이크로 파일의 적정 파일길이가 다를 수 있으므로 본 연구에서 수행한 모형시험 결과를 통해 얻은 적정 파일 설치각도를 적용하고, 파일의 설치길이를 달리하여 추가적으로 연구를 수행하였다. 각 경우별 나타난 시험결과는 식 (1), (2)을 적용하여 비교･분석하였다.
- 모형시험기 내 설치된 토조의 크기(폭×길이×높이)는 500mm×1200mm×800mm이며, 토조 내 조성된 지반은 건조된 모래와 실트 시료를 활용하였다. 모형시험 시 지반을 균질하게 조성하는 것이 무엇보다 중요하므로 시험기 내 설치된 강사 장치(그림 1)를 활용하여 모래 또는 실트지반을 조성하였다. 토조 내 파일이 설치된 지반(이후부터는 파일보강지반으로 칭함)을 조성하는 경우, 허인구(2008)가 활용한 방법과 같이 모형 케이싱을 활용하는 것은 파일을 설치할 위치의 지반을 교란시켜 파일 인접지반과 토조 내 조성된 지반의 밀도가 다를 수 있다.
- 모형시험 시 활용한 모형 기초는 강판으로 제작하였으며, 기초 바닥면에는 고무판(두께=5mm)을 부착하여 접지압이 고르게 발생하도록 하였다. 이 같이 제작된 모형기초 크기(폭×길이×높이, 그림 5)는 100×500×20(mm)이다.
- 본 연구에서 활용한 재하 장치는 모형시험기 내에 설치된 장치를 활용하였고(그림 1a), 하중재하 시 조성된 지반에 변위가 균질하게 발생되도록 느린 속도로 하중을 가하였다(분당 축 변형율=1%/min).
- 그리고 1차적으로 조성한 지반에 파일간격이 직경의 4배가 되도록 2열로 모형파일(총 파일개수=110; 1열의 파일개수=55, 그림 5)을설치한 후, 추가적으로 지반을 조성하고 모형 기초를 설치하였다. 지반을 조성하는 과정 중 지반변위 형상을 육안으로 관찰할 수 있도록 활용한 시료와 동일한 입경을 가진 검정 모래 또는 실트 시료를 활용하여 얇은 층을 지반에 형성시켰고(검정색 모래와 실트 층당 표시간격=50mm), 조성된 지반이 균질하게 형성되었는지 판단하기 위해 아크릴로 제작한 상대밀도 측정 장치(장치 개수=5개, 그림 1(b))를 설치하였다. 이 같은 과정을 통해 조성한 지반 모습은 그림 2와 같으며, 조성된 모래와 실트 지반의 상대밀도는 약 50%정도이다.
- 파일제작 시 모형파일의 직경은, 일반적으로 파일의 지지 특성은 파일강성에 많은 영향을 받으므로(Poulos와 Davis,1981), 길이 축소율(λ=Lpro / Lmod)을 적용하지 않고 강성축소율(λ5=(EI)pro /(EI)mod)을 적용하여 파일직경을 결정하였다(Iai, 1989; Iai 등, 2005).
대상 데이터
- 모형 마이크로 파일은 현장에서 많이 활용 하고 있는 직경이 200mm인 원형 마이크로 파일을 대상으로 하였으며, 원형체의 구성요소중 하나인 보강용 강봉(Reinforced steel bar)과 동일한 재료인 철(Steel bar)로 제작하였다. 파일제작 시 모형파일의 직경은, 일반적으로 파일의 지지 특성은 파일강성에 많은 영향을 받으므로(Poulos와 Davis,1981), 길이 축소율(λ=Lpro / Lmod)을 적용하지 않고 강성축소율(λ5=(EI)pro /(EI)mod)을 적용하여 파일직경을 결정하였다(Iai, 1989; Iai 등, 2005).
- 모형시험기 내 설치된 토조의 크기(폭×길이×높이)는 500mm×1200mm×800mm이며, 토조 내 조성된 지반은 건조된 모래와 실트 시료를 활용하였다.
성능/효과
- (2) 전면 또는 국부전단파괴가 예상되는 지반의 경우,마이크로 파일의 설치각도는 경사지게(본 연구, θ =±30°)로 설치해야 하며, 서로 파일을 엇갈리게 설치하는 경우(θ < 0°)에는 파일 설치길이를 기초 폭의 4배 이상 적용하여 마이크로 파일을 설치하는 것이 지반의 지지력을 증대시키는 데 효과적이다.
- (3) 관입 파괴형상이 예상되는 지반의 경우, 원지반의 지지력을 효과적으로 증대시키기 위해서는 마이크로 파일을 반드시 서로 엇갈리게 설치해야 하며(θ < 0°), 파일길이는 기초 폭의 3배 이상을 적용하여 마이크로 파일을 설치해야 효과적이다.
- 그러나 파일 설치각도를 음의 방향(θ < 0˚; 그림5)으로 한 경우에는 설치각도에 따라 파일보강 실트지반의 지지력비가 증가하다 감소하는 것으로 나타났으며, 파일 설치각도 -30°인 경우의 지지력비가 가장 큰 것으로 나타났다.
- 그러나 파일길이가 4B인 경우에는 파일의 설치각도에 따라 지지력비가 약 1.5 ~2.0인 것으로 나타났으며, 파일의 설치각도 ±30°인 경우가 수직인 경우보다 지지력비가 큰 것으로 나타났다.
- 또한 황태현 등(2010, 2011)은 유한심도 내에 암반층이 존재하는 모래지반을 대상으로 수행한 모형시험과 수치해석 결과를 통해 지반 파괴영역과 관련된 기초크기, 지반 강도특성, 파일강성과 관련된 마이크로 파일의 길이비 등을 고려하여 마이크로 파일을 설치해야 한다고 제안하였다. 그리고 마이크로 파일의 길이비(L/d; L=파일 설치길이, d=파일 직경)가 50 이하인 경우에는 수직으로, 파일길이비가 100 이상인 경우에는 경사지게 설치하는 것이 지반의 지지력 증대에 효과적이라고 제안하였다. 그러나 이 같은 마이크로 파일의 설치방법은 대부분이 모래지반만을 대상으로 한 연구결과를 통해 제안된 것들이며, 황태현 등(2010, 2011)이 말한 바와 같이, 파일 인접지반의 특성에 따라 파일의 설치 방법이 다를 수 있으므로 보다 다양한 지반조건을 적용한 마이크로 파일 관련 연구가 요망될 것으로 판단된다.
- 파일길이가 4B인 경우에는 파일길이가 1B인 경우와 달리 모래지반인 경우보다 파일 보강 모래지반의 지지력이 큰 것으로 나타났다(그림 8b). 그리고 파일 설치각도에 따른 파일보강 모래지반의 지지력을 비교한 경우, 수직으로 설치한 경우보다 경사지게 설치한 경우가 파일보강 모래지반의 지지력이 큰 것으로 나타났으며, 모래지반인 경우보다 지지력이 1.39~2.09배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 또한 파일 설치각도가 ±30°인 경우가 모래지반의 지지력에 비해 약 1.
- 그림에서 보는 것과 같이, 파일 설치각도가 수직 또는 양의 방향(θ ≥0˚; 그림5)인 경우에는 파일보강 실트 지반 지지력비가 실트지반인 경우에 비해 다소 증가하나(BCR(silt)=1), 파일 설치각도와 관계없이 파일보강 실트지반의 지지력비가 거의 유사한 것으로 나타났다.
- 표 8과 그림 16은 파일 설치각도가 -30°인 경우, 설치 길이에 따른 파일보강 실트지반의 지지력과 지지력비를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 것과 같이, 파일길이가 길어짐에 따라 파일보강 실트지반의 지지력이 증가하는 것으로 나타났으며, 설치조건에 따라 실트지반 지지력보다 최대 50%(BCR(silt)≒1.5; 표 7)정도 증가하는 것으로 나타났다. 파일길이가 기초 폭의 2배인 경우 파일보강 실트지반 지지력비는 실트지반인 경우보다 약 15% 정도의 지반 지지력의 증대효과를 보이는 것으로 나타났다.
- 따라서 모형시험 결과를 통해 관입 파괴형상으로 나타난 지반의 지지력을 효과적으로 증대시키기 위해서는 파일의 설치길이를 기초 폭의 3배 이상, 서로 엇갈리게 파일각도(θ < 0°)를 두어 설치하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
- 따라서 시험결과를 통해 관입 파괴형상과 같이 압축변위가 예상되는 연약지반의 경우에는 수직방향으로 발생된 지반의 압축변위를 효과적으로 구속할 수 있도록 마이크로 파일을 음의 방향으로 일정각도를 두어 설치하는 것이 지반 지지력 증대에 효과적일 것으로 판단된다(본 연구 시, 적정 파일 설치각도 = -30°).
- 파일보강 모래지반의 파괴형상은 모래지반과 유사한 형상으로 발생하였으며, 모래지반에 비해 상대적으로 넓게 형성되는 것으로 나타났다. 또한 경사파일보강 모래지반의 파괴형상이 수직파일 보다 넓게 확장되는 것으로 나타났으며, 각 경우별 파일보강 모래지반 지지력은 24.03~36.05kPa인 것으로 나타났다. 이 같이 파일경사에 따라 파일보강 모래지반의 파괴형상과 지지력이 달라지는 요인은 다음과 같을 것으로 판단된다.
- 파일길이가 기초 폭의 2배인 경우 파일보강 실트지반 지지력비는 실트지반인 경우보다 약 15% 정도의 지반 지지력의 증대효과를 보이는 것으로 나타났다. 또한 기초 폭의 3배인 경우에는 약 50%정도 지지력이 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 파일길이가 기초 폭의 4배인 경우에는 파일길이가 기초 폭의 3배인 경우와 유사한 것으로 나타났다.
- 또한 파일 설치각도가 ±30°인 경우가 모래지반의 지지력에 비해 약 1.8~2.09배정도 증가하였고, 설치각도가 +30°인 경우와 지지력 값이 그리 큰 차이를 보이지 않으나, 설치각도가 -30°인 경우가 파일보강 모래지반의 지지력이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 시험결과, 각 경우별 파일보강 실트지반의 지지력은 약 0.85~1.16kPa 정도인 것으로 나타났으며, 파일 설치각도-30°인 경우가 실트지반의 지지력에 비해 최대 약 50%(BCR=1.51)정도 지반 지지력 증대효과를 보이는 것으로 나타났다.
- 그림 8은 파일의 설치길이가 1,4B인 경우 파일 설치각도에 따른 모래 및 파일보강 모래지반의 지지력을 비교한 것이다. 시험결과, 그림 8(a)에서 보는 것과 같이, 파일길이가 1B인 경우에는 모래와 파일보강 모래지반의 지지력이 거의 유사한 것으로 나타났다. 파일길이가 4B인 경우에는 파일길이가 1B인 경우와 달리 모래지반인 경우보다 파일 보강 모래지반의 지지력이 큰 것으로 나타났다(그림 8b).
- /B)이 10% 이상 발생한 경우 나타난 모래지반 또는 수직 및 경사파일보강 모래지반의 파괴형상을 보인 것이다. 시험결과, 그림에서 보는 것과 같이 모래지반에 형성되는 지반의 파괴영역깊이는 기초 폭의 약 1~2B정도인 것으로 나타났으며, 지반의 파괴형상은 작용하는 하중으로 인해 지반 변위가 횡 방향으로 전면 또는 국부 전단파괴형상과 같이 인접된 지반 에 전이되어 지표면까지 발생하는 것으로 나타났다. 이 때 모래지반 지지력은 17.
- ); 식1)를 비교한 것이다. 시험결과, 파일 길이가 1B인 경우의 지반 지지력비는 모래지반인 경우(BCR(sand)=1)와 거의 유사한 것으로 나타났다. 그러나 파일길이가 4B인 경우에는 파일의 설치각도에 따라 지지력비가 약 1.
- 이와 같은 연구 결과가 나타난 요인은 지반의 파괴형상과 매우 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다. 우선 본 연구에서 수행한 실트지반을 대상으로 모형시험을 한 결과, 그림 11에서 보는 것과 같이, 지반 파괴면이 지표면까지 확장되지 않고 수직 방향으로 압축변위만 발생하는 관입 파괴형상으로 지반이 파괴되는 것을 알 수 있다. 또한 Tsukada 등(2006)의 연구를 보면 알 수 있듯이 느슨한 모래지반인 경우에는 실트지반인 경우와 유사하게 지반 파괴면이 지표면까지 확장되지 않았다.
- 그림에서 보는 것과 같이, 파일길이가 점차 증가함에 따라 파일보강 모래지반의 지지력과 지지력비는 모래지반인 경우보다 증가하는 것으로 나타났다. 파일길이가 1B, 2B인 경우 파일 보강지반의 지지력은 모래지반인 경우보다 약 1.2~1.3배 정도 크게 증가하지 않았으나, 파일길이가 3B를 초과한 경우에는 이태형과 임종철(2006) 그리고 황태현과 권오엽(2011)의 연구결과와 유사하게 파일보강 모래지반의 지지력이 급격하게 증가하는 것으로 나타났다(L=3B인 경우, 지반 지지력의 증가율=56%; L=4B인 경우, 지반 지지력의 증가율=109%; 표 6과 그림 10b).
- 5; 표 7)정도 증가하는 것으로 나타났다. 파일길이가 기초 폭의 2배인 경우 파일보강 실트지반 지지력비는 실트지반인 경우보다 약 15% 정도의 지반 지지력의 증대효과를 보이는 것으로 나타났다. 또한 기초 폭의 3배인 경우에는 약 50%정도 지지력이 증가하는 것으로 나타났다.
- 27kPa이다(표 5. 파일보강 모래지반의 파괴형상은 모래지반과 유사한 형상으로 발생하였으며, 모래지반에 비해 상대적으로 넓게 형성되는 것으로 나타났다. 또한 경사파일보강 모래지반의 파괴형상이 수직파일 보다 넓게 확장되는 것으로 나타났으며, 각 경우별 파일보강 모래지반 지지력은 24.
후속연구
- 이 같이 마이크로 파일의 활용 빈도가 점차 증가함에 따라 보다 효과적인 설치방법을 제안하기 위해 국내･외 몇몇 연구자들은 실내시험, 수치해석, 현장시험과 같은 다양한 연구방법을 통해 관련연구를 수행하였고, 현재까지도 수행 중에 있다. 그러나 기존 연구자들이 제안한 마이크로 파일 설치방법의 대부분은 모래 지반만을 대상으로 연구한 결과를 통해 제안된 방법들로, 황태현 등(2010, 2011)이 제안한 것과 같이 마이크로파일은 파일의 인접지반에 많은 영향을 받으므로, 보다 다양한 지반조건을 적용한 연구가 요망될 것이다. 따라서 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 모래지반과 실트지반을 대상으로 모형시험을 수행하였고, 시험결과를 통해 지반조건에 따른 마이크로 파일의 설치방법을 제안하였다.
- 그리고 마이크로 파일의 길이비(L/d; L=파일 설치길이, d=파일 직경)가 50 이하인 경우에는 수직으로, 파일길이비가 100 이상인 경우에는 경사지게 설치하는 것이 지반의 지지력 증대에 효과적이라고 제안하였다. 그러나 이 같은 마이크로 파일의 설치방법은 대부분이 모래지반만을 대상으로 한 연구결과를 통해 제안된 것들이며, 황태현 등(2010, 2011)이 말한 바와 같이, 파일 인접지반의 특성에 따라 파일의 설치 방법이 다를 수 있으므로 보다 다양한 지반조건을 적용한 마이크로 파일 관련 연구가 요망될 것으로 판단된다.
- 본 연구는 모형시험 결과를 토대로 지반조건에 따른 마이크로 파일의 설치방법을 제안한 것이므로 실제 지반에서는 다를 수 있어 현장시험을 통한 추가적인 연구가 요구된다.
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