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문제 정의
- 본 연구에서는 부주면마찰력 시험을 통하여 연약지반에 타설된 강관말뚝의 부주면마찰응력을 측정하였으며 정재하시험에서 구한 정주면마찰응력과 비교해 보았다. 그리고 장기적인 부주면마찰응력의 관측시험을 통하여 경제적인 상부구조물 시공시기를 판단하였다.
- 본 연구의 목적은 연약지반에서 말뚝 시공 시 침하속도와 부주면마찰력의 관계를 파악하고 말뚝의 시공 후 상부구조물의 축조시기를 계측결과를 통하여 분석하고, 재하시험에서 구한 마찰응력과 부주면마찰력과의 관계 등을 파악하여 실제 현장에서 적용할 수 있는 방법을 연구하는 것이 본 논문의 목적이다.
제안 방법
- 부마찰력 측정시험을 위하여 강관말뚝(φ=508mm, t=9mm)을 준비했다. 강관말뚝의 표면에 부주면마찰력 측정을 위한 전기저항식 스트레인게이지 센서를 그림 3과 같이 설치하였고, 그 위에 말뚝 항타 시 지반과의 마찰로 인한 센서의 파괴를 막기위해 보호용 챈널을 용접하여 설치하였다. 시험말뚝은 말뚝항타기를 이용해 시공하였는데, 시험말뚝 항타 직후부터 구조물 축조 후 +2개월까지 장기계측을 실시하였고 시험결과를 정리하고 이를 분석하였다.
- 본 연구에서는 부주면마찰력 시험을 통하여 연약지반에 타설된 강관말뚝의 부주면마찰응력을 측정하였으며 정재하시험에서 구한 정주면마찰응력과 비교해 보았다. 그리고 장기적인 부주면마찰응력의 관측시험을 통하여 경제적인 상부구조물 시공시기를 판단하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 말뚝의 부주면마찰력을 관찰하여 부주면마찰력이 안정되는 시점을 파악하고 시공시기를 결정하기 위해 말뚝의 표면에 변형률게이지를 부착하여 항타시점부터 마찰응력을 관찰하였다. 부주면마찰력 현장시험의 개요는 표 1과 같다.
- 말뚝의 부마찰력 산정을 위한 적절한 해석방법으로는 최대전단강도법(maximum friction method), 탄성 또는 탄소성 해석법(elastic or elastoplastic method), 하중전달곡선을 이용한 방법(load transfer curve method) 등을 들 수 있다(정삼성, 1993, 한국지반공학회, 2002). 본 연구에서는 일반적인 부마찰력 산정식인 최대 전단강도법에 의해 부주면마찰응력을 산정하였다. 비배수 전단강도법과 유효응력법으로 나누어 계산하였는데 그 결과는 다음과 같다.
- 본 현장에서 실시된 부주면마찰력 관측시험을 위해 그림 2, 3과 같이 총 6매의 변형률게이지를 설치하였으며 지반별 부주면마찰력의 발생기구를 관찰하기 위해 실트질 모래지반과 점토지반에 걸쳐 변형률게이지를 배치하였다.
- 시간의 경과에 따라 축하중 계측용 센서에 발생되는 스트레인(εm)을 데이터집록기(Data logger)를 통해 측정하였다.
- 시추조사 과정에서 채취된 S.P.T 및 불교란시료에 대해서 흙 분류, 입도분포 및 연경도(Consistency) 특성 등의 물리적 시험을 실시하였으며, 압축 및 강도특성 등의 역학적 시험을 실시하였다. 실내토질시험 결과는 성토층 직하부의 원지반 상부 실트질 모래층과 지반개량의 주 대상층인 실트질 점토층으로 구분하여 정리하였다.
- 강관말뚝의 표면에 부주면마찰력 측정을 위한 전기저항식 스트레인게이지 센서를 그림 3과 같이 설치하였고, 그 위에 말뚝 항타 시 지반과의 마찰로 인한 센서의 파괴를 막기위해 보호용 챈널을 용접하여 설치하였다. 시험말뚝은 말뚝항타기를 이용해 시공하였는데, 시험말뚝 항타 직후부터 구조물 축조 후 +2개월까지 장기계측을 실시하였고 시험결과를 정리하고 이를 분석하였다.
- T 및 불교란시료에 대해서 흙 분류, 입도분포 및 연경도(Consistency) 특성 등의 물리적 시험을 실시하였으며, 압축 및 강도특성 등의 역학적 시험을 실시하였다. 실내토질시험 결과는 성토층 직하부의 원지반 상부 실트질 모래층과 지반개량의 주 대상층인 실트질 점토층으로 구분하여 정리하였다.
- 임의의 시간에 각 위치에서 측정된 Qmi를 깊이에 따라 도시하였고, 각 지점에서의 부주면마찰응력을 계산하여 정리하였다.
- 본 연구대상 현장의 인근에서 기실시되었던 정재하시험결과를 본 부마찰력시험과 비교하였다(한국지반환경공학회, 2004). 정재하시험은 본 시험과 같이 축하중 계측용 센서가 설치된 같은 제원의 개단강관말뚝을 사용하였고, 그림 12와 같이 각 단면당 2개소에 완전결선형 전기저항식 강관변형률계를 설치하여 시험 시의 변형률을 측정하였다.
대상 데이터
- 부마찰력 측정시험을 위하여 강관말뚝(φ=508mm, t=9mm)을 준비했다.
데이터처리
- 본 연구대상 현장의 인근에서 기실시되었던 정재하시험결과를 본 부마찰력시험과 비교하였다(한국지반환경공학회, 2004). 정재하시험은 본 시험과 같이 축하중 계측용 센서가 설치된 같은 제원의 개단강관말뚝을 사용하였고, 그림 12와 같이 각 단면당 2개소에 완전결선형 전기저항식 강관변형률계를 설치하여 시험 시의 변형률을 측정하였다.
성능/효과
- 0.08mm체 통과 중량백분율의 분포범위는 57∼96%이며, 액성한계는 40.8∼66.4%, 소성한계는 17.7~30.9%, 소성지수는 17.6∼36.6의 범위로 분포하였고, 자연함수비는 31.8~43.6%의 범위이며, 비중은 2.62~2.74의 범위로 나타났다.
- 1. 연약지반에서 부마찰력의 크기는 침하속도가 클수록 크게 나타났다.
- 2. 인근 현장에서 기 수행된 말뚝재하시험결과와 본 부주면마찰력 시험결과와 비교해 본 결과 항타직후의 부주면마찰력은 재하시험 시의 마찰응력보다 2배 정도 크게 나오는 것으로 판단되며 피크를 지난 후의 잔류주면마찰응력은 4.84N/cm2 정도로 말뚝시공후 15일 경과시점에서 측정된 부주면마찰응력 4.53N/cm2와 비슷한 값을 나타내며 이론식에 의한 결과와도 비슷하였다.
- 말뚝항타 직후 각 변형률게이지에서 측정된 변형률의 크기를 측정하고 식 (1), (2)를 이용하여 단면 별 축력 및 응력을 계산하여 시간대 별로 그림 4~7에 나타내었다. 2월 21일에 항타를 시작하였으며, 3월 23일 +20cm의 표토정리를 끝냈고, 계속적인 측정 및 분석결과 4월 8일경에 축력 및 응력의 증가가 수렴하는 것을 확인하고 콘크리트 구조물을 축조하기 시작하였으며 7월 10일까지 구조물을 시공하는 동안 다시 응력의 증가가 일어나는 것을 그래프를 통해서 확인할 수 있었다.
- 3. 경과시간대 별 부주면마찰력의 변화 그래프를 이용한 장기관측기법을 사용하면 부주면마찰력이 발생하고 있는 중이라도 적절한 상부구조물의 시공시기를 파악할 수 있어 경제적인 시공이 가능한 것으로 판단된다.
- 본 시험이 실시된 상부 실트질 모래층을 조사한 결과 흙의 분류는 통일분류법상, 전반적으로 ‘SM’으로 분류되며 부분적으로 ‘SC’, ‘ML’, ‘CL’ 등으로 분류되었다. 그리고 0.08mm체 통과중량백분율의 분포범위는 24~75%이며 평균적으로 49%의 분포범위를 보였다.
- 따라서, 각 방법으로 구한 부주면마찰응력은 fn=5.18~7.16N/cm2이며 이는 말뚝항타직후 피크 시의 측정치의 평균인 19.8N/cm2=198kN/m2보다는 적으며, 항타 후 15일 경과시점인 3월 5일경의 값과 일치하는 것으로 나타났으며, 그 이후 계속적으로 부주면마찰응력 값은 계속적으로 감소하다가 2개월 후에 수렴하였다. 이러한 현상은 토질이나 상재하중의 조건에 따라 다르게 나타나리라고 판단된다.
- 본 시험이 실시된 상부 실트질 모래층을 조사한 결과 흙의 분류는 통일분류법상, 전반적으로 ‘SM’으로 분류되며 부분적으로 ‘SC’, ‘ML’, ‘CL’ 등으로 분류되었다.
- 74의 범위로 나타났다. 습윤 단위중량은 16.7~18.5kN/cm3 범위이며 점토층의 표준압밀시험 결과, 초기간극비의 분포범위는 0.89~1.25이고 e-log p 곡선에 의해 평가된 압축지수는 0.27~0.45로 나타나며, 선행압밀응력은 5.2~32.4N/cm2의 범위에 분포하는 것으로 나타났다.
- 실트질 점토층의 실내토질시험 결과 흙의 분류는 통일 분류법상, 전반적으로 ‘CH’로 분류되며 부분적으로 ‘MH’, ‘ML’ ‘CL’ 등으로 분류되였다.
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1. 시험현장 현황
현장시험위치에서의 실트질 점토층의 표준관입시험시 N치는 3~7정도로 나타났고, 상부 실트질 모래층은 3~15정도, 하부 실트질 모래층은 7~50정도로 나타났고, 공내 지하수위 측정결과 G.L.-5.2~G.L.-7.8m에 걸쳐 분포하는 것으로 나타났다
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후속연구
- 4. 앞으로 더 많은 현장에서의 부주면마찰력 측정시험을 통해 우리나라 지반에 적합한 부주면마찰력 산정식을 고안하여 보다 쉽게 현장에서 유사한 지반에 적용할 수 있도록 해야 할 것이다.
- 실제 연약지반에 타입된 말뚝 위에 구조물이 축조된다면 부주면마찰력과 구조물하중이 중첩하여 작용하게 되는데 말뚝이 타입된 후 장기적인 계측을 통하여 연약지반에서 받는 말뚝의 부주면마찰력을 측정하고 부주면 마찰응력이 수렴하는 시기를 파악하여 이를 상부구조물의 축조시기로 판단하면 경제적인 시공이 가능해 질 것이다. 그리고 많은 시험을 통해 이와 유사한 지반현장에 적용하여 정확한 말뚝 부주면마찰력을 산정할 수 있다면 연약지반개량 시 필요한 공기를 어느 정도 단축시킬 수 있을 것이다.
- 그림 9~11에서와 같이 주면마찰응력이 발달하다가 다시 하향 안정되어가는 점을 현장측정을 통해 파악할 수 있다면, 더 이상의 주면마찰응력의 증감이 없는 시기를 파악하여 이를 상부 구조물 축조시기로 판단할 수 있을 것이다.
- 실제 연약지반에 타입된 말뚝 위에 구조물이 축조된다면 부주면마찰력과 구조물하중이 중첩하여 작용하게 되는데 말뚝이 타입된 후 장기적인 계측을 통하여 연약지반에서 받는 말뚝의 부주면마찰력을 측정하고 부주면 마찰응력이 수렴하는 시기를 파악하여 이를 상부구조물의 축조시기로 판단하면 경제적인 시공이 가능해 질 것이다. 그리고 많은 시험을 통해 이와 유사한 지반현장에 적용하여 정확한 말뚝 부주면마찰력을 산정할 수 있다면 연약지반개량 시 필요한 공기를 어느 정도 단축시킬 수 있을 것이다.
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