[논문]인발력을 받는 팩마이크로파일의 주면마찰력

홍원표; 조삼덕; 최창호; 이충민

doi:10.7843/kgs.2012.28.6.19

인발력을 받는 팩마이크로파일의 주면마찰력
Skin Friction Mobilized on Pack Micropiles Subjected to Uplift Force 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.28 no.6, 2012년, pp.19 - 29

홍원표 (중앙대학교 사회기반시스템공학부) , 조삼덕 (한국건설기술연구원) , 최창호 (한국건설기술연구원) , 이충민 (중앙대학교 대학원 토목공학과)

초록
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일반마이크로파일의 저항성능을 개선시키기 위해 최근에 토목섬유을 활용한 팩마이크로파일이 개발되었다. 팩마이크로파일은 일반마이크로파일의 강봉이나 강관을 토목섬유팩으로 감싸고 주입재와 주입압을 토목섬유팩 내부에 가하여 제작한다. 이 주입압에 의하여 천공 직경이 크게 확대된다. 동일한 한 지반 속에 설치된 세 개의 마이크로파일을 대상으로 일련의 말뚝인발시험을 실시하였다. 세 말뚝 중 두 개는 팩마이크로파일였고 나머지 하나는 강봉을 사용한 일반마이크로파일이였다. 토목섬유팩에 적용된 주입압에 의하여 팩마이크로파일의 경우 천공직경이 152mm에서 220mm으로 확대되었다. 마이크로파일의 주면에서 발달하는 단위주면마찰력은 말뚝두부의 인발변위량의 증가와 함께 서서히 증가하여 한계상태에 도달한 한계변위량에서 수렴치에 도달한다. 팩마이크로파일의 인발저항력은 일반마이크로파일의 인발저항력보다 크게 나타난다. 이와 같은 팩마이크로파일의 인발저항력을 증대시킬 수 있는 원인으로는 크게 두 가지를 생각할 수 있다; 첫째는 마이크로파일에 설치한 토목섬유팩내 주입압으로 마이크로파일의 단면적을 증대시키므로 말뚝주면의 마찰저항면적을 증대시킬 수 있기 때문이고, 둘째는 마이크로파일의 단면이 확대될 때 확대되는 부분의 체적만큼의 토사가 주변지반을 압축시켜 말뚝과 지반 사이의 마찰저항력을 증대시킬 수 있기 때문이다. 이 압축효과는 지표면 부근 보다 깊은 지층에서 크게 나타났다. 말뚝 주면에서 발휘되는 단위주면마찰력은 말뚝의 직경이 작은 경우가 더 크게 발휘된다. 즉 마이크로파일의 주면에서 발달되는 단위주면마찰력은 대구경 현장타설말뚝의 주면에서 발달되는 단위주면마찰력보다 크게 나타난다.

Abstract ▼ AI-Helper

Pack micropiles were recently developed to improve pile capacity of general micropiles. Pack micropiles were made by warping thread bar or steel pipe of general micropile by geotexlile pack and grouting inside the pack with pressure. According to the pressure, the boring hole could be enlarged. A series of pile uplift tests were performed on three micropiles. Two out of the three piles were the pack micropiles and the other was the general micropile, in which a thread bar was used in the boring hole. According to the pressure applied to the pack micropiles, the diameter of boring hole was enlarged from 152 mm to 220 mm. Unit skin friction mobilized on side surfaces of micropiles increased with displacement of pile head and reached on a constant value, which represents that the relative displacement between piles (or thread bar) and soils was reached on critical state. And the uplift resistance of pack micropile was higher than that of general micropile. Two reasons can be considered: One is that the frictional surface increases due to enlarging diameter of boring holes and the other is that the unit skin friction could increase due to compressing effect of surrounding soils by soil displacement as much as the enlarging volume of boring hole. The compression effect appeared at deeper layer rather than surface layer. The unit skin friction mobilized on micropiles with small diameter was higher than the ones on large bored piles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 토목섬유팩을 활용한 마이크로파일의 인발저항능력의 증대효과와 인발하중전이효과를 조사하기위해 팩마이크로파일에 대한 말뚝인발시험을 실시하고 그 결과를 분석하고자 한다. 두 개의 팩마이크로파일과 한 개의 강봉형 일반마이크로파일에 스트레인게이지를 부착한 후 말뚝인발시험을 실시하여 인발하중이 지반에 전이되는 과정에서 발휘되는 말뚝 축하중과 단위주면마찰력을 계측 고찰하고자한다.
이내의 수평압력을 가하는 점을 들 수 있을 것이다. 이 수평압력은 말뚝 주면에 수직응력에 비례하는 전단저항력을 증대시킬 수 있는 기능을 가지게 함으로서 인발저항력 혹은 압축저항력을 증대시키게 하는 목적을 가지고 있다. 그러나 이 수평압력은 주입압을 가하는 시공단계에서는 큰 수평응력을 발생시켜 천공직경을 확대시키는 데는 분명히 기여하였으나 장기적으로는 직경확대 후에는 소멸되어 결국 원지반에서의 응력상태 즉 K_o 응력상태에 도달할 것이다.

가설 설정

이러한 차이가 발생한 원인은 크게 두 가지를 고려할 수 있다. 먼저 말뚝의 단면적 대비 마찰면적의 차이에 의한 영향을 들 수 있을 것이다. 즉 마이크로파일은 단면적 대비 마찰면적이 크기 때문에 마찰력의 역할이 대구경말뚝보다 크게 발휘될 수 있음을 들 수 있다.

제안 방법

이 때 토목섬유팩 내부 주입압이 너무 크면 토목섬유가 찢어지므로 내부 주입압은 1100~1300kN/m²를 넘지 않게 조절 가압하여 마이크로파일의 직경을 220mm까지 확장시켰다. 가압후 강관내 에어팩커를 제거하고 강관의 나머지 부위에 주입제를 충진시켜 토목섬유팩 마이크로파일을 제작하였다. A1말뚝과 A2말뚝은 1.
A1 및 A2 마이크로파일에 가한 인발하중 재하과정은 Figure 3과 Figure 4에서 보는 바와 같이 거의 동일하다. 다만 제 4 Cycle의 감하과정에서 약간의 차이를 두어 감하과정의 거동차이를 비교하여 보았다. 한편 A3 마이크로파일의 경우는 Figure 5에서 보는 바와 같이 인발저항력의 부족으로 제 4 Cycle에서 A1, A2 마이크로파일보다 낮은 하중을 가하였다.
본 연구에서는 토목섬유팩을 활용한 마이크로파일의 인발저항능력의 증대효과와 인발하중전이효과를 조사하기위해 팩마이크로파일에 대한 말뚝인발시험을 실시하고 그 결과를 분석하고자 한다. 두 개의 팩마이크로파일과 한 개의 강봉형 일반마이크로파일에 스트레인게이지를 부착한 후 말뚝인발시험을 실시하여 인발하중이 지반에 전이되는 과정에서 발휘되는 말뚝 축하중과 단위주면마찰력을 계측 고찰하고자한다. 이 들 마이크로파일의 계측결과를 서로 비교함으로써 팩마이크로파일의 성능을 규명할 수 있을 것이다.
마이크로파일의 극한인발력 및 심도별 하중전이 특성을 파악하기 위하여 말뚝인발시험을 수행하였다. 현장시험에서는 두 종류의 마이크로파일이 사용되었으며 이들 마이크로파일의 측면도와 단면도는 Figure 2와 같다.
마이크로파일의 인발시험을 실시하면서 하중전이 거동을 관찰하기 위하여 말뚝 본체 강관 및 강봉에 스트레인게이지를 부착하였다. 말뚝 본체 강관 및 강봉에 일정간격으로 부착된 스트레인게이지의 계측값과 말뚝 단면의 탄성계수를 통해 인발하중 작용 시 말뚝의 중심축에 작용하는 축하중을 측정할 수 있다.
보강재 주위에 토목섬유 팩을 감싸고 그 속에 주입압을 가한 팩마이크로파일의 말뚝인발시험을 일반마이크로파일의 말뚝인발시험과 비교하여 그 효과를 비교 검토하여 보았다. 인발하중을 받는 이들 마이크로파일의 주변에 발달하는 마찰력을 현장시험을 통하여 관찰한 결과에 대한 고찰을 통하여 얻은 결론을 정리하면 다음과 같다.
스트레인게이지를 부착할 위치는 연삭하여 면처리를 정밀하게 실시한 후 스트레인게이지를 부착한다. 스트레인게이지를 부착한 후 마이크로파일시공과정에서 스트레인게이지의 손상 및 침수를 반지하기 위해 4중의 보호 및 방수처리를 한다. 사용된 스트레인게이지는 Tokyo Sokkikenkyujo(사)에서 생산된 2-wire System 90° 2-element Cross Stacked Type이다.
본 현장에서는 인발재하시험 시 1MN Jack을 사용하였다. 시험 방법은 재하대와 시험말뚝을 연결한 후 상부에 설치된 유압잭의 유압을 이용하여 하중을 재하, 감하, 재부하의 과정을 하중계획에 따라 수행하였다. 일정 간격 깊이로 말뚝에 설치된 스트레인게이지의 하중전이센서를 이용하여 지반의 깊이별 축하중을 측정하였다.
시험 방법은 재하대와 시험말뚝을 연결한 후 상부에 설치된 유압잭의 유압을 이용하여 하중을 재하, 감하, 재부하의 과정을 하중계획에 따라 수행하였다. 일정 간격 깊이로 말뚝에 설치된 스트레인게이지의 하중전이센서를 이용하여 지반의 깊이별 축하중을 측정하였다.
팩마이크로파일 A1과 A2에 사용한 강관은 일반마이크로파일 A3의 강봉과 단면적이 거의 동일하게 선택하여 사용하였다. 주입압을 가할 때는 강관 내부에 선단에서 4.5m 위치에 에어팩커를 설치하여 이를 지지로 강관 주면에 마련된 구멍을 통해 그라우트재가 밀려나갈 수 있게 하였다. 이 때 토목섬유팩 내부 주입압이 너무 크면 토목섬유가 찢어지므로 내부 주입압은 1100~1300kN/m²를 넘지 않게 조절 가압하여 마이크로파일의 직경을 220mm까지 확장시켰다.
말뚝 본체 강관 및 강봉에 일정간격으로 부착된 스트레인게이지의 계측값과 말뚝 단면의 탄성계수를 통해 인발하중 작용 시 말뚝의 중심축에 작용하는 축하중을 측정할 수 있다. 즉 A1, A2, A3 마이크로파일은 두부에서 1.2m 깊이 위치부터 파일 선단의 방향으로 70cm마다 간격으로 한 단면에 두개씩 도합 20개의 스트레인게이지를 부착하여 마이크로파일이 인발될 때 하중전이거동을 측정할 수 있도록 하였다. 스트레인게이지를 부착할 위치는 연삭하여 면처리를 정밀하게 실시한 후 스트레인게이지를 부착한다.
최대인발하중은 A1, A2 마이크로파일의 경우 설계하중(300kN/본)의 200%(600kN)로 하였고 A3마이크로파일의 경우는 177%(530kN) 인발하중을 가하였으며, 4 Cycle 방식으로 하중계획에 의하여 재하시험을 수행하였다. 각 마이크로파일에 대한 인발하중과 하중유지시간에 대한 하중계획은 각 사이클별로 Figure 3에서 Figure 5까지에 정리되어있다.

대상 데이터

인발압력장치는 계획 최대하중의 120% 이상의 가압능력이 있어야 하고, 계획하중 단계에 따라 말뚝의 변위량 및 재하장치의 변형에 따라 가압능력이 변하지 않는 Jack을 사용하였다(ASTM, 1994). 본 현장에서는 인발재하시험 시 1MN Jack을 사용하였다. 시험 방법은 재하대와 시험말뚝을 연결한 후 상부에 설치된 유압잭의 유압을 이용하여 하중을 재하, 감하, 재부하의 과정을 하중계획에 따라 수행하였다.
사용된 스트레인게이지는 Tokyo Sokkikenkyujo(사)에서 생산된 2-wire System 90° 2-element Cross Stacked Type이다.

이론/모형

인발압력장치는 계획 최대하중의 120% 이상의 가압능력이 있어야 하고, 계획하중 단계에 따라 말뚝의 변위량 및 재하장치의 변형에 따라 가압능력이 변하지 않는 Jack을 사용하였다(ASTM, 1994). 본 현장에서는 인발재하시험 시 1MN Jack을 사용하였다.

성능/효과

(1) 마이크로파일의 주면에서 발달하는 단위주면마찰력은 말뚝두부의 인발변위량의 증가와 함께 서서히 증가하여 한계상태에 도달한 한계변위량에서 수렴치에 도달한다. 이 한계변위량은 마이크로파일의 종류에 무관하게 지층의 종류에 따라 다르게 나타난다.
(2) 신개념을 도입한 팩마이크로파일의 인발저항력은 통상적으로 사용하는 강관지지형 일반마이크로파일의 인발저항력보다 크게 나타난다. 이러한 결과의 원인으로는 마이크로파일의 단면적확대효과와 주면지반압축효과를 들 수 있다.
(3) 팩마이크로파일의 토목섬유팩 내 주입압이 주변지반을 압축시키는 효과는 지표면보다 깊은 지층에서 크게 나타난다. 즉 매립토층에서는 팩마이크로파일과 일반마이크로파일 모두 단위주면마찰력의 수렴치가 동일하였다.
(4) 말뚝 주면에서 발달하는 단위주면마찰력은 말뚝의 직경이 작은 경우가 더 크게 발달한다. 즉 마이크로파일의 주면에서 발휘되는 단위주면마찰력은 대구경현장타설말뚝의 주면에서 발휘되는 단위주면마찰력보다 크게 나타난다.
우선 마이크로파일의 단면적확대에 의한 마찰면적 확대효과에 대하여 고찰하여 보면, 팩마이크로파일은 통상적으로 사용되는 일반마이크로파일(직경 155mm)에 토목섬유팩을 감싸고 그라우트 주입제과 주입압으로 220mm까지 직경을 확대시킨 마이크로파일이다(Figure 2(b) 마이크로파일 단면도 참조). 결국 이로 인하여 말뚝단면적은 두 배로 늘어났고 마찰면적은 40% 늘어나는 효과를 얻을 수 있었으므로 마이크로파일의 인발저항력을 크게 증대시킬 수 있었다.
이 결과에 의하면 매립토층에서는 말뚝두부변위량이 30mm에 도달하였을 때 단위주면마찰력은 150kN/m²에 수렴하고 있음을 보여주고 있으며 실트질모래층에서는 말뚝두부변위가 50mm에 이를 때 단위주면마찰력의 수렴치는 170kN/m²에 이르렀음을 보여주고 있다.

후속연구

두 개의 팩마이크로파일과 한 개의 강봉형 일반마이크로파일에 스트레인게이지를 부착한 후 말뚝인발시험을 실시하여 인발하중이 지반에 전이되는 과정에서 발휘되는 말뚝 축하중과 단위주면마찰력을 계측 고찰하고자한다. 이 들 마이크로파일의 계측결과를 서로 비교함으로써 팩마이크로파일의 성능을 규명할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로파일의 장점은?	마이크로파일은 천공홀 내부에 삽입된 고강도 강봉, 강관 및 철근의 강성에 의해 높은 축하중을 지지하면서, 천공직경을 최소화한 말뚝공법이다. 소구경 천공에 의해 시공되므로 어떠한 지반조건이나 작업조건에서도 용이하게 사용할 수 있는 유리한 점이 있다.
	가장 일반적인 마이크로파일의 직경은?	독일 표준시방서(DIN-4218)에서는 소구경 현장주입 콘크리트(혹은 모르타르)말뚝이라 하여 Small diameter injection piles(Cast-in-place concrete piles and composite pile)로 하였다(DIN, 1983). 가장 일반적인 마이크로파일의 직경은 120mm～250mm이며 길이는 5m부터 수십미터에 이른다. 마이크로파일은 용도와 시공방법에 따라 Rootpile, Tubfix-Micropile, Pali Radice, Needle-pile 혹은 Gewi-pile 등으로 다양하게 불린다(Koreck, 1978; Cadden et al.
	마이크로파일의 최초 개발은 언제, 어디서 이루어졌는가?	일반적으로 마이크로파일은 직경이 300mm 이하의 소구경 말뚝으로서 1950년대 초에 이탈리아에서 처음으로 개발된 이래 주로 건물의 유지, 보수 및 증축을 위한 기초의 보강공법에 많이 사용되었다(Mascardi, 1982; Littlejohn, 1993).

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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