[논문]대형 평판재하시험을 이용한 얕은 기초의 침하에 대한 크기효과 평가

김경석; 이상래; 박영호; 김성환

doi:10.7843/kgs.2012.28.7.67

[국내논문] 대형 평판재하시험을 이용한 얕은 기초의 침하에 대한 크기효과 평가
Evaluation of Size Effects of Shallow Foundation Settlement Using Large Scale Plate Load Test 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.28 no.7, 2012년, pp.67 - 75

김경석 (한국도로공사 도로교통연구원) , 이상래 (한국도로공사 도로교통연구원) , 박영호 (한국도로공사 도로교통연구원) , 김성환 (한국도로공사 도로교통연구원)

초록
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교량기초의 지지층인 조밀한 화강풍화토 지반에서 얕은 기초의 침하에 대한 크기효과를 평가하고자 하였다. 이를 위해 지반조건이 유사한 2개 현장에서 재하판 크기를 다르게 하여 평판재하시험을 수행하였다. 시험결과 재하판 하부 및 주변 지반의 파괴는 관찰되지 않았으며 하중 증가에 따라 침하가 비례하여 증가하였다. 이러한 결과는 대상지반에 지지되는 기초의 안정성 또는 사용성은 침하가 지배하는 것을 의미한다. 침하에 대한 기초크기 효과는 압력-침하곡선의 기울기로 표현되는 지반반력계수와 기초폭의 관계로 표현하였다. 기존에 제안된 관계식과 비교해 볼 때 본 실험결과는 크기효과가 더 크게 나타나며, 이는 기존에 제안된 관계식은 조밀한 화강풍화토 지반에 지지된 기초의 침하를 과소평가할 수 있음을 나타낸다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper addresses the size effect of shallow foundation settlement in very dense weathered granite soil commonly encountered in bridge foundation. Load-settlement curves measured from the plate load tests of 5 different plate sizes in 2 sites were analyzed. The test results showed that the ground beneath the plate was considered not to reach the failure state and the settlement continuously increased proportionately as load increased. The result implies that settlement would govern the stability or serviceability of foundation on very dense weathered soil. The size effect is expressed as a relationship of subgrade reaction modulus to the size of plate. Compared with the previous relationships, the size effect in this result was more prominent and indicated that settlement prediction using the previous method could possibly underestimate the settlement of foundation in dense weathered granite soil.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

0m 내외로 둔 소규모 시험결과를 이용한 것으로서 실제 얕은 기초의 지지층으로 자주 나타나는 매우 조밀한 화강풍화토 지반에 대해서는 적용의 한계가 있다. 본 연구에서는 매우 조밀한 화강 풍화토 지반조건에 대하여 최대 4.0m까지 크기를 달리한 평판재하시험을 실시하여 하중-침하 거동을 분석하고 기초의 침하에 대한 크기효과를 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 두 개의 현장에서 크기를 달리한 평판 재하시험을 실시하여 매우 조밀한 화강풍화토에 지반에 대한 얕은 기초의 침하에 대한 크기효과를 평가하고자 하였다. 현장의 위치는 경상남도 거창시 인근의 산업단지(Site-A)와 고속도로 건설현장(Site-B)으로서 산지를 절토하여 매우 조밀한 풍화토층이 노출된 상태이다.
이 연구에서는 매우 조밀한 화강풍화토 지반에 지지되는 얕은 기초의 하중-침하 거동을 분석하고 침하에 대한 크기효과를 평판재하시험을 통해 확인하고자 하였으며 이로부터 도출한 결론은 다음과 같다.
(4) 본 연구에서는 시험결과를 이용하여 조밀한 화강풍화토 지반에 대한 적용할 수 있는 크기효과식을 제안하였다.

제안 방법

현장의 위치는 경상남도 거창시 인근의 산업단지(Site-A)와 고속도로 건설현장(Site-B)으로서 산지를 절토하여 매우 조밀한 풍화토층이 노출된 상태이다. 지반조건을 확인하기 위하여 시추조사와 표준관입시험(SPT)을 실시하였고, 교란시료에 대한 물성시험과 블록샘플을 채취하여 실내시험을 실시하였다.
시추조사는 풍화토층이 노출된 상태에서 최대 재하판 크기의 2.5배인 평균 10m심도까지 실시하였으며 시험 부지 내 지반조건의 변동성 확인을 위해 시험위치와 인접한 위치에 대해서도 조사를 실시하였다. Fig.
각 재하판 크기별 극한파괴상태 도달여부를 확인하기 위하여 시험에서 구한 압력-침하곡선과 Terzaghi의 이론적 지지력공식(식 (1))으로 구한 극한지지력 및 안전율 3.0을 적용한 허용지지력을 Fig. 5에 나타내어 보았다. 시험은 지표면에서 수행하였으므로 극한지지력 산정시 근입심도(D_f)값은 0으로 두고 계산하였다.
본 연구에서 대상으로 하는 조밀한 화강풍화토 지반에서는 압력-침하곡선이 거의 선형으로 나타나 침하에 대한 크기효과를 지반반력계수로 표현하고자 하였으며 Fig. 6에는 지반반력계수를 이용하여 침하에 대한 크기 효과를 표현하는 방법을 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에서는 두 개의 현장에서 크기를 달리한 평판 재하시험을 실시하여 매우 조밀한 화강풍화토에 지반에 대한 얕은 기초의 침하에 대한 크기효과를 평가하고자 하였다. 현장의 위치는 경상남도 거창시 인근의 산업단지(Site-A)와 고속도로 건설현장(Site-B)으로서 산지를 절토하여 매우 조밀한 풍화토층이 노출된 상태이다. 지반조건을 확인하기 위하여 시추조사와 표준관입시험(SPT)을 실시하였고, 교란시료에 대한 물성시험과 블록샘플을 채취하여 실내시험을 실시하였다.
평판재하시험은 직경이 0.3m, 0.75m, 1.5m, 2.4m, 4.0m인 정방형 재하판(□)을 이용하였다. 재하판은 4.
0m인 정방형 재하판(□)을 이용하였다. 재하판은 4.0m의 경우 별도의 철근콘크리트 블록을 제작하여 시험을 실시하였고, 그 이외의 재하시험에서는 강재판을 사용하였다. 강재판은 접촉압을 일정하게 유지하고 시험과정에서 변형 되지 않도록 하기 위해 보강한 판을 사용하였다.

성능/효과

시험이 완료된 후에 재하판 하부와 주변의 지반 상태를 관찰해보면, 직경 0.3m의 소형 재하판의 경우에는 주변지반이 균열과 함께 약간 솟아오르는 상태가 확인되지만 0.75m 이상 크기의 재하판에서는 주변지반의 균열이나 솟음이 확인되지 않고 관입파괴 형상만이 관찰되었다(Fig. 4).
Tatshoka 등(1936)에 의하면 침하량이 기초폭의 약 70% 정도까지 발생할 때 전반전단파괴 형태가 발생하며 그 이하의 변형에서는 지반파괴가 아닌 입자의 압축과 미끄러짐 층의 발생으로 인해 관입전단파괴나 국부전단파괴의 형상을 보이는 것을 실험을 통해 증명한 바 있다. 본 연구에서 수행한 재하시험은 하중 수준이 1,500~3,000kPa정도의 압력까지 가한 상태지만 침하량이 기초폭의 10~30%정도만 발생한 상태이므로 지반은 관입전단파괴만 진행되고 전반전단 파괴까지 진행되지 않았음을 간접적으로 추정할 수 있다.
시험 결과는 교량기초가 지지되는 매우 조밀한 풍화토 지반은 하중 증가에 따라 침하량이 비교적 선형적으로 증가하는 양상을 나타내고 교량의 얕은 기초의 설계하중 수준인 500~1,000kPa의 하중 하에서는 항복이나 극한 상태의 거동이 나타나기 어려움을 의미하고 있다. 또한, 얕은기초의 지반의 허용지지력이 설계하중보다 크게 계산되더라도 발생하는 침하량은 허용치를 훨씬 상회할 가능성이 있음을 나타내며 따라서 조밀한 화강풍화토 지반에 시공되는 얕은 기초의 안정성은 지지력보다는 침하량 측면이 관리하는 것이 중요함을 의미한다.
재하판의 크기가 증가함에 따라 지반반력계수는 감소하는 경향을 나타내지만 재하판의 크기가 1.5m 이상이 되면 감소경향이 현저히 줄어들게 되는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 9에서 알 수 있듯이 본 실험에 의한 결과는 기존 연구자들이 제안하는 크기효과식과 차이가 있음을 알 수 있는데, 본 연구의 시험결과와 제안식은 기존 연구자들의 결과에 비해 침하비율이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 하지만, Bjerrum과 Eggestad(1963)가 기초 크기에 따른 시험결과들을 수집하여 크기효과를 평가한 범위내에 포함되어 있다.
본 연구의 결과는 조밀한 화강풍화토 지반에서는 0.3m 재하판을 이용하여 실제 기초에 대한 침하량을 예측할 때 기존식보다 더 크게 평가되어야 함을 나타내며 기존 제안식을 이용할 경우 침하를 과소하게 평가할 수 있음을 의미한다.
(1) 평판재하시험에서 압력-침하 곡선은 최대시험하중까지 뚜렷한 변곡점이 없이 하중 증가에 따라 침하가 지속적으로 증가하는 형태로 나타나고, 재하판의 침하가 재하판 폭의 약 10%정도까지 발생하더라도 지반의 파괴형태는 관입전단파괴 양상으로 나타난다. 이론적인 극한지지력 값과 비교해볼 때 본 연구에서 수행한 평판재하시험은 시험하중이 극한지지력까지 못한 상태에서 종료된 것으로 추정된다.
(2) 지반이 파괴에 도달하지 않더라도 큰 재하판의 경우에는 침하가 크게 발생할 수 있으며 이는 얕은 기초의 안정성은 지지력보다는 침하량 측면이 관리하는 것이 중요함을 의미한다.
(3) 얕은 기초의 침하에 대한 크기효과는 기존 연구자들의 결과에 비해 침하비율이 크게 나타나는 것으로 확인되며, 이는 조밀한 화강풍화토 지반에서는 0.3m 재하판을 이용하여 실제 기초에 대한 침하량을 예측할 때 기존 제안식은 침하를 과소하게 평가할 수 있음을 의미한다.

후속연구

이상에서 살펴본 것과 같이 사질토에 지지된 직접기초의 침하에 대한 크기효과는 다양한 형태의 식으로 제시된 바 있지만, 대부분의 제안식은 지반조건을 한정시킨 소형의 평판재하시험에서 제안된 것으로서 국내 교량의 얕은 기초의 지지층으로 사용되는 매우 조밀한 화강풍화토지반에 대한 적용성은 확인해 볼 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	얕은 기초의 침하예측 방법은 무엇을 통해 산정할 수 있는가?	2m 이상이 되면 침하량에 의해 허용지지력이 결정되는 것으로 언급한 바 있다. 얕은 기초의 침하예측 방법은 많은 연구자들이 제안한 바 있으며 탄성론과 현장시험(SPT, CPT, PMT) 결과를 이용한 경험적 방법을 통해 산정할 수 있다. 하지만 Briaud와 Gibens(1997)에 의하면 동일한 지반조건에서도 사용하는 방법에 따라 침하 예측 결과가 큰 차이를 보이고 있어 침하예측의 신뢰성은 여전히 낮다고 볼 수 있다.
	교량의 얕은 기초는 어떤 조건의 지반에 지지되도록 설계되고 있는가?	교량의 얕은 기초는 표준관입시험에서 N값이 50회 타격시 15cm 미만 관입되는 조밀한 풍화토 또는 풍화암 지반조건보다 양호한 지반에 지지되도록 설계･시공되고 있으며 허용지지력과 허용침하량 두 가지 관점에서 모두 만족하는 결과를 보여야 안정성이 확보되는 것으로 간주한다. 지지력 공식에 의한 기초의 지지력은 기초폭에 비례하여 증가하지만 발생하는 침하량도 기초 폭에 비례하여 증가해 허용침하량을 초과하게 되므로 일정 크기 이상의 기초 설계는 허용침하량에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다(Meyerhof, 1956; Terzaghi, 1943, D'Appolonia 등, 1968).
	Terzaghi와 Peck(1948)이 제안한 경험적 방법에 대해 이후의 연구자가 권장하는 사용법은?	기초의 침하에 대한 크기효과는 많은 연구자들에 의해서 제시되어 왔으며 국내에서는 Terzaghi와 Peck(1948)이 제안한 경험적 방법을 통상적으로 사용하고 있다. 하지만 이 방법은 상대밀도를 일정하게 한 사질토에 대하여 0.3m의 재하판과 다른 크기의 재하판에 대한 제한된 시험결과를 비교하여 얻어진 결과로서, 이후의 연구자에 의하면 시험자료의 분산정도가 심하므로 가능하다면 기초가 시공되는 지반조건에 맞는 크기효과를 평가하여 사용하도록 권장하고 있다. Bond(1961)에 의하면 Terzaghi와 Peck(1948)이 제안한 크기 효과식은 기초크기가 0.

참고문헌 (13)

국토해양부 (2000), "도로교 표준시방서".
Bjerrum, L., and Eggestad, A. (1963), "Interpretation of Loading Test on Sand", Proceedings European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Wiesbaden, Vol.1, pp.135
Bond, D. (1961), "The influence of foundation size on settlement", Geotechnique, Vol.11, No.2, pp.121-143.

상세보기
Briaud, J. L and Gibbens, R. (1997), "Large Scale Load Tests and Data Base of Spread Footings on Sand", FHWA-RD-97-068, FHWA, p.217.
Clark, J. I. (1998), "The Settlement and Bearing Capacity of very Large Foundations on Strong Soils: 1996 R. M. Hardy Keynote Address", Candian Geotechnical Journal, Vol.35, pp131-145.

상세보기
D'Appolonia, D. J., D'Appolonia, E., and Brissette, R. F. (1968), "Settlement of Spread Footings on Sand", Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol.94, pp.735-760.
De Beer, E. E. (1965), "The Scale Effect on the phenomenon of progressive rupture in cohesionless soils", Proc. of 6th Intl. Conf. on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Montreal, Canada, pp.13-17.
Meyerhof, G. (1965), "Shallow Foundations", Jnl. of Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol.91, pp.21-31.
Parry, R. H. G. (1978), "Estimating Foundation Settlements in sand from Plate Bearing Tests", Geotechnique, Vol.28, No.1, pp.107-118.

상세보기
Tatsuoka, F., Sakamoto, M., Kawamura, T. and Fukushima, S. (1936), "Strength and deformation characteristics of sand in plane strain compression at extremely low pressures", Soils and Foundations, Vol.26, No.1, pp.65-84.
Terzaghi, K. and Peck, R. B. (1948), "Soil Mechanics in Engineering Practices", John Wiley & Sons, Inc., New York.
Terzaghi, K. (1943), "Theoretical Soil Mechanics". John Wiley & Sons, Inc., New York.
Vesic, A. S. (1973) "Analysis of Ultimate Loads of Shallow Foundations", Jnl. of Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol.99, pp.45-73.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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