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문제 정의
- Figure 4의 (a)는 가속도 60g 조건에서의 실규모로 도식한 센서말뚝으로 말뚝기초 벽면에 변형률계를 부착하여 재하하중 증가에 따른 하중-전이 특성을 분석할수 있도록 하였다. 또한 Figure 4의 (b)와 같이 말뚝지지 전면기초내의 무리말뚝기초에 센터, 가장자리, 모서리 부분에 센서말뚝을 설치하여 재하하중 단계에 따른 무리말뚝 기초의 하중-전이 특성을 분석하고자 하였으며, 무리말뚝기초 - 지반 - 전면기초의 상호작용에 따른 지지력특성 변화를 분석하고자 하였다. 전면기초와 말뚝 지지 전면기초의 말뚝 캡(전면기초), 무리말뚝기초 말뚝 캡은 모두 15cm로 제작하여 실제 규모 9m의 정사각형 기초의 거동특성을 원심모형시험에 반영하도록 하였다.
- 본 연구에서는 말뚝지지 전면기초에서 발생하는 지지력요소들의 상호작용을 규명하기 위해 원심모형시험을 적용한 무리말뚝, 말뚝지지 전면기초, 전면기초, 단독 말뚝기초의 하중-재하 시험을 수행하였으며, 무리말 뚝-지반, 무리말뚝-지반-전면기초의 상호작용으로 구분 하여 각각의 영향인자와 하중단계에 따른 지지력 특성 변화를 분석하였다. 또한 동일한 조건의 말뚝지지 전면 기초 하중-재하시험을 단단한 점성토지반과 연약한 점성토지반에서 수행하여 지반특성에 따른 말뚝지지 전면기초의 상호작용 변화를 분석하였다.
- 본 연구에서는 점성토지반을 대상으로 말뚝지지 전면기초에서 발생하는 지지력요소들의 상호작용을 규명 하기 위해 원심모형시험을 적용한 무리말뚝, 말뚝지지 전면기초, 전면기초, 단독 말뚝기초의 하중-재하 시험을 수행하였다. 이를 통하여 무리말뚝기초-지반, 무리말뚝 기초-지반-전면기초, 전면기초-지반-무리말뚝기초의 상호작용에 따른 개별적 지지력요소들의 특성변화를 분석하였다.
제안 방법
- 각각의 실험에서 적용된 모형기초는 알루미늄 합금(Aluminum alloy)를 적용하여 제작하였으며, PHC 말뚝기초의 탄성계수(35GPa)와 알루미늄의 탄성계수(70GPa)를 고려하여 각각의 단말뚝기초 및 무리말뚝 모형기초에 적용된 외경 10mm, 내경 8mm, 길이 25cm의 알루미늄 말뚝기초는 60g 실험조건(prototype) 에서 외경 600mm, 두께 140mm(내경 320mm), 깊이 15m의 PHC 말뚝기초의 특성을 반영하도록 적용하였다. Figure 4의 (a)는 가속도 60g 조건에서의 실규모로 도식한 센서말뚝으로 말뚝기초 벽면에 변형률계를 부착하여 재하하중 증가에 따른 하중-전이 특성을 분석할수 있도록 하였다. 또한 Figure 4의 (b)와 같이 말뚝지지 전면기초내의 무리말뚝기초에 센터, 가장자리, 모서리 부분에 센서말뚝을 설치하여 재하하중 단계에 따른 무리말뚝 기초의 하중-전이 특성을 분석하고자 하였으며, 무리말뚝기초 - 지반 - 전면기초의 상호작용에 따른 지지력특성 변화를 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 말뚝지지 전면기초에서 발생하는 지지력요소들의 상호작용을 규명하기 위해 원심모형시험을 적용한 무리말뚝, 말뚝지지 전면기초, 전면기초, 단독 말뚝기초의 하중-재하 시험을 수행하였으며, 무리말 뚝-지반, 무리말뚝-지반-전면기초의 상호작용으로 구분 하여 각각의 영향인자와 하중단계에 따른 지지력 특성 변화를 분석하였다. 또한 동일한 조건의 말뚝지지 전면 기초 하중-재하시험을 단단한 점성토지반과 연약한 점성토지반에서 수행하여 지반특성에 따른 말뚝지지 전면기초의 상호작용 변화를 분석하였다.
- 또한 말뚝지지 전면기초의 수치해석 연구를 통하여 전면기초의 상호작용 계수αUR를 Figure 3과 같이 분석하였으며, 말뚝지지 전면기초의 기초형상을 기준으로 식 (8)과 같이 상호작용 계수αUR를 산정할 것을 제안하였다.
- 실험지반의 지반조성에 있어 균질한 성분조성을 위해 동일한 함수비 (120%) 조건으로 분말형태의 점토와 물을 교반기를 통하여 점토슬러리를 조성하였으며, 완전포화된 점성토지반의 구현을 위해 Figure 5의 (a)와 같이 진공(Vaccum) 장치가 설치된 점토 교반기(Clay mixer)를 사용하였다. 또한 점성토지반의 교반 시에 진공장치를 같이 사용하여, 점성토지반의 교반과 함께 강제적인 공기배출이 함께 수행되어 분말 점토입자 사이의 공극이 완전 포화되도록 지반을 조성하였다. 조성된 점토슬러리는 선행압밀하중을 통하여 단단한 점성토지반과 연약한 점성토지반으로 지반조건을 구현하였으며, Figure 5의 (b)에서와 같이 일축압밀기를 사용하여 단단한 점성토지반(선행압밀하중: 300kPa)과 연약한 점성토지반(선행압밀하중: 50kPa)으로 조성하였다.
- 조성된 점토슬러리는 선행압밀하중을 통하여 단단한 점성토지반과 연약한 점성토지반으로 지반조건을 구현하였으며, Figure 5의 (b)에서와 같이 일축압밀기를 사용하여 단단한 점성토지반(선행압밀하중: 300kPa)과 연약한 점성토지반(선행압밀하중: 50kPa)으로 조성하였다. 또한 점성토지반의 압밀에 있어 원형토조의 벽면, 아랫면, 윗면에 배수재 및 배수층을 설치하여 점토슬러리의 배수가 원활하도록 하였으며, 충분한 시간간격을 두고 점차적으로 선행압밀하중을 증가하여 지반의 교란이 발생하지 않도록 하였다.
- 말뚝지지 전면기초의 상호작용 특성을 분석하기 위해 원심모형시험을 수행하였으며, 국내 교량기초에서 자주 적용되는 PHC 무리말뚝기초를 모형화 하여 말뚝 지지 전면기초의 거동특성 변화를 분석하였다. 이를 위해 KOCED 지오센트리퓨지 실험센터내의 원심모형시험기를 활용하였으며 말뚝지지 전면기초(PR), 무리말뚝 기초(GP), 전면기초(UR), 단독 말뚝기초(SP)의 하중 재하시험을 수행하여 말뚝지지 전면기초의 상호작용에 의한 개별지지력 요소들의 거동특성을 분석하고자 하였다.
- 조성된 점성토지반은 원심모형실험기의 실험대 위로 이동하여 하중재하실험 기기를 설치하였으며, 하중재하기, 로드셀, 모형기초, LVDT 등의 계측장비 설치 및 모형기초 계측센서의 데이터로고 연결을 완료하였다. 모형기초의 관입은 가속도 1g 상태에서 수행하였으며, 연결된 센서의 신호여부 및 기타 실험준비가 완료된 이후 원심모형시험기를 작동하여 실험가속도 60g조건에서 하중재하실험을 수행하였다.
- 모형기초의 제작, 모형기초실험의 하중-침하곡선 및 실험의 경계조건 등은 Table 2와 같은 원심모형실험의 역학적 상사비를 적용하여 실험을 계획하였으며, 실험 수행 가속도인 60g에서의 상사비를 적용하여 각각의 물리량 등을 환산하였다. 각각의 실험에서 적용된 모형기초는 알루미늄 합금(Aluminum alloy)를 적용하여 제작하였으며, PHC 말뚝기초의 탄성계수(35GPa)와 알루미늄의 탄성계수(70GPa)를 고려하여 각각의 단말뚝기초 및 무리말뚝 모형기초에 적용된 외경 10mm, 내경 8mm, 길이 25cm의 알루미늄 말뚝기초는 60g 실험조건(prototype) 에서 외경 600mm, 두께 140mm(내경 320mm), 깊이 15m의 PHC 말뚝기초의 특성을 반영하도록 적용하였다.
- 무리말뚝기초와 전면지지 말뚝기초 모두 단독 말뚝기초와 동일한 조건의 모형말뚝기초를 전면기초에 결합 하는 방법을 적용하여 4×4 PHC 무리말뚝기초, 4×4 PHC 말뚝지지 전면기초의 거동특성을 실험에 적용하였으며, 무리말뚝 및 말뚝지지 전면기초의 말뚝간격은 4D(D: 말뚝기초의 직경)으로 설정하여 말뚝간격은 4D 에서의 블록파괴의 유무 및 무리말뚝기초의 효과가 없는 것으로 간주되는 범위(말뚝기초의 간격 5D이상; Jeong and kim, 1998)내에서의 거동특성을 분석하고자 하였다.
- 원심모형실험을 적용한 모형기초의 재하실험은 점성 토지반을 대상으로 수행되었으며, 단단한 상태와 연약한 상태로 구분하여 모형지반을 조성하였다. 점성토지 반의 조성은 분말성분의 카올리나이트(Kaolinite) 점토를 물과 혼합하여 인공적으로 조성하는 방법을 적용하였으며, 사용한 카올리나이트는 정제된 판상의 결정 구조를 가진 분말 형태의 제품으로 소성지수(PI)=34.
- 말뚝지지 전면기초의 상호작용 특성을 분석하기 위해 원심모형시험을 수행하였으며, 국내 교량기초에서 자주 적용되는 PHC 무리말뚝기초를 모형화 하여 말뚝 지지 전면기초의 거동특성 변화를 분석하였다. 이를 위해 KOCED 지오센트리퓨지 실험센터내의 원심모형시험기를 활용하였으며 말뚝지지 전면기초(PR), 무리말뚝 기초(GP), 전면기초(UR), 단독 말뚝기초(SP)의 하중 재하시험을 수행하여 말뚝지지 전면기초의 상호작용에 의한 개별지지력 요소들의 거동특성을 분석하고자 하였다. 실험에 적용된 지반종류는 점성토지반으로 총 8세트의 원심모형시험-하중재하시험을 수행하였으며, 자세한 실험조건 및 실험에 적용된 모형기초의 제원은 Table 1과 같다.
- 본 연구에서는 점성토지반을 대상으로 말뚝지지 전면기초에서 발생하는 지지력요소들의 상호작용을 규명 하기 위해 원심모형시험을 적용한 무리말뚝, 말뚝지지 전면기초, 전면기초, 단독 말뚝기초의 하중-재하 시험을 수행하였다. 이를 통하여 무리말뚝기초-지반, 무리말뚝 기초-지반-전면기초, 전면기초-지반-무리말뚝기초의 상호작용에 따른 개별적 지지력요소들의 특성변화를 분석하였다. 본 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
- 또한 Figure 4의 (b)와 같이 말뚝지지 전면기초내의 무리말뚝기초에 센터, 가장자리, 모서리 부분에 센서말뚝을 설치하여 재하하중 단계에 따른 무리말뚝 기초의 하중-전이 특성을 분석하고자 하였으며, 무리말뚝기초 - 지반 - 전면기초의 상호작용에 따른 지지력특성 변화를 분석하고자 하였다. 전면기초와 말뚝 지지 전면기초의 말뚝 캡(전면기초), 무리말뚝기초 말뚝 캡은 모두 15cm로 제작하여 실제 규모 9m의 정사각형 기초의 거동특성을 원심모형시험에 반영하도록 하였다.
대상 데이터
- 5kN/m3으로 자세한 화학적 성분은 Table 3과 같다. 실험지반의 지반조성에 있어 균질한 성분조성을 위해 동일한 함수비 (120%) 조건으로 분말형태의 점토와 물을 교반기를 통하여 점토슬러리를 조성하였으며, 완전포화된 점성토지반의 구현을 위해 Figure 5의 (a)와 같이 진공(Vaccum) 장치가 설치된 점토 교반기(Clay mixer)를 사용하였다. 또한 점성토지반의 교반 시에 진공장치를 같이 사용하여, 점성토지반의 교반과 함께 강제적인 공기배출이 함께 수행되어 분말 점토입자 사이의 공극이 완전 포화되도록 지반을 조성하였다.
- 모형기초의 제작, 모형기초실험의 하중-침하곡선 및 실험의 경계조건 등은 Table 2와 같은 원심모형실험의 역학적 상사비를 적용하여 실험을 계획하였으며, 실험 수행 가속도인 60g에서의 상사비를 적용하여 각각의 물리량 등을 환산하였다. 각각의 실험에서 적용된 모형기초는 알루미늄 합금(Aluminum alloy)를 적용하여 제작하였으며, PHC 말뚝기초의 탄성계수(35GPa)와 알루미늄의 탄성계수(70GPa)를 고려하여 각각의 단말뚝기초 및 무리말뚝 모형기초에 적용된 외경 10mm, 내경 8mm, 길이 25cm의 알루미늄 말뚝기초는 60g 실험조건(prototype) 에서 외경 600mm, 두께 140mm(내경 320mm), 깊이 15m의 PHC 말뚝기초의 특성을 반영하도록 적용하였다. Figure 4의 (a)는 가속도 60g 조건에서의 실규모로 도식한 센서말뚝으로 말뚝기초 벽면에 변형률계를 부착하여 재하하중 증가에 따른 하중-전이 특성을 분석할수 있도록 하였다.
- 이를 위해 KOCED 지오센트리퓨지 실험센터내의 원심모형시험기를 활용하였으며 말뚝지지 전면기초(PR), 무리말뚝 기초(GP), 전면기초(UR), 단독 말뚝기초(SP)의 하중 재하시험을 수행하여 말뚝지지 전면기초의 상호작용에 의한 개별지지력 요소들의 거동특성을 분석하고자 하였다. 실험에 적용된 지반종류는 점성토지반으로 총 8세트의 원심모형시험-하중재하시험을 수행하였으며, 자세한 실험조건 및 실험에 적용된 모형기초의 제원은 Table 1과 같다.
- 원심모형실험을 적용한 모형기초의 재하실험은 점성 토지반을 대상으로 수행되었으며, 단단한 상태와 연약한 상태로 구분하여 모형지반을 조성하였다. 점성토지 반의 조성은 분말성분의 카올리나이트(Kaolinite) 점토를 물과 혼합하여 인공적으로 조성하는 방법을 적용하였으며, 사용한 카올리나이트는 정제된 판상의 결정 구조를 가진 분말 형태의 제품으로 소성지수(PI)=34.5, 통일분류법상의 기준에서 CH, 단위중량은 16.5kN/m3으로 자세한 화학적 성분은 Table 3과 같다. 실험지반의 지반조성에 있어 균질한 성분조성을 위해 동일한 함수비 (120%) 조건으로 분말형태의 점토와 물을 교반기를 통하여 점토슬러리를 조성하였으며, 완전포화된 점성토지반의 구현을 위해 Figure 5의 (a)와 같이 진공(Vaccum) 장치가 설치된 점토 교반기(Clay mixer)를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 점성토지반에서의 무리말뚝기초 - 지반의 상호작용으로 지지력 증대효과 보다 침하량 증가 특성이 더욱 크게 작용하고 있으며, 상호작용에 무리말뚝기초의 수평방향의 법선응력 증가 및 말뚝기초의 주면마찰력 증가 효과는 나타나지 않는 것으로 확인되었다.
- (2) 점성토지반에서의 무리말뚝기초 - 전면기초 상호작용에 의한 말뚝기초의 지지력특성 변화는 크게 작용하지 않는 것으로 나타났으며, 기존의 연구에서 제안되었던 무리말뚝기초-지반-전면기초에 의한 지중응력 증가 및 무리말뚝기초의 지지력 증대효과는 적용되지 않는 것으로 확인되었다. 말뚝지지 전면 기초 중앙에 설치된 말뚝기초의 경우 무리말뚝기초-전면기초의 상호작용에 의해 지지력이 감소하는 경향이 나타나고 있으나, 전체 무리말뚝기초 지지력의 감소량은 크지 않는 것으로 확인되었다.
- (3) 점성토 지반에서의 전면기초-무리말뚝기초의 상호작용으로 인한 말뚝지지 전면기초내의 전면기초의 지지력 감소특성은 나타나지 않고 있으며, 말뚝기초 침하에 따른 전면기초 저면지반의 영향은 적은 것으로 확인되었다.
- 단단한 점성토지반의 경우, Figure 6의 (a)에서 보는바와 같이 초기 재하하중에서 약 5MN 까지의 재하하중 구간에서 무리말뚝기초와 16배 지지력을 증가한 단독 말뚝기초의 하중-침하 곡선이 비슷한 경향을 보이고 있으나, 점차적인 하중증가에 따라 무리말 뚝기초의 침하량이 증가하는 특성을 나타내고 있다. 극한지지력 기준에서는 무리말뚝기초의 경우 약 13.5MN, 16배한 단독말뚝기초의 경우 약 11MN으로 측정되었으며, 16배한 단독말뚝기초에 비해 무리말뚝기초에서 약 22% 큰 것으로 나타나고 있다. 연약한 점성토지반의 경우 Figure 6의 (b)에서와 같이 초기재하하중에서부터 극한지지력에 도달할 때 까지 무리말뚝기초와 16배한 단독 말뚝기초는 유사한 하중-침하 특성을 보이고 있다.
- (2009)의 실험결과와 본 연구에서의 분석을 통하여 점성토지반에서 자주 발생하는 것으로 나타나고 있는 무리말뚝기초의 블록파괴는 지반조건에 상관없이 무리말뚝기초의 간격이 4D 미만(본 연구의 경우 4×4 배열, 16개 무리말뚝기초)에서 발생하는 것으로 확인되었으며, 기존의 연구에서 제안되었던 점성토지반에서의 블록파괴 기준인 말뚝기초의 간격 4D 미만(De Mello 1969; Cooke 1986) 및 Jeong and kim(1998)이 제안한 5D 등의 기준에 상응하는 것으로 나타나고 있다. 기초구조물의 보편적 허용침하량으로 간주되는 25mm 기준에서, 무리말뚝기초는 극한지지력에 도달하는 것을 확인할 수 있으며, 무리말뚝기초-지반의 상호작용에 의한 영향은 극한지지력 기준 무리말뚝기초의 설계에 있어 크게 작용하지 않는 것을 확인되고 있다. 또한 무리말뚝기초의 지지력은 극한지지력 도달 이후 침하량 증가에 따라 일정한 값을 나타내고 있어, 전체지지력의 주면마찰력에 의해 주도되고 있음을 알 수 있다.
- 무리말뚝기초 및 말뚝지지 전면기초 내의 무리말뚝 기초의 극한지지력은 Figure 7에서와 같이 단단한 점성 토지반 연약한 점성토지반 모두 비슷한 값을 보이고 있다. 단단한 점성토지반의 경우 약 14MN, 연약한 점성토지반의 경우 약 2.5MN의 극한지지력을 나타나고 있으며, 침하량 증가에 따라 말뚝지지 전면기초내의 무리말 뚝기초의 지지력 증가특성은 없는 것으로 확인되었다. 또한 단단한 점성토지반의 경우 침하량 증가에 따라 말뚝지지 전면기초 내의 무리말뚝기초에서 지지력이 감소하는 특성이 나타나고 있다.
- 단단한 점성토지반의 경우 Figure 8의 (a)에서와 같이 말뚝지지 전면기초내의 말뚝기초 위치에 따라 극한지지력과 하중-침하 특성이 다르게 나타나고 있다. 말뚝기초의 극한지지력은 중앙 말뚝기초(A)에서 약 0.7MN, 가장자리 말뚝기초(B)에서 약 0.85MN, 모서리 말뚝기초(C)에서 약 1.0MN로 측정되었으며, 중앙 말뚝기초에서 가장 작고 모서리 말뚝기초에서 가장 큰 경향을 보여 주고 있다. 이와 같은 경향성은 무리말뚝기초-전면기초의 상호작용에 의한 것으로 간주할 수 있다.
- (2) 점성토지반에서의 무리말뚝기초 - 전면기초 상호작용에 의한 말뚝기초의 지지력특성 변화는 크게 작용하지 않는 것으로 나타났으며, 기존의 연구에서 제안되었던 무리말뚝기초-지반-전면기초에 의한 지중응력 증가 및 무리말뚝기초의 지지력 증대효과는 적용되지 않는 것으로 확인되었다. 말뚝지지 전면 기초 중앙에 설치된 말뚝기초의 경우 무리말뚝기초-전면기초의 상호작용에 의해 지지력이 감소하는 경향이 나타나고 있으나, 전체 무리말뚝기초 지지력의 감소량은 크지 않는 것으로 확인되었다.
- 이를 통하여 점성토지반에서의 말뚝지지 전면기초의 상호작용에 의한 말뚝기초의 지지력특성 변화는 크게 작용하지 않는 것을 확인할 수 있으며, 기존의 연구에서 제안되었던 무리말뚝기초-지반-전면기초에 의한 지중 응력 증가 및 무리말뚝기초의 지지력 증대효과는 지지력증대효과는 미미한 것으로 나타나고있다.
후속연구
- 그러나 점성토지반에서의 말뚝지지 전면기초 상호작용 분석에 있어 실험조건의 구현, 하중 재하장치 및 지반조성 등의 한계성에 기인하여 원심모형실험을 적용한 제한적인 실험 사례를 기준으로 분석이 이루어져 왔다. 따라서 점성토지반에서 말뚝지지 전면기초의 하중-침하 특성과 함께 상호작용 효과를 반영한 전면기초(말뚝 캡) 및 말뚝지지 전면기초 내의 무리말뚝기초의 지지력 특성변화 등의 상호작용에 대한 분석은 아직까지 불분명하며, 계속적인 연구가 필요하다.
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