[논문]환산SPT N값을 이용한 현장타설말뚝의 단위주면마찰지지력 산정

윤민승; 이채건; 김명학

doi:10.7843/kgs.2013.29.12.5

환산SPT N값을 이용한 현장타설말뚝의 단위주면마찰지지력 산정
Evaluation of Unit Side Resistance of Drilled Shafts by Revised SPT N Value 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.29 no.12, 2013년, pp.5 - 10

윤민승 (인제대학교, 토목공학과) , 이채건 (경남도청, 도로과) , 김명학 (인제대학교, 토목공학과)

초록
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말뚝의 지지력은 주면마찰력과 선단지지력으로 구분할 수 있고 설계지지력을 산정 시에는 말뚝의 지지형식에 따라 두 지지력을 모두 고려하거나 둘 중의 하나만을 고려하기도 한다. 본 연구에서는 국내 현장타설말뚝의 양방향재하시험을 결과를 분석하여 각 지층별로 측정된 단위주면마찰지지력 값을 국내외의 제안식으로 산정된 값과 비교분석하였다. 토사층의 경우 SPT N 값을 이용하는 제안식 값들이 재하시험을 통하여 실측된 단위주면마찰력에 비해 작아 과소평가 되고 있음을 알 수 있었고, 암반층의 경우 국내외 제안식들이 암반의 일축압축강도를 기반으로 되어있어 코아시료 채취가 어려운 국내 풍화암이나 연암층에는 적용이 곤란하여 환산된 SPT N값을 이용한 산정식을 제안하였다. 그 결과 점성토의 단위주면마찰지지력은 $f_s{\leq}5tf/m^2$, 사질토의 단위주면마찰지지력은 $f_s{\leq}15tf/m^2$의 상한값을 제안할 수 있었다. 암반층에서는 수정 SPT N값에 따라 단위주면마찰력을 제안하였는데 풍화암층은 $15tf/m^2$ < $f_s{\leq}50tf/m^2$, 연암층은 $f_s{\geq}35tf/m^2$으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bearing capacity of a drilled shaft can be separated into side resistance and base resistance. But in domestic design procedure side resistance is usually underestimated compared with base resistance. Results of bi-directional test showed that measured side resistances in each different layers are larger than those evaluated from several suggested methods. In this study, measured side resistances in each different layer of drilled shafts installed in domestic sites are analyzed and compared with evaluated side resistances from the method using revised SPT N value. For weathered rock and soft rock layer, from which rock core can hardly be obtained, we suggested new evaluated methods using revised SPT N value instead of the method using uniaxial compressive strength of rock. Resuts showed that the ranges of side resistance of cohesive and non-cohesive layer are $f_s{\leq}5tf/m^2$ and $f_s{\leq}15tf/m^2$ respectively. Range of side resistance in weathered rock is $15tf/m^2$ < $f_s{\leq}50tf/m^2$ and that in soft rock $f_s{\geq}35tf/m^2$.

주제어

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문제 정의

또한 암반층에 소켓된 현장타설말뚝의 각 지층별로 측정된 단위주면마찰지지력 값을 국내외의 제안식으로 산정된 값과 비교분석하면서 국내의 시행되는 지반조사방법 중에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 표준관입시험 값과 암반층에서의 단위 주면마찰력과의 관계를 분석하였다. 그리하여 사질토와 점성토에서의 단위주면마찰력의 수정 SPT N값에 따른 적용 범위와 암반층에서의 수정 SPT N 값에 따른 단위주면마찰력의 값을 제시하고자 한다.
위와 같이 암반에서의 단위주면마찰력 산정식들은 일축압축강도 시험값을 기반으로 하기 때문에 코아시료를 얻기가 어려운 국내 암반지지층(풍화암 및 RQD가 극히 낮은 연암)에서는 적용하기가 곤란하다. 따라서 본 연구에서 국내 지반조사방법 중에서 가장 기본적으로 사용되는 표준관입시험 SPT N값을 수정하여 이를 이용한 암반층에서의 단위주면마찰력을 산정할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 양방향재하시험 결과에서 얻은 실측된 단위주면마찰력은 암석의 일축압축강도를 기반으로 하는 Table 3에서의 제안식의 극한단위주면마찰력 값과는 상이한 결과를 보일 수가 있다.

제안 방법

(2) 각 지층의 환산 N값(N/cm)을 계산한 후 지층을 분류하고 각 지층의 상한값 내에서 단위주면마찰력을 산정하는 것이 실제 설계시 편리하고 현장 실측값에 근접한 지지력을 산정하는데 적정하였다.
1과 같이 단위길이 관입에 필요한 타격횟수(N/cm)를 계산하여 환산하는 방법을 제안하였다. 같은 50으로 나타나는 50회/25cm, 50회/10cm, 50회/5cm의 경우도 단위길이 관입에 필요한 타격횟수(N/cm)로 환산하여 나타내면 2.0, 5.0, 그리고 10.0으로 표현될 수 있는데, 이렇게 환산된 N/cm와 단위주면마찰력과의 상관관계에 대해 분석하였다.
국내 현장에 시공된 암반소켓된 현장타설말뚝의 양방향재하시험 결과를 분석하여 지층별로 측정된 단위주면마찰력 값을 국내외의 제안식으로 산정된 값과 비교분석하면서, 변환된 표준관입시험 값과 토사층 및 암반층에서의 단위주면마찰력과의 관계를 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
기존의 제안 산정식의 적정성을 파악하기 위해 산정한 값과 실측된 국내 현장의 단위주면마찰력을 비교하였다. 점성토 및 사질토층의 경우 SPT N값을 이용하는 구조물기초 설계기준 해설(KGS, 2009)에서 제안한 식 f_s = 0.
이를 확인하기 위하여 국내에서 실시한 양방향재하시험 결과에서 실측된 단위주면마찰력과 표준관입 시험 결과와의 관계를 분석하였다. 또한 암반층에 소켓된 현장타설말뚝의 각 지층별로 측정된 단위주면마찰지지력 값을 국내외의 제안식으로 산정된 값과 비교분석하면서 국내의 시행되는 지반조사방법 중에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 표준관입시험 값과 암반층에서의 단위 주면마찰력과의 관계를 분석하였다. 그리하여 사질토와 점성토에서의 단위주면마찰력의 수정 SPT N값에 따른 적용 범위와 암반층에서의 수정 SPT N 값에 따른 단위주면마찰력의 값을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 위의 제안식들 중 구조물기초 설계기준 해설(KGS, 2009)의 제안식 fs = 0.1Ns(≤ 5.0tf/m2) 식을 이용하여 점성토층에서의 단위주면마찰력을 산정하여 현장 실측치와 비교분석하였다.
사질토층에서의 선굴착 시공 말뚝의 단위주면마찰력 산정식은 Table 2에 요약하였다. 선굴착 시공 말뚝은 매입말뚝과 현장타설말뚝으로 구분할 수 있는데 장대교량 및 초고층건물의 하부기초는 주로 현장타설말뚝이 많이 사용되고 있으며, 이 논문에서 적용된 주면마찰력 실측값이 현장타설말뚝 재하시험인 양방향재하시험에서 측정된 것이므로 현장타설말뚝 산정식을 선정하였다. Table 2의 표준관입시험 N치를 이용한 제안식들 중 Meyerhof(1976)의 f = 0.
양방향재하시험 결과(한국말뚝양방향재하시험협회, 2012)를 토대로 말뚝직경, 각 지층의 토층두께 및 각 지층에서 발휘된 주면마찰력을 고려해 다음 식으로 단위주면마찰력을 산정하였다.
0tf/m²)(KGS, 2009)식에서는 적용이 불합리하다. 이런 불합리한 점을 개선하기위해 아래 Fig. 1과 같이 단위길이 관입에 필요한 타격횟수(N/cm)를 계산하여 환산하는 방법을 제안하였다. 같은 50으로 나타나는 50회/25cm, 50회/10cm, 50회/5cm의 경우도 단위길이 관입에 필요한 타격횟수(N/cm)로 환산하여 나타내면 2.
하지만 50타 이상에서는 동일한 값으로 적용하여 풍화토층에서의 주면마찰력을 과소평가 한다고 볼 수 있다. 이를 확인하기 위하여 국내에서 실시한 양방향재하시험 결과에서 실측된 단위주면마찰력과 표준관입 시험 결과와의 관계를 분석하였다. 또한 암반층에 소켓된 현장타설말뚝의 각 지층별로 측정된 단위주면마찰지지력 값을 국내외의 제안식으로 산정된 값과 비교분석하면서 국내의 시행되는 지반조사방법 중에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 표준관입시험 값과 암반층에서의 단위 주면마찰력과의 관계를 분석하였다.
이에 따른 각 지층의 단위주면마찰력 상한값을 설정하였는데 점성토층 fs≤ 5 tf /m2, 사질토층 fs≤ 10tf/m2, 암반층 fs≤ 15 tf/m2의 상한값을 제안하였다.
이에 따른 풍화암층의 단위주면마찰력의 범위는 15 tf/m2 ≤ fs ≤ 50 tf/m2, 연암층은 fs ≥ 35 tf/m2으로 제안하였다.
점성토 및 사질토층의 경우 SPT N값을 이용하는 구조물기초 설계기준 해설(KGS, 2009)에서 제안한 식 fs = 0.1Ns(≤ 5.0tf/m2), fs = 0.2Ns(≤ 5.0tf/m2)을 사용하여 단위주면마찰력 산정을 하였다(Fig. 4).
한국 말뚝 양방향재하시험 협회의 양방향재하시험사례지역 40여 군데의 현장에서 수행된 표준관입시험 결과 및 양방향말뚝재하시험 결과를 바탕으로 지층별로 단위주면마찰력을 계산하여 환산된 N/cm값의 관계를 분석하였다.

데이터처리

선굴착 시공 말뚝은 매입말뚝과 현장타설말뚝으로 구분할 수 있는데 장대교량 및 초고층건물의 하부기초는 주로 현장타설말뚝이 많이 사용되고 있으며, 이 논문에서 적용된 주면마찰력 실측값이 현장타설말뚝 재하시험인 양방향재하시험에서 측정된 것이므로 현장타설말뚝 산정식을 선정하였다. Table 2의 표준관입시험 N치를 이용한 제안식들 중 Meyerhof(1976)의 f = 0.02p_aN식을 이용하여 사질토층에서의 단위주면마찰력을 산정하여 현장 실측치와 비교분석하였다.

성능/효과

(1) 점성토, 사질토층 모두 기존의 제안식 값들은 실측값에 비해 과소평가하고 있으며 특히 SPT N값 50타/30cm 이상에서의 제안식에 의해 산정된 값들은 실측값들에 비해 매우 과소평가되고 있음을 알 수 있었다.
(3) 환산된 N값(N/cm)에 따라 각 지층의 단위주면마찰력을 분석한 결과 점성토의 주면마찰력은 fs≤ 5 tf /m2,사질토에서는 fs≤ 15 tf /m2의 상한 값을 제안할 수 있었고, 암반의 경우는 풍화암은 15 tf/m2 < fs ≤ 50 tf/m2,연암은 fs ≥ 35 tf/m2으로 제안하였다.
표준관입 시험의 SPT N값을 이용하는 산정식 값과 양방향재하시험 결과의 실측치를 비교해본 결과 실측값에 비하여 산정식 값이 낮게 나타나 단위주면마찰력을 과소평가하는 것으로 나타났다. 특히 토사층의 경우 구조물 기초 설계기준 해설(KGS, 2009)에서 제안하는 식들은 실제 실측값에 비해 지나치게 과소평가 하고 있음을 알 수 있었다.
2(a)에서는 토사층을 점성토층, 사질토층(풍화토층 포함)으로 구분하여 환산 N값(N/cm)과 단위주면마찰력의 관계를 점으로 찍고, 회귀곡선으로 나타내었다. 희귀곡선의 분석 결과 점성토는 f_s = 0.08N, 사질토는 f_s = 0.11N으로 나타났다(N은 환산된 N값). 또한 환산된 N값(N/cm)은 대부분 150 이하에서 분포되었으며 단위주면마찰력은 10tf/m² 이하의 값을 나타내었다.

후속연구

특히 토사층의 경우 구조물 기초 설계기준 해설(KGS, 2009)에서 제안하는 식들은 실제 실측값에 비해 지나치게 과소평가 하고 있음을 알 수 있었다. 이는 현장타설말뚝 설계시 토사층 및 암반층의 단위주면마찰력을 환산된 SPT N 값에 따라 적절하게 적용한다면 말뚝의 길이 축소 및 말뚝 수량의 줄여 경제적인 설계을 할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	말뚝의 지지력은 어떻게 구분할 수 있는가?	말뚝의 지지력은 주면마찰력과 선단지지력으로 구분할 수 있고 설계지지력을 산정 시에는 말뚝의 지지형식에 따라 두 지지력을 모두 고려하거나 둘 중의 하나만을 고려하기도 한다. 본 연구에서는 국내 현장타설말뚝의 양방향재하시험을 결과를 분석하여 각 지층별로 측정된 단위주면마찰지지력 값을 국내외의 제안식으로 산정된 값과 비교분석하였다.
	국내에 시공되는 암반층에 소켓된 현장타설말뚝의 경우 선단지지력에 비해 소켓된 암반층에서의 주면마찰력은 과소평가 되고 있는 이유는?	하지만 국내에 시공되는 암반층에 소켓된 현장타설말뚝의 경우 선단지지력에 비해 소켓된 암반층에서의 주면마찰력은 과소평가 되고 있는 실정이다. 이는 국내외의 제안된 암반층에서의 단위주면마찰력 산정식이 암반의 일축압축강도를 기반으로 하지만 국내 암반층 즉, 풍화암층이나 RQD가 10% 미만인 연암층에서는 일축압축강도시험을 할 수 있는 코어를 얻기가 현실적으로 어려워 안정적으로 설계하기 위해서 콘크리트 강도를 사용하기 때문이다. 또한 토사층에서의 주면마찰력 산정은 표준관입시험 결과를 사용하지만 국내에서는 풍화토층이 활발히 분포되어 있어 표준관입시험 결과값이 50타/30cm 이상의 강도를 발휘되는 경우가 있다.
	선굴착 시공 말뚝은 어떻게 구분할 수 있는가?	사질토층에서의 선굴착 시공 말뚝의 단위주면마찰력 산정식은 Table 2에 요약하였다. 선굴착 시공 말뚝은 매입말뚝과 현장타설말뚝으로 구분할 수 있는데 장대교량 및 초고층건물의 하부기초는 주로 현장타설말뚝이 많이 사용되고 있으며, 이 논문에서 적용된 주면마찰력 실측값이 현장타설말뚝 재하시험인 양방향재하시험에서 측정된 것이므로 현장타설말뚝 산정식을 선정하였다. Table 2의 표준관입시험 N치를 이용한 제안식들 중 Meyerhof(1976)의 f = 0.

참고문헌 (11)

Briaud, J. L., Tucker, L., Lytton, R. L., and Coyle, H. M. (1985), Behavior of Piles and Pile Groups in Cohesionless, Final Report, Report No. FHWA/RD-83/038, NTIS PB86-152089/AS.
Canadian Geotechnical Society (2006), Canadian Foundation Engineering Manual, 4th Edition, Vancouver, BC., BiTech Publishers.
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KGS (2009), Explanation of Structure Foundation Design Code, Goomibook, pp.293-368. (In Korean) KGS (2009), 구조물 기초 설계기준 해설, Goomibook, pp.293-368.
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KSCE (2001), Explanation of Road Bridge Design Code, Kimoondang, pp.207-313. (In Korean) KSCE (2001), 도로교설계기준 해설, Kimoondang, pp.207-313.
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Meyerhof, G. G. (1976), Bearing Capacity and Settlement of Pile Foundations, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, pp.197-228.
NAVFAC (1982), Foundations and earth structures, Design manual 7.2, Dept. of the Navy Naval Facilities eng. Command.
No, J. H. and Lee, D. H. (2003), Design calculation Example for SPTN value and Foundation, Gunsulbook, pp.17-89. (In Korean) No, J. H. and Lee, D. H. (2003), N치와 기초구조물의 설계 계산예, Gunsulbook, pp.17-89.
Reese, L. C. and O'Neill, M. W. (1988), Drilled Shafts Student Workbook, NHI Course. 13214, Federal Highway Administration, August.

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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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