[논문]사질토 지반에 설치된 현장타설말뚝의 말뚝지름에 따른 주면마찰력 분석

이성준

doi:10.7843/kgs.2013.29.1.161

사질토 지반에 설치된 현장타설말뚝의 말뚝지름에 따른 주면마찰력 분석
Analysis of Diameter Effects on Skin Friction of Drilled Shafts in Sand 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.29 no.1, 2013년, pp.161 - 170

이성준 (청주대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 사질토지반의 거동을 상세히 모사할 수 있는 탄소성모델 및 말뚝절편 수치해석을 적용하여 말뚝지름에 따른 사질토지반에 설치된 현장타설말뚝의 주면마찰거동을 분석하였다. 수치해석 결과는 현재 사용되는 설계방법과 비교하여 극한주면마찰력과 t-z거동을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 말뚝지름이 감소함에 따라 말뚝-지반 경계면 및 주위지반에 국부적으로 발생되는 체적팽창과 이에 따라 말뚝주면에 발현되는 유효수평응력이 더 크게 발생하기 때문에 극한주면마찰력이 증가하는 것으로 나타났다. 말뚝지름이 감소함에 따라 t-z곡선 기울기의 증가는 말뚝재하에 따라 발생하는 세가지 전단단계(초기, 체적팽창, 및 일정체적 전단단계)가 일찍 발현되기 때문인 것으로 나타났다. 이러한 현장타설말뚝의 말뚝지름에 따른 극한주면마찰력에 대한 영향은 사질토지반의 상대밀도가 증가하고 구속압이 감소할수록 커지는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, numerical pile segment analysis is conducted with an advanced soil elastoplastic model to investigate the diameter effects on skin friction behaviour of a drilled shaft in sand. Ultimate skin friction and 't-z' behavior from the pile segment analyses for drilled shafts show good agreement with those from design methods. Higher ultimate skin friction for the smaller diameter pile is related to the greater increase in the effective radial stress at the interface due to the localized dilation at and near the pile interface. Stiffer t-z curve for the smaller diameter pile is related to the early occurrence of three shear stages (early, dilation, constant volume shear stages). The diameter effects on ultimate skin friction of drilled shafts are more prominent for denser sand and lower confining pressure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 사질토지반의 거동을 적절히 모사할수 있는 탄소성지반모델을 적용하여 다양한 상대밀도의 사질토에 설치된 현장타설말뚝의 지름에 따른 주면 마찰거동에 미치는 영향을 말뚝절편 수치해석법을 사용하여 고찰하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 현장타설말뚝의 주면주위 사질토지반의 전단거동을 합리적인 수치해석적 기법을 적용하여 분석하고 이를 통해 상대밀도와 말뚝지름에 따라 주면 마찰거동에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 이를 위해 수직하중을 받는 현장타설말뚝의 절편을 대상으로 말뚝주면에 인접한 사질토지반의 응력-변형률-체적변형률의 변화를 비교적 정확히 예측할 수 있는 지반 구성방정식을 적용한 유한요소해석을 수행하였다.

가설 설정

말뚝절편은 포화단위중량이 20kN/m3인 포화된 균질한 모래지반에 설치되었다고 가정하고 깊이에 따른 초기 유효수직응력(σ‘v0)을 산정하고 지반이 정규 압밀되었다고 가정하여 말뚝지름방향의 초기 유효수평응력(σ‘r0 = K0σ‘v0, 여기서 정지토압 계수 K0 = 1 - sinø', ø'=유효내부마찰각)을 산정한다.
본 연구에서는 현장타설말뚝의 주면이 매우 거친점을 고려하여 말뚝-지반 경계면의 거동은 얇은 경계면 요소 모델(thin interface element model)을 적용하였다. 즉, 말뚝주면의 변위에 따라 전단파괴는 말뚝-지반 접촉면에서 발생하는 것이 아니라 경계면 주위 지반에서 발생한다고 가정한다. 따라서 Fig.

제안 방법

0.2, 0.5, 1.68 및 3.0m의 서로 다른 지름을 가지는 현장 타설말뚝들은 Fig. 3에 나타난 말뚝반경(pile radius)을 각각 0.1, 0.25, 0.84 및 1.5m로 지정함으로써 해석에 적용하였다.
(1) 본 연구에서 사용된 탄소성모델을 적용한 말뚝절편 수치해석법의 검증을 위해 수치해석결과를 현재 설계에서 적용되고 있는 β 방법을 이용하여 산정된 극한주면마찰력과 여러 현장재하실험으로부터 산정된 정규화된 t-z곡선과 비교·분석하였다.
Fig. 5에서와 같이 말뚝 지름에 따른 t-z 곡선들을 β 방법으로 산정된 극한 주면마찰력과 비교하였다.
지반 굴착방법 및 천공보호를 위해 사용되는 슬러리의 종류에 따라 천공 주위지반에 미치는 영향은 다양하며 이를 수치해석적으로 예측하기는 매우 힘들다. 따라서 본 연구에서는 설치 최종단계인 콘크리트 타설에 따른 영향만을 고려하여 유효 유동 콘크리트 하중에 해당되는 응력을 말뚝-지반 경계면에 작용하였다. 이 때 물의 단위중량을 뺀 유동 콘크리트의 단위중량은 12.
3은 말뚝절편 해석에 적용된 유한요소망(mesh)의 개략적인 모식도를 나타내고 있다. 말뚝요소는 지반에 비해 강성거동을 보이므로 변위 경계면으로 대체하였으며 지반은 8개의 절점과 감소된 적점을 가지는 축대칭 요소로 구성하였다. 0.
극한주면마찰력은 일반적으로 말뚝지름의 1%이하의 침하량에서 완전히 발현된다(O'Neil and Reese,1999). 본 연구에서 사용되는 최대 말뚝지름인 3.0m를 고려하면 약 30mm의 침하량이 필요하며 극한상태 이후의 거동을 관찰하기 위하여 말뚝 주면에 해당하는 변위경계조건의 수직변위를 50mm까지 작용하였다.
, 1990; Ling and Liu, 2003) 본 연구에서도 같은 값을 적용하였다. 본 연구에서 적용한 모델변수는 Lee(2004)가 Sacramento River 모래를 대상으로 여러 구속압과 상대밀도에 대해 개발한 데이터베이스로부터 산정하였다.
여기서 극한주면마찰력은 초기 지반조건에서 예상되는 전단응력(σ‘r0tanø')으로 정규화 하였다.
1). 이 방법은 말뚝길이가 긴 마찰말뚝의 주면마찰 거동분석에 널리 사용되고 있으며 말뚝요소는 지반에 비해 상대적으로 강체거동을 보이므로 변위 경계조건으로 대체하며 말뚝주위 지반 요소내의 상하 절점의 상대 변위 및 회전을 구속하여(즉 강성기둥(rigid beam)으로 가정) 지반의 전단거동을 분석한다.
본 연구에서는 현장타설말뚝의 주면주위 사질토지반의 전단거동을 합리적인 수치해석적 기법을 적용하여 분석하고 이를 통해 상대밀도와 말뚝지름에 따라 주면 마찰거동에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 이를 위해 수직하중을 받는 현장타설말뚝의 절편을 대상으로 말뚝주면에 인접한 사질토지반의 응력-변형률-체적변형률의 변화를 비교적 정확히 예측할 수 있는 지반 구성방정식을 적용한 유한요소해석을 수행하였다.
해석 본 연구에서는 사질토지반의 상대밀도에 따른 현장타설말뚝의 주면마찰거동에 미치는 영향을 고찰하기 위해 35%, 55% 및 75%의 3가지 다른 상대밀도에 대해 검토하였으며 0.2, 0.5, 1.68 및 3.0 m의 서로 다른 지름을 가지는 현장타설말뚝을 대상으로 말뚝지름에 따른 영향을 고찰하였다. 깊이 10m에 위치한 말뚝절편을 대상으로 하였다.

대상 데이터

0 m의 서로 다른 지름을 가지는 현장타설말뚝을 대상으로 말뚝지름에 따른 영향을 고찰하였다. 깊이 10m에 위치한 말뚝절편을 대상으로 하였다. 이를 위해 범용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS(ver 6-10, 2010)를 이용하여 말뚝절편 해석법을 수행하였다.

이론/모형

따라서 복잡한 말뚝주위 사질토지반의 전단거동을 적절히 모사하기 위해 탄소성모델(elastoplastic soil model)을고려하였으며 본 연구에서는 Pastor et al.(1990)이 제안한 Pastor-Zienkiewicz (P-Z)모델을 적용하였다.
단독 현장타설말뚝의 주면마찰거동을 분석하기 위해 Potts and Martins(1982)가 제안한 말뚝절편 해석법을 사용하였다. 이 방법은 반무한 공간에 설치된 말뚝이 재하되는 경우 수평방향의 한 절편을 취해 3차원적인 말뚝지반의 거동을 2차원 축대칭 모델로 묘사하는 방법이다(Fig.
본 연구에서는 현장타설말뚝의 주면이 매우 거친점을 고려하여 말뚝-지반 경계면의 거동은 얇은 경계면 요소 모델(thin interface element model)을 적용하였다. 즉, 말뚝주면의 변위에 따라 전단파괴는 말뚝-지반 접촉면에서 발생하는 것이 아니라 경계면 주위 지반에서 발생한다고 가정한다.
수치해석을 통해 산정된 극한 주면마찰력(τmax)은 현재 구조물 기초설계기준 해설(한국지반공학회, 2009)에서도 적용하고 있는 O'Neill and Reese(1999)이 제안한 방법(β 방법)으로 산정한 극한 주면마찰력과 비교하였다(식 (9) 참조).
이를 위해 범용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS(ver 6-10, 2010)를 이용하여 말뚝절편 해석법을 수행하였다. 위에서 설명한 P-Z 모델은 ABAQUS 에서 제공하는 사용자정의 서브루틴을 통해 지반의 거동을 모사할 수 있도록 하였다. Fig.
깊이 10m에 위치한 말뚝절편을 대상으로 하였다. 이를 위해 범용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS(ver 6-10, 2010)를 이용하여 말뚝절편 해석법을 수행하였다. 위에서 설명한 P-Z 모델은 ABAQUS 에서 제공하는 사용자정의 서브루틴을 통해 지반의 거동을 모사할 수 있도록 하였다.

성능/효과

(2) 말뚝재하에 따라 말뚝-지반 경계면에서는 3단계(초기, 체적팽창, 일정체적)의 전단거동이 관측되었으며 말뚝지름이 감소함에 따라 이러한 3단계의 전단거동이 보다 작은 수직변위에서 일찍 발현되는 것으로 나타났다. 이러한 이유로 말뚝지름이 감소함에 따라 초기 t-z곡선의 기울기가 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 전단에 따른 말뚝 주위지반의 체적변화는 대개 팽창으로 나타났으며 말뚝-지반 경계면 근처에 집중되어 발생하였다. 이에 따른 유효수평응력 및 주면 마찰력의 증가는 말뚝지름이 감소할수록 더 크게 발생하였다.
(4) 현장타설말뚝의 말뚝지름이 감소함에 따라 극한주면마찰력이 증가하는 효과는 상대밀도가 증가하고 구속압이 작아질수록 증대되는 것으로 나타났다.
전단에 따른 말뚝 주위지반의 체적변화는 대개 팽창 (dilation)하는 것으로 나타나며 말뚝-지반 경계면 근처에 집중되어 발생되고 있다. 말뚝-지반 경계면 주위에서 집중적으로 발생되는 지반의 팽창거동은 유효수평응력을 증가시키는 것으로 나타났다. 탄성론을 기반으로 하는 원형 공팽창이론(cylindrical cavity expansion theory)에서는 공팽창압력(cavity expansion pressure)은 공벽에서 멀어질수록 공벽으로 부터의 거리 제곱에 비례하여 감소하며 Fig.
말뚝지름이 증가함에 따라 극한 주면마찰력이 감소하는 것으로 나타났으며 특히 일반적으로 사용되는 지름 0.5m 이상의 현장타설말뚝의 경우 β 방법으로 산정된 극한 주면마찰력과 비슷한 값을 나타내고 있으나 지름 0.2m의 현장타설말뚝의 경우 상대적으로 큰 극한 주면마찰력을 보이고 있다.
본 연구결과 및 여러 연구자들에 의해 실시된 현장타설말뚝에 대한 실내모형실험 결과는 말뚝지름 및 사질토의 상대밀도에 따라 극한주면마찰력이 영향을 받는 것으로 나타났지만 현재 설계에서 많이 사용되고 있는 β 방법은 오직 깊이만을 고려하고 있다. 따라서 많은 현장재하실험 결과들을 말뚝지름과 상대밀도에 따라 수집하고 분석함으로서 최적의 극한주면마찰력을 산정하는 방법을 마련하고 설계에 반영하는 것이 앞으로의 연구과제라 판단된다.
(1) 본 연구에서 사용된 탄소성모델을 적용한 말뚝절편 수치해석법의 검증을 위해 수치해석결과를 현재 설계에서 적용되고 있는 β 방법을 이용하여 산정된 극한주면마찰력과 여러 현장재하실험으로부터 산정된 정규화된 t-z곡선과 비교·분석하였다. 본 연구에서 사용한 수치해석방법이 사질토지반에 설치된 현장타설말뚝의 극한주면마찰력과 t-z 거동을 잘 예측하는 것으로 나타났다.
수치해석으로 산정된 극한 주면마찰력이 상대밀도에 따라 다소 차이를 보이고 있으나 β방법으로 산정된 극한주면마찰력을 잘 예측하는 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구결과 및 여러 연구자들에 의해 실시된 현장타설말뚝에 대한 실내모형실험 결과는 말뚝지름 및 사질토의 상대밀도에 따라 극한주면마찰력이 영향을 받는 것으로 나타났지만 현재 설계에서 많이 사용되고 있는 β 방법은 오직 깊이만을 고려하고 있다. 따라서 많은 현장재하실험 결과들을 말뚝지름과 상대밀도에 따라 수집하고 분석함으로서 최적의 극한주면마찰력을 산정하는 방법을 마련하고 설계에 반영하는 것이 앞으로의 연구과제라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주변마찰거동 중 초기 전단단계란?	1) 초기 전단단계(early shear stage) : 초기 수직변위에 따라 체적변형률이 감소(수축)하나 그 변화량이 상대적으로 작으며 이때 유효수평응력은 감소하는 단계.
	본 연구에서 탄소성모델을 사용한 이유는?	더욱이 이러한 사질토지반의 전단거동은 상대밀도와 구속압에 따라 영향을 받는다. 따라서 복잡한 말뚝주위 사질토지반의 전단거동을 적절히 모사하기 위해 탄소성모델(elastoplastic soil model)을고려하였으며 본 연구에서는 Pastor et al.(1990)이 제안한 Pastor-Zienkiewicz (P-Z)모델을 적용하였다.
	말뚝절편 해석법이란?	단독 현장타설말뚝의 주면마찰거동을 분석하기 위해 Potts and Martins(1982)가 제안한 말뚝절편 해석법을 사용하였다. 이 방법은 반무한 공간에 설치된 말뚝이 재하되는 경우 수평방향의 한 절편을 취해 3차원적인 말뚝지반의 거동을 2차원 축대칭 모델로 묘사하는 방법이다(Fig. 1).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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