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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 화강풍화대 지반을 대상으로 모형 토조 시험과 현장 재하시험을 실시하여 다양한 재하판에서 지지력, 침하량 거동을 분석하여 실제 재하시험이 불가능한 기초크기에서의 침하량 예측식을 제시하고자 한다. 즉, 평판 재하시험을 통해 단순히 현장지지력이 설계치를 만족하는가를 판정하는데 그 목적을 두지 않고 보다 큰 기초의 침하량을 판정하는 것이므로 일반적으로 사용하는 항복, 극한하중 판정법을 사용하지 않았다.
제안 방법
- 따라서, 재하판 30cm를 사용하여 얕은 기초의 지지력 및 침하량을 구하는 평판 재하시험 결과를 실제 구조물의 기초 설계 적용시 기초폭 크기 차이에 침하량 산정식을 제안하기 위해 국내에서 많이 분포하는 화강풍화토, 풍화암을 대상으로 현장 평판재하시험을 실시하여 재하판 크기 증가에 따른 침하량 산정식을 분석하였다. 평판 재하시험은 화강풍화토, 풍화암 지반을 대상으로 재하판 직경(D15, 25, 30, 40, 75, 140cm) 별로 직경의 10%에 해당하는 침하가 발생하도록 하중을 재하하는 방법으로 평판 재하시험을 실시하였다.
- 따라서, 재하판 30cm를 사용하여 얕은 기초의 지지력 및 침하량을 구하는 평판 재하시험 결과를 실제 구조물의 기초 설계 적용시 기초폭 크기 차이에 침하량 산정식을 제안하기 위해 국내에서 많이 분포하는 화강풍화토, 풍화암을 대상으로 현장 평판재하시험을 실시하여 재하판 크기 증가에 따른 침하량 산정식을 분석하였다. 평판 재하시험은 화강풍화토, 풍화암 지반을 대상으로 재하판 직경(D15, 25, 30, 40, 75, 140cm) 별로 직경의 10%에 해당하는 침하가 발생하도록 하중을 재하하는 방법으로 평판 재하시험을 실시하였다.
- 화강풍화토 및 암반지반에서 측정한 재하시험 결과를 일반적인 항복하중 판정법으로 분석하지 않고 하중 ~ 상대침하 개념으로 정규화하여 지반물성별로 침하량 산정식을 제안하고 동일한 하중조건에서 기초폭 증가에 따른 침하량 증감 경향을 분석하였다.
- 비중, 액소성 한계시험, 함수비, 단위중량, 통일분류법, N치에 의한 노은 등 8개 평판재하 시험을 실시한 현장의 지반 조건은 표 2와 같다. N치는 표준관입시험으로 구하였으며 심도가 얕아 N치 보정을 하지 않았다.
- 현장 재하시험 결과를 분석하는 방법은 크게 항복하중 판정법, 극한하중 판정법등 있고 항복, 극한하중에 따라 안전율을 각각 2, 3으로 나누어 허용 지지력을 구하고 있다.
- 즉, 평판 재하시험을 통해 단순히 현장지지력이 설계치를 만족하는가를 판정하는데 그 목적을 두지 않고 보다 큰 기초의 침하량을 판정하는 것이므로 일반적으로 사용하는 항복, 극한하중 판정법을 사용하지 않았다. 따라서, 현장 재하시험 자료를 하중(t/m2) ~ 상대침하(s/B, s : 침하량, B : 재하판폭) 관계로 정규화(Normalization)하여 상관성을 분석하고 현장시험 재하 판폭보다 큰 실제 기초에서의 거동을 예측하였다.
- 기초폭, 하중을 알고 있는 상황에서 침하량을 구하기 위해 상기 제시된 경향식을 적용하기 위해서는 지반조건별로 분류가 되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 현장별 하중-침하량 곡선으로부터 구한 변형계수 및 토성시험 결과별로 구별하였다. 변형계수는 N치, 점착력을 이용한 방법이 있은데 본 연구에서는 지반반력계수를 이용한 산정식으로 구하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 현장별 하중-침하량 곡선으로부터 구한 변형계수 및 토성시험 결과별로 구별하였다. 변형계수는 N치, 점착력을 이용한 방법이 있은데 본 연구에서는 지반반력계수를 이용한 산정식으로 구하였다. 즉, 본 연구에서는 KS F2310(도로의 평판재하시험법)에 규정되어 있는 D25, D30, D40, D75, D140에 대한 현장 재하시험을 실시하여 하중 - 침하량 곡선에서 초기 기울기 값으로 지반반력계수를 산정하였다.
- 변형계수는 N치, 점착력을 이용한 방법이 있은데 본 연구에서는 지반반력계수를 이용한 산정식으로 구하였다. 즉, 본 연구에서는 KS F2310(도로의 평판재하시험법)에 규정되어 있는 D25, D30, D40, D75, D140에 대한 현장 재하시험을 실시하여 하중 - 침하량 곡선에서 초기 기울기 값으로 지반반력계수를 산정하였다.
- 예를 들어 실제 구조물의 기초폭과 재하하중을 알면 특정 지반조건에서 침하량을 구할 수 있다. 본 연구에서는 얕은 기초를 설계하는 초기 단계에서 설계하중에 대한 침하를 구하기 산정식을 제안하기 위해 표 5에 나타난 각 현장별 하중 ~ 상대변위 추세식을 변형계수와 지반분류에 의해 크게 대별하였다. 일반적으로 실무에 참고로 하는 흙의 종류와 변형계수, 포아송비 관련 도표를 근거로 변형계수 100(kgf/cm2) 미만과 변형계수 100 ~ 500(kgf/cm2), 변형계수 500(kgf/cm2) 이상의 지반으로 분류하였다.
- 본 연구에서는 얕은 기초를 설계하는 초기 단계에서 설계하중에 대한 침하를 구하기 산정식을 제안하기 위해 표 5에 나타난 각 현장별 하중 ~ 상대변위 추세식을 변형계수와 지반분류에 의해 크게 대별하였다. 일반적으로 실무에 참고로 하는 흙의 종류와 변형계수, 포아송비 관련 도표를 근거로 변형계수 100(kgf/cm2) 미만과 변형계수 100 ~ 500(kgf/cm2), 변형계수 500(kgf/cm2) 이상의 지반으로 분류하였다. 변형계수 100(kgf/cm2) 미만인 경우는 중간 정도의 점토성분인 강한 화강풍화토로 안중1, 2(시험 2회 실시), 가경, 노은, 화곡2 현장이 속하며 변형계수 100 ~ 500(kgf/cm2)은 견고한 점토가 강한 층으로 불로 현장이 속한다.
- 얕은 기초에서 재하판 크기증가에 따른 침하량 증가량을 산정하기 위해 화강풍화토 및 풍화암을 대상으로 실내 모형 토조시험 및 현장 평판재하시험를 실시하고 그 결과를 하중 ~ 상대침하 개념으로 정규화하여 거동을 분석함으로서 침하량 산정식을 제시하였다.
대상 데이터
- 현장 재하시험은 실제 현장에서 재하판 직경별 지지력 크기 변화를 측정하기 위해 D15, D25, D30, D40, 75×75, 140×210cm 크기의 재하판을 사용하여 실시하였다.
- D15, D25, D30, D40 재하판은 백호우(용량 1.0m3, 중량 26t)를, 75×75, 140×210cm 재하판은 재하하중 200t을 지지할 수 있는 H빔 거치대와 반력(기성 PHC 말뚝 6본)을 사용하였다.
이론/모형
- 현장 재하시험 결과인 하중-침하량 곡선으로부터 변형계수는 Boussinesq 공식(식 2)를 이용하여 구하였다.
성능/효과
- 안중현장은 실트와 점토가 각각 39.7%, 18%인 점토질 실트지반으로 통일분류법상으로 ML로 분류되었고 N값은 5/30이었다. 연경도는 NP로 나타났다.
- 항복하중 판정법에는 P ~ S 분석법, log P ~ log S법, S ~ log t법, dS/d(log t) ~ P법등이 있는데 주로 조밀한 모래나 매우 단단한 점성토 지반에서 나타나는 전반 전단파괴(General shear failure)는 뚜렷한 항복점을 나타내므로 P ~ S 분석법에서 허용 하중을 쉽게 구할 수 있다. 중간 정도의 조밀한 모래나 압축성의 점성토 지반에서 나타나는 국부 전단파괴(Local shear failure)는 항복점이 불분명하게 극한 하중이나 항복하중을 구하기가 쉽지 않으므로 P ~ S 분석법, log P ~ log S법, S ~ log t법, S/d(log t) ~ P법등을 종합적으로 검토하여 판정한다. 위에서 언급된 항복하중 판정법은 시험을 실시한 평판 재하 시험에 대한 설계지지력 및 침하량을 평가하는 것으로 실물 구조물의 거동은 예측할 수 없다.
- 상대적으로 강성이 큰 불로, 율전 1 현장은 얕은 기초로 설계된 기초로 상대침하비 약 4% 까지 측정할 수 있었는데 화강풍화토 현장과 동일하게 재하판 직경에 무관하게 일정한 경향 하중 ~ 상대침하 경향을 보여 실제 기초의 침하량을 예측할 수 있었다.
- )은 중간 밀도 정도의 모래(10 〈 N 〈 30)나 실트질 모래 및 견고한 점토(N 〈 30)에 적용가능하다. 변형계수 500(kgf/cm2) 이상에 대한 침하량 산정식은 N값 50이상의 촘촘한 모래나 밀실한 풍화대에 사용가능할 것으로 판단된다.
- 1. 재하판 직경 D15, 25, 30, 40, 75, 140cm를 대상으로 실시한 평판 재하시험 결과를 기존 항복하중 및 극한하중 판정법 대신에 하중 ~ 상대침하 개념으로 정규화(Normalization)하면 동일한 화강풍화토나 풍화암 지반조건에서는 재하판 직경에 관계없이 일정한 형태의 곡선을 나타내었다.
- 2. 평판 재하시험 결과에서 도출된 하중 ~ 상대침하 경향식으로부터 실제 구조물의 침하량을 산정하기 위해 변형계수를 100(kgf/cm2)미만인 연약하거나 중간 정도의 점토(N〈15)과 변형계수가 100 ~ 500(kgf/cm2)인 중간 밀도 모래(10 〈 N 〈 30) 및 실트질 모래, 견고한 점토(N 〈 30), 변형계수 500(kgf/cm2)인 촘촘한 모래, 밀실한 풍화대(N 〉 50) 이상의 지반으로 분류하고 변형계수별 하중 ~ 상대침하 관계식을 제시하였다.
- 3. 하중 ~ 상대침하 관계식을 하중 ~ 침하 산정식으로 환산하면 침하량은 기초폭 B와 비례하며 동일한 재하하중에서 변형계수가 100 ~ 500(kgf/cm2), 변형계수 500(kgf/cm2)인 지반은 변형계수 100(kgf/cm2) 미만 지반인 경우에 비해 침하량이 각각 64.3, 94.9% 적게 나타났다. 동일 기초폭에서 재하하중이 클수록 변형계수 100(kgf/cm2) 미만 지반에 비해 침하량이 더 적게 나타났다.
- 9% 적게 나타났다. 동일 기초폭에서 재하하중이 클수록 변형계수 100(kgf/cm2) 미만 지반에 비해 침하량이 더 적게 나타났다.
후속연구
- 4. 상기 제시된 침하량 산정식을 이용하면 예비 설계단계에서 구조물 하중, 기초폭에 대한 침하량을 구할 수 있으므로 얕은 기초의 허용 침하량 만족여부를 판단하는 근거로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
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