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문제 정의
- 그러나 최근 대용량 양방향 재하 시험 결과를 분석한 자료들에 의하면, 국내 암반에서 측정된 실제 지지력은 대체로 기존의 해외 문헌들에 제시된 값들보다 훨씬 큰 값을 나타내고 있다. 이에 본 연구에서는 최근 해상 교량기초 현장과 초고층 빌딩기초 현장에서 실시된 8개의 시험용 대구경 현장타설말뚝 재하시험결과와 5개의 본 말뚝 재하시험결과를 분석하여 각 현장 지반에서의 지지력 특성을 평가하고, 연암층에서의 설계 주면마찰력과 설계 선단지지력 산정식들을 다양한 변위기준에 대하여 제시하고자 한다.
제안 방법
- 15에는 측정된 데이터와 Peck et al.(1974)의 경험식을 극한지지력과 허용지지력(안전율 3 적용)으로 구분하여 비교하였다. 변위가 10mm 이상 증가함에 따라 측정된 데이터는 Peck et al.
- (3) 선단지지력의 경우, RQD 또는 TCR을 이용하여 암반의 불연속면 영향을 반영하고 변위에 따른 암석의 일축압축강도와 연계 적용하는 다중회귀 분석을 실시하여 암체의 상태와 강도가 고려된 선단지지력 산정식을 제안하였다. 그러나 주면마찰력의 경우에는 이러한 불연속면의 영향과는 상관성이 다소 부족한 것으로 나타났다.
- I-대교 연결도로 현장에서는 연암의 주면마찰력과 선단지지력 특성 파악을 위하여 총 3본의 시험말뚝에서 양방향 재하시험이 실시되었다. 2본의 시험말뚝(소켓직경 1.85m, 2.35m)에는 가압 셀을 두 군데에 위치시켜 말뚝 한 본을 이용하여 두 개의 말뚝을 시험한 것과 같은 결과를 도출할 수 있는 다단(Multi-level) 양방향 재하시험(Song et al., 2006)을 적용하였으며, 소켓직경 1.35m 시험말뚝에는 1단 양방향 재하시험을 실시하였다. 재하시험용 말뚝의 단면도와 주상도는 Fig.
- I-대교 연결도로 현장에서는 연암의 주면마찰력과 선단지지력 특성 파악을 위하여 총 3본의 시험말뚝에서 양방향 재하시험이 실시되었다. 2본의 시험말뚝(소켓직경 1.
- 사용말뚝의 경우에는 말뚝 정 중앙 위치가 아니라 인접한 위치에서 지반조사가 실시되었으며, 시험말뚝 대비 자세한 지반 조사와 시험이 실시되지는 못하였다. Table 1에서와 같이 2개의 f-w 곡선에 해당되는 구간에서 일축압축강도 시험이 실시되었으며, Table 2의 q-w 곡선 분석을 위한 데이터에서도 3본(PY1, PY2, P9)의 말뚝선단에서 일축압축강도 시험이 실시되었다. Fig.
- 단위 선단지지력과 Table 2에 도시된 TCR, RQD, RMR, GSI, 변형계수 및 일축압축강도와의 상관 관계 분석을 위하여, 각 시험말뚝의 선단 아래 2D 구간에서의 평균 값을 이용하여 분석하였다.
- 암반의 경우 상/하향 변위 방향에 따른 지지거동의 차이는 크지 않은 것으로 평가되고 있으므로, 한 방향 가압에 의하여 주면마찰력이 항복상태에 도달하지 않은 경우에는 양방향의 데이터를 주면 마찰력 분석에 같이 사용할 수가 있다. 따라서, TP1 시험말뚝은 상향방향(하단 가압장치 가압)과 하향방향(상단 가압장치 가압)의 재하시험 결과를 모두 분석에 이용하였다.
- 일반적으로 국내의 연암 조건에서는 직경의 5%까지 변위를 발생시키는 것은 거의 불가능하다. 따라서, Table 4의 변위 기준을 참고하여 국내의 암반조건에 적합한 5mm, 10mm, 25.4mm와 직경의 1% 변위 기준에 대하여 주면 마찰력과 선단 지지력에 대한 분석을 수행하였다.
- 불연속면의 영향을 고려할 수 있는 반경험적이고 해석적인 방법을 Serrano and Olalla(2002)가 제안하였지만, 그 해석법이 매우 복잡하고 사용된 변수들을 실무에서 산정하기가 어려운 문제점들이 있다. 따라서, 본 연구에서는 실무에서 손쉽게 적용할 수 있도록 RQD 또는 TCR을 이용하여 암반의 불연속면의 영향을 반영하고, 암석의 일축압축강도와 연계 적용하는 다중회귀 분석을 변위별로 실시하여 그 결과를 Fig. 20과 21에 각각 도시하였다. 또한 발생변위 별 일축압축강도, RQD 및 TCR의 적용 범위를 Fig.
- 시험 대상 암반층은 화강암으로 구성되어있으며, 두 본의 시험용 말뚝에는 정중앙 위치에서 시추와 지반 조사가 실시되었다. 말뚝 재하시험을 실시한 본 말뚝(사용말뚝)은 시험용 말뚝 TP1으로부터 5.3m 떨어진 위치에 시공되었으며 시험결과 분석을 위하여 TP1의 지반조사결과를 이용하였다. 현장의 기초평면도와 단면도 및 지반조사 주상도는 Fig.
- 본 연구에서는 최근 해상교량 현장과 초고층 빌딩 현장에서 실시된 13개의 대구경 현장타설말뚝의 양방향 재하시험결과를 분석하였다. 문헌연구를 통해 극한지지력 발생 변위를 5, 10, 25.4mm 및 직경의 1% 등으로 다양하게 설정하고 각 기준변위에 대하여 지반조사결과들과 상관성 분석을 실시하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이는 암반의 불연속면의 특성을 내포하는 TCR, RQD, RMR, GSI등의 파라미터와 달리 암반의 변형계수와 암석의 일축압축강도가 암반-말뚝간의 전단 변위와 전단강도 특성과 관련된 파라미터임에 기인한 것으로 판단된다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 변형계수와 일축압축강도에 대해서 기준 변위별 극한 주면마찰력 산정식을 제안하였으며 각 변위별 일축압축강도와 극한 주면마찰력에 대한 다중회귀분석을 실시하여 변위에 따른 극한 주면마찰력 산정식을 제안하였다.
- (2) TCR, RQD, RMR, GSI, 변형계수, 그리고 일축압축 강도와 각 기준변위에서의 극한 선단지지력과의 상관관계를 분석한 결과, 불연속면의 특성을 나타내는 TCR과 암반의 전단강도와 직접 관련된 암석의 일축압축강도가 극한 선단지지력과 서로 높은 상관 성을 가지는 것으로 나타났다. 이러한 분석결과를 바탕으로 각 암반분류 및 암반정수들에 대해서 기준 변위별 극한 선단지지력 산정식을 제안하였으며 각 변위별 일축압축강도와 극한 선단지지력에 대한 다중회귀분석을 실시하여 변위에 따른 극한 선단지지력 산정식을 제안하였다.
- 6mm이다. 이와 같이 측정된 지지력 데이터들의 발생 변위가 다양하고, 또한 극한까지 도달하지 못하였거나 변형 경화(strain-hardening) 경향을 보여 주는 지지력 데이터의 분석을 위해서 발생 변위에 따른 지지력 분석을 수행하였다.
대상 데이터
- H-대교 현장의 기반암은 화강암으로 구성되어 있으며 총 4본(말뚝의 소켓 직경은 1.85m 3본과 2.35m 한 본)의 사용 말뚝에 대한 재하시험이 실시되었다. 재하시험용 말뚝의 단면도와 주상도는 Fig.
- I-tower project 현장은 화강암과 화강편마암으로 구성되어 있으며 소켓 직경 2.35m의 시험말뚝 4본을 시공하였으나 시공 중 문제가 된 말뚝을 제외하고 3본의 말뚝을 분석에 적용하였다. 재하시험용 말뚝의 단면도와 주상도는 Fig.
- 단위 주면 마찰력과 TCR, RQD, RMR, GSI, 변형계수 및 일축압축강도들과의 정확한 상관 관계 분석을 위하여, Fig. 1～4에 도시된 것과 같이 변형율계가 설치된 구간의 데이터(Table 1)를 상관관계 분석에 사용하였다.
- 본 연구에서는 최근 해상교량 현장과 초고층 빌딩 현장에서 실시된 13개의 대구경 현장타설말뚝의 양방향 재하시험결과를 분석하였다. 문헌연구를 통해 극한지지력 발생 변위를 5, 10, 25.
- 85m의 본 말뚝에 대하여 양방향 재하시험을 실시하였다. 시험 대상 암반층은 화강암으로 구성되어있으며, 두 본의 시험용 말뚝에는 정중앙 위치에서 시추와 지반 조사가 실시되었다. 말뚝 재하시험을 실시한 본 말뚝(사용말뚝)은 시험용 말뚝 TP1으로부터 5.
- 시험 대상 지반의 기반암은 화강암과 화강편마암으로 이루어져 있으며, 각 말뚝의 정 중앙에서 수행한 시추 조사 결과 및 각 구간별 시험 결과는 Table 1에 요약되어 있다. 다단 양방향 재하시험을 이용하면 다단 셀 사이의 주면마찰력은 실제 하중 작용방향인 하향방향과 일반적인 양방향시험의 하중방향인 상향방향으로 모두 측정할 수가 있다.
데이터처리
- 13개의 q-w 곡선을 이용하여 발생변위에 따른 TCR과 단위 선단지지력의 상관관계 분석을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 14에 홍콩 GEO(2006)에서 제안한 추정 선단지지력 공식과 함께 굵은 실선으로 도시하였다. 5mm 변위에서는 GEO(2006) 방법의 허용 지지력(안전율 3적용)과 유사한 결과가 도출되었으며, 25.
- 전체 변위구간에 대하여 주면마찰력과의 상관관계를 도출하기 위하여 Fig. 11과 Table 5에 나타낸 일축압축 강도와 단위 주면마찰력의 데이터를 이용하여 3차원 회귀분석(다중 회귀분석)을 실시하였으며 그 결과는 Fig. 13 및 Eq. (1)과 같다.
- 주면 마찰력 분석법에서와 같이 전체 변위 구간에서 선단지지력과의 상관관계를 도출하기 위하여 Fig. 18과 Table 6에 나타낸 일축압축강도와 단위 선단지지력의 상관관계식을 이용하여 3차원 회귀분석(다중 회귀분석) 을 실시하였다. 그 결과는 Fig.
이론/모형
- 4에 도시되어있다. 모든 시험말뚝에 가압 셀을 두 군데에 위치시켜 말뚝 한 본을 이용하여 두 개의 말뚝을 시험한 것처럼 다양한 심도에 따른 극한 단위주면마찰력을 측정할 수 있는 다단(Multi-level) 양방향 재하시험법을 적용하였다.
성능/효과
- (1) TCR, RQD, RMR, GSI, 변형계수, 그리고 일축압축 강도와 각 기준변위에서의 극한 주면마찰력과의 상관관계를 분석한 결과, 변형계수와 일축압축강도가 극한 주면마찰력과 서로 높은 상관성을 가지는 것으로 나타났다. 이는 암반의 불연속면의 특성을 내포하는 TCR, RQD, RMR, GSI등의 파라미터와 달리 암반의 변형계수와 암석의 일축압축강도가 암반-말뚝간의 전단 변위와 전단강도 특성과 관련된 파라미터임에 기인한 것으로 판단된다.
- (2) TCR, RQD, RMR, GSI, 변형계수, 그리고 일축압축 강도와 각 기준변위에서의 극한 선단지지력과의 상관관계를 분석한 결과, 불연속면의 특성을 나타내는 TCR과 암반의 전단강도와 직접 관련된 암석의 일축압축강도가 극한 선단지지력과 서로 높은 상관 성을 가지는 것으로 나타났다. 이러한 분석결과를 바탕으로 각 암반분류 및 암반정수들에 대해서 기준 변위별 극한 선단지지력 산정식을 제안하였으며 각 변위별 일축압축강도와 극한 선단지지력에 대한 다중회귀분석을 실시하여 변위에 따른 극한 선단지지력 산정식을 제안하였다.
- (a)의 5mm 변위에 해당하는 단위 주면마찰력의 경우, 세 측점에서 항복이 발생하였으며 전체적인 경향은 Horvath & Kenney(1979)의 주면 마찰력 제안식과 유사한 것으로 나타났다.
- 18에 95% 신뢰도 곡선과 기존 학자들의 연구결과들과 함께 도시하였다. 10mm부터 직경의 1% 변위 구간에서는 일축압축강도에 대한 단위 선단지지력이 구조물 기초설계기준(2003)에서 제시한 일축압축강도의 1/8～1/5사이에 존재하는 것으로 나타났다. 일축압축강도를 이용한 변위별 선단지지력 산정식은 Table 6에 요약되어 있다.
- 44개의 f-w 곡선과 각 해당 심도에서의 TCR, RQD, RMR, GSI 등 암반 분류 및 평가법과의 상관 관계를 분석한 결과, TCR 값과는 상관계수가 0.1 미만으로 아주 약간 상관성을 보여주었으나 다른 암반 평가법들과는 상관성이 전혀 없는 것으로 나타났다. 변위에 따른 TCR과 단위 주면 마찰력의 선형 상관관계 그래프는 Fig.
- 본 재하시험에서는 2개의 시험말뚝이 상향으로 파괴가 발생하여 극한 주면마찰력을 측정할 수가 있었다. Fig.
- 이상에서 소개한 4개 현장에서 실시된 13본의 양방향 재하시험 결과로부터 44개의 f-w 곡선과 13개의 q-w 곡선을 작성하였다. 이 44개의 f-w 곡선들은 Fig.
- 일축압축강도는 기존의 여러 경험식들에서 사용된 바와 같이 암반 소켓 말뚝의 선단 지지력을 결정하는 아주 중요한 요소로 알려져 있는데 본 연구결과에서도 선단지지력의 상관관계분석에서 사용된 파라미터들 중에서 가장 좋은 상관성을 보여주는 것으로 나타났다. 이는 암체(rock mass)의 강도뿐만이 아니라 암석의 일축압축강도도 말뚝의 선단지지력에 중요한 역할을 하는 것을 의미한다.
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