[논문]현장인발시험을 통한 Screw Anchor Pile의 인발저항특성

유충식; 김대현

doi:10.7843/kgs.2014.30.1.5

현장인발시험을 통한 Screw Anchor Pile의 인발저항특성
Pullout Capacity of Screw Anchor Piles Using Field Pull-out Tests 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.30 no.1, 2014년, pp.5 - 16

유충식 (성균관대학교 건축토목공학부) , 김대현 (성균관대학교 초고층장대교량학과)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 현장인발재하시험을 통한 스크류 앵커 파일의 인발 저항 특성에 관한 연구내용을 제시하였다. 현장시험에서는 동일한 피치를 가지나 샤프트나 스크류 직경이 다른 스크류 앵커 파일에 대해 다양한 시공조건을 도출하고 이에 대한 시험을 수행하였다. 실험결과 스크류 앵커 파일은 스크류가 없는 파일에 비해 현저히 큰 인발저항력을 발휘하는 것으로 검토되었으며 시간경과 효과와 그라우팅 여부에 따른 검토 결과 일반 파일과 유사하게 시간경과에 따라 인발저항력이 증가하는 셋업효과와 그라우팅시 인발저항력 상승효과를 기대할 수 있는 것으로 분석되었다. 이와 아울러 기존의 헬리컬 파일의 인발저항력 산정식을 스크류 앵커 파일의 인발저항력 평가에 있어서의 적용성을 검토하였으며 현장인발재하 시험결과를 다양한 측면에서의 상관관계를 파악할 수 있도록 제시하고 연구결과의 실무적 관점에서의 검토 내용을 기술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the results of an investigation into the pullout characteristics of screw anchor pile using field pullout tests. A series of field pullout tests were performed on screw anchor piles with different geometric characteristics such as shaft and screw diameters. The results indicated that screw anchor piles exhibited significantly higher pullout capacities compared with the same diameter piles without screw. Also observed is that the set-up effect and the grouting significantly increase pullout capacities, although the magnitude of the increase depends on the ground condition. In addition the applicability of prediction methods for helical pile pullout capacity to screw anchor piles was also examined. The results are presented in such a way that the pullout characteristics of screw anchor piles with different installation conditions can be identified. Practical implications of the findings are discussed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

위에서 검토한 바와 같이 국외에서 수행된 헬리컬 앵커 파일에 관련된 연구는 다수 수행된 바 있으나 헬리컬 파일의 제원의 특성상 스크류가 연속적으로 형성된 SAP 파일과는 근본적인 차이가 있어 기존 연구결과를 활용하는 것은 한계가 있는 것으로 검토되었으며 국내 연구의 경우 축소 모형실험 및 수치해석에 관한 연구에 국한되어 현장 적용에는 다소 제한적이라고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 SAP의 현장 적용성 확보의 일환으로 현장시험을 수행하여 SAP 스크류의 인발저항력 증가효과를 검토하고 그라우팅 여부와 시간경과에 따른 인발저항특성에 관한 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 스크류 앵커 파일(SAP)을 굴착사면 및 절토사면 보강용 인장부재로 적용하는 공법개발의 일환으로 다양한 설치조건을 갖는 SAP에 대한 현장시험을 수행하여 SAP 스크류의 인발저항력 증가효과를 검토하고, 그라우팅 여부와 시간경과에 따른 인발저항 특성에 관한 분석을 수행하였다. 아울러 기존의 이론식과 현장인발실험 값의 비교를 통해 SAP의 최대인발저항력 산정에 있어서 적용 가능성에 대해서 검토하였다.
본 연구에서는 스크류 앵커 파일(SAP)을 굴착사면 및 절토사면 보강용 인장부재로 적용하는 공법개발의 일환으로 다양한 설치조건을 갖는 SAP에 대한 현장시험을 수행하여 SAP 스크류의 인발저항력 증가효과를 검토하고, 그라우팅 여부와 시간경과에 따른 인발저항 특성에 관한 분석을 수행하였다. 아울러 기존의 이론식과 현장인발실험 값의 비교를 통해 SAP의 최대인발저항력 산정에 있어서 적용 가능성에 대해서 검토하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.
예를 들어 Pack(2000)은 깊은 스크류 앵커 파일에 대하여 상부구조의 중량이 매우 큰 경우에 대한 설계 방안으로서 스크류 파일의 극한 지지력을 토대로 관입시 발생되는 회전력에 저항할 수 있는지 여부를 검토하는 방법과 횡방향 하중이 파일에 작용력에 대한 전이 메카니즘을 제시하였다. 이와 아울러 군말뚝 효과와 파일 두부 디자인에 대한 방법을 제시하고 침하와 부식, 샤프트에 작용하는 좌굴과 점토지반에서 배수 경로가 파일에 미치는 영향에 대한 연구 등을 수행하였다. 한편, Cerato and Victor(2008)는 장시간 동안 작용하는 동적하중을 대상으로 1～10kW의 전력량을 생산해내는 풍력발전 타워에 사용되는 스크류 파일 제원의 최적화에 대한 연구를 수행하였다.

제안 방법

2장에서 기술한 헬리컬 앵커 파일을 대상으로 개발된 Mitsch and Clemence(1985) 이론식과 Ghaly et al.(1991)의 이론식의 SAP의 최대인발저항력 산정시 적용성에 대한 검토를 위해 본 현장재하시험을 통해 얻어진 최대인발저항력과 이론식으로부터 산정된 최대인발저항력을 비교하였다. 이때 그라우팅 효과나 셋업효과가 최소화된 EOC 및 1일 경과 후 시험 조건만을 대상으로 하였으며 이론식 적용시 필요한 지반의 점착력(c)과 내부마찰 각(Φ)은 대부분의 시험조건에서 지반공학적 특성 자료가 미비하여 제한적이나마 SAP 설치된 치층의 N치의 평균치를 토대로 추정하여 적용하였다(Table 5).
SAP 설치 후 수행하는 그라우팅이 인발저항력 증가에 미치는 영향을 검토하기 위해 그라우팅 실시 여부에 대한 비교가 가능한 현장 C의 TLT-2와 TLT-3 결과를 비교하였다. 여기서 현장 C의 TLT-2와 TLT-3 시험은 SAP 시공 완료 5일 경과 후 실시한 시험으로서 두 시험의 차이는 단지 그라우팅 수행 여부이다.
현장시험에서는 스크류 앵커 파일의 셋업효과 및 그라우팅 효과에 대한 확인이 가능하도록 동일한 조건에 대해 설치직후(end of construction, EOC) 및 일정시간 경과 후, 그라우팅 실시 조건 등에 대한 시험을 수행하였다. 그리우팅시에는 배합비 50%, 500 kPa의 주입압력으로 그라우팅을 실시하였으며, 그라우팅 후 스크류 외경과 동일한 크기로 전 구간에 걸쳐 구근이 형성되는지 여부를 확인하였다.
스크류 앵커 파일은 기존 말뚝 기초 파일들의 시공방법과는 다르게 천공을 필요로 하지 않는 신공법으로 시공 노하우가 인발 저항력 발현에 큰 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 사전 검토를 통해 풍화토/풍화암 지반조건에서 배토 및 비배토 관입조건을 검토한 결과 비배토 관입 시공이 가능한 것으로 검토되어 비배토 시공방법을 채택하였다. Fig.
본 연구에서는 총 세 개 현장에서 수행한 현장인발시험 결과를 수집･분석하였다. Fig.
이때 그라우팅 효과나 셋업효과가 최소화된 EOC 및 1일 경과 후 시험 조건만을 대상으로 하였으며 이론식 적용시 필요한 지반의 점착력(c)과 내부마찰 각(Φ)은 대부분의 시험조건에서 지반공학적 특성 자료가 미비하여 제한적이나마 SAP 설치된 치층의 N치의 평균치를 토대로 추정하여 적용하였다(Table 5).
5배를 갖는 피치로 설치된 SAP를 대상으로 하였다. 한편, SAP와 아울러 스크류의 인발력 상승 효과를 확인하기 위해 스크류가 설치되지 않은 샤프트(강봉)를 시험조건에 포함시켰다.
TLT-4 결과를 비교하고 있다. 한편, 본 연구에서는 인발저항력이 거의 변화 없이 인발변위가 증가하는 점을 최대인발저항력으로 간주하였다.
현장시험에서는 스크류 앵커 파일의 셋업효과 및 그라우팅 효과에 대한 확인이 가능하도록 동일한 조건에 대해 설치직후(end of construction, EOC) 및 일정시간 경과 후, 그라우팅 실시 조건 등에 대한 시험을 수행하였다. 그리우팅시에는 배합비 50%, 500 kPa의 주입압력으로 그라우팅을 실시하였으며, 그라우팅 후 스크류 외경과 동일한 크기로 전 구간에 걸쳐 구근이 형성되는지 여부를 확인하였다.

대상 데이터

Table 3에서는 현장인발시험에서 사용된 스크류 앵커 파일의 제원 및 설치 제원을 정리하고 있다. 보이는 바와 같이 현장시험에서는 48.6mm～76.3mm 직경의 샤프트에 샤프트 직경의 1.0 혹은 2.0배에 해당하는 스크류가 샤프트 직경대비 2.5배를 갖는 피치로 설치된 SAP를 대상으로 하였다. 한편, SAP와 아울러 스크류의 인발력 상승 효과를 확인하기 위해 스크류가 설치되지 않은 샤프트(강봉)를 시험조건에 포함시켰다.

성능/효과

(1) 스크류 설치에 따른 최대인발저항력 상승효과를 검토하기 위해 스크류 유무에 따른 시험결과를 분석한 결과 SAP의 최대인발저항력이 스크류가 설치되지 않은 일반파일 대비 270%～530% 정도의 상승효과를 보이는 것으로 검토되었다. 한편, 일반파일 대비 최대인발저항력 증가율은 지반조건이 불리할 경우 더 높게 발생하는 것으로 검토되었으며 이러한 결과는 Yoo et al.
(2) SAP 설치 후 셋업효과 발생 여부에 대한 검토를 위한 비교시험 결과 설치 5일 경과 후 최대인발저항력이 두 배 이상 증가하는 것으로 나타났으며 따라서 인장부재 역시 설치 후 셋업효과가 발휘되는 것으로 검토되었다. 또한 그라우팅 실시 여부가 인발저항특성에 미치는 영향을 검토한 결과 그라우팅을 실시한 경우가 미 실시 조건 대비 약 1.
(3) 헬리컬 앵커 파일의 최대인발저항력 산정을 위해 제안된 이론식의 SAP의 최대인발저항력 산정에서의 적용성을 검토한 결과 전반적으로 Ghaly et al. (1991) 이론식 보다는 Mitsch and Clemence(1985) 이론식이 현장시험결과에 근접하는 수치를 제공하는 것으로 검토되었다. 다만 검토된 현장의 제약조건을 감안할 때 기존의 제안식을 SAP의 최대 인발저항력을 추정하는데 있어서의 적용성 여부는 추가적인 심도 있는 검토가 필요한 것으로 판단된다.
즉, 먼저 현장 A의 TLT-1와 TLT-2 결과를 비교하고 있는 Fig. 8(a)에서는 스크류가 없는 일반 강봉의 경우 최대인발저항력이 18kN 정도로 나타났으나 SAP의 경우 약 70kN의 최대인발저항력을 보이는 것으로 검토되었다. 다만 강봉에 대한 시험조건인 TLT-1은 시공직후(EOC) 실시한 시험결과인 반면 SAP를 대상으로한 TLT-2는 시공 완료 1일 경과 후에 수행한 재하시험 결과이므로 TLT-2의 최대인발저항력 70kN은 다소의 셋업효과를 반영한다고는 할 수 있으나 그럼에도 불구하고 SAP가 강봉에 비해 월등한 인발저항특성을 보이는 것은 강봉에 부착된 스크류가 큰 역할을 하였기 때문으로 간주할 있을 것으로 판단된다.
이와 유사하게 현장 A의 TLT-3과 TLT-4에 대한 결과를 비교하고 있는 Fig. 8(b)에서도 일반파일은 18kN 그리고 SAP은 80kN 정도의 최대인발저항력을 보이는 것으로 나타났다. 아울러 Fig.
Fig. 8에 제시되어 있는 결과를 관찰하면 전반적으로 일반 파일의 경우 최대인발저항력 발현 시점까지 거의 선형의 Fpo - δv 곡선을 보이는 반면 SAP의 경우 비선형 관계를 보이는 것으로 관찰되었으며 SAP가 스크류가 없는 일반파일에 비해 현저히 우수한 인발저항 특성을 보이는 것으로 관찰되었다.
(2) SAP 설치 후 셋업효과 발생 여부에 대한 검토를 위한 비교시험 결과 설치 5일 경과 후 최대인발저항력이 두 배 이상 증가하는 것으로 나타났으며 따라서 인장부재 역시 설치 후 셋업효과가 발휘되는 것으로 검토되었다. 또한 그라우팅 실시 여부가 인발저항특성에 미치는 영향을 검토한 결과 그라우팅을 실시한 경우가 미 실시 조건 대비 약 1.6배의 최대인발저항력 상승효과가 있는 것으로 나타났다.
이 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이 두 경우 모두 최대인발저항력에 도달하기 전까지 곡선의 기울기는 다소 불규칙적이나 1일 경과 후 최대인발저항력은 약 120kN 그리고 5일 경과후 시험 결과는 약 280kN으로 검토되어 5일 경과 후의 시험결과가 1일 경과 후 시험결과 대비 215% 증가된 최대인발저항력을 발휘하는 것으로 검토되었다. 다만 Fig.
4(a)에서 보이는 바와 같이 현장 A에는 상부 약 3m에 매립층과 붕적토가 위치하고 그 하부에는 심도 약 7m까지 조밀한 풍화잔류토가 형성되어 있으며 풍화잔류토 아래에는 연암과 경암이 위치하고 있는 것으로 조사되었다. 표준관입시험 결과 심도 3～4m까지의 지반은 N치가 10내외의 값을 보였으며 그 하부의 풍화토는 50/30～50/8 정도로서 매우 조밀하게 형성되어 있는 것으로 조사되었다. 또한 N치의 경우 매립/퇴적층에서는 5～13 정도의 값을 보이며 풍화토의 경우 50/30 이상의 값을 보여 매우 조밀한 상태로 형성되어 있는 것으로 조사되었다.
각 현장별로 스크류 파일 제원 및 지반조건의 상이함으로 인해 직접적인 비교는 어려우나 SAP의 경우 일반 강봉 대비 270%～530% 정도의 최대인발저항력을 보이는 것으로 검토되었다. 한편 A현장과 B현장에서의 일반 강봉 대비 SAP의 최대인발저항력 증가 정도를 보다 구체적으로 분석하면 정밀한 지반공학적 분석은 어려우나 SAP가 근입된 지반의 N치가 (10～41)/30 범위를 보이는 B현장의 경우 증가율이 268%를 보인 반면 (5～13)/30의 N치를 보이는 A현장의 경우에는 433%～533% 정도의 증가율을 보이는 것으로 나타나 SAP 적용시 최대인발지지력 증가 효과는 지반조건이 불리할 경우 더 우수한 것으로 나타났다. 다만 보다 정밀한 검토를 위해 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

(4) 본 현장시험결과는 비교적 얕은 심도에 위치한 풍화토 정도의 지층에 시공되는 SAP를 대상으로 한 것으로서 SAP와 용도가 유사한 마이크로 파일이 풍화암 혹은 연암에 시공되는 점을 감안할 때 추가 연구를 통해 SAP를 풍화암 혹은 연암 정도의 지층에 비배토 시공으로 설치가 가능한지 여부와 본 연구에서 제시된 결과를 확장 적용할 수 있는지에 대한 여부를 검토할 필요가 있을 것으로 판단된다.
이 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이 두 경우 모두 최대인발저항력에 도달하기 전까지 곡선의 기울기는 다소 불규칙적이나 1일 경과 후 최대인발저항력은 약 120kN 그리고 5일 경과후 시험 결과는 약 280kN으로 검토되어 5일 경과 후의 시험결과가 1일 경과 후 시험결과 대비 215% 증가된 최대인발저항력을 발휘하는 것으로 검토되었다. 다만 Fig. 10에 제시된 두 시험조건에 대한 하중-변위 곡선이 다른 시험결과와 같이 뚜렷한 극한점을 보이지는 않아 일정 시점에서 시험을 종료한 관계로 시험 결과가 극한상태에 도달하였는지에 여부에 대해서는 다소의 논란이 있을 수 있어 향후 셋업효과에 대한 확인을 위한 추가 연구가 필요할 것으로 판단되나 셋업효과는 어느 정도 최대인발저항력 상승에 영향을 미쳤다고 간주 할 수 있을 것으로 판단된다.
(1991) 이론식 보다는 Mitsch and Clemence(1985) 이론식이 현장시험결과에 근접하는 수치를 제공하는 것으로 검토되었다. 다만 검토된 현장의 제약조건을 감안할 때 기존의 제안식을 SAP의 최대 인발저항력을 추정하는데 있어서의 적용성 여부는 추가적인 심도 있는 검토가 필요한 것으로 판단된다.
한편 A현장과 B현장에서의 일반 강봉 대비 SAP의 최대인발저항력 증가 정도를 보다 구체적으로 분석하면 정밀한 지반공학적 분석은 어려우나 SAP가 근입된 지반의 N치가 (10～41)/30 범위를 보이는 B현장의 경우 증가율이 268%를 보인 반면 (5～13)/30의 N치를 보이는 A현장의 경우에는 433%～533% 정도의 증가율을 보이는 것으로 나타나 SAP 적용시 최대인발지지력 증가 효과는 지반조건이 불리할 경우 더 우수한 것으로 나타났다. 다만 보다 정밀한 검토를 위해 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
(1991)의 이론식 결과 보다는 식 (2)의 Mitsch and Clemence(1985) 이론식으로부터 얻어진 최대인발저항력이 현장시험결과에 근접하는 것으로 검토되었다. 다만 현장재하시험이 1일 경과 후에 수행된 결과도 포함하는 관례로 다소의 셋업효과를 배제할 수 없어 정확한 비교가 어려울 뿐만 아니라 현장 여건의 제약상 지반에 대한 지반공학적 평가가 미흡했던 점을 감안할 때 이들의 제안식을 SAP의 최대 인발저항력을 추정에의 적용성 여부는 추가적인 심도있는 검토가 필요한 것으로 판단된다.
이러한 결과는 셋업 효과는 압축파일 뿐만 아니라(Cho, 2010) 인발하중을 받는 파일의 경우에서도 인발저항특성을 향상시키는 매우 중요한 요인으로 간주하여야 하는 것으로 검토되었다. 향후 추가 연구를 통해 보다 구체적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스크류 앵커의 장점은 무엇인가?	스크류 앵커 파일(Screw Anchor Pile, 이하 SAP라 칭함)은 강봉에 스크류를 부착하여 압축지지력과 인발저항력을 높이기 위해 개발되었으며 호주 및 북미에서는 굴착 및 사면보강시 인장부재로 사용되어 꾸준히 연구되고 있다. 이러한 스크류 앵커는 기존의 일반 앵커 혹은 네일링 공법에 비해 동일 길이에서 우수한 인발 저항력을 확보할 수 있으며 시공성이 우수한 것으로 알려져 있다. 유사한 공법으로 헬리컬 스크류 앵커 파일(Piletech, 2012)을 들 수 있는데 사면 보강 및 가시설 굴착공사에 적용되고 있다.
	SAP의 적용분야는?	1은 SAP의 개요도 보여주고 있는데 제작과정을 살펴보면 먼저 도넛형태의 모양으로 개별적으로 절단된 스크류들을 용접으로 연결하고 일정한 피치 간격으로 늘린 후 회전관입시 발생되는 토크에 저항할 수 있도록 샤프트 부분에 제작된 스크류를 추가적으로 용접하여 SAP가 제작된다. 적용분야로는 기초분야에서 상업･주거건물이나 민자역사, 철탑기초, 소구경 도로시설물의 기초로 사용될 수 있으며 교량기초 추가 보강이나 리모델링 건축물과 부력앵커 대용으로 적용할 수 있다. 또한 사면과 흙막이 분야에서는 소일 네일링이나 어쓰 앵커, 락 앵커, 스트럿의 역할을 수행하여 사면안정에 사용되고, 터널보강시 락볼트 대용으로도 적용된다.
	스크류 앵커 파일의 개발 목적은 무엇인가?	스크류 앵커 파일(Screw Anchor Pile, 이하 SAP라 칭함)은 강봉에 스크류를 부착하여 압축지지력과 인발저항력을 높이기 위해 개발되었으며 호주 및 북미에서는 굴착 및 사면보강시 인장부재로 사용되어 꾸준히 연구되고 있다. 이러한 스크류 앵커는 기존의 일반 앵커 혹은 네일링 공법에 비해 동일 길이에서 우수한 인발 저항력을 확보할 수 있으며 시공성이 우수한 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (13)

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상세보기
Cho, C. H. (2010), Pile Engineering Handbook, E&G-Book.
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상세보기
Ghaly, A., Hanna, A., and Hanna, M. (1991b), "Uplift behavior of screw anchors in sand. II: Hydrostatic and Flow Conditions", ASCE, J.Geotech. Engrg. Vol.117, No.5, pp.794-808.

상세보기
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상세보기
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Saeedy, H.S. (1987), "Stability of circular vertical earth anchors", Canadian geotechnical journal, Vol.24, No.3, pp.452-456.

상세보기
Vickars, R.A. and Clemence, S.P. (2010), "Performance of Helical Piles with Grouted Shafts", ASCE, New Technological and Design Developments in Deep Foundations, pp.327-341.
Yoo, C., Shin, B. N., and Jang, D. W. (2010), "A study on optimization of screw anchor pile's geometry", Proceedings of Korean Geosynthetics Conference, pp.119-131.

저자의 다른 논문 :

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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