선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 매입말뚝 시공 시 발생하는 현장 발생토를 충전재로 재활용하기 위하여 현장토를 활용한 고화처리 충전재의 역학적 특성을 도출하여 기존 사용되고 있는 시멘트 페이스트와 비교하여 현장 적용성을 평가하였다. 또한, 현장에서 굴착토사와 고화재를 적정 배합한 고화처리 충전재를 사용하여 시공된 매입말뚝에 대한 재하시험 및 하중전이 계측을 수행하여 말뚝의 축방향 지지 거동을 분석하였고, 현장조건과 동일한 스케일을 대상으로 유한요소해석 프로그램인 Plaxis 3D를 이용하여 충전재에 따른 하중전이 특성을 평가하였다.
- 본 논문에서는 매입말뚝 천공 시 발생하는 현장 발생토를 충전재로 재활용하기 위하여 고화처리 충전재의 역학적 특성을 도출하여 기존 사용되고 있는 시멘트 페이스트와 비교하여 현장적용성을 평가하였다. 또한, 매입말뚝 시공 시 말뚝 주면부에서 발생하는 굴착토사와 고화재를 적정 배합한 고화처리 충전재를 이용하여 재하시험 및 하중 전이 계측을 수행하여 말뚝의 축방향 지지거동을 분석 하였고, 현장조건과 동일한 스케일을 대상으로 수치해석을 통하여 충전재에 따른 하중전이 특성을 평가하여 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 매입말뚝의 충전재로서의 성능을 평가하기 위하여, 군포 OO아파트 공사 현장에서 현장 적용성 시험을 실시하였으며, 기존 시멘트 페이스트를 채움재로 활용하는 말뚝과 고화처리 충전재를 적용한 말뚝에 대해 지지력 특성을 분석하기 위하여 일축 압축강도시험 및 현장재하시험, 하중전이 특성 등을 실시하였다(Kim et al., 2012). Fig.
가설 설정
- 10(b)와 같다. 즉, 변위의 경계조건으로 X축 직교평면(좌, 우측면)은 X방향 변위 고정, Y축 직교평면(전, 후면)은 Y방향변위 고정, 바닥면은 X축, Y축 및 Z축 방향 변위 고정 조건으로 가정하였으며, 말뚝과 충전재, 충전재와 지반사이의 격자요소망은 조밀도를 향상시켜 해석을 수행하였다.
제안 방법
- 고화처리 충전재와 시멘트 페이스트 두 시험체에 대하여 타설 3시간 후와 타설 24시간 후의 재료분리저항성을 측정하였다. Fig.
- 동재하 시험은 Fig. 7과 같이 시험 말뚝 2개소에 대하여 센서를 말뚝에 부착시키고, 말뚝을 천공홀에 삽입하여 시멘트 페이스트와 고화처리 충전재를 각각 천공홀에 부어넣은 후 측정장치와 연결시켰다. 그 후 Drop Hammer 4.
- 본 논문에서는 매입말뚝 천공 시 발생하는 현장 발생토를 충전재로 재활용하기 위하여 고화처리 충전재의 역학적 특성을 도출하여 기존 사용되고 있는 시멘트 페이스트와 비교하여 현장적용성을 평가하였다. 또한, 매입말뚝 시공 시 말뚝 주면부에서 발생하는 굴착토사와 고화재를 적정 배합한 고화처리 충전재를 이용하여 재하시험 및 하중 전이 계측을 수행하여 말뚝의 축방향 지지거동을 분석 하였고, 현장조건과 동일한 스케일을 대상으로 수치해석을 통하여 충전재에 따른 하중전이 특성을 평가하여 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
- 따라서, 본 논문에서는 매입말뚝 시공 시 발생하는 현장 발생토를 충전재로 재활용하기 위하여 현장토를 활용한 고화처리 충전재의 역학적 특성을 도출하여 기존 사용되고 있는 시멘트 페이스트와 비교하여 현장 적용성을 평가하였다. 또한, 현장에서 굴착토사와 고화재를 적정 배합한 고화처리 충전재를 사용하여 시공된 매입말뚝에 대한 재하시험 및 하중전이 계측을 수행하여 말뚝의 축방향 지지 거동을 분석하였고, 현장조건과 동일한 스케일을 대상으로 유한요소해석 프로그램인 Plaxis 3D를 이용하여 충전재에 따른 하중전이 특성을 평가하였다.
- 인발시험은 말뚝기초 설계시 풍하중 또는 인발하중에 저항하는 기초말뚝의 인발저항력 산정을 위해서도 필수적이지만, 압축재하시험 결과의 보완을 위해서 즉, 주면마찰력의 규명을 위해서도 효과적이다. 부착강도 성능을 평가하기 위하여 PVC 원형통(직경 : 650mm, 높이 : 650mm,) 에 PHC 파일(직경 : 450mm, 높이 1,000mm)을 삽입 후 주면에 시멘트 페이스트와 현장 발생토를 이용한 고화처리 후 인발 시험을 실시하였다. 인발 시험 결과는 Fig.
-
3.4 부착강도
부착시험은 만능시험장치(50ton)를 사용하여 0.2mm/min로 일정하게 변위제어 하였으며, 시험체의 재령일은 14일기준으로 실시하였다
. Fig. - 수평재하시험은 2:1 반력 이용재하방식으로 이용하였으며, 하중은 표준재하 방식을 준용하였으며, 총 10단계로 나누어 15.0mm 초과시까지 재하를 실시하였다. Fig.
- 시공단계는 총 9단계로서 원지반 응력을 재현한 상태에서 말뚝시공 단계를 거쳐 이후 재하하중을 300kN 씩 증분 시켜 최종 9단계의 누적하중이 2,400kN이 되도록 설정하였다. 각 단계별 해석 모델링은 Fig.
- 1과 같이 PHC 파일의 일부를 절단한 후 그 시편 위에 50mm×50mm×50mm 몰드를 제작하여 올리고 고화처리 충전재와 시멘트 페이스트를 타설하였으며, 시험체는 각각 3개씩 총 6개를 제작하였다. 압축강도와 부착강도는 시험체를 제작한 후 현장 대기상태에서 양생한 후 측정하였다.
- 하중전이시험을 위해서 말뚝 제작 전에 철근망 등에 스트레인게이지를 부착하여 별도로 하중전이시험용 말뚝을 제작하였고, 하중 재하시 말뚝의 주면지반으로 전이되는 하중을 측정하여, 심도별 주면 마찰력을 측정하였다. 정재하 시험의 수행방법은 지중 앵커를 이용한 앵커 반력 재하 방식으로 하였다. 하중전이시험 측정 결과는 Table 4와 같으며, 기존 시멘트 페이스트와 대비하여 심도별 주면 마찰력은 평균 73%정도의 저항특성을 나타내며, 설계 지지력 이상의 성능을 발현하였다.
- 하중전이시험을 위해서 말뚝 제작 전에 철근망 등에 스트레인게이지를 부착하여 별도로 하중전이시험용 말뚝을 제작하였고, 하중 재하시 말뚝의 주면지반으로 전이되는 하중을 측정하여, 심도별 주면 마찰력을 측정하였다. 정재하 시험의 수행방법은 지중 앵커를 이용한 앵커 반력 재하 방식으로 하였다.
- 해석에 가정한 지반은 실트질 모래와 화강풍화토롤 구성된 지반으로써 Mohr-Coulomb의 구성법칙을 만족시키는 재료이며, Table 5에서 보는 바와 같이 해석에 적용된 지반의 단위중량과 탄성계수, 강도정수는 현장재하시험을 수행한 지반조사에서 도출된 정수값을 적용하였다.
- 현장에서 배합된 시료를 50×50mm 큐빅 몰드로 제작하여 습윤 양생하여 3일, 7일, 14일, 28일 순으로 일축압축강도 시험을 실시하였다.
대상 데이터
- 고화처리 충전재의 기본적인 역학적 특성과 성능을 확인하기 위하여 ASTM D6103(2004)에 준하여 직경 80mm, 높이 80mm인 원형 실린더로 유동성을 평가하였으며, 재료분리 저항성은 ASTM C940(2003)에 준하여 실시하였다. 또한, 압축강도는 KSF 2405(2010)에 준하여 수행하였으며, 고화처리 충전재 및 시멘트 모르타르 각각 공시체 3개씩 총 18개를 제작하였다.
- 고화재는 흙과 혼합하였을 때 수화반응, 이온교환 반응 및 포졸란 반응에 의해 흙을 고결화하는 특성을 가지고 있다(Oh, 2011). 본 연구에서 사용한 고화재는 무기염화물계 금속원소와 무기계 알칼리금속인 탄소족, 질소족, 철족 등의 복합물로 구성된 다기능성 고화재료이다. 수용성으로서 용액으로 살포 또는 혼합수로 사용되므로 토립자 간극사이에 쉽게 침투하여 유기질 흙 주위의 활성막을 표면 화학처리하여 시멘트의 본래 작용 효과를 최대로 발휘시켜 흙 입자 사이에 배열을 안정시키고 응결 효과를 크게 해 주는 특성을 가지고 있다.
- 부착강도 시험체는 Fig. 1과 같이 PHC 파일의 일부를 절단한 후 그 시편 위에 50mm×50mm×50mm 몰드를 제작하여 올리고 고화처리 충전재와 시멘트 페이스트를 타설하였으며, 시험체는 각각 3개씩 총 6개를 제작하였다.
- 천공 시 발생한 현장토와 시멘트 등을 혼합한 고화처리 충전재와 기존 사용되고 있는 시멘트 페이스트에 대한 배합표는 Table 1과 같으며, 시멘트 페이스트의 배합비는 Korea Land & Housing Corporation의 ‘전문시방서 30535’(2010)에 준하여 배합비를 결정하였다. 사용된 현장발생 토는 4.95mm체를 이용하여 분리한 다음 통과한 자연상태의 시료를 사용하였다. 충전재 1m3 당 시멘트 투입량은 고화처리 충전재의 경우 기존 시멘트 페이스트를 사용한 충전재에 비해 20% 정도로 나타나고 있어 고화처리를 하였을 때 시멘트를 상당히 절약할 수 있음을 나타내었다.
- 유한요소해석에 적용된 말뚝의 규모는 Fig. 10과 같으며, 말뚝직경은 450mm, 말뚝길이가 10m인 PHC 파일에 2m 간격으로 응력과 변위 거동을 파악할 수 있도록 위치를 선정하였고, 해석에 사용된 격자요소망(mesh)은 Fig. 10(b)와 같다. 즉, 변위의 경계조건으로 X축 직교평면(좌, 우측면)은 X방향 변위 고정, Y축 직교평면(전, 후면)은 Y방향변위 고정, 바닥면은 X축, Y축 및 Z축 방향 변위 고정 조건으로 가정하였으며, 말뚝과 충전재, 충전재와 지반사이의 격자요소망은 조밀도를 향상시켜 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 고화처리 충전재의 기본적인 역학적 특성과 성능을 확인하기 위하여 ASTM D6103(2004)에 준하여 직경 80mm, 높이 80mm인 원형 실린더로 유동성을 평가하였으며, 재료분리 저항성은 ASTM C940(2003)에 준하여 실시하였다. 또한, 압축강도는 KSF 2405(2010)에 준하여 수행하였으며, 고화처리 충전재 및 시멘트 모르타르 각각 공시체 3개씩 총 18개를 제작하였다.
- 7과 같이 시험 말뚝 2개소에 대하여 센서를 말뚝에 부착시키고, 말뚝을 천공홀에 삽입하여 시멘트 페이스트와 고화처리 충전재를 각각 천공홀에 부어넣은 후 측정장치와 연결시켰다. 그 후 Drop Hammer 4.0 ton(시항타), 유압 Hammer 7.0ton(재항타)으로 시험하였으며, 측정된 결과를 CAPWAP 방법에 의하여 분석하였다. CAPWAP 방법은 CASE 방법과 마찬가지로 말뚝두부에서 측정된 힘과시간, 또는 가속도와 시간과의 관계를 이용하여 지지력을 예측하는 방법이나, 근본적으로 CASE 방법에서처럼 약산 공식을 이용하지 않고 프로그램을 이용하여 구하는 방법이다.
- 천공 시 발생한 현장토와 시멘트 등을 혼합한 고화처리 충전재와 기존 사용되고 있는 시멘트 페이스트에 대한 배합표는 Table 1과 같으며, 시멘트 페이스트의 배합비는 Korea Land & Housing Corporation의 ‘전문시방서 30535’(2010)에 준하여 배합비를 결정하였다.
성능/효과
- 고화처리 충전재는 기존 시멘트페이스트에 비해 유동 성과 재료분리저항성 및 부착강도에서는 좋은 성능을 발휘하였으나, 동재하시험에 의한 주면마찰력은 다소 저하 되는 결과를 보여 고화처리 충전재는 시멘트 페이스트 충전재와 유사한 성능을 나타내었다. 또한, 동재하 시험 및 하중 전이시험 결과, 기존 사용하고 있는 시멘트페이스트에 비해 평균 단위마찰력은 다소 저하되는 결과를 보였으나, 경험식에 의한 설계극한주면마찰력을 기준으로 설계 지지력 이상으로 도출되었으며, 수평재하시험의 결과, 기존 시멘트 페이스트 보다 현장발생토의 입자가 크기 때문에 지하수에 의한 유실이 적어 상부구간이 밀실하게 채워져 수평저항 성능이 다소 크게 나타나 매입말뚝 충전재로서 고화토의 적용성을 확인하였다.
- 고화처리 충전재는 기존 시멘트페이스트에 비해 유동 성과 재료분리저항성 및 부착강도에서는 좋은 성능을 발휘하였으나, 동재하시험에 의한 주면마찰력은 다소 저하 되는 결과를 보여 고화처리 충전재는 시멘트 페이스트 충전재와 유사한 성능을 나타내었다. 또한, 동재하 시험 및 하중 전이시험 결과, 기존 사용하고 있는 시멘트페이스트에 비해 평균 단위마찰력은 다소 저하되는 결과를 보였으나, 경험식에 의한 설계극한주면마찰력을 기준으로 설계 지지력 이상으로 도출되었으며, 수평재하시험의 결과, 기존 시멘트 페이스트 보다 현장발생토의 입자가 크기 때문에 지하수에 의한 유실이 적어 상부구간이 밀실하게 채워져 수평저항 성능이 다소 크게 나타나 매입말뚝 충전재로서 고화토의 적용성을 확인하였다.
- 매입말뚝 충전재의 양생 후에 수행한 동재하시험 결과 중항타관입성 분석에서 재항타 동재하시험 시 최대압축응력이 0.3~0.4ton/m2 로 PHC말뚝의 허용 항타 응력 0.5ton/m2 이내로 측정이 되어 항타에 의한 재료의 응력은 모두 허용응력 이내인 것으로 나타났다. 또한 항타 시 측정된 항타 에너지도 5.
- 본 연구의 수치해석에 사용된 Plaxis 3D은 3차원 지반 공학 전용 유한요소해석 프로그램으로 탄소성 상태에서 평형상태에 도달 및 수렴을 위한 효율적 알고리즘이 적용 되며, 인터페이스 마찰각과 점착력만을 입력하도록 하여인터페이스 요소를 이용하면 지반과 벽체의 슬립현상을 재현하여 실제 흙-구조물 거동을 쉽게 나타낼 수 있다.
- 분석 결과, 주면 마찰력의 분포와 평균 단위 마찰력의 크기를 비교 하면 Table 3과 같으며, 현장 발생토를 이용한 고화처리 충전재 말뚝의 평균단위 마찰력은 8.4ton/m2로 시멘트 페이스트로 충전한 말뚝의 평균단위 마찰력 7.9ton/m2 보다 약간 크게 나타나, 기존 시멘트 페이스트와 거의 유사한 성능을 발현하였다. 그리고, 경험식에 의한 설계극한주면마찰력 대비하여 모두 설계 지지력 이상임으로 안정성에는 문제가 없는 것으로 판단된다.
- 수치해석 결과, 말뚝의 주면저항력은 재하 초기단계에 서는 지반과 충전재사이의 부착에 의해, 하중의 증가에 따라 부착이 파괴된 후에는 충전재와 말뚝사이의 마찰에 의해 발현됨으로써 시멘트 페이스트와 고화처리 충전재의 경우 모두 변위의 증가에 따라 주면저항력은 지속적으로 증가하고 있으며, 재하하중이 커질수록 고화처리 충전재가 시멘트 페이스트보다 먼저 소성파괴가 발생하였다. 따라서 충전재로서의 구조적 역할과 경제성 및 환경적인 측면을 고려한다면, 고화처리 충전재의 적용 가능성을 매우 효과적일 것으로 판단된다.
- 이는 시멘트 페이스트와 고화처리 충전재가 지반과의 마찰력 차이로 인한 주면하중전이 거동으로서, 말뚝의 주면저항력은 재하 초기단계에서는 지반과 충전재사이의 부착에 의해, 하중의 증가에 따라 부착이 파괴된 후에는 충전재와 말뚝사이의 마찰에 의해 발현된다. 시멘트 페이스트와 고화처리 충전재의 경우 모두 변위의 증가에 따라 주면저항력은 지속적으로 증가하고 있으며, 재하하중이 커질수록 고화처리 충전재가 시멘트 페이스트보다 먼저 소성파괴가 발생함을 나타내었다.
- 2와 같이 직경 80mm, 높이 80mm의 아크릴 원통을 이용하였으며, 일반적으로 다짐없이 잘 채워지기 위해서는 플로우가 실린더 직경의 2배 이상을 만족하여야 한다. 유동성 평가 결과, 고화처리 충전재의 플로우 값은 210mm로서 실린더 직경 80mm의 2.6배를 만족하였다. 시멘트 페이스트의 경우 높은 물-시멘트비로 인해 플로우값 측정이 불가능하였다.
- 부착강도 성능을 평가하기 위하여 PVC 원형통(직경 : 650mm, 높이 : 650mm,) 에 PHC 파일(직경 : 450mm, 높이 1,000mm)을 삽입 후 주면에 시멘트 페이스트와 현장 발생토를 이용한 고화처리 후 인발 시험을 실시하였다. 인발 시험 결과는 Fig. 9와 같으며, 단위저항력으로 환산한 결과는 시멘트 페이스트는 11.2ton/m2 으로 측정되었고, 고화처리 충전재의 경우는 9.7 ton/m2 으로 87% 정도의 성능을 발현하였다.
- 5MPa보다 10배 이상의 강도를 발현하였다. 즉 고화처리 충전재의 일축압축강도는 기존에 사용하던 시멘트 페이스트에 비해 다소 작으나 한국도로공사 설계기준에 비하여 월등히 커서 충전재용 고화토로서 충분한 성능을 발휘하는 것으로 확인되었다.
- 95mm체를 이용하여 분리한 다음 통과한 자연상태의 시료를 사용하였다. 충전재 1m3 당 시멘트 투입량은 고화처리 충전재의 경우 기존 시멘트 페이스트를 사용한 충전재에 비해 20% 정도로 나타나고 있어 고화처리를 하였을 때 시멘트를 상당히 절약할 수 있음을 나타내었다.
- 13은 각각 하중-변위곡선과 재하단계별 말뚝의 축방향 하중전이곡선을 나타낸 것이다. 하중전이 곡선에서 말뚝의 극한지지력은 선단지지력과 주면마찰지 지력으로 구분하며, 해석결과 선단에 작용하는 하중이 시멘트 페이스트의 경우에는 529ton, 고화처리 충전재는 618ton 으로 시멘트페이스트의 주면마찰저항력이 약간 크게 도출 되었다. 이는 시멘트 페이스트와 고화처리 충전재가 지반과의 마찰력 차이로 인한 주면하중전이 거동으로서, 말뚝의 주면저항력은 재하 초기단계에서는 지반과 충전재사이의 부착에 의해, 하중의 증가에 따라 부착이 파괴된 후에는 충전재와 말뚝사이의 마찰에 의해 발현된다.
- 정재하 시험의 수행방법은 지중 앵커를 이용한 앵커 반력 재하 방식으로 하였다. 하중전이시험 측정 결과는 Table 4와 같으며, 기존 시멘트 페이스트와 대비하여 심도별 주면 마찰력은 평균 73%정도의 저항특성을 나타내며, 설계 지지력 이상의 성능을 발현하였다.
후속연구
- 수치해석 결과, 말뚝의 주면저항력은 재하 초기단계에 서는 지반과 충전재사이의 부착에 의해, 하중의 증가에 따라 부착이 파괴된 후에는 충전재와 말뚝사이의 마찰에 의해 발현됨으로써 시멘트 페이스트와 고화처리 충전재의 경우 모두 변위의 증가에 따라 주면저항력은 지속적으로 증가하고 있으며, 재하하중이 커질수록 고화처리 충전재가 시멘트 페이스트보다 먼저 소성파괴가 발생하였다. 따라서 충전재로서의 구조적 역할과 경제성 및 환경적인 측면을 고려한다면, 고화처리 충전재의 적용 가능성을 매우 효과적일 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.