국내 외 하중저항계수설계법의 저항계수 보정 시 수집된 데이터베이스의 신뢰성을 향상시키기 위하여 저항편향계수 산정 단계에서 저항편향치의 ${\pm}2{\sigma}$ 범위의 데이터만을 선택하거나 가정된 확률분포 검정을 만족하도록 꼬리(tail)부분의 데이터를 제거하는 방법을 적용하고 있다. 그러나 이들 방법에서는 데이터베이스 내에 우연히 포함된 저품질의 데이터를 확인할 수 없는 단점이 발견되었다. 본 연구에서는 정재하시험의 품질, 원지반의 공학적 특성, 쇄석다짐말뚝의 제원 등의 품질기준을 이용하여 데이터베이스 구축 단계에서 수행할 수 있는 품질평가법을 제안하였으며, 국내 외 문헌 및 정재하시험 보고서로부터 65개소의 정재하시험 데이터를 수집하여 데이터베이스의 구축 및 품질평가를 수행하였다. 데이터베이스의 품질 평가 상태에 따른 저항편향계수와 변동계수, 저항계수를 비교한 결과, 기존의 데이터베이스 처리과정과 품질평가법을 병행할 경우에 저항편향계수의 불확실성이 감소되며, 신뢰도 높은 LRFD 저항계수 보정에 효과적인 것으로 판단된다.
국내 외 하중저항계수설계법의 저항계수 보정 시 수집된 데이터베이스의 신뢰성을 향상시키기 위하여 저항편향계수 산정 단계에서 저항편향치의 ${\pm}2{\sigma}$ 범위의 데이터만을 선택하거나 가정된 확률분포 검정을 만족하도록 꼬리(tail)부분의 데이터를 제거하는 방법을 적용하고 있다. 그러나 이들 방법에서는 데이터베이스 내에 우연히 포함된 저품질의 데이터를 확인할 수 없는 단점이 발견되었다. 본 연구에서는 정재하시험의 품질, 원지반의 공학적 특성, 쇄석다짐말뚝의 제원 등의 품질기준을 이용하여 데이터베이스 구축 단계에서 수행할 수 있는 품질평가법을 제안하였으며, 국내 외 문헌 및 정재하시험 보고서로부터 65개소의 정재하시험 데이터를 수집하여 데이터베이스의 구축 및 품질평가를 수행하였다. 데이터베이스의 품질 평가 상태에 따른 저항편향계수와 변동계수, 저항계수를 비교한 결과, 기존의 데이터베이스 처리과정과 품질평가법을 병행할 경우에 저항편향계수의 불확실성이 감소되며, 신뢰도 높은 LRFD 저항계수 보정에 효과적인 것으로 판단된다.
In load and resistance factor design (LRFD) method, resistance factors are typically calibrated using resistance bias factors obtained from either only the data within ${\pm}2{\sigma}$ or the data except the tail values of an assumed probability distribution to increase the reliability of...
In load and resistance factor design (LRFD) method, resistance factors are typically calibrated using resistance bias factors obtained from either only the data within ${\pm}2{\sigma}$ or the data except the tail values of an assumed probability distribution to increase the reliability of the database. However, the data selection approach has a shortcoming that any low-quality data inadvertently included in the database may not be removed. In this study, a data quality evaluation method, developed based on the quality of static load test results, the engineering characteristics of in-situ soil, and the dimension of aggregate piers, is proposed for use in constructing database. For the evaluation of the method, a total 65 static load test results collected from various literatures, including static load test reports, were analyzed. Depending on the quality of the database, the comparison between bias factors, coefficients of variation, and resistance factors showed that uncertainty in estimating bias factors can be reduced by using the proposed data quality evaluation method when constructing database.
In load and resistance factor design (LRFD) method, resistance factors are typically calibrated using resistance bias factors obtained from either only the data within ${\pm}2{\sigma}$ or the data except the tail values of an assumed probability distribution to increase the reliability of the database. However, the data selection approach has a shortcoming that any low-quality data inadvertently included in the database may not be removed. In this study, a data quality evaluation method, developed based on the quality of static load test results, the engineering characteristics of in-situ soil, and the dimension of aggregate piers, is proposed for use in constructing database. For the evaluation of the method, a total 65 static load test results collected from various literatures, including static load test reports, were analyzed. Depending on the quality of the database, the comparison between bias factors, coefficients of variation, and resistance factors showed that uncertainty in estimating bias factors can be reduced by using the proposed data quality evaluation method when constructing database.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 국내･외 학술논문 및 정재하시험 보고서 등으로부터 쇄석다짐말뚝의 저항력을 구성하는 항목에 해당하는 자료를 수집하고, 데이터베이스의 분석을 실시하였다. 그리고 하중저항계수설계법의 저항계수 보정을 위한 데이터베이스 구축 시 데이터의 품질을 평가하는 객관적 지표가 설정될 필요가 있음을 인식하고, 저항편향계수 결정 단계뿐만 아니라 데이터베이스 구축 단계에서도 데이터베이스의 품질을 평가하는 방법을 제안함으로써 저항력의 불확실성을 나타내는 저항편향계수와 이를 이용하여 보정된 저항계수의 신뢰도를 높이고자 한다.
따라서 본 연구에서는 국내･외 학술논문 및 정재하시험 보고서 등으로부터 쇄석다짐말뚝의 저항력을 구성하는 항목에 해당하는 자료를 수집하고, 데이터베이스의 분석을 실시하였다. 그리고 하중저항계수설계법의 저항계수 보정을 위한 데이터베이스 구축 시 데이터의 품질을 평가하는 객관적 지표가 설정될 필요가 있음을 인식하고, 저항편향계수 결정 단계뿐만 아니라 데이터베이스 구축 단계에서도 데이터베이스의 품질을 평가하는 방법을 제안함으로써 저항력의 불확실성을 나타내는 저항편향계수와 이를 이용하여 보정된 저항계수의 신뢰도를 높이고자 한다.
통계학적인 관점에서 저항편향계수의 통계학적 유의미성 부여를 위해서는 중심극한정리 이론에 의해 최소 자료수가 30개 이상 확보되어야 하지만, 항타말뚝의 인발저항에 관한 저항계수를 보정하는데 이용된 자료는 12～15개에 불과한 경우도 있었다. 따라서 본 연구에서는 쇄석다짐말뚝의 저항편향계수에 통계학적인 의미가 부여될 수 있도록 문헌 및 정재하시험 보고서로부터 65개소의 정재하시험 데이터를 수집하여 연구의 신뢰성을 확보할 수 있는 데이터베이스를 구축하고자 하였다.
그러나 기존의 하중저항계수설계법에서는 신뢰도 높은 데이터베이스 구성을 위한 데이터의 품질을 평가하지 않고 있으며, 저항편향계수의 통계량이 왜곡되지 않도록 적절한 범위의 데이터만을 선택하는 기법만 제시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 하중저항계수설계법을 위한 데이터베이스 구축 시, 수집된 데이터의 품질을 평가하기 위한 방안으로 상기 설문조사 결과 및 전문가들의 자문의견을 정성적으로 반영하여 Table 6과 같이 품질평점표를 제안하였다.
본 연구에서는 국내･외 쇄석다짐말뚝에 대한 설계 및 시공자료, 학술논문, 정재하시험 보고서 등으로부터 자료를 수집하여 하중저항계수설계법의 저항계수를 보정하기 위한 데이터베이스를 구축하였으며, 기존의 저항편향계수 결정 단계에서만 수행되는 데이터의 신뢰도 확보를 보완하기 위한 데이터베이스 품질평가법을 제안함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
쇄석다짐말뚝의 하중저항계수설계법 개발에서 우선적으로 고려되어야 할 사항으로 전문가들은 정재하시험 등을 통한 실측 저항력(극한지지력)의 평가, 지반 및 쇄석말뚝의 역학적 특성 평가, 쇄석다짐말뚝의 시공사례 수집이 중요하다는 자문의견을 제시하였다.
점성토지반에 설치된 단일쇄석다짐말뚝의 팽창파괴에 대한 지지력은 원지반의 구속압에 지배를 받고 있으므로 원지반의 단위중량과 비배수전단강도의 파악이 중요하다. 특히 본 연구에서는 쇄석다짐말뚝의 여러 파괴모드 중에서 팽창파괴에 대하여 분석하고자 하므로 팽창파괴가 발생되는 말뚝 직경의 2～5배가 되는 심도의 비배수전단강도의 평균값을 데이터베이스에 입력하였다. 정재하시험이 실시된 원지반의 단위중량은 Fig.
제안 방법
(1) 국내･외 하중저항계수설계법의 저항계수 보정 시 수집된 데이터베이스의 구축 및 품질 관리 현황을 검토하고, 쇄석다짐말뚝의 저항편향계수에 통계학적인 의미가 부여될 수 있도록 65개소의 정재하시험 데이터를 수집하였으며, 데이터베이스 구축 시 데이터의 품질을 평가하는 객관적 지표를 설정하여 보다 신뢰성 있는 저항계수 보정이 수행될 수 있도록 계획하였다.
데이터베이스의 품질기준으로는 정재하시험에 의해 실측된 저항력의 신뢰성을 판단하는 기준으로 정재하시험이 극한 또는 항복하중까지 재하 되었는지를 평가하였으며, 지반특성과 쇄석다짐말뚝의 특성을 이용하여 예측 저항력의 신뢰성을 판단하는 기준으로 원지반의 물리･역학적 특성 및 쇄석의 특성값이 명확한지를 평가하도록 계획하였다. 그리고 실측 및 예측 저항력을 산정하는데 필요한 쇄석다짐말뚝의 제원(직경, 길이, 재하판 크기)이 명확한지를 평가하도록 하였다.
데이터베이스의 품질기준으로는 정재하시험에 의해 실측된 저항력의 신뢰성을 판단하는 기준으로 정재하시험이 극한 또는 항복하중까지 재하 되었는지를 평가하였으며, 지반특성과 쇄석다짐말뚝의 특성을 이용하여 예측 저항력의 신뢰성을 판단하는 기준으로 원지반의 물리･역학적 특성 및 쇄석의 특성값이 명확한지를 평가하도록 계획하였다. 그리고 실측 및 예측 저항력을 산정하는데 필요한 쇄석다짐말뚝의 제원(직경, 길이, 재하판 크기)이 명확한지를 평가하도록 하였다.
(1997)은 말뚝직경의 2～3배의 깊이에서 대부분의 쇄석다짐말뚝의 경우에는 팽창파괴가 지배적인 파괴유형이라 하였다. 따라서 본 연구에서는 쇄석다짐말뚝의 주요 파괴모드를 팽창파괴로 선정하고, 팽창파괴에 대한 극한지지력 이론식을 Table 2에 나타내었다.
본 절에서는 쇄석다짐말뚝의 파괴형태, 극한지지력 이론식, 정재하시험법을 분석하여 데이터베이스 구축에 필요한 항목을 도출하고, 쇄석다짐말뚝의 정재하시험 사례를 이용한 데이터베이스 구축과정을 설명하였다. 또한 구축된 데이터베이스의 범위와 분포를 파악하고, 각 데이터베이스 항목 간의 상관성을 분석하였다.
본 연구에서는 연약지반개량공법의 한계상태설계법연구에 관한 설문조사를 2011년 11월부터 2012년 6월까지 총 8개월간 수행하였으며, 연약지반개량공법 및 한계상태설계법과 관련된 전문가그룹의 자문회의를 실시하였다. 국내 설계회사, 시공사, 공기업, 연구소 등에서 지반공학 분야를 담당하고 있는 105명의 기술자들을 대상으로 시행하였으며, 설문응답율은 62%(65명)로 업무경력이 10～20년인 기술자의 비율(44.
본 절에서는 쇄석다짐말뚝의 파괴형태, 극한지지력 이론식, 정재하시험법을 분석하여 데이터베이스 구축에 필요한 항목을 도출하고, 쇄석다짐말뚝의 정재하시험 사례를 이용한 데이터베이스 구축과정을 설명하였다. 또한 구축된 데이터베이스의 범위와 분포를 파악하고, 각 데이터베이스 항목 간의 상관성을 분석하였다.
정재하시험에서는 설계하중의 200% 수준에서 재하하중이 결정되므로 시험규정에 의해 시험이 시행되었는지를 판단하기 위하여 정재하시험의 재하하중과 설계하중의 비에 따라 0～10점을 부여하도록 하였으며, 정재하시험 결과를 이용하여 항복하중 또는 극한하중이 판정되는지에 따라 0～30점을 부여하였다.
지반특성에 관한 품질기준에서는 쇄석다짐말뚝의 극한지지력에 가장 큰 상관관계를 갖는 쇄석의 내부마찰각에 가중치를 두어 0～20점을 부여하였으며, 그 외 물리-역학적 특성값을 추정하는 방법에 따라 0～10점을 부여하였다.
대상 데이터
국내의 기초구조물 저항계수 결정 연구(KICT, 2008)에서는 약 2000여개가 넘는 재하시험 데이터베이스를 수집했으나, 대부분의 재하시험들은 설계의 검증용으로서 설계하중의 2배까지 재하하고 시험을 종료하기 때문에 실제로 극한지지력 또는 항복지지력이 확인되어 Table 1과 같이 63개의 재하시험 자료가 저항계수보정에 이용되었다.
국내･외 말뚝기초, 얕은기초, 쏘일네일링, 보강토옹벽에 대한 하중저항계수설계법 연구에서는 Table 1과 같이 구조물 기초별로 63～549개의 데이터를 수집하였다. 하중저항계수설계법에서는 지반의 종류와 기초의 시공방법, 기초 재료, 보강재의 종류에 따라 저항계수가 보정되므로 세부적으로 구분된 데이터 수는 2～346개의 범위로 구성되어 있다.
데이터베이스 구축을 위하여 국내･외 학술논문 및 쇄석다짐말뚝의 시험/시공 결과 보고서로부터 72개소의 쇄석다짐말뚝의 정재하시험 자료를 수집하였으며, 사질토지반에 설치된 쇄석다짐말뚝과 무리말뚝에 대한 정재하시험은 7개소로 자료수가 상대적으로 적어 통계학적 분석이 곤란한 이유로 본 연구에서는 점성토지반에 설치된 단일쇄석다짐말뚝을 대상으로 Table 4와 같이 65개소에 대한 데이터베이스를 구축하였다. 정재하시험은 미국(36개소), 한국(12개소), 인도(6개소), 필리핀(5개소), 중국(3개소), 영국(1개소), 기타 확인되지 않은 지역(2개소) 등에서 수행되었다.
최소한 한 가지 품질기준이라도 추정이 불가능하거나 평점이 60점 미만인 경우에는 Poor 등급을 부여하였다. 본 연구에서 수집된 65개소의 데이터 중에서 Good 등급과 Fine 등급을 부여받아 비교적 품질 기준을 만족하는 데이터는 Table 7과 같이 49개소로 분석되었다.
쇄석다짐말뚝의 정재하시험은 원형(56개소)과 사각형(9개소)의 재하판이 이용되었다. 재하판의 재료는 대부분 콘크리트 푸팅(44개소)과 강판(16개소)으로 구성되었으며, 일부 쇄석매트, 모래매트 등(5개소)이 이용되었다.
쇄석다짐말뚝의 정재하시험은 원형(56개소)과 사각형(9개소)의 재하판이 이용되었다. 재하판의 재료는 대부분 콘크리트 푸팅(44개소)과 강판(16개소)으로 구성되었으며, 일부 쇄석매트, 모래매트 등(5개소)이 이용되었다. 재하판의 직경은 Fig.
데이터베이스 구축을 위하여 국내･외 학술논문 및 쇄석다짐말뚝의 시험/시공 결과 보고서로부터 72개소의 쇄석다짐말뚝의 정재하시험 자료를 수집하였으며, 사질토지반에 설치된 쇄석다짐말뚝과 무리말뚝에 대한 정재하시험은 7개소로 자료수가 상대적으로 적어 통계학적 분석이 곤란한 이유로 본 연구에서는 점성토지반에 설치된 단일쇄석다짐말뚝을 대상으로 Table 4와 같이 65개소에 대한 데이터베이스를 구축하였다. 정재하시험은 미국(36개소), 한국(12개소), 인도(6개소), 필리핀(5개소), 중국(3개소), 영국(1개소), 기타 확인되지 않은 지역(2개소) 등에서 수행되었다.
데이터처리
정재하시험으로부터 평가된 극한지지력과 설계변수들 간의 상관성의 정도는 단순회귀분석에 의해 산정된 결정계수(R2)를 이용하여 분석하였으며, 각 설계변수들 간의 결정계수를 Table 5에 나타내었다. 쇄석다짐말뚝의 극한지지력과 상관성이 높은 설계변수는 쇄석의 내부마찰각(R2 =0.
이론/모형
데이터베이스로 구축된 정재하시험 65개소 중에서 극한지지력을 판정할 수 없는 6개소를 제외한 59개소에 대하여 실제 지지력을 비교적 정확히 예측하는 것으로 나타난 Hughes and Wither(1974)의 지지력이론식을 기준으로 저항편향치를 산정하였다. 저항편향치는 Fig.
성능/효과
(2) 기존 구조물 기초에 관한 LRFD 연구에서 수행된 데이터베이스의 신뢰도 향상을 위한 방법으로는 데이터베이스 내에 우연히 포함된 저품질의 데이터를 확인할 수 없는 단점이 발견되었으며, 본 연구에서 제안된 데이터베이스의 품질평가법을 병행할 경우에는 보정된 저항계수의 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 분석되었다.
(3) 데이터베이스의 품질 향상을 위하여 이상치 제거를 시행한 경우에는 전체 데이터를 적용한 경우에 비하여 저항편향계수의 불확실성이 약 66% 감소하였으며, 데이터베이스 품질평가법을 병행할 경우에는 약 70%의 불확실성이 감소되는 것으로 분석되어 신뢰도 높은 하중저항계수설계법의 저항계수 보정을 위하여 데이터베이스의 품질평가 과정이 필요한 것으로 판단된다.
데이터베이스 품질평가법에 따른 저항편향계수의 통계학적 특성을 Table 8에 나타내었다. 극한지지력을 판정할 수 있는 쇄석다짐말뚝의 정재하시험 데이터 전체에 대한 저항편향계수와 변동계수는 각각 1.89, 1.421로 지지력이론식에 내재된 안전여유는 비교적 크며, 불확실성은 매우 큰 것으로 분석되었다. 확률분포에 어울리지 않는 이상치를 제거하는 기존의 방법을 적용하였을 경우에는 전체 데이터에 대한 저항편향계수의 불확실성보다 약 66% 감소하였으며, 품질평가법을 병행할 경우에는 약 70% 감소하는 것으로 분석되었다.
설계변수들 간의 상관계수는 재하판의 폭(Bf)과 재하판의 치환면적비(ar)에서 R2=-0.72로 매우 상관성이 높은 것으로 나타났다. 이는 쇄석다짐말뚝의 직경은 대부분 0.
쇄석다짐말뚝의 극한지지력과 상관성이 높은 설계변수는 쇄석의 내부마찰각(R2 =0.54)으로 나타났으며, 양(+)의 상관관계로 설계변수가 증가한다면 극한지지력도 증가하는 것으로 분석되었다.
이는 기존의 저항편향치 평균값의 ±2배 표준편차 범위의 데이터만을 선택하는 방법과 확률분포에 적합하지 않은 꼬리(tail) 부분의 데이터를 제거하는 방법으로는 데이터의 품질상태를 직접 확인할 수 없는 단점을 보여주고 있으며, 본 연구에서 제안된 데이터베이스의 품질평가법이 저항편향계수 및 저항계수의 신뢰도를 높일 수 있는 효과적인 방법임을 나타내고 있다.
정재하시험 자료의 출처별 평균 평점은 국내 학술논문(KJ)이 86점으로 가장 높게 나타났으며, 해외 학술논문(AJ) 77점, 국내 재하시험보고서(KR) 65점, 해외 재하시험보고서(AR) 62점 순으로 나타났다. 품질평점이 60점 이하인 자료의 대부분은 정재하시험에 의해 항복하중 또는 극한하중이 판정되지 않아 실측 저항력의 신뢰도를 확보하지 못하는 경우가 대부분을 차지하였다.
확률분포에 어울리지 않는 이상치를 제거하는 기존의 방법을 적용하였을 경우에는 전체 데이터에 대한 저항편향계수의 불확실성보다 약 66% 감소하였으며, 품질평가법을 병행할 경우에는 약 70% 감소하는 것으로 분석되었다. 특히 본 연구에서 제안된 품질평가법을 병행될 경우 기존의 방법에 비해서도 저항편향계수의 불확실성은 약 13%가 감소되는 것으로 분석되었다.
421로 지지력이론식에 내재된 안전여유는 비교적 크며, 불확실성은 매우 큰 것으로 분석되었다. 확률분포에 어울리지 않는 이상치를 제거하는 기존의 방법을 적용하였을 경우에는 전체 데이터에 대한 저항편향계수의 불확실성보다 약 66% 감소하였으며, 품질평가법을 병행할 경우에는 약 70% 감소하는 것으로 분석되었다. 특히 본 연구에서 제안된 품질평가법을 병행될 경우 기존의 방법에 비해서도 저항편향계수의 불확실성은 약 13%가 감소되는 것으로 분석되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
심층혼합처리공법과 고압분사주입공법이 침하방지와 안정성 확보에 장점이 있는 이유는 무엇인가?
심층혼합처리공법과 고압분사주입공법은 시멘트슬러리를 지중에 공급하여 연약지반과 강제적으로 혼합함으로써 견고한 안정처리토를 형성하는 연약지반개량공법으로 개량체의 강성이 크기 때문에 침하방지와 안정성 확보에 장점이 있으나, 개량공사 중 발생되는 시멘트 슬라임 등에 의한 환경오염의 가능성이 있다.
전통적으로 연약지반 상에 구조물 기초 용도로 이용되는 연약지반개량공법 중 모래다짐말뚝공법보다 쇄석다짐말뚝의 적용이 증가하는 이유는 무엇인가?
모래다짐말뚝공법과 쇄석다짐말뚝공법은 연약지반에 모래 또는 쇄석을 압입하여 지중에 조립질 재료로 구성된 구근을 형성하는 연약지반개량공법으로 지반의 전단강도 및 지지력의 증가, 압밀침하 저감 등의 효과를 목적으로 한다. 모래다짐말뚝공법은 2000년대 초반까지 항만, 단지, 도로공사에서 다수 적용되었으나, 최근모래 단가의 상승과 모래채취로 인한 하천 환경파괴 문제점으로 인해 모래보다 경제적이고 큰 강도를 갖는 쇄석다짐말뚝의 적용이 증가하는 추세이다.
전통적으로 연약지반 상에 구조물 기초 용도로 이용되는 연약지반개량공법은 무엇이 적용되는가?
경제성장과 더불어 산업단지, 주거단지, 도로, 항만 등의 용지 수요가 증가되고 있으나, 조건이 양호한 사업지구의 확보가 어려워짐에 따라 토질조건이 불량하고, 개발여건이 열악한 연약지반에도 구조물을 축조하여야할 필요성이 점차 높아지고 있다. 전통적으로 연약지반 상에 구조물 기초 용도로 이용되는 연약지반개량공법으로 심층혼합처리공법, 고압분사주입공법, 모래다짐말뚝공법, 쇄석다짐말뚝공법 등이 지반여건과 환경에 따라 다양하게 적용되어 왔다.
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