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문제 정의
- 이 연구에서는 쇄석다짐말뚝에 대한 수치해석의 신뢰도를 높이기 위해 수치해석에서 사용되는 입력값에 대한 민감도 분석을 통하여 쇄석다짐말뚝 주변지반의 지반정수를 추정해 보았다.
제안 방법
- 시공단계를 고려하여 수치해석을 수행하였다. 현장의 시공단계는 매우 복잡하고 가변적이기 때문에 해석에서는 이를 단순화 하여 비중이 큰 시공단계를 중심으로 해석을 수행하였다.
- 현장의 시공단계는 매우 복잡하고 가변적이기 때문에 해석에서는 이를 단순화 하여 비중이 큰 시공단계를 중심으로 해석을 수행하였다. 이 연구에서는 시공단계를 3단계로 구분하였는데 첫 번째 단계에서는 원지반 조건상태, 두 번째 단계에서는 쇄석다짐말뚝 시공, 마지막 단계에서는 하중재하 순으로 구분하였다.
- 지반의 특성치는 실험자료, 경험식 및 지반조사 보고서를 이용하여 추정하였으며, 쇄석다짐말뚝의 강도정수는 대형삼축압축시험의 결과에 기초하여 탄성계수 및 내부마찰각을 산정하였다.
대상 데이터
- J현장과 U현장에서 쇄석다짐말뚝의 정재하시험을 실시하였다. J현장의 지반조건을 살펴보면 지표면으로부터 15.
- J현장의 시험말뚝으로는 4개의 무리말뚝과 1개의 단일말뚝에 대해 등단면과 변단면으로 쇄석다짐말뚝을 시공하였다. 등단면 쇄석다짐말뚝은 직경 0.
데이터처리
- 쇄석다짐말뚝의 하중-침하량 분석을 위해 범용 유한 요소 해석프로그램인 Midas NX를 이용하였다. Midas NX는 지반해석 시 고체요소를 사용하여 지반의 형상과 시공 상황을 최대한 반영할 수 있도록 모델링이 가능하였으며, 재료의 다양한 비선형성, 이방성 및 원지반 응력상태를 고려하여 실제 현장상태를 최대한 반영할 수 있는 프로그램이다(Midas NX, 2013a; 2013b).
이론/모형
- 지반의 수치해석에서는 원래 반 무한체인 해석영역을 말뚝 주변으로 한정시켜 해석을 하여야 한다. 따라서 쇄석다짐말뚝의 시공으로 인한 변위나 응력의 변화가 거의 없는 위치에서 해석경계를 정의 하여야 하며, 지반 경계면 설정은 Lebeau(2008)이 제안한 수평 경계면 조건 L, 연직 경계면 조건 2L(여기서 L = 말뚝길이)을 적용하였다. 지반 전체요소는 회전이나 이동과 같은 거동이 일어나지 않도록 하였으며, 좌우경계에 위치한 절점에 대해서 X, Y 방향 자유도를 구속하였고, 바닥경계에 위치한 절점에 대해서는 Z 방향 자유도를 구속하였다.
- 쇄석다짐말뚝에 정하중을 재하하기 위하여 실린더는 유압식실린더를 사용 하였으며, 재하판 상단 4개소에 최대 변위 100mm까지 측정할 수 있는 변위센서(LVDT)를 설치하여 하중 재하 시 발생하는 침하량을 측정하였다. 말뚝재하시험에서 하중재하유지는 ASTM D1143-81(1994)에서 규정하고 있는 완속표준재하시험방법과 반복재하방법을 혼합한 형태로 실시하였으며 하중재하단계는 아래의 Table 1과 같다.
- 쇄석다짐말뚝에 대한 정재하시험에서는 반력앵커 방식을 사용하였다(Fig. 2, Fig.
- 수치해석에 사용된 지반의 구성모델은 탄성영역에서 선형탄성 모델을 적용하였고, 소성 항복영역에서 MohrCoulomb 모델을 적용하였다. 또한 재하판에서는 강성이 큰 탄성모델을 적용하여 등분포 하중 재하 시 지표면의 침하를 동일하게 하였다.
- 하지만 N치가 4이하인 점성토 지반에서는 정확한 시험결과를 기대하기 어려우며, 설계용 N치로 보정하기에는 어려움이 따른다. 이 연구에서는 각 지층에 대해 측정된 평균 N치를 활용하였으며 Terzaghi et al.(1984), Das(1984)가 제안한 N치와 토질상수와의 관계를 이용 하여 탄성계수, 단위중량, 푸아송비, 점착력, 내부마찰각 등 지반정수를 추정하고 그 결과를 Table 3에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 쇄석다짐말뚝의 주변지반에 대해 경험식에서 추정된 지반의 특성값으로 수치해석을 실시한 결과 하중-침하량관계에서 현장재하시험결과와는 차이가 있었으며 N치로 추정된 지반의 특성값에는 많은 불확실성들이 포함되어 있는 것으로 판단되었다.
- (2) 쇄석다짐말뚝의 수치해석에서 주변지반의 점성토 및 모래층 지반의 탄성계수 및 푸아송비값이 증가할수록 쇄석다짐말뚝의 하중-침하량 곡선의 기울기는 증가하였다.
- (3) N치가 0인 점성토 지반에서는 탄성계수 700kPa, 푸아송비 0.48 그리고 점착력 6kPa을 사용할 수 있었으며, N치가 3인 점성토 지반에서는 탄성계수 2,000 kPa, 푸아송비 0.40 그리고 점착력 15kPa을 사용할 수 있었다.
- (4) 점토 섞인 실트질 모래로 구성되어 있는 매립층에서는 탄성계수 17,000kPa, 푸아송비 0.35 그리고 점착력 15kPa, 내부마찰각 30°를 사용할 수 있었다.
후속연구
- (5) 상기에서 제시한 점성토 및 실트질 모래 지반에 대한 특성치는 특정한 현장에서 도출된 값들이므로 잠정적인 결론으로 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 추후 여러 현장에서 많은 자료가 축적된다면 상관관계 및 역학적인 관계도 고찰할 수 있을 것으로 생각된다.
- (5) 상기에서 제시한 점성토 및 실트질 모래 지반에 대한 특성치는 특정한 현장에서 도출된 값들이므로 잠정적인 결론으로 활용할 수 있을 것으로 생각된다. 추후 여러 현장에서 많은 자료가 축적된다면 상관관계 및 역학적인 관계도 고찰할 수 있을 것으로 생각된다.
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