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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존 연구에 대한 문제점을 해결하고 다양한 설치조건을 고려한 마이크로파일-기초시스템의 지지특성을 평가하기 위해 수치해석을 수행 하였다. 그리고 각 경우별 해석결과 비교･분석하여 지반파괴거동이 상이한 지반에 대한 마이크로파일-기초의 지지력을 평가하였다.
- 본 연구는 마이크로파일 지지특성에 관한 기존 연구들에서 고려하지 않은 지반파괴거동이 상이한 지반을 대상으로 파일설치조건이 다른 마이크로파일-기초시스템의 지지특성을 평가하기 위해 수치해석을 수행하였고, 해석결과를 종합적으로 비교･분석하였다. 그리고 연구결과를 통해 결론내용과 같이 지반조건과 파일설치조건에 따라 마이크로파-기초시스템의 지지력은 달라짐을 알 수 있었다.
- 본 연구는 상이한 파괴거동을 보이는 지반을 대상으로 파일설치조건에 따라 마이크로파일-기초의 지지특성이 어떻게 달라지는 지를 평가하는 데 목적이 있다. 이와 같은 연구목적에 부합하기위해서는 다양한 연구 방법을 통해 얻은 결과들을 비교･분석해야 할 것이다.
- 본 연구는 지반파괴거동에 따른 마이크로파일-기초의 지지특성을 평가하기 위해 파괴거동이 상이한 지반을 대상으로 파일설치조건을 달리하여 수치해석을 수행하였고, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 그리고 해석결과는 Eq. (3)～(5)를 통해 비교･분석하였으며, 비교･분석한 결과로부터 경우별 기초시스템의 지지 특성을 평가하였다. 또한 Fig.
- 따라서 본 연구에서는 기존 연구에 대한 문제점을 해결하고 다양한 설치조건을 고려한 마이크로파일-기초시스템의 지지특성을 평가하기 위해 수치해석을 수행 하였다. 그리고 각 경우별 해석결과 비교･분석하여 지반파괴거동이 상이한 지반에 대한 마이크로파일-기초의 지지력을 평가하였다.
- (2012)의 연구과정을 그대로 모사하여 해석을 수행하였다. 그리고 모형시험시 적용하지 못한 파일 설치조건들에 대해서도 모델링하여 해석을 수행하였다. 사용한 유한요소해석 프로그램은 MIDAS GTS 4.
- (3)～(5)를 통해 비교･분석하였으며, 비교･분석한 결과로부터 경우별 기초시스템의 지지 특성을 평가하였다. 또한 Fig. 4에서 보는 것과 같이 해석결과 나타난 직접 또는 마이크로파일-기초의 지반파괴영역 깊이(Depth of failure zone, Hu)를 고려하여 각 경우별 지반 파괴거동을 비교･분석하였다.
- 파일의 경우, 파일두부의 경우, 전면기초에 의해 고정되므로 고정조건(Fixed condition)을 적용하였다. 또한 파일선단은 지반내 파일이 어떠한 구속도 받지 않으므로 자유조건(Free condition)으로 하였다.
- 그리고 마이크로파일-기초의 저부지반은 촘촘하게, 경계면 A 부근에 근접되는 지반은 느슨하게 요소를 형성시켰다. 모형 기초와 파일은 빔 요소(Beam element; Fig. 1(b))로 모델링하였으며, 마이크로파일-기초에 작용하는 하중은 등분포 하중형태로 모델링하였다. 모델링 파일과 지반의 상호경계 요소는 강성계수의 크기에 따라 겹침이 발생할 수 있으므로 MIDAS(2010)에서 제안한 패널티 방법(Penalty method)를 적용하였다.
- , 2012). 지반탄성계수는, Lambe and Whitman(1979)가 말한 바와 같이 실내 시험을 통해 탄성계수를 결정하기란 쉽지 않으므로, 기존 연구자들이 제안한 산정방법을 적용하였다. 모델링한 마이크로파일의 물성값은 철로 제작된 직경 2mm인 강봉(Steel bar)로 시험시 활용한 모형파일을 모사하였으므로 철에 대한 물성값을 적용하였다.
- 해석시 기초시스템에 작용하는 단계별 등분포하중의 크기는 Terzaghi의 극한지지력 산정방법을 통해 결정하였다. 지지력 산정방법을 통해 직접기초에 대한 극한지지력을 구하고, 이 극한지지력을 적절히 등분하여 단계별 등분포하중을 결정하였다(본 연구시 20단계로 등분함). 이 때 결정된 단계별 등분포하중의 크기는 지반조건에 따라 모래지반인 경우 2.
- 모델링시 지반 경계조건 A는 수직변위를 고정하였다 그리고 경계조건 C는 어떤 변위(수직, 수평, 회전 변위)가 발생하지 않도록 하였다. 파일의 경우, 파일두부의 경우, 전면기초에 의해 고정되므로 고정조건(Fixed condition)을 적용하였다. 또한 파일선단은 지반내 파일이 어떠한 구속도 받지 않으므로 자유조건(Free condition)으로 하였다.
대상 데이터
- 지반탄성계수는, Lambe and Whitman(1979)가 말한 바와 같이 실내 시험을 통해 탄성계수를 결정하기란 쉽지 않으므로, 기존 연구자들이 제안한 산정방법을 적용하였다. 모델링한 마이크로파일의 물성값은 철로 제작된 직경 2mm인 강봉(Steel bar)로 시험시 활용한 모형파일을 모사하였으므로 철에 대한 물성값을 적용하였다. 이 같이 결정한 재료의 물성값은 Table 1 and 2와 같다.
이론/모형
- 1(b))로 모델링하였으며, 마이크로파일-기초에 작용하는 하중은 등분포 하중형태로 모델링하였다. 모델링 파일과 지반의 상호경계 요소는 강성계수의 크기에 따라 겹침이 발생할 수 있으므로 MIDAS(2010)에서 제안한 패널티 방법(Penalty method)를 적용하였다. 경계 면의 미끄러짐 거동에 대한 점착력과 내부마찰각은 Eq.
- 직접 또는 마이크로파일-기초의 파괴시점은 Han & Ye(2006)가 적용한 것과 같이 기초시스템의 수직변형 률(εv)이 기초폭(B)에 대한 기초시스템의 수직변위량(Δδ) 이 10%에 해당되는 경우로하였다(εv=Δδ/B≥10%).
- 해석시 기초시스템에 작용하는 단계별 등분포하중의 크기는 Terzaghi의 극한지지력 산정방법을 통해 결정하였다. 지지력 산정방법을 통해 직접기초에 대한 극한지지력을 구하고, 이 극한지지력을 적절히 등분하여 단계별 등분포하중을 결정하였다(본 연구시 20단계로 등분함).
성능/효과
- (1) 마이크로파일-기초의 지지력은 지반파괴형상과 파일길이비 그리고 설치각도에 따라 달라지며, 특히 관입 전단파괴가 발생하는 지반인 경우 기초시스템의 지지력은 파일설치각도에 따라 크게 달라진다.
- (2) 전면 전단파괴가 발생하는 모래지반인 경우, 적정파일길이비(본 연구시, 파일길이비=200)를 적용해 양 또는 음의 설치각도를 적용한 마이크로파일-기초의 지지력은 직접기초의 지지력 보다 최대 1.8배 정도 증가하였으며, 두 경우의 기초시스템 지지력은 유사하였다.
- (3) 관입 전단파괴가 발생한 실트지반은 음의 각도인 경우에는 설치각도가 증가함에 따라 직접기초의 지지력보다 최대 2배(L/d=200) 정도 증가하였으나, 양의 각도인 경우에는 직접기초보다 지지력은 증가하나 설치각도가 증가할수록 지지력 증가폭이 감소하였다.
- (4) 관입 전단파괴가 발생한 지반에 파일길이비 150 이상 적용한 마이크로파일-기초의 지지력은 양의 각도인 경우 파일의 구속효과가 감소하여 기초시스템의 지지력이 감소하였다. 음의 각도인 경우에는 수직 마이크로파일-기초의 지지력에 비해 큰 폭으로 지지력이 증가하였고, 일정 설치각도(본 연구, Θ=-30°)를 초과한 경우 기초시스템의 지지력이 감소하였다.
- Fig. 9(a)와 같이 실트지반인 경우 마이크로파일기초의 지지력비는 길이비 150 이상부터 거의 일정해지는 것으로 나타났다. 그리고 모래지반인 경우에는 Fig.
- 그리고 모래지반인 경우에는 Fig. 9(b)와 같이 길이비가 증가함에 따라 지지력비가 증가하였고, 길이비 200 이상부터 대체로 일정한 것으로 나타났다.
- 관입전단파괴가 발생한 실트지반의 경우(Fig. 10(b)), 파일길이비가 100 이하인 마이크로파일-기초의 지지력 비는 음의 각도가 증가할수록 지지력비 증가하였다. 그러나 양의 각도인 경우에는 파일길이비와는 관계없이 각도가 증가할수록 지지력비는 감소하였다.
- 그리고 수직 마이크로파일-기초의 지지력에 비해 지지력이 작은 것으로 나타났다. 그러나 음의 설치각도인 마이크로파일-기초의 지지력은 직접기초의 지지력보다 약 58～95% 정도로 지지력이 큰 폭으로 증가하였으며, 모래지반과 유사하게, 음의 각도가 증가할수록 지지력 역시 증가하는 것으로 나타났다.
- 그러나 파일길이가 4B인 경우 마이크로파일-기초의 지지력은 약 23.07～35.50kPa로, 양의 각도인 경우에는 직접기초의 지지력보다 34～64%정도 지지력이 증가하였으며, 음의 각도인 경우에는 40～82%정도 증가하는 것으로 나타났다.
- 양의 각도인 경우 파일길이비 100 이하인 기초시스템의 지지력비는 모래지반과 실트지반인 경우가 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 파일길이비 150 이상부터는 모래지반내 기초시스템 지지력비는 직접기초의 지지력보다 최대 1.75배 정도 증가한 반면, 실트지반인 경우보다 직접기초의 지지력은 직접기초보다 지지력비의 증가폭이 감소하였다.
- 최근 마이크로파일의 활용이 증가함에 따라 국내･외 연구자들은 다양한 연구방법을 통해 마이크로파일-기초의 지지특성에 관한 연구를 수행하고 있다. 그리고 기존 연구결과로부터 마이크로파일-기초는 파일 인접지반 특성, 파일지지력과 관계된 파일길이비 등과 같은 조건에 따라 달라짐을 알 수 있었다. 이는 이와 같은 파일과 지반특성에 따라 파일-인접지반의 상호역학거동에 따라 지지특성이 달라기 때문이다.
- 파일길이가 4B이고 양의 설치각도인 마이크로파일기초의 지지력은 직접기초의 지지력에 비해 약 12～32% 정도 지지력이 증가하였고, 설치각도가 증가할수록 지지력은 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 수직 마이크로파일-기초의 지지력에 비해 지지력이 작은 것으로 나타났다. 그러나 음의 설치각도인 마이크로파일-기초의 지지력은 직접기초의 지지력보다 약 58～95% 정도로 지지력이 큰 폭으로 증가하였으며, 모래지반과 유사하게, 음의 각도가 증가할수록 지지력 역시 증가하는 것으로 나타났다.
- 본 연구는 마이크로파일 지지특성에 관한 기존 연구들에서 고려하지 않은 지반파괴거동이 상이한 지반을 대상으로 파일설치조건이 다른 마이크로파일-기초시스템의 지지특성을 평가하기 위해 수치해석을 수행하였고, 해석결과를 종합적으로 비교･분석하였다. 그리고 연구결과를 통해 결론내용과 같이 지반조건과 파일설치조건에 따라 마이크로파-기초시스템의 지지력은 달라짐을 알 수 있었다. 그러나 현장지반조건은 본 연구에서 고려한 것과 달리 다층지반으로 구성된 경우가 많으므로 이에 대한 연구가 요구될 것으로 판단된다.
- 11은 모래와 실트지반인 경우 마이크로파일-기초의 지지력비를 비교한 것이다. 동일한 파일길이비를 적용한 경우 실트지반에 음의 각도로 설치된 마이크로파일-기초의 지지력비는 직접기초의 지지력보다 최대 2배(L/d=200) 증가한 반면 모래지반인 경우에는 직접기초에 비해 최대 1.8배 증가하는 것으로 나타났다.
- 음의 각도인 경우에는 수직 마이크로파일-기초의 지지력에 비해 큰 폭으로 지지력이 증가하였고, 일정 설치각도(본 연구, Θ=-30°)를 초과한 경우 기초시스템의 지지력이 감소하였다.
- 해석결과 각 경우별 마이크로파일-기초의 지지력은 파일길이비와 설치각도에 따라 지지력이 달라졌으며, 특히 파일설치각도에 따라 마이크로파일-기초의 지지특성이 모래지반인 경우와 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 파일길이가 1B인 경우 마이크로파일-기초의 지지력은 직접기초의 지지력과 유사하였고, 양 또는 음의 설치각도로 설치한 기초시스템의 지지력 역시 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 파일길이가 4B이고 양의 설치각도인 마이크로파일기초의 지지력은 직접기초의 지지력에 비해 약 12～32% 정도 지지력이 증가하였고, 설치각도가 증가할수록 지지력은 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 수직 마이크로파일-기초의 지지력에 비해 지지력이 작은 것으로 나타났다.
- 그러나 양의 각도인 경우에는 파일길이비와는 관계없이 각도가 증가할수록 지지력비는 감소하였다. 파일길이비가 150 이상인 마이크로파일-기초의 지지력비는 음의 각도인 경우 각의 크기가 증가함에 따라 수직인 경우보다 최대 42% 정도 증가하였고, 일정각도 이상부터는 지지력비가 감소하였다.
- , 2012)는 유사하였다. 해석결과 각 경우별 마이크로파일-기초의 지지력은 파일길이비와 설치각도에 따라 지지력이 달라졌으며, 특히 파일설치각도에 따라 마이크로파일-기초의 지지특성이 모래지반인 경우와 큰 차이를 보이는 것으로 나타났다. 파일길이가 1B인 경우 마이크로파일-기초의 지지력은 직접기초의 지지력과 유사하였고, 양 또는 음의 설치각도로 설치한 기초시스템의 지지력 역시 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
- 5는 모래지반에 설치된 마이크로파일-기초의 지반파괴형상을 보인 것으이다. 해석결과 마이크로파일- 기초의 지반파괴영역 깊이는 파일을 수직 또는 양의 각도로 설치한 경우 기초폭의 1.5배(Fig. 5(b) and (c)), 음의 각도인 경우 2.
- 7은 해석결과 실트지반에 설치된 마이크로파일기초의 지반파괴형상을 보인 것이다. 해석결과 마이크로파일-기초의 지반 파괴깊이는 파일설치각도와 관계없이 기초폭의 약 1.5배정도인 것으로 나타났다(Fig. 7 (b～d)).
후속연구
- 그리고 연구결과를 통해 결론내용과 같이 지반조건과 파일설치조건에 따라 마이크로파-기초시스템의 지지력은 달라짐을 알 수 있었다. 그러나 현장지반조건은 본 연구에서 고려한 것과 달리 다층지반으로 구성된 경우가 많으므로 이에 대한 연구가 요구될 것으로 판단된다.
- 그러므로 기초시스템의 지지특성 효과적으로 평가하기 위해서는 다양한 파일설치조건이 적용된 연구가 수행되어야 할 것이다. 마이크로파일-기초의 지지력은 이 기초시스템을 지지하는 지반조건과 파일 설치조건에 따라 달라진다.
- 또한 마이크로파일은 기존 파일과 달리 파일 설치조건(특히 파일설치각도)을 달리하는 데 큰 제약이 없다. 따라서 마이크로파일의 지지특성을 평가하기 위해서는 지반과 파일의 특성 그리고 파일 설치조건 등을 종합적으로 검토해봐야 할 것이다.
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