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문제 정의
- 본 연구는 수평하중을 받는 단일말뚝에 대한 거동 특성을 파악하기 위하여 사질토지반에서 말뚝기초의 거동에 영향을 미칠 수 있는 여러 가지 요소인 말뚝의 종류, 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D), 지반조건, 하중조건을 변화시켜가면서 모형말뚝 수평재하실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 3의 삼축압축시험장치를 활용하여 압밀비배수삼축압축시험(CU-TEST)을 실시하였으며 모형지반의 시료의 물성은 Table 2에 나타내었다. 건조한 모래로 상대밀도(Dr) 30%, 60%, 90%의 단일토 모형지반과 모형말뚝 조성을 완료한 다음, 24시간 동안 지반을 안정화시켰다.
- 말뚝두부의 상부 캡에 설치한 로드센서를 통해 측정하였고, 수평하중을 받는 모형말뚝의 변위는 스프링타입 변위계를 말뚝두부에서 하부방향으로 일정간격을 두고 와이어를 설치하여 측정하였다. 그리고 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)는 다르지만 근입길이는 같기 때문에 근입되는 말뚝에서의 변위를 더욱 상세히 확인하고자 말뚝길이 중 상부보다는 하부에서 변위계의 설치간격을 촘촘하게 하였다. 모래지반 속에서 발생한 말뚝의 변위를 측정하기 위하여 사질토지반을 포설하기 전에 말뚝에 미리 설치해 놓은 와이어를 토조 밖으로 빼내어 층다짐하였으며, 토조 밖으로 빼낸 와이어는 외부에서 스프링타입 변위계와 연결하여 측정하였다.
- 본 실험에서 사용된 토조는 시료자중으로 인한 횡방향 파손과 다짐시 시료의 흐트러짐을 방지하기 위해 강재와 아크릴을 사용하여 1300×700×1000mm(길이×너비×높이)의 크기로 제작하였다. 또한, 토조의 우측에는 말뚝의 수평방향 하중재하장치를 부착하고 좌측에는 수평변위를 측정하고자 변위계를 설치하였다. Fig.
- 지반조성 및 모형말뚝설치를 완료한 다음, 24시간 동안 지반을 안정화 시킨 후에 모형말뚝 두부에 상부 캡을 설치하고 와이어를 연결하여 수평하중을 재하하였다. 말뚝두부의 상부 캡에 설치한 로드센서를 통해 측정하였고, 수평하중을 받는 모형말뚝의 변위는 스프링타입 변위계를 말뚝두부에서 하부방향으로 일정간격을 두고 와이어를 설치하여 측정하였다. 그리고 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)는 다르지만 근입길이는 같기 때문에 근입되는 말뚝에서의 변위를 더욱 상세히 확인하고자 말뚝길이 중 상부보다는 하부에서 변위계의 설치간격을 촘촘하게 하였다.
- 말뚝에 수평하중이 재하 되는 동안과 말뚝이 극한상태에 도달했을 때 말뚝에 발생하는 휨모멘트(α)는 식 (2)를 이용하여 산정함으로써 지반조건과 수평하중의 작용방향에 따른 휨모멘트 특성을 비교․분석하였다.
- 그리고 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)는 다르지만 근입길이는 같기 때문에 근입되는 말뚝에서의 변위를 더욱 상세히 확인하고자 말뚝길이 중 상부보다는 하부에서 변위계의 설치간격을 촘촘하게 하였다. 모래지반 속에서 발생한 말뚝의 변위를 측정하기 위하여 사질토지반을 포설하기 전에 말뚝에 미리 설치해 놓은 와이어를 토조 밖으로 빼내어 층다짐하였으며, 토조 밖으로 빼낸 와이어는 외부에서 스프링타입 변위계와 연결하여 측정하였다. 모형실험을 수행하는 동안 재하하중과 말뚝의 수평변위는 데이터 로거(GDL-350)에 자동으로 기록 및 저장된다.
- 정적수평하중 재하 시하중의 재하속도는 5mm/min으로 일정하게 유지하였으며 변위계의 측정범위를 고려하여 와이어의 변위 즉, 말뚝의 변위가 약 45mm가 될 때까지 실험을 수행하였다. 반복수평하중 재하 시에는 동일 조건의 정적수평재하시험에서 결정된 극한수평지지력(Hu,s) 의 40%에 해당하는 수평하중을 10회 반복해서 적용시켰으며 또한, 지반파괴가 일어나지 않는 범위 내에서 반복수평하중을 재하하기 위해서 극한수평지지력(Hu,s)의 40%에 해당하는 수평하중을 적용시켰다. 백규호(2010)의 극한수평지지력(Hu,s)의 40%에 해당하는 수평하중을 적용하였다[1].
- 본 연구에서는 사질토지반에서 말뚝기초의 거동에 영향을 미칠 수 있는 요인들 중 말뚝의 재질, 모형말뚝의 말뚝직경에 대한 길이의 비(L/D), 지반조건, 하중조건 등을 변화시켜가면서 단일말뚝에 대한 실내모형실험을 실시하여 수평재하시에 매입말뚝이나 현장타설말뚝의 수평하중-수평변위 관계 및 말뚝의 변위형태, 극한수평지지력, 휨모멘트 등 말뚝의 거동특성을 분석하였다.
- 그리고 말뚝재하시험을 수행하는 동안 재하속도가 빠르면 관성력이 발생하여 실험결과에 영향을 미칠 수 있으므로[5, 8], 본 모형실험에서는 모형말뚝에 수평하중을 충분히 느리게 재하(반복하중 1회 재하를 약 20초)함으로써 재하실험 동안 모형말뚝에 관성력이 발생하는 것을 억제하였다. 사질토지반에서 지반조건과 하중작용위치에 따른 매입말뚝이나 현장타설말뚝과 같은 비배토말뚝의 수평거동 특성 변화를 파악하기 위해 말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D), 지반조건, 하중조건, 말뚝의 종류를 달리하며 총 16회의 모형말뚝재하시험을 수행하였다. Table 3에 실내모형실험의 수행계획을 나타내었다.
- 수평변위는 말뚝 두부변위에 대하여 분석하였으며 또한, 상대밀도가 60%인 같은 지반조건에서 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)를 11, 15, 20로 변화시켜 실시한 모형실험 결과를 분석하였다. 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)가 11, 15, 20로 증가할 경우 하중변위 곡선의 기울기가 완만하고 하중에 따른 변위는 약 4∼5배로 증가하는 것으로 나타났다.
- 7은 단일말뚝에 있어서 정적 및 반복 수평하중이 작용할 때 상대밀도에 따른 극한수평지지력의 관계를 모형말뚝의 종류별로 나타낸 것이다. 수평변위는 말뚝두부에서의 모형말뚝의 말뚝직경에 대한 길이의 비(L/D)를15로 같고 사질토지반의 상대밀도가 30%, 60%, 90%로변화할 때 변위에 대하여 분석하였다. Fig.
- 모형지반의 크기는 1300×700×500mm(길이×너비×높이)이고, 모형지반에 사용된 모래는 전라북도 남원지역의 섬진강에서 채취하였다. 실험에 사용된 시료는 함수비가 0.5% 이하가 되도록 대기 중에서 건조시켜서 사용하였고, 시료의 공학적인 성질을 파악하기 위해서 물성실험과 역학실험을 하였다.
- 수평하중의 크기와 재하방법은 다음과 같다. 정적수평하중 재하 시하중의 재하속도는 5mm/min으로 일정하게 유지하였으며 변위계의 측정범위를 고려하여 와이어의 변위 즉, 말뚝의 변위가 약 45mm가 될 때까지 실험을 수행하였다. 반복수평하중 재하 시에는 동일 조건의 정적수평재하시험에서 결정된 극한수평지지력(Hu,s) 의 40%에 해당하는 수평하중을 10회 반복해서 적용시켰으며 또한, 지반파괴가 일어나지 않는 범위 내에서 반복수평하중을 재하하기 위해서 극한수평지지력(Hu,s)의 40%에 해당하는 수평하중을 적용시켰다.
- 2의 배치도에 따라 설치하였다. 하중에 따라 두부의 변위와 지반면의 변위, 하부의 변위를 측정하기 위해 와이어를 각각 길이가 다른 말뚝의 하부, 지반면 그리고 두부에 일치시켰다.
- 6은 단일말뚝에 있어서 상대밀도가 60%인 지반조건에 정적 및 반복 수평하중이 작용할 때 변위형태를 강관말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)에 따라 나타낸 것이다. 하중은 정적수평재하시험과 0.4Hu,s의 반복수평하중을 한 방향으로 10회 재하하는 방법으로 수행했다. Fig.
대상 데이터
- 모형지반의 크기는 1300×700×500mm(길이×너비×높이)이고, 모형지반에 사용된 모래는 전라북도 남원지역의 섬진강에서 채취하였다.
- 본 실험에서 사용된 토조는 시료자중으로 인한 횡방향 파손과 다짐시 시료의 흐트러짐을 방지하기 위해 강재와 아크릴을 사용하여 1300×700×1000mm(길이×너비×높이)의 크기로 제작하였다.
이론/모형
- 반복수평하중 재하 시에는 동일 조건의 정적수평재하시험에서 결정된 극한수평지지력(Hu,s) 의 40%에 해당하는 수평하중을 10회 반복해서 적용시켰으며 또한, 지반파괴가 일어나지 않는 범위 내에서 반복수평하중을 재하하기 위해서 극한수평지지력(Hu,s)의 40%에 해당하는 수평하중을 적용시켰다. 백규호(2010)의 극한수평지지력(Hu,s)의 40%에 해당하는 수평하중을 적용하였다[1]. 그리고 말뚝재하시험을 수행하는 동안 재하속도가 빠르면 관성력이 발생하여 실험결과에 영향을 미칠 수 있으므로[5, 8], 본 모형실험에서는 모형말뚝에 수평하중을 충분히 느리게 재하(반복하중 1회 재하를 약 20초)함으로써 재하실험 동안 모형말뚝에 관성력이 발생하는 것을 억제하였다.
- 말뚝의 극한수평지지력은 말뚝두부의 수평변위나 회전각에 의해 정의되거나 재하시험에서 얻어진 수평하중수평변위 곡선에 도식적인 방법을 적용해서 결정한다. 본 연구에서는 시험말뚝의 극한수평지지력을 결정하기 위해서 정적 및 반복수평재하시험의 결과에 Meyerhof 등(1972)의 방법을 적용하였다[11].
성능/효과
- (1) 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)이 11,15, 20로 증가 할 경우 하중-변위 곡선은 그래프기울기가 완만하고 하중에 따른 변위는 약 4∼5배로 증가하는 것으로 나타났으며 말뚝길이가 증가함에 따라 지지력이 감소하고 수평저항력은 3∼5배 감소하는 경향을 보였다.
- (2) 강관+모르타르 말뚝이 강관말뚝보다 하중-변위곡선 경사가 급하고 수평변위량이 작아지는 경향을 알 수 있었다. 또한, 반복수평하중의 반복횟수가 증가함에 따라 말뚝두부에서 발생하는 누적수평변위는 증가하는 경향으로 나타났으나 하중재하 횟수가 증가할수록 반복수평하중 1회당 발생하는 수평변위량은 감소하였다.
- (3) 모형말뚝 하부에서 하중-변위 관계는 거의 수직에 가까운 양상을 나타냈고, 상부로 갈수록 변위가 크게 발생하여 곡선의 기울기가 완만해 지는 것을 알 수 있었으며, 모형말뚝의 직경에 대한 길이의비(L/D)가 클수록 반복재하에 따른 전면부지반의 다짐도가 증가하여 수평변위가 작아지는 것으로 판단되었다.
- (4) 정적극한수평지지력이 작용할 때 극한수평지지력의 증가율과 0.4Hu,s 크기의 수평하중이 반복해서 10회 작용할 때 말뚝의 극한수평지지력 증가율이 각각 약 271%, 141%로 점점 감소하였고, 지반이 조밀할수록 반복수평하중에 의한 말뚝의 극한수평지지력 줄어드는 것으로 나타났다.
- (5) 휨모멘트의 분포형상은 지반의 상대밀도에 상관없이 유사한 형태를 보였으며, 최대휨모멘트는 말뚝근입 깊이의 1/3지점인 지표면으로부터 170mm지점에서 발생하는 것으로 나타났다.
- (6) 지반의 상대밀도가 증가할수록 정적수평재하와 반복수평재하 조건에서 발생하는 최대휨모멘트는 증가하는 것으로 나타났으며, 상대밀도가 100%에 가까워짐에 따라 정적수평 재하시 최대휨모멘트와 반복수평재하시 최대휨모멘트의 차이가 증가하는 것으로 나타났다.
- Fig. 7 (a)와 (b)의 실험결과는 지반의 상대밀도 30%, 60%, 90%로 증가할때 강관말뚝의 경우 정적극한수평지지력 Hu,s는 207.76N, 565.85N, 763.42N으로 증가하였고 0.4Hu,s의 반복수평하중을 10회 작용시켰을 때 말뚝의 반복극한수평지지력 Hu,s는 83.5N, 227.36N, 335.65N으로 나타났다. 강관+모르타르 말뚝의 경우 정적극한수평지지력 Hu,s는 241.
- 09N으로 나타났다. 0.4Hu,s 크기의 수평하중이 반복해서 10회 작용할 때 말뚝의 극한수평지지력 증가율은 상대밀도가 증가할수록 최대 172%에서 최소 128%까지 감소하여 지반이 조밀할수록 반복수평하중에 의한 말뚝의 극한수평지지력의 증가율이 작아지는 것으로 나타났다. 이러한 실험결과는 사질토지반이 느슨할수록 반복수평하중에 의한 지반반력계수의 감소정도가 커진다는 Broms (1964)와 Long과 Vanneste(1994)의 연구결과와도 일치하였다[10, 12].
- 백규호(2010)의 극한수평지지력(Hu,s)의 40%에 해당하는 수평하중을 적용하였다[1]. 그리고 말뚝재하시험을 수행하는 동안 재하속도가 빠르면 관성력이 발생하여 실험결과에 영향을 미칠 수 있으므로[5, 8], 본 모형실험에서는 모형말뚝에 수평하중을 충분히 느리게 재하(반복하중 1회 재하를 약 20초)함으로써 재하실험 동안 모형말뚝에 관성력이 발생하는 것을 억제하였다. 사질토지반에서 지반조건과 하중작용위치에 따른 매입말뚝이나 현장타설말뚝과 같은 비배토말뚝의 수평거동 특성 변화를 파악하기 위해 말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D), 지반조건, 하중조건, 말뚝의 종류를 달리하며 총 16회의 모형말뚝재하시험을 수행하였다.
- (2) 강관+모르타르 말뚝이 강관말뚝보다 하중-변위곡선 경사가 급하고 수평변위량이 작아지는 경향을 알 수 있었다. 또한, 반복수평하중의 반복횟수가 증가함에 따라 말뚝두부에서 발생하는 누적수평변위는 증가하는 경향으로 나타났으나 하중재하 횟수가 증가할수록 반복수평하중 1회당 발생하는 수평변위량은 감소하였다.
- 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)가 11, 15, 20로 증가할 경우 하중변위 곡선의 기울기가 완만하고 하중에 따른 변위는 약 4∼5배로 증가하는 것으로 나타났다.
- 정적수평하중 시험조건에서 S-11-60%-I 실험의 경우 말뚝길이의 200mm지점이 회전중심이고 S-20-60%-I, S-15-60%-I 실험의 경우 말뚝길이의 1/3지점이 소성힌지인 것으로 판단된다. 반복수평하중 시험조건에서 S-20-60%-B 실험과 S-15- 60%-B 실험의 경우지반 속에 근입되어 있는 말뚝의 변위를 비교했을 때 모형말뚝의 말뚝직경에 대한 길이의 비(L/D)가 20인 강관말뚝이 모형말뚝의 말뚝직경에 대한 길이의 비(L/D)가 15인 강관말뚝보다 변위가 작게 나타났다. 이는 모형말뚝의 직경에 대한 길이의 비(L/D)가 클수록 반복재하에 따른 전면부 지반의 다짐도가 증가하고 그에 따라 수평변위가 작아지는 것으로 판단된다.
- 6배에 해당하는 수평하중을 10회 반복재하 했을 때 말뚝의 반복극한수평지지력 변화를 나타낸 것이다. 상대수평하중(H/Hu,s )의 크기가 커질수록 말뚝의 반복극한수평지지력이 조금씩 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 실험결과를 통해서 말뚝에 작용하는 반복수평하중의 크기가 커지면 반복재하에 의한 영구변위 증가와 그로 인한 지지력 감소보다 반복재하에 따른 전면부지반의 다짐도 증가와 그에 따른 수평지지력 증대효과가 더 커짐을 알 수 있다.
- 상대수평하중(H/Hu,s )의 크기가 커질수록 말뚝의 반복극한수평지지력이 조금씩 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 실험결과를 통해서 말뚝에 작용하는 반복수평하중의 크기가 커지면 반복재하에 의한 영구변위 증가와 그로 인한 지지력 감소보다 반복재하에 따른 전면부지반의 다짐도 증가와 그에 따른 수평지지력 증대효과가 더 커짐을 알 수 있다.
- 또한, 강관+모르타르 말뚝이 강관말뚝보다 경사가 급한 걸로 보아 수평저항력이 더 큰 것으로 판단된다. 정적수평재하시험에서 결정된 극한수평지지력(Hu,s )의 40%에 해당하는 수평하중을10회 반복해서 작용할 때 그래프에서 보이는 바와 같이 말뚝에 반복수평하중을 작용시켰을 때 수평하중의 반복횟수가 증가함에 따라 말뚝두부에서 발생하는 누적수평변위는 증가하는 경향을 보였다. 그러나 말뚝에 하중이 반복적으로 작용할 때 지반이 다짐효과를 받아 지반의 강도가 증가하기 때문에 하중재하 횟수가 증가할수록 반복수평하중 1회당 발생하는 말뚝의 수평변위량은 감소하였다.
- 9는 상대밀도가 30%, 60%, 90%인 모형지반에설치된 강관말뚝에 반복수평하중을 가하지 않고 정적 수평재하를 수행했을 때 극한상태에서 말뚝에 발생한 휨모멘트 분포를 나타낸 것이다. 휨모멘트의 분포형상은 지반의 상대밀도에 상관없이 유사한 형태를 보였으며, 최대휨모멘트는 지표면으로부터 170mm지점에서 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 실험결과는 말뚝의 근입깊이의 1/3지점에서 최대휨모멘트가 발생한다는 ElNaggar와 Wei(1999)의 연구결과와 일치한다[13].
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