압축 부재인 PHC 말뚝(직경 600mm)도 강선의 부착력을 높이면 83.6~91.6tonf의 극한 인장력에 대해 구조적으로 저항할 수 있는 것으로 실험결과 나타났다. 이러한 시험결과에 안전율을 고려하여 적절한 허용값을 제시하면 부상방지 앵커를 대체하거나 절감시킬 수 있는 것으로 기대되었다. 이를 위해서는 구조적 인장성능과 함께 실제 지반에 시공된 매입말뚝의 인발저항 거동이 규명되어야 한다. 본 연구에서는 현장에 시공된 실제 매입말뚝의 인발거동 특성을 파악하기 위하여 정적 인발재하시험을 실시하여 주면마찰력 산정식과 비교하였다. 또한, 간편하게 인발저항력을 평가하기 위하여 PDA를 이용한 동재하시험을 실시하여 정적 인발재하시험 결과와 비교하였다. 그 결과, 매입말뚝의 시멘트풀이 충분히 경화한 후인 15일 후에는 LH 주면마찰력 산정식의 마찰력과 정적인발재하시험결과가 잘 일치하였고 동재하시험에서 구한 마찰력과도 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
압축 부재인 PHC 말뚝(직경 600mm)도 강선의 부착력을 높이면 83.6~91.6tonf의 극한 인장력에 대해 구조적으로 저항할 수 있는 것으로 실험결과 나타났다. 이러한 시험결과에 안전율을 고려하여 적절한 허용값을 제시하면 부상방지 앵커를 대체하거나 절감시킬 수 있는 것으로 기대되었다. 이를 위해서는 구조적 인장성능과 함께 실제 지반에 시공된 매입말뚝의 인발저항 거동이 규명되어야 한다. 본 연구에서는 현장에 시공된 실제 매입말뚝의 인발거동 특성을 파악하기 위하여 정적 인발재하시험을 실시하여 주면마찰력 산정식과 비교하였다. 또한, 간편하게 인발저항력을 평가하기 위하여 PDA를 이용한 동재하시험을 실시하여 정적 인발재하시험 결과와 비교하였다. 그 결과, 매입말뚝의 시멘트풀이 충분히 경화한 후인 15일 후에는 LH 주면마찰력 산정식의 마찰력과 정적인발재하시험결과가 잘 일치하였고 동재하시험에서 구한 마찰력과도 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
Structural experiment result showed that PHC(d=600mm) Pile used as a common compression member could resist 83.6 ~ 91.6 tonf of ultimate tension force, if the adhesion of P.C. bar of PHC pile to the concrete foundation is strengthened. Considering a proper safety factor to ultimate tension strength,...
Structural experiment result showed that PHC(d=600mm) Pile used as a common compression member could resist 83.6 ~ 91.6 tonf of ultimate tension force, if the adhesion of P.C. bar of PHC pile to the concrete foundation is strengthened. Considering a proper safety factor to ultimate tension strength, PHC pile can substitute the anti-floating anchor, or reduce the number of anchors. For this purpose, pullout resistance behavior of a Bored pile embedded in real ground as well as structural tension strength of PHC pile must be evaluated. This study performed the static pullout tests to evaluate the pullout behavior of bored pile, and compared the test results with design value of side resistance. To evaluate the pullout resistance easily, static pullout test results were compared with dynamic loading test results using PDA. As a result, cement paste of the bored pile was hardened which is after 15 days, LH side resistance design value corresponded well to the Static pullout test results, also to the side resistance evaluated by dynamic loading test.
Structural experiment result showed that PHC(d=600mm) Pile used as a common compression member could resist 83.6 ~ 91.6 tonf of ultimate tension force, if the adhesion of P.C. bar of PHC pile to the concrete foundation is strengthened. Considering a proper safety factor to ultimate tension strength, PHC pile can substitute the anti-floating anchor, or reduce the number of anchors. For this purpose, pullout resistance behavior of a Bored pile embedded in real ground as well as structural tension strength of PHC pile must be evaluated. This study performed the static pullout tests to evaluate the pullout behavior of bored pile, and compared the test results with design value of side resistance. To evaluate the pullout resistance easily, static pullout test results were compared with dynamic loading test results using PDA. As a result, cement paste of the bored pile was hardened which is after 15 days, LH side resistance design value corresponded well to the Static pullout test results, also to the side resistance evaluated by dynamic loading test.
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문제 정의
국내는 말뚝의 압축지지력을 평가하기 위하여 동재하시험을 실시하는 것을 기준화하고 있는데 동재하시험에서 측정한 마찰지지력이 신뢰성이 있으면 간편한 동재하시험으로 인발 저항력을 산정할 수 있을 것이다. 따라서, 본 시험에서는 동일한 위치에서 정적인발재하시험과 동재하시험을 실시하여 그 결과 값을 비교함으로써 말뚝의 인발저항력을 구하는데 동재하시험 결과를 활용할 수 있을 지에 대해서도 검토하는 것을 목적으로 한다(토지주택연구원, 2014).
본 논문은 토지주택연구원에서 과제로 수행한 “말뚝의 축방향 설계 허용인발저항력 산정 및 상세 개발"의 연구결과의 일부를 정리한 것이다.
본 시험은 매입공법으로 시공되는 PHC말뚝의 정밀한 주면마찰력 평가를 위해 LH 평택 소사벌 현장 내 3개소 위치에 시험용 말뚝을 각각 2본씩 시공하여 시공시 동재하시험(E.O.I.D PDA Test), 재항타 동재하시험(Restrike PDA Test) 및 정적 인발재하 시험을 실시하여 각 시험방법에 따른 주면마찰력의 크기를 비교/분석하고 매입말뚝의 인발저항력을 정량적으로 평가하고자 하였다(토지주택연구원, 2014). 시험말뚝들의 시공일자, 시험내용 및 시험일자 등을 정리하면 표 3과 같으며, 수행된 총 시험수량은 동재하시험 6회 인발재하시험 3회이다.
이에 본 논문에서는 LH 평택 현장 3개소 위치에 매입말뚝을 각각 2본씩 시공하여 시공시 동재하시험(E.O.I.D PDA Test), 재항타 동재하시험(Restrike PDA Test) 및 정적 인발재하시험을 실시하여 각 시험방법에 따른 주면마찰력의 크기를 비교/분석하여 동재하시험으로도 매입말뚝의 인발저항력을 측정할 수 있는지 규명하고자 하였다(토지주택연구원, 2014).
제안 방법
강봉이 인장력을 받으므로 PHC 말뚝도 인장부재로 사용할 수 있을 것으로 판단하였다. 또한, 실험방법으로(그림 2 참조) 기초체 하부 말뚝 결합 부분에 지름 1,200mm의 홀이 가공된 강성 철판을 설치하고 기초체 상부 철판과 일체하여 하부철판 쪽에 H-beam을 설치하는 방식으로 반력 프레임을 구성하고, 말뚝 선단 쪽에 원형 철판을 용접하여 Tension bar를 이용하여 인장하는 방식을 적용하였다. PHC 말뚝에 대하여 직경별 인장역학실험을 실시하여 확인한 파괴인장하중은 표 1과 같다(토지주택연구원, 2014).
PHC 말뚝이 부력방지 앵커의 역할을 대체하기 위해서는 구조적인 인장특성 외에 말뚝이 시공된 지반의 인발저항력이 설계목표치를 상회해야 하고 또한 설계 및 품질확인 단계에서 인발력의 예측 및 확인이 용이해야 한다. 설계단계에서의 인발저항력 예측을 위해서 이론 고찰에서 단말뚝과 군말뚝의 인발저항력을 산정하는 방법들을 정리하였다. 시공된 말뚝의 인발저항력을 확인하기 위한 품질시험방법으로는 정적 인발재하시험이 가장 정확하지만 시간과 비용이 많이 드는 문제가 있다.
표 3에 설명되어 있는 바와 같이 인발재하시험은 각각의 시험말뚝에 대하여 시공 후 약 8일 경과(T1-1) 및 15일 경과(T2-1및 T3-1) 조건에서 시험하였다. 시험시기가 상이한 것은 후술하는 내용과 같이 첫 번째 시험말뚝의 극한주면마찰력이 당초 예상하였던 극한값 대비 과소하게 측정됨에 따라 이는 주입된 시멘트풀의 충분한 양생이 되지 못한데 기인하는 것으로 판단하고 추가적인 양생효과를 평가하기 위하여 약 1주일의 양생기간을 추가한 후 시험을 수행하였다. 3개의 시험말뚝(T1-1, T2-1, T3-1)에 대한 인발재하시험 결과는 표 5 및 그림 13과 같다.
정적인발시험용 말뚝의 주면마찰력이 크게 발현될 경우 말뚝재료의 허용인장하중 보다 크게 나타날 수 있으므로 보다 정확한 주면마찰력을 측정하기 위해말뚝선단에 Pulling Plate를 용접하고 Tension Bar(φ65mm)를 연결하였다. 인발시험용 말뚝에 바로 인접하여 동일한 시공 상태로 1본을 각각 추가 시공하여 동재하시험을 실시하고 인발시험용 말뚝과 주면마찰력을 비교토록 계획하였다(토지주택연구원, 2014).
정적인발시험용 말뚝의 주면마찰력이 크게 발현될 경우 말뚝재료의 허용인장하중 보다 크게 나타날 수 있으므로 보다 정확한 주면마찰력을 측정하기 위해말뚝선단에 Pulling Plate를 용접하고 Tension Bar(φ65mm)를 연결하였다.
최대인발하중은 140tonf으로 급속재하시험방법(Quick Load Test Method)에 의해 매 단계 10tonf을 기준으로 재하하고 각 하중단계에서 10~15분간 재하하중을 유지하였다. 최대인발하중 조건에서 말뚝자체의 재료적 인장파괴를 방지하기 위하여 시험말뚝의 선단부에 가압지지용 Pulling plate를 설치하고 이 plate에 tension bar를 연결하여 상부에서의 재하하중 가압이 말뚝머리 인발조건이 아니 말뚝선단으로부터의 압축형 인발재하시험이 되도록 설치하여 시험을 수행하였다(토지주택연구원, 2014). 그 결과 말뚝재료의 파손이나 파괴 없이 성공적으로 인발재하시험을 수행할 수 있었다 (그림 12 참조).
표 3에 설명되어 있는 바와 같이 인발재하시험은 각각의 시험말뚝에 대하여 시공 후 약 8일 경과(T1-1) 및 15일 경과(T2-1및 T3-1) 조건에서 시험하였다. 시험시기가 상이한 것은 후술하는 내용과 같이 첫 번째 시험말뚝의 극한주면마찰력이 당초 예상하였던 극한값 대비 과소하게 측정됨에 따라 이는 주입된 시멘트풀의 충분한 양생이 되지 못한데 기인하는 것으로 판단하고 추가적인 양생효과를 평가하기 위하여 약 1주일의 양생기간을 추가한 후 시험을 수행하였다.
이론/모형
3.1 시험말뚝 시공
시험말뚝 6본은 당 현장의 사용말뚝 시공영역에 인접하여 별도로 시공하였으며, 시공방법은 현장에서 적용중인 DRA(Donut Rotary Auger)공법으로 수행하였다. 정적인발시험용 말뚝의 주면마찰력이 크게 발현될 경우 말뚝재료의 허용인장하중 보다 크게 나타날 수 있으므로 보다 정확한 주면마찰력을 측정하기 위해말뚝선단에 Pulling Plate를 용접하고 Tension Bar(φ65mm)를 연결하였다.
정적 인발재하시험은 ASTM D 36891) 규정에 의해 아래 그림 11과 같이 지반반력을 이용하여 수행하였다. 최대인발하중은 140tonf으로 급속재하시험방법(Quick Load Test Method)에 의해 매 단계 10tonf을 기준으로 재하하고 각 하중단계에서 10~15분간 재하하중을 유지하였다.
정적 인발재하시험은 ASTM D 36891) 규정에 의해 아래 그림 11과 같이 지반반력을 이용하여 수행하였다. 최대인발하중은 140tonf으로 급속재하시험방법(Quick Load Test Method)에 의해 매 단계 10tonf을 기준으로 재하하고 각 하중단계에서 10~15분간 재하하중을 유지하였다. 최대인발하중 조건에서 말뚝자체의 재료적 인장파괴를 방지하기 위하여 시험말뚝의 선단부에 가압지지용 Pulling plate를 설치하고 이 plate에 tension bar를 연결하여 상부에서의 재하하중 가압이 말뚝머리 인발조건이 아니 말뚝선단으로부터의 압축형 인발재하시험이 되도록 설치하여 시험을 수행하였다(토지주택연구원, 2014).
성능/효과
1) LH 설계식의 마찰력과 정적인발재하시험의 인발저항력을 비교할 때, 8일 후의 시험값은 LH 설계값 보다 25% 정도 작게 나타나다가 15일 후의 시험값은 LH 설계값과 유사한 값을 나타내어 매입말뚝의 시멘트풀이 경화하여 설계 값을 나타내기 위해서는 15일 정도의 경화시간이 필요한 것으로 판단된다.
2) 현장에 시공된 말뚝의 인발저항력을 확인하는 방법으로 동재하시험의 마찰지지력과 비교 분석한 결과 정적인발재하 시험과 비교적 일치하여 현장의 품질확인 방법으로 간편한 동재하시험을 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
3) 동재하시험을 통하여 매입말뚝의 인발저항력을 신뢰성 있게 유추하기 위해서는 MQ 값이 2이하가 될 수 있도록 하고, CSB 값이 30MPa 정도가 되게 하여 충분한 타격에너지가 말뚝에 전달될 수 있도록 하여야 한다.
PHC 600 말뚝은 안전율을 고려하면 500kN의 인발력을 지지할 수 있도록 설계되었는데, 부력방지 앵커의 통상 부력저항력을 500kN으로 설계하므로 구조물의 연직하중을 저항하기 위해 시공된 PHC 600 말뚝이 부력이 발생할 때는 부력방지 앵커의 역할도 충분히 할 수 있는 것으로 판단되었다. PHC 450 및 500 말뚝도 2~3본 정도면 부력방지 앵커를 대체할 수 있는 것으로 판단되었다. PHC 말뚝이 부력방지 앵커의 역할을 대체하기 위해서는 구조적인 인장특성 외에 말뚝이 시공된 지반의 인발저항력이 설계목표치를 상회해야 하고 또한 설계 및 품질확인 단계에서 인발력의 예측 및 확인이 용이해야 한다.
1kN의 파괴인장하중을 나타내었다. PHC 600 말뚝은 안전율을 고려하면 500kN의 인발력을 지지할 수 있도록 설계되었는데, 부력방지 앵커의 통상 부력저항력을 500kN으로 설계하므로 구조물의 연직하중을 저항하기 위해 시공된 PHC 600 말뚝이 부력이 발생할 때는 부력방지 앵커의 역할도 충분히 할 수 있는 것으로 판단되었다. PHC 450 및 500 말뚝도 2~3본 정도면 부력방지 앵커를 대체할 수 있는 것으로 판단되었다.
하지만 충분한 양생을 위하여 정적인발시험을 시공 후 15일 후에 실시한 결과, 인발저항력이 약 30% 증가하였기 때문에 시공 후 7일 후에 실시한 동재하시험결과와 약 30%의 차이를 나타내었다. 또한, 매입말뚝에 대한 LH 마찰력 설계식공식(qs = 0.2N)에 의한 값을 비교한 결과, 시공후 8일의 시험값은 설계식에 비하여 25% 정도 작게 나타났고 15일 후에 실시한 시험값은 설계 마찰력 비교적 잘 맞는 것으로 나타났다. 표 6의 결과를 종합해 보면 시공 후에 비슷한 시기에 실시한 동재하시험과 정적인발시험 결과가 유사하게 나타나 동재하시험으로도 매입말뚝의 인발저항력을 산정할 수있는 가능성이 있는 것으로 판단되며, 동재하시험결과가 정적인 발시험이나 이론식에 의한 값 보다 보수적이기 때문에 현장 품질확인용으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
압축재하시험과는 달리 인발재하시험은 그림 13에서 보듯이 극한 상태가 비교적 잘 나타났다. 시공 후 8일의 양생기간을 가진 T1-1 말뚝은 105tonf에서 인발되었으며, 양생시간 1주일이 추가된 T2-1 및 T3-1 말뚝은 각각 136 및 135tonf에서 인발되어 T2-1및 T3-1 시험말뚝의 인발저항력은 추가적인 양생효과에 의하여 T1-1시험말뚝의 극한주면마찰력 대비 약 30~40% 정도의 지지력 증가현상이 발생하는 것으로 나타났다. T2-1 및 T3-1 말뚝은 동일한 하중일 때의 변위거동이 매우 양호하게 변화되는 것으로 나타났으며, 공히 인발변위량 약 10mm정도에서 항복과 극한현상이 복합적으로 거동하는 것을 볼 수 있다.
표 4에서 보는 바와 같이 주입된 시멘트풀의 양생에 따른 지지력의 시간경과효과에 의해 주면마찰력의 증가현상이 발생하였음을 볼 수 있으며, 양생기간 약 1주일 경과조건에서 약 5~6배의 주면마찰력이 증가된 것으로 분석되었다. 시험시점에서의 양생효과가 고려된 주면지지력을 단위지지력으로 산정하면 약 5.0~7.0tonf/㎡으로 분석되었으며 이 값을 지반조건과 비교해볼 때 아직 최대 극한주면마찰력에는 미치지 않는 것으로 추정된다. 이 같은 분석은 약 1주일의 추가 경과조건에서 수행한 정적인발 재하시험의 극한주면마찰력과 비교할 때 아직 시멘트풀의 양생 효과가 충분히 발휘되지 않은 상태에 기인하는 것으로 판단된다.
표 4에서 보는 바와 같이 주입된 시멘트풀의 양생에 따른 지지력의 시간경과효과에 의해 주면마찰력의 증가현상이 발생하였음을 볼 수 있으며, 양생기간 약 1주일 경과조건에서 약 5~6배의 주면마찰력이 증가된 것으로 분석되었다. 시험시점에서의 양생효과가 고려된 주면지지력을 단위지지력으로 산정하면 약 5.
이 같은 분석은 약 1주일의 추가 경과조건에서 수행한 정적인발 재하시험의 극한주면마찰력과 비교할 때 아직 시멘트풀의 양생 효과가 충분히 발휘되지 않은 상태에 기인하는 것으로 판단된다. 한편, 선단지지력의 경우는 시험말뚝 사이에 다소의 차이는 있으나 시공 중 측정값과 재항타시험에서의 값이 유사하게 나타났으며 단위선단지지력으로 환산하면 1,180~1,380 tonf/㎡로 해석되어 견고한 지지층에 말뚝선단이 안착되어 있는 상태인 것으로 나타났다. 정적 인발재하시험을 수행한 말뚝에 대해서는 항타에너지에 의한 주면마찰력 감소현상을 우려/방지하기 위하여 바로 인접한 동일조건의 시험말뚝에 대해서만 재항타 동재하시험을 수행하였으며, 시험결과 중 Test-1결과에 대한 동재하시험 성과를 예로 그림 13에 도시하였다(토지주택연구원, 2014).
후속연구
2N)에 의한 값을 비교한 결과, 시공후 8일의 시험값은 설계식에 비하여 25% 정도 작게 나타났고 15일 후에 실시한 시험값은 설계 마찰력 비교적 잘 맞는 것으로 나타났다. 표 6의 결과를 종합해 보면 시공 후에 비슷한 시기에 실시한 동재하시험과 정적인발시험 결과가 유사하게 나타나 동재하시험으로도 매입말뚝의 인발저항력을 산정할 수있는 가능성이 있는 것으로 판단되며, 동재하시험결과가 정적인 발시험이나 이론식에 의한 값 보다 보수적이기 때문에 현장 품질확인용으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 단, 동재하시험은 시험과 해석의 숙련도에 좌우되는 경향이 있고, 충분한 타격력이 주어져야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PHC 말뚝이 인장부재로 사용할 수 있는 근거는?
구조물의 기초로 사용되는 말뚝은 압축하중을 받는 부재로 인식되고 있으나 최근에는 지하주차장 등의 부력이 발생하는 부위에서 부력방지앵커를 대체하여 인장부재로 사용하는 노력이 시도되고 있다. 서미정 외(2015)은 공동주택 기초로 많이 사용하는 PHC 말뚝의 P.C. 강봉에 쐐기를 장착하여(그림 1 참조) 콘크리트 기초내에서의 정착력을 강화하면 P.C. 강봉이 인장력을 받으므로 PHC 말뚝도 인장부재로 사용할 수 있을 것으로 판단하였다. 또한, 실험방법으로(그림 2 참조) 기초체 하부 말뚝 결합 부분에 지름 1,200mm의 홀이 가공된 강성 철판을 설치하고 기초체 상부 철판과 일체하여 하부철판 쪽에 H-beam을 설치하는 방식으로 반력 프레임을 구성하고, 말뚝 선단 쪽에 원형 철판을 용접하여 Tension bar를 이용하여 인장하는 방식을 적용하였다.
구조물의 기초로 사용되는 말뚝에 대한 활용 변화는?
구조물의 기초로 사용되는 말뚝은 압축하중을 받는 부재로 인식되고 있으나 최근에는 지하주차장 등의 부력이 발생하는 부위에서 부력방지앵커를 대체하여 인장부재로 사용하는 노력이 시도되고 있다. 서미정 외(2015)은 공동주택 기초로 많이 사용하는 PHC 말뚝의 P.
서미정 외(2015)의 PHC 말뚝을 인장부재로 활용하기 위해 실험한 방법은?
강봉이 인장력을 받으므로 PHC 말뚝도 인장부재로 사용할 수 있을 것으로 판단하였다. 또한, 실험방법으로(그림 2 참조) 기초체 하부 말뚝 결합 부분에 지름 1,200mm의 홀이 가공된 강성 철판을 설치하고 기초체 상부 철판과 일체하여 하부철판 쪽에 H-beam을 설치하는 방식으로 반력 프레임을 구성하고, 말뚝 선단 쪽에 원형 철판을 용접하여 Tension bar를 이용하여 인장하는 방식을 적용하였다. PHC 말뚝에 대하여 직경별 인장역학실험을 실시하여 확인한 파괴인장하중은 표 1과 같다(토지주택연구원, 2014).
참고문헌 (6)
토지주택연구원(2014), 말뚝의 축방향 설계 허용인발저항력 산정 및 상세 개발.
한국지반공학회(2009), 국토해양부제정 구조물 기초설계 기준 해설.
박종배, 김정수, 임해식(2004), "개선된 기준으로 시공된 SIP 말뚝의 지지력 평가에 관한 연구", 한국지반환경공학회지, 5(3): 5-15.
조천환(2010), 말뚝기초 실무. 이엔지.북.
서미정, 박종배, 박용부, 이종섭(2015), "파동방정식에 근거한 매입 말뚝의 동적 분석". 한국지반공학회논문집, 31(11): 5-13.
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