본 연구에서는 항타시공성(BPM, blow per meter)을 고려하여 대구경 항타강관말뚝을 시공하였을 때 발생하는 폐색효과를 분석하였다. Coupled Eulerian-Lagrangian(CEL)해석 시 적용된 항타에너지는 파동방정식을 이용하여 산정하였고, CEL대변형 3차원 유한요소 해석을 수행하여 말뚝 항타시공 과정을 모사하였다. 본 연구 결과, 말뚝 직경이 증가함에 따라 목표 깊이까지 소요되는 항타에너지는 증가(일정한 BPM인 경우에 해당함) 하였으며, 그 결과 soil plugging index(SPI)는 서로 유사하게 나타나지만 폐색효과는 감소함을 알 수 있었다. 또한, 말뚝의 근입 깊이가 증가할수록 SPI는 서로 유사한 값을 나타냈으나 관내토에서 발생하는 수평토압이 증가하게 되어 폐색효과는 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구결과, 폐색효과의 대표적 영향인자인 말뚝 직경, 말뚝 근입 깊이, 지반 탄성계수, BPM에 따른 관내토의 수평토압계수 분포 경향을 제안하였다.
본 연구에서는 항타시공성(BPM, blow per meter)을 고려하여 대구경 항타강관말뚝을 시공하였을 때 발생하는 폐색효과를 분석하였다. Coupled Eulerian-Lagrangian(CEL)해석 시 적용된 항타에너지는 파동방정식을 이용하여 산정하였고, CEL 대변형 3차원 유한요소 해석을 수행하여 말뚝 항타시공 과정을 모사하였다. 본 연구 결과, 말뚝 직경이 증가함에 따라 목표 깊이까지 소요되는 항타에너지는 증가(일정한 BPM인 경우에 해당함) 하였으며, 그 결과 soil plugging index(SPI)는 서로 유사하게 나타나지만 폐색효과는 감소함을 알 수 있었다. 또한, 말뚝의 근입 깊이가 증가할수록 SPI는 서로 유사한 값을 나타냈으나 관내토에서 발생하는 수평토압이 증가하게 되어 폐색효과는 오히려 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구결과, 폐색효과의 대표적 영향인자인 말뚝 직경, 말뚝 근입 깊이, 지반 탄성계수, BPM에 따른 관내토의 수평토압계수 분포 경향을 제안하였다.
This paper presents the analysis of plugging effect especially when the large diameter steel pipe pile was installed by considering driveability (BPM, blow per meter). The Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) technique was used to simulate the driving of open-ended piles into soil. To consider the driv...
This paper presents the analysis of plugging effect especially when the large diameter steel pipe pile was installed by considering driveability (BPM, blow per meter). The Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) technique was used to simulate the driving of open-ended piles into soil. To consider the driveability, the applied driving energy for each pile was obtained from the analysis results by using the wave equation. The parametric studies were performed for different pile diameters, penetration depths of pile, soil elastic modulus and BPM. It was found that the SPI is almost constant with increasing both the pile diameter and the required driving energy. It is also found that the plugging effect increases with increasing the pile length, resulting in the increase of lateral earth pressure. Based on this study the apparent magnitude and distribution of the lateral earth pressure is proposed for inside portion mobilizing soil plug.
This paper presents the analysis of plugging effect especially when the large diameter steel pipe pile was installed by considering driveability (BPM, blow per meter). The Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) technique was used to simulate the driving of open-ended piles into soil. To consider the driveability, the applied driving energy for each pile was obtained from the analysis results by using the wave equation. The parametric studies were performed for different pile diameters, penetration depths of pile, soil elastic modulus and BPM. It was found that the SPI is almost constant with increasing both the pile diameter and the required driving energy. It is also found that the plugging effect increases with increasing the pile length, resulting in the increase of lateral earth pressure. Based on this study the apparent magnitude and distribution of the lateral earth pressure is proposed for inside portion mobilizing soil plug.
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문제 정의
이렇게 관내토와 말뚝내부사이에서 발생하는 내주면마찰력을 산정하기 위해서는 관내토의 물성이나, 현장검증이 필수적이지만 현장시험에서는 항타말뚝의 내주면마찰력에 작용하는 수평토압계수의 측정이 거의 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 이러한 한계로 인해 실제 항타시공 과정이 모사가능한 대변형 수치해석을 통해 폐색효과 영향인자들을 분석하고자 한다.
지반과 말뚝에 비해 상대적으로 하중이 작은 해머를 사용한 경우에는 BPM기준을 넘어가는 상황이 나타나게 되며 이런 경우 목표관입깊이까지 관입이 되지 않으므로 지지력이 설계지지력에 못 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 항타관입성을 고려한 대구경 항타말뚝의 폐색효과를 분석하기 위하여 각 영향인자에 대해 일정 BPM을 기준으로 항타에너지를 계산하여 적용하였다.
0Di로 기존 추세선으로 구한 제안식과 일치하는 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 절에서는 관내토와 내주면 사이에서 발생하는 수평토압계수와 관내토의 내주면 마찰력 발생 높이간의 경향을 분석한 결과를 Fig. 16과 같이 제안하고자 한다.
항타 시 대구경 항타강관말뚝의 재료 파괴를 검토하기 위하여 허용응력을 SKK590 기준 440MPa로 해석하였다. 또한 본 연구에서는 대구경 강관말뚝이 목표 관입깊이에 시공된 경우에 대해 폐색효과 분석을 목적으로 연구를 수행하였기 때문에, 말뚝 이음 및 결합으로 인한 영향은 따로 고려하지 않았다.
본 연구에서는 대변형 수치해석을 통해 항타시공성을 고려한 대구경 항타강관말뚝의 폐색효과를 분석하였다. 실제 현장에서 사용하는 항타시공성(BPM)을 적용해 항타에너지 기준을 산정하였고 이를 강관말뚝의 항타과정을 모사할 수 있는 대변형 해석기법인 CEL기법에 적용하였다.
, 2016)을 통해 CEL기법을 통해 항타말뚝 시공과정에서 발생하는 폐색효과에 대한 영향분석을 한 바 있다. 본 연구에서는 이를 연장하여 항타관입성을 고려한 대구경 항타강관말뚝의 발생하는 폐색효과에 대한 영향을 분석하고자 한다.
항타시공성을 고려한 대구경 항타강관말뚝의 폐색효과를 분석하기 위하여 대변형 수치해석을 이용하여 대표적 영향인자인 1) 말뚝 직경, 2) 말뚝의 근입 깊이, 3) 사질토의 탄성계수, 4) 항타시공성(BPM)에 대해 매개변수 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 항타시공성을 고려한 항타에너지를 적용하여 해석을 수행하였을 때, 발생하는 내주면 마찰력 발생 높이를 기존 연구(Jeonget al., 2015; Ko, 2015)에서 제안한 SPI를 이용하여 경향성을 분석하고자 한다. 또한 3장에서 언급하였듯이 항타강관말뚝의 폐색효과로 인한 지지력은 말뚝 내주면에 작용하는 수평토압계수와 관련이 있으므로, 본 해석 결과 분석 시, 관내토 선단부 부근의 내주면에서 발생하는 수평토압계수를 분석하였다.
본 절에서는 단일지반에 설치된 대구경 항타말뚝의 길이에 대한 영향을 분석하였다. 해석 case는 단일 지반인 Medium Sand 지반에 말뚝 직경 (D)이 2m, 말뚝 길이 (L)가 15～45m인 대구경 항타강관말뚝으로 가정하였으며, 폐색효과의 영향을 SPI와 수평토압계수를 이용하여 분석하였다.
본 절에서는 단일지반에 설치된 대구경 항타말뚝의 직경에 대한 영향을 분석하였다. 해석 case는 단일 지반인 Medium sand 지반에 말뚝 직경 (D)이 1.
본 절에서는 단일지반에 설치된 대구경 항타말뚝의 항타시공성 기준인 BPM에 대한 영향을 분석하였다. 해석 case는 단일 지반인 Medium Sand 지반에 말뚝 직경(D)이 2m, 말뚝 길이 (L)가 45m인 대구경 항타강관말뚝으로 가정하였으며, 항타시공성(BPM)을 200～500으로 변화시키며 해석을 수행하였다.
본 절에서는 대구경 항타말뚝이 설치되는 사질토의 탄성계수에 대한 폐색효과를 분석하였다. 해석 case는 사질토의 탄성계수를 변화시키며, ‘Loose sand’, ‘Medium sand’, ‘Dense sand’로 구분 하였으며, 말뚝 직경 (D)은 2m, 말뚝 길이 (L)는 45m로 가정하여 해석을 수행하였다.
가설 설정
본 절에서는 단일지반에 설치된 대구경 항타말뚝의 길이에 대한 영향을 분석하였다. 해석 case는 단일 지반인 Medium Sand 지반에 말뚝 직경 (D)이 2m, 말뚝 길이 (L)가 15～45m인 대구경 항타강관말뚝으로 가정하였으며, 폐색효과의 영향을 SPI와 수평토압계수를 이용하여 분석하였다.
본 절에서는 단일지반에 설치된 대구경 항타말뚝의 항타시공성 기준인 BPM에 대한 영향을 분석하였다. 해석 case는 단일 지반인 Medium Sand 지반에 말뚝 직경(D)이 2m, 말뚝 길이 (L)가 45m인 대구경 항타강관말뚝으로 가정하였으며, 항타시공성(BPM)을 200～500으로 변화시키며 해석을 수행하였다.
본 절에서는 단일지반에 설치된 대구경 항타말뚝의 직경에 대한 영향을 분석하였다. 해석 case는 단일 지반인 Medium sand 지반에 말뚝 직경 (D)이 1.5～3.5m, 말뚝 두께 (t)가 4～8cm인 대구경 항타강관말뚝으로 가정하였으며 폐색효과의 영향을 SPI와 수평토압계수를 이용하여 분석하였다.
해석 case는 사질토의 탄성계수를 변화시키며, ‘Loose sand’, ‘Medium sand’, ‘Dense sand’로 구분 하였으며, 말뚝 직경 (D)은 2m, 말뚝 길이 (L)는 45m로 가정하여 해석을 수행하였다.
제안 방법
(1) GRL-WEAP 프로그램을 이용하여 강관말뚝의 항타시공성을 고려하는 해석방법을 제안하였다. 이는 일반적으로 적용되는 BPM 기준을 대상으로 항타에너지를 산출하였으며, 이를 CEL기법을 이용한 대변형 해석기법에 항타 하중으로 적용하였다.
(4) 이러한 경향성을 바탕으로 전체 수평토압계수 분포곡선을 분석하였다. 전체 수평토압계수 분포 곡선을 평균화하여 하나의 대표 수평토압계수 분포 곡선을 산정하였으며, 이를 구간화하여 실용적인 수평토압계수 분포 곡선을 제안하였다.
항타시공성을 고려하기 위해 CEL 해석에 적용된 항타에너지는 GRL-WEAP의 driveability 해석을 통해 산정하였다. 폐색효과의 대표적인 영향인자인1) 말뚝 직경, 2) 말뚝 근입 길이,3) 사질토 지반의 탄성계수, 4) 항타시공성(BPM)에 대한 영향을 분석하고자 매개변수연구를 수행하였다.
항타시공성을 고려한 대구경 항타강관말뚝의 폐색효과를 분석하기 위하여 대변형 수치해석을 이용하여 대표적 영향인자인 1) 말뚝 직경, 2) 말뚝의 근입 깊이, 3) 사질토의 탄성계수, 4) 항타시공성(BPM)에 대해 매개변수 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 항타시공성을 고려한 항타에너지를 적용하여 해석을 수행하였을 때, 발생하는 내주면 마찰력 발생 높이를 기존 연구(Jeonget al.
mesh의 조밀한 정도는 mesh의 개수에 따라 결정되며, 해석시간과의 상관성으로 mesh를 결정하였다. Fig. 3은 각 mesh 크기에 대한 극한관입저항력(ultimate penetration force)을 나타낸 것으로 mesh 크기가 12.5의 경우와 15.4의 경우의 관입저항력의 크기가 크게 차이가 나지 않지만, 해석소요시간이 약 6배 정도 차이가 나므로 본 연구에서는 mesh 크기가 12.5일 경우를 최적 mesh 크기로 결정하고 매개변수연구를 수행하였다.
본 연구에서는 대구경 말뚝의 동적해석에 의한 영향범위를 고려하여 말뚝 지름의 10배(10D)를 적용하였고, 기존 연구와 동일하게 관입깊이의 2배(2L)를 적용하였다. 경계조건은 반지름방향 경계면에서 x, y축 방향 변위를 억제하고 z축 방향 변위만 허용하기 위해 롤러구속조건을 적용하였고, 하단 경계면에서는 모든 축방향으로 변위가 발생하지 않도록 힌지구속조건을 적용하였다. 해석에 적용된 요소는 8개의 절점(node)으로 구성된 Eulerian brick 요소인 EC3D8R 요소와 Lagrangian brick 요소인 C2D8R 요소를 적용하였다.
앞서 수행한 매개변수연구를 통해 관내토의 심도별 수평토압계수 분포 곡선은 전체적으로 볼록한 형태로 유사한 경향을 나타내는 것을 확인하였다. 대표 수평토압계수 분포 곡선을 제안하기 위하여 관내토의 말뚝 선단부로부터의 거리를 말뚝 내경(Di)으로 정규화하여 각 영향인자별 수평토압계수 분포 곡선을 Fig. 13과 같이 도시하였다. 여기서 세로축은 말뚝선단부에서부터 2.
5배 높이까지 나타나는 것을 의미한다. 따라서 본 영향인자 연구에 대한 결과를 선단부에서 말뚝 내경의 2.5배 높이까지의 범위에서의 결과를 분석하였다.
, 2015; Ko, 2015)에서 제안한 SPI를 이용하여 경향성을 분석하고자 한다. 또한 3장에서 언급하였듯이 항타강관말뚝의 폐색효과로 인한 지지력은 말뚝 내주면에 작용하는 수평토압계수와 관련이 있으므로, 본 해석 결과 분석 시, 관내토 선단부 부근의 내주면에서 발생하는 수평토압계수를 분석하였다. Table 1은 각 영향인자별 매개변수 연구를 나타낸다.
모델링 기법 및 해석 결과를 실제 현장시험결과 및 기존연구와 비교를 통해 검증하였다. 또한, 폐색효과 영향인자에 따른 매개변수 연구를 통해 대구경 강관말뚝의 폐색효과를 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
말뚝에 가하는 항타하중은 GRL-WEAP을 통해 구한 항타에너지(해머중량, 낙하고)를 이용하여 한 타에 대한 하중을 0.04초 동안 말뚝 두부에 반복으로 적용하였다(Goble et al., 1980; Ko et al., 2016).
해석시간의 절약을 위해 Axisymmetric으로 사분면 형상으로 모델링하였다. 본 연구에서는 대구경 말뚝의 동적해석에 의한 영향범위를 고려하여 말뚝 지름의 10배(10D)를 적용하였고, 기존 연구와 동일하게 관입깊이의 2배(2L)를 적용하였다. 경계조건은 반지름방향 경계면에서 x, y축 방향 변위를 억제하고 z축 방향 변위만 허용하기 위해 롤러구속조건을 적용하였고, 하단 경계면에서는 모든 축방향으로 변위가 발생하지 않도록 힌지구속조건을 적용하였다.
따라서 CEL 해석을 수행하기 이전에 적절한 mesh 크기를 찾는 mesh convergence study는 필수적이다. 본 연구에서는 지반 mesh 크기를 변화해가며 mesh convergence study를 수행하였고, 해석 정확도가 수렴하고 해석시간이 짧은 최적의 mesh 크기를 선정하였다(Ko et al., 2016). 본 연구에서는 말뚝 직경 (D)이 2m, 말뚝 길이 (L)가 15m인 말뚝을 대상으로 해석을 수행하였다.
본 절에서는 GRL-WEAP프로그램을 이용하여 대구경 항타강관말뚝의 영향인자 별 항타에너지를 구한 결과를 BPM을 기준으로 나타내었다. Table 1은 각 case별 해석 시 각 영향인자에 따른 BPM을 고려한 항타에너지를 산출하여 정리한 표이다.
본 해석에서는 지반 모델링을 단일 사질토 층으로 가정하여 SPT N치가 일정한 단일층으로 해석을 수행하였고, 항타 효율은 재료의 파괴를 고려하여 0.8로 고정하여 해석하였다. 항타 시 대구경 항타강관말뚝의 재료 파괴를 검토하기 위하여 허용응력을 SKK590 기준 440MPa로 해석하였다.
본 해석의 검증을 위해 기존 연구결과인 광양 현장재하시험 사례(Ko and Jeong, 2015)를 토대로 항타 강관말뚝의 거동을 비교, 분석하였다(Table 2). 이 때 사질토 지반의 탄성계수(E)와 내부마찰각(φ)의 관계는 기존연구(Bolwes, 2002)를 통해 산정하였다.
여기서 구간별로 제안된 수평토압계수 분포 제안식은 다음 식 (3)과 같다. 이 때 적분으로 구한 면적을 비교하여 추세식과 수평토압계수 분포 제안식이 같은 값이 나오도록 구간별 수평토압계수 분포식을 제안하였다. 이를 관내토와 내주면 사이에서 발생하는 수평토압계수와 관내토의 내주면 마찰력 발생 높이간의 경향을 분석하기 위해 면적으로 나타내었고, 이 때의 적분식은 (4)와 같이 제안할 수 있다.
GRL-WEAP은 대상 지반에 적합한 항타에너지를 수치해석을 통해 산출할 수 있어 실무에서 가장 많이 사용되는 프로그램이다. 이는 말뚝의 파동이론해석법(Wave Equation Analysis of Pile Driving)에 근거한 프로그램으로 본 프로그램을 이용하여 driveability해석을 수행한 후 목표 관입깊이에서 나타나는 BPM을 기준으로 항타에너지를 결정하였다. 단일 지층을 기준으로 해석함에 따라 이에 발생하는 BPM은 심도가 깊어짐에 따라 점점 크게 나타났으며, 말뚝의 목표 관입깊이인 45m에 도달하였을 때 BPM값은 500에 도달하는 것을 확인할 수 있고, 이때 사용한 항타에너지를 결정하게 된다.
이 때 사질토 지반의 탄성계수(E)와 내부마찰각(φ)의 관계는 기존연구(Bolwes, 2002)를 통해 산정하였다. 이를 통해 본 연구에서 적용한 대구경 항타강관말뚝의 CEL 해석의 모델링 및 타당성을 SPI를 통해 검증하였다.
(4) 이러한 경향성을 바탕으로 전체 수평토압계수 분포곡선을 분석하였다. 전체 수평토압계수 분포 곡선을 평균화하여 하나의 대표 수평토압계수 분포 곡선을 산정하였으며, 이를 구간화하여 실용적인 수평토압계수 분포 곡선을 제안하였다.
8로 고정하여 해석하였다. 항타 시 대구경 항타강관말뚝의 재료 파괴를 검토하기 위하여 허용응력을 SKK590 기준 440MPa로 해석하였다. 또한 본 연구에서는 대구경 강관말뚝이 목표 관입깊이에 시공된 경우에 대해 폐색효과 분석을 목적으로 연구를 수행하였기 때문에, 말뚝 이음 및 결합으로 인한 영향은 따로 고려하지 않았다.
, 2016). 항타시공성을 고려하기 위해 CEL 해석에 적용된 항타에너지는 GRL-WEAP의 driveability 해석을 통해 산정하였다. 폐색효과의 대표적인 영향인자인1) 말뚝 직경, 2) 말뚝 근입 길이,3) 사질토 지반의 탄성계수, 4) 항타시공성(BPM)에 대한 영향을 분석하고자 매개변수연구를 수행하였다.
2에 나타나있다. 해석시간의 절약을 위해 Axisymmetric으로 사분면 형상으로 모델링하였다. 본 연구에서는 대구경 말뚝의 동적해석에 의한 영향범위를 고려하여 말뚝 지름의 10배(10D)를 적용하였고, 기존 연구와 동일하게 관입깊이의 2배(2L)를 적용하였다.
대상 데이터
, 2016). 본 연구에서는 말뚝 직경 (D)이 2m, 말뚝 길이 (L)가 15m인 말뚝을 대상으로 해석을 수행하였다. Table 3은 mesh convergence study에서 적용한 말뚝 물성 및 광양 현장재하시험 케이스의 지반 물성(Ko et al.
경계조건은 반지름방향 경계면에서 x, y축 방향 변위를 억제하고 z축 방향 변위만 허용하기 위해 롤러구속조건을 적용하였고, 하단 경계면에서는 모든 축방향으로 변위가 발생하지 않도록 힌지구속조건을 적용하였다. 해석에 적용된 요소는 8개의 절점(node)으로 구성된 Eulerian brick 요소인 EC3D8R 요소와 Lagrangian brick 요소인 C2D8R 요소를 적용하였다. 또한 initializing 단계에서 void layer 내부, soil layer 위에 위치하는 말뚝의 초기 위치를 표시하기 위해 Fig.
데이터처리
실제 현장에서 사용하는 항타시공성(BPM)을 적용해 항타에너지 기준을 산정하였고 이를 강관말뚝의 항타과정을 모사할 수 있는 대변형 해석기법인 CEL기법에 적용하였다. 모델링 기법 및 해석 결과를 실제 현장시험결과 및 기존연구와 비교를 통해 검증하였다. 또한, 폐색효과 영향인자에 따른 매개변수 연구를 통해 대구경 강관말뚝의 폐색효과를 분석하였다.
이론/모형
해석시 접촉조건(contact)은 ABAQUS에서 제공하는 접촉요소(contact element)를 사용하였다. 경계면 조건은 식 (2)와 같이 마찰계수와 한계변위, 한계 전단응력으로 정의되는 Coulomb 마찰이론을 적용하였다. 이때 경계면 조건은 해석의 모든 접촉조건에 일괄적으로 작용하였다.
따라서 항타시공성을 반영하여 대구경 항타강관말뚝의 폐색효과를 예측한다면 실제 설계 시 지지력을 적절하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 대구경 항타강관말뚝의 경우 실제 현장시험을 수행하는 것은 경제적 및 시간적인 어려움이 따르므로, 최근 보고된 항타말뚝의 지반관입 과정을 모사할 수 있는 대변형 수치해석기법인 CEL기법을 이용하여 연구를 수행하였다(Ko et al., 2016). 항타시공성을 고려하기 위해 CEL 해석에 적용된 항타에너지는 GRL-WEAP의 driveability 해석을 통해 산정하였다.
본 연구에서는 범용 해석 프로그램인 ABAQUS/EXPLICIT(2013)를 사용하였으며 CEL기법은 ABAQUS에서 지원하는 기법으로 적용하였다.
본 연구에서는 지반모델은 Eulerian 좌표계, 말뚝모델은 Lagrangian 좌표계로 모델링하였다. 본 해석의 모델링은 Fig.
본 연구에서는 대변형 수치해석을 통해 항타시공성을 고려한 대구경 항타강관말뚝의 폐색효과를 분석하였다. 실제 현장에서 사용하는 항타시공성(BPM)을 적용해 항타에너지 기준을 산정하였고 이를 강관말뚝의 항타과정을 모사할 수 있는 대변형 해석기법인 CEL기법에 적용하였다. 모델링 기법 및 해석 결과를 실제 현장시험결과 및 기존연구와 비교를 통해 검증하였다.
해석 case는 사질토의 탄성계수를 변화시키며, ‘Loose sand’, ‘Medium sand’, ‘Dense sand’로 구분 하였으며, 말뚝 직경 (D)은 2m, 말뚝 길이 (L)는 45m로 가정하여 해석을 수행하였다. 여기서 사질토의 탄성계수 (E)와 SPT N값의 관계는 기존 연구에서 제안한 식으로 산정하였다(Bolwes, 2002).
이 때 사질토 지반의 탄성계수(E)와 내부마찰각(φ)의 관계는 기존연구(Bolwes, 2002)를 통해 산정하였다.
(1) GRL-WEAP 프로그램을 이용하여 강관말뚝의 항타시공성을 고려하는 해석방법을 제안하였다. 이는 일반적으로 적용되는 BPM 기준을 대상으로 항타에너지를 산출하였으며, 이를 CEL기법을 이용한 대변형 해석기법에 항타 하중으로 적용하였다. 본 해석 방법은 항타시공성을 고려할 수 있는 해석법으로 비교적 실제에 가까운 항타 조건을 모사할 수 있는 장점이 있다.
해석시 접촉조건(contact)은 ABAQUS에서 제공하는 접촉요소(contact element)를 사용하였다. 경계면 조건은 식 (2)와 같이 마찰계수와 한계변위, 한계 전단응력으로 정의되는 Coulomb 마찰이론을 적용하였다.
성능/효과
(2) 항타시공성(BPM)을 고려하여 해석한 결과, 각 영향 인자별로 SPI와 수평토압계수에 미치는 영향 정도는 차이가 있었다. 즉, 항타시공성(BPM)이 고려됨에 따라 각 영향인자별로 말뚝의 폐색효과에 미치는 영향 정도가 차이가 있으므로, 실제 대구경 항타강관말뚝 설계 시 항타시공성이 고려된 폐색효과 분석과 이를 반영한 설계가 필요할 것으로 판단된다.
(3) 매개변수 연구를 통해 산정된 심도별 수평토압계수분포 곡선을 분석한 결과, 말뚝 선단부에서는 1 이하인 약 0.5의 수평토압계수를 나타냈고, 선단부로부터 내경의 약 2 – 3배의 높이에서 최대 수평토압계수를 가졌다.
11에 나타내었다. SPI 분석 결과, BPM이 각각 200, 300, 400, 500일 경우, SPI가 16.7, 13.0, 12.6, 12.3%로 나타났으며, 이를 통해 BPM이 증가할수록 SPI는 감소 하는 경향을 확인하였다. 이는 BPM이 증가할수록 필요한 항타에너지는 점차 감소하는 것을 의미하며, 다시 말해 본 해석 결과는 항타에너지가 감소할수록 SPI는 감소하는 것을 의미한다.
7에 나타내었다. 단일 지반에서 말뚝 길이가 변함에 따른 SPI는 12～13% 범위에서 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 다음으로 단일 지반에서 말뚝의 길이 변화에 따른 수평토압계수의 분포는 Fig.
이는 말뚝의 파동이론해석법(Wave Equation Analysis of Pile Driving)에 근거한 프로그램으로 본 프로그램을 이용하여 driveability해석을 수행한 후 목표 관입깊이에서 나타나는 BPM을 기준으로 항타에너지를 결정하였다. 단일 지층을 기준으로 해석함에 따라 이에 발생하는 BPM은 심도가 깊어짐에 따라 점점 크게 나타났으며, 말뚝의 목표 관입깊이인 45m에 도달하였을 때 BPM값은 500에 도달하는 것을 확인할 수 있고, 이때 사용한 항타에너지를 결정하게 된다.
, 2016). 따라서, 두 영향인자가 증가할수록 폐색효과에 미치는 영향 정도가 상쇄되어 SPI는 12～14% 범위에서 일정하게 분포하는 것으로 확인되었다. 하지만, SPI가 아닌 Lstress를 분석하기 위해 말뚝 내경 (Di)으로 정규화 시켜 말뚝 직경 별로 나타낸 결과, 말뚝 직경이 증가할수록 Lstress/Di는 감소하는 것으로 나타났다(Table 5).
84의 최대수평토압계수를 나타냈다. 선단으로부터 2Di 높이보다 높아지는 경우 수평토압계수는 점차 감소하는 경향을 보였으며 전체적으로 심도별로 볼록한 형태를 나타냈다.
12와 같다. 수평토압계수 분석 결과, BPM이 각각 200, 300, 400, 500일 경우, 최대수평토압계수가 2.56, 2.37, 2.31, 2.14로 나타났다. 이는 BPM이 증가할수록 최대수평토압계수는 감소하는 것을 의미한다.
8과 같다. 수평토압계수를 분석한 결과, 말뚝 길이가 각각 15, 30, 45m일 경우, 최대수평토압계수가 1.88, 2.13, 2.14로 나타났다. 즉, 말뚝 길이가 증가할수록 최대 수평토압계수가 증가하는 것으로 나타났다.
3%로 나타났으며, 이를 통해 BPM이 증가할수록 SPI는 감소 하는 경향을 확인하였다. 이는 BPM이 증가할수록 필요한 항타에너지는 점차 감소하는 것을 의미하며, 다시 말해 본 해석 결과는 항타에너지가 감소할수록 SPI는 감소하는 것을 의미한다. 기존 연구 결과(Ko et al.
14로 나타났다. 즉, 말뚝 길이가 증가할수록 최대 수평토압계수가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 말뚝 직경에 대한 영향 해석 결과와 유사하게 말뚝 선단부의 수평토압계수는 0.
따라서, 두 영향인자가 증가할수록 폐색효과에 미치는 영향 정도가 상쇄되어 SPI는 12～14% 범위에서 일정하게 분포하는 것으로 확인되었다. 하지만, SPI가 아닌 Lstress를 분석하기 위해 말뚝 내경 (Di)으로 정규화 시켜 말뚝 직경 별로 나타낸 결과, 말뚝 직경이 증가할수록 Lstress/Di는 감소하는 것으로 나타났다(Table 5).
9에 나타내었다. 해석 결과, 사질토의 탄성계수가 각각 12.5, 22.5, 32.5MPa일 경우, SPI가 11.9, 12.6, 18.3%로 나타났고, 이를 통해 사질토의 탄성계수가 증가할수록 SPI도 증가하는 경향을 확인하였다.
후속연구
이를 위해 일반적으로 항타시공성 분석이 수행되고 있지만, 기존 연구에서 항타말뚝의 항타시공성을 고려하지 않고 있기 때문에 항타말뚝의 폐색효과를 고려한 설계에 어려운 점이 있다. 따라서 항타시공성을 반영하여 대구경 항타강관말뚝의 폐색효과를 예측한다면 실제 설계 시 지지력을 적절하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 대구경 항타강관말뚝의 경우 실제 현장시험을 수행하는 것은 경제적 및 시간적인 어려움이 따르므로, 최근 보고된 항타말뚝의 지반관입 과정을 모사할 수 있는 대변형 수치해석기법인 CEL기법을 이용하여 연구를 수행하였다(Ko et al.
, 2003)는 대부분 소구경 또는 실내실험(1G, 가압토조)으로 수행되었고 대구경 말뚝에 대한 현장데이터 및 재하시험 자료가 매우 부족하여 실제 설계에 적용하는데 어려움이 있다. 또한, 항타말뚝의 설계 및 시공단계에서 적정 항타장비의 선정, 적정규격의 말뚝재료 선정, 말뚝 지지력의 예측 등을 반드시 검토해야 한다. 이를 위해 일반적으로 항타시공성 분석이 수행되고 있지만, 기존 연구에서 항타말뚝의 항타시공성을 고려하지 않고 있기 때문에 항타말뚝의 폐색효과를 고려한 설계에 어려운 점이 있다.
(2) 항타시공성(BPM)을 고려하여 해석한 결과, 각 영향 인자별로 SPI와 수평토압계수에 미치는 영향 정도는 차이가 있었다. 즉, 항타시공성(BPM)이 고려됨에 따라 각 영향인자별로 말뚝의 폐색효과에 미치는 영향 정도가 차이가 있으므로, 실제 대구경 항타강관말뚝 설계 시 항타시공성이 고려된 폐색효과 분석과 이를 반영한 설계가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
GRL-WEAP은 무엇인가?
GRL-WEAP은 대상 지반에 적합한 항타에너지를 수치해석을 통해 산출할 수 있어 실무에서 가장 많이 사용되는 프로그램이다. 이는 말뚝의 파동이론해석법(Wave Equation Analysis of Pile Driving)에 근거한 프로그램으로 본 프로그램을 이용하여 driveability해석을 수행한 후 목표 관입깊이에서 나타나는 BPM을 기준으로 항타에너지를 결정하였다.
폐색효과는 무엇인가?
개단말뚝이 지반에 관입될 때, 말뚝 내부로 밀려들어 가 압축된 관내토로 인해 말뚝의 선단이 막혀 지지력을 발생하는 현상을 폐색효과라고 한다. 이러한 말뚝의 폐색상태는 완전개방상태, 부분폐색상태, 완전폐색상태와 같이 크게 3가지 상태로 구분할 수 있다(Paikowsky, 1989).
말뚝의 항타시공 시 말뚝의 단위길이당 타격횟수를 통해 소정의 지지력에 도달하였는지 판단하는 방법이 실무에 적용되는 이유는 무엇인가?
실무에서 말뚝의 항타시공 시 말뚝의 단위길이당 타격횟수(blow per meter, BPM)를 통해 소정의 지지력에 도달하였는지를 판단한다. 단위관입량당 타격횟수가 커지는 경우 시간과 비용면에서 경제성이 떨어지며 말뚝에 무리한 타격으로 인해 말뚝이 손상되는 경우가 발생하기 때문에 현재 실무에서 적용하고 있다. 일반적으로 콘크리트 말뚝의 경우는 BPM 200타/m로, 강관말뚝이 경우는 500타/m 로 제한하고 있으며 이를 초과하는 경우에는 시공성이 없는 것으로 판단하여 항타시공을 종료한다.
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