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문제 정의
- 본 연구는 마찰 말뚝(friction pile)인 헬리컬 파일(helical pile)에 관한 국내 연구의 부족과 헬리컬 파일에 대한 기초연구에 대한 수요로 인해 진행하였다. 데이터분석 결과, PLR값은 나선형 원판(heilx plate) 설치간격이 50mm인경우가 나선형 원판 설치간격이 150mm인 경우에서 크고, 30rpm이 15rpm 보다 작게 나타났다.
- 본 연구는 헬리컬 파일의 형상에 따른 관입시간을 분석하고, 관입속도와 헬리컬 파일 형상에 따른 극한하중을 분석하였다. 또한 설치된 헬리컬 파일 내부에 콘 관입장치를 타입하여, 콘 관입장치의 유무에 따른 헬리컬 파일의 극한 하중을 분석하였다.
가설 설정
- 1). Individual bearing method는 각각의 나선형 원판에서 큰 지지력이 발현된다고 가정하고, 헬리컬 파일의 지지력을 각각의 원판의 지지력의 합과 강관축(shaft)의 주면 마찰력의 합으로 가정한다. 단, 선단에서 발현되는 지지력은 무시한다.
제안 방법
- 구체적으로, (1) 동일한 나선형 원판 3개를 다른 간격(50mm와 150mm)으로 1/6 축소모형 헬리컬 파일을 제작하였다. (2) 헬리컬 파일을 회전관입 시회전속도를 분당 15회와 30회로 설정하였다. (3) 헬리컬 파일 관입 후 콘 항타 장비를 설치하여 콘 관입 유무에 따른 극한하중 변화를 확인하였다.
- (2) 헬리컬 파일을 회전관입 시회전속도를 분당 15회와 30회로 설정하였다. (3) 헬리컬 파일 관입 후 콘 항타 장비를 설치하여 콘 관입 유무에 따른 극한하중 변화를 확인하였다. 여러 조건에 따라 헬리컬 파일의 극한하중 값을 비교하였으며, 헬리컬 파일 관입이 진행되는 시점부터 관입이 완료되는 시점까지 관입시간을 기록하여 시공속도를 측정하였다.
- 6(d)). 관입된 헬리컬 파일 재하실험은 급속재하실험으로 진행하였으며(Fig. 6(e)) 각 단계별로 6분 동안 재하한 뒤 다음 단계 하중을 재하한다(Kim et al.
- 헬리컬 파일 관입시간의 분석은 폐색효과 분석과 동일하게 관입장치 회전속도와 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치 간격으로 구분하여 진행하였다. 관입장치의 회전속도가 헬리컬 파일 관입시간에 미치는 영향은 각 나선형 원판 설치간격별 헬리컬 파일에 대하여 회전속도를 다르게 하여 관입시간을 측정하였다. 또한, 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격이 헬리컬 파일 관입시간에 미치는 영향을 분석 하기 위하여, 동일한 관입속도에 대하여 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격을 변화시켜 관입시간을 측정하였다.
- 모래의 강사는 최상부에서 낙하 한모래입자들이 두 단계의 체를 통하여 하강한다. 균질한 모래지반의 상대밀도를 90%로 맞추기 위하여 상부체와 하부체 사이의 간격, 체의 seive size, 강사높이(하부체 하부 로부터 형성중인 지반면사이의 연직 거리)를 100mm～ 500mm 까지 바꿔 가며 상대밀도의 변화를 확인하였다. 상대밀도 90%인 지반은 #16체(sieve size는 1.
- 극한하중 실험은 총 6개의 서로 다른 실험조건 하에 재하실험을 진행하여 극한하중을 파악하였다. 극한하중은 Davisson’s의 곡선해석법과 10% 침하하중 분석법을 사용 하였다.
- Table 6은 Davisson’s method분석법에 따른 극한하중 값을 나타낸다. 극한하중은 헬리컬 파일의 Type, 콘 관입 장비의 유무, 관입 회전속도에 따라 분류하였다. 헬리컬파일의 Type(헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격별)에따른 극한하중 분석은 콘 관입장비를 사용하지 않은 실험조건을 비교하였다.
- 헬리컬 파일의 폐색효과를 분석하기 위하여 헬리컬 파일 회전관입 후 관입장치를 분리하여 관내토 높이를 측정 하였다. 따라서 관입장치 회전속도별 분석과, 헬리컬 파일 Type별 분석으로 진행하였다. Table 3은 실험조건에 따른 관내토 높이와 PLR값을 나타낸다.
- 본 연구는 헬리컬 파일의 형상에 따른 관입시간을 분석하고, 관입속도와 헬리컬 파일 형상에 따른 극한하중을 분석하였다. 또한 설치된 헬리컬 파일 내부에 콘 관입장치를 타입하여, 콘 관입장치의 유무에 따른 헬리컬 파일의 극한 하중을 분석하였다. 구체적으로, (1) 동일한 나선형 원판 3개를 다른 간격(50mm와 150mm)으로 1/6 축소모형 헬리컬 파일을 제작하였다.
- 낙하 해머의 무게와 낙하고는 일반 적으로 무게 5kg, 낙하고 500mm를 사용하며(Sowers and Sowers, 1970), 6배 낮추어 진행한 낙하 해머의 무게는 3kg, 낙하고는 125mm로 진행하였다. 또한 콘 장비 유무에 따른 실험을 진행하여 콘 장비의 관입으로 마찰말뚝인 헬리컬 파일에 선단지지력이 발현되는 효과를 분석하였다. 콘 장비 현장 적용 시 지반조사에 사용되는 표준관입 시험(standard penetration test)으로 일정하게 관입할 계획이다.
- 관입장치의 회전속도가 헬리컬 파일 관입시간에 미치는 영향은 각 나선형 원판 설치간격별 헬리컬 파일에 대하여 회전속도를 다르게 하여 관입시간을 측정하였다. 또한, 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격이 헬리컬 파일 관입시간에 미치는 영향을 분석 하기 위하여, 동일한 관입속도에 대하여 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격을 변화시켜 관입시간을 측정하였다.
- 본 연구에서는 추후에 개단강관말뚝과 헬리컬 파일의 극한하중을 비교하고자 강사장치를 이용하여 상대밀도가 균질한 지반을 조성하였다. 축소모형시험의 경우, 상대밀 도가 낮은 지반에 개단강관말뚝을 설치할 경우, 낮은 구속압으로 인해 말뚝의 지지력이 크지 않아 높은 상대밀도 (90%)로 지반을 조성하였다.
- 본 연구의 실험데이터 분석은 각 실험조건별 폐색효과, 헬리컬 파일 관입시간, 극한하중을 분석하였다. 추가적으로 폐색효과와 극한하중의 상관관계를 분석하여 항타로 관입되지 않은 헬리컬 파일이 폐색효과에 미치는 영향을 파악하였다.
- 62로 확인되었다. 상대 밀도 90%에 해당하는 지반의 조성을 위하여 알아야 하는 시료의 최대, 최소 건조 단위중량 시험(JIS A1224, 2009)을 진행하였다.
- (3) 헬리컬 파일 관입 후 콘 항타 장비를 설치하여 콘 관입 유무에 따른 극한하중 변화를 확인하였다. 여러 조건에 따라 헬리컬 파일의 극한하중 값을 비교하였으며, 헬리컬 파일 관입이 진행되는 시점부터 관입이 완료되는 시점까지 관입시간을 기록하여 시공속도를 측정하였다.
- 6(c)). 이 때 헬리컬 파일의 시공성을 확인하기 위하여 관입이 시작되는 시점부터 관입이 완료되는 시점 까지의 시간을 측정하여 기록하였다. 헬리컬 파일의 관입이 완료되면 헬리컬 파일에 고정된 회전관입장치를 분리 하여 헬리컬 파일의 관내토량을 측정한다.
- 최소 단위중량 시험은 몰드에 모래를 최대한 조심스럽게 낙하고를 낮추어 몰드에 가득 채운 후 무게를 측정하여 구한다. 최대와 최소 건조단 위중량 시험은 5번의 시험을 진행되었고, 최대값과 최소값을 제외한 3가지 값의 평균으로 최대 건조단위중량과 최소 건조단위중량을 구한다. 그 결과, 최대와 최소 건조 단위중량은 각각 14.
- 4). 최소 단위중량 시험은 몰드에 모래를 최대한 조심스럽게 낙하고를 낮추어 몰드에 가득 채운 후 무게를 측정하여 구한다. 최대와 최소 건조단 위중량 시험은 5번의 시험을 진행되었고, 최대값과 최소값을 제외한 3가지 값의 평균으로 최대 건조단위중량과 최소 건조단위중량을 구한다.
- 본 연구의 실험데이터 분석은 각 실험조건별 폐색효과, 헬리컬 파일 관입시간, 극한하중을 분석하였다. 추가적으로 폐색효과와 극한하중의 상관관계를 분석하여 항타로 관입되지 않은 헬리컬 파일이 폐색효과에 미치는 영향을 파악하였다.
- 헬리컬파일의 Type(헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격별)에따른 극한하중 분석은 콘 관입장비를 사용하지 않은 실험조건을 비교하였다. 콘 관입장비 유무에 따른 극한하중 분석과 관입 회전속도변화의 극한하중분석은 Type(헬리컬 파일 나선형 원판 설치간격별)으로 나누어 진행하였다.
- 본 실험에서 헬리컬 파일 관입시간은 헬리컬 파일이 조성된 지반에 600mm 근입되는 동안의 시간을 의미한다. 헬리컬 파일 관입시간의 분석은 폐색효과 분석과 동일하게 관입장치 회전속도와 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치 간격으로 구분하여 진행하였다. 관입장치의 회전속도가 헬리컬 파일 관입시간에 미치는 영향은 각 나선형 원판 설치간격별 헬리컬 파일에 대하여 회전속도를 다르게 하여 관입시간을 측정하였다.
- 헬리컬 파일의 폐색효과를 분석하기 위하여 헬리컬 파일 회전관입 후 관입장치를 분리하여 관내토 높이를 측정 하였다. 따라서 관입장치 회전속도별 분석과, 헬리컬 파일 Type별 분석으로 진행하였다.
- 극한하중은 헬리컬 파일의 Type, 콘 관입 장비의 유무, 관입 회전속도에 따라 분류하였다. 헬리컬파일의 Type(헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격별)에따른 극한하중 분석은 콘 관입장비를 사용하지 않은 실험조건을 비교하였다. 콘 관입장비 유무에 따른 극한하중 분석과 관입 회전속도변화의 극한하중분석은 Type(헬리컬 파일 나선형 원판 설치간격별)으로 나누어 진행하였다.
대상 데이터
- 또한 설치된 헬리컬 파일 내부에 콘 관입장치를 타입하여, 콘 관입장치의 유무에 따른 헬리컬 파일의 극한 하중을 분석하였다. 구체적으로, (1) 동일한 나선형 원판 3개를 다른 간격(50mm와 150mm)으로 1/6 축소모형 헬리컬 파일을 제작하였다. (2) 헬리컬 파일을 회전관입 시회전속도를 분당 15회와 30회로 설정하였다.
- 회전 속도는 총 10단계이며, 회전 속도가 제일 빠른 10단계의 회전수는 1분당 30회이다. 본 실험에서 5단계와 10단계의 회전속도를 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 시료는 파쇄모래(규사 특7호)로 KS 기준에 의하여 물성시험을 진행했다. 파쇄모래는 체분석 시험(KS F2302, 2002)을 통해 입도가 안 좋은 모래(SP)로분류되었으며, 비중(KS F2308, 2016)은 2.
- 축소모형시험의 경우, 상대밀 도가 낮은 지반에 개단강관말뚝을 설치할 경우, 낮은 구속압으로 인해 말뚝의 지지력이 크지 않아 높은 상대밀도 (90%)로 지반을 조성하였다. 실험에 사용한 모형 토조의 직경은 1,000mm, 높이는 1,200mm, 두께는 10mm이다. 모형시험에서 말뚝과 모형 토조의 형상비가 신중히 결정 되어야 하며, 토조의 강성이나 boundary가 말뚝의 거동에 영향을 미치지 않아야 한다.
- 이번 연구의 실험조건은 헬리컬 파일의 설치된 나선형 원판의 위치(Types 1 and 2), 헬리컬 파일 강관축 내부 콘항타 장비 유무, 회전관입속도로 구성된다. Table 2는 각 실험 조건을 정리하였다.
- 헬리컬 파일 관입 후 관내에 항타하여 관입되는콘 항타 장비는 지름 10mm, 길이 900mm, 콘의 원뿔 선단 각은 60°로 제작하였다.
이론/모형
- Na et al.(2015)는 헬리컬 파일의 설계 하중에 대하여 안전성을 확보하면서 가장 경제적인 최적 설계를 위하여 하모니서치 알고리즘(harmony search algorithm)을 적용하였다.
- Table 5 은 Fig. 11의 Davisson’s 분석법과 10% 침하량 분석법을 사용하여 산출된 극한하중을 수치화하였다.
- 극한하중 분석은 Davisson’s method분석법과 동일한 형식으로 진행하였다.
- 극한하중은 Davisson’s의 곡선해석법과 10% 침하하중 분석법을 사용 하였다.
- 헬리컬 파일의 지지력 산정은 일반적으로 나선형 원판의 개별 수동 저항지지력 산정 방법 “Individual bearing method” (Terzaghi, 1943)과 나선형 원판에 갇힌 흙들이 주변 흙들과 원통형으로 마찰을 일으키며 발현되는 저항을 산정하는 방법 “Cylindrical shear method” (Mooney et al., 1985)이 사용된다(Fig. 1).
성능/효과
- 데이터분석 결과, PLR값은 나선형 원판(heilx plate) 설치간격이 50mm인경우가 나선형 원판 설치간격이 150mm인 경우에서 크고, 30rpm이 15rpm 보다 작게 나타났다. 관입시간은 나선형 원판 간격 50mm에서 나선형 원판 간격 150mm보다 빠른시간에 관입이 완료되었으며, 30rpm에서 15rpm보다 관입 시간이 단축되었다. 극한하중은 나선형 원판 간격 150mm, 30rpm 조건에서 콘 장비를 사용할 경우 가장 높은 극한하 중으로 보였으며, 나선형 원판 간격 150mm에서 나선형 원판 간격 50mm보다 높은 극한 하중을 보였다.
- 최대와 최소 건조단 위중량 시험은 5번의 시험을 진행되었고, 최대값과 최소값을 제외한 3가지 값의 평균으로 최대 건조단위중량과 최소 건조단위중량을 구한다. 그 결과, 최대와 최소 건조 단위중량은 각각 14.80kN/m 3 와 11.92kN/m 3 이다. 직접전단 시험(KS F2343, 2007)은 세가지 수직응력(50kN/m 2 , 100kN/m 2 , 150kN/m 2 )에 대하여 수행하였으며 최대 마찰 각은 32.
- 관입시간은 나선형 원판 간격 50mm에서 나선형 원판 간격 150mm보다 빠른시간에 관입이 완료되었으며, 30rpm에서 15rpm보다 관입 시간이 단축되었다. 극한하중은 나선형 원판 간격 150mm, 30rpm 조건에서 콘 장비를 사용할 경우 가장 높은 극한하 중으로 보였으며, 나선형 원판 간격 150mm에서 나선형 원판 간격 50mm보다 높은 극한 하중을 보였다. 이는 헬리컬 파일에서 나선형 원판이 개별적으로 지지력이 작용하는 ”Individual bearing“이 나선형 원판이 전체적으로 작용 하는 ”Cylindrical shear“보다 크게 작용함을 파악 할 수있다.
- 극한하중 분석은 Davisson’s method분석법과 동일한 형식으로 진행하였다. 나선형 원판 설치간격별 극한하중 분석결과 Type 2(나선형 원판 간격 150mm)에서 Type 1(나선형 원판 간격 50mm)보다 283.3 N 더 큰 극한하중이 산출되었으며, 콘 관입장비 유무에 따른 극한하중 분석 결과 콘 장비 사용함에 따라 Type 1, Type 2 각각 534.2N, 584.1N으로 극한하중이 증가하였다. 회전속도변화의 극한하중 분석은 15rpm에서 30rpm으로 증가함에 따라 Type 1, Type 2 각각 588.
- 나선형 원판 설치간격별 극한하중 분석결과 Type 2(나선형 원판 간격 150mm)에서 Type 1(나선형 원판 간격 50mm)보다 292.7 N 더 큰 극한하중이 산출되었으며, 콘관입장비 유무에 따른 극한하중 분석결과 콘 장비 사용함에 따라 Type 1, Type 2 각각 653.0N, 740.5N 극한하중이증가하였다. 회전속도변화의 극한하중 분석은 15rpm에서 30rpm으로 증가함에 따라 Type 1, Type 2 각각 737.
- 본 연구는 마찰 말뚝(friction pile)인 헬리컬 파일(helical pile)에 관한 국내 연구의 부족과 헬리컬 파일에 대한 기초연구에 대한 수요로 인해 진행하였다. 데이터분석 결과, PLR값은 나선형 원판(heilx plate) 설치간격이 50mm인경우가 나선형 원판 설치간격이 150mm인 경우에서 크고, 30rpm이 15rpm 보다 작게 나타났다. 관입시간은 나선형 원판 간격 50mm에서 나선형 원판 간격 150mm보다 빠른시간에 관입이 완료되었으며, 30rpm에서 15rpm보다 관입 시간이 단축되었다.
- (2014)는 헬리컬 파일에 대하여 양방향 재하시험과 정재하시험을 수행하여, 그 결과를 비교 분석하였다. 분석 결과, 양방향 재하시험에서 확인한 지지력이 정재하시험에서 확인된 지지력과 유사하며 큰 차이를 나타내지는 않았다. Na et al.
- 하지만 이번 연구의 주된 내용은 실험 조건에 따른 헬리컬 파일의 관입되는 시간과 극한하중 분석에 있다. 이에 따라 실험 조건에 따른 관입 시간은 헬리컬 파일의 효율 적인 시공성에 대한 방향성을 제시하였고, 극한하중 분석을 통해 헬리컬 파일의 극한하중증가에 필요한 조건을 보여주었다. 축소모형 실험 데이터를 바탕으로 실제 헬리컬 파일의 관입 시간과 극한하중을 분석 하기 위해서는 실제 크기의 헬리컬 파일 데이터와 축소모형 결과를 비교해서 축척 효과(scale effect)를 파악해야 할 것이며, 이에 따른 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 전체적으로 Type 2보다 Type 1인 경우와 회전속도 증가에 의해 관입시간이 단축되었으며, 그 영향은 회전속도 증가가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.
- 10(d)). 헬리컬 파일의 폐색효과는 관입 회전속도 증가에 의해 PLR이 감소하였 으며, 나선형 원판(heilx plate)의 간격에 따라 PLR값에 영향이 있다는 것을 확인하였다.
- 1N으로 극한하중이 증가하였다. 회전속도변화의 극한하중 분석은 15rpm에서 30rpm으로 증가함에 따라 Type 1, Type 2 각각 588.6N, 1,564.1N으로 상대적으로 큰 극한하중이 발현되었다.
- 5N 극한하중이증가하였다. 회전속도변화의 극한하중 분석은 15rpm에서 30rpm으로 증가함에 따라 Type 1, Type 2 각각 737.8N,1,954.3N 큰 극한하중을 발현하였다.
후속연구
- 이에 따라 실험 조건에 따른 관입 시간은 헬리컬 파일의 효율 적인 시공성에 대한 방향성을 제시하였고, 극한하중 분석을 통해 헬리컬 파일의 극한하중증가에 필요한 조건을 보여주었다. 축소모형 실험 데이터를 바탕으로 실제 헬리컬 파일의 관입 시간과 극한하중을 분석 하기 위해서는 실제 크기의 헬리컬 파일 데이터와 축소모형 결과를 비교해서 축척 효과(scale effect)를 파악해야 할 것이며, 이에 따른 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 또한 콘 장비 유무에 따른 실험을 진행하여 콘 장비의 관입으로 마찰말뚝인 헬리컬 파일에 선단지지력이 발현되는 효과를 분석하였다. 콘 장비 현장 적용 시 지반조사에 사용되는 표준관입 시험(standard penetration test)으로 일정하게 관입할 계획이다.
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