[논문]PHC-W 흙막이용 PHC-W말뚝의 성능개선에 관한 연구

김채민; 김성수; 전병한; 최용규

doi:10.7843/kgs.2017.33.2.27

PHC-W 흙막이용 PHC-W말뚝의 성능개선에 관한 연구
A Study on Performance Improvement of a PHC-W Pile for PHC-W Retaining Wall 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.33 no.2, 2017년, pp.27 - 34

김채민 (경성대학교) , 김성수 (무성토건(주)) , 전병한 (경성대학교) , 최용규 (경성대학교 공과대학 건설환경도시공학부)

초록
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국내 건설 현장에서는 다양한 흙막이 공법이 적용되고 있으며 깊은 지하굴착에는 연속주열식공법(C.I.P)이 많이 적용되고 있다. 그러나 여러 단점들이 있어 이를 보완하기 위하여 PHC 말뚝을 이용한 흙막이 공법이 개발되었다. PHC 말뚝을 이용한 흙막이 공법은 품질이 균질하고 강성이 우수하여 안정성의 확보에 유리한 장점이 있다. PHC-W 말뚝은 PHC 말뚝의 단면을 변경한 제품으로, 수평 토압에 저항하기 위한 최적 설계를 통해 제작되었다. 그리고 KS F 4306 시험을 통하여 휨 모멘트 및 전단강도의 증가효과를 검증하였으며 휨 모멘트와 전단강도는 KS 기준보다 약 42%, 98% 증가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Various earth retaining wall methods were used on the domestic construction sites and a cast in place pile (C.I.P) method was mostly applied at deep excavation. Because of a lot of shortcomings in the C.I.P method, a new method using PHC-W earth retaining wall was developed. The earth retaining wall method using PHC-W piles has a lot of advantages including that it is safer than other earth retaining wall methods due to uniform quality and high rigidity. PHC-W was designed to effectively resist lateral earth pressure by alternating cross section of PHC pile. And increment of bending moment and shear strength were verified through KS F 4306 tests, and were increased by 42% and 98% more than KS standards.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

PHC-W(Pretensioned spun High strength Concrete-Wall) 흙막이 공법은 PHC 말뚝을 이용한 흙막이 공법의 장점을 최대한 이용할 수 있어 강성은 높고, 별도의 차수공법을 적용하지 않아 경제적이고, 단면의 개선을 통하여 겹침시공이 가능하여 연직도를 유지하기에 유리하다. 이 연구에서는 PHC-W 흙막이 공법에 필요한 PHC-W 흙막이용 말뚝의 성능 향상에 관한 연구를 수행하였다.
기존 PHC 말뚝을 이용한 흙막이 벽체의 시공보다 개선된 PHC-W 흙막이공법을 개발하였다. 이 연구에서는 이 공법에 사용되는 PHC-W 말뚝에 대한 성능 개선을 확인 할 수 있는 시험을 수행하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

가설 설정

KS 기준에 제시된 A종은 9개의 강선을 사용하므로 이 연구에서 선정한 PHC-W 말뚝의 10개 강선을 사용하는 경우와 동일한 시험이라고 볼 수 없다. 그러나 수치해석 사례 2와 7의 결과에서 동일한 수준의 휨 강도 값을 나타내었으므로 10개의 강선을 사용하더라도 휨강도가 변하지 않는 것으로 가정하였다.

제안 방법

(2) PHC-W 말뚝의 휨 강도시험과 전단강도시험 결과를 기존 KS에서 제시하는 PHC 500 A종 말뚝의 최소기준값과 비교하였다. 균열 휨모멘트 시험값은 146.
PHC-W 말뚝의 수치해석을 위하여 Fig. 4(a)와 같이 모델링을 실시하였고 KS F 4306의 휨 강도 측정 방법의 절차를 모사할 수 있도록 해석하였다. 이때 Fig.
PHC-W 말뚝의 PC강봉 재배치를 위하여 MIDAS사의 구조해석프로그램인 MIDAS FEA를 이용하여 수치해석을 실시하였다. PHC-W 말뚝에는 수평방향으로 힘이 작용하는 특성을 이용하여 굴착측과 지반측에 강선을 추가적으로 배치하고 수평력이 작게 작용되는 부분에는 강선의 수를 줄여서 해석을 실시하였다. 콘크리트 및 강선의 물성치는 Table 1의 값을 이용하였으며, 강선의 수와 간격은 Fig.
2)(Ryu, 2015). PHC-W 말뚝은 시공과 공간의 측면에서 효율성을 제고하기 위하여 PHC 말뚝의 단면을 평면화하였다.
PHC-W 말뚝의 PC강봉 재배치를 위하여 MIDAS사의 구조해석프로그램인 MIDAS FEA를 이용하여 수치해석을 실시하였다. PHC-W 말뚝에는 수평방향으로 힘이 작용하는 특성을 이용하여 굴착측과 지반측에 강선을 추가적으로 배치하고 수평력이 작게 작용되는 부분에는 강선의 수를 줄여서 해석을 실시하였다.
PHC-W 흙막이 벽체에서는 굴착측과 지반측 모두에서 하중이 작용하기 때문에 강선의 수를 짝수로 하고 굴착측과 지반측에 같은 수의 강선을 배치하는 것으로 결정하였다. 그리고 공장에서의 생산성을 고려하여 73mm로 강선의 간격을 결정하였다.
PHC-W 말뚝을 이용한 흙막이 벽체는 현재 개발 단계의 제품으로 시공실적이 없어 현장 계측을 을 통하여 얻어진 전단력과 휨 모멘트 값과의 직접 비교는 실시하지 못하였다. 그래서 현 개발단계에서 현장의 지반조건을 가정하여 수행한 PHC-W 흙막이 벽체에 대한 수치해석 결과를 이용하여 PHC-W 말뚝의 전단력과 휨 모멘트의 실험값을 비교하는 것으로 하였다.
PHC-W 흙막이 벽체에서는 굴착측과 지반측 모두에서 하중이 작용하기 때문에 강선의 수를 짝수로 하고 굴착측과 지반측에 같은 수의 강선을 배치하는 것으로 결정하였다. 그리고 공장에서의 생산성을 고려하여 73mm로 강선의 간격을 결정하였다. 시험을 위하여 생산된 PHC-W 말뚝을 Fig.
기존 PHC 말뚝을 이용한 흙막이 벽체의 시공보다 개선된 PHC-W 흙막이공법을 개발하였다. 이 연구에서는 이 공법에 사용되는 PHC-W 말뚝에 대한 성능 개선을 확인 할 수 있는 시험을 수행하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 수치해석 결과를 통하여 PHC-W 말뚝의 강선 배치를 최적화 하였으며 강선의 간격이 좁고 굴착측에 강선이 많이 배치될수록 휨 강도가 크다는 결과를 얻었다. 수치해석 결과와 생산성을 고려하여 지반 측과 굴착측에 각각 4개 씩의 강선을 배치하고 볼록부와 오목부에 1개씩을 배치하였다.
수치해석에서는 여러 사례 Table 2에 대하여 해석하였다. 즉 PC 강선의 개수, 지반 측 강선의 배치 개수, 굴착 측 강선의 배치 개수, 좌･우측 강선의 배치 개수, 강선의 배치 간격을 달리하여 7개의 해석 사례를 설정 하였다.

대상 데이터

0m로 적용하였고 배면하중으로는 도로하중(13kPa)을 적용하였으며, 보일링과 히빙에 대한 근입깊이는 고려하지 않았다. N치가 30이상의 비교적 양호한 지반을 대상으로 분석하였으며 분석에서 사용된 PHC-W 말뚝의 물성치 및 지반특성치는 Table 5, 6에 나타내었다.
6에 나타내었다. 시험을 위하여 생산된 PHC-W 말뚝은 콘크리트구조설계기준(2012)에서 제시하는 프리캐스트콘크리트의 흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트 D35 이하의 철근, 지름 40mm 이하인 긴장재 및 지름 16mm 이하의 철선의 최소 피복 두께 20mm로 제시되어 있으며(Korea Concrete Institute, 2012) 현재의 시험 말뚝은 이를 만족하지 못하는 것으로 검토되었다. 하지만 시공을 위한 생산되는 제품은 Fig.

이론/모형

PHC-W 말뚝의 벽체로서의 성능을 향상시키기 위하여 수치해석 결과를 이용하여 강선 배치를 최적화하였으며 그 결과에 따라, PHC-W 말뚝의 강선을 재배치하여 KS F 4306(Korea Standards Association, 2014)에 따라 휨강도 및 전단강도 시험을 실시하였다(Choi, 2015).
PHC-W 말뚝의 휨 강도 및 전단강도 시험은 KS F 4306 ‘프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝’의 시험법을 참고하여 실시되었으며 그 표준내용을 요약하여 Fig. 7 및 8에 나타내었다.
PHC-W 흙막이벽체의 수치해석에서는 MIDAS GEOX를 사용하였으며 탄소성보법으로 해석 하였다. 지하수위는 GL(-)3.
팽창성 고무 지수재의 사용으로 별도의 차수공법이 필요하지 않으므로 경제적이다. 팽창성 고무지수재의 품질 시험은 KS M 6793을 기준으로 시험하며, KS M ISO 188의 노화 촉진 시험을 통하여 인장 강도 변화율, 신장률 변화율 경도 변화에 대하여 시험하고 KS 기준을 통과한 제품을 사용하여 지하수유출을 방지하도록 하였다.

성능/효과

(1) 수치해석 결과를 통하여 PHC-W 말뚝의 강선 배치를 최적화 하였으며 강선의 간격이 좁고 굴착측에 강선이 많이 배치될수록 휨 강도가 크다는 결과를 얻었다. 수치해석 결과와 생산성을 고려하여 지반 측과 굴착측에 각각 4개 씩의 강선을 배치하고 볼록부와 오목부에 1개씩을 배치하였다.
(3) PHC-W 말뚝의 연결 이음부는 볼트이음과 용접이 음에 대하여 시험하였으며 볼트이음보다 용접이음에서 휨 강도가 크게 나타났으며 용접이음이 약 9.8% 큰 것으로 나타났다.
PHC-W 말뚝의 시험결과가 수치해석에서 나타낸 최대 전단력, 최대 휨 모멘트값을 상회하는 것으로 나타났으므로 안정성은 확보되는 것을 알 수 있었다. 최대 수평 변위는 국내･외 여러 학자들의 연구를 통하여(0.
10과 같이 진행하였으며 여기서 공인시험기관의 시험 장치의 기능이 미흡하여 하중 – 변위 관계 그래프를 측정할 수 없었으며 전담 시의 하중만을 확인할 수 있었다. PHC-W 말뚝의 전단강도가 KS 452.9kN으로 나타났으며 기준값 228.0kN 보다 약 98% 증가되었다. 각 시험 결과를 Table 4에 정리하였다.
그리고 사례 2～6은 PC 강선의 수와 분배양상은 동일하고 배치 간격을 35∼130mm로 조정할 경우인데 강선 간의 간격이 좁을수록 높은 휨 강성이 나타났다. 강선의 수가 각각 9개와 10개인 사례 2와 사례 7에서는 휨 모멘트가 각각 235kN･m, 236kN･m로 나타났으므로 휨 강도는 증가하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 각 사례의 분석 결과를 Fig.
7kN･m이었다. 따라서 볼트이음보다 용접이음이 이음부 휨 강도가 크다는 것을 알 수 있었다.
볼트이음에서는 볼트와 PHC-W 말뚝체와의 결속부분이 파괴되는 것으로 나타났으며 용접이음에서는 용접부의 파괴가 아닌 PHC-W 말뚝체의 균열에 의하여 파괴되는 것으로 나타났다.
8kN･m로 나타났으며 KS에서 제시하는 최소기준값 보다 약 29% 증가되었다. 전단강도 시험값은 452.9kN로 나타났으며 KS에서 제시하고 있는 최소 기준값 보다 약 98% 증가되었다.
3kN･m로 나타났으며 KS에서 제시하는 최소기준값 보다 약 42%로 증가되었다. 파괴 휨 모멘트 시험값은 199.8kN･m로 나타났으며 KS에서 제시하는 최소기준값 보다 약 29% 증가되었다. 전단강도 시험값은 452.
해석 결과 약 17.0m가 굴착 가능한 것으로 나타났으며 최대 수평 변위는 -1.79cm/m, 최대 전단력은 -278kN/m, 최대 휨 모멘트는 255kN.m/m로 나타났으며 Fig. 11에 수치해석 결과를 나타내었다. 2D의 수치해석에서는 1m의 설치간격으로 해석되었고 PHC-W말뚝은 0.

후속연구

(4) PHC-W 흙막이 벽체의 연구 및 실용화를 위하여 말뚝의 하중에 따른 변위를 측정하여 말뚝의 파괴시의 거동을 파악하고, 말뚝사이의 차수성능 평가시험, 시험시공 및 계측을 통한 PHC-W 흙막이 벽체의 거동분석에 대한 연구가 추가로 이루어져야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PHC-W 흙막이 공법의 장점은?	기존 PHC 흙막이 공법의 경우 지하수가 존재하는 지반에서는 별도의 차수공법을 사용하여야 하고 원형 형상으로 말뚝의 연직도 확보 및 겹침시공에서 불리하다. PHC-W(Pretensioned spun High strength Concrete-Wall) 흙막이 공법은 PHC 말뚝을 이용한 흙막이 공법의 장점을 최대한 이용할 수 있어 강성은 높고, 별도의 차수공법을 적용하지 않아 경제적이고, 단면의 개선을 통하여 겹침시공이 가능하여 연직도를 유지하기에 유리하다. 이 연구에서는 PHC-W 흙막이 공법에 필요한 PHC-W 흙막이용 말뚝의 성능 향상에 관한 연구를 수행하였다.
	C.I.P 공법은 무엇인가?	I.P 공법은 지반 굴착 후 조립철근 또는 강재를 반입하여 현장에서 콘크리트 말뚝을 타설하는 공법이다. C.
	C.I.P 공법의 단점은?	P 공법은 자갈 및 암반지반을 제외한 대부분의 지반에 적용이 가능하며 장비가 소형이므로 협소한 장소에서도 시공이 가능하고, 비교적 저진동･저소음 공법으로 많은 지하구조물 시공현장에서 사용하고 있다(Ohand Cho, 2004). 강재 매몰로 공사비가 고가이고, 현장 타설말뚝이므로 균질한 품질확보가 어렵다(Choi, 2014)는 단점을 보완하기 위하여 PHC 말뚝(Pretensioned spun High strength Concrete Pile)를 이용한 흙막이 공법이 개발되었다. PHC 말뚝을 이용한 흙막이 벽체는 벽체 강성이 우수하여 안정성 확보에 유리하고 기성제품 사용으로 균질한 품질 확보가 가능하며 H형강을 사용하지 않아 경제적이다.

참고문헌 (8)

Choi, J. P. (2014), Study on the economic analysis of retaining PHC-W method, Pusan National Univ. Master's Thesis, pp.6-25.
Choi, Y. K. (2015), Industrialization and quality upgradibility of PHC-W earth retainig wall method, pp.20-22.
Han, J. H. (2006), Case study on application of PHC pile to earth retaining and retention wall, Journal of the Korea Geosynthetics Society, Vol.5, No.3, pp.37-44.
Jin, H. M. (2011), Analysis of charateristics behavior of beaced excavation in the Deagu Region, Keimyung Univ. Master's Thesis, p.9.
Korea Concrete Institute (2012), KIC concrete design code, Korea Concrete Institute, p.87.
Korea Standards Association (2014), Pretensioned spun high strength concrete piles.
Oh, J. H, Cho, C. W. (2004), Retaining engineering, Goomi bookstore, pp.32-33.
Ryu, S. H. (2015), Permanent basement wall convergence method using a PHC pile, Journal of the Korea Convergence Socity, Vol.6, No.6, pp.163-169.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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