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문제 정의
- 본 절에서는 전술한 분석결과를 토대로 설계서에서 적용한 공칭저항 산정식 내의 각종 계수를 실측결과와 비교·평가해보고자 한다.
- 본고에서는 “시험시공말뚝”에 대하여 하중전이 시험이 포함된 양방향말뚝재하시험(연직압축재하시험)을 수행하여 현장타설말뚝의 공칭저항(극한지지력)을 측정·분석하므로써 말뚝기초 설계 및 시공의 적정성을 평가하고, 본시공 말뚝의 안전성을 제고시키기 위하여 다음과 같은 목적과 절차로 시험 및 분석을 수행한 사례이다.
- 본고에서는 최근 본격적으로 적용되기 시작된 도로교설계기준(한계상태설계법)에 의해 설계된 고속도로 건설공사 현장의 대구경현장타설말뚝에 대한 시험시공말뚝에 대하여 대용량 양방향재하시험을 실시·분석하여, 설계기준에 제시되어 있는 말뚝기초 지지력 산정방법의 적정성을 평가하였다.
제안 방법
- 가압잭에 설치된 유압호스에 유압펌프를 통하여 가력하며, 가력된 하중은 압력계(pressure transducer)를 이용하여 측정하고, 기준보를 설치한 후 각종 변위측정을 위해 telltale rod를 보호 pipe에 삽입하고 LVDT를 설치하여 재하하중에 따른 변위(상향변위 및 하향침하량)를 측정/기록하였다. 변형률계는 지상으로 노출된 gage cable을 데이터 로거에 연결하여 재하과정에서 측정·저장하였다.
- 변형률계는 지상으로 노출된 gage cable을 데이터 로거에 연결하여 재하과정에서 측정·저장하였다.
- 본 시험에서는 풍화토, 풍화암 및 연암층의 주면마찰력을 분리하여 측정코자 변형률계(strain gage)를 매설하여 하중전이시험을 병행하였다.
- 3 극한한계상태 지지력」산정방법에 따라 설계되었다. 설계하중을 결정하기 위한 저항계수는 동 기준「7.5.5 저항계수」항에 제시된 「표 7.5.3 축하중을 받은 현장타설말뚝의 극한한계상태에 대한 저항계수」를 준용하여 당 교량의 현장타설말뚝이 시공되는 지반의 사질토 및 암반에 대한 주면마찰력과 선단지지력에 상응하는 저항계수를 적용하여 설계되었다.
- 시험결과 분석 표 7에는 이상에서 살펴본 시험결과 분석내용을 정리하여 단위주면저항, 단위선단저항 및 설계값 등을 상호 비교하여 도표화하였다.
- 시험기구가 설치된 시험말뚝이 시공된 후 2주간의 양생기간이 경과한 조건에서 타설된 콘크리트의 강도시험을 수행하여 설계강도 확보여부를 확인한 후 재하시험을 수행하였다. 시험기구 중 가력장치인 가압잭은 공장제작 과정 및 성능확인과정(실가압 수행)에서 감독원의 입회와 사용승인절차를 거쳤으며 유압호스에 대해서도 제작공정과정의 가압시험이 수행되었다. 또한, 대용량 재하시험임을 감안하여 시험 전 및 시험 중 전 과정에 대한 단계별 확인사항을 체크리스트로 작성하여 철저하게 확인하였다(대우건설, 현장타설말뚝 양방향재하시험보고서, 2016.
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시험준비
시험기구가 설치된 시험말뚝이 시공된 후 2주간의 양생기간이 경과한 조건에서 타설된 콘크리트의 강도시험을 수행하여 설계강도 확보여부를 확인한 후 재하시험을 수행하였다. 시험기구 중 가력장치인 가압잭은 공장제작 과정 및 성능확인과정(실가압 수행)에서 감독원의 입회와 사용승인절차를 거쳤으며 유압호스에 대해서도 제작공정과정의 가압시험이 수행되었다.
- 시험시공말뚝의 위치는 ‘배방대교 P36∼P45 확인시추 및 실험결과’를 토대로 설계기준에 의하여 재산정한 지층별 말뚝길이 및 암반상태 평가(일축압축강도, RQD, 절리상태 등에 의한 RMR 평가) 결과에 대하여 P36∼P45 구간 중 교각 원위치의 암반상태, 공칭저항의 크기(특히 선단저항) 등을 종합적으로 검토하여 대표성을 갖는다고 판단되는 P42 인접 지점으로 결정하였으며 시험위치 및 말뚝제원은 표 5와 같다.
- 이상에서 분석한 결과와 수차례에 걸친 전문가 회의 및 기술자문을 통하여 설계된 현장타설말뚝의 확인시추결과를 적용한 지지력 재산정 절차를 그림 12와 같이 제안하였고, 이를 반영하여 말뚝기초 설계가 합리적으로 조정되었다.
- 주면마찰력과 선단지지력의 합으로 산정된 공칭지지력(=48.0 MN=선단 14.36 MN + 주면 33.64 MN)의 적정성을 확인하기 위해 후술하는 바와 같이 양방향재하시험 및 하중전이시험을 수행하였다.
- 본고에서는 최근 본격적으로 적용되기 시작된 도로교설계기준(한계상태설계법)에 의해 설계된 고속도로 건설공사 현장의 대구경현장타설말뚝에 대한 시험시공말뚝에 대하여 대용량 양방향재하시험을 실시·분석하여, 설계기준에 제시되어 있는 말뚝기초 지지력 산정방법의 적정성을 평가하였다. 평가결과를 바탕으로 기존 설계내용의 적정성을 검토하여 주어진 지반조건에 대한 지지력을 조정한 후 재산정된 지지력을 적용한 본시공말뚝에 대하여 확인용 양방향재하시험을 추가로 수행하므로써 풍화암 및 연암층의 지지력 산정시 합리적인 입력변수를 선정하는 과정을 제안한 사례를 기술하였다. 사례결과를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
- 상기 방법에 의한 지지력을 산정하기 위해 당 교량의 설계에 적용한 저항계수를 표 1에 나타내었다. 본 건 사례의 대상이 되는 지반조건은 상부로부터 매립층(전답토, N값 3이하, 두께 2.5m), 충적층(점토 섞인 실트질 세립모래층, 실트 섞인 자갈질 중립~조립모래층, N값 6~15, 두께 5.2m), 풍화토층(실트질 세립~중립모래, N값 37~50/12, 두께 2.3m), 풍화암층(매우조밀, 암편 섞인 실트질 중립~조립모래로 분해, N값 50/6~50/2, 두께 25m) 및 연암층(편마암, 절리 발달, 약함~보통 강함, TCR 67~100%, RQD 0~60%)으로 구성되어 있으며 주면마찰력은 사질토인 풍화토, 풍화암층 및 연암층에 대해 산정되었으며 선단지지력은 연암층을 대상으로 산정되었다.
- 특히 풍화암층에 대한 주면마찰력 산정이 매우 보수적인 것으로 나타났으며, 연암층에 대한 주면마찰력 및 선단지지력 산정의 경우도 암반 유형별 제안식의 하한값 범주에 해당하는 안전측 산정결과를 나타내는 것으로 평가되었다. 이를 고려하여 본 사례에서는 시험결과를 역산하여 본 현장 지반의 실제에 더 근접하는 산정방법을 제안하였고 그 결과를 본말뚝 재하시험으로 재확인하여 안정성 확보와 함께 시공의 경제성을 확보한 사례였다.
- 이 기준에서는 변화된 설계법의 숙지에 소요되는 시간을 감안하여 3년간의 유예 기간을 두었으며 2015년 1월부터 도로교 설계에 적용토록 하고 있다. 이에 따라 본 사례의 대상이 되는 아산~천안 고속도로(제3공구) 배방대교 건설공사의 하부구조는 LRFD 방법으로 설계되었다. 당 교량의 기초는 사장교구간에 대하여 현장타설말뚝(Φ3000)을 적용한 확대기초로 설계되어 있으며 나머지 구간에 대해서는 단일현장타설말뚝(Φ2500)으로 설계되어 있다.
이론/모형
- 도로교 설계기준(한계상태설계법)(2012) 「제7장 하부구조 7.1 개요」에 근거하여 당 교량의 하부구조형식인 현장타설말뚝 기초에 대해서는 동 기준 「7.8.3 극한한계상태 지지력」산정방법에 따라 설계되었다. 설계하중을 결정하기 위한 저항계수는 동 기준「7.
- 암반의 선단지지력 산정방법의 경우 전술한 지반조건 설명부분에서 보듯이 기반암의 절리가 발달된 상태이므로 ‘파쇄암반정수’를 적용하는 산정식이 적용되었다.
- 변형률계는 지상으로 노출된 gage cable을 데이터 로거에 연결하여 재하과정에서 측정·저장하였다. 하중재하단계는 ASTM D 1143-07의 Quick loading procedure기준에 근거하였고(2주기 병행) 공칭저항(48MN)의 5%씩 재하하였고 하중유지시간은 최대15분으로 시험하였다. 그림 5에는 재하시험 기구 설치과정을 그림 6에는 시험 진행과정 및 말뚝두부에 부착된 각종 계측현황을 도시하였다.
성능/효과
- 1) 저항계수를 적용하는 현행 설계기준에서 제시한 지지력 산정방법은 지반지지력을 과소평가하는 경향이 있는 것으로 나타났다. 특히 풍화암층에 대한 주면마찰력 산정이 매우 보수적인 것으로 나타났으며, 연암층에 대한 주면마찰력 및 선단지지력 산정의 경우도 암반 유형별 제안식의 하한값 범주에 해당하는 안전측 산정결과를 나타내는 것으로 평가되었다.
- 시험결과를 반영하여 이들을 검토한 결과 일축압축강도의 경우 연암층의 전체평균 대신 연암 소켓부의 평균 일축압축강도를 적용하는 것이 보다 실제에 근접하는 산정방법인 것으로 나타났으며, αE값 결정을 위해 RQD별 Em /Ei 를 구할 때에는 설계에서 적용한 표 2의 RQD＜60 조건이 Em /Ei 를 과소평가하고 이에 따라 감소계수를 과대 산정하는 경향으로 나타났다. 그러나 그 차이는 과도하지 않으므로 표 2의 RQD 60 기준 적용이 타 방법보다는 시험값과 근사하므로 이를 적용하는 것이 합리적인 것으로 평가된다.
- 그림 13의 시험결과 요약내용을 살펴보면, 시험시공말뚝에 대한 시험성과를 반영하여 지지력을 재산정하여 설계심도를 조정한 확인용 본시공 말뚝의 시험결과에서 설계축하중을 충족할 뿐 아니라 침하거동도 매우 양호한 것으로 평가되어, 대상교량의 확인시추조사 결과 일부 약층대가 존재하는 구간을 제외하고는 암종이 유사한 점을 고려할 때 보수적인 측면은 있으나 지지력 재산정의 적정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 시험위치의 지반조건과 같이 매우 견고하고 조밀한 풍화암층(N값 50/2~50/6)에 대해서는 상한값인 qs=0.19 MPa를 적용하고 이외의 사질토나 풍화암인 경우에는 설계기준에서 제시하고 있는 β값을 활용하여 산정하는 것이 보다 합리적인 것으로 평가되었다.
- 따라서 암종별 ‘RMR~m, s 정수’ 관계식을 시험결과로부터 설정(보간법)한 후 RMR을 적용하여 지지력을 산정하는 것이 보다 실제에 근사하는 것으로 판단된다.
- 양방향재하시험에서는 가압잭의 설치위치 결정이 매우 중요하며, 이론적인 설치위치는 가능한 선단지지력과 주면지지력의 균형이 이루어지는 위치로 선정하여야 한다. 본 시험말뚝(P42)에 대한 지지력 산정결과(확인시추결과를 토대로 재산정한 지지력)에 대해 검토한 결과 그림 4와 같이 말뚝선단으로부터 약 1.2m상부에 가압잭을 설치할 경우 가압잭 상하부의 저항력이 균형을 이루어 각각의 공칭저항을 확인할 수 있는 것으로 검토되었다.
- 설계·시험 결과비교 그림에서 알 수 있는 바와 같이 선단저항 및 주면저항이 지층별로 설계값(공칭저항) 대비 1.3배~2.5배 크게 분석된 것으로 나타났다.
- 설계시의 풍화암층 단위저항값은 0.073MPa (표 4)이었으나 시험결과에서는 0.187MPa로 분석되어 설계 기준에서 제시하는 최대값(0.19MPa)에 근접하게 나타났다. 따라서 시험위치의 지반조건과 같이 매우 견고하고 조밀한 풍화암층(N값 50/2~50/6)에 대해서는 상한값인 qs=0.
- 시험값의 역해석 결과 표 7 및 그림 10에서 볼 수 있는 바와 같이 시험결과로부터 분석된 지지력(단위지지력 포함)이 공히 설계값보다 큰 것으로 확인되었다. 이들 결과를 이용하여 설계에 적용했던 산정식을 기준으로 각각의 지지력산정에 대한 입력변수를 시험결과를 활용하여 역해석해본 결과 다음과 같은 현상을 확인할 수 있었다.
- 시험결과를 반영하여 이들을 검토한 결과 일축압축강도의 경우 연암층의 전체평균 대신 연암 소켓부의 평균 일축압축강도를 적용하는 것이 보다 실제에 근접하는 산정방법인 것으로 나타났으며, αE값 결정을 위해 RQD별 Em /Ei 를 구할 때에는 설계에서 적용한 표 2의 RQD＜60 조건이 Em /Ei 를 과소평가하고 이에 따라 감소계수를 과대 산정하는 경향으로 나타났다.
- 시험결과를 설계값과 비교해볼 때 산정식내의 인자 중 암질에 따른 재료상수가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉 RMR에 따른 재료상수 적용구간이 설계기준에 제시되어 있는 구간보다 세분되어야 실제 지지력에 근접하는 예측결과를 도출할 수 있는 것으로 파악되었다.
- 양방향시험 및 하중전이시험으로부터 확보되는 주요 결과는 하중-변위거동, 지층별 주면마찰력 분석을 통한 단위면적당 주면저항 및 총 주면마찰력, 선단지지력 및 단위 면적당 선단저항 등이며, 분석된 단위면적당 저항의 항복 또는 극한상태 여부는 t-z / q-z curve 등으로부터 평가하게 되는데, 그림 8에서 볼 수 있듯이 연암층 및 풍화암층 하단의 주면저항은 아직 극한상태에 도달하지 않은 것으로 평가되었으며, 선단 저항의 경우도 시험종료시점의 최대 하중까지 여전히 증가하는 추세를 보여주고 있다.
- 이들 결과 중 사장교구간에 설계·시공된 φ3000 현장타설말뚝에 대한 확인용 양방향재하시험이 수행되었고 그 결과 그림 13에서 보는 바와 같이 설계축하중을 충분히 만족하는 결과를 확보할 수 있었다.
- 전술한 시험성과 및 분석결과를 바탕으로 당 교량기초의 말뚝지지력이 재산정되었으며 이에 따라 연암층시공심도가 조정되었다. 이들 결과 중 사장교구간에 설계·시공된 φ3000 현장타설말뚝에 대한 확인용 양방향재하시험이 수행되었고 그 결과 그림 13에서 보는 바와 같이 설계축하중을 충분히 만족하는 결과를 확보할 수 있었다.
- 시험결과를 설계값과 비교해볼 때 산정식내의 인자 중 암질에 따른 재료상수가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉 RMR에 따른 재료상수 적용구간이 설계기준에 제시되어 있는 구간보다 세분되어야 실제 지지력에 근접하는 예측결과를 도출할 수 있는 것으로 파악되었다. 따라서 암종별 ‘RMR~m, s 정수’ 관계식을 시험결과로부터 설정(보간법)한 후 RMR을 적용하여 지지력을 산정하는 것이 보다 실제에 근사하는 것으로 판단된다.
- 최대시험하중을 고려하여 가압잭의 적정 용량이 결정되어야 하는데 본 건 시험을 위해서는 지지력 산정의 불확실성(안전측 산정 가능성 감안)과 최대한 실제 공칭저항을 측정하여야 함을 고려하여 총 공칭저항의 약 2배 (총 공칭저항 48.0 MN, 가압잭의 정격 재하능력 양방향 총 90 MN, 90/48=1.875, 가압잭의 재하용량 안전율 1.3 고려시 양방향 최대 117 MN가능)까지 확인할 수 있도록 충분한 용량으로 설치하였다.
- 1) 저항계수를 적용하는 현행 설계기준에서 제시한 지지력 산정방법은 지반지지력을 과소평가하는 경향이 있는 것으로 나타났다. 특히 풍화암층에 대한 주면마찰력 산정이 매우 보수적인 것으로 나타났으며, 연암층에 대한 주면마찰력 및 선단지지력 산정의 경우도 암반 유형별 제안식의 하한값 범주에 해당하는 안전측 산정결과를 나타내는 것으로 평가되었다. 이를 고려하여 본 사례에서는 시험결과를 역산하여 본 현장 지반의 실제에 더 근접하는 산정방법을 제안하였고 그 결과를 본말뚝 재하시험으로 재확인하여 안정성 확보와 함께 시공의 경제성을 확보한 사례였다.
- 이들 결과 중 사장교구간에 설계·시공된 φ3000 현장타설말뚝에 대한 확인용 양방향재하시험이 수행되었고 그 결과 그림 13에서 보는 바와 같이 설계축하중을 충분히 만족하는 결과를 확보할 수 있었다. 확인시험결과를 분석해보면 여전히 지반의 지지력을 과소평가하는 것으로 판단된다. 시험 말뚝에 대한 최대 재하하중은 일방향 재하하중 기준 상/하향으로 각각 6,110 ton(설계축하중 4,660 ton의 1.
후속연구
- 2) 특히, 설계기준상 주면마찰력은 사질토와 암반에 대하여 적용토록 되어 있고 토사~풍화암 구간 중 단단한 풍화암층의 주면마찰력을 사질토의 주면마찰력 산정식으로 적용함으로서 사례대상과 같이 풍화암층이 상대적으로 두꺼운 경우에는 과소평가 현상이 더욱 현저하게 나타난 것으로 판단되므로, 풍화암층에 대한 주면마찰력 산정방법에 대한 세부 개선방안이 연구되어야 할 것으로 판단된다.
- 3) 대구경 단일현장타설말뚝은 기초설계의 특성상 지지거동의 안정성 확보가 매우 중요하므로 본 건 사례에서와 같이 설계기준에서의 지지력이 과소평가되는 경향이 나타났으나, 보다 많은 실증자료를 지속적으로 축적하여 합리적 설계가 수행될 수 있도록 계획하고 실행하는 것이 더욱 요구된다고 판단된다. 본 사례와 같이 대규모 중요 구조물인 경우 반드시 확인시추를 통한 지반상태의 면밀한 평가 및 시험시공을 통한 말뚝기초의 설계내역을 검증하는 절차가 수반되어야 안정성과 경제성이 확보되는 합리적 현장 타설말뚝 설계 및 시공이 가능하고 설계기술 향상이 제고될 수 있을 것으로 판단되어 이를 제안한다.
- 4) 본고에서 소개한 사례는 대구경 현장타설말뚝에 대하여 제한된 지반조건과 시험회수를 토대로 평가한 사례이므로 저항계수를 적용하여 설계할 경우 하나의 참고자료로서 활용되는 것이 바람직할 것이며, 상이한 설계조건인 경우에는 그에 적합한 검토와 시험으로 평가한 후 적용하는 것이 요구된다.
- 당 교량의 기초는 사장교구간에 대하여 현장타설말뚝(Φ3000)을 적용한 확대기초로 설계되어 있으며 나머지 구간에 대해서는 단일현장타설말뚝(Φ2500)으로 설계되어 있다. 본 교량기초는 고속국도 중 LRFD설계가 전면 채택된 첫 사례이며 더욱이 단일현장타설말뚝으로 설계되어 있는 구간에 대한 설계 및 시공의 적정성을 검증하기 위한 시험시공과 말뚝재하시험이 요구되었다. 본고에서는 “시험시공말뚝”에 대하여 하중전이 시험이 포함된 양방향말뚝재하시험(연직압축재하시험)을 수행하여 현장타설말뚝의 공칭저항(극한지지력)을 측정·분석하므로써 말뚝기초 설계 및 시공의 적정성을 평가하고, 본시공 말뚝의 안전성을 제고시키기 위하여 다음과 같은 목적과 절차로 시험 및 분석을 수행한 사례이다.
- 3) 대구경 단일현장타설말뚝은 기초설계의 특성상 지지거동의 안정성 확보가 매우 중요하므로 본 건 사례에서와 같이 설계기준에서의 지지력이 과소평가되는 경향이 나타났으나, 보다 많은 실증자료를 지속적으로 축적하여 합리적 설계가 수행될 수 있도록 계획하고 실행하는 것이 더욱 요구된다고 판단된다. 본 사례와 같이 대규모 중요 구조물인 경우 반드시 확인시추를 통한 지반상태의 면밀한 평가 및 시험시공을 통한 말뚝기초의 설계내역을 검증하는 절차가 수반되어야 안정성과 경제성이 확보되는 합리적 현장 타설말뚝 설계 및 시공이 가능하고 설계기술 향상이 제고될 수 있을 것으로 판단되어 이를 제안한다.
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