현장정재하시험을 이용한 말뚝 거동특성 수치해석 예측기법의 신뢰성 검증 Reliability Verification of Numerical Prediction Method on Pile Behaviour Characteristics using Field Static Loading Test원문보기
수치해석기법을 이용한 말뚝의 거동특성 예측방법은 정재하시험비가 고가이기 때문에 공사 전 말뚝의 거동을 예측할 수 있다는 장점으로 설계단계에서 널리 이용되고 있지만 그 신뢰성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 실제 현장에서 말뚝의 거동과 수치해석으로 예측한 말뚝의 거동을 비교함으로써 수치해석 기법의 신뢰성을 검증하였다. 지반과 말뚝의 상호작용에 의한 말뚝의 거동을 정확하게 파악하기 위하여 정재하시험이 수행되는 지반에서 시추조사, 현장원위치시험 등을 통해 지반특성을 확인하였고, 실규모 정재하시험을 수행하여 말뚝의 거동특성을 분석하였다. 정재하시험이 수행된 방식과 동일하게 수치해석을 모사하여 재하시험과 동일한 하중단계에서 말뚝의 거동을 수치해석으로 모사하여 현장시험 결과와 비교함으로써 수치해석 기법의 신뢰성을 검증하였다.
수치해석기법을 이용한 말뚝의 거동특성 예측방법은 정재하시험비가 고가이기 때문에 공사 전 말뚝의 거동을 예측할 수 있다는 장점으로 설계단계에서 널리 이용되고 있지만 그 신뢰성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 실제 현장에서 말뚝의 거동과 수치해석으로 예측한 말뚝의 거동을 비교함으로써 수치해석 기법의 신뢰성을 검증하였다. 지반과 말뚝의 상호작용에 의한 말뚝의 거동을 정확하게 파악하기 위하여 정재하시험이 수행되는 지반에서 시추조사, 현장원위치시험 등을 통해 지반특성을 확인하였고, 실규모 정재하시험을 수행하여 말뚝의 거동특성을 분석하였다. 정재하시험이 수행된 방식과 동일하게 수치해석을 모사하여 재하시험과 동일한 하중단계에서 말뚝의 거동을 수치해석으로 모사하여 현장시험 결과와 비교함으로써 수치해석 기법의 신뢰성을 검증하였다.
Numerical analysis method for prediction of pile behaviour characteristics has widely been used in detail design process before construction because field static loading test requires high cost. However, the reliability verification of numerical analysis of result is not permitted compare with field...
Numerical analysis method for prediction of pile behaviour characteristics has widely been used in detail design process before construction because field static loading test requires high cost. However, the reliability verification of numerical analysis of result is not permitted compare with field test. In this study, to verify the numerical analysis results, pile behaviour prediction was compared with field static loading test results. For exact analysis of interaction between pile and ground, soil investigation and in-situ test such as boring, SPT and bore-hole shear test were performed before pile static loading test. During the static loading test, pile behaviour characteristics were analyzed under every loading condition. After static pile loading test, numerical analysis was carried out under same condition with static pile loading test. In the numerical analysis, to apply same loading condition with each loading condition in the field test and to compare with between the results of numerical analysis, the field test results for reliability were verified with the results of numerical analysis.
Numerical analysis method for prediction of pile behaviour characteristics has widely been used in detail design process before construction because field static loading test requires high cost. However, the reliability verification of numerical analysis of result is not permitted compare with field test. In this study, to verify the numerical analysis results, pile behaviour prediction was compared with field static loading test results. For exact analysis of interaction between pile and ground, soil investigation and in-situ test such as boring, SPT and bore-hole shear test were performed before pile static loading test. During the static loading test, pile behaviour characteristics were analyzed under every loading condition. After static pile loading test, numerical analysis was carried out under same condition with static pile loading test. In the numerical analysis, to apply same loading condition with each loading condition in the field test and to compare with between the results of numerical analysis, the field test results for reliability were verified with the results of numerical analysis.
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문제 정의
본 연구에서는 말뚝이 설치되는 지반의 공학적 성질을 파악하기 위하여 시추조사, 현장 공내재하시험 등과 같은 원위치시험과 실내시험 등을 수행하였고, 지반조사가 수행된 지반 인근에서 말뚝의 정재하시험을 수행하여 말뚝의 거동 특성을 분석하였다. 아울러 정재하시험이 수행된 조건과 동일한 방법으로 수치해석을 수행하여 말뚝의 재하시험을 모사함으로써 말뚝의 거동특성을 예측하였다.
본 연구에서는 수치해석 기법에 의한 말뚝의 거동특성 평가의 신뢰성을 확인하기 위하여 말뚝의 정재하시험 결과와 비교하고자 6개소의 정재하시험 말뚝에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 수치해석으로 확인된 최종 작용하중의 말뚝의 침하량은 Fig. 5에 나타내었다. 아울러 수치해석으로 확인된 최종 침하량과 정재하시험을 통해 확인된 침하량을 비교하여 Table 8에 나타내었다.
본 연구에서는 수치해석 기법으로 말뚝의 거동특성을 예측하는 기법의 신뢰성을 검증하고자 정재하시험의 결과와 비교, 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
수치해석은 재하시험의 결과를 확인하고 말뚝의 거동을 예측하는 방법이 신뢰성을 확보하고 있는지 검증하기 위하여 수행되었다. 수치해석은 현장정재하시험이 수행된 말뚝에 대하여 현장정재하시험이 수행된 조건과 동일하게 모사하고 하중이 작용하는 동안의 말뚝의 거동특성을 수치해석으로 평가함으로써 현장재하시험과 수치해석으로 확인되는 하중-침하관계를 비교하는 방식으로 신뢰성을 검증하였다.
이에 본 논문에서는 현장에서 수행하는 정재하시험의 결과를 이용하여 수치해석 기법에 의한 말뚝의 거동특성 예측 결과와 비교, 분석함으로써 수치해석에 의한 말뚝의 거동특성 평가결과의 신뢰성을 검증하였다.
제안 방법
수치해석에서는 측면 및 하부로의 경계설정이 주변 지반의 응력이나 변형 상태에 영향을 미치지 않기 위해서 말뚝을 기준으로 측면 및 하부로 100m 떨어진 거리까지 모델링하였다. 또한 말뚝에 작용하는 하중은 실제 재하시험 당시에 작용된 하중단계와 동일하게 하여 실제 말뚝의 거동과 최대하게 동일한 거동이 이루어지도록 모사하였다. 수치해석에 적용된 지반강도 정수는 Table 6에 나타내었다.
본 연구에서 수치해석은 유한차분 수치해석을 적용하였으며, 말뚝과 지반의 상호작용을 실제와 같이 최대한 모사 할 수 있는 FLAC 2D 프로그램을 이용하였다. 말뚝과 같은 구조물을 이차원으로 모사하기 위하여 말뚝을 중심으로 축 대칭 모델을 이용하여 말뚝의 거동을 모사하였다.
말뚝의 거동특성을 파악하기 위해 말뚝이 설치되고 재하시험이 수행될 지점의 지층 구성 상태 및 기반암의 암종, 암질변화 등을 파악하기 위하여 1개소의 지점에 대하여 시추 조사를 수행하였으며, 결과는 Table 2에 정리하였다. Table 2에 나타낸 바와 같이 대상지역의 지층은 매립층, 퇴적층, 풍화대 및 기반암의 순서로 층서를 이루고 있으며 퇴적층이 약 20m 정도로 나타나며 풍화암은 30m 하부에 두께 1.
말뚝의 잔류침하량 및 전반적인 말뚝의 거동특성을 확인하기 위하여 재하 및 제하가 반복된 Cyclic load test로 말뚝재하시험을 시행하였으며, 현장에서 수행된 말뚝 정재하시험의 단계별 과정은 Fig. 2에 나타내었다.
본 연구에서는 현장에 분포하고 있는 지반의 공학적 특성을 확인하기 위하여 표준관입시험, 공내전단시험 및 공내재하시험 등의 원위치시험을 수행하였고 그 결과는 다음 Table 3과 같다. Table 3의 내용을 살펴보면, 퇴적층(실트질 점토)은 점착력 24.
수치해석에서는 측면 및 하부로의 경계설정이 주변 지반의 응력이나 변형 상태에 영향을 미치지 않기 위해서 말뚝을 기준으로 측면 및 하부로 100m 떨어진 거리까지 모델링하였다. 또한 말뚝에 작용하는 하중은 실제 재하시험 당시에 작용된 하중단계와 동일하게 하여 실제 말뚝의 거동과 최대하게 동일한 거동이 이루어지도록 모사하였다.
수치해석은 재하시험의 결과를 확인하고 말뚝의 거동을 예측하는 방법이 신뢰성을 확보하고 있는지 검증하기 위하여 수행되었다. 수치해석은 현장정재하시험이 수행된 말뚝에 대하여 현장정재하시험이 수행된 조건과 동일하게 모사하고 하중이 작용하는 동안의 말뚝의 거동특성을 수치해석으로 평가함으로써 현장재하시험과 수치해석으로 확인되는 하중-침하관계를 비교하는 방식으로 신뢰성을 검증하였다.
본 연구에서는 말뚝이 설치되는 지반의 공학적 성질을 파악하기 위하여 시추조사, 현장 공내재하시험 등과 같은 원위치시험과 실내시험 등을 수행하였고, 지반조사가 수행된 지반 인근에서 말뚝의 정재하시험을 수행하여 말뚝의 거동 특성을 분석하였다. 아울러 정재하시험이 수행된 조건과 동일한 방법으로 수치해석을 수행하여 말뚝의 재하시험을 모사함으로써 말뚝의 거동특성을 예측하였다. 실규모 재하시험 결과와 수치해석 결과에 의한 말뚝의 하중-침하 결과는 약 5～15% 이상의 오차율을 보이며 시험말뚝과 반력말뚝의 간격이 가까운 구간에서 그 차이는 더 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
우선 수치해석에 입력자료로 필요한 말뚝과 지반의 상호 작용 특성치는 현장정재하시험의 결과를 이용하여 Itasca Flac 매뉴얼에 제안하는 Pile 요소의 특성치를 산정하는 방식으로 산정하였고, 지반의 연속적인 구성 상태와 원지반의 공학적 특성은 시추조사 및 현장시험을 통해 평가된 결과를 수치해석에 적용하였다.
75°로 평가 되었다. 풍화암에서 수행한 공내재하시험은 말뚝의 지지층에서 변형특성을 확인하기 위하여 수행하였고 탄성계수는 218MPa로 평가되었다.
현장에서 측정된 자료를 이용하여 말뚝의 침하량과 지지력을 평가해 보았다. 현장 기록지를 토대로 평가한 결과 전체 하중이 작용하는 동안의 하중 침하 곡선과 단계별 하중재하 및 제하 그리고 재재하 과정을 나타낸 Cyclic load 침하곡선을 확인하였다. 말뚝재하시험 결과 시험 초기의 변위가 크게 발생하는 구간은 말뚝의 재하과정에서 계측기의 초기 변위로 인하여 발생된 것으로 판단된다.
현장정재하시험은 2개의 다이얼 게이지를 이용하여 측정하였고, 말뚝의 안전 측 거동을 고려해 최대 변위를 기준으로 분석하였다. 현장에서 측정된 자료를 이용하여 말뚝의 침하량과 지지력을 평가해 보았다. 현장 기록지를 토대로 평가한 결과 전체 하중이 작용하는 동안의 하중 침하 곡선과 단계별 하중재하 및 제하 그리고 재재하 과정을 나타낸 Cyclic load 침하곡선을 확인하였다.
현장정재하시험은 2개의 다이얼 게이지를 이용하여 측정하였고, 말뚝의 안전 측 거동을 고려해 최대 변위를 기준으로 분석하였다. 현장에서 측정된 자료를 이용하여 말뚝의 침하량과 지지력을 평가해 보았다.
대상 데이터
연구지역은 경상북도 포항 ○○지역으로 구조물의 기초를 위해 D500mm의 PHC 말뚝이 매입말뚝공법으로 시공되어 있는 지역으로 말뚝이 설치되어 있는 지반은 상부 매립층에서 하부로 퇴적층 그리고 풍화암층, 연암층의 순으로 나타나고 있다. 말뚝이 설치되어 있는 퇴적층은 N값이 1～30의 범위를 보이며, 지지층으로 계획된 풍화암 및 연암층에 설치되는 말뚝의 길이는 약 15～31m로 설치되어 있다.
데이터처리
본 연구에서 수치해석은 유한차분 수치해석을 적용하였으며, 말뚝과 지반의 상호작용을 실제와 같이 최대한 모사 할 수 있는 FLAC 2D 프로그램을 이용하였다. 말뚝과 같은 구조물을 이차원으로 모사하기 위하여 말뚝을 중심으로 축 대칭 모델을 이용하여 말뚝의 거동을 모사하였다.
이론/모형
정재하시험은 KS F 2445 ‘축방향에 의한 말뚝침하 시험방법’에 따라 수행하였다.
성능/효과
(1) 수치해석 결과와 현장재하시험 결과로 확인한 말뚝의 침하량은 다소 차이가 나타나는 것으로 평가되었다. 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 즉, 3D 이내에 위치하고 있는 경우 수치해석을 확인된 침하량이 현장시험의 결과 보다 더 크게 나타나고, 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 이상 이격되어 있는 경우에는 실제 측정된 말뚝의 침하량이 수치해석의 침하량보다 더 큰 것으로 평가되었다.
(2) 정재하시험 결과와 수치해석으로 분석한 하중-침하 곡선의 결과에 의하면 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 즉, 3D 이내에 위치하고 있는 말뚝의 경우 수치해석과 실제 재하시험 결과가 오차율 15%를 상회하여 비교적 신뢰성이 저하되는 것으로 분석되었다. 반면에 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 즉, 3D 이상 이격된 경우 오차율도 15% 이내로 나타나고, 시험말뚝과 반력말뚝이 5.
(3) 수치해석을 단말뚝으로 모사하여 거동특성을 평가하는 경우에는 말뚝과 지반의 상호작용을 정확하게 예측하기 어려운 것으로 확인되었으며, 특히 말뚝의 간격이 3D 이내로 상호작용이 크게 작용하는 경우에는 수치해석의 신뢰성도 저하되며 반력말뚝을 고려하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
6에 의하면 현장재하시험 결과와 수치해석 결과는 전반적으로 유사한 하중-침하 양상을 보인다. 두 결과 모두 말뚝의 항복은 나타나지 않고 탄성거동을 보이는 것으로 나타나 현장재하시험의 경우 시험 초기의 변위가 다소 교란되어 있는 것으로 나타나며 이는 말뚝재하시험 초기에 나타나는 측정 오차에 의해 기인한 것으로 판단된다. 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 즉, 3D 이내에 위치하고 있는 Test Pile 1, Test Pile 2 및 Test Pile 4의 경우에는 수치해석으로 평가된 말뚝의 침하량과 현장재하시험으로 측정된 말뚝의 침하량이 비교적 큰 차이를 보이며 오차율 15%를 상회하여 비교적 신뢰성이 저하되는 것으로 나타난다.
(1) 수치해석 결과와 현장재하시험 결과로 확인한 말뚝의 침하량은 다소 차이가 나타나는 것으로 평가되었다. 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 즉, 3D 이내에 위치하고 있는 경우 수치해석을 확인된 침하량이 현장시험의 결과 보다 더 크게 나타나고, 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 이상 이격되어 있는 경우에는 실제 측정된 말뚝의 침하량이 수치해석의 침하량보다 더 큰 것으로 평가되었다.
아울러 정재하시험이 수행된 조건과 동일한 방법으로 수치해석을 수행하여 말뚝의 재하시험을 모사함으로써 말뚝의 거동특성을 예측하였다. 실규모 재하시험 결과와 수치해석 결과에 의한 말뚝의 하중-침하 결과는 약 5～15% 이상의 오차율을 보이며 시험말뚝과 반력말뚝의 간격이 가까운 구간에서 그 차이는 더 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
Table 5에서 금회 재하시험이 수행된 말뚝의 경우에는 시험이 종료되는 시점까지 탄성거동을 보여 말뚝의 허용 연직하중은 작용하중의 1/2인 720kN 이상인 것으로 평가된다. 아울러 총침하량 및 잔류침하량 기준에 의거하여 안정성 확보 여부를 평가한 결과 말뚝기초는 충분한 안정성을 확보하고 있는 것으로 확인되었다.
5 및 Table 8에 의하면 말뚝에 최종하중이 작용하는 경우의 침하량이 수치해석 결과와 현장재하시험 결과가 다소 차이가 나타나는 것으로 평가되었다. 이는 반력말뚝의 거리에 따라서 그 값이 다소 차이가 나타나는데 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 즉, 3D 이내에 위치하고 있는 경우에서는 수치해석을 확인된 침하량이 현장시험의 결과보다 더 크게 나타나, 반력말뚝이 말뚝 직경의 3배 이상 이격되어 있는 경우에는 실제 측정된 말뚝의 침하량이 수치해석의 침하량보다 더 큰 것으로 평가 되었다.
정재하시험 결과로 분석한 S - log t, lop P - log S 및 ds/d (log t)-P의 결과를 토대로 분석한 결과 말뚝의 항복거동이 전혀 나타나지 않는 탄성거동을 보이는 것으로 분석되었으며, 시험말뚝은 설계하중의 2배인 1,440kN의 연직하중이 작용할 때까지 말뚝은 완전한 탄성거동을 보이는 것으로 나타났다. 재하시험 결과를 토대로 말뚝기초로서의 안정성을 평가한 결과는 Table 5와 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수치해석 기법을 이용한 말뚝의 거동특성 예측에 대한 기존 선행연구는 무엇이 있는가?
수치해석 기법을 이용하여 정확한 말뚝의 거동특성을 예측하기 위해서는 말뚝과 지반과의 상호작용이 정확하게 입력자료로써 활용되어야 하지만 말뚝과 지반과의 상호작용을 정량적으로 규명하기는 어렵고 이를 입력자료로 정확하게 산정하는 과정은 대부분 설계자의 공학적 판단에 의해 결정되고 있다. Kim et al.(2011)은 FRP 콘크리트 합성말뚝의 적용성을 수치해석기법으로 평가한 바 있으며, Lee et al. (2012)은 말뚝의 경계면 요소에 따른 재하시험과 수치해석의 차이를 분석한 바 있다. 아울러 Muhannad et al.(2010)은 느슨한 사질지반에서 소규모의 말뚝에 횡하중이 작용할 때 말뚝과 지반의 상호작용을 정량적으로 측정하고자 하였지만 말뚝과 지반의 상호작용에 의한 경계면 요소를 명확하게 규명하기는 어렵다. 이에 본 논문에서는 현장에서 수행하는 정재하시험의 결과를 이용하여 수치해석 기법에 의한 말뚝의 거동특성 예측 결과와 비교, 분석함으로써 수치해석에 의한 말뚝의 거동특성 평가결과의 신뢰성을 검증하였다.
말뚝의 정재하시험의 실용성이 저하되는 이유는 무엇인가?
7년의 기술격차를 보이는 것으로 보고되고 있으며(Nam, 2015), 말뚝과 같은 기초의 설계단계에서도 격차가 있다. 특히, 말뚝의 정재하시험은 말뚝의 거동을 예측하기 위해서 꼭 필요한 시험이지만 비용과 시간 등의 제반 여건으로 인하여 국내에서는 설계단계에서 실용성이 저하되고 있으며, 이를 대체하기 위하여 유한요소 및 유한차분 수치해석 기법을 이용한 말뚝의 거동특성 예측이 널리 이용되고 있다. 수치해석 기법을 이용한 말뚝의 거동 예측기법은 최근과 같이 기존구조물과 인접하여 공사가 빈번하게 이루어지는 최근의 환경에서는 그 활용성이 더욱 커지고 있다.
수치해석기법을 이용한 말뚝의 거동특성 예측방법의 장점은 무엇인가?
수치해석기법을 이용한 말뚝의 거동특성 예측방법은 정재하시험비가 고가이기 때문에 공사 전 말뚝의 거동을 예측할 수 있다는 장점으로 설계단계에서 널리 이용되고 있지만 그 신뢰성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 실제 현장에서 말뚝의 거동과 수치해석으로 예측한 말뚝의 거동을 비교함으로써 수치해석 기법의 신뢰성을 검증하였다.
참고문헌 (7)
Choi, Y. K., O'Neill, M. W., Nam, M. S. and Chung, C. K. (2002), Pullout behaviors for battered large diameter reaction piles during static pile load tests for large diameter piles, International Deep Foundations Congress 2002 : An International Perspective on Theory, Design, Construction, and Performance, pp. 793-806.
Kim, H. T., Lee, M. J., Park, J. W., Yoon, S. J. and Han, Y. J. (2011), Verification of applicability of hybrid CFFT pile for numerical analysis, Journal of Korean Geo-Environmental Society Vol. 12, No. 8, pp. 59-67 (in Korean).
Kim, J. H. and Yea, G. (2013), Case study of comparative analysis between static and dynamic loading test of PHC pile, Journal of Korean Geo-Environmental Society, Vol. 14, No. 11, pp. 13-23 (in Korean).
Lee, J. M., Lee, J. H. and Lee, Y. J. (2012), Pile behaviour on interface properties-comparison between field pile-load test and numerical analysis, Annual Conference of Korean Society of Civil Engineers, pp. 1074-1077 (in Korean).
Muhannad, T. S., Anne, R., Timothy, W. P., William, J. K III. and Mary, R. (2010), Measured soil-pile interaction pressures for small-diameter laterally loaded pile in loose sand, GeoFlorida 2010: Advances in Analysis, Modeling & Design, pp. 1498-1506.
Nam, H. S. (2015), A study on the irrigation facility rehabilitating direction and KRC guideline and standard establishment, Research Report, Rural Research Institute Korea Rural Community Corporation, pp. 98-100 (in Korean).
Serhii, L. and Evhen, Z. (2012), Plaxis simulation of static pile tests and determination of reaction piles influence, Scientific and Technical Journal: New Technologies in Construction, NDIBV, Kyiv, 23-24(1-2), pp. 68-73.
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