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문제 정의
- 본 연구에서는 LH 현장(천안, 인천, 의정부)에서 동재하시험(EOID 7회, Restrike 7회) 및 정재하시험 7회를 실시하여 동재하시험과 정재하시험 결과를 비교･분석하여 동재하시험의 신뢰도를 파악하고, 두 시험 결과의 차이를 줄일 수 있는 방안에 대해 고찰하였다.
- 본 연구에서는 정재하시험의 방법으로 현장시험 간편화와 파괴하중의 확인 용이성으로 인하여 양방향재하시험 방법을 실시하였다. 종래의 말뚝 정재하시험의 경우 시험하중만큼의 사하중이나 반력말뚝, 반력앵커 등의 가력수단이 필요하고 이런 경우 말뚝에 정재하시험을 할 수 없다.
제안 방법
- LH 현장(천안, 인천, 의정부)에서 실시한 재항타동재하시험(Restrike) 및 정재하시험의 극한지지력을 비교하였으며(Table 12, Fig. 13, 14, 15), Fig. 13, 14, 15의 정재하시험 결과 값은 탄성해석법으로 측정한 결과이다.
- ① PDA 측정자료 중 적정 blow를 선정, CAPWAP 방법을 통하여 분석하고, ② CAPWAP 분석결과 구해진 지지력 중 선단저항과 주면마찰저항을 분리하여 평가한 후 이들 지지력을 시험시점의 최대 하중 또는 극한지지력으로 판정하였다.
- 매입공법들 중 천공 후 경타공법으로서 천공 홀의 공벽유지를 위해 강관케이싱이 사용되었고, 이후 시멘트풀 주입, 말뚝삽입, 마무리 경타 순으로 시공되는 방법이다. 각 현장의 정재하시험용 시험말뚝들에 대하여 각각 시공과정에서 동재하시험이 수행되었고, 정재하시험의 주면저항을 예측하기 위해 인접말뚝들에 대한 재항타동재하시험(Restrike)을 수행하였다.
- 국내에서 많이 사용하고 있는 매입말뚝에 대해 LH 현장(3개 현장)에 대해 동재하시험(EOID 7회, Restrike 7회)과 정재하시험(7회)을 실시하여 결과를 비교하고 신뢰도 분석한 결과는 다음과 같다.
- 동재하시험은 PHC말뚝 근입, Casing 인발 후 자유낙하식 Drop Hammer를 사용하여 타격하는 과정에서 초기동재하시험(EOID)을 실시하여 지지력을 확인하였으며, 최소 7일 이후에 인접말뚝에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시하여 최종지지력을 측정하였다.
- 분석방법으로는 강체해석법과 탄성해석법이 있으며, 탄성해석법의 경우 말뚝재하시험 시 말뚝에서 실제 발생할 수 있는 탄성변형량을 최대한 고려한 방법으로써 하중-변위량 곡선은 말뚝재하시험 결과와 매우 유사하게 나타났다(이종섭 & 박영호, 2008). 따라서, 본 연구에서는 시험 결과를 탄성해석법으로 분석하였으며, Fig. 5에 등가 하중-침하량 곡선을 나타내었다.
- 말뚝의 규격은 PHC 600mm이며, 시멘트풀 배합비는 LH 시방서에 표기된 것을 참고하여 물시멘트비 83%를 적용하였다. 또한 시험말뚝 2본 중 1본에는 초기동재하시험(EOID) 및 정재하시험을 실시하였고, 인접하고 있는 말뚝 1본에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시하였다. LH현장(천안, 인천, 의정부)의 지반조건은 Table 2와 같다.
- 이후 동재하시험으로 선단지지력을 측정한 후 주면마찰력의 증가를 확인하기 위해서 인접 말뚝에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시하였다(양방향 정재하말뚝에 재항타동재하시험을 수행할 경우 타격력에 의한 주면마찰력 손실을 방지하기 위해 인접말뚝을 이용하였음). 또한 재항타동재하시험 결과 및 지반 주상도를 검토해 볼 때 주면마찰력이 선단지지력보다 작을 것으로 예상되는 시험말뚝에 대한 정재하시험 시에는 주면마찰력을 보완하기 위해 시험말뚝 주변말뚝의 주면마찰력을 추가 반력으로 이용하여 시험을 실시하였다.
- 매입말뚝의 동재하시험과 정재하시험의 결과 값의 차이를 보다 체계적으로 분석하고자 본 절에서는 앞 절의 시험 값들을 통계 분석하여 신뢰도 및 상관관계를 검토하였다(Table 13, Fig. 16).
- 본 시험은 매입공법으로 시공되는 PHC말뚝의 정밀한 평가를 위해 LH 현장(천안, 인천, 의정부)에서 초기동재하시험(EOID) 7회, 재항타동재하시험(Restrike) 7회, 정재하시험 7회를 실시하였다. 말뚝의 규격은 PHC 600mm이며, 시멘트풀 배합비는 LH 시방서에 표기된 것을 참고하여 물시멘트비 83%를 적용하였다.
- 본 현장 시험말뚝의 시간경과에 의한 지지력 변화를 평가하기 위하여 시공 후 6～9일 경과시점에서 재항타동재하시험(Restrike)을 각각 실시하고, CAPWAP결과로부터 주면마찰력의 크기와 분포를 분석하여 시간경과에 따른 지지력 변화를 평가하였다.
- 반복 작업 시 조정되는 경계조건 중 중요한 것은 Quake, Unloading Quake, 흙과 말뚝의 Damping, Unloading Level, Reloading Level, Radiation Damping, Plug Mass, 흙의 저항분포 등이다. 이와 같은 반복계산으로 Best Match가 얻어지면, CAPWAP은 이들 경계조건을 이용하여 프로그램상에서 모사정적재하시험(Simulated Static Pile Load Test)을 실시하여 하중-변위곡선을 얻으며 주면마찰력의 분포 및 선단지지력을 제시하였다. CAPWAP해석의 일반적인 출력 예를 Fig.
- 정재하시험을 위해 선정된 시험말뚝에는 정재하시험을 위한 선단 CELL(유압잭), 유압장치 및 변위측정을 위해 Telltale gauge guide pipe 등을 말뚝 시공 전에 설치하였다. 이후 동재하시험으로 선단지지력을 측정한 후 주면마찰력의 증가를 확인하기 위해서 인접 말뚝에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시하였다(양방향 정재하말뚝에 재항타동재하시험을 수행할 경우 타격력에 의한 주면마찰력 손실을 방지하기 위해 인접말뚝을 이용하였음). 또한 재항타동재하시험 결과 및 지반 주상도를 검토해 볼 때 주면마찰력이 선단지지력보다 작을 것으로 예상되는 시험말뚝에 대한 정재하시험 시에는 주면마찰력을 보완하기 위해 시험말뚝 주변말뚝의 주면마찰력을 추가 반력으로 이용하여 시험을 실시하였다.
- 초기동재하시험(EOID)을 측정한 말뚝에서 정재하시험을 실시하였으며, 결과는 Table 9, 10, 11과 Fig. 10, 11, 12와 같다.
대상 데이터
- 본 시험은 매입공법으로 시공되는 PHC말뚝의 정밀한 평가를 위해 LH 현장(천안, 인천, 의정부)에서 초기동재하시험(EOID) 7회, 재항타동재하시험(Restrike) 7회, 정재하시험 7회를 실시하였다. 말뚝의 규격은 PHC 600mm이며, 시멘트풀 배합비는 LH 시방서에 표기된 것을 참고하여 물시멘트비 83%를 적용하였다. 또한 시험말뚝 2본 중 1본에는 초기동재하시험(EOID) 및 정재하시험을 실시하였고, 인접하고 있는 말뚝 1본에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시하였다.
데이터처리
- Fig. 7에서는1980년 연구와는 달리 83개의 파일과 그중 36개는 강철, 19개는 파이프를 사용하였으며, 시험결과를 ‘Best Match’와 ‘Radiation Damping’ 해석법을 사용하여 분석하고 비교하였다.
- 앞서 비교한 재항타동재하지지력 및 정재하지지력과 재항타동재하지지력(Davisson) 및 정재하지지력(Davisson)의 평균 값이 약 27% 나온 것에 비해 상당히 낮은 수치를 나타내었다. 이 결과를 바탕으로 다음 절에서 동재하시험과 정재하시험 결과를 종합적으로 정리하고 신뢰도 분석을 실시하였다.
이론/모형
- ① PDA측정자료 중 적정 Data를 선정, CAPWAP방법을사용하여 분석하고, ② CAPWAP 분석결과 구해진 하중-침하량 곡선에 아래에 설명된 Davisson 판정법을 적용하여 항복하중을 판정한 후, ③ 안전율 2.0을 적용한다.
- ③ 시험말뚝의 허용지지력은 기본적으로 Davisson 방법을 적용하여 판정하였으며, 시공 중 시험인 EOID의 경우에는 선단지지력의 크기만을 분석에 활용하였으며 재항타동재하시험(Restrike)에서 해석되는 지지력은 전술한 판정방법을 통하여 결정하였다.
- 각 현장의 시공방법은 매입말뚝 시공법을 적용하였다. 매입공법들 중 천공 후 경타공법으로서 천공 홀의 공벽유지를 위해 강관케이싱이 사용되었고, 이후 시멘트풀 주입, 말뚝삽입, 마무리 경타 순으로 시공되는 방법이다.
성능/효과
- (1) 재항타동재하지지력 평균 값은 4,198kN이며, 정재하지지력은 5,752kN으로 정재하지지력 평균 값이 약 27% 높게 나타났다(신뢰도 : 0.73, 변동계수 : 0.3).
- 또한 Goble et al.(1980)과 Likins et al. (1996)의 연구자료를 취합하여 303건의 데이터베이스를 요약한 결과 CAPWAP 해석과 정재하시험 결과(Davisson 방법 적용) 비교는 거의 일치하는 것으로 나타나 동재하시험이 매우 신뢰할 수 있음을 보여준다(Table 1). Fig.
- (2) 재항타동재하지지력의 Davisson 판정 평균 값은 3,765kN이며, 정재하지지력의 Davisson 판정 평균 값은 5,217kN으로 정재하지지력의 Davisson 판정 평균 값이 약 27%높게 나타났다(신뢰도 : 0.73, 변동계수 : 0.2).
- (3) 재항타동재하시험(Restrike) 시에 매입말뚝의 선단부까지 타격에너지가 충분히 전달되지 못하여 지지력이 과소평가되는데, 이러한 문제를 보완하기 위하여 수정동 재하지지력(EOID의 극한선단지지력+Restrike의 극한주면마찰력)과 정재하지지력을 비교하였으며, 그 차이가 9%로 줄어들었다(신뢰도 : 0.91, 변동계수 : 0.2).
- Table 12에서 재항타동재하지지력 평균 값은 4,198kN이며, 정재하지지력 평균 값은 5,752kN으로 정재하지지력이 약 27% 높게 나타났다. 또한 재항타동재하지지력(Davisson 판정 값) 평균 값은 3,765kN이며, 정재하지지력(Davisson 판정 값) 평균 값은 5,228kN으로 정재하지지력(Davisson 판정 값)이 약 27% 높게 나타났다. 동재하지지력과 정재하지지력의 차이가 크게 나타난 이유는 Table 3, 4, 5에서 Restrike의 선단지지력이 EOID보다 약 29% 감소한 데서 기인한다.
- 169의 수치가 나와 양호한 범위에 들었으며, 신뢰도는 1에 근접하여 CAPWAP과 Static Load Test 값이 비슷하다고 볼 수 있다. 또한 총 데이터에서 9% 미만은 Static Load Test 값보다 CAPWAP 값이 110% 정도 높은 것으로 나타나지만, 이를 달리 해석하게 되면 총 데이터에서 91% 정도는 Static Load Test 값보다 CAPWAP 값이 낮아 보수적인 설계를 유도할 수 있을 것으로 판단된다.
- 재항타동재하시험(Restrike)에서 목표지지력을 얻기 위해서는 선단부에 전달되는 압축응력(CSB)이 적어도 30MPa 이상이 되어야 한다. 본 연구에서 조사한 LH 현장(3개소 현장)의 7개 말뚝의 Restrike 시험에서는 CSB값이 24.5～38.6MPa로 나타나(Table 6, 7, 8), 일부 말뚝에서 선단부에 충분한 에너지가 전달되지 않은 것으로 나타났다. 이럴 경우 지지력이 과소평가될 수 있으며 정재하시험 값과 차이도 크게 발생할 수 있다(Table 12).
- 선단지지력을 충분히 발현시키기 위해서는 상당한 타격을 가해야 하나 그럴 경우 말뚝이 손상될 수 있는 문제가 발생할 수 있고 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 수정동재하지지력(EOID의 극한선단지지력+Restrike의 극한주면마찰력)을 제시하였으며, 수정동재하지지력의 평균 값은 5,752kN으로 정재하지지력이 약 9% 높게 나타났다.
- 97, Table 1)보다 많이 낮고 변동계수도 크게 나타나 일관성이 떨어지는 것으로 판단되었다. 이를 해결하고자 본 연구에서는 수정동재하지지력(EOID의 극한선단지지력+Restrike의 극한주면마찰력)과 정재하지지력과의 신뢰도를 분석하였으며, 그 결과 신뢰도가 0.91, 변동계수(COV) 0.2로 나타나 신뢰도 및 일관성이 크게 향상되는 것으로 나타났다.
- 간혹, 매입말뚝에서 타격력이 약하면 시멘트풀의 경화에 따라 주면에서 타격력이 다 흡수되고 선단까지 에너지가 전달되지 않아 충분한 지지력을 산정하지 못하는 경우가 있다. 즉, 마찰지지력을 100% 산정하기 위해서는 충분한 타격에너지를 가해야 하며 동재하시험 조건 값의 EMX로 타격에너지 여부를 확인할 수 있다. 또한 타격에너지가 선단부까지 충분히 전달되는지의 여부는 CSB 값으로 확인이 가능하며, CSB(Compression Stress Bottom)가 적어도 30MPa 정도 되어야 하는 것으로 알려져 있다(박종배 외, 2014).
- 169이다(Table 1). 통상적으로 변동계수는 0.25 이하일 경우 양호하다고 보는데 0.169의 수치가 나와 양호한 범위에 들었으며, 신뢰도는 1에 근접하여 CAPWAP과 Static Load Test 값이 비슷하다고 볼 수 있다. 또한 총 데이터에서 9% 미만은 Static Load Test 값보다 CAPWAP 값이 110% 정도 높은 것으로 나타나지만, 이를 달리 해석하게 되면 총 데이터에서 91% 정도는 Static Load Test 값보다 CAPWAP 값이 낮아 보수적인 설계를 유도할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 이로 인해 시멘트풀 양생효과 여부에 따른 지지거동 영향을 확인할 수 있었으며, 정재하시험 시 선단저항을 충분히 측정하기 위해서는 주면저항 부족에 따른 보조반력하중이 필요할 것으로 판단되었다. 반면, Table 4의 재항타동재하시험 결과를 보면 단위면적당 주면저항이 236.
- 또한 시멘트풀이 굳고난 후에 실시하는 재항타동재하시험(Restrike) 시 선단부까지 충분한 에너지가 전달되도록 타격하여야 한다. 하지만 충분한 타격 에너지를 가하기에 말뚝 손상이 우려될 경우에는 매입말뚝의 선단과 주면의 시공 상태가 양호할 때 본 논문에서 제시한 수정동재하지지력(EOID의 극한선단지지력+Restrike의 극한주면마찰력)을 사용가능할 것으로 판단된다.
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