2열 겹침말뚝벽체는 30m 이상의 대심도에 적용 가능한 고강성의 주열말뚝으로서 동시에 연속성을 확보하여 차수벽이 되는 흙막이 벽체를 목표로 현재 개발 중에 있는 공법이다. 본 연구에서는 그러한 2열 겹침말뚝벽체의 최적 단면을 결정하는데 필요한 기초 데이터를 확보할 목적으로 여러 조건으로 가능한 시공 단면에 대하여 이론적 방법과 수치해석을 통해 각각의 휨 강성 특성을 조사하고, 이를 기존의 전형적인 CIP 및 SPW 단면의 휨 강성과 비교, 분석하였다. 그 결과, 말뚝 간 겹침길이가 커질수록 휨 강성이 감소하나 말뚝 주열수, 즉 1열과 2열 말뚝 간 휨 강성의 현저한 차이에 비해서는 그 차이가 미미한 것으로 나타났고 또한, 2열 겹침말뚝에서 보강재 종류와 말뚝개당 사용 개수가 휨 강성 크기에 미치는 영향은 겹침길이 차이에 따른 영향보다도 작은 것으로 나타났다. 따라서, 벽체의 구조적 성능 관점에서 본다면 2열 겹침말뚝벽체는 말뚝 간 겹침부 크기와 사용 보강재의 종류, 갯수에 크게 상관없이 대심도용 흙막이 벽체로 기존 공법인 CIP나 SPW 등에 비해 월등히 우수한 성능을 갖춘 것으로 파악되었다.
2열 겹침말뚝벽체는 30m 이상의 대심도에 적용 가능한 고강성의 주열말뚝으로서 동시에 연속성을 확보하여 차수벽이 되는 흙막이 벽체를 목표로 현재 개발 중에 있는 공법이다. 본 연구에서는 그러한 2열 겹침말뚝벽체의 최적 단면을 결정하는데 필요한 기초 데이터를 확보할 목적으로 여러 조건으로 가능한 시공 단면에 대하여 이론적 방법과 수치해석을 통해 각각의 휨 강성 특성을 조사하고, 이를 기존의 전형적인 CIP 및 SPW 단면의 휨 강성과 비교, 분석하였다. 그 결과, 말뚝 간 겹침길이가 커질수록 휨 강성이 감소하나 말뚝 주열수, 즉 1열과 2열 말뚝 간 휨 강성의 현저한 차이에 비해서는 그 차이가 미미한 것으로 나타났고 또한, 2열 겹침말뚝에서 보강재 종류와 말뚝개당 사용 개수가 휨 강성 크기에 미치는 영향은 겹침길이 차이에 따른 영향보다도 작은 것으로 나타났다. 따라서, 벽체의 구조적 성능 관점에서 본다면 2열 겹침말뚝벽체는 말뚝 간 겹침부 크기와 사용 보강재의 종류, 갯수에 크게 상관없이 대심도용 흙막이 벽체로 기존 공법인 CIP나 SPW 등에 비해 월등히 우수한 성능을 갖춘 것으로 파악되었다.
Two-row Overlap Pile wall is a novel retaining wall system with high flexural rigidity and waterproofing for deep excavation support currently being developed in Korea. The Two-row Overlap Pile wall is constructed by making an overlap between consecutive four-axis (or two-axis) auger piles which the...
Two-row Overlap Pile wall is a novel retaining wall system with high flexural rigidity and waterproofing for deep excavation support currently being developed in Korea. The Two-row Overlap Pile wall is constructed by making an overlap between consecutive four-axis (or two-axis) auger piles which themselves are overlapped and arranged in zigzag manner. In this study, the flexural rigidity of the Two-row Overlap Pile wall, including the effect of cross-sectional shape, was examined using both theoretical and numerical approaches. The results of investigation suggested that the Two-row Overlap Pile wall formed with two-row piles exhibit greatly higher flexural rigidity than conventional one-row pile walls such as Cast in place pile (CIP) and Secant pile wall (SPW), whereas the effect of overlap length between piles on the flexural rigidity is relatively minimal.
Two-row Overlap Pile wall is a novel retaining wall system with high flexural rigidity and waterproofing for deep excavation support currently being developed in Korea. The Two-row Overlap Pile wall is constructed by making an overlap between consecutive four-axis (or two-axis) auger piles which themselves are overlapped and arranged in zigzag manner. In this study, the flexural rigidity of the Two-row Overlap Pile wall, including the effect of cross-sectional shape, was examined using both theoretical and numerical approaches. The results of investigation suggested that the Two-row Overlap Pile wall formed with two-row piles exhibit greatly higher flexural rigidity than conventional one-row pile walls such as Cast in place pile (CIP) and Secant pile wall (SPW), whereas the effect of overlap length between piles on the flexural rigidity is relatively minimal.
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문제 정의
본 연구에서는 30m 이상의 대심도에 적용 가능한 고강성의 주열말뚝으로서 연속성 확보로 동시에 차수벽이 되는 흙막이 벽체의 개발을 목표로 현재 연구개발 중인 2열 겹침말뚝벽체에 대하여 벽체의 단면 구조에 따른 휨 강성 분석을 이론적 검토와 수치해석을 통하여 수행하였다.
벽체 단면은 말뚝 겹침부의 크기를 어떻게 할 것인지, 또는 어떠한 종류의 보강재를 사용할 것인지 결정되어야 그에 적합한 오거를 제작할 수 있고, 무엇보다 단면 구성과 형태에 따라 달라지는 강성의 크기를 결정할 수 있게 된다. 이미 밝힌 바와 같이 현재 개발을 목표로 하고 있는 위 공법은 현재 개념 정립 단계를 거쳐 시공 벽체의 적절한 단면 조건을 결정하는 단계로서 본 연구는 그러한 개발 과정의 일환으로 벽체의 단면 조건에 따른 휨 강성을 비교, 분석한 연구이다.
본 연구에서는 2열 겹침말뚝벽체의 최적 단면을 결정하는데 필요한 기초 데이터를 확보할 목적으로 여러 조건으로 가능한 시공 단면에 대하여 이론적 방법과 수치해석적 방법을 통해 각각의 휨 강성 특성을 조사하고, 이를 기존의 전형적인 CIP 및 SPW 단면의 휨 강성과 비교, 분석하였다. 검토된 2열 겹침말뚝의 단면 조건은 말뚝 간 겹침부의 크기와 보강재 종류, 그리고 보강재 개수에 따라 구분 하여 각각의 영향을 조사하고자 하였다.
본 연구에서는 2열 겹침말뚝벽체의 최적 단면을 결정하는데 필요한 기초 데이터를 확보할 목적으로 여러 조건으로 가능한 시공 단면에 대하여 이론적 방법과 수치해석적 방법을 통해 각각의 휨 강성 특성을 조사하고, 이를 기존의 전형적인 CIP 및 SPW 단면의 휨 강성과 비교, 분석하였다. 검토된 2열 겹침말뚝의 단면 조건은 말뚝 간 겹침부의 크기와 보강재 종류, 그리고 보강재 개수에 따라 구분 하여 각각의 영향을 조사하고자 하였다.
제안 방법
(2008)은 홈형 강관파일과 가이드바가 부착된 천공기를 이용한 주열식 흙막이벽체 형성 기술(EJ-Pile ; Excellent-Joint Pile)을 제시하며 기존 CIP 벽체에 추가적인 차수 대책이 불필요한 개량형 CIP 공법을 선보였다. 해당 연구에서는 EJ-Pile 부재에 대하여 휨 강도 및 모형토조 내 가압실험을 수행하여 현장 적용성과 안정성 등을 평가하였다. 또한, 개량형 CIP 공법에 대하여 Jang et al.
이상 위에 기술한 이론적 방법에 따라, Fig. 3과 Fig. 4 에 보인 바와 같이 동일 보강재 사용 조건에서 겹침부의 크기를 달리한 3종류 단면과 보강재 영향을 파악하기 위해 동일한 말뚝 겹침 조건에서 보강재 종류를 달리한 2종류 단면, 그리고 보강재 사용 개수를 절반으로 줄인 단면과 마지막으로 주열개수의 영향을 보기 위해 1열로만 시공한 단면 등 총 6개 단면에 대하여 휨 강성을 산정하였다. 여기서, 말뚝 간 겹침부의 크기는 겹침부 최대길이를 기준으로 0mm, 70mm, 140mm를 적용한 경우에 대하여 그리고, 보강재는 철근을 사용한 경우와 H-pile을 사용한 경우로 검토하였다.
4 에 보인 바와 같이 동일 보강재 사용 조건에서 겹침부의 크기를 달리한 3종류 단면과 보강재 영향을 파악하기 위해 동일한 말뚝 겹침 조건에서 보강재 종류를 달리한 2종류 단면, 그리고 보강재 사용 개수를 절반으로 줄인 단면과 마지막으로 주열개수의 영향을 보기 위해 1열로만 시공한 단면 등 총 6개 단면에 대하여 휨 강성을 산정하였다. 여기서, 말뚝 간 겹침부의 크기는 겹침부 최대길이를 기준으로 0mm, 70mm, 140mm를 적용한 경우에 대하여 그리고, 보강재는 철근을 사용한 경우와 H-pile을 사용한 경우로 검토하였다. 또한, 위 검토 단면들의 휨 강성과 기존 공법인 CIP와 SPW의 휨 강성을 비교하기 위하여 Fig.
모델링 벽체 단면은 동일한 보강 조건(말뚝 개당 철근 보강)으로 겹침길이가 각각 20, 70, 140mm인 2열의 말뚝 단면과 겹침길이가 140mm인 1열의 말뚝 단면으로 하여 겹침길이의 영향과 말뚝주열수의 영향을 검토하고자 하였다.
앞서 기술한 이론적 방법 이외에 수치해석을 통해 벽체 단면의 휨 강성을 도출하고자 하였으며, 이를 위해 검토단면 별 벽체에 대하여 중앙점 재하법(ASTM C293, 2010) 에 의한 휨 시험을 모사한 유한요소해석을 수행하였다. 중앙점 재하시험을 통한 탄성보의 휨 강성은 Fig.
7 및 식 (7)에 보는 바와 같이 양단지지 탄성보 중앙에 하중을 재하시켜 하중-처짐의 관계로부터 도출할 수 있다. 본 연구에서는 해당 원리를 이용하여 벽체를 탄성보로 모델링하고, 범용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS NX를 사용하여 벽체의 중앙점 재하시험에 대한 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 모델링 벽체 단면은 동일한 보강 조건(말뚝 개당 철근 보강)으로 겹침길이가 각각 20, 70, 140mm인 2열의 말뚝 단면과 겹침길이가 140mm인 1열의 말뚝 단면으로 하여 겹침길이의 영향과 말뚝주열수의 영향을 검토하고자 하였다.
본 연구에서는 이론적 방법과 수치해석을 통하여 2열 겹침말뚝벽체의 단면 구조에 따른 휨 강성 특성을 조사하고 기존 주열말뚝공법과 비교, 분석을 수행하였다. 이론과 수치해석 간 유사한 결과를 도출하였으며, 그 결과는 말뚝간 겹침길이가 커질수록 단면2차모멘트의 감소로 휨 강성이 작게 나타나나 말뚝 주열수, 즉 1열과 2열 말뚝 간 휨 강성의 현저한 차이에 비해서는 그 차이가 미미함을 나타내었다.
이론적 방법에 의한 벽체 단면의 휨 강성은 검토 단면별로 산정한 단면2차모멘트와 탄성계수를 이용하여 아래 기술한 방법과 같이 도출하였다.
여기서, 말뚝 간 겹침부의 크기는 겹침부 최대길이를 기준으로 0mm, 70mm, 140mm를 적용한 경우에 대하여 그리고, 보강재는 철근을 사용한 경우와 H-pile을 사용한 경우로 검토하였다. 또한, 위 검토 단면들의 휨 강성과 기존 공법인 CIP와 SPW의 휨 강성을 비교하기 위하여 Fig. 5 와 같은 CIP와 SPW의 전형적인 단면에 대해서도 동일 방법으로 휨 강성을 산정하였다.
이론적 방법에 의해 검토된 단면들과 같이 단면 형태가 비대칭일 경우 중앙점 재하시 편심이 생기는 것을 피하기 위하여 수치해석 단면은 Fig. 8에 보는 바와 같이 대칭 단면으로 하였다. Fig.
이론/모형
단면 조건별 휨 강성 산정을 위한 단면2차모멘트 계산시 정확한 면적 계산을 위하여 Matlab을 이용하여 수치 적분을 수행하였다. 겹침길이 0mm인 경우 벽체 단면의 전체 면적에 대한 단면2차모멘트와 철근 면적에 대한 단면2차모멘트를 계산하고 Ic = Itotal - Is ( Itotal : 전체 면적에 대한 단면2차모멘트)로 하여 콘크리트의 단면2차모멘트를 산정하였고, 겹침길이 70mm, 140mm의 경우에는 겹침길이를 고려하여 Fig.
성능/효과
이론과 수치해석 간 유사한 결과를 도출하였으며, 그 결과는 말뚝간 겹침길이가 커질수록 단면2차모멘트의 감소로 휨 강성이 작게 나타나나 말뚝 주열수, 즉 1열과 2열 말뚝 간 휨 강성의 현저한 차이에 비해서는 그 차이가 미미함을 나타내었다. 또한, 2열 겹침말뚝에서 보강재 종류와 말뚝 개당 사용 개수가 휨 강성 크기에 미치는 영향은 겹침길이 차이에 따른 영향보다도 작은 것으로 나타났다. 결과적으로, 벽체의 구조적 성능 관점에서 본다면, 2열 겹침말뚝벽체는 말뚝 간 겹침부 크기와 사용 보강재의 종류, 갯수에 크게 상관없이 대심도용 흙막이 벽체로 기존 공법인 CIP나 SPW 등에 비해 월등히 우수한 성능을 갖춘 것으로 판단된다.
단면 조건별 휨 강성의 크기는 전체 검토 단면에 대해서 겹침길이가 0인 말뚝 개당 철근 보강재(D51)를 사용한 2열 겹침말뚝의 휨 강성이 가장 크고, 반면 CIP의 휨 강성 이 가장 작은 것으로 나타났다. Fig.
3%에 지나지 않는 것으로 나타났다. 그리고, 2열 겹침말뚝 간의 비교 시 겹침길이 차이에 따른 휨 강성의 차이는 겹침길이 70mm, 140mm인 경우에 대해 각각 90.4%와 83.5%로 나타나 겹침길이 증가에 따라 감소하나 그 차이는 상대적으로 그리 크지 않게 나타났다. 겹침길이가 커질수록 벽체 단위폭당 면적이 감소하고 따라서, 단면2차모멘트의 감소로 휨 강성이 작게 나타난 것이나, 말뚝 주열수, 즉 1열과 2열 말뚝 휨 강성간의 현저한 차이에 비해서는 겹침길이의 영향이 미미함을 알 수 있다.
13은 유한요소해석 결과로서 겹침길이(20, 70, 140mm)와 말뚝 주열수(즉 1열 및 2열)가 다른 단면들에 대하여 하중 재하에 따라 단면 내 발생하는 축방향 단면 응력(그림에서 Y축)을 나타낸 것이다. 검토 단면들에 대하여 공통적으로 하중이 직접 작용하는 단면 중앙 상부에 압축응력이 가장 크게 발생하고 그 지점을 따라 단면 하부로 이동 할수록 그 크기가 감소하며, 최하단부에는 인장응력임이 작용하고 있음을 알 수 있다. 2열 말뚝 간 겹침길이에 따른 차이를 보면, 겹침길이가 커질수록 인장응력 발생 영역이 점차 감소하였고, 또한 2열에서 1열로 말뚝 주열수가 감소하였을 때 그 감소폭은 보다 큰 것으로 나타났다.
검토 단면들에 대하여 공통적으로 하중이 직접 작용하는 단면 중앙 상부에 압축응력이 가장 크게 발생하고 그 지점을 따라 단면 하부로 이동 할수록 그 크기가 감소하며, 최하단부에는 인장응력임이 작용하고 있음을 알 수 있다. 2열 말뚝 간 겹침길이에 따른 차이를 보면, 겹침길이가 커질수록 인장응력 발생 영역이 점차 감소하였고, 또한 2열에서 1열로 말뚝 주열수가 감소하였을 때 그 감소폭은 보다 큰 것으로 나타났다. 결과적으로, 벽체 단면의 전체 면적이 감소할수록 단면 내 압축 응력 부위가 증가함을 확인하였다.
2열 말뚝 간 겹침길이에 따른 차이를 보면, 겹침길이가 커질수록 인장응력 발생 영역이 점차 감소하였고, 또한 2열에서 1열로 말뚝 주열수가 감소하였을 때 그 감소폭은 보다 큰 것으로 나타났다. 결과적으로, 벽체 단면의 전체 면적이 감소할수록 단면 내 압축 응력 부위가 증가함을 확인하였다.
14는 수치해석 결과 겹침말뚝의 하중-처짐 관계를 나타낸 것이다. 이론적 방법에 의한 결과와 마찬가지로 겹침길이가 커질수록 동일 하중크기에서 처짐이 크게 발생 하여 강성이 감소하는 것으로 나타났다. 그러나, 겹침길이 차이에 따른 강성의 차이는 주열수 차이에 따른 강성의 차이에 비해서는 매우 작음을 알 수 있다.
수치해석을 통해 산정한 단면 조건별 휨 강성 값은 Table 3에 나타내었다. 그리고, Fig. 15에 상대 비율로 단면 조건별 휨 강성 크기를 나타낸 바와 같이, 2열 겹침말뚝의 휨 강성은 20mm에서 70mm, 140mm로 겹침길이가 증가함에 따라 90.7%, 76.8%로 각각 휨 강성의 크기가 감소하였고, 1열 말뚝(겹침길이 140mm)의 경우는 동일 겹침길이 2열 말뚝의 휨 강성(76.8%)에 비해 그 크기가 매우 작은 것(5.3%)으로 나타났다.
16은 이론적 방법과 수치해석을 통해 산정한 겹침 말뚝의 단면 조건별 휨 강성 결과를 비교를 위해 함께 나타낸 것이다. 방법 간 전체적인 경향은 일치하는 것으로 나타났고 수치해석을 통해 산정한 값이 이론적 방법으로 도출한 값보다 전체적으로 작으나 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다.
이상의 결과를 종합해보면, 말뚝 주열수에 따른 휨 강성의 차이는 매우 큰 반면, 상대적으로 동일 주열수 말뚝에 대해서 겹침 크기와 적용 보강재 등의 차이가 휨 강성 변화에 미치는 영향은 작다고 볼 수 있다. 이러한 결과로부터 벽체의 구조 성능 관점에서 2열 겹침말뚝벽체는 말뚝의 겹침부 크기와 사용 보강재의 종류에 크게 상관없이 대심도용 흙막이벽체로 유리한 단면 조건을 갖추고 있다고 판단된다.
이상의 결과를 종합해보면, 말뚝 주열수에 따른 휨 강성의 차이는 매우 큰 반면, 상대적으로 동일 주열수 말뚝에 대해서 겹침 크기와 적용 보강재 등의 차이가 휨 강성 변화에 미치는 영향은 작다고 볼 수 있다. 이러한 결과로부터 벽체의 구조 성능 관점에서 2열 겹침말뚝벽체는 말뚝의 겹침부 크기와 사용 보강재의 종류에 크게 상관없이 대심도용 흙막이벽체로 유리한 단면 조건을 갖추고 있다고 판단된다.
본 연구에서는 이론적 방법과 수치해석을 통하여 2열 겹침말뚝벽체의 단면 구조에 따른 휨 강성 특성을 조사하고 기존 주열말뚝공법과 비교, 분석을 수행하였다. 이론과 수치해석 간 유사한 결과를 도출하였으며, 그 결과는 말뚝간 겹침길이가 커질수록 단면2차모멘트의 감소로 휨 강성이 작게 나타나나 말뚝 주열수, 즉 1열과 2열 말뚝 간 휨 강성의 현저한 차이에 비해서는 그 차이가 미미함을 나타내었다. 또한, 2열 겹침말뚝에서 보강재 종류와 말뚝 개당 사용 개수가 휨 강성 크기에 미치는 영향은 겹침길이 차이에 따른 영향보다도 작은 것으로 나타났다.
또한, 2열 겹침말뚝에서 보강재 종류와 말뚝 개당 사용 개수가 휨 강성 크기에 미치는 영향은 겹침길이 차이에 따른 영향보다도 작은 것으로 나타났다. 결과적으로, 벽체의 구조적 성능 관점에서 본다면, 2열 겹침말뚝벽체는 말뚝 간 겹침부 크기와 사용 보강재의 종류, 갯수에 크게 상관없이 대심도용 흙막이 벽체로 기존 공법인 CIP나 SPW 등에 비해 월등히 우수한 성능을 갖춘 것으로 판단된다.
특히, D51 이형철근과 H-pile(100×100×6×8) 사용의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 한편, Fig. 12에 보는 바와 같이 겹침길이 가장 큰 140mm 단면에 대해 1열을 기준으로 하여 기존의 CIP와 SPW의 휨 강성과 비교 시 CIP와 SPW의 휨 강성은 각각 1열 140mm 겹침말뚝 휨 강성의 47.2%, 63.0%에 그치는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하연속벽 공법이란?
현재 국내에서는 깊은 굴착 시 흙막이 공법으로 지하연 속벽(Diaphragm Wall)이나 주열식 말뚝 벽체인 Soil Cement Wall(SCW), Cast-In-place Pile(CIP) 공법 등이 많이 사용 되고 있다. 지하연속벽 공법은 굴착 부분에 벤토나이트 안정액(Bentonite Slurry)을 채워넣고 지중에 연속된 철근 콘크리트 벽을 형성하는 현장타설말뚝 공법으로 대부분의 지반에 시공이 가능하고 다른 흙막이 구조물에 비해 벽체의 강성이 매우 크고 내수성이 높다는 장점 때문에 대심도 수직굴착현장에서 가장 많이 적용되고 있다(Noh et al., 2011).
CIP 공법의 단점은?
, 2012)으로 SCW보다는 강성이 커 지반 변위 억제에 효과적이다. 그러나, 말뚝 시공시 수직도를 유지하지 못할 경우 말뚝 간 틈새를 따른 누수 위험이 있고 굴착 심도가 커질 경우 배면 그라우팅으로도 차수가 어렵게 되는 단점이 있다. CIP의 이러한 단점을 보완할 수 있는 유사한 주열말뚝공법으로 미국이나 유럽 등 해외에서 주로 사용되는 겹침주열말뚝(Secant Pile Wall, SPW) 공법이 있다.
SCW 공법의 장점은?
그러나, 벤토나이트 안정액을 사용하여 지반을 굴착하기 때문에 굴착토와 분리가 곤란하고 굴착토 분리를 위해서 추가적으로 침전설비 및 기계적 설비가 요구된다는 점과 일반적으로 굴착에 사용되는 고가의 장비 등으로 공사비가 비교적 높고 협소한 현장에서는 시공이 어렵다는 단점이 있다. 한편, SCW 공법은 지중 토사에 시멘트 용액을 주입 혼합, 연속벽을 조성하여 지수벽(Cut-off wall) 역할과 동시에 횡방향 저항력 증대를 위해 벽체 내에 H-Pile을 삽입하여 주열식 말뚝으로 벽체를 형성하는 공법으로 연속성이 높은 일체 타원 구조물로 형성되기 때문에 차수성이 뛰어나고 삼축 오거에 의한 시공으로 공기의 단축을 꾀할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 상대적으로 강성이 크지 않아 적용 굴착 심도에 제약이 큰 점이 단점이라 할 수 있다.
참고문헌 (12)
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