[논문]토질특성에 따른 현장타설말뚝 지지력 산정 경험식의 적용성

김대현; 정상국

doi:10.12814/jkgss.2019.18.4.167

토질특성에 따른 현장타설말뚝 지지력 산정 경험식의 적용성
Applicability of Bearing Capacity for Single Drilled Shaft Using Empirical equation based on Ground Condition 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.18 no.4, 2019년, pp.167 - 180

김대현 (Department of Civil Engineering, Chosun Univ.) , 정상국 (Department of Disaster Prevention Safety Civil Engineering, Songwon Univ.)

초록
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마찰말뚝의 경우 연약지반이 깊은 동남아 지역(캄보디아, 미얀마, 베트남 등)의 많은 건설현장에서 시공되고 있으며, 경험적인 측면에서도 마찰말뚝에 대한 시공사례가 많이 축적되어 있다. 본 연구에서는 토사층에서 발휘되는 주면마찰력을 비교분석하기 위하여 미얀마 현장에서 시행된 4개소의 정재하시험과 하중전이시험 결과를 이용하였다. 현장타설말뚝의 정재하시험 및 하중전이시험에서 얻어진 주면마찰력과 해당 위치에서의 각각의 표준관입시험(SPT) N치와의 상관관계식을 제안하였다. 미얀마지역은 토사층의 범위가 폭넓게 분포하여 국내 지반조건과 상이한 특성으로 인해 SPT-N값에 의한 각각의 주면마찰력 산정결과가 달라지는 경향을 나타냈다. 사질토 지반에서는 미얀마 지역의 fs=0.096N, 국내에서의 fs=0.106N으로 유사한 결과를 나타냈으나, 점성토 지반조건에서는는 미얀마 지역의 fs=0.315N, 국내에서의 fs=0.062N으로 미얀마 지역의 주면마찰력이 약 5배 정도 높은 값이 얻어졌다. 본 연구의 비교분석자료는 국내·외의 제한된 Data를 통하여 분석한 결과이므로 향후 보다 많은 하중전이시험 결과가 축적된다면, 현장 토질 특성이 반영된 N치에 따른 주면마찰력 산정식을 제안할 수 있을 것이며, 금회 분석한 결과는 이에 대한 선행연구로서 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Friction piles are being constructed in Southeast Asia (Myanmar, Cambodia, Vietnam, etc.) where the soft ground is deep, and many cases of friction piles are accumulated in terms of experience. In this study, we used the results of four static load test and load transfer test conducted in Myanmar sites to analyze the skin friction of soil layer. In addition, we proposed a relationship chart with skin friction measured in the N-value of Standard Penetration Test (SPT) and the load transfer test result of the single drilled shaft. In the case of Myanmar sites, the range of soil layers was deeper than domestic sites, so the conventional formula of skin friction using the N-value of SPT is different from domestic sites. In sandy layer, fs = 0.096 N in Myanmar sites showed a similar result of the domestic fs = 0.106 N. In clayey layer, fs = 0.315 N, in Myanmar sites showed about 5.0 times higher than the domestic fs = 0.062 N. The results of this study are based on limited data. Therefore, if we analyze the results of more load transfer tests, we can suggest a conventional formula for skin friction according to the N-value. It is expected to be used as important basic data in the future.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Position of load test in Myanmar
그림 Fig. 2. Geologic columnar section of Yangon region
그림 Fig. 3. Geologic columnar section of Mandalay region
그림 Fig. 4. Distribution of axial load for depth
표 Table 1. Plan of load transfer test
그림 Fig. 5. Setting drawing of sense and static load test
그림 Fig. 6. Results of load transfer test
표 Table 2. Skin friction per unit area
그림 Fig. 7. SPT N/cm
그림 Fig. 8. Skin friction in Korea
그림 Fig. 9. Skin friction in Myanmar
표 Table 3. Static formula for pile bearing capacity
표 Table 4. Estimation of geotechnical properties
표 Table 5. Ultimate bearing capacity for analytical

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 동남아의 미얀마 지역에서 마찰지지 말뚝에 대한 정재하시험(압축, 하중전이)을 통하여 정량적인 말뚝기초의 거동특성을 분석하고자 하였으며, 각 지층의 N치에 대한 주면마찰력의 상관관계를 통하여 상관식을 도출하고자 하였다. 또한, 국내지반의 마찰지지 말뚝의 N치에 관한 상관식과 비교?분석하여 마찰지지 말뚝의 거동특성을 분석하고자 하였다.
본 연구는 동남아 미얀마 지역에서의 마찰지지말뚝에 대한 거동특성을 파악하기 위해 총 4개 사례현장의 현장타설말뚝에 대하여 하중전이 재하시험을 실시하였다. 하중전이시험이 실시된 현장은 점성토, 사질토 지반 등으로 지층이 구성되어 있다.
본 연구에서 시공된 말뚝은 현장타설 말뚝으로 말뚝의 직경(D)은 800mm, 설계하중은 지역에 따라서 다르게 적용되어 설치된 말뚝으로 깊은 퇴적지반특성을 고려한 지지력 계산법과 검증을 위해 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 동남아의 미얀마 지역에서 마찰지지 말뚝에 대한 정재하시험(압축, 하중전이)을 통하여 정량적인 말뚝기초의 거동특성을 분석하고자 하였으며, 각 지층의 N치에 대한 주면마찰력의 상관관계를 통하여 상관식을 도출하고자 하였다. 또한, 국내지반의 마찰지지 말뚝의 N치에 관한 상관식과 비교?분석하여 마찰지지 말뚝의 거동특성을 분석하고자 하였다.

제안 방법

연약지반에 대한 주면마찰력 산정으로는 Kim et al.(1994)이 연약지반에 근입된 말뚝의 주면마찰력 산정에 관한 연구를 진행하였으나 N치와의 상관관계가 아닌 압밀 절차에 따른 주면마찰력의 발생을 분석하였다.
(2) 하중전이시험을 통한 각 구간별 주면마찰력과 표준관입시험 N치를 비교분석한 결과, 다음과 같은 산정식을 결정하였다. 사질토 지반의 경우 fs = 0.
4개 사례현장(양곤 2개소, 만델리 2개소)은 퇴적지반이 깊은 미얀마 지역의 대표적인 지층구조이며, 총 4개소에 대해 정재하시험 및 하중전이 시험을 수행하여 주면마찰력에 대한 평가를 실시하였다.
하중전이시험이 실시된 현장은 점성토, 사질토 지반 등으로 지층이 구성되어 있다. 각각의 지층에 대해 N치에 대한 주면마찰력이 고려된 상관식을 도출하여 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
국내 표준관입시험은 타격 시 50회를 기준으로 몇 cm 관입되는 양을 표시하는 방법을 사용하고 있으나 국외 표준관입시험은 30cm 관입되는 양이 될 때까지 타격횟수를 증가시키므로 100∼200회까지도 나오는 경향이 있다. 따라서 본 연구에서는 환산 표준관입시험 N치를 이용하여 분석하였다. 환산 표준관입시험 N치는 다음과 같은 방법으로 구하였다.
본 연구에서 사질토 및 점성토 지반의 지반정수는 표준관입시험 N치를 이용하여 산정하였다. Table 4는 사질토 및 점성토 지반의 지반정수를 나타낸 것이다.
국내 50여 개 지역의 현장에서 수행된 양방향말뚝재하시험 결과(Seo, 2015)를 바탕으로 미얀마 지역의 사질토 지반과 점성토 지반을 비교?분석하기 위해 미얀마 4개의 Site에서 수행된 정재하시험 결과를 바탕으로 지층별 단위주면마찰력을 계산하여 N치의 관계를 분석하였다.
그렇게 되면 50/30이나 50/15도 동일하게 50으로 적용하게 되는 것이다. 이러한 불합리한 점을 개선하기 위해 위의 Fig. 7과 같이 단위길이 관입에 필요한 타격횟수(N/cm)를 계산하여 제안하였다. 값은 50회로 나타나는 50회/25cm, 50회/10cm, 50회/5cm의 경우도 단위길이 관입에 필요한 타격횟수(N/cm)로 나타내면 2.
0으로 표현되었다. 이렇게 환산된 N치와 단위주면마찰력과의 상관관계에 대해 비교분석하였다.

대상 데이터

Fig. 5에서 보는바와 같이 Site-1, 2, 3의 경우 양곤과 만델리 지역 모두 A-A`구간에 4개의 센서, B-B`구간에 2개의 센서, C-C`구간에 2개의 센서, D-D`구간에 4개의 센서를 설치하여 총 20개의 센서를 설치하였다. 그리고 Site-4의 경우는 말뚝 길이가 짧아 5구간에 대하여 4개의 센서를 설치하여 총 20개의 센서를 설치하였다.
본 조사에서는 대부분 Clay, Silt, Sand 순으로 중간에 Clay가 혼재되어 복잡한 지층구조로 분포하고 있다. Site-1의 경우 말뚝의 길이는 30.

데이터처리

본 연구에서 제안하고자 하는 미얀마 4개의 Site에서 수행된 정재하시험 결과를 바탕으로 지층별 단위주면마찰력을 계산하여 N치의 관계를 비교분석하였다. 미얀마 지역에서는 암반층이 발견되지 않았으며, 상부에는 비교적 연약한 점성토 지반 및 느슨한 사질토 지반이 많이 분포하였다.
또한, 만델리 지역 Site-3의 경우 5878kN, Site-4의 경우 4392kN 이상으로 나타났다. 적용된 이론식은 Table 4의 정역학적 지지력 공식을 적용하였으며, 경험식은 식 (3)과 같이 선굴착공법에 의한 경험식을 사용하여 현장시험 결
과와 비교분석하였다.

이론/모형

현장시험결과와 극한지지력을 비교하기 위해 이론식은 정역학적 지지력 공식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 하중전이 시험결과, 주면마찰 지지력이 선단지지력 대비 55.9∼88.2%로 선단지지말뚝으로 설계하는 국내 지반과는 달리 주면마찰 지지력이 50% 이상이므로 마찰지지 말뚝임을 확인할 수 있었다.
(3) 이론식 및 경험식에 의한 극한지지력 산정결과는 실측값인 재하시험에 비해 과소평가되었다. 따라서 이론식 및 경험식은 지지력이 과소평가 될 수 있어 향후 보다 많은 신뢰성 있는 Data를 확보하여 현장조건에 맞는 수정 경험식을 산정하여 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
경험식에 의한 극한지지력 산정결과, 이론식에 비해 현장시험결과와 가까운 결과값을 나타내었으며, 말뚝의 거동은 모두 마찰지지 말뚝의 거동을 하여 이론식에 비해 현장조건과 적합한 결과값을 나타내었다. 그러나 점성토 지반으로 구성된 경우 주면지지마찰력이 현저히 낮은 문제점을 안고 있다는 것을 알 수 있었다.
9(b)는 점성토 지반으로서 사질토 지반과 동일한 방법으로 회귀곡선을 작도하였다. 그 결과 50회 이하에서 낮게 측정된 것으로 나타났는데 이는 실트질이나 순수 점성질을 가지는 토층이 깊은 구간에 분포하고 있어 단위주면 마찰력이 높게 측정된 것으로 판단된다.
그러나 미얀마 지역에서 하중전이시험으로 측정된 Data 분석 결과 하중전이시험을 통하여 총 지지력 대비 선단지지력과 주면마찰력을 구분하여 측정할 수 있었으며, 선단지지력 < 주면마찰력이 크므로 마찰지지 말뚝의 거동을 확인할 수 있었다.
9(a)는 사질토 지반에서 단위주면마찰력을 그 지층에서 측정된 표준관입시험 값과 비교 분석한 것을 나타낸것이다. 단위주면마찰력과 표준관입시험 값의 관계를 회귀곡선을 작도하여 비교분석한 결과, 타격횟수 50회 이상에서는 약간의 밀집된 분포를 보이나, 50회 이하에서는 매우 광범위한 분포를 나타내었다.
이는 지층 구성의 조밀도, 유효상재하중 및 지층의 두께에 의한 영향인 것으로 판단된다. 따라서 선단에 암반이 없는 퇴적지반이 깊은 현장타설말뚝의 경우 점성토에서의 주면마찰력이 상당히 높아짐이 나타났다. 또한, 대부분 표준관입시험 타격횟수 100회 이내로 측정되었으며, 단위주면마찰력의 사질토 지반에서는40∼200kN/m², 점성토지반에서는 10∼150kN/m²로 측정되었다.
따라서 이론식에 의한 극한지지력은 현장조건에 적합하지 않은 결과가 나타났으나, 경험식에 의한 극한지지력은 현장조건과 적합한 거동을 나타냈다. 향후 지속적으로 신뢰성 있는 Data를 확보하여 현장조건에 맞는 수정 경험식을 산정하여 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
02%가 주면마찰에 의하여 지지가 되는 것으로 나타났다. 또한, Site-2는 시험 최대하중 9900kN에서 말뚝선단으로 전달된 하중은 1167kN으로 주면마찰에 의해 지지가 된 하중은 8733kN으로 전체 재하하중의 88.2%가 주면마찰에 의하여 지지가 되는 것으로 나타나, 양곤지역은 연약지반 심도가 깊어짐에 따라 선단지지력 보다 주면마찰력이 크게 나타난 것으로 판단된다.
9%가 주면마찰에 의해 지지되는 것으로 나타났다. 또한, Site-4는 시험 최대하중 4392kN에서 말뚝선단으로 전달된 하중은 1008kN으로 주면마찰에 의하여 지지된 하중은 3384kN으로 전체 재하하중의 77.0%가 주면마찰에 의하여 지지가 되는 것으로 나타나, 양곤지역(Site-1, 2)보다 연약지반 심도가 깊지 않아 선단지지력이 약간 크게 나타난 결과로 판단된다. 그러나 미얀마 지역에서 하중전이시험으로 측정된 Data 분석 결과 하중전이시험을 통하여 총 지지력 대비 선단지지력과 주면마찰력을 구분하여 측정할 수 있었으며, 선단지지력 < 주면마찰력이 크므로 마찰지지 말뚝의 거동을 확인할 수 있었다.
이론식과 경험식에 의한 극한지지력 산정결과, 현장시험 결과에 비해 현저하게 낮은 극한지지력 값이 나타났는데, 위에서 보는 바와 같이 이는 연약지반이 깊은 지반에서는 이론식과 경험식이 과소평가될 수 있음을 확인하였다.
이론식에 의한 극한지지력 산정결과, 사질토 지반의 경우 현저하게 낮은 주면마찰력 값을 나타내어 큰 차이가 나타났으며, 또한 말뚝의 거동은 모두 선단지지 말뚝의 거동을 하여 현장조건과 적합하지 않은 결과값을 나타내었다.
6과 Table 2와 같다. 하중전이 양상은 상부 점성토 지반과 느슨한 사질토 지반에서 마찰력의 작용이 상당히 큰 것을 확인하였으며, 하부 사질토 지반에서 점진적인 주면마찰력의 감소 양상을 나타냈다.
현장시험 결과 측정된 극한지지력은 양곤 지역 Site-1의 경우 4703kN 이상, Site-2의 경우 7062kN으로 나타났다.

후속연구

(4) 본 연구는 국내･외의 제한된 Data를 이용하여 나타난 결과이므로 향후 보다 많은 정･동재하시험을 통한 하중전이시험을 비교분석한다면 정확한 N치에 따른 주면마찰력 산정식을 제안할 수 있을 것으로 보며, 또한 중요한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 이론식 및 경험식에 의한 극한지지력 산정결과는 실측값인 재하시험에 비해 과소평가되었다. 따라서 이론식 및 경험식은 지지력이 과소평가 될 수 있어 향후 보다 많은 신뢰성 있는 Data를 확보하여 현장조건에 맞는 수정 경험식을 산정하여 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
또한, 현장조건보다 정확한 이론값의 지지력을 결정하기 위해서는 현장의 다양한 지반조건, 시공여건 등의 환경적인 요소와 깊이별 c, 와 같은 지반정수를 정확하게 예측, 결정하여 평가해야 할 것으로 판단된다.
그러나 미얀마지역 특성상 SPT 시험 시 동적장비가 아닌 인력으로 SPT 시험이 수행되므로 시험자에 따른 오차, 장비의 숙력도 등에 영향을 받으며, 지역 특성상 선행압밀하중에 의한 조건이 모두 상이하므로 R2가 낮게 나타난것으로 판단된다. 본 연구결과는 R2가 사질토 지반의 경우 66.27%, 점성토 지반의 경우 70.48%로 제한된 Data를 통하여 나타난 결과이므로 보다 많은 하중전이시험 결과를 비교분석한다면 보다 신뢰성 높은 주면마찰력 산정식을 제안할 수 있을 것으로 보이며, 향후 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 이론식에 의한 극한지지력은 현장조건에 적합하지 않은 결과가 나타났으나, 경험식에 의한 극한지지력은 현장조건과 적합한 거동을 나타냈다. 향후 지속적으로 신뢰성 있는 Data를 확보하여 현장조건에 맞는 수정 경험식을 산정하여 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 지층에서 구조물 및 성토 시 시공에 어려움이 발생하는 이유는?	국내의 해안 지역의 준설 매립을 통한 국토 개발이 활발 하게 이루어지고 있다. 국내 지층은 해성 점성토가 대부분 차지하고 있으며, 연약 또는 퇴적 상태로 분포하고 있어 구조물 및 성토 시 시공에 따른 지지력 저하, 부마찰력 발생, 액상화 및 침하가 발생하여 어려움을 겪고 있다.
	말뚝의 지지력이란?	말뚝의 지지력은 말뚝에 작용하는 상부의 하중이 지반으로 전이되는 능력을 말하며 이는 말뚝과 지반의 상호작용 및 말뚝이 근입된 지반의 특성에 따라 다르게 작용한다. 또한, 말뚝에 작용하는 상부의 하중으로 인해서 주변 지반 대비 상대침하가 발생하며 이 과정에서 주면마찰력과 선단지지지력에 의해서 지지력이 나타난다.
	말뚝에 작용하는 하중이 지반에 전달되는 방법은?	말뚝에 작용하는 하중은 크게 두 가지 방법으로 지반에 전달된다. 첫째는 말뚝 선단에서의 압축력, 즉 선단지지력(End bearing)에 의한 것이고, 둘째는 말뚝표면을 따라 발생하는 전단력, 즉 주면마찰력(Skin friction)에 의한 것이다. 따라서 말뚝의 극한지지력은 다음과 같이 극한 선단지지력과 주면마찰력으로 구분하여 계산할 수 있다.

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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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