[논문]확장판 선단부착 PHC말뚝 시공법에 관한 기술적 고찰 -현장 시공안전성능 검증실험 결과를 중심으로-

최용규; 김명학

확장판 선단부착 PHC말뚝 시공법에 관한 기술적 고찰 -현장 시공안전성능 검증실험 결과를 중심으로- 원문보기

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문제 정의

이 기술기사에서는 국내에서 사용이 급증하고 있는 확장판 선단부착 PHC말뚝에 대한 기술적 수준을 고찰하고자 한다. 또한 해당 말뚝의 지지력 성능, 시공 안전성 성능 등을 확인할 수 있는 올바른 검증시험 방법론을 살펴보고자 한다.
이 기술기사에서는 국내에서 사용이 급증하고 있는 확장판 선단부착 PHC말뚝에 대한 기술적 수준을 고찰하고자 한다. 또한 해당 말뚝의 지지력 성능, 시공 안전성 성능 등을 확인할 수 있는 올바른 검증시험 방법론을 살펴보고자 한다.

제안 방법

선단변형 PHC말뚝의 축하중 분포도를 그림 4(b)에 나타내었다. 각 위치에서의 축하중은 축하중계측용 센서에서 측정된 변형율 값에 말뚝의 탄성계수 값과 말뚝 몸체의 직경 값을 곱하여 계산하였다. 이때, TP-1, TP-2 말뚝은 최대 재하 하중에서의 축하중 분포도를 나타내었으며 TP-3는 TP-1, TP-2와의 비교를 위하여 가장 유사한 단계의 재하하중인 6.
이 때 매 타격마다 동재하시험을 실시하여 PHC말뚝에 발생하는 항타응력을 조절하면서 최종관입량 및 지지력의 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 1)와 현행 시공법대로 최종관입량을 만족할 때 동재하시험을 실시하여 지지력 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 2)로 구분하여 시공하는 것으로 계획하였다. 길이 14m의 단본말뚝을 사용하거나 이음이 필요한 경우에는 용접방식 이음을 실시하였다.
0m 만큼 관입되도록 매입 시공하였다. 이 때 매 타격마다 동재하시험을 실시하여 PHC말뚝에 발생하는 항타응력을 조절하면서 최종관입량 및 지지력의 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 1)와 현행 시공법대로 최종관입량을 만족할 때 동재하시험을 실시하여 지지력 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 2)로 구분하여 시공하는 것으로 계획하였다. 길이 14m의 단본말뚝을 사용하거나 이음이 필요한 경우에는 용접방식 이음을 실시하였다.
각 위치에서의 축하중은 축하중계측용 센서에서 측정된 변형율 값에 말뚝의 탄성계수 값과 말뚝 몸체의 직경 값을 곱하여 계산하였다. 이때, TP-1, TP-2 말뚝은 최대 재하 하중에서의 축하중 분포도를 나타내었으며 TP-3는 TP-1, TP-2와의 비교를 위하여 가장 유사한 단계의 재하하중인 6.98MN에서의 축하중 분포도를 도시하였다. 3가지 선단변형 PHC말뚝들의 축하중 분포도는 비슷한 경향을 나타내었다.
따라서 추후 동영상을 통하여 시공 후 상태를 추가로 정밀하게 분석할 수 있었다. 현장 실험 결과를 표 1에 요약하였으며 확장판 선단의 손상 유형 예(사진 1) 및 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝의 손상 유형 예(사진 2)의 대표적인 사례를 시험말뚝의 기호와 함께 나타내었다. 확장판 선단에서는 영구변형이 유발되어 원형을 유지하지 못하였고(사진 1 참조), 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝에서는 보수불가능한 수직 균열(그림 3 참조), 말뚝 하단부 파괴(사진 2(a) 참조), 하부 보강밴드 손상 및 콘크리트 손상(사진 2(b) 참조), 하부 보강밴드 상단 콘크리트 일부 탈락(사진 2(c) 참조), 말뚝과 하부밴드 사이 벌어짐(사진 2(d) 참조) 등의 손상이 유발되었다.
이 때 PC강봉에 맞닿아 있는 확장판 선단은 항타로 인한 반력을 PC강봉에 작용시키게 되는 데 이로 인하여 확장판선단 부착에 따라 확장판 선단에 구속된 PC강봉에서는 팽창변형이 발생하게 되고 동시에 PC강봉 주변 콘크리트에 인장 균열을 발생시킨다. 확장판 선단부착 PHC말뚝 매입 시공 후 시공된 말뚝 주변을 선행 천공한 후 해당 말뚝을 뽑아내어 육안으로 관찰하였는데 상당수의 시험말뚝에서 PC 강봉을 따라 심각한 수직 균열이 발생되어 있었으며 이들 균열은 대부분 보수불가능한 구조적인 균열이었다(그림 3 참조).
확장판 선단부착 PHC말뚝을 시험 시공한 후 시공된 말뚝의 주변을 천공하여 시험말뚝을 뽑아내어 지상의 거치대에 위치시킨 후 확장판 선단과 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝의 상태를 육안으로 관찰하였고 균열 등은 균열게이지로 폭을 측정하였고 길이는 줄자로 측정하였으며 모든 과정은 동영상으로 촬영하였다. 따라서 추후 동영상을 통하여 시공 후 상태를 추가로 정밀하게 분석할 수 있었다.

대상 데이터

직경 500mm PHC말뚝의 선단에 확장판을 볼트로 부착하여 풍화암층에 2.0m 만큼 관입되도록 매입 시공하였다. 이 때 매 타격마다 동재하시험을 실시하여 PHC말뚝에 발생하는 항타응력을 조절하면서 최종관입량 및 지지력의 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 1)와 현행 시공법대로 최종관입량을 만족할 때 동재하시험을 실시하여 지지력 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 2)로 구분하여 시공하는 것으로 계획하였다.

성능/효과

(1) 확장판 선단에서는 영구변형이 유발되어 원형을 유지하지 못하였고 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝에 서는 보수불가능한 수직 균열, 말뚝 하단부 파괴, 하부 보강밴드 손상 및 콘크리트 손상, 하부 보강밴드 상단 콘크리트 일부 탈락, 말뚝과 하부밴드 사이 벌어짐 등의 손상이 유발되었다.
(2) PHC말뚝, 확장판 선단부착 PHC말뚝, 강관 선단부착 PHC말뚝의 하중-침하량 거동은 거의 동일한 양상을 나타내었다. 따라서 말뚝이 선단지지층에 근입된 길이가 동일하고 말뚝의 직경이 동일할 경우 확장판 선단부착 PHC말뚝 및 강관 선단부착 PHC말뚝의 지지력 증대 효과는 거의 없는 것으로 나타났다.
(3) 확장판 선단부착 PHC말뚝의 경우 축하중전이 측정이 수반된 연직압축 정재하시험을 실시하여 PHC말뚝의 연직하중지지 성능과 비교하면 연직하중지지력의 증가 양상을 명확하게 분석할 수 있으며 현장에서 현행 경타 시공법으로 시공한 후 말뚝을 뽑아서 확장판 선단과 그것이 부착된 PHC말뚝을 관찰해보면 경타 시공에 따른 손상여부를 명확하게 확인할 수 있을 것으로 판단된다.
(2) PHC말뚝, 확장판 선단부착 PHC말뚝, 강관 선단부착 PHC말뚝의 하중-침하량 거동은 거의 동일한 양상을 나타내었다. 따라서 말뚝이 선단지지층에 근입된 길이가 동일하고 말뚝의 직경이 동일할 경우 확장판 선단부착 PHC말뚝 및 강관 선단부착 PHC말뚝의 지지력 증대 효과는 거의 없는 것으로 나타났다.
3가지 선단변형 PHC말뚝들의 축하중 분포도는 비슷한 경향을 나타내었다. 최대재하하중단계에서 말뚝 기초의 지지력 중 주면마찰력이 대부분의 재하 하중을 지지하였으며 PHC말뚝, 확장판 선단부착 PHC말뚝, 강관 선단부착 PHC말뚝에서 선단 지지력은 각각 4, 5, 2%의 재하 하중을 지지하는 것으로 나타났다.
현장에 시험 시공된 PHC말뚝(TP-1), 확장판 선단부착 PHC말뚝(TP-2), 강관 선단부착 PHC말뚝(TP-3)의 하중–침하량 거동은 거의 동일한 양상을 나타내었으며(그림 4(a) 참조) 따라서 말뚝의 근입길이가 동일하고 선단지지층의 근입길이가 동일하고 말뚝의 직경이 동일할 경우 선단부착 말뚝들의 지지력 증대 효과는 없는 것으로 나타났다.
확장판 선단부착으로 인해 PHC말뚝의 PC강봉을 따라 발생된 보수불가능 균열들을 통하여 지하수가 말뚝 내부로 침투되어 PC강봉을 점진적으로 부식시키게 되고 시간이 경과함에 따라 부식은 점차 가속화될 수 있으며 이에 따라 부식된 PC강봉의 부피팽창으로 인하여 콘크리트의 파손은 급격하게 유발될 수 있을 것으로 판단되었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

선단확장형 PHC말뚝은 무엇인가?

일본에서는 PHC말뚝의 선단부의 콘크리트 두께를 바깥쪽으로 확장시킨 선단확장형 PHC말뚝(그림 1(a) 참조)을 사용하고 있으며 국내에서도 생산되고 있다. 이는 선단 두께부를 구조적으로 보강한 말뚝으로 선단 확장형 PHC말뚝의 지지력 증가효과는 확실하게 검증되었다.

확장판 선단은 어떠한 구조인가?

확장판 선단은 PHC말뚝의 마밀라슈 탭경에 고장력볼트로 90N·m의 토크치를 작용시켜 체결되는 구조이며 각 주요 부분은 확장판 선단(SS400; 그림 2(a) 참조), 마밀라 슈(SS400; 그림 2(b) 참조), 고장력 볼트(F10T) 등이다. PHC말뚝의 생산 과정에서 마밀라슈 탭경은 1차 사용되며 PC강봉에 긴장력을 도입할 때 마밀라슈의 탭경과 성형판은 인장볼트로 체결되어 6∼7톤의 긴장력을 도입시킨다(그림 2(c), (d) 참조).

매입 시공에서 최종 경타 시 항타에너지는 대부분 PC강봉을 통하여 PC강봉 헤드부에 맞닿은 확장판 선단에 직접 전달되는데, 이는 무엇 때문에 발생하는 현상인가?

매입 시공에서 최종 경타 시 항타에너지는 대부분 PC강봉을 통하여 PC강봉 헤드부에 맞닿은 확장판 선단에 직접 전달된다. 이는 PC강봉의 탄성계수가 콘크리트의 탄성 계수보다 크기 때문에 PC강봉에서 압축 변위가 더 작게 발생하게 되어 나타날 수 있는 현상이다. 이 때 PC강봉에 맞닿아 있는 확장판 선단은 항타로 인한 반력을 PC강봉에 작용시키게 되는 데 이로 인하여 확장판선단 부착에 따라 확장판 선단에 구속된 PC강봉에서는 팽창변형이 발생하게 되고 동시에 PC강봉 주변 콘크리트에 인장 균열을 발생시킨다.

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