[논문]무리말뚝을 구성하는 개별말뚝의 선단지지력에 대한 실험연구

나용수; 이상덕

doi:10.7843/kgs.2019.35.6.27

무리말뚝을 구성하는 개별말뚝의 선단지지력에 대한 실험연구
Experimental Study on the End Bearing Capacity of the Pile in a Group Pile 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.35 no.6, 2019년, pp.27 - 38

나용수 (아주대학교 건설교통공학과) , 이상덕 (아주대학교 건설교통공학과)

초록
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균질한 지반에서 말뚝의 지지력은 선단지지력과 주변마찰력의 합이며, 사질지반에서는 주변마찰력이 선단지지력보다 우세한 것으로 알려져 있다. 다수의 말뚝을 근접하여 설치하는 무리말뚝에서는 말뚝 하나하나의 지지력이 말뚝 상호간 간섭에 의해 달라질 수 있으므로, 말뚝의 근접도에 따라서 선단지지거동과 주변마찰거동의 변화를 정확하게 파악하여 말뚝을 설계해야 한다. 따라서 본 연구에서는 주면마찰거동의 영향을 배제한 상태에서 무리말뚝의 선단지지거동을 측정하기 위해 크기가 일정한 원형 토조에서 여러 가지 직경과 깊이로 말뚝을 설치하고 상대밀도가 균일한 모래지반을 조성한 후 선단지지력을 측정하여 무리말뚝의 근접도에 따른 영향을 확인하였다. 연구결과 말뚝의 선단저항력은 비교적 뚜렷하게 극한값을 나타냈다. 말뚝의 극한선단지지력은 주면마찰력과 말뚝의 직경에 의한 영향을 적게 받으며, 말뚝관입길이가 깊어질수록 일정한 값에 수렴하였다. 또한, 무리말뚝에서 인접한 말뚝이 말뚝 직경만큼 서로 이격되어 있으면 인접말뚝의 영향이 거의 없었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bearing capacity of a pile in homogeneous soil is the sum of end bearing and skin resistance, and the skin resistance is more prominent in sandy soil. Bearing capacity of a pile in pile groups especially in sandy ground should be designed under the consideration of the influence by the adjacent piles. In this study, the end bearing capacity of a pile in pile groups was experimentally investigated. For this purpose, piles were installed in sandy ground in a circular test box, and end bearing - settlement behavior of the pile was measured while the pile was loaded. As the results, end bearing - settlement relation curves of the piles showed a distinct limit value. Limit value of the end bearing was little affected by skin friction and pile diameter, and it became a constant value as pile penetrates deeper. End bearing was not affected by the adjacent piles in a group of piles, when their clearance was larger than the pile diameter.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. End bearing of a pile (Lee, 2014b)
그림 Fig. 2. Bearing capacity factor of Meyerhof (Meyerhof, 1976)
그림 Fig. 3. Foundation failure modes depending on relative density in sand (Vesic, 1973)
그림 Fig. 4. N_q in internal friction angle and rigidity index (Kulhawy, 1984)
그림 Fig. 6. General view of model test apparatus
그림 Fig. 5. Basic properties
표 Table 1. Model test
표 Table 2. Physical properties of model ground
그림 Fig. 7. Sequence of model testing
그림 Fig. 8. Test results and calculation of ultimate end bearing capacity of piles
그림 Fig. 9. Relationship between normalized end bearing capacity and normalized pile length
그림 Fig. 10. End bearing - settlement curve depending on pile roughness
그림 Fig. 11. End bearing - settlement curve depending on pile diameter
그림 Fig. 12. Ultimate end bearing capacity in pile length
그림 Fig. 13 Ultimate end bearing capacity of piles

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 무리말뚝에서 말뚝 상호간의 간섭에 의해 말뚝선단의 지지거동을 규명하기 위하여 모형실험을 수행하였으며, 말뚝의 근접도에 따른 영향은 크기가 일정한 원형 토조에서 여러 가지 직경으로 말뚝을 설치하고 재하실험하여 말뚝의 근접도에 따른 선단 지지력의 변화를 파악하였다.

제안 방법

다수의 말뚝을 근접하여 설치할 경우에 대해 말뚝 상호간의 근접도에 따른 말뚝의 선단지지거동을 규명하기 위해 제한된 크기의 원형 토조에서 건조한 모래로 균질한 지반을 조성하고 원형 말뚝의 직경과 관입깊이 및 주면마찰을 변화시키면서 모형실험을 수행하였다. 이로부터 균질한 모래지반에 설치한 무리말뚝의 개별적 선단지지력에 대해 다음과 같은 결론에 도달하였다.
원형 토조의 내벽면은 직경이 큰 말뚝에서는 주면과 가까우므로 영향이 큰 동일 영향권이고, 직경이 작은 말뚝에서는 말뚝 주면과 멀기 때문에 영향이 작은 동일 영향권이다. 따라서 동일한 원형 토조에서 일정한 상대밀도로 균일하게 모래지반을 조성하고 여러 가지 직경의 말뚝을 설치하고 실험하여 말뚝의 근접도에 의한 영향을 확인하였으며, 모든 말뚝에서 말뚝의 근입깊이를 변화시켰다.
한정된 크기의 원형 토조에 여러 가지 직경으로 말뚝을 설치하여 즉, 여러 가지 근접도 조건을 조성하고 재하실험을 수행하여 근접도에 따른 무리말뚝의 선단지지력을 측정하였다. 또한, 모형말뚝의 관입길이와 주면 마찰상태를 변화시키면서 실험하여 다양한 결과를 얻었다.
말뚝을 설치하여 계획한 근입깊이만큼 지반을 조성한 후 재하장치를 설치하고 하중제어 방식으로 말뚝을 연직방향으로 재하하였다. 재하중에 재하중과 말뚝의 침하 관계를 측정하여 극한지지력이 확실히 확인될 때까지 재하하였다.
말뚝의 극한 선단저항력의 크기와 극한선단저항력에 도달하는 변위의 크기는 말뚝주면의 거칠기와 거의 무관한 것으로 나타났다. 말뚝의 거칠기에 따른 선단하중-침하 관계는 토조와의 상대적 크기로 볼 때 가장 유리하다고 판단되는 직경 D38 말뚝의 결과를 분석하여 파악하였다.
말뚝의 극한 선단저항력의 크기와 극한 선단저항력에 도달하는 변위의 크기를 파악하기 위해 4가지 지경의 말뚝(D38, D60, D78, D114)에 대해 4가지 길이(L40, L50, L60, L70)로 수행한 실험결과를 분석하였다. 이때 말뚝의 주면거칠기는 내부마찰각과 같은 ø인 경우를 대상으로 하였다.
말뚝하부의 기초지반을 높이 20 cm로 먼저 조성한 이후에 토조의 중앙에 연직으로 모형말뚝을 위치시키고 주변에 강사하여 말뚝을 근입시켰다. 말뚝의 근입깊이는 40 cm, 50 cm, 60 cm, 70 cm로 조성하였다.
말뚝의 하부 및 주변지반은 균질하고 단위중량이 균일하도록 강사량과 강사고를 일정하게 유지하면서 강사하여 즉, 한번에 10 cm가 성토되는 양의 모래를 강사고 50 cm에서 강사하여 조성하였다.
2) 말뚝설치

말뚝하부의 기초지반을 높이 20 cm로 먼저 조성한 이후에 토조의 중앙에 연직으로 모형말뚝을 위치시키고 주변에 강사하여 말뚝을 근입시켰다. 말뚝의 근입깊이는 40 cm, 50 cm, 60 cm, 70 cm로 조성하였다.
모형말뚝은 4 가지 직경 즉, 144 mm(D114), 78 mm(D78), 60 mm(D60), 38 mm(D38)로 하였고, 각 말뚝의 주면은 샌드페이퍼를 부착하여 벽마찰각이 ø(F3), 2ø/3(F2), ø/3ø/3(F1)가 되도록 하였다.
따라서 동일한 원형 토조에서 여러 가지 직경의 말뚝에 대해 재하실험하여 선단 지지력을 측정하면, 말뚝의 근접도에 따라 선단 지지력이 받는 영향을 확인할 수 있다. 모형실험에서 지반은 일정한 상대밀도로 균일하게 모래로 조성하였으며, 모든 말뚝에서 말뚝의 근입깊이를 변화시켰다.
모형실험에서 측정한 무리말뚝의 선단지지력은 얕은 기초 지지력공식 등 이론식을 적용하여 계산한 값을 약간 상회하였다. 이론식을 적용하여 구한 결과들도 적용한 식에 따라 차이가 났고, 이는 각 식들의 이론적 배경이 다르기 때문인 것으로 판단된다(Fig.
모형실험은 Fig. 7과 같이 말뚝 하부 지반조성, 말뚝설치, 말뚝 주변지반조성, 연직하중 재하 순서로 진행하였다. 즉, 말뚝을 설치하고 모래를 강사하여 균질한 지반을 조성한 후에 재하프레임을 설치하고 응력재하방식으로 유압잭으로 하중을 재하하였다.
무리말뚝에서 말뚝 상호간의 간섭에 의해 말뚝선단의 지지거동을 규명하기 위하여 모형실험을 수행하였으며, 말뚝의 근접도에 따른 영향은 크기가 일정한 원형 토조에서 여러 가지 직경으로 말뚝을 설치하고 재하실험하여 파악하였다. 즉, 균질한 지반에서 말뚝의 영향은 동일한 거리에서 같고 원형 토조의 내벽면이 동일 영향권이라고 생각하였다.
무리말뚝에서 말뚝의 근접도에 의한 영향은 크기가 일정한 원형 토조에서 여러 가지 직경으로 말뚝을 설치하고 재하실험하여 파악하였다. 즉, 균질한 지반에서 원형 말뚝의 영향은 동일한 거리에서 같으므로 동일 영향권은 말뚝을 중심으로 동심원을 나타낸다.
본 연구에서는 말뚝 주면의 거칠기를 변화시키면서 말뚝을 재하하고, 그때의 선단저항각을 별도로 측정하여 선단저항력-말뚝선단변위 관계를 구하였다. 이때 말뚝의 선단변위는 말뚝의 직경으로 무차원화하여 나타내었다.
원형토조는 내경이 38 cm이고 높이 90 cm이며, 내벽에는 철망을 설치하여 벽마찰이 내부마찰각이 되도록 하였다. 모형말뚝은 4 가지 직경 즉, 144 mm(D114), 78 mm(D78), 60 mm(D60), 38 mm(D38)로 하였고, 각 말뚝의 주면은 샌드페이퍼를 부착하여 벽마찰각이 ø(F3), 2ø/3(F2), ø/3ø/3(F1)가 되도록 하였다.
7과 같이 말뚝 하부 지반조성, 말뚝설치, 말뚝 주변지반조성, 연직하중 재하 순서로 진행하였다. 즉, 말뚝을 설치하고 모래를 강사하여 균질한 지반을 조성한 후에 재하프레임을 설치하고 응력재하방식으로 유압잭으로 하중을 재하하였다.
한정된 크기의 원형 토조에 여러 가지 직경으로 말뚝을 설치하여 즉, 여러 가지 근접도 조건을 조성하고 재하실험을 수행하여 근접도에 따른 무리말뚝의 선단지지력을 측정하였다. 또한, 모형말뚝의 관입길이와 주면 마찰상태를 변화시키면서 실험하여 다양한 결과를 얻었다.

대상 데이터

모형 토조는 내경이 38 cm이고 높이 90 cm이며 원형아크릴로 제작하였고, 내벽에는 벽마찰이 내부마찰각이 되도록 철망을 설치하였다(Fig. 6). 모형 토조는 말뚝 주면 마찰력만을 측정하기 위한 로드셀 1개, 선단지지지력을 측정하기 위한 로드셀 1개, 토조의 벽마찰력을 측정하기 위한 로드셀 3개 및 토조 바닥면 하중을 측정하기 위한 도넛형 판에 로드셀 24개(각 판에 4개씩 총 6개 판)를 설치하였다.
6). 모형 토조는 말뚝 주면 마찰력만을 측정하기 위한 로드셀 1개, 선단지지지력을 측정하기 위한 로드셀 1개, 토조의 벽마찰력을 측정하기 위한 로드셀 3개 및 토조 바닥면 하중을 측정하기 위한 도넛형 판에 로드셀 24개(각 판에 4개씩 총 6개 판)를 설치하였다.
실험에 사용된 모래는 주문진 자연사를 사용하여 샌드커튼(Sand curtain) 방식으로 균질한 지반을 조성하였다. 공학적 분류법에 의하면 SP로 분류되고, 단위중량이 16.
이때 말뚝의 주면거칠기는 내부마찰각과 같은 ø인 경우를 대상으로 하였다.

이론/모형

말뚝 선단부근에서는 지반이 소성화되면서 부피가 팽창되고 이완되어 강도가 감소되므로, 말뚝의 선단지지력은 공동팽창이론(expansion theory of cavity)을 적용하여 계산할 수 있다. Vesic(1973)은 말뚝선단의 평균응력 #(3축방향 수직응력의 평균값)을 적용하여 공동팽창이론으로부터 말뚝선단의 지지력을 계산하였다.

성능/효과

(1) 말뚝 선단저항력의 극한값은 비교적 뚜렷하게 나타났으며, 극한저항력에 도달하는 변위는 말뚝의 직경에 따라 다소 차이를 나타냈으나 그 차이는 크지 않았다. 모형실험에서 측정한 말뚝의 선단지지력은 Terzaghi의 얕은 기초에 대한 지지력공식을 적용하여 구한 값을 약간 상회하였으며, 무리말뚝의 선단지지력은 얕은 기초 파괴메커니즘의 파괴체 형성범위가 중첩되지 않을 만큼 이격되어 있으면 얕은 기초에 대한 지지력공식을 적용하여 상당히 근접한 값을 산정할 수 있음을 확인하였다.
(2) 사질토에서 직경에 비하여 길이가 긴 말뚝의 선단지지력은 사질토에서 관입깊이에 의한 영향을 적게 받으므로, 관입깊이에 거의 무관하게 일정하였으며 무리말뚝에서 선단위치 연직지반응력으로 무차원화한 선단지지력은 말뚝직경에 대한 말뚝침하의 비가 커질수록 약한 기울기로 비례하여 감소하였고 말뚝의 선단지지력은 말뚝간 이격거리가 멀어질수록 거의 선형적으로 약간 감소하는 경향을 보이지만 그 변화량은 크지 않았다.
극한지지력에 도달하는 변위는 하중-변위의 관계에서 비교적 뚜렷하게 극한지지력을 구할 수 있었으며, 대체로 직경의 2∼4%의 변위에서 극한지지력에 도달하였다.
모형실험에서 측정한 말뚝의 선단지지력은 Terzaghi의 얕은 기초에 대한 지지력공식을 적용하여 구한 값을 약간 상회하였으며, 무리말뚝의 선단지지력은 얕은 기초 파괴메커니즘의 파괴체 형성범위가 중첩되지 않을 만큼 이격되어 있으면 얕은 기초에 대한 지지력공식을 적용하여 상당히 근접한 값을 산정할 수 있음을 확인하였다. 또한 무리말뚝의 선단지지력은 선단위치 연직지반응력에 비례하며, 비례상수는 얕은 기초 지지력계수 N_q이고, 지반의 내부마찰각에 의해 결정되고 말뚝의 주면마찰과 거의 무관하였다.
말뚝 선단저항력은 비교적 뚜렷하게 극한값을 나타냈으며, 극한저항력에 도달하는 변위의 크기는 말뚝의 직경에 의해 다소 차이를 나타냈으나 그 차이는 크지 않았다.
말뚝의 극한 선단저항력의 크기와 극한 선단저항력에 도달하는 변위의 크기는 말뚝 주면의 거칠기와 거의 무관한 것으로 나타났다. Fig.
말뚝의 극한 선단저항력의 크기와 극한 선단저항력에 도달하는 변위의 크기는 말뚝 주면의 거칠기와 거의 무관한 것으로 나타났다. Fig.
극한지지력에 도달하는 변위는 하중-변위의 관계에서 비교적 뚜렷하게 극한지지력을 구할 수 있었으며, 대체로 직경의 2∼4%의 변위에서 극한지지력에 도달하였다. 말뚝의 길이가 길수록 선단부 지반의 덮개압력이 크기 때문에 길이가 길수록 선단지지력의 증가하는 경향이 뚜렷하였다.
(1) 말뚝 선단저항력의 극한값은 비교적 뚜렷하게 나타났으며, 극한저항력에 도달하는 변위는 말뚝의 직경에 따라 다소 차이를 나타냈으나 그 차이는 크지 않았다. 모형실험에서 측정한 말뚝의 선단지지력은 Terzaghi의 얕은 기초에 대한 지지력공식을 적용하여 구한 값을 약간 상회하였으며, 무리말뚝의 선단지지력은 얕은 기초 파괴메커니즘의 파괴체 형성범위가 중첩되지 않을 만큼 이격되어 있으면 얕은 기초에 대한 지지력공식을 적용하여 상당히 근접한 값을 산정할 수 있음을 확인하였다. 또한 무리말뚝의 선단지지력은 선단위치 연직지반응력에 비례하며, 비례상수는 얕은 기초 지지력계수 N_q이고, 지반의 내부마찰각에 의해 결정되고 말뚝의 주면마찰과 거의 무관하였다.
벽마찰이 작은 ø/3인 경우에는 비교적 큰 변위에서 극한저항력에 도달하였고, 말뚝 길이가 길수록 심도가 깊어서 벽마찰이 2ø/3인 경우와 ø인 경우에는 ø/3인 경우와 마찬가지로 말뚝 길이가 길수록 심도가 깊어서 덮개 하중이 크므로 극한저항력이 커졌다.

후속연구

본 연구에서는 균질한 모래지반에서 실험을 통해 무리말뚝의 선단지지거동을 측정하였으며, 말뚝의 주변마찰저항의 영향을 고려한 말뚝의 복합지지거동에 대한 선단지지거동은 차후에 규명해야 할 것이다. 아울러 점성토와 불균질한 지반에 대한 연구도 이루어져야할 것이다.
본 연구에서는 균질한 모래지반에서 실험을 통해 무리말뚝의 선단지지거동을 측정하였으며, 말뚝의 주변마찰저항의 영향을 고려한 말뚝의 복합지지거동에 대한 선단지지거동은 차후에 규명해야 할 것이다. 아울러 점성토와 불균질한 지반에 대한 연구도 이루어져야할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무리말뚝은 무엇인가?	균질한 지반에서 말뚝의 지지력은 선단지지력과 주변마찰력의 합이며, 사질지반에서는 주변마찰력이 선단지지력보다 우세한 것으로 알려져 있다. 다수의 말뚝을 근접하여 설치하는 무리말뚝에서는 말뚝 하나하나의 지지력이 말뚝 상호간 간섭에 의해 달라질 수 있으므로, 말뚝의 근접도에 따라서 선단지지거동과 주변마찰거동의 변화를 정확하게 파악하여 말뚝을 설계해야 한다. 따라서 본 연구에서는 주면마찰거동의 영향을 배제한 상태에서 무리말뚝의 선단지지거동을 측정하기 위해 크기가 일정한 원형 토조에서 여러 가지 직경과 깊이로 말뚝을 설치하고 상대밀도가 균일한 모래지반을 조성한 후 선단지지력을 측정하여 무리말뚝의 근접도에 따른 영향을 확인하였다.
	무리말뚝을 설계할 때에는 말뚝의 상호 근접도를 고려하여 선단지지력과 주변마찰력을 정확하게 파악하여 고려해야하는 까닭은 무엇인가?	다수의 말뚝을 근접하여 설치하는 무리말뚝에서는 말뚝 하나하나의 선단지지력이 인접한 말뚝 상호간의 간섭에 의해 달라질 수 있으며, 말뚝의 근접도에 따라 선단의 지지거동이 달라질 수 있다. 따라서 무리말뚝을 설계할 때에는 말뚝의 상호 근접도를 고려하여 선단지지력과 주변마찰력을 정확하게 파악하여 고려해야 한다.
	균질한 지반에서 말뚝의 지지력은 무엇으로 표현되는가?	균질한 지반에서 말뚝의 지지력은 선단지지력과 주변마찰력의 합이며, 사질지반에서는 주변마찰력이 선단지지력보다 우세한 것으로 알려져 있다. 다수의 말뚝을 근접하여 설치하는 무리말뚝에서는 말뚝 하나하나의 지지력이 말뚝 상호간 간섭에 의해 달라질 수 있으므로, 말뚝의 근접도에 따라서 선단지지거동과 주변마찰거동의 변화를 정확하게 파악하여 말뚝을 설계해야 한다.

저자의 다른 논문 :

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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