[논문]사질토층을 지나 풍화암에 소켓된 매입 PHC말뚝에서 지반의 허용압축지지력 산정도표 및 산정공식 개발에 관한 연구(I) - 재하시험 자료 분석을 통한 전체지지력에 대한 주면마찰력의 분담율(SRF) 분석 -

최용규; 이원제; 이창욱; 권오균

doi:10.7843/kgs.2019.35.8.17

사질토층을 지나 풍화암에 소켓된 매입 PHC말뚝에서 지반의 허용압축지지력 산정도표 및 산정공식 개발에 관한 연구(I) - 재하시험 자료 분석을 통한 전체지지력에 대한 주면마찰력의 분담율(SRF) 분석 -
Study(I) on Development of Charts and Formulae Predicting Allowable Axial Bearing Capacity for Prebored PHC Pile Socketed into Weathered Rock through Sandy Soil Layer - An Analysis of Sharing Ratio of Skin Friction to Total Bearing Capacity (SRF) by Analyzing Pile Load Test Data - 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.35 no.8, 2019년, pp.17 - 30

최용규 (경성대학교 공과대학 건설환경도시공학부) , 이원제 ((주)유니콘기연) , 이창욱 (경성대학교 대학원 토목공학과) , 권오균 (계명대학교 공과대학 건축토목공학부)

초록
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실제 시공된 말뚝들의 재하시험 자료 및 매입 PHC말뚝의 설계 자료로부터 전체지지력에 대한 주면마찰력의 분담율인 SRF를 분석하였다. 현장에서 시험 시공된 말뚝의 SRF는 말뚝의 종류, 상대근입길이, 지반의 종류, 재하시험의 종류에 상관없이 42~99%이었다. 매입 PHC말뚝에 대한 설계 자료에서 구한 SRF는 말뚝의 직경, 상대근입길이에 상관없이 풍화암에 소켓된 경우 20~53%의 범위에 분포하였다. 사용말뚝으로 실제 시공된 매입 PHC말뚝에서 재항타 동재하시험 자료로부터 구한 SRF는 말뚝의 직경, 상대근입길이, 지반의 종류에 상관없이 4~83%의 범위에 분산되어 분포하였다. 사용말뚝에서 SRF가 낮은 수준으로 나타나는 이유는 매입 PHC말뚝의 주면고정액의 충전이 제대로 이루어지지 않은 채 시공된 현황으로 볼 수 있었으며 따라서 주면고정액의 시공관리에서 시급하게 개선해야 할 현황이었다. 풍화암에 소켓된 매입 PHC말뚝의 설계에서 사용하고 있는 극한지지력 산정공식으로 계산한 주면마찰력의 SRF는 실제 현장 시공 말뚝의 SRF보다 평균적으로 2.2배 정도로 낮은 수준으로 평가되었다. 이는 설계에서 사용하고 있는 산정공식에 의한 극한주면마찰력이 매우 낮은 수준으로 계산되기 때문이다. 따라서 SRF를 만족시킬 수 있는 새로운 주면마찰력 산정공식의 제안 필요성이 있는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Based on pile load test results for various pile types that were constructed in-situ and pile design data of prebored PHC piles, the ratio of skin friction to total capacity (SRF) was analyzed. A SRF distribution range from the pile load test results for pilot test prebored PHC piles was 42~99% regardless of relative penetration lengths, soil types, and pile load test types. However, a SRF distribution range from the pile design data for prebored PHC piles was 20~53% regardless of relative penetration lengths and pile diameters. Also, a SRF distribution range from the restrike dynamic pile load test results for pretest working prebored PHC piles was a scattered range of 4~83% regardless of pile diameters, relative penetration lengths and soil types. The scattered SRF of pretest working piles was caused to the quality control issue on the filling of cement milk around piles and this quality control issue should be improved. The average SRF calculated by the current design method was estimated to be 2.2 times lower than the average SRF of the pilot test piles. It is because skin friction resistance is calculated at a very low level. Therefore, a new design method for skin friction will be proposed based on this study.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Pile Information for SRF Analysis
그림 Fig. 1. SRF Analysis for All Case Piles
그림 Fig. 2. SRF Analysis According to Pile Load Test Types on Prebored PHC Pile
그림 Fig. 3. SRF Analysis According to Pile Load Test Types on Prebored Steel Pile
그림 Fig. 4. SRF Analysis on Driving Steel Pile
그림 Fig. 5. SRF Analysis According to Pile Load Test Types on Large Diameter Drilled Shafts
그림 Fig. 6. SRF Analysis According to Pile Load Test Types, Relative Pile Penetration Lengths and Pile Types
그림 Fig. 7. SRF Analysis According to Pile Load Test Types, Pile Diameters and Pile Types
그림 Fig. 8. SRF Analysis According to Pile Diameters Based on Current Design Data
그림 Fig. 9. SRF Analysis According to Relative Pile Lengths Based on Current Design Data
그림 Fig. 10. Comparison of Calculated Ultimate Skin Friction and Calculated End Bearing Using Current Design Method
그림 Fig. 11. SRF Analysis According to Pile Diameters, Relative Pile Lengths, SPT N Values of Sandy Soil Layer (Choi et al., 2019)
표 Table 2. Design Cases for Prebored PHC Piles and Driving PHC Piles
그림 Fig. 12. SRF Analysis According to Pile Diameters of Pre-bored PHC PIles Socketed into Weathered Rock
그림 Fig. 13. SRF Analysis According to Relative Pile Lengths of Prebored PHC PIles Socketed into Weathered Rock
그림 Fig. 14. SRF According to Pile Diameter on Pre-bored PHC Piles

AI 본문요약
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문제 정의

연직축하중전이 측정 자료는 흔하지 않으나 이들 자료를 분석하면 말뚝기초의 연직압축하중 지지 개념을 구명할 수 있다. 이 연구에서는 국내에서 실시된 연직축하중전이 측정 자료와 양방향재하시험 자료들을 분석하였으며 이에 기초하여 전체지지력에 대한 주면마찰력의 분담율(SRF: Sharing ratio of skin friction to total capacity)을 연구하였다. 또한 매입 PHC말뚝 및 매입 강관말뚝에 대한 재항타 동재하시험 자료 그리고 매입 PHC말뚝 설계 자료를 분석하여 SRF를 중심으로 고찰하였다.

제안 방법

2∼3일 후 압축정재하시험을 위한 반력앵커 시공 단계에서 시험말뚝 주면부의 충전 상태를육안으로 관찰한 결과 주면고정액의 지중 유출이 의심되어 2차로 충전을 1차례 추가로 실시하였다.
재하시험의 종류, 시공법의 종류에 따른 분석 시 말뚝 제원으로 분석할 수 있는 직경 및 상대근입길이에 따른 영향을 살펴보았다. 따라서 말뚝의 종류, 시공법, 재하시험의 종류 등을 구분하지 않고 모든 대상 말뚝에 대하여 말뚝의 직경별, 상대근입길이별로 SRF를 나타내었다.
이 연구에서는 국내에서 실시된 연직축하중전이 측정 자료와 양방향재하시험 자료들을 분석하였으며 이에 기초하여 전체지지력에 대한 주면마찰력의 분담율(SRF: Sharing ratio of skin friction to total capacity)을 연구하였다. 또한 매입 PHC말뚝 및 매입 강관말뚝에 대한 재항타 동재하시험 자료 그리고 매입 PHC말뚝 설계 자료를 분석하여 SRF를 중심으로 고찰하였다.
여기에는 말뚝 종류, 재하시험방법,대상 사례 수량, 말뚝 직경, 근입길이, 선단부 소켓 지반의 종류, 선단부 소켓길이 등을 나타내었다. 또한 시험 말뚝은 시험 사용말뚝(Pretest working pile)과 순수 시험용 말뚝(Pilot test pile)으로 구분하여 나타내었다. Table 1에 요약된 대상 말뚝들의 분석 개요를 부록(Table A.
0m 내･외이었다. 수집된 자료들에서 상기와 같은 한계가 있었으므로 본연구에서는 지반의 종류에 따른 개별 지층에서 발현된 주면마찰력의 크기를 분석하지는 못하였으며 지중 근입지층(사질토 또는 점성토, 풍화암 소켓지층) 전체에 걸쳐서 발현된 주면마찰력의 전체 크기를 분석하였다. 즉 전체 주면마찰력 및 선단지지력을 분리하여 분석하였다.
G2는 시험사용말뚝이었으며 1회 주면고정액을 충전하였고 말뚝 시공자가 주면고정액의 시공 관리를 담당하였다. 시공 후 일정기간이 지난 후 동재하시험을 실시하였다. 매입 PHC말뚝의 재항타 동재하시험(G2그룹)에서는 SRF가 넓은 범위에 분포하였다.
실제 시공된 말뚝기초 및 매입 PHC말뚝의 현행 설계자료로부터 SRF를 분석하였다. 이 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
실제 시공된 매입 PHC말뚝에 대한 재하시험 자료로부터 구한 SRF를 분석하였다. Fig.
아래에서는 재하시험 종류에 따른 매입 PHC말뚝, 매입 강관말뚝, 직항타 강관말뚝, 대구경 현장타설말뚝에사질토층을 지나 풍화암에 소켓된 매입 PHC말뚝에서 지반 대한 SRF를 분석하였다. SRF는 말뚝의 제원(직경, 상대근입길이)뿐만 아니라 지반특성치, 말뚝시공법, 재하시험 종류 등에 따라 달라질 것으로 예상하였다.
양방향 재하시험에서는 하중전이 측정을 하지 않더라도 최대재하하중 단계의 기준변위에서 주면마찰력 성분과 선단지지력 성분을 구할 수 있으므로 이 자료도 분석에 활용하였다. 국내에서 실시된 양방향 재하시험 사례 중에서 현 단계에서 확보된 자료들을 대상 사례로 활용하였으며 현장타설말뚝 24개 그리고 매입 PHC말뚝 19개가 포함되었다.
Table 1에는 이 연구의 분석에 사용한 대상 말뚝들의 개요를 나타내었다. 여기에는 말뚝 종류, 재하시험방법,대상 사례 수량, 말뚝 직경, 근입길이, 선단부 소켓 지반의 종류, 선단부 소켓길이 등을 나타내었다. 또한 시험 말뚝은 시험 사용말뚝(Pretest working pile)과 순수 시험용 말뚝(Pilot test pile)으로 구분하여 나타내었다.
SRF는 말뚝의 제원(직경, 상대근입길이)뿐만 아니라 지반특성치, 말뚝시공법, 재하시험 종류 등에 따라 달라질 것으로 예상하였다. 재하시험의 종류, 시공법의 종류에 따른 분석 시 말뚝 제원으로 분석할 수 있는 직경 및 상대근입길이에 따른 영향을 살펴보았다. 따라서 말뚝의 종류, 시공법, 재하시험의 종류 등을 구분하지 않고 모든 대상 말뚝에 대하여 말뚝의 직경별, 상대근입길이별로 SRF를 나타내었다.
수집된 자료들에서 상기와 같은 한계가 있었으므로 본연구에서는 지반의 종류에 따른 개별 지층에서 발현된 주면마찰력의 크기를 분석하지는 못하였으며 지중 근입지층(사질토 또는 점성토, 풍화암 소켓지층) 전체에 걸쳐서 발현된 주면마찰력의 전체 크기를 분석하였다. 즉 전체 주면마찰력 및 선단지지력을 분리하여 분석하였다.
이 중 전자 2종류는 시험사용말뚝이었고 후자 2종류는 순수 시험용 말뚝이었다. 최대재하하중 단계에서 주면마찰력과 선단지지력을 구분하였다.

대상 데이터

양방향 재하시험에서는 하중전이 측정을 하지 않더라도 최대재하하중 단계의 기준변위에서 주면마찰력 성분과 선단지지력 성분을 구할 수 있으므로 이 자료도 분석에 활용하였다. 국내에서 실시된 양방향 재하시험 사례 중에서 현 단계에서 확보된 자료들을 대상 사례로 활용하였으며 현장타설말뚝 24개 그리고 매입 PHC말뚝 19개가 포함되었다. 이들 말뚝은 순수 시험용 말뚝이었다.
동재하시험에서도 축하중 측정용 센서를 설치하지 않더라도 최대재하하중 단계에서 주면마찰력 성분과 선단지지력 성분을 분석할 수 있으므로 재항타 동재하시험자료를 활용하였다. 국내에서 실시된 재항타 동재하 사례 중에서 현 단계에서 확보된 자료들을 대상 사례로 활용하였으며 매입 PHC말뚝 226개, 매입강관말뚝 11개가 포함되었다. 매입 PHC말뚝 중 47개는 순수 시험용 말뚝이었고 179개는 시험사용말뚝이었으며 매입강관말뚝 11개는 시험사용말뚝이었다.
동재하시험에서도 축하중 측정용 센서를 설치하지 않더라도 최대재하하중 단계에서 주면마찰력 성분과 선단지지력 성분을 분석할 수 있으므로 재항타 동재하시험자료를 활용하였다. 국내에서 실시된 재항타 동재하 사례 중에서 현 단계에서 확보된 자료들을 대상 사례로 활용하였으며 매입 PHC말뚝 226개, 매입강관말뚝 11개가 포함되었다.
본 논문은 아래에 정리한 바와 같이 사질토층을 지나 풍화암에 소켓된 매입 PHC말뚝에서 지반의 허용압축 지지력 산정도표 및 산정공식을 제안하는 연구에 대한 일련의 연속논문 중 제1편에 해당한다.
압축정재하시험에서는 하중전이 측정을 실시한 사례를 분석에 활용하였으며 대상 말뚝 개수는 직항타 강관 말뚝 20개, 현장타설말뚝 75개(정재하시험 5개, 양방향재하시험 70개), 매입 PHC말뚝 4개 그리고 매입 강관말뚝 20개이었다. 이 중 전자 2종류는 시험사용말뚝이었고 후자 2종류는 순수 시험용 말뚝이었다.
그러나 사용말뚝인 매입 PHC말뚝의 재항타 동재하시험 사례(G2)에서는 SRF가 4∼83%의 범위에 걸쳐 분산되어 분포하였으나 순수 시험용 말뚝에 비하여 낮은 수준이었다. 여기서 G1은 매입 PHC의 순수 시험용 말뚝 1개 및 주변 반력말뚝 8개 등 9개가 1조로 시공되었으며 이러한 순수 시험용 말뚝이 4조로 시험시공 되었다. 이 경우 주면고정액을 확실하게 충전하기 위하여 시간차를두면서 2∼3회 반복 주입을 실시하였고 시공 후 말뚝체를 확인한 결과 매우 양호하게 시공된 것으로 판단되었다.
그러나 시험사용말뚝에서 실측된 시험 자료에서는 변동성이 크게 나타났다. 이들 자료는 매입 PHC말뚝의 시공 현장에서 말뚝 시공자들에 의해 시공된 말뚝에서 실시된 동재하시험 자료이며 동재하시험을 수행한 회사에서 제공한 자료이다. 따라서 주면고정액의 시공 품질 관리 상황 또는 동재하시험 품질 등에 관하여 구체적인 정보를 확인할 수 있는 방법이 없었다.
그러나 시험사용말뚝에서 실측된 시험 자료에서는 변동성이 크게 나타났다. 이들 자료는 매입 PHC말뚝의 시공 현장에서 말뚝 시공자들에 의해 시공된 말뚝에서 실시된 동재하시험 자료이며 동재하시험을 수행한 회사에서 제공한 자료이다. 따라서 주면고정액의 시공 품질 관리 상황 또는 동재하시험 품질 등에 관하여 구체적인 정보를 확인할 수 있는 방법이 없었다.

성능/효과

(1) 순수 시험용 말뚝으로 실제 시공된 매입 PHC말뚝의 SRF는 42∼99%이었으며 재하시험의 종류에 따른 차이는 크지 않았다. 다만 재하시험의 종류에 따라 다음과 같이 분석할 수 있었다.
(2) 시험사용말뚝으로 실제 시공된 매입 PHC말뚝의 재항타 동재하시험(G2) 자료로부터 매입 PHC말뚝의SRF는 4∼83%의 범위에 크게 분산되어 분포하였다. 여기서 G2그룹의 재항타 동재하시험은 시공 현장에서 시공 또는 감리관계자가 지정한 매입 PHC말뚝에서 실시되었다.
(3) 매입 PHC말뚝에 대한 설계 자료에서 구한 SRF는 풍화암에 소켓된 경우 20∼53%의 범위에 있었고 연･경암에 소켓된 경우 약 21%이었다. 또한 풍화토에 소켓된 직항타 PHC말뚝의 경우 SRF는 약 8%이었다.
(4) 설계에서 사용하고 있는 극한지지력 산정공식으로 계산한 SRF가 실제 말뚝의 SRF보다 2.2배 정도로 낮은 수준으로 평가되었다. 이는 설계에서 사용하고 있는 극한주면마찰력 산정공식이 매우 낮은 수준으로 계산되기 때문이다.
다만 재하시험의 종류에 따라 다음과 같이 분석할 수 있었다. SRF는 압축정재하시험에서는 66∼97%이었으며 양방향 재하시험에서는 69∼99%이었고 재항타 동재하시험에서는 G1 그룹의 경우 42∼95%이었다.
따라서 매입 PHC말뚝의 설계에서 사용하고 있는 지지력 산정공식은 실제 시공된 매입 PHC말뚝의 지지력 거동을 제대로 평가할 수 없는 것으로 나타났다. 또한 시험사용말뚝인 매입 PHC말뚝의 재항타동재하시험에의한 SRF도 매우 낮은 수준을 나타내었다.
그러나 동일 직경의 경우 극한 주면마찰력은 직경에 따라 큰 차이를 보이며 상대근입길이 및 지반의 N치에 따라 달라졌다. 또한 극한 선단지지력은 극한주면마찰력에 비해 비교적 큰 값으로 계산할 수 있으며 따라서 SRF는 매우 낮은 수준으로 나타났다. 이것은 설계에서 사용하고 있는 극한지지력 산정공식에서는 주면마찰력이 2Ns 또는 c_u로 계산되고 선단지지력이 200N_b(또는 250N_b)로계산되고 있으므로 나타날 수밖에 없는 현황이다.
Table 2에는 분석에 사용한 매입 PHC말뚝에 대한 설계 자료들의 개요를 나타내었다. 시공법의 종류, 말뚝 선단부가 소켓된 지반의 종류, 직경, 근입길이, 소켓 길이, 설계하중, PHC말뚝의 장기허용압축하중, 용접이음과 장경비에 의한 감소율을 고려한 PHC말뚝의 허용지지력, 지반의 허용지지력, 허용주면마찰력, 허용선단지 지력, PHC말뚝의 허용지지력 등을 나타내었다. 또한 풍화토에 소켓된 직항타 PHC말뚝의 자료도 수집되었으므로 그 내용도 Table 2에 함께 나타내었다.

후속연구

이는 설계에서 사용하고 있는 극한주면마찰력 산정공식이 매우 낮은 수준으로 계산되기 때문이다. 따라서 실제 매입 PHC말뚝의 SRF를 만족시킬 수 있는 주면마찰력 산정공식뿐만 아니라 선단지지력 산정공식을 새롭게 제안해야 할 것으로 판단된다.
11은 Ns=30, L/D=30에 대한 사례이다. 여기서 수치해석과 관련한 상세한 내용은 연속논문 제5편으로 게재할 예정이다. Fig.
따라서 매입 말뚝 시공에서는 주면고정액의 시공 품질관리가 가장 중요한 요소 중의 하나이며 이와 관련한 연구 및 시공 기술 개발의 필요성이 제기된다. 향후 이와 관련한 연구가 이루어져 제도적인 개선 방안이 제시되어야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기준변위는 무엇인가?	연직축하중전이 측정을 실시하지 않더라도 양방향재하시험에서는 주면마찰력과 선단지지력을 분리할 수 있는데 이 때 최대재하하중 시 기준변위에서 주면마찰력을 분리할 수 있다. 기준변위는 최대재하하중 시 상향변위 또는 하향변위 중 작게 발생된 변위로 정의한다. 국내에서는 양방향재하시험으로 국외 기술인 O-cell시험이 먼저 도입되어 실시되었으며 국내 기술로는 2002년경 수영3호교 건설공사에서 처음으로 실시되었다(Choi,2001).
	압축정재하시험 및 양방향재하시험에서 주면마찰력의 연직압축하중의 분담 정도를 어떻게 구하는가?	압축정재하시험 및 양방향재하시험에서 주면마찰력의 연직압축하중의 분담 정도는 말뚝에 축하중 계측용 센서를 설치하여 연직축하중을 측정하여 알아낼 수 있다. 국내에서 연직축하중전이 측정은 1997년경 남항대교 실시설계 시 직경 500mm 직항타강관말뚝에 대하여 처음으로 실시되었다(Choi, 1997).
	주면마찰력의 SRF는 실제 현장 시공 말뚝의 SRF보다 평균적으로 2.2배 정도로 낮은 수준인 이유는 무엇인가?	2배 정도로 낮은 수준으로 평가되었다. 이는 설계에서 사용하고 있는 산정공식에 의한 극한주면마찰력이 매우 낮은 수준으로 계산되기 때문이다. 따라서 SRF를 만족시킬 수 있는 새로운 주면마찰력 산정공식의 제안 필요성이 있는 것으로 판단된다.

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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