[논문]PHC 매입말뚝의 설계효율과 지지력 특성 사례분석

윤중만; 여규권; 김홍연; 최용규

doi:10.12814/jkgss.2019.18.3.045

PHC 매입말뚝의 설계효율과 지지력 특성 사례분석
Case Study on Design Efficiency and Bearing Capacity Characteristics of Bored PHC Piles 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.18 no.3, 2019년, pp.45 - 53

윤중만 (Dept. of Construction Information System, SHIN ANSAN University) , 여규권 (Technology Research Division, SAMBU Construction Co.) , 김홍연 (Technology Research Division, SAMBU Construction Co.) , 최용규 (Dept. of Civil Eng., Kyungsung University)

초록
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본 연구에서는 건축기초에 적용된 매입 PHC말뚝의 설계사례를 분석하였다. 전반적인 말뚝길이는 최대 35m 이내에서 다양하나, 지지층 조건에 따른 평균 길이는 17.0~18.9m로 큰 차이가 없었다. 지지층 소켓길이는 전체의 약 58%가 시방기준 최소길이인 1m에 따라 설계되었고, 최대 5m까지 설계되었다. 설계효율은 그 편차가 매우 크나 평균 약 70%로서 통상 알려진 범위와 일치하였다. 설계효율이 낮은 용도는 주로 설계하중이 적은 저층건물이나 놀이기구 기초 등으로 나타났다. 풍화암 지지층에서 설계하중은 설계를 지배하는 지반 허용지지력의 65~97%, 허용지지력에 대한 말뚝 허용축하중의 비는 36~115%로 광범위하게 분포하므로 설계효율과 함께 최적화 노력이 요구된다. 반면, 연 경암 지지층의 허용지지력은 대부분 말뚝 허용축하중의 90% 내외로 매우 균등했다. 설계 허용지지력은 선단지지력이 평균 75% 이상을 차지하였으나, 현장재하시험 연구결과를 보면 초기항타 조건에서는 선단지지력이 지배적이며, 재항타 조건에서는 선단지지력이 최소 25%에 불과한 경우도 있었다. 따라서, 설계시 산정된 허용지지력은 시공 초기조건만을 반영하는 것이며, 시간이 경과할수록 말뚝 주면부로의 하중전이가 증가하고, 일부는 시험시 타격에너지 부족으로 선단지지력의 확인이 이루어지지 못한다고 볼 수 있다. 균질한 지반으로 가정했을 때 근입비가 증가할수록 허용축하중이 감소하는 경향이 있었고, 이와 유사하게 지반의 허용지지력도 감소하는 경향을 보여, 큰 설계하중으로 초고강도 말뚝을 적용할 경우 지반의 지지력을 최대한 활용할 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, it was analyzed the cases of bored PHC piles designed for the building foundations. The overall length of the piles varies within a maximum of 35 m. However, the average length was 17.0 to 18.9 m depending on the kind of the bedrock, with no significant difference. The socket length entered into the bedrock was designed with approximately 58% of the whole piles being 1m, the minimum length of the specification, and up to 5m. Although the range in design efficiency was very large, on average it was about 70%, consistent with the usual known extent. Applications with low design efficiency were mainly shown on the foundation of low-rise buildings or rides with low design load. On the weathered rock, the design load, which governs the design result was widely distributed at 65 to 97% of allowable bearing capacity of ground. The ratio of allowable axial load of piles to allowable bearing capacity of ground is also widely distributed between 36 and 115%, so optimization efforts are required along with design efficiency. On the other hand, the allowable bearing capacity on the soft or hard rock was highly equal, mostly within 90% of the allowable axial load of piles. In the design, the end bearing resistance averaged over 75% of the allowable bearing capacity. However, the results of the dynamic pile load test show that the end bearing resistance was predominant under the E.O.I.D conditions, and in some cases, the end bearing resistance was at least 25% under the restrike conditions.

주제어

표/그림 (14)

표 Table 1. Axial bearing capacity equations of bored pile (Chae, 2018)
그림 Fig. 1. Distribution of pile length
그림 Fig. 2. Distribution of pile socketed depth
표 Table 2. Number of data with pile diameter
그림 Fig. 3. Design efficiency distribution of piles
그림 Fig. 4. Design efficiency with pile diameter
그림 Fig. 5. Design efficiency for extension-plate attached PHC pile
그림 Fig. 6. Precision of design efficiency with pile diameter
그림 Fig. 7. Allowable axial load and allowable bearing capacity (weathered rock socketed)
그림 Fig. 8. Allowable axial load and allowable bearing capacity (soft or hard rock socketed)
표 Table 3. Design bearing capacity and percentage
그림 Fig. 9. Relationship between P_a/q_a and L_b/D
그림 Fig. 10. Relationship between P_a and L/D
그림 Fig. 11. Relationship between q_a and L/D

AI 본문요약
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제안 방법

건축기초에 적용된 매입 PHC말뚝 설계사례에 대하여 지지층에 따른 근입깊이, 설계효율과 허용지지력 및 말뚝 재료의 허용축하중 상호관계를 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
지지층과 PHC 말뚝의 직경별로 말뚝 평균길이와 지지층 소켓길이 분포를 분석하였다. 또한, 경제성에 크게 영향을 미치는 설계효율을 말뚝 직경별로 산정하고 비교하였다. 설계하중이 부재한 자료에 대하여는 설계효율을 추정하기 위하여 지반의 허용지지력과 말뚝재료의 허용축하중을 이용하였다.
따라서, 말뚝 재료의 허용압축응력과 경험식에 의한 허용지지력을 설계하중과 비교하여 일정한 범위의 설계효율을 확보하도록 설계가 이루어지고 있다. 또한, 이후 시공시에 동재하시험에 의하여 지반조건이 반영된 말뚝의 허용지지력을 평가하여 설계의 적정성 여부를 시공단계에서 평가하고 있다.
본 연구에서는 현행 건축물 말뚝기초 관련 설계기준에서 제시하고 있는 허용지지력 산정방법에 따른 최근 PHC 말뚝 설계사례에 대하여 지지층에 따른 근입깊이, 설계효율과 지반의 허용지지력 및 재료의 허용축하중을 상호 비교·분석하였고 이를 통하여 합리적이고 경제적인 설계 개선방안을 제안하였다.
설계지지력 가운데 풍화암 지지층에서의 선단지지력과 주면마찰력으로 구분된 자료에 대하여 두 값의 분포를 비교하였다. Table 3에 보인 바와 같이 선단지지력은 전체 지지력의 약 63∼90%, 주면마찰력은 약 10∼37%의 범위 내에 있는 것으로 나타났다.
또한, 경제성에 크게 영향을 미치는 설계효율을 말뚝 직경별로 산정하고 비교하였다. 설계하중이 부재한 자료에 대하여는 설계효율을 추정하기 위하여 지반의 허용지지력과 말뚝재료의 허용축하중을 이용하였다. 지반의 허용지지력과 말뚝재료의 허용 축하중, 그리고 설계하중을 비교하여 설계의 안전여유 분포를 분석하였다.
연구에 활용된 설계자료 가운데 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력이 구분된 자료에 대하여 설계지지력과 타 연구의 재하시험 결과를 비교하였고, 말뚝의 지지층 관입깊이와 직경의 관계인 근입비에 대하여 분석하였다.
설계하중이 부재한 자료에 대하여는 설계효율을 추정하기 위하여 지반의 허용지지력과 말뚝재료의 허용축하중을 이용하였다. 지반의 허용지지력과 말뚝재료의 허용 축하중, 그리고 설계하중을 비교하여 설계의 안전여유 분포를 분석하였다.
지지층과 PHC 말뚝의 직경별로 말뚝 평균길이와 지지층 소켓길이 분포를 분석하였다. 또한, 경제성에 크게 영향을 미치는 설계효율을 말뚝 직경별로 산정하고 비교하였다.

대상 데이터

본 연구에 활용된 설계자료는 총 82개 현장의 자료로서 물류센터, 공장, 공동주택, 업무시설, 관광 및 놀이시설 등 다양한 용도의 시설이며, 주로 건축 관련현장의 매입말뚝 자료이다.

성능/효과

(1) 82개 현장의 매입 PHC말뚝 설계자료를 분석한 결과 풍화암 및 연･경암 지지층에서의 말뚝길이는 35m 이내의 범위에서 다양하나, 평균 길이는 17.0∼18.9m로 지반조건에 따라 큰 차이가 없었다.
(2) 선단확장말뚝을 제외한 설계효율은 그 편차가 매우 크나 평균효율이 약 70%로서 통상 알려진 범위와 일치하였다. 설계효율이 낮은 용도는 주로 설계하중이 적은 저층건물이나 놀이기구 기초 등으로 나타났다.
(3) 풍화암 지지층에서 설계를 지배하는 지반의 허용지지력은 설계하중이 지반 허용지지력의 65∼97%, 허용 지지력에 대한 허용축하중의 비는 36∼115% 범위로 광범위하게 분포하므로 설계효율과 함께 설계시 최적화 노력이 요구된다.
(4) 설계 허용지지력은 선단지지력이 평균 75% 이상 차지하여 지배적인 것으로 나타났으나, 매입말뚝에 대한 현장재하시험 연구결과를 보면 초기항타(E.O.I.D) 조건에서는 선단지지력이 지배적이며, 재항타(restrike) 조건에서는 선단지지력이 평균 47%를, 일부는 최소 25%를 차지하는 것으로 나타났다.
(5) 균질한 지반으로 가정한 근입비 분석결과 근입비가 증가할수록 허용축하중이 감소하는 경향이 확인되었다. 또한, 근입비가 증가할수록 허용축하중과 유사하게 지반의 허용지지력도 감소하는 경향을 보여주며, 이는 설계하중이 커 초고강도 말뚝을 적용할 경우 지반의 지지력을 최대한 활용할 수 있음을 나타낸다.
이는 산지가 많고 기반암의 심도가 비교적 얕은 국내 지반조건의 영향을 반영한 결과라 할 수 있다. 결과적으로 설계 말뚝길이는 광범위하고 지지층과 말뚝 직경별로 큰 차이를 보이지 않았다.
11은 균질한 지반으로 가정한 경우 지반의 허용지 지력(q_a)과 말뚝 근입비(L/D) 사이의 관계를 나타낸 것이다. 근입비가 증가할수록 지반 허용지지력의 범위가 최소값 방향으로 감소하는 경향이 허용축하중과 매우 유사하게 나타났다. 이는 균질한 지반에서 근입비가 증가할수록 허용축하중과 유사하게 지반의 허용지지력도 감소하는 경향을 보여주며, 설계하중이 커 고강도 말뚝을 적용할 경우 지반의 지지력을 최대한 활용할 수 있음을 나타낸다.
(5) 균질한 지반으로 가정한 근입비 분석결과 근입비가 증가할수록 허용축하중이 감소하는 경향이 확인되었다. 또한, 근입비가 증가할수록 허용축하중과 유사하게 지반의 허용지지력도 감소하는 경향을 보여주며, 이는 설계하중이 커 초고강도 말뚝을 적용할 경우 지반의 지지력을 최대한 활용할 수 있음을 나타낸다.
(3) 풍화암 지지층에서 설계를 지배하는 지반의 허용지지력은 설계하중이 지반 허용지지력의 65∼97%, 허용 지지력에 대한 허용축하중의 비는 36∼115% 범위로 광범위하게 분포하므로 설계효율과 함께 설계시 최적화 노력이 요구된다. 반면, 연경암 지지층의 허용지지력은 대부분 말뚝재료 허용축하중의 90% 내외로 매우 균등하게 나타났다.
설계효율이 낮은 용도는 주로 설계하중이 적은 저층건물이나 놀이기구 기초 등으로 나타났다. 선단확장말뚝의 설계효율은 평균 90%로 일반말뚝 대비 매우 큰 차이를 보였고 그 범위는 매우 작았다.
선단확장말뚝의 평균 설계효율은 93%로 매우 높게 나타났으며, 이를 제외한 일반 PHC 말뚝의 평균 설계효율은 63∼75%로 비교적 큰 차이를 보였다.
9m로 지반조건에 따라 큰 차이가 없었다. 설계 소켓길이는 약 58%가 시방서 최소길이에 따라 설계되었고 잔류 슬라임 뿐 아니라 지지층 구분의 불확실성 등으로 최대 5m 길이까지 여유를 두어 설계하는 것으로 나타났다.
수집된 자료의 평균 말뚝길이를 분석한 결과(Fig. 1) 풍화암 지지층은 평균 17.0m, 연경암 지지층은 평균 18.9m로 큰 차이가 없었다. 직경별 길이는 풍화암 및 연･경암 지지층을 포함하여 전체적으로 6∼33m의 범위로 나타났다.
3에 나타내었다. 이는 선단확 장말뚝을 제외한 자료이며, 그럼에도 불구하고 설계효율의 최소값은 52.5%, 최대값은 90.64%으로 비교적 큰 편차를 보이고 평균 69.7%로 나타났다. 최소 설계효율의 구조물 용도는 공장의 식당동, 최대 설계효율은 도시개발사 업 현장이다.
이상의 연구결과로부터 많은 경우 국내에서 설계되고 있는 풍화암지지 말뚝은 말뚝의 허용축하중 보다는 지반의 허용지지력이 설계를 지배하지만 그 비율이 매우 광범위하게 분포하므로 설계효율 개선과 함께 최적화 노력을 기울인다면 경제성 제고가 가능한 것으로 나타났다. 또한, 현재 설계는 허용지지력 중 선단지지력이 차지하는 비율이 재항타 재하시험 결과보다 매우 크게 나타나므로 합리적이고 경제적인 설계를 위하여 국내 PHC말뚝의 하중전이와 관련된 연구가 더욱 필요한 것으로 나타났다.
전체 말뚝 가운데 활용도가 가장 높은 직경 500mm와 600mm 말뚝의 변동성은 13∼18%로서 비교적 커 설계효율의 범위가 넓게 분포하는 것으로 나타난 반면, 선단확장말뚝과 대구경(직경 800mm) 말뚝의 변동성은 6%로 설계효율 범위가 비교적 작게 나타났다.
그 가운데 활용실적이 가장 많은 직경 500mm와 600mm 말뚝의 설계효율은 75% 이하이고 대구경 말뚝(직경 800mm)의 경우도 큰 차이가 없다. 중･소규모 공장과 공장 부속식당, 중소형 건축물, 관광･체육시설, 놀이기구, 주차시설 및 박물관 등의 기초로 활용된 직경 400mm 말뚝의 설계효율은 평균 63%로서 가장 낮게 나타났다. 특히, 직경 400mm PHC 말뚝이 놀이기구 기초에 적용된 경우의 설계효율은 45% 이하로 매우 낮게 활용되고 있다.
근입비가 증가할수록 허용축하중의 범위는 최소 값 방향으로 감소하는 경향이 있다. 즉, 수집된 자료는 균질한 지반에서 근입비가 증가할수록 허용축하중이 감소하는 경향을 나타내었다.
풍화암 지반의 허용지지력과 말뚝재료 허용축하중의 비는 그 범위가 36∼115%로서 매우 크며 평균 74.1% 수준으로 나타났다(Fig.
8 에 나타내었다. 풍화암 지지층과는 대조적으로 연암 지지층의 허용지지력은 대부분 말뚝재료 허용축하중의 90% 내외로 비교적 매우 균등하였고, 전체적인 자료는 평균 84.2% 수준으로 풍화암 지지층 보다 약 10% 포인트가 높은 것으로 나타났다.
수집된 자료 중 설계하중이 부재하여 설계효율 계산이 불가한 경우가 있다. 한편, 전반적으로 지반의 허용지지력을 말뚝재료의 허용축하중로 나눈 값은 설계하중으로 계산된 설계효율과 비교하여 최대 10% 내외로 높은 것으로 나타났다. Fig.

후속연구

이상의 연구결과로부터 많은 경우 국내에서 설계되고 있는 풍화암지지 말뚝은 말뚝의 허용축하중 보다는 지반의 허용지지력이 설계를 지배하지만 그 비율이 매우 광범위하게 분포하므로 설계효율 개선과 함께 최적화 노력을 기울인다면 경제성 제고가 가능한 것으로 나타났다. 또한, 현재 설계는 허용지지력 중 선단지지력이 차지하는 비율이 재항타 재하시험 결과보다 매우 크게 나타나므로 합리적이고 경제적인 설계를 위하여 국내 PHC말뚝의 하중전이와 관련된 연구가 더욱 필요한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기성콘크리트 말뚝의 허용압축응력은 기준은 무엇인가?	현행 건축물 설계기준에서 말뚝의 허용지지력은 재료의 허용압축응력에 최소단면적을 곱한 값 이하, 재하시험을 할 경우에는 항복하중의 1/2 및 극한하중 이하 값의 1/3 중 작은 값으로 하고, 재하시험을 하지 않는 경우는 지지력 산정식에 따라 구해지는 극한지지력의 1/3 중에서 가장 작은 값으로 산정하도록 되어있다. 여기서, 기성콘크리트 말뚝의 허용압축응력은 콘크리트 설계기준강도의 최대 1/4까지를 말뚝재료의 허용압축응력으로 하며, 사용하는 콘크리트의 설계기준강도는 35MPa 이상으로 하고 허용 지지력은 말뚝의 최소단면에 대하여 구하는 것으로 한다 (MOLIT, 2019). 그러나 설계 당시에 재하시험은 말뚝자재 및 시공장비의 단기임대에 따른 비용과 시험용역비 등의 문제, 그리고 현장시험 부지 마련 및 착공 전 인허가 등의 문제로 현장 개설 전에 수행하는 것이 거의 불가능하다.
	현행 건축물 설계기준에서 말뚝의 허용지지력은?	현행 건축물 설계기준에서 말뚝의 허용지지력은 재료의 허용압축응력에 최소단면적을 곱한 값 이하, 재하시험을 할 경우에는 항복하중의 1/2 및 극한하중 이하 값의 1/3 중 작은 값으로 하고, 재하시험을 하지 않는 경우는 지지력 산정식에 따라 구해지는 극한지지력의 1/3 중에서 가장 작은 값으로 산정하도록 되어있다. 여기서, 기성콘크리트 말뚝의 허용압축응력은 콘크리트 설계기준강도의 최대 1/4까지를 말뚝재료의 허용압축응력으로 하며, 사용하는 콘크리트의 설계기준강도는 35MPa 이상으로 하고 허용 지지력은 말뚝의 최소단면에 대하여 구하는 것으로 한다 (MOLIT, 2019).
	말뚝 재료의 허용압축응력과 경험식에 의한 허용지지력을 설계하중과 비교하여 일정한 범위의 설계효율을 확보해 설계가 이루어지는 이유는?	여기서, 기성콘크리트 말뚝의 허용압축응력은 콘크리트 설계기준강도의 최대 1/4까지를 말뚝재료의 허용압축응력으로 하며, 사용하는 콘크리트의 설계기준강도는 35MPa 이상으로 하고 허용 지지력은 말뚝의 최소단면에 대하여 구하는 것으로 한다 (MOLIT, 2019). 그러나 설계 당시에 재하시험은 말뚝자재 및 시공장비의 단기임대에 따른 비용과 시험용역비 등의 문제, 그리고 현장시험 부지 마련 및 착공 전 인허가 등의 문제로 현장 개설 전에 수행하는 것이 거의 불가능하다. 따라서, 말뚝 재료의 허용압축응력과 경험식에 의한 허용지지력을 설계하중과 비교하여 일정한 범위의 설계효율을 확보하도록 설계가 이루어지고 있다.

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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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