[논문]사질토 지반에 설치된 우산형 마이크로파일의 지진 시 수평거동 특성

김수봉; 손수원; 김진만

doi:10.14481/jkges.2020.21.7.5

[국내논문] 사질토 지반에 설치된 우산형 마이크로파일의 지진 시 수평거동 특성
Horizontal Behavior Characteristics of Umbrella-Type Micropile Applied in Sandy Soil Subjected to Seismic Motion 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.21 no.7, 2020년, pp.5 - 16

김수봉 (Department of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University) , 손수원 (Seismic Simulation Test Center, Pusan National University) , 김진만 (Department of Civil and Environmental Engineering, Pusan National University)

초록
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현재 경주지진 및 포항지진 발생으로 내진설계기준이 강화되어 기존 시설물에 대한 내진성능평가를 실시하고 있다. 기존 시설물의 피해를 최소화하면서 국한된 협소한 장소에서 시공이 가능한 마이크로파일공법을 개선하여 지진 시 내진성능효과를 확보하고자 한다. 개선방법은 주 기둥인 연직말뚝 주변에 우산형태로 경사말뚝을 시공하여 말뚝 상부의 사각접시형 플레이트에서 말뚝을 모두 일체화하는 것이다. 본 논문에서는 수치해석으로 사질토지반에서 다양한 지진파에 대해 우산형 마이크로파일의 수평변위 거동을 분석하였다. 수치해석 결과, 지반이 연약할수록 우산형 마이크로파일의 수평저항력의 효과가 우수하였다. 경사말뚝의 근입심도에 따른 분석결과, 동일한 지반강도에서 근입심도가 15m 이상일 경우에 수평변위 저감 효과가 뚜렷했으며, N치 30 이상의 지반에 정착하면 지진 시에 효과가 있는 것으로 확인되었다. 마이크로파일의 근입심도와 수평변위 억제효과가 비례하였으며, 대체적으로 지반이 약할수록 변위억제 효과가 컸다. 우산형 마이크로파일은 수직말뚝이 모멘트에 대한 저항을 하고, 경사말뚝이 축력에 대한 저항을 하는 복합저항효과가 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, the seismic design standards have been strengthened due to the occurrence of the Gyeongju and Pohang earthquake, and seismic performance evaluation of existing facilities is being conducted. It aims to secure a seismic performance effect during earthquakes by improving the micro-pile method, which can be constructed in limited confined places while minimizing damage to existing facilities. The improvement method is to construct all the piles in the square-tray-type plate on the top of the pile by constructing the slope pile in the form of an umbrella around the vertical pile, the main pillar. In this paper, the numerical analysis was performed to analyze the horizontal displacement behavior of an umbrella-type micropile for various real-measurement seismic waves in sandy soil. As a result of numerical analysis, the softer the ground, the better the effect of horizontal resistance of umbrella-type micropile. The horizontal displacement reduction effect was pronounced when the embedded depth was 15 m or more at the same ground strength, and it was found to be effective in earthquakes if it was settled on the ground with an N value of 30 or more. The embedded depth and horizontal displacement suppression effect of the micropile was proportional. Generally, the weaker the ground, the greater the displacement suppression effect. Umbrella-type micropile had a composite resistance effect in which the vertical pile resists the moment and inclined pile resists the axial force.

Keyword

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Shape of umbrella-type micropile
그림 Fig. 2. Construction step of umbrella-type micropile
그림 Fig. 3. Numerical modeling
표 Table 1. Case classification
표 Table 2. Input parameter of soil
표 Table 3. Materials of micropile
그림 Fig. 4. Input Seismic Motion
표 Table 4. Horizontal displacement of case 1
표 Table 5. Horizontal displacement of case 2
표 Table 6. Horizontal displacement of case 3
표 Table 7. Horizontal displacement ratio of case 1
표 Table 8. Horizontal displacement ratio of case 2
그림 Fig. 5. Horizontal displacement according to the embedded depth for each seismic wave
표 Table 9. Horizontal displacement ratio of case 3
그림 Fig. 6. Horizontal displacement according to the embedded depth for each ground condition
그림 Fig. 7. Axial force on micropiles of case 1
표 Table 10. Maximum axial force and moment
그림 Fig. 8. Moment on micropiles of case 1

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 마이크로파일의 수평지지력이 약한단점을 보완하기 위해 사항과 연직말뚝을 일체형으로 제작한 우산형 마이크로파일에 대해 수치해석을 수행하여 사질토 지반에서의 지진 시에 대한 거동을 분석하였다.
(6) 본 연구에서는 사질토층에 대한 우산형 마이크로파일의 수평변위 억제효과에 대해서 분석하였다. 하지만 지반은 점성토층, 복합지반층 등 매우 다양하다.

가설 설정

1은 우산형 마이크로파일의 3차원 모식도이다. 우산형 마이크로파일 공법은 주기둥을 풍화암층까지 근입시키고, 보조하는 경사파일을 지지층까지 관입시켜 파일 두부에서 사각접시형 플레이트판에 여러 개의 파일을 하나로 일체화시킨 것이다. 이를 통해 지반과 파일 상호간에 복합적인 거동으로 지진 시 발생하는 파일의 수평변위를 저감시킨다.

제안 방법

수직마이크로파일과 경사마이크로파일은 콘크리트로 된 상부 캡으로 결합하여 고정하였다. 경사마이크로파일의 근입심도는 5, 10, 15, 20m로 구분하여 적용하고, 각 근입심도별 수치해석을 수행하였다.
사질토층의 지반강성은 세가지 case로 분류하였으며, 우산형 마이크로파일 근입심도에 따른 수평변위 차이를 분석하였다. 분석결과는 Table 4~9에 나타내었다.
본 연구에서는 대상구간을 선정하여 우산형 마이크로파일을 설치하고 그 구간의 지반정보를 활용하여 수치해석을 수행하였으며, 다양한 입력지진파에 대해 지반 강성과 마이크로파일 근입심도에 따른 최대 수평변위를 분석하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

입력지진파는 실 계측지진파와 인공지진파를 사용하였다. 인공지진파는 1등급을 기준으로 생성하였으며, 실 계측지진파는 경주, 포항, Chichi, Kobe, Loma prieta, Northridge 지진파를 사용하였다.
입력지진파는 실 계측지진파와 인공지진파를 사용하였다. 인공지진파는 1등급을 기준으로 생성하였으며, 실 계측지진파는 경주, 포항, Chichi, Kobe, Loma prieta, Northridge 지진파를 사용하였다. 도심지(I 구역)에 1000년 재현주기를 적용하여 0.
4는 각 입력지진파의 가속도 시간이력과 응답스펙트럼 결과이다. 경주 및 포항 지진파는 한국지질자원연구원에서 계측한 자료를 사용하였으며, 그 외 실지진파는 미국지진정보센터에서 등록되어 있는 널리 알려져 있는 것을 사용하였다.

데이터처리

수치해석은 MIDAS 프로그램을 사용하였으며, 측면 경계조건은 viscous 경계로 하여 측면 경계에서의 반사가 발생하지 않게 하였으며, 하부는 고정된 형태로 설정하였다. 또한, 동적해석을 수행하여 시간이력에 대한 분석을 수행하였다.
수치해석은 MIDAS 프로그램을 사용하였으며, 측면 경계조건은 viscous 경계로 하여 측면 경계에서의 반사가 발생하지 않게 하였으며, 하부는 고정된 형태로 설정하였다. 또한, 동적해석을 수행하여 시간이력에 대한 분석을 수행하였다. 지반의 구성모델은 Mohr-Coulomb을 적용하였고, 기초콘크리트는 탄소성모델을 적용하였다.

이론/모형

또한, 동적해석을 수행하여 시간이력에 대한 분석을 수행하였다. 지반의 구성모델은 Mohr-Coulomb을 적용하였고, 기초콘크리트는 탄소성모델을 적용하였다. 파일은 말뚝모델이 가능한 Embedded bar 모델을 적용하였다.
지반의 구성모델은 Mohr-Coulomb을 적용하였고, 기초콘크리트는 탄소성모델을 적용하였다. 파일은 말뚝모델이 가능한 Embedded bar 모델을 적용하였다.
Table 2와 3에 지반과 마이크로파일의 입력값을 정리하여 나타내었다. 콘크리트는 Linear Elastic 모델, 그 외의 지반은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. 사질토층은 3가지case로 분류하였으며, N치에 따른 전단파속도와의 상관관계식을 이용하여 전단파속도를 구하고 적용하였다.
사질토층은 3가지case로 분류하였으며, N치에 따른 전단파속도와의 상관관계식을 이용하여 전단파속도를 구하고 적용하였다. N치와 전단파속도와의 상관관계식은 많은 연구자들이 제안한 사질토에 대한 21개의 식을 이용하였으며, 21개 값의 평균값을 입력 파라미터에 적용하였다(Andrus et al., 2009; Anbazhagan et al., 2012; Akin et al., 2011; Brandenberg et al., 2010; Dikmen, 2009; Holzer et al., 2005; Hanumantharao & Ramana, 2008; Iyisan, 1996; Jafari et al., 2002; Kiku et al., 2001; Kuo et al., 2011; Lee, 1992; Lee & Tsai, 2008; Sitharam & Anbazhagan, 2008; Sun et al., 2012; Tsiambaos & Sabatakakis, 2011; Uma Maheswari et al., 2010). 마이크로파일은 경사말뚝과 수직말뚝을 구분하였으며, 시공현장에서 일반적으로 적용되는 Thread Bar를 적용하여 각각에 해당하는 물성치를 입력하였다.

성능/효과

근입심도에 따른 수평변위 결과를 보면 경주파의 몇몇 경우를 제외하고 마이크로파일의 근입심도가 깊어질수록 수평변위와 수평변위비가 감소하는 것을 알 수 있다. 이 결과는 마이크로파일은 근입심도가 깊을수록 수평변위 억제효과가 증가한다는 것을 보여준다.
근입심도에 따른 수평변위 결과를 보면 경주파의 몇몇 경우를 제외하고 마이크로파일의 근입심도가 깊어질수록 수평변위와 수평변위비가 감소하는 것을 알 수 있다. 이 결과는 마이크로파일은 근입심도가 깊을수록 수평변위 억제효과가 증가한다는 것을 보여준다.
다만, 경주,포항파는 이 범위에 위치하고 있지 않고, 그보다 큰 수평변위비 분포를 보이고 있다. 이 결과는 대체적으로 단주기파보다는 장주기파에서 마이크로파일 수직시공 시보다 좀 더 수평변위 억제효과가 있는 것으로 판단된다.
(1) 수치해석 분석결과, 입력지진파에 따라 지반에 따른 수평변위억제 효과가 조금 다른 차이는 보였으며, 대체적으로 지반이 단단할수록 변위억제 효과가 작고 지반이 약할수록 변위억제 효과가 컸다. 이는 마이크로파일이 구조물이 지반에 잘 지지할 수 있게 도와주는 효과가 있기 때문에 많은 변위가 발생하는 연약한 지반에서 더 큰 효과를 보인 것으로 판단된다.
(2) 근입심도에 따른 수평변위 분석결과, 경주파의 몇몇 경우를 제외하고 마이크로파일의 근입심도가 깊어질수록 수평변위와 수평변위비가 감소하였으며, 이 결과는 마이크로파일의 근입심도와 수평변위 억제효과가 비례한다는 것을 보여준다.
(4) 말뚝의 축력 및 모멘트를 분석한 결과, 수직말뚝의 축력분포는 아래로 내려갈수록 축력이 커지고, 경사말뚝의 축력분포는 아래로 내려가면서 축력이 커지다가 끝단으로 가면서 조금 감소하였다. 그리고 단단한 지층까지 근입되는 경사 마이크로파일에서 매우 큰 축력이 걸리기 때문에 끝부분에서의 파단이 발생하지 않도록 끝부분을 설계해야한다.
(5) 우산형 마이크로파일의 수직말뚝은 모멘트에 대한 저항을 하고, 경사말뚝은 축력에 대한 저항을 하여 모멘트와 축력에 모두 저항하는 효과를 보였다. 이러한 이유로 우산형 마이크로파일이 일반 마이크로파일보다 수평변위억제에 더 효과가 있는 것으로 판단된다.

후속연구

따라서, 수평하중에 영향을 받는 마이크로파일에 관한 연구진행은 미흡한 실정이므로, 보다 효과적인 마이크로파일의 현장적용을 위해서는 파일길이비와 파일 설치조건 등 파일의 지지특성과 관련된 사항을 고려한 연구가 요망된다.
이에 현재 다양한 지반조건에 대한 우산형 마이크로파일의 변위억제효과를 분석하고 있다. 그리고 수치해석에 대한 신뢰도를 높이기 위한 모형실험이 필요하다고 판단되어, 현재 모형실험을 준비 중이다.

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