[논문]중·소구경 헬리컬 파일의 지지력 특성

박종배; 박용부; 권영환

doi:10.5804/lhij.2020.11.2.75

중·소구경 헬리컬 파일의 지지력 특성
Bearing Capacity of Mid & Small dia Hellical Pile 원문보기

LHI journal of land, housing, and urban affairs, v.11 no.2, 2020년, pp.75 - 86

박종배 (한국토지주택공사 토지주택연구원) , 박용부 (한국토지주택공사 토지주택연구원) , 권영환 (한국토지주택공사 토지주택연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

As the urban regeneration project and the old housing maintenance project are actively progressing in Korea, small-scale building construction is being carried out in downtown areas. Small buildings in the downtown area are constructed on about 4 to 10 floors, and since they are carried out in small units in residential areas, it is difficult to enter large equipment to construct existing piles, and it is more vulnerable to complaints about noise and vibration. in this study, helical piles suitable for urban areas or small sites where it is difficult to enter large equipment, such as noise and vibration. Reliability analysis was performed on the results of the static load tests and dynamic load tests conducted at the LH site and the bearing capacity calculated by the hydrostatic method and the empirical formula (N value). As a result of comparing and analyzing the design formula and the results of static load test and dynamic load tests, the correlation between the design formula of the bored pile (Road bridge design standard) formula using N value and the design formula by the modified Davisson method frequently used by method commonly European helical file practitioners.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Mimetic diagram of bi-directional load test Hydraulic jack installation and Installing the Pile hydraulic jack
표 Table 1. Calculation method of bearing capacity for bored piles and cast-in-place concrete piles (Korean Geotechnical Society, 2015)
그림 Fig. 2. Modified Davisson method (Perko, 2009)
표 Table 2. Allowable compression load by steel pipe pile type
그림 Fig. 3. Helical pile (114.3 mm, 190.7 mm) details
그림 Fig. 4. Columnar section (LH Ground investigation result, 2018)
표 Table 3. Helical pile test outline
표 Table 4. Borehole shear test (LH Ground investigation result, 2018)
표 Table 5. Calculation of vertical design bearing capacity for helical pile(Hydrostatic and N value empirical formula)
표 Table 6. Results of static load test(Traditional yield load determination method)
표 Table 7. Results of static load test(Traditional yield load determination method)
그림 Fig. 5. Results of static load test Subsidence motion (Total)
그림 Fig. 6. Results of dynamic load test Subsidence motion (Total)
표 Table 8. Current status of the dynamic load test
표 Table 9. Result of dynamic load test
표 Table 10. Load test (Static load test and Dynamic load test) and vertical design bearing capacity for helical pile
표 Table 11. Deflection coefficient (Bearing capacity of load test/Design bearing capacity) calculation result

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 협소부지에 건설되는 공동주택, 교량 등에 협소부지에 적합한 헬리컬 파일에 대해 정역학적 방법과 경험식(N치)에 의한 방법으로 산정한 지지력과 재하시험(정재하 및 동재하시험) 결과를 통해 신뢰성 분석을 실시한 결과는 다음과 같다.
본 논문은 포스코에서 수탁받아 수행한 과제로 “협소부지에 건설되는 공동주택/교량에 적합한 기초공법의 적용성 분석 및 설계/시공지침 개발” 연구결과의 일부를 정리한 것이다.
하지만 국내에서는 유럽에 비해 시공 경험이 적고 지반 조건이 사질토로 시멘트풀 주입 및 관리에 따라 시공 품질이 달라지므로 본 연구에서는 안전율 3을 적용하여 설계식의 타당성을 검토하였다.

제안 방법

국내 조건(지반 및 시공 등)으로 시공한 헬리컬 파일의 적정 지지력 설계식과 재하시험 판정법을 찾기 위하여 중·소규모 건축물에 사용하는 헬리컬 파일(축직경 114.3mm, 190.7mm)을 대표적인 국내 지반에 시공을 하였고, 이에 대해 헬리컬 파일 외국문헌에 소개된 지지력식(정역학적 설계식, N치 경험식)과 도로교설계기준의 매입말뚝 설계식(N치 이용 경험식)으로 설계하였다.
국내에는 헬리컬 파일에 대한 설계식이 없으므로 도로교 설계기준에서 제안한 매입말뚝 설계식(한국지반공학회, 2015)의 극한선단지지력과 극한주면지지력 식을 이용하여 지지력을 산정하였다(표 1). 매입말뚝 설계식에는 LH식도 있으나 LH식은 선단지지력이 크게 산정하기 때문에 경타를 수반하지 않는 헬리컬 파일 공법에는 적합하지 않다고 판단되어 도로교 설계기준 식에 대해 신뢰성을 검토하였다.
헬리컬 파일은 시공 특성상 회전압입 시 발생하는 토크를 말뚝이 받아 선단부의 Helix에 전달하여 관입이 되므로 고강도의 강관을 사용하는 것이 목표지지층(예, N=50)까지의 관입이 용이하므로, 본 연구에서는 KS 규격재인 기초용 강관말뚝(KS F 4602)의 STP450, STP550을 사용하였다. 또한 국내 현장에서 주로 사용되고 있는 말뚝 규격에 대해서도 허용압축하중을 검토하였다(표 2).
헬리컬 파일에 대한 극한지지력을 확인하였으며, 최대 240tonf 재하 또는 파괴하중이 확인될 때까지 재하하였다. 또한 헬리컬 파일은 직경이 작아 말뚝 두부에 편심이나 좌굴이 발생할 수 있으므로 말뚝 두부를 보강(직경 30cm의 캡핑 실시)하였다.
말뚝의 최종 지지력을 확인하기 위한 시험으로 시멘트풀이 굳은 뒤에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시하였다(그림 6, 표 8, 9).
국내에는 헬리컬 파일에 대한 설계식이 없으므로 도로교 설계기준에서 제안한 매입말뚝 설계식(한국지반공학회, 2015)의 극한선단지지력과 극한주면지지력 식을 이용하여 지지력을 산정하였다(표 1). 매입말뚝 설계식에는 LH식도 있으나 LH식은 선단지지력이 크게 산정하기 때문에 경타를 수반하지 않는 헬리컬 파일 공법에는 적합하지 않다고 판단되어 도로교 설계기준 식에 대해 신뢰성을 검토하였다.
본 연구에서는 경험식(N치)을 활용한 지지력 산정 방법 중 지반 조건을 사질토로 고려하여 지지력을 산정하였다.
본 연구에서는 동재하지지력 분석 시 헬리컬 파일 제원에 맞추어 STP450(114.3mm 말뚝), STP550(190.7mm 말뚝)에 준하는 강관의 탄성계수를 적용하였으며, Davisson 및 수정Davisson의 지지력 해석시 말뚝의 단면적은 날개부가 아닌 강관 축의 단면적을 적용하였다.
매입말뚝(도로교 설계기준) 식의 경우 정재하 및 동재하시험의 수정 Davisson 방법의 지지력이 비슷한 것으로 판단된다. 설계식과 재하시험 판정법의 좀 더 과학적으로 분석하기 위하여 다음 절에서 신뢰도(편향계수) 분석을 실시하였다.
유럽에서는 연직 설계지지력에 대해 안전율 2를 적용하지만(Perko, 2009), 본 연구에서는 안전율 3을 적용하였다. 유럽의 경우 헬리컬 파일에 대한 많은 경험으로 시공품질이 우수하며, 품질 관리가 철저하여 안전율 2를 적용하는 것이 가능하다.
이들 시험시공된 헬리컬 파일에 대해 정재하 및 동재하시험을 실시하고 일반파일에 사용하는 지지력 판정법과 유럽에서 헬리컬 파일에 사용하는 방법(수정 Davisson 방법)으로 지지력을 판정하여 설계지지력과 상호 신뢰성을 분석하여 국내 조건에서의 헬리컬 파일 지지력 설계법을 찾고자 하였다.
헬리컬 파일 연직 설계지지력 산정을 위해 정역학적 방법(개별선단지지 및 원통형 식)과 N치 경험식에서 Perko 및 매입말뚝(도로교 설계기준) 식을 사용하였으며, 지지력 산정 시 C,∅ 값은 지반조사보고서의 공내전단시험에서 구한 값을 적용하였다(표 4).
헬리컬 파일 정재하 및 동재하시험 지지력에 대해 판정법을 분석하였다.
헬리컬 파일에 대한 극한지지력을 확인하였으며, 최대 240tonf 재하 또는 파괴하중이 확인될 때까지 재하하였다. 또한 헬리컬 파일은 직경이 작아 말뚝 두부에 편심이나 좌굴이 발생할 수 있으므로 말뚝 두부를 보강(직경 30cm의 캡핑 실시)하였다.
헬리컬 파일의 지지력 특성을 확인하기 위하여 현장에서 시험시공 및 재하시험을 실시하였다. 114.

대상 데이터

본 논문에서는 직경 114.3mm, 190.7mm 헬리컬 파일에 대해 검토하였으며, 헬리컬 파일은 강관으로 된 축에 나선형 지지날개(Helix)를 3개씩(114.3mm : 직경 240mm, 270mm, 300mm, 190.7mm : 직경 300mm, 350mm, 400mm) 부착한 것이다(그림 3).
이 견디어 N치 50의 풍화토, 풍화암 지반에 근입하기 위해서는 파일축을 이루는 강관의 강성이 충분해야 한다. 본 연구에서는 KS 규격재인 기초용 강관말뚝 규격(KS F 4602)에 준하는STP450(114.3mm 말뚝), STP550(190.7mm 말뚝) 강관을 사용하였다.
헬리컬 파일 성능을 검증하기 위해서 114.3mm 핀 연결, 114.3mm 스크류 연결, 190.7mm 스크류 연결을 시공하였으며, 헬리컬 파일 시험시공 개요는 과 같다.
헬리컬 파일은 시공 특성상 회전압입 시 발생하는 토크를 말뚝이 받아 선단부의 Helix에 전달하여 관입이 되므로 고강도의 강관을 사용하는 것이 목표지지층(예, N=50)까지의 관입이 용이하므로, 본 연구에서는 KS 규격재인 기초용 강관말뚝(KS F 4602)의 STP450, STP550을 사용하였다. 또한 국내 현장에서 주로 사용되고 있는 말뚝 규격에 대해서도 허용압축하중을 검토하였다(표 2).

이론/모형

N치에 의한 방법으로 Perko(2009)에서 제안하는 식과 구조물기초설계기준해설(한국지반공학회, 2015)에서 제안하는 식 두 가지 방법을 검토하였다.
동재하시험 지지력 판정법으로 ① CAPWAP Method 방법, ② CASE Method, ③ Davisson 판정법 등이 있으며, 동재하시험 지지력 판정법도 정재하시험 지지력 판정법과 마찬가지로헬리컬 파일 공법의 특성을 고려한 지지력 해석법으로 수정Davisson 지지력 판정법을 적용할 수 있다.
지지력 판정 방법으로 10mm 허용침하기준, 25mm 침하기준, Davisson, 수정 Davisson(유럽에서 헬리컬 파일 실무자들이 사용하는 지지력 판정 방법, Perko, 2009)과 전통적인 항복하중 판정법을 선정하였다. 114.
지지력 판정 방법으로 CAPWAP과 Davisson 및 수정 Davisson 방법을 사용하였다. 헬리컬 파일은 지중에 회전압입하고 난 뒤 시멘트풀을 주입하여 강재+시멘트 합성구조체를 형성하므로 적정 탄성계수에 대한 검토가 필요하다.

성능/효과

1)연직 설계지지력 산정 결과 매입말뚝(도로교 설계기준)식이 다른 방법에 비해 지지력이 약 1.5~3배 높게 나타났으며, Perko의 N치 경험식의 지지력이 가장 작게 나타났다.
190.7mm 파일 지지력은 CAPWAP은 76.8tonf, Davisson 판정법은 95.0tonf과 수정 Davisson 판정법은 96.0tonf의 허용지지력을 나타내었다. 동재하시험결과를 보면 기존 CAPWAP(Rut) 방법에 의한 지지력이 Davisson 판정법의 지지력보다는 크지만유럽에서 헬리컬 파일에 사용하는 수정 Davisson 판정법의 지지력보다는 작게 판정되어 수정 Davisson 판정법이 경제성 측면에서 더 유리한 것으로 나타났다.
2)재하시험결과 파일 축직경에 따른 지지력 차이는 예상치(66%)보다 크게 나타났다(190.7mm 파일이 114.3mm 파일보다 지지력이 약 2배 이상 크게 나타남).
4)헬리컬 파일에 대한 지지력식과 재하시험결과에 대한 신뢰성 분석결과 매입말뚝(도로교 설계기준) 지지력식과 유럽에서 많이 사용하는 수정 Davisson 방법의 편향계수가 1.00에 가까우면서 보수적인 결과를 나타내어 설계식및 지지력 판정법으로 적합한 것으로 판단된다. 단, 말뚝의 길이가 20m 이상의 대심도에서는 정역학적 방법의 지지력이 크게 산정되므로, 다양한 조건(심도, 지반 조건 등)에서 설계법과 재하시험 판정법의 선택에 신중한 검토가필요하다.
개별선단지지력 식은 보통의 말뚝 길이(10m 전후)에서 매입말뚝(도로교 설계기준) 식보다 지지력이 작게 평가되는 것으로 나타났는데(표 10), 신뢰도 분석 결과(표 11) 정재하시험은 25mm 침하기준, 동재하시험은 기존 Davisson 방법과의 상관성이 좋은 것으로 평가되었다.
다품종 소량생산의 현상은 향후 예상되는 주택시장의 기조이고, 도시재생사업 및 소단위 정비사업 및 행복주택 사업을 지속적으로 추진할 것이므로 LH공사의 소규모 건축물의 건설물량은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
단, 190.7mm의 동재하시험 수정 Davisson 판정법의 허용지지력(96.0tonf)이 정재하시험 수정 Davisson 판정법의 허용지지력(116.0tonf)보다 작게 나타났는데, 동재하시험 시에 충분한 타격이 이루어졌으면 그 차이가 크지 않았을 것으로 판단된다.
동재하시험 결과(안전율 CAPWAP=2.5, Davisson & 수정 Davisson=2 적용) 114.3mm 파일 지지력은 CAPWAP은 42.4~ 46.5tonf(평균 44.5tonf), Davisson 판정법은 35.0~37.0tonf(평균 36.0tonf), 수정 Davisson 판정법은 55.6~58.8tonf(평균 57.2tonf)의 허용지지력을 나타내었다.
0tonf의 허용지지력을 나타내었다. 동재하시험결과를 보면 기존 CAPWAP(Rut) 방법에 의한 지지력이 Davisson 판정법의 지지력보다는 크지만유럽에서 헬리컬 파일에 사용하는 수정 Davisson 판정법의 지지력보다는 작게 판정되어 수정 Davisson 판정법이 경제성 측면에서 더 유리한 것으로 나타났다.
설계지지력을 종합하였을 때, 매입말뚝(도로교 설계기준) 식이 다른 방법에 비해 지지력이 약 1.5~3배가량 높게 나타났으며, Perko 식의 지지력이 가장 작게 나타났다. <표 5>는 헬리컬 파일이 11m에 근입된 지지력 산정 예이고 말뚝 길이와 지반 강도에 따라서 지지력은 달라진다.
<그림 2>에서 첫 번째 점선은 기존 Davisson offset line이고, 두 번째 점선이 헬리컬 파일 지지날개 평균직경의 10%만큼 이동한 offset line으로 두 번째 점선이 하중-침하곡선과 교차할 때의 하중이 수정 Davisson 판정법의 지지력으로, 본 예에서는 수정 Davisson판정법의 지지력이 기존 방법보다 약 78% 더 크게 나타났다.
연직 설계지지력 산정 결과(안전율 3 적용) 114.3mm 파일은 개별선단지지 식에서 39.0~39.6tonf(평균 39.3tonf), 원통형 식에서 20.6~21.2tonf(평균 20.9tonf), N치 경험식(Perko, 도로교설계기준)에서 16.6tonf, 53.6~53.8tonf(평균 53.7tonf)의 지지력을 나타내었다.
연직 설계지지력 식과 재하시험 지지력에 대한 신뢰도를 분석한 결과(표 11), 본 연구에서와 같이 보통의 길이에서는 매입말뚝(도로교 설계기준) 식과 유럽에서 많이 사용하는 정재하 및 동재하시험 모두 수정 Davisson 방법의 편향계수가 1.00에 가까우면서 1.00보다 약간 크게 나타나 정확성과 안전성을 가장 잘 충족시키는 것으로 나타났다.
재하시험(정재하 및 동재하시험) 결과와 연직 설계지지력 비교·분석 결과 개별선단지지 식의 설계지지력이 정재하시험의 25mm 침하기준(안전율 2 적용)과 동재하시험의 CAPWAP의 지지력이 비슷하게 나타났다.
재하시험(정재하 및 동재하시험) 결과와 연직 설계지지력을 산정한 결과를 토대로 신뢰도(편향계수)를 분석하였으며, 편향계수가 1.00에 근접하거나 변동계수가 낮은 값을 신뢰도가 높다고 평가한다.
정재하시험 결과 114.3mm 파일 지지력은 10mm 허용침하기준 43.5~51.8tonf(평균 47.6tonf), 25mm 전침하기준 38.0~ 38.6tonf(평균 38.3tonf), Davisson 25.0~31.0tonf(평균 28.0tonf), 수정 Davisson 51.0~55.0tonf(평균 53.0tonf)의 지지력을 나타내었다.
정재하시험 결과 114.3mm와 190.7mm 파일의 지지력의 차이는 날개 크기 등을 고려해 66% 증가할 것으로(표 6 참조) 예상하였으나, 시험결과는 190.7mm의 지지력이 114.3mm보다 평균 약 2배 더 크게 나타났다.

후속연구

3)헬리컬 파일은 항복점이 명확하게 나타나지 않는데도 침하량이 큰 경향이 있으므로 침하량을 고려한 지지력 검토가 반드시 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	행복주택이란 무엇인가?	행복주택은 도심지 내 직주근접이 가능하도록 철도부지 및 유수지 등과 같은 도심 내 공공용지, 도시외곽 보유 토지 등을 활용하는 정책사업이다. 행복주택은 기존 도심지 내에서 공사해야 하므로 대형장비 진입 및 작업공간 확보가 곤란하고 작업에 따른 소음·진동의 문제를 해결하여야 한다.
	LH공사의 소규모 건축물의 건설물량이 지속적으로 증가할 것이라 예상되는 이유는 무엇인가?	다품종 소량생산의 현상은 향후 예상되는 주택시장의 기조이고, 도시재생사업 및 소단위 정비사업 및 행복주택 사업을 지속적으로 추진할 것이므로 LH공사의 소규모 건축물의 건설물량은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.

참고문헌 (7)

한국지반공학회(2015), 국토교통부 제정: 구조물 기초 설계 기준 해설.
한국지반공학회(2016), 원형강관을 이용한 소구경 파일의 설계 기준 정립 및 시공절차 개발을 위한 적용기술 분석, 한국 지반공학회 연구보고서.
한국토지주택공사(2018), 동탄 첨단 행복주택 지반조사 보고서, LH지반조사보고서.
한국표준협회(2016), "KS F 4602: 기초용 강관 말뚝", 국가기술표준원.
American Petroleum Institute (API) (2005), "Specification for Casing and Tubing (ISO 11960)", API Specification 5CT, p87.
ICC-Evaluation Services (2007), "AC358 Acceptance Criteria for Helical Pile Foundations and Devices", www.icc-es.org.
Perko, H. A. (2009), Helical PILES: A Practical Guide to Design and Installation, New Jersey: WILEY Book, p103-214.

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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