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문제 정의
- 국내의 경우, PHC말뚝 대비 가격이 저렴한 나무 말뚝(Song 등, 2016) 및 나선(스파이럴) 말뚝(Yum 등, 2017; Choi 등, 2015a) 등을 적용한 표준관입시험, 인발저항력 및 침하량 모니터링을 통한 온실의 구조 안전성 검증 연구가 대표적인 사례이다. 위 연구 사례와 더불어 선행 연구되었던 연약지반 보강 방법에 대하여 살펴보고자 한다.
- Table 1은 연약지반 보강을 위해 선정될 수 있는 기초 형식 및 지반 보강 공법에 대하여 나타내었다(Lee, 2015). 이 중 간척지 연약지반 보강방법으로 검토가 필요하다고 판단되는 기초 보강 방법인 스파이럴말뚝, 나무말뚝, 쇄석다짐말뚝과 PF공법에 대하여 고찰하고자 한다.
제안 방법
- 간척지 기초 시공공법 타당성 검토를 위하여, 일부 국한된 시험 조건하에 인발저항력, 허용지지력, 침하량 측정 등 시험 평가 결과를 비교 검토하였다. 기초 보강 방법 별 일관성있는 경향을 파악하는데 한계가 있었지만, 풍속40m/s에서 온실에서 받는 인발력이 20kN수준이고(Yu 등, 2012), ’97 한국형 유리온실 표준설계도에 명시된 온실의 기초 지내력 기준이 50kN/m2인 점을 고려한다면 지내력 105kN/m2 ~ 826kN/m2 범위의 기초보강 공법인 팽이, 나무말뚝 및 PF방법 모두 간척지 온실 기초에 적용하기 충분한 공법으로 간주 된다.
- 이를 위해 연약지반 기초 보강 방법에 관한 사전 연구들을 검토하였다. 대상 공법으로는 스파이럴, 나무, 쇄석 다짐 말뚝(팽이) 및 PF 공법이며, 성능 검증을 위해 인발저항력, 지내력, 침하량 측정 등의 시험이 수행되었다.
- 초기 관입시에 약한 진동 압력을 부여하여 타격 시공하는 방식에 대하여 제안하였다. 둘째로는 나무 말뚝 위에 독립 기초를 위치시키는 것에 대한 어려움으로, 독립 기초의 직경을 확대하는 방안을 제시하였다. 독립 기초의 직경을 확대하지 않고, 말뚝과 독립 기초의 체결 혹은 접합 방법에 대한 기술 확보가 필요하다.
- 상이한 기초 형태, 말뚝 직경 및 근입 깊이 등으로 단순 비교에 어려움이 있지만, Table 4와 Table 5의 시험 결과를 바탕으로 나무 말뚝과 팽이 기초에 대한 침하량 및 허용지내력을 비교하고자 한다. Table 5의 팽이 기초의 지지력(반력상한선) 기준이 450kN/m2로 보편적인 모래지반 수준으로 예상되며, 반력상한선 대비 평균 허용지지력(696kN/m2)은 155% 수준이다.
- 스파이럴과 나무 말뚝 기초 성능을 단순하게 비교하는 것은 한계가 있지만, 유사한 근입비와 마찰 면적을 갖는 기준에 대하여 비교하였다. 스파이럴 직경 50mm, 깊이 400mm인 경우와 나무 직경 40mm, 깊이 450mm 사례가 이에 해당된다.
- 최근 간척지를 활용한 대규모 수출 원예 단지에 대한 수요가 증대되고 있고, 대규모 시설원예 단지 조성을 위한 현안 중에 하나는 경량 온실용 기초 설계 기준을 확립하는 것이다. 이를 위해 연약지반 기초 보강 방법에 관한 사전 연구들을 검토하였다. 대상 공법으로는 스파이럴, 나무, 쇄석 다짐 말뚝(팽이) 및 PF 공법이며, 성능 검증을 위해 인발저항력, 지내력, 침하량 측정 등의 시험이 수행되었다.
- 첫번째, 나무 특성상 진직도 확보가 어려워 항타시 비틀림 발생으로 부러지는 현상이 나타났다. 초기 관입시에 약한 진동 압력을 부여하여 타격 시공하는 방식에 대하여 제안하였다. 둘째로는 나무 말뚝 위에 독립 기초를 위치시키는 것에 대한 어려움으로, 독립 기초의 직경을 확대하는 방안을 제시하였다.
- 최대 인발저항력은 근입 깊이가 가장 낮은 경우를 100%로 간주하고, 깊이 변화에 따른 상승 추이를 검토하였다. 인발저항력은 동일한 직경에서 근입 깊이가 증가할수록 증가하는 경향을 보였으며, 직경 250mm의 경우 최대 705%까지 인발저항력이 상승하는 결과가 도출되었다.
- 1kN로 근소하게 나무 말뚝의 성능이 우수하다고 판단되었다. 추가적으로, 일정 근입비(L/D)의 범위에서의 직경 변화에 따른 인발저항력을 비교하였다. 근입비 10~12.
대상 데이터
- (Choi 등, 2015b)는 말뚝 시공을 통해 플라스틱 온실 침하량을 검토하였다. 계화도 간척지내 국내 1-2W형 온실 설치 및 4m 간격으로 직경 150mm, 길이는 10m인 말뚝(소나무)을 설치하였다. 약 6개월 동안 온실 내/외부 전체 지점에서 측정된 침하량은 1.
- (Kang 등, 2014)은 화옹지구에서 직경 3종(25mm, 33mm, 40mm), 깊이는 230~500mm 범위에서 인발저항력을 측정하였다. 시험에 적용된 나무는 동일하게 소나무를 사용하였다.
- 인발저항력 시험과 더불어 재하 시험을 통한 지지력 검토를 진행하였다(Lee, 2015). 시험지는 부안 계화지구 간척지를 대상으로 진행되었으며, Table 4는 KS F 2445 규정에 의해 수행된 나무 말뚝 정재하시험결과를 나타내고 있다. 직경(말구)은 150mm, 길이는 10m이며, 관입 깊이는 6.
데이터처리
- 시험 결과의 신뢰도 검증을 위하여 α 방법을 적용하여 인발저항력을 산출하였다.
이론/모형
- 말뚝 직경과 근입 깊이에 따른 인발저항력 측정 및 점성토 지반에 대한 인발저항력 예측 이론인 α method(Tomlinson, 1979)을 적용하여 시험 결과의 신뢰도를 검토하였다(Yun 등, 2015; Song 등, 2016).
- 점성토 지반의 경우 Das & Seely(1982)이론과 α method 방법이 혼용되어 적용되고 있으며, 비교적 얕은 근입 깊이에서 적용되는 Das & Seely 이론 대비(Lee와 Kwon, 1998) 기존 연구에서 실제 시험 값과 유사한 경향을 보인 α 방법을 적용하여 인발저항력을 검토하였다(Yun 등, 2015).
- (Shin와 Ahn, 2011)는 무처리 지반과 팽이 기초 보강에 따른 침하량과 허용지내력을 평가하였다. 지반 지지력 평가는 KS F 2444 규정에 기반한 평판 재하 시험을 통해 진행되었다.
성능/효과
- 추가적으로, 일정 근입비(L/D)의 범위에서의 직경 변화에 따른 인발저항력을 비교하였다. 근입비 10~12.1 범위에서는 직경 250mm구간, 근입비 14.6~16.7 범위에서의 직경 300mm구간에서 급격한 상승값을 보였으며, 근입비 범위에 따라 인발저항력 증가 폭이 다르게 나타나는 것을 확인하였다. 지반 지내력 검토를 위한 재하시험 결과의 경우, 상이한 보강 방법, 직경, 관입 깊이 등의 영향으로 단순 비교하는 것에 한계가 있지만, 나무 말뚝 105kN/m2, 팽이 말뚝 826kN/m2, PF방법 300kN/m2 수준의 최대 허용지지력을 보였다.
- 인발력에 대한 근입비와 마찰면적과의 상관 관계를 검토할 경우, 근입비 대비 인발저항력은 이론 치와 유사한 상승 비율을 나타내었다. 마찰 면적 대비 인발저항력은 75mm 직경 구간에서 일부 변곡점이 나타나는 것으로 확인 되었지만, 전체적인 경향에서는 상승하는 추이를 보이고 있다. 위 연구는 스파이럴 기초를 적용하여 인발력과 침하량을 측정하였으나, 침하량의 경우 장 시간의 모니터링이 요구되어 적합성 측면에서 추가 실험이 요구되는 상황이다.
- Table 5에서 쇄석다짐말뚝의 재하시험 결과로 A~B는 무처리 지반, C~D는 팽이 기초 보강에 따른 최종 침하량 및 Terzaghi(1943) 지지력 이론에 근거한 허용지내력을 보여준다. 말뚝 보강의 경우, 무처리 지반 A~B 대비 평균적으로 100% 이상의 허용지내력이 상승하는 경향을 확인할 수 있었고, 설계 요구치 450kN/m2를 만족시키는 것으로 확인되었다.
- 인발저항력은 동일한 직경에서 근입 깊이가 증가할수록 저항력이 상승하는 것을 확인 할 수 있었다. 스파이럴과 나무 말뚝 기초의 성능을 비교하자면, 유사한 근입비와 마찰 면적을 갖는 기준에 대하여 스파이럴 말뚝의 인발저항력 0.8kN, 나무 말뚝은 인발저항력 1.1kN로 근소하게 나무 말뚝의 성능이 우수하다고 판단되었다. 추가적으로, 일정 근입비(L/D)의 범위에서의 직경 변화에 따른 인발저항력을 비교하였다.
- 시험 결과의 신뢰도 검증을 위하여 α 방법을 적용하여 인발저항력을 산출하였다. 시험 값과 이론값의 경우 직경 150mm, 깊이 10m인 시험조건을 제외하고 평균 10%내외의 유사한 경향을 보였다.
- 식(1)을 기반으로, 직경 50mm, 깊이 400mm에 대한 인발력을 100%로 가정할 경우, 직경 100mm, 깊이 1,000mm의 스파이럴 기초의 인발력은 500% 수준으로 계상된다. 실제 시험 결과와 상승률 측면에서 비교하면, 직경 100mm, 깊이 1,000mm 기준에서 약 125%의 오차가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 근입 깊이에 따라 지반의 마찰 저항 변화에 따른 영향으로 예상된다.
- 04mm 수준이다. 유사한 지반 보강 수준이라고 가정한다면, 나무 말뚝 방식이 조금이나마 침하 억제효과가 높게 나타나고 있음을 확인하였다.
- 인발저항력은 동일한 직경에서 근입 깊이가 증가할수록 저항력이 상승하는 것을 확인 할 수 있었다. 스파이럴과 나무 말뚝 기초의 성능을 비교하자면, 유사한 근입비와 마찰 면적을 갖는 기준에 대하여 스파이럴 말뚝의 인발저항력 0.
- 최대 인발저항력은 근입 깊이가 가장 낮은 경우를 100%로 간주하고, 깊이 변화에 따른 상승 추이를 검토하였다. 인발저항력은 동일한 직경에서 근입 깊이가 증가할수록 증가하는 경향을 보였으며, 직경 250mm의 경우 최대 705%까지 인발저항력이 상승하는 결과가 도출되었다. 시험 결과의 신뢰도 검증을 위하여 α 방법을 적용하여 인발저항력을 산출하였다.
- 말뚝 기초의 성능적인 측면이 아닌, 시공 측면에서 나무 말뚝 기초를 적용한 플라스틱 온실 설치를 통해 문제점 및 개선안을 제시하였다(Yu 등, 2014). 첫번째, 나무 특성상 진직도 확보가 어려워 항타시 비틀림 발생으로 부러지는 현상이 나타났다. 초기 관입시에 약한 진동 압력을 부여하여 타격 시공하는 방식에 대하여 제안하였다.
- 30mm 수준으로 측정되었다. 허용지지력 측면에서 시험 위치 A를 제외하고, 모두 설계 요구치 50kN/m2에 만족하는 결과를 보였다. B와 D의 경우 측정 가능 최대 범위인 105kN/m2을 초과하였다.
- 2m 수준이다. 허용지지력은 항복-극한 하중 분석법에 의해 평가되었으며, 나무 말뚝의 총 침하량은 210kN의 하중 재하 시 5.09~30.30mm 수준으로 측정되었다. 허용지지력 측면에서 시험 위치 A를 제외하고, 모두 설계 요구치 50kN/m2에 만족하는 결과를 보였다.
후속연구
- 기초 보강 방법 별 일관성있는 경향을 파악하는데 한계가 있었지만, 풍속40m/s에서 온실에서 받는 인발력이 20kN수준이고(Yu 등, 2012), ’97 한국형 유리온실 표준설계도에 명시된 온실의 기초 지내력 기준이 50kN/m2인 점을 고려한다면 지내력 105kN/m2 ~ 826kN/m2 범위의 기초보강 공법인 팽이, 나무말뚝 및 PF방법 모두 간척지 온실 기초에 적용하기 충분한 공법으로 간주 된다. 장기 침하량 모니터링 및 기초 보강 방법 별 수렴성과 재현성이 확보된 실증 데이터 보완을 통해, 온실 유형별 구조안정성과 경제성을 동시에 만족시킬 수 있는 기초 방식 선정과 설계 가이드라인 제시가 가능할 것이라고 판단된다.
- 1kN로 근소하게 나무 말뚝의 성능이 우수하다고 판단된다. 추가 실험을 통하여, 스파이럴과 나무 말뚝의 구조적 안전성과 경제성 측면을 동시에 고려하여 비교 검증할 필요가 있다.
- 4의 근입비 15내외 범위에서의 인발저항력 상승폭이 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 향후, 직경 40~300mm 구간, 근입비 10미만 및 16.7초과 범위에서의 추가 데이터를 확보한다면, 말뚝 기초 사양 결정에 유효한 데이터로 활용될 수 있을 것이다.
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