[논문]침하가 예측되는 지반에서 강관말뚝 주면 마찰 저항에 따른 말뚝의 거동 분석

이기철; 신세희; 이학린; 김동욱

doi:10.7843/kgs.2020.36.11.107

침하가 예측되는 지반에서 강관말뚝 주면 마찰 저항에 따른 말뚝의 거동 분석
Analysis of Pile Behaviors with Friction Resistance of Skin of Steel Pipe Pile in Ground where Settlement is Predicted 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.11, 2020년, pp.107 - 117

이기철 (인천대학교 건설환경공학과) , 신세희 (인천대학교 건설환경공학과) , 이학린 (인천대학교 건설환경공학과) , 김동욱 (인천대학교 건설환경공학과)

초록
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개단 강관말뚝의 경우 일반적으로 말뚝에 작용하는 외부 주면 마찰력뿐만 아니라 설치과정에서 폐색된 흙이 강관 내부에 작용하는 내부 마찰저항이 존재한다. 내·외부 저항에 따라 극한하중의 변화가 예상되며, 말뚝이 시공된 지반이 점성토일 경우 지반 침하로 유발되는 부주면 마찰력에도 영향을 끼칠 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 강관말뚝 내·외부 저항 특성에 따른 거동을 수치해석적으로 분석하고자 하며, 지반 침하 발생 전·후의 마찰력 분포, 축력, 침하량을 산정하였다. 해석 결과, 내부 마찰 저항은 외부 마찰 저항보다 적은 영향을 미쳤지만 전체적인 말뚝 거동에 끼치는 영향을 고려하였을 때, 중요한 요소 중 하나이며 설계 시 두 가지 저항요소를 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Open-ended steel pipe piles have outside frictional force and inside frictional resistance in which blocked soil acts on the inside of the steel pipe during installation. It is expected that the ultimate load will change depending on the inside and outside resistance. And, if the ground on which the piles were constructed is clay soil, it is predicted that it will have effect on the negative skin friction caused by the ground settlement. Therefore, in this study, the behavior according to the inside and outside resistance characteristics of steel pipe piles was analyzed numerically, and the frictional force distribution, axial load and settlements before and after the occurrence of ground settlement were calculated. As a result of the analysis, the inside frictional resistance had less influence than the outside frictional resistance. However, inside frictional resistance is considered to be one of the important factors considering the effect on the overall pile behavior, and both resistance factors need to be considered in the design process.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Principle of generating negative skin friction (modified after Briaud and Tucker, 1997)
표 Table 1. Generation conditions to consider possible downdrag force in design (Briaud and tuker, 1997)
표 Table 2. Material properties of soft ground and steel pipe pile for analysis (Hejazi et al., 2008; Kim et al., 2020)
그림 Fig. 2. Modeling of soft ground and steel pipe pile for analysis
그림 Fig. 3. Coulomb friction model in ABAQUS/CAE (modified after SIMULIA, 2014)
그림 Fig. 4. Flow chart of analysis
그림 Fig. 5. Increment ratio of ultimate load compared to inside and outside friction of 0.0 and PLR with pile diameter of (a) 0.5 m, (b) 1.0 m and (c) 1.5 m
표 Table 3. Ultimate load by Terzaghi theory (1942)
그림 Fig. 6. Ultimate load with (a) inside and (b) outside friction coefficient
그림 Fig. 7. Determinations of critical (a) inside and (b) outside friction coefficient
그림 Fig. 8. When the pile diameter is 0.5 m; (a) drag load on inside surface of pile, (b) drag load on outside surface of pile and (c) axial stress
그림 Fig. 9. When the pile diameter is 1.5 m; (a) drag load on inside surface of pile, (b) drag load on outside surface of pile and (c) axial stress
그림 Fig. 10. Differences of pile displacement between before and after settlement with (a) 0.5 m and (b) 1.5 m of pile diameter

AI 본문요약
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문제 정의

해석 과정에서 부주면 마찰력을 충분히 모사하기 위해 모델링은 Table 1의 조건에 따라 진행되며, 3차원 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS/CAE(SIMULIA, 2014)를 이용하였다. Table 1의 조건 중 해당 모델링은 3, 5번 항목을 제외하고는 부주면 마찰력 발생 조건을 만족하고자 하였으며, 각 조건을 과도하게 설정하여 하향력에 따른 부주면 마찰력을 관측하기 쉽게 하고자 하였다.
이에 따라서 외부 및 내부 마찰저항력 특성은 말뚝 거동 특성에 영향을 미칠 것으로 예상되지만, 그 차이에 대해 산정된 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 강관 말뚝의 내･외부 마찰계수와 침하에 따른 말뚝 거동을 평가하고자 하며 이를 수치해석 프로그램을 사용하여 분석하였다.
본 연구의 목적은 강관말뚝 내･외부의 마찰 저항 특성이 극한하중과 부주면 마찰력에 미치는 영향을 파악하고, 말뚝의 거동을 분석하는 것이다. 따라서 강관말뚝과 지반의 마찰면의 마찰계수를 내부와 외부로 구분하여 초기에 0.
극한하중 선정 단계에서는 지반의 침하를 유도하지 않으며, 말뚝 두부 변위에 따른 반력(지지력)이 측정된다. 이후 각 말뚝 직경에서 내･외부 마찰계수에 따른 하중-침하 곡선을 비교하여, 지반 침하를 발생시킬 대표마찰계수를 선정하는데, 이는 지반 침하 조건이 삽입될 해석 케이스를 줄이고 대표적인 현상 설명을 하는 것에 목적이 있다.

가설 설정

(2020)의 문헌을 참고 하였다(Table 2). 지반은 직경 25m, 높이 30m의 대형 원기둥 형태라고 가정하고 3차원으로 모사하였으며, 부주면 마찰력의 영향을 극대화하기 위해 연약 점토(25m)와 하부 기반암(5m)으로 구성된다. 이때 강관말뚝의 길이는 30m이고,직경은 0.

제안 방법

3 범위 내에 있다. 따라서 임계 내부 마찰계수 산정에서 직경은 1.5m, PLR은 1.0으로 설정하며, 외부 마찰계수는 외부 마찰저항을 제거하기 위해 0.0의 조건을 사용하였다. 외부 마찰계수도 값의 차이가 존재하지만 말뚝 직경 0.
6 이상에서는 수렴한다. 따라서 임계 외부 마찰계수 산정을 위하여 말뚝직경 0.5m, PLR = 0.0과 말뚝 직경 1.5m, PLR = 0.0의 두 가지 해석 케이스를 설정하고 해석을 수행하였다. 이때 내부 마찰계수는 관내토가 없기 때문에 0.
폐색 효과는 완전개방상태, 부분폐색상태, 완전폐색상태로 구분하며, 식 (1)과 같이 PLR(Plug Length Ratio)로 정량화 된다. 모델링 상 PLR은 완전개방상태, 부분폐색상태, 완전폐색상태를 고려하여 0.0, 0.5, 1.0으로 설정하였고 관내토의 침하는 고려하지 않았다.
본 연구에서는 내･외부 마찰계수에 따른 극한하중 및 부주면 마찰력을 수치해석 프로그램을 이용하여 평가하였으며 결론은 다음과 같다.
우선적으로 말뚝의 극한하중은 말뚝의 거동을 분석할 때 발생 가능한 변형 연화(Stain softening) 현상에 대비하기 위하여 말뚝을 하중 제어가 아닌 변위 제어를 수행하며, 하중-침하 곡선을 도식화하여 극한하중을 산출하였다. 극한하중 산정은 Davisson’s criterion(1972, 1975)과 Terzaghi(1942)가 제시한 말뚝 직경 10%에 해당하는 침하가 발생할 때의 하중을 극한하중으로 하는 방법 등이 있으나, 강관말뚝에 있어서 적절한 극한하중 산정 방법으로 판단되며, 주로 사용되는 Terzaghi(1942) 이론을 본 연구에서는 극한하중으로 선정하였다.
지반은 직경 25m, 높이 30m의 대형 원기둥 형태라고 가정하고 3차원으로 모사하였으며, 부주면 마찰력의 영향을 극대화하기 위해 연약 점토(25m)와 하부 기반암(5m)으로 구성된다. 이때 강관말뚝의 길이는 30m이고,직경은 0.5, 1.0, 1.5m의 변수로 설정하였으며, 두께는 0.02m로 고정하여 하부 기반암까지 근입하였다.
지반 침하 발생에 따른 말뚝 거동을 파악하기 위하여 임계 내･외부 마찰계수를 적용시키고 주면 마찰력 및 말뚝 내 축력, 침하량을 분석하였다. 앞선 해석 결과 PLR은 소구경 말뚝에서 영향을 주지 못했으며, 대구경 말뚝에서 PLR 값이 0.

대상 데이터

0(frictionless)일 때 거동과 같기 때문에 이는 해석에서 제외하며 최종 해석 케이스는 다음과 같다. 이때 말뚝에 적용된 하중은 각각 해석 케이스의 직경별 최소 극한하중으로 0.5m의 직경에는 단위 하중 68.68MPa, 1.5m의 직경에는 단위 하중 131.59MPa를 적용하였다.

이론/모형

극한하중 산정은 Davisson’s criterion(1972, 1975)과 Terzaghi(1942)가 제시한 말뚝 직경 10%에 해당하는 침하가 발생할 때의 하중을 극한하중으로 하는 방법 등이 있으나, 강관말뚝에 있어서 적절한 극한하중 산정 방법으로 판단되며, 주로 사용되는 Terzaghi(1942) 이론을 본 연구에서는 극한하중으로 선정하였다.
, 2009). 따라서, 프로그램 내 비선형 탄성 모델인 Coulomb friction model을 사용하였으며, 다음과 같은 4가지 특성을 나타낸다(Fig. 3). (1) 임계 마찰응력은 접촉 압력에 좌우된다; (2) τ_cr = μP; (3) 마찰계수 μ는 상대적인 미끌림 속도, 압력, 온도, 필드 변수 등의 함수가 될 수 있다; (4) 기본설정 마찰 모델은 이상적인 거동의 근사치를 사용한다.
해석 과정에서 부주면 마찰력을 충분히 모사하기 위해 모델링은 Table 1의 조건에 따라 진행되며, 3차원 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS/CAE(SIMULIA, 2014)를 이용하였다. Table 1의 조건 중 해당 모델링은 3, 5번 항목을 제외하고는 부주면 마찰력 발생 조건을 만족하고자 하였으며, 각 조건을 과도하게 설정하여 하향력에 따른 부주면 마찰력을 관측하기 쉽게 하고자 하였다.

성능/효과

(1) 동일한 두께를 가지는 강관말뚝에서 직경과 내･외부 마찰계수의 값이 클수록 극한 하중은 증가하였다. 상대적으로 소구경인 0.
(2) 본 수치해석에서 강관말뚝의 관내토량을 정량화하는 PLR에서 부분폐색 값인 0.5와 완전폐색 값인 1.0의 차이는 매우 미미하였으나, 완전개방상태 값인 0.0의 차이는 존재하였다. 하지만 상대적으로 소구경인 말뚝의 경우 PLR은 영향을 끼치지 않았다.
(3) 침하로 인한 부주면 마찰력은 직경이 작고, 외부 마찰계수가 클 경우 크게 발생하였다. 이때 내부 마찰계수는 침하 이후 지지력의 감소를 일정부분 억제하는 역할을 하며, 직경이 클수록 이 효과는 두드러지게 나타났다.
(4) 내부 마찰력은 직경과 내부 마찰계수가 클수록 증가하였으며, 외부 마찰계수에도 일정 부분 영향을 받았다. 또한 침하 발생 시 내부 마찰력은 오히려 증가하는 경향을 보였다.
(5) 해석 결과를 통해서 부주면 마찰력은 내부 마찰계수에 비해 외부 마찰계수에 큰 영향을 받으나 내부 마찰계수가 일정부분 지지력에 기여하며, 침하 시에는 말뚝의 침하량을 감소시켜준다는 측면에서 의미가 있다. 하지만 일정 계수 값 이상에서는 효과가 동일하기 때문에 사전 지반 조사를 통해 적절한 계수 값을 선정하는 것이 중요하다.
5m직경의 강관말뚝에서 크게 발생하였다. 0.5m 직경에서내부 마찰계수 및 관내토 폐색 여부에 따른 극한하중 변화량은 매우 미미한 값을 가졌으며, 오직 외부 마찰계수만이 큰 영향을 미쳤음을 알 수 있다(Fig. 5(a)).
7과 같다. 각계수의 증가폭에 따른 극한하중의 비율(각 그래프의 기울기, slope)을 분석한 결과, 내부 마찰계수가 증가할수록 비율은 점차 작아 졌으나 0.3 이후의 값에서는 확연히 낮아짐을 확인하였다. 외부 마찰계수 변화의 경우 직경이 1.
하지만 Tan and Fellenius(2016)에서 수직구나 선행재하가 되어있는 매립지에서 침하량이 상대적으로 작음을 인식하였으며, 기존 부주면 마찰력을 고려한 설계 방법은 보수적이라 판단하였다. 따라서 이에 대한 연구를 유한요소법 수치해석으로 수행하였으며, 부주면 마찰력은 단순히 지반과 말뚝간의 상대적인 침하에 대한함수식임을 발표하였다. 이는 NCHRCP12-116(Rollins, 2019)에서도 다시 재조명 되었다.
말뚝의 직경이 증가함에 따라 초기상태(내･외부 마찰계수=0.0, PLR=0.0)와 비교하여 극한하중 증가량은 감소함을 확인 할 수 있으며, 말뚝 내부 관내토의 폐색 정도에 따라 차이가 발생하였다. 관내토가 존재할 경우(PLR=0.
지반 침하 발생에 따른 말뚝 거동을 파악하기 위하여 임계 내･외부 마찰계수를 적용시키고 주면 마찰력 및 말뚝 내 축력, 침하량을 분석하였다. 앞선 해석 결과 PLR은 소구경 말뚝에서 영향을 주지 못했으며, 대구경 말뚝에서 PLR 값이 0.5와 1.0일 경우 유사한 값을 가졌다. 또한, PLR이 0.
5일 때 감소한다. 침하의 영향은 외부 마찰계수가 0.0일 때 존재하지 않았으며, 0.5일 경우 내부마찰력은 증가하였다(Fig. 9(a)).

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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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