마이크로파일의 활용증가로 수행되었던 마이크로파일의 관련연구를 통해 다양한 마이크로파일이 개발되어왔다. 개발되고 있는 마이크로파일 공법들 중 최근 수평지지력(내진저항력)의 증가를 위한 목적으로 개발된 삼축 마이크로파일(Triaxial micropile, TMP)이 대표적이라 할 수 있다. 삼축 마이크로파일은 각축에 경사지게 설치된 3개의 마이크로파일이 수평하중에 저항하므로 좀 더 효과적으로 수평하중에 저항할 수 있는 공법의 장점이 있다. 그러나 삼축 마이크로파일에 대한 지지특성에 대한 연구가 부족하여 이 파일공법을 효과적으로 활용하는데 문제가 있다. 즉, 삼축 마이크로파일(TMP)의 효과적인 활용을 위해서는 파일의 수평지 지력에 영향을 주는 요인에 대한 지지력 평가가 요구된다. 이에 본 연구에서는 하중 방향별 현장수평재하시험을 수행하고 3차원 유한요소해석을 통해 현장 재하시험을 검증하고 거동 특성을 고찰하였으며, 수평하중의 방향을 고려한 적정한 수평지지력을 분석하였다.
마이크로파일의 활용증가로 수행되었던 마이크로파일의 관련연구를 통해 다양한 마이크로파일이 개발되어왔다. 개발되고 있는 마이크로파일 공법들 중 최근 수평지지력(내진저항력)의 증가를 위한 목적으로 개발된 삼축 마이크로파일(Triaxial micropile, TMP)이 대표적이라 할 수 있다. 삼축 마이크로파일은 각축에 경사지게 설치된 3개의 마이크로파일이 수평하중에 저항하므로 좀 더 효과적으로 수평하중에 저항할 수 있는 공법의 장점이 있다. 그러나 삼축 마이크로파일에 대한 지지특성에 대한 연구가 부족하여 이 파일공법을 효과적으로 활용하는데 문제가 있다. 즉, 삼축 마이크로파일(TMP)의 효과적인 활용을 위해서는 파일의 수평지 지력에 영향을 주는 요인에 대한 지지력 평가가 요구된다. 이에 본 연구에서는 하중 방향별 현장수평재하시험을 수행하고 3차원 유한요소해석을 통해 현장 재하시험을 검증하고 거동 특성을 고찰하였으며, 수평하중의 방향을 고려한 적정한 수평지지력을 분석하였다.
Various micropiles have been developed through research related to micropiles, which have been carried out with the increased use of micropiles. Among the micropile construction methods being developed, the triaxial micropile (tmp), which is recently developed for the purpose of increasing the horiz...
Various micropiles have been developed through research related to micropiles, which have been carried out with the increased use of micropiles. Among the micropile construction methods being developed, the triaxial micropile (tmp), which is recently developed for the purpose of increasing the horizontal bearing capacity (seismic resistance), is representative. The three-axis micropile has the advantage of a method that can resist horizontal load more effectively because three micropiles installed inclined on each axis resist horizontal load. However, there is a problem in effectively using this pile method due to insufficient research on the support characteristics of the triaxial group micropile. In order to effectively utilize the triaxial group micropile (tmp), it is required to evaluate the bearing capacity for the factors that affect the horizontal bearing capacity of the pile. Therefore, in this study, field horizontal loading Tests were performed for each load direction, field loading Tests were verified through three-dimensional finite element analysis, behavioral characteristics of triaxial micropiles were evaluated, and appropriate horizontal bearing capacity was analyzed in consideration of horizontal load directions.
Various micropiles have been developed through research related to micropiles, which have been carried out with the increased use of micropiles. Among the micropile construction methods being developed, the triaxial micropile (tmp), which is recently developed for the purpose of increasing the horizontal bearing capacity (seismic resistance), is representative. The three-axis micropile has the advantage of a method that can resist horizontal load more effectively because three micropiles installed inclined on each axis resist horizontal load. However, there is a problem in effectively using this pile method due to insufficient research on the support characteristics of the triaxial group micropile. In order to effectively utilize the triaxial group micropile (tmp), it is required to evaluate the bearing capacity for the factors that affect the horizontal bearing capacity of the pile. Therefore, in this study, field horizontal loading Tests were performed for each load direction, field loading Tests were verified through three-dimensional finite element analysis, behavioral characteristics of triaxial micropiles were evaluated, and appropriate horizontal bearing capacity was analyzed in consideration of horizontal load directions.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 삼축 마이크로파일에 대한 수평 거동특성 및 수평저항력을 평가하고자 원형 파일체를 대상으로 현장 수평재하시험을 수행하였다. 그리고 현장조건과 재하시험 과정을 모사한 3차원 수치해석을 수행하여 재하시험과 비교, 분석하였으며 삼축 마이크로파일의 적정한 수평 지지력을 평가하고자 하였다.
제안 방법
1과 3에 보인 원형 파일구조를 동일하게 모사하였다. 각축에 설치한 마이크로파일의 구조는 강관 내부가 그라우트로 채워진 구조이므로, 모델링시 강관은 2차원 쉘요소(2D Shell element), 그라우트은 3차원 솔리드 요소(3D soild element)로 모델링하였다. 또한 각 축의 파일을 결합하는 파일캡은 3차원 솔리드 요소를 형성시킴으로써 원형 파일체를 모사하였다.
객관적인 해석 결과의 도출을 위해 모델링시 재료의 탄성계수(E), 프라송비(), 단위중량(), 점착력(c), 흙의 전단저항각()등의재료물성값이 요구됨에 따라 본 연구에서는 현장지반 조건과 실무에서 주로 적용하고 있는 경험적 제안값(AASHTO, 2002; FHWA, 2005, Shin, 2015)을 고려해 물성값을 결정하였으며, Table 1과 같이 산정하여 수치해석에 적용하였다.
못하였다. 그리고 삼축 마이크로파일의 구조상 파일의 수평 변위 특성이 수평하중의 작용방향에 따라 다르게 거동할 것으로 판단됨에 따라 이를 확인하기 위해 3차원 수치해석을 수행하였다.
각 단계하중 재하시 지속시간 (Duration time)은 10분 이내이며, 파일변위가 수렴되면 다음 단계의 하중을 가하였다. 그리고 최종단계의 수평 하중을 가한 후, 파일에 발생된 소성변위를 측정하고자 제하 (Unloading, 적용하중=10kN)하였다.
그리고 현장재하시험에서 확인하지 못한 수평 지지력을 평가하기 위해 15mm 변위 발생 이상의 수평 하중을 재하하중으로 수치해석에 적용하기 위해 현장 실험 결과를 기반으로 현장시험의 재하하중(90kN)의 2배 이상의 하중인 180kN을 재하하중으로 선정하여 수평지지력을 확인하였다.
수평재하시험을 수행하였다. 그리고 현장조건과 재하시험 과정을 모사한 3차원 수치해석을 수행하여 재하시험과 비교, 분석하였으며 삼축 마이크로파일의 적정한 수평 지지력을 평가하고자 하였다.
이는 마이크로파일이 기존파일에 비해 파일의 직경이 작기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 마이크로파일의 허용변위에 대한 수평 지지력을 결정하는 경우, FHWA(2005)에서 제안한 허용 기준인파일 두부의 허용변위 15mm에 해당하는 수평하중으로 마이크로파일의 수평지지력을 결정하였다.
각축에 설치한 마이크로파일의 구조는 강관 내부가 그라우트로 채워진 구조이므로, 모델링시 강관은 2차원 쉘요소(2D Shell element), 그라우트은 3차원 솔리드 요소(3D soild element)로 모델링하였다. 또한 각 축의 파일을 결합하는 파일캡은 3차원 솔리드 요소를 형성시킴으로써 원형 파일체를 모사하였다. 지반에 설치된 마이크로파일(매끄러운 강관)과 지반 상호경계면은 삼 축 마이크로파일의 수평거동특성을 고려해 인터페이스 요소(Interface element)를 적용하였다.
또한 삼축 마이크로파일의 수평지지력 결정을 위한 해석을 수행하는 경우 수평하중은 180kN을 적용하였으며, 하중재하조건은 단계별 하중(PH=30kN)을 적용하였다. 객관적인 해석 결과의 도출을 위해 모델링시 재료의 탄성계수(E), 프라송비(), 단위중량(), 점착력(c), 흙의 전단저항각()등의재료물성값이 요구됨에 따라 본 연구에서는 현장지반 조건과 실무에서 주로 적용하고 있는 경험적 제안값(AASHTO, 2002; FHWA, 2005, Shin, 2015)을 고려해 물성값을 결정하였으며, Table 1과 같이 산정하여 수치해석에 적용하였다.
본 연구는 삼축 마이크로파일의 거동특성 및 지지력을 평가하기 위해 현장시험과 수치해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서 3차원 수치해석은 현장 수평재하시험과 동일한 지반조건(지반, 하중조건)을 모사하여 수치해석을 수행하였으며, 현장시험과 동일한 조건에서의 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 유효성을 확인하였으며, 현장재하시험에서 확인하지 못한 삼축 마이크로파일의 거동특성을 분석하였다. 그리고 현장재하시험에서 확인하지 못한 수평 지지력을 평가하기 위해 15mm 변위 발생 이상의 수평 하중을 재하하중으로 수치해석에 적용하기 위해 현장 실험 결과를 기반으로 현장시험의 재하하중(90kN)의 2배 이상의 하중인 180kN을 재하하중으로 선정하여 수평지지력을 확인하였다.
삼축 마이크로파일이 설치된 지반에 대한 지층구조 및 상태를 조사하기 위해 본 연구에서는 현장지반조사를 수행하였고, 지반조사결과는 Fig. 2와 같다. 현장지반은 매립층 (지층두께=0~0.
4). 수평하중은 현장시험과정에 대한 수치 해석의 모사가능여부를 판단하는 경우 시험하중과 동일한 90kN을 적용하였으며 하중재하조건은 현장시험과 동일하 게 단계별 하중 재하(PH=10kN)와 제하(PH-unloading=10kN)를 적용하였다.
또한 각 축의 파일을 결합하는 파일캡은 3차원 솔리드 요소를 형성시킴으로써 원형 파일체를 모사하였다. 지반에 설치된 마이크로파일(매끄러운 강관)과 지반 상호경계면은 삼 축 마이크로파일의 수평거동특성을 고려해 인터페이스 요소(Interface element)를 적용하였다. 파일과 지반에 대한 인터페이스 고려시 적용된 수직과 전단탄성계수(과 )는다 음과 같다(MIDAS, 2010).
파일구조상 독립된 구조로 마이크로파일이 수평 하중에 저항하는 형상이고 축대칭 조건이 성립되지 않으므로, 현장시험 과정을 모사하기 위해 본 연구에서는 지반 분야에서 많이 활용하고 있는 유한요소 해석 프로그램으로 MIDAS NX(ver. 3.20) 이용하여 3차원 수치해석을 수행하였다. Fig.
파일의 구조상 수평하중의 작용 방향에 따라 파일의 거동 특성이 상이해질 수 있을 것으로 판단되어 본 연구에서는 대비되는 2가지 수평하중 방향으로 재하시험을 수행하였다. Fig.
5는 지반에 설치된 시험파일, 하중재하 장치와 계측 장치를 보인 것이다. 하중재하는 로드셀(Load cell)이 설치된 유압잭(Hydraulic jack)을 활용해 수평하중을 가하였다. 시험시 가한 하중단계는 총 9단계이며, 각 단계별 수평 하중은 10kN이다(PH=10kN).
4는 삼축 마이크로파일의 파일번호와 시험시 수평 하중 작용방향을 보인 것이다. 현장지반에 설치한 각축의 파일 번호는 시계방향 순으로 정하였으며, No.1 파일 방향으로 하중을 가하는 경우(Test #1)와 No.2와 No.3 파일 사이 방향으로 하중을 가하는 경우(Test #2)로 구분하여 현장 실험을 수행하였다.
대상 데이터
삼축 마이크로파일의 구조는 Fig. 1에 보인 바와 같이 강판으로 구성된 파일두부 캡에 그라우트로 채워진 직경 114~ 158mm인 소구경 마이크로파일이 3축 방향으로 결합된 구조이다(파일 캡 설치 후 마이크로파일 관입, 연결 및 그라우팅 채움). 즉 파일캡으로 결합된 마이크로파일은 일종의 소구경 채움 콘크리트 강관파일이라 할 수 있다.
이론/모형
R과 는 강도감소계수와 가상두께(인터페이스)를 의미한다. 모래와 매끄러운 강철의 관계는 Shin(2015)가 제안한 바를 고려해 강도감소계수(R)은 0.65를 적용하고, 가상두께 계수(tv)는 0.1을 적용하였다. 모델링시 수평하중의 방향은 Fig.
현장 수평재하시험 과정은 FHWA(2005)에서 제안한 시험 과정과 동일하며, 적용한 시험하중은 설계하중(40kN)의 2배 이상의 하중으로 90kN을 현장시험에 적용하였다. 파일의 구조상 수평하중의 작용 방향에 따라 파일의 거동 특성이 상이해질 수 있을 것으로 판단되어 본 연구에서는 대비되는 2가지 수평하중 방향으로 재하시험을 수행하였다.
성능/효과
(2) 3차원 수치해석에 의한 각축의 마이크로파일의 거동 분석 결과 Test #1 방향인 경우 1개의 마이크로파일(MC1) 에 인장(+)축력이 발생하고, Test #2방향 수평하중인 경우 2개의 마이크로파일(MC1, MC2)에 인장(+)축력 발생하는 것으로 분석되었다. 인장(+)축력이 더 많이 발휘되는 Test #2 방향 수평하중에 대하여 약간 큰 수평 저항력을 나타내는 것으로 분석되었다.
(3) 대상 현장의 3차원 수치해석에 의한 삼축 마이크로 파일 수평 지지력은 미미하지만 변위가 상대적으로 큰 Test #1방향에 대하여 산정하는 것이 바람직하며 수평 지지력은 149kN으로 산정되었다.
수치해석결과, 수평하중 방향 Test #1인 경우 삼축 마이크로파일의 하중-변위 관계는 Fig. 8(a)에 보인 바와 같이 수평하중이 증가함에 따라 변 위가 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났고, 수평하중 90kN 에 대한 수평변위는 7.8mm로 나타났다. 수평하중방향 Test #2인 경우 파일의 하중-변위 곡선도 Fig.
거동분석결과 Test #2 방향인 경우 2개의 파일(MC2, MC3) 에 인장(+)축력 발생하고, Test #1인 경우 1개의 파일(MC1) 에 인장(+)축력이 발생하는 것으로 분석되었으며, 인장(+) 축력에 더 큰 저항력을 나타내는 마이크로파일의 특성이 반영되어 Test #2 방향에서 미미하게 더 큰 저항력이 발휘되는 것으로 평가된다.
인장(+)축력이 더 많이 발휘되는 Test #2 방향 수평하중에 대하여 약간 큰 수평 저항력을 나타내는 것으로 분석되었다. 그러나, 이 방향에 따른 수평 저항력의 차이는 매우 미미하고 30도 차이로 반복되는 특성을 고려할 때 방향에 따른 거동특성은 거의 동일한 것으로 평가되었다.
(2015)는 모형시험을 통해 단열로 설치된 마이크로파일의 수평지지특성에 대해 평가한 바 있다. 그리고 시험결과 통해 수평하중을 받는 마이크로파일은 짧은 파일조건이면 양의 방향(>0°)으로, L/d≥50 인 긴 파일조건이면 음의 방향(<0°)으로 경사지게 설치함이 효과적이라 제안한 바 있다. 또한 Hussain et al.
(2019) 은지반의 상대밀도와 파일의 설치조건(파일길이비, 간격)을달리한 모형시험을 통해 마이크로파일의 수평저항성에 대해 평가하였다. 그리고 시험결과를 통해 파일의 설치간격 2D인 경우 마이크로파일의 효율이 지반의 상대밀도과 관계없이 감소하는 반면, 설치간격 4D인 경우 상대밀도가 증가함에 따라 파일의 효율도 증가함을 보였다. Hwang et al.
5mm로 나타났다. 그리고 시험결과와 수치해석을 통해 구한 파일의 하중-변위관계가 매우 유사한 것으로 나타났다. 그러므로 수치해석을 통해 지반내 마이크로파일 거동과 삼축 마이크로파일의 수평지지력에 대한 평가가 가능할 것으로 확인된다.
Test #1 방향에서 변위가 미소하게 크게 발생하였으나 차이는 미미한 것으로 분석되었다. 그리고 현장시험과 동일한 조건으로 수치해석을 수행한 결과 수평 재하 및 제하에 따른 응력-변위 거동특성 및 수평하중 방향별 거동특성 모두 현장시험 결과와 유사하게 나타남에 따라 3차원 수치해석을 통한 삼축 마이크로파일의 거동을 예측할 수 있을 것으로 판단되었다.
것으로 분석되었다. 인장(+)축력이 더 많이 발휘되는 Test #2 방향 수평하중에 대하여 약간 큰 수평 저항력을 나타내는 것으로 분석되었다. 그러나, 이 방향에 따른 수평 저항력의 차이는 매우 미미하고 30도 차이로 반복되는 특성을 고려할 때 방향에 따른 거동특성은 거의 동일한 것으로 평가되었다.
6은 수평하중의 방향을 달리한 현장시험 결과로부터 조사된 삼축 마이크로파일의 수평 하중-변위관계()를보인 것이다. 하중방향을 달리하여 수평하중을 가한 결과, Test #1과 #2인 경우 파일의 하중-변위관계는 수평 하중의 방향과 관계없이 Fig. 6에 보인 바와 같이 유사하고, 두 경우 모두가 하중이 증가함에 따라 파일에 발생된 수평변위가 대체로 선형적으로 증가하였다. 이때 설계하중(90KN) 단계에서 파일에 발생한 파일변위는 Test #1 방향에서 7.
현장 실험을 수행한 결과로부터 삼축 마이크로파일의 수평 하중의 작용방향에 따라 파일의 수평변위량이 크게 달라지지 않았으나 파일 설계 시 고려한 설계하중의 2배(90kN) 까지만 수행되었으며 이때의 수평변위는 8mm 이내로 수평 지지력을 산정하기 위한 15mm 변위까지 수평하중을 재하하지 못하였다. 그리고 삼축 마이크로파일의 구조상 파일의 수평 변위 특성이 수평하중의 작용방향에 따라 다르게 거동할 것으로 판단됨에 따라 이를 확인하기 위해 3차원 수치해석을 수행하였다.
후속연구
(4) 그러나 삼축 마이크로파일의 효율적인 현장적용을 위해 삼 축 마이크로파일의 거동 및 지지력, 내진 저항성 등에 영향을 미치는 삼축 마이크로파일의 설치 각도, 파일 길이 등의 영향인자를 고려한 다양한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
그리고 시험결과와 수치해석을 통해 구한 파일의 하중-변위관계가 매우 유사한 것으로 나타났다. 그러므로 수치해석을 통해 지반내 마이크로파일 거동과 삼축 마이크로파일의 수평지지력에 대한 평가가 가능할 것으로 확인된다.
참고문헌 (11)
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