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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 모형실험을 통해 상부에 모래층, 하부에 단단한 화강풍화토 층으로 조성된 2층 지반조건에서 캡과 지반의 접촉이 무리말뚝의 지지거동에 미치는 영향을 규명하였다. 이를 위해 다양한 말뚝간격에 대하여, 캡과 지반이 접촉한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 3X3 무리말뚝 재하시험을 수행하였다.
- 또한, 국내의 대표적 지층 및 말뚝 설치 조건, 즉, 상부의 연약 토사층과 선단부의 단단한 풍화층으로 구성된 지반 조건에서의 연구는 전무하다고 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 시험 결과의 분석을 통해 선단지지 무리말뚝의 지지 거 동에 캡이 미치는 영향을 다양한 말뚝 간격에 대하여 연구하였다.
가설 설정
- 5 cm, 두께 2 cm인 강재 철판을 이용하였다. 캡은 강체로 거동하도록 가정하고 계획하였고, 시험 시 상부의 네 지점에서 계측을 통해 부등침하가 발생하지 않는 것을 확인하 였다.
제안 방법
- 9개의 말뚝이 정방형 배열이 되도록 설치되었으며, 말뚝 사이의 중심간격은 말뚝 직경의 2배에서 5배 까지 되도록 하였다(그림 1). 수행된 시험은 캡과 지반의 접촉 여부에 따라 두 종류의 시험으로 나눌 수 있으며(그림 2), 캡과 지반이 접촉하지 않은 경우 F, 접촉한 경우를 P라 각각 명명하고, 시험 종류를 나 타내는 문자 뒤에 숫자로 말뚝사이의 중심간격을 말뚝 직경에 대한 배수로 나타내었다.
- 모든 말뚝은 길이가 60 cm이고, 근입 깊이는 캡과 지반이 접 촉하지 않은 경우에 58 cm, 접촉한 경우 60 cm가 되도록 하였다. 각 말뚝의 머리와 선단에 각각 변형율 게이지를 부착하여 각 말뚝에 전달되는 전체하중과 선단하중을 분리하여 측정할 수 있도록 하였다. 말뚝캡으로는 크기 36.
- 98 g/cnU, 114 %로 나타났다. 각 시험에 대 하여 크기 1 mxi.4 mX2.5 m인 토조에 일정한 높이에서 화강풍화토를 4번체를 통하여 일정한 높이에 서 낙하시키고 진동다짐기를 이용하여 단단하게 다져 하부 화강풍화토층을 조성한 후에, 그 위에 모래 를 같은 높이에서 낙하시키고 다짐판을 이용하여 다짐으로써 상부 모래층을 조성하였다. 조성된 모래층 은 평균상대밀도 70 %인 조밀한 사질토로 분류되었으며, 화강풍화토층은 건조단위중량이 1.
- 말뚝은 해머를 이용하여 타입하였다. 나무 재질의 형판을 이용하여 말뚝이 정확한 위치에 설치될 수 있도록 하였으며, 타입 시 레벨을 사용하여 말뚝이 지표와 수직으로 설치된 것을 확인하였다. 중심 말뚝 을 가장 먼저 설치하였으며, 캡과 지반이 접촉하지 않은 경우에는 말뚝머리가 지표에서 2 cm정도 위에 위치하도록 타입하였고, 접촉한 경우에는 지표까지 타입하였다.
- 이를 위해 다양한 말뚝간격에 대하여, 캡과 지반이 접촉한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 3X3 무리말뚝 재하시험을 수행하였다. 또한 비교분석을 위하여 동일한 조건에서 단독 말뚝과 전면기초(캡)에 대한 재하시험도 수 행하였다.
- 본 실험의 주된 목적은 말뚝캡이 무리말뚝의 거동에 미치는 영향을 검토하기 위한 것이기 때문어), 동 일한 지반조건에서, 동일한 크기의 무리말뚝에 대하여 캡과 지반이 접촉한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 각각 재하시험을 수행하였다. 또한 비교분석을 위해 단말뚝과 전면기초(캡)에 대한 시험을 수행 하였다.
- 본 실험의 주된 목적은 말뚝캡이 무리말뚝의 거동에 미치는 영향을 검토하기 위한 것이기 때문어), 동 일한 지반조건에서, 동일한 크기의 무리말뚝에 대하여 캡과 지반이 접촉한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 각각 재하시험을 수행하였다. 또한 비교분석을 위해 단말뚝과 전면기초(캡)에 대한 시험을 수행 하였다.
- 수행된 시험은 캡과 지반의 접촉 여부에 따라 두 종류의 시험으로 나눌 수 있으며(그림 2), 캡과 지반이 접촉하지 않은 경우 F, 접촉한 경우를 P라 각각 명명하고, 시험 종류를 나 타내는 문자 뒤에 숫자로 말뚝사이의 중심간격을 말뚝 직경에 대한 배수로 나타내었다. 비교분석을 위 해 단말뚝(S)과 캡(C)에 대한 시험도 수행하였으며, 표 1에 수행된 시험의 종류를 요약하여 나타내었다.
- 9개의 말뚝이 정방형 배열이 되도록 설치되었으며, 말뚝 사이의 중심간격은 말뚝 직경의 2배에서 5배 까지 되도록 하였다(그림 1). 수행된 시험은 캡과 지반의 접촉 여부에 따라 두 종류의 시험으로 나눌 수 있으며(그림 2), 캡과 지반이 접촉하지 않은 경우 F, 접촉한 경우를 P라 각각 명명하고, 시험 종류를 나 타내는 문자 뒤에 숫자로 말뚝사이의 중심간격을 말뚝 직경에 대한 배수로 나타내었다. 비교분석을 위 해 단말뚝(S)과 캡(C)에 대한 시험도 수행하였으며, 표 1에 수행된 시험의 종류를 요약하여 나타내었다.
- 따라서, 본 연구에서는 모형실험을 통해 상부에 모래층, 하부에 단단한 화강풍화토 층으로 조성된 2층 지반조건에서 캡과 지반의 접촉이 무리말뚝의 지지거동에 미치는 영향을 규명하였다. 이를 위해 다양한 말뚝간격에 대하여, 캡과 지반이 접촉한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 3X3 무리말뚝 재하시험을 수행하였다. 또한 비교분석을 위하여 동일한 조건에서 단독 말뚝과 전면기초(캡)에 대한 재하시험도 수 행하였다.
- 재하는 유압잭을 이용하여 분당 1 mm정도의 일정한 침하량이 발생하도록 하였다. 전체 무리말뚝 시 스템에 가해지는 하중은 로드셀을 이용하여, 각 말뚝의 머리 및 선단에 전달되는 하중은 변형율게이지 를 이용하여 각각 측정하였다.
- 재하는 유압잭을 이용하여 분당 1 mm정도의 일정한 침하량이 발생하도록 하였다. 전체 무리말뚝 시 스템에 가해지는 하중은 로드셀을 이용하여, 각 말뚝의 머리 및 선단에 전달되는 하중은 변형율게이지 를 이용하여 각각 측정하였다. 타입 시 발생한 잔류응력을 최소화하기 이하여 말뚝 설치 후 하루 동안 방치한 후 본 시험을 수행하였다.
- 타입 시 발생한 잔류응력을 최소화하기 이하여 말뚝 설치 후 하루 동안 방치한 후 본 시험을 수행하였다. 침하량은 캡 윗면의 네 지점에서 LVDT를 이용하여 측정하였다. 모든 측정값은 Data Logger 와 DAS (Data Acquisition System) 보드를 통해 PC 에 동시에 저장되었다.
- 전체 무리말뚝 시 스템에 가해지는 하중은 로드셀을 이용하여, 각 말뚝의 머리 및 선단에 전달되는 하중은 변형율게이지 를 이용하여 각각 측정하였다. 타입 시 발생한 잔류응력을 최소화하기 이하여 말뚝 설치 후 하루 동안 방치한 후 본 시험을 수행하였다. 침하량은 캡 윗면의 네 지점에서 LVDT를 이용하여 측정하였다.
- 하부에 단단한 풍화토 층이 존재하는 2층 지반에서 캡과 지반이 접촉하지 않은 경우와 접촉한 경우의 무리말뚝, 단말뚝, 전면기초(캡)에 대한 모형실험 결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 따라서 본 연구에서는 두 시험의 결과에 대하여 동일 침하량에서 하중을 비교하여 그 비율을 구하는 하중효율 개념(Phung, 1993)을 적용하였다. 하중효율은 구조물의 허용 침하량을 토대로 하는 침하량 기준 개념이라 할 수 있으며, 본 연구에서는 항복 이전과 항복 이후의 캡의 하중 분담과 캡-지반-말뚝 상호작용을 분리하여 검토하기 위하여 항복 이전의 침하량인 1mm와 항복 이후의 침하량 인 3 mm에서 각각 하중효율을 산정하여 시험결과를 분석하였다.
대상 데이터
- 각 말뚝의 머리와 선단에 각각 변형율 게이지를 부착하여 각 말뚝에 전달되는 전체하중과 선단하중을 분리하여 측정할 수 있도록 하였다. 말뚝캡으로는 크기 36.5 cmX36.5 cm, 두께 2 cm인 강재 철판을 이용하였다. 캡은 강체로 거동하도록 가정하고 계획하였고, 시험 시 상부의 네 지점에서 계측을 통해 부등침하가 발생하지 않는 것을 확인하 였다.
- 모형 말뚝으로는 직경 3.2 cm, 두께 1.2 mm인 알루미늄 재질의 파이프가 이용되었으며, 말뚝의 선단 은 첨각이 60 ° 인 원뿔형으로 제작되었다. 모든 말뚝은 길이가 60 cm이고, 근입 깊이는 캡과 지반이 접 촉하지 않은 경우에 58 cm, 접촉한 경우 60 cm가 되도록 하였다.
이론/모형
- 그러나, 무리효율 개념은 특정한 시험의 결과에 대하여 어떤 파괴기준을 적용하느냐에 따라 서로 다른 지지력이 산정되고 이로 인해 무리효율도 다르게 되는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 두 시험의 결과에 대하여 동일 침하량에서 하중을 비교하여 그 비율을 구하는 하중효율 개념(Phung, 1993)을 적용하였다. 하중효율은 구조물의 허용 침하량을 토대로 하는 침하량 기준 개념이라 할 수 있으며, 본 연구에서는 항복 이전과 항복 이후의 캡의 하중 분담과 캡-지반-말뚝 상호작용을 분리하여 검토하기 위하여 항복 이전의 침하량인 1mm와 항복 이후의 침하량 인 3 mm에서 각각 하중효율을 산정하여 시험결과를 분석하였다.
성능/효과
- 1) 2층 지반에 설치된 캡과 지반이 접촉하지 않은 무리말뚝의 경우, 주면지지력의 하중효율은 말뚝 간격 이 2d인 경우에는 1보다 크고, 3d 이상인 경우 1에 가깝게 나타났으며, 균질한 사질토 지반에서의 하중 효율에 비해 작게 나타났다. 선단지지력의 하중효율은 균질한 사질토 지반에서는 말뚝 간격에 상관없이 거의 1에 가깝게 나타났지만, 2층 지반에서는 조밀한 모래 지반의 dilatancy의 영향으로 증가하는 것으 로 나타났다.
- 1) 말뚝 타입에 의한 지반의 다짐 : 무리말뚝의 경우 다짐의 영향 범위가 중첩되므로 단말뚝의 경우 에 비해 지지력이 크게 나타난다.
- 2) 캡과 지반의 접촉 효과로 균질한 지반에서는 주면마찰력만 증가한 것과 달리 2층 지반에서는 선단지 지력도 증가하였으며, 이러한 효과는 말뚝 간격이 작을수록 더 크게 나타났다. 전체 하중효율은 모든 경 우 선단지지력과 거의 유사한 경향을 나타냈으며, 이는 2층 지반의 경우 전체 하중이 대부분 말뚝 선단 이 분담하여, 전체적인 말뚝 거동이 선단지지에 의해 좌우되기 때문이다.
- 3) 캡과 지반의 접촉으로 인한 말뚝주면에 작용하는 수평토압의 증가 : 말뚝의 주면 마찰력이 증가하 게 되며, 말뚝 상부에서 지배적이다.
- 3) 캡과 지반이 접촉한 경우, 캡이 분담하는 하중은 하중 단계에 따라 증가하여 항복 시 전체하중의 18% 정도 되는 것으로 나타났다. 캡의 하중효율은 말뚝에 의한 상호작용으로 항복 이전에는 1보다 작은 것으로 나타났으나, 하중이 증가하면서 캡의 전면 기초로서의 지지력이 대부분 발휘되어 1에 가깝게 나 타났다.
- 4) 캡-지반-말뚝 사이의 상호작용으로, 항복 이전에는 말뚝의 지지 하중이 증가하는 반면, 캡의 지지하 중은 전면기초로서의 캡에 비해 감소하여, 전체적인 지지 거동의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 하 지만 항복 이후에는 상호작용으로 인한 말뚝 지지하중의 증가와 더불어, 침하의 증가에 따라 캡의 전면 기초로서의 지지효과가 대부분 발휘됨으로써 전체적인 지지력이 증가하는 것으로 나타났다.
- 단말뚝에 대한 시험 결과, 항복하중에서 전체하중에 대한 선단하중의 지지 분담율은 90%로 전형적인 선단지지거동을 보이는 것으로 나타났으며, 이수형 등(2000)의 균질한 사질토 지반에 대한 동일한 실험 으로부터의 결과인 80%에 비해 증가하였다. 표 2는 캡과 지반이 접촉한 경우 2층 지반에서의 캡과 말뚝 선단 및 말뚝주면의 항복하중에서의 지지분담율을 균질한 사질토 지반에서의 결과와 비교하여 나타낸 것이다.
- 캡의 하중효율은 말뚝에 의한 상호작용으로 항복 이전에는 1보다 작은 것으로 나타났으나, 하중이 증가하면서 캡의 전면 기초로서의 지지력이 대부분 발휘되어 1에 가깝게 나 타났다. 또한, 캡에 의한 지지효과와 더불어 캡에 의한 하중으로 하부 지반의 밀도가 커지면서 항복 이 후에 침하에 따라 무리말뚝의 지지 하중이 증가하는 점진적인 거동이 나타났다.
- 그림 6은 항복이전과 항복이후에 대해서 무리말뚝들을 구성하는 말뚝들이 받는 평균 하중과 단말뚝의 하중의 비를 계산하여 구한 하중효율을 말뚝간격에 따라 나타낸 것이다. 모든 말뚝간격에서 캡과 지반 의 접촉의 여부에 관계없이 평균 하중의 하중효율은 1보다 크게 나타나고, 캡과 지반의 접촉은 말뚝 지 지력을 증가시키며, 그 효과는 말뚝간격에 따라 다르게 나타났다. 이러한 경향성은 선단지지력에서 나타 난 결과와 거의 일치하고 있으며, 이는 2층 지반의 경우 전체 말뚝 하중에 대한 선단 지지력의 분담율 이 90%로서 전체적인 말뚝 거동이 주로 선단지지에 의해 좌우되기 때문이다.
- 1) 2층 지반에 설치된 캡과 지반이 접촉하지 않은 무리말뚝의 경우, 주면지지력의 하중효율은 말뚝 간격 이 2d인 경우에는 1보다 크고, 3d 이상인 경우 1에 가깝게 나타났으며, 균질한 사질토 지반에서의 하중 효율에 비해 작게 나타났다. 선단지지력의 하중효율은 균질한 사질토 지반에서는 말뚝 간격에 상관없이 거의 1에 가깝게 나타났지만, 2층 지반에서는 조밀한 모래 지반의 dilatancy의 영향으로 증가하는 것으 로 나타났다.
- 5 m인 토조에 일정한 높이에서 화강풍화토를 4번체를 통하여 일정한 높이에 서 낙하시키고 진동다짐기를 이용하여 단단하게 다져 하부 화강풍화토층을 조성한 후에, 그 위에 모래 를 같은 높이에서 낙하시키고 다짐판을 이용하여 다짐으로써 상부 모래층을 조성하였다. 조성된 모래층 은 평균상대밀도 70 %인 조밀한 사질토로 분류되었으며, 화강풍화토층은 건조단위중량이 1.5〜 1.55 g/cmL 함수비는 9~10 % 이다.
- 캡과 지반이 접촉한 무리말뚝을 구성하는 개별 요소들에 대한 지지 거동을 분석한 결과를 종합하면 2 층 지반에서의 말뚝-지반-캡 사이의 상호작용 전체적인 특성을 파악할 수 있다. 항복 이전에는 전체 하 중에 대한 말뚝들의 하중 분담이 크고, 캡과 지반의 접촉효과로 인해 말뚝의 지지 하중이 단말뚝에 비 해 증가하는 것으로 나타난(그림 6) 반면에 캡의 지지는 전면기초로서의 캡에 비해 감소하는(그림 7) 것 으로 나타났다.
- 4) 캡-지반-말뚝 사이의 상호작용으로, 항복 이전에는 말뚝의 지지 하중이 증가하는 반면, 캡의 지지하 중은 전면기초로서의 캡에 비해 감소하여, 전체적인 지지 거동의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 하 지만 항복 이후에는 상호작용으로 인한 말뚝 지지하중의 증가와 더불어, 침하의 증가에 따라 캡의 전면 기초로서의 지지효과가 대부분 발휘됨으로써 전체적인 지지력이 증가하는 것으로 나타났다.
- 31 mm, 직접전단시험으로 구한 내부마찰각은 35° 로 나타났다. 하부층을 이루는 화강풍화 토는 비 중 2.63, 유효입 경 0.22 mm, 삼축시 험 으로 구한 점착력 과 내부마찰력 이 각각 0.18 kg/cm2, 45 ° , 다짐시험을 통해 구한 최대건조밀도와 최적함수비는 각각 1.98 g/cnU, 114 %로 나타났다. 각 시험에 대 하여 크기 1 mxi.
- 이러한 두 가지 효과가 동시에 발생함에 따라, 그림 3(b)에서는 항복 이전에 무리 말뚝 의 하중-침하 곡선이 단말뚝과 전면 기초로서의 캡의 하중-침하 곡선으로부터 얻은 곡선과 거의 유사하 여, 캡-지반-말뚝 사이의 상호작용이 작은 것처럼 나타나는 것을 알 수 있다. 하지만 항복 이후에는 말 뚝의 하중 분담율이 감소함에 따라 캡의 전면기초로서의 지지효과가 대부분 발휘됨과 동시에 캡과 지반 의 접촉에 의한 지반 구속압 증가로 말뚝 지지력이 증가하는 상호작용이 발생하여 전반적으로 지지력이 증가하는 효과가 나타났다.
- 그림 3(a)에는 단말뚝 시험 결과에 대하여 말뚝 하중에 말뚝개수(9 개)를 곱하여 구한 하중-침하 곡선을 나타내고, 그림 3(b)에는 단말뚝의 하중에 말뚝개수를 곱하고, 다 시 동일 침하량의 캡의 하중을 더하여 구한 하중-침하 곡선을 나타내어, 각각 말뚝 사이의 상호작용과 캡-지반-말뚝 사이의 상호작용에 의한 하중-침하 관계의 변화를 검토할 수 있도록 하였다. 항복 이전에 는 말뚝 간격에 상관없이 모든 하중-침하 곡선이 거의 유사한 거동을 보이나, 항복 이후에는 상호작용 에 의하여 지지력이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 말뚝 간격에 따른 거동의 차이로 상호작용이 말 뚝 간격에 따라 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 캡과 지반이 접촉한 경우는 항복 이후에도 침하량 증 가에 따라 하중이 증가하는 점진적인 거동(Settlement hardening behavior)0] 나타났으며, 이러한 현상 은 재하 하중이 증가함에 캡의 지지력이 발휘됨과 더불어, 캡과 접촉된 지반의 밀도가 증가하여 지반의 지지력이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
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