[논문]모형실험에 의한 선단확장파일의 지지력 특성

유충식; 김선빈; 이봉원; 김영훈; 변요셉; 허갑수; 송기용

문제 정의

본 연구에서는 개발된 EXT-Pile을 이용하여 선단 확장형 파일의 지지력 거동특성을 연구하였다. 본연구에서는 지지력 거동 특성을 규명하기 위해 실내모형실험을 수행했으며 구체적인 본 연구의 목적은 선단 확장형 파일의 선단 확장 크기에 따른 선단지지력 증가 경향 분석, 매입식 선단확장형파일의 군 말뚝의 선단 지지력 경향 분석 최적의 선단 확장 효과분석을 검토하였다.
본연구에서는 지지력 거동 특성을 규명하기 위해 실내모형실험을 수행했으며 구체적인 본 연구의 목적은 선단 확장형 파일의 선단 확장 크기에 따른 선단지지력 증가 경향 분석, 매입식 선단확장형파일의 군 말뚝의 선단 지지력 경향 분석 최적의 선단 확장 효과분석을 검토하였다.
선단 확장형 파일의 지지력 산정 시 개방된 부분에 대한 면적을 고려하여야 하는데 이에 대한 고찰을 위해 선단폐색이 지지력에 미치는 영향을 고찰하였다.
이러한 맥락에서 기성 PHC 파일의 지지력을 개선하고자 파일의 선단 면적을 확장하여 선단지지력을증가시킨 EXT-Pile(Pile with an Extended Head)이 개발되었으며, 본 연구에서는 EXT-pile의 시공방법 중 선 굴착 후 항타 공법에 적용되는 선단 확장형 파일에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 본 연구에서 대상으로 하는 EXT-pile의 시공 방법 및 과정은 다음과 같다.

제안 방법

3) 본 실험조건의 제한성을 고려할 때 결론을 내리기는 어려우나 본 모형실험에서 관찰된 경향은 앞으로 본 연구에서 시도할 지지력 산 정식의 개선을 시도할 때 방향을 제시해 주는 것으로서 실험에서얻어진 선단확장 효과는 현재 제시된 지지력 산정 식을 수정. 보완하여 설계에 반영할 수 있을 것으로 판단된다.
하중재하는 유압실린더와 연결봉, 조인트 구좌, 재하판, 파일을 일체화 시킨후 변위제어로서 Imm/min의 속도로 재하하였다. 계측은 그림 5에서 보이는 바와 같이 파일재하판과 연결봉 사이에 위치한로드셀(lOton 용량)을 이용하여 재하하중을 측정하였으며, 파일 재하판에 2개의 LVDT를 위치 시켜 침하량을 측정하였다.
기성 PHC 말뚝의 지지력을 개선하고자 말뚝의 선단 면적을 확장시킨 선단 확장형 파일의 선단확장에 따른 지지력 증가 효과를 분석하기 위하여 단일말뚝 50mm와 100mm에 대하여 실험을 실시하였으며 또한 군 말뚝에 대해50mm와 100mm에 대하여 2x2와 3x3의 재하실험을 수행하였다.
1:8 비율로 축소로 한 모형실험을 통해 선단 확장형 파일의 선단 확장 효과를 정성. 정량적으로 분석하였으며, 선단 개방 혹은 폐색 효과가 지지력에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 또한 시험 결과를 종합하여 기존 지지력 산정 식으로 산정된 지지력과의 비교를 통해 기존의 계산식의 선단확장형파일의 지지력 산정 시 적용성을 고찰하였다.
8m 높이에서 강사하여 상대밀도 85% 정도가 되도록 조성하였다. 하중재하는 유압실린더와 연결봉, 조인트 구좌, 재하판, 파일을 일체화 시킨후 변위제어로서 Imm/min의 속도로 재하하였다. 계측은 그림 5에서 보이는 바와 같이 파일재하판과 연결봉 사이에 위치한로드셀(lOton 용량)을 이용하여 재하하중을 측정하였으며, 파일 재하판에 2개의 LVDT를 위치 시켜 침하량을 측정하였다.

대상 데이터

모형 파일은 하중재하시 말뚝 자체의 탄성변형과 주면 마찰력이 배재된 신단 확장 효과가 선단지지력을통해서 반영될 수 있도록 강성이 크고 표면이 매끈한 강관으로 제작하였다. 파일 제원은 직경 50mm, 두께 5mm, 길이 620mm이 파일과 직경 100mm, 두께 5mm, 길이 620mm이며 현장에 적용되는 선단확장형 파일의 선단 확장판을 고려하여 선단 확장판을 축소하여 제작하였다.
그림 2~그림5는 본 연구에서 사용한 모형실험 장치와 실험 방법을 보여주고 있다. 토조는 1, 800mm X 780mm x 1, 200mm(가로x세로x높이)의 크기로 30mm 두께의 아크릴판으로 제작하였며 토조내 지반조성 및 하중재하시 변형이 발생하지 않도록 강재로 측벽 부를 보강하였다
반영될 수 있도록 강성이 크고 표면이 매끈한 강관으로 제작하였다. 파일 제원은 직경 50mm, 두께 5mm, 길이 620mm이 파일과 직경 100mm, 두께 5mm, 길이 620mm이며 현장에 적용되는 선단확장형 파일의 선단 확장판을 고려하여 선단 확장판을 축소하여 제작하였다.

성능/효과

직경이 2。% 증가시 지지력은 각각 50mm파일은 20%〜40% lOOmrn 파일은 96%~167%가량 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 단일말뚝에서뿐 만이 아니라 군말뚝에서도 선단 확장으로 인한 지지력을 충분히 확보할 수 있을 것으로 기대되어 현장 적용에 유용할 것으로 판단된다.
1) 모형실험 결과 단일/군 말뚝에서 신단 확장의 영향은 지지력 산정 방법에 따라 다소의 차이는 있으나 50mm 파일 선단의 초기면적 비율(100~152%)에 따라서 1.2~1.4배 정도의 지지력을 확보할 수 있으며 100mm 파일은 선단의 초기면적 비율(100~181%)에 따라서 2배~2.7배 정도의 지지력이 확보되는 것으로 나타났다.
2) 모형실험에서 발생할 수 있는 치수효과를 고려할 때 선단 면적 대비 지지력 증가율을 정량적으로 제시하기는 어려우나 말뚝의 직경 증가 없이 선단만을 확장함에 따라 20~170% 정도의 지지력 증가를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
2X2, 3X3 군 말뚝의 선단 확장 시 폐색 여부에 따른 하중-침하량 증가는 크지 않은 것으로 나타났다. 이 결과를 토대로 산정한 지지력 변화 경향을 표 10과 그림 13에서 정리하고 있다.
5) 모형실험을 통해 나타난 선단 확장형 말뚝의 폐색 효과는 10% 내외의 지지력 증가로 나타나 그다지크지 않은 것으로 사료된다.
나타났으며 파일 직경 100mm에 선단 확장판의 직경을 100mm에서 110mm, 120mm로 증가시 역시지지력은 각각33%와 99% 증가 하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 파일직경의 확대 없이 선단 확장판만의 크기를 증가시킴으로써 선단지지력의 증가를 기대할 수 있음을 보여주는 것으로서 현장적용시원가절감에 효과적일 것으로 사료된다.
정량적으로 분석하였으며, 선단 개방 혹은 폐색 효과가 지지력에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 또한 시험 결과를 종합하여 기존 지지력 산정 식으로 산정된 지지력과의 비교를 통해 기존의 계산식의 선단확장형파일의 지지력 산정 시 적용성을 고찰하였다.
각각33%와 99% 증가 하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 파일직경의 확대 없이 선단 확장판만의 크기를 증가시킴으로써 선단지지력의 증가를 기대할 수 있음을 보여주는 것으로서 현장적용시원가절감에 효과적일 것으로 사료된다.
이상과 같은 결과에 의하면 본 실험에서 고려한 선단 확장형 말뚝의 폐색 효과는 본 실험조건에 있어서 그다지 크지 않은 것으로 나타났다.

후속연구

그림 10에서 보이는 바와 같이 군 말뚝에 있어서도 선단이 확장되는 경우 지지력이 증가하는 경향을 보여 선단 확장판의 직경이 2。% 증가시 지지력은 각각 50mm파일은 20%〜40% lOOmrn 파일은 96%~167%가량 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 단일말뚝에서뿐 만이 아니라 군말뚝에서도 선단 확장으로 인한 지지력을 충분히 확보할 수 있을 것으로 기대되어 현장 적용에 유용할 것으로 판단된다.
선단확장 효과는 현재 제시된 지지력 산정 식을 수정. 보완하여 설계에 반영할 수 있을 것으로 판단된다.

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