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문제 정의
- 이 글에서는 인천대교 국고구간에 대해서 말뚝재하시험의 현황과 그 결과를 설계와 시공에 활용한 절차에 대해 정리하여 소개한다. 재하시험의 분석 과정과 결과 자체는 지면 여건상 자세히 다루지 못하므로, 이에 대해서는 별도의 문헌을 참조하기 바란다.
- 인천대교 국고구간은 관련 시방서 규정과 실시설계시 계획에 따라 말뚝의 연직재하시험을 실시하여 기초의 지지력을 확인하고, 공학적 합리성을 바탕으로 공구별 지지력 산정방법의 일관성을 유지하고자 하였다. 이를 위하여 4본의 시험말뚝을 공사 구간 내에 설치(그림 4)하였으며, 하중의 크기와 부지 조건 등 시험 여건을 감안하여 말뚝의 하단에 가압셀을 설치하여 시험반력을 얻는 양방향재하시험 (bi-directional loading test) 방법을 적용하였다.
제안 방법
- 1) 실시설계 당시에는 여건상 재하시험을 실시하지 못하고, 경험식 및 이론식을 위주로 설계를 완료하였으나, 착공 후 말뚝 시공을 개시하기 전에 4본의 시험말뚝을 시공하여 극한재하시험을 실시하였다.
- 3) 하중전이 측정을 병행한 다층 양방향 재하시험을 통해 교량의 기초를 지지하게 되는 암반의 종류별로 극한단위지지력을 산정하였으며, 이를 토대로 지지력 평가 기준을 수립하여 전문가 검토를 거쳐 실시설계의 내용을 검증하는 데에 적용하였다.
- 4) 수립한 지지력 평가 기준을 적용하여 설계가 완료된 말뚝의 지지력을 재평가하였으며, 그 결과에 따라 말뚝의 길이를 조정하였다. 시공시 예상하지 못한 지층 변화시에도 이 평가 기준을 적용하여 말뚝 길이를 결정하도록 하였다.
- 5 참조). 그러나, 1단계 재하시 변위가 10 mm 미만인 경우는 2단계 재하 결과를 적용하였고, 선단부는 1단계, 3단계 변위를 누적하여 하중-침하 곡선을 작성하였다.
- 그리고, 그림 12에서 알 수 있듯이 풍화암층은 공학적 특성이 변동 폭이 매우 넓어 단일한 값의 지지력을 적용하기가 어려우므로, 민자구간과 동일한 관점에서 표준관입시험(SPT) 결과를 활용하여 등급을 두 가지로 구분해서 그림 14와 같이 극한지지력을 차등 적용하였다. 표준관입시험은 원래 사질토를 대상으로 한 시험이나, 우리나라에서는 지반조사 관행상 풍화암층에까지 실시하고 있으며, 풍화암의 특성상 공내재하시험 외에는 강도나 변형을 평가하기 위한 시험법의 적용이 쉽지 않은 점을 감안하여 표준 관입시험 결과로서 풍화암을 포괄적으로 분류하도록 한 것이다.
- 극한지지력 산정시에는 현장재하시험을 통한 지지력 평가기준을 이미 수립하여 실시설계에 반영 중인 민자 구간과 동일한 분석 기준을 적용하였다. 양방향 재하시험을 실시한 시험말뚝의 결과를 토대로, 주면 마찰력과 선단지지력에 대하여 각각 말뚝 직경(負의 1%에 해당하는 변위의 하중을 극한값으로 정의하였으며, 시험 결과 중 하한값을 적용하여 중요한 장대교량의 안정성을 확보하고자 하였다.
- 다층재하시험의 지지력 평가를 위한 분석시에는 1단계(stage 1) 재하시험 결과를 우선적으로 적용하였다(그림 5 참조). 그러나, 1단계 재하시 변위가 10 mm 미만인 경우는 2단계 재하 결과를 적용하였고, 선단부는 1단계, 3단계 변위를 누적하여 하중-침하 곡선을 작성하였다.
- 또한, 말뚝 시공을 위한 강관 케이싱은 풍화암층의 상단면으로부터 1 m 이상 근입되어야 하며, 암반층의 강도가 약하거나 불연속면이 발달하여 공벽 유지가 어려울 경우는 충분히 연장하도록 하고, 공 벽 유지를 위한 파형강관을 사용할 경우 그 설치 깊이는 지반조건을 고려하여 정하도록 하였다.
- 그림 15는 말뚝의 주면마찰력 크기를 원설계(실시설계) 당시와 재하시험결과를 반영한 값에 대해 비교한 것이다. 또한, 실시설계시에 공구별 암반 분류기준에 다소 차이가 있었으므로, 재하시험시 분류 기준에 따라 일관되게 적용하도록 하였다(표 4). 이 기준은 민자구간 재하시험시 암반분류기준과 동일하다.
- 이에 따라 설계자별로 지반 분류와 거동 특성에 대한 평가가 상이하여 공구별로 설계 내용에 다소간의 차이가 있게 되었다. 설계자의 공학적 판단은 나름대로의 근거를 기준으로 한 것이므로 옳고 그름의 문제는 아니지만, 말뚝 기초의 안정성을 확보하고, 유사한 지반조건의 동일 노선 교량에서 설계의 일관성을 유지하며, 현장의 시공관리 및 품질관리를 위하여 말뚝재하시험을 통해 실제 지지력을 확인하고, 그 결과를 반영하여 공구별 설계를 수정하고 시공관리 방안을 수립하게 되었다. 재하시험은 공구별로 실시설계시에 이미 계획되었으며, 발주처에서는 시험의 효과를 극대화하기 위하여 공구별로 수립된 시험계획을 통합하여 공동재하시험을실시하도록 하였다.
- TP1, 2, 4 말뚝은 다층재하시험을 위해 말뚝당 2개층에 가압셀을 설치하였으며, TP3 말뚝은 가압셀을 선단에만 매설하였다. 셀의 설치 위치와 수량 등은 하중의 크기, 지반조건, 예상 지지력의 크기를 고려하여 정하였다. 그림 7은 시험말뚝에서 상부 및 하부 가압셀의 배치 단면과 양방향재하시험시 계측기 설치 사례를 보여준다.
- 말뚝의 길이를 조정하였다. 시공시 예상하지 못한 지층 변화시에도 이 평가 기준을 적용하여 말뚝 길이를 결정하도록 하였다.
- method)을 적용하였다. 실시설계 당시에는 여건상 재하시험이 실시되지 않아, 공구별로 각각 경험 식과 인접 지역의 재하시험 결과를 이용하여 지지력을 평가하였다. 이에 따라 국고구간은 공구별 설계의 일관성을 높이고, 실제 지반의 지지력을 확인하여 기초의 안정성을 확보하기 위해서 착공 직후에 본시 공에 앞서 공구별 공동재하시험을 실시하고, 그 결과를 분석하여 말뚝의 지지력 평가기준을 수립, 시공에 반영하고 있다.
- 8개소의 시추조사 결과와 실시설계 지반조사 보고서를 검토하고 비교하여, 공구별 지반특성을 대표할 수 있는 4개소의 시험말뚝 위치를 선정하였으며, 이 곳에서 피에조콘관입시험(CPTu), 공내재하시험 등 현장시험을 실시하고 풍화암의 경우는 트리플 코어 배럴, 연암의 경우는 D3 코어 배럴을 이용하여 코어 시료를 채취하였다. 암석 코어 시료는 실험실로 운반하여 점하중강도시험, 일축압축강도시험 등 강도를 구하기 위한 시험을 수행하였다. 그림 6은 시험말뚝 4개소(TP1 ~4)의 지층조건을 지반조사결과와 함께 나타낸 것이다.
- 동일한 분석 기준을 적용하였다. 양방향 재하시험을 실시한 시험말뚝의 결과를 토대로, 주면 마찰력과 선단지지력에 대하여 각각 말뚝 직경(負의 1%에 해당하는 변위의 하중을 극한값으로 정의하였으며, 시험 결과 중 하한값을 적용하여 중요한 장대교량의 안정성을 확보하고자 하였다. 재하 시험 결과를 통해 주면의 변위가 10mm 이상인 경우에도 마찰력이 증가함을 확인하여 풍화암과 연암에 대해서는 주면마찰력과 선단지지력을 합산하여 전체 극한지지력을 산정하도록 하였다.
- 이미 실시설계시에 물리탐사를 포함하여 다양한 종류의 지반조사를 실시하였으나, 재하시험에 앞서, 시험 후보지를 포함해서 총 8개소에서 시추조사를 추가로 실시하였다. 8개소의 시추조사 결과와 실시설계 지반조사 보고서를 검토하고 비교하여, 공구별 지반특성을 대표할 수 있는 4개소의 시험말뚝 위치를 선정하였으며, 이 곳에서 피에조콘관입시험(CPTu), 공내재하시험 등 현장시험을 실시하고 풍화암의 경우는 트리플 코어 배럴, 연암의 경우는 D3 코어 배럴을 이용하여 코어 시료를 채취하였다.
- 인천대교 건설사업 구간 중 허용응력설계법을 적용하는 국고구간의 현장타설말뚝 설계를 검증하고 시공의 품질을 높여, 교량의 안전성을 확보하기 위하여 시공 전에 말뚝재하시험을 실시하였다. 또 다른 사업 구간인 민자구간에서도 이미 실시설계 이전에 재하시험을 완료하여 그 성과를 설계에 반영하였으므로, 인천대교는 전 구간에 걸쳐 재하시험으로 지반의 실제 지지력을 확인하고, 그 결과를 설계와 시공에 활용한 모범적인 사례가 될 것이다.
- 인천대교 국고구간인 연결도로 건설공사 제2, 3, 4, 5공구 교량 기초의 주요 형식은 암반에 근입된 현장 타설 콘크리트말뚝으로서, 실시설계시에는 공구별로 지반조사 성과와 경험식 해석을 통해 지지력을 산정하였다. 인천대교의 말뚝 설계 현황을 표 2에 간략하게 정리하였다.
- 양방향 재하시험을 실시한 시험말뚝의 결과를 토대로, 주면 마찰력과 선단지지력에 대하여 각각 말뚝 직경(負의 1%에 해당하는 변위의 하중을 극한값으로 정의하였으며, 시험 결과 중 하한값을 적용하여 중요한 장대교량의 안정성을 확보하고자 하였다. 재하 시험 결과를 통해 주면의 변위가 10mm 이상인 경우에도 마찰력이 증가함을 확인하여 풍화암과 연암에 대해서는 주면마찰력과 선단지지력을 합산하여 전체 극한지지력을 산정하도록 하였다. 또한 영구적인 강관 케이싱을 사용하는 경우에는 관련 시방 규정에 따라 강관 설치부의 주면마찰력을 무시하였으며, 이는재하시험 결과에서 그 타당성을 확인하였다.
- 설계자의 공학적 판단은 나름대로의 근거를 기준으로 한 것이므로 옳고 그름의 문제는 아니지만, 말뚝 기초의 안정성을 확보하고, 유사한 지반조건의 동일 노선 교량에서 설계의 일관성을 유지하며, 현장의 시공관리 및 품질관리를 위하여 말뚝재하시험을 통해 실제 지지력을 확인하고, 그 결과를 반영하여 공구별 설계를 수정하고 시공관리 방안을 수립하게 되었다. 재하시험은 공구별로 실시설계시에 이미 계획되었으며, 발주처에서는 시험의 효과를 극대화하기 위하여 공구별로 수립된 시험계획을 통합하여 공동재하시험을실시하도록 하였다.
- 전술한 바와 같이, 설계-시공 병행 방식인 패스트 트랙(fast track)을 적용 중인 민자구간에서는 이미 실시설계 이전에 4본의 시험말뚝을 대상으로 실규모 재하시험을 실시해서 지지력 평가기준을 수립, 설계매뉴얼에 반영하고, 이를 토대로 실시설계를 진행하였다.
- 풍화암층이 두껍게 분포하여 연암 이상 기반암층의 출현 심도가 깊을 경우에는 허용지지력이 연직하중을 충분하게 상회하고, 과도한 침하가 발생하지 않는 조건에서 풍화암층을 말뚝의 지지층으로 할 수 있게 하였고, 연암 이상 기반암층의 선단지지력을 반영하기 위해서는 말뚝을 기반암층 내에 적정한 깊이만큼 근입시키도록 하였다. 시공 중 지층 조건의 변화(예:암반선의 변동), 케이싱 강관 선단 위치의 변경, 기타 특이 사항 발생시에는 지지력 평가기준에 따라 지지력을 재산정하여 말뚝 근입 조건을 결정하게 된다.
- 그림 7은 시험말뚝에서 상부 및 하부 가압셀의 배치 단면과 양방향재하시험시 계측기 설치 사례를 보여준다. 하중전이를 관측하기 위하여 진동현 방식의 변형률 게이지(시스터바)를 매설하였다.
- 특호], 풍화암을 두 종류로 구분한 5공구에서는 시추 코어 분석 등을 통해 해당 암반의 공학적 특성을 고려하여 '풍화암 Ⅱ, 를 풍화암, 또는 연암으로 재분류하였다. 한편, 지반조사는 교각당 1개소를 기준으로 이루어졌으므로, 실제 말뚝의 지지력을 평가하기 위해서는 주변의 지반조사 및 시험 결과, 말뚝 굴착 시료, 인접 말뚝 시공 경험 등을 토대로 전문기술자가 지층을 분류하도록 하였다.
대상 데이터
- 후보지를 포함해서 총 8개소에서 시추조사를 추가로 실시하였다. 8개소의 시추조사 결과와 실시설계 지반조사 보고서를 검토하고 비교하여, 공구별 지반특성을 대표할 수 있는 4개소의 시험말뚝 위치를 선정하였으며, 이 곳에서 피에조콘관입시험(CPTu), 공내재하시험 등 현장시험을 실시하고 풍화암의 경우는 트리플 코어 배럴, 연암의 경우는 D3 코어 배럴을 이용하여 코어 시료를 채취하였다. 암석 코어 시료는 실험실로 운반하여 점하중강도시험, 일축압축강도시험 등 강도를 구하기 위한 시험을 수행하였다.
- 이 재하시험은 인천대교 국고구간 2, 3, 4, 5공구의 시공사(대림산업, 현대건설, SK건설, 두산산업개발) 및 설계사가 함께 계획하였으며, 현대건설 기술연구소의 주관으로 실시하였다. 시험계획 수립, 시험 결과의 분석에는 해당 분야 전문가들이 별도로 참여하였다.
이론/모형
- 반면에 5개 공구로 구성된 국고구간은 국내 기준에 따라 하부구조물 설계에 허용응력법(allowable stress method)을 적용하였다. 실시설계 당시에는 여건상 재하시험이 실시되지 않아, 공구별로 각각 경험 식과 인접 지역의 재하시험 결과를 이용하여 지지력을 평가하였다.
- 이를 위하여 4본의 시험말뚝을 공사 구간 내에 설치(그림 4)하였으며, 하중의 크기와 부지 조건 등 시험 여건을 감안하여 말뚝의 하단에 가압셀을 설치하여 시험반력을 얻는 양방향재하시험 (bi-directional loading test) 방법을 적용하였다. 양방향재하시 험은 원래 미국의 오스터 버그(Osterberg) 교수가 개발한 가압셀(Osterberg Cell)에 기원하며, 말뚝 내에 수압, 또는 유압을 이용하는 재하장치(셀)를매설하고 위, 아래에 재하판을 설치하여 수행한다.
- 한편, 공구별 말뚝 설계 내용을 검증하기 위해서는 다양한 지층에서 시험값을 얻어야 하므로, 민자 구간 시험과는 달리 말뚝 한 본의 2개 층에 유압셀을 설치하는 다층재하(multi level loading) 방식을 채택했다. 다층재하시험은 하나의 시험말뚝만으로 구간별, 지층별 지지력을 파악할 수 있게 해준다.
성능/효과
- 2) 국고구간 사업은 공구별로 분리발주되어 실시설계를 각각 수행하였으나, 공구별로 시험계획을 통합하여 공동 재하시험을 실시함으로써 보다 효과적이고 경제적인 시험이 가능하였으며, 또한 교량 전체의 관점에서 설계의 일관성을 높이는 데에도 도움이 되었다.
- 5) 재하시험시에 적용한 지반 분류 기준을 지지력 재평가와 감독원의 기초 암반 판정시에 활용함으로써, 교량의 시공관리와 품질관리를 한층 더 용이하게 하였다.
- 또 다른 사업 구간인 민자구간에서도 이미 실시설계 이전에 재하시험을 완료하여 그 성과를 설계에 반영하였으므로, 인천대교는 전 구간에 걸쳐 재하시험으로 지반의 실제 지지력을 확인하고, 그 결과를 설계와 시공에 활용한 모범적인 사례가 될 것이다. 또한 시험의 규모면에 있어서도 민자구간에서는 이미 28, 900 tonf의압죽하중을 가한 세계최대규모 말뚝재하시험을 기록하였으며, 이번에 실시한 국고구간 시험시에는 다층 양방향 재하시험의 산정 기준으로 세계최대하중인 31,500 tonf을 기록하였다.
- 재하 시험 결과를 통해 주면의 변위가 10mm 이상인 경우에도 마찰력이 증가함을 확인하여 풍화암과 연암에 대해서는 주면마찰력과 선단지지력을 합산하여 전체 극한지지력을 산정하도록 하였다. 또한 영구적인 강관 케이싱을 사용하는 경우에는 관련 시방 규정에 따라 강관 설치부의 주면마찰력을 무시하였으며, 이는재하시험 결과에서 그 타당성을 확인하였다. 굴착공벽 유지를 위한 케이싱을 콘크리트 타설과 함께 인발하는 조건에서는 암반층과 흙층의 주면마찰력을 고려할 수 있다.
후속연구
- 품질을 높여, 교량의 안전성을 확보하기 위하여 시공 전에 말뚝재하시험을 실시하였다. 또 다른 사업 구간인 민자구간에서도 이미 실시설계 이전에 재하시험을 완료하여 그 성과를 설계에 반영하였으므로, 인천대교는 전 구간에 걸쳐 재하시험으로 지반의 실제 지지력을 확인하고, 그 결과를 설계와 시공에 활용한 모범적인 사례가 될 것이다. 또한 시험의 규모면에 있어서도 민자구간에서는 이미 28, 900 tonf의압죽하중을 가한 세계최대규모 말뚝재하시험을 기록하였으며, 이번에 실시한 국고구간 시험시에는 다층 양방향 재하시험의 산정 기준으로 세계최대하중인 31,500 tonf을 기록하였다.
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