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문제 정의
- 또한 N치를 이용한 지반의 변형계수 산정시에도 제안식마다 28N(일본도로협회), 4~12N(Schmertmann, 1970), 5~34N(Meigh & Nixon, 1961) 등 각기 다른 값을 적용하고 있다. 수평 방향 지반반력계수(/臨) 산정시 지반의 변형계수가 큰 영향을 미치는 것으로 볼 때 합리적인 지반의 변형계수 산정이 매우 중요하며, 본 연구에서는 제안식별 변형계수 적용에 대해 재하시험 결과를 이용하여 검토하였다. 특히 본 연구에서는 공내수평재하시험 결과를 이용하여 지반반력계수를 산정하는 방법으로 제안된 구조물기초설계기준(2003)의 제안식이 수평변위를 고려할 수 없는 등의 문제점이 있는 것으로 나타나 사질토 지반의 수평방향 지반반력계수( 伍, )산정시 말뚝의 직경(D)과 수평변위(y)를 고려할 수 있는 식을 제안하였으며, 아울러 N치를 이용한 지반의 변형계수를 고려하는 제안식에 대해서는 수평재하시험과 비교하여 지반의 변형계수 추정식을 제안하였다.
제안 방법
- 수평재하시험 및 L-Pile 프로그램을 역해석하여 수평방향 지반반력계수", )를 결정하고 N치와의 관계를 식(4)와 같이 경험적으로 제시하였다(이송 등, 2001).
- 1) 말뚝의 수평지지력과 수평변위 산정시 이용되는 중요한 토질정수인 수평방향 지반반력계수(伍)를수평재하시험을 통하여 Chang의 방법으로 산정하였고, 수평방향 지반반력계수 추정식을 말뚝의 허용 수평변위 0.635, 1.0, 1.5cm에 대해서 비교함으로써 그 적용성을 분석하였다. 그 결과 N 치만을 이용하여 추정하는 Hukuoka의 제안식과 이송 등(2001)의 제안식은 N치가 10 이상일 경우 적용성이 떨어지는 것으로 나타났으나, 수평변위가 1.
- 0cm) 이며, 설계시 말뚝직경(D)에 따라 허용수평변위기준은 변할 수 있다. 따라서 실무에서 공내수평재하시험결과로부터 수평방향 지반반력계수( /诚를 산정할 경우 말뚝의 허용 수평변위를 고려하여야 하며, 그림 5의 결과를 바탕으로 伍와 D의 관계 등을 고려하여 선형 회기분석한 관계식을 다음과 같이 제안하였다.
- 5cm를 기준값으로 하여 수평방향 지반반력계수(伍)를 산정하였고, 사질토 지반에 실시한 36개의 공내수평재하시험(LLT)결과를 구조물기초설계기준(2003)에 제시한 식으로 지반반력계수(用, )를 각각 산정하였다. 또한 이들 값과 수평재하시험 실시 위치에서의 N치를 이용하여 도로교표준시방서, 일본토목학회, Hukuoka식, 일본도로협회 제안식으로 산정한 수평방향 지반반력계수(如, )를 비교 및 분석하여 제안식별 적용성을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 6개 현장 26개 수평재하시험 결과를 Chang의 방법으로 해석하여 허용수평변위 0.635cm, 1.0cm, 1.5cm를 기준값으로 하여 수평방향 지반반력계수(伍)를 산정하였고, 사질토 지반에 실시한 36개의 공내수평재하시험(LLT)결과를 구조물기초설계기준(2003)에 제시한 식으로 지반반력계수(用, )를 각각 산정하였다. 또한 이들 값과 수평재하시험 실시 위치에서의 N치를 이용하여 도로교표준시방서, 일본토목학회, Hukuoka식, 일본도로협회 제안식으로 산정한 수평방향 지반반력계수(如, )를 비교 및 분석하여 제안식별 적용성을 평가하고자 하였다.
- 수평재하시험 및 공내 수평재하시험(LLT)은 사질 지반에서 실시한 것이며, 같은 위치에서 얻은 표준 관입시험 결과(N치)를 이용하여 수평방향 지반반력계수(用, )를 추정한 후 수평재하시험 결과와 비교하였다.
- 결과를 그림 4에 나타내었다. 이때 수평재하시험과 공내재하시험은 같은 장소에서 실시한 자료는 아니며 많은 공내재하시험 자료 중 사질토층에서 측정한 자료만을 비교하였다.
- 수평 방향 지반반력계수(/臨) 산정시 지반의 변형계수가 큰 영향을 미치는 것으로 볼 때 합리적인 지반의 변형계수 산정이 매우 중요하며, 본 연구에서는 제안식별 변형계수 적용에 대해 재하시험 결과를 이용하여 검토하였다. 특히 본 연구에서는 공내수평재하시험 결과를 이용하여 지반반력계수를 산정하는 방법으로 제안된 구조물기초설계기준(2003)의 제안식이 수평변위를 고려할 수 없는 등의 문제점이 있는 것으로 나타나 사질토 지반의 수평방향 지반반력계수( 伍, )산정시 말뚝의 직경(D)과 수평변위(y)를 고려할 수 있는 식을 제안하였으며, 아울러 N치를 이용한 지반의 변형계수를 고려하는 제안식에 대해서는 수평재하시험과 비교하여 지반의 변형계수 추정식을 제안하였다.
대상 데이터
- 수평방향 지반반력계수(臨의 분석을 위하여 6곳의 현장에서 26개의 수평재하시험 결과 자료와 12곳의 현장에서 설계단계 시 실시한 36개의 공내수평재하시험(LLT) 결과를 이용하였다.
데이터처리
- 결과와 비교하여 그림 4에 나타내었다. 이때 수평재하시험 결과는 표 3에서 PHC Pile 小400과 Steel Pile 小406일 때의 결과 14개를 비교하였다.
이론/모형
- 도로교표준시방서(2001)에 제시된 식 (5)는 말뚝의 강성(EI)과 직경(D)。] 고려된 식이며 이때 지반의변형계수(Eo)는 수평재하시험 및 공내 수평재하시험(LLT)이 사질토에서 시행됨을 감안하여 N치에서 추정한 지반의 변형계수(Eo)는 Schmertmann(1970)이 제안한 10N(거친모래시)으로 적용하였다. 일본 도로협회에서 제시된 식 (7)은 말뚝의 변형계수와 직경(D) 그리고 기준변위량(y)。] 고려된 식이며 일본도로 협회에서 제시한 N치에서 추정한 지반의 변형계수(Eo)는 28N을 적용하였고 기준변위량(y)은 수평재하시험과같은 0.
- 본 연구에서는 탄성지반반력법의 대표적인 방법인 Chang의 방법을 이용하여 재하시험에서 얻은 결과를역해석 하였다.
성능/효과
- 2) 직경 400飾 정도 내외 말뚝의 수평재하시험과 말뚝의 직경(D)을 고려할 수 있는 도로교표준시방서 (2001)나, 일본도로협회에서 제시하는 방법을 비교하였을 경우는 지반의 변형계수(Eo) 계산시 28N 을 사용할 경우 수평방향 지반반력계수(用, )가 과대평가되었으며, 수평변위가 1.5cm이고 사질토인 경우에 수평 재하시험 결과로 역산해보면 지반의 변형 계수 산정시 도로교표준시 방서 제안식에서는 11A을, 일본도로협회 제안식에서는 17眼으로 산정되었다. 따라서 지반의 변형계수 산정시 다양한 토질에 대한 합리적인 추정이 필요하며 향후 말뚝의 직경별 수평재하시험 결과를 바탕으로 합리적인 수평방향 지반반력계수 산정에 대한 연구가 필요하다.
- 3) 직경 400飾 내외 말뚝의 수평재하시험과 공내수평재하시험(LLT)에서 얻은 수평방향 지반반력계수 (伍)를 비교하였을 경우 공내수평재하시험에서 얻은 값이 수평변위의 증가에 따라 21%에서 80% 까지 과대평가되는 경향이 있으며, 이러한 결과는 공내 수평재하시험으로 지반반력계수를 산정할 수 있도록 구조물기초설계기준(2003)에서 제안한 식은 수평변위를 고려하지 않아 실무 적용 시 문제가 있을 수 있음을 알 수 있었다.
- 즉, 지반의 변형계수(Eo) 계산 시 10N을 사용할 경우 수평방향 지반반력계수(用, )가 과소평가되는 것으로 나타났다. 그림 4에 의하면 일본토목학회 제안식에서는 변형계수 산정시 28N이 아닌 17N으로 산정하는 것이 재하시험 결과와 거의 일치하였고, 도로교표준시방서 제안식에서 변형계수 산정시에는 수평변위 기준이 0.635cm, 1.0cm, 1.5cm로 증가할수록 16N, 13N, 11N으로 산정하는 것이 수평재하시험 결과에서 얻은 수평 방향 지반반력계수( 伍) 추세선과 거의 일치하였다. N치를 이용한 지반의 변형계수 산정시 도로교표준시방서 제안식은 수평변위 기준의 크기에 따라 계수 값을 달리 적용시켜야 하나 일본토목학회 제안식은 17N 으로만 적용시키면 되었다.
- 본 연구에 이용된 수평재하시험 결과로만 평가한다면, 실무에서 직경 400飾 내외 말뚝의 수평방향 지반반력계수(用, ) 산정시 국내 수평변위 기준이 1.5cm 임을 감안하면 지반의 변형계수를 주정할 때 일본토목학회 제안식은 17N으로, 도로교표준시방서(2001) 제안식은 11N으로 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.
- 값으로 나타났으며, 수평변위기준이 커질수록 두 값의 차는 감소하였다. 즉, 지반의 변형계수(Eo) 계산 시 10N을 사용할 경우 수평방향 지반반력계수(用, )가 과소평가되는 것으로 나타났다. 그림 4에 의하면 일본토목학회 제안식에서는 변형계수 산정시 28N이 아닌 17N으로 산정하는 것이 재하시험 결과와 거의 일치하였고, 도로교표준시방서 제안식에서 변형계수 산정시에는 수평변위 기준이 0.
- 직경 400飾정도일 때 지반의 탄성계수(Eo)를 28N으로 추정한 일본도로협회 제안식은 수평재하시험 결과에 비하여 58~64% 정도 크게 나타났으며, 수평변위 기준이 커질수록 두 값의 차는 감소하였다. 이는 말뚝의 수평재하시험을 통해서 얻은 지반반력계수를 고려할 때 N치를 이용하여 지반의 변형계수(Eo) 계산시 28N을 사용할 경우 수평방향 지반반력계수(用, )가 과대평가된다는 결과와도 같은 경향을 보였다(이인모 등, 1996).
후속연구
- 4) 직경(D)과 수평변위(y)를 모두 고려하여 공내 수평재하시험 결과로 지반반력계수를 산정할 수 있도록 식 (12)를 제안하였으며, 식 (12)를 이용하여 계산된 수평방향 지반반력계수(用, ) 값이 직경 400 飾 이외에 800飾 내외의 수평재하시험에서 얻은 수평방향 지반반력계수와도 거의 일치하여 향후 말뚝 설계시 수평방향 지반반력계수 예측에 있어서 유용하게 적용가능하리라 판단된다.
- 5) 본 연구에서는 26개의 수평재하시험 결과만을 가지고 기존의 추정식 및 사질지반에서의 공내 수평재하시험(LLT) 결과를 분석하였으며, 향후 보다 다양한 직경(D)과 토질조건에서의 수평재하시험 결과에 대한 연구 및 수평방향 지반반력계수(用, ) 추정에 대한 연구가 필요하다.
- 6) 보다 나아가 실무에서 합리적인 수평지지력 및 수평변위 산정을 위하여 표준관입시험 &치만을 이용한 말뚝의 직경(D), 지반의 변형계수(Eo) 및 허용수평변위(y)를 고려할 수 있는 관계식의 제안이 필요할 것으로 판단된다.
- 그림 6 및 그림 7에서 수평변위를 고려한 제안식 (12)에 의하여 주정한 수평방향 지반반력계수(伍)의값이 말뚝의 직경 400飾 및 800飾의 수평재하시험 결과를 이용한 수평방향 지반반력계수와 거의 일치하며, 말뚝 설계시 상기 제안식에 의하여 수평방향 지반반력계수를 산정한다면 보다 합리적인 설계가 가능하리라 판단된다.
- 5cm이고 사질토인 경우에 수평 재하시험 결과로 역산해보면 지반의 변형 계수 산정시 도로교표준시 방서 제안식에서는 11A을, 일본도로협회 제안식에서는 17眼으로 산정되었다. 따라서 지반의 변형계수 산정시 다양한 토질에 대한 합리적인 추정이 필요하며 향후 말뚝의 직경별 수평재하시험 결과를 바탕으로 합리적인 수평방향 지반반력계수 산정에 대한 연구가 필요하다.
- 또한, 보다 다양한 직경(D)의 수평재하시험 및 공내수평재하시험 자료를 통하여 상기 제안식을 검증 및 수정, 보완이 이루어져야 할 것이다.
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