[논문]미고결 퇴적암층에서의 현장타설말뚝 지지력 특성 연구

심동현; 김기섭; 유석준

문제 정의

본 논문은 미고결 퇴적암층이 발달한 대만고속철도 건설공사의 2개 공구 (이하 현장명 C₂₃0 및 C₂₄0) 에서 실시한 말뚝 정재하 시험 결과를 분석, 정리하여 미고결 퇴적암층의 지반에서의 현장타설말뚝 지지력 특성을 파악하고자 한다.
본 절에서는 하중 전이 해석을 통하여 구한 단위주면마찰력-변위와 단위선단하중-변위 및 인발시 하중-변위 관계곡선으로부터 미고결 퇴적암층에서의 말뚝주면마찰력, 선단지지력, 인발지지력에 대하여 분석하였다.

제안 방법

이에 따라, 말뚝기초 설계에 필요한 설계정수 산정을 위해 실제 지반 및 시공조건을 고려하여 압축 및 인발 정재하시험을 수행하였다. C₂₃0과 C₂₄0 두 현장의 각 5개소에서 압축(PC series) 및 인발(PT series) 재하시험을 실시하였으며, 3.3 절의 표 1에 각각의 시험 개요와 결과를 정리하였다.
압축 시험 말뚝의 하중전이를 파악하기 위해 Strain Gauge와 Extensometer를 설치하였고, 이로부터 단위주면마찰력 -변위 관계곡선(t-z curve) 및 단위선단하중-변위 관계곡선(q-w curve)를 구한 후, 지층 특성에 따른 지지력 발현 특성을 검토하였다. 또한, 동일한 조건에서의 인발 재하시험 결과로부터 하중 방향에 따른 주면 마찰력을 비교하였다.
시험말뚝의 굴착은 본 말뚝 시공과 동일한 방법을 적용하여 Oscillator와 Steel casing을 사용하고 Hammer grab을 이용하여 공내 굴착을 하였다. 하중은 시험 말뚝과 같은 규격 의 반력말뚝과 다수의 유압잭(500 ton 용량)을 이용하여 재하 하였으며, 각 잭의 상단에 부착한 Load cell을 통하여 하중을 확인하였다.
압축 재하시험 및 동일한 지반 조건에서의 인발 재하시험을 총 10개소에서 수행하였다. 압축 시험 말뚝의 하중전이를 파악하기 위해 Strain Gauge와 Extensometer를 설치하였고, 이로부터 단위주면마찰력 -변위 관계곡선(t-z curve) 및 단위선단하중-변위 관계곡선(q-w curve)를 구한 후, 지층 특성에 따른 지지력 발현 특성을 검토하였다. 또한, 동일한 조건에서의 인발 재하시험 결과로부터 하중 방향에 따른 주면 마찰력을 비교하였다.
하중은 시험 말뚝과 같은 규격 의 반력말뚝과 다수의 유압잭(500 ton 용량)을 이용하여 재하 하였으며, 각 잭의 상단에 부착한 Load cell을 통하여 하중을 확인하였다. 압축시험말뚝에는 하중전이를 파악하기 위하여 지층 변화에 따라 깊이 별로 Strain gauge를 설치하였고 말뚝 선단부에는 Extensometer를 설치하여 말뚝의 탄성 침하량을 측정하였으나 인발 시험 말뚝은 말뚝 두부의 변위만을 측정하였다.
나타났다. 여기에서, 인발 시의 주면마찰력은 두부 변위가 20mm일 때의 인발력을 기준으로 하였으며, 압축 시는 각 말뚝의 해당 Segment에 대응하는 단위주면마찰력을 적용하였다. 공벽 연 약화로 인해 조기 시험 종료되거나 Gravel 층의 영향으로 인발 시 뚜렷한 파괴거동을 보이지 않은 결과는 배제하였다.
이에 따라, 말뚝기초 설계에 필요한 설계정수 산정을 위해 실제 지반 및 시공조건을 고려하여 압축 및 인발 정재하시험을 수행하였다. C₂₃0과 C₂₄0 두 현장의 각 5개소에서 압축(PC series) 및 인발(PT series) 재하시험을 실시하였으며, 3.
시험말뚝의 굴착은 본 말뚝 시공과 동일한 방법을 적용하여 Oscillator와 Steel casing을 사용하고 Hammer grab을 이용하여 공내 굴착을 하였다. 하중은 시험 말뚝과 같은 규격 의 반력말뚝과 다수의 유압잭(500 ton 용량)을 이용하여 재하 하였으며, 각 잭의 상단에 부착한 Load cell을 통하여 하중을 확인하였다. 압축시험말뚝에는 하중전이를 파악하기 위하여 지층 변화에 따라 깊이 별로 Strain gauge를 설치하였고 말뚝 선단부에는 Extensometer를 설치하여 말뚝의 탄성 침하량을 측정하였으나 인발 시험 말뚝은 말뚝 두부의 변위만을 측정하였다.

대상 데이터

압축 재하시험 및 동일한 지반 조건에서의 인발 재하시험을 총 10개소에서 수행하였다. 압축 시험 말뚝의 하중전이를 파악하기 위해 Strain Gauge와 Extensometer를 설치하였고, 이로부터 단위주면마찰력 -변위 관계곡선(t-z curve) 및 단위선단하중-변위 관계곡선(q-w curve)를 구한 후, 지층 특성에 따른 지지력 발현 특성을 검토하였다.

성능/효과

1) 본 논문에서 검토한 미고결 퇴적암층은 그 강도가 낮을 뿐 아니라 구성입자가 세립분을 많이 포함하고 있어 굴착 후 지하수에 공벽이 오랫동안 노출될 경우 공벽 주변의 지반 강도 저하로 지지력이 감소된 것으로 나타났다. 현장타설말뚝의 지지력은 시공 조건에 따라서 달라질 수 있으므로 설계지지력 산정을 위해 말뚝재하시험을 하는 경우 시험말뚝은 본 말뚝과 동일한 굴착방법 및 조건으로 시공하는 것이 필수적이다.
2) 미고결 퇴적암의 토질공학적 특성상, 현장에서 얻어지는 如 또는 N값은 그 대표성이 부족하므로 설계 지지력 검토 시 이들 값을 활용하는 기존의 이론적인 지지력 산정 방법의 적용은 주의를 요하는 것으로 판단된다.
3) 말뚝재하시험을 분석한 결과, 일반적으로 10~20mm 정도의 변위에서 극한주면마찰력이 발휘되었으며, 암반층 보다는 토사층에서 더 큰 변위가 필요하였다. 특히, Gravel/Boulder 층에서는 타설 콘크리트와의 Interlocking 현상에 따라 그 값이 계속적으로 증가하는 경향이 나타났다.
4) 상부표층의 주면마찰력은 일반 토사의 경우 대략 5 t/m?의 값을 보이며 Gravel/Boulder가 주를 이루는 경우 10~30 t/詩의 값을 보인다. 암반의 주면마찰력은 10~25 t/詩의 범위에 있으며 심도가 깊어짐에 따라 발현되는 주면마찰력의 크기도 점차 증가하였다.
5) 말뚝 선단에 전달된 단위선단하중-변위 관계곡선을 분석한 결과, 말뚝 선단의 지반파괴 형상은 보이지 않았으나, 말뚝 선단 변위가 말뚝 직경의 10%이상 발생한 때를 기준으로 하면 극한지지력은 최소 750 ton (420 t/m2) 이상일 것으로 판단된다.
6) 동일한 지층에서의 인발 시 주면마찰력은 압축 시 주면마찰력의 40-83% (평균 54%) 정도로써 대만 고속철도 현장 시방서에서 규정하는 최대 40% 보다 큰 것으로 나타났다.
시험말뚝 C₃PC₂ 설치 지반은 상부 표층에 비해 암반층 근입깊이가 작고 지하수의 영향에 민감한 미고결 Sandstone으로 이루어져서 굴착 작업 중 공벽 유지가 어려웠다. 또한 최종 굴착 후 시험말뚝 콘크리트 타설 까지 장기간 방치되어 지하수에 의한 공벽의 연약화로 예상보다 작은 하중에서 극한에 도달한 것으로 판단된다.
특히 C₃PC₁ 시험말뚝의 Segment 1에서 주면마찰력은 변위에 따라 계속 증가하고 그 값도 50 t/m2 이상으로 일반적으로 알려진 값보다 매우 크게 나타나고 있어 지층을 확인해본 결과 자갈 및 Boulder 가 밀실 하게 쌓여있고 타설된 콘크리트가 주변 자갈 및 Boulder의 간극 사이로 흘러 들어가 말뚝 Shaft가 매우 거칠게 되어, 큰 마찰력을 발휘하고 있음을 알 수 있었다.

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