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문제 정의
- 본 실험에서 사용된 말뚝은 현장타설말뚝이며, 말뚝의 강성을 짧은 말뚝(강성말뚝, short or rigid pile)과 긴 말뚝(연성말뚝, long or flexible pile)으로 구분하기 위해 지반조사결과를 Broms이론에 적용하여 근입깊이를 산정하였다. 교각기초의 형태를 구현하기 위해 자유장을 약 2D(=1m)와 5D(=2m)에 대해 실험함으로써 그에 따른 영향을 알아보고자 하였다. 또한 횡방향 구속철근의 종류에 따른 거동특성을 알아보고자 나선철근과 띠철근을 각각 배근하여 실험하였으며 그 특성을 정리하여 표 3과 그림 3에 표기하였다.
- 이에 본 논문에서는 자유장을 가지는 단일형현장타설말뚝의 현장실험을 통하여 양방향수평하중 재하 시 하중의 재하 방향, 말뚝의 강성, 자유장의 길이 등이 지반에 미치는 영향과 횡방향 구속철근이 말뚝의 거동에 미치는 영향에 대해 분석하고자 하였다.
제안 방법
- LTP-1과 4는 반복하중을 일방향으로 재하한 시험말뚝이며, 보다 정확한 파괴시의 재하하중을 예측하기 위하여 L-pile 해석결과를 참조하여 하중을 재하하였으며, 이 결과를 바탕으로 LTP-2, 3과 5, 6의 각 단계별 재하하중을 산정하였다.
- STP-1과 2의 경우는 L-pile 해석결과와 앞서 실험한 파괴 시의 재하하중과의 상관관계를 적용하여 재하하중을 산정하였다.
- 본 연구에서는 수평재하시험의 방법에 대한 KS F의 규정이 미비하여 일반적으로 많이 사용되고 있는 ASTM D 3966-90과 FHWA Manual(US DOT, 1996) 규정을 적용하였다. 또한 본 연구에서 적용한 반력의 형태는 사하중이며, 보(beam)의 자중을 사하중으로 하여 반력으로 이용하였다. 반력장치의 형태와 각 측정 장치의 배치는 그림 4와 같다.
- 교각기초의 형태를 구현하기 위해 자유장을 약 2D(=1m)와 5D(=2m)에 대해 실험함으로써 그에 따른 영향을 알아보고자 하였다. 또한 횡방향 구속철근의 종류에 따른 거동특성을 알아보고자 나선철근과 띠철근을 각각 배근하여 실험하였으며 그 특성을 정리하여 표 3과 그림 3에 표기하였다.
- 본 연구에서는 자유장을 달리 가지는 단일형현장타설말뚝에 양방향 수평하중을 단계별로 가했을 때 나타나는 응력, 변형률, 변위, 모멘트의 변화를 측정하였다. 또한, 말뚝의 파괴 시 말뚝 외부에 나타나는 파괴 특성을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 자유장을 달리 가지는 단일형현장타설말뚝에 양방향 수평하중을 단계별로 가했을 때 나타나는 응력, 변형률, 변위, 모멘트의 변화를 측정하였다. 또한, 말뚝의 파괴 시 말뚝 외부에 나타나는 파괴 특성을 관찰하였다.
- 시험말뚝의 깊이별 수평변위를 측정하기 위해 경사계를 설치하였으며, 두부의 수평변위를 측정하기 위해 Ringtype 변위계를 사용하였다. 시험말뚝에 작용하는 응력을 측정하기 진동현식 변형률계를 0.
- 반력장치의 형태와 각 측정 장치의 배치는 그림 4와 같다. 하중재하장치는 사진 1과 같이 유압잭(Hydraulic Jack, 50ton) 2개를 직렬로 연결하여 스트로크를 충분히 확보함으로써 말뚝의 파괴위치를 보다 확실히 검토할 수 있게 하였다.
이론/모형
- 본 시험에서는 수평재하시험 시 일반적으로 적용되는 ASTM D 3966-90 규정을 따라 주기하중 재하법을 이용하였으며, 지진이나 풍하중 등의 자연현상의 하중특성을 반영하기 위해 양방향수평재하시험을 수행하였다. 시험하중을 여러 단계로 나누어 각 단계별 목표하중을 한 방향으로 재하하는 주기하중 재하방법과 목표하중을 한 방향으로 재하 한 후 반대방향으로 똑같이 재하하는 방식인 교번재하법을 이용하였으며, 각 시험말뚝의 형상과 하중의 재하방향은 그림 6과 같다.
- 본 실험에서 사용된 말뚝은 현장타설말뚝이며, 말뚝의 강성을 짧은 말뚝(강성말뚝, short or rigid pile)과 긴 말뚝(연성말뚝, long or flexible pile)으로 구분하기 위해 지반조사결과를 Broms이론에 적용하여 근입깊이를 산정하였다.
- 본 연구에서는 수평재하시험의 방법에 대한 KS F의 규정이 미비하여 일반적으로 많이 사용되고 있는 ASTM D 3966-90과 FHWA Manual(US DOT, 1996) 규정을 적용하였다.
- 본 시험에서는 수평재하시험 시 일반적으로 적용되는 ASTM D 3966-90 규정을 따라 주기하중 재하법을 이용하였으며, 지진이나 풍하중 등의 자연현상의 하중특성을 반영하기 위해 양방향수평재하시험을 수행하였다. 시험하중을 여러 단계로 나누어 각 단계별 목표하중을 한 방향으로 재하하는 주기하중 재하방법과 목표하중을 한 방향으로 재하 한 후 반대방향으로 똑같이 재하하는 방식인 교번재하법을 이용하였으며, 각 시험말뚝의 형상과 하중의 재하방향은 그림 6과 같다.
성능/효과
- 1) 파괴시의 재하하중은 자유장의 길이, 근입깊이, 심부구속철근, 하중의 방향에 영향을 받았다. 자유장이 긴 말뚝, 근입깊이가 짧은 말뚝, 심부구속철근이 나선형인 말뚝, 일방향으로 하중을 받는 말뚝에서 더 작은 수평하중에서 파괴가 발생하였다.
- 1. 수평변위량은 같은 재하하중에서 자유장의 길이에 비례하여 증가하지만 횡방향구속철근이나 하중의 재하방향에 대한 영향정도는 매우 적었다.
- 2) 최대 휨모멘트의 발현위치와 주 균열의 발생위치는 거의 비슷한 결과를 보이며, 자유장의 길이에 가장 큰 영향을 받고, 하중의 재하방향에도 영향을 받았다. 자유장의 길이가 짧은 말뚝과 일방향으로 하중을 받는 말뚝에서 최대 휨모멘트와 주 균열이 더 낮은 위치에서 발생하였다.
- 2. 파괴시의 재하하중은 자유장의 길이, 근입깊이, 심부구속철근, 하중의 방향에 영향을 받았다. 자유장이 긴 말뚝, 근입깊이가 짧은 말뚝, 심부구속철근이 나선형인 말뚝, 일방향으로 하중을 받는 말뚝에서 더 작은 수평하중에서 파괴가 발생하였다.
- 3. 최대 휨모멘트의 발현위치와 주 균열의 발생위치는 거의 비슷한 결과를 보이며, 자유장의 길이에 가장 큰 영향을 받고, 하중의 재하방향에도 영향을 받았다. 자유장의 길이가 짧은 말뚝과 일방향으로 하중을 받는 말뚝에서 최대 휨모멘트와 주 균열이 더 낮은 위치에서 발생하였다.
- 4. 양방향으로 반복하중을 받는 시험말뚝 중 자유장이 긴 말뚝(5D)의 소성힌지 발생위치는 지표면 근처였으며, 자유장이 짧은 말뚝(2D)의 소성힌지 발생위치는 지표면 하부 0.3 ~ 0.5m 지점이었다.
- 긴 말뚝의 선단부에서는 변위가 없었으나, 짧은 말뚝에서는 선단부에서도 약간의 변위가 발생하였다. 각 말뚝의 수평변위량을 분석해보면 양방향으로 하중을 재하한 시험말뚝의 경우 양쪽으로 같은 하중이 작용하더라도 수평변위량이 달라짐을 보였다. 이는 양쪽 지반의 공학적 특성 차이와 지반의 이력사항이 수평변위에 영향을 미쳤음을 보여준다.
- 각 목표하중 단계별로 말뚝의 변위는 선형으로 증가함을 보였으며, 극한 하중이 재하되었을 때 말뚝이 파괴된 위치에서는 급격한 경사의 변화가 관측되었다. 긴 말뚝의 선단부에서는 변위가 없었으나, 짧은 말뚝에서는 선단부에서도 약간의 변위가 발생하였다.
- 그 결과 각 시험말뚝별 파괴 시 재하하중과 휨모멘트, 최대 휨모멘트가 발현되는 위치를 얻을 수 있었으며, 시험 종료 후 시험말뚝의 주위를 굴착하여 육안으로 확인하는 과정을 통해 파괴가 발생한 위치를 확인할 수 있었다. 이를 표 4에 정리하여 나타내었으며, 그림 8에 모멘트 분포를 각 재하하중별로 도시하여 나타내었다.
- 이는 양쪽 지반의 공학적 특성 차이와 지반의 이력사항이 수평변위에 영향을 미쳤음을 보여준다. 또한 재하하중의 증가에 따라 소성변위의 크기가 증가함을 보였다. 자유장의 길이가 증가함에 따라 수평변위량이 증가한 것을 제외하고, 이와 같은 현상은 자유장의 길이나 근입깊이, 횡방향구속철근 등에 의한 영향정도는 매우 적었음을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 풍화토지반에 근입된 단일형 현장타설말뚝의 말뚝-지반의 상대강성, 자유장 길이의 변화, 횡방향구속철근의 변화, 그리고 하중재하방향의 변화에 따른 휨모멘트와 수평변위를 측정한 결과, 자유장을 가지는 현장타설말뚝은 자유장이 긴 말뚝일수록 소성힌지가 지표면에 가깝게 발생한다는 사실을 얻어낼 수 있었다.
- 5m 지점이었다. 이를 통하여 자유장이 길어질수록 소성힌지가 발생하는 위치가 지표면 아래에서 지표면 근처로 상승하게 된다는 것을 알 수 있었다. 이와는 다르게 일방향으로 반복하중을 받는 시험말뚝의 경우, 소성힌지가 발생하는 위치는 자유장의 길이에 영향을 받지 않았다.
- 또한 재하하중의 증가에 따라 소성변위의 크기가 증가함을 보였다. 자유장의 길이가 증가함에 따라 수평변위량이 증가한 것을 제외하고, 이와 같은 현상은 자유장의 길이나 근입깊이, 횡방향구속철근 등에 의한 영향정도는 매우 적었음을 알 수 있었다.
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