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문제 정의
- 현장 시험시공 및 재하시험은 국토해양부 R&D VC 10 과제 중 하나의 핵심과제인 “성능ㆍ환경 복원기술개발사업”에 세세부과제로 포함되는 “구조물 성능복원-지반” 3차년도 연구의 일부인 지반구조물 보수ㆍ보강 핵심기술들 중 “복합지지형 마이크로파일공법” 기술개발 1단계 추진전략인 “핵심기술 개발모형 및 1차 기술개발” 목표를 달성하기 위하여 수행하였다.
- 따라서 본 현장 시험시공 및 재하시험은 파일 선단을 암반에 소켓팅하지 않고 파일과 주변 토사층과의 마찰지지력을 평가하고, 시공과정에서 품질평가를 위한 기초자료들을 확보하여 효과적인 설계기반 구축 및 설계효율 증진에 따른 정량적 시공 기반을 제공하기 위하여 수행되었다. 또한 본 연구과제에서 마이크로파일의 지지력 개선을 위하여 가압주입이 가능하도록 토목섬유인 팩을 파일체에 도입한 “복합지지형 마이크로파일”의 파일구조체 성능을 검증하였다.
가설 설정
- 재하시험 수행과정에서 반력앵커 1본당 받는 설계축력(T)=48.6tonf, 안전율(FS)=2.0으로 가정하여 반력앵커 설계를 수행하였으며, 검토된 마찰저항장(정착장)이 5.09m였으나, 현장 재하시험 과정에서의 안전을 고려하여 6.0m로 결정하였다. 마찰저항장 설계는,
제안 방법
- 또한 본 연구과제에서 마이크로파일의 지지력 개선을 위하여 가압주입이 가능하도록 토목섬유인 팩을 파일체에 도입한 “복합지지형 마이크로파일”의 파일구조체 성능을 검증하였다.
- 성능 검증을 위한 현장 재하시험에 앞서 2008년 11월 13일(목)～11월 19일(수)에 걸쳐 반력앵커체 9본과 기존 마이크로파일 6본 및 복합지지형 마이크로파일 6본, 그리고 예비시험용 2본을 포함하여 총 14본을 시공하였다. 이후 현장 재하시험을 2008년 11월 25일(화)～11월 29일(토)에 걸쳐 실시하였다.
- 본 현장 시험에서는 국내에서 일반적으로 시공되고 있는 기존 방식의 2종류-강봉 보강 및 중력식 그라우팅 방법의 마이크로파일, 강봉 보강과 케이싱 사장된 중력식 그라우팅 방법의 마이크로파일-의 마이크로파일과 본 과업을 통하여 개발 중에 있는 토목섬유의 한 종류인 부직포 형태의 팩을 파일에 도입하여 가압그라우팅이 가능한 신개념 마이크로파일을 선정하였다.
- 현장 시험시공 및 재하시험 수행을 위하여 8×11m의 시험부지에 재하시험용 마이크로파일 12본과 반력앵커 9본을 배치하였다.
- 0인 제품을 사용하였다. 천공과 동시에 철제케이싱을 2m 깊이로 관입 후 용접을 실시하여 연속적으로 강제케이싱을 지반 내 관입하여 시공하였다.
- 연직인발 시험용 마이크로파일들은 일렬로 파일 간 거리를 2m 확보하였고, 수평재하의 경우 동일 종류의 파일들을 1.2m 간격으로 시공하였다.
- 현장 시험구에서 마이크로파일들을 퇴적층 내인 8m 심도로 시공하였으며, 재하시험 수행을 위하여 파일두부가 지표면으로부터 0.5m 돌출되도록 시공하였다.
- 반력앵커시공을 위한 천공작업은 지표면에서 풍화암이 존재하는 심도 16.5m까지는 케이싱 드릴을 이용한 회전수세식 방법을 적용하였고, 그 이하 심도에서 18.5m까지는 회전타격식 암반천공용 해머드릴을 이용하여 작업을 수행하였다.
- 천공작업이 완료된 후 그라우팅 작업은 현장배합 믹서기로 기성제품인 보통포틀란트 시멘트와 물을 물/시멘트비(w/c)=45%가 되도록 연속적으로 교반하면서 디지털식으로 주입압 및 주입량이 제어 및 기록이 가능한 유량계가 설치된 그라우트재 주입장치를 이용하여 주입얍 및 주입량을 조절하여 실시하였다. 이때 그라우팅 과정에서 유동성과 팽창성 및 급결성 확보를 위하여 혼화제를 1% 첨가하였다.
- 천공작업이 완료된 후 그라우팅 작업은 현장배합 믹서기로 기성제품인 보통포틀란트 시멘트와 물을 물/시멘트비(w/c)=45%가 되도록 연속적으로 교반하면서 디지털식으로 주입압 및 주입량이 제어 및 기록이 가능한 유량계가 설치된 그라우트재 주입장치를 이용하여 주입얍 및 주입량을 조절하여 실시하였다. 이때 그라우팅 과정에서 유동성과 팽창성 및 급결성 확보를 위하여 혼화제를 1% 첨가하였다.
- 본 현장 파일재하시험 결과는 침하량에 의한 분석법 중 전침하량 분석법으로 항복하중을 결정하였다. 전침하량 분석법은 파일 직경의 10%에 해당하는 침하가 발생할 때의 하중 또는 허용침하량 25.
- 본 현장 파일재하시험 결과는 침하량에 의한 분석법 중 전침하량 분석법으로 항복하중을 결정하였다. 전침하량 분석법은 파일 직경의 10%에 해당하는 침하가 발생할 때의 하중 또는 허용침하량 25.4㎜ 일 때 대응하는 하중을 항복하중으로 판단하는데, 본 시험결과는 침하량 25.4㎜일 때의 하중을 항복하중으로 결정하였다.
- 그라우팅 방법의 차이에 따라 지반 내 양생형태의 변화를 관측하고자 시험구에 시공된 파일들에 대하여 6m 이상 굴삭하여 파일을 회수하였으며 다음 그림 1은 파일회수작업을 나타내고 있다. M1-1-1은 Type A형으로, M2-1-1은 Type B형, 그리고 M3-1-1, M3-2-1은 Type C형으로 시공된 파일들인데 M1-1-1과 M3-1-1을 비교해 볼 때 M3-1-1은 파일장 전체에 대하여 균일한 직경으로 양호한 상태로 지반 내 파일이 형성된 것을 알 수 있으며, M1-1-1은 형성된 파일표면 자체가 매우 불규칙하며, 파일회수과정에서 작은 충격에도 그라우트체의 할렬파괴가 발생되어 지반 내 파일형성상태가 불량한 것을 추정할 수 있었다.
대상 데이터
- 본 현장 시험시공 및 재하시험은 ‘경의선 복선전철 용산/문산 2공구 OO건설 현장사무소’ 인근의 경기도 고양시 덕양구 화전리 000번지에서 수행되었다.
- 성능 검증을 위한 현장 재하시험에 앞서 2008년 11월 13일(목)～11월 19일(수)에 걸쳐 반력앵커체 9본과 기존 마이크로파일 6본 및 복합지지형 마이크로파일 6본, 그리고 예비시험용 2본을 포함하여 총 14본을 시공하였다. 이후 현장 재하시험을 2008년 11월 25일(화)～11월 29일(토)에 걸쳐 실시하였다.
- 현장시험부지의 지반상태를 평가하고자 2008년 7월 31일 및 8월 1일에 걸쳐 현장시험구 내 대표적 위치인 두 곳을 선정하여 현장시추를 실시하였는데, 파일이 시공될 부분인 9m 심도 이내에서는 매립층과 퇴적층으로 구성된 것으로 나타났다. 매립층은 실트 및 자갈섞인 모래로 구성되었으며, 통일분류법에 따라 SP로 분류되었다.
- 현장 시험시공 및 재하시험 수행을 위하여 시험부지에 설치한 파일 본수는 다음 표 1과 같고, 총 14본의 마이크로파일(예비용 2본 포함)을 시공하였다.
- Type B는 삭공 함몰 방지를 위해 강재케이싱을 지반 내 사장하는데 자재의 제원이 외경(O/D)=165.2㎜, 두께(t)=4.85㎜, 길이(L)=2.0인 제품을 사용하였다. 천공과 동시에 철제케이싱을 2m 깊이로 관입 후 용접을 실시하여 연속적으로 강제케이싱을 지반 내 관입하여 시공하였다.
이론/모형
- 본 현장재하시험의 장치 설치는 ASTM D 1143(연직압축재하), ASTM D3689(연직인발) 및 ASTM D3966(수평재하)에 준하였으며, 마이크로파일이 소구경 현장타설 말뚝이므로 파일재하시험 수행과정에서 파일의 편심에 대한 영향을 고려하여 FHWA의 마이크로파일 설계 및 시공에 관련된 매뉴얼을 참고하여 재하단계를 결정하였다(FHWA, 2005).
성능/효과
- 풍화암은 심도 15m 아래에서 나타났으며 그 아래 층에는 양호한 암반대가 위치하는 것으로 조사되었다. 따라서 현장재하시험 수행을 위한 반력앵커의 설계과정에서 파일들의 극한지지력을 고려하여, 최소 18m이상의 천공심도가 필요할 것으로 판단되었다.
- 신개념 파일인 Type C는 지지력이 Type A 대비 50%, Type B 대비 80%이상 개선된 것으로 나타났다. 따라서 Type C 방식으로 마이크로파일을 시공할 경우, 파일장의 단축 및 동일 상재하중 하에서 시공되는 파일개수 단축이 가능할 것으로 판단된다.
- 신개념 파일인 Type C는 지지력이 Type A 대비 50%, Type B 대비 80%이상 개선된 것으로 나타났다. 따라서 Type C 방식으로 마이크로파일을 시공할 경우, 파일장의 단축 및 동일 상재하중 하에서 시공되는 파일개수 단축이 가능할 것으로 판단된다.
- 수평재하시험의 경우, 신개념 마이크로파일과 기존 마이크로파일의 결과값의 차이가 없는 것으로 나타났는데 시험결과는 파일 길이방향의 종단면이 수평하중에 대하여 저항하는 정도를 나타내는 것이므로 신개념 마이크로파일이 기존 마이크로파일에 비하여 파일 종단면 방향의 단면적이 크게 증가되지 않은 사실을 추정할 수 있다.
- 그라우팅 방법의 차이에 따라 지반 내 양생형태의 변화를 관측하고자 시험구에 시공된 파일들에 대하여 6m 이상 굴삭하여 파일을 회수하였으며 다음 그림 1은 파일회수작업을 나타내고 있다. M1-1-1은 Type A형으로, M2-1-1은 Type B형, 그리고 M3-1-1, M3-2-1은 Type C형으로 시공된 파일들인데 M1-1-1과 M3-1-1을 비교해 볼 때 M3-1-1은 파일장 전체에 대하여 균일한 직경으로 양호한 상태로 지반 내 파일이 형성된 것을 알 수 있으며, M1-1-1은 형성된 파일표면 자체가 매우 불규칙하며, 파일회수과정에서 작은 충격에도 그라우트체의 할렬파괴가 발생되어 지반 내 파일형성상태가 불량한 것을 추정할 수 있었다.
- 지반 내 양생된 파일의 직경을 비교한 그림 2를 볼 때, Type A와 Type C의 파일외경이 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있으며, 이는 수평재하시험 결과와 잘 일치되고 있다. 따라서 Type C의 지지력향상 원인은 가압주입에 따른 파일 단면적 증가보다는 주입된 그라우트가 양호한 상태로 양생되어 파일건전도가 향상되었고, 파일과 주변 지반 간의 양호한 결합으로 점착력 향상에 따른 것으로 판단된다.
- 1. 마이크로파일의 현장 재하시험을 위하여 시험부지의 지반조사에 기초하여 설계한 반력앵커 및 마이크로파일의 배치는 합리적인 것으로 판단된다.
- 2. 현장 재하시험 결과, Type B인 경우 연직인발시험의 진행이 불가능하였으며 이는 파일과 주변 지반 간의 점착력이 거의 없기 때문에 발생된 것으로 판단된다. 또한 Type C는 기존 마이크로파일 시공형태인 Type A 및 Type B에 비해 지지력이 향상되었다.
- 현장 재하시험 결과, Type B인 경우 연직인발시험의 진행이 불가능하였으며 이는 파일과 주변 지반 간의 점착력이 거의 없기 때문에 발생된 것으로 판단된다. 또한 Type C는 기존 마이크로파일 시공형태인 Type A 및 Type B에 비해 지지력이 향상되었다. 따라서 팩의 개념을 도입한 신개념 마이크로파일로 시공할 경우 토사층에서 주면마찰력 향상에 따라 시공심도 단축 및 시공개수 감소가 가능할 것으로 판단된다.
- 또한 Type C는 기존 마이크로파일 시공형태인 Type A 및 Type B에 비해 지지력이 향상되었다. 따라서 팩의 개념을 도입한 신개념 마이크로파일로 시공할 경우 토사층에서 주면마찰력 향상에 따라 시공심도 단축 및 시공개수 감소가 가능할 것으로 판단된다.
- 3. 파일 회수 결과 Type C는 Type A에 비해 지반 내 형성된 파일직경이 크게 증가되지 않고 전체 파일장에 대하여 일정한 직경을 가지는 것으로 지반 내 파일이 형성되었다. 수평재하시험 결Q과와 종합해 볼 때 파일단면적 증가의 원인보다는 가압주입에 따른 파일건전도 향상 및 파일과 주변 지반 간의 점착력 향상에 의한 것으로 판단된다.
- 파일 회수 결과 Type C는 Type A에 비해 지반 내 형성된 파일직경이 크게 증가되지 않고 전체 파일장에 대하여 일정한 직경을 가지는 것으로 지반 내 파일이 형성되었다. 수평재하시험 결Q과와 종합해 볼 때 파일단면적 증가의 원인보다는 가압주입에 따른 파일건전도 향상 및 파일과 주변 지반 간의 점착력 향상에 의한 것으로 판단된다.
후속연구
- 시험 결과 Type B(강봉보강 및 철제케이싱 사장)의 경우, 연직인발시험이 불가능하였는데 지반 내 사장된 철제케이싱과 지반간의 점착력이 거의 없다는 점을 입증하는 것이며, 차후 이와 같은 마이크로파일을 설계할 경우, 토사층에서 파일과 주변 지반 간의 점착력 산정에 유의해야 할 것으로 판단된다.
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