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문제 정의
- 본 연구에서는 사질토 지반에 설치된 석션말뚝의 인발거동 특성에 관한 연구를 위하여 모형실험을 실시하였다. 모형실험에서는 말뚝직경과 길이, 지반의 상대밀도 등을 변화시켰다.
- 본 연구에서는 사질토 지반에서 인발하중 대한 말뚝의 거동특성을 연구하기 위하여 모형실험을 실시하였다. 연구 대상 말뚝은 말뚝길이와 직경의 비(L/D)가 매우 작은 석션말뚝이다.
- 석션파일은 해양구조물에 주로 사용되는 기초구조물로써 석션파일의 두부부분에 강선(Cable)을 연결하여 수중이나 수상에 있는 구조물을 지지할 수 있다. 본 연구에서는 일반말뚝에 비해 길이가 짧은 석션말뚝에 대한 실내모형실험을 실시하여 석션말뚝의 인발 거동특성을 분석하고자 하였다. 석션말뚝의 근입깊이 비 변화와 상대밀도 변화에 따라 석션말뚝에 작용하는 인발에 대한 하중 특성 및 거동특성 분석 등에 관한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 일반말뚝에 비해 길이가 짧은 석션말뚝에 대한 실내모형실험을 실시하여 석션말뚝의 인발 거동특성을 분석하고자 하였다. 석션말뚝의 근입깊이 비 변화와 상대밀도 변화에 따라 석션말뚝에 작용하는 인발에 대한 하중 특성 및 거동특성 분석 등에 관한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- Meyerhof(1973) 방법은 모형실험 결과를 과대평가하므로, 본 연구에서는 Meyerhof(1973) 이론식에 말뚝과 흙 사이의 마찰각(δ) 20˚(표 1 참조)를 적용하여 모형실험 결과와 비교하였다.
- 말뚝 기초의 지지력에 대한 현장실험과 이론적 평가는 주로 압축 하중에 대하여 수행된 것이 대부분이다. 말뚝기초의 주면마찰력은 압축하중 재하시 말뚝축에 계측기를 설치하여 측정함으로써 산정되었다. 이 경우에는 말뚝선단지지력과 주면마찰력이 동시에 작용하여 순수한 주면마찰력 또는 저항력을 평가하기란 쉽지 않다.
- 말뚝에 대한 실험은 말뚝을 설치할 때의 불안정한 지반이 안정될 때까지 일정한 시간이 경과한 후 실시하였으며, 하중재하는 모형토조의 외부에 설치된 와이어와 도르래로 연결된 감속기가 달린 모터를 이용하였다. 이때 하중재하는 2mm/min의 속도를 일정하게 유지하여 모형실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 사질토 지반에 설치된 석션말뚝의 인발거동 특성에 관한 연구를 위하여 모형실험을 실시하였다. 모형실험에서는 말뚝직경과 길이, 지반의 상대밀도 등을 변화시켰다. 모형실험을 통하여 석션말뚝의 인발거동 특성에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 모형실험은 수중에서 모형지반을 조성하여 실시되었으며, 실험에 사용된모형지반은 상대밀도가 각각 다른 3종류이다. 지반의 상태를 파악하기 위하여 지반조성 전에 캔을 지반 속에 넣어 지반을 조성하였으며, 실험을 마친 후 캔을 꺼내어 지반의 단위 중량을 확인하고 상대밀도를 확인하였다.
- 50m(가로×세로×높이, 그림 7 참조)이고, 실험이 진행되는 동안 토조의 변형을 방지하기 위하여 강재와 아크릴을 사용하여 제작하였다. 모형지반은 주문진 표준사로 조성하였으며, 본 연구에서는 석션말뚝의 거동특성을 파악하기 위하여 실내 모형실험을 수행하였다. 실험에 사용된 모형지반은 주문진 표준사로 조성하였으며, 모형시료의 입도분포곡선은 그림 6과 같으며, 균등계수(Cu)는 1.
- 수중에 설치된 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 매우 작은 말뚝에 대한 인발실험을 실시하였다. 모형지반의 상대밀도가 45%, 64%, 82%인 세 종류에 대하여 모형실험을 실시하였다. 실험에 사용된 말뚝은 말뚝길이/직경 비(L/D)가 1인 경우에 직경이 100mm, 150mm, 200mm이며 L/D가 2인 경우 직경이 100mm와 150mm이다.
- 수중에 설치된 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 매우 작은 말뚝에 대한 인발실험을 실시하였다. 모형지반의 상대밀도가 45%, 64%, 82%인 세 종류에 대하여 모형실험을 실시하였다.
- 말뚝에 대한 실험은 말뚝을 설치할 때의 불안정한 지반이 안정될 때까지 일정한 시간이 경과한 후 실시하였으며, 하중재하는 모형토조의 외부에 설치된 와이어와 도르래로 연결된 감속기가 달린 모터를 이용하였다. 이때 하중재하는 2mm/min의 속도를 일정하게 유지하여 모형실험을 수행하였다. 모형실험을 위한 재하장치와 계측기 설치가 완료된 모습(실험 전)과 수평하중을 받아 말뚝이 이동한 모습(실험 후)이 그림 9와 그림 10에 나타나 있다.
- 모형말뚝은 두께가 3mm인 아크릴로 제작하였으며(그림 8 참조), 하중재하는 와이어를 연결하여 하중을 가할 수 있도록 하였다. 인발하중을 받는 말뚝의 변위는 LVDT를 이용하였으며, 모형말뚝에 작용하는 하중은 로드셀(최대하중 2kN)로 측정하였다. 모형실험을 수행하는 동안 재하하중과 말뚝의 수평변위는 테이터 로거(TDS-602)에 자동으로 기록 저장된다.
- 모형실험은 수중에서 모형지반을 조성하여 실시되었으며, 실험에 사용된모형지반은 상대밀도가 각각 다른 3종류이다. 지반의 상태를 파악하기 위하여 지반조성 전에 캔을 지반 속에 넣어 지반을 조성하였으며, 실험을 마친 후 캔을 꺼내어 지반의 단위 중량을 확인하고 상대밀도를 확인하였다. 이렇게 측정된 세종류의 지반의 상대밀도는 각각 45%, 65%, 82%이다.
대상 데이터
- 62로 나타났다. 모형말뚝은 두께가 3mm인 아크릴로 제작하였으며(그림 8 참조), 하중재하는 와이어를 연결하여 하중을 가할 수 있도록 하였다. 인발하중을 받는 말뚝의 변위는 LVDT를 이용하였으며, 모형말뚝에 작용하는 하중은 로드셀(최대하중 2kN)로 측정하였다.
- 연구 대상 말뚝은 말뚝길이와 직경의 비(L/D)가 매우 작은 석션말뚝이다. 모형실험에 사용된 말뚝은 아크릴로 제작하였으며, 말뚝길이/직경(L/D)의 비가 1인 직경 100mm, 150mm, 200mm인 경우와 L/D가 2인 직경 100mm, 150mm인 말뚝에 대하여 모형실험을 수행하였다.
- 본 연구에서 사용된 모형토조의 크기는 1.28m×1.00m×1.50m(가로×세로×높이, 그림 7 참조)이고, 실험이 진행되는 동안 토조의 변형을 방지하기 위하여 강재와 아크릴을 사용하여 제작하였다.
- 모형지반의 상대밀도가 45%, 64%, 82%인 세 종류에 대하여 모형실험을 실시하였다. 실험에 사용된 말뚝은 말뚝길이/직경 비(L/D)가 1인 경우에 직경이 100mm, 150mm, 200mm이며 L/D가 2인 경우 직경이 100mm와 150mm이다.
- 모형지반은 주문진 표준사로 조성하였으며, 본 연구에서는 석션말뚝의 거동특성을 파악하기 위하여 실내 모형실험을 수행하였다. 실험에 사용된 모형지반은 주문진 표준사로 조성하였으며, 모형시료의 입도분포곡선은 그림 6과 같으며, 균등계수(Cu)는 1.38, 곡률계수(Cc)는 0.97로 통일분류법상 SP로 분류된다. 모형시료의 최대 및 최소 건조단위중량은 Bowles 방법(1978)을 이용하여 산정하였으며, 최대 건조단위중량(γdmax)은 16.
- 본 연구에서는 사질토 지반에서 인발하중 대한 말뚝의 거동특성을 연구하기 위하여 모형실험을 실시하였다. 연구 대상 말뚝은 말뚝길이와 직경의 비(L/D)가 매우 작은 석션말뚝이다. 모형실험에 사용된 말뚝은 아크릴로 제작하였으며, 말뚝길이/직경(L/D)의 비가 1인 직경 100mm, 150mm, 200mm인 경우와 L/D가 2인 직경 100mm, 150mm인 말뚝에 대하여 모형실험을 수행하였다.
데이터처리
- 상대밀도가 45%, 64%, 82%인 모형형지반에 대한 수직인발실험 결과로 부터 P-S곡선을 이용하여 극한하중을 구한 다음, 이 결과를 기존의 이론식에 의한 결과와 비교하였다. 이론적 방법으로는 Meyerhof(1973)와 Das(1977) 방법을 적용하고자 하였다.
이론/모형
- 이론적 방법으로는 Meyerhof(1973)와 Das(1977) 방법을 적용하고자 하였다. 그러나 Meyerhof(1973)와 Das(1977) 방법은 말뚝 근입깊이(L)가 한계근입깊이(Lcr) 보다 큰 경우는 해석 결과가 서로 상이하게 나타나지만, 본 연구와 같이 말뚝 근입깊이(L)가 한계근입깊이(Lcr) 보다 작거나 같은 경우에는 해석결과가 동일하므로 본 논문에서는 Meyerhof(1973) 방법을 사용하여 비교하였다. 또한, 말뚝과 흙의 마찰각 δ를 표 1을 참고하여 말뚝과 흙의 마찰각 δ를 20˚로 동일하게 보고 Meyerhof(1973)식에 이 값을 적용하여 실험결과와 비교하였다.
- 또한, 말뚝과 흙의 마찰각 δ를 표 1을 참고하여 말뚝과 흙의 마찰각 δ를 20˚로 동일하게 보고 Meyerhof(1973)식에 이 값을 적용하여 실험결과와 비교하였다.
- 모형시료의 최대 및 최소 건조단위중량은 Bowles 방법(1978)을 이용하여 산정하였으며, 최대 건조단위중량(γdmax)은 16.37kN/m3이며, 최소건조단위중량(γdmin)은 13.43kN/m3이다.
- 상대밀도가 45%, 64%, 82%인 모형형지반에 대한 수직인발실험 결과로 부터 P-S곡선을 이용하여 극한하중을 구한 다음, 이 결과를 기존의 이론식에 의한 결과와 비교하였다. 이론적 방법으로는 Meyerhof(1973)와 Das(1977) 방법을 적용하고자 하였다. 그러나 Meyerhof(1973)와 Das(1977) 방법은 말뚝 근입깊이(L)가 한계근입깊이(Lcr) 보다 큰 경우는 해석 결과가 서로 상이하게 나타나지만, 본 연구와 같이 말뚝 근입깊이(L)가 한계근입깊이(Lcr) 보다 작거나 같은 경우에는 해석결과가 동일하므로 본 논문에서는 Meyerhof(1973) 방법을 사용하여 비교하였다.
성능/효과
- 1. 인발하중에 따른 말뚝의 최대 저항력은 말뚝직경, 말뚝길이/직경의 비(L/D), 그리고 상대밀도(Dr)가 커질수록 증가하는 것으로 나타났다. 모든 실험조건에서 최대 인발하중은 3～10mm의 변위에서 발생하였으며, 이때의 변형률은 약 3～7%로 나타났다.
- 2. 모형실험에 의한 극한 인발하중은 상대밀도가 45%에서 64%로 증가하면 1～1.3배, 45%에서 82%로 증가하면 1.5배 정도 증가하였고, 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 1에서 2로 증가하면 3～4배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 말뚝의 극한 인발하중은 상대밀도 보다 말뚝길이 및 직경 증가에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- 3. 기존의 이론식과 비교해 보면 Meyerhof(1973) 방법은 실험치를 과대평가하고, Meyerhof(1973) 방법에서 말뚝과 지반사이의 마찰각도를 Aas(1966)가 제안한 값으로 적용하면, 실험결과와 비슷하게 나타났다.
- 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 일정한 경우, 말뚝의 직경이 커질수록 말뚝의 극한 인발하중은 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 말뚝의 직경이 동일한 경우, 말뚝의 길이가 길어질수록 극한 인발하중이 증가하는 것으로 나타났다. 위에서 설명한 바와 같이 말뚝의 길이가 길어질수록, 말뚝의 직경이 커질수록, 그리고 지반의 상대밀도가 높아질수록, 말뚝의 극한 인발하중은 증가하는 것으로 나타났다.
- 7배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 동일한 상대밀도일 경우, 말뚝길이/말뚝직경 비(L/D)가 1에서 2로 증가할 경우 D=100mm인 경우는 약 1.5～2배 정도 증가하였고, D=150mm인 경우 약 1.8~2.5배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 말뚝의 인발 극한지지력의 경우 상대밀도의 증가에 따른 말뚝과 지반사이의 마찰각 증가로 인한 인발 극한 지지력의 증가보다, 말뚝의 직경 및 길이 증가에 따른 말뚝과 지반과의 마찰면적 증가로 인한 극한 인발지지력이 크게 증가하는 것으로 판단된다.
- 이 그림에서 보는 바와 같이 인발하중에 따른 말뚝의 최대 저항력은 말뚝직경, 말뚝길이/직경의 비(L/D), 그리고 상대밀도(Dr)가 커질수록 증가하는 것으로 나타났다. 모든 실험조건에서 최대 인발하중은 3～10mm의 변위에서 발생하였으며, 이때의 변형률은 약 3～7%로 나타났다.
- 그림 16과 그림 17은 상대밀도 변화에 따른 말뚝의 극한 인발지지력과 순극한 인발지지력의 실험값에 대한 실험 결과를 보여 준다. 상대밀도가 45%에서 64%로 증가할 경우 약 1～1.4배 정도 증가하였고, 64%에서 82%로 증가할 경우 1.1～1.3배 정도 증가 하였고, 45%에서 82%로 증가할 경우 약 1.2～1.7배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 동일한 상대밀도일 경우, 말뚝길이/말뚝직경 비(L/D)가 1에서 2로 증가할 경우 D=100mm인 경우는 약 1.
- 그리고 말뚝의 직경이 동일한 경우, 말뚝의 길이가 길어질수록 극한 인발하중이 증가하는 것으로 나타났다. 위에서 설명한 바와 같이 말뚝의 길이가 길어질수록, 말뚝의 직경이 커질수록, 그리고 지반의 상대밀도가 높아질수록, 말뚝의 극한 인발하중은 증가하는 것으로 나타났다.
- 20˚의 δ를 적용한 Meyerhof (1973) 방법은 모형실험보다 약간 작은 결과를 나타내지만, 그 차이는 크지 않는 것으로 나타났다. 이와 같이 모형실험과 이론적 방법의 결과를 비교해 본 결과, 말뚝 근입깊이에 따른 차이도 발생하지만 지반조건에 따른 말뚝과 지반 사이의 마찰각을 정확히 산정한다면 실험과 이론적 방법의 차이는 감소할 것으로 판단된다.
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