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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 현장재하시험에 앞서 대구경 PHC말뚝을 일본 JIS 규정을 준수하여 생산하였으며, 강도시험과 품질시험을 수행하여 말뚝 자체의 성능을 검증하였다.
- 본 연구에서는 대구경 복합말뚝 및 대구경 PHC말뚝에 대하여 PDA(Pile Driving Analyzer)를 이용한 동재하 시험 총 15회를 실시하였다. 동재하시험에서는 160kN 유압 해머와 DH658 항타기를 이용하였으며 말뚝 항타시 말뚝의 지지력 및 말뚝의 항타시공성을 확인하고 연결부 안정성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 대구경 복합말뚝 및 대구경 PHC말뚝에 대하여 동재하시험과 정재하시험을 수행하여 말뚝의 항타관입성 분석, 연직 지지력 산정 및 말뚝 연결부에 대한 안정성을 평가하였다. 동재하시험은 유압 해머(160kN)을 이용하여 낙하고(stroke)를 0.
- 본 연구에서는 토목 및 건축현장에서 보편적으로 사용되고 있는 PHC 말뚝을 국내 최초로 직경 1,000mm 대구경으로 제작하고, 이에 대한 현장 시공성을 상세히 검증함으로써 대구경 PHC말뚝의 적용성을 평가하였다. 또한 대구경 PHC말뚝 상단에 대구경 강관말뚝을 기계식 결합방식으로 연결한 복합말뚝에 대한 거동특성을 분석하였다.
- 정재하시험은 Pile-3을 대상으로 수행하였으며 목적은 대구경 복합말뚝의 허용지지력 확인, 상부강관 말뚝과 하부 PHC말뚝을 연결하는 무용접 연결부 안정성 확인 및 동재하시험 결과와의 비교 분석을 통하여 동재하시험 결과 검증 및 신뢰성 있는 지지력을 산정하고자 한다.
제안 방법
- Pile-1과 Pile-2는 중굴공법을 사용한 매입말뚝으로 마무리 항타과정에서는 유압 헤머를 이용하여 항타 시공을 병행하였으며, 이때 PDA시험기를 이용하여 동재하시험을 수행하였다. 반면에 항타말뚝인 Pile-4의 경우 초기부터 항타시공을 하면서 동재하시험을 수행하였다.
- 또한 대구경 PHC말뚝 상단에 대구경 강관말뚝을 기계식 결합방식으로 연결한 복합말뚝에 대한 거동특성을 분석하였다. 대구경 PHC 말뚝 및 대구경 복합말뚝에 대한 현장 시공성 평가를 위해서 말뚝 매입시공과 항타시공을 병행하여 수행하였으며, 동재하시험 및 연직 정재하시험을 통하여 말뚝의 지지력을 평가하였다. 이러한 결과를 바탕으로 기존에 많이 사용하고 있는 동일한 직경의 강관말뚝을 기준으로 대구경 PHC말뚝 및 대구경 복합말뚝의 시공성, 경제성 및 현장 적용성을 평가하였다.
- 대구경 말뚝 시공방법으로 대구경 말뚝 내부에 오거(auger)를 관입하여 지반을 굴착함과 동시에 말뚝을 관입하는 중굴공법을 사용하였다. 중굴공법으로 대구경 말뚝을 시공하기 위해서 상부 및 하부에 오거 장착기(120～200마력)를 부착한 DH-658항타기 및 DH900 크레인을 이용하였으며, 직경 650mm 오거는 선단부에 확경 비트를 장착하여 말뚝 내부로 관입한 오거가 말뚝 선단에서 지반을 950mm～1,050mm까지 확경할 수 있도록 특별 제작하였다.
- 본 연구에서는 대구경 복합말뚝 및 대구경 PHC말뚝에 대하여 PDA(Pile Driving Analyzer)를 이용한 동재하 시험 총 15회를 실시하였다. 동재하시험에서는 160kN 유압 해머와 DH658 항타기를 이용하였으며 말뚝 항타시 말뚝의 지지력 및 말뚝의 항타시공성을 확인하고 연결부 안정성을 평가하였다. 또한 말뚝 시공법으로는 굴착과 시공을 동시에 진행하는 중굴공법과 유압 해머를 이용한 직항타 공법을 도입하여 각각의 시공법에 따른 지지력 차이를 비교 검토하였다.
- 동재하시험은 3본의 대구경 복합말뚝 및 PHC말뚝에 대하여 표 3과 같은 조건(말뚝 관입심도, 하중조건 등)을 적용하여 현장 재하시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 대구경 복합말뚝 및 대구경 PHC말뚝에 대하여 동재하시험과 정재하시험을 수행하여 말뚝의 항타관입성 분석, 연직 지지력 산정 및 말뚝 연결부에 대한 안정성을 평가하였다. 동재하시험은 유압 해머(160kN)을 이용하여 낙하고(stroke)를 0.5～1.5m까지 조절하면서 수행하였고, 정재하시험은 풍화암 이하까지 시공한 어스앵커(16공)의 반력을 이용, 4단계 반복재하시험을 수행하여 최대 시험하중 12,000kN까지 재하를 실시하였다. 재하시험 종류, 수량 및 현장 시험 말뚝 배치도는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 토목 및 건축현장에서 보편적으로 사용되고 있는 PHC 말뚝을 국내 최초로 직경 1,000mm 대구경으로 제작하고, 이에 대한 현장 시공성을 상세히 검증함으로써 대구경 PHC말뚝의 적용성을 평가하였다. 또한 대구경 PHC말뚝 상단에 대구경 강관말뚝을 기계식 결합방식으로 연결한 복합말뚝에 대한 거동특성을 분석하였다. 대구경 PHC 말뚝 및 대구경 복합말뚝에 대한 현장 시공성 평가를 위해서 말뚝 매입시공과 항타시공을 병행하여 수행하였으며, 동재하시험 및 연직 정재하시험을 통하여 말뚝의 지지력을 평가하였다.
- 동재하시험에서는 160kN 유압 해머와 DH658 항타기를 이용하였으며 말뚝 항타시 말뚝의 지지력 및 말뚝의 항타시공성을 확인하고 연결부 안정성을 평가하였다. 또한 말뚝 시공법으로는 굴착과 시공을 동시에 진행하는 중굴공법과 유압 해머를 이용한 직항타 공법을 도입하여 각각의 시공법에 따른 지지력 차이를 비교 검토하였다.
- Pile-1과 Pile-2는 중굴공법을 사용한 매입말뚝으로 마무리 항타과정에서는 유압 헤머를 이용하여 항타 시공을 병행하였으며, 이때 PDA시험기를 이용하여 동재하시험을 수행하였다. 반면에 항타말뚝인 Pile-4의 경우 초기부터 항타시공을 하면서 동재하시험을 수행하였다. 대구경 PHC말뚝에 대한 항타시공 결과 말뚝의 파손 없이 성공적으로 수행되었으며, 항타관입성 분석결과 항타에너지가 증가함에 따라 관입저항력에 따른 극한 지지력의 값이 크게 산정됨을 확인할 수 있었다(그림4.
- 본 연구는 국내 최초로 1,000mm 대구경 PHC말뚝 및 대구경 복합말뚝(대구경 PHC+대구경 강관말뚝)에 대한 현장 적용성 평가를 위해서 대구경 말뚝의 매입시공(Pile-1, 2, 3) 및 항타시공(Pile-4)을 각각 수행하였으며, 동재하시험(15회)과 연직 정재하시험(1회)을 통하여 말뚝의 관입성 분석 및 허용 지지력을 평가한 것으로 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 대구경 PHC 말뚝 및 대구경 복합말뚝에 대한 현장 시공성 평가를 위해서 말뚝 매입시공과 항타시공을 병행하여 수행하였으며, 동재하시험 및 연직 정재하시험을 통하여 말뚝의 지지력을 평가하였다. 이러한 결과를 바탕으로 기존에 많이 사용하고 있는 동일한 직경의 강관말뚝을 기준으로 대구경 PHC말뚝 및 대구경 복합말뚝의 시공성, 경제성 및 현장 적용성을 평가하였다.
- 0m 하부에 근입시켰으며 예상 설계하중의 300%까지 재하하는 것으로 계획하여 총 12,000kN의 하중을 4cycles로 반복재하 하였다. 재하시험을 위한 반력 시스템은 본 당 설계 인반력 800kN의 어스앵커 16본을 시공하여 하중 재하시 충분한 반력을 발휘할 수 있도록 시공하였다.
- 정재하시험을 위한 말뚝은 대구경 복합말뚝으로 중굴공법을 이용하여 풍화암 6.0m 하부에 근입시켰으며 예상 설계하중의 300%까지 재하하는 것으로 계획하여 총 12,000kN의 하중을 4cycles로 반복재하 하였다. 재하시험을 위한 반력 시스템은 본 당 설계 인반력 800kN의 어스앵커 16본을 시공하여 하중 재하시 충분한 반력을 발휘할 수 있도록 시공하였다.
- 대구경 말뚝 시공방법으로 대구경 말뚝 내부에 오거(auger)를 관입하여 지반을 굴착함과 동시에 말뚝을 관입하는 중굴공법을 사용하였다. 중굴공법으로 대구경 말뚝을 시공하기 위해서 상부 및 하부에 오거 장착기(120～200마력)를 부착한 DH-658항타기 및 DH900 크레인을 이용하였으며, 직경 650mm 오거는 선단부에 확경 비트를 장착하여 말뚝 내부로 관입한 오거가 말뚝 선단에서 지반을 950mm～1,050mm까지 확경할 수 있도록 특별 제작하였다. 또한 견고한 지층에 말뚝을 관입할 경우 비트(bit)에 장착한 air nozzle을 통하여 고압의 공기와 물을 분사하여 지반을 일부 교란시켜 말뚝 관입성을 향상시켰으며 배토시 말뚝 내부에 발생하는 응력을 최소화하였다.
데이터처리
- 동재하시험을 통한 허용지지력 판정은 CAPWAP 분석 결과 도출된 전체지지력을 Davisson's Method를 적용하여 항복 하중을 평가하고 안전율 2.0을 적용하여 산정된 허용지지력과 CAPWAP 분석결과 도출된 전체지지력을 KSF 2591 및 도로교설계기준의 안전율 2.5를 적용하여 산정된 허용지지력을 비교하였다.
성능/효과
- 1. 동재하시험 결과 두부 보강 대구경 PHC말뚝에 대한 항타시공 결과 말뚝의 파손 없이 성공적으로 시험이 수행되었으며, 항타관입성 분석결과 항타에너지가 증가함에 따라 관입저항력에 따른 극한 지지력의 값이 크게 산정됨을 확인할 수 있었다
- 2. 대구경 말뚝 시공방법에 따른 지지력 차이를 분석하기 위해 동일 심도, 동일 에너지 작용시 지지력의 크기를 산정해 본 결과, 중굴공법으로 시공한 말뚝과 항타시공한 말뚝의 지지력에 거의 차이가 없는 것으로 나타나 중굴공법으로 시공한 말뚝에서는 충분한 주면마찰력이 발휘되고 있는 것을 확인하였다.
- 3. 말뚝선단을 풍화토 하단에 위치한 말뚝(Pile-1, 2)의 경우 허용지지력은 최대 3,061kN 정도로 나타났으며, 말뚝을 풍화암 하부 6.0m까지 관입한 말뚝(Pile-4)의 경우 최대 허용지지력이 5,660kN정도 산정되었다.
- 4. 정재하시험 결과 최대하중 12,000kN 재하시 전체 침하량은 24.2mm 정도 발생하였으며, 잔류침하량은 2.1mm, 탄성회복량은 22.2mm로 측정되었다. 항복-극한하중분석법 및 Davisson' Method를 이용한 허용지지력 산정 결과 안전율 2.
- 5. 대구경 PHC말뚝과 대구경 복합말뚝은 시공성 및 경제성이 우수하여 지반조건과 현장 여건에 따라 대구경 강관말뚝 및 동일한 직경의 현장타설 말뚝을 대체할 수 있을 것이라 판단되며, 이에 따라 현장에서의 공기절감 및 원가절감 효과를 증대시킬 수 있을 것이라 판단된다.
- D) 시험결과로서 연약한 점성토 지반의 시간경과에 따른 setup 효과를 고려한다면 이보다 더 큰 허용지지력이 발휘될 수 있을 것이라 판단된다. Setup 효과에 따른 지지력 상향정도를 파악하기 위해서 Pile-1에 대하여 재항타(restrike) 시험을 수행하였으나, 현장 여건상 드롭헤머를 사용하여 재하시험을 수행하였으므로 유압헤머를 통해 산정한 지지력 결과와의 비교는 다소 정확도가 떨어지는 것으로 나타났다. Daivisson's Method로 말뚝의 허용지지력을 산정한 결과는 그림 6에 나타내었다.
- 대구경 PHC말뚝과 대구경 복합말뚝의 적용성을 시공성 및 경제성을 중심으로 강관말뚝과 비교하였으며, 비교 결과 수평력이 크게 작용하지 않는 구조물의 경우 대구경 PHC말뚝이 동일한 직경의 강관말뚝을 대체할 수 있을 것이라 사료되며 가격 경쟁력에서 46% 정도 재료비 절감이 가능한 것으로 나타났다. 또한 수평력이 크게 작용하는 구조물의 경우 큰 전단력 및 모멘트에 대한 저항력이 우수한 대구경 복합말뚝을 적용한다면 동일한 직경의 강관말뚝 또는 소구경 현장타설말뚝을 대체할 수 있을 것이며, 현장 여건에 따라 공기 단축 및 원가절감 효과를 증대시킬 수 있을 것이라 판단된다.
- 반면에 항타말뚝인 Pile-4의 경우 초기부터 항타시공을 하면서 동재하시험을 수행하였다. 대구경 PHC말뚝에 대한 항타시공 결과 말뚝의 파손 없이 성공적으로 수행되었으며, 항타관입성 분석결과 항타에너지가 증가함에 따라 관입저항력에 따른 극한 지지력의 값이 크게 산정됨을 확인할 수 있었다(그림4.(a)).
- 중굴공법으로 대구경 말뚝을 시공하기 위해서 상부 및 하부에 오거 장착기(120～200마력)를 부착한 DH-658항타기 및 DH900 크레인을 이용하였으며, 직경 650mm 오거는 선단부에 확경 비트를 장착하여 말뚝 내부로 관입한 오거가 말뚝 선단에서 지반을 950mm～1,050mm까지 확경할 수 있도록 특별 제작하였다. 또한 견고한 지층에 말뚝을 관입할 경우 비트(bit)에 장착한 air nozzle을 통하여 고압의 공기와 물을 분사하여 지반을 일부 교란시켜 말뚝 관입성을 향상시켰으며 배토시 말뚝 내부에 발생하는 응력을 최소화하였다. 말뚝과 말뚝을 연결할 때는 대구경 말뚝의 연결시 공기 단축을 위해 무용접 기계식 말뚝 연결방법을 사용하여 시공속도 및 말뚝 연결부의 품질을 향상시켰다.
- (b)). 또한 동일한 말뚝 Pile-2를 대상으로 가속도계와 변위계 측정 위치를 변화시켜 상부 강관말뚝과 하부 PHC말뚝의 연결부에서의 파형의 특성과 말뚝의 건전도를 나타내는 Beta value 값을 산정해 본 결과, 상부 강관말뚝에 측정계를 부착하여 시험을 수행한 경우 말뚝의 건전도 지수가 매우 낮게 측정된 반면 동일한 말뚝에 대하여 하부 PHC말뚝에서 측정한 결과는 매우 양호하게 나타난 것을 알 수 있었다(그림4.(c)).
- 본 연구는 진주～광양간 복선화 전철 시공현장에서 수행하였으며, 재하시험 부지에서 시추조사 및 콘관입시험을 수행한 결과 상부 1.3～2.3m까지 실트질 모래층으로 매립되어 있으며, 매립토 하부에 N치 5이하의 연약한 점성토 지반이 18.9～23.5m 두께로 분포하며, GL-30.0～-31.0m 이하에서 풍화암이 나타났다. 또한 풍화토 상단 GL-24.
- (a)). 시공방법에 따른 지지력 차이를 분석하기 위해 동일 심도, 동일 에너지 작용시 지지력의 크기를 산정해 본 결과 중굴공법에 의해 시공한 말뚝과 항타시공한 말뚝의 지지력에는 거의 차이가 없는 것으로 나타나 중굴공법으로 시공시 주면마찰력에 충분히 발휘되고 있는 것을 확인하였다(그림4.(b)).
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2.2 허용지지력 산정
정재하시험 결과 반복하중을 통하여 12,000kN 재하시 전체 침하량은 24.2mm 발생하였으며, 하중 제거 시 잔류침하량은 2.1mm, 탄성회복량은 22.2mm로 측정되었다
. 항복-극한하중분석법 및 Davisson 분석법에 의해 허용지지력을 분석한 결과 최대 작용하중을 항복하중으로 평가할 수 있으며, 안전율 2. - 정재하시험 및 동재하시험 비교 결과 지지층 심도가 동일한(GL-38.0m) Pile-4의 동재하시험과 Pile-3의 정재하 시험결과 하중에 따른 침하곡선의 경향이 비교적 유사한 것을 알 수 있으며, 지지력 값의 크기는 정재하 시험에서 구한 지지력이 다소 큰 것을 알 수 있다. 동재하시험의 경우 시간경과에 따른 setup효과를 고려하지 않았기 때문이며 setup 효과를 고려한다면 정재하시험 지지력 크기와 거의 유사한 결과를 나타낼 것이라 판단된다.
- 2mm로 측정되었다. 항복-극한하중분석법 및 Davisson 분석법에 의해 허용지지력을 분석한 결과 최대 작용하중을 항복하중으로 평가할 수 있으며, 안전율 2.0을 적용하였을 경우 허용지지력은 6,000kN 이상인 것으로 나타났다.
- 항복-극한하중분석법 및 Davisson' Method를 이용한 허용지지력 산정 결과 안전율 2.0을 적용하였을 경우 허용지지력은 6,000kN 이상인 것으로 나타났다.
후속연구
- 대구경 PHC말뚝과 대구경 복합말뚝의 적용성을 시공성 및 경제성을 중심으로 강관말뚝과 비교하였으며, 비교 결과 수평력이 크게 작용하지 않는 구조물의 경우 대구경 PHC말뚝이 동일한 직경의 강관말뚝을 대체할 수 있을 것이라 사료되며 가격 경쟁력에서 46% 정도 재료비 절감이 가능한 것으로 나타났다. 또한 수평력이 크게 작용하는 구조물의 경우 큰 전단력 및 모멘트에 대한 저항력이 우수한 대구경 복합말뚝을 적용한다면 동일한 직경의 강관말뚝 또는 소구경 현장타설말뚝을 대체할 수 있을 것이며, 현장 여건에 따라 공기 단축 및 원가절감 효과를 증대시킬 수 있을 것이라 판단된다.
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