In this thesis the model tests were performed to the horizontal pull-out characteristics of a suction pile subjected to a pull in sands. For this model tests, soil conditions ($D_r$=65), three pile diameters (D=100, 150, 200mm) and five loading points (h/L=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) were chan...
In this thesis the model tests were performed to the horizontal pull-out characteristics of a suction pile subjected to a pull in sands. For this model tests, soil conditions ($D_r$=65), three pile diameters (D=100, 150, 200mm) and five loading points (h/L=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) were changed. And the experimental results were also compared with those by the theoretical methods. The results by the experimental and theoretical analysis are as follows. The ultimate horizontal pull-out resistance by the model test increased as the loading point (h/L) moved downwards from the pile top, and the maximum value reached at the h/L=0.75. The theoretical ultimate horizontal pull-out resistance by Broms(1964) and Hong(1984) agreed well with that by the model test at h/L=0 and 0.25, but their results overestimated the experimental result at lower part of pile and the differences between the theoretical and experimental results were of great. While the horizontal loading applied at the upper part of pile, the pile moved to the horizontal direction with rotating clockwise. As the loading point moved downwards from the pile top, the rotating angle of pile was smaller.
In this thesis the model tests were performed to the horizontal pull-out characteristics of a suction pile subjected to a pull in sands. For this model tests, soil conditions ($D_r$=65), three pile diameters (D=100, 150, 200mm) and five loading points (h/L=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1) were changed. And the experimental results were also compared with those by the theoretical methods. The results by the experimental and theoretical analysis are as follows. The ultimate horizontal pull-out resistance by the model test increased as the loading point (h/L) moved downwards from the pile top, and the maximum value reached at the h/L=0.75. The theoretical ultimate horizontal pull-out resistance by Broms(1964) and Hong(1984) agreed well with that by the model test at h/L=0 and 0.25, but their results overestimated the experimental result at lower part of pile and the differences between the theoretical and experimental results were of great. While the horizontal loading applied at the upper part of pile, the pile moved to the horizontal direction with rotating clockwise. As the loading point moved downwards from the pile top, the rotating angle of pile was smaller.
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문제 정의
본 연구에서는 사질토 지반에 설치된 석션말뚝의 수평인발거동 특성에 관한 연구를 위하여 모형실험을 실시하였다. 모형실험에서는 말뚝직경과 길이, 하중작용점 등을 변화시켜 모형실험을 실시하였다.
본 연구에서는 사질토 지반에서 수평인발하중에 대한 석션파일의 거동특성을 연구하기 위하여 모형실험을 실시하였다. 모형실험에 사용된 말뚝은 아크릴로 제작하였으며, 본 연구에서 사용된 모형말뚝 길이와 직경의 비(L/D)가 일반적인 깊은기초 보다 현저히 작기 때문에, 말뚝 재질에 의한 휨강성은 무시하고 실험을 실시하였다.
일반적으로 압축력을 받는 말뚝은 수직방향으로 침하를 일으키지만, 수평하중을 받는 경우에는 하중이 작용한 방향으로 말뚝은 이동 및 회전하는 경향이 있다. 본 연구에서는 수평인발하중 작용시 말뚝의 회전뿐만 아니라 말뚝의 이동양상을 정확히 판단하기 위하여, 모형실험에서 말뚝상부 두 지점에 4개의 와이어 변위계를 연결하여 말뚝의 전체적인 이동 경로를 파악하였다.
본 연구에서는 수평인발하중을 받는 석션말뚝의 거동특성을 파악하기 위하여 실내 모형실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 모형토조의 크기는 1.
석션파일에 작용하는 하중에 대하여 하중 작용위치에 강선(Cable)을 연결하여 수중이나 수상에 있는 구조물을 지지할 수 있다. 본 연구에서는 일반말뚝에 비해 길이가 짧은 석션말뚝에 대한 실내모형실험을 실시하여, 석션말뚝의 근입깊이 비 변화와 하중작용 위치 변화 등에 따른 석션말뚝에 작용하는 수평인발하중에 대한 하중 특성 및 거동특성 분석 등에 관한 연구를 수행하였다.
가설 설정
① 짧은 말뚝, 중간 말뚝에서는 말뚝길이 전역에 걸쳐서 파괴한다.
제안 방법
50m(가로×세로×높이, 그림 7 참조)이고, 실험이 진행되는 동안 토조의 변형을 방지하기 위하여 강재와 아크릴을 사용하여 제작하였다. 또한, 모형토조의 한 쪽에는 횡방향 하중을 말뚝에 재하하기 위하여 와이어가 통과할 수 있도록 너비 5mm 정도의 틈이 있으며, 틈 주변에 얇은 부직포를 부착하여 모래의 유출을 방지하도록 모형토조를 제작하였다. 실험에 사용된 모형지반은 주문진 표준사로 조성하였으며, 모형시료의 입도분포곡선은 그림 6과 같으며, 균등계수(Cu)는 1.
62로 나타났다. 모형말뚝은 두께가 3～5mm인 아크릴로 제작하였으며(그림 8 참조), 하중재하는 석션말뚝에 와이어를 연결하여 하중을 가할 수 있도록 하였다. 수평인발하중을 받는 말뚝의 변위는 와이어 변위계와 LVDT를 이용하였으며, 모형말뚝에 작용하는 하중은 로드셀(최대하중 2kN)로 측정하였다.
본 연구에서는 사질토 지반에서 수평인발하중에 대한 석션파일의 거동특성을 연구하기 위하여 모형실험을 실시하였다. 모형실험에 사용된 말뚝은 아크릴로 제작하였으며, 본 연구에서 사용된 모형말뚝 길이와 직경의 비(L/D)가 일반적인 깊은기초 보다 현저히 작기 때문에, 말뚝 재질에 의한 휨강성은 무시하고 실험을 실시하였다. 이에 본 연구에서는 석션말뚝을 모사한 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 작은 말뚝에 대하여 말뚝직경과 말뚝길이/직경의 비(L/D)를 변화시켜 모형실험을 실시하였다.
본 연구에서는 사질토 지반에 설치된 석션말뚝의 수평인발거동 특성에 관한 연구를 위하여 모형실험을 실시하였다. 모형실험에서는 말뚝직경과 길이, 하중작용점 등을 변화시켜 모형실험을 실시하였다. 모형실험을 통하여 석션말뚝의 수평인발하중에 따른 특성에 대한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
모형실험은 수중에서 모형지반을 조성하였으며, 실험에 사용된 모형지반은 상대밀도가 동일한 지반조건에서 실험을 실시하였다. 지반의 상태를 파악하기 위하여 지반조성 전에 캔을 지반 속에 넣어 지반을 조성하였으며, 실험을 마친 후 캔을 꺼내어 지반의 단위 중량을 확인하고 상대밀도를 확인하였다.
수중에 설치된 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 매우 작은 석션파일에 대한 수평인발실험을 실시하였다. 모형지반의 상대밀도 64% 대하여 모형실험을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 모형말뚝 길이와 직경의 비(L/D)가 일반적인 깊은기초 보다 현저히 작기 때문에, 말뚝 재질에 의한 휨강성은 무시하고 실험을 실시하였다.
본 논문에서는 모형실험에 의한 하중-변위 곡선에 대하여 Davisson 방법(1972), 침하량을 기준으로 하는 Δ=0.1D 방법(1942)과 최대지지하중을 극한하중으로 하는 방법 등 세 가지 방법으로 극한 수평인발하중을 산정하였으며, 이 결과들을 이론적 해석방법인 Broms 방법(1964) 및 홍원표 방법(1984)에 의한 극한 수평인발하중과 비교하였다.
본 연구에서는 사질토 지반에서 수평인발하중에 대한 석션파일의 거동특성을 연구하기 위하여 모형실험을 실시하였다. 모형실험에 사용된 말뚝은 아크릴로 제작하였으며, 본 연구에서 사용된 모형말뚝 길이와 직경의 비(L/D)가 일반적인 깊은기초 보다 현저히 작기 때문에, 말뚝 재질에 의한 휨강성은 무시하고 실험을 실시하였다. 이에 본 연구에서는 석션말뚝을 모사한 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 작은 말뚝에 대하여 말뚝직경과 말뚝길이/직경의 비(L/D)를 변화시켜 모형실험을 실시하였다.
지반의 상태를 파악하기 위하여 지반조성 전에 캔을 지반 속에 넣어 지반을 조성하였으며, 실험을 마친 후 캔을 꺼내어 지반의 단위 중량을 확인하고 상대밀도를 확인하였다. 석션 파일의 설치 방법은 관입시 말뚝상부에 뚫린 구멍으로 물이 배출되며, 말뚝관입이 끝난 후 마개를 이용하여 구멍을 막고 실험을 실시하며, 말뚝을 설치할 때의 불안정한 지반이 안정될 때까지 일정한 시간이 경과한 후 실시하였으며, 하중재하는 모형토조의 외부에 설치된 하중재하 장치와 와이어로 석션파일에 연결하여 하중을 재하 하였다. 이때 하중재하는 2mm/min의 속도를 일정하게 유지하여 모형실험을 수행하였다.
수중에 설치된 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 매우 작은 석션파일에 대한 수평인발실험을 실시하였다. 모형지반의 상대밀도 64% 대하여 모형실험을 실시하였다.
모형말뚝은 두께가 3～5mm인 아크릴로 제작하였으며(그림 8 참조), 하중재하는 석션말뚝에 와이어를 연결하여 하중을 가할 수 있도록 하였다. 수평인발하중을 받는 말뚝의 변위는 와이어 변위계와 LVDT를 이용하였으며, 모형말뚝에 작용하는 하중은 로드셀(최대하중 2kN)로 측정하였다. 모형실험을 수행하는 동안 재하하중과 말뚝의 수평변위는 테이터 로거(TDS-602)에 자동으로 기록 저장된다.
석션 파일의 설치 방법은 관입시 말뚝상부에 뚫린 구멍으로 물이 배출되며, 말뚝관입이 끝난 후 마개를 이용하여 구멍을 막고 실험을 실시하며, 말뚝을 설치할 때의 불안정한 지반이 안정될 때까지 일정한 시간이 경과한 후 실시하였으며, 하중재하는 모형토조의 외부에 설치된 하중재하 장치와 와이어로 석션파일에 연결하여 하중을 재하 하였다. 이때 하중재하는 2mm/min의 속도를 일정하게 유지하여 모형실험을 수행하였다. 수평인발 모형실험을 위한 재하장치와 계측기 설치가 완료된 모습(실험 전)과 수평인발하중을 받아 말뚝이 이동한 모습(실험 후)이 그림 9와 그림 10에 나타나 있다.
이와 같이 말뚝이 회전 및 수평이동을 하면, 말뚝의 이동경로가 이차원적 거동을 하므로 기존의 LVDT를 이용하는 방법으로는 정확한 말뚝의 이동경로를 파악하는 것이 불가능하였다. 이에 본 연구에서는 4개의 와이어 변위계를 이용하여 모형실험시 말뚝의 변위를 측정한 다음, 이 결과를 분석하여 말뚝상부 두지점의 좌표를 계산하여 모형실험이 진행되는 동안 말뚝의 이동경로를 정확히 산정하였다. 이와 같이 산정된 결과가 그림 15에 나타나 있다.
모형실험에 사용된 말뚝은 아크릴로 제작하였으며, 본 연구에서 사용된 모형말뚝 길이와 직경의 비(L/D)가 일반적인 깊은기초 보다 현저히 작기 때문에, 말뚝 재질에 의한 휨강성은 무시하고 실험을 실시하였다. 이에 본 연구에서는 석션말뚝을 모사한 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 작은 말뚝에 대하여 말뚝직경과 말뚝길이/직경의 비(L/D)를 변화시켜 모형실험을 실시하였다.
모형실험은 수중에서 모형지반을 조성하였으며, 실험에 사용된 모형지반은 상대밀도가 동일한 지반조건에서 실험을 실시하였다. 지반의 상태를 파악하기 위하여 지반조성 전에 캔을 지반 속에 넣어 지반을 조성하였으며, 실험을 마친 후 캔을 꺼내어 지반의 단위 중량을 확인하고 상대밀도를 확인하였다. 석션 파일의 설치 방법은 관입시 말뚝상부에 뚫린 구멍으로 물이 배출되며, 말뚝관입이 끝난 후 마개를 이용하여 구멍을 막고 실험을 실시하며, 말뚝을 설치할 때의 불안정한 지반이 안정될 때까지 일정한 시간이 경과한 후 실시하였으며, 하중재하는 모형토조의 외부에 설치된 하중재하 장치와 와이어로 석션파일에 연결하여 하중을 재하 하였다.
대상 데이터
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.
또한, 모형토조의 한 쪽에는 횡방향 하중을 말뚝에 재하하기 위하여 와이어가 통과할 수 있도록 너비 5mm 정도의 틈이 있으며, 틈 주변에 얇은 부직포를 부착하여 모래의 유출을 방지하도록 모형토조를 제작하였다. 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 연구에서 사용된 모형말뚝 길이와 직경의 비(L/D)가 일반적인 깊은기초 보다 현저히 작기 때문에, 말뚝 재질에 의한 휨강성은 무시하고 실험을 실시하였다. 이에 본 연구에서는 석션말뚝을 모사한 말뚝길이/직경의 비(L/D)가 1이며 직경이 100mm, 150mm, 200mm 모형말뚝으로 실험을 실시하였다.
이론/모형
모형시료의 최대 및 최소 건조단위중량은 Bowles 방법(1978)을 이용하여 산정하였으며, 최대 건조단위중량(γdmax)은 16.37kN/m3이며, 최소건조단위중량(γdmin)은 13.43kN/m3이다.
성능/효과
1. 모형실험 결과, 사질토에 관입된 말뚝길이 및 직경과 관계없이 석션파일의 재하위치에 따른 극한 수평인발하중은 하중재하위치가 말뚝상부에서 하부로 내려 갈수록 커지며, h/L=0.75 지점에서 극한 수평인 발하중이 가장 크게 나타났고 다시 말뚝하부로 내려 갈수록 작아졌다.
2. 하중재하에 따른 석션파일의 변위양상은, 하중재하위치가 말뚝최상부인 h/L=0인 경우에 말뚝두부가 하중 재하 방향으로 가장 많이 회전하였고, 말뚝중앙부에 재하하는 경우(h/L=0.5)에는 매우 작게 회전하는 것으로 나타났다. 그리고 하중재하위치가 말뚝하부로 내려가면 말뚝두부가 하중재하 반대 방향으로 회전하지만, 그 크기는 매우 작게 나타났다.
3. 말뚝직경의 10%에 해당하는 수평변위 발생시 말뚝의 회전 각도를 나타냈다. 말뚝상단에 하중 작용시(h/L=0)에는 말뚝은 시계방향으로 약 5～7˚회전하고, 말뚝 가운데 지점에 하중 작용시(h/L=0.
75의 위치에서 최대값을 나타낸 다음, 말뚝하단에서는 약간 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 말뚝의 직경과 길이가 커질수록 최대 수평인발하중은 증가하며, 하중-변위 곡선의 기울기도 약간 커지는 것으로 나타났다.
그림 13은 각각의 하중작용위치에서 말뚝직경에 따른 극한 수평인발하중을 나타낸 그림이다. 모든 경우에서 말뚝의 직경이 증가함에 따라 극한 수평인발하중은 증가하는 것으로 나타났다.
그림 11은 말뚝길이/말뚝직경의 비(L/D)가 1인 말뚝의 수평인발하중재하 위치에 따른 하중-침하 곡선을 나타낸 그림이다. 모든 경우에서 하중이 작용하는 위치가 말뚝상부에서 하부로 내려갈수록 말뚝 직경에 관계없이 극한 수평인발하중은 증가하며, h/L=0.75의 위치에서 최대값을 나타낸 다음, 말뚝하단에서는 약간 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 말뚝의 직경과 길이가 커질수록 최대 수평인발하중은 증가하며, 하중-변위 곡선의 기울기도 약간 커지는 것으로 나타났다.
모형실험에 의한 극한 수평인발하중을 이론적 방법의 결과와 비교해 보면, L/D=1인 말뚝의 경우, 직경 100mm인 말뚝의 상부에 수평인발하중이 작용하면, 모형실험결과는 이론적 방법의 결과보다 크게 나타났다. h/L=0.
그러나, 말뚝직경이 커질수록 이론적 방법의 결과가 모형실험 결과 보다 크게 나타났다. 모형실험에 의한 극한 수평하중은 말뚝 직경과 길이에 관계없이 말뚝하부쪽으로 내려갈수록 증가하며 h/L=0.75인 위치에서 최대로 나타났다. 하중작용위치(h/L)가 h/L=0, h/L=0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해안항만구조물의 하부 기초가 가지는 특징은?
최근에는 육지뿐만 아니라 해안쪽으로 발전이 급속이 증가하는 추세이다. 해안항만구조물의 경우 육지와는 달리 바다위에 구조물이 설치되는 경우가 발생하게 되는데 이때 구조물의 하부 기초에 있어서 시공 및 공사비가 대단히 많이 소요되는 특징을 가지고 있다. 특히 수심이 깊은 곳에서의 구조물 시공 시 구조물의 하부구조인 기초의 시공이 상당히 어려우며 공사비 또한 상당히 많이 필요하게 된다.
해안항만구조물 시공시 시공이 어려우며 공사비가 많이 필요한 경우는?
해안항만구조물의 경우 육지와는 달리 바다위에 구조물이 설치되는 경우가 발생하게 되는데 이때 구조물의 하부 기초에 있어서 시공 및 공사비가 대단히 많이 소요되는 특징을 가지고 있다. 특히 수심이 깊은 곳에서의 구조물 시공 시 구조물의 하부구조인 기초의 시공이 상당히 어려우며 공사비 또한 상당히 많이 필요하게 된다. 이러한 하부구조인 기초를 석션파일로 대체한다면 시간과 공사비용이 크게 줄어들 수 있다고 본다.
해안항만구조물의 하부구조에 석션파일을 사용할 경우 장점은?
특히 수심이 깊은 곳에서의 구조물 시공 시 구조물의 하부구조인 기초의 시공이 상당히 어려우며 공사비 또한 상당히 많이 필요하게 된다. 이러한 하부구조인 기초를 석션파일로 대체한다면 시간과 공사비용이 크게 줄어들 수 있다고 본다. 또한, 기존의 해양구조물들은 시공이 실시된 이후에 잘못된 점이 발견될 경우에는 시정이 매우 곤란한 특징이 있다. 반면에 석션파일을 사용한 항만구조물의 경우에는 영구구조물일지라도 잘못된 점이 발견되면 석션파일 내부에 압력을 가하여 석션파일을 인발하여 재시공이 가능하며, 임시구조물의 경우에도 구조물을 고정시키는 석션파일의 설치 및 제거가 매우 용이하므로 신속하게 시공 및 해체가 가능하다. 따라서 앞으로 석션파일의 발전 가능성과 용도는 매우 크다고 할 수 있다.
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