[논문]선단확장형 고강도강관 매입말뚝 지지력 분석

고준영; 정상섬; 이성준; 이진형

선단확장형 고강도강관 매입말뚝 지지력 분석
Bearing Capacity Analysis of High Strength Steel Pipe Pile with an Extended Head 원문보기

고준영 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 정상섬 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 이성준 (연세대학교 사회환경시스템공학부) , 이진형 (삼성물산 건설부문 기반기술연구소(지반))

Recently, because of mega foundations and grand bridges, the foundations require significant bearing capacity. In this study, bearing capacity of high strength steel pipe pile with an extended head (HSP) is calculated on the basis of domestic criteria and Japanese criteria. And bearing capacity of HSP is investigated based on 3 field tests. In comparison with the results of analysis and tests, it is shown that the field test results are bigger than analysis results. Therefore, it is proposed to estimate bearing capacity of HSP.

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문제 정의

본 연구에서는 매입형 고강도강관말뚝(HSP Pile - High Strength Steel Pipe Pile, STKT 590)의 성능평가 및 강관말뚝의 선단부 보강형태(Type-1과 Type-2)에 따른 지지력 특성을 파악하고 이를 PHC말뚝과 비교하기 위하여 현장 재하시험을 수행하였다. 그림 1은 시험말뚝 시공 배치도를 나타낸다.
본 연구에서는 국내와 일본기준의 매입말뚝 지지력 공식을 이용하여 선단확장형 고강도강관 매입말뚝 지지력을 산정하였고 이 계산값을 3본의 현장재하시험 값과 비교하였다. 이 결과를 통하여 고강도강관 매입말뚝에 적합한 지지력 산정방법을 제안하고자 한다.

제안 방법

고강도 강관말뚝 수직허용지지력을 산정하기 위하여 동재하시험, 정재하시험을 분석하였다. 말뚝 선단부가 위치한 지반은 연암 및 풍화암 상부로, 말뚝의 허용지지력은 지반의 허용지지력보다 고강도 강관말뚝 재료의 허용응력에 지배되는 것으로 나타났다.
동재하시험에 의한 인발지지력은 양생효과가 충분히 반영되지 못한 상태에서 평가된 것으로 나타났다. 따라서 비교적 양생효과가 충분히 반영된 정재하시험(압축)으로부터 인발지지력을 평가하였다. 시험말뚝 HSP-1과 HSP-2의 허용인발지지력은 본 하중전이 분석에 의한 주면마찰력에 하중방향에 따른 마찰력 감소계수 0.
본 연구에서는 국내와 일본기준의 매입말뚝 지지력 공식을 이용하여 선단확장형 고강도강관 매입말뚝 지지력을 산정하였고 이 계산값을 3본의 현장재하시험 값과 비교하였다. 이 결과를 통하여 고강도강관 매입말뚝에 적합한 지지력 산정방법을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 국내와 일본기준의 매입말뚝 지지력 공식을 이용하여 선단확장형 고강도강관 매입말뚝 지지력을 산정하였고 이 계산값을 현장시험 값과 비교하였다. 도로교 기준을 통해 지지력을 산정한 결과 HSP-1, HSP-2 모두 시험 값보다 작게 산정되었다.
따라서 비교적 양생효과가 충분히 반영된 정재하시험(압축)으로부터 인발지지력을 평가하였다. 시험말뚝 HSP-1과 HSP-2의 허용인발지지력은 본 하중전이 분석에 의한 주면마찰력에 하중방향에 따른 마찰력 감소계수 0.8(FRF : Friction Reduction Factor, CAPWAP 매뉴얼 추천)을 적용, 극한 인발지지력을 구한 후, 이에 안전율 3.0을 적용하여 추정하였다. 위의 표 10은 시험말뚝 HSP-1과 HSP-2의 허용인발지지력을 나타낸다.
일본설계기준 매입말뚝 지지력 산정방법으로 지반공학·실무시리즈 17『말뚝기초의 조사·설계·시공부터 검사까지』(사단법인 일본지반공학회, 2004)을 적용하였다. 이는 매입말뚝의 극한선단지지력 산정식을 건축물 기초일 경우와 도로교 기초일 경우로 구분하여 제시하고 있는데 본 연구에서는 도로교 기초일 경우를 적용하였다. 극한선단지지력 산정식은 표 12와 같고, 극한주면마찰력 산정식은 표 13과 같다.
본 연구에서는 시험말뚝 HSP-1과 HSP-2에 대하여 정재하시험(압축)을 실시한 후 인발재하시험을 수행하였으며 전술한 바와 같이 시험말뚝 HSP-1과 HSP-2는 정재하시험 과정에서 극한상태에 도달함에 따라 인발재하시험으로부터 만족할 만한 결과를 얻지 못하였다. 이에 따라 인발재하시험에 앞서 실시한 동재하시험과 정재하시험결과(하중전이시험결과)를 토대로 인발지지력을 추정하였다. 동재하시험에 의한 인발지지력은 양생효과가 충분히 반영되지 못한 상태에서 평가된 것으로 나타났다.

이론/모형

국내설계기준 매입말뚝 지지력 산정방법으로 구조물 기초설계기준 해설(한국지반공학회, 2009)을 적용하였다. 매입말뚝의 지지력을 타입말뚝에 대하여 제시한 식을 이용하여 계산할 때에는 선굴착 직경, 주면고정 및 선단부 고정을 위한 시멘트풀 주입여부, 최종 타입의 정도 등에 따라 상이한 계수 m, n이 사용되고 있다.
본 연구에서는 PDA(Pile Driving Analyzer)를 사용한 동재하시험(ASTM D 4945)을 실행하였다. 여러 분석방법에 의해 판정된 시험말뚝들의 허용지지력을 표 7에 정리하였다.
본 연구에서는 반력앵커를 이용한 정적압축재하시험(ASTM D 1143)을 실행하였다. 시험말뚝의 재하시험결과 및 여러 해석방법에 의한 분석결과를 표 8에 정리하였다.
일본설계기준 매입말뚝 지지력 산정방법으로 지반공학·실무시리즈 17『말뚝기초의 조사·설계·시공부터 검사까지』(사단법인 일본지반공학회, 2004)을 적용하였다.

성능/효과

고강도 강관 시험말뚝 3개소(HSP-1, HSP-2, HSP-3)의 허용지지력은 최종시험시점에서 122ton∼166ton으로 분석되었다.
본 연구에서는 국내와 일본기준의 매입말뚝 지지력 공식을 이용하여 선단확장형 고강도강관 매입말뚝 지지력을 산정하였고 이 계산값을 현장시험 값과 비교하였다. 도로교 기준을 통해 지지력을 산정한 결과 HSP-1, HSP-2 모두 시험 값보다 작게 산정되었다. 주택공사 기준을 통해 지지력을 산정한 결과 HSP-1은 시험 값보다 크게 산정되었고, HSP-2는 시험 값보다 작게 산정되었다.
이에 따라 인발재하시험에 앞서 실시한 동재하시험과 정재하시험결과(하중전이시험결과)를 토대로 인발지지력을 추정하였다. 동재하시험에 의한 인발지지력은 양생효과가 충분히 반영되지 못한 상태에서 평가된 것으로 나타났다. 따라서 비교적 양생효과가 충분히 반영된 정재하시험(압축)으로부터 인발지지력을 평가하였다.
또한, DIN4026의 순침하량 기준(2.5%)과 Davisson방법을 포함한 국내의 항복하중 판정기준(S-log t, log P-log S, dS/d(log t)-P)을 적용한 경우 시험말뚝의 허용지지력은 각각 171ton∼209ton(HSP-1), 172ton∼229ton(HSP-2), 208ton∼250ton(PHC)으로 분석되었다.
고강도 강관말뚝 수직허용지지력을 산정하기 위하여 동재하시험, 정재하시험을 분석하였다. 말뚝 선단부가 위치한 지반은 연암 및 풍화암 상부로, 말뚝의 허용지지력은 지반의 허용지지력보다 고강도 강관말뚝 재료의 허용응력에 지배되는 것으로 나타났다. 따라서 선단보강 형태에 따른 선단 지지력의 차이가 거의 없는 것으로 나타났다(type I: (HSP-1; 2316.
도로교 기준을 통해 지지력을 산정한 결과 HSP-1, HSP-2 모두 시험 값보다 작게 산정되었다. 주택공사 기준을 통해 지지력을 산정한 결과 HSP-1은 시험 값보다 크게 산정되었고, HSP-2는 시험 값보다 작게 산정되었다. 국내와 일본 기준을 통해 계산된 매입말뚝의 지지력은 시험 값보다 작은 경향을 보이므로 고강도 강관말뚝에 적합한 지지력 산정식이 필요하다.

후속연구

재하시험 결과 대체로 암에 근입이 되어 있는 경우, 허용하중이 재료허용하중 값보다 크게 나와 허용지지력은 재료허용하중 값으로 산정되는 경우가 많았다. 고강도 강관말뚝이 암이 아닌 토층에 설치된 경우, 일반적인 축방향 지지력 설계기준을 따라 말뚝의 압축지지력을 산정하는 것이 타당하다고 판단되며 본 연구에서 사용한 말뚝의 시공 특성을 고려하여 선단이 확장된 면적을 선단지지력 산정시 사용하여야 하며 매입말뚝의 주면 및 선단 지지력 산정방법을 적용하여야한다.
반면, 국내의 경우 과거에는 말뚝이 설치되는 지반의 허용지지력은 말뚝 시공상의 한계 때문에 말뚝재료의 허용하중과 비교하여 낮은 것이 보통이었으며 이에 따라 말뚝의 축방향 허용지지력은 지반의 허용지지력에 의하여 결정되는 경우가 대부분이었다. 따라서 합리적인 설계와 시공방법 정립을 통해 말뚝재료의 허용하중에 상당하는 지반의 허용지지력을 확보하여 말뚝의 설계하중이 말뚝재료의 허용하중에 의해 결정되는 말뚝설계가 보편화되어야 할 것이다.
본 연구에서는 시험말뚝 HSP-1과 HSP-2에 대하여 정재하시험(압축)을 실시한 후 인발재하시험을 수행하였으며 전술한 바와 같이 시험말뚝 HSP-1과 HSP-2는 정재하시험 과정에서 극한상태에 도달함에 따라 인발재하시험으로부터 만족할 만한 결과를 얻지 못하였다. 이에 따라 인발재하시험에 앞서 실시한 동재하시험과 정재하시험결과(하중전이시험결과)를 토대로 인발지지력을 추정하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

최근 건축물의 기초의 큰 지지력이 요구되는 배경은?

최근 초고층 빌딩, 장대교량 등 건축, 토목 구조물의 대형화, 중량화 추세로 인하여 기초의 큰 지지력이 요구되고 있다. 이로 인해 높은 지지력을 만족할 수 있는 고강도 강관말뚝의 기술 개발이 필요한 실정이다.

건교부 제정 구조물기초설계기준에서 SPS400 강재와 SPS490 강재에 대한 기준은 어떠한가?

국내의 경우 건교부 제정 구조물기초설계기준에서는 SPS400 강재를 사용할 때는 말뚝재료의 부식을 공제한 유효 단면적 당 1400kg/cm2 , SPS490 강재는 유효단면적당 1900kg/cm2까지 설계하중을 허용할 수 있게 규정하고 있으나 STKT590에 관한 기준은 아직 없는 실정이다.

건축물 기초의 큰 지지력을 만족시킬 수 있는 기술은?

최근 초고층 빌딩, 장대교량 등 건축, 토목 구조물의 대형화, 중량화 추세로 인하여 기초의 큰 지지력이 요구되고 있다. 이로 인해 높은 지지력을 만족할 수 있는 고강도 강관말뚝의 기술 개발이 필요한 실정이다. 강관말뚝은 엄격한 품질관리가 가능한 재료를 사용하여 제조하여 말뚝재료에 대한 신뢰도가 매우 높다.

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