[논문]이질기초의 침하량 및 각변위에 의한 안정성 평가

황의석; 송치용; 박종범; 장경준; 탁기열; 김학문

문제 정의

그 이유로는 직접기초와 파일기초가 혼용되는 이질기초의 경우에 대한 연구가 미비하여 그 적용성과 안정성이 검증되지 못하고 개략검토를 통한 이질기초의 시공이 적용되고 있는 점이 그 중요한 이유일 것이다. 따라서 이전 연구에서 직접기초와 파일기초가 혼용되는 이질기초에 대한 수치해석 연구를 통해 기초 및 지반에 대한 거동 등을 평가하여, 이질기초에 대한 적용가능성 여부 및 개략적인 거동에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서는 이질기초와 보수적인 말뚝기초의 침하량을 비교평가하고, 이질기초의 부등침하량을 각변위를 기준으로 구조물의 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 동일구조물에서 직접기초와 말뚝기초가 혼용된 이질기초와 기존의 보수적인 말뚝기초에 대한 수치해석을 실시하여 침하량을 비교 평가하였으며, 이질기초의 경우 각각의 기초와 기초하부지반에 대한 침하거동을 각변위를 통하여 구조물의 안정성을 평가하였다. 또한 파쇄대 구간에서 이질기초 적용을 검토하였다.
따라서 이전 연구에서 직접기초와 파일기초가 혼용되는 이질기초에 대한 수치해석 연구를 통해 기초 및 지반에 대한 거동 등을 평가하여, 이질기초에 대한 적용가능성 여부 및 개략적인 거동에 대하여 고찰하였다. 본 연구에서는 이질기초와 보수적인 말뚝기초의 침하량을 비교평가하고, 이질기초의 부등침하량을 각변위를 기준으로 구조물의 안정성을 평가하였다.
안정성을 검토하기 위해 전체기초, 말뚝기초, 직접기초 등 다양한 가능성에 대한 검토를 수행하였다. 대상 구조물의 안정성을 평가하기 위하여 구조물의 허용 침하량 기준(Sowers,1962) <표 3>과 Bjerrum(1963)이 제안한 각변위의 한계<그림 9> 기준을 사용하여 안정성을 평가하였다.

제안 방법

이러한 지반을 <그림 6>처럼 개략적으로 단순화시켜서 모델링하여 MIDAS 프로그램에서 요소망을 생성하였다. <그림 7> 에서 기초의 모델링은 단일 구조물기초의 경우로서 매트기초는 전체길이가 50m로 25m 지점을 중앙으로 하여 (a)처럼 이질기초의 경우에는 우측으로는 전면기초와 좌측으로는 말뚝기초를 적용하였으며, 말뚝부분의 매트두께는 1.5m, 직접 기초의 두께는 2.0m로 모델링하였다. 또한 (b)처럼 보수적인 말뚝기초의 경우에는 50m구간 전체를 말뚝으로 시공하였으며, 매트의 두께는 1.
<표 2>는 수치해석 시 기초해석에 적용한 입력 물성치이다. 각 물성치는 기존 문헌들의 통하여 선정하였으며, 이질기초에 적용한 기초의 형태로서 직접기초는 매트기초로 적용하였고, 말뚝 기초는 강관파일, PHC말뚝의 두가지 타입으로 적용하였다.
5배 이상으로 하여 군말뚝의 거동이 되지 않도록 모델링 하였다. 또한 기초의 가장 자리에서 말뚝의 중심까지의 거리를 강관말뚝과 PHC말뚝의 경우에는 직경의 1.25배의 간격으로 모델링 하였다.
본 연구에서는 동일구조물에서 직접기초와 말뚝기초가 혼용된 이질기초와 기존의 보수적인 말뚝기초에 대한 수치해석을 실시하여 침하량을 비교 평가하였으며, 이질기초의 경우 각각의 기초와 기초하부지반에 대한 침하거동을 각변위를 통하여 구조물의 안정성을 평가하였다. 또한 파쇄대 구간에서 이질기초 적용을 검토하였다. 이를 토대로 유한요소해석을 수행한 결과를 종합하면 다음과 같다.
본 연구에서는 이질기초의 지지력특성 및 침하특성을 분석하고, 그 결과를 정량적으로 해석하기 위해서 유한요소해석 프로그램인 MIDAS-GTS를 사용하여 해석을 수행하였다. MIDAS-GTS는 지반거동 및 구조물의 안정, 지반내 응력분포를 예측할 수 있으며, 주변지반의 응력분포 및 소성상태의 확인이 가능한 설계 및 연구를 위한 범용해석 프로그램이다.
중앙부에서 지층이 경사 변화하게 하였으며, 매트기초는 Beam요소로 모두 동일하게 적용하고 강관말뚝과 PHC말뚝은 Solid 요소를 적용하였다. 암반에 근입된 깊이는 각각의 말뚝 직경의 1.5~2배로 근입시키고 최소 말뚝의 길이를 5m로 제한하였으며, 각각의 말뚝간의 중심에서부터 거리를 말뚝 직경의 2.5배 이상으로 하여 군말뚝의 거동이 되지 않도록 모델링 하였다. 또한 기초의 가장 자리에서 말뚝의 중심까지의 거리를 강관말뚝과 PHC말뚝의 경우에는 직경의 1.
이러한 지반을 처럼 개략적으로 단순화시켜서 모델링하여 MIDAS 프로그램에서 요소망을 생성하였다.
5m로 동일하게 적용하였다. 중앙부에서 지층이 경사 변화하게 하였으며, 매트기초는 Beam요소로 모두 동일하게 적용하고 강관말뚝과 PHC말뚝은 Solid 요소를 적용하였다. 암반에 근입된 깊이는 각각의 말뚝 직경의 1.
해석영역에 대한 경계조건은 좌▪우 경계부를 연직방향 변위만을 허용하기 위하여 roller조건으로 하였고, 하부 경계부는 hinge로 설정하여 회전만을 허용 하였다. 프로그램 해석순서는 원지반과 말뚝을 동시에 모델링하고 응력상태를 초기상태로 안정화하였고, 그 후에 재하하중을 60ton/㎡ 으로 재하 하는 것으로 수행 하였다. <그림 5> 는 수치해석을 하고자 하는 지반의 모델링을 위한 기초 및 지반 개요도로서 (a)는 기반암 위에 직접기초를 적용하고 토사부분에는 매트기초에서부터 암반까지 말뚝기초를 적용한 이질기초의 개요도 이며, (b)는 단일 구조물에 대해 보수적으로 말뚝기초를 적용했을 때의 개요도이다.
해석대상 지반은 토사와 기반암으로 구성되며, 가정된 지반의 N치를 근거로 하여 탄성계수 및 Poisson's ratio의 값을 사용하였고, 단위 중량(γw)과 점착력(c) 그리고 내부마찰각(Φ)은 일반적으로 평가되는 토사 및 기반암에 적용하는 값을 근거로 사용하였다.
MIDAS-GTS는 지반거동 및 구조물의 안정, 지반내 응력분포를 예측할 수 있으며, 주변지반의 응력분포 및 소성상태의 확인이 가능한 설계 및 연구를 위한 범용해석 프로그램이다. 해석영역에 대한 경계조건은 좌▪우 경계부를 연직방향 변위만을 허용하기 위하여 roller조건으로 하였고, 하부 경계부는 hinge로 설정하여 회전만을 허용 하였다. 프로그램 해석순서는 원지반과 말뚝을 동시에 모델링하고 응력상태를 초기상태로 안정화하였고, 그 후에 재하하중을 60ton/㎡ 으로 재하 하는 것으로 수행 하였다.

이론/모형

대상 구조물의 안정성을 평가하기 위하여 구조물의 허용 침하량 기준(Sowers,1962) 과 Bjerrum(1963)이 제안한 각변위의 한계 기준을 사용하여 안정성을 평가하였다.

성능/효과

기초의 중앙부근에서 기존에 주로 적용되었던 보수적인 말뚝기초 적용과 말뚝과 전면기초가 접목한 이질기초를 비교해 보았을 때, 최대 침하가 일어나는 중앙부 위치에서 침하량의 차이는 강관말뚝으로 적용 시 3.0mm, PHC말뚝의 적용 시 침하량의 차이는 2.8mm로 나타났으며, 강관말뚝과 PHC말뚝으로 각각 적용 시 이질기초와 말뚝기초의 가장 큰 침하량의 차이는 강관말뚝을 적용 시 기반암의 기초구간에서 4.6mm로 나타났다. 동일한 말뚝기초를 전체적으로 적용한 보수적인 방법의 경우가 말뚝과 매트기초를 접목한 이질기초보다 침하량이 더 작게 발생하였으나 그 차이가 매우 미미하여 지반의 변화가 급격히 일어나는 경우에 보수적인 말뚝 단일기초의 적용보다 말뚝기초와 직접기초가 혼용된 이질기초를 적용함으로써 경제적인 설계와 시공성에서도 더 효율적인 방법이 될 것으로 사료된다.
이질기초의 안전성을 검토하기 위해 전체기초, 말뚝기초, 직접기초의 각각의 침하량을 가지고 <그림 10>과 같이 각변위에 의한 구조물의 안정성 검토를 수행한 결과 <표 4~5>에서와 같이 PHC말뚝+직접 기초(mat)의 경우 각각의 구간에 대하여 1/678~1/1923 의 범위로 분포하였고, 강관말뚝+직접기초(mat)는 1/1000~1/1923 범위로 부등침하의 검토결과를 확인 할 수 있다. 따라서 이질기초의 각변위에 따른 구조물의 안정성 검토는 강관말뚝+직접기초(mat)의 경우 최소 1/1923 에서 최대 PHC+직접(mat)의 양끝단 검토에서 1/678 로 첫 균열이 일어나는 각변위 한계 기준 1/300 에 대하여 모두 만족하였다. (각변위 = # < # )
또한 이질기초의 침하량을 각변위 1/300 을 기준으로 구조물의 안정성을 평가해 본 결과 1/678~1/1923 으로 모두 1/300을 만족하는 것으로 확인되어 부등침하에 의한 구조물의 안정성에 대한 영향은 적은 것으로 확인되었다. 또한 각 문헌들에 나와있는 파쇄대 구간에서의 지반자료를 종합적으로 참고하여 파쇄대 구간 전후의 이질기초의 적용성을 평가해 본 결과 암반의 파쇄대 구간에서 그라우팅등의 지반 보강등을 통해서 이질기초의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
동일한 말뚝기초를 전체적으로 적용한 보수적인 방법의 경우가 말뚝과 매트기초를 접목한 이질기초보다 침하량이 더 작게 발생하였으나 그 차이가 매우 미미하여 지반의 변화가 급격히 일어나는 경우에 보수적인 말뚝 단일기초의 적용보다 말뚝기초와 직접기초가 혼용된 이질기초를 적용함으로써 경제적인 설계와 시공성에서도 더 효율적인 방법이 될 것으로 사료된다. 또한 이질기초의 침하량을 각변위 1/300 을 기준으로 구조물의 안정성을 평가해 본 결과 1/678~1/1923 으로 모두 1/300을 만족하는 것으로 확인되어 부등침하에 의한 구조물의 안정성에 대한 영향은 적은 것으로 확인되었다. 또한 각 문헌들에 나와있는 파쇄대 구간에서의 지반자료를 종합적으로 참고하여 파쇄대 구간 전후의 이질기초의 적용성을 평가해 본 결과 암반의 파쇄대 구간에서 그라우팅등의 지반 보강등을 통해서 이질기초의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
0mm 로 큰 차이는 보이지 않았다. 보수적인 말뚝기초를 이질기초가 적용된 말뚝기초와 비교해 보았을 때 침하량이 1.3mm～3.0mm로 나타났으며, 이질기초의 매트부분과 비교 시에는 침하량의 차이가 2.0mm～4.6mm 정도 나타났다. 매트의 중앙부근에서 최대 침하량이 나타나고 기반암의 기초구간의 침하량이 토사부분보다 적게 일어나는 등 전체적인 그래프의 양상은 유사하게 나타났다.
이질기초의 안전성을 검토하기 위해 전체기초, 말뚝기초, 직접기초의 각각의 침하량을 가지고 과 같이 각변위에 의한 구조물의 안정성 검토를 수행한 결과 에서와 같이 PHC말뚝+직접 기초(mat)의 경우 각각의 구간에 대하여 1/678~1/1923 의 범위로 분포하였고, 강관말뚝+직접기초(mat)는 1/1000~1/1923 범위로 부등침하의 검토결과를 확인 할 수 있다.

후속연구

6mm로 나타났다. 동일한 말뚝기초를 전체적으로 적용한 보수적인 방법의 경우가 말뚝과 매트기초를 접목한 이질기초보다 침하량이 더 작게 발생하였으나 그 차이가 매우 미미하여 지반의 변화가 급격히 일어나는 경우에 보수적인 말뚝 단일기초의 적용보다 말뚝기초와 직접기초가 혼용된 이질기초를 적용함으로써 경제적인 설계와 시공성에서도 더 효율적인 방법이 될 것으로 사료된다. 또한 이질기초의 침하량을 각변위 1/300 을 기준으로 구조물의 안정성을 평가해 본 결과 1/678~1/1923 으로 모두 1/300을 만족하는 것으로 확인되어 부등침하에 의한 구조물의 안정성에 대한 영향은 적은 것으로 확인되었다.

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