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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 중구경 및 대구경 무용접 복합말뚝의 말뚝 연결부 거동특성 및 안정성 평가를 말뚝 휨시험을 통하여 분석하였고, 연결부 위치에 따른 말뚝의 거동특성을 분석하기 위해 현장 재하시험을 수행하였다. 말뚝 휨시험과 현장 재하시험을 바탕으로 말뚝 연결부 위치가 말뚝 거동특성에 미치는 영향을 분석하였으며, 복합말뚝의 현장 적용시 적절한 말뚝 연결부 위치를 제안하였다.
- 말뚝 휨재하시험은 PHC말뚝과 강관말뚝을 무용접으로 연결하는 이음부분에 파괴 휨모멘트에 상응하는 하중 재하시 발생하는 변형량 및 거동특성을 분석하고 연결부의 안전성을 평가하기 위한 시험이다. 다이얼게이지를 이용하여 말뚝 중심부 처짐량을 산정하였으며, 말뚝 연결부 내, 외부에 부착한 변형률게이지(electric resistance strain gages)를 이용하여 부위별 발생 변형률을 산정하였다.
- 본 연구에서는 중구경 및 대구경 무용접 복합말뚝의 말뚝 연결부 거동특성 및 안전성 평가를 수행하기 위해 말뚝 휨시험 및 현장 재하시험을 수행하였으며, 그 결과 다음과 같은 연구 결과를 도출할 수 있었다.
- 수평재하시험의 목적은 연결부 안정성 평가 및 연결부 위치에 따른 복합말뚝의 수평거동특성을 분석 하는 것이다. 말뚝 직경과 무용접 연결부 위치에 따라 발생하는 수평변위 및 수평지지력을 확인하기 위해 말뚝 5본에 대하여 수평재하시험을 수행하였다.
제안 방법
- 말뚝 직경과 무용접 연결부 위치에 따라 발생하는 수평변위 및 수평지지력을 확인하기 위해 말뚝 5본에 대하여 수평재하시험을 수행하였다. 5본의 시험말뚝은 중구경의 경우 상부강관말뚝 길이 비율을 20%, 30%, 45%로 증가시켜 시험을 수행하였으며, 대구경 말뚝은 상부강관말뚝 길이가 30%인 복합말뚝과 강관말뚝을 연결하지 않은 대구경 PHC말뚝을 대상으로 재하시험을 수행하였다.
- 변형율 게이지는 무용접 말뚝 연결부 내,외부 총 11곳에 부착하였으며, 하중 재하단계별로 말뚝 연결부에서 발생한 변형율 값을 계측하였다. 게이지 1번과 2번은 말뚝 연결부 내부에 부착하였으며, PHC말뚝의 압축 및 인장변형율은 게이지 3번, 6번, 7번, steel 말뚝에는 게이지 5번, 9번, 8번을 부착하였고, 게이지 4번, 8번, 11번은 말뚝 연결 측면 plate에 부착하였다.
- 말뚝 휨재하시험은 PHC말뚝과 강관말뚝을 무용접으로 연결하는 이음부분에 파괴 휨모멘트에 상응하는 하중 재하시 발생하는 변형량 및 거동특성을 분석하고 연결부의 안전성을 평가하기 위한 시험이다. 다이얼게이지를 이용하여 말뚝 중심부 처짐량을 산정하였으며, 말뚝 연결부 내, 외부에 부착한 변형률게이지(electric resistance strain gages)를 이용하여 부위별 발생 변형률을 산정하였다. 하중재하는 단계별로 6~8cycles로 구분하여 재하 및 제거과정을 반복하면서 연결부 거동특성을 분석하였다.
- 말뚝 두부 수평변위 측정은 시험말뚝 부근에 1개의 reference beam을 설치하여 말뚝 몸체에 직각으로 magnetic holder를 설치하여 2개의 다이얼 게이지로 측정하였으며, 반력말뚝에도 직각방향으로 1개의 다이얼 게이지를 설치하여 하중재하에 따른 수평 변위를 측정하였다. 또한 복합말뚝의 경우 시험말뚝 두부 수평변위 측정뿐 아니라 말뚝 선단까지 하중단계별로 수평 변위를 측정할 필요가 있으므로 사전에 경사계 관입을 위한 강봉을 말뚝 내부에 관입하고 cement milk grouting으로 말뚝과 일체화 시키는 작업을 수행하였다. 하중 재하 단계별로 무용접 복합말뚝과 일체화된 강봉에 경사계를 관입하여 상부 강관말뚝과 하부 PHC말뚝의 변위거동을 측정하며 무용접 연결부에서의 변위거동을 주의 깊게 계측하였다.
- 말뚝 두부 수평변위 측정은 시험말뚝 부근에 1개의 reference beam을 설치하여 말뚝 몸체에 직각으로 magnetic holder를 설치하여 2개의 다이얼 게이지로 측정하였으며, 반력말뚝에도 직각방향으로 1개의 다이얼 게이지를 설치하여 하중재하에 따른 수평 변위를 측정하였다. 또한 복합말뚝의 경우 시험말뚝 두부 수평변위 측정뿐 아니라 말뚝 선단까지 하중단계별로 수평 변위를 측정할 필요가 있으므로 사전에 경사계 관입을 위한 강봉을 말뚝 내부에 관입하고 cement milk grouting으로 말뚝과 일체화 시키는 작업을 수행하였다.
- 말뚝 재하시험은 중구경(직경 500mm) 복합말뚝 3본과 대구경(직경 1,000mm) 복합말뚝 2본에 대하여 상부 강관말뚝의 길이를 변화시키면서 수평재하시험을 수행하였다. 재하하중은 설계하중의 250% 또는 말뚝이 항복상태에 도달할 때까지 반복 하중을 재하하면서 시험을 수행하였다.
- 수평재하시험의 목적은 연결부 안정성 평가 및 연결부 위치에 따른 복합말뚝의 수평거동특성을 분석 하는 것이다. 말뚝 직경과 무용접 연결부 위치에 따라 발생하는 수평변위 및 수평지지력을 확인하기 위해 말뚝 5본에 대하여 수평재하시험을 수행하였다. 5본의 시험말뚝은 중구경의 경우 상부강관말뚝 길이 비율을 20%, 30%, 45%로 증가시켜 시험을 수행하였으며, 대구경 말뚝은 상부강관말뚝 길이가 30%인 복합말뚝과 강관말뚝을 연결하지 않은 대구경 PHC말뚝을 대상으로 재하시험을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 중구경 및 대구경 무용접 복합말뚝의 말뚝 연결부 거동특성 및 안정성 평가를 말뚝 휨시험을 통하여 분석하였고, 연결부 위치에 따른 말뚝의 거동특성을 분석하기 위해 현장 재하시험을 수행하였다. 말뚝 휨시험과 현장 재하시험을 바탕으로 말뚝 연결부 위치가 말뚝 거동특성에 미치는 영향을 분석하였으며, 복합말뚝의 현장 적용시 적절한 말뚝 연결부 위치를 제안하였다.
- 말뚝 휨시험은 말뚝의 변형성, 연성 및 균열특성을 측정하는 굽힘 균열시험으로 말뚝 연결부 거동특성을 분석하기 위하여 하중 단계별로 말뚝 연결부에서 발생하는 처짐량 및 변형률을 측정하였다.
- 변형율 게이지는 무용접 말뚝 연결부 내,외부 총 11곳에 부착하였으며, 하중 재하단계별로 말뚝 연결부에서 발생한 변형율 값을 계측하였다. 게이지 1번과 2번은 말뚝 연결부 내부에 부착하였으며, PHC말뚝의 압축 및 인장변형율은 게이지 3번, 6번, 7번, steel 말뚝에는 게이지 5번, 9번, 8번을 부착하였고, 게이지 4번, 8번, 11번은 말뚝 연결 측면 plate에 부착하였다.
- 중구경 복합말뚝 시공은 하부 PHC 말뚝을 유압헤머(hydraulic hammer, 70kN)를 이용하여 항타시공하였다. 일정한 깊이 관입 후 상부 강관말뚝을 무용접 기계식 방식을 이용하여 연결, 연속적으로 항타 시공을 수행하여 계획 심도까지 도달 후 최종 관입량을 확인(1mm/blow)하여 시공을 마무리하였다.
- 말뚝 재하시험은 중구경(직경 500mm) 복합말뚝 3본과 대구경(직경 1,000mm) 복합말뚝 2본에 대하여 상부 강관말뚝의 길이를 변화시키면서 수평재하시험을 수행하였다. 재하하중은 설계하중의 250% 또는 말뚝이 항복상태에 도달할 때까지 반복 하중을 재하하면서 시험을 수행하였다.
- 중구경 복합말뚝 시공은 하부 PHC 말뚝을 유압헤머(hydraulic hammer, 70kN)를 이용하여 항타시공하였다. 일정한 깊이 관입 후 상부 강관말뚝을 무용접 기계식 방식을 이용하여 연결, 연속적으로 항타 시공을 수행하여 계획 심도까지 도달 후 최종 관입량을 확인(1mm/blow)하여 시공을 마무리하였다.
- 최종 심도에 도달 후 오거 선단에 장착한 비트(bit)의 air nozzle을 통하여 고압의 공기, 물 및 시멘트를 교반, 분사하여 말뚝을 고정하였으며, 최종 경타를 수행하여 지지력을 확보하였다. 중굴공법으로 대구경 말뚝을 시공하기 위해서 상부 및 하부에 오거 장착기(120~200마력)를 부착한 DH-658항타기 및 DH-900크레인을 이용하였으며, 직경 650mm 오거는 선단부에 확경 비트를 장착하여 말뚝 내부로 관입한 오거가 말뚝 선단에서 지반을 950mm~1,050mm까지 확경할 수 있도록 특별 제작하였다.
- 중굴공법으로 대구경 복합말뚝을 시공하는 경우 하부 PHC 말뚝 내부에 오거를 관입하여 굴착시공 후, 오거를 제거하고 상부 강관말뚝을 무용접 방식으로 연결한다. 최종 심도에 도달 후 오거 선단에 장착한 비트(bit)의 air nozzle을 통하여 고압의 공기, 물 및 시멘트를 교반, 분사하여 말뚝을 고정하였으며, 최종 경타를 수행하여 지지력을 확보하였다. 중굴공법으로 대구경 말뚝을 시공하기 위해서 상부 및 하부에 오거 장착기(120~200마력)를 부착한 DH-658항타기 및 DH-900크레인을 이용하였으며, 직경 650mm 오거는 선단부에 확경 비트를 장착하여 말뚝 내부로 관입한 오거가 말뚝 선단에서 지반을 950mm~1,050mm까지 확경할 수 있도록 특별 제작하였다.
- 또한 복합말뚝의 경우 시험말뚝 두부 수평변위 측정뿐 아니라 말뚝 선단까지 하중단계별로 수평 변위를 측정할 필요가 있으므로 사전에 경사계 관입을 위한 강봉을 말뚝 내부에 관입하고 cement milk grouting으로 말뚝과 일체화 시키는 작업을 수행하였다. 하중 재하 단계별로 무용접 복합말뚝과 일체화된 강봉에 경사계를 관입하여 상부 강관말뚝과 하부 PHC말뚝의 변위거동을 측정하며 무용접 연결부에서의 변위거동을 주의 깊게 계측하였다. 말뚝 직경 및 연결부 위치를 변화시키면서 수행한 수평재하시험 수량 및 복합말뚝의 재원을 정리하면 다음 표 1과 같다.
- 다이얼게이지를 이용하여 말뚝 중심부 처짐량을 산정하였으며, 말뚝 연결부 내, 외부에 부착한 변형률게이지(electric resistance strain gages)를 이용하여 부위별 발생 변형률을 산정하였다. 하중재하는 단계별로 6~8cycles로 구분하여 재하 및 제거과정을 반복하면서 연결부 거동특성을 분석하였다.
- 말뚝 휨시험은 말뚝 생산공장에서 3점 재하 시험기를 이용하여 수행하였으며, 수평재하 시험은 연약한 점성토 지반을 대상으로 현장재하시험을 수행하였다. 현장 재하시험에 앞서 현장 지반조사 및 실내시험을 수행하여 지반특성을 분석하였다.
대상 데이터
- 51mm 발생하면서 일부 균열이 발생하였다. 8단계 490kN 작용시 변위가 40.12mm 발생하면서 PHC말뚝 연결부에서 균열이 발생하여 파괴에 이르렀다. 이는 중구경 말뚝의 균열 휨모멘트 기준(62kN)과 대구경 말뚝의 균열 휨모멘트 기준(400kN)을 만족하는 값이며, PHC 파일에 균열이 발생하기 시작하여 파괴에 이르기까지 PHC말뚝과 강관말뚝을 연결하는 무용접 연결부에서는 항복징후가 발생하지 않았다.
- 복합말뚝 연결부 안정성 및 수평거동특성을 평가하기 위해서 말뚝 휨시험 및 말뚝 수평재하시험을 수행하여야 한다. 말뚝 휨시험은 말뚝 생산공장에서 3점 재하 시험기를 이용하여 수행하였으며, 수평재하 시험은 연약한 점성토 지반을 대상으로 현장재하시험을 수행하였다. 현장 재하시험에 앞서 현장 지반조사 및 실내시험을 수행하여 지반특성을 분석하였다.
이론/모형
- 대구경 복합말뚝 시공방법으로 대구경 말뚝 내부에 오거(auger)를 관입하여 지반을 굴착함과 동시에말뚝을 관입하는 중굴공법을 사용하였다. 중굴공법으로 대구경 복합말뚝을 시공하는 경우 하부 PHC 말뚝 내부에 오거를 관입하여 굴착시공 후, 오거를 제거하고 상부 강관말뚝을 무용접 방식으로 연결한다.
성능/효과
- 그림 3.(b) 대구경 말뚝의 경우 250kN 수평하중에 대하여 상부강관말뚝 길이 비율이 30%인 복합말뚝과 상부에 강관말뚝을 연결하지 않은 대구경 PHC말뚝이 각각 15.23mm, 18.10mm의 수평변위를 나타냈으며, 일정한 수평변위 15.0mm 기준으로 작용하중을 분석한 결과 각각 220kN, 246kN의 수평 지지력을 나타내었다. 수평하중이 300kN 이상 작용할 경우, 대구경 PHC 말뚝의 변위량이 상부강관말뚝 길이 비율이 30%인 대구경 복합말뚝 변위량보다 현저하게 큰 값을 나타내고 있는데, 이는 콘크리트 말뚝이 큰 수평력에 저항하지 못하고 균열이 발생했기 때문인 것으로 나타났다.
- 1. 수평재하시험 결과, 중구경 복합말뚝 경우 100kN 수평하중에 대하여 상부강관말뚝 길이 비율이 20%, 30%, 45%인 말뚝은 각각 7.88mm, 5.3mm, 4.65mm의 수평변위를 나타났으며 일정한 수평변위 15.0mm 기준으로 작용하중을 분석한 결과 상부강관말뚝 길이 비율 20%, 30%, 45%인 말뚝이 각각 162.5kN, 185kN, 205kN의 수평 지지력을 나타내었다.
- 2. 대구경 말뚝의 경우 250kN 수평하중에 대하여 상부강관말뚝 길이 비율이 30%인 복합말뚝과 상부에 강관말뚝을 연결하지 않은 대구경 PHC말뚝이 각각 15.23mm, 18.10mm의 수평변위를 나타냈으며, 일정한 수평변위 15.0mm 기준으로 작용하중을 분석한 결과 각각 220kN, 246kN의 수평 지지력을 나타내었다.
- 3. 재하시험 결과를 바탕으로 중구경(직경 500mm) 및 대구경(직경 1,000mm) 복합말뚝의 경우 말뚝을 연결하는 무용접 말뚝 연결부의 위치가 하중 재하 위치에서 멀어질수록 말뚝에 발생하는 변위량은 감소하였으며, 일정한 심도 이하(전체 말뚝길이의 약 30~40%이하)에서는 말뚝 연결부가 말뚝 수평거동에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.
- 4. 말뚝 휨시험 결과, 무용접 말뚝 연결부에 발생하는 변형률 값을 정량적으로 산정하여 미세 균열을 발생시킨 하중단계를 산정할 수 있었으며, 이를 허용 휨모멘트 기준과 비교하여 말뚝 연결부 품질 상태를 확인 할 수 있었다.
- 5. 말뚝 휨시험을 통한 연결부 응력전달 메커니즘 확인 결과, PHC말뚝에 미세 균열이 발생한 이후, 콘크리트 말뚝 압축부에 응력이 크게 집중되는 것을 알 수 있었으며, 측면 plate 부분에 작용하는 압축 변형률을 통하여 수평하중 작용시 측면 plate 감압부가 큰 구속력을 발휘하여 말뚝연결부의 안전성을 유지하고 있음을 확인 할 수 있었다.
- PHC말뚝에 균열을 발생하기 시작한 4단계 100kN 작용시 PHC말뚝 인장변형률은 320×10-6이 발생했고, 강관말뚝 인장 변형률은 208×10-6이 발생하여 균열발생시 콘크리트 말뚝의 허용 휨응력기준(160×10-6)을 만족하였다.
- PHC말뚝에 균열을 발생하기 시작한 4단계 100kN 작용시 PHC말뚝 인장변형률은 320×10-6이 발생했고, 강관말뚝 인장 변형률은 208×10-6이 발생하여 균열발생시 콘크리트 말뚝의 허용 휨응력기준(160×10-6)을 만족하였다. PHC말뚝에 균열이 발생한 이후, 콘크리트 말뚝 압축부에 응력이 크게 집중되는 것으로 나타났으며, 측면 plate 부분에 작용하는 압축변형률을 통하여 수평하중 작용시 측면 plate 감압부가 큰 구속력을 발휘하여 말뚝 연결부의 건전성을 유지하고 있음을 알 수 있었다. 대구경 복합말뚝의 경우도 일부 균열이 발생하기 시작한 7단계 450kN 작용시 PHC말뚝 인장변형률은 210×10-6이 발생하여 휨응력기준을 만족하였고, 8단계 490kN 하중 이후 콘크리트 말뚝 압축부에 응력이 집중되어 말뚝이 파괴된 것을 확인할 수 있었다.
- 5%로 일부 과압밀 특성을 나타내는 소성상태 지반특성을 나타내고 있다. 강도시험 및 압밀시험 결과 비배수전단강도(cuu) 31.0kPa, 압축지수(Cc) 0.61, 선행압밀지수(Pc)가 96.0kPa로 나타났다.
- 대구경 복합말뚝의 경우도 일부 균열이 발생하기 시작한 7단계 450kN 작용시 PHC말뚝 인장변형률은 210×10-6이 발생하여 휨응력기준을 만족하였고, 8단계 490kN 하중 이후 콘크리트 말뚝 압축부에 응력이 집중되어 말뚝이 파괴된 것을 확인할 수 있었다.
- 무용접 말뚝 연결부 계측을 통하여 말뚝 연결부에 발생하는 변형률 값을 정량적으로 산정할 수 있었으며, 이를 통하여 미세 균열을 발생시킨 하중단계를 산정하여 허용 휨모멘트 기준과 비교할 수 있었으며, 말뚝 연결부 요소별로 발생하는 변형률 분포를 확인하여 응력전달 메커니즘을 확인할 수 있었다.
- 시험 결과 중구경 복합말뚝의 경우 3단계 하중 82.6kN 작용시 처짐이 9.46mm 발생하였고, 4단계 100kN 작용시 변위가 13.72mm 발생하면서 일부 균열이 발생하였다. 5단계 120kN 작용시 변위가 28.
- 이상의 결과를 종합해 보면 중구경(직경 500mm) 및 대구경(직경 1,000mm) 복합말뚝의 경우 상부 강관말뚝의 길이가 길어질수록 수평변위가 작게 발생하는 것을 알 수 있었다. 즉, 말뚝을 연결하는 무용접 말뚝 연결부의 위치가 하중 재하 위치에서 멀어질수록 말뚝에 발생하는 변위량은 감소하였으며, 일정한 심도 이하(전체 말뚝길이의 약 30~40%이하)에서는 말뚝 연결부가 말뚝 수평거동에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.
- 65mm의 수평변위를 나타냈다. 일정한 수평변위 15.0mm 기준으로 작용하중을 분석한 결과 상부강관말뚝 길이 비율 20%, 30%, 45%인 말뚝이 각각 162.5kN, 185kN, 205kN의 수평 지지력을 나타내었다. 그림 3.
- 중구경 및 대구경 수평재하시험 결과 무용접 말뚝 연결부의 위치에 따라 동일한 직경 및 하중에 대하여 말뚝의 수평거동이 상이하게 나타나는 것을 알 수 있었다. 그림 3.
- 이상의 결과를 종합해 보면 중구경(직경 500mm) 및 대구경(직경 1,000mm) 복합말뚝의 경우 상부 강관말뚝의 길이가 길어질수록 수평변위가 작게 발생하는 것을 알 수 있었다. 즉, 말뚝을 연결하는 무용접 말뚝 연결부의 위치가 하중 재하 위치에서 멀어질수록 말뚝에 발생하는 변위량은 감소하였으며, 일정한 심도 이하(전체 말뚝길이의 약 30~40%이하)에서는 말뚝 연결부가 말뚝 수평거동에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.
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