1. 서 론
2. 마이크로파일의 구조 및 강성
2.1 마이크로파일 구조
2.2 마이크로파일 탄성계수(EMP) 평가
2.3 마이크로파일의 현장시험
3. 마이크로파일의 현장인장시험
3.1 현장위치와 지반조건
3.2 현장별 파일의 설치조건
3.3 현장별 인장시험
4. 현장시험결과
4.1 현장별 파일의 인장하중-변위관계
4.2 마이크로파일의 탄성계수
5. 결 론
1. 서 론
수정 마이크로파일 공법(Micropile method)은 강봉과 그라우트 및 케이싱(공벽유지 목적)으로 구성된 직경 300 mm이하의 소구경 현장타설말뚝에 분류된다. 최근 이 공법은 파일체 구조개선 및 재료강성 증대 등의 연구결과를 토대로 신설 구조물의 지지, 부력과 같은 기초하부 상향저항력 확보 등의 목적으로 활용되고 있다. 또한 협소한 작업 공간 내 파일시공, 소형 파일시공 장비의 활용 및 파일 인접지반의 교란 최소화 등의 장점이 있다. 무엇보다 소형 시공장비의 안전성 측면에서 기존 중구경 파일공법 대비 공법의 활용이 증가하고 있는 추세이다.
마이크로파일 공법의 활용이 증가함에 따라 국외뿐 아니라 국내에서도 압축하중에 대한 마이크로파일의 지지특성에 대해 몇몇 연구자들이 현장시험과 모형시험 및 수치해석 등 다양한 관련 연구가 수행되고 있다(Tsukada et al., 2006; Hwang et al., 2022; Jang et al., 2024). 또한 구조물기초의 내진향상을 위한 마이크로파일의 설치방법 및 보강효과에 대한 연구도 진행되고 있다(EL Naggar and Novak, 1996; Abd Elaziz and EL Naggar, 2015; Capatti et al., 2018; Mendoza et al., 2025).
인장하중에 대한 마이크로파일의 지지특성에 관한 연구도 수행되었는데, Hong et al.(2012)는 현장시험을 통해 마이크로파일의 외주면에 토목섬유가 설치된 팩 마이크로파일(Pack micropile)을 대상으로 파일 주면의 단위마찰력을 연구하였으며, 연구결과 말뚝머리의 인발변위 증가와 함께 서서히 증가하여 한계상태의 변위에서 수렴됨을 제안하였다. Bhardwaj and Singh(2014; 2017)는 파일의 인발저항력에 대한 하중경사각의 영향을 평가하고자 하중 경사각을 달리한 모형시험과 3차원 수치해석을 수행하였으며, 인발하중의 경사각이 증가함에 따라 파일의 인발저항력이 감소하며, 유효길이는 인발하중의 경사각이 증가함에 따라 감소됨을 제안하였다.
Kyung et al.(2017)은 사항으로 설치된 그룹 마이크로파일의 인발지지력에 대해 연구하고자 파일의 설치각도를 달리한 모형시험을 실시하였으며, 시험결과를 통해 설치각도에 따라 초기 기울기가 감소하는 연성(Ductility)거동을 보이며, 설치각도 30°인 경우 파일의 극한 인발지지력이 최대임을 보였다. Lee et al.(2021)은 압축 또는 인장시 선단 확장형 마이크로파일의 지지거동 및 지지력 증대효과를 평가하였으며, 3차원 수치해석결과를 통해 파일 인장시 일반 마이크로파일의 파괴면은 지반/파일 경계면에서 형성되는 반면, 선단 확장형 파일의 파괴면은 선단 확장부 주변지반 내에서 쐐기형태의 거동특성으로 파일 인발저항력이 증가됨을 보였다.
대부분의 기존 관련연구는 압축하중에 대한 마이크로파일 또는 마이크로파일-전면기초(Micropile or micropiled raft)와 인장하중에 대한 마이크로파일의 저항력에 대한 연구결과라 할 수 있다. 지금까지의 연구결과는 강봉과 그리우트 및 케이싱인 복합재료로 구성된 마이크로파일 구조상 특정 상사율을 적용한 모형시험과 연속체로 이상화된 유한요소 등의 결과이다.
그러나 마이크로파일의 설계 및 시공에 있어서 복합재료로 구성되는 말뚝이 재료분리 없이 일체화 거동을 보이는지에 대한 논란이 지속되고 있다. 파일설계 시 말뚝강성의 산정에 있어서 경험적으로 복합재료별 단면적과 탄성계수를 고려한 복합단면을 가정하고 평가하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 현장에 시공된 말뚝에 대하여 인장시험을 실시하고 측정된 인장변형을 토대로 복합재료 말뚝의 강성을 평가하였다.
본 연구에서는 시공된 9개 말뚝에 대하여 복합단면을 가정한 강성 산정 방법과 인장시험에 의한 강성을 상호 비교·분석하였다. 또한 말뚝의 일체화 거동에 대한 평가 기준은, 인장시험 시 인장변형을 고려한 말뚝의 강성이 복합체로 가정한 강성 이상으로 나타날 경우 복합체인 마이크로파일은 일체화 거동을 보인다고 할 수 있을 것이다.
2. 마이크로파일의 구조 및 강성
2.1 마이크로파일 구조
마이크로일파일(Micropiles)은 Fig. 1과 같이 강봉과 그라우트 및 케이싱로 구성된 복합파일(Composite pile)이라 할 수 있고, 국내의 경우 파일 재료특성은 Table 1과 같다. 이들 파일재료 중 표면이 매끄러운 케이싱(Casing wall)은 천공된 지반의 붕괴방지를 위한 목적으로 설치하며, 견고한 지반에 설치되는 정착부 마이크로파일(Micropile bond length)에는 지반/그라우트의 부착효과가 최대한 발휘되도록 케이싱을 설치하지 않는다. 즉, 공벽붕괴 발생가능성이 있는 토사층에 설치된 파일은 강봉과 그라우트 및 케이싱 구조의 비정착부 마이크로파일(Cased micropile or upper micropile)이고, 견고한 지지층에 설치된 파일은 강봉과 그라우트 구조의 정착부 마이크로파일(Uncased micropile)이다. 파일재료 중 재료강성이 가장 큰 강봉의 구조는 강봉삽입 후 주입된 강봉/그라우트와의 부착효과가 최대한 발휘되도록 Fig. 2와 같이 강봉 외주면에 나사산이 형성된 것이 특징이다.
Table 1.
Material properties constituting the micropile
2.2 마이크로파일 탄성계수(EMP) 평가
FHWA(2005)는 식 (1)과 같이 파일의 구성 재료인 강봉과 케이싱의 단면적과 강성을 고려해 복합재료로 구성된 마이크로파일의 탄성계수, 를 식 (1)과 같이 제안하였다.
여기서, 강봉과 케이싱의 탄성계수 와 은 재료가 철임을 고려해 2.05×108 kPa(KGS, 2018), 그라우트의 탄성계수 는 재령 28일 그라우트 압축강도()를 고려하여 식 (2)와 같이 결정한다(FHWA, 2005). 는 마이크로파일 전체직경, , 및 는 각각 강봉과 케이싱 및 그라우트 단면적이다(국내에서 통상 적용되는 마이크로파일 전체직경, D = 150~200 mm; 강봉의 직경, = 50~75 mm).
또한 현장에 따라 마이크로파일의 본 시공 전 설계적정성에 대한 평가를 위해 현장시험을 수행하며, 현장시험결과는 실제 마이크로파일의 강성을 평가할 수 있는 자료를 제공한다. 탄성론에 근거하여 현장시험결과를 적용한 마이크로파일의 탄성계수, 는 식 (3)과 같이 평가할 수 있다. 여기서, L은 파일의 설치길이를 의미하며, 와 은 현장 인장시험의 하중-변위관계에서 선형구간에 대한 하중과 인장변위 증가량을 의미한다.
2.3 마이크로파일의 현장시험
마이크로파일의 현장시험은 연직 또는 수평재하시험을 수행하며, 시험결과를 통해 파일의 품질확보여부를 평가한다. 그리고 연직재하시험은 파일두부의 하중방향에 따라 압축과 인장시험으로 구분하며, 시험방식은 Fig. 3과 같이 정재하와 반복재하시험방식(Static and cyclic loading type)으로 구분할 수 있다. 정재하 시험방식은 Fig. 3(a)와 같이 최종 시험하중단계까지 재하한 후 최종 하중단계에서 제하과정을 수행하여 파일의 탄소성변위를 측정하는 방식이며, 반복재하 시험방식은 Fig. 3(b)와 같이 하중단계별로 재하와 제하과정(Loading and unloading process)을 반복적으로 수행하여 하중단계별로 파일의 탄소성변위를 측정하는 시험이다. 그리고 재하 또는 제하과정 중 파일의 소성변위 또는 크립(Creep)를 측정하기 위해 파일변위 수렴여부를 확인하기 위한 하중 지속시간을 1분 내외로 두는 것이 일반적이다.
3. 마이크로파일의 현장인장시험
3.1 현장위치와 지반조건
특정지역에만 현장시험이 편중되면 지반조건은 유사할 수 있어 마이크로파일 강성도 유사하게 발휘할 수 있는 문제가 있다. 따라서 지반조건에 영향을 받는 마이크로파일 강성에 대한 평가가 원활히 수행될 수 없을 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 국내 9개소 현장에 설치된 마이크로파일을 대상으로 현장인장시험을 수행하였다. Table 2는 현장시험을 수행한 현장별 지반조건을 보인 것으로, 현장별 지반조건을 크게 토사와 암반층으로 구분할 수 있다. 그리고 토사지반의 경우 SPT의 N = 2/30~50/30 인 느슨하거나 조밀한 상태의 모래지반이었으며, 암반층의 경우 N ≥ 50인 풍화암 또는 연암층이었다.
Table 2.
Ground conditions by field site
3.2 현장별 파일의 설치조건
Table 3은 현장별로 설치된 파일제원과 길이를 정리한 것이다. 표에 보인 바와 같이 현장별 토사층에 설치된 파일은 강봉과 그라우트 및 케이싱으로 구성된 비정착부 마이크로파일, 견고한 암반층에 설치된 파일은 강봉과 그라우트로 구성된 정착부 마이크로파일이었다. 모든 현장의 파일 전체직경(D)는 150 mm이었으며, 현장 1~8의 강봉직경(ds)은 50 mm이고 현장 9의 강봉직경은 65 mm이었다.
Table 3.
Installed conditions of micropile
파일의 설치길이는 지층조건과 파일두부 본당 작용력 500~800 kN/EA임을 고려하여 결정하였으며, 현장별 파일의 전체길이(LT)는 8.0~53.0 m이었다. 이때, 비정착부 마이크로파일의 길이(LC)는 4.0~48.0 m이고 정착부 마이크로파일의 길이(LUC)는 4.0~7.5 m이었다. 현장별로 마이크로파일 시공시 그라우팅은 중력식(Gravity grouting method)으로 2 회 이상(1차 주입 후 그라우투의 주입상태를 확인한 후 2 차 주입)을 수행하였으며, 이 같이 형성된 그라우트의 상태는 매우 밀실하게 시공된 상태였다.
3.3 현장별 인장시험
Table 4와 Fig. 4는 현장별 시험조건과 인장시험의 전경을 보인 것으로, 모든 현장의 인장시험은 FHWA(2005)의 시험과정을 준수하여 수행하였다. 시험하중의 크기는 설계하중의 1.2 배 이상(MLIT, 2021)임을 고려해 연구시 최종단계 시험하중 크기는 설계하중의 1.2 배 이상으로 결정하였으며, 현장별 최종단계의 시험하중 크기는 600~800 kN/EA이었다(설계하중 = 500~600 kN/EA). 그리고 시험하중의 작용위치는 마이크로파일의 강봉 두부이며, 파일변위는 Fig. 4에 보인 바와 같이 하중작용 위치인 마이크로파일 두부(지표면에 도출된 강봉의 두부)에서 디지털 다이얼 게이지 또는 LVDT를 활용하여 측정하였다.
Table 4.
Conditions of Field tension test
현장별 시험방식에 차이가 있는데 현장 1~6의 인장시험은 반복재하 시험방식으로 수행하였고, 현장 7~9의 인장시험은 정재하 시험방식으로 수행하였다. 반복재하 시험방식으로 수행하는 경우 하중단계는 총 3 단계로, 인장하중을 단계별로 증가시켜 재하 또는 제하과정을 반복적으로 수행하였다. 정재하 시험방식으로 수행하는 경우 최종단계까지 재하과정을 수행한 후 최종 시험단계에서 제하과정을 수행하였다.
4. 현장시험결과
4.1 현장별 파일의 인장하중-변위관계
Fig. 5는 현장별로 설치된 마이크로파일 대상으로 한 인장시험을 통해 조사된 파일의 인장하중()에 따른 파일의 인장변위()의 관계를 보인 것이다. 그림과 같이 모든 현장의 시험결과를 통해 조사된 재하과정의 하중-변위관계는 대체로 비선형적으로 하중증가에 따라 파일 인장변위도 증가하는 반면, 제하과정의 하중-변위관계는 대체로 선형적으로 하중감소에 따라 파일의 인장변위도 감소하는 경향을 보였다. 또한 재하과정 하중-변위관계의 기울기는 제하단계 하중-변위관계의 기울기보다 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 6은 인장하중의 증가에 따른 현장별 마이크로파일의 탄소성변위를 보인 것이다. 현장시험결과, Fig. 6(a)와 같이 현장 1인 경우 최종 하중단계( = 798 kN)의 파일 탄소성변위( and )는 각각 5.06 mm와 1.92 mm, 현장 2인 경우 최종 하중단계( = 665 kN)의 파일 탄소성변위는 각각 5.81 mm와 1.13 mm, 현장 3인 경우 최종 하중단계( = 600 kN)의 파일 탄소성변위는 각각 4.23 mm와 1.35 mm이었다.
Fig. 6(b)와 같이 현장 4인 경우 최종 하중단계( = 720 kN)의 파일 탄소성변위는 각각 12.87 mm와 2.68 mm, 현장 5인 경우 최종 하중단계( = 600 kN)의 파일 탄소성변위는 각각 5.69 mm와 2.92 mm, 현장 6인 경우 최종 하중단계( = 660 kN)의 파일 탄소성변위는 각각 6.49 mm와 1.13 mm이었다.
Fig. 6(c)와 같이 현장 7인 경우 최종 하중단계( = 665 kN)의 파일 탄소성변위는 각각 4.07 mm와 1.30 mm, 현장 8인 경우 최종 하중단계( = 680 kN)의 파일 탄소성변위는 각각 2.07 mm와 1.28 mm, 현장 9인 경우 최종 하중단계( = 800 kN)의 파일 탄소성변위는 각각 5.90 mm와 1.70 mm이었다. 그리고 모든 현장의 하중증가에 따른 마이크로파일 탄성변위, 는 대체로 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.
4.2 마이크로파일의 탄성계수
현장시험결과를 통해 확인한 마이크로파일의 인장하중-전체변위 관계는 Fig. 5에 보인 바와 같이 재하단계 하중-변위관계의 기울기가 제하단계의 기울기보다 감소하였다. 이는 재하과정의 마이크로파일 강성이 제하과정의 파일강성보다 감소함을 의미하며, 파일강성 평가시 보수적인 연구결과의 도출을 위해 재하과정의 하중-변위관계를 통해 마이크로파일의 강성을 평가함이 타당한 것으로 판단된다. 또한 Fig. 6의 연구결과를 통해 확인한 단계별 하중증가에 따른 파일의 탄소성변위는 초기하중 재하단계부터 함께 발생됨을 알 수 있다. 즉, 파일변위가 회복되지 않는 소성변위를 뺀 파일의 탄성변위 변화량과 전체변위의 변화량이 상이할 수 있다.
이를 고려해 본 연구에서는 Fig. 5의 현장별 인장하중-전체변위관계의 선형구간(Linear range, LR)에 대해 조사하였고, 이 구간의 증가 인장하중()에 대한 파일의 전체변위 변화량()과 탄성변위 변화량()을 결정하여, 식 (3)을 통해 현장시험결과를 고려한 현장별 마이크로파일의 강성을 평가하였다.
Fig. 7은 Fig. 5의 재하과정의 마이크로파일 인장하중-전체변위 선형구간만을 나타낸 것이다. 그리고 Table 5는 Fig. 9의 선형구간의 증가 하중크기에 대한 파일의 전체변위와 탄성변위의 변화량을 정리한 것이다. Table 5와 같이 증가 하중크기( = 200 kN)에 대한 파일의 전체변위 변화량은 0.80~3.65 mm, 탄성변위의 변화량은 0.70~3.50 mm이었다.
Table 5.
Change of total or elastic displacement by increasing load in the linear range
Fig. 8은 Table 5의 마이크로파일 전체변위()와 탄성변위()의 변화량을 비교한 것이며, 표와 같이 파일의 전체변위와 탄성변위의 변화량이 대체로 유사하였다. 특이한 점은 지반에 설치된 파일길이(L)는 8.0~53.0 m로 다양하나, 현장별로 발생된 파일의 전체변위와 탄성변위의 변화량이 유사하다는 점이다. 이는 Fig. 9에 보인 인장하중을 부담하는 마이크로파일의 하중전이특성과 관계되는 것으로 판단된다. 인장하중의 증가에 따라 하중작용점(마이크로파일 두부)에 근접한 상부파일에서 하부파일로 하중이 순차적으로 전이되고, 하중증가는 파일변위를 발생시킨다. 이를 고려하면 상부 파일의 특정길이 내에서 파일변위가 발생됨을 예측할 수 있다. 즉, 이 결과는 하중증가에 따른 파일변위의 증가는 파일의 특정길이(Specific pile length)에서 발생되며, 특정길이에서 발생된 마이크로파일의 거동이 탄성거동과 유사하게 발생됨을 보여주는 결과라 판단된다.
Fig. 10은 현장별 마이크로파일의 인장시험을 통해 조사된 Table 5의 증가한 인장하중의 크기에 대한 파일의 전체변위과 탄성변위의 변화량을 식 (3)에 적용하여 구한 현장시험결과의 마이크로파일 탄성계수()을 비교한 것이다. 이때, 는 파일 탄성변위 증가량을 고려한 경우 파일 탄성계수를 의미하며, 는 파일 전체변위 증가량을 고려한 경우 파일 탄성계수를 의미한다. 그리고 이론적으로 식 (1)을 통해 파일 구성재료별 단면적과 강성을 고려해 마이크로파일의 탄성계수를 산정할 수 있으므로, 는 이론적 방법을 통해 구한 마이크로파일 탄성계수를 의미한다.
Fig. 10과 같이 시험결과를 통해 조사된 파일의 전체변위 증가량 또는 탄성변위 증가량을 고려한 마이크로파일의 탄성계수, 와 는 이론적 방법을 통해 구한 파일 탄성계수, 보다 증가한 것으로 나타났다. 특히 현장 7과 8의 파일강성은 파일의 구성재료 중 재료강성이 가장 큰 철의 탄성계수를 크게 상회함을 확인하였다. 이는 특이사항으로 마이크로파일의 구조를 고려하면 시험결과가 철의 탄성계수를 초과할 수 없다. 그리고 모든 현장의 마이크로파일의 단면적은 동일한 반면, 현장별 파일 설치길이는 상이하였다. 현장 7의 경우 현장들 중 마이크로파일이 가장 길게 설치되었으나, 현장 8의 경우 현장 3과 8의 파일길이와 유사하였다. 즉, 인장하중을 부담하는 마이크로파일 자중에 의해 현장 7과 8의 파일강성이 타 현장에 보다 크게 증가되었다고 판단할 수 없다.
전술한 사항을 고려하면, 현장 7과 8의 결과가 매우 과대평가된 것은 시험시 계측오류, 기술자의 숙련도 등의 요인으로 파일변위가 작게 측정된 결과라 판단된다. 그리고 이 결과는 파일 품질확인을 위해 수행된 현장시험결과가 파일변위의 허용기준치 초과여부만을 결정하는데 활용될 것이 아니라, 파일강성의 적합성 등에 대한 평가도 요구됨을 보여주는 결과라 판단된다. 그리고 본 연구에서 마이크로파일의 강성을 평가하는 경우 철의 탄성계수를 크게 상회하는 현장 7과 8의 결과는 배제함이 타당한 것으로 판단된다.
현장 7과 8의 결과를 제외한 파일 탄성계수의 비교결과는 Fig. 11과 같다. 그림에 보인 바와 같이 파일 전체변위 변화량을 고려한 파일 탄성계수()는 파일의 탄성변위 변화량을 고려한 파일 탄성계수()보다 유사 또는 약간 과소평가되었으며, 파일재료별 단면적과 강성을 고려하여 식 (1)과 같이 이론적 방법을 통해 구한 파일 탄성계수를 상회하였다. 이 결과는 복합재료로 구성된 마이크로파일의 강성이 이론적 방법으로 구한 파일강성보다 크게 발휘되며, 그라우트가 밀실하게 채워진 마이크로파일은 지반 내에서 일체화 거동을 보여주는 결과라 판단된다.
Fig. 12는 Fig. 11의 연구결과를 통해 이론적 방법의 파일 탄성계수, 에 대한 현장시험결과의 파일 탄성계수 와 를 고려한 파일 탄성계수비 와 를 비교한 것이다. 연구결과, 현장 7과 8을 제외한 파일의 전체변위에 대한 마이크로파일 탄성계수비 는 1.06~2.11, 파일 탄성변위에 대한 파일탄성계수비 는 1.19~3.16 으로 파일의 탄성변위를 고려한 파일 탄성계수비보다 약간 크게 나타났다.
그리고 파일 탄성계수비의 분포는 현장 3의 파일 탄성계수비가 약간 과대평가된 반면, 타 현장의 파일 탄성계수비는 Fig. 12와 같이 강성비 1.0~2.0 내외에 분포하는 것으로 나타났다. 그리고 보수적 연구결과 도출을 위해 유사 분포를 보이는 파일 탄성계수비를 고려한 경우 파일 전체변위에 대한 파일 탄성계수비 는 1.06~1.69, 탄성변위에 대한 파일 탄성계수비 는 1.19~1.82 이었다. 이 연구결과는 지반에 설치된 마이크로파일은 이론적 방법을 통해 구한 파일 탄성계수보다 약 1.06~1.69 정도 증가하여 인장하중에 저항함을 보여주는 결과라 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 현재까지도 강봉, 그라우트 및 케이싱으로 구성된 마이크로파일의 강성에 대한 논란이 지속되는 문제를 해결하기 위해 국내 9개소 현장에 설치된 마이크로파일을 대상으로 인장시험을 수행하고 그 현장시험결과를 통해 확인한 연구결론은 다음과 같다.
(1) 인장하중의 증가에 따른 마이크로파일의 전체변위 변화량()은 파일의 설치길이에 관계없이 탄성변위 변화량()과 유사하였다. 이는 마이크로파일의 하중전이특성에 기인한 것으로 파일의 탄성변위가 상부파일의 특정길이에 국한하여 발생하며, 이 특정길이에서 발생된 마이크로파일의 거동은 탄성거동특성을 보인다.
(2) 파일 전체변위 변화량을 고려한 파일의 탄성계수()은 파일의 탄성변위 변화량을 고려한 파일의 탄성계수()보다 유사 또는 약간 과소평가되었고, 파일재료별 단면적과 강성을 고려한 이론적 방법을 통해 구한 파일의 탄성계수()을 상회하는 바 이를 통해 그라우트가 밀실하게 채워진 마이크로파일은 일체화된 파일거동을 보이며 인장하중에 저항하는 것으로 판단할 수 있다.
(3) 이론적 방법과 현장시험결과를 통해 구한 마이크로파일의 강성을 종합적으로 평가하기 위해 고려한 강성비 와 를 비교한 결과, 와 는 대체로 유사하였고, 마이크로파일의 탄성계수는 이론적 방법의 파일탄성계수보다 약 1.06~1.69 정도 증가되는 것을 나타났다.
본 결론은 직경 150 mm(강봉 50~65 mm)인 마이크로파일을 대상으로 본당 800 kN/EA 이하(설계하중=500~600 kN/EA)의 시험하중을 적용한 현장시험결과에 대한 것으로, 파일직경이 국한된 연구한계가 있다. 마이크로파일의 전체직경에 따라 파일의 지지력과 하중-변위관계가 상이하므로, 마이크로파일의 단면변화를 고려한 파일의 강성평가에 대한 추가 연구가 필요하다.
