1. 서 론
2. 타입말뚝 연구 및 현황
3. 현장 축소모형시험
3.1 3D 프린터 제작 선단
3.2 현장 축소모형시험 준비
3.3 시험 절차
3.4 시험 결과 및 분석
4. 대변형 수치해석
4.1 3차원 유한요소 모델링
4.2 유한요소망 재구성을 통한 대변형 해석(Remeshing method)
4.3 해석 모델 검증
4.4 수치해석 결과 및 분석
5. 결론 및 토의
6. 연구 결과 적용 및 향후 연구에 관한 제언
1. 서 론
말뚝기초는 많은 사회기반시설 및 구조물 기초에 널리 사용된 공법이다. 주로 심층에 위치한 양호한 지지층에 상부 구조물의 하중을 전달시키는 것이 말뚝기초의 주된 목적이다. 그러한 이유로 최근까지도 말뚝기초에 대한 연구는 주로 지지력 측면과 침하량 제어 측면에서 이루어졌다. 하지만 최근 기초 분야의 연구는 구조적 안정성 측면 뿐 만 아니라 다양한 사회적인 요구에 부응하여 이루어지고 있는 실정이다. 가장 대표적인 예시가 높은 도시화에 따른 건설 공법의 변화이다. 현재 전세계적으로 도시화 비율이 50%를 넘어섰고(56%), 국내의 도시화 비율은 90%를 넘어섰다(한국국토정보공사, 2022). 이러한 상황에서 기존의 공법을 적용하게 되면 다양한 공해 – 소음, 진동, 분진 등 – 의 원인이 되기도 한다. 이렇듯 건설사업은 그 규모와 특성상 사회적, 경제적인 파급효과가 크기 때문에 공사 과정 중 다수의 민원이 발생 되기도 하고, 2020년에는 소음과 진동 관련 민원이 17만건에 이르렀고 그 증가율이 매년 20%에 육박하기도 하였다(Moon and Cho, 2018; 환경부, 2021).
현재 전세계적으로 가장 널리 적용되는 말뚝기초 공법은 타입말뚝(항타말뚝)으로 대상 지반에 말뚝 구조물을 타입하여 시공하는 공법이다. 이는 타입기(항타기)로 말뚝을 때려서 설치하기 때문에 시공 공정이 비교적 쉽고 간단하며, 항타에너지가 말뚝의 지지력으로 전환되기 때문에 말뚝 선단 및 주면에 따라 높은 지지력이 발현된다는 것이 타입말뚝의 가장 큰 장점이다(Gavin and Lahane, 2003). 반면에, 말뚝을 타입하여 시공하는 과정 때문에 시공 중 많은 소음과 진동이 발생하게 되어 지반 교란, 말뚝 손상, 근접 구조물에 부정적인 영향 및 주변 거주민에 공해 문제를 일으킨다는 단점이 존재하는데 이는 많은 인구가 밀집되어 있고 많은 구조물이 분포하는 도심지 건설 프로젝트에 타입말뚝을 적용하기 어려운 원인이 된다. 타입말뚝과 관련하여 발생 가능한 또 다른 문제는 시공 중 말뚝의 손상이다. 타입말뚝은 말뚝 두부에 큰 하중을 가하여 지반을 관통하면서 시공되는데, 이때 직접적으로 타격을 받는 말뚝 두부에 손상이 발생하기도 하고, 지반을 관통하면서 말뚝 선단에 높은 응력이 집중되어 손상이 발생하기도 한다(Kim and Jun, 1998; LH, 2000; Shim, 2005).
본 연구에서는, 상기에 언급된 타입말뚝의 한계점을 개선하기 위하여 다양한 선단 조건을 가진 시험말뚝을 활용한 축소 모형시험을 수행하였다. 시험말뚝의 선단부는 직경, 모서리 각도, 그리고 모양 등 다양한 선단 조건을 갖도록 3D 프린터를 이용하여 제작하였고, 이를 강관에 결합하여 시험말뚝을 준비하였다(Hodder et al., 2018; Deisman et al., 2019). 이와 더불어, 대변형 유한요소 모델링과 해석을 수행하여 타입말뚝 시공 시 1) 다양한 말뚝 조건 하의 관입성(침하량) 변화와 2) 말뚝 선단에 집중되는 최대 응력의 변화를 분석하고자 하였다. 이를 통해 말뚝 선단의 직경, 각도, 모양을 변화시킴으로써 타입말뚝의 시공성 향상과 말뚝 손상 가능성에 미치는 영향을 확인하고 향후 이를 실제 현장의 말뚝에 적용할 근거를 제안하였다.
2. 타입말뚝 연구 및 현황
말뚝기초는 구조물의 기초로써 구조물의 하중을 양호한 지지층으로 전달하는 가장 효율적인 기초형태로 소규모 주거 구조물에서부터 거대 사회기반시설물에 이르기까지 적용성이 좋다. 여러 말뚝기초 공법 중 타입말뚝은 가장 널리 활용되는 말뚝기초 공법으로 여타 말뚝기초 공법 – 매입말뚝 또는 현장타설말뚝 – 과 비교하여 상대적으로 시공 과정이 간편하고 높은 수준의 기술력이나 장비를 요구하지 않는다는 장점이 있다(Kim et al., 2020; Jeong et al., 2021). 타입말뚝은 시공 시 말뚝에 작용하는 에너지가 말뚝의 지지력으로 전환되어 Fig. 1과 같이 선단과 주면에 지지력이 발현된다. 시공되는 지반이 양호할수록 시공 시 더 높은 항타 에너지가 요구되고, 이는 높은 선단 및 주면 지지력으로 발현되어 높은 구조적인 안정성을 확보할 수 있다.
하지만 최근 건설 분야의 이슈는 단순한 구조적인 안정 또는 지지력에만 한정되어 있지 않다. 인구와 많은 건물이 밀집되어 있는 도심지 및 그 주변에 프로젝트를 진행함에 있어 근접 구조물에 미치는 영향과 주변 거주민에 대한 영향 또한 고려해야 한다. 이러한 상황에서는 소음, 진동 및 분진 문제가 제기되는 타입말뚝은 최적의 공법이 아니다.
타입말뚝의 이러한 한계점을 타개하기 위해 여러 시도 및 연구가 진행되어 왔지만, 현장에서 발현되는 타입말뚝의 지지력과 직접적으로 연관이 되어 있는 항타에너지와 연결되어 있는 소음 및 진동을 효율적으로 제어하면서 지지력을 유지하는 방법은 아직 도출되지 못한 실정이다.
타입말뚝이 마주한 또 다른 문제점은 시공 시 말뚝 선단의 손상이 발생할 수 있다는 점이다. 앞서 언급한 바와 같이, 항타에너지는 타입말뚝을 지반에 근입하는 원동력이자 타입말뚝의 선단 및 주면 지지력 발현의 근원이다. 이러한 상황에서 지반의 강성이 높은 경우 또는 말뚝의 직경이 커서 관입성이 저하되었을 경우, 항타에너지가 지반에 반사됨에 따라 말뚝 본체에 손상이 가는 사례가 현장에서 보고되고 있다(Kim and Jun, 1998; LH, 2000; Shim, 2005). 말뚝 두부의 손상은 지상에 노출되어 있어 보수 및 보강이 가능하나, 말뚝 선단에 보수 보강을 수행함에 있어서는 한계가 있고, 이는 말뚝기초의 지지력과 구조적 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 하지만 말뚝의 관입성을 높이기 위한 말뚝의 보정 또한 과도한 침하를 야기 시켜 말뚝기초 본연의 역할을 수행함에 있어 부정적인 영향을 미칠 수 있기에 한계가 있다.
3. 현장 축소모형시험
일반적으로 말뚝기초를 대상으로 수행하는 현장 시험은 그 규모와 시험말뚝이 크기 때문에 많은 연구비와 시간이 소요된다. 특히, 시험말뚝의 선단 조건이 일반적인 말뚝과는 달리 여러 직경, 각도, 모양을 갖게 제작해야 한다면 그 부담은 가중된다. 그래서 본 연구에서는 시험말뚝 선단의 다양한 직경, 각도 그리고 모양을 3D 프린터를 이용하여 제작하고, 이를 강관에 결합하여 시험말뚝을 준비한 후 현장 축소모형을 수행하였다.
3.1 3D 프린터 제작 선단
말뚝 선단의 다양한 조건에 따른 타입말뚝의 관입성(침하량) 변화는 Fig. 2에 나타난 3D 프린터를 이용하여 제작한 말뚝 선단 시편(그림에는 반단면만 명시)을 활용하여 확인하였다(Ishutov et al., 2018; Santiago et al., 2022). 위에 나타난 말뚝 선단 시편들은 직경 10cm의 강관에 결합하여 시험말뚝으로 활용되었다. 말뚝 선단 시편의 모서리 각도는 30°, 45°, 60°인 경우와 둥근 모양을 갖도록 하였고, 선단 최하단 직경 또한 0, 2, 4, 6, 8cm로 설정하여 직경에 따른 영향도 분석하였다. 마지막으로, 일반적인 말뚝 선단 모양을 가진 선단 시편(모서리 직각에 직경 10cm)도 제작하여 기준 값으로 설정하고, 모든 시험 값들을 그 값으로 나누어 상대적인 변화를 측정하도록 하였다. 선단 시편들의 강도는 현장 재하시험 도중 파손이 되지 않도록 일축압축강도 25MPa를 기준으로 제작하였다.
3.2 현장 축소모형시험 준비
현장 축소모형시험은 Fig. 3에 나타난 간편 재하대를 이용하여 수행되었다. 강관봉에 3D 프린터로 제작한 선단 시편을 결합한 후, 두부에 정하중을 재하하여 시험을 수행하였다. 말뚝 선단부의 지반은 표준관입시험 N치를 기준으로 조밀한 사질토, 풍화암, 그리고 연암 조건을 만족하는 심도를 표준관입시험을 통해 파악하였고, 그에 따라 강관봉의 길이를 달리 설정하여 시험을 수행하였다. Table 1에는 시험말뚝 선단부 지반조건과 지반조건에 따른 일반적인 표준관입시험 N치를 정리한 것이다(Kim et al., 2020).
Table 1.
SPT N-value at pile tip
| Soil type | SPT N-value |
| Dense sand | 25/30 |
| Weathered rock | 50/15 |
| Soft rock | 50/3 |
이러한 조건 하에 현장 축소모형시험은 총 61개 케이스로 수행하였다.
3.3 시험 절차
현장 축소모형시험은 직경 10cm인 시험말뚝 두부에 500kN의 정하중을 10분에 걸쳐 재하하여 다양한 선단 조건에 따른 침하량의 변화를 측정하였다. 이러한 시험 절차는 말뚝 선단 조건에 따른 상대적인 침하량을 파악한다는 목적하에, 모든 조건이 모든 시험에 동일하게 적용된다는 원칙 아래에 최대한 간편하고 신속하게 시험을 진행하기 위하여 설정되었다. 일반적인 말뚝 선단 조건과의 상대적인 침하량을 확인하기 위하여 모든 시험 결과는 일반 말뚝 선단(직각, 직경 10cm)을 강관에 결합하여 도출된 결과로 나누어 분석하였다.
3.4 시험 결과 및 분석
현장 축소모형시험 결과 말뚝 선단 조건이 변함에 따라 재하로 인한 시험말뚝의 침하량의 변화가 확연히 변하는 것을 확인할 수 있었다. 현장 축소모형시험 결과는 Fig. 4와 Table 2에 정리되어 있다.
Table 2.
Test results (%) (settlement, normalized with measurements from default pile tip)
시험 결과의 분석을 바탕으로 말뚝 선단 조건을 달리함에 따라 하중에 따른 침하량은 대부분의 경우에서 증가하는 경향을 보였다. 말뚝 선단 각도에 따라 정리를 하면 모서리의 각도가 60°인 경우 그 증가량이 가장 컸으며, 30°인 경우에 그 변화가 1% 미만으로 매우 적었다. 선단 모서리의 각도가 60°, 둥근 경우, 45° 그리고 30°인 순으로 증가의 폭이 컸는데, 평균적으로 8.3%, 3.7%, 3.1% 그리고 0.5%의 증가율을 보였다. 이는 항타 중 말뚝과 지반 사이의 마찰과 압축으로 인한 것으로, 선단부 옆 모서리의 각도가 직각(일반적인 말뚝 선단 모양)에서 30°, 45°, 둥근 경우, 60°가 됨에 따라 옆 모서리에서의 edge effect 완화가 원인인 것을 분석된다. 이는 후술할 선단 모양 변화에 따른 응력 집중 변화 양상과 관련이 있다. 선단 최하단부 직경에 따라서는 직경이 작을수록 증가율이 큰 것으로 확인되었다. 특히 선단 최하단부 직경이 0cm(뾰족한 선단)인 경우에는 그 증가폭이 상대적으로 매우 큰 것으로 나타났는데, 이러한 극단적인 선단 조건을 제외한다면 대체로 침하량의 증가폭은 10% 내외인 것으로 확인되었다.
시험 결과를 지반 조건 별로 분석하면 조밀한 사질토 조건에서 침하량의 증가율이 가장 높았고, 풍화암, 연암 순으로 나타났다. 평균적으로 조밀한 사질토, 풍화암, 연암 조건에서의 증가율은 4.9%, 4.3%, 그리고 2.5%인 것으로 나타났다.
전체적인 시험 결과를 분석해보면, 말뚝 선단의 각도, 직경 그리고 모양을 달리해도, 일부 극단적인 뾰족한 선단 조건을 제외한다면, 그 증가율이 크지 않았고, 대부분 10% 이하인 것으로 계측되어 말뚝 선단 조건에 변화를 줘도 말뚝기초로써 역할을 수행함에 있어 큰 영향은 없을 것으로 확인되었다.
4. 대변형 수치해석
말뚝 선단의 각도, 직경 그리고 모양의 변화는 타입말뚝 시공 중 선단부에 집중되는 응력의 크기와 양상에도 변화를 줄 것으로 예상되고, 이는 시공 중 말뚝 선단 손상 여부 및 손상 발생 가능 위치에 직접적인 영향을 줄 것이다. 본 연구에서는 다양한 말뚝 선단 조건에 따른 선단부 주변의 최대 응력 증감 양상과 최대 응력이 발생하는 위치를 대변형 수치해석을 통해 확인하였다.
4.1 3차원 유한요소 모델링
3차원 유한요소 모델링 과정은 본 연구에서 수행한 현장 축소모형시험을 모사하는 것을 목표로 수행하였다. 3차원 유한요소 프로그램인 ABAQUS 2019(2019)를 활용하여 모델링과 해석을 진행하였다(Jung et al., 2017; Jeong and Kim, 2018; Kim et al., 2018; Kim and Jeong, 2019; Kim et al., 2019). 유한요소를 통한 모델링은 Fig. 5와 같이 이루어졌다. 시험말뚝의 모델링은 축대칭(axisymmetric) 조건으로 모델링 되었으며, 지반은 균질한 지반으로 구성하였다. 시험말뚝은 선형-탄성(linear elastic)의 강성이 높은 재료로 설정하였으며, 지반은 모어쿨롱(Mohr-Coulomb) 모델을 기반으로 물성치를 설정하였다. 본 연구의 목적은 다양한 말뚝 조건에 따른 상대적인 침하량 또는 최대 응력 양상을 확인하는 것이기에 지반의 물성치는 문헌조사를 통한 일반적인 조밀한 사질토, 풍화암, 연암 물성치를 적용하였다(Kim, 2018; Kim et al., 2020; Kim, 2021). 시험말뚝은 현장 축소모형시험에 사용된 말뚝 선단 모양과 똑같이 모델링하여, 총 61개의 수치해석을 수행하였다.
대변형 수치해석은 시험말뚝을 총 0.5m까지 관입시키는 것을 모사하여 말뚝이 지반에 관입됨에 있어 선단부에 응력이 일정 값으로 수렴할 수 있도록 하였다(Kim, 2021).
Table 3.
Soil properties for FE numerical analysis (Kim et al., 2020; Kim, 2021)
| Type |
E (MPa) | ν | γ (kN/m3) | φ (deg.) | c (kPa) |
| Dense sand | 40 | 0.30 | 20 | 29 | 5 |
| Weathered rock | 200 | 0.30 | 21 | 32 | 50 |
| Soft rock | 6,000 | 0.24 | 25 | 35 | 1,000 |
4.2 유한요소망 재구성을 통한 대변형 해석(Remeshing method)
타입말뚝의 시공을 정확하게 모사하기 위해서는 대변형 기법의 적용이 필수적이고, 이는 기존 연구에서 CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian) 기법 등을 통해 수행되었다(Ko and Jeong, 2015; Lee et al., 2016). 본 연구에서는 일정 관입 심도에 도달하면 유한요소망(mesh)을 재구성하여 요소(element)의 과도한 변형이나 계산상의 오류를 방지하여 지반의 대변형 거동 모사를 가능하게 하는 Remeshing 기법을 기반으로 수치해석을 수행하였다. 더 나아가, 해석의 편리함과 소요 시간을 줄이기 위해 Python 언어를 통한 자동 유한요소망 재구성(Automated remeshing) 알고리즘을 Fig. 6과 같이 적용하였다(Orazalin, 2017; Orazalin and Whittle, 2018; Jeong et al., 2021; Kim, 2021). 위의 알고리즘을 적용하여 말뚝이 지반을 1cm 관입할 때마다 유한요소망을 재구성하고, 재구성된 유한요소망은 이전 유한요소망의 유관 정보(침하량, 응력, 변형률 등)를 계승하면서 총 50단계의 해석을 수행하도록 하여 총 50cm의 관입 과정을 모사하였다.
4.3 해석 모델 검증
본 연구에서 활용된 해석 모델의 검증을 위해 수치해석을 통해 도출된 결과를 현장 축소모형시험 결과와 비교함으로써 이루어졌다. Fig. 7은 해석 모델의 검증을 위해 풍화암 조건에서 수행한 모형시험과 대변형 기법을 적용한 수치해석 결과를 비교한 결과를 나타낸 것이다. 두 계측치를 비교한 결과, 자동 유한요소망 재구성 대변형 기법을 적용한 수치해석 모델이 말뚝 선단 조건이 달라짐에 따라 변화하는 말뚝의 거동을 대체로 높은 정확도로 모사하는 것으로 확인되었다.
4.4 수치해석 결과 및 분석
본 연구에서는 현장 축소모형시험 결과를 통하여 검증된 대변형 수치해석 모델을 이용하여 타입말뚝 항타 시 말뚝 선단에 집중되는 최대 응력 크기와 최대 응력이 작용하는 위치의 변화를 분석하였다. 해석 결과, 말뚝 선단 조건이 달라짐에 따라 말뚝 선단부 주변에 집중되는 최대 응력의 크기가 확연히 감소하고, 최대 응력이 작용하는 위치 또한 달라지는 것으로 확인되었다.
4.4.1 선단부 최대 응력의 크기
대변형 수치해석을 수행한 결과 타입말뚝 시공 중 선단부에 집중되는 최대 응력을 가장 효율적으로 분산시키는 선단 조건은 둥근 모양, 45°, 30°, 60° 순으로 나타났다.
둥근 모양을 가진 말뚝 선단부의 경우 최대 응력의 크기는 일반적인 모양을 가진 말뚝 선단을 이용한 해석 결과와 비교하였을 때 약 62~79%까지 감소하는 것으로 나타났다. 특히 말뚝 최하단부의 직경이 작고 지반 조건이 양호할수록(연암) 그 감소율은 큰 것으로 확인되었다. 말뚝 선단 모서리의 각도가 30°인 경우 또한 둥근 모양의 선단과 마찬가지로 항타 시 선단에 집중되는 최대 응력을 효율적으로 감소시키는 것으로 나타났다. 최대 응력의 감소는 27%~56%의 범위에 있는 것으로 분석되었다. 선단 모서리의 직경이 45°인 경우는 둥근 모양과 30°로 설정하여 해석을 수행한 결과의 중간 값 정도로 나타나는 것으로 확인되었고, 그 감소율의 범위는 평균적으로 43% 정도였다. 선단부 모서리의 각도가 60°인 경우에는 다른 조건과 비교하여 최대 응력의 감소율이 적었을 뿐 만 아니라, 선단 최하단부의 직경에 따라 그 증감 또한 달라지는 것으로 해석 결과 나타났다. 각도가 60°이면서 직경이 0cm인 경우에는 최대 응력의 집중 현상이 더 두드러져 약 2.5배로까지 커지는 것으로 결과가 계산되었다. 직경이 2cm인 경우에는 조밀한 사질토와 풍화암 조건 하에서는 최대 응력의 분산 효과는 거의 없는 것으로(2% 미만) 나타나기도 하였다. 이는 다음 부분에 상술할 최대 응력의 작용 위치의 변화와 관련이 있는 것으로 보였다.
다양한 선단 조건을 변화시키면 지반 조건이 양호한 연암에서 응력 집중 현상이 가장 효율적으로 완화되는 결과가 도출되었고, 풍화암, 조밀한 사질토 순으로 그 효과가 상대적으로 적은 것으로 나타났다. 전체적으로 선단 최하단부 직경이 0cm인 극단적인 경우를 제외하면 대부분의 경우 선단 조건을 달리하게 되면 연암 조건에서는 약 60%, 풍화암과 조밀한 사질토 조건 하에서도 최소 30% 최대 응력 감소 효과가 있는 것으로 나타났다. 이는 실제 현장에서 항타 중 말뚝 선단 손상을 줄이는데 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.
4.4.2 선단부 최대 응력의 분포 위치
해석 결과 선단 조건이 달라짐에 따라 최대 응력의 크기 뿐 만 아니라 최대 응력이 작용하는 위치 또한 달라지는 것이 확인되었다. Fig. 8은 총 61개 경우의 해석 결과 분석을 바탕으로 최대 응력이 집중되는 선단부의 위치를 나타낸 것이다. 모든 해석 결과를 분석하였을 때, 둥근 모양의 선단과 선단 모서리의 각도가 30°인 조건 그리고 일반적인 말뚝 선단 모양인 경우 모두 Fig. 8 상 1번의 위치에 최대 응력이 집중되는 모습을 보였다. 하지만 선단부 각도가 45°면서 직경이 0cm, 2cm 그리고 4cm(풍화암, 연암)인 경우에는 최대 응력이 작용하는 위치가 1번에서 선단부 최하단은 2번 위치로 바뀌는 모습이 나타났다. 선단부 모서리의 각도가 60°인 경우에는 모든 해석 케이스에서 항타시 최대 응력은 2번 위치에 집중되는 것으로 확인되었다. 이는 각도가 60°면서 최하단부 직경이 0cm인 경우 최대 응력이 오히려 2.5배 가까이 증가한 이유와 밀접한 관계가 있을 것으로 보인다. 더 나아가, 이는 말뚝 선단 조건이 달라짐에 따라 침하량의 변화가 있을 뿐 아니라, 말뚝 손상이 발생할 수 있는 위치 또한 달라질 수 있음을 알려주는 결과이기도 하다.
전체적인 해석 결과는 Fig. 9와 Table 4에 정리되어 있다.
Table 4.
Numerical results (%) (maximum stress, normalized with results from default pile tip)
*Max stress location refers to the location indicated in Fig. 7
5. 결론 및 토의
본 연구는 다양한 말뚝 선단 조건 – 직경, 각도, 모양 – 에 따른 타입말뚝의 침하량 변화를 현장 축소모형시험을 통하여 확인하였다. 다양한 말뚝 선단 조건은 3D 프린터를 활용하여 제작한 시험말뚝 선단 시편을 제작한 후 강관에 결합하여 구현하였다. 그와 더불어, 자동 유한요소망 재구성(Automated remeshing)을 통한 대변형 기법을 적용한 수치해석을 활용하여 타입말뚝 항타 시 말뚝 선단부에 집중되는 최대 응력의 변화와 작용하는 위치를 분석하였다. 이를 통해, 다양한 선단 조건의 적용이 타입말뚝의 시공성, 적용성 그리고 구조적 안정성 개선에 미치는 영향을 연구하고자 하였다. 실험적, 수치해석적 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
(1) 다양한 선단 조건을 가진 시험말뚝에 대한 축소모형시험을 수행한 결과, 일반적인 말뚝 선단 조건을 가진 시험말뚝의 침하량과 비교하여 그 침하량이 증가함을 확인할 수 있었다. 여러 선단 조건 중 모서리의 각도를 기준으로 침하량의 평균 증가율을 정리하면 60° > 둥근 모양 > 45° > 30° 순으로 큰 것으로 나타났다.
(2) 선단 조건의 변화에 의한 영향은 지반 조건이 양호할수록 상대적으로 작아서 평균 침하량 증가율은 조밀한 사질토, 풍화암, 연암 순으로 크게 나타났다.
(3) 선단부 최하단 직경의 영향을 확인하기 위한 시험도 수행하였는데, 직경과 침하량의 증가율은 반비례하는 것으로 나타났다. 특히, 직경이 0cm인 경우를 제외하면 모든 시험 결과에서 그 침하량은 약 10% 이내(대부분의 경우에는 5% 이내)로 증가하였다. 따라서 말뚝 선단 조건의 변화에 따른 타입말뚝 관입성 개선 효과는 미미한 것으로 확인되었다.
(4) 선단 조건의 변화는 타입말뚝 항타 시 선단부에 집중되는 최대 응력의 크기에도 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 최대 응력의 평균 감소율을 기준으로 둥근 모양, 45°, 30°, 60° 순으로 크게 감소하는 것으로 나타났다. 선단 모서리의 각도가 60°인 경우에는 평균 최대 응력은 오히려 증가한 것으로 나타났는데, 이는 직경이 작은 경우(0cm, 2cm)에 최대 응력이 집중되는 지점이 바뀌면서 선단 옆 모서리 부분에서 최하단부 뾰족점에 응력 집중이 심화 되어 나타난 현상인 것으로 확인되었다.
(5) 선단 조건에 따른 최대 응력 감소는 연암에서 제일 큰 것으로 나타났고, 풍화암, 조밀한 사질토 순이었다.
(6) 전체적인 시험 및 해석 결과를 분석하면, 타입말뚝의 말뚝 선단 조건(직경, 각도, 모양)이 변함에 따라 동일한 하중 하에서의 침하량과 관입성이 다소 증가하는 경향을 보이기는 하나 그 정도는 미미한 것으로 확인되었다. 반면에, 말뚝 선단에 집중되는 응력은 현저히 완화되는 것으로 분석되어 말뚝 타입말뚝 선단 손상 방지에 효과적일 것으로 보인다.
6. 연구 결과 적용 및 향후 연구에 관한 제언
본 연구에서 수행한 현장 축소모형시험과 수치해석 결과를 통해 도출된 결과는 실제 타입말뚝에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 예를 들어, 말뚝 선단 모양을 약간 보정하여 둥근 모양 또는 45° 각도로 제작을 한다면 말뚝 선단에 집중되는 최대 응력을 현저히 줄여 항타 중 말뚝 손상을 방지할 수 있을 뿐 아니라 관입성 측면에서도 다소 효과를 볼 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
하지만 이러한 효과에도 불구하고 이를 적용함에 있어 몇 가지 고려할 사항이 있다. 첫 번째는 말뚝 항타 시 추가적인 품질 및 시공관리 문제이다. 일례를 들자면, 일반적인 말뚝 선단 조건을 바탕으로 항타할 때보다 말뚝 모양을 보정하여 항타를 수행하는 중에는 수직도 관리 등을 제대로 해야 한다. 두 번째는 말뚝 선단 조건이 변함에 따라 최대 응력의 크기가 줄어 손상 가능성이 줄어들기는 하지만, 최대 응력이 작용하는 지점이 달라지는 경우 또한 고려해야 한다. 이는 말뚝 선단 각도에 직접적인 영향을 받는 요소로, 말뚝 선단 각도에 따라 침하량 변화 양상과도 밀접한 관계가 있다.
마지막으로, 본 연구 결과를 현장에 실제로 적용함에 있어 추가적으로 고려해야 하는 사항 중 가장 큰 것은 재정적인 측면일 것이다. 일반적인 말뚝의 제작은 이미 제작 시스템, 거푸집 등 생산 라인이 갖춰져 있어 상대적으로 저렴한 가격에 대량으로 생산이 가능하다. 하지만 선단 조건을 필요에 따라 다양한 모양, 각도, 직경으로 제작을 하기 위해서는 새로운 생산 라인이나 시스템의 정립이 필요할 것이다. 물론 그 활용에 따른 효과가 본 연구 결과만큼 실제 현장에서도 탁월하다는 것으로 확인이 된다면 장기적으로 다양한 선단 조건을 반영할 수 있는 제작 시스템, 생산 라인 등을 정립하는 것이 효율적이겠으나, 초기 비용이 많이 들 것이라는 사실은 분명하다. 그렇기 때문에 본 연구의 결과는 향후 추가적인 연구를 진행하여 그 실용성, 효율성과 경제적 타당성을 고려하여야 할 것이다.
