1. 서 론

일반적으로 매입말뚝은 항타말뚝과 달리 오거 등과 같은 천공장비를 이용해서 설계심도까지 지반을 천공한 후 PHC파일과 같은 기성파일을 굴착공에 삽입해서 말뚝을 시공하므로 항타말뚝보다 더 단단한 지층까지 관입된다. 그러나 구조물기초설계기준(KGS, 2009)에서 제시하는 식 (1)의 항타말뚝과 매입말뚝에 대한 선단지지력 산정식에서 볼 수 있듯이 말뚝의 선단지지층이 동일하더라도 항타말뚝에 비해 매입말뚝의 선단지지력이 약 17% 작게 되고, 항타말뚝은 N치가 50이상인 풍화토에 지지되고 매입말뚝은 풍화암에 근입될 때 비로소 두 말뚝의 선단지지력은 동일해진다.

항타말뚝의경우(단,N≤50) (1a)

매입말뚝의경우(단,풍화암에서N=60) (1b)

여기서 은 굴착공 저면 위치에서 측정된 표준관입시험(SPT)의 N치이고, 는 말뚝의 폐합 선단면적이다.

이처럼 동일한 조건에서 매입말뚝의 선단지지력이 항타말뚝보다 작게 산정되는 것은 매입말뚝의 시공을 위해 굴착공을 천공하는 과정에서 굴착공 하부에 슬라임이 형성되고 동시에 굴착공 하부 지반의 강도저하가 발생하는데서 그 원인을 찾을 수 있다. 즉, Fig. 1과 같이 항타말뚝은 PHC파일이 지반에 관입되면서 파일의 체적만큼 주변 흙을 외부로 밀어내서 주변지반을 다지는 반면, 매입말뚝은 굴착공을 천공할 때 굴착공 저면에 강도가 매우 작은 슬라임이 형성되고, 토사의 배토에 따른 응력이완으로 인해 굴착공 하부 지반이 느슨지는 현상이 발생한다(Jardine, 1988). 이런 상황에서 매입말뚝의 시공을 위해 굴착공에 PHC파일을 삽입하고 경타를 가해도 경타에너지에 비해 PHC파일의 선단에 작용하는 관입저항이 매우 커서 PHC파일이 굴착공 저면의 슬라임과 그 하부의 강도저하영역을 관통하지 못하고 다져진 슬라임 위에 놓인 상태로 시공이 종료되므로 매입말뚝은 원지반 지지층의 강도에 비해 상당히 작은 수준의 선단지지력을 발휘하게 된다.

이상에서 언급한 바와 같이 지지층의 강도에 비해 매입말뚝의 선단지지력이 상대적으로 작은 문제를 해결하기 위해 Paik and Yang(2013)은 PHC파일 선단에 파일 본체와 직경이 동일하고 길이가 짧은 강관을 부착해서 경타에 의한 파일의 관입성을 극대화한 강관 부착 PHC파일을 개발하였다. 그리고 현장 말뚝재하시험을 통해 기존 PHC파일보다 강관 부착 PHC파일을 사용했을 때 풍화암에 근입된 매입말뚝의 선단지지력이 훨씬 커지는 것을 확인하였다. 그러나 강관 부착 PHC파일을 건설현장에 효과적으로 적용하기 위해서는 강관 부착 PHC파일로 시공된 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 특성을 정량적으로 규명하고 동시에 선단지지력을 정확하게 산정할 수 있는 설계기준을 정립하는 것이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 다양한 조건에서 PHC파일로 시공된 기존 매입말뚝과 강관 부착 PHC파일로 시공된 강관 부착 매입말뚝에 대해 말뚝재하시험을 수행함으로써 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 특성을 조사하고, 정재하시험 결과에 근거해서 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력을 정량화할 수 있는 지지력 산정식을 제안하였다. 그리고 강관 부착 매입말뚝에 대한 정재하 및 동재하시험 결과를 기존 및 새로 제안한 지지력 산정식의 결과와 비교함으로써 제안한 선단지지력 산정식의 정확도를 검증하고 동시에 강관 부착 매입말뚝에 대한 기존 지지력 산정식의 적용성도 확인하였다.

2. 강관 부착 매입말뚝 공법의 개요

강관 부착 매입말뚝은 기존 PHC파일의 선단에 짧은 길이의 강관을 부착한 강관 부착 PHC파일을 사용해서 시공한 매입말뚝으로, PHC파일을 사용하는 기존 매입말뚝보다 지반조건에 따라 선단지지력이 44∼60% 이상 향상되는 특징이 있다(Paik and Yang 2013). 강관 부착 매입말뚝에 사용되는 강관 부착 PHC파일은 Fig. 2와 같이 기존 PHC파일의 선단에 직경이 동일하고 길이가 짧은 선단강관을 볼트를 사용해서 결합시키고, PHC파일의 선단을 막고 있는 철재 단판에 파일 직경의 1/3 이상 되는 크기로 원형의 구멍을 타공해서 기존 PHC파일보다 경타 관입성을 대폭 향상시킨 것이다. 그 결과 강관 부착 PHC파일로 매입말뚝을 시공하면 경타에 의해 선단강관이 굴착공 저면의 슬라임과 그 하부의 이완된 지지층을 관통해서 강도가 큰 원지반 지지층에 관입되므로 아래 보이는 말뚝의 선단지지력 산정식에서 지반의 내부마찰각에 의해 크기가 결정되는 지지력계수 가 커지게 되어 매입말뚝의 선단지지력이 증가하게 된다.

 (2)

여기서 는 말뚝의 선단지지력이고, 는 단위 면적당 선단지지력, 는 말뚝의 폐합 선단면적, 는 말뚝 선단에 작용하는 유효연직응력이다.

한편 Carranza-Torres and Fairhurst(1999)는 암반에 구형의 공동(spherical cavity)을 천공했을 때 주변지반의 응력이완영역을 해석적으로 계산하였는데, 이들의 연구결과에 따르면 풍화암에 굴착공을 천공했을 때 굴착공 저면으로부터 굴착공 직경의 0.15∼0.2배의 깊이까지 응력이완이 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 굴착공 저면에 형성되는 슬라임의 두께와 그 아래에 위치하는 응력이완영역의 두께를 고려해서 강관 부착 PHC파일의 선단에 파일 직경의 0.67∼1.0배 길이의 강관을 부착하였다. 그리고 굴착공에 강관 부착 PHC파일을 삽입한 후 경타를 가할 때 파일에 부력이 발생하는 것을 방지하고 굴착공 저면의 시멘트밀크와 교반된 슬라임이 파일 중공부로 원활하게 배출되어 파일이 보다 손쉽게 원지반 지지층에 관입될 수 있도록 PHC파일 선단에 큰 크기의 구멍을 천공하였다.

강관 부착 매입말뚝을 시공하기 위해서는 먼저 오거나 에어해머(일명 T4)와 같은 천공장비를 이용해서 소정의 깊이까지 굴착공을 천공하고, 시멘트밀크를 굴착공 저면의 슬라임과 교반하면서 주입한 후 선단강관이 부착된 PHC파일을 굴착공에 삽입하고 경타를 가한다. 파일을 경타하는 동안 시멘트밀크와 교반된 슬라임과 이완된 지지층 및 원지반 지지층의 토사가 선단강관 내부로 유입되는데, 이중 선단강관으로 가장 먼저 유입되는 슬라임의 대부분은 PHC파일 선단의 단판에 천공된 구멍을 통해 파일 중공부로 유출되고 슬라임 일부와 이완된 지지층 및 원지반 지지층의 토사가 선단강관에 잔류하면서 관내토가 형성된다. 그 결과 Fig. 3과 같이 시멘트밀크가 경화되기 이전에는 강관 부착 PHC파일의 선단강관 단부에만 큰 크기의 선단지지력이 발현된다. 그러나 시멘트밀크가 경화되면 선단강관에 의한 구속효과로 인해 관내토의 강도가 커지게 되고, 강도가 더욱 커진 관내토에 의해 선단강관이 완전폐색(fully plugging)상태로 전환되면서 선단강관의 단부 뿐 아니라 관내토에서도 비교적 큰 크기의 선단지지력이 발현된다(Paik and Salgado, 2003).

3. 매입말뚝에 대한 현장 말뚝재하시험

3.1 시험방법

강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 특성을 조사하고 선단지지력 산정식의 도출을 위한 데이터베이스의 구축을 위해 지반조건이 다른 총 7개 현장에서 말뚝 직경을 달리하면서 시험말뚝을 시공하였다. 그중 5개 현장에서는 시험말뚝에 대해 정재하시험을 실시하였고, 정재하시험이 수행된 1개 현장을 포함해 총 3개 현장에서는 동재하시험을 통해 매입말뚝의 지지력을 평가하였다. 특히 정재하시험이 수행된 5개 현장 중 현장 A∼D에서는 기존 매입말뚝과 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 비교를 위해 두 종류의 매입말뚝을 2.5∼3m의 거리를 두고 동일한 조건으로 시공하였다.

매입말뚝의 선단지지력은 동일한 조건으로 시공된 말뚝에 압축 및 인발하중이 작용할 때 말뚝에 발생하는 주면마찰력이 동일하다는 가정 하에 Fig. 4와 같이 압축재하시험의 결과에서 인발재하시험의 결과를 공제하는 방법으로 결정하거나, 시멘트밀크의 경화 이전과 이후에 수행한 초기동재하(E.O.I.D)시험과 재항타(Re-strike)시험을 통해 결정하였다. 그리고 정재하시험이 진행되는 동안 말뚝이 충분히 침하된 경우에는 말뚝 두부의 침하량이 말뚝 직경의 10%에 도달했을 때를 극한상태로 간주하는 Eurocode 7(CEN, 2004)의 파괴기준을 적용해서 말뚝의 극한지지력을 결정하였고, 침하가 충분하지 않은 경우에는 Davisson의 파괴기준을 적용해서 극한지지력을 결정하였다.  

3.2 정재하시험 결과

현장 A는 지표면으로부터 매립층, 풍화토, 풍화암으로 구성된 지층구조를 갖고 있다. SPT-N치가 50/8인 풍화암까지 굴착공을 천공한 후 시멘트밀크를 주입하지 않은 상태에서 직경이 500mm인 PHC파일과 강관 부착 PHC파일을 굴착공에 삽입하고 경타를 가해서 시험말뚝을 시공하고, 말뚝 시공 후 5일이 결과했을 때 반력앵커를 사용해서 압축재하시험을 수행하였다. 이때 시험말뚝 주면에 시멘트밀크가 충전되지 않아 주면마찰력이 거의 발현되지 않았기 때문에 압축재하시험에서 측정된 지지력을 선단지지력으로 간주하였다. 압축재하시험의 결과에 Eurocode 7(CEN, 2004)의 파괴기준을 적용한 결과 Table 1과 같이 기존 매입말뚝과 강관 부착 매입말뚝의 극한선단지지력이 각각 2,428kN과 3,641kN으로 측정되었다. 보다 자세한 지반조건과 말뚝 시공조건, 재하시험 결과는 Paik and Yang(2013)의 연구결과를 참고하기 바란다.

현장 B는 지반이 매립층, 실트질 모래, 풍화토, 풍화암으로 구성된 곳으로, SPT-N치가 50/8인 풍화암 상단과 50/4인 풍화암 근입 4m 깊이에 직경이 600mm인 매입말뚝을 각각 3본씩(기존 매입말뚝 2본과 강관 부착 매입말뚝 1본)을 시공하였다. 두 종류의 매입말뚝 1본씩에 대해서는 압축재하시험을 수행하고 나머지 기존 매입말뚝 1본에 대해서는 인발재하시험을 수행해서 두 재하시험 결과의 차이로부터 선단지지력을 산정하였으며, 재하시험 결과에 Davisson(1972)의 파괴기준을 적용해서 매입말뚝의 극한지지력을 결정하였다. 그 결과 Table 1과 같이 SPT-N치가 50/8인 풍화암에 선단이 안착된 기존 및 강관 부착 매입말뚝의 극한선단지지력은 각각 4,210kN과 6,051kN으로, 그리고 SPT-N치가 50/4인 풍화암에 선단이 안착된 기존 및 강관 부착 매입말뚝의 극한선단지지력은 각각 7,525kN과 12,009kN으로 측정되었다. 보다 자세한 지반조건과 말뚝 시공조건, 재하시험 결과는 Paik and Yang(2013)의 연구결과를 참고하기 바란다.

현장 C는 지반이 Fig. 5(a)와 같이 지표면으로부터 매립층과 풍화토, 풍화암으로 이루어진 곳으로, SPT-N치가 50/6인 9m 깊이까지 굴착공을 천공한 후 직경이 500mm인 기존 PHC파일 2본과 선단에 파일 직경의 1배와 1.5배 길이의 강관이 부착된 강관 부착 PHC파일 2본을 사용해서 총 4본의 매입말뚝을 시공하였다. 굴착공을 개량 T4로 천공함으로써 굴착공 저면에 형성된 슬라임과 시멘트밀크를 교반하지 못한 상태에서 굴착공에 파일을 삽입한 후 파일 주면부에만 시멘트밀크를 주입하였다. 각 매입말뚝에 대한 정재하시험 결과를 나타낸 Fig. 5(b)에서 보듯이 재하시험이 진행되는 동안 강관 부착 매입말뚝의 침하량이 충분하지 않아 Davisson(1972)의 파괴기준을 적용해서 말뚝의 극한지지력을 결정하였다. 그 결과 Table 1과 같이 기존 매입말뚝의 극한선단지지력은 2,801kN이고 선단강관 길이가 파일 직경의 1배와 1.5배인 강관 부착 매입말뚝의 극한선단지지력은 각각 4,382kN과 5,529kN으로, PHC파일을 사용할 때보다 강관 부착 PHC파일을 사용함으로써 매입말뚝의 선단지지력이 각각 1.56배와 1.97배 증가하는 것으로 나타났다.

현장 D는 Fig. 6(a)에서 보듯이 상부로부터 풍화토와 풍화암, 연암으로 구성된 지반조건을 가진 곳으로, 오거를 사용해서 SPT-N치가 50/3인 7.0m 깊이까지 굴착공을 천공한 후 직경이 400mm인 PHC파일과 강관 부착 PHC파일을 삽입하고 경타를 가하는 방법으로 총 2본의 매입말뚝을 시공하였다. 매입말뚝 시공 후 10일이 경과했을 때 반력앵커을 이용해서 압축재하시험을 수행하였고 반력말뚝의 저항력 부족으로 인해 Fig. 6(b)와 같이 시험말뚝의 침하량이 20mm 미만인 상태에서 시험이 종료되었다. 따라서 재하시험 결과에 Davisson(1972)의 파괴기준을 적용해서 말뚝의 극한전체지지력을 결정하고, 구조물기초설계기준(KGS, 2009)에 제시된 식 (3)을 이용해서 극한주면마찰력을 계산한 후 극한전체지지력과 극한주면마찰력의 차이를 극한선단지지력으로 간주하였다.

 (3)

여기서 은 말뚝 주면과 접하는 지반의 SPT-N치이고, 는 지반과 접하는 말뚝의 주면부 면적이다. 그 결과 Table 1에서 보듯이 SPT-N치가 50/3인 풍화암에 근입된 기존 매입말뚝과 강관 부착 매입말뚝의 극한전체지지력은 각각 4,004kN과 6,445kN이고 식 (3)으로부터 계산된 극한주면마찰력이 각각 505kN과 443kN이었기 때문에 극한선단지지력은 각각 3,499kN과 6,002kN으로 결정되었다. 참고로 강관 부착 매입말뚝의 주면마찰력은 선단강관 상부에 위치하는 PHC파일의 주면부에 작용하는 마찰력만을 의미하며, 굴착공의 깊이가 동일할 때 선단강관으로 인해 PHC파일보다 강관 부착 PHC파일의 PHC파일 부분 관입길이가 작기 때문에 기존 매입말뚝보다 강관 부착 매입말뚝의 주면마찰력이 작게 산정된 것이다.

현장 E는 Fig. 7(a)에서 보듯이 8m 두께의 풍화토 하부에 풍화암이 존재하는 지반조건을 가진 곳으로, 지표면으로부터 5m를 절토하였기에 지하수위는 현지표면보다 위쪽에 위치하였다. 풍화암의 강도와 말뚝 직경에 따른 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 변화를 조사하기 위하여 직경이 500mm와 600mm인 강관 부착 매입말뚝이 SPT-N치가 50/8과 50/6, 50/4인 풍화암에 근입된 상태로 4본이 시공되었고, 매입말뚝의 마찰력 측정을 위해 500mm와 600mm 직경의 기존 매입말뚝 3본이 SPT-N치가 50/8과 50/4인 풍화암에 근입된 상태로 시공되었다. 말뚝 시공 후 7일이 경과했을 때 강관 부착 매입말뚝과 기존 매입말뚝에 대해 각각 압축 및 인발재하시험을 수행하였고, 재하시험에서 측정된 Fig. 7(b)와 (c)의 결과에 Davisson(1972)의 파괴기준을 적용해서 극한전체지지력과 극한주면마찰력을 결정한 후 이들 지지력의 차이를 극한선단지지력으로 간주하였다. 이때 SPT-N치가 50/6인 풍화암에 관입된 강관 부착 매입말뚝의 극한주면마찰력은 SPT-N치가 50/8과 50/4에 관입된 기존 매입말뚝의 극한주면마찰력을 사용해서 보간법으로 추정하였다. 그 결과 Table 1에서 보듯이 SPT-N치가 50/8과 50/6, 50/4인 풍화암에 근입된 직경 500mm 강관 부착 매입말뚝의 극한선단지지력은 각각 5,204kN과 5,684kN, 5,826kN이었고, SPT-N치가 50/4에 근입된 직경 600mm 강관 부착 매입말뚝의 극한선단지지력은 9,176kN으로 측정되었다.

3.3 동재하시험 결과

Table 2는 강관 부착 매입말뚝에 대해 동재하시험이 수행된 3개 현장의 말뚝조건과 동재하시험 종류, 재하시험 결과를 정리한 것이다. 현장 E에서는 말뚝이 근입된 풍화암의 강도와 선단강관의 길이를 변경하면서 매입말뚝을 시공하였고, 현장 F와 G에서는 말뚝 직경을 달리해서 매입말뚝을 시공하였다. 동재하시험은 초기동재하(E.O.I.D)와 재동재하(Re-strike)가 모두 수행되었고, 재동재하시험을 수행할 때에는 선단지지력을 최대한 발현시키기 위해 해머의 낙하고를 가능한 최대로 하여 타격에너지가 선단까지 충분히 전달되도록 하였다. 강관 부착 매입말뚝에 대한 동재하시험 결과 직경 500mm와 600mm인 말뚝의 허용선단지지력은 말뚝이 근입된 지지층의 강도에 따라 달라지지만 각각 1,700∼2,100kN과 1,800∼2,700kN의 범위에 있는 것으로 나타났다.

4. 현장 말뚝재하시험 결과와 분석

Fig. 8은 Table 1의 현장 A∼D에서 정재하시험을 통해 측정된 PHC파일로 시공된 기존 매입말뚝과 강관 부착 PHC파일로 시공된 강관 부착 매입말뚝의 극한선단지지력을 비교한 것이다. 그림과 표에서 보듯이 매입말뚝 시공 시 굴착공 저면에 형성되는 슬라임과 시멘트밀크의 교반 유무와 관계없이 매입말뚝의 선단이 SPT-N치가 50/8∼50/3인 풍화암에 근입된 경우 강관 부착 매입말뚝은 기존 PHC파일보다 매입말뚝의 선단지지력을 44∼72% 향상시켰고, 선단에 부착된 강관 길이가 파일 직경의 1.5배인 경우에는 선단지지력을 최대 97%까지 향상시키는 것으로 나타났다. 그리고 기존 매입말뚝 대비 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 증가율을 말뚝이 근입된 풍화암의 강도가 크고 선단강관의 길이가 길수록 커지는 경향을 보였다.

Fig. 9는 지지층의 강도에 따른 강관 부착 매입말뚝의 극한선단지지력 변화를 조사하기 위해 직경 400∼600mm의 강관 부착 PHC파일을 SPT-N치가 50/8∼50/3인 풍화암에 근입시켜서 시공한 총 10본의 강관 부착 매입말뚝에 대해 정재하시험을 수행해서 측정한 단위 면적당 극한선단지지력을 굴착공 저면 위치에서 측정된 값에 대해 나타낸 것이다(Table 1 참고). 여기서 은 굴착공 저면 위치에서 수행한 표준관입시험에서 해머로 샘플러를 50회 타격했을 때 cm 단위의 샘플러 관입깊이이며, 참고로 풍화암에서 SPT-N치는 50/으로 표기된다. 그리고 일부 현장에서 굴착공 저면에 형성되는 슬라임과 시멘트밀크를 교반하지 않고 매입말뚝을 시공하는 점을 고려해서 슬라임과 시멘트밀크를 교반한 경우는 물론 교반하지 않은 경우에 대해서도 값에 따른 단위 면적당 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력을 변화를 조사하였다. 그림에서 보듯이 값이 작을수록, 즉 굴착공 저면의 풍화암 강도가 클수록 강관 부착 매입말뚝의 단위 면적당 극한선단지지력이 급격히 증가하는 경향을 보였다. 이처럼 매입말뚝의 선단지지력이 지지층의 강도에 비례해서 증가하는 것은 강관 부착 PHC파일의 선단에 부착된 선단강관이 경타에 의해 굴착공 하부의 슬라임과 이완된 지지층을 관통해서 원지반 지지층에 관입되었기 때문에 말뚝의 선단지지력이 지지층의 강도에 직접적으로 영향을 받은 것으로 판단된다.

5. 선단지지력 산정식

5.1 선단지지력 산정식 제안

새로운 말뚝공법을 현장에 적용하기 위해서는 말뚝의 지지력 특성을 정량화할 수 있는 합리적인 지지력 산정식이 필요하다. 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 특성을 기존 매입말뚝에 대한 선단지지력 산정식으로 평가할 수 있는지를 알아보기 위해 구조물기초설계기준(KGS, 2009)에서 추천하는 식 (1b)의 결과와 정재하시험의 결과와 비교하였다. 그 결과 Fig. 9에서 보듯이 식 (1b)는 매입말뚝이 근입되는 풍화암의 강도(또는 값)와 무관하게 매입말뚝의 단위 면적당 극한선단지지력을 15MPa로 제시함으로써 풍화암의 강도에 따라 단위 면적당 선단지지력이 증가하는 강관 부착 매입말뚝의 지지력 특성을 전혀 반영하지 못하는 것으로 나타났다.

강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 특성을 정량화할 수 있는 지지력 산정식을 제안하기 위해 선단이 풍화암에 근입된 강관 부착 매입말뚝에 대해 정재하시험을 수행하고, 재하시험 결과에 근거해서 경험식을 도출하였다. Fig. 10은 다양한 지반 및 파일조건에서 시공된 강관 부착 매입말뚝의 단위 면적당 극한선단지지력을 굴착공 저면 위치에서 측정된 값에 대해 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 선단이 일반적으로 SPT-N치≥50/10으로 정의되는 풍화암에 근입된 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력은 식 (4)와 같은 지수함수에 의해 보수적으로 예측될 수 있었고, 인 경우는 재하시험 결과가 1개만 존재하는 것을 고려해서 일 때 강관 부착 매입말뚝의 단위 면적당 극한선단지지력이 일정한 값을 유지하도록 하였다. 특히 식 (4)는 지지력 산정 시 풍화암의 강도와 관련이 있는 을 변수로 사용함으로써 풍화암의 강도에 따른 매입말뚝의 선단지지력 변화를 고려하였고, 뿐만 아니라 매입말뚝 시공 시 시멘트밀크와 슬라임을 교반한 경우는 물론 교반하지 않은 경우에 대해서도 말뚝의 선단지지력 거동을 비교적 정확하게 반영하는 것으로 나타났다.

그리고) (4)

여기서 은 굴착공 저면 위치에서 측정된 표준관입시험의 N치이고, 은 굴착공 저면 위치에서 수행한 표준관입시험에서 50회 타격 시 샘플러의 관입깊이(cm 단위), 는 말뚝의 폐합 선단면적이다.

5.2 제안식의 정확도 검증

강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 산정을 위해 제안된 식 (4)의 정확도를 평가하기 위해 정재하시험과 동재하시험으로부터 측정된 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력과 제안식으로부터 계산된 지지력을 비교하였다. Table 3과 Fig. 11(a)는 정재하시험에서 측정된 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력과 식 (4)로부터 계산된 선단지지력을 비교한 것으로, 제안식은 매입말뚝의 시공과정에서 굴착공 저면의 슬라임과 시멘트밀크를 교반하지 않은 경우에 대해 측정치에 매우 근접한 수준으로 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력을 예측하였다. 반면 매입말뚝의 일반적인 시공방법인 슬라임과 시멘트밀크를 교반한 경우에 대해서는 제안식이 정재하시험에서 측정된 선단지지력의 64∼92% 수준을 예측함으로써 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력을 보수적으로 평가하는 것으로 나타났다.

Table 2의 7열과 8열 그리고 Fig. 11(b)는 동재하시험에서 CAPWAP 분석을 통해 결정된 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력과 식 (4)로부터 얻어진 선단지지력 계산치를 비교한 것이다. 그림에서 보듯이 시멘트밀크가 경화되어 선단강관이 완전히 폐색된 상태에서 수행된 Re-strike시험 뿐만 아니라 시멘트밀크가 경화되지 않아서 선단강관이 완전개방 또는 부분폐색된 상태에서 수행한 E.O.I.D시험에서 측정된 선단지지력 모두 식 (4)로부터 계산된 선단지지력보다 큰 것으로 나타났다. 특히 Re-strike시험에서는 일반적으로 타격에너지가 말뚝 선단까지 충분히 전달되지 않아 선단지지력이 실제보다 다소 과소평가됨에도 불구하고 식 (4)로부터 계산된 선단지지력은 Re-strike시험에서 측정된 값보다 작았다. 따라서 SPT-N치가 50/10∼50/3인 풍화암까지 굴착공을 천공하고 굴착공 저면의 슬라임과 시멘트밀크를 교반한 후 강관 부착 PHC파일을 삽입하고 경타를 가하는 방법으로 시공된 강관 부착 매입말뚝에 대해 식 (4)는 선단지지력을 보수적으로 예측하는 것으로 나타났다.

6. 결 론

본 연구에서는 강관 부착 PHC파일로 시공된 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 특성을 조사하고 말뚝재하시험 결과에 근거해서 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력을 산정할 수 있는 지지력 산정식을 제안하기 위해 지반조건이 다른 7개 현장에서 다양한 직경의 강관 부착 매입말뚝을 시공한 후 정재하 및 동재하시험을 수행하였다. 현장에서 수행된 말뚝재하시험의 결과 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1)PHC파일과 달리 강관 부착 PHC파일은 선단에 부착된 강관이 경타에 의해 굴착공 저면의 슬라임과 그 하부의 이완된 지지층 영역을 관통해서 원지반 지지층에 관입되기 때문에 파일 선단이 SPT-N치가 50/8∼50/3인 풍화암에 근입된 경우 PHC파일을 사용할 때보다 매입말뚝의 선단지지력을 44∼72% 증대시키는 것으로 나타났다.

(2)강관 부착 매입말뚝의 선단지지력은 말뚝 하부의 지지층 강도가 커짐에 따라 증가하는 경향을 보인 반면, 현재 사용하고 있는 매입말뚝에 대한 선단지지력 산정식은 지지층의 강도와 무관하게 일정한 크기의 선단지지력을 산정함으로써 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력 특성을 전혀 반영하지 못하는 것으로 나타났다.

(3)강관 부착 매입말뚝의 선단지지력은 말뚝 하부에 위치한 풍화암 지지층의 강도가 커짐에 따라 지수함수의 형태로 증가하였고, 이러한 선단지지력 특성을 고려해서 기존의 매입말뚝에 대한 선단지지력 산정식에 표준관입시험에서 50회 타격 시 샘플러의 관입량으로 정의되는 값을 변수로 하는 지반강도정수를 도입한 새로운 지지력 산정식을 제안하였다.

(4)SPT-N치가 50/10∼50/3인 풍화암에 근입된 강관 부착 매입말뚝에 대한 정재하 및 동재하시험으로부터 측정된 선단지지력과 제안된 지지력 산정식으로부터 계산된 선단지지력을 비교한 결과 새로 제안한 선단지지력 산정식은 강관 부착 매입말뚝의 선단지지력을 안전측에서 산정하는 것으로 나타났다.