1. 서 론

아파트와 다세대 주택 등 공동주택의 신축은 1980년대 이후 주택보급을 위한 공동주택의 대량공급과 수도권 신도시 건설로 인해 지속적으로 증가하였으며, 2020년 2월 현재 전국 약 12,093 동, 10,041,732 세대가 공동주택에 거주하고 있다(MOLIT, 2020). 하지만, 이러한 공동주택들은 준공 이후 약 30여년의 시간이 흐름에 따라 노후화가 진행되는 반면에, 국민들의 생활수준 향상 및 시대 변화에 따른 주택 평면에 대한 선호가 변화함에 따라 거주환경 개선 등을 위한 리모델링에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 추세를 반영하여 국내에서도 공동주택의 리모델링 시장에 대한 활성화를 위해 노력하고 있다. 이를 위해, 2001년에 건축법상 리모델링에 대한 개념 정의를 시작으로 2003년에는 주택법 개정을 통한 리모델링 사업성 보완을 위한 제도를 개선하고, 2007년에는 리모델링 연한을 단축, 2012년에는 세대수 증가를 허용하는 등 리모델링 제도가 발전되어 왔다. 그리고, 2013년에는 국토교통부에 주택법 개정을 통해 최대 3개층까지 수직증축 리모델링을 허용하는 방침을 발표하였다. Table 1에 리모델링 제도의 연혁 및 주요 변천사를 정리하였다. 이러한 제도적 개선을 통해 공동주택의 리모델링이 가능해짐에 따라 최근에는 수직증축시 활용할 수 있는 기초보강공법에 관한 연구(Jang et al., 2019; Wang et al., 2019)나 벽체의 내진보강공법에 관한 연구(Choi and Bae, 2019)와 같이 구조적 안정성을 확보하는 연구가 수행되고 있다. 또한, 상기한 공학적 연구뿐만 아니라, 공동주택 리모델링에 대한 거주민 선호도 연구(Choi et al., 2019)나 주거만족 영향요인 분석(Kim et al., 2019)과 같이 주거환경 개선에 대한 연구나 사업성 평가 모델 개발(Koh et al., 2019), 리모델링 정책 연구(Kim and Lee, 2019) 등 인문사회학적 연구도 다양하게 진행되고 있다.

수직증축 리모델링시 상부 구조물의 구조적 안정성을 확보하기 위해서는 기초의 안정성이 우선적으로 확보되어야 한다. 기본적으로 리모델링 대상이 되는 공통주택의 경우, 약 30여년 전에 설계 및 시공, 준공이 되었다는 점에서 기초구조물에 대한 정확한 성능을 평가하기 어렵다. 기초구조물의 제원이나 배치를 확인할 수 있는 도면, 성능시험 자료 등이 확보되지 않는 경우가 많으며, 지상에 노출되어 있는 상부 구조물과 달리 지층 하부에 매립되어 있는 기초구조물의 특성상 설계 자료에 부합하게 시공되었는지, 말뚝 배치는 정확한지, 시공 당시의 지지성능이 현재에서도 발휘될 수 있는지 정확히 파악하기가 어렵다. 또한, 수직증축 리모델링시 2∼3개 층이 증축되며 추가되는 하중을 지지하기 위하여 필연적으로 기존 말뚝 이외에 보강 말뚝을 설치해야 한다. 이때, 수직증축형 리모델링 구조기준 고시(2014)에 따라, 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따라 상부 하중을 분담하여 지지한다. Fig. 1에 정리한 바와 같이, 기존의 해석방법에서는 증축 전에 기초 구조물이 받고 있던 연직 하중과 증축 후에 추가되는 증축 하중을 기존 말뚝과 신설되는 보강 말뚝이 동시에 분담하는 것으로 간주하여, 기존 말뚝의 분담하중을 과소평가하고, 보강 말뚝이 분담하는 하중을 과대평가한다는 오류가 있었다. 하지만, 국토교통부 고시 개정(국토교통부 고시 제 2014-341호, ‘수직증축형 리모델링 구조기준’)을 통해 시공단계를 고려하여 해석함으로써 기존의 연직 하중은 기존 말뚝이 부담하고, 증축하중은 기존 말뚝과 신설 말뚝이 분담하여 보다 정확한 기초 안정성 평가를 수행하도록 하였다(MOLIT, 2014). 이때 기존 말뚝과 신설 말뚝의 기초 강성에 따라 상부 하중을 분담하여 지지하는 원칙에 의거하여 해석을 수행하여야 한다. 하지만, 국내에서는 기존 기초와 보강 기초의 강성 차이에 의한 하중 분담율에 대한 연구는 미비한 수준이며, 최근 3차원 유한요소 해석을 통한 기존 말뚝 및 보강말뚝의 강성차이에 따른 하중분담율에 대한 연구가 진행된 바 있으나(Jeong et al., 2019; Kim et al., 2019), 실제 말뚝과 현장 조건을 고려한 실규모 실험에 의한 검증이 부족한 실정이다. 또한, 리모델링 대상 구조물의 기존 기초구조물은 PC 말뚝이나 PHC 말뚝을 주로 사용하였으나, 보강말뚝의 경우 일반적으로 마이크로파일을 사용한다. 이렇게 다른 종류의 말뚝은 재료 물성치와 시공 시점이 달라 하중-침하거동이 상이하기 때문에 이에 대한 연구가 필요하지만, 서로 다른 형식의 기존 기초와 보강 기초에서의 증축시 하중분담 메커니즘에 대한 연구가 부족한 실정이다(Jeong et al., 2019).

Fig. 1.

Principle of load distribution for vertical extension remodeling

따라서, 본 연구에서는 현장 재하시험을 통해 수직증축 리모델링시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중 분담 거동에 대하여 분석을 수행하고자 하였다. 서로 강성이 다른 일반 및 파형 마이크로파일을 시공하여 기존 말뚝과 보강 말뚝을 모사하고, 각각의 말뚝에 대한 재하시험을 수행하여 각 말뚝의 강성을 산정하였다. 그 후, 기존 말뚝과 보강 말뚝 두부를 연결하는 기초판을 타설하고 기초판 상부에 하중을 재하함으로써 기존말뚝 및 보강말뚝의 강성 차이에 따른 하중분담 거동을 분석하였다.

2. 강성 산정을 위한 말뚝 시공 및 재하시험

2.1 지반조건

90년대에 시공된 수직증축 리모델링의 대상이 되는 공동주택의 경우 기초 조건이 타격식 또는 SIP(Soil-cement Injected Precast Precast Pile) 방식으로 시공되었으며, 재료에 따라 PC 말뚝이 일반적으로 사용되었다(Choi et al., 2017). 유압해머로 말뚝의 두부를 가격하여 지중에 말뚝을 관입시키는 타입 말뚝의 특성상 단단한 지층에 말뚝이 깊이 관입되기는 어려우며, 말뚝 시공 당시의 해머 효율을 고려하였을 때, 대부분의 말뚝은 풍화토층을 통과하여 풍화암 상단에 관입되었을 것으로 판단된다. 일례로, 1995∼1997년 아파트 신축을 위해 수행된 SIP-PC 말뚝의 현장 압축 정재하 시험을 분석한 결과에 따르면, PC 말뚝의 길이가 5.4∼15.8m로 풍화암층 상단에 말뚝이 관입되었을 것으로 판단하였다(Choi et al., 2017).

따라서, 본 연구의 말뚝 시공 및 재하시험은 국내의 대표적인 지층구조인 풍화대층(풍화토 및 풍화암층)으로 구성된 현장에서 수행되었다. Fig. 2는 시험말뚝이 설치된 위치에서 수행된 지반조사 결과로 심도별 지층구성 및 표준관입시험을 통해 평가된 SPT N값을 보여준다. 총 18.0m 심도까지 시추조사를 수행하였으며, 상부 약 5.4m의 층후로 매립토층과 전답토층이 분포하며, 6.6m의 풍화토층 아래 풍화암층이 분포하였다. 풍화토층은 중간 심도에서 채취한 시료를 통해 확인한 결과 통일분류법에 의해 SM(실트질 모래)로 분류되어, Kwon(1998)이 정리한 국내 풍화토의 대표적인 분류(SW∼SM)와 유사하게 나타났다.

Fig. 2.

Soil profiles and SPT N variations of the test sites

Fig. 2에 나타낸 바와 같이, 풍화토 및 풍화암층의 SPT N값은 심도가 깊어짐에 따라 증가하는 경향을 보였고 이는 모암의 풍화도가 심도에 따라 감소하기 때문으로 판단된다(Lee, 1993). 또한, 풍화암층은 KGS(2018) 기준을 적용하여 SPT N값이 50/15 이하인 경우를 풍화암으로 분류하여 지층을 확인하였다.

2.2 말뚝시공

본 연구에서는 서로 다른 강성의 기존 말뚝과 보강 말뚝에서의 하중 분담 거동을 확인하고자 하였기 때문에, 강성이 서로 다른 두 종류의 말뚝을 시공하였다. 보강 말뚝은 실제 현장에서 기초보강에 자주 활용되는 파형 마이크로파일을 적용하였다. 실제 수직증축 리모델링 현장에서의 기존 말뚝은 시공 후 약 30여년 된 PC 또는 PHC 말뚝이지만, 현장 실험에서 이를 모사할 수 없기에, 보강 말뚝보다 강성이 작은 일반 마이크로파일을 적용하여 기존 말뚝을 모사하였다. Fig. 3과 Fig. 4에 일반 마이크로파일과 파형 마이크로파일의 시공순서를 정리하였다. 일반 마이크로파일은 천공 후 강봉을 삽입하고 그라우팅을 주입하여 시공을 완료하는데 반해(FHWA, 2005), 파형 마이크로파일은 제트그라우팅 분사공법을 사용하여 토사층에서의 그라우트체 전단키로 이루어진 파형의 형상으로 고결시킴으로써 토사층에서의 강성과 지지력을 극대화하는 공법이다(Jang et al., 2016; Jang et al., 2018; Jang, 2018).

Fig. 3.

Typical micropile construction sequence using casing

Fig. 4.

Waveform micropile construction sequence

본 연구에서는, 기존 말뚝을 모사하는 일반 마이크로파일 5 본과 보강 말뚝을 모사하는 파형 마이크로파일 3 본을 각각 시공하였다. 일반 마이크로파일은 150mm 직경으로 천공한 시추공에 50mm의 강봉을 삽입한 후 그라우팅을 주입하여 시공하였으며, 파형 마이크로파일은 전단키의 직경은 500mm, 전단키가 없는 부분의 직경을 300mm가 되도록 제트그라우팅을 분사한 후 50mm의 강봉을 삽입하고 그라우팅을 주입하여 시공하였다. 또한, 각 말뚝의 길이는 선행된 지반조사 보고서를 토대로 일반 마이크로파일과 파형 마이크로파일의 설계하중은 본당 40ton으로 가정하여 말뚝의 길이를 산정하였으며, 그 결과 일반 마이크로파일은 풍화암에 근입하였으며, 파형 마이크로파일은 토사층에 정착하였다. Table 2에 일반 및 파형마이크로파일의 수량 및 지층별 근입 깊이를 정리하였다.

시공 단면도 및 배치도는 아래 Fig. 5와 같다. 5 본의 일반 마이크로파일과 3 본의 파형 마이크로파일에 대하여 각각의 강성을 산정하기 위한 재하시험이 수행되어야 하며, 그 이후, 기초판 타설 및 하중재하를 통한 하중분담 거동 파악을 위한 재하시험이 수행되어야하기 때문에, 일정을 고려하여 말뚝을 배치하였다. 또한, 말뚝간 군말뚝 효과가 발생하여 각각의 말뚝의 지지거동에 영향을 미치지 않도록 말뚝 중심간 간격이 최소 파형마이크로파일 최외측 직경(500mm)의 2.5배 이상이 되도록 말뚝을 배치하였다(Cho, 2010).

Fig. 5.

Pile arrangement and layout for the micropile construction

우선, 각각의 마이크로파일에 대하여 정재하시험을 통한 말뚝별 강성을 산정한 후, 점선으로 표시된 형태와 같이 기초판을 타설하여 2 × 2 배치의 일반 마이크로파일 4 본 중앙에 1 본의 파형 마이크로파일이 배치한 기존말뚝-보강말뚝 기초체(가로 × 세로 × 두께 = 3.0m × 3.0m × 0.8m)를 시공하였다. 그리고 기초판 양생 이후, 기초판 상부에 하중을 가하고, 4 본의 일반 마이크로파일과 1 본의 파형 마이크로파일에 가해지는 하중을 측정함으로써 강성 차이에 따른 하중분담율을 분석하고자 하였다. Fig. 6에 말뚝 시공 전경과 기초판 설치 후 하중재하시험 전경을 제시하였다.

Fig. 6.

Construction view of pile and raft

2.3 말뚝재하시험 방법

말뚝 재하시험시에는 재하하중 이상의 반력 시스템을 갖추어야 시험 말뚝에 하중을 재하할 수 있다. 본 말뚝재하시험에서는 말뚝 및 기초판 상부에 재하대를 설치하고 시험말뚝 주변에 시공된 반력앵커를 이용하여 반력을 확보함으로써 고하중의 시험 하중에서도 정확한 계측을 가능하도록 하였다. Fig. 7에 말뚝 및 반력 시스템을 포함한 정재하시험의 투시도와 평면도를 나타내었다.

Fig. 7.

Schematic of pile load test

말뚝재하시험은 일반적으로 표준재하시험법과 급속재하시험법이 적용된다(ASTM, 1981). 표준재하시험법은 말뚝두부의 침하율이 시간당 0.25mm 이하가 될 때까지 하중을 유지해야하기 때문에, 하중단계의 지속시간이 제 각각이므로 재하시험의 결과 및 분석의 신뢰성이 떨어지고, 총 8 단계에 걸쳐 최대 하중(설계하중의 200%)까지 재하하기 때문에, 재하시험결과로 얻는 하중-변위 곡선 등의 형태가 부드럽지 않아 결과분석이 용이하지 않을 수 있다고 알려져 있다(Fellenius, 1990). 이에 반해, 급속재하시험법은 설계하중의 10∼15% 수준의 재하하중을 15∼20단계 정도로 나누어 하중을 재하하고, 각 단계별 하중 유지시간을 5분 정도로 유지하며 2∼4회 측정하기 때문에, 이러한 문제점을 극복할 수 있다(Kim et al., 2006). 따라서, 본 연구에서는 ASTM(1981)에서 제시하고 있는 급속재하시험법을 이용하여 말뚝재하시험을 수행하였다.

또한, 최대 재하하중은 말뚝의 설계하중과 시험 순서를 고려하여 결정하였다. 본 재하시험에서는 각 말뚝별 강성을 확인하기 위한 재하시험을 수행한 후, 강성에 따른 하중분담거동을 확인하기 위한 기초판 시공과 재하시험이 추가로 수행되었다. 따라서, 강성 확인을 위한 재하시험시 기초판 하부에 위치하는 4 본의 일반 마이크로파일과 1 본의 파형 마이크로파일은 말뚝의 파괴(극한)가 발생하지 않도록, 설계하중 40ton의 200%인 80ton까지 하중을 재하하였다. 단, 기초판 하부에 위치하지 않는 1 본의 일반 마이크로파일과 2 본의 파형 마이크로파일에 대해서는 파괴하중이 확인될 때까지 재하시험을 수행하였다. 강성 확인 후, 하중분담거동 측정을 위한 재하시험 수행시에는 5 본의 기초판 상부에 총 200ton까지 하중을 재하하였다. 이는 설계하중인 40ton 말뚝 5 본의 상부 기초판에 설계하중만큼의 사용하중이 재하되는 것을 가정한 값이다.

3. 말뚝재하시험 결과 및 분석

3.1 축방향 하중-침하 곡선 및 허용지지력

각각의 말뚝 재하시험으로부터 기존 말뚝을 모사한 5 본의 일반 마이크로파일과 보강 말뚝을 모사한 3 본의 파형 마이크로파일의 축방향 하중-침하곡선(P-S curve)을 Fig. 8에 각각 도시하였다. 앞 장에서 언급한 바와 같이, 기초판 하부에 위치하는 4본의 일반 마이크로파일과 1 본의 파형 마이크로파일은 말뚝의 파괴(극한)가 발생하지 않도록 하중을 80ton까지 하중을 재하하였으며, 기초판 하부에 위치하지 않는 1 본의 일반 마이크로파일과 2 본의 파형 마이크로파일에 대해서는 침하량이 75mm 발생시 또는 파괴하중이 확인될 때까지 재하시험을 수행하였다.

축방향 말뚝 재하시험결과로부터 얻은 하중-침하곡선을 바탕으로 말뚝기초의 허용 지지력을 판정하는 데에는 일반적으로 하중-침하곡선의 기울기가 급격히 변화하여, 작은 하중 증가에 대해서도 큰 침하가 발생하는 하중에서 지반이 파괴되었다고 판단한다. 이때의 하중을 극한하중으로 정의하며, 이에 대하여 3.0의 안전율을 적용하여 허용지지력을 산정한다. 하지만, 재하장비 및 현장조건에 의해 대부분의 말뚝 재하시험에서는 지반이 파괴에 이르는 하중을 재하하기 어렵기 때문에 극한지지력을 직접 확인하기 어려운 실정이다. 이에 따라 하중-침하곡선의 기울기가 급변하기 시작하는 점을 항복하중으로 정의하거나(P-S 곡선 도해법), 말뚝의 탄성침하량과 선단부 지반의 탄소성 침하량을 고려한 Davisson 방법으로 항복하중을 결정하고, 이에 대하여 안전율 2.0을 적용하여 허용지지력을 산정한다(KGS, 2018). 또한, 발생한 침하량을 바탕으로 극한하중을 산정하는 다양한 방법들이 제안되어 왔으며, 말뚝 직경의 10%에 해당하는 전침하량이 발생하였을 때의 하중을 전침하량으로 산정하는 덴마크기초실용기준이나 25.4mm 기준(Terzaghi and Peck, 1967; Touma and Reese, 1974)이 널리 이용되며, 이때는 안전율 3.0을 적용한다.

본 연구에서는 대부분의 말뚝에 대하여 설계하중 40ton의 약 200%인 80ton까지 하중을 재하하였기 때문에, 말뚝의 항복하중이나 극한하중을 확인하기 어려웠다. 이에 따라, 침하량 25.4mm 기준을 적용하여 극한하중을 판정할 수 있는 경우는 극한하중에 안전율 3.0을 적용하고, 최대 재하하중까지 극한을 확인하기 어려운 경우는 최대 재하하중이나 Davisson 방법으로 구한 항복하중에 안전율 2.0을 적용하여 허용지지력을 산정하였다. 이때, 일반 마이크로파일과 파형 마이크로파일의 형상과 말뚝 길이가 서로 상이하기에, 이를 고려하여 말뚝 종류별 Davisson 기준선을 각각 도시하였으며, 두 방법 이상으로 허용지지력을 산정할 수 있는 경우는 보수적인 판단을 위해 최소값을 허용지지력으로 산정하였다. 허용지지력 산정 결과는 Table 3에 정리하였다. 허용지지력을 비교한 결과(CM-3, WM-1, WM-2), 파형 마이크로파일의 지지력이 일반 마이크로파일의 지지력보다 약 20% 크게 나타남을 확인하였다.

3.2 말뚝 강성 산정

말뚝의 수직 강성, 축방향 스프링정수(K_v)는 말뚝 축방향으로 단위변위량을 발생시키는 축방향력으로 정의할 수 있다. 말뚝의 축방향 강성은 재하시험으로 구한 하중-침하량 곡선으로부터 구하는 것이 가장 신뢰성이 높으며, 도로교 설계기준 해설에서는 하중-침하량곡선으로부터 logP-logS 곡선법 등을 이용하여 판정되는 항복지지력에서의 할선 기울기를 실측 K_v로 정의하고 있다(KHS, 2008). 하지만, 본 연구에서의 재하시험 결과(Fig. 8)에서는 하중-침하 곡선을 통해 항복지지력을 산정할 수 없었기 때문에, 설계하중인 40ton에서의 할선 기울기를 각 말뚝의 축방향 스프링정수(K_v)를 산정하였다. 각 말뚝별 설계지지력인 40ton에서의 발생변위와 이를 통해 산정한 말뚝 강성(K_v) 값을 아래 Table 4에 정리하였다. 일반 마이크로파일과 비교하여 파형 마이크로파일의 경우 전단키로 인해 단면과 주면적이 커지기 때문에, 동일한 설계하중(40ton) 재하시 침하량이 더 작게 발생하며, 그로 인해 강성이 크게 산정되는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 파형 마이크로파일의 강성은 대체로 일관되게 결정되었으나, 일반 마이크로파일의 강성은 비교적 편차가 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 파형 마이크로파일과 달리 일반 마이크로파일의 경우 시공 상태가 고르지 못하며, 현장 실험이 동절기에 수행되어, 동결/융해를 반복하며 볕이 드는 방향 쪽의 지반이 약해졌기에 강성이 작게 나오고, 반대쪽의 강성은 크게 나온 것으로 판단된다. 따라서, 일반 마이크로파일의 강성 산정시 최대값 및 최소값을 제외한 평균값을 파형 마이크로파일의 강성과 비교하였다. 기존 말뚝을 모사한 일반 마이크로파일의 강성(K_v)의 평균은 약 60kN/mm²이며, 보강 말뚝을 모사한 파형 마이크로파일의 강성의 평균은 약 154kN/mm²으로 일반 마이크로파일에 비해 약 2.5배 큰 것을 확인하였다.

Fig. 8.

Load-Settlement curves for micropiles

3.3 말뚝 강성에 따른 하중분담거동 분석

본 재하시험에서는 각 말뚝별 강성을 확인을 위한 재하시험을 수행한 후, 강성에 따른 하중분담거동을 확인하기 위한 기초판 시공과 재하시험이 추가로 수행되었다. Fig. 5와 Fig. 6(b)에 나타낸 것처럼 4 본의 일반 마이크로파일과 1 본의 파형 마이크로파일의 두부를 연결하는 기초판을 시공하고, 양생 후 기초판 상부에 유압잭과 반력 앵커를 이용한 반력시스템을 활용하여 총 200ton의 하중을 재하하였다. 이는 설계하중이 40ton인 말뚝 5 본의 상부 기초판에 설계하중만큼의 사용하중이 재하되는 것을 가정한 값이다. 재하시험 결과인 기초판의 하중-침하 곡선은 Fig. 9에 제시하였다. 기초 시스템(Piled raft)의 변위는 기초판 측면 4 면에 부착한 LVDT로 측정한 변위의 평균값을 기초의 변위로 산정하였으며, 전체 하중은 재하시험시 유압 실린더의 하중계를 통하여 측정하였다. 또한, 기존 말뚝을 모사한 4 본의 일반 마이크로파일과 보강 말뚝을 모사한 1 본의 파형 마이크로파일에 가해지는 하중은 말뚝 두부의 변형률계를 통해 계측된 변형률에 말뚝 강성을 곱하여 산정하였다.

Fig. 9.

Load-Settlement curves for piled raft

Fig. 9의 결과에 따르면, 기초판(raft)이 지반과 완벽히 이격되지 못하고 지중에 접촉하였기 때문에 말뚝을 제외한 기초판에 의해 하중의 일부를 지지하는 것을 확인할 수 있었다. 하중 단계에 따라, 기초판이 직접 지지하는 하중은 각 하중 단계의 27∼40% 수준으로 나타났다. 수치해석과 1-g 모형 실험을 활용한 기존 연구들에 따르면, 말뚝지지전면기초에서 전면기초의 하중분담율은 약 30% 정도로 알려져 있으며, 본 실험에서의 결과 역시 그와 유사한 결과를 보였다(Jeong et al., 2017; Wang et al., 2019). 다만, 본 연구에서는 말뚝강성에 따른 하중분담거동을 분석하는데 그 목적이 있기 때문에, 강성이 다른 파형 마이크로파일과 일반 마이크로파일의 하중분담율을 직접 비교하였다. 그 결과를 Fig. 10에 제시하였다.

Fig. 10.

Load distribution ratio between conventional and waveform micropiles

하중단계별로 각 말뚝별 하중분담율을 분석한 결과, 1 본의 파형 마이크로파일이 평균 28%의 하중을 분담하였으며, 1 본의 일반 마이크로파일이 평균 18%의 하중을 분담하는 것으로 확인되었다. 또한, 일반 마이크로파일 내에서도 강성이 큰 말뚝(CM-1)이 강성이 작은 말뚝(CM-5)보다 더 큰 하중을 분담하였으며, 말뚝간 강성에 따라 하중 분담율이 비례함을 확인하였다. 이는 수직증축시 증축하중에 대하여 기존 기초 및 보강 기초의 강성에 따라 상부의 하중을 강성에 비례하여 분담함을 실험적으로 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 현장 재하시험을 통해 수직증축 리모델링시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중 분담 거동에 대하여 분석을 수행하고자 하였다. 서로 강성이 다른 일반 및 파형 마이크로파일을 시공하여 기존 말뚝과 보강 말뚝을 모사하고, 각각의 말뚝에 대한 재하시험을 수행하여 각 말뚝의 강성을 산정하였다. 그 후, 기존 말뚝과 보강 말뚝 두부를 연결하는 기초판을 타설하고 기초판 상부에 하중을 재하함으로써 기존말뚝 및 보강말뚝의 강성차이에 따른 하중분담 거동을 분석하였다. 이로부터 다음의 연구 결과를 도출할 수 있었다.

(1) 말뚝 재하시험을 통해 기존 말뚝을 모사한 5 본의 일반 마이크로파일과 보강 말뚝을 모사한 3 본의 파형 마이크로파일의 축방향 하중-침하곡선을 도출하고, 이로부터 각 말뚝의 허용지지력과 수직강성(K_v)을 도출하였다. 재하실험 결과 파형 마이크로파일의 지지력이 일반 마이크로파일의 지지력보다 약 20% 크게 나타남을 확인하였으며, 강성은 약 2.5배 큰 것을 확인하였다.

(2) 4 본의 일반마이크로파일과 1본의 파형 마이크로파일 두부를 연결하는 기초판을 시공하고, 그 상부에 재하하중을 가함으로써 기초시스템에서 강성에 따른 하중분담거동을 확인하였다. 그 결과, 1 본의 파형 마이크로파일이 평균 28%의 하중을 분담하였으며, 1 본의 일반 마이크로파일이 평균 18%의 하중을 분담하는 것으로 확인되었다. 또한, 일반 마이크로파일 내에서도 강성이 큰 순서대로 많은 하중을 분담하였으며, 말뚝간 강성에 따라 하중 분담율이 비례함을 확인하였다. 즉, 수직증축 리모델링시 강성이 큰 보강말뚝을 적용하는 경우, 강성에 비례하여 보강기초가 기존기초보다 증축하중을 더욱 많이 분담할 수 있을 것으로 예상된다.

(3) 다만, 기초판이 지반과 완벽히 이격되지 못하고 지중에 접촉하였기 때문에 말뚝을 제외한 기초판에 의해 하중의 일부를 지지하는 것을 확인할 수 있었으며, 하중 단계에 따라, 약 27∼40%의 하중을 기초판이 직접 분담하였다. 본 연구에서는 강성이 다른 파형 마이크로파일과 일반 마이크로파일의 하중분담율을 직접 비교하는데 국한되었기 때문에, 추후에 기초판을 고려한 하중분담거동에 대하여 추가 연구가 필요하다고 판단된다.

본 연구는 수직증축 리모델링시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성 차이에 따른 하중분담거동에 관한 것이다. 현재 수직증축 리모델링 설계에 있어, 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성차이에 하중분담거동이 명확히 연구되지 않아 보강 말뚝의 지지 성능이 불확실하거나 수량이 과도하게 산정되는 등 많은 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성을 달리하여 증축하중을 가하였을 때 하중분담거동을 현장 실험을 통해 확인하였으며, 이에 대한 연구 결과는 향후 수직증축 리모델링시 기초 설계시 보강 말뚝의 지지력을 강성을 바탕으로 효과적으로 유추할 수 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 보강 기초의 강성을 바탕으로 가장 적합한 보강 말뚝 공법을 선정하거나 말뚝의 수량을 적절히 산출하는 등 보다 효율적인 기초 설계의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.