1. 서 론

건설소음 및 진동 규제 등의 문제로 최근 고속도로를 비롯한 일반 도로교의 교량 기초로 항타 말뚝 보다는 매입말뚝공법 적용이 급격히 증가하는 추세이다. 특히, 최근 고속도로 교량건설이 산악지역에 집중되고 대형화됨에 따라 말뚝기초 사용량이 증가하고 있으며 수평강성이 우수하고 말뚝두부 연결 및 말뚝이음이 용이한 강관말뚝이 선호 되고 있다.

매입말뚝은 여타 다른 항타말뚝, 현장타설말뚝 등 과의 차이로는 시멘트풀을 이용하여 선단과 주면부에 주입하여 굴착공벽의 안정화와 말뚝의 연직･수평 지내력을 유발시킨다는 점이다. 이때 지내력은 시멘트풀 강도에 영향을 받는다.

기존 매입말뚝 연구는 지지거동 분석 및 시멘트풀에 대한 공학적 연구가 수행되었다. Park(2004)은 매입말뚝 마찰지지력이 시멘트풀의 강도에 비례하며, 시멘트풀 물/시멘트비(w/c)가 낮을수록, 재령일이 길수록 압축강도가 커지는 경향을 보인다고 하였다. 말뚝천공기술과 그라우팅기술이 지지력 발현에 중요한 역할을 한다고 했으며(Neely et al., 1999), Hong et al.(2008)의 경우 단위주면마찰력은 시멘트풀 물/시멘트비가 부배합 일수록 증가된다는 것을 확인하였다.

매입말뚝의 굴착공경은 각 기관별로 여러 가지 기준이 있지만, 통일되지 않고 산재되어 있는 현실이다. 현재 한국도로공사, LH공사 등 말뚝지름 보다 5∼10cm 혹은 10cm 이상 이라 명시되어 있다. 이때, 굴착공경 사이에 주입되는 시멘트풀 두께에 대한 연구는 강도에 집중되어 연구되었으며, 굴착공경에 대한 기준이 명확하지 않은 실정이다. 따라서 이에 대한 연구가 필요하다.

Lee et al.(2000)은 화강풍화토에 설치된 매입말뚝 현장모형실험 연구를 통해 매입말뚝의 인발저항력에 관한 분석을 수행하였으며, Cho et al.(2004) 또한 축소모형을 통해 현장타설말뚝의 지지력 경향을 확인하였다. 위에 제시된 시험 및 결과들은 정량적인 지표를 정규화해 말뚝의 거동을 분석화 하여 축소모형시험을 통한 거동 분석을 수행하였다.

따라서 현장상황을 반영하기 위하여 굴착공경 550mm 기준으로 길이에 대한 상사비를 적용하여 550∼1,137mm를 묘사할 수 있는 74∼150mm(1.13D∼2.2D) 케이스로 선정하여 시험을 수행하였다. 이에 본 연구에서는 매입말뚝의 주면마찰력에 대한 거동을 확인하기 위하여 현장축소모형 시험을 통한 시멘트풀 물/시멘트비 및 굴착공경에 대한 영향을 확인하고, 실모형 매입말뚝에 대한 적절한 굴착공경 및 시멘트풀 물/시멘트비를 제안하고자 한다.

2. 매입말뚝 주면 시멘트풀 영향

일반적으로 매입말뚝공법은 시공하는 말뚝의 직경보다 100mm 더 크게 지반을 천공하고 시멘트풀을 주입하여 시공을 수행한다. 이때, 주입되는 시멘트풀은 굴착공벽의 안정화를 돕고 말뚝에 가해진 하중을 주변지반으로 전달시키는 매개체 역할을 한다. 매입말뚝의 마찰지지력은 지반강도와 시멘트풀의 강도에 비례하는 것으로 알려져 있으므로 적당한 강도를 유지해야 한다. 이외에 매입말뚝에 대한 직접적인 연구보다 이와 유사한 시멘트풀 주입 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력에 대한 연구가 이루어지고 있는 실정인데, Neely et al.(1991)은 모래지반에서의 압축, 인장시험을 토대로 하여 말뚝의 천공기술과 그라우팅기술이 지지력 발현에 중요한 역할을 한다고 하였으며, Lee and Poulos(1990)는 시멘트풀 주입 말뚝의 하중전이현상에 근거한 주면마찰력의 특성을 연구하여 주면마찰력의 감소가 말뚝의 직경과 관련 있다고 발표하였다. Do et al.(2015)은 시멘트풀 선단근고액 기준 일축압축강도는 20MPa 이상이며, 이를 만족하는 이론적인 시멘트풀 물/시멘트비는 100% 이하 이었다. 이때 시멘트풀 물/시멘트비는 70%가 적절하다고 연구되었다. Fig. 1은 한국도로공사와 LH공사의 시멘트풀 일축압축강도 결과값을 비교한 그래프이다. Park (2004)은 시멘트풀 강도에 따른 동재하시험 결과를 분석하였다. 이때, 경화 전 E.O.I.D 결과와 경화 후 Restrike 결과를 비교 분석하였을 때, 마찰지지력은 시멘트풀 강도와 비례하는 것으로 보고 하였다. 그리고, Hong et al. (2013)은 시멘트풀 주입비가 1.0인 경우가 0.5인 경우보다 말뚝의 수평 항복하중과 지지력이 약 2∼3배 정도 크게 나타나는 것으로 확인되었다.

매입말뚝의 주면마찰력의 주요 인자인 시멘트풀의 강도는 주로 물/시멘트비에 의해 결정되나 국내에서는 뚜렷한 기준이 없어 사용하는 기관마다 조금씩의 차이를 나타내고 있다. 선굴착 후 최종경타 공법은 선단근고액 물/시멘트비가 70%, 주면고정액은 120%를 사용하거나, 선단과 주면고정액을 물/시멘트비 83%로 동일하게 배합하여 주입하고 있다.

3. 현장축소모형시험

3.1 현장축소모형시험 선정

본 연구에서 수행한 현장축소모형시험은 시험말뚝의 선단에 대한 영향을 배제하고 매입말뚝 주면-시멘트풀-지반 사이의 거동을 중점적으로 파악하기 위한 것으로, 굴착공경, 물/시멘트비의 영향을 실제 시공 말뚝을 이용하여 시험할 경우 발생하는 경제적 부담 및 시공상의 어려움을 극복하기 위해 자체 도안된 것이다.

그리고 매입말뚝공법의 특성상 시멘트풀 주입을 통해 주면마찰력을 발현시키고, 여타 공법과 비교하였을 때, 전체 지지력에서 선단지지력 대비 주면마찰력의 비중이 크고, 이를 보기 위해 축소모형시험 말뚝의 선단을 주면과 같이 매립층에 위치시켜 마찰말뚝의 형태로 설치하였다. 이를 바탕으로, 주면마찰력에 영향을 주는 골착공경 및 물/시멘트비의 영향을 확인하고, 시멘트풀-지반 사이의 파괴면을 확인하고자 하였다. 축소시험말뚝에 대한 하중재하시험은 정재하시험(급속재하시험)을 기초로 도안되었으며, 재하는 사하중을 이용하는 방법을 통해 수행하였다. 시험하중을 총 8단계 이상으로 나누어서 재하를 하였고, 하중단계별 침하율이 시간당 0.25mm 이하가 될 때까지 재하하중을 유지하였다. 하중단계별 재하 시간은 20분을 기본으로 이후 5분씩 재하하중을 유지하면서 침하량을 확인하였고, 말뚝의 파괴확인을 목적으로 하중을 지속적으로 재하하였다.

결과분석은 기본적으로 하중-침하곡선의 극한지지력 값을 확인하여 굴착공경, 물/시멘트비에 따라 결과를 분석하였다. 이때, 극한지지력 값을 통한 결과분석이 어려운 경우 항복하중의 결과값을 비교하여 거동을 확인하였다.

3.2 지반조건

현장축소모형시험은 충청남도 00 지역에서 시행되었으며, 지반은 Fig. 2에 나타난 바와 같이 지표로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토층으로 구성 되어 있다. 시험 대상지반인 매립층의 물성치 추정을 위하여 현장 시험 및 교란 시료에 대한 실내 시험을 실시하였으며 기존 지반조사 보고서, 각종 문헌자료와 비교 분석을 통하여 지반 물성치를 추정하였다. 요약 물성치는 다음 Table 1과 같다. 시험이 수행된 지반심도는 N치 2/30 지층(매립층)으로 실트 질 모래로 구성되어 있다. Fig. 3은 현장시험 개요도를 보여준다.

Table 1. Physical properties of in-situ soil

3.3 재하장비 및 시험말뚝

본 연구에서의 모든 시험은 매입말뚝의 시공과정에서 시멘트풀의 조건에 따른 주면부의 지지력 영향과 인터페이스 거동을 확인하기 위한 시험이므로 깊은 심도까지 시공을 하지 않았으며, 수평 및 정확한 공경을 시공하기 위해 지반조사 시 사용되는 시추기를 이용하여 굴착을 수행하였다.

말뚝캡 상단에 다이얼게이지를 설치하여 하중재하에 따른 말뚝변위를 측정하였다. 또한, 하중재하장치는 말뚝캡 상단에서 충분한 하중 및 변위가 발생할 수 있도록 10ton 유압잭(Hydraulic Jack)을 이용하였으며, 재하시험장치의 설치 완성 후 단면도는 Fig. 4와 같다.

사용된 시험말뚝의 경우 강관봉 타입을 사용하였으며, 현재 현장에서 대표적으로 사용되는 직경 508mm 길이 20m 강관말뚝을 고려하여 지름 67mm, 길이 1.3m로 결정하였다(Fig. 2). 본 시험에서는 말뚝의 직경의 영향이 아닌 주변 시멘트풀의 조건에 따른 매입말뚝 거동분석이 목적이므로, 모든 시험 케이스에 대하여 동일한 제원의 말뚝을 사용하였다.

3.4 말뚝설치 및 재하시험

현장축소모형시험의 시공순서는 Fig. 6과 같으며, 각 단계별 유의사항도 함께 제시한다.

① 단계 : 시공준비

가)시공 위치를 지반조사 자료를 참고하여 선정한다.

나)시멘트풀 배합을 위한 시멘트 및 용수량을 결정한다.

다)시험말뚝과 천공을 위한 장비를 준비한다(시험말뚝 시공시, 수직도에 문제가 없도록 하기 위하여 장비선정에 유의한다.).

② 단계 : 천공

가)천공기기를 이용하여 수직도에 유의하여 천공한다.

나)천공을 수행할 때, 굴착토사에 대한 처리를 고려한다.

다)선단부의 호박돌 유무를 체크한다.

라)천공 시 지반공벽의 유지를 확인하며, 공벽의 붕괴 발생시 케이싱을 이용하여 재 천공을 수행한다(보링기를 이용할 시 비 수세식으로 수행한다.).

③ 단계 : 시멘트풀 배합

가)배합에 사용되는 용수는 청수를 이용한다.

나)목표 물/시멘트비를 확인하여 물과 시멘트양을 선정한다(물의 양은 메스실린더를 이용하며, 시멘트양은 저울을 이용하여 측정한다.).

다)충분한 시간을 들여 시멘트풀이 굳지 않게 배합한다.

④ 단계 : 1차 시멘트풀 주입

가)천공 후 선단 근고액을 4D 만큼 주입한다.

나)주입 시 시멘트풀의 손실을 막기 위하여 깔대기를 이용하여 주입한다.

⑤ 단계 : 시험말뚝 관입

가)수직도를 유의하며 시험말뚝을 관입한다.

나)근입을 방지하기 위하여 기기를 이용하여 천천히 선단부까지 침설시킨다.

다)시험말뚝 관입 후 수평자를 이용하여 최종적으로 수직도를 확인한다.

⑥ 단계 : 2차 시멘트풀 주입

가)시험말뚝 관입 후 주면고정액을 주입한다.

나)주면고정액은 지표면까지 충분히 주입하며, 오버 플로워를 유의한다.

⑦ 단계 : 일수현상 확인 후 시멘트풀 재주입

가)시공 완료 후 시멘트풀 일수 현상을 체크한다(1차).

나)시공 24시간 후 재 체크를 수행한다(2차).

다)일수현상 체크 후 주면고정액을 지표면까지 충분히 주입한다.

⑧ 단계 : 양생 및 재하시험

가)28일 양생 후 재하시험을 수행한다.

나)하중재하방법은 사하중을 이용하여 수행하였다.

다)급속재하시험으로 하중단계별 변위 수렴을 유의하며 시험을 진행한다.

라)재하시험 완료 후 굴착을 통한 파괴거동 확인을 수행한다.

본 연구에서의 물/시멘트비의 경우 60, 70, 90%를 각 굴착공경 150, 125, 90, 86, 74mm로 총 15본이 시공되었다. 상세한 시험케이스는 Table 2에 요약하였으며, Fig. 5는 모형말뚝과 실모형의 굴착공경을 비교한 그림이다.

Table 2. Case of In-situ test

4. 시험결과 및 분석

4.1 굴착공경에 따른 극한지지력

굴착공경이 125mm(1.86D)이상 인 경우와 90mm(1.34D)이하 인 경우로 나누어서 비교 할 수 있었다. Fig. 7은 시멘트풀 물/시멘트비가 동일할 때, 굴착공경별 결과값을 나타내고 있다. Fig. 7(a)의 경우 시멘트풀 물/시멘트비가 90%일 때, 극한하중 범위는 공경이 125mm(1.86D)이상 인 경우 30kN이며, 약 77∼92mm의 침하가 발생하였다. 90mm(1.34D)이하 인 경우 극한하중 범위는 15∼21kN으로 나타나며, 80∼86mm의 침하가 발생하였다. Fig. 7(b)는 시멘트풀 물/시멘트비가 70%일 때, 극한하중 범위는 125mm(1.86D)이상 인 경우 35kN이며, 침하량은 85∼92mm의 침하가 발생하였으며, 90mm(1.34D) 이하 인 경우 13∼18kN, 침하량 71∼91mm로 나타났다. Fig. 7(c)는 시멘트풀 물/시멘트비가 60%일 때, 극한하중 범위는 공경이 125mm(1.86D)이상 일 때 35kN, 침하량 78∼87mm이며, 90mm(1.34D)이하 인 경우 18∼21kN로 나타났으며, 92mm이상의 침하량을 확인하였다. 따라서 분석 결과, 굴착공경이 증가할수록 지지력이 증가하는 경향을 보였다.

4.2 시멘트풀 물/시멘트비에 따른 극한지지력

시멘트풀 물/시멘트비 변화에 따른 결과는 다음 Fig. 8과 같다. 하중-침하량 곡선은 125mm(1.86D)이상 인 경우와 90mm(1.34D)이하 인 경우로 나뉘어 다르게 거동하는 것을 확인 할 수 있었다.

Fig. 8(a)는 굴착공경 150mm(2.2D)으로, 극한하중의 경우 물/시멘트비가 70%일 때 35kN, 90%, 60%일 때 30kN이였으며, 침하량의 경우 각각 85, 77, 87mm인 것을 확인하였으며, 따라서 70% 일 때 지지력이 가장 크게 나타났다. 이때 시멘트풀 물/시멘트비 60%일 때 지지력이 가장 작게 나타났는데 이는 일반적으로는 시멘트풀-지반 사이에 파괴(Fig. 9(b))가 일어났지만, 굴착공경이 증가하면 시멘트풀 내 내부 파괴(Fig. 9(a))가 발생하여 지지력에 영향을 준 것으로 판단된다. Fig. 9는 굴착공경 1.86D이상의 파괴형태와 1.34D미만의 파괴형태이다. Fig. 8(b)는 굴착공경이 125mm(1.86D)일 때, 물/시멘트비가 부배합일수록 침하가 작게 발생하며, 그 침하량은 78, 92, 92mm였으며, 극한지지력은 35kN과 30kN으로 확인되었다. Fig. 8(c)∼(e)는 굴착공경이 90mm(1.34D)이하로, 시멘트풀 물/시멘트비가 부배합일수록 극한지지력이 증가하며, 극한지지력 범위는 13∼21kN으로 나타났으며, 침하량은 71∼95mm범위를 확인하였다. 분석결과, 90mm(1.34D)이하에서는 부배합일수록 지지력이 증가하는 경향을 보였지만, 125mm(1.86D)이상에서는 부배합이지만 지지력이 감소하는 경우가 발생하였다.

4.3 항복하중 평가

Fig. 10은 굴착공경의 변화와 시멘트풀 물/시멘트비의 변화에 따른 항복하중을 P-S법으로 확인한 것이다. 극한지지력을 통한 거동 분석에서 시멘트풀 물/시멘트비에 따른 결과가 명확하지 않아 항복하중을 통한 분석을 실시하였다. 분석결과, Fig. 10(a)∼(c)는 굴착공경에 따른 항복하중 결과로 파괴지지력의 경향과 동일하게 굴착공경이 증가할수록 항복하중 역시 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 결국 굴착공경이 커질수록 항복하중 및 극한지지력은 증가하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 11(a)∼(e)는 시멘트풀 물/시멘트비의 항복하중 결과그래프이다. 이때, 1.86D 이상 인 경우 물/시멘트비가 빈배합일수록 항복하중의 값이 크게 나타나는 것으로 확인되었는데, 이는 극한지지력의 결과값과 다르게 나타났다. 그 이유는 굴착공경이 증가하면서 시멘트풀 내 내부 파괴가 발생하는 경우, 시멘트풀-지반사이의 파괴상태보단 전단력이 크게 발생하여 지지력은 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있었다. 이때, 시멘트풀 내 내부파괴 영향과 특히 매입말뚝 품질관리와 지반조건의 영향도 있을 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 매입말뚝의 주면고정액인 시멘트풀의 영향에 따라 거동분석을 알아보기 위하여 상사비를 고려한 축소모형시험을 수행하였다. 본 연구결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1)굴착공경에 대한 영향을 비교한 결과 굴착공경이 1.34D 미만(실제 굴착공경 550∼700mm)과 1.86D 이상(실제 굴착공경 950∼1,137mm)으로 경향이 다르게 나타났다. 일반적인 굴착공경의 경우 굴착공경이 증가할수록 지지력이 증가하였다.

(2)기존 연구의 시멘트풀 강도시험의 결과인 부배합일수록 강도증가가 나타났으며, 그 결과 말뚝의 지지력 증가가 발생한다. 본 연구에서도 시멘트풀의 물/시멘트비에 대한 영향을 비교한 결과 부배합일 때 지지력이 증가하는 것으로 확인되었다.

(3)축소모형시험결과 굴착공경이 동일할 때, 시멘트풀 물/시멘트비는 60%일 때 지지력이 가장 크게 발현되었다. 그러나 60%인 경우는 현장에서 원활한 타설이 안되는 상태(워크빌리티 불량)와 일수현상 등의 품질관리를 고려할 경우에는 적절한 물/시멘트비는 70%로 판단된다.

(4)본 연구는 1.34D 미만(실제 굴착공경 550∼700mm) 공경과 1.86D 이상(실제 굴착공경 950∼1,137mm)의 굴착공경에 대해 축소모형시험을 수행하였다. 시험 결과 부배합에 가까울수록 그리고 공경이 커질수록 지지력이 크게 나타남을 알 수 있었다. 이는 마찰력발현을 위한 전단거동이 일반적인 경우(굴착공경 1.34D 미만) 시멘트풀-지반 사이에서 일어나지만, 굴착공경이 증가하여 1.86D 이상이 되면 시멘트풀 내 내부 파괴로 파괴모드(mode)가 바뀜을 알 수 있었다. 따라서 굴착공경은 일반적인 거동인 1.34D 미만이 적절하다고 판단된다.