1. 서 론
마이크로파일은 인접구조물에 대한 교란 및 환경･공간적 제한이 없고 파일의 설치각도를 자유로이 적용할 수 있어 최근 도심지 개발사업에 많이 적용되고 있다. 그러나 현장에서는 마이크로파일-기초 계획시 하중의 작용형태 특히 횡방향 하중조건하에 경사파일의 계획･시공은 수직파일에 비해 효율이 큼에도 불구하고(Bowles, 1996), 대다수의 말뚝기초에 대한 연구 및 시공은 연직말뚝에 집중적으로 이루어졌다.
또한 국내･외의 연구들은 마이크로파일의 지지특성에 대한 관심증가로 인해 이에 대한 연구를 진행하고 있으나, 대부분이 수직하중에 대한 것이다. 그리고 수평방향 하중이 작용하는 경우 마이크로파일과 지반의 상호작용과 역학적 거동에 관한 연구는 매우 미흡한 실정이다(Lee and Back, 2009).
일반적으로 마이크로파일의 두부에 작용하는 하중방향에 따라 지반과 마이크로파일의 상호거동을 달라지고, 이 때문에 지지력이 달라진다. 또한 마이크로파일의 지지력은 파일체의 강성조건과 인접지반의 특성 그리고 파일설치각도에 따라 지지특성이 달라지므로, 수평하중에 저항하는 마이크로파일의 지지특성에 관한 연구가 요구될 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 마이크로파일과 지반의 수평거동 및 지지특성을 조사하기 위해 파일길이비와 파일설치각도를 달리 적용하여 모형시험을 수행하였다. 그리고 시험결과를 종합적으로 비교･분석하여 각 조건별 마이크로파일의 수평지지특성을 평가하였다.
2. 문헌고찰
수직하중에 대한 마이크로파일의 지지거동은 Lizzi (1982), Lee and Im(2006), Tsukada et al.(2006), Hwang and Kwon(2011) 그리고 Hwang et al.(2012) 등의 연구결과와 같이 파일길이와 직경, 설치각도 등 설치조건과 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다. 이는, Poulos and Davis(1981)이 제안한 바와 같이, 마이크로파일 역시 설치조건에 따라 파일의 강성조건이 설치조건에 따라 달라지기 때문이다. 이와 같은 파일의 지지특성은 수평하중을 받는 경우도 마찬가지일 것이다.
수평하중을 받는 파일의 경우 Awad and Petrasovits (1968) 그리고 Jung et al.(2006)의 연구결과와 같이 경사파일이 수직파일에 비해 수평하중에 대한 저항성이 큰 것을 알 수 있다. 또한 경사파일의 설치각도는 파일의 수평지지거동과 밀접한 관계가 있음을 알 수 있다.
최근 수평하중에 대한 마이크로파일 관련하여 Lee and Back(2009)의 연구를 통해 마이크로파일의 역학거동은 기존 파일과 다르며, FHWA(2005)의 시험결과와 같이 수평하중을 받는 마이크로파일은 파일상단에 큰 휨변위가 발생하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 마이크로파일의 수평지지거동은 Han et al.(2014)의 연구결과에서도 잘 나타나있다.
그러나 최근 마이크로파일의 수평지지특성에 대한 연구들은 대부분이 짧은 파일조건인 경우 그리고 수직 마이크로파일을 대상으로 한 경우들이다. 또한 이들 연구들은 파일길이비와 설치각도에 따라 마이크로파일의 수평지지특성이 달라질 수 있음에도 종합적으로 이 같은 영향인자들을 고려하지 않고 있다. 따라서 명확한 마이크로파일의 수평지지특성을 조사하기 위해서는 보다 다양한 파일 설치조건이 고려된 연구가 필요할 것으로 판단된다.
3. 모형시험
파일설치조건에 따라 달라지는 마이크로파일의 수평지지특성은 현장시험을 통해 평가하는 것으로 효과적일 것이나 여건 상 쉽지 않다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 기존 연구들을 통해 알 수 있듯이 연구시 많이 활용되는 연구방법이 모형시험이다. 본 연구에서 활용한 모형시험기의 구조와 크기는 Hwang et al.(2012)에서 활용한 것과 동일하다.
본 연구에서는 모형 마이크로파일에 수평하중을 가할 수 있도록 Fig. 1과 같이 수평하중재하장치를 고안해 활용하였다. 이 재하장치는 Fig. 1(a)에서 보는 것과 같이 크게 유압식 하중재하장치(Hydrodynamic pressure)와 파일두부 고정장치(Locking device of pile head)로 구분할 수 있다. 유압식 하중재하장치는 가압장치와 로드셀이 연결되어 있어 하중을 가함과 동시에 단계별로 하중을 측정하도록 제작되었다.
파일두부 고정장치는 파일두부에 집중하중을 가할 수 있도록 역 L형으로 제작해 장치의 외부프레임에 고정하였다. 또한 외부프레임의 측면에는 토조와 마찰이 최소로 발휘되도록 바퀴(Wheel)을 설치하였다. 모형시험 후 모형파일과 재하장치의 모습은 Fig. 1(b)와 같다.
Fig. 2는 지반조성시 활용한 흙의 입도분포와 물성을 나타낸 것이다. 연구시 사용한 흙은 그림과 같이 균등한 입경의 건조된 모래이다(평균입경(D50)=0.55mm; 균등계수(Cu)=1.62). 그리고 흙의 물성값은 비중, 최대･최소 간극비시험, 전단시험 등 기본 물성 및 직접전단시험을 통해 구하였다.
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Fig. 1. Using horizontal load device in this study |
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Fig. 2. Grading curve and physical properties of sand to use in model test |
Fig. 3은 제작한 모형파일의 크기와 형태를 나타낸 것이다. 제작한 모형파일은 직경 200mm인 원형 마이크로파일을 모델로 하였고, 재료는 강봉(steel bar)를 활용하였다. 일반적으로 파일의 지지특성은 파일의 휨강성과 관계되므로, 모형파일의 직경은 휨강성에 대한 축소율(
≓14, 
=길이에 대한 축소율; Iai, 1989)을 적용하여 결정하였다. 이 같이 결정된 파일의 직경은 5mm이다. 파일의 주면은 Lee and Im(2006), Tsukada et al. (2006) 그리고 Hwang et al.(2012)와 같이 주면마찰이 최대한 발휘되도록 지반조성시 사용한 모래를 부착하였다.
Fig. 4는 토조에 지반을 조성하는 과정을 보인 것이다. Fig. 4와 같이 1 차로 소정의 깊이까지 지반을 조성한 후 제작한 모형파일을 설치하였다. 모형 마이크로파일은 FHWA(2005)에서 제안한 것과 같이 파일직경의 3배 간격(s=3d, 여기서 s는 파일간격)으로 설치되었으며, 파일 본 수는 32본이다. 그리고 파일이 설치된 지반에 추가로 모래를 강사해 지반조성을 완료하였다. 또한 파일두부에 수평하중을 가하는 동안 지반거동을 육안으로 관찰하기 위해 지반조성시 층간 25mm 간격으로 얇은 검정모래층을 형성하였다. 이와 같이 조성된 지반의 상대밀도는 52±2%이다.
마이크로파일은 경사지게 설치하는 데 문제가 없다. 이에 본 연구에서는 Fig. 5 그리고 Table 1과 같이 파일의 설치조건을 달리 적용해 시험을 수행하였다. 지반에 설치된 파일들은 수평하중 재하장치(Fig. 1)을 활용해 변형률제어방식으로 분당 파일의 수평변위가 직경의 1%가 발생되도록 하중을 가하였다(
=
=1%/min; 여기서 
:하중재하속도, 
:파일두부 수평변형률). 또한 파일의 수평지지력은 FHWA(2005)가 제안한 것과 같이 파일의 수평변형률(
)이 직경의 10%(
=10%; 여기서 
:파일두부의 수평변위량)에 해당하는 하중을 지지력으로 결정하였다.
각 조건별 마이크로파일의 수평지지력은 식 (1), (2)와 같이 수평지지력비(Horizontal bearing capacity ratio, BCR)로 환산해 비교･분석하였다.
(1)
(2)
여기서 
는 길이비에 따른 수평지지력비, 
는 각도에 따른 수평지지력비, 
는 L/d>20인 마이크로파일의 수평지지력, 
은 L/d=20인 마이크로파일의 수평지지력, 
는 수직 마이크로파일의 수평지지력, 
는 경사 마이크로파일의 수평지지력이다.
°)4. 결과 및 분석
4.1 파일인접 지반거동
Fig. 6은 파일두부의 수평변형률이 10% 이상 발생한 경우 파일길이비 L/d=20인 짧은 마이크로파일의 인접지반의 수평거동을 보인 것이다. Fig. 6(a)와 같이 수직 마이크로파일은 파일전체의 인접지반에서 지중변위가 발생하였다. 또한 작용하중을 지지하는 수동상태 지반의 파괴면은 주동상태 지반의 파괴면보다 크게 발생하였다. Fig. 6(b)와 같이 
+30°인 마이크로파일 역시 파일전체의 인접지반에서 지반변위가 발생하였고, 수동상태 지반이 주동상태 지반보다 파괴면이 크게 발생하였다.
Fig.7은 파일길이비 L/d=60인 마이크로파일의 인접지반 수평거동을 보인 것이다. Fig. 7(a)과 같이 
+30°인 긴 마이크로파일은, 짧은 마이크로파일과 달리, 전체 파일길이의 1/2에 인접한 상부지반에서 변위가 발생하였다. 또한 수동상태인 지반파괴면의 크게 형성되었고, 주동상태인 지반의 파괴면은 수동상태 지반에 비해 작게 발생하였다. 이 같은 지반거동은 Fig. 7(b)와 같이 
-30°인 경우와 
=+30°인 경우가 유사한 것으로 나타났다.
Fig. 8은 파일길이비 L/d=120인 마이크로파일의 인접지반에 발생한 지반수평거동을 보인 것이다. 시험결과 
=±30°인 마이크로파일에 인접한 지반의 변위는 L/d= 60인 경우와 유사하였다. 그리고 지표면에서 파일길이의 1/3에 인접한 지반에서 변위가 주로 발생하는 것으로 나타났다. 이와 같이 파일에 인접한 지반에 발생된 파괴영역이 달라지는 요인은 파일길이비에 따라 파일조건이 상이하고, 이 때문에 지반내 지반과 파일의 상호거동이 달라지기 때문으로 판단된다.
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Fig. 7. Horizontal behavior of soil around micropile for L/d=60 | |
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Fig. 8. Horizontal behavior of soil around micropile for L/d=120 | |
4.2 마이크로파일의 수평지지특성
Fig. 9는 각 조건별 마이크로파일의 수평지지력을 보인 것이다. Fig. 9(a)와 같이 L/d=20인 짧은 마이크로파일의 수평지지력은 0.0175～0.026kN이었고, 파일의 설치각도에 따라 지지력이 달라졌다. 파일의 설치각도 
=+30°인 마이크로파일의 수평지지력이 가장 큰 것으로 나타났다. 또한 
=-30°인 마이크로파일이 조건들 중 가장 작은 지지력을 보였다.
Fig. 9(b)와 같이 L/d=60인 긴 마이크로파일의 수평지지력은 0.03～0.053kN으로 각도에 따라 지지력이 달라졌다. 그리고 L/d=20인 경우와 달리 설치각도 -30°인 파일의 지지력이 가장 큰 것으로 나타났으며, 수직 마이크로파일의 수평지지력이 작은 것으로 나타났다. Fig. 9(c)와 같이 가는 마이크로파일은 파일설치각도에 따라 0.033～0.074kN으로 지지력이 달라지는 것으로 나타났다. 그리고 L/d=60인 경우와 같이 
=-30°인 파일의 지지력이 가장 컸으며, 수직인 파일의 지지력이 가장 작은 것으로 나타났다.
Fig. 10은 파일길이비(L/d)에 따라 달라지는 마이크로파일의 수평지지력과 지지력비(
)를 보인 것이다. Fig.10(a)와 같이 마이크로파일의 수평지지력은 모든 조건에서 길이비가 증가함에 따라 지지력이 증가하였다. 또한 L/d=20인 경우 
=-30°인 마이크로파일의 지지력은 최소인 것으로 나타났다. 이에 반해 L/d=60과 120인 경우에서는 수직 마이크로파일이 가장 작았으나, 
=-30°인 경우의 지지력이 가장 크게 발휘되었다.
Fig. 10(b)와 같이 L/d=60, 120인 수직 마이크로파일의 수평지지력은 파일길이 증가로 인해 L/d=20인 경우보다 각각 46%, 61%(
=1.46 and 1.61)지지력이 증가하였다. 또한 
=+30°인 마이크로파일은 L/d=60, 120인 경우가 L/d=20인 경우보다 지지력이 각각 72%, 84%(
=1.72 and 1.84)정도 증가하였다. 
=-30°인 마이크로파일의 수평지지력은 큰 폭의 지지력 증가를 보였는데 L/d=60인 경우 3배(
=3.03)정도, L/d= 120인 경우 4배(
=4.23)정도 지지력이 증가하였다. 이 처럼 파일길이비에 따라 지지력이 달라지는 요인은 파일길이 증가에 따른 주면마찰효과의 증가가 지지력증가에 기인하기 때문이다.
또한 시험결과를 통해 
=0°와 +30°인 경우에는 파일이 L/d=60 이상부터 대체로 지지력비가 일정해지나, 
=0°와 +30°인 경우에는 계속적으로 지지력비가 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 수평하중에 저항하는 마이크로파일과 지반의 상호거동이 달라 나타난 특성으로, 결과를 통해 
≥0°인 마이크로파일은 L/d≥60인 경우 길이비의 증가가 지지력의 증가에 기여하지 못하는 것을 알 수 있다. 이에 반해 
<0°인 경우 파일길이비의 증가는 마이크로파일의 수평지지력 증가에 기인하게 된다.
Fig. 11은 파일설치각도에 따라 달라지는 마이크로파일의 지지력비를 비교한 것이다. Fig. 11에서 보는 것과 같이, 
=+30°인 마이크로파일의 지지력비(
)는 1.25～1.42이었으며, 지지력이 수직(
=0°)인 경우보다 25～42% 정도 증가하였다. 그리고 
=-30°인 마이크로파일의 지지력비는 0.83～2.24로, 수직인 경우보다 지지력이 최대 2.24배 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 각 조건별 지지력비를 비교한 결과, L/d≤20인 마이크로파일은 설치각도 
=+30°로 하는 것이 지지력 증가에 효과적인 것으로 나타났다. 이에 반해 파일길이비 L/d≥60인 경우에는 설치각도 
=-30°인 경우가 크게 지지력이 증가하였다.
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Fig. 11. Comparisons of BCR with the installation angle, |
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Fig. 12. Behavior of micropile in soil with installation angle |
이와 같이 각도에 따라 마이크로파일의 수평지지력이 달라지는 요인은 Fig. 12와 같이 수평하중에 저항하는 파일역할이 서로 달라 발생된 것이라 할 수 있다.
Fig. 12(a)와 같이 양의 각도로 설치된 마이크로파일은 두부에 수평하중과 함께 수평하중의 분력인 압축력이 작용하게 된다. 그리고 파일길이비가 큰 긴 또는 가는 마이크로파일은 국부적으로 큰 휨 변위가 발생하게 되므로 일정길이비 이상부터는 지지력이 증가하지 않는 지지특성을 보일 것으로 판단된다.
이에 반해 Fig. 12(b)와 같이 음의 각도로 설치된 마이크로파일은 파일체에 수평하중과 분력인 인장력이 작용하게 되므로 앵커(Anchor)와 유사한 지지특성을 보이게 된다. 따라서 인장파일과 같이 파일길이비가 증가할수록 주면마찰력이 증가하게 되므로 파일의 수평지지력이 증가하는 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 파일의 길이비와 설치각도에 따라 달라지는 마이크로파일의 수평지지특성을 조사하기 위해 모형시험을 수행하였고, 마이크로파일의 수평지지력은 파일길이비와 설치조건에 따라 파일조건에 따라 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 또한 시험결과에 대한 세부사항은 다음과 같다.
(1)설치각도가 수직 또는 
=+30°인 마이크로파일은 파일길이비가 60 이상인 경우 파일길이에 대한 지지력비가 일정해지는 것으로 나타났으며, 이 경우 마이크로파일 길이의 증가는 수평지지력의 증가에 기인하지 못한다.
(2)설치각도 
=-30°인 마이크로파일은 길이비가 증가함에 따라 지지력 역시 증가하는 특성을 보였으며, 이 경우 파일길이의 증가는 마이크로파일의 수평지지력 증가에 기인한다.
(3)파일길이비 L/d≤20인 경우 설치각도 +30°인 경사 마이크로파일이 수평하중에 대한 저항성이 가장 컸으며, 수직인 마이크로파일보다 약 25% 정도 지지력 증가효과를 기대할 수 있다.
(4)파일길이비 L/d≥60인 경우에는 설치각도 -30°인 마이크로파일이 양 또는 수직인 경우보다 수평하중에 대한 저항성이 컸으며, 수직 마이크로파일보다 비해 최대 2.24배의 지지력 증가효과를 기대할 수 있다.
본 논문은 일부 시험조건을 고려한 모형시험결과만으로 제안된 것으로 보다 세부적인 마이크로파일 설치조건들을 고려한 수치해석 연구와 현장지반조건과 상이한 경우 지반과 파일의 상호거동이 다를 수 있어 현장시험을 통한 연구가 요구된다.
