1. 서 론
2. 3D FEM 수치해석
2.1 해석 모델링
2.2 지반 물성 및 구성 모델
2.3 수치해석 모델링 검증
3. 해석결과
3.1 하중분담율 분석
3.2 말뚝의 축력 분포 분석
3.3 기초판 부등침하 분석
4. 결 론
1. 서 론
대규모 구조물의 기초 설계에 있어서 충분한 지지력을 확보하고 침하량을 감소시키는 방법으로 사용되고 있는 말뚝지지 전면기초는 군말뚝과 기초판으로 이루어진 두 기초의 지지력이 동시에 발현되도록 하는 경제적인 기초 형태이다. 말뚝 두부의 기초판은 상부 구조물의 하중을 분산시키고 충분한 지지력을 확보하는 역할을 하며, 말뚝은 기초판의 과도한 침하를 억제시켜 상부 구조물을 지지하는 상호 보완적인 역할을 하고 있다. 하지만 말뚝지지 전면기초의 설계에 있어 말뚝 두부의 콘크리트 전면기초에 의한 지지력은 무시하는 보수적인 설계를 주로 이용하고 있다. 하지만 말뚝지지 전면기초의 기초판은 충분한 지지력을 발휘하여 기초에 가해지는 하중을 분담할 수 있어 기존의 설계 방식보다 효율적인 설계가 가능한 설계개념으로 전 세계적으로 활발히 연구가 진행되어오고 있다(Burland et al., 1977; Randolph, 1994; Katzenbach et al., 2000; Poulos, 2001; Mandolini, 2005; Reul et al., 2003; Katzenbach, 2005; Cho et al., 2010; Ko et al., 2017; Park, 2022; Park et al., 2022).
일반적으로 말뚝지지 전면기초는 실험을 통한 연구가 대부분을 이루고 수치해석을 통한 연구엔 많은 어려움이 따른다고 알려져 있다. 국내외로 수치해석 방법을 통해 말뚝지지 전면기초의 거동 분석 연구가 수행되었다. Cho et al.(2010)은 말뚝지지 전면기초에 수직하중이 작용하면 기초판에서 휨모멘트가 발생하고 말뚝으로 전달되는 것으로 분석한 바 있으며, Jeong et al.(2014)은 말뚝지지 전면기초의 거동에서 기초판의 하중 분담을 고려한 비선형적인 하중 분담과 침하를 연구하였다. Deb and Pal(2022)은 자체 개발한 구성 모델을 사용하여 말뚝 간격이 증가할수록 휨모멘트가 증가하고 기초판의 두께와 말뚝 길이를 변화하며 영향인자 분석을 수행하였다.
이처럼 말뚝지지 전면기초의 거동은 기존 연구자들에 의해 말뚝구조물에 집중된 연구가 진행되고 있으나, 기초판의 연성률에 대한 영향 분석은 미비한 실정이다. 이는 서로 다른 방식으로 지지력을 발휘하는 무리 말뚝과 상부 기초판의의 하중 분담률과 상부 구조물의 허용 침하량을 예측하는데 있어 두 형태의 기초가 함께 작용하는 것의 거동 특성을 예측하기 어려운데에서 기인한다(Park et al., 2012).
본 연구에서는 기존의 말뚝지지 전면기초의 말뚝 구조물의 집중된 연구에서 나아가 말뚝지지 전면기초의 기초판의 영향에 대한 해석을 진행하였다. Bhaduri and Choudhury(2019)에 따르면 기초판의 연성률이 말뚝지지 전면기초의 핵심 요인으로 나타난다. 따라서 기초판의 연성률에 따른 말뚝지지 전면기초의의 거동과 하중 분담, 축력 분포에 대해 연구하고자 하였다. 말뚝지지 전면기초의 기초판의 연성률에 대한 영향을 확인하기 위해 3차원 수치해석을 이용하여 기초판의 연성률에 따른 말뚝지지 전면기초의 전반적인 거동을 분석하였다. 기초판의 연성률은 Hain and Lee(1978)이 제안한 식 (1)에 따라 결정하였다.
여기서, ER은 기초판의 탄성계수이고 t는 기초판의 두께, B와 L은 기초판의 폭과 넓이, Es, νs는 흙의 탄성계수와 포아송비를 나타낸다. 기초판의 연성률에 따른 거동을 파악하기 위해 기초판의 두께를 변화시켜 연성률을 다르게 하였다. 기초판의 두께에 따라 여러 케이스를 나누고, 각각의 두께의 말뚝지지 전면기초를 사질토에 근입시킨뒤 집중 하중과 분포하중을 수직으로 작용시켜 해석을 진행하였다. 말뚝지지 전면기초의 하중분담률, 말뚝의 축력분포, 기초판의 부등침하 결과를 정리하고 그 원인과 연관관계를 분석하였다.
2. 3D FEM 수치해석
2.1 해석 모델링
본 연구는 3차원 지반 FEM(Finite Element Method) 해석 프로그램인 PLAXIS 3D를 사용하여 지반 및 말뚝지지 전면기초 해석을 수행하였다. 말뚝지지 전면기초는 3×3 배열의 무리말뚝과 말뚝 두부의 기초판으로 구성되어 있으며 말뚝 두부와 기초판은 고정된 상태로 모델링하였다(Fig. 1). 말뚝은 지름 0.5m, 두께 0.08m, 길이 15m으로 관형태의 콘크리트 말뚝으로 모델링하였다. 말뚝 사이의 간격은 말뚝 지름의 5배인 2.5m이며 기초판 플랜지의 넓이는 말뚝 지름의 2.5배인 1.25m로 모델링 하였고, 말뚝 간격은 5D로 설정하였다. 일반적으로 사질토 지반에 근입된 무리말뚝의 말뚝 간 간격이 3D 이상인 경우엔 무리말뚝 효과를 무시할 수 있다고 가정하므로, 본 연구에서 설정한 말뚝 간격 5D는 무리말뚝효과를 충분히 무시할 수 있다고 판단된다(KR CODE 2012, 2012). 또한, 말뚝 직경, 말뚝 간격, 기초판의 플랜지 길이를 고려하여 기초판의 폭은 7.5m이고, 넓이는 7.5m으로 모델링하였다(Fig. 1). 또한, 본 연구는 수직 하중만을 고려하였으므로, 기초판 중심에서 발생하는 하중에 대한 거동결과는 대칭으로 나타나게 된다(Fig. 1(a)). 따라서, 분석에 사용된 대표 말뚝은 구석(corner), 모서리(side), 중심(center)에 위치한 것으로 선정하였고, 각각 1, 2, 5번 말뚝으로 나타내었다. 본 해석은 하중 작용 조건 별로 말뚝지지 전면기초의 거동을 분석하기 위해 기초판 중앙에 집중하중(concentrated load)을 적용하고 기초판 전체에 분포하중(distributed load)을 적용하였다(Fig. 1(b)).
2.2 지반 물성 및 구성 모델
본 해석 시 기초판과 말뚝은 콘크리트로 가정하였으며, 탄성(elastic)모델을 적용하였고, 토사와 암반지반은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였다. 본 해석에서 적용된 토사와 암반은 일반적인 값으로 결정하였으며, 해석에 적용된 지반 물성은 Table 1로 정리하였다. 본 해석에서는 말뚝 선단이 지지된 조건(end bearing)과 마찰지지 말뚝(floating pile) 조건을 비교하기 위해 말뚝 선단부로부터 최하단까지를 암반 또는 토사로 변경하며 해석을 수행하였다(Fig. 2). 해석 대상 지반의 넓이는 Boussinesq stress contour에 따라 충분한 지지력을 발휘할 수 있도록 기초판 폭의 4배로 넓이의 4배인 폭 30m, 넓이 30m로 모델링 하였으며 지반의 깊이는 말뚝의 2배 깊이로 모델링 하였다. Fig. 2(a)는 지반 및 기초판의 위치와 mesh 생성 결과를 나타낸다. 여기서 기초판은 근입되지 않고 지표면에 접촉되어 하중전달이 가능한 상태이다. Fig. 2(b)는 선단지지말뚝 조건을 모사하기 위해 토사층을 15m까지 모델링하고 말뚝선단을 암반으로 모델링하였다. 마찰지지말뚝 조건은 Fig. 2(b)에서 암반층을 토사층으로 변경하여 토사층을 심도 50m까지 모델링하였다.
Table 1.
Material properties
|
Unit weight (kN/m3) |
Friction angle (deg.) |
Cohesion (kPa) |
Elastic modulus (MPa) |
Poisson’s ratio | |
| Sand | 16.5 | 35 | - | 50 | 0.3 |
| Weathered Rock | 20.0 | 45 | 100 | 500 | 0.3 |
| Pile and Raft | 24.0 | - | - | 30,000 | 0.2 |
본 연구에서는 말뚝지지 전면기초판의 연성률(KR)에 따른 영향을 분석하기 위해 기초판의 KR이 다양한 여러 케이스를 모사하였다. 이번 연구에서 일관된 기초판의 넓이를 유지하기 위하여 기초판의 폭과 넓이를 일정하게 고정하고, 기초판의 두께를 조절하여 연성률을 조정하였다. 즉, 기초판의 연성(flexible) 또는 강성(rigid) 거동을 결정짓기 위해 기초판의 두께를 다르게 하여 수치해석을 진행하였다. Hain and Lee(1978)은 KR이 0.01이면 연성거동을 보이고 그 이상에서는 강성거동을 나타낸다고 보고하였으므로, 본 해석에서 모델링한 기초판의 두께는 KR = 0.01, 1.00, 15.00에 따른 0.26m, 1m, 3m 3가지 경우로 모델링하여 연성거동과 강성거동의 차이를 분석하였다. 기초판에 가해지는 하중은 집중하중과 분포하중으로 나누어 각각 해석을 수행하였다. 1,000kN부터 4000kN, 93kPa부터 146kPa까지 4단계로 나누어 해석을 수행했다(Table 2). 여기서, 분포하중은 집중하중을 기초판의 면적만큼 나누어 계산한 값이다.
Table 2.
Parametric study cases
본 연구에서 사용된 수치해석 프로그램인 PLAXIS 3D의 말뚝-지반간 interface 조건은 마찰 감소 계수를 반영하여 Rint = 0.67로 산정하였다.
2.3 수치해석 모델링 검증
영향인자 해석에 앞서 2장에 나타낸 3차원 해석 모델링을 검증하기 위해 기존 연구에서 실시한 원심모형실험 결과와 비교하였다(Park and Lee, 2015). 원심모형실험은 실제 지반의 구속압 및 지반 구조물의 거동을 유사하게 모사할 수 있는 장점이 있는 것으로 알려져 있다. 본 해석의 검증을 위해 사용된 prototype model은 4x4 말뚝지지 전면기초의 형태이며, 기초판의 폭과 길이는 각각 15m이고, 말뚝의 직경 0.6m, 길이 15m이다. 기초판과 말뚝은 콘크리트로 가정하였으며, 탄성(elastic)모델을 적용하였고, 토사와 암반지반은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하여 해석을 수행하였다. 검증을 위한 지반 및 구조물 물성은 Table 3과 같다. 기초판 중앙에 집중하중을 가하여 기초판에서 발생한 침하량과의 관계를 기존 측정결과와 비교하였다. 검증결과, 본 연구에서 사용된 해석 모델링은 구조체가 소성거동을 보이는 수직하중 40MN 이상에서 침하량이 측정값과 유사하게 나타나는 것으로 확인되었다. 이를 바탕으로, 본 해석에서 사용된 모델링은 원심모형실험 거동을 모사할 수 있다고 보여, 본 해석을 수행하는 데 무리가 없다고 판단하였다(Fig. 3).
3. 해석결과
3.1 하중분담율 분석
말뚝지지 전면기초는 무리말뚝기초와 전면기초의 지지력으로 나누어 산정할 수 있고, 무리말뚝-지반-무리말뚝, 무리말뚝-지반-전면기초 사이의 상호작용으로 지지력 특성이 변화하는 특징을 가지고 있다(Liu et al., 1985). 본 연구에서는 말뚝의 지지력을 다음과 같이 식 (2)로 정의하였다.
여기서, Rpile은 각 말뚝의 지지력, Rend는 선단지지력, Rfric은 주면마찰력 이다. 또한, 전체 수직하중이 발생할 때 말뚝구조물의 지지력비율, 즉 무리말뚝의 하중분담율은 다양한 영향인자로 인해 변화하는 특징을 가지고 있다. 무리말뚝의 하중분담율은 다음 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, αpr은 말뚝의 하중분담율, Rpile는 말뚝의 지지력, Rtotal은 가해진 수직하중이다.
Fig. 4는 하중 조건과 선단지지 조건에 따라 수직하중을 받는 모래 지반에 근입된 말뚝지지 전면기초의 αpr결과이다. 전반적인 αpr은 약 0.70 이상으로 나타내었으며 하중이 커짐에 따라 αpr은 감소하는 경향을 나타냈는데, 이는 말뚝지지 전면기초에 수직하중이 발생하여 침하가 발생함에 따라 기초판과 지표면 접촉면에서 작용하는 지지력이 더 커지는 현상으로 보인다. Fig. 4(d)를 제외하고 KR = 0.01 조건에서의 αpr은 KR = 1, 15의 경우보다 낮게 나타났다. 이는 일반적으로 알려진 기초판이 연성 거동을 보일 때, 기초판의 접지압이 증가하게 되어 αpr이 감소하는 경향을 보였기 때문으로 판단된다. 본 해석 결과는 Hain and Lee(1978)에서 제안한 KR = 0.01일 때, 기초판이 연성 거동을 보이며 αpr이 감소한다는 결과와 유사한 경향을 보였다. Fig. 4(b)는 마찰말뚝 조건에 집중하중이 작용했을 때 결과이다. 집중하중이 작용하는 경우, 분포하중이 작용하는 조건보다 αpr 변화율은 더 크게 나타났다. 집중하중이 작용하는 조건에는 앞서 언급한 Hain and Lee(1978)의 KR = 0.01인 경우에서만 αpr이 감소하는 결과와는 다른 경향을 보였으며, 기준값을 특정하기 힘든 것으로 나타났다. Fig. 4(c)는 선단지지말뚝 조건에 분포하중이 작용할 때의 결과이다. 선단지지말뚝 조건에서는 αpr가 마찰말뚝 조건보다 높게 나타났으며, 연성거동 기준은 0.01로 Fig. 4(a)와 동일하게 나타났다. Fig. 4(d)는 선단지지 조건에 집중하중이 작용할때의 결과이다. KR = 0.01인 경우에 가장 αpr이 크게 나타나는 것으로 확인되었으며, KR = 15.0 일 때 가장 하중분담율이 낮게 나타났다. 이는 KR = 0.01 조건에서 기초판 외곽부가 상승하고 중앙이 하강하는 휨이 발생함으로 인해 외곽에 위치한 1번 말뚝에 인장력이 발생하였고, 결과적으로 기초판의 실제 접촉면적이 감소하여 기초판의 접지압이 감소하여 αpr이 크게 나타나는 것으로 확인된다.
3.2 말뚝의 축력 분포 분석
본 연구에서는 KR에 따른 말뚝의 선단지지력, 주면마찰력의 변화를 분석하기 위해 다음 식 (4)를 통해 각 조건에 대한 말뚝지지력 비를 분석하였다.
여기서, αfric은 전체말뚝 지지력 중 주면마찰력의 비이다.
Fig. 5는 KR = 0.01일 때, Fig. 6은 KR = 15.0일 때, 하중조건 및 선단지지조건에 따른 깊이별 말뚝 축력분포도를 나타낸 결과이다. 일반적인 강성거동을 보이는 말뚝지지 전면기초의 거동의 경우, Fig. 6과 같이 기초판 외곽에 위치한 말뚝(1번)에서 중앙에 위치한 말뚝(5번)으로 갈수록 말뚝에 발생한 축력이 감소하는 경향이 나타나게 된다. 그러나, 연성거동 조건 해석결과인 Fig. 5(a)의 경우, 말뚝에 발생하는 축력은 약 4% 차이를 보이는 것으로 나타났으나, Fig. 5(b)에서는 외곽에 위치한 1, 2번 말뚝 두부에서 최대 약 23% 정도 축력이 증가하는 것으로 나타났다. KR = 0.01일 때, 마찰말뚝 조건에서는 기초판의 연성 거동으로 인해 말뚝 두부에 작용하는 축력이 동일하게 나타났으나, 선단지지 조건에서는 선단부 암반으로 인해 말뚝의 침하가 억제되어 말뚝 위치별로 두부에 작용하는 축력이 달라지는 경향을 보인 것으로 판단된다. Fig. 5(c), (d)는 KR = 0.01일 때 집중하중이 발생하는 조건에서의 결과인데, 다른 조건들과 다른 경향을 가지는 축력분포도가 나타나는 것을 확인하였다. 기초판 중앙에 위치한 5번 말뚝은 다른 말뚝에 비해 약 3-4배 정도 큰 축력이 발생하였고, 외곽에 위치한 1번 말뚝에 인장력이 발생하는 경향을 확인하였다. 이러한 경향은 Fig. 4에서 나타난 KR = 0.01일 때 집중하중을 받는 경우 αpr이 다른 경향을 보인 원인으로 판단된다. 기초판의 두께가 너무 얇아져 외곽 말뚝(1번) 두부에 작용하는 축력에 인장력(-)이 발생하는 것이 원인으로 보인다.
분포하중이 작용하는 경우(Fig. 5(a-b), Fig. 6(a-b))에도 축력분포도 경향차이가 나타났다. 마찰말뚝 조건의 경우, KR = 0.01일때 1, 2, 5번 말뚝에서 축력 분포는 모든 심도에서 약 3% 내외의 차이를 가지는 것으로 나타났으나(Fig. 5(a)), 선단지지 조건의 경우에는 말뚝 두부 축력의 차이가 발생한 것에 비해 선단부 축력에서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다(Fig. 5(b)). 그러나, KR = 15.0일 때 5번 말뚝이 가장 작은 축력을 받았고 1번 말뚝이 가장 큰 축력을 받았는데, 그 차이는 약 12%였다. 선단지지조건의 경우, 말뚝 두부에서 발생한 축력은 5번 말뚝이 가장 낮고 1, 2번 말뚝은 유사한 값을 가지는 것으로 나타났으나, 말뚝 선단에서는 모든 말뚝 위치에서 유사한 축력분포를 기록하였다. 또한, Fig. 5(d)를 제외하면, 선단지지조건에서는 기초판의 연성률에 상관없이 말뚝 두부의 축력 분포가 유사하게 나타났다.
하중분담율과 축력분포에 대한 분석은 다음과 같다. 선단지지조건일 때, 하중조건에 따라 말뚝의 하중분담율은 다르게 나타났으며, 특히 집중하중조건에서 KR 이 낮을수록 하중분담율이 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 말뚝지지 전면기초의 기초판 두께가 충분하지 못해 외곽에 위치한 1번 말뚝 두부에서 발생하는 인장력이 원인으로 판단된다. 기초판 외곽에 위치한 1번 말뚝의 약 심도 6m 까지 인장력이 발생하여 축력의 손실을 야기하고(Fig. 5(d)), 이로 인해 중앙에 위치한 5번 말뚝에 하중집중현상이 발생하게 된다. 또한, 발생한 인장력의 원인은 기초판의 들림 또는 휨현상이므로, 이 현상으로 인해 지표면에 접촉된 기초판의 실제 접촉 면적은 감소하게 된다. 이러한 이유로 기초판이 가장 얇고(KR = 0.01) 선단지지조건에 집중하중이 작용하는 조건이 가장 높게 나타난 것으로 분석된다. 그리고, 기초판 두께가 충분히 확보된 경우(KR = 15.0)에는 하중조건에 따른 거동차이는 크게 나타나지 않는 것으로 확인되었다.
Fig. 7은 모래에 근입된 말뚝지지 전면기초의 KR에 따른 선단지지 조건별 αfric를 정리한 결과이다. 마찰말뚝의 αfric는 KR에 따라 조건별로 다른 경향을 나타냈으나, 전반적으로 마찰말뚝 조건이 선단지지 조건보다 높은 αfric을 나타냈다. Fig. 7(a)는 KR = 0.01일 때 분포하중이 작용할 때의 αfric 이다. 하중이 커짐에 따라 모든 말뚝의 αfric은 감소하는 경향을 나타내었으며, 선단지지 조건과 상관없이 유사한 경향을 나타내었다. 이는 일반적인 말뚝의 경향과 유사하게 나타났는데, 말뚝에 작용하중이 커짐에 따라 주면마찰력 비율은 줄어들고 선단지지력의 비율이 증가하는 경향을 보이는 것으로 알려져 있다. 그러나, 선단지지말뚝의 경우 αfric 크기는 말뚝 위치별로 다르게 나타났다. 이는 Fig. 5(a, b)에서 분석한 것과 같이 선단지지 조건의 경우 말뚝 선단에서는 말뚝 위치에 상관없이 축력은 일정하게 나타나지만, 두부 축력은 달라지는 것이 그 원인으로 보인다.
Fig. 7(b)는 KR = 0.01일 때 집중하중이 작용할 때의 αfric 경향을 정리한 내용이다. 먼저, 마찰말뚝 조건에서는 하중이 증가함에 따라 각 말뚝의 αfric이 다르게 나타났다. 1번 말뚝의 경우 증가하는 경향을 보였고, 2번 말뚝의 경우 0.8에서 0.6으로 급격하게 αfric이 변화하는 경향을 보였다. 5번 말뚝의 경우 αfric은 감소하는 경향을 보였으나, 0.4 미만의 값을 가지는 것으로 나타났다.
Fig. 7(c)는 KR = 15.0일 때 분포하중이 작용할 때의 αfric이다. 선단지지 조건은 모든 말뚝에서 하중이 커짐에 따라 αfric이 감소하는 경향을 보였다. 그러나 마찰말뚝 조건은 5번 말뚝에서 αfric이 증가하다 감소하는 경향으로 나타났다. Fig. 7(d)는 KR = 15.0일 때 집중하중이 작용할 때의 αfric이다. KR = 15.0인 조건에서는 하중조건과 상관없이 αfric은 거의 동일한 경향을 나타내었다. 마찰말뚝 조건에서 5번말뚝의 αfric은 증가하다가 감소하는 경향을 나타내었다.
3.3 기초판 부등침하 분석
본 연구에서는 KR에 따른 기초판의 부등침하를 분석하기 위해 식 (5)를 이용하여 부등침하량을 기초판의 두께로 나누어 부등침하율(εraft)로 환산하였다(Fig. 8).
여기서, δ은 부등침하량, Rt는 기초판의 두께이다. 본 연구에서는 기초판의 두께에 따른 기초판의 거동을 분석하였으므로, KR이 변화함에 따라 기초판의 두께 또한 달라지게 된다. 따라서, 부등침하량을 기초판의 두께만큼 나누어 두께 대비 부등침하 발생량으로 일반화하였다.
Fig. 9는 기초판의 εraft을 매개변수에 따라 나타낸 결과이다. Fig. 9(a)는 분포하중이 작용하는 경우의 εraft이다. 마찰말뚝 조건에서는 기초판의 εraft는 KR이 커질수록 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났고, 비교적 침하량은 일정하게 나타났다. 선단지지 조건에 분포하중이 작용할 때의 전반적인 εraft는 마찰말뚝 조건보다 작게 나타났으며, KR = 0.01인 경우, εraft은 말뚝이 위치한 곳에서 감소하는 경향을 보였으며, 기초판 가장자리에서 가장 큰 εraft를 나타내었다. Fig. 9(b)는 집중하중이 작용하는 경우의 해석결과이다. 집중하중이 작용함에 따라 모든 해석 조건에서의 εraft는 중앙이 가장 크게 나타났으며, 최대 εraft는 분포하중 조건과 거의 유사한 값을 나타내었다. 선단지지 조건일 때, KR = 0.01인 경우, 가장 εraft가 크게 나타났는데, 기초판의 양 끝단에서는 기초판의 휨으로 인해 들리는 현상이 발생하여 양(+)의 값이 발생하였고, 기초판 양 끝단이 들림으로 인해 하중이 중심으로 집중되어 침하량이 증가하는 현상이 나타났다.
연구 분석 결과, 모래지반에 근입된 말뚝지지 전면기초는 KR의 변화에 따라 큰 거동의 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 특히, 말뚝의 선단지지 조건(마찰말뚝 또는 선단지지말뚝)에 따라 거동차이가 큰 것으로 나타났다. 전체적으로 연성 기초판 조건이 강성 기초판 조건보다 더 침하율이 높게 나타났고, 연성거동을 보이는 기초판의 영향으로 말뚝이 위치한 곳은 강성이 높아 침하량이 감소하고 말뚝이 없는 곳에서 침하가 증가하는 거동을 보였다. 유연한 기초판의 거동은 기초판과 지표면의 실제 접촉 면적이 유지되어 기초판과 지표면의 접지압이 충분히 발생하여 αpr이 감소하는 경향을 보이게 되는 것으로 나타났다. 또한, 기초판의 침하량이 모든 위치에서 일정하게 유지되는 현상으로 인해 말뚝 두부에 가해지는 축력 또한 일정하게 나타나는 현상이 발생한 것으로 생각된다.
4. 결 론
본 연구에서는 기초판의 연성률(KR)에 따른 말뚝지지 전면기초의 하중분담율을 3차원 수치해석을 통해 분석하였다. 기초판의 연성률의 변화를 위해 기초판의 두께를 다르게 하여 서로 다른 KR을 가진 말뚝지지 전면기초와 및 선단지지 조건, 하중작용 조건에 따른 전반적인 조건에서 해석을 실시하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 말뚝의 하중분담율(αpr)은 기초판의 강성, 수직 하중, 말뚝의 선단지지 조건에 따라 변화하였다. 하중이 크고, 기초판의 연성률이 작을수록 αpr은 작게 나타났다. 또한 αpr은 선단지지말뚝 일 때 마찰말뚝 조건보다 더 크게 나타났으며, 하중에 따른 αpr의 감소율 역시 선단지지말뚝 조건에서 마찰말뚝 조건보다 작게 나타났다.
(2) 말뚝지지 전면기초에서 말뚝 두부의 축력 분포는 기초판의 연성률에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 연성 기초판(KR = 0.01)일 경우, 마찰말뚝 조건에서 기초 구조물 내부의 말뚝 위치에 상관없이 모든 말뚝에서 축력 분포는 동일한 경향을 보였다. 강성 기초판(KR >= 1)일 경우, 말뚝 위치에 따라 말뚝 두부의 축력이 다르게 나타났다. 특히 선단지지말뚝 조건에서 말뚝 간 축력의 차이가 더 크게 나타났다. 또한, 말뚝의 선단부 축력은 선단지지 조건에 주된 영향을 받았다. 마찰말뚝 조건에서 말뚝의 위치에 상관없이 모든 말뚝 선단에 같은 선단 지지력을 나타냈고, 선단지지말뚝 조건에서 서로 다른 값을 나타냈다.
(3) 말뚝지지 전면기초의 말뚝의 주면마찰력비(αfric)는 하중, 기초판의 연성률 그리고 말뚝의 선단지지 조건에 영향을 받았다. 연성 기초판(KR = 0.01)인 경우, 기초에 작용하는 하중이 커짐에 따라 모든 말뚝에서 αfric이 감소하는 것으로 나타났다. 강성 기초판(KR >= 1)의 경우, 하중이 증가함에 따라 대부분의 말뚝에서 αfric이 감소하였으나, 예외적으로 마찰말뚝 조건의 중앙말뚝(center pile)에서는 하중이 증가함에 따라 αfric이 증가하다 감소하는 경향이 나타났다.
(4) 기초판의 부등침하의 경우, 연성 기초판 조건(KR = 0.01)이 강성 기초판 조건(KR >= 1)보다 더 침하율이 높게 나타났고, 선단지지 조건인 경우, 말뚝이 위치한 곳은 강성이 높아 침하량이 감소하고 말뚝이 없는 곳에서 침하가 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 유연한 기초판의 거동으로 인해 기초판과 지표면의 접촉 면적이 유지되어 접지압이 충분히 발생하여 αpr이 감소하는 경향을 보이게 되고, 이로 인해 말뚝 두부의 축력이 일정하게 나타나는 것으로 판단된다.
