1. 서 론
2. 말뚝의 인발저항
3. 말뚝의 인발저항 평가를 위한 모형실험
3.1 흙 시료의 공학적 특성
3.2 직접전단시험
3.3 인발시험
3.3.1 시험장치 및 모형말뚝
3.3.2 시험방법 및 내용
4. 실험결과 및 분석
4.1 직접전단시험 결과
4.2 모형인발시험 결과
4.3 분석 및 고찰
4.3.1 세립분 함유율에 따른 강도정수(c-ø) 관계
4.3.2 상대밀도에 따른 세립분 함유율과 인발저항 관계
5. 결 론
1. 서 론
말뚝기초는 다양한 사회기반구조물의 하중을 지지하는 기초 구조물로서, 지반이 연약하여 상부 구조물의 하중을 지지할 수 없는 경우에 적용한다. 또한 지하수위가 매우 높아 직접기초 설치가 곤란한 경우, 국부적으로 작은 면적에 비해 높은 집중하중이 발생하는 경우에 하중을 깊은 심도의 지지층에 전달하기 위해 적용하는 기초공법이다(Cho and Kim, 2010; Park et al., 2017; Yang et al., 2015). 이와 같은 말뚝기초는 재료적 특성에 따라 크게 강관말뚝, PHC말뚝 및 현장타설말뚝으로 구분되며, 주로 상부구조물에 의해 지반에 전달되는 압축하중에 저항하도록 설계･시공되어 왔다. 그러나 양압력을 받는 부상방지용 기초, 송전탑 및 해양플랫폼에 적용되는 기초와 같은 동적하중에 의해 말뚝의 인발하중이 지속적으로 발생하는 경우에는 기초 구조물과 지반 경계면에서의 마찰력이 구조물 안정성에 중요한 요소로 작용하게 된다(Lim and Seo, 2002). 특히, 최근에 국내에서 빈번하게 발생하고 있는 지진에 의한 동적하중은 지반변형과 함께 말뚝의 인발을 가속화시키는 원인이 되기 때문에, 말뚝의 인발거동은 구조물 안정성에 매우 중요한 평가인자라 할 수 있다.
과거 국내에서는 상부 구조물의 하중조건에 의해 주로 압축하중을 받는 말뚝시공이 다수를 이루고 있는 반면에, 인발하중에 저항하는 말뚝이 요구되는 구조물의 시공 사례가 드물기 때문에, 관련연구가 미진하였다. 그러나 최근의 기후환경 및 구조물 시공 조건이 다양해지면서 말뚝의 거동과 관련한 다양한 실험적 및 수치해석적 연구가 진행된 바 있다(Kumara et al., 2016; Ha and Han, 2016; Hosseini and Rayhani, 2017). 특히, Lim and Seo(2002)는 해양 구조물 기초로 사용되는 현장타설말뚝의 단방향 인발주기 하중의 패턴에 대한 거동특성 분석을 위하여 실험적 연구를 수행하였다. Kim(2008)은 지반의 상대밀도, 근입비 및 경사 변화에 따라 말뚝의 인발거동 특성을 분석하여 관련된 인발저항 산정식을 제안하였다. Cho and Kim(2010)은 인발력에 효과적으로 저항하기 위한 선단확장형말뚝을 이용하여 실험적･수치해석적 연구를 통해 주면마찰력을 고려한 하중분담효과를 분석하였다. Park and Chun(2016)은 매입말뚝의 인발거동 특성을 파악하기 위하여 정적 인발재하시험을 실시하여 주면마찰력 산정식과 비교하였으며, 동재하시험을 실시하여 정적 인발재하시험 결과와 비교･분석하였다. 국외의 경우 대표적인 말뚝 인발거동에 관한 연구로는 Meyerhof(1959, 1976) 및 Meyerhof and Adams(1968)가 말뚝의 인발저항력은 말뚝과 지반의 경계면에서 발생하는 주면마찰력에 의존하는 것으로 분석하여 인발저항력 산정식을 제안하였으며, Das and Seeley (1975)는 Meyerhof 이론에 한계깊이 개념을 기반으로 모형실험을 통한 실험식을 제안하였다. 또한 O’Neill and Reese(1999)은 현장타설말뚝의 인발저항 특성을 포함하여 말뚝의 안정성 및 설계 등에 대한 연구결과를 보고하였으며, O'Neill et al.(1992)은 소형 압력토조를 이용하여 인장 말뚝에 대한 안정성을 평가하였다.
한편, 앞서 언급한 말뚝의 종류 중, 현장타설말뚝은 다른 종류의 말뚝에 비해 인발저항에 효과적인 것으로 알려져 있으며, 토사지반에 지지되는 경우에는 말뚝주면에서 충분한 마찰지지력이 발현되는 경우에는 경제성을 확보할 수 있다. 또한 대규모 상부하중에 대한 지지력을 확보하기 위해 말뚝선단을 암반에 지지시키는 대구경 현장타설말뚝 이외에, 요구되는 지지력 조건에 따라 토사지반에서 선단지지력 및 마찰지지력을 발휘함과 동시에 인발저항에 효과적인 중구경 현장타설말뚝을 적용하는 경우에는 보다 합리적인 기초구조물로의 활용이 가능하다. 이에 국외에서는 중구경 현장타설말뚝을 다양하게 구조물 기초로 활용하고 있지만, 국내에서는 시공의 편이성 및 품질관리의 신뢰성 저하로 아직까지 활성화되지 못하고 있다. 그러나 최근 국내에서 종종 발생되고 있는 지진과 같은 다양한 환경변화 및 현장조건에 따라 인발저항에 효과적인 중구경 현장타설말뚝에 대한 연구가 수행되고 있다(You et al., 2017).
본 연구에서는 중구경 현장타설말뚝의 합리적인 설계방안을 마련하고자, 현장타설말뚝의 인발저항에 있어서 지반의 상대밀도와 세립분 함유율이 말뚝의 인발저항 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 직접전단시험과 말뚝의 모형인발시험을 수행하였다. 또한 시험결과를 바탕으로 지반의 상대밀도 및 세립분 함유율과 말뚝의 인발저항 관계를 분석하였다.
2. 말뚝의 인발저항
말뚝의 인발저항을 평가하는 방법에는 인발정재하시험, 압축정재하시험 및 산정식에 의한 방법이 있으며, 인발정재하시험에 의한 결과의 신뢰도가 가장 높은 것으로 알려져 있다. 인발저항력을 인발정재하시험으로부터 구할 수 없는 경우에는 압축정재하시험에서 구한 주면마찰력을 바탕으로 인발저항력을 평가할 수 있다(Park and Chun, 2016). 앞의 두 경우에는 현장시험을 통해 가능한 경우이며, 실내실험을 통한 인발저항 특성 평가시에는 일반적으로 산정식에 의한 방법을 활용하게 된다. 즉, 말뚝의 극한인발저항은 순 인발저항과 말뚝의 자체 중량의 합으로 나타나게 되는데, Meyerhof and Adams (1968)는 지반 내에서 말뚝의 순 인발저항은 지반과 말뚝표면 사이에서 발생하는 마찰력에 의존하는 것으로 보았으며, 이를 바탕으로 말뚝의 인발저항 산정식은 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.
(1)
여기서, Pu는 인발저항력, Ca는 지반과 말뚝표면 사이의 부착력, 
는 유효 연직응력, Ku는 인발계수(지반의 내부마찰각에 영향을 받음), 
는 지반과 말뚝표면 사이의 마찰각, As는 말뚝의 표면적이다.
3. 말뚝의 인발저항 평가를 위한 모형실험
본 연구에서는 지반의 상대밀도와 세립분 함유율이 현장타설말뚝의 인발저항에 미치는 영향을 평가하고자, 세립분 함유율에 따른 지반의 강도변화 분석을 위한 직접전단시험을 실시하였다. 또한 직접전단시험에 적용한 동일한 시료를 이용해 상대밀도와 세립분 함유율에 따른 모형지반을 조성하여 모형말뚝에 대한 인발시험을 수행하였다. 이 때, 모형지반은 주문진 표준사와 세립토(#200 통과율 = 100%)를 혼합하여 조성하였으며, 상대밀도는 40%, 60%, 80%로 적용하였다. 그리고 말뚝의 주면마찰에 의한 인발저항 성능 평가를 위해 세립분 함유율 조건을 각각 5%, 7%, 10%, 15%, 20%로 적용하였다.
3.1 흙 시료의 공학적 특성
직접전단시험 및 인발시험에 적용된 흙 시료인 주문진 표준사 및 세립토의 물리적 특성 시험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 1 및 Table 1에 나타내었다. 먼저, 표준사의 입도분포시험 결과로부터 흙의 종류가 빈입도 모래로 확인되었으며, 세립토는 액성한계, 소성한계 및 소성지수가 각각 39.4%, 31.3% 및 8.1 정도로서, 통일분류법에 의해 저압축성 실트로 나타났다.
3.2 직접전단시험
세립분 함유율에 따른 지반의 강도특성을 평가하기 위한 흙의 직접전단시험은 표준시험방법(KS F 2343, 2007)에 의거하여 수행하였다. 먼저, 앞서 언급한 세립분 함유율에 부합하도록 표준사와 세립토를 중량비에 따라 교반한 후, 전단상자에 시료를 성형하였다. 그리고 각 시료에 대하여 50kPa, 100kPa, 150kPa의 수직응력 조건에서 전단을 실시하였으며, Fig. 2 및 Table 2는 각각 시험과정 및 시험내용을 나타낸 것이다.
3.3 인발시험
3.3.1 시험장치 및 모형말뚝
모형인발시험 수행에 있어서, 시험장치의 규모 및 모형말뚝 크기 등과 같은 요구조건을 분석하기 위하여 기존 연구를 참조하였다. Jeong et al.(2013)은 수치해석적 연구결과를 바탕으로 말뚝과 벽면 사이의 수평거리에 대한 영향범위를 평가한 결과, 말뚝 직경(D) 대비 2D에 해당하는 수평거리에서는 기초지반에 전해지는 하중의 영향이 거의 없는 것으로 평가한 바 있다. 또한 말뚝의 연직재하 시, 주면마찰에 대한 영향을 최소화하기 위해 말뚝의 근잎깊이를 1D로 평가하였으며, 연직응력은 깊이에 따라 급격하게 감소하기 때문에 그 영향을 무시할 수 있을 정도라 판단된 7D까지의 깊이로 기초지반을 형성시킬 수 있도록 하였다. 그러나 말뚝 직경 대비 영향범위가 다양하게 나타날 수 있기 때문에, 본 연구에서도 말뚝의 연직 및 인발하중재하 시, 주변지반의 영향범위를 고려할 수 있는 시험장치의 규모 및 말뚝 크기를 결정하기 위해 수치해석적 연구를 선행한 바 있다(You et al., 2017). 이를 바탕으로, Fig. 3에서 보는 바와 같이, 토조의 크기는 직경 28cm, 높이 56cm로 제작하였고, 토조 내부의 측면마찰을 저감시키기 위해 크롬으로 표면처리를 실시하였다. 또한 인발시험을 위한 모형말뚝은 직경 및 길이를 각각 5cm와 40cm로 적용하였으며, 지반 내에서 일정한 마찰저항을 발현시키기 위하여 강봉으로 제작된 모형말뚝에 일정한 사포(sandpaper)를 균일하게 부착하여 현장타설말뚝을 모사하였다(Fig. 4).
3.3.2 시험방법 및 내용
인발시험을 위한 토조 내 모형지반은 직접전단시험과 동일하게 중량비를 이용하여 세립분 함유율을 고려하여 조성하였다. 또한 지반의 상대밀도 및 세립분 함유율과 인발저항과의 관계를 분석하기 위하여 각각의 상대밀도를 구현할 수 있도록 다짐램머를 제작･적용하였다. 이 때, 상대밀도에 따른 모형지반 조성은 세립분 함유율별로 나타난 최대건조단위중량 및 최소건조단위중량 결과를 이용하여 각 상대밀도 조건에 요구되는 단위중량을 역산하여 시료를 준비하였다. 그리고 상대밀도별로 다짐램머가 동일한 높이에서 낙하 시 발생하는 다짐에너지를 램머 중량으로 조절할 수 있도록 하였다. 즉, 각각의 상대밀도를 구현할 수 있는 단위중량 조건과 제작된 다짐램머를 적용하였으며, 다짐은 3cm 높이로 하여 층다짐을 실시하였다.
시험순서를 요약하면, 모형말뚝의 선단이 지지되는 지반을 조성한 후, 말뚝이 토조 중앙에 위치할 수 있도록 가이드를 이용하여 거치시키고, 토조 상부까지 층다짐을 실시하여 균질한 지반을 모사하였다. 그리고 말뚝두부를 인발 또는 연직하중재하가 가능한 재하판 소켓에 연결하여 인발시험을 진행하였다. 말뚝의 인발속도는 0.0025mm/min ~ 2.5mm/min이 가능한 모터를 이용하여 1mm/min으로 적용하였으며, 40mm의 인발변위가 발생할 때까지 로드셀과 LVDT를 이용하여 인발하중 및 인발변위를 계측하였다. Fig. 5는 시험과정 및 계측장비를 나타낸 것이다.
앞서 언급한 바와 같이, 지반조건에 따른 말뚝의 인발시험은 상대밀도 및 세립분 함유율 변화에 따라 총 15cases를 실시하였으며, 시험내용은 Table 3에서 보는 보와 같다.
4. 실험결과 및 분석
4.1 직접전단시험 결과
인발시험에 적용되는 모형지반의 세립분 함유율에 따른 직접전단시험 결과를 Fig. 6에 나타내었으며, 시험결과를 바탕으로 산정된 각각의 강도정수를 Table 4와 같이 요약하였다.
Fig. 6에서 보는 바와 같이, 세립분 함유율에 관계없이 약 4% ~ 8%의 전단변형률에서 최대 전단응력 발생 후, 전단파괴가 나타나는 것으로 확인되었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 최대전단응력과 수직응력에 대한 Coulomb의 전단방정식을 이용하여 강도정수를 산정한 결과, 세립분 함유율이 증가할수록 내부마찰각이 감소하였으며, 점착력은 증가하는 것으로 확인되었다. 다만, case DS-05 (세립분 함유율 5%)의 경우에 내부마찰각이 전체적인 감소경향에 대비해 다소 작게 나타난 것으로 확인되었다. 이는 실험적 오차가 반영된 것으로 추정되었지만, 그 정도가 전체적인 강도변화 경향에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 판단되었다.
4.2 모형인발시험 결과
직접전단시험 시에 적용한 시료와 동일한 중량비를 이용하여 세립분 함유율에 부합하는 지반을 조성한 후, 모형말뚝에 대한 인발시험을 수행하였다. 이때, 전술한 바와 같이 상대밀도와 세립분 함유율이 말뚝의 인발저항 성능에 미치는 영향을 분석하고자, 상대밀도를 고려하였다.
Fig. 7에서 보는 바와 같이, 상대밀도와 세립분 함유율에 관계없이 말뚝의 인발변위가 약 3mm ~ 6mm에서 최대 인발저항력이 발현되는 것으로 나타났다. 또한 최대 인발저항력이 발현된 이후에는 인발저항력이 감소하면서 일정한 잔류강도가 유지되었으며, 이와 같은 경향은 상대밀도와 세립분 함유율과 관계없이 유사한 잔류강도 크기를 나타낸 것으로 확인되었다. 특히, 상대밀도에 따라 다소 차이는 있지만, 세립분 함유율이 증가할수록 최대 인발저항력은 다소 감소하다가 유사한 세립분 함유율 조건에서 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 이와 같은 현상을 상대밀도에 따른 세립분 함유율과 인발저항 관계로 고찰하였다.
4.3 분석 및 고찰
4.3.1 세립분 함유율에 따른 강도정수(c-ø) 관계
4.1절의 직접전단시험 결과, 지반 내 세립분 함유율에 따른 내부마찰각과 점착력의 변화특성을 정량적으로 파악할 수 있었다. 따라서 지반의 강도정수 변화에 있어서 세립분 함유율의 영향을 분석하기 위하여, Fig. 8(a)와 같이 세립분 함유율에 따른 내부마찰각 및 점착력에 대한 회귀분석을 수행하였다. 그 결과, 각각의 추세식을 도출할 수 있었고, 추세식의 신뢰도는 모두 95% 이상인 것을 알 수 있었다. 이를 바탕으로 내부마찰각과 점착력의 최대값, 최소값 및 각 세립분 함유율에 해당하는 값을 식 (2) 및 식 (3)에 적용하여 정규화하였다.
(2)
여기서, 
은 정규화된 마찰각지수, 
는 최대내부마찰각, 
은 최소내부마찰각, 
는 각 세립분 함유율에 해당하는 내부마찰각을 나타낸다.
(3)
여기서, 
는 정규화된 점착력지수, 
는 최대점착력, 
은 최소점착력, 
는 각 세립분 함유율에 해당하는 점착력을 나타낸다.
Fig. 8(b)는 상기 식 (2) 및 식 (3)을 이용하여 세립분 함유율에 따라 각각의 내부마찰각과 점착력에 의한 정규화된 결과를 나타낸 것이다. 시험결과와 동일하게 세립분 함유율이 증가함에 따라 내부마찰각은 감소하지만, 점착력은 증가하는 것으로 파악되었고, 세립분이 약 13%인 경우에 각 정규화 곡선이 교차하는 것으로 확인되었다.
4.3.2 상대밀도에 따른 세립분 함유율과 인발저항 관계
상대밀도에 따른 세립분 함유율의 변화가 말뚝의 인발저항에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 인발시험 결과를 Fig. 9와 같이 나타내었다. 동일한 세립분 함유율 조건에서의 말뚝의 인발저항은 상대밀도가 증가할수록 크게 나타는 것으로 확인되었다.
한편, 세립분 함유율이 약 13%까지는 모든 상대밀도의 조건에서 인발저항력이 다소 감소하는 경향을 보이고 있으나, 그 이상에서는 인발저항력이 증가하는 양상을 관찰할 수 있었으며, 그 증가율은 상대밀도가 클수록 크게 나타났다. 이러한 현상은 각 세립분 함유율에 대한 직접전단시험 결과(Fig. 8)를 이용하여 다음과 같이 설명할 수 있다. 말뚝의 인발저항 발휘에 기여하는 주변 지반의 전단강도 인자는 대표적으로 점착력과 내부마찰각을 생각할 수 있는데, 이 인자들은 세립분 함유율 약 13%를 전후로 하여 그 기여도가 상반되게 발휘되고 있다고 생각할 수 있다. 즉, 세립분 함유율 약 13% 이전에는 말뚝의 인발저항이 지반의 내부마찰각의 크기에 의존하여 발휘되므로 내부마찰각의 감소 양상과 같이 인발저항 값이 감소하고 있으며, 약 13% 이상에서는 지반의 점착력이 말뚝의 인발저항에 크게 영향을 미치기 때문에 점착력의 증가 양상과 같이 그 값이 증가하는 것으로 판단할 수 있다.
따라서 세립분 함유율에 따른 강도정수(
) 관계, 상대밀도에 따른 세립분 함유율과 인발저항 관계로부터, 본 연구에서 분석한 말뚝의 인발저항 성능은 세립분 함유율 약 13%를 전후로 하여 내부마찰각과 점착력의 기여도가 각각 다르게 나타나는 것으로 평가할 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 활용가치가 높은 중구경 현장타설말뚝의 합리적인 설계방안 정립을 위하여, 현장타설말뚝이 지지되는 토사지반을 대상으로 직접전단시험 및 인발시험을 수행하였다. 또한 시험 결과를 이용하여 지반의 상대밀도와 세립분 함유율이 말뚝의 인발저항 성능에 미치는 영향을 평가하였고, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 직접전단시험 결과, 세립분 함유율이 증가할수록 내부마찰각은 감소하였지만, 점착력은 증가하는 것으로 나타났다. 또한 모형말뚝에 대한 인발시험 결과로부터, 상대밀도와 세립분 함유율에 관계없이 최대 인발저항력이 발현된 이후에는 유사한 잔류저항력이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 직접전단시험 결과를 이용하여 세립분 함유율에 따른 강도정수() 관계를 분석하기 위해 세립분 함유율에 따른 강도정수를 정규화하였다. 그 결과, 세립분 함유율이 증가함에 따라 내부마찰각은 감소하지만, 점착력은 증가하는 것으로 나타났으며, 세립분 함유율이 약 13%인 경우에 각 정규화 곡선이 교차하는 것으로 분석되었다.
(3) 상대밀도에 따른 세립분 함유율과 인발저항 관계를 분석한 결과, 세립분 함유율이 약 13%까지는 모든 상대밀도 조건에서 인발저항력이 감소하는 경향을 나타내었지만, 약 13% 이상에서의 인발저항력은 상대밀도가 증가할수록 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 이를 세립분 함유율에 따른 강도정수() 관계와 함께 분석한 결과, 말뚝의 인발저항 성능은 세립분 함유율 약 13%를 전후로 전단강도 인자의 기여도가 다르게 나타남을 확인할 수 있었다.
(4) 상기의 결과를 바탕으로 지반 내에 세립분 함유율에 따라 말뚝의 인발저항 성능에 요구되는 강도정수에 대한 영향인자가 다르게 나타나는 것으로 평가되었다. 따라서 현장타설말뚝 설계 시에 적용되는 마찰저항 효과는 지반의 세립분 함유율에 따라 기여하는 전단강도 인자를 평가해야 할 것으로 판단된다.
