1. 서 론
2. 개단말뚝의 폐색효과 이론
3. 현장 재하시험
3.1 지반조건
3.2 시험말뚝
3.3 동재하시험 및 정재하시험
4. 현장시험 결과 및 분석
4.1 PLR 및 IFR 측정결과
4.2 동재하시험 및 정재하시험 결과
5. 결 론
1. 서 론
최근 국내 및 해외에서 시공되는 구조물의 대형화로 인해 사용되는 말뚝기초 역시 대구경, 대심도 말뚝으로 설계되고 있다. 특히 강관말뚝은 기성말뚝으로 말뚝의 취급과 성능이 보장되고 이음이 용이하여 수요가 증가하고 있으며, 국내외 초장대 교량, 초고층 건물 시공 시 대구경 강관말뚝을 항타하여 시공하는 추세이다. 일반적으로 대구경 강관말뚝은 관입저항력을 감소시키기 위하여 선단부를 개방시킨 개단말뚝 형태로 시공하는 경우가 대부분이다. 개단말뚝의 경우 관입초기에는 폐단말뚝에 비해 지지력이 다소 떨어지지만 지반에 관입될수록 관내토 형성으로 인하여 선단부가 막히는 폐색효과가 발생한다. 이로 인해 개단말뚝이지만 관입깊이가 증가할수록 폐단말뚝의 지지력에 근접하게 되며, 이 때 폐색정도에 따라 말뚝의 침하 및 지지력 정도가 크게 달라지게 된다.
개단말뚝의 폐색효과에 대한 연구는 지반조건(Randolph et al., 1990; Kishida and Isemoto, 1977; Kraft, 1991), 말뚝조건(Klos and Tejchman 1981), 시공방법(Szechy, 1961; Nauroy and Le Tirant 1983; Brucy et al., 1991) 등 다양하게 진행되고 있다. 그러나 API(2007), FHWA(1997), AASHTO(2002)와 같이 다수의 설계기준에서 폐색효과와 말뚝 지지력 산정에 대한 기준을 명시하고 있지만 대부분 실내모형실험 또는 소구경 말뚝재하시험 결과로 최근 말뚝 설계 적용에는 제한적이다. 현재 시공되고 있는 대구경 항타 강관말뚝의 설계지지력 산정 시 직경변화에 따른 불확실성이 내재되어 있어, 과다 설계로 이어질 수 있고 이는 경쟁력 감소와 경제적인 손실을 불러일으킬 수 있다.
최근에는 CPT를 기반으로 하는 개단말뚝 지지력 산정방법에 관한 연구가 활발하게 진행중이다(Gavin and Lehane, 2003; Lehane et al., 2005; Schneider et al., 2008; Xu et al., 2008). 주로 이러한 CPT를 기반으로 한 지지력 산정방법은 폐색효과를 고려하기 위하여 콘 선단 저항치인 qc값의 결과를 이용하여 폐색효과와 상관관계를 규명하였다. 하지만 국내에서 CPT만큼 많이 수행되고 있는 SPT와 폐색효과에 대한 연구결과는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SPT 결과인 N값과 말뚝 폐색효과의 상관관계를 규명하고자 한다.
또한 많은 기존 연구들이 소구경 말뚝에 국한되어, 흔히 현장에서 시공되는 중･대구경 말뚝과 관련된 현장데이터 및 재하시험자료가 극히 드물기 때문에, 실제 말뚝 사이즈의 시험말뚝을 제작하여 현장재하시험을 수행하여 직경에 따른 말뚝의 폐색효과와 지지력과의 관계를 검토하였다.
2. 개단말뚝의 폐색효과 이론
강관말뚝에는 선단부가 막힌 폐단 강관말뚝과 선단부가 열린 개단 강관말뚝이 있으며 일반적으로 강관말뚝은 개단상태로 항타 시공된다. 말뚝의 극한 지지력은 계산의 편의상 독립적으로 산정된 주면마찰력과 선단지지력의 합으로서 나타나며, 이 때 선단지지력은 말뚝 폐색정도에 따라 완전개방상태일 경우 순단면적을 적용하고, 완전폐색상태일 경우 전체 선단면적을 적용하는 것이 일반적이다. 그 이유는 개단말뚝이 지반에 관입될 때 말뚝 속으로 밀려들어간 흙으로 인하여 말뚝의 선단부가 막힌 것과 유사한 효과를 발휘하기 때문이며 이를 개단 강관말뚝의 폐색효과(plugging effect)라고 하며 관입하는 동안에 흙과 강관 벽과의 마찰로 인하여 강관 내부에 흙마개(soil plug)가 형성된다.
말뚝의 폐색상태는 Fig. 1과 같이 크게 3가지 상태로 구분할 수 있다. 완전개방상태는 말뚝의 관입깊이와 관내토 길이가 같은 상태로 항타로 말뚝이 관입되는 만큼 관내토가 올라오는 상태를 의미한다. 부분폐색상태는 말뚝 관입깊이보다 관내토 길이가 작은 상태이며, 대부분의 대구경 말뚝이 이에 속한다. 마지막으로 완전폐색상태는 항타가 진행될수록 관입깊이가 증가하지만, 더 이상 관내토가 올라오지 않는 상태로 이는 폐단말뚝과 유사한 거동을 나타낸다.
말뚝의 폐색효과를 정량화시키는 방법은 크게 plug length ratio(PLR)와 incremental filling ratio(IFR)로 나눌 수 있다. PLR은 항타시공 종료 후에 말뚝 관입깊이와 관내토 길이의 비로 다음 식 (1)과 같이 정의된다.
(1)
여기서, 
는 관내토 길이, 
는 말뚝 관입깊이이다.
또한 IFR은 말뚝항타 시공 중에 말뚝 단위관입깊이와 단위 관내토 길이의 비로 다음 식 (2)와 같이 정의된다.
(2)
여기서, 
는 단위 관내토 길이, 
는 단위 말뚝관입깊이이다.
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(a) Unplugged (b) Partially plugged (c) Fully plugged |
Fig. 1. The conditions of plugging effect (Paikowsky, 1989) |
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Fig. 2. Components of bearing capacity of open-ended pile, and force equilibrium of forces in soil plug element (Yamahara, 1964) |
개단말뚝의 경우, Fig. 2와 같이 지지력 성분을 세 가지로 구분할 수 있다. 외주면마찰력(Qout), 말뚝 순단면적에 해당하는 선단부지지력(Qtoe), 관내토지지력(Qplug)로 구분되며, 폐색상태에 따라 적용하는 값이 다르다. 여기서, 관내토지지력(Qplug)은 내주면마찰력(Qin)과 전체면적의 선단지지력(Qb) 중 작은 값을 의미한다. 이처럼 폐색효과는 강관말뚝의 거동과 지지력 특성에 큰 영향을 미치고, 부분폐색 상태일지라도 전체지지력에서 관내토지지력이 차지하는 부분이 큰 것으로 알려져 있다. 하지만 말뚝의 폐색정도가 개단강관말뚝의 거동 해석과 지지력 산정에 큰 영향을 미침에도 불구하고 현재 강관말뚝의 해석 및 설계 단계에서는 폐색효과에 대한 영향을 제대로 고려치 못하고 있는 실정이다.
3. 현장 재하시험
본 연구에서는 직경에 따른 개단말뚝의 폐색효과를 분석하기 위하여 3개의 시험말뚝을 제작하여 광양 OO 플랜트 현장에서 동재하시험 및 정재하시험을 수행하였다.
3.1 지반조건
지반조사는 시험말뚝에 인접한 총 2공(BH-1, BH-2)의 시추공을 통하여 지반 층서를 확인하였으며, SPT 및 실내 물성시험을 통하여 지반정수를 산정하였다. Fig. 3은 시험말뚝, 어스앵커, 시추공 위치를 나타낸 현장재하시험 모식도이다. 지반조건은 Fig. 4에 나타낸 바와 같이, 상부에 준설 매립층이 15m 정도 두텁게 분포하고 있으며, N값은 8～18 정도를 나타내고 있다. 본 현장 지반에서 준설 매립층 해당하는 지층의 시료를 채취하여 입도시험을 수행하였다. 시험 결과 준설 매립층은 비중(Gs)이 2.70이고, 균등계수(Cu)가 2.00, 곡률계수(Cc)가 1.01을 나타냈으며, 통일분류법 상 SP에 해당된다. 입도분포곡선은 Fig. 5와 같으며, 전반적인 지반물성은 Table 1에 정리하였다.
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Fig. 3. Site plan with location of field tests |
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(a) Subsurface soil profile |
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(b) N value from SPT |
Fig. 4. Soil profile with the borehole and embedment for test piles |
Table 1. Physical properties of in-situ soil | ||
Soil | Fill | Sand |
Total unit weight, | 17.6 | 18.0 |
Poisson’s ratio, | 0.3 | 0.3 |
Friction angle (degree) | 32 | 33 |
N value | 8～18 | 12～27 |
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Fig. 5. Grain size distribution | ||
(kN/m3)
3.2 시험말뚝
앞서 언급했듯이, 개단말뚝의 지지력 성분은 외주면마찰력, 말뚝 순단면적에 해당하는 선단지지력, 내주면마찰력(또는 관내토지지력)으로 구분할 수 있다. 이러한 개단말뚝의 모든 성분을 측정하기 위하여, 이중관 시험말뚝을 이용한 재하시험이 수행되어야 한다(Paik and Lee, 1993; Choi and O’Neill, 1997; Lehane and Gavin, 2001).
이중관 시험말뚝은 총 3본(외경: 508.0, 711.2, 914.4 mm)을 제작하였고, 말뚝의 제원 및 계측기 구성도는 Fig. 6과 같다. 개단말뚝은 말뚝관입깊이/말뚝직경의 비가 약 10∼17 이상일 경우 완전폐색상태가 되는 것으로 보고되고 있다(Beringen et al, 1979; Szechy, 1959; Klos and Tejchman, 1981). 이처럼 시험말뚝을 완전폐색상태로 가정하기 위하여 모든 시험말뚝의 L/D의 비를 약 16∼17로 고정하였다.
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(a) TP-1 (Outer diameter = 508.0 mm) |
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(b) TP-2 (Outer diameter = 711.2 mm) |
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(c) TP-3 (Outer diameter = 914.4 mm) |
Fig. 6. A schematic representation of instrumented piles |
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(d) Gap between the inner and outer piles in the tip | |
Fig. 6. A schematic representation of instrumented piles (Continued) | |
시험말뚝 항타 시, 계측기의 망실을 방지하기 위하여 내부말뚝과 외부말뚝 사이를 용접으로 말뚝 선단부를 밀폐시켰다. 또한 항타 시 전달되는 에너지를 최소화하기 위하여 낙하고를 0.3m로 고정하여 DKH-13 유압해머를 이용하여 시공하였다. 각 말뚝 두부에는 침하량을 측정하기 위해 2개의 선형변위계(LVDT)를 설치하였으며, 내부 및 외부말뚝에 심도별로 전기저항식 변형률계 20개, 진동현식 변형률계 12개를 각각 90° 방향으로 설치하였다.
본 연구에서는 항타 중에 IFR을 측정하기 위해 시험말뚝 상부에 미리 구멍을 뚫어 줄로 연결된 중력추를 설치하였다. IFR은 Fig. 7과 같이 측정되었고, 항타 중에는 측정자가 선을 고정시키며, 단위관입깊이가 들어간 시점에 항타를 잠시 멈춘 후 단위 관내토 길이를 측정하여 IFR을 산정할 수 있다.
3.3 동재하시험 및 정재하시험
동재하시험은 PDA(Pile driving analyzer)를 이용하였고 ASTM D4945 규정에 준하여 항타시공 직후(EOID: End of initial driving)에 실시하였다. 정재하시험은 시험말뚝 시공으로부터 45일 후에 ASTM D1143 규정에 준하여 수행하였다. 정재하시험 방법은 설계하중의 250%를 최대하중으로 설정하여, 재하(loading)와 제하(unloading)를 반복하는 방법으로 시험하였으며, 각 재하하중 단계는 최소 20분간 유지하며 제하단계에서는 10분씩 유지하였다.
4. 현장시험 결과 및 분석
4.1 PLR 및 IFR 측정결과
PLR과 IFR은 측정된 관내토 길이와 말뚝 관입깊이를 통해 산정할 수 있다. 일반적으로 말뚝의 폐색여부는 IFR로 판단하는데, IFR이 0과 100일 경우 각각 완전 폐색상태와 완전 개방상태를 뜻하며 0과 100 사이 값일 경우 부분폐색상태를 의미한다.
본 연구에서는 말뚝 직경에 따른 폐색효과를 살펴보기 위하여 3본의 시험말뚝을 대상으로 PLR과 IFR을 측정하였다. Fig. 8은 심도에 따른 PLR과 IFR의 변화를 나타낸다. Fig. 8에서 IFR은 세 말뚝 모두 0부터 100사이의 값을 나타내므로 부분폐색상태로 판단된다. 또한 말뚝 항타가 종료된 시점의 TP-1, TP-2, TP-3의 PLR값은 각각 0.44, 0.76, 0.85를 나타내며, 이는 말뚝 직경이 커질수록 폐색 정도가 감소하는 것을 의미한다. 이러한 측정 결과는 대구경 말뚝은 폐색이 되지 않는 부분폐색상태로 존재한다는 기존 연구 결과(Szechy, 1959; Kishida, 1967; Paikowsky, 1989)와 동일하게 나타났다.
CPT의 콘 저항치와 상대밀도에 관한 IFR에 대한 기존 연구 결과를 살펴보면 일반적으로 지반 상대밀도가 감소함에 따라 IFR이 함께 감소하는 경향을 나타낸다(Klos and Tejchman, 1977; De Nicola and Randolph, 1997; Paik et al., 2003). 하지만 SPT의 N값과 IFR의 관계에 대한 연구결과는 미비한 실정이다. 따라서 Fig. 9와 같이 심도에 따른 SPT의 N값과 측정된 IFR를 비교하여 상관관계를 검토하였다.
(a) 구간에서 N값은 증가하지만 IFR은 급격하게 감소하는 것으로 나타난다. 이러한 경향이 나타나는 이유는 관입초기에 지반의 흙은 전혀 다져지지 않은 상태로 일반적으로 완전개방상태로 존재하기 때문이다(Paikowsky, 1989). 완전개방상태의 IFR은 100%에 가까우며, 관입이 진행됨에 따라 폐색이 진행되므로, 관입초기에는 말뚝의 폐색효과가 지반조건과 무관하게 IFR이 감소하는 경향을 나타내며 이는 기존 연구 결과(Paik et al., 2003)와 유사한 경향을 보였다. (b)와 (d) 구간에서는 N값과 IFR이 모두 증가하는 것을 볼 수 있고, 반대로 (e), (f) 구간에서는 모두 감소하는 것을 볼 수 있다. (c) 구간의 경우 N값이 같은 경우 IFR이 감소하는 것으로 나타났다. 이 결과를 통해 N값과 IFR이 비례한다는 결론을 얻을 수 있다.
Skempton(1986)은 지반 상대밀도와 N값이 비례한다는 연구 결과를 제안했으며, 이를 통해 본 연구 결과가 지반 상대밀도와 IFR의 관계를 제안한 기존 연구 결과(Klos and Tejchman, 1977; De Nicola and Randolph, 1997; Paik et al., 2003)와 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
4.2 동재하시험 및 정재하시험 결과
시험말뚝 3본에 대한 CAPWAP 분석에 의한 지지력 및 Davisson 방법에 의한 항복하중 결과는 Table 2와 같이 정리하였다. TP-1, TP-2, TP-3의 극한 지지력은 각각 1,031, 2,240, 3,100kN을 나타냈다.
말뚝의 항타 관입성을 검토하기 위해 Fig. 10과 같이 관입심도에 따른 한타 당 관입량을 나타냈다. 말뚝 관입심도 4.5m 지점까지 TP-1의 한타 당 관입량은 TP-2와 TP-3보다 크게 나타나는 것을 확인할 수 있지만 심도 4.5m 이후의 세 말뚝의 한타 당 관입량은 모두 유사하게 나타났다. 관입초기에 TP-1의 한타 당 관입량은 TP-2, TP-3에 비해 크게 나타나지만, 관입이 진행될수록 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 직경이 큰 다른 말뚝에 비해 상대적으로 폐색이 어느 정도 진행된 것을 의미하며, 그 차이는 관입이 진행됨에 따라 관내토와 내부말뚝의 벽면 사이에 내주면마찰력이 발생하기 때문이다.
Fig. 11은 정재하시험을 통해 측정된 시험말뚝의 하중-침하 곡선을 나타낸다. 정재하시험 결과 TP-1, TP-2, TP-3의 극한지지력은 각각 1,000, 2,000, 3,000kN이다. 정재하시험 결과와 동재하시험 결과를 비교하면 값의 큰 차이가 없으며, set-up 효과는 나타나지 않았다.
하중 단계별로 내부말뚝과 외부말뚝의 하중전이 분포를 측정하였으며, Fig. 12와 같이 총 6개의 축하중 분포도(내부말뚝 3개, 외부말뚝 3개)를 나타냈다. Fig. 12(a), (c), (e)과 같이, 초기 하중재하 단계에서는 내주면마찰력이 발현되지 않는 것으로 나타났으나, 하중재하가 진행될수록 내주면마찰력이 발현되는 것을 볼 수 있다. 극한하중상태에서 내주면마찰력은 말뚝 선단부로부터 약 1.3∼2.3m 구간에서 대부분 발생하는 것을 확인할 수 있으며 이는 총 관내토길이의 약 18∼34%에 해당하는 구간이다. 이러한 결과는 항타말뚝의 관내토 하부에 단단한 층이 형성된다는 기존 연구 결과(Paikowsky, 1990)와 동일하다. 또한 Fig. 12(b), (d), (f)는 일반적인 말뚝의 외주면마찰력 발현으로 인한 축하중 분포 경향을 나타내고 있다.
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(a) Inner pile of TP-1 | (b) Outer pile of TP-1 |
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(c) Inner pile of TP-2 | (d) Outer pile of TP-2 |
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(e) Inner pile of TP-3 | (f) Outer pile of TP-3 |
Fig. 12. Axial load distribution of inner and outer pile | |
총 3본 시험말뚝에 대한 동재하시험 및 정재하시험에서 측정된 내주면마찰력, 순단면적 선단지지력, 외주면마찰력을 Table 3과 같이 정리하였다. 동재하시험 결과는 전단면적에 해당하는 선단지지력과 외주면마찰력에 해당하는 주면마찰력으로 구분하였다. 하지만 정재하시험 결과는 내주면마찰력, 순단면적 선단지지력, 외주면마찰력으로 구분되며, 내주면마찰력과 순단면적 선단지지력의 합은 동재하시험 결과의 선단지지력과 비교, 검토하였다.
정재하시험 결과, 총 지지력에 대한 내주면마찰력과 순단면적 선단지지력의 합의 비는 직경에 따라 42.0(TP-1), 41.7(TP-2), 29.7%(TP-3)를 나타냈으며, 이를 통해 직경이 증가할수록 내주면마찰력과 순단면적 선단지지력 합의 비가 감소하는 것을 알 수 있었다. 하지만 동재하시험 결과, 모든 시험말뚝의 선단지지력 비율은 약 30%로 나타난다. 이는 말뚝의 폐색효과를 검토하기 위해서는 동재하시험보다는 정재하시험이 적합한 것으로 판단된다.
5. 결 론
최근 강관말뚝의 사용이 증가하고 있으나, 직경에 따른 폐색효과에 관련된 연구는 제한적이다. 본 연구에서는 직경에 따른 개단말뚝의 폐색효과를 분석하기 위하여 3개의 시험말뚝을 제작하여 현장재하시험을 수행하였다. 폐색율을 나타내는 PLR과 IFR을 측정하여 지반조건, 말뚝직경와 같은 영향인자에 따른 폐색효과를 분석하였다. 본 연구결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1)본 연구에서 직경에 따른 말뚝의 항타관입성을 검토하기 위해 심도별 항타수를 측정하였다. 항타 시공 초기에 모든 말뚝은 완전개방상태로 존재하게 된다. 관입초기에 TP-1의 한타 당 관입량은 TP-2, TP-3에 비해 크게 나타나지만, 관입이 진행될수록 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 직경이 큰 다른 말뚝에 비해 상대적으로 폐색이 어느 정도 진행된 것을 의미하며, 그 차이는 관입이 진행됨에 따라 관내토와 내부말뚝의 벽면 사이에 내주면마찰력이 발생하기 때문이다. 이를 통해 말뚝직경이 증가할수록 폐색효과는 감소하는 것을 알 수 있다.
(2)IFR 측정 결과를 통해 SPT의 N값과 IFR의 비례관계를 확인하였다. Skempton(1986)은 지반 상대밀도와 N값이 비례한다는 연구 결과를 제안했으며, 이를 통해 본 연구 결과가 지반 상대밀도와 IFR의 관계를 제안한 기존 연구 결과(Klos and Tejchman, 1977; De Nicola and Randolph, 1997; Paik et al., 2003)와 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
(3)현장재하시험 결과, 극한하중상태에서 내주면마찰력은 말뚝 선단부로부터 약 1.3∼2.3m 구간에서 대부분 발생하는 것을 확인할 수 있으며 이는 총 관내토길이의 약 18∼34%에 해당하는 구간이다. 이러한 결과는 항타말뚝의 관내토 하부에 단단한 층이 형성된다는 기존 연구 결과(Paikowsky, 1990)와 동일하다.
(4)정재하시험 결과, 총 지지력에 대한 내주면마찰력과 순단면적 선단지지력의 합의 비는 직경에 따라 42.0(TP-1), 41.7(TP-2), 29.7%(TP-3)를 나타냈으며, 이를 통해 직경이 증가할수록 내주면마찰력과 순단면적 선단지지력 합의 비가 감소하는 것을 알 수 있었다.
