1. 서 론
2. 마이크로파일-레프트 시스템(Micropiled Raft System)
2.1 마이크로파일-레프트
2.2 연구 동향
3. 수치해석
3.1 수치 모델링
3.2 재료물성 값 및 해석조건
4. 마이크로파일-레프트의 거동 및 지지특성
4.1 기초시스템의 거동 및 지지력
4.2 토사층의 점착특성에 따른 기초시스템의 지지특성
5. 마이크로파일의 보강효과
6. 결 론
1. 서 론
마이크로파일은 대표적인 마찰파일로 지반을 직경 300mm이하로 천공하고 강봉 삽입 후, 그라우팅을 통해 지반 내에 형성시킨 소구경 현장 타설 말뚝을 말한다. 최근 기초보강 또는 신축을 위한 마이크로파일의 활용이 증가됨에 따라 몇몇 연구자들은 모형시험과 수치해석을 통해 마이크로파일-레프트(micropiled raft)의 지지 특성 및 파일의 설치방법 및 구조물 기초의 내진 향상과 관련한 연구들을 진행하였다. 또한 현장에 적용된 사례연구를 통해 기초에 대한 마이크로파일의 보강효과도 입증되었다(Lopes et al., 2020; Elsawwaf et al., 2023).
최근까지의 기존 연구결과를 검토한바, 마이크로파일-레프트의 거동이 기존 파일-레프트(piled raft)의 거동과 달리 파일의 강성조건과 관계된 파일 설치조건(파일길이, 직경 등)에 크게 좌우되며, 특히 파일길이비가 큰 가는 파일조건(slender pile condition)인 경우 파일의 구속효과(confined effect of pile)에 의해 마이크로파일의 보강효과가 크게 좌우됨을 알 수 있다(Tsukada, et al., 2006; Hwang et al., 2017). 또한 점토 성분 15%이상의 지반조건인 경우, 지반의 점착력 변화가 구속력에 의해 발휘되는 전단저항각의 변화보다 파일의 주면마찰력에 좀 더 영향을 끼치는 바, 흙 입자의 거칠기 뿐만 아니라 토사층의 점착력도 파일의 주면마찰력에 영향을 끼치는 주요 인자임을 확인할 수 있다(Potyondy and Eng, 1961; EI Kamash et al., 2020; Wang et al., 2021; Zhuang et al., 2023).
즉, 기존 연구결과들은 파일의 설치조건과 기초하부의 특성에 따라 마이크로파일의 보강효과가 상이할 수 있음을 예측할 수 있다. 그러나 대부분의 기존 연구들은 파일의 설치조건에 대한 마이크로파일-레프트의 지지력 증대효과에 초점이 맞춰져 있으며(Wang et al., 2019; Lee et al., 2021; Lee et al., 2022), 앞에서 언급한 바와 같이 상부 토사층의 점착특성에 따라 기초에 대한 마이크로파일의 보강효과가 달라질 수 있음에도 이를 고려하지 않은 문제가 있다. 이에 본 연구에서는 파일의 설치조건과 기초 하부 토사층의 점착특성에 따른 기초에 대한 마이크로파일의 보강효과를 평가하기 위해 3차원 수치해석을 수행하였고, 조건별 연구결과로부터 마이크로파일의 보강효과를 평가하였다.
2. 마이크로파일-레프트 시스템(Micropiled Raft System)
2.1 마이크로파일-레프트
마이크로파일은 Fig. 1과 같이 강봉과 그라우트로 구성된 파일이고, 설계시 파일의 직경(D)과 설치길이(L) 등 파일의 설치조건은 기초 상부 하중조건과 하부 지반 조건을 고려해 결정함이 일반적이다. 그리고 기초슬라브 내에 강결합 구조로 마이크로파일이 설치되는 기초시스템을 마이크로파일-레프트라 한다(Fig. 2). 이 기초시스템은 마이크로파일의 설치각도에 따라 연직과 경사 마이크로파일-레프트로 구분되며, 파일의 연직시공이 수월하므로 연직 마이크로파일- 레프트 형식이 주로 적용된다. 그리고 기초시스템의 설계는 다음과 같이 마이크로파일의 축강성(EPAP)과 지지력(Pc-allowable)에 대한 산정 결과를 고려해 시스템의 안정성 확보여부를 결정한다(FHWA, 2005).
여기서, EP와 AP는 마이크로파일의 탄성 계수와 단면적(=π·D2/4)이다. EST와 AST는 강봉의 탄성계수와 단면적(=π·dST2/4; dST=강봉의 직경)이고, EG와 AG는 그라우트의 탄성계수와 단면적(=π·D2/4−AST)이다. 그리고 Pc-allowable는 마이크로파일의 허용 압축지지력, D는 마이크로파일 직경, Lb는 정착 길이(=L-Lub; Lub=비정착 길이)이고, F.S는 안전율(F.S≥2.5)이다.
2.2 연구 동향
마이크로파일-레프트 관련 연구는 수치해석과 모형 및 현장시험을 통해 수행되었으며, 기존 연구를 통해 마이크로파일-레프트의 거동과 지지력이 파일의 설치조건에 크게 좌우됨을 보였다. Tsukada et al.(2006) and Elsawwaf et al.(2022)은 모형 시험 또는 수치해석을 통해 기초시스템에 설치된 마이크로파일 강성 파일 조건인 경우 연직으로, 연성 파일 조건인 경우 파일의 설치각도 30° or 45°를 적용함이 기초보강에 효과적이라고 제안하였다. 또한, Jung et al.(2009)은 마이크로파일과 전면기초의 하중분담률을 평가한바 파일의 경사각이 증가할수록 전면기초의 하중분담이 증가됨을 제안하였다.
또한 Hwang et al.(2017)은 모형시험과 수치해석을 통해 파일의 강성조건에 따라 연성 파일조건인 경우 마이크로파일-레프트의 지지특성은 상부지반의 특성에 크게 좌우됨을 제안한 바 있다. Hwang et al.(2019)은 현장시험과 수치해석의 비교, 분석결과를 통해 원형 마이크로파일의 거동 및 지지특성이 파일의 단면변화에 좌우됨을 크게 좌우됨을 보인 바 있다.
마이크로파일-레프트를 지지하는 마이크로파일의 거동 및 지지 특성에 관한 연구들도 진행되어 왔으며, 기존 연구결과는 파일의 단면과 파일에 인접한 지반의 조건에 마이크로파일의 지지특성이 크게 좌우됨을 보여주고 있다. 현장시험을 통해 파형 마이크로파일(waveform micropile)의 지지력에 대해 연구한 Jang and Han(2016; 2018), Kim et al.(2020) 그리고 Baek et al.(2023)은 파일의 주면이 파형인 경우 기존 마이크로파일 보다 1.7~3.2배정도의 지지력 증대효과를 보인다고 제시한 바 있다.
모형 시험을 통해 마이크로파일의 지지특성을 연구한 Moradi et al.(2021)은 파일의 인접지반의 상대 밀도는 파일이 지지력을 발휘하는데 중요한 인자이고, 파일의 직경 증가가 파일의 길이 증가 보다 파일의 지지력 증대에 좀 더 효과적임을 제안하였다. Hwang et al.(2022)는 6개의 현장에서 수행한 마이크로파일의 현장 압축시험을 통해 파일의 전체 침하량이 파일의 구성요소인 강봉의 직경 변화에 크게 좌우된다고 제안하였다. 이는 Shamy et al.(2020)이 제안한 바와 같이 기초내의 고정력과 말뚝의 좌굴율의 증가로 인해 파일길이의 증가가 마이크로파일의 지지력 증가에 제한적이라 할 수 있다.
3. 수치해석
마이크로파일-레프트에 관련한 기존 연구는 수치해석 또는 모형시험을 통해 수행되어 왔으며, EI. Kamash et al.(2017), Wang et al.(2019) 그리고 Capatti et al.(2020)의 연구에서 알 수 있듯이 수치해석방법을 통해 마이크로파일 또는 마이크로파일-레프트의 거동 및 지지특성을 평가하는데 문제가 없음을 확인할 수 있다. 또한 원형체를 대상으로 한 현장시험을 통한 연구가 가장 합리적일 것이나 이에 대한 시간적 경제적 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 수치해석방법을 통해 토사층의 점착특성과 파일직경을 달리하여 마이크로파일의 지지력 및 파일의 보강효과에 대해 조사하였다. 이때, 본 연구에서 활용한 프로그램은 지반공학 분야에서 지반 내 복잡한 구조물의 상호거동을 고려할 수 있는 상용 프로그램인 MIDAS NX(ver.340)이며, 마이크로파일과 같이 강봉과 그라우트로 구성된 소구경 파일의 거동을 연구하는 데에도 활용되고 있다.
설계시 직접 기초 또는 파일-레프트 등의 기초시스템에 대한 안정성 평가는 통상 단위길이인 1.0m인 2차원 연속 기초개념으로 수행하며, 기초 설치된 파일은 단항조건을 적용함이 일반적이다. 또한 기초 단일 재료로 시공하는 PHC파일과 강관파일 등 기존 파일과 달리 마이크로파일은 Fig. 1에 보인 바와 같이 재료 강성이 다른 철과 그라우트 구성된 복합재료의 파일이다. 이와 같은 파일구조를 고려하면, 마이크로파일 모델링시 Hwang et al.(2019)의 연구와 같이 2차원 수치해석의 선 요소(Beam element)로 모사하면 재료강성 차에 의해 강봉, 그라우트 및 지반 순으로 전이되는 마이크로파일의 하중전이특성을 고려하는데 한계가 있을 것으로 판단된다.
Fig. 3은 본 연구에서 검토한 마이크로파일과 지반의 거동과 조건별 마이크로파일체의 거동을 보인 것으로, 파일두부의 작용하중에 의해 발생되는 강봉과 그라우트의 변위영역이 상이함을 알 수 있다(Fig. 3b and 3c). 즉, 이 결과는 재료강성의 차로 강봉과 그라우트로 인해 부담하는 하중이 상이함에 따른 것으로, 마이크로파일의 하중전이특성으로 모사할 수 있는 3차원 해석모델이 적정한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 단위 길이 1.0m인 전면기초(raft only condition)와 마이크로파일-레프트를 대상으로 3차원 수치해석을 수행하였다.
3.1 수치 모델링
Fig. 4는 마이크로파일-레프트 지지력 평가를 위한 3차원 수치모델을 보인 것이다. 수치모델의 크기(폭×길이×높이, m)는 Fig. 4(a)에 보인 바와 같이 60.0m×1.0m×25.0m이다. 통상, 마이크로 파일에 대상 지층 조건은 보통 정도이하(N≤10/50~30/50)의 밀도를 가진 토사와 풍화암층이고, 마이크로파일의 정착부는 풍화암 이상의 강도를 가진 암반층이 대상이다. 또한 Hwang et al.(2022)의 연구에서 알 수 있듯이 국내의 암반층 심도는 10~30m 내외이며, 식 (1)과 (2)를 통해 산정되는 파일의 정착 길이는 4.0~6.0m이다(Lb=4.0~6.0m). 이와 같은 사항을 고려하여 토사층 조건은 중간 밀도의 흙 지반(Nave.=20)을 대상으로 하였으며, 이때 적용한 토사층의 두께는 16.0m이다. 지반의 점착력(c)이 기초시스템의 지지력과 마이크로파일의 주면마찰력에 관계된 주요 인자이므로 Fig. 4(a)와 같이 토사층의 점착력을 0.0~20.0kPa까지 달리 적용하였다.
지반 요소는 사면체 솔리드 요소이었고, 레프트와 마이크로파일에 인접한 요소는 촘촘히 형성시켰고(요소 크기=0.5m이하), 모델의 경계면에 인접한 요소는 느슨히 형성시켰다(요소 크기=2.5m). 모델의 바닥에 적용한 경계 조건은 수직과 수평 및 회전 변위를 구속하는 고정조건이다. 그리고 모델의 측면에 적용된 경계 조건은 횡과 종방향 변위의 구속 조건이다. 마이크로파일-레프트의 구성요소인 전면기초(Raft)의 크기(폭×길이×두께, m)는 Fig. 4(b)에 보인 바와 같이 3.0m×1.0m× 0.5m이고, 사면체 솔리드 요소(요소 크기=0.5m)로 모델링하였다. 이와 같이 모델링한 전면기초는 식 (3)의 강성지수(Kr)가 1이상인 강성 기초에 해당한다(Kr≈19.69; Das, 1983). 기초 위의 하중 조건은 Fig. 4(a)에 보인 바와 같이 등분포하중 조건이었고, 해석단계별로 증가시킨 작용압력의 크기(Δq)는 20.0kN/m2이다.
여기서, μS와 μF는 지반과 기초의 프아송 비, ES와 EF는 지반과 기초의 탄성계수이다. T는 기초의 두께이고, b는 기초 폭(B)의 1/2를 의미한다.
마이크로파일은 그라우트의 경우 솔리드 요소, 강봉의 경우 빔 요소, 그리고 케이싱은 쉘 요소로 모델링하였다. 마이크로파일의 전체길이(L)는 21m이며, 이때 풍화암층에 근입된 파일의 정착 길이는 5.0m이다. 통상 말뚝 간의 허용 간격이 3.0D이상 및 시공 중 파일간의 간섭 등을 고려하여 설계자는 기초 내에 2.0~2.5m의 설치간격으로 말뚝을 배치한다. 이에 그림 4(b)에 보인 바와 같이 모델링한 기초 폭(B=3.0m)을 고려하여 기초에 설치된 말뚝간격은 2.50m이다.
마이크로파일과 지반의 재료강성차를 고려하여 지반과 그라우트의 인터페이스 효과(zero thickness interface element)를 고려하였다. 이때 인터페이스효과는 프로그램에 의해 자동적으로 설정된다(MIDAS, 2010). 통상 현장에 설치되는 마이크로파일과 강봉의 직경은 100~300mm, 19~75mm이다(FHWA, 2005; Elsawwaf et al., 2022). 이를 고려하여 해석모델에 적용한 마이크로파일의 전체 직경은 100~300mm이고, 강봉의 직경은 10~75mm이다(D=100~300mm; dST=10~75mm).
3.2 재료물성 값 및 해석조건
수치 모델에 적용한 단위 중량(γ), 탄성계수(E), 프아송 비(μ), 점착력과 전단저항각(c' and φ') 및 재료의 항복 모델은 Table 1과 같다. 재료물성은 Table 1에 보인 바와 같이 지반분야 설계 시 적용되는 경험식(FHWA, 2005; KR, 2014)으로부터 구한 설계 값을 적용하였다. 마이크로파일은 복합재료인 강봉과 그라우트로 구성된 파일로, FHWA(2005)에서 제안한 바와 같이 파일과 지반의 강성 차로 강봉, 그라우트 및 지반 순으로 하중이 전이되는 특성을 보인다. 이와 같은 하중전이특성으로 고려하면 파일체에 하중전이 과정 중 재료강성이 가장 작은 지반이 우선 항복될 수 있으므로 재료의 항복모델을 달리 적용함이 타당한 것으로 판단된다. 이에 재료의 항복모델은 파일체의 경우 탄성모델(elastic model)을, 지반의 경우 모어-쿨롱의 모델(Mohr-coulomb’s model)을 적용하였다. 파일의 설치조건과 토사층의 점착특성을 고려한 마이크로파일-레프트의 지지력을 조사하기 위한 해석조건은 Table 2와 같으며, 기초시스템의 지지력은 설계시 적용되는 기초의 허용 침하량 25mm 이하임을 고려하여 허용침하량 25.0mm일 때의 작용압력으로 결정하였다.
Table 1.
Input data in numerical analysis
| Classification | Nave. | γ (kN/m3) | E (MPa) | μ | c' (kPa) | φ'(°) | Analysis model |
| Soil layer | 20 | 17.0 | 20 | 0.30 | 0 | 30° | Mohr-coulomb’s model |
| Weathered rock layer | 50 | 19.62 | 60 | 0.35 | 10 | 35° | |
| Steel bar | - | 78.5 | 210,000 | 0.35 | - | - | Elastic model |
| Grout | - | 23.5 | 23,200 | 0.175 | - | - | |
| Concrete | - | 23.5 | 71,500 | 0.175 | - | - | |
|
[Note] Elastic modulus of soil, ES = 1,000N (soil layer) or 1,200N (weatheredrock); FHWA (2005) Elastic modulus of grout, EG = (MPa), where σck = 24MPa; FHWA (2005) Elastic modulus of concrete (raft) : EC = , where σck = 20MPa (MPa); KR (2014) | |||||||
Table 2.
Conditions of micropiled raft in numerical analyses
4. 마이크로파일-레프트의 거동 및 지지특성
4.1 기초시스템의 거동 및 지지력
Fig. 5는 해석결과를 통해 조사된 Fig. 3(a)의 기초시스템 파괴거동을 육안 관찰이 용이하도록 측면 방향(y-방향)으로 나타낸 조건별 해석결과를 비교한 것이다. 이때, 기초시스템 파괴거동은 기초 폭(B)에 대한 침하(δ)가 10%이상 발생한 경우(파괴시, δ/B≥10%)이다. 기초시스템의 기호는 Table 3에 보인 것과 같이 전면기초(raft)의 경우 약자인 R, 마이크로파일-레프트(micopiled raft)의 경우 약자인 MR로 정하였고, 괄호 내의 내용은 파일과 강봉의 직경 및 점착력 순의 해석조건을 의미한다. 전면기초의 거동(R(0)~R(20))은 Fig. 5(a)~5(c)에 보인 바와 같이 전면기초의 하부 토사층 내에 지반변위가 집중되고, 기초에 인접한 지반 지표면까지 확장되었다.
Table 3.
Bearing capacity of foundation system for each conditions
또한 점착력이 증가함에 따라 지중 내 파괴 영역이 좀 더 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 기초시스템의 거동특성은 Fig. 5(d)에 보인 바와 같이 파일과 강봉의 직경이 작은 조건(본 연구, D=100mm이고 dST=10mm 조건)의 마이크로파일-레프트 거동에서도 관찰할 수 있었다. 또한 강봉의 직경과 점착력을 증가시킨 경우, Fig. 5(e) and 5(f)에 보인 바와 같이 파일에 의해 구속된 지반의 변위영역(붉은색의 변위영역)이 확장되었다. 이 파일조건은 파일에 의해 구속된 지반내 변위영역이 토사층내에 집중되고 기초의 인접지반 지표면까지 변위가 전이되는 특성을 보였다.
지반조건과 강봉 직경이 동일하고 파일의 전체직경을 증가시킨 경우, 기초시스템의 거동은 Fig. 5(g)와 5(j)에 보인 바와 같이 파일에 의해 구속된 지반의 변위영역(붉은색의 변위영역)이 견고한 풍화암층까지 좀 더 확장되었다. 지반조건과 파일의 전체직경이 동일하나 강봉의 직경을 증가시킨 경우 Fig. 5(g)와 5(h)에 보인 바와 같이 기초시스템의 거동 역시 파일에 의해 구속된 지반의 변위영역이 견고한 하부지반까지 확장되었다. 그러나, 파일과 강봉의 직경이 동일하고 토사층의 점착력만 증가시킨 경우 Fig. 5(h)와 5(i)에 보인 바와 같이 파일에 구속된 지반의 변위영역이 유사하였다.
Fig. 6은 수치해석을 통해 조사된 조건별 기초시스템의 작용압력-침하 관계를 보인 것이며, Table 3은 각 조건별 기초시스템의 지지력을 정리한 것이다. Fig. 6과 Table 3에 보인 바와 같이 전면기초인 경우 지지력은 140~207kPa이었다. 또한 점착력 c=0~30kPa이고 파일의 전체직경 D=100mm인 경우 마이크로파일-전면기초의 지지력은 220~348kPa, 파일의 전체직경 D=200mm인 경우 기초시스템의 지지력은 360~483kPa, 파일의 전체직경 D=300mm인 경우 기초시스템의 지지력은 460~569kPa인 것으로 나타났다.
4.2 토사층의 점착특성에 따른 기초시스템의 지지특성
토사층의 점착력 증가에 따른 각 조건별 전면기초(R)와 마이크로파일-레프트(MR)의 지지력 증가량(ΔqR(c) 또는 ΔqMR(c))는 다음과 같다.
(1) 전면기초의 지지력
Fig. 7은 토사층의 점착력 증가에 따른 전면기초의 지지력(qR)과 지지력 증가량(Δq(R))을 비교한 것이다. 점착력이 증가함에 따라 Fig. 7(a)에 보인 바와 같이 전면기초의 지지력도 증가하였으며, 전면기초의 지지력은 141.0~197.0kPa이었다. 또한 c′=20.0kPa인 경우 Fig. 7(b)와 같이 전면기초 지지력의 증가량은 67.0kPa이었고, 각 조건들 중 가장 최대였다.
(2) 마이크로파일-레프트의 지지력
Fig. 8은 파일의 전체직경에 따른 파일길이비와 마이크로파일-레프트의 지지력을 보인 것이다. 마이크로파일-레프트의 지지력은 파일의 전체직경이 증가함에 따라 증가하나, 동일 직경인 경우 강봉의 직경과 토사층의 점착력이 증가함에 따라 지지력도 증가하였다. 이는 강봉의 직경변화에 의한 파일의 강성변화에 기인한 것이라 할 수 있고, 이 결과는 파일길이비만으로 마이크로파일의 보강효과를 평가하는 데에 한계가 있음을 보여준다. 즉, 복합 재료로 구성되는 마이크로파일의 구조적 특성을 고려한 마이크로파일의 보강효과에 대한 적절한 평가를 위해서는 파일의 전체직경과 강봉의 직경을 함께 고려함이 적절한 것으로 판단된다.
Fig. 9는 토사층의 점착력에 따른 각 조건별 마이크로파일-레프트의 지지력(qMR)을 비교한 것이다. 파일 전체직경 D=100mm인 경우 토사층의 점착력에 따른 마이크로파일-레프트의 지지력은 220.0~348.0kPa이었고(qMR(100)=220~348kPa), 강봉 직경 dST=75mm이고 점착력 c′=20.0kPa인 경우 마이크로파일-레프트의 지지력이 최대였다(max.qMR(100-75-20)=348kPa). 전체직경 D=200mm인 경우 점착력에 따른 지지력은 360.0~483.0kPa이고, 전체직경 D=300mm인 경우 지지력은 460.0~569.0kPa이었다(qMR(200)=360~483kPa; qMR(300)=460~569kPa). 그리고 점착력 c′=20.0kPa 이고 dST=75mm인 경우 마이크로파일-레프트의 지지력이 최대였다(max.qMR(200-75-20)=483kPa; max.qMR(300-75-20)=569kPa).
Fig. 10은 토사층의 점착력 증가에 따라 동일 파일 직경과 강봉 직경을 가진 마이크로파일-레프트의 지지력 증가량(ΔqMR)을 비교한 것이다. 점착력 증가에 따른 파일직경 D=100mm인 경우 Fig. 10(a)에 보인 바와 같이 마이크로파일-레프트의 지지력 증가량은 26.0~60.0kPa이었다(ΔqMR(100)=26.0~60.0kPa). 직경 D=200mm와 300mm인 경우 마이크로파일-레프트의 지지력 증가량은 Fig. 10(b)와 10(c)에 보인 바와 같이 각각 21.0~47.0kPa이고 18.0~44.0kPa이었다(ΔqMR(200)=21.0~47.0kPa; ΔqMR(300)=18.0~44.0kPa). 또한 Fig. 10(d)에 보인 바와 같이 전면기초의 지지력 증가량이 가장 큰 반면, 파일직경이 증가함에 따라 마이크로파일-레프트의 지지력 증가량은 감소하는 경향을 보였다.
이 같은 마이크로파일-레프트의 지지특성의 변화요인은 Fig. 5에 보인 기초시스템의 거동특성으로부터 확인할 수 있다. 파일의 직경 D=100mm인 경우 기초시스템의 하부지반에 발생한 지중변위는 전면기초의 거동과 유사하게 상부 토사층내에서 지반 변위가 크게 발생하는 특성을 보인다(Fig. 5d~Fig. 5f). 이에 반해 파일의 전체직경 D≥200mm 인 경우 기초시스템의 하부지반에 발생한 지중변위는 Fig. 5(g)~Fig. 5(l)에 보인 바와 같이 파일에 의해 구속된 지반 내에서 집중되고 견고한 하부지반까지 확장되는 거동특성을 보인다. 즉, 마이크로파일-레프트의 지지력은 파일 직경이 작은 경우(본 연구 시, D=100mm) 상부 토사층의 특성에, 파일의 직경이 큰 경우(본 연구 시, D≥200mm)에는 상부 토사층보다 하부 지반의 특성에 좌우됨을 예측할 수 있다. 또한 이러한 특성으로 토사층의 점착력 변화에 따라 기초시스템의 지지력 증가량이 상이할 수 있음을 예측할 수 있다.
5. 마이크로파일의 보강효과
기초에 대한 마이크로파일 보강효과를 평가하기 위해 식 (6)과 같이 전면기초의 지지력을 각 조건별 마이크로파일-레프트의 지지력으로 나눈 기초시스템의 지지력비(Bearing capacity ratio of foundation system, BCR)를 고려하였다. 여기서, qR과 qMR은 동일한 지반조건인 경우 전면기초와 마이크로파일의 지지력을 의미하며, 식 (6)으로부터 구한 전면기초의 지지력비는 1.0이다(BCRraft=1.0).
파일의 축강성은 식 (1)에 보인 바와 같이 마이크로파일과 강봉의 직경을 함께 고려할 수 있으므로 파일의 단면변화에 따른 마이크로파일의 보강효과를 조사하는데 중요한 고려인자라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 파일의 축강성에 따른 마이크로파일의 보강효과에 대해서도 조사하였다.
Fig. 11은 파일직경과 식 (1)의 파일 축강성에 따른 기초시스템의 지지력비를 비교한 것이다. 여기서, Fig. 11(a)에 보인 바와 같이 직경별 지지력비는 D=100mm인 경우 약 1.33~2.06이었고, D=200mm인 경우 지지력비는 약 1.95~3.09이었다. 또한 D=300mm인 경우 지지력비는 약 2.40~3.72이었으며, 최대 지지력비는 3.72인 것으로 조사되었다. 이 결과는 동일한 지반조건인 경우 최대로 기대할 수 있는 마이크로파일의 보강효과는 3.7배 정도로, 마이크로파일 보강 시 전면기초의 지지력보다 최대 3.72배 증가되었음을 보여준다.
또한, 파일의 축강성 EPAP ≥ 1.0×106 kN이면 Fig. 11(b)에 보인 바와 같이 점착력 증가에 따른 지지력비의 감소량이 큰 반면, 축강성 EPAP < 1.0×106 kN이면 점착력 증가에 따른 지지력비가 상대적으로 유사해지는 특성을 보였다. 또한 파일의 축강성 EPAP ≥ 1.0×106 kN이면 기초에 대한 마이크로파일의 보강효과는 약 2.0배 이상을 기대할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 Fig. 9와 10(d)에 보인 바와 같이 점착력 증가에 의한 전면기초의 지지력 증가량이 상대적으로 마이크로파일-레프트의 지지력 증가량 보다 상대적으로 크기 때문이라 할 수 있고, 이 결과를 통해 파일의 축강성 EPAP ≥ 1.0×106 kN이면 마이크로파일의 보강효과는 기초하부의 토사층 특성보다 하부 암반층의 특성에 좀 더 좌우됨을 예측할 수 있다.
Fig. 12는 파일과 강봉의 직경 및 토사층의 점착력 변화에 따른 기초시스템의 지지력비를 비교한 것으로, 토사층의 점착력이 증가함에 따라 기초시스템의 지지력비는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Fig. 10의 결과에 보인 바와 같이 전면기초와 마이크로파일-레프트의 지지력 증가량이 상이함에 따른 것이라 할 수 있다. 또한 Fig. 11과 12의 연구결과는 파일과 강봉의 직경이 증가함에 따라 마이크로파일의 보강효과는 증가하나, 비점착특성을 가진 토사지반에서 마이크로파일의 보강효과가 좀 더 효과적으로 발휘됨을 보여준다.
또한, Fig. 12의 연구결과는 기초하부 토사층의 점착력과 마이크로파일의 직경에 따른 기초에 대한 마이크로파일의 보강효과를 정량적으로 평가할 수 있음을 보여준다. Fig. 13은 Fig. 12의 연구결과를 토대로 토사층의 점착력에 따른 마이크로파일의 보강효과를 제시한 것으로, 이 결과를 통해 본 연구에서 고려하지 않은 조건에 대한 파일의 보강효과를 예측할 수 있다. 예를 들어, Fig. 13에 보인 바와 같이 기초하부 토사층의 점착력이 15.0kPa이고 마이크로파일과 강봉의 직경이 100mm와 30mm인 경우 마이크로파일의 보강효과는 약 1.5배 정도임을 예측할 수 있다(BCRMR(100-30-15)≈1.5).
6. 결 론
마이크로파일과 강봉의 직경 및 기초하부 토사층의 점착특성에 따른 기초에 대한 마이크로파일의 보강효과를 평가하기 위해 본 연구에서는 파일직경과 토사층의 점착력을 달리 적용하여 3D 수치해석을 수행하였다. 그리고 각 조건별 해석결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였으며, 세부적인 결론은 다음과 같다.
(1) 파일의 직경 D=100mm인 경우 마이크로파일-레프트의 파괴거동은 전면기초의 거동과 유사하게 기초하부 토사층에 지반 변위가 집중되는 반면, 직경 D≥200mm 인 경우 기초시스템의 파괴거동은 파일에 의해 구속된 지반 내에서 집중되고 견고한 하부지반까지 확장되는 거동특성을 보이는 것으로 나타났다.
(2) 마이크로파일의 축강성 EPAP < 1.0×106 kN이면 점착력 증가에 따른 기초시스템의 지지력비가 유사해지는 특성을 보이나, 축강성 EPAP ≥ 1.0×106 kN이면 점착력 증가에 따른 기초시스템 지지력비의 감소가 큰 것으로 나타났다.
(3) 마이크로파일의 직경 D≥200mm이고 파일의 축강성 EPAP ≥ 1.0×106 kN인 경우, 기초에 대한 마이크로파일의 보강효과는 2.0배 이상이고, 최대 3.7배 정도의 기초에 대한 마이크로파일의 보강효과를 기대할 수 있는 것으로 나타났다.
수치해석시 지반조건은 현장조건을 고려하여 토사층과 풍화암층으로 구성된 이중층 지반을 대상을 한 연구결과로 다층인 토사지반조건인 경우 마이크로파일-레프트의 거동 및 지지특성이 상이할 수 있어 이에 대한 추가 연구가 요구되며, 현장시험이 아닌 수치해석결과를 통해 구한 결과이므로 예비설계단계에서 기초 자료로 활용함이 타당한 것으로 판단된다.
