1. 서 론
2. 기본 개념
2.1 지반 침하 시 말뚝의 하중 전달 기전
2.2 지반 변형 대응형 말뚝 기초의 지반 침하 대응 메커니즘
2.3 지반 변형 대응 부재
3. 모형 실험
3.1 모형 토조 및 말뚝
3.2 모형 지반 조성
3.3 실험 조건 설정
4. 실험 결과 및 분석
5. 요약 및 결론
1. 서 론
향후 동남 아시아, 중동 및 아프리카에 위치한 극서지역(열대 우림 및 사막 기후 지역)에서 많은 사회기반시설의 건설이 기대되고 있다(Han and Park, 2020). 또한, 미개척 자원 채취에 대한 관심이 높아짐에 따라 극한지역(한대 및 냉대 기후 지역)의 개발 또한 적극적으로 추진되고 있다(Kim et al., 2019). 이처럼 사회기반시설의 수요가 증가하는 극서지 및 극한지 지역에는 환경적 요인으로 인하여 지반이 침하 및 융기할 수 있으며, 이러한 지반 변형을 고려한 사회기반시설의 설계 및 시공이 필요하다.
극한지 지반의 상부에는 계절에 따라 동결과 융해가 반복되는 계절적 동토층(활성층)이 존재하며, 활성층 아래에는 지반의 온도가 상시 영하로 유지되어 간극수가 동결되어있는 영구 동토층이 존재한다(Williams, 2005). 최근 지구온난화에 의해 극한지 기온이 상승함에 따라 동토 지반 지표면에 위치한 활성층의 두께가 깊어지고 영구 동토 내 간극빙이 점차적으로 융해되고 있으며, 이는 지반 침하를 발생시킬 수 있다(Guo and Wang, 2017). 일례로, Kanevskiy et al.(2012)에 따르면, 한대 기후에 속하는 알래스카에서는 지구 온난화에 따른 영구 동토층 내 간극빙 혹은 얼음층이 융해되고 있으며, 융해된 간극수가 배수되어 지반 침하가 발생하였다.
열대 우림 기후 지역인 동남 아시아 지역에는 두꺼운 점성토 연약 지반이 여러곳에서 넓게 분포하고 있다(Huang, 2010). 이러한 연약지반 위에 도로, 교량, 공항과 같은 사회기반시설이 건설되는 경우, 상부 하중에 의해 간극수가 배출되어 상당한 규모의 압밀 침하가 발생할 수 있다(Jeon and Jung, 2005). 한편, 사막 기후 지역인 중동 해안가 인접지에서는 해수가 유입된 후, 건조한 기후로 인해 간극수가 급속 건조되며 용해되어 있던 염분이 결정화된다. 이러한 결정화된 염분을 다량 포함하고 있는 Sabkha 지반이 중동 해안가 인접지에 다수 존재한다(Alshenawy et al., 2021). 이러한 Sabkha 지반에 강우, 해수의 재범람, 상하수도 관망의 파손 등으로 인해 수분이 재유입되는 경우, 결정화되어 있던 염분이 갑자기 용해되어 지반이 침하할 수 있다(Dhowian, 2017).
이처럼 극서지 및 극한지 지반은 다양한 요인으로 인하여 침하할 수 있다. 지반의 과도한 침하는 말뚝의 하중 전달 기전을 변화시킨다. 지반 침하 시, 말뚝과 지반의 강성 차이로 인해, 지반이 말뚝에 비해 하향 이동하며, 이는 말뚝 주면에 하향 전단응력을 발생시킨다. 이 하향 전단응력(혹은 마찰응력)을 부주면 마찰력이라 한다(Alonso et al., 1984). Lee et al.(2020)에 따르면, 말뚝의 직경이 증가할수록 주면이 넒어져 부주면 마찰력의 크기가 증가하며 이에 따라 말뚝의 침하량 또한 증가한다. 또한, 부주면 마찰력은 말뚝 단면에 작용하는 축력을 증가시키며, 말뚝 선단에 전달되는 하중을 증가시켜 말뚝의 안정성을 저해한다(Liu et al., 2012). 따라서 말뚝 설계 및 시공 시, 부주면 마찰력을 고려할 필요가 있다.
현재까지는 지반 침하 시 부주면 마찰력을 저감시키기 위해 말뚝 주면에 특정 재료를 도포하는 공법이 개발되고 적용되어 왔다. Koerner and Mukhopadhyay(1972)는 지반 침하 시 일반 말뚝과 역청재가 도포된 말뚝의 부주면 마찰력을 모형 실험을 통해 분석하였다. 분석 결과, 말뚝 주면에 도포된 역청재는 부주면 마찰력을 감소시켰으며, 감소 효과는 도포된 두께가 두꺼울수록 컸다. El-Mossallamy et al.(2013)은 지반 침하 시, 일반 및 역청재가 코팅된 콘크리트 말뚝에 작용하는 부주면 마찰력을 수치해석을 통해 분석하였다. 수치 해석 결과, 역청재가 코팅된 말뚝에서 부주면 마찰력이 최대 65%만큼 감소하였다. Feng et al.(2019)은 콘크리트 말뚝 주면에 파라핀-오일 혼합물, 나노 폴리머, 페인트가 도포된 말뚝에 대한 전단시험을 수행하여 부주면 마찰력 감소 효과를 분석하였다. 실험 결과, 모든 종류의 코팅 말뚝에서 부주면 마찰력이 감소하였으며, 파라핀-오일 코팅 말뚝에서 그 효과가 가장 큰 것을 확인하였다. 그러나 부주면 마찰력 저감을 위해 주면에 도포되는 역청재는 주로 다환 방향족 탄화수소를 포함하고 있으며, 이는 지하수 및 토양을 오염시킬 가능성이 있어 미국 환경 보호국에서 이를 오염물질로 식별하고 있다(Yeung et al., 1996). 따라서 말뚝 주면에 마찰 저감재를 도포하는 방안과 다른 기전으로 부주면 마찰력을 저감시킬 수 있는 방안의 개발이 필요하다.
이에 따라 본 연구에서는 말뚝의 일부를 침하와 융기와 같은 지반 변형에 대응이 가능한 부재(이하, 지반 변형 대응 부재)로 치환한 새로운 말뚝 기초 양식을 제안하고자 한다. 본 논문에서는 먼저 말뚝의 하중 전달 기전을 바탕으로, 지반 침하 시 부주면 마찰력을 저감시키기 위한 지반 변형 대응 부재의 대응 방식을 제시하였다. 지반 변형 대응 부재의 부주면 마찰력 저감 효과를 검증하기 위하여 지반의 침하를 모사할 수 있는 토조 및 모형 말뚝을 제작하였으며, 이를 활용하여 모형 실험을 수행하였다. 또한, 지반 변형 대응 부재가 적용된 말뚝과 일반 말뚝에 대한 모형 실험 결과 산정된 하중 전달 기전을 분석하여, 지반 변형 대응 부재의 삽입 유무 및 종류에 따른 성능을 검증하였다.
2. 기본 개념
2.1 지반 침하 시 말뚝의 하중 전달 기전
일반적인 조건에서 말뚝은 상부 하중을 주면을 따라 발현되는 주면 마찰력(Skin Friction)과 선단에서 발현되는 선단 지지력(Base Resistance)을 통해 지지한다. 그러나 Fig. 1과 같이 지반이 말뚝보다 더 침하하는 경우, 지반과 말뚝 사이의 상대변위로 인하여 말뚝 주위 지반에는 전단 변형이 발생한다. 이에 따라 말뚝 주면에는 하향 전단응력(혹은 마찰응력)이 발생하며, 이를 부주면 마찰력(Negative Skin Friction)이라고 한다. 부주면 마찰력은 말뚝 단면에 작용하는 축력 및 지지층에 전달되는 하중을 증가시켜 말뚝의 지지능력을 감소시킨다.
2.2 지반 변형 대응형 말뚝 기초의 지반 침하 대응 메커니즘
본 연구에서 제안하는 지반 변형 대응 부재는 말뚝의 일부에 치환하여 삽입되는 부재로, Fig. 2는 부재가 지반 침하에 대응하는 기전를 보여준다. Fig. 2(a)와 같이 지반 침하가 발생하지 않는다면, 말뚝에는 정주면 마찰력과 선단 지지력이 작용하며, 이를 통해 말뚝은 상부 하중을 지지한다. 만일 Fig. 2(b)와 같이 지반이 침하하는 경우, 지반에 비해 강성이 큰 말뚝은 지반에 비해 소량 침하하여 부주면 마찰력이 말뚝의 주면을 따라 작용한다. Fig. 2(c)는 지반 변형 대응 부재 작동 시 말뚝의 하중 전달 기전을 보여준다. 만일, Fig. 2(c)와 같이 지반 변형 대응 부재가 압축된다면, 부재 상부 구역에서 말뚝과 지반 사이에 상대변위가 감소하게 되며, 작용하는 부주면 마찰력이 감소한다. 상기와 같은 기전으로 지반 변형 대응 부재를 활용하여 지반 침하 시 말뚝의 하중 전달 기전을 개선할 수 있다.
2.3 지반 변형 대응 부재
부주면 마찰력이 작용할 때, 말뚝이 Fig. 2(c)와 같이 거동하기 위해서는 지반 변형 대응 부재가 압축되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 말뚝보다 매우 작은 축 강성을 가지는 지반 변형 대응 부재를 고려하였다. 지반 침하 시, 부주면 마찰력이 발현되고, 이로 인해 지반 변형 대응 부재가 소폭 압축되어, 말뚝과 지반 사이의 상대변위를 감소시키게 된다. 이 효과로 인해 부주면 마찰력을 저감시킬 수 있다.
본 연구에서는 두 가지 부재를 고안하였다. Fig. 3은 고려된 지반 변형 대응 부재를 도식화하여 보여준다. 첫 번째는 금형 강재 스프링 부재(이하, 스프링 부재, Fig. 3(a))이다. 금형 강재 스프링의 경우, 코일의 두께 및 간격을 조절하여 부재의 축 강성을 조절할 수 있다. 두 번째 부재는 스프링과 대시팟을 병렬로 연결한 부재(이하, 스프링-대시팟 부재, Fig. 3(b))이다. 스프링-대시팟 부재의 경우, 지반 침하에 의한 부주면 마찰력이 작용할 때 대시팟이 먼저 그 하중에 저항하고 이후 하중이 대시팟에서 스프링으로 점진적으로 전이된다.
또한, Fig. 3은 지반 변형 대응 부재와 말뚝과의 결합 형태를 보여준다. Fig. 3과 같이 지반 변형 대응 부재는 축 강성 조절 장치(스프링 혹은 스프링-대시팟)와 강재 슬리브로 구성된다. 지반 변형 대응 부재는 상·하부 말뚝에 결합되어 부재의 압축 시 말뚝에 변위가 발생할 수 있도록 하였다. 강재 슬리브는 상부 말뚝과 결합되고 부재 전체를 감싸안아 부재 내부로의 토사 유입을 차단한다. 또한, 슬리브는 추가 휨 강성을 제공하여 좌굴에 대한 안정성 확보가 가능하도록 한다.
Fig. 4는 지반 침하 시 본 연구에서 제안한 지반 변형 대응 부재가 적용된 말뚝의 주면 마찰력의 변화를 도시한다. Fig. 4(a)와 같이 지반이 침하하는 경우, 말뚝의 주면에는 부주면 마찰력이 작용한다. 지반의 강성은 심도가 깊을수록 크며, 말뚝의 최하단에는 선단 지지력이 작용한다. 따라서 지반 변형 대응 부재가 압축된다면, Fig. 4(b), (c)와 같이 상부 말뚝과 상부 말뚝에 결합된 슬리브가 함께 아래로 이동한다. 이에 따라 상부 말뚝부터 슬리브 끝부분까지의 구간에서는 지반과 말뚝 사이의 상대변위가 감소하며 지반 변형 대응 거동을 한다.
3. 모형 실험
본 연구에서는 지반 침하 시 지반 변형 대응 부재가 설치된 말뚝의 성능을 검증하기 위해서 실내 모형 실험을 실시하였다. 본 연구에서는 실제 지반 침하를 합리적으로 모사할 수 있는 모형 토조를 제작하였으며, 스프링 및 스프링-대시팟 부재를 제작하여 강관 말뚝에 결합하였다. 또한 대조군으로 일반 강관 말뚝에 대해서도 동일한 실험을 실시하였다.
3.1 모형 토조 및 말뚝
Fig. 5는 지반의 변형을 모사할 수 있도록 본 연구에서 제작한 토조의 모식도이다. 또한, Fig. 6은 토조 부속품 및 조립 전경을 보여준다. Fig. 5와 Fig. 6(a)와 같이 모형 토조는 이중관 형식으로 제작되었으며, 모형 지반은 내부 챔버에 조성된다. 모형 지반 하부에는 Fig. 5와 같이 공압 튜브(Fig. 6(b))를 설치하여 공기의 유입 및 유출에 따라 모형 지반을 연직 상향 및 하향으로 이동할 수 있도록 하였다. 모형 지반의 침하량은 내부 챔버에 연결된 변위계(LVDT)를 이용하여 측정한다. 모형 말뚝은 모형 지반 정중앙을 관통하며, 말뚝 선단부에는 로드셀을 설치하여 선단에 전달되는 하중을 측정할 수 있도록 하였다. 상기 조건에서는 모형 지반이 침하할 때, 지반과 말뚝 경계면에서는 마찰력이 발현되나 지반 외부 경계면을 따라서는 마찰력이 발현되지 않는다. 또한, 내부 챔버와 단면이 동일한 강재 디스크(Fig. 6(c))를 이용하여 지반에 작용하는 상재압을 조절하였으며, 말뚝 상부에는 무게추를 쌓아 말뚝 상부 하중을 모사하였다. 말뚝의 수직도를 유지하고 안전을 위해 무게추의 전도를 방지하기 위해 토조 상부에는 프레임을 제작하여 설치하였다.
Fig. 7은 본 실험에서 사용한 모형 말뚝과 지반 변형 대응 부재를 보여준다. 모형 말뚝은 Fig. 7(a)과 같이 상·하부 강관 말뚝으로 구성되며, 그 사이에는 지반 변형 대응 부재가 위치한다. 강재 슬리브가 지반 변형 대응 부재와 하부 말뚝 최하단까지 감싸는 형태로 제작하였으며, 나사선을 이용하여 상부 말뚝과 단단히 결합하였다.
Fig. 7(b)와 Fig. 7(c)는 모형 실험에서 적용한 각각 스프링 및 스프링-대시팟을 적용한 지반 변형 대응 부재를 보여준다. 스프링 부재(Fig. 7(b))로는 스프링 계수가 21.33kg/mm인 금형 스프링을 사용하였다. 스프링-대쉬팟 부재(Fig. 7(c))는 최대 흡수 에너지가 16 J인 대시팟을 스프링 부재와 동일한 규격의 스프링과 병렬로 연결하여 구성하였다.
3.2 모형 지반 조성
본 연구에서는 모형 지반을 조성하기 위해 입자가 모난 파쇄 모래(규사 6호)를 사용하였다. Fig. 8은 실험 모래에 대해 체분석 시험(KS F 2302)을 수행한 결과를 보여준다. 실험 결과, 10, 30, 60% 통과율에 해당하는 입경 D10, D30, D60은 각각 0.244, 0.389, 0.564mm로 측정되었다. 이로 부터, 균등계수 Cu = 2.31, 곡률계수 Cg = 1.10로 산정되어, 통일분류법 상 실험 모래는 입도가 나쁜 모래(SP)로 분류된다. 실험 모래에 대해 비중 실험(KS F 2308)을 실시한 결과, 비중은 2.642로 측정되었으며, 이는 석영의 비중인 2.65에 근접한 값이다. 종합해 보면 모형 실험에서 사용한 모래는 입도가 균질한 입자가 모난 석영질 모래이다.
본 모형 실험에서는 상대밀도를 이용하여 모래 지반의 조밀도를 정량화하였으며, 이를 위해서는 실험 모래의 최소 및 최대 건조 단위 중량이 필요하다. 최소 밀도 실험은 ASTM D 4254을 따라 실시하였으며, 실험 결과 실험 모래의 최소 건조 단위 중량은 1.328g/cm3으로 측정되었으며, 따라서 실험 모래의 최대 간극비는 0.988이다. 최소 간극비(혹은 최대 건조 단위 중량)는 강사 실험을 통해 측정하였다. Hariprasad et al.(2016)와 Dastpak et al.(2021)에 따르면, 입도가 균질한 모래를 낙하고 50cm 이상에서 낙하시켜 상대밀도 97~99%의 매우 조밀한 지반을 조성할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 강사기 설치 최대 높이인 100cm에서 건조 상태의 실험 모래를 다짐 몰드(A형)에 낙하시켜 시료를 조성한 후, 밀도를 측정하였다. 측정 결과 시료의 건조 단위 중량은 1.622g/cm3이며, 이에 대응하는 간극비는 0.629로 측정되었다. 본 연구에서는 이를 최대 건조 단위 중량 및 최소 간극비로 선정하였다. 이후, 낙하고 70cm에서 측정한 시료의 건조 단위 중량은 1.610g/cm3이며, 대응하는 간극비는 0.641로 측정되었다. 강사 실험을 통해 선정한 최소 간극비와 최소 밀도 시험을 통해 산출된 최대 간극비의 결과를 이용하여 낙하고가 70cm일 때의 상대밀도는 97%이다.
본 모형 실험에서는 강사법을 적용하여 조밀한 모형 지반을 조성하였다. Fig. 9는 본 실험에서 적용한 강사법의 모식도와 조성된 모형 지반을 보여준다. 지반은 침하 발생 층 상부에 위치한 조밀한 사질토층으로 가정하여 총 4층으로 조성하였으며, 한 층의 두께는 10cm로 하였다. 강사 높이는 70cm로 하여 상대밀로 97%로 지반을 조성하였다. 한 층 조성이 끝나면 강사기를 10cm 상향 이동시킨 후, 다음 층을 조성하여 균질한 조밀도로 지반을 조성하였다.
지반 침하 전 과정에 걸친 주면 마찰력의 변화를 분석하고자 압전센서를 활용하여 말뚝에 작용하는 횡 토압을 측정하였다. 압전센서는 가해지는 압력에 따라 저항이 달라지는 특성을 이용하여 힘의 세기를 측정한다. 또한, 재질이 유연하여 곡률이 있는 표면에 부착하기 용이한 특징이 있다. Fig. 10(a)와 같이 본 모형 실험에서는 지반 침하에 의해 작용하는 전단력에 의해 센서의 탈락을 방지하고자 에폭시를 활용하여 말뚝의 중앙부에 압전센서를 부착하였다. Fig. 10(b)와 같이 마이크로콘트롤러의 일종인 아두이노를 연결하여 압전센서로부터 토압을 측정하였다.
3.3 실험 조건 설정
지반 침하 시, 지반 변형 대응 부재에 따른 말뚝의 하중 전달 기전을 분석하기 위하여, 일반 강관 말뚝(STL), 스프링 부재 적용 말뚝(SP), 스프링-대시팟 부재 적용 말뚝(SDP)에 대해서 동일한 조건에서 지반 침하 모사 실험을 수행하였다. 모든 실험에서 지반 상부에는 7kPa의 연직압이 작용하고, 지반의 상대밀도를 97%로 설정하였다. 각 경우에 지반 침하 시 말뚝의 하중 전달 기전의 변화를 파악하기 위해서 선단 하중 및 주면에 작용하는 횡 토압을 각각 로드셀 및 압전센서를 이용하여 측정하였다.
실험 과정은 다음과 같다. 내부 챔버 아래에 위치하는 공압 튜브에 공기를 주입하여 내부 챔버를 최대로 상승시킨 뒤, 모형 지반을 내부 챔버에 조성한 후, 지반 상부에 웨이트 디스크를 올려 지반에 연직 응력을 적용한다. 그 후, 말뚝 두부에 하중을 재하한다. Fig. 11은 모형 말뚝 설치, 지반 조성, 지반 연직압 적용, 말뚝 두부 하중 적용 까지 수행한 실험기 전경을 보여준다. 모든 경우에 말뚝 두부에 150kg의 하중을 재하하였으며, 말뚝의 자중은 25kg로 주면 마찰력이 작용하지 않는다면, 총 175kg의 하중이 선단에 전달된다. 말뚝 하중 재하추 상부에는 변위계를 설치하여 지반 변형 대응 부재가 적용된 말뚝의 압축량을 측정하였다. 실험 준비를 마친 후, 공압 튜브에서 공기를 서서히 배출시켜 내부 챔버를 하강시켜, 지반 침하를 모사한다. 이때, 변위계로부터 지반 및 말뚝 변위, 로드셀로 부터 선단 하중, 압전센서로부터 주면에 작용하는 횡 토압을 각각 측정하였다.
4. 실험 결과 및 분석
Fig. 12는 각 실험에서 측정한 지반 침하에 따른 말뚝 선단 하중(Fig. 12(a))와 총 주면 마찰력(Fig. 12(b))의 변화를 보여준다. Fig. 12(b)에서 말뚝의 총 주면 마찰력은 말뚝 두부 하중과 말뚝 자중의 합에서 측정된 선단 하중을 빼 산정하였다. Fig. 12에서 STL은 일반 강관 말뚝 실험 결과를, SP와 SDP는 각각 스프링 부재 적용 말뚝 및 스프링-대시팟 부재 적용 말뚝 실험 결과를 도시한다.
Fig. 12(a)에서 지반이 침하함에 따라 모든 경우에 선단 하중이 증가하였으며, 이는 Fig. 12(b)에 보이듯 말뚝에 하향으로 작용하는 주면 마찰력 즉, 부주면 마찰력이 발현된 것을 의미한다. 일반 말뚝(Fig. 12의 STL)의 경우, 지반 침하량이 약 15mm에 이를 때, 선단 하중은 약 225kg로, 부주면 마찰력은 약 50kg으로 최대값에 도달한다. 그 후, 지반 침하가 계속 진행되면 선단 하중 및 부주면 마찰력은 감소한다. 최종적으로 모형 실험에서 설정한 최대 지반 침하량인 85mm에 도달할 때, 최종 선단 하중은 210kg, 최종 부주면 마찰력은 35kg로 측정되었다.
스프링 부재 말뚝(Fig. 12의 SP)의 경우, 선단 하중 및 부주면 마찰력이 지반 침하량 약 10mm 까지는 급격히 증가하다 그 이후 완만하게 증가하여 지반 침하량이 약 30mm에 도달할 때, 최대값을 가진다. 즉, 최대값에 도달하는 지반 침하량이 스프링 부재 말뚝 적용 시 더 증가하는 것을 알 수 있다. 하중의 크기 측면에서는 스프링 부재 말뚝 적용 시, 최대 선단 하중은 약 218kg로 측정되었으며, 이에 대응하는 최대 부주면 마찰력은 43kg로 산정되었다. 이는 일반 말뚝 최대 부주면 마찰력의 약 86%에 해당한다. 하지만, 지반 침하가 지속됨에 따라 스프링 부재 적용 말뚝의 선단 하중은 일반 말뚝의 선단 하중에 점점 근접하는 경향성을 보였으며, 주면 마찰력 또한 동일한 경향성을 보였다. 최종적으로 모형 실험에서 설정한 최대 지반 침하량인 85mm에 도달할 때, 스프링 부재 말뚝에서의 최종 선단 하중은 208kg, 최종 부주면 마찰력은 33kg로 측정되었으며, 이 값은 일반 강관 말뚝에서 측정값과 유사하다.
스프링-대시팟 부재 말뚝(Fig. 12의 SDP)의 경우, 선단 하중 및 부주면 마찰력이 지반 침하량 약 10mm 까지는 스프링 부재보다 더 급격히 증가하여 최대값에 도달하였다. 스프링-대시팟 부재 말뚝의 최대 선단 하중은 약 218kg이며, 이에 대응하는 부주면 마찰력은 43kg로 강관 말뚝 대비 최대 부주면 마찰력이 약 14% 감소하였다. 지반 침하가 지속됨에 따라 스프링-대시팟 부재 말뚝의 선단 하중은 지속적으로 감소하였다. 단, 스프링 부재 말뚝과는 다르게 선단 하중은 일반 말뚝의 경우보다 작게 산정되었다. 최종적으로 모형 실험에서 설정한 최대 지반 침하량인 85mm에 도달할 때, 스프링-대시팟 부재 말뚝에서의 최종 부주면 마찰력은 27kg로 측정되었으며, 이 값은 일반 강관 말뚝에서 측정값보다 23% 작다.
Fig. 13은 스프링(SP) 및 스프링-대시팟(SDP) 부재 적용 말뚝에 대해서 지반 침하량 대비 말뚝 부재의 압축량을 보여준다. Fig. 13을 보면, 지반 침하량 10mm까지는 스프링 및 스프링-대시팟 부재 모두 급격하게 압축되어 압축량 약 1.5mm에 도달한다. 하지만, 지반 침하량이 10mm을 넘어 계속적으로 증가한다면, 스프링 및 스프링-대시팟 부재는 더 이상 크게 압축되지 않는다.
Fig. 13 지반 침하 대비 부재의 압축량을 비교할 때, 스프링 및 스프링-대시팟 부재 사이에는 큰 차이가 없으나, Fig. 12에서 보이듯, 두 부재가 적용된 말뚝의 하중 전달 기전은 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 본 연구에서는 이러한 현상을 분석하기 위해 말뚝 주면에서 상대변위에 따른 마찰력의 반응을 분석하였다. Fig. 14는 일반 말뚝(STL), 스프링 부재 말뚝(SP), 스프링-대시팟 부재 말뚝(SDP)에서의 말뚝 주면-지반 간 상대변위 ds와 주면 마찰력 fs의 관계를 도시하고 있다.
지반 침하 초기에 상대변위가 작을 경우(Fig. 14(a)), 스프링 부재 말뚝(SP)의 상대변위는 일반 강관 말뚝(STL)의 상대변위보다 스프링 변형량 C 만큼 작아진다. 따라서, Fig. 12의 침하 초기에 스프링 부재 말뚝의 부주면 마찰력이 일반 말뚝에 비해 작게 산정된다. 하지만, 지속적인 지반 침하로 상대변위량이 커지게 되면(Fig. 14(b)), 주면 마찰력이 수렴하게 되고, 스프링 변형량 또한 그 최종값 Cf(Fig. 13에서 약 1.5mm)로 수렴하게 된다. 이 경우 Fig. 14(b)와 같이 스프링 부재 말뚝과 강관 말뚝의 주면 마찰력 fs의 차이는 점점 작아지게 된다. 따라서, Fig. 12에서 침하가 계속 진행될 수록, 스프링 부재 말뚝에 작용하는 부주면 마찰력은 일반 말뚝에 작용하는 부주면 마찰력에 근접하게 된다. 상기 분석을 바탕으로 볼 때, 스프링 부재 말뚝은 지반 침하량이 작을 경우에는 부주면 마찰력을 감소시키는 효과가 있으나 침하량이 큰 경우에는 유의미한 효과를 나타내지 않는 것으로 파악된다.
스프링-대시팟을 이용할 경우, 다른 거동이 예상된다. 지반 침하 초기(Fig. 14(a))에 부주면 마찰력이 급격히 증가하고, 부재로 전이될 때, 스프링-대시팟 부재 내부에서는 스프링보다 대시팟이 먼저 하중을 받게 된다. 그 후 대시팟에서 스프링으로 하중이 전이되면서 스프링이 압축되어 상대변위가 줄어들게 된다. 즉, 스프링-대시팟 부재 말뚝의 주면 마찰력은 제하(Unloading) 경로에 위치한다. 따라서, Fig. 12의 침하 초기에 스프링-대시팟 부재 말뚝의 부주면 마찰력은 일반 말뚝보다 작지만 스프링 부재 말뚝에 비해 크게 산정되었다. 지속적인 지반 침하로 상대변위량이 커지게 되면(Fig. 14(b)), 주면 마찰력이 수렴하게 되고, 스프링-대시팟 부재의 변형량 또한 그 최종값 Cf(Fig. 13에서 약 1.5mm)로 수렴한다. 이 경우에도 스프링-대시팟 부재의 특성상 주면 마찰력은 제하 경로에 위치하게 되어, Fig. 14(b)와 같이 일반 말뚝 및 스프링 부재 말뚝보다 작아지게 되며, 이는 모형 실험 결과(Fig. 12(b))와 부합한다.
Fig. 15는 지반 침하시, 일반 말뚝(STL), 스프링 부재 말뚝(SP), 스프링-대시팟 말뚝(SDP)의 주면에서 측정한 횡방향 토압으로 산정한 횡방향 토압계수의 지반 침하량에 대한 변화를 도시하고 있다. 강관 말뚝의 경우, 지반 침하 초기에 토압계수가 0.5에서 2.5로 급격하게 증가하였다. 지반 침하 발생 초기에는 말뚝-지반 사이에 부주면 마찰력의 발현으로 인해, 말뚝과 인접한 지반에 전단 변형이 발생한다. 본 모형 실험에서 모형 지반을 매우 조밀하게 조성하였으므로, 전단 변형시 Dilatancy 현상에 의해 지반은 팽창하려 하지만, 횡 방향 변형 구속으로 인해, 팽창하지 못하여 횡 방향 토압이 크게 증가한 것으로 판단된다.
Fig. 15의 스프링 부재 말뚝(SP)의 경우, 지반 침하 초기에 토압계수가 0.5에서 1.5로 증가하였다. 이는 강관 말뚝에서 측정된 토압계수의 약 60%이다. 이 경우 지반 침하 시, 스프링 부재의 압축으로 인해 말뚝-지반 간 상대변위가 일반 말뚝에 비해 작게 발생하고, 이로 인해 스프링 말뚝 매설 지반 내부의 전단 변형이 작게 발생하여, 조밀한 모형 지반이 팽창하려는 경향성이 작아 횡 방향 토압 증가량이 작아진 것으로 판단된다. 하지만 계속적으로 지반이 침하하면, 지반 내부의 전단 변형량이 누적되어 스프링 부재 말뚝 매설 지반의 횡 방향 토압 계수는 Fig. 15와 같이 강관 말뚝과 비슷한 수준까지 도달하였다.
Fig. 15의 스프링-대쉬팟 부재 말뚝(SDP)의 경우, 지반 침하 시 토압계수가 0.5에서 1.25로 증가하였다. 이는 강관 말뚝에서 측정된 토압계수의 약 50%이다. 그 후, 스프링-대시팟 말뚝에서의 토압계수는 0.6~0.8 정도로 수렴하는 경향성을 보였다. 이는 스프링-대시팟 부재의 지속적인 하중 제하 효과로 인해, 말뚝 주위 지반의 전단 변형이 억제되어, 횡 방향 토압이 작게 발현된 것으로 생각되며, 이로 인해 부주면 마찰력 또한 작게 발현되는 것으로 판단된다.
5. 요약 및 결론
본 연구에서는 지반 침하에 따른 지반 변형 대응형 말뚝 기초의 하중 전달 기전을 파악하여 실효성을 검증하고자 지반 침하 모사 실험을 수행하였다. 지반의 변형을 모사할 수 있는 모형 토조와 스프링 및 스프링-대시팟 부재가 삽입된 지반 변형 대응형 말뚝 기초 모형을 제작하였다. 모형 실험을 통하여 일반 말뚝과 부재 종류에 따른 지반 변형 대응형 말뚝 기초의 선단 하중, 주면 마찰력, 횡 방향 토압을 분석하였으며, 실험 결과에 따라 도출된 결론은 다음과 같다.
먼저, 지반 침하 시, 말뚝에 비해 지반이 더 침하하여 말뚝 주면에 부주면 마찰력을 발생시키며, 부주면 마찰력은 말뚝 선단에 전이되는 하중을 증가시킨다. 지반 침하 시 지반 변형 대응 부재를 적용한 모형 실험 결과, 부재의 압축은 말뚝과 지반 사이의 상대변위를 줄여 선단 하중의 증가량을 감소시켰으며, 말뚝에 작용하는 부주면 마찰력을 감소시켰다.
스프링 부재 말뚝은 침하량이 작을 경우에는 상대변위 발생을 억제시켜 부주면 마찰력 발현을 저감시켰다. 하지만, 지반이 지속적으로 침하하여 부주면 마찰력과 스프링의 내력이 평형을 이룰 경우, 더 이상 부재가 압축되지 않으며 스프링 부재 말뚝의 하중 전달 기전은 일반 말뚝과 유사해진다. 따라서, 스프링 부재는 침하량이 작은 지반에 적용하는 것이 적합하다.
스프링-대시팟 부재 적용 말뚝의 경우, 지반 침하 초기에는 부주면 마찰력이 일반 말뚝보다는 작지만 스프링 부재 말뚝보다 크게 산정되었다. 하지만 스프링에 병렬로 연결된 대시팟이 지반 침하로 인한 하중이 스프링으로 전달되는 것을 지연시켜 하중 제하 곡선상에 주면 마찰력을 위치하여 하여 최대 및 최종 부주면 마찰력을 각각 14%, 23% 감소시켰다. 이를 통하여 스프링-대시팟 부재가 적용된 지반 변형 대응형 말뚝 기초의 지반 침하 대응 효과의 실효성이 검증되었다.
지반 변형 대응형 말뚝 기초는 말뚝 일부 구간을 지반 변형 대응 부재로 치환하고 이를 압축시켜 지반 침하로 인한 부주면 마찰력을 감소시킨다. 따라서, 상부 구조물의 안정성을 위해 허용 변위량 이내에서 부재가 압축되어야 한다. 또한, 상부 구조물 하중에 의해 부재가 완전히 압축될 경우, 부주면 마찰력으로 인한 추가 압축이 어려워, 부재의 성능의 발현이 어렵다. 따라서, 상부 구조물에 의해 완전히 압축되지 않으면서 부주면 마찰력에 의해 소폭 압축될 수 있는 강성을 가지는 부재의 설계가 필요하다. 본 연구에서 제안한 스프링 부재의 경우, 스프링의 길이, 두께 등을 고려하여 상기 조건을 만족시킬 수 있다. 마지막으로 지반 침하량 및 부재 압축량을 예측하여 말뚝과 상부 구조물 사이에 레벨링 장치와 같은 부가적인 장비 설치에 대한 고려가 필요하다.
