KR100752323B1

KR100752323B1 - 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법

Info

Publication number: KR100752323B1
Application number: KR1020050093895A
Authority: KR
Inventors: 정규점; 박영준; 김철영; 채수근; 김성운; 김영진; 김태훈; 김대연
Original assignee: 주식회사 세원리타; (주)대우건설; 지에스이앤씨(주)
Priority date: 2005-10-06
Filing date: 2005-10-06
Publication date: 2007-08-29
Also published as: KR20070038691A

Abstract

본 발명에 따른 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법은, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성되며 철근망이 삽입되는 천공홀과, 상기 천공홀의 하단부 부근의 내주면이 펄스 방전에 의하여 그 천공홀의 바깥쪽으로 확공되어 형성된 구형상의 확공홀에 몰탈 또는 콘크리트로 이루어진 충전물이 충전 및 양생됨으로써 형성된 펄스방전말뚝의 지지력을 계산하기 위한 방법으로서, 상기 펄스방전말뚝이 설치될 지반을 굴착하여 굴착공을 형성하고, 그 굴착공의 바닥면에 샘플러를 설치하는 샘플러 설치단계; 상기 샘플러의 상단부로부터 소정의 높이에 소정의 질량을 가지는 해머를 상기 샘플러의 상단부로 자유 낙하시켜 그 샘플러를 타격하는 해머 낙하단계; 상기 해머 낙하단계를 반복 실시하여 상기 샘플러를 상기 굴착공의 바닥면으로부터 하방으로 관입시키는 샘플러 관입단계; 상기 샘플러가 관입된 깊이 및 그 깊이로 상기 샘플러를 관입시키기 위해 상기 해머를 자유 낙하시키는 횟수를 기록하고, 그 기록된 상기 샘플러의 관입 깊이 및 상기 해머의 낙하 횟수에 기초하여 관입저항을 결정하는 관입저항 결정단계; 상기 샘플러를 지중으로부터 분리하여 상기 샘플러의 관입시 그 샘플러에 삽입된 토사를 채취하고 분석하여 그 샘플러가 관입된 지층의 토성(土性)을 결정하는 토성 결정단계; 상기 굴착공을 하방으로 소정 깊이 단위로 순차적으로 상기 펄스방전말뚝이 삽입되는 깊이까지 굴착하되, 각 깊이 단위별로 상기 샘플러 설치단계, 해머 낙하단계, 샘플러 관입단계, 관입저항 결정단계, 토성 결정단계를 순차적으로 실시함으로써 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하는 단계; 및 상기 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하는 단계로부터 얻어진 관입저항 및 토성을 이용하여 하기 식, Q_u = Q_p+ Q_s = q_pA_p+ Σf_sA_s이고, q_p = αmN_b이며, f_s = αnN_s (여기서, Q_u는 상기 펄스방전말뚝의 길이방향 극한지지력이며, Q_p는상기 펄스방전말뚝의 선단극한지지력이며, Q_s는 상기 펄스방전말뚝의 마찰극한지지력이며, q_p는 단위선단지지력이며, A_p는 상기 펄스방전말뚝의 선단면적이며, f_s는 단위주면마찰력이며, A_s는 상기 펄스방전말뚝의 마찰지지면적이며, α는 확공계수이며, m은 선단지지력계수로서 17 내지 25이며, N_b은 상기 펄스방전말뚝의 선단 지반의 평균 관입저항이며, n은 마찰지지력계수로서 0.24 내지 0.40이며, N_s은 상기 펄스방전말뚝의 주면 지반의 평균 관입저항임.)으로부터 상기 펄스방전말뚝의 지지력을 계산하는 지지력 계산단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

펄스방전, 펄스방전말뚝, 충격파, 지지력, 주면마찰력, 선단지지력

Description

펄스방전말뚝의 지지력 계산방법{Method of calculating the bearing capacity of Pulse Discharge Pile}

도 1은 펄스방전말뚝의 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 펄스방전말뚝의 시공 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 펄스파워 발생시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 펄스 방전에 의해 지반이 확장되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 5 및 도 6은 샘플러를 굴착공의 하방으로 관입시키는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 세립토 지반에 있어서 도 1에 도시된 펄스방전말뚝의 단위선단지지력과 표준관입시험상의 N값과의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.

도 8 및 도 9는 각각 세립토 지반 및 조립토 지반에 대하여 도 1에 도시된 펄스방전말뚝의 단위주면마찰력과 표준관입시험상의 N값과의 관계를 설명하기 위한 그래프들이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...철근망 11...충전물

30...천공홀 31...지반

40...확공홀 50...오거 스크류

51...케이싱 스크류 60...펄스파워발생시스템

70...방전장치 71...양전극

72...음전극 80...샘플러

81...굴착공 90...해머

91...벨트 92...풀리

100...펄스방전말뚝

본 발명은 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하단부가 볼록하게 형성된 펄스방전말뚝에 있어서 그 펄스방전말뚝의 지지력을 정확하게 계산할 수 있는 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법에 관한 것이다.

건물 등과 같은 구조물을 지반에 축조하는 경우에는, 그 구조물을 지지할 수 있도록 복수의 말뚝을 그 지반에 시공하게 된다. 그리고, 이러한 말뚝은 항타말뚝 또는 매입말뚝 등과 같이 그 시공법에 따라 다양하게 분류된다.

한편, 상기 말뚝을 시공하기 위해서는, 일반적으로 그 시공될 말뚝의 개수 및 그 말뚝의 제원에 대한 구체적인 설계 과정을 거치게 된다. 그리고, 그 설계 과정에서는 필수적으로 말뚝 각각의 지지력을 계산하게 된다.

그런데, 종래에는 상기 말뚝의 지지력을 계산하기 위한 지지력 계산식이 존재하였으나, 그 계산식은 현실에 맞지 않고 실제보다 더 작게 계산되는 문제점이 있었다.

예를 들어 원기둥형상으로 이루어진 매입말뚝의 경우에는 한국지반공학회, 도로교 표준시방서 등에 그 지지력 계산식이 다음과 같이 기술되어 있다. 즉, 지지력은 하기 식(1) 내지 식(3)에 의해 계산되며, 선 굴착공법으로 시공된 말뚝의 선단 지지력은 타입말뚝의 1/3 내지 1/2 감소시켜 적용하고, 마찰지지력은 타입말뚝의 1/2 감소시켜 적용하도록 하였으며, 중굴공법으로 시공하는 말뚝 역시 타입말뚝에 비해 상대적으로 감소시켜 적용하였다. 따라서, 이와 같은 산정식을 사용하면 설계 지지력이 작아질 수 밖에 없어 정확히 설계 지지력을 계산할 수 없다는 문제점이 있었다.

Q_u = Q_p + Q_s = q_pA_p + Σf_sA_s _,......식(1)

Q_p ＜＝ 30N_bA_p (타입말뚝)× (1/3~1/2) .....식(2)

Q_s = nN_sA_s _,n = 0.2(타입말뚝, nN_s＜＝ 10t/m²) × 1/2 .....식(3)

(여기서, Q_u는 말뚝의 축방향 극한지지력(t)이며, Q_p 는 말뚝의 선단극한지지력이며, Q_s는 말뚝의 마찰극한지지력이며, q_p는 단위선단지지력(q_p =αN_b)이며, A_p는 말뚝의 선단면적이며, f_s는 단위주면마찰력(f_s = nN_s)이며, A_s는 말뚝의 마찰지지면적이며, N_b은 말뚝의 선단 지반의 평균 N값이며, N_b는 말뚝주면 지반의 평균 N값이며, α는 선단지지력계수이며, β는 마찰지지력계수임)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 종래의 원기둥형상으로 이루어진 말뚝과는 달리 하단부가 볼록하게 형성된 펄스방전말뚝에 있어서 그 펄스방전말뚝의 지지력을 정확하게 계산할 수 있도록 하여 그 펄스방전말뚝의 설계 신뢰성을 향상시킬 수 있는 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법은, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성되며 철근망이 삽입되는 천공홀과, 상기 천공홀의 하단부 부근의 내주면이 펄스 방전에 의하여 그 천공홀의 바깥쪽으로 확공되어 형성된 구형상의 확공홀에 몰탈 또는 콘크리트로 이루어진 충전물이 충전 및 양생됨으로써 형성된 펄스방전말뚝의 지지력을 계산하기 위한 방법으로서, 상기 펄스방전말뚝이 설치될 지반을 굴착하여 굴착공을 형성하고, 그 굴착공의 바닥면에 샘플러를 설치하는 샘플러 설치단계; 상기 샘플러의 상단부로부터 소정의 높이에 소정의 질량을 가지는 해머를 상기 샘플러의 상단부로 자유 낙하시켜 그 샘플러를 타격하는 해머 낙하단계; 상기 해머 낙하단계를 반복 실시하여 상기 샘플러를 상기 굴착공의 바닥면으로부터 하방으로 관입시키는 샘플러 관입단계; 상기 샘플러가 관입된 깊이 및 그 깊이로 상기 샘플러를 관입시키기 위해 상기 해머를 자유 낙하시키는 횟수를 기록하고, 그 기록된 상기 샘플러의 관입 깊이 및 상기 해머의 낙하 횟수에 기초하여 관입저항을 결정하는 관입저항 결정 단계; 상기 샘플러를 지중으로부터 분리하여 상기 샘플러의 관입시 그 샘플러에 삽입된 토사를 채취하고 분석하여 그 샘플러가 관입된 지층의 토성(土性)을 결정하는 토성 결정단계; 상기 굴착공을 하방으로 소정 깊이 단위로 순차적으로 상기 펄스방전말뚝이 삽입되는 깊이까지 굴착하되, 각 깊이 단위별로 상기 샘플러 설치단계, 해머 낙하단계, 샘플러 관입단계, 관입저항 결정단계, 토성 결정단계를 순차적으로 실시함으로써 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하는 단계; 및 상기 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하는 단계로부터 얻어진 관입저항 및 토성을 이용하여 하기 식, Q_u = Q_p+ Q_s = q_pA_p+ Σf_sA_s이고, q_p = αmN_b이며, f_s = αnN_s (여기서, Q_u는 상기 펄스방전말뚝의 길이방향 극한지지력이며, Q_p는상기 펄스방전말뚝의 선단극한지지력이며, Q_s는 상기 펄스방전말뚝의 마찰극한지지력이며, q_p는 단위선단지지력이며, A_p는 상기 펄스방전말뚝의 선단면적이며, f_s는 단위주면마찰력이며, A_s는 상기 펄스방전말뚝의 마찰지지면적이며, α는 확공계수이며, m은 선단지지력계수로서 17 내지 25이며, N_b은 상기 펄스방전말뚝의 선단 지반의 평균 관입저항이며, n은 마찰지지력계수로서 0.24 내지 0.40이며, N_s은 상기 펄스방전말뚝의 주면 지반의 평균 관입저항임.)으로부터 상기 펄스방전말뚝의 지지력을 계산하는 지지력 계산단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 펄스방전말뚝의 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 펄스방전말뚝의 시공 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 펄스파워 발생시스템을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 펄스 방전에 의해 지반이 확장되는 것을 설명하기 위한 도면이며, 도 5 및 도 6은 샘플러를 굴착공의 하방으로 관입시키는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 세립토 지반에 있어서 도 1에 도시된 펄스방전말뚝의 단위선단지지력과 표준관입시험상의 N값과의 관계를 설명하기 위한 그래프이며, 도 8 및 도 9는 각각 세립토 지반 및 조립토 지반에 대하여 도 1에 도시된 펄스방전말뚝의 단위주면마찰력과 표준관입시험상의 N값과의 관계를 설명하기 위한 그래프들이다.

도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 실시예의 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법은 도 1에 도시된 펄스방전말뚝의 지지력을 계산하기 위한 것이다.

상기 펄스방전말뚝(100)은 펄스방전을 이용하여 건물 등과 같은 구조물이 축조될 지반(31)에 형성된다. 상기 펄스방전말뚝(100)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 좌측에서부터 우측으로 순차적으로 시공되는데, 그 상세한 과정은 다음과 같다.

먼저, 오거 스크류(50)(auger screw) 및 케이싱 스크류(51)(casing screw)를 사용하여 상기 지반(31)으로부터 하방으로 길게 천공하게 되면, 지반이 굴착되면서 그 굴착된 부분이 배토되게 된다. 다음으로, 몰탈 또는 콘크리트로 이루어진 충전물(20)을 상기 천공홀(30)에 충전하면서 상기 오거 스크류(50) 및 케이싱 스크류(51)를 인발한다. 이렇게 되면, 상기 천공홀(30) 전체에 상기 충전물(20)이 충전 되게 된다. 상기 충전물(20)을 충전한 후에는, 복수의 철근들이 상호 얽어 매어져 형성된 철근망(10)을 상기 천공홀에 삽입한다.

그 후에, 펄스 방전을 이용하여 상기 천공홀(30)의 하단부 부근의 내주면을 그 천공홀(30)의 바깥쪽으로 확공하여 구형상의 확공홀(40)을 형성하는데, 상기 펄스 방전이 이루어지기 위해서는 펄스파워시스템(60)과 상기 펄스파워시스템(60)에 케이블로 연결된 방전장치(70)가 필요하다. 상기 펄스파워시스템(60)은 전기에너지를 이용하는 것으로서, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 1차 전원, 전기에너지 저장장치, 스위치 및 부하로 구성되며 1차 전원으로서는 전력회사에서 공급하는 상용전원 또는 디젤 발전기와 같은 독립전원을 사용할 수 있다. 상기 방전장치(70)는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 상기 천공홀(30)의 하단부 부근에 배치되며 양전극(71)과 음전극(72)을 포함하도록 구성되어 있다.

상기 펄스 방전을 행하기 위해서는, 먼저 펄스파워시스템(60)에서 스위치부(61)를 켬과 동시에 충전부(62)에 축적된 고전압을 충전물(20) 내에 들어있는 방전장치(70)의 양전극(71)에 인가한다. 이와 같이 고전압을 인가하게 되면, 방전장치(70)의 양전극(71) 및 음전극(72) 사이에서 전기 방전이 시작되고 그 방전장치(70) 주위에는 작은 공간(버블)이 형성된다. 이 버블은 내부의 높은 온도와 압력에 의해 수 ㎲의 빠른 속도로 그 공간이 확장되어지며 이때 충격파로 변환된다. 이때 형성되는 충격파는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 유체역학적 작용을 하여 충전물(20)을 통해 천공벽으로 전해지게 되며 충전물(20)을 매질로 하는 천공벽에 충격파가 접속되면 천공벽과 충전물(20)의 임피던스가 현저히 다르기 때문에 이 경계면 에서는 반사가 일어나게 되고 이 반사에 의해 충격파가 닿은 면에 있는 천공벽은 순간적으로 압축되고 곧 팽창되기 때문에 이 천공벽에는 압밀 현상이 일어나게 되어 천공홀(30)이 확장되어 확공홀(40)이 형성되게 된다. 그와 동시에 이미 팽창된 공간(버블) 내부의 압력이 주위 매질 즉 충전물(20)의 압력보다 낮아지게 되어 상기 천공홀(30)에서 펄스방전에 의하여 확장된 공간, 즉 확공홀(40)은 충전물(20)로 채워지게 된다. 즉, 펄스파워시스템(60)이 작동되면, 상기 충전물(20)이 충전된 천공홀(30)에 삽입되어 이 펄스파워시스템(60)의 부하로 작용하는 방전장치(70)의 양전극(71)과 음전극(72) 사이에 방전이 일어나게 되고, 이에 따라 천공홀(30) 중 상기 방전장치(70)가 위치되어 있는 심도에서는 방전에 의하여 천공홀(11)의 내주면이 확장되게 된다.

상술한 바와 같이 펄스 방전에 의해 상기 확공홀(40)이 형성되어 그 확공홀(40)에 상기 충전물(20)이 충전되게 되므로, 상기 천공홀(30) 전체에 상기 충전물(20)이 충전되도록 하기 위해서, 상기 충전물(20)을 보충한다.

이와 같이 상기 확공홀(40) 및 천공홀(30)에 상기 충전물을 충전한 후에, 그 충전물(20)을 양생하면, 도 2의 최우측에 도시되어 있는 펄스방전말뚝(100)이 형성되게 된다.

상술한 바와 같이 시공된 펄스방전말뚝(100)의 지지력 계산방법은 샘플러 설치단계와, 해머 낙하단계와, 샘플러 관입단계와, N값 결정단계와, 토성 결정단계와, 각 깊이 단위별 N값 및 토성을 결정하는 단계와, 지지력 계산단계를 구비한다.

상기 샘플러 설치단계에서는, 앞서 설명한 바와 같이 상기 펄스방전말뚝이 설치될 지반을 굴착하여 굴착공(81)을 형성하고, 그 굴착공(81)의 바닥면에 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 샘플러(80)를 설치하게 된다. 상기 샘플러(80)로는 일반적으로 널리 알려져 있는 스플릿 배럴 샘플러를 사용한다. 이 스플릿 배럴 샘플러는 한국공업규격 KS F 2318에 상세히 기술되어 있으므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

상기 해머 낙하단계에서는, 소정의 질량을 가지는 해머(90)를 상기 샘플러(80)의 상단부로부터 소정의 높이에 배치한 후에, 그 해머(90)를 상기 샘플러(80)의 상단부로 자유 낙하시켜 그 샘플러(80)를 타격한다. 본 실시예에서는 한국공업규격 KS F 2318에 기술되어 있는 바와 같이 64kg 질량의 해머를 76㎝ 높이에서 자유 낙하시켰다. 그리고, 본 실시예에서 상기 해머를 도 5에 도시되어 있는 풀리(92) 및 벨트(91)를 이용하여 상기 샘플러(80)의 상방에 배치시키며, 상기 벨트(91)의 장력을 해제함으로써 그 해머(90)를 자유 낙하시킨다.

상기 샘플러 관입단계에서는, 상기 해머 낙하단계를 반복 실시하여 상기 샘플러(80)를 상기 굴착공(81)의 바닥면으로부터 하방으로 관입시키게 된다. 본 실시예에서는 한국공업규격 KS F 2318에 따라 상기 샘플러(80)를 관입시키게 된다. 즉, 상기 샘플러(80)를 상기 굴착공(81)의 바닥면으로부터 하방으로 45㎝ 깊이까지 관입시키거나, 상기 샘플러(80)를 45㎝ 깊이까지 관입시키지 못할 경우에는 상기 해머를 100회 자유낙하시켜 상기 샘플러(80)를 타격한다. 그리고, 각 15cm를 관입시키는 데 소요되는 타격횟수를 기록한다.

상기 관입저항 결정단계에서는, 상기 샘플러(80)가 관입된 깊이 뿐만 아니라 그 깊이로 상기 샘플러를 관입시키기 위해 상기 해머(90)를 자유 낙하시킨 횟수를 기록한다. 그리고, 그 기록된 상기 샘플러(80)의 관입 깊이 및 상기 해머(90)의 낙하 횟수에 기초하여 관입저항을 결정한다. 본 실시예에서는, 한국공업규격 KS F 2318에 따라 상기 관입저항, 즉 소위 표준관입시험 상의 N값을 결정한다. 즉, 상기 샘플러(80)를 45cm 깊이까지 관입하는 경우에, 처음 15cm의 관입은 타격준비로 간주하며, 2번째 및 3번째의 15cm 관입에 소요되는 타격횟수를 관입저항으로 한다. 한편, 상기 샘플러(80)가 45cm이하로 관입될 경우에는 관입저항을 마지막 30cm를 관입시키는데 소용되는 타격횟수로 한다. 그리고, 상기 샘플러(80)가 30cm 이하로 관입될 경우에는 관입 길이 및 타격수를 명시하여 관입저항을 표시한다.

상기 토성 결정단계에서는, 상기 샘플러(80)를 지중으로부터 분리하여 상기 샘플러의 관입시 그 샘플러에 관입된 토사를 채취하고 분석하여 그 샘플러가 관입된 지층의 토성(土性)을 결정한다. 그리고, 토성은 상기 펄스방전말뚝(100)의 지지력, 즉 주면마찰력 및 선단지지력에 영향을 미치기 때문에 상기 펄스방전말뚝의 지지력을 계산하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 즉, 지반이 단단할수록, 즉 관입저항이 클수록 상기 펄스방전말뚝의 주면 마찰력이나 선단지지력이 증가하게 된다. 그리고, 지층의 토성은 풍화도에 따라 분류될 수 있으며, 특히 통일분류법(Unified Soil Classification System)에 의해 분류하게 되면 조립토와 세립토로 분류된다. 일반적으로 조립토는 자갈질 모래, 모래, 모래자갈, 씰트질 모래 등을 포함하며, 세립토는 씰트와 점토를 의미한다.

상기 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하는 단계에서는, 상기 굴착공 (81)을 하방으로 소정 깊이 단위로 순차적으로 상기 펄스방전말뚝이 삽입되는 깊이까지 굴착하되, 각 깊이 단위별로 상기 샘플러 설치단계, 해머 낙하단계, 샘플러 관입단계, 관입저항 결정단계, 토성 결정단계를 순차적으로 실시함으로써 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하게 된다. 본 실시예에서는, 상기 굴착공(81)을 100㎝ 내지 150㎝의 깊이 단위로 순차적으로 굴착하며, 이는 다음과 같은 이유에서 이다. 상기 샘플러를 관입하면 그 관입된 지반 주위의 관입저항이 감소하게 되므로 이러한 영향을 받지 않은 상태에서 정확한 관입저항을 결정하기 위해서는 최소한 상기 굴착공을 100㎝ 미만의 깊이 단위로 굴착하는 것이 바람직하지 않다. 또한, 상기 굴착공을 150㎝ 초과의 깊이 단위로 굴착하게 되면 지반의 관입저항을 드문드문 결정할 수 밖에 없게 되며 결국 상기 펄스방전말뚝이 삽입되는 깊이 전체의 지반에 대한 관입저항을 정확하게 측정할 수 없게 되므로 한국공업규격 KS F 2318에 기술되어 있는 바와 같이 따라 150㎝ 이하의 깊이 단위로 굴착하는 것이 바람직하다. 도 6은 도 5에 도시된 바와 같이 상기 샘플러(80)를 관입하여 관입저항 및 토성을 결정하고, 상기 단위 깊이만큼 그 굴착공(81)을 하방으로 더 굴착한 후에 상기 샘플러를 다시 관입시켜 그 샘플러(80)가 관입된 부분의 관입저항 및 토성을 결정하는 과정을 나타낸다. 그리고, 도 6에는, 새롭게 관입되는 샘플러(80)가 새로운 지층에 관입되는 것이 도시되어 있다.

한편, 지층이 달라지는 경우에는 한국공업규격 KS F 2318에 기술되어 있는 바와 같이 그 달라진 지층에 대해서 상기 샘플러 설치단계, 해머 낙하단계, 샘플러 관입단계, 관입저항 결정단계, 토성 결정단계를 순차적으로 실시하여, 그 달라진 지층에 대하여 관입저항 및 토성을 결정한다.

상기 지지력 계산단계에서는, 상기 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하는 단계로부터 얻어진 관입저항 및 토성을 이용하여, 상기 펄스방전말뚝(100)의 지지력을 계산한다. 이 때에 사용되는 식은 다음과 같다.

Q_u = Q_p + Q_s = q_pA_p + Σf_sA_s이고, q_p = αmN_b이며, f_s = αnN_s

상기 식에서, Q_u는 상기 펄스방전말뚝의 길이방향 극한지지력이며, Q_p 는 상기 펄스방전말뚝의 선단극한지지력, 즉 상기 펄스방전말뚝의 선단부에 상기 펄스방전말뚝의 길이방향으로 작용하는 극한지지력이며, Q_s는 상기 펄스방전말뚝의 마찰극한지지력, 즉 상기 펄스방전말뚝의 외주면과 지반 사이에 발생되는 마찰력에 의한 마찰극한지지력이다. 또한, q_p는 단위선단지지력(t/m²)이며, A_p는 상기 펄스방전말뚝의 선단면적(m²)이며, f_s는 단위주면마찰력(t/m²)이며, A_s는 상기 펄스방전말뚝의 마찰지지면적(m²)이다.

그리고, α는 확공계수로서, 상기 천공홀의 선단부 체적 및 상기 펄스방전 후 확공된 확공홀의 체적의 비를 말한다. 상기 확공계수는 상기 펄스방전말뚝의 시공시 행해지는 펄스방전의 횟수 및 그 펄스방전이 행해지는 지반의 토성에 따라 달라진다. 여기서, 지반의 토성은 결국 한국공업규격 KS F 2318에 따른 표준관입시험 상의 N값을 말한다. 그리고, 상기 확공계수를 결정하기 위해서, 조립토 지반 및 세립토 지반에 대해 펄스방전을 행하고 그 방전 결과 발생하는 확공홀의 체적과, 그 방전 전의 천공홀의 선단부 체적의 비를 기록하였다. 이 때에, 펄스방전의 횟수 및 N값을 달리 하면서 시험을 행하였고, 그 시험결과를 [표 1]에 정리하였다.

[표 1]

또한, N_b은 상기 펄스방전말뚝의 선단 지반의 평균 관입저항인데, 예를 들어 상기 펄스방전말뚝의 선단이 복수의 지층에 의해 지지되는 경우에는 그 지층들 각각의 관입저항을 평균하여 N_b로 사용한다. 또한, N_s은 상기 펄스방전말뚝의 주면 지반의 평균 관입저항인데, 예를 들어 상기 펄스방전말뚝의 주면이 복수의 지층에 의해 지지되는 경우에는 그 지층들의 관입저항을 평균하여 N_b로 사용한다.

한편, m은 선단지지력계수로서 17 내지 25를 사용하며, n은 마찰지지력계수로서 0.24 내지 0.40을 사용하는데, 이러한 점은 다음과 같은 시험을 통해서 정량적으로 얻을 수 있었다.

도 1에 도시된 구조를 가지는 펄스방전말뚝을 지표면으로부터 매립층, 퇴적층, 풍화잔류토층 및 풍화암반층으로 구성된 지반에 시공하였다. 여기서, 기초시공기준면으로부터 3.8m 내지 4.7m 두께로 분포되어 있는 매립층은 대체로 씰트질 모래, 세립 자갈 및 씰트질 점토로 구성되어 있었다. 또한 퇴적층은 씰트질 점토(CL)층, 씰트질 세립 내지 조립 모래(SM)층 및 세립 내지 조립자갈(GP)층으로 대별되며 약 12.8 내지 13.3m 정도의 두께로 분포되어 있었다.

총 18본의 펄스방전말뚝을 시험시공하였으며, 말뚝의 직경은 φ250, φ300 및 φ340mm, 말뚝길이는 13.9 내지 16.0m이다. 사용된 충전물은 몰탈로서, 그 몰탈은 일축압축강도가 400 kg/cm² 이상되는 고강도 몰탈이며, 그 배합비는 다음의 [표 2]과 같다.

[표 2]

몰탈의 표준배합비(단위 : ㎏)

모래	시멘트	물	자기응력혼화제	유동화제
600㎏	370㎏	200㎏	30㎏	2.80㎏

상기 펄스방전말뚝의 지지력 특성을 알아보기 위해서 시험시공 말뚝 중 3본에 대해 동재하시험을 실시하였다. 동재하시험의 구체적인 절차는 ASTM D 4945 등에 이미 공지되어 있으므로, 여기서는 그에 대한 설명을 생략하기로 한다.

상기 동재하시험을 실시한 시험말뚝에 대한 제원, 시험방법 및 CAPWAP(Case pile wave analysis program) 해석결과는 [표 3]에 기록하였다. 또한 3본의 말뚝에 대해 ASTM D 3689 등에 구체적인 절차가 개시된 공지의 정재하시험을 실시하였으며 시험 내용과 결과는 [표 4]에 제시하였다. 정재하시험은 120.0ton 까지 재하하였으며 주변말뚝의 마찰력을 반력으로 이용하여 재하하는 방법을 채택하였다. 시험 결과 최대하중까지 항복이나 극한상태가 발생되지 않았다. 또한, 전침하량과 잔류침하량도 모두 기준치보다 매우 작은 것을 알 수 있으며, 따라서 실제 허용지지력은 60t 보다 클 것으로 예상할 수 있다.

[표 3]

[표 4]

도 8은 조립토 지반에 있어서 한국공업규격 KS F 2318에 따른 표준관입시험 상의 관입저항, 즉 N값에 따른 펄스방전말뚝의 단위 주면마찰력의 관계를 보여주고 있다. 도 8은 상기 동재하시험 및 정재하시험을 분석함으로써 얻어진 그래프이다. 도 8을 참조하면, 전반적으로 N값이 증가함에 따라 단위 주면마찰력도 증가하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다. 그러나 동일한 N값에도 단위 주면마찰력이 깊이에 따라 차이가 나고 있음을 알 수 있는데 이와 같은 현상은 깊이가 깊을수록 높은 연직응력이 작용하기 때문에 펄스 방전시 그 효과가 충분히 수평방향으로 작용하여 지반의 확장이나 다짐을 유도하기 때문이다. 이러한 경우, 지반과 펄스방전말뚝의 부착력은 커지며 따라서 높은 단위 주면마찰력을 발휘하는 것으로 판단된다. 반면 에 깊이가 얕으면 그 만큼 연직응력이 작기 때문에 힘이 양방향으로 분산되어 상대적으로 작은 단위 주면마찰력을 나타내는 것으로 보인다. 이런 관점에서, 펄스방전말뚝의 단위 주면마찰력(f_s)은 최소 0.15N_s에서 최대 0.79N_s의 변화를 보이며 평균적으로 f_s = 0.40N_s의 상관관계를 보이고 있음을 확인할 수 있다. 상술한 바와 같이, 매립층, 퇴적층, 풍화잔류토층 및 풍화암반층의 토립자 구성성분은 통일분류법에 따라 조립토 지반으로 분류된다. 따라서, 조립토 지반에 대해서는 f_s=0.40N_s이며, 이에 따라 0.4를 n으로 설정할 수 있게 된다.

또한, 도 9는 실트 및 점성토 등과 같은 세립토 지반에 있어서 한국공업규격 KS F 2318에 따른 표준관입시험 상의 관입저항, 즉 N값에 따른 펄스방전말뚝의 단위 주면마찰력의 관계를 보여주고 있다. 도 9는 상기 동재하시험 및 정재하시험을 분석함으로써 얻어진 그래프이다. 상술한 바와 마찬가지로, 도 9를 참조하면 한국공업규격 KS F 2318에 따른 표준관입시험 상의 관입저항, 즉 N값과 단위 주면마찰력과의 관계가 f_s=0.24N_s를 만족함을 알 수 있었다. 이는, 세립토 지반에 대해서는 0.24를 n으로 설정할 수 있다는 점을 나타낸다.

한편, 세립토 지반에 있어서 한국공업규격 KS F 2318에 따른 표준관입시험 상의 관입저항, 즉 N값에 따른 펄스방전말뚝의 단위 선단지지력의 관계를 보여주고 있다. 도 7도 상기 동재하시험 및 정재하시험을 분석함으로써 얻어진 그래프이다. 도 7을 참조하면, f_b = 17N_b의 상관관계가 있음을 유추할 수 있으며, 이에 따라 세 립토 지반에 대해서는 17을 m으로 설정할 수 있게 된다.

그리고, 조립토 지반에 대해서도 상술한 바와 유사하게 시험하게 되면, 선단지지력과 N값과의 관계가 f_b= 25N_b임을 알 수 있게 된다.

상기 결과를 분석해 보면, 관입저항이 큰 지반일수록 펄스방전말뚝과 지반 사이에 마찰력이 커지게 된다는 점을 알 수 있다. 실제 시공에 있어서, 상기 펄스방전말뚝은 조립토 지반보다 작은 관입저항을 가지며 세립토 지반보다 더 큰 관입저항을 가지는 지반에 시공되는 경우가 대부분이므로, 지반의 관입저항에 따라 n값으로 0.24 내지 0.40의 범위에 있는 값을 설정하면 된다. 예컨대, 세립토 지반에는 n값을 0.24로 설정하고 조립토 지반에는 n값을 0.40으로 설정하며, 세립토 지반과 조립토 지반 사이의 토성을 가지는 경우에는 0.24 내지 0.40 범위 내에서 적절한 값을 n값으로 설정한다.

그리고, m값은 지반의 관입저항에 따라 17 내지 25인 범위의 값으로 설정하면 된다. 예컨대, 세립토 지반인 경우에는 m값을 17로 설정하고 조립토 지반인 경우에는 m값을 25으로 설정하며, 세립토 지반과 조립토 지반 사이의 토성을 가지는 경우에는 17 내지 25 범위 내에서 적절한 값을 m값으로 설정한다.

상술한 결과를 종합해 보면, m 및 n값은 지반의 관입저항에 의존함을 알 수 있다. 즉, 관입저항이 클수록, 펄스방전말뚝과 지반 사이에 주면 마찰 및 선단지지력이 크게 발생하게 되며, 이에 따라 m 및 n값이 증가하게 된다. 상술한 시험 결과를 분석하면, m은 17 내지 25 범위 내에서 설정하고, n은 0.25 내지 0.40 범위 내에서 설정하면 됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 실시예에 따른 과정을 거치게 되면, 펄스방전말뚝의 지지력을 계산할 수 있게 된다. 그리고, 이와 같이 지지력을 계산할 수 있게 되면, 펄스방전말뚝의 설계단계에서부터 그 계산된 지지력을 활용할 수 있게 되며, 이에 따라 펄스방전말뚝의 개수 및 사양 등을 경제성을 고려하면서 설계할 수 있을 뿐만 아니라 그 계산된 지지력에 대한 신뢰도도 높아지게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 펄스방전말뚝의 지지력을 정확하게 계산할 수 있게 될 뿐만 아니라 그 계산된 지지력에 대한 신뢰도가 높아지게 된다.

Claims

구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성되며 철근망이 삽입되는 천공홀과, 상기 천공홀의 하단부 부근의 내주면이 펄스 방전에 의하여 그 천공홀의 바깥쪽으로 확공되어 형성된 구형상의 확공홀에 몰탈 또는 콘크리트로 이루어진 충전물이 충전 및 양생됨으로써 형성된 펄스방전말뚝의 지지력을 계산하기 위한 방법으로서,

상기 펄스방전말뚝이 설치될 지반을 굴착하여 굴착공을 형성하고, 그 굴착공의 바닥면에 샘플러를 설치하는 샘플러 설치단계;

상기 샘플러의 상단부로부터 소정의 높이에 소정의 질량을 가지는 해머를 상기 샘플러의 상단부로 자유 낙하시켜 그 샘플러를 타격하는 해머 낙하단계;

상기 해머 낙하단계를 반복 실시하여 상기 샘플러를 상기 굴착공의 바닥면으로부터 하방으로 관입시키는 샘플러 관입단계;

상기 샘플러가 관입된 깊이 및 그 깊이로 상기 샘플러를 관입시키기 위해 상기 해머를 자유 낙하시키는 횟수를 기록하고, 그 기록된 상기 샘플러의 관입 깊이 및 상기 해머의 낙하 횟수에 기초하여 관입저항을 결정하는 관입저항 결정단계;

상기 샘플러를 지중으로부터 분리하여 상기 샘플러의 관입시 그 샘플러에 삽입된 토사를 채취하고 분석하여 그 샘플러가 관입된 지층의 토성(土性)을 결정하는 토성 결정단계;

상기 굴착공을 하방으로 소정 깊이 단위로 순차적으로 상기 펄스방전말뚝이 삽입되는 깊이까지 굴착하되, 각 깊이 단위별로 상기 샘플러 설치단계, 해머 낙하단계, 샘플러 관입단계, 관입저항 결정단계, 토성 결정단계를 순차적으로 실시함으로써 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하는 단계; 및

상기 각 깊이 단위별 관입저항 및 토성을 결정하는 단계로부터 얻어진 관입저항 및 토성을 이용하여 하기 식,

Q_u = Q_p + Q_s = q_pA_p + Σf_sA_s이고, q_p = αmN_b이며, f_s = αnN_s (여기서, Q_u는 상기 펄스방전말뚝의 길이방향 극한지지력이며, Q_p 는상기 펄스방전말뚝의 선단극한지지력이며, Q_s는 상기 펄스방전말뚝의 마찰극한지지력이며, q_p는 단위선단지지력이며, A_p는 상기 펄스방전말뚝의 선단면적이며, f_s는 단위주면마찰력이며, A_s는 상기 펄스방전말뚝의 마찰지지면적이며, α는 확공계수이며, m은 선단지지력계수로서 17 내지 25이며, N_b은 상기 펄스방전말뚝의 선단 지반의 평균 관입저항이며, n은 마찰지지력계수로서 0.24 내지 0.40이며, N_s은 상기 펄스방전말뚝의 주면 지반의 평균 관입저항임.)

으로부터 상기 펄스방전말뚝의 지지력을 계산하는 지지력 계산단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법.
제 1항에 있어서,

상기 해머의 질량은 64kg이며,

그 해머를 상기 굴착공의 하단부로부터 76㎝ 높이에서 자유낙하시키는 것을 특징으로 하는 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법.
제 2항에 있어서,

상기 굴착공을 하방으로 100㎝ 내지 150㎝의 깊이 단위로 순차적으로 상기 펄스방전말뚝이 삽입되는 깊이까지 굴착하는 것을 특징으로 하는 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법.
제 3항에 있어서,

상기 샘플러 관입단계에서, 상기 샘플러를 상기 굴착공의 바닥면으로부터 하방으로 45㎝ 깊이까지 관입시키도록 상기 해머를 반복적으로 낙하하거나 상기 샘플러를 45㎝ 깊이까지 관입시키지 못할 경우에는 상기 해머를 100회 자유낙하시키는 것을 특징으로 하는 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법.
제 1항에 있어서,

상기 n은 토성이 조립토인 지반에서는 0.40이며, 세립토인 지반에서는 0.24인 것을 특징으로 하는 펄스방전말뚝의 지지력 계산방법.
제 1항에 있어서,

상기 m은 토성이 세립토인 지반에서 17인 것을 특징으로 하는 펄스방전말뚝 의 지지력 계산방법.