KR101789966B1 - 풍화암반과 기반암의 sda매입말뚝 선단지지력 산정방법 - Google Patents

풍화암반과 기반암의 sda매입말뚝 선단지지력 산정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식은,
qp(kN/m2) = 15,994 + 90.249×TCR(%) (R2=0.4612)
qp(kN/m2) = 20,357 + 90.538×RQD(%) (R2=0.8128) 이다.
이러한 지지력 산정식 발명은, 다양한 지지지반과 말뚝규격을 여러 현장에서 시험시공과 재하시험을 수행하므로, 매입말뚝의 표준설계 및 시공컨설팅기법의 체계를 확립하게 되었고, 그 결과, 과소 설계지지력을 적용하는 문제는 물론이고 설계와 시공 오류로 인해 시공법과 말뚝길이가 변경되어 공사비가 증액되고 공사기간이 연장되는 문제가 해소되며, 큰 설계지지력을 안전하면서 경제적으로 적용할 수 있게 된다. 이와 같이 체계화된 표준설계 및 시공컨설팅을 수행하면서 확보한 현장의 수많은 시험자료를 분석하여 개발된 경험식에 의해, 풍화암반과 기반암에 지지시켜 표준설계 및 시공기법에 따라 시공하는 SDA매입말뚝의 선단지지력을 정량적으로 산정할 수 있다.

Description

풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법{Estimating method of the end bearing capacity of SDA augered piles on weathered rock mass and bed rock mass}
본 발명은 표준관입시험을 실시하여도 N값을 측정할 수 없을 정도로 매우 단단하여 암석코어가 채취되는 풍화암반과 연암반, 보통암반, 경암반, 극경암반으로 분류되는 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법에 관한 것으로, 다양한 지지지반과 말뚝규격을 여러 현장에서 시험시공과 재하시험을 수행하여서, 매입말뚝의 표준설계 및 시공컨설팅기법의 체계를 확립하고, 체계화된 표준설계 및 시공컨설팅을 수행하면서 확보한 현장의 수많은 시험자료를 분석하여 풍화암반과 기반암에 지지시켜 표준설계 및 시공기법에 따라 시공하는 SDA매입말뚝의 선단지지력을 정량적으로 산정할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 기성말뚝 시공법에는 타입(打入)말뚝공법과 매입(埋入)말뚝공법이 있다. 타입말뚝공법은 해머(hammer)의 타격에너지를 이용하여 말뚝을 지반에 관입시키는 방식이기 때문에 타입공법이 가능한 지반 및 말뚝조건에서는 설계지지력 확보와 시공품질관리가 용이하다. 그러나 소음과 지반진동의 건설공해가 우려되는 환경조건의 현장과 자갈 또는 전석(轉石, 호박돌, boulder)이 매립된 지층과 퇴적된 지층, 핵석(核石, core stone)이 분포하는 풍화대 지반조건에서는 타입말뚝공법으로 말뚝을 시공하는 것이 불가능하다. 이에 대한 대책으로 중굴공법, 선굴착공법 및 회전관입공법과 같은 매입말뚝공법을 적용할 수 있다.
매입말뚝공법은 일본에서 1961년경부터 개발하기 시작하여 1966년에 시공법이 확립되었으며 1968년에 소음규제법, 1976년에 진동규제법이 시행되면서 대다수 현장에서 본격적으로 적용해온 일본의 대표적인 말뚝시공법이다. 우리나라에는 1987년에 일본으로부터 SIP(Soil-cement Injected precast Pile)공법이 도입되었으며, 1994년 건설공사에 대한 소음 및 진동규제법 공포를 계기로 매입말뚝공법을 본격적으로 적용하기 시작하였다. 현재 국내에서는 SIP공법의 문제점을 모두 개선한 SDA(Separated Doughnut Auger)공법이 개발되어 기성말뚝의 90% 이상은 이 공법으로 시공하고 있다(채수근, 1997, 2000, 2002, 2007; 채수근 등, 2007, 2008, 2013, 2015).
일본은 매입공법을 본격적으로 적용하면서 사질토와 점성토지반에 시공하는 매입말뚝의 지지력 산정식을 1978년 건설성 고시 제 1623호에서 처음으로 제시하였으며, 현재 여러 시공법별로 매입말뚝의 허용지지력 산정식이 제안되고 건설성으로부터 인정되어 현장에 적용하고 있다(일본 콘크리트말뚝 건설기술협회, 2006). 그러나, 암반을 지지층으로 하는 매입말뚝의 지지력 추정식은 확립되지 않아 말뚝관련 5개 협회에서 암반의 특성에 따른 지지력 추정식 연구를 공동으로 진행하고 있다(田 晶規, 河野 哲也, 日本 基礎工, 2016).
우리나라는 건설부(1986)에서 미국의 착공말뚝(bored pile) 지지력 산정식을 매입말뚝의 지지력 산정식으로 처음으로 도입되고, 한국지반공학회(구조물기초설계기준, 1997)에서 선굴착 기성말뚝의 선단지지력을 타입말뚝의 1/3~1/2로 감소시켜 산정하는 지지력 산정식을 제안하여 10년간 이용하였다. 그러나, 이와 같은 산정식으로 구한 지지력이 현장 값과 큰 차이나는 것으로 확인되면서 정량적인 지지력 추정식에 대한 연구가 대학과 정부기관 및 기업에서 본격적으로 진행되었다. 같은 시기에 대한건축학회(건축기초구조설계기준, 2005)는 사질토와 점성토지반에 지지시켜 시공하는 매입말뚝의 산정식을 일본으로부터 도입하였으며, 국토해양부와 대한토목학회(도로교설계기준해설, 2008) 모래층, 사력층 및 점성토층의 지지력 산정식을 일본에서 도입하였다. 현재 한국지반공학회(구조물기초설계기준해설, 2009, 2015)에서는 대한건축학회(건축기초구조설계기준, 2005), 국토해양부와 대한토목학회(도로교설계기준해설, 2008) 및 대한주택공사(2008) 산정식을 공식적으로 채택하고 있다.
그러나, 대한건축학회와 대한토목학회에서 제안하는 산정식은 우리나라의 지반조건과 매입말뚝 시공방법과 지지층이 다른 일본에서 개발한 것이므로 국내현장에 적용성이 매우 낮으며, 말뚝선단 지지층이 풍화암반과 기반암인 경우 적용할 수 없는 실정이다.
최근에 구조물의 대형화와 건물의 초고층화로 인해 큰 설계지지력이 요구됨에 따라 천공능력이 향상된 대형장비를 외국에서 도입하여 대구경 및 초고강도 PHC말뚝을 기반암 지지층에 시공하고 있지만 기존의 어떤 지지력 산정식도 더 이상 적용할 수 없게 되었다. 이러한 국내 여건을 고려할 때 기반암에 지지시켜 시공하는 매입말뚝의 단위선단지지력을 정량적으로 평가할 수 있는 새로운 산정식 개발이 매우 시급한 실정이다.
즉, 지금까지 국내에는 암종(岩種), 암반 분류와 풍화 정도, 표준관입시험치(N'값), 시공법, 말뚝규격에 따라 선단지지력을 정밀하게 평가할 수 있는 산정식을 개발하지 않고 주로 외국의 지지력 산정식에 의존해 왔다. 그런데 이 산정식들은 우리나라의 지반조건과 다를 뿐만 아니라 매입말뚝 시공방법이 다른 조건에서 개발되어 실제와 많이 다르며, 말뚝선단 지지층이 암반인 경우 더 큰 차이를 보여 국내 현장에 적용할 수 없다. 반면에 대한주택공사(2008)에서 국내 현장의 SIP(Soil-cement Injected Precast pile)매입공법으로 매입말뚝을 시공하고 말뚝재하시험하여 얻은 시험자료로 지지력 산정식을 개발하였지만 풍화토에서는 과대평가하는 반면에 풍화암반에서는 과소평가하는 것으로 확인되었다. 더군다나 매우 단단한 풍화암반과 기반암에서는 표준관입시험이 불가능하므로 대한주택공사(2008) 식으로는 표준관입시험이 불가능한 풍화암반과 기반암에 지지시켜 시공하는 매입말뚝의 선단지지력을 산정할 수 없다.
그 결과 과소 또는 과대한 설계지지력을 설계에 적용하면서 설계지지력에 미달하거나 천공방법 변경으로 인한 공사비 증액과 공사기간이 연장되는 사례가 여러 현장에서 발생하였다.
더군다나 수년전부터 토목구조물의 대형화와 장대(長大)화, 건축물의 대형화와 고층화 및 기둥식구조의 증가에 따라 큰 설계지지력이 요구되면서 2010년부터 대구경(Φ700~Φ1200mm) 및 초고강도PHC말뚝(110MPa)이 개발되어 세계 최고수준의 말뚝을 사용하게 됨에 따라 이러한 말뚝을 시공하기 위해 천공능력이 향상된 대형장비가 일본과 중국에서 도입되었다.
그러나 중구경과 대구경 및 초고강도말뚝에 대한 표준설계 및 시공기법이 개발되지 못하여 과소한 설계지지력을 적용하므로 대구경 및 초고강도말뚝은 비경제적인 말뚝기초공법으로 인식되었다.
등록특허 제10-0752323호
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 다양한 지지지반과 말뚝규격을 여러 현장에서 시험시공과 재하시험을 수행하여서, 매입말뚝의 표준설계 및 시공컨설팅기법의 체계를 확립하도록 한 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 체계화된 표준설계 및 시공컨설팅을 수행하면서 확보한 현장의 수많은 시험자료를 분석하여 풍하암반과 기반암에 지지시켜 표준설계 및 시공기법에 따라 시공하는 SDA매입말뚝의 선단지지력을 정량적으로 산정할 수 있는 경험식이 개발되도록 한 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법을 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법은, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 표준관입시험이 불가능한 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식,
qp(kN/m2) = 15,994 + 90.249×TCR(%) (R2=0.4612)
(여기서, TCR은 코어회수율이고, 코어회수율(TCR)은 회수된 코어 길이를 총 시추 길이로 나눈 값을 백분율로 표시한 값이며, R2는 설명력임)인 것을 특징으로 한다.
상술한 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법은, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 표준관입시험이 불가능한 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식,
qp(kN/m2) = 20,357 + 90.538×RQD(%) (R2=0.8128)
(여기서, RQD는 암질지수이고, 암질지수(RQD)는 10cm 이상의 코어길이의 합을 총 시추 길이로 나눈 값을 백분율로 표시한 값이며, R2는 설명력임)인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 다른 특징은, 풍화암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 16,500~18,500kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 16,000~18,000kN/㎡, 화성암은 17,500~19,000kN/㎡, 퇴적암은 19,000~19,500kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 풍화암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 20,500kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암과 화성암은 21,000kN/㎡, 퇴적암은 20,000kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 연암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 19,000~21,000kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 18,500~21,000kN/㎡, 화성암은 19,500~21,500kN/㎡, 퇴적암은 19,500~20,500kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 연암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 21,000~22,000kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암과 화성암은 21,500~22,500kN/㎡, 퇴적암은 20,500~21,500kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 보통암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이, TCR기준으로 21,500~23,000kN/㎡가 적용되고; 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 21,500~23,000kN/㎡, 화성암은 22,000~23,000kN/㎡, 퇴적암은 20,500~21,000kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 보통암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 22,500~24,500kN/㎡가 적용되고; 암종(岩種)별로 구분하면 RQD기준으로는 변성암은 22,500~24,500kN/㎡, 화성암은 23,000~24,500kN/㎡, 퇴적암은 22,000~23,500kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 23,500~24,500kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암과 화성암은 23,500~25,000kN/㎡, 퇴적암은 21,000~21,500kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 25,000~26,500kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암은 25,000~26,500kN/㎡, 화성암은 25,000~27,000kN/㎡, 퇴적암은 24,000~26,000kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 극경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 23,500~24,500kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암과 화성암은 23,500~25,000kN/㎡, 퇴적암은 21,000~21,500kN/㎡가 적용된다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법의 또 다른 특징은, 극경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 27,000~29,000kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암은 27,000~28,500kN/㎡, 화성암은 27,500~29,000kN/㎡, 퇴적암은 26,500~28,000kN/㎡가 적용된다.
상술한 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법은, 매입말뚝의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝에 부착되고 타격으로 인해 매입말뚝에 발생되는 변형률을 측정하는 변형률계(strain transducer); 매입말뚝의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝에 부착되는 가속도계(accelerometer); 매입말뚝의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝을 타격하는 해머(hammer); 항타시 변형률계 및 가속도계로부터 측정된 아날로그(analogue)신호에 대해 시그널컨디셔닝(signal conditioning)을 실시하여 시간에 대한 힘과 속도의 파형으로 나타내고 A/D(Analogue to Digital)변환기를 통해 시간에 대한 힘과 속도를 디지털데이터(digital data)로 변환하여 저장하며, 타격응력, 타격에너지, 말뚝의 변위, 건전도 등의 측정 결과치를 극한지지력과 함께 화면에 나타내는 항타분석기(PDA, Pile Driving Analyzer)를 포함하여서 이루어지며; 변형률계는 타격으로 인하여 말뚝에 발생하는 변형률을 직접 측정하고, 상기 변형률은 항타분석기에 의해 말뚝의 단면적 및 탄성계수와의 관계식으로부터 힘을 산정하며; 가속도계로부터 측정된 가속도는 항타분석기에 의해 적분되어 속도 및 변위로 변환되고; 해머는 최대 시험하중의 2~3% 이상의 램(ram) 중량을 가지며; 매입말뚝의 직경(D)이 1000mm 이상 되는 대구경 말뚝의 경우, 항타분석기는, 편타에 의한 데이터 값의 오차를 줄이기 위해 8채널 이상 사용되고, 변형률계 및 가속도계는, 4세트(set) 이상 사용되는 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정시스템을 이용하여 풍화암반과 기반암에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 지상부분의 길이가 3D(D:말뚝직경) 이상인 시험말뚝을 준비하는 시험말뚝 준비단계; 시험말뚝 두부로부터 1.5~2.0D되는 지점에 드릴을 사용하여 대칭으로 각각 한 쌍의 구멍을 천공하는 시험말뚝 천공단계; 천공한 상기 구멍에 고강도 볼트를 사용하여 변형률계와 가속도계를 부착하는 변형률계 및 가속도계 체결단계; 항타분석기에 현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수 등의 초기값과, 변형률계 및 가속도계의 위치와, 검정계수(calibration factor)를 입력하는 데이터 입력단계; 시험말뚝을 타격하기 위하여 해머를 시험말뚝에 거치하고, 편타가 생기지 않도록 해머와 시험말뚝의 축선이 일치하도록 하는 타격 준비단계; 변형률계 및 가속도계의 매입 케이블을 항타분석기에 연결하고 변형률계 및 가속도계의 점검 테스트를 실시하여 이상 유무를 확인하는 변형률계 및 가속도계 테스트단계; 상기 변형률계 및 가속도계 테스트단계 후 변형률계 및 가속도계에 이상이 없으면 초기 타격을 1~2회 실시하여 초기 입력치를 조정하는 초기입력치 조정단계; 상기 초기입력치 조정단계를 통해 초기 입력값을 조정한 후 복수 회 타격하여 가속도계와 변형률계로 힘과 속도를 측정하고 CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 해석을 위해 데이터를 저장하는 데이터 수집단계; 수집된 상기 데이터를 이용하여서 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 선단지지력 산정단계를 포함하며; 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식,
qp(kN/m2) = 20,357 + 90.538×RQD(%) (R2=0.8128)
(여기서, RQD는 암질지수이고, 암질지수(RQD)는 10cm 이상의 코어길이의 합을 총 시추 길이로 나눈 값을 백분율로 표시한 값이며, R2는 설명력임)이다.
이상에서와 같은 본 발명은, 다양한 지지지반과 말뚝규격을 여러 현장에서 시험시공과 재하시험을 수행하므로, 매입말뚝의 표준설계 및 시공컨설팅기법의 체계를 확립하게 되었고, 그 결과, 과소 설계지지력을 적용하는 문제는 물론이고 설계와 시공오류로 인해 시공법과 말뚝길이가 변경되어 공사비가 증액되고 공사기간이 연장되는 문제가 해소되며, 큰 설계지지력을 안전하면서 경제적으로 적용할 수 있게 된다.
이와 같이 체계화된 표준설계 및 시공컨설팅을 수행하면서 확보한 현장의 수많은 시험자료를 분석하여 개발된 경험식에 의해, 풍화암반과 기반암에 지지시켜 표준설계 및 시공기법에 따라 시공하는 SDA매입말뚝의 선단지지력을 정량적으로 산정할 수 있다.
도 1은 오거빗트(auger bit)로 천공하는 것이 가능한 사질토층, 점성토층 및 풍화대를 천공하고 풍화암반과 기반암에 말뚝을 시공하는 순서도
도 2는 오거빗트(auger bit)로 천공하는 것이 불가능한 자갈 또는 전석(호박돌, boulder) 매립층과 퇴적층, 핵석(core stone)이 분포하는 풍화토, 풍화암반과 기반암을 개량해머 또는 정해머로 천공하여 말뚝을 시공하는 순서도
도 3은 동정재하시험 하중-침하량 곡선을 보인 그래프
도 4는 단위선단지지력과 TCR의 관계(data 349개)를 보인 그래프
도 5는 단위선단지지력과 RQD의 관계(data 349개)를 보인 그래프
도 6은 암종별 단위선단지지력과 TCR의 관계를 보인 그래프들
도 7은 암종별 단위선단지지력과 RQD의 관계를 보인 그래프들
도 8은 본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력을 측정할 수 있는 동재하시험장비 설치도 모식도 및 시험광경을 보인 개략도
도 9는 본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법을 보인 순서도
본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.
도 1은 오거빗트(auger bit)로 천공하는 것이 가능한 사질토층, 점성토층 및 풍화대를 천공하고 풍화암반과 기반암에 말뚝을 시공하는 순서도이고, 도 2는 오거빗트(auger bit)로 천공하는 것이 불가능한 자갈 또는 전석(호박돌, boulder) 매립층과 퇴적층, 핵석(core stone)이 분포하는 풍화토, 풍화암반과 기반암을 개량해머 또는 정해머로 천공하여 말뚝을 시공하는 순서도이며, 도 3은 동·정재하시험 하중-침하량 곡선을 보인 그래프이다. 도 4는 단위선단지지력과 TCR의 관계(data 349개)를 보인 그래프이고, 도 5는 단위선단지지력과 RQD의 관계(data 349개)를 보인 그래프이며, 도 6은 암종별 단위선단지지력과 TCR의 관계를 보인 그래프들이다. 도 7은 암종별 단위선단지지력과 RQD의 관계를 보인 그래프들이고, 도 8은 본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력을 측정할 수 있는 동재하시험장비 설치도 모식도 및 시험광경을 보인 개략도, 도 9는 본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법을 보인 순서도이다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법은, 도 8에 도시한 바와 같은 산정시스템에 의해 측정된다.
이러한 산정시스템은, 매입말뚝(10)의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝(10)에 부착되고 타격으로 인해 매입말뚝(10)에 발생되는 변형률을 측정하는 변형률계(strain transducer; 20)와, 매입말뚝(10)의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝(10)에 부착되는 가속도계(accelerometer; 30)와, 매입말뚝(10)의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝(10)을 타격하는 해머(hammer; 40)와, 항타시 변형률계(20) 및 가속도계(30)로부터 측정된 아날로그(analogue)신호에 대해 시그널컨디셔닝(signal conditioning)을 실시하여 시간에 대한 힘과 속도의 파형으로 나타내고 A/D(Analogue to Digital)변환기를 통해 시간에 대한 힘과 속도를 디지털데이터(digital data)로 변환하여 저장하며, 타격응력, 타격에너지, 말뚝의 변위, 건전도 등의 측정 결과치를 극한지지력과 함께 화면에 나타내는 항타분석기(PDA, Pile Driving Analyzer; 50)를 포함하여서 이루어진다.
변형률계(20)는 타격으로 인하여 말뚝에 발생하는 변형률을 직접 측정하고, 상기 변형률은 항타분석기(50)에 의해 말뚝의 단면적 및 탄성계수와의 관계식으로부터 힘을 산정한다. 가속도계(30)로부터 측정된 가속도는 항타분석기(50)에 의해 적분되어 속도 및 변위로 변환된다. 해머(40)는 최대 시험하중의 2~3% 이상의 램(ram) 중량을 갖는다. 매입말뚝(10)의 직경이 1000mm 이상 되는 대구경 말뚝의 경우, 항타분석기(50)는, 편타에 의한 데이터 값의 오차를 줄이기 위해 8채널 이상 사용되며, 변형률계(20) 및 가속도계(30)는, 4세트(set) 이상 사용된다.
도 9는 상술한 구성의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝(10) 선단지지력 산정시스템을 이용하여 풍화암반과 기반암에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 지상부분의 길이가 3D(D:말뚝직경) 이상인 시험말뚝을 준비하는 시험말뚝 준비단계(S10)와, 시험말뚝 두부로부터 1.5~2.0D되는 지점에 드릴을 사용하여 대칭으로 각각 한 쌍의 구멍을 천공하는 시험말뚝 천공단계(S20)와, 천공한 상기 구멍에 고강도 볼트를 사용하여 변형률계(20)와 가속도계(30)를 부착하는 변형률계 및 가속도계 체결단계(S30)와, 항타분석기(50)에 현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수 등의 초기값과, 변형률계 및 가속도계의 위치와, 검정계수(calibration factor)를 입력하는 데이터 입력단계(S40)와, 시험말뚝을 타격하기 위하여 해머(40)를 시험말뚝에 거치하고, 편타가 생기지 않도록 해머(40)와 시험말뚝의 축선이 일치하도록 하는 타격 준비단계(S50)와, 변형률계(20) 및 가속도계(30)의 매입 케이블을 항타분석기(50)에 연결하고 변형률계(20) 및 가속도계(30)의 점검 테스트를 실시하여 이상 유무를 확인하는 변형률계 및 가속도계 테스트단계(S60)와, 상기 변형률계 및 가속도계 테스트단계(S60) 후 변형률계(20) 및 가속도계(30)에 이상이 없으면 초기 타격을 1~2회 실시하여 초기 입력치를 조정하는 초기입력치 조정단계(S70)와, 상기 초기입력치 조정단계(S70)를 통해 초기 입력값을 조정한 후 복수 회 타격하여 가속도계(30)와 변형률계(20)로 힘과 속도를 측정하고 CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 해석을 위해 데이터를 저장하는 데이터 수집단계(S80)와, 수집된 상기 데이터를 이용하여서 매입말뚝(10)의 선단지지력을 계산하는 선단지지력 산정단계(S90)를 포함한다.
본 발명의 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법은 다음과 같다.
본 발명은, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식은, qp(kN/m2) = 15,994 + 90.249×TCR(%) (R2=0.4612)이다. 여기서, TCR은 코어회수율이고, 코어회수율(TCR)은 말뚝선단에서 아래로 1D(D:말뚝직경) 범위의 평균값이며, R2는 설명력이다.
이러한 코어회수율(Total Core Recovery; TCR)은 회수된 코어 길이를 총 시추 길이로 나눈값을 백분율로 표시한 값이다.
또한 본 발명의 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 선단지지력 산정방법은, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식은, qp(kN/m2) = 20,357 + 90.538×RQD(%) (R2=0.8128)이다. 여기서, RQD는 암질지수이고, 암질지수(Rock Quality Designation; RQD)는 10cm 이상의 코어길이의 합을 총 시추 길이로 나눈 값을 백분율로 표시한 값이며, R2는 설명력이다.
이러한 본 발명의 풍화암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 16,500~18,500kN/㎡가 적용되며, 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 16,000~18,000kN/㎡, 화성암은 17,500~19,000kN/㎡, 퇴적암은 19,000~19,500kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 20,500kN/㎡가 적용되며, 암종(岩種)별로 구분하면 RQD기준으로는 변성암과 화성암은 21,000kN/㎡, 퇴적암은 20,000kN/㎡가 적용된다.
또한, 연암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 19,000~21,000kN/㎡가 적용되며, 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 18,500~21,000kN/㎡, 화성암은 19,500~21,500kN/㎡, 퇴적암은 19,500~20,500kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 21,000~22,000kN/㎡가 적용되며, 암종(岩種)별로 구분하면 RQD기준으로는 변성암과 화성암은 21,500~22,500kN/㎡, 퇴적암은 20,500~21,500kN/㎡가 적용된다.
또한, 보통암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이, TCR기준으로 21,500~23,000kN/㎡가 적용되고, 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 21,500~23,000kN/㎡, 화성암은 22,000~23,000kN/㎡, 퇴적암은 20,500~21,000kN/㎡가 적용되며; 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 22,500~24,500kN/㎡가 적용되고, 암종(岩種)별로 구분하면 RQD기준으로는 변성암은 22,500~24,500kN/㎡, 화성암은 23,000~24,500kN/㎡, 퇴적암은 22,000~23,500kN/㎡가 적용된다.
또한, 경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 23,500~24,500kN/㎡가 적용되며, 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암과 화성암은 23,500~25,000kN/㎡, 퇴적암은 21,000~21,500kN/㎡가 적용되고; 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 25,000~26,500kN/㎡가 적용되며, 암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암은 25,000~26,500kN/㎡, 화성암은 25,000~27,000kN/㎡, 퇴적암은 24,000~26,000kN/㎡가 적용된다.
그리고, 극경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은, 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 23,500~24,500kN/㎡가 적용되며, 암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암과 화성암은 23,500~25,000kN/㎡, 퇴적암은 21,000~21,500kN/㎡가 적용되고; 암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 27,000~29,000kN/㎡가 적용되며, 암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암은 27,000~28,500kN/㎡, 화성암은 27,500~29,000kN/㎡, 퇴적암은 26,500~28,000kN/㎡가 적용된다.
이하, 본 발명의 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 표준설계 및 시공기법(채수근 등, 2013, 2015)에 따라 풍화암반과 기반암에 SDA (Separated Doughnut Auger)공법으로 시공한 매입말뚝에서 말뚝재하시험을 수행하고 시험자료를 분석하여 국내 지반조건과 시공조건 및 말뚝의 설계지지력에 부합하는 선단지지력을 정량적으로 평가할 수 있는 산정식을 개발하였다.
상기 SDA공법(채수근, 1997, 2000, 2002, 2007; 채수근 등, 2007, 2008, 2013, 2015)은 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 정(正)회전하는 오거스크류(auger screw; 1)와 역(逆)회전하는 케이싱스크류(casing screw; 2)로 동시에 지반을 천공하고 말뚝을 삽입한 후 압입(壓入) 또는 경타(輕打) 방식으로 설치하는 저소음저진동 말뚝시공법이다. 또한 매입말뚝(10)을 삽입하기 전후에 말뚝의 선단과 주면을 시멘트 밀크(cement milk; 3)로 충전하여 말뚝의 지지력(支持力, end bearing and skin friction capacity)을 증대시키는 공법으로써 모든 규격의 기성말뚝을 시공할 수 있는 매입말뚝 시공법이다.
SDA공법은 말뚝의 선단 및 주면지반에 따라 케이싱스크류(2)와 병행하여 오거빗트(auger bit), 개량해머(jack hammer) 또는 정해머(air hammer) 또는 해머(40)로 천공한다.
도 1 및 도 2는 SDA매입공법의 표준시공순서를 보여주는 도면으로서, 도 1은 오거빗트(auger bit)로 천공하는 것이 가능한 사질토층, 점성토층 및 풍화대를 천공하고 풍화암반과 기반암에 말뚝을 시공하는 순서도이다. 도 2는 오거빗트(auger bit)로 천공하는 것이 불가능한 자갈 또는 전석(호박돌, boulder) 매립층과 퇴적층, 핵석(core stone)이 분포하는 풍화대토, 풍화암반과 기반암을 개량해머 또는 정해머로 천공하여 풍화암반과 기반암에 말뚝을 시공하는 순서도이다.
SDA공법의 특징은 다음과 같다.
오거빗트, 개량해머 및 정해머를 장착한 오거스크류(auger screw; 1)와 말뚝보다 50~60mm 정도 큰 직경의 케이싱스크류(casing screw; 2)를 이용하여 2중으로 천공함에 따라 굴착효율이 높을 뿐만 아니라 천공홀 및 말뚝의 연직도(鉛直度)가 양호하며, 특히 지하수위와 지반조건에 영향 받지 않고 말뚝을 시공할 수 있다. 또한 굴착된 토사를 오거스크류(1)와 압축공기로 배토(排土)함으로써 토사나 암편을 육안으로 관찰하여 선단지지층과 마찰지지층을 용이하게 파악할 수 있다. 특히 말뚝의 선단에 물시멘트비(W/C)가 부배합(富配合)인 시멘트 밀크(3)를 주입하여 슬라임(slime)과 교반하고 말뚝 주면 공간을 충전함으로써 말뚝 선단과 주면지반의 강도를 증가시키고 천공에 의해 지중응력이 이완되는 것을 방지할 수 있기 때문에 큰 선단지지력 확보가 가능하다.
이와 같이 여러 가지 장점을 갖고 있는 SDA공법은 Φ400~Φ600mm인 중소구경말뚝(채수근, 2002, 2007, 2015)은 물론이고 Φ700~Φ1200mm인 대구경말뚝(채수근 등, 2013, 2015)의 설계기준과 시공품질기준이 확립되어 있으며, 그 결과 현재 대부분 현장에서 SDA매입말뚝 시공법으로 기초말뚝을 시공하고 있다.
매입말뚝의 선단지지층 분류방법은 다음과 같다.
매입말뚝의 지지층이란 기초를 통해서 건축물과 토목구조물의 하중을 직접 부담하는 지층으로써 충분한 강도를 가진 지층이며, 말뚝의 경우에는 큰 선단지지력을 기대할 수 있는 지층이다. 또한 장기적으로 안정되어야 함은 물론이고 충분한 층 두께를 가져야하며, 침하영향이 매우 작은 양질의 지층이 지지층이 된다.
매입말뚝의 지지력은 선단지지력과 주면마찰력의 합력이며 양질의 지지층에 시공하여 주로 선단지지력에 의존하는 지지말뚝을 우선적으로 고려하는 것이 일반적이지만, 양질의 지지층이 매우 깊어 말뚝시공이 어렵거나 비경제적인 경우에는 주면마찰력에 의존하는 마찰말뚝을 채택해야 한다. 최근에는 국내에서도 지진 발생 빈도가 급격히 높아지면서 수평지지력의 중요성이 부각되어 말뚝주면 공간을 시멘트 밀크로 충전하면서 마찰지지력을 고려하는 사례가 많아지고 있다.
본 발명에서는 암반 지지층이 풍화암반과 기반암으로 이루어지며, 기반암의 분류방법은 다음과 같다.
기반암은, 변성암(metamorphic rock), 화성암(igneous rock) 및 퇴적암(sedimentary rock)을 기반암으로 하는 연암층(SR, soft rock mass), 보통암층(MR, moderately rock mass), 경암층(HR, hard rock mass) 및 극경암층(XHR, extra hard rock mass)은 지반조사편람(서울특별시, 2006)에서 추천하는 표 1의서울지역 지반분류기준에 따라 NX규격(천공비트 외경 75.7mm)으로 시추하고 NX공경의 다이아몬드 비트(diamond bit)와 이중코어배럴로 채취한 암석 코어시료(직경 54.0mm)를 관찰하여 암석(岩石, rock)종류를 파악하고, 풍화도(weathering intensity), 코어회수율(Total Core Recovery, TCR)과 암질지수(Rock Quality Designation, RQD), 암석강도(일축압축, 점하중), 절리간격(Js), 현장의 탄성파속도 등을 기준으로 암반(岩盤, rock mass)을 분류하였다. 코어회수율(TCR)과 암질지수(RQD)는 말뚝선단에서 아래로 1D(D : 말뚝직경) 범위의 평균값이다.
Figure 112017059422813-pat00001
풍화암반과 기반암에 시공하는 SDA매입말뚝의 선단지지력 산정식에 대한 개요는 아래와 같다.
최근 5년간 90개 현장에서 표준설계 및 시공컨설팅기법에 따라 풍화암반과 기반암 지지층에 총 1,761본의 매입말뚝을 시공하고 재하시험을 수행하여 매입말뚝의 단위선단지지력 특성을 분석하고 단위선단지지력을 정량적으로 평가할 수 있는 산정식을 제안하였다.
풍화암반은 N'값(50/10~50/1)에 따라 10단계로 구분하였으며, 기반암은 지반조사편람(서울특별시, 2006)에 따라 연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반으로 구분하여 연구였다.
연구 결과, 풍화암반과 기반암이 지지층인 매입말뚝의 단위선단지지력은 지지층의 암석과 암반종류, 코어회수율(TCR), 암질지수(RQD), 타격에너지에 따라 달라지는 것으로 나타났다. 특히 매입말뚝의 선단지지력은 시간이 경과하면서 증가하는 것으로 파악되었으며, 코어회수율(TCR)보다는 암질지수(RQD)가 상관성이 더 높은 것으로 확인되었다.
SDA매입말뚝의 시험시공 및 재하시험 분석은 아래와 같다.
SDA매입말뚝의 선단지지력 발명을 위해 전국적으로 분포된 90개 현장에서 총 1,761본의 매입말뚝을 시험시공 하였으며, 현장별로 말뚝 규격과 설계지지력, 말뚝 길이, 천공방식, 시멘트 밀크의 물시멘트비(W/C), 지층 조건(지층과 선단지반 종류) 암종(岩種)을 표 2에 정리하였다. 또한 말뚝의 선단지지층을 암종별로 구분해 보면 변성암과 화성암이 각각 40개 현장, 퇴적암은 10개 현장이 된다.
Figure 112017059422813-pat00002
Figure 112017059422813-pat00003
Figure 112017059422813-pat00004
Figure 112017059422813-pat00005
본 발명의 시험말뚝 규격 및 시공조건은 다음과 같다.
시험말뚝은 고강도 콘크리트말뚝(PHC, Pretensioned spun High strength Concrete, KS F 4306, 설계기준강도 78.5MPa)과 초고강도 PHC말뚝(설계기준강도 110MPa)이며, 중공(中空) 형태의 원형 및 선단폐쇄형으로써 A종이다. 사용한 말뚝의 직경별로 현장을 구분하면 Φ450mm 2개 현장, Φ500mm 63개 현장(초고강도 PHC말뚝 20개 현장 포함) 및 Φ600mm는 30개 현장(초고강도 PHC말뚝 6개 현장 포함)이 된다.
시험말뚝은 지반종류에 따라 오거빗트(auger bit) 또는 해머빗트(jack hammer, air hammer)방식으로 천공하고, 시멘트 밀크 주입, 해머로 경타하는 SDA매입공법으로 시공하였으며, 말뚝관입길이는 2.440.7m 정도가 된다. 모든 시험말뚝은 본 발명자의 설계 및 시공컨설팅기법에 따라 결정된 설계지지력, 말뚝 규격과 길이 및 말뚝시공장비 규격을 준수하여 시공하였다.
국내 대부분의 현장에서는 말뚝선단을 풍화토층 또는 풍화암반 내에 관입시키거나 기반암반 내에 관입 또는 지지시켜 시공하고 있다. 본 발명에서는 말뚝의 지지층을 서울시 표준지반분류기준(서울특별시, 2006)에 따라 일부 공공기관에서 풍화암반으로 분류하는 풍화토층(RS)은 물론이고, 풍화암반(WR), 연암반(SR), 보통암반(MR), 경암반(HR) 및 극경암반(XHR)으로 구분하였다. 암종(岩種)은 변성암(편마암, 흑운모편마암, 운모편암, 호상편마암), 화성암(화강암, 흑운모화강암, 안산암질 각력암, 안산암, 유문암) 및 퇴적암(이암, 혈암, 사암, 역암, 석회암, 응회암)으로 분류하였다. 본 발명에 활용한 총 90개 현장중 풍화대(풍화토, 풍화암반) 지지층인 현장은 40곳이며, 풍화암반과 기반암이 동시에 지지층인 현장 및 기반암이 선단지반인 현장은 50곳이 된다.
본 발명의 시멘트 밀크 배합비는 다음과 같다.
매입말뚝은 규격과 설계지지력, 지반조건(지층구성 및 성분, 투수성, 지하수위와 지하수량) 등을 고려하여 표 3에서와 같이 현장별로 물시멘트비(W/C)가 59(60), 68(70), 75, 83%인 시멘트 밀크를 말뚝선단과 주면에 동일한 배합비로 사용하여 충전하였다.
물시멘트비(W/C) 별 시멘트와 물의 량은 표 3에서 보는 바와 같으며, 1종 보통 포틀랜드 시멘트(KS L 5201)와 2종 고로슬래그 시멘트(KS L 5210)로 구분하여 제시하였다.
Figure 112017059422813-pat00006
본 발명의 말뚝재하시험 및 결과분석은 다음과 같다.
시험시공한 1,761본의 말뚝에서 동재하시험 3,329회(초기 동재하시험 1,761회, 재항타 동재하시험 1,568회)와 정재하시험을 275회 실시하였으며, 말뚝의 시험시공방법 및 재하시험방법에 대한 상세한 내용은 표 4에서 보는 바와 같다.
시험시공한 말뚝에 대해 PDA(Pile Driving Analysis : Pile Dynamics Inc, 1995)에 의한 초기(시공중) 동재하시험(EOID test)을 KS F 2591 규정에 따라 실시하고 CAPWAP(CAse Pile Wave Analysis Program : GRL Associates Inc, 1996) 방법으로 분석하여 말뚝의 지지력과 건전도 등을 확인하였다. 또한 선단지지력의 시간경과효과(time effect)를 확인하기 위해 재항타 동재하시험(restrike test)을 실시하였다.
아울러 모든 현장에서 1회 이상 연직 정재하시험을 실시하여 하중 - 침하량 관계로부터 허용지지력을 파악하고 동재하시험과의 상관성을 비교 검토하여 동재하시험 결과치의 신뢰도를 검증하였다.
전국 90개 현장에서 SDA매입공법으로 시공한 1,761본의 말뚝에서 동재하시험(EOID & restrike test)을 수행한 결과자료를 이용하여 기반암의 선단지지력 특성을 분석하였다.
시험말뚝에서 시행한 동재하시험의 결과자료를 CAPWAP방법으로 해석하고 말뚝직경과 설계지지력별로 분석하여 단위선단지지력(unit end bearing capacity)으로 표현하였으며, 경타할 때 사용한 램(ram)중량과 전달에너지(타격에너지), 초기(시공중) 및 재항타 동재하시험시 확인된 각각의 단위선단지지력을 설계지지력과의 비율(%)로 산정하여 표 4에 정리하였다.
Figure 112017059422813-pat00007
Figure 112017059422813-pat00008
Figure 112017059422813-pat00009
Figure 112017059422813-pat00010
동재하시험과 정재하시험 비교분석은 아래와 같다.
동재하시험 결과로부터 얻은 매입말뚝의 지지력에 대한 신뢰도를 검증하기 위해서 동일 또는 서로 인접한 말뚝에 대해 재항타 동재하시험과 정재하시험을 시행하고 두 시험의 하중-침하량 변화를 함께 비교하였다.
도 3은 동정재하시험 하중-침하량 곡선을 나타낸 도면으로서, 말뚝선단 지반종류, 말뚝규격과 설계지지력별로 4개 현장에서 시행한 동재하시험과 정재하시험의 하중-침하량 관계곡선을 분석한 결과 매우 유사한 양상을 보여주는 것으로 확인되었다. 따라서 본 발명에 이용한 동재하시험 결과의 신뢰도는 양호한 것으로 평가할 수 있다.
풍화암반과 기반암에 시공한 SDA매입말뚝의 단위선단지지력 분석은 아래와 같다.
풍화암반과 기반암에 시공한 매입말뚝의 단위선단지지력(qp)은 초기(시공중) 동재하시험(EOID test)으로 구한 말뚝의 극한선단지지력을 말뚝의 선단지지면적으로 나누어 구하였으며, 재항타 동재하시험(restrike test) 자료를 이용하여 시간경과에 대한 영향도 함께 분석하였다.
본 발명에서는 풍화암반과 연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반과 같은 기반암에 말뚝을 시공한 모든 시험말뚝의 단위선단지지력(qp)을 분석하였으며, 말뚝직경과 설계지지력별, 기반암의 암석 종류, TCR과 RQD, 풍화도와 강도 등에 따라 말뚝의 단위선단지지력(qp) 변화를 파악하였다.
시공 초기에는 선단지지력이 지배적이지만 시간경과에 따라 시멘트 밀크가 양생되면서 주면마찰력이 점차 증가하여 대부분 말뚝에서 선단지지력의 분담비율이 작아지는 것으로 나타났다. 그러나 말뚝선단 암반의 불연속면(discontinuity)의 틈새(aperture)나 파쇄대 또는 연약대가 시멘트 밀크로 보강되고 경타로 인해 틈새가 좁아지거나 연약대와 파쇄대가 다짐되어 말뚝의 선단지지력이 증가하는 것을 재항타 동재하시험에서 확인하였다.
따라서 표준시공법으로 기반암에 시공하는 말뚝은 시간경과에 따라 선단지지력이 증가하는 점을 고려하는 것이 타당하나 본 발명에서는 초기(시공중) 동재하시험자료 만으로 단위선단지지력 산정식을 제안함으로써 코어시추조건, 지반조건과 말뚝시공조건에서 잠재할 수 있는 불확실한 요소를 감안하여 선단지지력을 안전측으로 산정할 수 있도록 하였다. 또한 천공할 때 발생하는 암편 또는 토사 슬라임과 시멘트 밀크가 교반 및 양생되면서 말뚝과 일체가 되어 선단면적이 증가되지만 말뚝본체의 직경으로 산정되는 전체단면적만 고려하였다.
TCR 및 RQD는 시추장비와 시료채취기의 규격, 시추 기능공의 숙련도에 따라 코어의 회수율이 달라지지만 본 발명에서는 서울시(2006)의 기준에 따라 시추 및 코아채취한 자료를 이용하였으며, 암종과 암반의 이방성과 불균질성 특성을 고려하여 TCR 및 RQD와 SDA매입말뚝의 단위선단지지력(qp)의 상관성을 국내외에서 최초로 분석하였다.
풍화암반과 기반암의 단위선단지지력은 아래와 같다.
변성암, 화성암 및 퇴적암의 연암반(SR), 보통암반(MR), 경암반(HR) 및 극경암반(XHR)에 시공한 SDA매입말뚝의 단위선단지지력(qp)을 분석한 결과는 도 4 및 도 5, 표 5 및 표 6과 같다. 도 4는 코어회수율(TCR)과 단위선단지지력(qp), 도 5는 암질지수(RQD)와 단위선단지지력(qp)의 상관관계를 암종(岩種) 구분없이 전체적으로 나타낸 것으로써 회귀식은 식(1)~식(2)와 같으며, 각 암반층의 TCR과 RQD별 단위선단지지력을 표 5 및 표 6에 정리하였다. 본 발명에서 이용한 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD)는 말뚝선단에서 아래로 3D(D:말뚝직경) 범위의 평균값이다.
그림 4는 코어회수율(TCR)과 단위선단지지력(qp)의 상관관계를 분석한 것으로 Pearson 상관계수(r) 값은 0.678로 나타나 코어회수율(TCR)과 단위선단지지력(qp) 간의 유의한 양(+)의 상관관계가 있음을 알 수 있다(R2=0.4612, p<0.001). 코어회수율(TCR)의 회귀식의 기울기는 90.249, 절편은 15,994로 나타났다.
도 5는 암질지수(RQD)와 단위선단지지력(qp)의 상관관계를 분석한 것으로 Pearson 상관계수(r) 값은 0.900으로 나타나 암질지수(RQD)와 단위선단지지력(qp) 간의 유의한 양(+)의 상관관계가 있음을 알 수 있다(R2=0.8128 p<0.001). 암질지수(RQD)의 회귀식의 기울기는 90.538, 절편은 20,357로 나타났다.
도 4 및 도 5, 표 5 및 표 6에 의하면 매입말뚝의 단위선단지지력(qp)은 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD)에 비례하였으며, 특히 암질지수(RQD) 회귀식의 설명력은 81.2%로 코어회수율(TCR)의 47.9%에 비해 높았다. 즉, 현장의 시험자료를 분석해 보면 코어회수율(TCR)보다 암질지수(RQD)가 단위선단지지력(qp)와의 상관성이 더 높은 것으로 확인되었다.
실제 풍화암반에서 표준관입시험치(N'값)로 제안하는 최대 단위선단지지력(qp)이 20,000kN/㎡임을 고려할 때 코어회수율(TCR)보다 암질지수(RQD)와 단위선단지지력(qp)의 상관관계식이 설계에 적용성이 더 높은 것이 확인되었다.
식(1) - 코어회수율(TCR) : qp = 15,994 + 90.249×TCR(%) (R2=0.4612)
식(2) - 암질지수(RQD) : qp = 20,357 + 90.538×RQD(%) (R2=0.8128)
풍화암반과 기반암의 암종(岩種)별 단위선단지지력은 아래와 같다.
도 6 및 도 7은 각 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD)와 단위선단지지력(qp)의 상관관계를 암종(岩種)별로 나타낸 것으로써 회귀식은 식(3)~식(8)과 같으며, 각 암종별로 TCR과 RQD에 대한 단위선단지지력을 표 5 및 표 6에 정리하였다.
변성암을 대상으로 단위선단지지력과 코어회수율(TCR)의 회귀분석을 수행한 결과, 회귀식은 식(3)과 같다(R2=4947, p<0.001). Pearson 상관계수(r) 값은 0.703으로 나타나 코어회수율(TCR)과 단위선단지지력(qp) 간의 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다. 변성암 회귀식의 기울기는 96.813, 절편은 15,518로 나타났다.
화성암을 대상으로 단위선단지지력과 코어회수율(TCR)의 회귀분석을 수행한 결과, 회귀식은 식(4)와 같다(R2=0.3681, p<0.001). Pearson 상관계수(r) 값은 0.607로 나타나 코어회수율(TCR)과 단위선단지지력(qp) 간의 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다. 화성암 회귀식의 기울기는 81.927, 절편은 17,165로 나타났다.
퇴적암을 대상으로 단위선단지지력도 코어회수율(TCR)의 회귀분석을 수행한 결과, 회귀식은 식(5)과 같다(R2=0.1010, p<0.001). Pearson 상관계수(r) 값은 0.314로 나타나 코어회수율(TCR)과 단위선단지지력(qp) 간의 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다. 퇴적암 회귀식의 기울기는 25.686, 절편은 19,280으로 나타났다.
따라서 암종별 단위선단지지력은 코어회수율(TCR)에 비례하는 것을 알 수 있다. 다만, 모든 암종(岩種)에서 설명력(R2)이 0.5 이하로써 상관성이 다소 약한 것을 알 수 있으며, 특히 퇴적암은 상관성이 매우 약한 것으로 나타났다.
식(3) - 변성암(TCR) : qp = 15,518 + 96.813×TCR(%) (R2=0.4947)
식(4) - 화성암(TCR) : qp = 17,165 + 81.927×TCR(%) (R2=0.3681)
식(5) - 퇴적암(TCR) : qp = 19,280 + 25.686×TCR(%) (R2=0.1010)
변성암을 대상으로 단위선단지지력과 암질지수(RQD)의 회귀분석을 수행한 결과, 회귀식은 식(6)과 같다(R2=0.8184, p<0.001). Pearson 상관계수(r) 값은 0.904로 나타나 암질지수(RQD)과 단위선단지지력(qp) 간의 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다.
화성암을 대상으로 단위선단지지력과 암질지수(RQD)의 회귀분석을 수행한 결과, 회귀식은 식(7)와 같다(R2=0.8005, p<0.001). Pearson 상관계수(r) 값은 0.895로 나타나 암질지수(RQD)과 단위선단지지력(qp) 간의 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다.
퇴적암을 대상으로 단위선단지지력도 암질지수(RQD)의 회귀분석을 수행한 결과, 회귀식은 식(8)과 같다(R2=0.4837, p<0.001). Pearson 상관계수(r) 값은 0.690으로 나타나 암질지수(RQD)과 단위선단지지력(qp) 간의 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다.
따라서 암종별 단위선단지지력은 암질지수(RQD)에 양의 방향으로 비례하며 변성암과 화성암은 설명력(R2)이 0.5 이상으로 상관성이 매우 강한 것을 알 수 있는 반면에 퇴적암은 설명력(R2)이 0.5 이하로 상관성이 다소 약한 것으로 나타났다.
식(6) - 변성암(RQD) : qp = 20,691 + 83.508×RQD(%) (R2=0.8184)
식(7) - 화성암(RQD) : qp = 20,642 + 89.083×RQD(%) (R2=0.8005)
식(8) - 퇴적암(RQD) : qp = 19,780 + 86.154×RQD(%) (R2=0.4837)
Figure 112017059422813-pat00011
Figure 112017059422813-pat00012
암반 분류별 단위선단지지력 산정은 아래와 같다.
본 발명에서는 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD)에 따른 풍화암반에서 매입말뚝의 단위선단지지력을 산정하였으며, 그 상정값은 아래와 같다.
풍화암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 16,500~18,500kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로 20,500kN/㎡를 적용할 수 있다. 한편, 암종(岩種)별로 구분하면 TCR기준으로 변성암은 16,000~18,000kN/㎡, 화성암은 17,500~19,000kN/㎡, 퇴적암은 19,000~19,500kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로는 변성암과 화성암은 21,000kN/㎡, 퇴적암은 20,000kN/㎡를 적용할 수 있다.
연암반에서 매입말뚝의 단위선단지지력은 아래와 같다.
연암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 19,000~21,000kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로 21,000~22,000kN/㎡를 적용할 수 있다. 한편, 암종(岩種)별로 구분하면 TCR기준으로 변성암은 18,500~21,000kN/㎡, 화성암은 19,500~21,500kN/㎡, 퇴적암은 19,500~20,500kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로는 변성암과 화성암은 21,500~22,500kN/㎡, 퇴적암은 20,500~21,500kN/㎡를 적용할 수 있다.
보통암반에서 매입말뚝의 단위선단지지력은 아래와 같다.
보통암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 21,500~23,000kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로 22,500~24,500kN/㎡를 적용할 수 있다. 한편, 암종(岩種)별로 구분하면 TCR기준으로 변성암은 21,500~23,000kN/㎡, 화성암은 22,000~23,000kN/㎡, 퇴적암은 20,500~21,000kN/㎡를 적용할 수 있다. 또한, RQD기준으로는 변성암은 22,500~24,500kN/㎡, 화성암은 23,000~24,500kN/㎡, 퇴적암은 22,000~23,500kN/㎡를 적용할 수 있다.
경암반에서 매입말뚝의 단위선단지지력은 아래와 같다.
경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 23,500~24,500kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로 25,000~26,500kN/㎡를 적용할 수 있다. 한편, 암종(岩種)별로 구분하면 TCR기준으로 변성암과 화성암은 23,500~25,000kN/㎡, 퇴적암은 21,000~21,500kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로는 변성암은 25,000~26,500kN/㎡, 화성암은 25,000~27,000kN/㎡, 퇴적암은 24,000~26,000kN/㎡를 적용할 수 있다.
극경암반에서 매입말뚝의 단위선단지지력은 아래와 같다.
극경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은 암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 23,500~24,500kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로 27,000~29,000kN/㎡를 적용할 수 있다. 한편, 암종(岩種)별로 구분하면 TCR기준으로 변성암과 화성암은 23,500~25,000kN/㎡, 퇴적암은 21,000~21,500kN/㎡를 적용할 수 있으며, RQD기준으로는 변성암은 27,000~28,500kN/㎡, 화성암은 27,500~29,000kN/㎡, 퇴적암은 26,500~28,000kN/㎡를 적용할 수 있다.
이상에서와 같은 본 발명은 다음과 같은 특징이 있다.
국내 90개 현장에서 SDA(Separated Doughnut Auger)매입공법으로 1,761본의 말뚝을 풍화암반과 기반암에 지지시켜 시공하고 말뚝재하시험을 수행하여 얻은 시험자료를 분석하여 단위선단지지력을 정량적으로 산정할 수 있는 경험식을 개발하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫째, 동재하시험 자료의 신뢰도
동재하시험 결과로부터 얻은 매입말뚝의 선단지지력에 대한 신뢰도를 검증하기 위해 동일 또는 인접한 말뚝에서 시행한 동재하시험과 정재하시험의 하중-침하량 관계곡선을 비교한 결과 매우 유사한 양상을 보여주는 것으로 나타남에 따라 동재하시험 자료의 신뢰도는 매우 양호하다고 평가할 수 있다.
둘째, 풍화암반과 기반암(연암반~극경암반)의 단위선단지지력 ( q p ) 산정식 제안
(가), 표준관입시험을 실시하여도 N‘값을 측정할 수 없을 정도로 매우 단단하여 암석코어가 채취되는 풍화암반과 기반암의 단위선단지지력(qp)을 암종(岩種)별, 지반분류별 코어회수율(TCR)과 암질지수(RQD)와의 상관식으로 발명하였다. 상관식에 이용한 코어회수율(TCR)과 암질지수(RQD)는 더블튜브와 다이아몬드 비트로 구성된 이중코어배럴로 암석코어를 NX규격(천공비트 외경 75.7mm, 암석코어 직경 54.0mm)으로 채취하여 결정하였으며, 말뚝선단에서 아래로 말뚝직경(D) 범위의 평균값이다.
또한 암종은 변성암, 화성암, 퇴적암으로 구분하고, 암반은 서울시(2006)의 지반분류기준에 따라 풍화암반, 연암반, 보통암반, 경암반, 극경암반으로 구분하였다.
(나), 말뚝의 규격과 암종(岩種)에 관계없이 풍화암반과 기반암의 단위선단지지력(qp)은 말뚝선단 암반의 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD)와 비례하였으며, 특히 코어회수율(TCR)보다 암질지수(RQD)가 단위선단지지력(qp)와의 상관성이 더 높은 것으로 확인되었다. 이와 같은 비례관계를 근거로 매입말뚝의 단위선단지지력을 코어회수율(TCR)과 암질지수(RQD)에 의해 분류되는 암반분류별로 표 7에 제안하였으며, 코어회수율(TCR)보다 상관성이 더 높은 암질지수(RQD)로 제안한 단위선단지지력(qp)을 이용하여 선단지지력을 산정한다.
즉, 풍화암반의 단위선단지지력(qp)은 20,500~21,000kN/㎡, 연암반은 21,000~22,000 kN/㎡, 보통암반은 22,500~ 24,500kN/㎡, 경암반은 25,000~26,500kN/㎡, 극경암반은 27,000~29,000kN/㎡ 범위가 된다.
다만, 고강도말뚝은 암반분류별로 제안한 최소값 내지 평균값의 단위선단지지력을 적용하고, 초고강도말뚝은 제안값중 평균값 내지 최대값을 적용하면 된다. 또한 말뚝길이가 짧을수록 또는 마찰지지력이 작을수록 최대값을 적용하여 선단지지력을 확보해야 한다.
(다), 암종(岩種)별 단위선단지지력(qp)은 말뚝선단 암반의 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD)와 비례하는 것으로 나타났다. 다만, 코어회수율(TCR)과의 상관성은 약한 반면에 암질지수(RQD)와의 상관성은 강한 것으로 나타났다. 특히 변성암과 화성암은 설명력(R2)이 0.5 이상으로 상관성이 매우 강한 것으로 나타났다.
따라서 변성암과 화성암의 단위선단지지력은 암종(岩種)과 무관한 단위선단지지력을 직접 이용할 수 있으며, 퇴적암의 단위선단지지력은 변성암과 화성암의 단위선단지지력보다 약 3%정도 감소시켜 적용하는 것이 안전하다.
Figure 112017059422813-pat00013
셋째, 시멘트 밀크가 단위선단지지력에 미치는 영향
(가), 현재까지 매입말뚝에서 선단지지력의 시간경과효과를 정략적으로 규명한 사례가 없었다. 그러나, 금번 발명에서 시멘트 밀크가 양생되면 초기(시공중) 동재하시험시 단위선단지지력보다 평균적으로 15.7%가 증가하는 것으로 나타났다.
이와 같이 단위선단지지력이 증가한 것은 시멘트 밀크와 경타로 인해 말뚝선단 지반의 강도가 증가한 영향으로 판단된다.
(나), 본 발명의 출원인이 제안한 단위선단지지력 산정식에는 이러한 지지력 증가효과를 고려하지 않았지만 상황에 따라서는 산정식의 값보다 최소 10% 이상 큰 값을 적용할 수 있다.
넷째, 본 발명의 식들을 적용할시 고려할 사항
(가), 매입말뚝을 경타방식으로 천공바닥의 원지반에 관입시키지 않아도 슬라임과 시멘트 밀크를 충분히 교반하고 천공홀 바닥까지 안착시키면 시간경과에 따라 선단지지력이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 본 제안식은 매입말뚝을 표준시공법에 따라 정밀시공한다면 보수적인 값이 될 수 있음을 알 수 있다.
(나), 매입말뚝의 단위선단지지력은 동일한 말뚝조건에서도 시공장비 규격과 노후도, 천공 및 전달에너지 효율에 따라 달라질 수 있으며, 말뚝선단 지반조건(핵석 분포, 지지층 두께, 지하수), 천공방식, 시공품질수준에 큰 영향을 받는다. 따라서 장비조건과 시공품질이 불량할 경우 제안식의 단위선단지지력을 10% 감소시켜 적용해야 한다.
(다), 매입말뚝의 단위선단지지력 산정식은 표준시공법으로 시공하는 강관말뚝에도 동일하게 적용할 수 있다. 대구경 말뚝에 대해서도 적용할 수 있으나 전달에너지(EMX)값이 충분히 커야하며, 만약 큰 전달에너지(EMX)값을 적용이 불가능한 경우 단위선단지지력을 10% 감소시켜 적용해야한다.
1 : 오거스크류 2 : 케이싱스크류
3 : 시멘트밀크 10 : 매입말뚝
20 : 변형률계 30 : 가속도계
40 : 해머 50 : 항타분석기

Claims (13)

  1. 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서,
    풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식,
    qp(kN/m2) = 15,994 + 90.249×TCR(%) (R2=0.4612)
    (여기서, TCR은 코어회수율이고, 코어회수율(TCR)은 말뚝선단에서 아래로 1D(D : 말뚝직경) 범위의 평균값이며, R2는 설명력임)
    인 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  2. 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서,
    풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식,
    qp(kN/m2) = 20,357 + 90.538×RQD(%) (R2=0.8128)
    (여기서, RQD는 암질지수이고, 암질지수(RQD)는 10cm 이상의 코어길이의 합을 총 시추 길이로 나눈 값을 백분율로 표시한 값이며, R2는 설명력임)
    인 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    풍화암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 16,500~18,500kN/㎡가 적용되며;
    암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 16,000~18,000kN/㎡, 화성암은 17,500~19,000kN/㎡, 퇴적암은 19,000~19,500kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    풍화암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 20,500kN/㎡가 적용되며;
    암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암과 화성암은 21,000kN/㎡, 퇴적암은 20,000kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    연암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 19,000~21,000kN/㎡가 적용되며;
    암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 18,500~21,000kN/㎡, 화성암은 19,500~21,500kN/㎡, 퇴적암은 19,500~20,500kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    연암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 21,000~22,000kN/㎡가 적용되며;
    암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암과 화성암은 21,500~22,500kN/㎡, 퇴적암은 20,500~21,500kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    보통암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이, TCR기준으로 21,500~23,000kN/㎡가 적용되고;
    암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암은 21,500~23,000kN/㎡, 화성암은 22,000~23,000kN/㎡, 퇴적암은 20,500~21,000kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    보통암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 22,500~24,500kN/㎡가 적용되고;
    암종(岩種)별로 구분하면 RQD기준으로는 변성암은 22,500~24,500kN/㎡, 화성암은 23,000~24,500kN/㎡, 퇴적암은 22,000~23,500kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 23,500~24,500kN/㎡가 적용되며;
    암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암과 화성암은 23,500~25,000kN/㎡, 퇴적암은 21,000~21,500kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  10. 청구항 2에 있어서,
    경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 25,000~26,500kN/㎡가 적용되며;
    암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암은 25,000~26,500kN/㎡, 화성암은 25,000~27,000kN/㎡, 퇴적암은 24,000~26,000kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    극경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 TCR기준으로 23,500~24,500kN/㎡가 적용되며;
    암종(岩種)별로 구분하면, TCR기준으로 변성암과 화성암은 23,500~25,000kN/㎡, 퇴적암은 21,000~21,500kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  12. 청구항 2에 있어서,
    극경암반에 시공하는 매입말뚝의 시공중 단위선단지지력(qp)은,
    암종(岩種)에 관계없이 RQD기준으로 27,000~29,000kN/㎡가 적용되며;
    암종(岩種)별로 구분하면, RQD기준으로는 변성암은 27,000~28,500kN/㎡, 화성암은 27,500~29,000kN/㎡, 퇴적암은 26,500~28,000kN/㎡가 적용되는 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
  13. 매입말뚝(10)의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝(10)에 부착되고 타격으로 인해 매입말뚝(10)에 발생되는 변형률을 측정하는 변형률계(strain transducer; 20); 매입말뚝(10)의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝(10)에 부착되는 가속도계(accelerometer; 30); 매입말뚝(10)의 선단지지력을 산정하기 위해 매입말뚝(10)을 타격하는 해머(hammer; 40); 항타시 변형률계(20) 및 가속도계(30)로부터 측정된 아날로그(analogue)신호에 대해 시그널컨디셔닝(signal conditioning)을 실시하여 시간에 대한 힘과 속도의 파형으로 나타내고 A/D(Analogue to Digital)변환기를 통해 시간에 대한 힘과 속도를 디지털데이터(digital data)로 변환하여 저장하며, 타격응력, 타격에너지, 말뚝의 변위, 건전도 등의 측정 결과치를 극한지지력과 함께 화면에 나타내는 항타분석기(PDA, Pile Driving Analyzer; 50)를 포함하여서 이루어지며; 변형률계(20)는 타격으로 인하여 말뚝에 발생하는 변형률을 직접 측정하고, 상기 변형률은 항타분석기(50)에 의해 말뚝의 단면적 및 탄성계수와의 관계식으로부터 힘을 산정하며; 가속도계(30)로부터 측정된 가속도는 항타분석기(50)에 의해 적분되어 속도 및 변위로 변환되고; 해머(40)는 최대 시험하중의 2~3% 이상의 램(ram) 중량을 가지며; 매입말뚝(10)의 직경이 1000mm 이상 되는 대구경 말뚝의 경우, 항타분석기(50)는, 편타에 의한 데이터 값의 오차를 줄이기 위해 8채널 이상 사용되고, 변형률계(20) 및 가속도계(30)는, 4세트(set) 이상 사용되는 풍화암반 또는 기반암의 매입말뚝(10) 선단지지력 산정시스템을 이용하여 풍화암반 또는 기반암에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서,
    지상부분의 길이가 3D(D:말뚝직경) 이상인 시험말뚝을 준비하는 시험말뚝 준비단계(S10);
    시험말뚝 두부로부터 1.5~2.0D되는 지점에 드릴을 사용하여 대칭으로 각각 한 쌍의 구멍을 천공하는 시험말뚝 천공단계(S20);
    천공한 상기 구멍에 고강도 볼트를 사용하여 변형률계(20)와 가속도계(30)를 부착하는 변형률계 및 가속도계 체결단계(S30);
    항타분석기(50)에 현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수 등의 초기값과, 변형률계 및 가속도계의 위치와, 검정계수(calibration factor)를 입력하는 데이터 입력단계(S40);
    시험말뚝을 타격하기 위하여 해머(40)를 시험말뚝에 거치하고, 편타가 생기지 않도록 해머(40)와 시험말뚝의 축선이 일치하도록 하는 타격 준비단계(S50);
    변형률계(20) 및 가속도계(30)의 매입 케이블을 항타분석기(50)에 연결하고 변형률계(20) 및 가속도계(30)의 점검 테스트를 실시하여 이상 유무를 확인하는 변형률계 및 가속도계 테스트단계(S60);
    상기 변형률계 및 가속도계 테스트단계(S60) 후 변형률계(20) 및 가속도계(30)에 이상이 없으면 초기 타격을 1~2회 실시하여 초기 입력치를 조정하는 초기입력치 조정단계(S70);
    상기 초기입력치 조정단계(S70)를 통해 초기 입력값을 조정한 후 복수 회 타격하여 가속도계(30)와 변형률계(20)로 힘과 속도를 측정하고 CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 해석을 위해 데이터를 저장하는 데이터 수집단계(S80);
    수집된 상기 데이터를 이용하여서 매입말뚝(10)의 선단지지력을 계산하는 선단지지력 산정단계(S90)를 포함하며;
    구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 선단지지력을 계산하는 방법으로서, 풍화암반과 기반암의 매입말뚝 단위선단지지력(qp)을 산정하는 하기의 상관식,
    qp(kN/m2) = 20,357 + 90.538×RQD(%) (R2=0.8128)
    (여기서, RQD는 암질지수이고, 암질지수(RQD)는 10cm 이상의 코어길이의 합을 총 시추 길이로 나눈 값을 백분율로 표시한 값이며, R2는 설명력임)
    인 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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