KR102452877B1

KR102452877B1 - 풍화암반과 기반암에 시공된 sda매입말뚝의 주면마찰력 산정방법

Info

Publication number: KR102452877B1
Application number: KR1020220067347A
Authority: KR
Inventors: 채수근
Original assignee: 채수근
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2022-10-11

Abstract

본 발명은 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법에 관한 것으로, 체계화된 표준설계 및 시공컨설팅을 수행하면서 얻은 수많은 말뚝재하시험 자료를 분석하여 풍화암반에 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 산정할 수 있는 설계식(경험식)을 개선한 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법을 개발하였다. 따라서, 본 출원인이 개발한 표준시공법에 따라 다양한 규격의 말뚝을 여러 지반(마찰지지층)에 시험시공 및 재하시험을 실시하였으며 시행착오를 거쳐 매입말뚝의 표준설계와 시공법, 표준설계와 시공컨설팅기법의 체계를 확립하게 되었고, 그 결과, 과소 설계지지력을 적용하는 문제는 물론이고 설계와 시공 오류로 인해 시공법과 말뚝길이가 변경되어 공사비가 증액되고 공사기간이 연장되는 문제를 대부분 해소하였으며 큰 설계지지력을 안전하면서 경제적으로 적용할 수 있게 된다.

Description

풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법{Calculation method of surface friction of SDA pile constructed in weathered rock and bedrock}

본 발명은 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 체계화된 표준설계 및 시공컨설팅을 수행하면서 얻은 수많은 말뚝재하시험 자료를 분석하여 풍화암반에 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 산정할 수 있는 설계식(경험식)을 개선하고, 기반암(연암반, 보통암반, 경암반, 극경암반)에 근입시켜 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 정량적으로 산정할 수 있는 설계식(경험식, empirical formula)을 개발한 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법에 관한 것이다.

일반적으로 기성말뚝 시공법에는 도 1에서 보는 바와 같이 타입공법(打入工法)과 매입공법(埋入工法)이 있다. 타입공법은 해머(hammer)로 말뚝 머리를 타격하여 지반에 관입 시공하는 방식으로써 말뚝을 타입하여 시공할 수 있는 지반조건과 항타가 가능한 주변 환경여건에서 적용할 수 있다.

그러나, 자갈(gravel), 옥석(玉石), 호박돌(boulder)이 매립되거나 퇴적된 지층, 핵석(核石, core stone) 또는 암맥(岩脈, dyke)이 분포하는 풍화대 지반조건 또는 소음과 지반진동의 건설공해가 우려되는 주변 환경의 현장에서는 타입공법으로 말뚝을 시공하는 것이 불가능하다.

이와 같은 조건에서는 매입공법으로 말뚝을 시공해야 하며, 매입공법에는 말뚝 시공장비의 조합과 천공방식, 케이싱 사용 유무, 말뚝 삽입 및 정착방식에 따라 중굴공법(中掘工法), 선굴착공법(先掘鑿工法, pre-boring method) 및 회전공법(回轉工法)이 있으며, 대부분 기성말뚝을 선굴착공법으로 시공한다.

매입공법은 일본에서 1960년대에 처음 개발되었으나 국내에는 1987년에 SIP(Soil-cement Injected precast Pile)공법이 도입되었으며, 1994년 건설공사에 대한 소음 및 진동규제법 공포를 계기로 매입말뚝공법을 본격적으로 적용하기 시작하였다. 본 출원인은 1997년에 SIP공법의 문제점을 개선한 SDA(Separated Doughnut Auger)공법을 개발하였으며, 도 2에서 보는 바와 같이 현재 국내에서는 말뚝의 95% 이상을 시공하고 있다.

일본은 사질토와 점성토지반에 시공하는 매입말뚝의 지지력 산정식을 1978년에 개발(건설성 고시 제 1623호) 하였으며, 현재 약 60 여개 시공법별로 매입말뚝의 지지력 산정식이 제안되었다(COPITA, 2021). 그러나, 대부분 지지력 산정식은 선단 및 마찰지지층이 사질토 또는 점성토에 해당하며, 시공법마다 다른 시멘트밀크 배합비(물시멘트비, W/C)를 사용하고 있다. 특히 매입말뚝을 암반에 시공한 실적이 매우 적어 풍화암반과 기반암의 주면마찰력을 산정하는 식은 아직 개발되지 않았다.

우리나라는 건설부(1986)에서 미국의 착공말뚝(bored pile) 지지력 산정식을 매입말뚝의 지지력 산정식으로 처음으로 도입하였으며, 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 연구와 도입이 기업과 정부기관에서 본격적으로 진행되었다. 즉 대한건축학회(건축기초구조설계기준, 2005)는 사질토와 점성토지반에 지지시켜 시공하는 매입말뚝의 산정식을 일본건축학회(2001)로부터 도입하였으며, 국토해양부와 대한토목학회(도로교설계기준해설, 2008)는 지지층이 모래층, 사력층 및 점성토층인 경우 매입말뚝의 지지력 산정식을 일본도로협회(2002)에서 도입하였다. 현재 한국지반공학회(구조물기초설계기준해설, 2018)에서는 대한건축학회(2005), 국토해양부와 대한토목학회(2008) 및 대한주택공사(LH공사, 2008) 산정식을 공식적으로 채택하고 있다.

그러나, 대한건축학회(2005)와 대한토목학회(2008)에서 제안하는 산정식은 우리나라의 지반조건과 매입말뚝 시공방법이 다른 조건에서 개발한 일본 매입말뚝의 지지력 산정식을 도입한 것이므로 국내의 현장 지지력과 차이가 커서 적용성이 매우 낮으며, 암반지지층의 마찰지지력 산정은 불가능하다. 특히, LH공사(2008)에서 제안한 산정식은 배합비(W/C)가 83%인 시멘트밀크를 주입하는 SIP(Soil-cement Injected precast Pile)공법으로 풍화대에 시공하는 중·소구경 PHC말뚝의 지지력을 산정하도록 개발하였지만 매입말뚝의 지지력을 과소평가하고 있으며 암반의 주면마찰력을 산정하는 것은 불가능하다.

이러한 문제점을 해결하고자 본 출원인은 2007년 점성토지반, 사질토지반(풍화토지반 포함) 및 풍화암반에 SDA(Separated Doughnut Auger)공법으로 시공하는 기성말뚝의 단위극한주면마찰력을 정량적으로 산정할 수 있는 경험식을 제안하였다.

다만, 이 제안식은 작은 장비규격 사용으로 천공효율이 낮고, 시공품질수준도 낮은 상황으로 인해 작은 설계지지력을 채택하면서 말뚝을 기반암에 근입시켜 시공할 필요가 없는 상황에서 표준시공법이 개발되기 전까지 대부분 중·소구경과 고강도의 기성말뚝을 설계와 시공하는데 이용되었다.

2000년 이후에 토목구조물의 대형화와 장대(長大)화, 건축물의 대형화와 고층화로 큰 말뚝규격과 큰 지지력이 요구되어 2009년에 대구경PHC말뚝, 2011년에는 초고강도PHC말뚝을 삼표피앤씨(주)에서 개발하였으며 수요가 급증하면서 현재 10여개 말뚝 제조사에서 생산하고 있다.

이와 같이 큰 설계지지력이 요구되는 대구경 및 초고강도 말뚝을 시공하면서 천공효율이 향상된 대형장비를 외국에서 도입하여 말뚝을 풍화암반과 기반암 지지층에 근입시켜 시공하고 있지만 기존의 지지력 산정식(채수근, 2007a,b; LH공사, 2008)으로는 지지력을 제대로 평가하지 못함에 따라 많은 현장에서 말뚝 공사비가 증액되고 공기가 지연되는 등 문제가 발생하였다.

이에 따라 본 출원인은 점성토지반, 사질토지반, 풍화토지반, 풍화암반 및 기반암(연암반 내지 극경암반)에 SDA(Separated Doughnut Auger)매입공법으로 시험시공하고 실시한 재하시험 자료를 분석하여 단위극한선단지지력을 정량적으로 평가할 수 있는 산정식(경험식, empirical formula)을 개발하였다.

그러나, 대구경 및 초고강도 기초말뚝의 설계지지력이 커지면서 선단지지력 향상만으로는 큰 설계지지력을 확보하는 것이 불가능하고 말뚝기초의 장기간 안정성을 높이기 위해 주면마찰력의 역할이 중요해지면서 시멘트밀크의 배합비와 주입관리기준이 더욱 개선되었다. 그 결과 SDA매입말뚝의 주면마찰력이 큰 값으로 증가하였으며, 특히 기존 지지력식으로는 암반에서의 주면마찰력을 제대로 평가할 수 없기 때문에 새로운 산정식 개발이 매우 시급한 과제가 되었다.

등록특허 제10-0792211호

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 체계화된 표준설계 및 시공컨설팅을 수행하면서 얻은 수많은 말뚝재하시험 자료를 분석하여 풍화암반에 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 산정할 수 있는 설계식(경험식)을 개선하여 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 기반암(연암반, 보통암반, 경암반, 극경암반)에 근입시켜 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 정량적으로 산정할 수 있는 설계식(경험식, empirical formula)을 개발하여 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법은, 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력을 산정하는 방법으로서, 풍화암반(

값 50/10~50/1, 누계관입량 10~1cm)을 대상으로 배합비(W/C)가 59%, 68%, 83%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때에, 풍화암반의 단위극한주면마찰력(

)을 산정하는 하기의 상관식,

= 245.00-7.000×

값, (W/C = 59%)

= 225.00-7.000×

값, (W/C = 68%)

= 205.00-7.000×

값, (W/C = 83%)

기반암을 대상으로 배합비(W/C)가 59%, 68%, 83%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때에, 암질지수(RQD) 별 기반암의 단위극한주면마찰력(

)을 산정하는 하기의 상관식,

= 300.0+4.0×RQD(%), (W/C = 59%)

= 250.0+4.0×RQD(%), (W/C = 68%)

= 200.0+4.0×RQD(%), (W/C = 83%)

인 것을 특징으로 한다.

상술한 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법은, 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하기 위해 매입말뚝에 부착되고 타격으로 인해 매입말뚝에 발생되는 변형률을 측정하는 변형률계(strain transducer); 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하기 위해 매입말뚝에 부착되는 가속도계(accelerometer); 매입말뚝의 주면마찰력을 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 직경이 1000mm 이상 되는 대구경 말뚝의 경우, 항타분석기는, 편타에 의한 데이터 값의 오차를 줄이기 위해 8채널 이상 사용되고, 변형률계 및 가속도계는, 4세트(set) 이상 사용되는 풍화암반 또는 기반암의 매입말뚝 주면마찰력 산정시스템을 이용하여 풍화암반 또는 기반암에 삽입되는 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하는 방법으로서, 지상부분의 길이가 말뚝 직경의 3배 이상인 시험말뚝을 준비하고; 시험말뚝 두부로부터 말뚝 직경의 1.5~2배 되는 지점에 드릴을 사용하여 대칭으로 각각 한 쌍의 구멍을 천공하며; 천공한 상기 구멍에 고강도 볼트를 사용하여 변형률계와 가속도계를 부착하고; 항타분석기에 현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수 등의 초기값과, 변형률계 및 가속도계의 위치와, 검정계수(calibration factor)를 입력하며; 시험말뚝을 타격하기 위하여 해머를 시험말뚝에 거치하고, 편타가 생기지 않도록 해머와 시험말뚝의 축선이 일치하도록 하고; 변형률계 및 가속도계의 매입 케이블을 항타분석기에 연결하고 변형률계 및 가속도계의 점검 테스트를 실시하여 이상 유무를 확인하며; 상기 변형률계 및 가속도계 테스트단계 후 변형률계 및 가속도계에 이상이 없으면 초기 타격을 1~2회 실시하여 초기 입력치를 조정하고; 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 저장하며; 수집된 상기 데이터를 이용하여서 매입말뚝의 주면마찰력을 계산하여서, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 주면마찰력을 계산하는 방법이고; 풍화암반(

)을 산정하는 하기의 상관식,

= 245.00-7.000×

값, (W/C = 59%)

= 225.00-7.000×

값, (W/C = 68%)

= 205.00-7.000×

값, (W/C = 83%)

)을 산정하는 하기의 상관식,

= 300.0+4.0×RQD(%), (W/C = 59%)

= 250.0+4.0×RQD(%), (W/C = 68%)

= 200.0+4.0×RQD(%), (W/C = 83%)

인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 동일한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법은, 기반암을 대상으로 배합비(W/C)가 59%, 68%, 83%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때에, 기반암의 단위극한주면마찰력(

)과 코어회수율(TCR)의 하기 회기식,

= 238.10+3.9834×TCR(%) (R²=0.4316, p<0.001) (W/C = 59%)

= 199.21+4.1186×TCR(%) (R²=0.2699, p<0.001) (W/C = 68%)

= 330.13+1.2052×TCR(%) (R²=0.0376, p<0.001) (W/C = 83%)

인 것을 특징으로 한다.

)과 암질지수(RQD)의 하기 회기식,

= 332.11+6.2987×RQD(%) (R²=0.7384, p<0.001) (W/C = 59%)

= 285.20+6.0369×RQD(%) (R²=0.7410, p<0.001) (W/C = 68%)

= 275.85+5.3719×RQD(%) (R²=0.6337, p<0.001) (W/C = 83%)

인 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같은 본 발명은, 본 출원인이 개발한 표준시공법에 따라 다양한 규격의 말뚝을 여러 지반(마찰지지층)에 시험시공 및 재하시험을 실시하였으며 시행착오를 거쳐 매입말뚝의 표준설계와 시공법, 표준설계와 시공컨설팅기법의 체계를 확립하게 된다.

그 결과, 과소 설계지지력을 적용하는 문제는 물론이고 설계와 시공 오류로 인해 시공법과 말뚝길이가 변경되어 공사비가 증액되고 공사기간이 연장되는 문제를 대부분 해소하였으며 큰 설계지지력을 안전하면서 경제적으로 적용할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 기성말뚝 시공법 분류를 보인 개략도
도 2는 말뚝시공법 현황을 보인 개략도들
도 3은 SDA공법 시공순서를 보인 개략도들
도 4는 SDA매입말뚝의 축방향 압축지지력을 표현한 개략도
도 5는 동재하시험장비 및 말뚝의 지지력을 측정하는 개략도
도 6은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 7은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 8은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 9는 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 10은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 11은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 12는 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 13은 기반암의 TCR(코어회수율) 및 RQD(암질지수)와 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 14는 풍화암반(WR)의 누계관입량(

), 기반암의 TCR(코어회수율) 및 RQD(암질지수)와 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표
도 15는 시멘트밀크 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

)과 누계관입량(

)의 관계식을 보인 그래프
도 16은 풍화암반의

값과 시멘트밀크 배합비별 단위극한주면마찰력 산정식을 보인 그래프
도 17은 시멘트밀크 배합비(W/C) 별 단위극한주면마찰력(

)과 TCR값의 관계를 보인 그래프
도 18은 시멘트밀크 배합비(W/C) 별 단위극한주면마찰력(

)과 RQD값의 관계를 보인 그래프
도 19는 기반암의 RQD와 시멘트밀크 배합비별 단위극한주면마찰력 산정식을 보인 그래프

본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.

도 3은 SDA공법 시공순서를 보인 개략도들이고, 도 4는 SDA매입말뚝의 축방향 압축지지력을 표현한 개략도이며, 도 5는 동재하시험장비 및 말뚝의 지지력을 측정하는 개략도이다. 도 6은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이고, 도 7은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이며, 도 8은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이다. 도 9는 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이고, 도 10은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이며, 도 11은 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이다. 도 12는 풍화암반(WR)에서

값 50의 누계관입량(

)과 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이고, 도 13은 기반암의 TCR(코어회수율) 및 RQD(암질지수)와 단위주면마찰력(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이며, 도 14는 풍화암반(WR)의 누계관입량(

)의 상관관계를 보인 그래프 및 표이다. 도 15는 시멘트밀크 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

)과 누계관입량(

)의 관계식을 보인 그래프이고, 도 16은 풍화암반의

값과 시멘트밀크 배합비별 단위극한주면마찰력 산정식을 보인 그래프이며, 도 17은 시멘트밀크 배합비(W/C) 별 단위극한주면마찰력(

)과 TCR값의 관계를 보인 그래프이다. 도 18은 시멘트밀크 배합비(W/C) 별 단위극한주면마찰력(

)과 RQD값의 관계를 보인 그래프이고, 도 19는 기반암의 RQD와 시멘트밀크 배합비별 단위극한주면마찰력 산정식을 보인 그래프이다.

이러한 본 발명의 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법은, 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력을 산정하는 방법으로서, 풍화암반(

)을 산정하는 하기의 상관식,

= 245.00-7.000×

값, (W/C = 59%)

= 225.00-7.000×

값, (W/C = 68%)

= 205.00-7.000×

값, (W/C = 83%) 이고,

)을 산정하는 하기의 상관식,

= 300.0+4.0×RQD(%), (W/C = 59%)

= 250.0+4.0×RQD(%), (W/C = 68%)

= 200.0+4.0×RQD(%), (W/C = 83%) 이다.

또한, 본 발명의 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법은, 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하기 위해 매입말뚝에 부착되고 타격으로 인해 매입말뚝에 발생되는 변형률을 측정하는 변형률계(strain transducer); 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하기 위해 매입말뚝에 부착되는 가속도계(accelerometer); 매입말뚝의 주면마찰력을 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 직경이 1000mm 이상 되는 대구경 말뚝의 경우, 항타분석기는, 편타에 의한 데이터 값의 오차를 줄이기 위해 8채널 이상 사용되고, 변형률계 및 가속도계는, 4세트(set) 이상 사용되는 풍화암반 또는 기반암의 매입말뚝 주면마찰력 산정시스템을 이용하여 풍화암반 또는 기반암에 삽입되는 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하는 방법으로서, 지상부분의 길이가 말뚝 직경의 3배 이상인 시험말뚝을 준비하고; 시험말뚝 두부로부터 말뚝 직경의 1.5~2배 되는 지점에 드릴을 사용하여 대칭으로 각각 한 쌍의 구멍을 천공하며; 천공한 상기 구멍에 고강도 볼트를 사용하여 변형률계와 가속도계를 부착하고; 항타분석기에 현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수 등의 초기값과, 변형률계 및 가속도계의 위치와, 검정계수(calibration factor)를 입력하며; 시험말뚝을 타격하기 위하여 해머를 시험말뚝에 거치하고, 편타가 생기지 않도록 해머와 시험말뚝의 축선이 일치하도록 하고; 변형률계 및 가속도계의 매입 케이블을 항타분석기에 연결하고 변형률계 및 가속도계의 점검 테스트를 실시하여 이상 유무를 확인하며; 상기 변형률계 및 가속도계 테스트단계 후 변형률계 및 가속도계에 이상이 없으면 초기 타격을 1~2회 실시하여 초기 입력치를 조정하고; 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 저장하며; 수집된 상기 데이터를 이용하여서 매입말뚝의 주면마찰력을 계산하여서, 구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 주면마찰력을 계산하는 방법이다.

이러한 본 발명은 풍화암반(

)을 산정하는 하기의 상관식,

= 245.00-7.000×

값, (W/C = 59%)

= 225.00-7.000×

값, (W/C = 68%)

= 205.00-7.000×

값, (W/C = 83%)

)을 산정하는 하기의 상관식이고,

= 300.0+4.0×RQD(%), (W/C = 59%)

= 250.0+4.0×RQD(%), (W/C = 68%)

= 200.0+4.0×RQD(%), (W/C = 83%) 이다.

또한, 본 발명의 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법은, 기반암을 대상으로 배합비(W/C)가 59%, 68%, 83%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때에, 기반암의 단위극한주면마찰력(

)과 코어회수율(TCR)의 하기 회기식,

= 238.10+3.9834×TCR(%) (R²=0.4316, p<0.001) (W/C = 59%)

= 199.21+4.1186×TCR(%) (R²=0.2699, p<0.001) (W/C = 68%)

= 330.13+1.2052×TCR(%) (R²=0.0376, p<0.001) (W/C = 83%) 이다.

)과 암질지수(RQD)의 하기 회기식,

= 332.11+6.2987×RQD(%) (R²=0.7384, p<0.001) (W/C = 59%)

= 285.20+6.0369×RQD(%) (R²=0.7410, p<0.001) (W/C = 68%)

= 275.85+5.3719×RQD(%) (R²=0.6337, p<0.001) (W/C = 83%) 이다.

이러한 본 발명의 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정 결과 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

SDA매입말뚝 시공법은 정(正)회전하는 오거 또는 해머비트(auger or hammer bit)와 역(逆)회전하는 케이싱비트(casing bit)로 동시에 지반을 천공·배토하고 말뚝을 삽입한 후 경타(輕打), 압입(壓入) 및 회전압입(回轉壓入)방식으로 정착시키는 시공법이다. 또한 말뚝을 삽입하기 전·후에 시멘트밀크(cement milk)를 주입하여 천공홀 바닥의 슬라임과 교반하고 말뚝의 주면공간을 충전시켜 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 동시에 증대시키는 선굴착공법이다.

SDA공법은 말뚝의 선단 및 주면지반의 조건에 따라 도 3에서 보는 바와 같이 오거비트(auger bit), 개량해머(jack hammer) 또는 정해머(air hammer)로 천공한다. 도 3a는 오거비트(auger bit) 천공이 가능한 사질토층, 점성토지반, 풍화대(풍화토, 풍화암반 N'값 50/4~5 까지)에 말뚝을 시공하고 말뚝을 압입 또는 회전압입하여 시공하는 순서도이다. 도 3b는 드롭해머로 말뚝을 경타(輕打)하여 천공홀 바닥에 안착하는 순서도이다. 도 3c는 오거비트로 천공이 불가능한 자갈, 옥석(玉石), 호박돌(boulder) 매립 또는 퇴적층과 핵석(core stone) 또는 암맥(岩脈, dyke)이 분포하는 풍화암반(N값 50/4 이하의 풍화암반에 해당함), 기반암을 개량해머비트(jack hammer bit, 개량T4) 또는 에어해머비트(air hammer bit, 정T4)로 천공하여 말뚝을 삽입하고 경타방식으로 안착시키는 시공 순서도이다.

SDA공법의 특징은 아래와 같다.

오거비트 또는 해머비트를 장착한 스크류오거(screw auger)와 말뚝보다 60~80mm 정도 큰 직경의 케이싱비트(casing bit)을 사용하여 천공함에 따라 굴착효율이 높을 뿐만아니라 천공홀 및 말뚝의 연직도(鉛直度)가 양호하며, 특히 지하수 또는 지하수위와 지반조건에 영향 받지 않고 말뚝을 시공할 수 있다. 또한 굴착된 토사와 암편을 스크류오거와 압축공기로 배토(排土)하고 육안으로 관찰하여 선단지지층과 마찰지지층을 용이하게 파악할 수 있다. 그리고 말뚝 선단에 물시멘트비(W/C)가 부배합(富配合)인 시멘트밀크를 주입하여 슬라임(slime)과 교반하고 말뚝의 주면공간을 충전함으로써 말뚝 선단과 주면지반의 강도를 증가시키고 천공하면서 교란되고 지중응력이 이완된 지반을 보강할 수 있기 때문에 매입말뚝은 큰 선단지지력, 주면마찰력 및 수평지지력 확보가 가능하다.

이와 같은 SDA공법은 Φ400~600mm인 중·소구경말뚝은 물론이고 Φ700~1200mm인 대구경말뚝과 고강도 및 초고강도말뚝의 설계기준과 시공품질기준이 확립되어 있으며, 그 결과 현재 국내 대부분 현장에서 SDA공법으로 기성말뚝을 시공하고 있다.

말뚝의 마찰지지층 분류는 아래와 같다.

말뚝의 지지층(支持層, bearing stratum)이란 기초(基礎, foundation)를 통해 건축물과 토목구조물의 하중을 직접 부담하는 지층으로써 깊은기초에서는 말뚝의 선단지지력 또는 주면마찰력을 기대할 수 있는 지층이다. 또한 장기적으로 안정된 충분한 층 두께를 가져야하며, 하부에 액상화(液狀化) 발생이나 압밀침하(壓密沈下) 영향이 없는 양질의 지층과 지반이 지지층이다.

말뚝의 지지력은 선단지지력과 주면마찰력을 함께 고려하는 것이 원칙이며, 마찰지지력을 기대하기 어려운 지층조건에서는 양질의 선단지지층에 시공하여 주로 선단지지력에 의존하는 선단지지말뚝(end bearing pile)을 채택할 수 있다. 반면에 양질의 지지층이 매우 깊어 말뚝시공이 어렵거나 비경제적인 경우에는 주로 주면마찰력에 의존하는 마찰말뚝(friction pile)을 채택해야한다. 최근에는 국내에서도 지진 발생 빈도가 급격히 높아지고 말뚝의 큰 설계지지력을 적용하면서 수평지지력과 주면마찰력이 매우 중요하게 인식되어 시멘트밀크 또는 시멘트밀크와 굴착토(부상토)로 말뚝의 주면공간을 반드시 충전하도록 제안한 표준시공법을 준수하려고 노력하고 있다.

이 경우 큰 주면마찰력이 발휘되므로 본 연구에서는 마찰지지층의 주면마찰력을 올바로 평가하기 위해 퇴적층(점토층과 사질토, 사질토는 사력층 포함), 풍화토층, 풍화암반층 및 기반암층으로 구분하였으며, 풍화암반은 표준관입시험치(SPT-

)에 따라 10단계(N값, 50/10~50/1)로 구분하고 기반암은 연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반으로 구분하였다. 지반을 분류할 때 매립층은 제외하였으며, 붕적층은 통일분류법에 따라 사질토로 분류하였다.

마찰지지층 분류기준은 아래와 같다.

먼저, 퇴적층, 풍화대 분류방법을 설명한다.

1) 퇴적층(점성토, 사질토)과 풍화잔류토층은 통일분류법(USCS분류법)으로 구분하였으며, 풍화대는 표 1에서 보는 바와 같이 서울지역 지반분류(서울특별시, 2006) 기준에 따라

값 50회/10cm를 기준으로 풍화잔류토층과 풍화암반으로 구분하였다.

2) 풍화암반(WR, weathered rock mass)은 표 1의 ‘서울지역 지반분류기준’(서울시, 2006)에 따라 NX규격(천공비트 외경 75.7mm)으로 시추하고 KS F 2307(한국표준협회, 2017)에 규정되어 있는 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)에서 측정하는 N값(50/10~50/1)과 관입시료로 확인되는 정성적 특성을 이용하여 분류하였다. 또한 다이아몬드 비트를 사용하여 NX규격으로 시추하여 이중코어배럴로 채취한 암석코어시료(직경 54.0mm)를 관찰하여 암석(岩石, rock)과 암반(rockmass) 종류를 파악하고, 풍화도(weathering intensity), 코어회수율(Total Core Recovery, TCR)과 암질지수(Rock Quality Designation, RQD), 암석강도(일축압축 및 점하중시험), 현장의 탄성파속도 등을 기준으로 암반(岩盤, rock mass)을 분류하였다.

3) 표준관입시험방법은 KS F 2307(한국표준협회, 2017)에 규정되어 있으며, 623N(63.5±0.5 kgf)의 강제(鋼製) 드라이브 해머를 높이 76±1cm에서 자유 낙하시켜 표준관입시험용 샘플러(split barrel sampler, 외경51mm, 내경35mm, 길이810mm)를 시험용 천공홀 바닥지반 내에 15cm관입(예비타), 30cm관입(본타)하는데 필요한 해머 타격횟수가 N값이 된다.

다만 N값이 50회 이상으로 예상되는 지반에서는 시험규정에 따라 예비타를 생략하고 본타(30cm 관입) 하는데 필요한 해머 타격횟수를 N값으로 간주하였다. 또한 시험규정에 따라 본타 횟수는 50회를 한도로 하고 그 때 표준관입시험용 샘플러의 관입길이 즉, 누계관입량(10~1cm)을 측정하였으며, 예비타 단계에서 50회에 도달하는 경우는 그 때의 누계관입량을 측정하여 N값으로 하였다. 현장에서 측정하는 N값은 해머 효율, 롯드길이, 천공홀 직경, 샘플러의 종류 및 유효응력에 영향을 받으며, 본 출원인은 해머의 에너지효율이 약 60% 이상일 때의 값을 적용하되, 말뚝 주면부 마찰지지 지반의 표준관입시험치의 평균값을

값으로 규정하여 주면마찰력 산정식을 개발하는데 이용하였다.

지반분류방법은 아래와 같다.

1) 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 1의 ‘서울지역 지반분류’ 기준에 따라 코어회수율(TCR)과 암질지수(RQD), 암석코어의 강도(

) 및 절리간격(

), 현장의 탄성파속도, 풍화도(weathering intensity) 등을 기준으로 분류하였다.

암석(岩石, rock)의 코어회수율(Total Core Recovery, TCR)은 전체 암석 코어(rock core) 길이의 합을 암석구간의 시추(boring)길이로 나누어 백분율(%)로 표시한 것이며, 암질지수(Rock Quality Designation, RQD)는 100mm이상 되는 암석 코어(rock core) 길이의 합을 암석구간의 시추길이로 나누어 백분율(%)로 표시한 것이다.

2) 우리나라는 선캄브리아대에서 신생대에 이르기까지 각 지질시대의 지층과 암석이 고르게 분포하고 있다. 즉 편마암, 편암 및 석회암 등 변성퇴적암류와 화강편마암류로 구성된 선캄브리아대의 변성암류(metamorphic rock mass)가 약 42% 정도로 고루 분포하며, 제주도를 포함한 한반도 전역에 걸쳐 화성암류(Igneous rock mass)가 약 35%를 차지한다. 화성암은 분출암과 관입암으로 분류하며 분출암에는 유문암과 안산암, 관입암에는 화강암, 섬록암이 대표적이다. 나머지 약 23%는 퇴적암류(Sedimentary rock mass)로써 역암, 사암, 이암 및 혈암(셰일)과 같은 쇄설성 퇴적암류와 석회암과 같은 비쇄설성 퇴적암류로 분류되며 경상도의 중생대 퇴적암류와 강원도 남부의 고생대 퇴적암류가 이에 해당한다.

SDA매입말뚝의 주면마찰력 분석자료는 전국적으로 70개 현장에서 ‘말뚝 설계 및 시공컨설팅’을 수행하여 얻은 것이며, 암종(岩種)별로 현장을 분류하면 변성암 분포지역 26개 현장(37.1%), 화성암 분포지역 38개 현장(54.3%), 퇴적암 분포지역 6개 현장(8.6%)이 되는 것으로 나타났다.

SDA매입말뚝의 축방향 압축지지력(연직지지력) 산정식 고찰 및 개발 배경은 아래와 같다.

먼저, 지지력 일반식을 설명한다.

매입말뚝의 축방향 극한압축지지력을 산정하는 일반식은 식(1)과 같으며, 단위극한선단지지력(

)과 각 지층의 단위극한주면마찰력(

)을 알게 되면 축방향 극한압축지지력(

)을 구할 수 있다. 즉, 극한선단지지력(

)은 단위극한선단지지력(

)에 말뚝의 지지면적(

)을 곱하고, 극한주면마찰력(

)은 단위극한주면마찰력(

)에 말뚝의 마찰지지면적(

)을 곱하면 산정할 수 있다.

허용응력설계법((WSD: Working Stress Design)에서 허용지지력(

)은 극한압축지지력(

)을 소정의 안전율(

=2.5~3.0)로 나누면 된다. 또한 한계상태설계법(LRFD, Load & Resistance Factor Design)에서 감가된 연직지지력은 극한압축지지력에 저항계수를 곱하여 구한다.

식(1),

여기서,

: 말뚝의 축방향 극한압축지지력(kN)

: 극한선단지지력(kN)

: 극한주면마찰력(kN)

: 단위극한선단지지력(kN/m2)

: 말뚝선단 지지면적(m2)

: 단위극한주면마찰력(kN/m2)

: 말뚝 마찰지지면적(m2)

: 축방향 허용(압축)지지력

: 안전율

매입말뚝의 주면마찰력 산정식은 아래와 같다.

먼저, 국내 산정식을 설명한다.

1) 매입말뚝의 지지력 산정식은 표 2에 정리한 바와 같이 한국지반공학회(2018)에서 채택한 국토해양부(2008), 대한토목학회(2008), 대한건축학회(2005), 대한주택공사(LH공사, 2008)의 산정식이 있다.

이들 산정식 중 국내에서 개발된 LH공사(2008)식을 제외하면 모두 일본의 경험식을 여과 없이 도입한 것으로써 지지층 종류, 천공방식과 비배토방식, 시멘트밀크의 배합비(W/C)와 주입방식, 말뚝 정착방법(압입, 회전압입, 경타) 등 모든 시공방법이 우리나라와 상이한 점을 고려할 때 직접 이용하는데 한계가 있다.

2) LH공사(2008)는 N'값이 50/15~50/11인 풍화토지반과 N'값이 50/10~50/1인 풍화암반에 SIP매입공법으로 시공한 Φ400~450mm말뚝에서 실시한 말뚝재하시험 자료를 분석하여 경험식을 제안하였다.

그러나, 이 식은 배합비(W/C)가 83%인 시멘트밀크를 주입한 시험결과로써 시멘트밀크 배합비가 달라지면 주면마찰력이 달라지는 특성을 반영하지 못한 문제가 있다. 또한, 점성토와 사질토(모래, 사력, 풍화토) 지지층에는 적용 가능하지만, 풍화암반의 주면마찰력을 과소평가하는 것으로 확인되었다. 더군다나 기반암에서는 표준관입시험이 불가능하므로 LH공사(2008) 식으로 기반암에 근입 시공하는 매입말뚝의 주면마찰력을 산정할 수 없다.

3) 본 출원인은 국내에서 처음 SDA매입공법을 개발하였으며, 2007년 전반기 까지 약 10년간 전국 41개 현장에서 Φ400~600mm의 중·소구경 말뚝(대부분 소구경말뚝)을 점성토, 사질토, 풍화대에 시공하고 재하시험을 실시하여 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 단위극한주면마찰력(

)을 평가할 수 있는 경험식을 표 2와 같이 제안하였다.

그러나, 이 식은 개선된 표준시공법에 따라 시공하면서 큰 값으로 향상된 현장의 주면마찰력을 제대로 평가하지 못하고 있다. 특히 N'값이 50/10~50/1인 풍화암반은 누계관입량(

, 10~1cm)에 따라 10단계로 구분되며 지반강도가 누계관입량이 작을수록 커짐에 따라 주면마찰력도 커지는데도 불구하고 누계관입량과 무관하게 동일한 주면마찰력이 산정될 수 밖에 없다. 또한 기반암은 연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반 순으로 주면마찰력이 증가함에도 불구하고 연암반을 제외하고 시공실적과 재하시험 자료가 없어 기반암의 주면마찰력을 암반분류 별 세분하여 제안하는 것이 불가능하였다.

4) 한국지반공학회(2018)에서는 일본도로협회(2012)의 제안식을 도입하여 연암반에 말뚝 직경 이상 근입된 강관말뚝의 극한선단지지력을 산정하는 경험식을 제안하였으며, 한국도로공사(2016)에서도 지지력 산정식으로 채택하고 있다. 그러나 이 식은 연암반에 말뚝직경만큼 타입시공하는 강관말뚝에만 적용할 수 있으며 암반 근입부의 주면마찰력을 포함하고 있기 때문에 주면마찰력을 구분하여 파악할 수 없다. 또한 암종(岩種), 시공법, 말뚝 종류 등이 달라지면 적용할 수 없다.

외국 산정식은 아래와 같다.

1) 일본은 매입말뚝의 주면마찰력을 산정할 때 사질토지반에서는 표준관입시험의 N값, 점성토지반에서는 비배수전단강도와 N값을 주로 이용하고 있으며, 각 시공법 별로 수(數) 년간 현장에서 시행한 말뚝재하시험 결과에 따라 지지력 특성이 규명되고 시공관리체계가 확립되어 있는 대표적인 매입공법의 허용선단지지력 산정식은 표 3에서 보는 바와 같다(COPITA, 2021). 표 3에 제시한 허용주면마찰력 산정식은 사질토(모래지반, 자갈지반)와 점성토지반에 해당하므로 마찰지지층이 암반(풍화암반, 기반암)인 경우에는 직접 적용할 수 없다.

현재 일본에서는 풍화암반과 기반암을 지지층으로 시공하는 매입말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 산정할 수 있는 경험식이 개발되어 있지 않다.

2) 미국과 캐나다는 표 4에서 보는 바와 같이 타입공법으로 시공하는 기성말뚝 또는 현장타설말뚝을 암반에 근입 또는 지지시켜 시공할 경우 지지력을 평가하는 식을 개발하여 사용하고 있지만, 기성말뚝을 매입공법으로 시공하는 매입공법이 없기 때문에 매입말뚝의 지지력 산정식도 없다.

특히 이 식들은 암종(岩種), 암석강도(

), 암반의 풍화도(風化度)와 불연속면(discontinuity) 특성이 우리나라와 상이한 조건에서 개발되었기 때문에 이들 식으로 산정한 타임말뚝과 현장타설말뚝의 주면마찰력은 국내의 현장지지력과 큰 차이가 발생하는 것으로 확인되었다.

따라서 이들 산정식은 기성말뚝을 매입공법으로 시공하는 매입말뚝에 적용할 수 없다는 판단이다. 아울러 암종(岩種)과 암반 종류(연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반)에 따라 달라지는 주면마찰력을 제대로 평가할 수 없다.

매입말뚝의 주면마찰력 산정식 개발 배경은 아래와 같다.

1) 지금까지 우리나라는 지반종류, 암종(岩種), 암반 종류(연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반)와 풍화도(風化度), 표준관입시험치(N값), 시공법, 말뚝규격(직경, 강도)에 따라 주면마찰력을 정밀하게 평가할 수 있는 산정식이 없어 주로 외국의 지지력 산정식에 의존해 왔다.

그러나, 이 식들은 우리나라의 지반조건과 매입말뚝 시공방법이 다른 조건에서 개발된 것이므로 국내의 매입말뚝 지지력 산정식으로는 적합하지 않으며, 특히 말뚝의 마찰지지층이 암반인 경우 더욱 큰 차이가 나는 것으로 나타났다.

반면에 채수근(2007a,b)과 LH공사(2008)에서 국내 현장의 시험자료로 지지력 산정식을 개발하여 이용하였지만 작은 장비규격과 낮은 천공효율로 인해 암반까지 천공하지 못하였으며, 표준시공법이 개발되기 전 까지 대부분 중·소구경과 고강도의 말뚝을 사용하여 작은 설계지지력을 채택하는 설계와 시공조건에서 이용되었다.

특히 암반지지층의 주면마찰력을 제대로 평가하지 못할 뿐만아니라 과소 평가하는 것으로 확인되었다. 그 결과 설계지지력에 미달하거나 말뚝길이가 증가하여 공사비가 증액되고 공사기간이 연장되는 사례가 여러 현장에서 발생하였다.

2) 그러나, 2000년대 부터 토목구조물의 대형화와 장대(長大)화, 건축물의 고층화 및 기둥식구조가 증가하면서 기초말뚝은 더욱 큰 설계지지력이 요구되어 삼표피앤씨(주)(2009, 2011)에서 2009년 대구경 PHC말뚝(Φ700~Φ1200mm), 2011년 초고강도 PHC말뚝(설계기준강도 110MPa)을 개발하였으며 현재 여러 말뚝 제조사에서 생산하고 있다. 이와 더불어 대구경 및 초고강도 말뚝을 안전하게 시공하기 위해 천공능력과 천공길이가 향상된 대형장비(전용기, pile driver)가 일본과 중국에서 도입되었다.

그럼에도 불구하고 중·대구경 및 초고강도말뚝에 대한 표준설계 및 시공기법이 개발되지 않아 큰 설계지지력을 적용하지 못하였으며, 말뚝선단 및 마찰지지층이 기반암까지 확대되면서 대구경 및 초고강도말뚝은 비경제적인 말뚝기초공법으로 인식되었다.

3) 이와 같은 여러 문제점을 개선하고자 본 출원인이 개발한 표준시공법에 따라 다양한 규격의 말뚝을 여러 지반(마찰지지층)에 시험시공 및 재하시험을 실시하였으며 시행착오를 거쳐 매입말뚝의 표준설계와 시공법, 표준설계와 시공컨설팅기법의 체계를 확립하게 되었다.

그 결과, 과소 설계지지력을 적용하는 문제는 물론이고 설계와 시공 오류로 인해 시공법과 말뚝길이가 변경되어 공사비가 증액되고 공사기간이 연장되는 문제를 대부분 해소하였으며 큰 설계지지력을 안전하면서 경제적으로 적용할 수 있게 되었다.

4) 이러한 과제를 해결하기 위해 체계화된 본 출원인은 표준설계 및 시공컨설팅을 수행하면서 얻은 수많은 말뚝재하시험 자료를 분석하여 풍화암반에 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 산정할 수 있는 설계식(경험식)을 개선하였다. 더불어 기반암(연암반, 보통암반, 경암반, 극경암반)에 근입시켜 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 정량적으로 산정할 수 있는 설계식(경험식, empirical formula)도 국내·외에서 최초로 개발하였다.

SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정식은 아래와 같다.

전국 70개 현장에서 표준설계 및 시공컨설팅 기법에 따라 퇴적층(점성토, 사질토), 풍화대(풍화잔류토, 풍화암반) 및 기반암(연암반~극경암반)의 마찰지지층에 총 736본의 매입말뚝을 시공하고 동재하시험을 실시하여 매입말뚝의 주면마찰력 특성을 분석하여 단위극한주면마찰력(

)을 정량적으로 평가할 수 있는 산정식을 개발하였다.

풍화암반에 시공되는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)은 각 지층별 표준관입시험치(

값, 누계관입량), 암종(岩種), 시멘트밀크 배합비(W/C, %)와 충전길이, 전달에너지(타격에너지, EMX) 크기와 전달깊이의 영향 등에 따라 달라지는 것을 알 수 있었다.

기반암(연암반, 보통암반, 경암반, 극경암반)에 시공되는 매입말뚝의 주면마찰력은 암석과 암반종류, TCR(Total Core Recovery, 코어회수율), RQD(Rock Quality Designation, 암질지수), 시멘트밀크 배합비(W/C, %)와 충전길이, 전달에너지(타격에너지, EMX) 크기와 전달깊이에 따라 달라지는 것으로 나타났다. 특히 매입말뚝의 주면마찰력은 시간경과에 따라 시멘트밀크가 양생되면서 일정기간 동안 증가하는 것으로 파악되었으며, 기반암의 경우 코어회수율(TCR)보다는 암질지수(RQD)가 상관성이 더 높은 것으로 확인되었다.

아울러 마찰지지층 종류 및 시멘트밀크 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

) 산정식을 제안하였으며, 시멘트 종류별로 시멘트밀크의 표준배합비(W/C)와 혼합비중 관리기준을 표 5에 정리하였다.

SDA매입말뚝의 시험시공 및 재하시험 분석은 아래와 같다.

먼저, 시험시공 개요를 설명한다.

SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정식을 개발하기 위해 사용한 시험말뚝은 전국적으로 70개 현장에서 총 736본이 되며, 현장별로 말뚝규격과 설계지지력, 말뚝길이, 천공방식, 시멘트밀크의 물시멘트비(W/C), 마찰지지층 종류와 암종(岩種)을 표 6에 정리하였다. 또한 시험말뚝의 마찰지지층을 암종별로 구분해 보면 변성암 26개 현장, 화성암 38개 현장, 퇴적암은 6개 현장이 된다.

말뚝규격 및 시공조건은 아래와 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 원형으로써 A종이다. 사용한 말뚝을 직경별로 현장을 구분하면 Φ500mm 34개 현장(초고강도 PHC말뚝 16개 현장 포함), Φ600mm 27개 현장(초고강도 PHC말뚝 11개 현장 포함) 및 Φ700~Φ1000mm는 9개 현장(초고강도 PHC말뚝 3개 현장 포함)이 된다.

표 6에 의하면

500mm 고강도 PHC말뚝은 설계지지력으로 1,400~1,600kN을 적용하였으며,

600mm 고강도 PHC말뚝의 설계지지력은 1,600~2,100kN이다. 또한

500mm 초고강도 PHC말뚝은 2,000~2,100kN,

600mm 초고강도 PHC말뚝은 2,300~3,000kN을 설계지지력으로 적용하였다.

시험말뚝은 지반종류에 따라 오거비트(auger bit) 또는 해머비트(jack hammer, air hammer)와 케이싱의 링비트(ring bit)로 천공하고, 시멘트밀크 주입, 해머로 경타하는 SDA매입공법으로 시공하였으며, 말뚝 관입길이는 2.8~43.0m 이다. 모든 시험말뚝은 기존 특허식(채수근 2007, 2017a, b) 과 시공컨설팅 기법에 따라 결정된 설계지지력, 말뚝규격과 길이, 말뚝 시공장비 규격, 시공관리기준(해머규격과 낙하고, 최종관입량, 시멘트밀크 배합비와 충전량 등)을 준수하여 시공하였다.

지반조건은 다음과 같다.

우리나라에서 말뚝의 마찰지지층은 대부분 풍화대(풍화토층, 풍화암반)와 기반암이지만, 하천 및 해안지역에서는 대부분 퇴적층(점성토층과 사질층)이다.

따라서 시험말뚝의 마찰지지층은 점성토층을 포함하여 모든 종류의 지반이 되며, 말뚝의 마찰지지층을 서울지역 지반분류(서울특별시, 2006) 기준에 따라 퇴적토지반, 풍화토지반(RS), 풍화암반(WR), 연암반(SR), 보통암반(MR), 경암반(HR) 및 극경암반(XHR)으로 구분하였다. 퇴적토지반은 점성토지반(CL, ML)과 사질토지반으로 구분하였으며, 사질토지반은 모래지반(SP, SW)과 자갈지반(GP, GW)이다. 매립층(Fill)은 불안전한 지층으로써 주면마찰력이 매우 작아 고려하지 않았다.

또한, 기반암은 암종(岩種)에 따라 변성암(편마암, 흑운모편마암, 운모편암, 호상편마암), 화성암(화강암, 흑운모화강암, 안산암질 각력암, 안산암, 유문암) 및 퇴적암(이암, 혈암, 사암, 역암, 석회암, 응회암)으로 분류하였다.

시멘트밀크 배합비은 아래와 같다.

시멘트밀크(Cement milk)의 배합비(W/C, %)는 말뚝규격(강도, 직경)과 설계지지력, 지반조건(지층구성 및 성분, 투수성, 지하수위) 등을 고려하여 표 5에서 보는 바와 같이 현장별로 네 가지 물시멘트비(59, 68, 75, 83%)를 사용하였다.

시멘트밀크의 배합비(W/C, %)별 물과 시멘트 량은 표 5에서 보는 바와 같으며, 주로 사용하는 1종 보통 포틀랜드시멘트(KS L 5201)와 2종 고로슬래그시멘트(KS L 5210)로 구분하여 제시하였다. 아울러 혼합비중을 적용하여 정량으로 정확하게 배합하여 시멘트밀크를 제조하였으며, 말뚝의 선단부와 주변부에 동일한 배합비(W/C)의 시멘트밀크를 주입하였다.

말뚝재하시험 및 결과분석은 아래와 같다.

먼저, 재하시험 개요를 설명한다.

전국 70개 현장에서 시험시공한 736본의 시험말뚝에 대해 항타분석기(PDA: Pile Driving Analysis: Pile Dynamics Inc, 1995)에 의한 동재하시험(Dynamic load test)을 KS F 2591 규정에 따라 실시하고 CAPWAP(CAse Pile Wave Analysis Program : GRL Associates Inc, 1996) 방법으로 분석하여 말뚝의 지지력(支持力)을 측정하고 건전도(健全度)를 확인하였다.

SDA매입말뚝을 시공하면서 실시하는 초기 동재하시험(EOID test)에서는 말뚝 선단부에서는 주로 선단지지력이 측정되고 주면마찰력은 작은 값이 측정되지만, 통상 7일 이상 시간이 경과하면서 시멘트밀크(cement milk)가 양생된 후에 실시하는 재항타 동재하시험(restrike test)에서는 말뚝의 주면부에 큰 주면마찰력이 발생한다. SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정식을 제안하기 위해 70개 현장별로 재항타 동재하시험(restrike test)을 실시한 내용 및 시험 결과를 표 7에 상세히 정리하였다.

아울러 각 현장별로 1회 이상 정재하시험(Static load test)을 실시하여 ‘하중-침하량’ 관계로부터 허용지지력을 파악하고 동재하시험과의 상관성을 비교 검토하여 재항타 동재하시험(restrike test) 결과 값의 신뢰도를 확인하였다.

도 5는 항타분석기(PDA)를 이용하여 말뚝의 지지력(선단지지력과 주면마찰력)을 측정하는 모식도를 보여준다.

동재하시험 결과 분석은 아래와 같다.

전국 70개 현장에서 SDA매입공법으로 시공한 736본의 시험말뚝에서 동재하시험(EOID & restrike test)을 수행한 결과자료(4,922개)를 이용하여 퇴적토중 점성토지반(CL, ML), 사질토지반(SP, GP, SM), 풍화토지반(RS), 풍화암반(WR)과 기반암중 연암반(SR), 보통암반(MR), 경암반(HR) 및 극경암반(XHR)의 주면마찰력 특성을 분석하였다.

동재하시험에서 측정한 현장 데이터를 CAPWAP방법으로 해석하고 지층별, 말뚝규격과 설계지지력별로 분석하여 도 6 내지 도 14에서 보는 바와 같이 단위주면마찰력(unit frictional resistance)으로 표현하여 말뚝직경에 따른 절대 값의 차이가 배제되도록 하였다.

본 출원인은 재항타 동재하시험(restrike test)에서 측정된 풍화암반(WR)과 기반암 즉, 연암반(SR), 보통암반(MR), 경암반(HR) 및 극경암반(XHR)의 단위주면마찰력을 분석하여 단위극한주면마찰력(

) 산정식을 국내·외에서 처음으로 개발하였다. 즉, 풍화암반의 경우

값 50 이상의 누계관입량(

, 10~1) 및 시멘트밀크의 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

)을 산정하여 표 7에 정리하였으며, 일부 현장과 시험말뚝의 분석결과를 도 6 내지 도 14에 제시하였다.

아울러 기반암(연암반, 보통암반, 경암반, 극경암반)의 코어회수율(Total Core Recovery, TCR)과 암질지수(Rock Quality Designation, RQD) 및 시멘트밀크의 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

)을 산정하여 표 7에 정리하였으며, 일부 현장과 시험말뚝의 분석결과를 도 13 및 도 14에 제시하였다.

SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력 분석은 아래와 같다.

먼저, 풍화암반의 단위극한주면마찰력은 다음과 같다.

SDA매입공법으로 풍화암반(WR, weathered rock mass, 50/10≤

≤50/1)에 근입시켜 시공한 SDA매입말뚝의 재항타 동재하시험(restrike test) data를 CAPWAP분석하여 구한 SDA매입말뚝의 극한주면마찰력(

)을 말뚝의 마찰지지면적(

: 말뚝의 표면적)으로 나누어 단위극한주면마찰력(

)을 산정하였으며, 표준관입시험치(

값) 50의 누계관입량(

)과의 상관관계를 분석하였다.

(참고로 풍화암반의

값 50/10~50/1에서 분모는 표준관입시험에서 강제(鋼製) 드라이브 해머로 표준관입시험용 샘플러를 50회 타격했을 때 샘플러가 천공홀 바닥지반 내에 관입되는 길이(cm로 표현)가 누계관입량(

)이며 10~1cm를 의미함)

풍화암반의 표준관입시험치(

값) 50의 누계관입량(

)과 단위극한주면마찰력(

) 분석방법으로 상관분석(correlation analysis)과 회귀분석(regression analysis)을 이용하였으며, 암종(岩種), 말뚝규격과 설계지지력과 무관하게 시험자료를 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 분석한 결과는 도 15와 식(2)~식(7)에서 보는 바와 같다.

상관분석의 결과는 시멘트밀크 배합비(W/C)별로

값 50의 누계관입량(

, 10~1)과 단위극한주면마찰력(

)의 산점도(散點圖, scatter plot)로 나타냈다. 산점도 상에서 각 점들이 얼마나 밀도 있게 모여 있는지를 나타내는 pearson 상관계수(r)를 통해

값 50의 누계관입량(

)과 단위극한주면마찰력(

) 사이의 상관성을 표현하였다.

도 15(a)는 배합비(W/C)가 59%인 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 풍화암반(

값 50)의 누계관입량(

, 10~1)과 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. pearson 상관계수(r) 값은 -0.6641로 나타나 누계관입량(

)과 단위극한주면마찰력(

) 간에 유의한 음(-)의 상관관계가 있음을 알 수 있다(p<0.001). 이 회귀식에 의하면 풍화암반의 단위극한주면마찰력(

)은 시멘트밀크 배합비(W/C)와 50이상 되는

값의 누계관입량(N_cm)에 반비례하며 상관성이 매우 강한 것을 알 수 있다. 단위극한주면마찰력(

)과

값 50의 누계관입량(

) 상관관계를 방정식으로 나타낸 결과는 식(2)와 같다.

식(2)는 배합비(W/C)가 59%인 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 풍화암반의 단위극한주면마찰력(

)과

값 50의 누계관입량(

)의 회귀식이다. 본 출원인은 회귀식 식(2)를 안전측으로 보정한 회귀식(3)을 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 산정하는 설계식으로 제안하고 도 15(a)에 제시하였다.

도 15(b)는 배합비(W/C)가 68%인 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 풍화암반(

값 50)의 누계관입량(

, 10~1)과 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. pearson 상관계수(r) 값은 -0.6949로 나타나 누계관입량(

)과 단위극한주면마찰력(

) 간에 유의한 음(-)의 상관관계가 있음을 알 수 있다(p<0.001). 단위극한주면마찰력(

)과

값 50의 누계관입량(

) 상관관계를 방정식으로 나타낸 결과는 식(4)와 같다.

식(4)는 배합비(W/C)가 68%인 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 풍화암반의 단위극한주면마찰력(

)과

값 50의 누계관입량(

)의 회귀식이다. 본 출원인은 회귀식 식(4)를 안전측으로 보정한 회귀식(5)를 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 산정하는 설계식으로 제안하고 도 15(b)에 제시하였다.

도 15(c)는 배합비(W/C)가 83%인 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 풍화암반(

값 50)의 누계관입량(

, 10~1)과 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. pearson 상관계수(r) 값은 -0.7658로 나타나 누계관입량(

)과 단위극한주면마찰력(

)과

값 50의 누계관입량(

) 상관관계를 방정식으로 나타낸 결과는 식(6)과 같다.

식(6)은 배합비(W/C) 83%의 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 풍화암반의 단위극한주면마찰력(

)과

값 50의 누계관입량(

)의 회귀식이다. 본 출원인은 회귀식 식(6)을 안전측으로 보정한 회귀식(7)을 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 산정하는 설계식으로 제안하고 도 15(c)에 제시하였다.

배합비(W/C)가 59%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때,

풍화암반(

값 50/10~50/1, 누계관입량 10~1cm):

식(2),

= 302.88-11.740×

값 (R²=0.4411, p<0.001)

풍화암반(

값 50/10~50/1, 누계관입량 10~1cm):

식(3),

= 245.00-7.000×

값(설계식)

배합비(W/C)가 68%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때,

풍화암반(

값 50/10~50/1, 누계관입량 10~1cm):

식(4),

= 302.8-14.041×

값 (R²=0.4829, p<0.001 )

풍화암반(

값 /10~50/1, 누계관입량 10~1cm):

식(5),

= 225.00-7.000×

값(설계식)

배합비(W/C)가 83%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때,

풍화암반(

값 50/10~50/1, 누계관입량 10~1cm):

식(6),

= 303.28-14.763×

값 (R²=0.5865, p<0.001)

풍화암반(

값 50/10~50/1, 누계관입량 10~1cm):

식(7),

= 205.00-7.000×

값(설계식)

풍화암반의 단위극한주면마찰력 설계식 우수성은 다음과 같다.

매입말뚝의 지지력 설계 및 시공관리체계가 확립되어 있는 일본을 포함하여 외국의 경우 선단 및 마찰지지층이 대부분 사질토와 점성토지반이므로 풍화암반을 지지층으로 시공하는 매입말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 신뢰도 높게 산정할 수 있는 경험식이 개발되어 있지 않다.

반면에 국내의 경우 SDA매입말뚝을 대부분 풍화암반 또는 기반암 내에 시공하기 때문에 LH공사(2008)는 풍화토지반과 풍화암반에 Φ400~450mm말뚝을 SIP매입공법으로 시공하고 실시한 말뚝재하시험 자료를 분석하여 경험식을 제안하였으나 배합비(W/C)가 83%인 시멘트밀크를 주입한 시험결과로써 시멘트밀크 배합비가 달라지면 주면마찰력이 달라지는 특성을 반영하지 못하는 실정이다. 아울러

값 50의 누계관입량(

)이 작을수록 지반강도가 증가하고 조밀해져 풍화암반의 주면마찰력이 증가하는 지반 특성을 반영하지 못하여 풍화암반의 주면마찰력을 과소평가하고 있다.

반면에 도 15(a) 내지 도 15(c)에 제안한 회귀식에 의하면 풍화암반에 근입시켜 시공한 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)은 시멘트밀크 배합비(W/C)와 50이상 되는

값의 누계관입량(

, 10~1)에 반비례하며 상관성이 매우 강한 것을 알 수 있다. 본 출원인은 이와 같이 신뢰도가 높은 회귀식을 안전측으로 보정하여 도 16에 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 제안하였으며 단위극한주면마찰력(

) 설계식은 LH공사식보다 더욱 안전하면서 경제적으로 산정할 수 있게 되었다.

특히 가장 빈배합인 배합비(W/C) 83%의 시멘트밀크를 주입할 경우에도 본 출원인이 제안하는 설계식이 LH공사식보다 큰 주면마찰력을 산정하는 것으로 나타나 제안식의 우수성을 알 수 있다.

기반암(基盤岩)에 근입 시공된 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력 분석은 아래와 같다.

연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반 등 기반암(bed rock mass)에 근입시켜 시공한 SDA매입말뚝의 재항타 동재하시험(restrike test) data를 CAPWAP분석하여 구한 매입말뚝의 극한주면마찰력(

)을 말뚝의 마찰지지면적(

: 말뚝의 표면적)으로 나누어 단위극한주면마찰력(

)을 산정하였으며, 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD)과의 상관관계를 분석하였다.

참고로 암석(岩石, rock)의 코어회수율(Total Core Recovery, TCR)은 전체 암석 코어(rock core) 길이의 합을 암석구간의 시추(boring)길이로 나누어 백분율(%)로 표시한 것이며, 암질지수(Rock Quality Designation, RQD)는 100mm이상 되는 암석 코어(rock core) 길이의 합을 암석구간의 시추길이로 나누어 백분율(%)로 표시한 것이다.

본 출원인은 연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반 등 기반암에 기성말뚝을 시공한 모든 시험말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 시멘트밀크 배합비(W/C, %)별로 분석하였으며, 기반암의 암석 종류(岩種), TCR(Total Core Recovery, 코어회수율)과 RQD(Rock Quality Designation, 암질지수)와 같은 암반의 풍화도(風化度)와 절리(불연속면)에 따른 말뚝의 단위극한주면마찰력(

) 변화를 파악하였다. 암석의 강도시험 값이 적어 강도에 따른 단위극한주면마찰력 분석은 제외하였다.

코어회수율(TCR)과 암질지수(RQD)는 시추장비와 암석시료 채취기(다이아몬드비트와 rock core barrel) 규격, 시추 기능공의 숙련도에 따라 달라지지만 본 출원인은 서울시(2006)의 기준에 제시한 시추방법과 암석 코아시료를 이용하였으며, 암종과 암반의 이방성(異方性)과 불균질성(不均質成) 특성이 반영된 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD), 시멘트밀크 배합비(W/C, %)별 단위극한주면마찰력(

)의 상관성을 국내·외에서 최초로 분석하였다.

기반암의 코어회수율(TCR)과 암질지수(RQD)별 단위극한주면마찰력((

)은 아래와 같다.

연암반(SR), 보통암반(MR), 경암반(HR) 및 극경암반(XHR)에 근입시켜 시공한 SDA매입말뚝의 시멘트밀크 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

)을 분석한 결과는 도 17 및 도 18과 같다. 도 17은 코어회수율(TCR)과 단위극한주면마찰력(

), 도 18은 암질지수(RQD)와 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 암종(岩種) 구분 없이 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 나타낸 것으로써 회귀식은 식(8)~식(16)과 같다.

도 17(a)는 배합비(W/C)가 59%인 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 코어회수율(TCR)과 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. Pearson 상관계수(r) 값은 0.4316으로 나타나 TCR과 단위극한주면마찰력(

) 간에 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다(p<0.001). 즉, 코어회수율(TCR)이 클수록 단위극한주면마찰력(

)이 크고, 코어회수율(TCR)이 작을수록 단위극한주면마찰력(

)이 작다.

도 17(b)는 배합비(W/C) 68%의 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 코어회수율(TCR)과 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. Pearson 상관계수(r) 값은 0.2699로 나타나 TCR과 단위극한주면마찰력(

)이 크고, 코어회수율(TCR)이 작을수록 단위극한주면마찰력(

)이 작다.

도 17(c)는 배합비(W/C) 83%의 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 코어회수율(TCR)과 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. Pearson 상관계수(r) 값은 0.0376으로 나타나 TCR과 단위극한주면마찰력(

) 간에 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다(p<0.001). 즉, 코어회수율(TCR)이 클수록 단위극한주면마찰력(

)이 크고, 코어회수율(TCR)이 작을수록 단위극한주면마찰력(

)이 작다.

도 18(a)는 배합비(W/C) 59%의 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 암질지수(RQD)와 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. Pearson 상관계수(r) 값은 0.7384로 나타나 RQD와 단위극한주면마찰력(

) 간에 매우 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다(p<0.001). 즉, 암질지수(RQD)가 클수록 단위극한주면마찰력(

)이 크고, 암질지수(RQD)가 작을수록 단위극한주면마찰력(

)이 작다.

도 18(b)는 배합비(W/C) 68%의 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 암질지수(RQD)와 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. Pearson 상관계수(r) 값은 0.7410으로 나타나 RQD와 단위극한주면마찰력(

) 간에 매우 유의한 양의 상관관계가 있음을 알 수 있다(p<0.001).

즉, 암질지수(RQD)가 클수록 단위극한주면마찰력(

)이 크고, 암질지수(RQD)가 작을수록 단위극한주면마찰력(

)이 작다.

도 18(c)는 배합비(W/C) 83%의 시멘트밀크를 주입하여 시공하였을 때 암질지수(RQD)와 단위극한주면마찰력(

)의 상관관계를 나타낸 것이다. Pearson 상관계수(r) 값은 0.6337로 나타나 RQD와 단위극한주면마찰력(

즉, 암질지수(RQD)가 클수록 단위극한주면마찰력(

)이 크고, 암질지수(RQD)가 작을수록 단위극한주면마찰력(

)이 작다.

도 17과 도 18에 의하면 기반암(bed rock mass)에 근입시켜 시공한 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)은 코어회수율(TCR) 및 암질지수(RQD)에 비례하며, 특히 암질지수(RQD) 회귀식의 설명력(R²)은 0.6337~0.7410으로써 코어회수율(TCR) 회귀식의 설명력(R²) 0.0376~0.4316에 비해 높았다. 즉, SDA매입말뚝의 재항타 동재하시험(restrike test) data를 CAPWAP분석한 결과 기반암의 코어회수율(TCR)보다 암질지수(RQD)가 단위극한주면마찰력(

)과의 상관성이 더 높은 것으로 확인되었다.

이에 따라 본 출원인은 회귀식 (11)~(13)을 안전측으로 보정하여 기반암에 근입 시공된 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)을 산정하는 설계용 회귀식 즉, 설계식(

와 RQD 관계식) (14)~(16)을 도 18과 도 19에 제안하였다.

즉, 본 출원인은 배합비(W/C)가 59%인 시멘트밀크를 주입한 경우, 기반암의 RQD와 단위극한주면마찰력(

) 설계식은 식(14)가 되며, 배합비(W/C)가 68%인 시멘트밀크를 주입한 경우, 반암의 RQD와 단위극한주면마찰력(

) 설계식은 식(15)이 되고, 배합비(W/C)가 83%인 시멘트밀크를 주입한 경우, 반암의 RQD와 단위극한주면마찰력(

) 설계식은 식(16)이 되는 것으로 제안하였다.

시멘트밀크 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

)과 코어회수율(TCR) 회귀식

식(8), W/C=59%:

= 238.10+3.9834×TCR(%) (R²=0.4316, p<0.001)

식(9), W/C=68%:

= 199.21+4.1186×TCR(%) (R²=0.2699, p<0.001)

식(10), W/C=83%:

= 330.13+1.2052×TCR(%) (R²=0.0376, p<0.001)

시멘트밀크 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

)과 암질지수(RQD) 회귀식 식(11), W/C=59%:

= 332.11+6.2987×RQD(%) (R²=0.7384, p<0.001)

식(12), W/C=68%:

= 285.20+6.0369×RQD(%) (R²=0.7410, p<0.001)

식(13), W/C=83%:

= 275.85+5.3719×RQD(%) (R²=0.6337, p<0.001)

시멘트밀크 배합비(W/C) 및 암질지수(RQD) 별 단위극한주면마찰력(

) 설계식

식(14), W/C=59%:

= 300.0+4.0×RQD(%)

식(15), W/C=68%:

= 250.0+4.0×RQD(%)

식(16), W/C=83%:

= 200.0+4.0×RQD(%)

기반암의 단위극한주면마찰력 설계식 우수성은 아래와 같다.

매입말뚝의 지지력 설계 및 시공관리체계가 확립되어 있는 일본의 경우 선단 및 마찰지지층이 대부분 사질토와 점성토지반이므로 기반암을 지지층으로 시공하는 매입말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 신뢰도 높게 산정할 수 있는 경험식이 개발되어 있지 않다.

미국과 캐나다는 타입공법으로 시공하는 기성말뚝 또는 현장타설말뚝을 암반에 근입 또는 지지시켜 시공할 경우 지지력을 평가하는 식을 개발하여 사용하고 있다. 그러나, 이 식들은 암종(岩種), 암석강도(

), 암반의 풍화도(風化度)와 불연속면(discontinuity) 특성이 우리나라와 상이한 조건에서 개발되었기 때문에 이들 식으로 산정한 타임말뚝과 현장타설말뚝의 주면마찰력은 국내의 현장지지력과 큰 차이난다. 특히 기성말뚝을 매입공법으로 시공하는 매입말뚝의 주면마찰력 산정에 적용할 수 없을 뿐만아니라 암반 종류(연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반)에 따라 달라지는 주면마찰력도 평가할 수 없다.

풍화토지반과 풍화암반에 시공하는 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하기 위해 개발된 LH공사(2008) 식도 기반암(연암반, 보통암반, 경암반 및 극경암반)의 주면마찰력을 산정할 수 없다.

반면에 도 18(a) 내지 도 18(c)에 제안한 회귀식에 의하면 기반암에 근입시켜 시공한 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(

)은 시멘트밀크 배합비(W/C)와 암질지수(RQD)에 비례하며 상관성이 매우 강한 것을 알 수 있다. 본 출원인은 이와 같이 신뢰도가 높은 회귀식을 안전측으로 보정하여 도 19에 기반암의 RQD(암질지수)와 시멘트밀크 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(

) 설계식을 제안하였으며 이로써 기반암에 시공하는 SDA매입말뚝의 주면마찰력을 안전하면서 경제적으로 산정할 수 있게 되었다.

Claims

삭제
매입말뚝의 주면마찰력을 산정하기 위해 매입말뚝에 부착되고 타격으로 인해 매입말뚝에 발생되는 변형률을 측정하는 변형률계(strain transducer); 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하기 위해 매입말뚝에 부착되는 가속도계(accelerometer); 매입말뚝의 주면마찰력을 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 직경이 1000mm 이상 되는 대구경 말뚝의 경우, 항타분석기는, 편타에 의한 데이터 값의 오차를 줄이기 위해 8채널 이상 사용되고, 변형률계 및 가속도계는, 4세트(set) 이상 사용되는 풍화암반 또는 기반암의 매입말뚝 주면마찰력 산정시스템을 이용하여 풍화암반 또는 기반암에 삽입되는 매입말뚝의 주면마찰력을 산정하는 방법으로서,
지상부분의 길이가 말뚝 직경의 3배 이상인 시험말뚝을 준비하고;
시험말뚝 두부로부터 말뚝 직경의 1.5~2배 되는 지점에 드릴을 사용하여 대칭으로 각각 한 쌍의 구멍을 천공하며;
천공한 상기 구멍에 고강도 볼트를 사용하여 변형률계와 가속도계를 부착하고;
항타분석기에 현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수 등의 초기값과, 변형률계 및 가속도계의 위치와, 검정계수(calibration factor)를 입력하며;
시험말뚝을 타격하기 위하여 해머를 시험말뚝에 거치하고, 편타가 생기지 않도록 해머와 시험말뚝의 축선이 일치하도록 하고;
변형률계 및 가속도계의 매입 케이블을 항타분석기에 연결하고 변형률계 및 가속도계의 점검 테스트를 실시하여 이상 유무를 확인하며;
상기 변형률계 및 가속도계 테스트단계 후 변형률계 및 가속도계에 이상이 없으면 초기 타격을 1~2회 실시하여 초기 입력치를 조정하고;
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 저장하며;
수집된 상기 데이터를 이용하여서 매입말뚝의 주면마찰력을 계산하여서,
구조물이 축조될 지반으로부터 하방으로 길게 천공되어 형성된 천공홀에 삽입되는 매입말뚝의 주면마찰력을 계산하는 방법이고;
풍화암반(
값 50/10~50/1, 누계관입량 10~1cm)을 대상으로 배합비(W/C)가 59%, 68%, 83%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때에, 풍화암반의 단위극한주면마찰력(
)을 산정하는 하기의 상관식,

= 245.00-7.000×
값, (W/C = 59%)

= 225.00-7.000×
값, (W/C = 68%)

= 205.00-7.000×
값, (W/C = 83%)
기반암을 대상으로 배합비(W/C)가 59%, 68%, 83%인 시멘트밀크를 주입하여 시공할 때에, 암질지수(RQD) 별 기반암의 단위극한주면마찰력(
)을 산정하는 하기의 상관식,

= 300.0+4.0×RQD(%), (W/C = 59%)

= 250.0+4.0×RQD(%), (W/C = 68%)

= 200.0+4.0×RQD(%), (W/C = 83%)
인 것을 특징으로 하는 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정방법.
삭제
삭제