KR20090079615A - 수평재하 모형실험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설, 토목 분야에 관한 것으로서, 특히 말뚝 등의 구조물의 합리적인 설계를 위하여 수평재하 모형실험을 할 수 있는 수평재하 모형실험장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 지반이 조성되는 토조와; 상기 토조 내 지반에 설치되는 모형과; 상기 모형에 수평하중을 싣는 재하장비와; 상기 모형에 적어도 하나 설치되어 상기 모형의 변형률을 측정하는 변형률 측정부와; 상기 모형과 수평방향으로 연결되어 상기 모형의 수평방향 변위를 측정하는 적어도 하나의 수평변위계를 포함하는 수평재하 모형실험장치를 개시한다.

수평재하, 모형실험, 모형, 말뚝, 지반

Description

수평재하 모형실험장치{MODEL HORIZONTAL LOAD TEST APPARATUS}

본 발명은 건설, 토목 분야에 관한 것으로서, 특히 말뚝 등의 구조물의 합리적인 설계를 위하여 수평재하 모형실험을 할 수 있는 수평재하 모형실험장치에 관한 것이다.

일반적으로, 대교, 장대교량, 송전철탑, 고층 구조물 등의 건설, 토목분야의 구조물들은 풍하중,온도하중,충격하중,지진하중 등에 의하여 상당한 크기의 반복 수평하중을 받는다.

이 반복 수평하중은 말뚝 등의 구조물에 수평변위를 발생시키고, 구조물-지반의 비선형적 거동특성, 사이클릭(cyclic)하중에 의한 지반저항력 감소 등을 초래하며, 말뚝 등의 수평하중을 받는 구조물 위에 설치되는 상부구조물의 설계에도 큰 영향을 미치게 된다.

이러한 구조물의 수평변위 및 구조물-지반의 비선형 거동 및 사이클릭하중에 의한 지반저항력 감소 등의 거동특성은, 간단한 단부 지점조건의 모델링(modeling) 으로는 고려하기 어려우며, 거동에 관한 지반 공학적 측면에서 정밀히 검토되어, 안정성을 위해 구조물의 수평변위, 즉 구조물에 실제 발생되는 수평 변위량 및 최대 휨모멘트가 허용치를 벗어나지 않도록 설계되도록 해야 한다.

이를 위해, 지반종류 등의 지반조건, 말뚝의 강성정도 등의 말뚝의 거동조건, 수평하중조건 등의 변수에 따라, 말뚝 등의 수평하중을 받는 구조물의 실제 거동을 추정할 수 있는 수평재하실험이 절실히 필요하다.

특히, 수평재하실험시 현장실증실험시보다 변수의 제어 및 지배가 비교적 쉽고 실내에서 실험이 가능한 모형실험장치가 요구된다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 말뚝 등의 수평하중을 받는 구조물이 실질적으로 수평하중을 받는 환경을 모사하여 실험함으로써, 수평하중을 받는 구조물의 거동을 추정할 수 있는 수평재하 모형실험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 수평재하 모사 실험시 변수 제어 및 지배가 비교적 쉬운 수평재하 모형실험장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 지반이 조성되는 토조와; 상기 토조 내 지반에 설치되는 모형과; 상기 모형에 수평하중을 싣는 재하장비와; 상기 모형에 적어도 하나 설치되어 상기 모형의 변형률을 측정하는 변형률 측정부와; 상기 모형과 수평방향으로 연결되어 상기 모형의 수평방향 변위를 측정하는 적어도 하나의 수평변위계를 포함하는 수평재하 모형실험장치를 개시한다.

상기 토조는, 상기 지반이 조성되는 지반 조성부와, 상기 수평 변위계가 설치되는 변위계 장착부로 구성되고; 상기 지반 조성부와 상기 변위계 장착부를 구획하고, 상기 수평 변위계를 지지하는 격벽이 설치될 수 있다.

상기 재하장비는 상기 모형에 싣는 수평하중을 측정하는 하중계(load cell)를 포함할 수 있다.

상기 재하장비는, 하중을 가하는 재하부와; 상기 재하부를 지지하고, 이동 가능한 거치대를 포함할 수 있다.

상기 변형률 측정부는, 상기 모형의 둘레를 따라, 상기 모형이 상기 재하장비로부터 수평하중을 받는 가력방향과, 상기 가력방향 반대쪽에 각각 설치되어 쌍을 이루고; 상기 모형의 길이를 따라 복수 쌍의 변형률 측정부가 설치될 수 있다.

상기 수평변위계는 상기 변형률 측정부와 동일한 수평선상에 설치될 수 있다.

상기 수평변위계는, 상기 모형의 길이를 따라 복수 개 설치될 수 있다.

상기 수평변위계는, 상기 모형과 상기 수평변위계 사이에 수평하게 배선된 와이어를 통해 상기 모형과 연결될 수 있다.

상기 수평변위계와 상기 모형 사이에 수평하게 설치되고, 내부에 상기 와이어가 배선되는 공간을 갖는 와이어 가이드를 더 포함할 수 있다.

상기 와이어 가이드는, 수평방향으로 변형 가능토록 구성될 수 있다.

상기 수평변위계는, 상기 모형의 수평 변위에 따른 회전량에 따라 수평변위를 측정하는 링 타입으로 구성될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 수평재하 모형실험장치는, 말뚝 등의 수평하중을 받는 구조물이 실질적으로 수평하중을 받는 환경을 모사하여 실험함으로써, 수평하중을 받는 구조물의 거동을 정확하게 추정할 수 있고, 특히 양방향 수평하중 에 대한 실험을 할 수 있으며, 수평재하 모사 실험시 변수 제어 및 지배가 비교적 쉬운 이점을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 수평재하 모형실험장치의 구성도이다.

본 발명에 따른 수평재하 모형실험장치는, 지반(2)이 조성되는 토조(10)와; 토조(10) 내 지반(2)에 설치되는 모형(4)과; 모형(4)에 수평하중을 싣는 재하장비(20)와; 모형(4)에 적어도 하나 설치되어 모형(4)의 변형률을 측정하는 변형률 측정부(30)와; 모형(4)과 수평방향으로 연결되어 모형(4)의 수평방향 변위를 측정하는 적어도 하나의 수평변위계(40)를 포함한다.

지반(2)은, 지반(2) 조건에 따라 사질토, 점성토 등 여러 종류의 지반(2)이 사용될 수 있다. 이때, 지반(2) 종류에 따라 지반(2)의 강사방법 등이 달라질 수 있다.

토조(10)는, 실험 조건에 따라 다양한 형상을 취할 수 있으며, 바람직하게는 지반(2)조건에 따라 최적의 형상을 취할 수 있다. 즉, 토조(10)는 사질토지반(2)인 경우 박스형이 보다 바람직하고, 점성토지반(2)인 경우 원통형이 보다 바람직하다. 나아가, 토조(10)는, 실험 관찰이 가능토록 적어도 전방 일부가 아크릴판으로 제조될 수 있다.

이러한 토조(10)는, 수평변위계(40)가 토조(10) 내부에 설치될 수 있도록, 지반(2)이 조성되는 지반 조성부(12)와, 수평변위계(40)가 설치되는 변위계 장착 부(14)로 구성될 수 있다. 이때, 토조(10)의 지반 조성부(12)와 변위계 장착부(14)가 공간적으로 구획될 수 있도록, 토조(10)의 내부에 격벽(16)이 설치될 수 있다. 특히 격벽(16)은, 지반 조성부(12)와 변위계 장착부(14)를 공간적으로 구획하는 역할만 할 수도 있지만, 본 실시 예와 같이 수평변위계(40)를 지지할 수 있도록 구성될 수 있다. 이 경우, 격벽(16)에 의해 수평변위계(40)가 보다 간소하게 장착될 수 있고, 견실하게 지지될 수 있다.

한편, 토조(10)는, 본 실시 예와 달리 수평변위계(40)가 토조(10) 외부에 설치되도록 구성되는 것도 가능함은 물론이다.

모형(4)은, 말뚝를 비롯하여 지반(2)에 설치되어 수평하중을 받는 구조물이라면 어떠한 구조물의 모형(4)이든 사용될 수 있다.

재하장비(20)는 모형(4)에 수평하중을 실을 수 있다면 어떠한 구조 및 방법을 취하든 무방하며, 바람직한 일 예로써, 하중을 가하는 재하부(22)와, 재하부(22)가 모형(4)에 수평하중을 가할 수 있도록 재하부(22)를 지지하는 거치대(24)를 포함할 수 있다.

재하부(22)는, 본 실시 예와 같이 유압력에 의해 하중을 재하하는 유압식을 비롯하여, 공압식, 기구식 등 모형(4)에 하중을 재하할 수 있다면 어떠한 방법이든 가능하다.

이러한 재하부(22)는, 본 실시 예와 같이 지반(2) 위로 돌출된 모형(4)의 선단 어느 한 부분에만 수평하중을 가할 수도 있지만, 이외에도 모형(4)의 길이를 따라 복수 곳에서 수평하중을 가하도록 구성되는 것도 가능하다.

거치대(24)는, 재하부(22)를 지지하되, 상하, 좌우, 모든 방향으로 이동 가능토록 구성됨으로써, 수평하중을 한 방향이 아니라 양방향에서 가할 수 있고, 재하부(22)의 수평하중변위가 짧더라도 큰 수평변위까지 재하할 수 있고, 하중 재하시 발생 가능한 편심이 최소화될 수 있다. 한편, 거치대(24)에 수평기포를 설치하여 거치대(24) 자체의 편향성을 보정할 수도 있다.

나아가, 재하장비(20)는, 실험 결과의 정확성을 더 높이기 위해, 재하부(22)에 의해 모형(4)에 작용하도록 제어한 수평하중 대 재하부(22)에 의해 실제 모형(4)에 작용한 수평하중을 비교할 수 있도록, 재하부(22)에 의해 모형(4)에 작용한 수평하중을 측정하는 하중계(26)(load cell)를 더 포함할 수 있다.

변형률 측정부(30)는, 실험 조건에 따라 여러 방법으로 설치될 수 있으며, 바람직한 일 예로써 모형(4)의 거동을 보다 정확히 추정하기 위해, 모형(4)의 둘레를 따라, 모형(4)이 재하장비(20)로부터 수평하중을 받는 가력방향과, 그 가력방향 반대쪽에 각각 설치되어 쌍을 이루는 것이 바람직하다.

나아가, 변형률 측정부(30)는, 모형(4)의 길이를 따라 모형(4)의 변형률이 달라지고, 일반적으로 말뚝 등의 모형(4)은 길이가 긴 형상을 취하는 바, 모형(4)의 길이를 따라 복수 쌍 설치되는 것이 보다 바람직하다.

수평변위계(40)는 모형(4)의 수평변위를 측정할 수 있다면 어떠한 종류의 변위계를 사용해도 무방하며, 본 실시 예와 같이 모형(4)의 수평 변위가 미세한 경우에 적합하도록 구성되어, 모형(4)의 수평 변위에 따라 회전되면서 모형(4)의 수평변위에 따른 회전량에 따라 수평변위를 측정하는 링 타입으로 구현될 수 있다.

링 타입의 수평변위계(40)는, 모형(4)의 수평변위를 측정하기 위해 모형(4)과 와이어(42)를 통해 연결될 수 있다. 특히 와이어(42)는 모형(4)의 수평변위가 정확하게 측정될 수 있도록, 모형(4)과 수평변위계(40)(본 실시 예의 경우 보다 정확하게는 모형(4)과 격벽(16)) 사이에 수평하게 배치되는 것이 무엇보다 중요하고, 와이어(42)가 지반(2) 저항력을 받지 않고 모형(4)의 수평변위를 정확히 전달해야 한다. 이를 위해 수평변위계(40)와 모형(4)(본 실시 예의 경우 보다 정확하게는 모형(4)과 격벽(16)) 사이에 수평하게 설치되고 내부에 와이어(42)가 배선되는 공간을 갖는 와이어 가이드(44)를 더 포함할 수 있다. 이때 와이어 가이드(44)는, 와이어(42)가 지반(2)의 영향을 가능한 받지 않도록 양단부가 각각 모형(4)과 격벽(16)에 붙되, 모형(4)의 수평 변위에 저항력으로 작용해서는 안된다. 이를 위해 와이어 가이드(44)는 길이를 따라 다수의 주름이 형성된 주름관과 같이, 모형(4)의 수평변위에 따라 수평방향, 즉 와이어 가이드(44)의 길이방향으로 변형 가능토록 구성되는 것이 보다 바람직하다.

이러한 수평변위계(40)는, 모형(4)의 길이를 따라 모형(4)의 변형률이 달라지고, 일반적으로 말뚝 등의 모형(4)은 길이가 긴 형상을 취하는 바, 모형(4)의 길이를 따라 복수 개 설치되는 것이 바람직하다. 특히 복수 개의 수평변위계(40)는 각각, 변형률 측정부(30)의 실험 결과와 비교 가능토록, 변형률 측정부(30)와 동일한 수평선상에 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 모형(4)의 선단은 구속되지 않을 수도 있고, 상부 구조물에 의해 구속될 수도 있는바, 모형(4)의 수평하중에 대한 거동은 모형(4)의 선단 구속여부에 따라서 도 영향을 받을 수 있다. 따라서, 모형(4)의 선단을 구속할 수 있는 모형 선단구속장비가 더 포함될 수도 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 수평재하 모형실험장치를 이용한 실험 예를 들어 설명한다.

토조(10)를 다음과 같이 준비한다.

본 실험에서는 수평하중 받는 말뚝의 응력-변형에 관한 실험을 위하여, 사질토지반의 경우 양 측면과 후면 그리고 밑면은 강, 앞면은 실험 관찰이 용이한 2cm 두께의 아크릴판으로 되어 있는 1.0×1.5×1.5m의 박스형 토조를, 점성토지반의 경우 2cm 두께의 아크릴 판으로 되어 있는 지름 80cm×높이 1.0m의 원형 토조를 사용하였다. 또한 토조 한쪽 벽면에 25cm의 격벽(16)을 설치한다.

다음, 모형실험용 시료를 준비한다.

본 실험에서 사용된 시료는 지반의 거동을 비교적 명확히 알 수 있고 그 특성이 널리 알려진 주문진 표준사와 김해시 공사현장에서 채취한 점성토이다. 선정된 시료의 공학적 성질을 파악하기 위하여 기본물성실험을 실시하였으며 그 결과는 표 1(실험용 시료(주문진 표준사)) 및 표 2( 실험용 시료(김해해상점토))와 같다.

이때 사질토지반인 경우, 다음과 같이 지반을 조성한다.

본 실험에서는 지반의 강성에 따른 말뚝의 거동특성을 파악하고자 상대밀도 40% 및 80% 지반을 조성하였으며, 이를 위하여 외부공기유입을 차단한 상태에서 Traveling spreader법 및 높이별 3회에 걸친 Pluviation 포설을 예비 실험으로 실시하여 목표 상대밀도와 일치하는 강사기의 높이 및 노즐 폭을 결정하였다(표 3(강사조건에 따른 상대밀도) 참조). 또한 본 실험 시, 보다 균질한 지반조성을 조성하고자 말뚝 거동 영향 범위 밖의 두 지점에서 높이별 3회에 걸친 상대밀도를 측정하여 그 편차를 ±1.8% 이내로 유지시킨다.

점성토지반인 경우에는 다음과 같이 지반을 조성한다.

본 실험에서는 지반의 강성에 따른 말뚝의 거동특성을 파악하고자 비배수전단강도 17kPa와 비배수전단강도 40kPa 지반을 조성하였다. 균질한 점성토지반을 조성하기 위하여 본 실험에 앞서 Field vane test를 통한 함수비-비배수전단강도 곡선을 산정하였으며(그래프 1(함수비-비배수전단강도 곡선) 참조), 본 실험에서는 완전 건조된 점성토에 증류수를 첨가시켜 함수비를 조정하는 방법을 통하여 목표 비배수 전단강도를 지니는 지반을 조성하였다.

[그래프 1]

여기서, 그래프 1의 water content는 함수비이고, Cu는 비배수전단강도이다.

다음, 말뚝의 모형(4)(이하, 설명의 편의를 위해 '말뚝 모형'이라 한다)을 준비한다.

본 실험에서는 말뚝 강성에 따른 말뚝 거동을 파악하고자 EN AW 6063-T5 알루미늄 파이프를 이용하여 길이가 0.40m, 0.65m, 그리고 0.85m인 총 3본의 말뚝 모형을 제작하고, 사용된 말뚝 모형의 제원은 European Aluminium Association 의 Physical & Elastic Properties를 참고하였다(표 4(말뚝 모형의 제원) 참조).

그리고, 본 실험을 위하여 가력방향과 가력반대방향에 각각 6개, 총 12개의 변형률 측정부(30)를 설치하고, 총 6개의 수평변위계(40)를 설치한다.

이와 같이 실험장치가 준비되고 나면, 재하부(22)에 의해 말뚝 모형(4)에 수평하중을 가한다. 이때, 재하는 ASTM D 3966-90(optional)에 의거하여 주기하중재하법으로 실시한다. 그러면, 변형률 측정부(30)를 통해 말뚝 모형(4)의 변형률을 측정할 수 있고, 수평변위계(40)를 통해 말뚝 모형(4)의 수평변위를 측정할 수 있으며, 이 측정된 값을 다음 식에 대입하면 지반반력을 산정할 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 4]

[수학식 5]

모형실험을 통한 실험결과는 다음의 표 5와 같다.

상기의 표 5의 실험결과를 보면, 사질토지반(3)의 경우 하중초기단계에서는 지반 및 말뚝의 강성에 대한 말뚝의 수평변위가 큰 차이를 보이지 않았으나 하중이 증가할수록 그 차이는 크게 나타났다. 또한 하중최종단계에서 말뚝의 수평변위는 지반의 강성에 무관하게 말뚝의 강성이 클수록 크게 발생하였으며 말뚝 강성에 따른 수평변위의 차이는 지반의 강성이 작을 때보다 지반이 견고할 때 더 큰 것으로 측정되었다(그래프 2(사질토인 경우, 말뚝 모형의 길이에 따른 수평변위) 참조).

점성토지반의 경우 사질토와 동일하게 하중초기단계보다 최종단계로 갈수록 말뚝 및 지반 강성에 따른 수평변위의 특징이 명확히 나타났으며 말뚝의 강성이 클수록 더 큰 수평변위가 발생하였다. 지반 강성 증가에 따른 수평변위 감소율은 말뚝의 강성이 클수록, 말뚝 강성 증가에 따른 수평변위 감소율은 지반이 연약할수록 크게 나타났다(그래프 3(점성토인 경우, 말뚝 모형의 길이에 따른 수평변위) 참조).

[그래프 2]

[그래프 3]

여기서, lateral displacement/pile diameter는 말뚝 모형의 직경에 대한 수평변위이고, lateral load는 수평하중이고, Cu는 비배수 전단강도이고, L은 말뚝 모형의 길이다.

그리고, 사질토지반에서 동일재하하중에 따른 최대 휨모멘트의 크기는 말뚝의 강성에 반비례하는 것으로 나타났으며(그래프 4(사질토인 경우, 말뚝 모형의 길이별 휨모멘트) 참조), 지반강성의 증가는 따른 휨모멘트의 감소율은 연성말뚝에서 더 크게 나타났다. 이는 강성말뚝일수록 강성의 크기가 커서 축 변형이 거의 발생하지 않기 때문이라고 판단된다. 최대 휨모멘트 발생위치는 0.45L ~ 0.50L로 말뚝의 중앙부에서 발생하였다.

점성토지반의 경우 동일 재하하중에 따른 최대 휨모멘트의 크기는 말뚝의 강성에 반비례하였으며 지반이 느슨할수록 더 큰 휨모멘트가 발생하였다(그래프 5(점성토인 경우, 말뚝 모형의 길이별 휨모멘트) 참조). 또한 지반강성 변화에 따른 최대휨모멘트의 변화율은 연성말뚝에서 조금 더 크게 나타났으나 그 차이는 크지 않았다. 최대 휨모멘트의 발생위치는 c_u=17kPa 지반에서 0.40m 말뚝은 0.45L, 0.65m 말뚝은 0.5L이며, c_u=40kPa 지반에서는 각각 0.3L, 0.5L로 나타났다.

[그래프 4]

[그래프 5]

여기서, Pile length는 말뚝 모형의 길이이고, Pile Diameter는 말뚝 모형의 직경이고, bending moment는 휨모멘트이고, Cu는 비배수 전단강도이다.

한편, 수평하중을 받는 말뚝를 해석하는 방법으로는 탄성지반 상 보 이론에 기초한 지반반력법,탄성해 방법 등이 있으나 이러한 방법들은 모두 지반을 탄성으로 가정하고 있다.이에 반하여 p-y 곡선은 지반의 비선형거동을 고려할 수 있으므로 상대적으로 연약지반 상에 시공되고 큰 수평하중을 받는 탄소성 말뚝의 해석기법으로 적절하다고 할 수 있다.

따라서, 본 실험에서는 지반-말뚝의 상대강성과 선단구속조건이 p-y 곡선의 초기기울기에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실험 결과와 유사한 형태를 띠는 Kondner(1963)가 제안한 쌍곡선 함수에 곡선의 초기기울기와 극한지반반력을 대입한 후 시산법을 통하여 실험결과와 가장 유사한 형태를 보이는 p-y 곡선을 선정하여 p-y 곡선의 초기기울기를 산정하였다.

사질토지반의 경우 산정된 초기기울기는 깊이에 비례하였으며 이는 사질토에서 p-y곡선의 초기기울기는 깊이에 따라 증가한다는 Palmer & Thompson의 연구결과와 일치하였다. 또한 동일 상대밀도 지반에서의 초기기울기의 크기는 말뚝의 강성과 상대밀도에 비례하였다(그래프 6(사질토인 경우, p-y곡선의 초기기울기(Kh)) 참조).

점성토지반의 경우 산정된 초기기울기는 깊이에 비례하였으나 지반이 연약하고 연성말뚝일수록 깊이에 따른 초기기울기의 증가량이 지반이 견고하거나 강성말뚝 또는 사질토지반에 비하여 현저히 작게 나타났으며 지반강성의 변화에 따른 초기기울기의 변화는 강성말뚝이 연성말뚝에 비하여 더 크게 나타났다(그래프 7(점성토인 경우, p-y곡선의 초기기울기(Kh)) 참조).

[그래프 6]

[그래프 7]

여기서, depth는 심도이고, initial slope는 초기기울기이고, Cu는 비배수 전단강도이다.

그리고, 본 실험에서의 지반반력산정은 말뚝 지름의 7배인 7D 이상의 깊이에서는 지반반력의 방향이 번갈아가며 바뀌면서 서로 상쇄되어 실제적으로 수평저항에 기인하는 깊이는 지표면부근의 저심도라고 제안한 Baguelin 등(1978)과 Briaud(1997)의 실험결과를 토대로 하여 6D에 해당하는 0.18m까지의 지반반력을 산정하였으며 극한지반반력은 초기기울기와 동일한 방법인 시산법을 통하여 산정하였다(표 6(조건별 극한지반반력) 참조).

그래프 8(사질토인 경우, 심도별 극한지반반력) 및 그래프 9(점성토인 경우, 심도별 극한지반반력)와 같이 지반의 종류와 무관하게 지반반력은 깊이에 따라 증가하는 경향을 보였으며 동일 지반에 대한 말뚝의 강성은 극한지반반력에 큰 영향을 미치지 못하였다. 반면에 지반강성의 증가는 극한지반반력의 증가를 가져왔으며, 이는 극한지반반력이 말뚝의 강성보다는 지반의 강성변화에 더 큰 영향을 받기 때문인 것으로 판단된다. 또한 지반강성변화에 따른 극한지반반력의 변화율은 강성말뚝에서 연성말뚝에 비하여 더 크게 나타났다.

[그래프 8]

[그래프 9]

여기서, depth는 심도이고, maximum soil resistance는 극한지반반력이고, Cu는 비배수 전단강도이다.

본 실험을 분석한 결과는 다음과 같다.

p-y 곡선은 쌍곡선 형태를 띠었으며, 이때의 초기기울기는 말뚝 및 지반의 강성에 의하여 영향을 받았으나 극한지반반력은 말뚝의 강성과는 무관하였다. 이를 바탕으로 본 장에서는 조건별 p-y 곡선의 초기기울기와 극한지반반력을 고려할 수 있는 식을 산정하고 기존의 연구결과와 제안 식을 비교하였다.

실험결과, 초기기울기 k_ini은 지반 및 말뚝의 강성에 비례하였으며, 다음의 수식으로 나타낼 수 있다.

[수학식 6]

여기서, n_h 는 수평지반반력상수(표 7.2참조), z는 지표면 아래 깊이(m), D는 말뚝 모형의 직경(m)이다.

수학식 6을 주문진 표준사에 적용하기 위하여 상수 A, B를 적용하면 수학식 7과 같다.

[수학식 7]

수학식 7을 선형 회귀분석을 위한 식으로 전환하면

[수학식 8]

[수학식 9]

가 되고

,

로 치환하면,

[수학식 10]

의 선형식이 된다. 수학식 10으로부터 선형 회귀분석을 수행하면, 선형 회귀선의 기울기와 절편은 각각 강도정수 B와 log A를 의미한다. 따라서 강도정수 A와 B는 다음과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 11]

[수학식 12]

여기서, T는 회귀분석에 적용된 전체 자료 수이다.

이를 토대로 토조 실험에서 얻어진 초기기울기와 표 7(지하수위 사질토지반의 수평방향 지반반력상수(kN/㎥)) 및 표 8(점성토지반의 수평방향 지반반력상수(kN/㎥))과 같이 본 연구의 조건에 맞는 수평지반반력상수를 이용하여 변환좌표계 상에 도시하면 그래프 10(사질토인 경우, 초기기울기 산정을 위한 회귀분석 결과) 및 그래프 11(점성토인 경우, 초기기울기 산정을 위한 회귀분석 결과)와 같으며 조건별 A, B는 표 9(경험상수 A, B)와 같다.

[그래프 10]

[그래프 11]

실험결과 극한지반반력은 말뚝의 강성에 관계없이 지반 강성의 영향만을 받는 것으로 나타났으며, 실험결과를 바탕으로 하여 극한지반반력 산정식을 제안하였다.

먼저, 사질토지반인 경우,

Broms는 다음과 같이 극한지반반력 산정식을 제안하였다.

[수학식 13]

수학식 13을 주문진 표준사에 적용하기 위하여 상수 A, B를 적용하면

[수학식 14]

수학식 14를 선형 회귀분석을 위한 식으로 전환하면

[수학식 15]

[수학식 16]

가 되고,

,

로 치환하면

[수학식 17]

의 선형식이 된다.

이를 변환좌표계 상에 도시하면 그래프 12(극한지반반력 산정을 위한 회귀분석 결과(사질토))와 같으며 조건별 A, B는 표 10(경험상수 A, B)과 같다.

[그래프 12]

점성토지반인 경우에는, 본 연구에서는 재하시험 결과를 바탕으로 시험 값과 가장 근접한 극한지반반력을 다음과 같은 식으로 나타내었다.

[수학식 18]

수학식 18을 회귀분석을 위한 식으로 수정하면

[수학식 19]

사질토의 극한지반반력 산정방법과 같이 선형회기분석을 통해 기울기와 절편을 구하면 그래프 13(극한지반반력 산정을 위한 회귀분석 결과(점성토))과 같으며, 이때 A와 B는 표 11(경험상수 A, B)와 같다.

[그래프 13]

이와 같이 제안된 함수식의 적용성을 검증하기 위하여 사질토지반의 경우 정상훈 등(2001)의 실험결과와 제안식에 의해 산정된 p-y곡선을 비교하였으며, 점성토의 경우 인천 송도 대교 현장에서 시행한 일방향 재하시험결과와 비교하였다.

사질토지반인 경우, 본 연구를 통하여 제안한 수평지반반력계수와 극한지반반력에 대한 적용성 검증을 위하여 정상훈 등(2001)이 시행한 실험결과와 비교하였다. 말뚝의 제원과 사질토지반의 물성치는 표 12(말뚝 모형의 종류와 제원(사질토)) 및 표 13(지반의 물성치(사질토))과 같으며 산정된 지반반력계수와 극한지반반력은 표 14(산정된 수평지반반력계수 및 극한지반반력(사질토))와 같다.

산정된 값을 수학식 6에 대입하여 p-y 곡선을 산정하였으며 그 결과를 기존실험의 p-y 곡선과 비교하였다. 그 결과 초기기울기 및 극한지반반력을 적절히 반영하고 있음을 알 수 있었다(그래프 14(제안된 함수식과 타 실험과의 비교(사질토)) 참조).

[그래프 14]

여기서, horizontal deflection은 수평변위이고, soil resistances는 지반반력이다.

점성토지반에 대하여 본 연구에서 제안한 수평지반반력계수의 적용성 평가를 위하여 인천 송도에서 시행한 현장실험결과와 제안된 식에서 산정된 p-y 곡선을 비교하였다. 이때 각 실험에 사용된 말뚝 및 지반의 제원은 표 15(말뚝 모형의 종류와 제원(점성토)) 및 표 16(지반의 물성치(점성토))과 같으며 이때 산정된 수평지반반력계수와 극한지반반력은 표 17(산정된 수평지반반력계수 및 극한지반반력(점성토))과 같다. 비교 결과, 지표면에서의 수평지반반력계수는 제안 식에 의한 값이 크게 나타났으나 비교적 유사한 경향을 나타냈다(그래프 15(제안된 함수식과 타 실험과의 비교(점성토)) 참조).

[그래프 15]

여기서, horizontal deflection은 수평변위이고, soil resistances는 지반반력이다.

상기와 같은 본 연구의 결과는 다음과 같다.

본 연구에서는 주문진 표준사와 점성토로 조성된 지반에 말뚝 및 지반 강성 변화에 따른 말뚝의 p-y 곡선에 대한 영향을 파악하고자 실내실험을 실시하였으며 이를 토대로 수평 변위와 모멘트를 측정하여 p-y곡선을 산정하였다. 산정된 p-y 곡선에 대하여 영향계수별 거동특성을 파악하고, 이런 변수들을 고려할 수 있는 초기기울기 산정 식을 제안하였으며 이를 타 실험결과 및 현장재하시험과 비교, 분석하여 그 적용성과 타당성을 분석하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

1. 말뚝의 강성을 고려한 제안 함수식은 실내실험 결과를 잘 반영하였다. 또한, 타 실험 및 현장재하시험과 비교한 결과 비교적 잘 일치하였다. 이는 제안된 함수식이 말뚝 및 지반의 강성변화에 따른 수평지반반력계수와 지반반력의 변화를 적절히 고려할 수 있음을 나타낸다.

2. 사질토지반에 대한 극한지반반력은 깊이와 지반강성에 비례하였으나 말뚝 강성의 변화에 따른 영향은 매우 작았다. 점성토지반의 경우 깊이에 비례하였으나 지반이 연약하고 연성인 말뚝에 대한 극한지반반력은 깊이에 관계없이 유사하였다. 또한 사질토와 유사하게 말뚝의 강성보다는 지반의 강성이 극한지반반력의 크기에 미치는 영향이 크게 나타났다.

3. p-y 곡선의 초기기울기는 말뚝 및 지반의 강성과 깊이에 비례하였고 말뚝수평변위의 크기는 말뚝의 강성에 비례하였으나 지반의 강성에는 반비례하였다.

4. 사질토지반에 대한 휨모멘트의 크기는 말뚝 및 지반의 강성에 반비례하였으며, 최대 휨모멘트의 발생위치는 말뚝 및 지반의 강성에 무관하게 말뚝 중앙부로 유사하였다. 점성토지반의 경우 휨모멘트의 크기는 말뚝 및 지반의 강성에 반비례하였다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 수평재하 모형실험장치의 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

2; 지반 10; 토조

12; 지반 조성부 14; 변위계 장착부

16; 격벽 20; 재하장비

22; 재하부 24; 거치대

26; 하중계 30; 변형률 측정부

40; 수평변위계

Claims (11)

1. 지반이 조성되는 토조와;

   상기 토조 내 지반에 설치되는 모형과;

   상기 모형에 수평하중을 싣는 재하장비와;

   상기 모형에 적어도 하나 설치되어 상기 모형의 변형률을 측정하는 변형률 측정부와;

   상기 모형과 수평방향으로 연결되어 상기 모형의 수평방향 변위를 측정하는 적어도 하나의 수평변위계를 포함하는 수평재하 모형실험장치.
2. 상기 토조는, 상기 지반이 조성되는 지반 조성부와, 상기 수평 변위계가 설치되는 변위계 장착부로 구성되고;

   상기 지반 조성부와 상기 변위계 장착부를 구획하고, 상기 수평 변위계를 지지하는 격벽이 설치된 수평재하 모형실험장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 재하장비는 상기 모형에 싣는 수평하중을 측정하는 하중계(load cell)를 포함하는 수평재하 모형실험장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 재하장비는, 하중을 가하는 재하부와;

   상기 재하부를 지지하고, 이동 가능한 거치대를 포함하는 수평재하 모형실험장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 변형률 측정부는, 상기 모형의 둘레를 따라, 상기 모형이 상기 재하장비로부터 수평하중을 받는 가력방향과, 상기 가력방향 반대쪽에 각각 설치되어 쌍을 이루고;

   상기 모형의 길이를 따라 복수 쌍의 변형률 측정부가 설치되는 수평재하 모형실험장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 수평변위계는 상기 변형률 측정부와 동일한 수평선상에 설치되는 수평재하 모형실험장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 수평변위계는, 상기 모형의 길이를 따라 복수 개 설치되는 수평재하 모형실험장치.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 수평변위계는, 상기 모형과 상기 수평변위계 사이에 수평하게 배선된 와이어를 통해 상기 모형과 연결되는 수평재하 모형실험장치.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 수평변위계와 상기 모형 사이에 수평하게 설치되고, 내부에 상기 와이어가 배선되는 공간을 갖는 와이어 가이드를 더 포함하는 수평재하 모형실험장치.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 와이어 가이드는, 수평방향으로 변형 가능토록 구성된 수평재하 모형실험장치.
11. 청구항 1에 있어서,

    상기 수평변위계는, 상기 모형의 수평 변위에 따른 회전량에 따라 수평변위를 측정하는 링 타입으로 구성된 수평재하 모형실험장치.

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