KR20090089600A - 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상부에 자유장(L)이 형성되도록, 하부가 지반에 매립된 말뚝(10)의 수평재하시험장치에 관한 것으로서, 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 수평방향으로 하중을 재하하는 하중재하부(100); 말뚝(10)의 자유장(L) 상단의 변위를 측정하는 상단 변위측정부(200); 말뚝(10)의 자유장(L) 하단의 변위를 측정하는 하단 변위측정부(300);를 포함하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치를 제시함으로써, 수평하중 재하시 말뚝의 강성 등이 지반에 미치는 영향과 횡방향 구속철근이 말뚝의 거동에 미치는 영향에 대해 분석하여 말뚝의 부재력과 p-y곡선을 산정할 수 있도록 한다.

말뚝, 수평하중, 변위

Description

자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치 및 방법{APPARATUS FOR HORIZONTAL PILE LOAD TEST AND METHOD THEREOF}

본 발명은 건설 분야에 관한 것으로서, 상세하게는, 기초 구조물인 말뚝의 수평변위를 시험하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

지형의 특성상 우리나라는 국토대비 평지의 비율이 낮아 도심지역에 광역화 및 조밀화가 심하게 진행되는 특성을 가지고 있다.

따라서 공간의 활용에 비교적 적은 제약조건을 가지며 수평방향하중에 대하여 유연한 거동을 함으로서 우수한 내진성능을 가지는 단일형 현장타설말뚝(Single Column/Shaft)의 사용이 증대되고 있다.

이같이 경제성과 안정성을 동시에 확보할 수 있는 단일형 현장타설말뚝은 동일한 직경으로 상부교각까지 연장시킴으로서 교량의 상부구조와 하부구조를 일체화시킨 구조물로서 많이 사용되고 있다.

하지만, 이러한 구조형식은 지진하중, 풍하중, 파도하중, 충격하중 등의 반복 수평하중에 의해 큰 변위가 발생하는 취약점이 있어 수평방향의 거동분석이 매우 중요하다.

수평하중을 받는 말뚝은 다음의 세 가지 조건을 만족하는 범위에서 설계되어야 한다.

1) 말뚝의 허용 휨모멘트는 사용하중 내의 휨모멘트보다 커야 한다.

2) 말뚝의 처짐은 말뚝이 지지하는 구조물의 허용 처짐보다 작아야 한다.

3) 지반에 작용하는 하중은 지반의 극한저항력보다 작아야 한다.

수평하중을 받는 단일형 현장타설말뚝의 거동을 해석하는 방법은 크게 지반을 탄성으로 가정하고 해석하는 방법과 탄소성으로 가정하여 지반의 비선형거동을 고려하여 해석하는 방법이 있다.

일반적으로 말뚝의 처짐으로 인한 지반저항력은 지반의 극한저항력에 도달하지 못한다는 것을 반영하여 지반의 비선형거동을 반영하지 않고 탄성으로 가정하고 해석하여 설계되는 경우가 많다.

지반을 탄성으로 가정하고 해석하는 방법은 주로 지반의 강성이 높은 경우에 쓰이며, 탄소성 해석 방법은 상대적으로 연약한 지반의 거동해석에 주로 사용된다.

일반적으로 지진, 바람, 파도 등과 같이 자연현상에 의해 발현되는 하중은 반복 수평하중형태로 나타나며, 특히 말뚝-기둥의 일체형 교각기초와 같이 자유장이 있는 구조물에서는 설계하중을 초과하는 경우가 종종 발생하기 때문에 이에 대비한 주의가 필요하다.

그런데, 종래에는 이와 같은 말뚝의 수평방향 거동에 대한 시험장치 및 방법 이 개발되어 있지 않아 문제로 지적되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수평하중 재하시 말뚝의 강성 등이 지반에 미치는 영향과 횡방향 구속철근이 말뚝의 거동에 미치는 영향에 대해 분석함으로써 말뚝의 부재력과 p-y곡선을 산정할 수 있도록 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치 및 방법을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상부에 자유장(L)이 형성되도록, 하부가 지반에 매립된 말뚝(10)의 수평재하시험장치에 있어서, 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 수평방향으로 하중을 재하하는 하중재하부(100); 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단의 변위를 측정하는 상단 변위측정부(200); 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 하단의 변위를 측정하는 하단 변위측정부(300);를 포함하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치를 제시한다.

상기 하중재하부(100)는 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 하중을 재하하는 재하장치(110); 상기 재하장치(110)에 반력을 부여하는 고정부(120);를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 고정부(120)는 상기 재하장치(110)가 위치를 변경하여 설치할 수 있도록, 상기 말뚝(10)의 양측에 설치된 것이 바람직하다.

상기 재하장치(110)는 상기 말뚝(10)에 재하되는 수평하중을 측정하는 하중 계(load cell)(111)를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 고정부(120)는 상기 말뚝(10)의 양측에 설치된 한 쌍의 반력 빔(121,122); 상기 재하장치(110)가 설치되도록, 상기 한 쌍의 반력 빔(121,122) 사이에 설치된 받침부(123);를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 상단 변위측정부(200)는 상기 말뚝(10)에 연결된 와이어(210); 상기 와이어(210)의 변위에 따른 회전량의 변화에 따라, 상기 말뚝(10)의 수평변위를 측정하는 링 타입 변위계(220);를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 하단 변위측정부(300)는 지표면에 설치된 LVDT(310); 상기 LVDT(310)와 상기 말뚝(10)의 측면을 연결하는 연결부(320);를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 복수의 상기 말뚝(10)을 간격을 두고 설치하는 말뚝설치단계; 상기 말뚝(10)의 주위에 상기 수평재하시험장치를 설치하는 수평재하시험장치 설치단계; 상기 하중재하부(100)에 의해 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 수평방향으로 하중을 재하하는 하중 재하단계; 상기 상단 변위측정부(200)에 의해 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단의 변위를 측정하는 상단변위측정단계; 상기 하단 변위측정부(300)에 의해 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 하단의 변위를 측정하는 하단변위측정단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험방법을 제시한다.

상기 복수의 말뚝(10)은 자유장(L) 및 근입깊이가 상이한 여러 종류를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 하중 재하단계는 상기 복수의 말뚝(10) 중 일부에 대하여 수평하중을 일방향에서 재하하는 일방향 하중 재하단계; 상기 복수의 말뚝(10) 중 다른 일부에 대하여 수평하중을 양방향에서 재하하는 양방향 하중 재하단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 일방향 하중 재하단계는 주기하중재하법을 적용하는 것이 바람직하다.

상기 양방향 하중 재하단계는 교번재하방법을 적용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 수평하중 재하시 말뚝의 강성 등이 지반에 미치는 영향과 횡방향 구속철근이 말뚝의 거동에 미치는 영향에 대해 분석하여 말뚝의 부재력과 p-y곡선을 산정할 수 있도록 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치 및 방법을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.

도 1 이하에 도시된 바와 같이, 본 발명은 자유장을 달리 가지는 현장타설말뚝에 양방향 수평하중을 단계별로 가했을 때 나타나는 응력, 변형률, 변위, 모멘트의 변화를 측정하여 말뚝의 거동을 분석하고자 한다.

본 발명은 기본적으로 상부에 자유장(L)이 형성되도록, 하부가 지반에 매립된 말뚝(10)의 수평재하시험장치에 관한 것으로서, 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 수평방향으로 하중을 재하하는 하중재하부(100); 말뚝(10)의 자유장(L) 상단의 변위를 측정하는 상단 변위측정부(200); 말뚝(10)의 자유장(L) 하단의 변위를 측정하는 하단 변위측정부(300);를 포함하여 구성된다.

즉, 말뚝(10)에 수평방향으로 하중을 재하하는 경우, 말뚝(10) 중 지표면 상부로 노출된 부분인 자유장(L) 영역의 상단은 비교적 큰 변위를 발생시키고, 지표면에 인접한 자유장(L) 영역의 하단은 적은 변위를 발생시킬 것인바, 그 자유장(L) 영역의 상단 변위와 하단 변위를 별도로 동시에 측정함으로써, 말뚝의 강성 등이 지반에 미치는 영향 및 수평방향 하중이 말뚝의 거동에 미치는 영향 등을 정확하게 파악할 수 있도록 한 것이다.

하중재하부(100)는 말뚝(10)에 대하여 수평방향 하중을 재하하기 위한 구성으로서, 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 하중을 재하하는 유압 잭과 같은 재하장치(110); 재하장치(110)를 주변 구조물 등에 고정하여 반력을 부여하는 고정부(120);를 포함하여 구성될 수 있다.

말뚝(10)의 양측에서 교번적으로 하중을 인가하는 교변재하방법을 적용할 수 있도록 하기 위해서는, 고정부(120)가 재하장치(110)의 위치를 변경하여 설치할 수 있도록, 말뚝(10)의 양측에 설치되는 것이 바람직하다.

말뚝(10)에 재하되는 하중의 양을 정확히 측정하기 위해서, 재하장치(110)는 말뚝(10)에 재하되는 수평하중을 측정하는 하중계(load cell)(111)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

재하장치(110)에 반력을 부여하는 고정부(120)는 사하중(또는 주변구조물)을 반력으로 이용하거나 두 개의 말뚝을 서로 반력으로 사용하는 방법을 이용할 수 있으며, 본 실시예에서는 말뚝(10)의 양측에 설치된 한 쌍의 반력 빔(121,122); 재하장치(110)가 설치되도록, 한 쌍의 반력 빔(121,122) 사이에 설치된 받침부(123);를 사하중으로 하여 반력으로 이용하였다.

말뚝(10)의 상단에는 비교적 큰 변위가 발생하므로, 이를 측정하기 위한 상단 변위측정부(200)는 말뚝(10)에 연결된 와이어(210); 와이어(210)의 변위에 따른 회전량의 변화에 따라, 말뚝(10)의 수평변위를 측정하는 링 타입 변위계(220);를 포함하는 구성을 취하는 것이 바람직하다.

말뚝(10)의 하단에는 비교적 적은 변위가 발생하므로, 이를 측정하기 위한 하단 변위측정부(300)는 지표면에 설치된 LVDT(310); LVDT(310)와 상기 말뚝(10)의 측면을 연결하는 연결부(320);를 포함하는 구성을 취하는 것이 바람직하다.

이하, 위와 같은 본 발명에 의한 시험장치를 이용한 시험의 실시예에 관하여 구체적으로 설명한다.

본 실시예에서는 하중재하부(100)의 효율적인 설치를 위해 말뚝(10)의 최 외측으로부터 2m(=5D)씩 간격을 두어 일렬로 배치하였다.

자유장을 달리 가지는 말뚝(10)을 나누어 시공함으로써 재하장치(110)와 반력을 받는 고정부(120)의 설치의 편의를 도모하였다.

사하중으로서 이용한 보의 배치는 재하장치(110)의 설치 높이를 맞추기 위해 자유장이 1m인 말뚝과 2m인 말뚝의 배치를 달리하였다.

자유장이 2m인 말뚝의 하중재하시험에 사하중으로 사용된 보의 규격은 0.4m×10.0m×0.75m(W×L×H)와 0.4m×6.0m×0.75m(W×L×H)이며, 각각 2개와 5개를 도 1,2와 같이 배치하였다.

자유장이 1m인 말뚝의 하중재하시험에 사하중으로 사용된 보의 규격은 0.4m ×10.0m×0.75m(W×L×H)와 0.4m×6.0m×0.75m(W×L×H)이며, 각각 2개와 4개를 도 3과 같이 배치하였다

말뚝(10)의 두부변위를 측정하기 위하여 ring-type 변위계(220)를 사용하였으며, 상대적으로 변위가 작은 지반면 위치에서의 말뚝변위는 LVDT(310)를 사용하여 측정하였다.

재하장치(110)는 유압 잭(Hydraulic Jack, 50ton) 2개를 직렬로 연결하여 말뚝의 항복 후 거동을 관찰할 수 있었고(도 4), 수평재하시험장치의 설치 완성 후 단면도는 도 1과 같다.

우리나라 토양의 대부분은 암석의 풍화물이 제자리에서 토양으로 발달한 정적토가 많으며 화강암이 넓게 분포하여 모래가 많이 섞인 사질토지반이 많다.

이러한 특성을 반영하고 있는 충청북도 음성군 대소면의 한 위치에서 본 실시예를 위한 지반조사를 총 3공에 대하여 수행하였으며, 이는 도 5에서 BH-1, 2, 3과 같다.

지반조사 시 굴착한 공이 나중에 타설될 시험말뚝의 거동에 영향을 미치지 못하게 하기 위하여 시험말뚝이 시공될 위치로부터 평행하게 2m 떨어진 곳에서 수행되었다.

연구의 초기 계획단계에서는 시험말뚝의 직경이 350mm였으며, 그에 맞춰 지반조사를 선 수행하고 시험말뚝을 시공하려 하였으나, 시험말뚝 시공을 위한 굴착장비의 부재로 시험말뚝의 직경을 400mm로 변경하였으며, 이에 따라 시험말뚝 간의 영향반경도 늘어나게 되어 도 5와 같이 지반조사의 위치가 분포하게 되었다.

시추조사 결과에 의하면 시험부지에 분포되어 있는 지층은 전답토층이 상부에 약 0.3 ~ 0.6 m 정도 분포하고 그 이하로 풍화토층이 약 11.4 ~ 14.6m의 두께로 형성되어 있다(도 6).

풍화토층 하부는 풍화암층이 분포하여 비교적 간단한 성층구조를 보인다.

표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)과 공내재하시험(Pressuremeter Test, PMT)을 수행하였고, 실험결과로부터 표 1 및 도 7과 같은 결과를 얻었다.

각 지층의 성층상태 및 구성성분 등을 층서에 따라 요약하면 표 2와 같다.

시추조사 완료 후 시추공 내의 수위가 스스로 안정될 때까지 지하수위를 수회 측정한 결과, 지표면 하부 11.0m 이하에 지하수위가 분포하는 것으로 관측되어 본 실시예에서는 지하수위의 영향은 고려하지 않았다.

본 발명에 의한 수평재하시험방법에서 사용된 말뚝(10)은 실제 Pier-Shaft 구조에 많이 사용되는 현장타설말뚝을 사용하였으며, 콘크리트 압축강도는 24MPa, 철근의 항복강도는 300MPa인 재료를 사용하였다.

시험말뚝의 직경은 말뚝의 두부부터 선단까지 동일하게 400mm로 시공하였고, 자유장을 구현하기 위해 직경이 400mm인 PVC관을 이용하였다.

PVC관은 콘크리트가 경화된 후에 제거하기가 쉽다는 장점이 있으나 콘크리트 자중에 의해 수평변위가 발생하기 쉬우므로 시험말뚝 옆에 철제 보를 배치하고 L자형 강을 이용하여 PVC관과 철제 보를 연결함으로서 고정시켰다.

따라서 시험말뚝은 총 길이가 3m와 4m인 시험말뚝이 각각 1본씩, 7m와 8m인 시험말뚝이 각각 3본씩 시공되어 총 8본이 되었으며, 각 시험내용의 특징에 맞게 시험에 사용되었다. 시험에 사용한 현장타설 말뚝의 상세한 제원은 표 3 및 도 9,10에 요약하여 표기하였다.

본 실시예에서는 말뚝의 자유장 길이, 근입깊이, 횡방향 구속철근을 달리하여 양방향 수평하중 재하시 하중의 재하방향, 말뚝의 강성 등이 지반의 강성에 미치는 영향과 횡방향 구속철근이 말뚝의 파괴거동에 미치는 영향에 대해 분석하기 위하여 도 12와 같이 시험말뚝을 선정하여 시험을 수행하였다.

기존의 국내에서 실시되었던 수평재하시험과는 다르게 자유장(Free length)이 있는 Pier-Shaft 구조의 형식으로 시험을 수행하였으며, 그 길이는 2D와 5D로서 1m와 2m(D : 말뚝직경, 400mm)를 취하였다.

시험말뚝의 근입깊이는 앞의 절에서 언급한 바와 같이 2m와 6m를 취함으로써 강성을 달리하였으며, 횡방향 구속철근의 배근은 띠철근을 25cm 간격으로 설치한 말뚝과 나선형 철근을 15cm 간격으로 설치한 말뚝을 시험말뚝으로서 취하였다(도 11).

복합적인 여러 수평하중을 받는 말뚝의 내력 및 변형거동 혹은 설계에 필요한 정보를 구하기 위해 수평재하시험을 수행하였다.

수평하중재하시험은 필요한 반력을 어떤 방법으로 사용하는가에 따라 크게 두 가지 방법으로 분류된다.

첫 번째 방법은 사하중(또는 주변 구조물)을 반력으로 이용하여 시험하중을 재하하는 방법이며, 두 번째 방법은 반력말뚝을 설치하여 반력으로 사용하는 방법이다.

수평재하시험의 방법에 대한 KS F의 규정은 없으며, 일반적으로 많이 사용되고 있는 규정은 ASTM D 3966-90과 FHWA Manual(US DOT, 1996)이 있다.

FHWA Manual에 표기되어 있는 표준재하방법은 ASTM의 표준재하방법을 기반으로 시험하중의 단계와 유지시간을 달리하여 규정하고 있으므로 하중재하방식에 따른 말뚝의 거동특성은 서로 비슷한 결과를 보이고 있다.

이 시험법에 대한 구체적인 하중단계, 재하하중 유지시간, 종료하중, 재하하중 적용방법은 표 4와 같다.

일반적으로 정적 수평력이 작용하는 경우는 주기 하중재하법 또는 파동식재하법이 적용되며, 지진과 같이 두 방향의 교번하중이 작용하는 경우는 역재하법이나 교번재하법을 이용한다.

하지만, 어떤 수평재하시험이라도 실구조물의 하중조건과 다른 조건의 시험이 될 수밖에 없기 때문에 말뚝의 수평재하시험방법의 선택은 상부구조물의 하중조건에 따라 결정하여야 한다.

본 실시예에서는 수평재하시험 시 일반적으로 적용되는 ASTM D 3966-90 규정을 따라 주기하중 재하법을 이용하였으며, 지진이나 풍하중 등의 자연현상의 하중특성을 반영하기 위해 양방향수평재하시험을 수행하였다.

한 가지 시험하중을 여러 단계로 나누어 각 단계별 목표하중을 한 방향으로 재하한 후 반대방향으로 똑같이 재하하는 방식인 교번재하법을 이용하였다.

최대 시험하중은 말뚝의 파괴를 야기시키는 하중으로 계획하였다. 따라서 설계하중은 극한하중을 안전율 2로 나눈 값을 취하여 시험을 수행하였다.

본 실시예에 사용된 현장타설말뚝을 시공하기 위해 먼저 시험 현장의 지반을 수평으로 정리하였으며, 굴착 후 수직도 검사와 공벽의 무너짐, 지하수위 점검 등의 기본적인 점검 사항들을 이행하였다.

시험말뚝의 시공 후 콘크리트의 목표 압축강도 발현을 위해 28일간 양생하였으며, 시험공시체를 통해 실제 압축강도를 확인하였다.

말뚝에 작용하는 정확한 응력을 측정하기 위해 30초 간격으로 변형률계의 데이터를 읽었으며, 말뚝 두부의 수평변위를 측정하기 위해 길이변위계의 데이터를 30초 간격으로 측정하였다.

30초 간격으로 측정되는 수많은 데이터를 기록하기 위해 데이터로거를 이용하였으며 각 단계별 목표하중이 재하되었을 때의 깊이별 수평변위를 측정하기 위해 수동경사계를 사용하여 0.5m 간격으로 측정하였다.

도 13 내지 18은 본 발명에 의한 시험방법의 실시예를 촬영한 사진들이다.

사진에 나타난 바와 같이, 복수의 말뚝(10)을 간격을 두고 설치하기 위하여, 철근망 제작, 계측기 설치(도 13), 굴착(도 14), 콘크리트 타설 및 자유장 고정(도 15) 등의 공정을 수행한다.

고정부(120)를 설치하고(도 16), 재하장치(110)를 설치한다(도 17).

이후, 하중재하부(100)에 의해 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 수평방향으로 하중을 재하하면서, 상단 변위측정부(200)에 의해 말뚝(10)의 자유장(L) 상단의 변위를 측정하고, 하단 변위측정부(300)에 의해 말뚝(10)의 자유장(L) 하단의 변위를 측정한다(도 18).

본 실시예에서는 풍화토 지반에 설치된 단일형 현장타설말뚝의 말뚝-지반의 상대강성, 자유장의 길이변화, 근입 깊이의 변화, 그리고 하중재하 방법에 따른 지반반력계수 및 극한지반반력과 수평변위의 특성을 현장재하시험을 통해 알아보고자 하였다.

또한 극한하중 재하 시 말뚝의 파괴 위치와 특성을 알아보았다.

이를 위하여 자유장이 1m와 2m로 구성된 현장타설 말뚝을 설치하였으며, 근입깊이가 2m와 6m인 말뚝을 설치하였다. 하중의 재하는 ASTM D 3966-90 규정에 의거하여 실시하였으며, 일방향 수평하중 재하시 주기하중재하법, 양방향 수평하중 재하시 주기하중재하법에 교번재하방법을 적용하여 실험을 수행하였다.

재하시험을 수행한 결과 현장의 지반공학적 특성이 지반조사결과와 대체로 비슷한 특성을 보였으나, 각 시험말뚝이 시공된 위치가 달라짐에 따라 지반의 특성도 많이 달라짐을 육안으로 확인할 수 있었다.

따라서 본 실시예를 보다 정확히 분석하기 위하여 시험말뚝의 외형적 특징과 지반조사 위치에 따라 도 19와 같이 크게 3가지 종류로 분류하였다.

1) Case I : 자유장이 2m이며 근입깊이가 6m인 현장타설말뚝(LTP-1, 2, 3)

2) Case II : 자유장이 1m이며 근입깊이가 6m인 현장타설말뚝(LTP-4, 5, 6)

3) Case III : 근입깊이가 2m이며 자유장이 1m, 2m인 말뚝(STP-1, 2)

위와 같이 구분된 위치에서의 지반공학적 특성을 반영하기 위해 각 위치별로 표준관입시험, 공내재하시험, 시추공전단시험 등의 현장시험을 수행한 결과와 함수비, 비중, 체분석 등의 실내시험 결과를 이용하였다.

그 결과를 표 5에 정리하여 표기하였으며, 각 종류별 현장타설말뚝을 분석할 때 구분하여 적용하였다.

말뚝에 수평하중을 재하하였을 때 각 위치별 작용한 휨 모멘트를 구하기 위해 말뚝 내부에 진동현식 변형률계를 설치하였다.

변형률계를 통해 측정된 깊이별 변형률에 시험말뚝의 탄성계수를 곱하여 깊이별 응력(σ)을 산정한 후, 수학식 1을 이용하여 깊이별 휨모멘트(M)를 산정하였다.

여기서, I는 단면 2차모멘트이고, y는 말뚝의 중심에서 변형률계가 있는 곳까지의 거리를 나타내며, 본 실시예에서는 말뚝의 반지름의 길이에서 콘크리트 피복두께를 뺀 길이와 일치한다.

실험말뚝의 두부에 수평하중을 재하하였을 때 말뚝 자체에 작용하는 휨모멘트를 위치별로 도시하였다.

첫 재하하중의 방향을 (+)로 가정하였으며, 이때 말뚝에 발생하는 주 모멘트를 (-)로 표기하였다. 하중의 방향은 각 모멘트도에 표기하였다.

(1) Case I 에 속한 실험말뚝의 휨모멘트

도 20 내지 22는 자유장이 2m이며 근입깊이가 6m인 말뚝의 휨모멘트를 나타낸 그래프이다.

LTP-1은 첫 번째로 실험을 수행한 말뚝이며, 정확한 파괴하중을 산정하기 위 하여 L-pile 해석결과를 참조하여 하중을 재하하였다.

LTP-1의 파괴하중을 바탕으로 LTP-2, 3의 각 단계별 재하하중을 산정하였다. 각 단계별 재하하중은 ASTM 규정을 참조하여 산정하였으며, 실험에 적용하였다. LTP-2, 3은 도 19와 같이 말뚝의 두부에서 양방향으로 하중을 재하하였다.

LTP-1은 일방향으로 하중을 재하한 실험이었으며, 실험결과 최대 휨모멘트는 지표면 하부 0.5m~1.3m에서 발생하였으며, 극한 하중 재하시 말뚝의 파괴가 발생한 위치는 지표면 하부 0.6m 지점이었다.

LTP-2의 실험결과 최대 휨모멘트가 발생한 위치는 도 21에 나타난 바와 같이 지표면이었다.

기존에 연구된 바에 의하면 일반적으로 최대 휨모멘트는 주로 지표면 하부 1D~4D (D:말뚝의 직경) 위치에서 발현된다고 보고되었으나, Janoyan(2001) 등에 의해 수행된 실험결과와 같이 지표면 근처에서도 소성힌지가 발생하여 파괴가 일어날 수 있다고 보고되었다.

Janoyan이 수행한 실험말뚝은 직경이 6ft(약 1.83m), 자유장이 40ft(약 12.19m)이고 근입깊이가 48ft(약 14.63m)였다.

소성힌지가 발생하여 파괴가 발생한 위치는 지표면으로부터 깊이방향으로 0~0.5D였다.

LTP-3는 횡방향 구속철근이 나선형으로 15cm간격으로 배근되어있는 말뚝으로서 말뚝의 파괴 시 내력이 다른 실험말뚝보다 높을 것이라 예상되었으나, 실험결과 25cm 간격으로 띠철근이 배근되어있는 다른 말뚝들과 비교했을 때 오히려 비슷하거 나 조금 더 낮은 수평방향 저항력을 보였다.

실험결과 최대휨모멘트와 파괴가 발생한 위치는 LTP-2와 비슷하였다.

(2) Case II 에 속한 실험말뚝의 휨모멘트

도 23 내지 25에는 자유장이 1m이며 근입깊이가 6m인 말뚝의 휨모멘트를 나타내었다.

LTP-4는 Case II에 속한 말뚝 중 첫 번째로 실험을 수행한 말뚝이며 각 단계별 재하하중의 산정은 Case I에 적용한 방법을 그대로 따랐다.

LTP-4의 실험결과 최대 휨모멘트는 지표면 하부 약 0.7m지점에서 발생하였으며, 극한 하중 재하 시 말뚝의 파괴가 발생한 위치는 지표면 하부 0.5m 지점으로 최대 휨모멘트가 발현된 위치와 비슷하였다. 여기서 얻은 극한 수평하중을 최대시험하중으로 계획하여 LTP-5, 6에 적용하였다.

LTP-5의 실험결과 최대 휨모멘트는 하중의 재하방향에 따라 다른 위치에서 발생하였다.

(+)방향으로 하중을 가했을 경우에는 지표면 하부 약 0.7m지점에서 최대 휨모멘트가 발생하였으며, 극한 하중 재하 시 말뚝의 파괴가 발생한 위치는 지표면 하부 0.3m 지점이었다. 지표면 하부 약 0.7m 지점에서의 최대 휨모멘트가 수평하중이 증가함에도 불구하고 변함없는 값을 보이고 있는 이유는 그 위치에서의 변형량이 변형률계의 한계치를 벗어났기 때문이라고 판단된다.

반면 (-)방향으로 하중을 가했을 경우에는 지표면 하부 약 0.7m 지점에서 최 대 휨모멘트가 발생하다가 25 kN의 수평하중이 가해질 때부터 최대 휨모멘트의 발생위치가 지표면으로 변경되었다.

이로 인해 (-)방향으로 극한하중 재하 시 말뚝의 파괴가 지표면에서 발생하였다.

LTP-6는 횡방향 구속철근이 나선형으로 15cm간격으로 배근되어있는 말뚝으로서 똑같이 횡방향 나선철근이 배근된 LTP-3과 비교분석하여 보았다.

LTP-6의 경우 말뚝의 파괴면 위치는 지표면 하부 50cm 지점이었으며, LTP-3의 경우 지표면에서 파괴가 일어났다.

LTP-3의 경우 양방향으로 모멘트의 분포가 비슷하였으나, LTP-6은 (-)방향으로 하중을 가했을 때 모멘트가 더 크게 발생함을 보였다.

이는 (-)방향으로 하중을 가했을 때 같은 하중 대 변위가 (+)방향의 것보다 큰 값을 보였기 때문이라 판단된다.

Case I과 II를 종합하여 분석하여보면, 시험말뚝의 자유장 길이에 따라 말뚝의 파괴위치와 파괴를 야기시키는 극한 하중이 다름을 보였다.

자유장이 2m인 Case I에 속해있는 시험말뚝의 경우 대부분이 지표면 주위에서 최대 모멘트가 발생하였으며, 파괴면 위치도 그와 비슷하였다. 반면, 자유장이 1m인 Case II에 속해있는 시험말뚝의 경우 대부분이 지표면 하부 70cm(약 1.2D) 지점에서 최대모멘트가 발생하였으며, 파괴면 위치도 그와 비슷하였다.

각 시험말뚝이 시공된 위치에서의 지반공학적 특성이나 시험말뚝의 상태가 완전히 똑같을 수는 없으므로 약간씩 다른 결과를 보였으나 그 차이가 대동소이하 였으며, 예상했던 결과와 비슷한 결과가 도출되었다.

(3) Case III 에 속한 실험말뚝의 휨모멘트

도 26,27에서는 각각 근입깊이가 2m로 동일하지만 자유장을 1m와 2m로 달리하는 말뚝의 휨모멘트를 표기하였다.

STP-1과 2는 자유장이 2m인 시험말뚝으로써 수평하중 재하 시 말뚝의 파괴보다 지반의 파괴가 선행하는 강성말뚝의 거동을 보일것이라고 예상하고 시공하였다.

하지만 지반조사결과 얻은 특성을 반영하여 설계하였음에도 불구하고 실제지반상태의 정확한 특성을 반영하지 못하여 예상치보다 훨씬 높은 강성을 띠게 되었다. 그로 인해 STP-1과 2말뚝 모두에서 말뚝의 파괴가 발생하였다.

STP-1의 경우 최대 휨모멘트가 지표면에서 발생하여 Case I과 비슷한 위치에서 파괴가 발생하였다.

STP-2의 경우 최대 휨모멘트가 지표면 하부 50cm 지점에서 발생하였고, 파괴 또한 비슷한 위치에서 발생하여 역시 Case II와 비슷한 거동특성을 보였다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의한 시험방법에 의하여, 자유장과 근입깊이가 각각 다른 현장타설말뚝에 양방향수평하중을 재하하였을 때 나타나는 말뚝의 부재력과 변위를 측정하였으며, 그 결과를 분석하여 자유장과 근입깊이의 상관관계를 알아내어 지반반력계수에 적용하였다.

그 결과, 본 실시예에서는 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 일방향/양방향으로 하중을 반복 재하하였을때 하중에 대한 방향성은 말뚝의 항복강도, 지반반력계수 등에 대해 영향력이 거의 없었다. 하지만 말뚝의 근입깊이와 자유장의 길이 등 외형적 형태의 변화는 말뚝의 파괴하중, 수평변위, 지반반력계수 등에 대해 큰 영향력을 가졌다.

2. 자유장이 긴 말뚝일수록 파괴가 일어나는 소성힌지의 위치가 지표면 아래에서 지표면 근처로 상승하는 현상을 보였다. 일반적으로 자유장의 길이와는 상관없이 지표면 아래 1D~5D사이에서 극한 모멘트가 발생해, 소성힌지가 발생한다고 알려져 있다. 하지만, 본 실시예에서는 2m의 자유장을 가지는 말뚝의 경우 약 0D~1D에서 소성힌지가 발생하였으며, 1m의 자유장을 가지는 말뚝의 경우 약 1D~2D에서 소성힌지가 발생하여 자유장이 길어질수록 지표면에 가까운 위치에서 파괴가 일어났다.

3. 실험 완료 후 시험말뚝의 주위를 굴착하여 육안으로 관측해본 결과 시험말뚝을 기준으로 양쪽의 지반상태가 상이함을 발견 할 수 있었으며, 이것은 하중의 재하방향에 따라 지반반력계수가 각기 다른 값의 분포를 가지는 것을 반증해 주었다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설 명한 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 1 내지 27은 본 발명의 실시예를 도시한 것으로서,

도 1은 수평재하시험장치의 단면도.

도 2 내지 4는 수평재하시험장치의 사진.

도 5는 지반조사 수행 위치의 평면도.

도 6은 시험말뚝의 배치와 지층의 구성 상태에 관한 단면도.

도 7은 표준관입시험(SPT) 결과의 그래프.

도 8은 시험말뚝의 콘크리트 타설 후의 사진.

도 9는 시험말뚝의 횡단면도.

도 10은 시험말뚝의 종단면도.

도 11은 횡방향 구속철근의 사진.

도 12는 시험말뚝의 종류를 나타낸 단면도.

도 13 내지 18은 수평재하시험방법의 순서를 나타낸 사진.

도 19는 시험말뚝의 배치에 관한 단면도.

도 20 내지 27은 시험말뚝의 깊이별 휨모멘트를 나타낸 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10 : 말뚝 L : 자유장

100 : 하중재하부 110 : 재하장치

120 : 고정부 121,122 : 반력 빔

123 : 받침부 200 : 상단 변위측정부

210 : 와이어 220 : 링 타입 변위계

300 : 하단 변위측정부 310 : LVDT

320 : 연결부

Claims (12)

1. 상부에 자유장(L)이 형성되도록, 하부가 지반에 매립된 말뚝(10)의 수평재하시험장치에 있어서,

   상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 수평방향으로 하중을 재하하는 하중재하부(100);

   상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단의 변위를 측정하는 상단 변위측정부(200);

   상기 말뚝(10)의 자유장(L) 하단의 변위를 측정하는 하단 변위측정부(300);를

   포함하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하중재하부(100)는

   상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 하중을 재하하는 재하장치(110);

   상기 재하장치(110)에 반력을 부여하는 고정부(120);를

   포함하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 고정부(120)는

   상기 재하장치(110)가 위치를 변경하여 설치할 수 있도록, 상기 말뚝(10)의 양측에 설치된 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 재하장치(110)는

   상기 말뚝(10)에 재하되는 수평하중을 측정하는 하중계(load cell)(111)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 고정부(120)는

   상기 말뚝(10)의 양측에 설치된 한 쌍의 반력 빔(121,122);

   상기 재하장치(110)가 설치되도록, 상기 한 쌍의 반력 빔(121,122) 사이에 설치된 받침부(123);를

   포함하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 상단 변위측정부(200)는

   상기 말뚝(10)에 연결된 와이어(210);

   상기 와이어(210)의 변위에 따른 회전량의 변화에 따라, 상기 말뚝(10)의 수평변위를 측정하는 링 타입 변위계(220);를

   포함하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 하단 변위측정부(300)는

   지표면에 설치된 LVDT(310);

   상기 LVDT(310)와 상기 말뚝(10)의 측면을 연결하는 연결부(320);를

   포함하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험장치.
8. 복수의 상기 말뚝(10)을 간격을 두고 설치하는 말뚝설치단계;

   상기 말뚝(10)의 주위에 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 수평재하시험장치를 설치하는 수평재하시험장치 설치단계;

   상기 하중재하부(100)에 의해 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단에 수평방향으로 하중을 재하하는 하중 재하단계;

   상기 상단 변위측정부(200)에 의해 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 상단의 변위를 측정하는 상단변위측정단계;

   상기 하단 변위측정부(300)에 의해 상기 말뚝(10)의 자유장(L) 하단의 변위를 측정하는 하단변위측정단계;를

   포함하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 복수의 말뚝(10)은

   자유장(L) 및 근입깊이가 상이한 여러 종류를 설치하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 하중 재하단계는

    상기 복수의 말뚝(10) 중 일부에 대하여 수평하중을 일방향에서 재하하는 일방향 하중 재하단계;

    상기 복수의 말뚝(10) 중 다른 일부에 대하여 수평하중을 양방향에서 재하하는 양방향 하중 재하단계;를

    포함하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 일방향 하중 재하단계는 주기하중재하법을 적용하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험방법.
12. 제10항에 있어서,

    상기 양방향 하중 재하단계는 교번재하방법을 적용하는 것을 특징으로 하는 자유장을 가지는 말뚝의 수평재하시험방법.

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