KR20100084291A

KR20100084291A - 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법

Info

Publication number: KR20100084291A
Application number: KR1020090003699A
Authority: KR
Inventors: 한용희; 정상섬; 전석원; 박완서
Original assignee: 삼성물산 주식회사; 서울대학교산학협력단; 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-07-26
Also published as: KR101017567B1

Abstract

본 발명은 컴퓨터를 이용하여 현장타설말뚝의 설계 및 시공을 관리하는 방법에 관한 것으로, 지반 보강이 필요한 현장에 지반조사를 위한 시추공 및 시공될 말뚝의 위치 정보를 컴퓨터에 입력하는 시추공 및 말뚝의 위치정보 입력단계;와 상기 위치가 입력된 시추공의 지반정보를 컴퓨터에 입력하는 시추공 지반정보 입력단계;와 상기 위치가 입력된 말뚝의 제원을 컴퓨터에 입력하는 말뚝제원 입력단계;와 상기 시공될 말뚝의 해석에 사용될 지반정보가 입력된 시추공을 컴퓨터 화면에서 선택하는 시추공 선택단계;와 상기 시공될 말뚝의 지지력 계산 방법을 컴퓨터 화면에서 선택하는 지지력 계산방법 선정단계;와 상기 시공될 말뚝에 사용되는 철근 또는 철골 정보를 컴퓨터에 입력하여 말뚝의 부재력을 계산하는 말뚝 부재력 계산단계; 및 상기 입력된 모든 정보를 활용하여 각 말뚝의 지지력 및 부재력에 대한 안정성을 검토하여 컴퓨터 화면에 보여주는 말뚝 안정성 검토단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법을 제공한다.

현장타설말뚝, 설계 프로그램, 시공 프로그램

Description

현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법{Design and construction method of Cast in place piles}

본 발명은 컴퓨터를 이용하여 현장타설말뚝의 설계 및 시공을 관리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 국내외 초고층 구조물의 기초 및 대용량 구조물의 기초로 사용되고 있는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법에 관한 것이다.

상부 구조물의 중량이 대형화 되면서 국내외적으로 현장타설말뚝의 사용이 증가되고 있는 실정이며 국내의 현장타설말뚝 설계시 설계자가 직접 수작업에 의한 계산으로 하는 경우가 많아 말뚝 개수가 많을 경우에는 각 말뚝에 대한 설계 시간이 많이 소요되고 표준화된 설계법이 정해져 있지 않아서 일정한 설계품질을 유지할 수 없는 문제가 있어 왔다. 또한, 현장타설말뚝의 지지력 산정에 사용되는 지반정수의 산정이 설계자의 주관에 의존하는 경우가 많아 설계가 합리적이지 못했고, 현재는 설계와 시공 관리가 분리되어 있어 말뚝의 품질 관리가 합리적으로 이뤄지지 못하고 있었다. 이에 지반정수를 합리적으로 적용하며 개별 말뚝 설계를 동시에 수행하고 사용자 중심으로 편리하게 설계가 가능한 최적화된 설계 방법이 필요한 상황이었다.

본 발명을 사용함으로 해서 신속하고 정확한 현장타설말뚝의 설계 관리를 가능하게 하고, 합리적인 설계 지반정수 획득으로 인한 최적화된 설계를 실현하며 설계된 시공 물량을 자동으로 산출할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다. 또한, 턴키 설계 및 설계 변경시 적극적으로 활용 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 기존에 컴퓨터를 활용한 말뚝의 설계방식이 한 개의 말뚝에 대해서만 계산이 가능한 점을 보완하여 현장에서 시공될 현장타설말뚝 전체에 대한 검토를 가능하게 하며, 현장타설말뚝의 지반조사 위치 정보를 담은 CAD파일을 직접 불러들여 설계 대상의 정확한 위치를 컴퓨터가 인식하여 설계에 적용함으로서 설게자가 임의로 판단하여 설계하는 현 방식에 대한 오류율을 없앴다. 또한, 직접 현장타설말뚝의 위치와 지반조사 위치를 표시하여 설계를 할 수 있는 기능을 포함하였으며, 설계자의 편의를 위해 절대좌표/상대좌표 등을 이용하여 입력하는 방식으로 구성하였다. 마지막으로, 본 발명은 일반적인 설계 방식 이외의 지반조건에서 말뚝 하중 재하 시험을 수행한 결과를 얻을 수 있도록 구성되어 편리하다.

본 발명은 컴퓨터를 이용하여 현장타설말뚝의 설계 및 시공을 관리하는 방법에 관한 것으로,

지반 보강이 필요한 현장에 지반조사를 위한 시추공 및 시공될 말뚝의 위치 정보를 컴퓨터에 입력하는 시추공 및 말뚝의 위치정보 입력단계;와 상기 위치가 입력된 시추공의 지반정보를 컴퓨터에 입력하는 시추공 지반정보 입력단계;와 상기 위치가 입력된 말뚝의 제원을 컴퓨터에 입력하는 말뚝제원 입력단계;와 상기 시공될 말뚝의 해석에 사용될 지반정보가 입력된 시추공을 컴퓨터 화면에서 선택하는 시추공 선택단계;와 상기 시공될 말뚝의 지지력 계산 방법을 컴퓨터 화면에서 선택 하는 지지력 계산방법 선정단계;와 상기 시공될 말뚝에 사용되는 철근 또는 철골 정보를 컴퓨터에 입력하여 말뚝의 부재력을 계산하는 말뚝 부재력 계산단계; 및 상기 입력된 모든 정보를 활용하여 각 말뚝의 지지력 및 부재력에 대한 안정성을 검토하여 컴퓨터 화면에 보여주는 말뚝 안정성 검토단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 시추공 및 말뚝의 위치정보 입력단계에서 입력되는 정보는 CAD파일을 불러오는 방법 또는 컴퓨터에 직접입력되는 방법에 의하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 시추공 선택단계에서 시추공을 선택하는 방법은 시공될 말뚝에서 가장 가까운 시추공을 선택하는 것, 시공될 말뚝에서 가장 가까운 시추공 2개를 선택하여 평균한 값을 사용하는 것 또는 현장에서 시추된 시추공 중 가장 약한 물성치를 가진 것을 선택하는 것 중 어느 하나의 방법에 의하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 지지력 계산방법 선정단계에서 선정하는 지지력 계산방법은 구조물 기초설계 기준, 도로교 설계 기준, 철도 설계 기준, FHWA, AASHTO, Canadian Foundation Engineering 또는 삼성 연세대 기준 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 지지력 계산방법 선정단계에서, 선정하는 지지력 계산방법은 삼성 연세대 기준으로 하며, 삼성 연세대 기준을 적용하기 위해 추가 물성치를 컴퓨터에 입력해주는 추가 물성치 입력단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 말뚝 안정성 검토단계에서 사용되는 말뚝의 안정성 검토 방법은 상기 입력된 정보로 각 말뚝의 선단지지력과 주변마찰력을 산정하여 합산한 값이 각 말뚝에 작용하는 연직력보다 큰 경우에는 안정으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 말뚝 안정성 검토단계에서 부마찰력이 작용하는 경우에 사용되는 말뚝의 안정성 검토 방법은 상기 입력된 정보로 각 말뚝의 선단지지력과 주변마찰력을 산정하여 합산한 값이 각 말뚝에 작용하는 연직력과 부마찰력을 합산한 값보다 큰 경우에는 안정으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 말뚝 안정성 검토단계 다음에, 현장타설말뚝의 시공을 완료하고 시공된 말뚝 및 시공지층정보를 컴퓨터에 입력하여 상기 시공 전에 입력된 말뚝 및 지층 정보와 비교하여 컴퓨터 화면에 보여주는 실제시공 비교단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 실제시공 비교단계는,

시공 전후에 대한 말뚝 및 지층 정보 비교 보고서가 생성되어 컴퓨터 화면에 보여주는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 상기 말뚝 안정성 검토단계 다음에 두부침하량 또는 축하중 분포를 나타내는 그래프를 그려주는 실험결과 도시단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명이 시행되는 순서를 나타내는 순서도를 나타내는 것이다. 도 1에서 보듯이 본 발명은 시추공 및 말뚝의 위치 정보 입력단계, 시추공 지반정보 입력단계, 말뚝제원 입력단계, 시추공 선택단계, 지지력 계산방법 선정단계, 말뚝 부재력 계산단계 및 말뚝 안정성 검토단계로 이루어지며, 추가적으로 실제시공 비교단계를 구비할 수 있다. 또한, 실제시공 비교단계는 시공 전과 후를 비교하여 비교 보고서를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 추가적으로 시험결과 도시단계를 구비할 수 있다.

이하, 각 단계별로 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명이 컴퓨터에서 실행되는 초기 화면을 나타내는 것이다.

시추공 및 말뚝의 위치정보 입력단계는 현장타설말뚝을 타설하기 위해 지정 현장에서 지반정보를 알아낼 시추공의 위치를 컴퓨터에 입력하며, 각 말뚝의 타설 위치를 선정하여 컴퓨터 화면상에 입력해주는 단계이다. 도 3은 시추공 및 말뚝의 위치정보를 입력하는 방법을 선택하는 화면으로 CAD파일을 불러오거나, 직접입력하는 방법을 선택할 수 있다. 도 4의 (a)는 CAD파일을 불러오는 모습을 화면에 보여주는 것으로 CAD파일을 불러 들일 경우 설계에 필요한 요소인 말뚝의 위치, 지반조사 위치, 현장 외곽선 등이 자동으로 읽혀지게 된다. CAD 파일에서 불러진 여러 요 소들을 설계에 사용할 수 있도록 자동적으로 여러 요소들을 생성하게 되는 것이다. 도 4의 (b)는 직접 컴퓨터 화면을 보면서 컴퓨터에 현장 외곽선, 시추공의 위치, 말뚝의 위치 등을 직접 입력해주는 모습이다. 직접 입력하는 방식에는 절대적 기준을 두고 위치를 입력해주는 절대좌표 방식과 첫 번째 점 또는 이전 점을 기준으로 상대적으로 위치를 입력해주는 상대좌표 방식에서 선택이 가능하다. 시추공은 사용자의 선택에 따라 하나 또는 그 이상을 입력할 수 있으며, 말뚝도 선택에 따라 하나 또는 그 이상을 입력할 수 있다.

시추공 지반정보 입력단계는 상기 위치가 입력된 시추공의 지반정보를 컴퓨터에 입력해주는 단계이다. 시추공은 지반정보를 제공하여 말뚝의 안정성을 계산하기 위한 것이며, 실제 현장에서 지반 보링에 의해 시추된 시추공을 바탕으로 지반정보를 추출한 것을 말뚝의 안정성 계산을 위해 각 시추공마다 그 지반정보를 컴퓨터에 입력해주는 것이다. 입력되는 지반 정보는 지하 깊이별 지층정보로 지층의 종류, 각 지층 두께, 각 지층 종류별 내부마찰각, 일축압축강도, 탄성계수, RQD 등이다(도 5 참조). 각 시추공에는 번호를 부여하여 각 시추공별로 지반정보를 입력하기 편리하게 되어 있다. 또한 지반정보를 입력하는 시추공은 도면상에서 색깔로 표시되어 입력자로 하여금 편의를 도모하였다. 이러한 지반정보는 이하에서 말뚝의 안정성을 검토하는 과정에서 선단지지력, 주변마찰력 등을 산정하는 경우에 사용되게 된다.

말뚝제원 입력단계는 상기 위치가 입력된 각 말뚝의 제원을 컴퓨터에 입력해주는 단계이다. 지하에 근입될 각 말뚝의 정보를 입력해 주는 단계인 것이다. 각 말뚝에는 번호를 부여하여 입력자의 편의를 도모하며, 입력되는 정보에는 말뚝직경, 말뚝 유효직경, 말뚝길이, 말뚝에 작용하는 연직력, casing길이, 굴착깊이, 매입깊이, 콘크리트 타설량(Con'c), 콘크리트 타설량에 적용되는 계수 등을 입력하게 된다. 그 결과 콘크리트 타설량과 적용계수를 곱하여 계산된 적용 콘크리트(적용 Con'c)가 자동으로 산정되며 입력된 정보는 컴퓨터가 인식하게 된다(도 6 참조).

시추공 선택단계는 각 말뚝의 안정성 평가에 적용될 지반정보를 사용할 시추공을 선택하는 단계이다. 현장에서 지반정보를 추출할 시추공은 보통 다수 개를 뚫게 되므로 각 말뚝에 어느 시추공을 적용해야 할 것인지도 선택해야 한다. 하나는 각 말뚝에 가장 가까운 시추공을 선택하는 방법이고, 둘은 가까운 시추공 2개를 선택하여 각 지반정보를 평균한 값을 사용하는 방법이며, 셋은 시추공 중 가장 약한 물성치를 갖는 것을 선택하여 안정성을 최대로 하는 방법이다(도 7 참조). 각 말뚝에 가장 가까운 시추공을 선택하면 지반의 갑작스런 변화에 대처가 어려우며, 이의 단점을 보완한 것이 말뚝에 가까운 시추공 2개를 선택하여 평균값을 사용하는 방법이다. 안정성을 최대로 하고자 하는 경우에는 시추공 중 가장 약한 물성치를 갖는 것을 선택하면 된다.

지지력 계산방법 선정단계는 공지된 지지력 계산방법 중에서 사용자의 선택 에 따라 하나 또는 그 이상을 선택하는 단계이다(도 8 참조). 지지력 계산방법에는 공지된 것으로서, 국내 설계 기준으로 구조물 기초설계 기준, 도로교 설계 기준, 철도 설계 기준이 있고, 국외 설계 기준으로 FHWA, AASHTO, Canadian Foundation Engineering 방법이 있으며, 본 출원인이 실험에 의해 새로 고안한 삼성 연세대 기준이 있다. 상기 기준들은 미리 컴퓨터에 데이터베이스화하여 저장되어 있으며 이하 공지된 각 기준은 아래의 그림1. 내지 그림4.와 같다. 또한, 삼성 연세대 기준은 별도로 설명한다.

그림1. 구조물 기초설계기준 및 도로교 설계기준

그림2. 철도설계기준

그림3. FHWA 및 AASHTO

그림4. Canadian Foundation Engineering

삼성 연세대 기준은 공지의 지지력 계산방법은 아니며, 삼성 연세대가 새롭게 연구하고 실험하여 새롭게 만들어낸 지지력 계산식에 해당한다. 기존 연구 및 본 연구결과 분석결과, 암반근입 현자타설말뚝 q_max의 영향 인자는 암의 강도, 불연속면의 간격, 불연속면의 기울기, 구속응력, 암 종류로 요약할 수 있으며, 본 연구에서는 현 재하시험 데이터베이스의 지반조사 결과 및 실무 적용성을 고려하여 암의 강도, 불연속면 간격을 주요 영향 인자로 선정하고 다음과 같이 q_max 산정식을 제안한다.

q_max=k(q_u/P_a)^λ(S_j/D)^μ·P_a

(q_u: 선단부 암의 일축압축강도, S_j: 불연속면 간격, D: 말뚝직경, P_a: 대기압, k: 12.5, λ:0.8, μ:0.5)

k,λ,μ는 강도정수로 국내 재하시험자료를 토대로 상기 기재된 최적 값으로 제안되며, 불연속면 간격(S_j)는 불면속면의 빈도수의 역수(=1/λ_j)로 가정할 수 있으므로, Priest와 Hudson(1976)가 제안한 RQD와 불연속면 빈도(discontinuity frequency, λ_j)와의 관계로부터 구할 수 있다. Priest와 Hudson(1976)은 아래 그림5.와 같이 영국 Lower Chalk, Chinor 등지에서 측정한 현장데이터를 토대로 다음과 같은 식을 제안하였다.

그림5. RQD와 불연속면 평균 빈도수와의 관계(after Priest와 Hudson,1976)

말뚝 부재력 계산단계는 현장타설말뚝에 사용되는 철근 또는 철골을 감안하여 말뚝의 부재력을 계산하는 단계이다(도 9의 (a),(b)참조). 현장타설말뚝에는 콘크리트가 타설되는 것이 일반적이며 콘크리트의 단점을 보완하기 위해 그 내부에 철근 또는 철골이 삽입되게 된다. 본 발명은 이를 감안하여 2가지 옵션으로 분류해 놓은 것이다.

먼저, 철근이 삽입되는 경우에는 수직철근의 종류, 개수, 항복강도를 입력하고, 띠철근의 종류, 간격, 계수를 입력하게 된다. 이를 활용하여 부재력(P_n)을 산정하여 상기 말뚝제원 입력단계에서 입력된 연직력(=축하중, P)과 비교하여 수직하중의 안정성 여부를 검토하고, 필요철근단면적과 적용철근단면적을 비교하여 띠철근의 안정성을 검토한다.

- 철근의 수직하중 검토( P _n >P 이면, OK )

σ_ck' = reduction factor × σ_ck (수중 콘크리트의 설계기준강도)

σ_ca = 0.40 × σ_ck'

σ_sa = 0.5 × σ_y ≤ 1,600 kg/cm² (수중 및 지하수위 이하에 설치되는 부재)

(σ_ck' : 수중 콘크리트 강도 (kg/cm²), σ_ck : 사용 콘크리트 강도 (kg/cm²) , σ_ca : 허용 압축 응력 (kg/cm²), σ_sa : 철근의 허용 응력 (kg/cm²), σ_y :철근의 항복강도 )

P_n (부재력)= 0.85[σ_ca ×(A_g - A_st) +σ_sa ×A_st ]

(A_g : 파일의 총단면적 (cm²), A_st : 철근의 총단면적 (cm²), σ_ca : 허용 압축 응력 (kg/cm²), σ_sa : 철근의 허용 응력 (kg/cm²))

- 띠철근 검토( A _s > A _s' 이면, OK )

A_S' = 0.001 × D × a

(A_s' : 띠철근의 필요철근단면적(㎠), D : 말뚝의 지름 (cm), a : 띠철근의 간격 (cm))

As: 띠철근의 적용철근 단면적(㎠)이며, 철근 자료를 입력하게 되면 철근의 지름과 원의 넓이 구하는 공식에 의해 자동으로 산정된다. [화면에 나타난 철근 종류의 [ 〉]을 누르게 되면 원하는 철근에 대한 단면적이 나와있다.]

다음으로, 철골이 삽입되는 경우에는 수직철골, 근입깊이, 철골길이, 항복강도 등을 입력하며, 이에 의해 산정된 철골 합성부의 부재력(P_n)을 산정하여 상기 말뚝제원 입력단계에서 입력된 연직력(=축하중, P)과 비교하여 수직하중의 안정성 여부를 검토하고, 무근부의 부재력(P_n)을 산정하여 상기 말뚝제원 입력단계에서 입력된 연직력(=축하중, P)과 비교하여 수직하중의 안정성 여부를 추가적으로 검토한다.

-철골 합성부 검토시( P _n >P 이면, OK )

P_n (부재력)= 0.4×0.85[σ_ca ×(A_g - A_st) +σ_sa ×A_st ]

(A_g : 파일의 총단면적 (cm²), A_st : 철골의 총단면적 (cm²), σ_ca : 콘크리트의 허용 압축 응력 (kg/cm²), σ_sa : 철골의 허용 응력 (kg/cm²))

-무근부 검토시( P _n >P 이면, OK )

P_n (부재력)= 0.4×0.85[σ_ca ×A_g ]

( A_g : 파일의 총단면적 (cm²), σ_ca : 콘크리트의 허용 압축 응력 (kg/cm²) )

말뚝 안정성 검토단계는 상기 지지력 계산방법 선정단계에서 선정된 계산방법에 따라서 말뚝의 선단지지력, 주변마찰력, 부마찰력 등을 계산하여 허용지지력과 비교하여 말뚝의 안정성 여부를 판단하여 컴퓨터 화면에 보여주는 단계이다(도 10 참조).

판단방법은 부마찰력이 없는 경우에는 각 말뚝의 안정성 검토 방법은 상기 입력된 정보로 각 말뚝의 선단지지력과 주변마찰력을 산정하여 합산한 값이 각 말뚝에 작용하는 연직력보다 큰 경우에는 안정으로 판단하고, 부마찰력이 있는 경우에는 각 말뚝의 선단지지력과 주변마찰력을 산정하여 합산한 값이 각 말뚝에 작용하는 연직력과 부마찰력을 합산한 값보다 큰 경우에는 안정으로 판단한다.

또한, 본 단계에서는 말뚝의 안정성 검토 결과가 보고서 형태로 컴퓨터 화면상에 보일 수 있도록 하여 별도의 보고서 작성을 하는 수고를 덜어줄 수 있다. 또한, 지지력 계산 방법을 복수 개 선택하는 경우에는 복수 개의 지지력 계산 방법에 따라 복수 개의 지지력이 산정되는 것을 보고서에 표시하는 것이 가능하다.

실제시공 비교단계는 말뚝의 시공 후 시공 지층 정보를 컴퓨터에 입력하게 되면 시공 전에 입력된 말뚝 및 지층 정보와 비교하여 컴퓨터 화면상에 보여주는 단계이다(도 12 참조). 본 단계는 본 발명이 현장타설말뚝의 설계 뿐 아니라 시공관리도 가능함을 보여주는 것으로, 시공이 완료된 후에 설계된 말뚝과 비교를 가능하게 한다. 또한, 본 단계는 시공 전후에 대한 말뚝 및 지층 정보 비교 보고서가 생성되어 컴퓨터 화면에 보여주는 것을 포함할 수 있다(도 13 참조). 이는 최종적으로 시공을 완료하고 시공 전에 입력한 말뚝 및 지반정보와 시공을 완료하고 입력한 말뚝 및 지반정보를 비교 정리하여 보고서로 완성하여 컴퓨터 화면상에 보여주는 것이다.

실험결과 도시단계는 본 발명만이 구비하는 특별한 기능으로 본 단계에서는 실제 현장에서 실험을 한 효과를 얻을 수 있도록 하는 단계이다. 즉, 실제 현장에서 실험을 하기 위해서는 다양한 장비와 인력 등이 동원될 뿐 아니라 시간이 소요되기 때문이 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 실험결과 도시단계를 추가하여 지반 및 말뚝의 물성치를 입력하여 실험을 한 것과 동일한 결과를 보여줄 수 있다. 다만, 본 단계는 지지력 산정기준으로 삼성 연세대 기준을 사용하는 경우에만 활용이 가능하다. 본 단계를 활용하기 위해서는 도 14에 도시된 화면상에 각 말뚝에 습윤단위중량(γ_t), 포화단위중량(γ_sat), 암반의 탄성계수(E_mass, 또는 E), 암석의 탄성계수(E_intact), 암석의 일축압축강도(q_u), 포아송비(v), 거칠기 요소높이(Seg.Height), 거칠기 요소길이(Seg.length), GSI, 무결암의 재료상수(m_i) 및 RQD를 입력해야 한다. 이러한 요소들의 입력에 의해 이하 설명할 식에 의해 두부침 하량 또는 축하중 분포를 나타내는 그래프가 그려지게 된다(도 15의 (a),(b)참조). 이하, 식을 설명한다.

- 주면마찰 전이함수식

아래의 그림6.은 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면 하중전이 특성을 보여주는 그래프이고, 다음 식은 이 그래프를 식으로 표현한 것이다.

여기서, σ_ci=암석의 일축압축강도, σ_normal=말뚝-암반 경계면에서의 수직응력, σ_tm=암반의 인장강도=-sσ_ci/m_b, σ_ini =초기수직응력, B=GSI의해 결정되는 강도정수, i=굴착면 거칠기 각도, s, m_b = 암반의 Hoek-Brown 재료상수, w=말뚝-암반 경계면에서의 변위량, w_st = 탄성거동이 발현하는 최대 변위량, w_max = 최대주면마찰력이 발현하는 변위량, K_N= 암반의 수직강성을 의미한다. 본 발명에서 RG 모델의 각 변수들은 기 입력된 물성값과 GSI(Geological Strength Index), 무결암의 재료상 수(m_i), 거칠기 요소길이(Segment length) 및 요소높이(Segment height)에 의해 결정된다. GSI는 암반의 절리 및 풍화의 발달함에 따라 지반의 강도 저감을 나타내는 정성적인 값으로 그림7.에 나타나 있으며, 아래와 같이 암반분류법 RMR₈₉(rock mass rating; Bieniawski, 1989)값 또는 Q-value와의 상관식으로부터 구할 수도 있다. 단 RMR₈₉ 값을 적용하는 경우에는 지하수 평가치와 절리방향에 대한 평가치를 각각 15와 0으로 가정한다.

GSI=RMR₈₉ - 5 (RMR₈₉ >23)

GSI=9 log_eQ + 44 (RMR₈₉ <23)

암반의 재료상수(m_b)는 무결암의 재료상수(m_i)와 GSI으로부터 결정된다. 여기서 m_i는 암석 삼축압축시험을 통해 산정 가능하며, 혹은 표 1에 나타난 바와 같이 기존의 연구결과를 이용 가능하다. 거칠기 요소길이(Segment length, ≒2l_a) 및 요소높이(Segment height, Δr)는 굴착면 거칠기 측정결과를 바탕으로 아래와 같이 Monash 방법(Seidel과 Harberfield, 1995)을 통해 정량화할 수 있다.

단, 여건상 굴착면 거칠기 측정이 어려울 경우 암종의 구분없이 요소길이 50mm(l_a≒25mm)를 권장하며, RCD 굴착공법, 올케이싱 굴착공법에 따라 각각 요소높 이 4mm, 2mm를 권장한다.

그림6. 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면 하중전이 특성

그림7. GSI(Geological Strength Index)

표1. 암의 종류에 따른 암석의 m_i(Marinos and Hoek, 2001)

본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 첨부된 도면과 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다. 따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.

도 1은 본 발명이 시행되는 순서를 나타내는 순서도.

도 2는 본 발명이 컴퓨터에서 실행되는 초기 화면.

도 3은 시추공 및 말뚝의 위치정보입력 방법 선택 화면.

도 4는 시추공 및 말뚝의 위치정보입력 방법으로 (a)는 CAD 파일을 직접 불러오는 방법, (b)는 컴퓨터 화면상에 직접 입력하는 방법.

도 5는 시추공의 지반 정보를 입력하는 화면.

도 6은 말뚝의 제원을 입력하는 화면.

도 7은 말뚝의 안정성 검토에 이용될 시추공을 선택하는 화면.

도 8은 지지력 계산 방법을 선정하는 화면.

도 9는 말뚝의 부재력을 계산하는 화면으로, (a)는 부재의 종류로 철근을, (b)는 부재의 종류로 철골을 선택한 화면.

도 10은 말뚝의 안정성을 검토한 결과를 보여주는 화면.

도 11은 말뚝의 안정성을 검토하는데 사용된 지지력 계산방법별로 안정성을 검토하는 모습을 보여주는 화면.

도 12는 실제 시공 전후에 입력된 말뚝 및 지반 정보를 비교해서 보여주는 화면.

도 13은 실제 시공 전후에 입력된 말뚝 및 지반 정보에 관해서 비교 보고서가 생성된 모습을 보여주는 화면.

도 14는 지지력 계산 방법으로 삼성 연세대 기준을 선택하여 추가 물성치를 입력하는 화면.

도 15는 삼성 연세대 기준을 선택하여 실제 현장에서 실험을 한 효과를 얻은 것을 보여주는 화면으로, (a)말뚝의 두부 침하량 실험, (b)말뚝의 축하중 분포 실험 결과를 보여주는 화면.

Claims

컴퓨터를 이용하여 현장타설말뚝의 설계 및 시공을 관리하는 방법에 관한 것으로,

지반 보강이 필요한 현장에 지반조사를 위한 시추공 및 시공될 말뚝의 위치 정보를 컴퓨터에 입력하는 시추공 및 말뚝의 위치정보 입력단계;

상기 위치가 입력된 시추공의 지반정보를 컴퓨터에 입력하는 시추공 지반정보 입력단계;

상기 위치가 입력된 말뚝의 제원을 컴퓨터에 입력하는 말뚝제원 입력단계;

상기 시공될 말뚝의 해석에 사용될 지반정보가 입력된 시추공을 컴퓨터 화면에서 선택하는 시추공 선택단계;

상기 시공될 말뚝의 지지력 계산 방법을 컴퓨터 화면에서 선택하는 지지력 계산방법 선정단계;

상기 시공될 말뚝에 사용되는 철근 또는 철골 정보를 컴퓨터에 입력하여 말뚝의 부재력을 계산하는 말뚝 부재력 계산단계; 및

상기 입력된 모든 정보를 활용하여 각 말뚝의 지지력 및 부재력에 대한 안정성을 검토하여 컴퓨터 화면에 보여주는 말뚝 안정성 검토단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서,

상기 시추공 및 말뚝의 위치정보 입력단계에서 입력되는 정보는 CAD파일을 불러오는 방법에 의하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서,

상기 시추공 및 말뚝의 위치정보 입력단계에서 입력되는 시추공 및 말뚝 정보는 컴퓨터에 직접 입력되는 방법에 의하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서,

상기 시추공 선택단계에서 시추공을 선택하는 방법은 시공될 말뚝에서 가장 가까운 시추공을 선택하는 것에 의하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서,

상기 시추공 선택단계에서 시추공을 선택하는 방법은 시공될 말뚝에서 가장 가까운 시추공 2개를 선택하여 평균한 값을 사용하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서,

상기 시추공 선택단계에서 시추공을 선택하는 방법은 현장에서 시추된 시추공 중 가장 약한 물성치를 가진 것을 선택하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서,

상기 지지력 계산방법 선정단계에서 선정하는 지지력 계산방법은 구조물 기초설계 기준, 도로교 설계 기준, 철도 설계 기준, FHWA, AASHTO, Canadian Foundation Engineering 또는 삼성 연세대 기준 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서, 상기 지지력 계산방법 선정단계에서,

선정하는 지지력 계산방법은 삼성 연세대 기준으로 하며,

삼성 연세대 기준을 적용하기 위해 추가 물성치를 컴퓨터에 입력해주는 추가 물성치 입력단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서,

상기 말뚝 안정성 검토단계에서 사용되는 말뚝의 안정성 검토 방법은 상기 입력된 정보로 각 말뚝의 선단지지력과 주변마찰력을 산정하여 합산한 값이 각 말뚝에 작용하는 연직력보다 큰 경우에는 안정으로 판단하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항에서,

상기 말뚝 안정성 검토단계에서 부마찰력이 작용하는 경우에 사용되는 말뚝의 안정성 검토 방법은 상기 입력된 정보로 각 말뚝의 선단지지력과 주변마찰력을 산정하여 합산한 값이 각 말뚝에 작용하는 연직력과 부마찰력을 합산한 값보다 큰 경우에는 안정으로 판단하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에서,

상기 말뚝 안정성 검토단계 다음에, 현장타설말뚝의 시공을 완료하고 시공된 말뚝 및 시공지층정보를 컴퓨터에 입력하여 상기 시공 전에 입력된 말뚝 및 지층 정보와 비교하여 컴퓨터 화면에 보여주는 실제시공 비교단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제11항에서, 상기 실제시공 비교단계는,

시공 전후에 대한 말뚝 및 지층 정보 비교 보고서가 생성되어 컴퓨터 화면에 보여주는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.
제8항에서,

상기 말뚝 안정성 검토단계 다음에 두부침하량 또는 축하중 분포를 나타내는 그래프를 그려주는 실험결과 도시단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 현장타설말뚝의 설계 및 시공관리 방법.