Characteristics of Uplift Capacity of a Embedded Foundation and Soil Type

매입기초와 토질에 따른 인발저항력 특성

Characteristics of Uplift Capacity of a Embedded Foundation and Soil Type

임성윤

⋅김유용

⋅유석철

⋅김명환

Lim, SeongYoon⋅Kim, YuYoung⋅Yu, SeokChul⋅Kim, MyeongHwan

Ⅰ. 서 론

우리나라의 2017년도 시설원예 면적은 약 53,428ha이며 1990년대 후반까지 급격히 증가추세를 보였다. 그 중 연동 및 단동 플라스틱필름 온실은 연동 6,365ha 및 44,528ha로서, 아 연도 강관을 주 서까래로 이용하는 단동형 파이프 온실이 시 설면적의 84.9%로 대부분을 차지하고 있다 (MAFRA, 2018).

단동형 파이프 온실의 경우에는 유지관리 및 기상재해로 인 해 최근까지도 국가, 지자체 및 농업인의 경제적 손실이 속출 하였다. 단동온실의 경우에는 경량구조물로서 구조적으로 태 풍과 같은 기상재해에 매우 취약한 모습을 보인다. 구조적 취 약점을 보완하기 위한 장치로는 지표면에서 30∼40㎝ 깊이의 서까래파이프 부분을 땅속으로 매입하여 시공하는 방법이 가 장 일반적이지만 기상재해가 발생하는 경우 지반과 고정은 매우 취약한 것으로 나타나고 있다.

이러한 이유로 온실기초의 보강을 통한 취약점을 보완하기 위해 스파이럴을 사용한 사례가 있으나, Tanaka et al.(2005)는 파이프하우스 건설에 사용되는 기초는 굴착 후 중량이 무거 운 기초를 운반하여 세우거나 현장에서 직접 콘크리트 타설 하여 기초를 제작한 후 흙으로 되메우기를 하기 때문에 많은 노력이 필요하다고 하였다. 따라서 작업의 효율화 및 경량화 를 위해서 직접 굴착 하지 않고 시공할 수 있는 스파이럴의 올바른 시공 방법에 대한 연구를 수행하였다.

국내의 경우, Yoon 등 (2003) 연구자들이 현장실험 및 모형 실험(Lee and Lee 1999; Kim and Yoo, 2013; Lee 등, 2014;

Choi 등, 2015)을 통해 스크류 앵커, 파이프매립 기초, 주름 및 민말뚝 기초에 대해서 실험적으로 인발저항력을 검토한 연구결과들이 있다. 또한 Cho and Kwon (1997)는 단일 나선 형 앵커의 인발저항 시험을 통해 매입깊이에 따른 인발 저항 력 산정식을 제안하기도 하였다.

그러나 스파이럴기초 이외의 기초적인 연구는 아직 미미한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 토질의 종류에 따른 스파이 럴기초와 팽이기초 및 줄기초를 이용해 인발저항력을 검토하 여 적절한 매입깊이 등을 비교 평가해 보고자 한다.

Ⅱ. 실험방법

1. 시료

모형토조의 지반조성을 위해 사용된 시료는 경남 산청, 경 북 성주, 전북 완주, 충북 청주, 전북 계화, 전북 전주의 단동온

ABSTRACT

In this study, we evaluated the applicability of proper embedded depth of fillings by examining the uplift resistance using spiral foundation and top base foundation. As a result of the model test, the maximum uplift resistance increased with the embedded depth. The maximum uplift resistance of each region was found to be 50cm depth. The spiral foundation was 335.14N of Sancheong, 312.32N of Seongju, 403.94N of Wanju, and the top base foundation was 745.06N of Sancheong, 1028.82N of Seongju and 950.76N of Wanju. The yield point after the elastic section in the stress-displacement graph of the top base foundation was calculated as the maximum uplift resistance. For this reason, farmers do not actually use top bases foundation.

Therefore, it was considered that the additional load increase due to slip connector will not occur. Model test results show that the maximum uplift resistance increases with the purlinss installed under the ground. Therefore, additional comparative studies through purlins installation will be needed.

Keywords: Uplift capacity; soil box; spiral foundation; top base foundation

a

Agricultural Researcher, Rural Development Administration, National Institute of Agricultural Sciences.

b

Agricultural Researcher, Rural Development Administration, National Institute of Agricultural Sciences.

c

Agricultural Researcher, Rural Development Administration, National Institute of Agricultural Sciences.

d

Project Manager, Geo Mechanics Technology Group.

†

Tel.: +81-43-261-2572 Fax: +81-43-271-5922 E-mail: [email protected]

Received: March 13, 2019

Revised: March 28, 2019

Accepted: April 9, 2019

실에서 채취하였다. 각 시료채취 지역은 이하 산청 A, 성주 B, 완주 C, 청주 D, 계화 E, 전주 F로 편의상 구분하여 기술하

였다. Table 1과 Table 2는 지역별 시료의 물리적, 역학적 특성 을 분석한 결과이며, Fig 2는 흙의 입도 시험방법(KS F 2302) 을 통해 얻은 입도분포 곡선을 나타낸 것이다.

물리적 특성 실험 결과 지역별 시료의 비중은 2.61∼2.69의 범위에 있으며, A, D는 #200 통과율이 50% 이하로 실트질 모래인 것으로 나타났으며, B, C, E는 #200 통과율이 50% 이 상의 실트질이며, F는 #200 통과율이 50% 이하인 실트질 점 토인 것으로 나타났다. 통일분류상 A, D는 SM, B, C, E는 ML, F의 경우에는 SC로 분류되었다.

Fig. 1은 시료 채취위치를 나타낸 것이며, Table 2는 지역별 시료의 역학시험결과를 나타낸 것이다.

Table 2의 삼축압축시험 결과에서 나타난 점착력은 1.54∼

36.05kPa의 범위를 보이고 있으며, 내부마찰각의 경우 29.2∼

36.4°의 범위를 보이는 것으로 나타났다. 실내다짐실험과 현 장들밀도 실험결과로 파악한 온실내부의 다짐도는 52.1∼

76.0%의 범위를 보이는 것으로 나타났다.

2. 스파이럴기초와 팽이기초 및 줄기초의 제원





No. ′

(kPa)

′

(°)



(kN/㎥)

O.M.C (%)

A 1.54 35.1 17.32 14.1

B 9.0 30.9 17.13 16.6

C 1.84 34.6 15.86 17.2

D 7.53 31.9 19.17 11.4

E 36.05 36.4 15.84 18.4

F 5.68 29.2 17.10 16.6

Table 2 Mechanical properties of soil

No. w

(%) Gs LL

(％)

PI (％)

Grain size distribution (％)

#4 #10 #40 #200 USCS

A 17.9 2.64 N.P N.P 100 95.2 79.7 48.7 SM

B 21.5 2.69 34.0 10.2 98.4 94.5 79.4 56.8 ML

C 21.8 2.62 N.P N.P 98.7 94.3 82.6 66.6 ML

D 9.4 2.62 N.P N.P 83.4 77.2 49.4 35.5 SM

E 23.3 2.61 N.P N.P 100 99.8 99.0 65.1 ML

F 13.0 2.69 38.7 14.9 94.6 91.3 68.8 39.5 SC

Table 1 Physical properties of soil

Fig. 2 Grain size distribution curve of sampling soils

Fig. 1 Sampling location

& RDA, 2014)에서 제시한 내재규격으로 서까래는





스파이럴기초는 Fig. 3의 (a)와 같이 강판을 나선형으로 비 틀어서 제작하였으며 매입깊이에 따른 변화를 관찰하기 위해 나선부분을 각각 30㎝, 40㎝, 50㎝의 길이로 하였다. 팽이기초 는 (b)와 같이 서까래 하단으로부터 10㎝ 상부에 가로대를 내 재규격에 있는 선판조리개를 체결시킨 후에 팽이를 서까래 선단부에 결합시켜 사용하였다. 줄기초는 (c)와 같으며, 팽이 기초와 동일한 위치에 가로대를 강선조리개를 이용하여 결합 시켜 사용하였다. (b)와 (c) 기초에 사용한 가로대는 30㎝로 길이로 사용하였다.

팽이기초는



3. 실험 장치 및 방법

모형실험에 사용한 토조는 1000(B)

×

×

로 제작되었으며, 한쪽은 아크릴로 제작하여, 다짐도를 눈으 로 확인할 수 있게 하였다. 인발저항력 측정을 위한 지반의 모델링 조건은 각 지역별 다짐도(%)를 측정한 결과 68.1, 55.1, 52.1, 70.7, 76.0로 측정되었으며, 본 연구에 한해서만 인발저 항력을 측정하기 위해 모형토조에 시료를 20㎝ 높이로 평균 다짐도 65%로 결정하여 조성하였으며, 각 층별 다짐도는 원 형링을 이용하여 확인하였다. 실험조건으로는 흙의 종류를 3 지역으로 구분하였으며, 매입깊이를 30㎝, 40㎝, 50㎝로 하였 다. 스파이럴 기초의 경우에는 바닥면을 기준으로 매입깊이 를 측정하였으며, 팽이기초와 줄기초의 경우에는 가로대를 서까래 100mm 위쪽에 체결하였으며, 가로대를 기준으로 매 입깊이를 측정하였다. Photo 1은 실험조건 및 방법을 나타낸 것이다. 인발저항력 측정에 사용된 로드셀의 최대하중은 49.0kN이며, 인발하중은 변위제어방식으로 변위제어 속도 5mm/min으로 진행하였다.

Spiral foundation Top base foundation Rafter foundation

Fill in Soil Box Ring check Uplift measurement

Photo 1 Test method

(a) Spiral foundation (b) Top base foundation (c) Rafter foundation

Fig. 3 Spiral, Top base and Rafter foundation

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 스파이럴기초의 매입깊이별 인발저항력

Fig. 4는 지역별 스파이럴 기초의 매입깊이에 따른 인발저 항력 실험결과 및 실험종료 후 지반파괴 양상을 나타낸 것이 다. 스파이럴기초의 매입깊이가 증가할수록 인발저항력은 증 가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 최대인발저항력은 인발변위 20㎜ 내외에서 대부분 발생하는 것으로 나타났으며, 인발시 체적변화는 나선주변에서만 발생하여 뽑혀 올라오는 형상의 파괴를 보였다. Table 3에서 지역별 매입깊이에 따른 최대인발저항력 결과를 정리한 것이며, 지역별로 매입깊이에

따른 인발저항력은 A는 1.70배, B는 2.44배, C는 2.39배 증가 하는 것으로 나타났다.

(a) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of A area

(b) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of B area

(c) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of C area

Fig. 4 Uplift capacity by regional of spiral foundat

Area Maximum uplift capacity (N)

A B C

Emb. Depth 30㎝ 196.77 127.88 169.12 Emb. Depth 40㎝ 293.32 271.79 277.43

Emb. Depth 50㎝ 335.14 312.32 403.94

Table 3 Spiral foundation maximum uplift capacity according to

embedded depth

2. 팽이기초의 매입깊이별 인발저항력

Fig. 5는 팽이기초의 매입깊이에 따른 인발저항을 보여주 는 것으로, 매입깊이 30㎝를 제외한 40㎝, 50㎝에서는 A와 C에서 항복점 발생이후 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타 났다. B의 경우 매입깊이 50㎝에서 변위 50㎜이후 항복점 발 생이후 증가하는 경향을 보이는 것으로 나타났다.

최초 항복점을 보이는 것은 Photo 2와 같이 팽이기초와 결 합된 가로대의 조리개가 밀리면서 하중이 감소 후 최하단부 팽이와 조리개가 맞닿아 증가하기 때문인 것으로 사료된다.

항복응력 이후 지반의 파괴가 진행되면서 하중이 완만히 증

가하는 현상을 보이고 있지만, 초기 저항력이 유지되거나 증 가하는 경향을 보여 팽이기초의 인발저항력은 항복점에서 산 정하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

(a) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of A area

(b) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of B area

(c) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of C area

Fig. 5 Uplift capacity by regional of top base foundation

Area Maximum uplift capacity (N)

A B C

Emb. Depth 30㎝ 583.16 614.59 679.41

Emb. Depth 40㎝ 670.19 845.58 752.27

Emb. Depth 50㎝ 745.06 1028.82 950.76 Table 4 Top base foundation maximum uplift capacity according

to embedded depth

(a) Slip-1 (b) Slip-2

Photo 2 Slip of connector

(a) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of D area

(b) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of E area

(c) Displacement-uplift capacity curve and ground uplift failure of area F

Fig. 6 Uplift capacity by regional of rafter foundation

3. 줄기초의 매입깊이별 인발저항력

Fig. 6은 지역별 줄기초의 매입깊이에 따른 인발저항력 실 험결과 및 실험종료 후 지반파괴 양상을 나타낸 것이다. 줄기 초에서는 매입깊이에 따라 인발저항력이 증가 또는 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 최대인발저항력은 D 지역에 서는 인발변위 20㎜ 내외에서 발생하였으며, E 지역은 40㎜

이후, F 지역은 10㎜ 이내에서 발생하는 것으로 나타났다. E 지역의 경우 다른 지역과 같이 동일한 다짐도로 모델링하였 지만, 상대적으로 지반이 느슨한 상태였다. 다른 지역보다 느 슨한 상태에서 인발시 지반이 촘촘하게 다짐이 진행된 이후 최대인발저항력을 보인 것으로 사료된다. 인발시 매입깊이 30

㎝에서는 줄기초 주변의 지반균열을 보였으며, 변위-인발저 항 곡선에서도 지반 파괴 후 감소하는 곡선의 형태를 보였다. 하지만, 인발깊이 40㎝, 50㎝에서는 줄기초 주변의 균열은 발 생하지 않고 있으며, 변위-인발저항 곡선에서는 조리개가 밀 려나면서 인발저항력이 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보 였다. 이는 상부 토피하중이 조리개의 미끄럼 저항력보다 크 게 작용하여 나타난 것으로 사료되며, 농촌진흥청 내재해 기 준치 1,362N보다 작은 결과를 보였지만, 강선조리개+ABS의 기준치 519N보다는 상회하는 값을 보이는 것으로 나타났다.

Photo 3과 같이 D, E, F 지역의 매입깊이 50㎝에서 인발저항 시험 후 조리개가 밀리거나 이탈된 것을 알 수 있다. 또한, Fig. 6에서는 인발시험전 서까래 상부와 지표면이 일치하는 부분에 테이핑을 하여 인발 후 재확인한 것으로 조리개의 이 탈로 인하여 지반변형은 없는 것을 알 수 있었다.

4. 인발저항력 결과 비교

지역별 토질에 따라 스파이럴기초, 팽이기초와 줄기초의 최대인발하중을 Fig. 7과 같이 비교하였다. 통일분류 SM과 SC는 스파이럴 기초보다는 팽이기초와 줄기초가 매입깊이별 로 모두 큰 결과를 보이고 있다. 팽이기초는 깊이별로 증가하 는 경향을 보이고 있지만, 줄기초는 매입깊이에는 큰 영향을

Area Maximum uplift capacity (N)

D E F

Emb. Depth 30㎝ 828.27 540.59 879.96

Emb. Depth 40㎝ 699.36 784.19 694.02

Emb. Depth 50㎝ 733.74 744.77 1271.83 Table 5 Spiral foundation maximum uplift capacity according to

embedded depth

(a) SM & SC (b) ML

Fig. 7 Comparison of result according to regional soil type

(a) D foundation (b) E foundation (c) F foundation

Photo 3 Slip of connector

받지 않는 것을 알 수 있다. 통일분류 ML의 경우 스파이럴보 다는 팽이기초와 줄기초가 큰 값을 보이고 있다. 팽이기초와 줄기초는 매입깊이가 증가할수록 증가하는 경향을 보이고 있 으며, 기초의 종류에는 큰 차이를 보이지 않음을 알 수 있다.

토질의 종류에 따라 결과값의 차이를 보이는 이유로는 팽이 기초와 줄기초 하부에 결합된 가로대의 영향 때문이며, 특히 서까래와 체결하는 조리개의 종류와 체결방향에 따라 인발저 항력의 차이를 보이는 것으로 사료된다. 각 기초별 인발저항 력은 스파이럴기초에서 가장 낮은 결과를 보이고 있으며, 팽 이기초와 줄기초의 인발저항력은 스파이럴기초보다 최소 2.19배 이상으로 나타나고 있지만, 농촌진흥청의 내재해 조리 개 미끄럼 저항치 1329N보다는 작은 것을 알 수 있었다.

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 스파이럴 기초와 팽이기초 및 줄기초의 기 초 설계 자료로 제공할 목적으로 매입깊이와 지역별 흙의 종 류에 따른 실험을 진행하였다. 스파이럴기초와 팽이기초 및 줄기초의 인발저항력 모형시험 결과는 다음과 같다.

1. A, B, C지역에서 매입깊이가 증가함에 따라 최대인발하 중이 증가하는 것으로 나타났지만, D, E, F지역은 일정 한 경향을 보이지 않았다. 최대 인발저항력은 줄기초를 제외하고 최대 매입깊이에서 나타났다.

2. 기초의 종류별 인발저항력은 스파이럴기초보다 팽이기 초와 줄기초의 인발저항력이 최소 2.19배에서 최대 5.20 배까지 더 큰 것으로 나타났다. 팽이기초와 줄기초의 인 발저항력은 유사하지만, 줄기초에서 조금 더 큰 값이 측 정되었다.

3. 토질에 따른 기초의 인발저항력은 스파이럴기초에서는 SM가 ML이 비슷한 값을 보이고 있으며, 팽이기초에서 는 SM보다는 ML의 인발저항력이 큰 것으로 나타났다.

줄기초에서는 SM과 ML은 비슷하지만, SC에서 인발저 항력이 가장 크게 측정되었다.

4. 토질의 종류에 따라 인발저항력의 차이는 팽이기초와 줄기초 하부에 결합된 가로대의 영향 때문으로 사료되 면, 특히 서까래와 체결되는 조리개의 종류와 체결방향 에 따라 인발저항력이 차이를 보일 수 있을 것으로 사료 된다.

감사의 글

본 연구는 농촌진흥청 국립농업과학원 농업과학기술 연구 개발사업 (과제번호 : PJ013379012019)의 지원에 의해 이루어 진 것임.

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