한국지반공학회논문집 제31권 12호 2015년 12월 pp. 29 ～ 43 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY
Vol.31, No.12, December 2015 pp. 29 ～ 43
ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2015.31.12.29
매입말뚝공법의 충전재료로 사용되는 시멘트밀크의 공학적 특성
Engineering Characteristics of Cement Milk for Bored Piles
도 종 남1 Do, Jong-Nam 남 문 석2 Nam, Moon-Seok 심 재 원3 Shim, Jae-Won 박 영 호4 Park, Young-Ho
이 승 준5 Lee, Seung-Jun
Abstract
In this study, engineering property tests were conducted for cement milk used as a filling materials in the bored piles method. For this purpose, various water/cement ratio specimens were produced on the basis of standard specimen specified in highway corporation specifications. The unconfined compressive strength, point load strength, elasticity modulus, poisson’s ratio test was performed according to the age. As a test result, injection height for productions of cement milk specimens was defined ratios. Correlation coefficient K of the unconfined compressive strength and point load strength were K7 = 4.55∼13.65 in age 7 days, and K28 = 5.28∼16.84 in age 28 days. When water / cement ratio is 65-150%, the elastic modulus and Poisson’s ratio significantly increased and decreased regardless of age. In addition, the formulae were proposed for unconfined compressive strength, point load strength, a correlation coefficient of unconfined compressive strength, point load strength, elastic modulus, and poisson’s ratio for each age.
요 지
본 연구에서는 매입말뚝공법의 충전재료로 사용하는 시멘트밀크의 공학적 특성 시험을 실시하였다. 이를 위해 고속 도로공사 전문시방서에서 사용하고 있는 표준공시체를 기준으로 다양한 물/시멘트 비율로 공시체를 제작하였다. 또한, 재령일에 따른 일축압축강도, 점하중강도, 탄성계수, 그리고 포아송비 시험을 실시하였다. 시험결과 물/시멘트 비의 변화에 따른 시멘트밀크의 표준 공시체 제작을 위한 주입높이를 제시하였다. 재령 7일과 28일에 대한 일축압축강도와 점하중강도와의 비인 시멘트밀크의 상관계수, K는 각각 K7=4.55∼13.65와 K28=5.28∼16.84 이었다. 재령일과 무관하 게 물/시멘트 비가 65∼150%일 때 탄성계수와 포아송비의 증감은 크게 나타났고, 150∼300%는 상대적으로 매우 작게 나타났다. 마지막으로 재령별 물/시멘트 비에 따른 시멘트밀크의 일축압축강도, 점하중강도, 일축압축강도와 점하중강도와의 상관계수, 탄성계수, 포아송비의 식을 제안하였다.
Keywords : Bored piles, Injection materials, Water/cement ratio, Cement milk, Unconfined compressive strength, Point load strength, Elasticity modulus, Poisson’s ratio, Correlation coefficient
1 정회원, 한국도로공사 도로교통연구원 구조물연구실 선임연구원 (Member, Senior Researcher, Korea Expressway Corporation Research Institute, Tel: +82-31-371-3209 Fax: +82-31-371-3379, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
2 정회원, 한국도로공사 도로교통연구원 구조물연구실 책임연구원 (Member, Deputy Principal Researcher, Korea Expressway Corporation Research Institute) 3 정회원, 한국도로공사 도로교통연구원 안전연구실 수석연구원 (Member, Principal Research, Korea Expressway Corporation Research Institute)
4 정회원, 한국도로공사 도로교통연구원 안전연구실 연구위원 (Member, Research Fellow, Korea Expressway Corporation Research Institute) 5 정회원, 한국도로공사 도로교통연구원 안전연구실 과제연구원 (Member, Research Associate, Korea Expressway Corporation Research Institute)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2016년 6월 30일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
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Fig. 1. Classification of pile construction method (Japan Geotechnical Engineering Association, 1983)
1. 서 론
직타말뚝은 말뚝의 지내력(地耐力)과 경제적인 면에 서 매우 탁월한 장점을 가지고 있다. 그러나 도심지에서 말뚝항타 소음이 문제가 되어 매입말뚝공법을 많이 사 용한다. 이 말뚝은 지반 천공시 사용하는 장비, 천공홀의 함몰 여부, 그리고 케이싱 사용 여부에 따라서 공법이 달라지며, 그 종류는 프리보링타격말뚝공법, 시멘트밀 크공법(SIP, Soil-cement Injected Precast Pile), SDA공법 (Separated Doughnut Auger), 그리고 PRD(Percussion Rotary Drill)공법이 있다. 여기서 오거(auger)만 사용하 는 공법은 시멘트밀크공법이고, 그 외 공법은 호박돌의 유무와 천공홀의 함몰에 따라 각각 T4와 케이싱이 사용 된다.
매입말뚝 시공시, 기성말뚝의 지름보다 10cm 더 크 게 지반천공을 한다. 천공 후 주입하는 시멘트밀크는 굴 착공벽의 안정화와 말뚝의 연직･수평 지내력을 유발시 킨다. 이 지내력은 시멘트밀크의 강도에 영향을 받는다.
매입말뚝은 지내력에 큰 영향을 미치는 시멘트밀크에 대한 공학적 특성 연구보다 매입말뚝의 지지거동(Shin et al., 2000; Lee et al., 2000; Lim et al., 2002; Jung et al., 2003; Park et al., 2004; Park, 2004)에 중점을 두고 연구하였다. 그 중에서 Park(2004), Hong et al.(2008)는 시멘트밀크 강도 및 마찰거동에 관한 연구를 하였으나 시멘트밀크의 배합비(물/시멘트)가 50∼83%로 배합영 역이 다소 한정적이었고, 몰드 크기가 5×5×5cm 이었다.
그러나 일본 (사)콘크리트말뚝 건설기술협회(2002)에 서 제시한 시멘트밀크의 표준공시체는 지름과 높이가 각각 5×10cm인 원주형이다. 이는 양생되는 과정에서 시
멘트밀크의 시멘트입자 침강과 심한 블리딩현상을 고 려한 것이다.
따라서 매입말뚝공법의 충전재료로 사용하는 시멘트 밀크의 공학적 특성을 알아보기 위하여 고속도로공사 전문시방서(Korea Expressway Corporation, 2012)에서 사용하고 있는 일본 표준공시체를 기준으로 다양한 물/
시멘트 비와 재령일에 따른 일축압축강도, 점하중강도, 탄성계수, 그리고 포아송비의 거동을 알아보고자 한다.
2. 매입말뚝공법
2.1 매입말뚝공법의 시공법
말뚝기초는 오랜시간 동안 ‘타격으로 지중에 설치하 는 것’이라고 하는 관념에서 시공되어 왔다. 그러나 이 러한 방법도 말뚝 타입시에 발생하는 소음･진동이 사회 문제로 대두 되면서 건설공해에 대한 개선 및 대책을 강구하게 되었다. 이 대책 공법으로서 여러가지 말뚝시 공법이 개발되고 있다.
기성말뚝의 시공법은 말뚝을 지내력층까지 설치하는 방법과 선단지지력을 발현시키는 방법으로 분류하여 나타내면 Fig. 1과 같다.
국내에서 일반적으로 사용하고 있는 매입말뚝공법은 크게 내부굴착공법과 프리보링공법으로 나누어진다. 내 부굴착말뚝공법은 일본에서는 중굴말뚝이라고 하며, 말 뚝내부를 통해 스크류오거나 T4천공기를 사용하여 선단 지지력을 0의 값으로 만든 다음, 케이싱을 압입 또는 경 타하여 관입하는 방법이다. 이 방법을 DRA(double rod auger) 또는 SDA(separation doughnet auger) 공법이라고
Fig. 2. Construction procedure of cement milk method (Japan Geotechnical Engineering Association, 1983)
하고, 케이싱을 본 말뚝으로 사용하고 본말뚝의 선단에 인공비트를 용접하여 T4로 선단지지력을 0으로 만든 후 말뚝본체를 돌려 압입시키는 방법을 PRD(percussion rotary drill)공법이라 한다. 프리보링공법은 케이싱 없이 천공장비를 사용하여 말뚝지름보다 10cm 더 크게 원하 는 지층까지 천공한 다음, 말뚝을 삽입하고, 선단지지력 이 발현될 때까지 항타하는 공법이다. 여기서 원하는 지 층까지 천공한다는 의미는 꼭 양질의 지지층인 지내력 (地耐力)층까지 천공하는 것을 의미하는 것이 아니라 말뚝선단이 말뚝시공과정에서 자연스럽게 폐색되는 깊 이 또는 소음 및 진동을 최소화할 수 있는 지층을 의미 한다. 그리고 말뚝의 횡방향 변위 억제와 주면마찰력 증 가를 위하여 말뚝과 굴착공 사이에 시멘트밀크를 충전 한다. 그런데 충전된 시멘트밀크가 지반으로 스며드는 일수(逸水)현상에 의해 말뚝 외측면 상부에 빈 공간이 발생할 수도 있으므로 현장에서 시멘트밀크 상면 높이 를 조사하여 재충전한다(Korea Expressway Corporation, 2012).
매입말뚝공법 중 시멘트밀크공법인 SIP공법은 1968 년 일본 기초기술 연구소에서 개발하여 2005년부터 한 국도로공사에서 준용하고 있다(Park, 2004). 이 시공법 은 Fig. 2와 같이 말뚝지름보다 10cm 더 큰 스크류오거 를 사용하여 양질의 지지층에서 1.5m 더 굴착한다. 이 오거 헤드에서 물/시멘트비 70% 이하인 선단근고액을
말뚝 내경의 4배+1m 높이 이상 만큼을 주입한 후, 지반 의 일수현상에 따라 상이하나 대략 물/시멘트비 100∼
150% 정도의 주면고정액을 확대기초 저면까지 주입한 다. 말뚝을 굴착공내에 삽입하기 전에 굴착공 저면의 슬라임 두께를 측정한 후, 슬라임 두께가 50cm 이하이 면 말뚝을 삽입한다. 그 이상이면 오거를 굴착 공저면 까지 재삽입하여 선단근고액을 더 주입하여 양질의 지 지층인 쏘일시멘트층으로 만든다. 이때 쏘일시멘트층 의 품질을 더 좋게 만들고자 오거의 연직왕복회전 교반 을 실시하면 공벽이 함몰되어 토사 슬라임이 오히려 증 가하여 더욱 나쁜 결과를 초래할 수도 있다. 그리고 오거 굴착시 공벽안정을 위해 벤토나이트인 굴착액을 이용할 수도 있으며, 말뚝의 주면고정액은 말뚝의 주면마찰력이 나 수평저항을 확보하기 위하여 사용한다. 선단근고액은 말뚝을 지지층에 고정하고, 선단지지력을 확보하기 위 하여 이용한다(Japan Geotechnical Engineering Association, 1983, Park et al., 2009; Korea Expressway Corporation, 2012).
2.2 주면액의 특성
(1) 공벽안정액
굴착공내에 주입된 공벽안정액은 공벽에 침투하여 불투수성의 점토막을 형성하며, 이로 인해 공벽 붕괴방
Table 1. Mix table of stabilizer liquid
Division Bentonite (kgf) Cement (kgf) Water (L)
Collapsing soil 30∼50 - 480∼490
Case of increasing the pile skin friction 25 120 450
지 및 말뚝 주입액의 일수현상을 방지한다. 그래서 성토 지반과 같이 오거 천공시 공벽붕괴와 일수현상이 심한 지반조건일 경우 공벽 안정액을 사용하는 것이 좋다. 이 또한 부가적으로 용수나 보일링을 억제하는 기능도 한 다. 일본에서 사용하는 배합조건은 말뚝 주면마착력에 사용하는 배합조건과 동일하게 사용한다. 그리고 공벽 안정액을 만드는 방법은 먼저 물에 벤토나이트를 푼 다 음, 이 용액에 시멘트를 섞어야 덩어리로 뭉쳐지지 않는 완전한 용액을 만들 수 있다. 붕괴가 우려되는 지반에서 는 벤토나이트와 물을 Table 1과 같이 혼합하여 사용할 수 있다(Park et al., 2009).
(2) 선단근고액
일본 콘크리트 말뚝 건설기술협회(2002)의 선단근고 액 기준은 물/시멘트비가 70% 이하를, 일본 토질공학회 기준은 일축압축강도가 20MPa 이상 이다. 고속도로공 사 전문시방서(Korea Expressway Corporation, 2012)는 현장품질관리를 위해 두 기준 모두 적용하고 있다.
이 근고액은 굴착 공저의 토사와 암편 슬라임 등과 같 이 경화되어 말뚝 선단부를 견고하게 고정시키고, 말뚝 머리 하중을 양질의 지지층에 전달시키는 역할을 한다. 그리고 짧은 말뚝은 주면고정액을 사용하지 않고 선단근 고액만 사용하고, 긴 말뚝에 대한 선단근고액의 주입 길 이는 2m 이상 또는 말뚝내경의 4배+1m 이상 이다(Japan Concrete Piles Construction Technology Association, 2002).
(3) 주면고정액
주면고정액은 수평저항력과 주면마찰력을 확보하기 위하여 일수현상이 발생하지 않도록 배합한다. 일수현상 이 심한 경우에는 벤토나이트 용액에 시멘트를 첨가하여 사용한다. 주면고정액은 일수현상 때문에 물/시멘트비를 기준으로 하는 것이 아니라 강도를 기준으로 하며, 재령 28일의 표준강도는 500kPa(5kgf/cm2) 이상 이어야 한다.
그리고 주입한 주면고정액 상면이 침강하여 경화되면, 침강한 높이 만큼 측정하여 보충해 주어야 한다(Japan Concrete Piles Construction Technology Association,
2002).
고속도로공사 전문시방서(Korea Expressway Corporation, 2012)는 지반조건에 따라 일수현상이 상이하므로 말뚝 주면 공간의 2∼3배 정도의 주입량을 설계에 반영하여 현장에서는 실정산하도록 하고 있다.
2.3 물/시멘트 비에 따른 강도
Duff Abrams(1918)는 물/시멘트 비가 30∼70% 범위 에 따른 일축압축강도 거동을 식 (1)과 같이 제안하였다.
(1)
여기서, 는 일축압축강도(MPa), , 는 경험적 계 수, 는 물/시멘트 비이다.
재령에 따른 주어진 경험적인 상수와 30∼70%의 물/
시멘트비를 고려하여 식 (1)을 작도하면 Fig. 3(a)와 같다.
본 연구에서는 지중으로 충전되는 매입말뚝의 시멘트밀 크가 지하수위 아래에 주입되는 경우에는 지하수에 의한 희석 현상이 발생할 수 있으므로, 주로 사용되는 시멘트 밀크의 물/시멘트 비율 65∼150%에서 최대 300%까지 확장하여 시험을 실시하였다. Fig. 3(a)의 Abrams 제안식 형태로 산정된 강도와 본 연구에서 수행한 물/시멘트비 65∼300%로 확장하여 나타내면 식 (1)의 정확도(결정 계수)가 재령 7일, 28일 모두 R2=0.7 이하로 낮아졌다.
따라서 Fig. 3(a)를 Fig. 3(b)의 거듭제곱 형태의 추세선 으로 나타내면 R2값이 재령 7일은 0.86, 재령 28일은 0.93으로 향상되어 이를 연구결과에 적용하였다.
3. 주입제의 물성치 시험
3.1 시멘트밀크의 표준 공시체
콘크리트 공시체는 가로×길이×세로가 5×5×5cm인 큐 빅몰드와 지름×높이의 비가 1:2인 원주형 몰드를 주로 이용하고 있다. 이들의 몰드에 시멘트밀크를 주입하면
(a) Abrams equation (b) Modified Abrams equation Fig. 3. Unconfined compressive strength curve according to water/cement ratio (Abrams, 1918)
(a) Mounting polyethylene sacks (b) Injection cement milk (c) Pile tip fixing materil injeciton situation
(d) Injection situation when specimen producing Fig. 4. Standard Specimen method of cement milk (Japan Concrete Pile Construction Technology Incorporated Association, 2002)
시멘트 입자는 아래쪽으로 침강하고 위쪽으로는 물이 떠 있는 블리딩 현상이 심하게 발생한다. 이 현상으로 양생후의 공시체 높이는 양생전의 높이보다 더 낮게 되 어 시료의 크기효과를 보정해야 하는 불편하고 부정확 한 결과를 얻게 된다.
시멘트밀크의 공시체는 콘크리트의 공시체 제작방법 과 차이가 있다. 日本 (사)콘크리트 말뚝 건설기술협회 (2002)가 제시한 시멘트밀크 공시체 제작방법은 Fig. 4 와 같다.
Fig. 4(a)와 같이, 내경 5cm의 폴리에틸렌 포대에 길 이방향으로 30cm와 45cm 위치에 미리 선표시를 하고,
봉에 메단다. 폴리에틸렌 포대 입구에 깔때기를 설치한 후, 선단근고액은 30cm, 주면고정액은 45cm를 각각 주 입한다. 이때 Fig. 4(c)와 같이 선단근고액은 블리딩이 거의 발생하지 않지만, 주면고정액은 많이 발생한다(Fig.
4(d)). 최종적으로 경화된 공시체의 높이는 약 30cm가 되도록 하여야 한다.
일축압축강도용 표준 원주형 공시체는 Fig. 5와 같이 공시체 아랫부분 10cm를 절단하고, 바로 위에 있는 10cm 공시체를 사용하여 일축압축강도 시험을 한다. 여기서 아랫부분의 10cm를 사용하지 않는 이유는 시멘트밀크 주입으로 시멘트밀크의 중량에 의해 폴리에틸렌 포대
Fig. 5. Standard cylindrical specimen production method based on the pile side fixing materials (Japan Concrete Pile Construction Technology Incorporated Association, 2002)
Table 2. Cement milk mixing ratio and specimen test contents according to age
Test type Curing ages (days)
No. of test specimens per W/C
Total quantities Base fixing materials Side fixing materials
65% 70% 100% 150% 200% 300%
Unconfined compressive strength test
7 18 18 18 18 18 18 108
28 18 18 18 18 18 18 108
Point load test 7 9 9 9 9 9 9 54
28 9 9 9 9 9 9 54
Elastic modulus and poisson’s ratio
7 9 9 9 9 9 9 54
28 9 9 9 9 9 9 54
아랫부분이 변형되기 때문이다.
3.2 시험 종류
천공한 지반 속에 충전한 시멘트밀크는 흙 입자의 간 극 사이로 스며들어 발생하는 일수현상으로 유실된 시 멘트밀크를 설계지반면까지 밀실하게 충전하지 못한다 면 말뚝의 주면마찰력과 횡방향 지지저항이 줄어든다.
이러한 지지력을 회복하기 위해서는 시멘트밀크를 재충 전해야 한다. 이때 형성된 말뚝의 주면고정액은 500kPa 이상, 선단근고액은 물/시멘트비 70% 이하 또는 20MPa 이상이 되어야 한다(Korea Expressway Corporation, 2012;
Japan Concrete Piles Construction Technology Association, 2002; Japan Geotechnical Engineering Association, 1983).
이 시멘트밀크의 배합비 변화와 재령일에 따라 형성된 공 시체의 물성을 알아보기 위하여 Table 2와 같이 일축압축 강도, 점하중강도, 탄성계수와 포아송비(poisson’s ratio) 시험을 실시하였다.
3.3 공시제의 제작방법
표준 공시체의 제작 순서는 Fig. 6과 같으며, 그 순 서는 내경 5cm 짜리 폴리에틸렌(비닐) 포대 하단을 봉 합하고, 시멘트와 물을 배합한 후 믹싱하여 Fig. 4와 같이 제작한 후에 3∼5일간 공중양생시켜 절단한다.
공시체 절단시 주의할 점은 폴리에틸렌 포대를 제거하 지 않고 절단하면 공시체 절단면이 깨끗하게 형성되지 않기 때문에 폴리에틸렌 포대를 제거하고 공시체 축에
(a) polyethylene sacks (diameter 5 cm) (b) Plastic sacks bottom sealing (c) Mixing cement with water
(d) Cement milk injection and hardening (3 to 5 day)
(e) Cutting specimens (f) Curing underwater
Fig. 6. Standard specimen production procedures (Park, 2004)
Table 3. Water/cement mixing ratio based on 1 kgf weighted cement (w/c, %)
Water/cement mixing ratio (w/c, %) 65 70 100 150 200 300
Unit weight of cement (kgf) 1 1 1 1 1 1
Water (ℓ) 0.65 0.7 1 1.5 2 3
Fig. 7. Strain gauge attached to the specimen
직각으로 절단하여야 한다(Fig. 6(e)). 이렇게 절단된 공 시체는 Fig. 6(f)와 같이 소정의 재령일까지 수중양생을 시키다.
3.4 주입높이 결정 시험
폴리에틸렌 포대에 주입한 시멘트밀크의 양생후 공 시체의 높이는 약 30cm가 되어야 하는데, 이를 맞추기 위해서는 시멘트밀크의 물/시멘트 비에 따라서 주입높 이가 달라지게 될 것이다. 이를 알아보기 위하여, Table 3과 같이 단위 시멘트량 1kgf을 기준으로 물 양을 변화 시키면서 65∼300%의 물/시멘트 비를 구하였다.
3.5 강도측정
물/시멘트 비를 65∼300%까지 변화시키며 공시체의 재령 7일과 28일에 대하여 일축압축강도와 점하중강도, 탄성계수와 포아송비를 측정하였다. 일축압축시험과 점 하중강도시험은 각각 ASTM D 2938과 ASTM D 5731 기준으로 실시하였다. 탄성계수 및 포아송비는 일축압
축강도 시험시 ASTM C 469 기준에 따라 측정하였으 며, 변형률계는 Fig. 7과 같이 공시체에 부착하여 시험 을 수행하였다.
Fig. 8. Correlation between water quantity and cured body height
Table 4. Cured body height according to water/cement mixing ratio
Water/cement ming ratio Injection height (cm) Cured body height (cm) Required height of cement milk injection to produce the cured 30 cm height specimen
65
45 43
32.4
90 83.5
132 118
70
45 41.5
32.9
90 82
132 119
100
45 39
35.3
90 77
135 112
150
45 31
43.2
90 61.5
135 96
200
45 25
54.5
90 48
135 76
300
45 17
82.1
90 34
135 46
Fig. 9. Cured body forming height by cement milk injection height
4. 시험 결과
4.1 주입높이 결정 시험
단위 시멘트량 10N을 기준으로 다양한 물/시멘트 비 를 폴리에틸렌 포대에 주입하여 경화체 높이를 30cm로 만들기 위하여 주입한 높이와 양생후의 경화체 높이를 조사한 결과는 Fig. 8과 같다.
Fig. 8에 의하면, 물/시멘트 비가 증가할수록 시멘트 입자가 침강하여 형성되는 경화체의 높이는 물/시멘트
비 100%까지는 증가하다가 150%부터는 일정하였다.
여기서 물/시멘트 비가 증가한다는 것은 물의 양이 증가 하여 강도가 감소한다는 것을 의미한다.
일본 (사)콘크리트 말뚝 건설기술협회에서 제안하고 있는 양생 후, 시멘트밀크의 경화체 높이는 25∼30cm 이 다. 여기서는 일정한 경화체 높이 30cm 를 형성하기 위 하여, 각 물/시멘트 비에 따라서 시멘트밀크 주입높이를 45cm, 90cm, 135cm로 주입하였다. 3일 경화 후 형성된 경화체의 높이를 측정한 결과는 Table 4와 Fig. 9와 같다.
Table 4와 Fig. 9에 의하면, 양생후 경화체의 높이는
Fig. 10. Required height of cement milk injection to produce the cured 30 cm height specimen (h, mm)
(a) Unconfined compressive strength (this study) (b) Compared with the results of Abrams (1918) Fig. 11. Trend analysis of unconfined compressive strength
시멘트밀크 주입높이에 각각 비례하는 경향을 보였다.
이를 토대로 각 물/시멘트 비 별로 30cm의 경화체를 만 들기 위한 주입높이를 산정한 결과는 Table 4와 Fig. 10 과 같다. 이 결과는 시멘트밀크의 물성시험을 위한 공시 체 제작에 활용하였다.
4.2 일축압축강도
Fig. 10과 같이 물/시멘트 비가 65∼300%인 공시체를
제작하여 재령 7일과 28일간 수중 양생시킨 후에 일축 압축시험을 실시하였다. 그 결과는 Fig. 11(a)와 같다.
Fig. 11(a)에 의하면, 최소(65%), 중간(100%), 최대 (300%)의 물/시멘트 비에 대한 재령 7일의 일축압축강 도는 각각 17.15∼28.09MPa, 10.05∼15.82MPa, 3.41∼
5.23MPa 이었고, 재령 28일은 각각 21.22∼34.11MPa, 17.68∼23.04MPa, 4.69∼9.56MPa 이었다.
Fig. 11(a)의 물/시멘트 비의 변화와 재령일에 대한 일 축압축강도를 평균하여 나타낸 추세선을 분석하면, 시
Fig. 12. Trend analysis of point load strength
멘트밀크 공시체의 일축압축강도는 물/시멘트 비가 증 가할수록 감소하고, 재령일이 늘어날수록 증가함을 알 수 있었다.
Fig. 3의 Abrams(1918)는 물/시멘트 비가 30∼70%에 서, 본 논문은 65∼300%에서 실험을 하여 두 결과를 직 접적으로 비교하기는 어렵다. 하지만 Abrams(1918)가 실험한 최대 물/시멘트 비인 70%를 300%까지 추세선 을 연장하면 Fig. 12(b)와 같다.
이 그림에 의하면, 본 논문에서 도출한 물/시멘트 비 가 65%인 재령 7일의 일축압축강도는 Abrams(1918)의 연구결과에 비해 약 1.3 배, 100%는 1.5배, 200%는 1.9 배, 300%는 2.2배 크게 나타났다. 그리고 재령 28일에 대 하여 물/시멘트 비가 65%는 1.2배, 100%는 1.3배, 200%
는 1.4배, 300%는 1.5배 크게 나타났다. 이러한 차이는 6×12in(약 15×30cm)의 원기둥 공시체로 시험 결과를 도출한 Abrams(1918)의 방법이 본 연구에서 사용한 공 시체의 제원과 제작방법이 다르기 때문으로 판단된다.
Abrams(1918)의 물/시멘트비 곡선을 연장한 추세선과 본 실험결과는 정량적으로 비교하기는 무리가 있지만 곡선의 경향은 유사한 것으로 나타났다.
따라서 여기서 실험한 물/시멘트비와 재령일에 따른 시멘트밀크의 일축압축강도 예측식은 식 (2)∼(3)과 같 이 제안하였다.
(2)
(3)
여기서, , 는 각각 재령 7일과 28일의 일축압축 강도(MPa), 는 물/시멘트 비(%)이다.
매입말뚝공법의 주면고정액 기준은 0.5MPa 이상의 일 축압축강도를 요구하고 있다. 본 시험에서 사용한 최대 물/시멘트 비는 300% 이었고, 이 비의 일축압축강도는 7.33MPa 이었다. 이는 주면고정액 기준 강도보다 약 15 배 크게 나타났다. 하지만 경화후의 물과 경화체의 높이 의 비는 1.4배로 물이 많이 생겨 일수현상을 고려하지 않 더라도 현장 적용시, 반복적인 재주입이 이루어져야 말 뚝주면의 공간을 다 채울 수 있다. 따라서 말뚝의 주면을 고정시켜 주는 주면고정액의 물/시멘트 비는 현장지반의 일수현상과 물/시멘트의 블리딩을 고려하여 현장 책임기 술자가 결정해야 한다(Korea Expressway Corporation, 2012; Japan Concrete Piles Construction Technology Association, 2002).
말뚝선단에 주입하는 선단근고액의 기준은 물/시멘트 비와 표준 일축압축강도는 각각 70%와 20MPa 이상이 다(Korea Expressway Corporation, 2012; Japan Concrete Piles Construction Technology Association, 2002). Fig.
11(a)에서 물/시멘트 비가 70%일 때의 표준 일축압축강 도는 26.4MPa로 기준 일축압축강도보다 더 높았다. 그 리고 기준 일축압축강도인 20MPa 이상에 해당하는 물 /시멘트 비는 100% 이하 이었다. 따라서 선단근고액의 두 조건을 동시에 만족하는 이론적인 물/시멘트비는 100% 이하 이지만, 실제로는 공저 슬라임이 시멘트밀 크와 혼합되어 강도가 더 감소할수도 있기 때문에, 보다 보수적으로 물/시멘트 비 70%를 적용하고 있다. 이는 Park(2004)에서 분석된 쏘일시멘트의 일축압축강도로 확인할 수 있으며 다음 논문에 게제하고자 한다.
4.3 점하중강도
물/시멘트 비를 65∼300%까지 변화시키며 제작한 재 령 7일과 28일의 공시체에 대한 점하중시험 결과는 Fig.
12와 같다.
Fig. 12에 의하면, 최소(65%), 중간(100%), 최대(300%) 의 물/시멘트 비에 대한 재령 7일의 점하중강도, 는 각각 1.47∼1.85, 1.21∼1.42, 0.79∼1.09MPa 이었다. 그 리고 재령 28일, 는 1.49∼1.72, 1.31∼1.43, 1.14∼
Table 5. Preceded research results of correlation coefficient between Unconfined compressive strength and point load strength
Researcher Rock type Area Number of test K
Das (1985)
Siltstone
Western Canada
No records 14.7
Sandstone/Siltstone No records 18
Shale/Clay rock No records 12.6
Vallejo et al. (1989)
Sandstone Virginia, Kentucky P.L.S.T : 420
U.C.S.T : 21 17.4
Shale Coal mine surface P.L.S.T : 1100
U.C.S.T : 55 12.6
Smith (1997)
Dredge material Port area No records 8
Dredge material Port area No records 15
Sandstone/Limestone No records No records 24
Broch et al. (1972) Various rock type England No records 23.7
Carter et al. (1977) Coal measure England P.L.S.T : 1000
U.C.S.T : 68 21-22
O'Rourke (1988) Sedimentary rock USA P.L.S.T, U.C.S.T : 66 30
Hassani et al. (1980) Sedimentary rock England P.L.S.T, U.C.S.T : 1000 29
Singh (1993) Quartzite India P.L.S.T, U.C.S.T : 65 23.4
Read et al. (1980) Sedimentary rock Austria No records 20
Bieniawski (1975) Sandstone South Africa P.L.S.T, U.C.S.T : 160 23.9
Rusnak (1998) Coal measure Virginia, Usa P.L.S.T, U.C.S.T : 386 20
Jermy et al. (1991) Coal measure South Africa No records 14.1
※ P.L.S.T : Point load strength test ; U.C.S.T : Unconfied compressive strength test
1.22MPa 이었다.
Fig. 12의 재령별 물/시멘트 비에 따른 점하중강도를 평균하여 나타낸 추세선과 관련된 식은 식 (4)∼(5)와 같다.
(4)
(5)
여기서, , 는 재령 7일과 28일의 점하중강 도(MPa), 는 물/시멘트 비(%) 이다.
4.4 일축압축강도와 점하중강도와의 상관계수
암반공학 분야의 초기연구(Bieniawski, 1975; Broch et al., 1972)에서는 일축압축강도(fc)와 점하중강도(Is50) 의 상관관계를 식 (6)과 같이 K=24로 제안하였는데, 이 는 보편화되지 못하였다. 이후의 여러 연구자들의 연구 결과를 요약하면 Table 5와 같이 K값의 범위가 대부분 16∼24로 분포되는 것을 확인할 수 있다.
⋅ ⋅ (6)
매입말뚝에 주입한 시멘트밀크의 품질확보를 위하여 국내에서는 일축압축강도시험을 주로 실시하고 있다. 이러한 일축압축강도시험을 대신할 수 있는 간편한 시 험방법인 점하중시험에 대한 적용성을 본 연구에서는 검토하였다. 이를 위하여 동일한 시험체를 대상으로 일 축압축강도시험과 점하중강도시험을 실시하여 이들의 상관관계를 검토하였다.
이를 위해 본 연구에서는 시멘트밀크의 공시체에 대 한 일축압축강도와 점하중강도의 상관계수 K를 도출하 기 위하여 물/시멘트 비에 따른 재령별 시험 평균값을 정리하였으며 그 결과는 Table 6, Fig. 13과 같다.
Fig. 13에 나타낸 바와 같이 상관계수 K는 물/시멘트 비 비가 증가할수록 감소하고, 재령일이 증가할수록 커 지는 거동을 보였다. 재령 7일의 상관계수, K7=4.55∼
13.65 이었고, 재령 28일의 K28=5.28∼16.84 이었다. 이 를 식으로 표현하면 식 (11)∼(12)와 같다.
(11)
(12) 여기서, , 는 재령 7일과 28일에 대한 상관계수 이고, w/c는 물/시멘트 비(%)이다.
Table 6. Correlation coefficient of cement milk specimens (K)
Water/cement mixing ratio (w/c, %) 65 70 100 150 200 300
Ages 7 days
Average uniaxial compressive strength (MPa) 20.06 15.21 12.76 8.10 6.34 4.35 Average point load strength (MPa) 1.47 1.42 1.35 1.22 1.04 0.96 Correlation coefficient (K) 13.65 10.74 9.46 6.62 6.10 4.55
Ages 28 days
Average uniaxial compressive strength (MPa) 29.88 26.36 20.13 10.31 8.63 6.43 Average point load strength (MPa) 1.77 1.62 1.40 1.33 1.24 1.22 Correlation coefficient (K) 16.84 16.23 14.34 7.75 6.96 5.28
Fig. 13. Trend analysis of point load strength of correlation coefficient (K)
(a) Elastic modulus (b) Poisson’s ratio
Fig. 14. Trend analysis of elastic modulus and poisson’s ratio
4.5 탄성계수와 포아송비
변형률계가 부착된 공시체의 일축압축시험에서 탄성 계수와 포아송비를 구하였고, 그 결과는 Fig. 14(a)와 같
다. 이 그림에 의하면, 대표적인 최소(65%), 중간(100%), 최대(300%)의 물/시멘트 비에 대한 재령 7일의 탄성계 수, E7는 각각 11,100∼37,500MPa, 47,500∼91,100MPa, 16,500∼30,400MPa 이었다. 그리고 재령 28일의 탄성계 수, E28는 각각 18,200∼44,600MPa, 14,900∼25,200MPa, 19,800∼39,000MPa 이었다.
재령별 물/시멘트 비에 따른 포아송비의 시험결과는 Fig. 14(b)와 같다. 이 결과에 의하면, 대표적인 최소 (65%), 중간(100%), 최대(300%)의 물/시멘트비에 대한 재령 7일의 포아송비는 각각 0.17∼0.23, 0.21∼0.25, 0.29∼0.33 이었다. 재령 28일의 포아송비는 각각 0.14
∼0.19, 0.19∼0.21, 0.19∼0.28 이었다.
일반적으로 포화된 점토의 포아송비는 0.5에 가깝고, 모래는 0.3, 암석은 풍화도에 따라서 0.1∼0.2 정도의 값 을 가진다(Das, 2001). 따라서, 재령 28일에 대한 시멘트 밀크의 포아송비는 물/시멘트 비가 증가할수록 암석에 서 모래의 성질로 변함을 알 수 있다.
Fig. 14에서 시멘트밀크의 탄성계수와 포아송비의 관
(a) Ages 7 days (b) Ages 28 days Fig. 15. Correlation between elastic modulus and poisson’s ratio
Fig. 16. Trend analysis between elastic modulus and poisson’s ratio
계를 회귀분석한 결과는 식 (13)∼(16)와 같이 나타낼 수 있다.
× (13)
× (14)
(15)
(16)
여기서, : 재령 7일, 28일의 탄성계수(MPa)
: 물/시멘트 비(%)
: 재령 7일, 28일의 포아송비 Fig. 14에 의하면, 시멘트밀크 공시체의 탄성계수는 일 축압축강도와 마찬가지로 물/시멘트 비가 증가할수록 감 소하고, 재령일이 길어질수록 증가하였다. 반대로 포아송 비는 물/시멘트 비가 증가할수록 증가하고 재령일이 증가 할수록 감소하는 경향을 보였다. 일반적으로 보통 골재를 사용한 콘크리트의 설계기준강도()가 24MPa일 때, Ministry of Land, Infrastructure and Transport(2012) 제 안식으로 구한 콘크리트의 탄성계수는 약 27,000MPa로 물/시멘트 비 60%일 때에 해당하는 값이다.
재령별 물/시멘트 비에 따른 탄성계수와 포아송비 관 계를 알아보기 위하여 Fig. 15와 Fig. 16과 같이 나타내
었다.
Fig. 16에 의하면, 물/시멘트비가 증가함에 따라 탄성 계수는 감소, 포아송비는 증가하였다. 그리고 재령일이 증가할수록 탄성계수는 증가, 포아송비는 감소하였다.
재령일과 무관하게 물/시멘트 비가 65∼150%일 때 탄성계수와 포아송비의 증감은 크게 나타났고, 150∼
300%는 상대적으로 매우 작게 나타났다. 이는 주어진 시멘트량에 비해 물의 양이 많아지면 시멘트의 화학적 결합력이 약화되기 때문이다.
5. 결 론
매입말뚝의 주면과 선단 위치에 사용되는 주면고정 액과 선단근고액의 공학적 특성을 알아보기 위하여 시 멘트밀크의 표준공시체를 사용하여 재령일과 물/시멘 트 비에 따른 일축압축강도와 점하중강도 시험한 결과 는 다음과 같다.
(1) 지름과 높이가 5×30cm인 원주형 경화체를 만들기 위하여 폴리에틸렌 포대에 주입하는 시멘트밀크의 주입높이 시험에서 구한 결과, 물/시멘트 비가 65, 70, 100, 150, 200, 300%일 때 폴리에틸렌 포대에 주입하는 시멘트밀크의 주입높이는 각각 32.4, 32.9, 35.3, 43.2, 54,5, 82.1cm 이었다.
(2) 매입말뚝공법의 주면고정액 기준인 일축압축강도 0.5MPa 이상에 해당하는 물/시멘트 비를 알아보기 위한 시험 결과, 여기서 사용한 최대 물/시멘트 비인 300%의 일축압축강도는 기준 강도보다 약 15배 크 게 나타났고, 블리딩현상으로 경화체의 높이보다 물의 높이가 1.4배 더 생겼다.
(3) 매입말뚝의 선단근고액 기준인 표준 일축압축강도는 20MPa 이상이며, 이 조건을 만족하는 이론적인 물/시 멘트 비는 100% 이하 이었다. 하지만 말뚝 천공시 발 생한 공저 슬라임으로 시멘트밀크의 강도 감소를 고 려하면 물/시멘트비의 70%가 적절하다고 판단된다.
(4) 시멘트밀크 공시체의 일축압축강도와 점하중강도 와의 비인 상관계수, K는 물/시멘트 비가 증가할수 록 감소하고, 재령일이 증가할수록 커지는 거동을 보였다. 이때 재령 7일과 28일의 상관계수는 각각 K7 = 4.6∼12.4와 K28 = 6.2∼18.7 이었다.
(5) 재령일과 무관하게 물/시멘트 비가 65∼150%일 때 탄성계수와 포아송비의 증감은 크게 나타났고, 150
∼300%는 상대적으로 매우 작게 나타났다. 이는 주 어진 시멘트량에 비해 물의 양이 많아지면 시멘트 의 화학적 결합력이 약화되기 때문이다.
(6) 재령별 물/시멘트 비에 따른 시멘트밀크의 일축압축 강도, 점하중강도, 일축압축강도와 점하중강도와의 상관계수, 탄성계수, 포아송비의 식을 제안하였다.
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Received : September 14th, 2015 Revised : October 2nd, 2015 Accepted : December 8th, 2015
