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제 21 권 제 6 호, pp. 427~436, 2009년 12월상부단면 확대형 해상 말뚝의 개발
Development of Offshore Piles with Enlarged Upper Section
권오순*·장인성*·권영호**·기민주**
O Soon Kwon*, In Sung Jang*, Young Ho Kwon** and Min Joo Ki**
요 지
: 해양에서는 횡방향 하중에 의해 구조물 기초의 설계가 좌우되기 때문에 이 연구에서는 기존의 말뚝 기초 공법보다 횡방향 지지력이 크고 시공성능이 우수한 새로운 형식의 말뚝 기초 공법을 제안하였다. 제안한 기 초에 대한 성능을 평가하기 위하여 수치해석을 수행하였으며, 기존 항만 현장 조건에 대입하여 설계를 수행하여 시공 특성과 재료비 감소 효과를 통한 경제성 평가를 수행하였다. 연구에서 강관말뚝에 비해 횡방향 지지력의 증 가를 확인하였으며, 기존 공법과 비교하여 공사비용은 62~80%정도로 평가되었다.핵심용어
: 말뚝기초, 횡방향 지지력, 설계, 시공, 경제성Abstract : In this study, new type of pile foundation was introduced for the better performance of lateral resistance than conventional piles by adopting enlarged upper section, because offshore structure design is subjected to the lateral loading. The numerical simulations were peformed in order to find out the lateral behaviour of the proposed pile. The economical efficiency of new pile system was also analyzed by considering the construction characteristics and material costs as well as the real field condition of harbor sites in Korea. From the study, it was revealed that the lateral resistance of piles with enlarged upper section is increased compared to conventional steel pile, and the construction costs would be reduced to about 62~80% of previous methods.
Keywords : Pile Foundation, Lateral Resistance, Design, Construction, Economic feasibility
1. 서 론
해양에서 사용되는 기초 시스템은 아주 오래전부터 경험 적으로 사용한 중력식이 주류를 이루고 있다. 해양에서 구 조물에 작용하는 하중의 대부분은 횡방향이기 때문에, 이 에 대한 저항력을 증가시키기 위하여 적용한 방식이 무거 운 중량의 상부 구조를 사용하여 지반과 상부 구조의 마찰 력을 활용하는 전통적인 중력식 기초 시스템이다. 그러나 과도한 상부 구조의 중량은 연약지반에서 매우 비효율적이 며, 경제적인 측면에서도 과도한 건설 비용을 지출해야 한 다. 따라서 효율적으로 횡방향 하중을 지지하기 위하여 중 력식이 아닌 말뚝 기초를 사용하기 시작하였는데, 아주 큰 횡방향 하중을 지지하기 위해서 말뚝 기초는 육상에서 보 다 상대적으로 큰 횡방향 강성을 가져야 했기 때문에 단면 이 아주 커지거나 여러 개의 말뚝을 무리지어 사용하여야
한다. 경사말뚝은 횡방향 하중에 매우 효율적인 구조이지 만 지진에 취약한 것으로 알려져 있어 말뚝 두부에 특수한 면진장치를 사용하여야 하는 단점을 가지고 있다.
여기에서는 해양에서 횡방향 하중에 대해 효과적으로 저 항하는 새로운 형태의 말뚝 기초를 개발하고 그 성능을 검 증하고자 하였다. 처음 개념 설계를 통해 도출된 단면에 대 해 다양한 조건에 대한 수치해석을 통해 변수분석을 수행 하여 그 특성을 고찰하였으며, 기존의 공법이 적용되었던 현장에서 개발된 말뚝 기초를 시공 특성을 고려하여 설계 하여 경제성을 평가하였다.
2. 기존연구
말뚝의 횡방향 지지력을 증가시키기 위해 가장 쉽게 적 용하는 방법이 말뚝의 단면을 증가시키거나 경사말뚝을 사 *한국해양연구원 연안개발·에너지연구부(Corresponding author: OSoon Kwon, Coastal Engineering Research Department, Korea Ocean
Research and Development Institute, Ansan, Kyounggi 426-744, Korea, [email protected])
**한라건설(주) 기술연구소(Halla Engineering and Constructio Corp., Korea)
용하는 것이다. 단면을 증가시키는 것은 횡방향 하중을 지 지하는 말뚝의 부위가 주로 상부인 점에서 매우 비효율적 이며 경제적이지 못하며, 경사말뚝은 매우 효율적인 방법 이지만 긴 말뚝에 시공성이 떨어지고 지진에 취약한 구조 적인 특징을 가지고 있다. 최근 횡방향 하중에 효과적인 새 로운 형식으로 말뚝이 개발되고 있는데, 대부분 복합재료 를 사용하여 말뚝의 강성을 증가시키거나 말뚝의 형상을 변 화시키는 방법을 주로 사용한다.
복합재료를 사용하는 합성말뚝은 콘크리트 재료에 강재 나 섬유 등으로 보강하는 기법으로 보-기둥에 적용되어 콘 크리트 구조물의 보수보강에 많이 이용되며, 콘크리트를 보 호하고 외부 보강재로서 사용 가능하다. FRP 복합소재는 보 통의 콘크리트와 비교해서 3배 정도 강도를 가지며 최대변 형률은 보통 콘크리트와 비교해서 15배 정도 크다. 국내에 서는 해양수산부(1999, 2000, 2001)의 연구과제에서 국내 시험시공 사례가 다수 있으며, 해외에서는 섬유강화 복합 소재의 현장 적용 사례가 다수 있다(해양수산부, 1999; 이 성우, 2005).
일반적으로 말뚝이 발휘하는 수평저항력은 말뚝 상부에 집중하게 된다. Hybrid Composite Pile(HCP)은 모멘트에 저항할 수 있는 강관말뚝을 상부에, 하부는 축 하중에 저 항할 수 있는 콘크리트 말뚝으로 구성하고 있어, 기존 PHC 말뚝이 가지고 있던 두부 정리 문제를 해결할 수 있을 뿐 만 아니라, 용접 연결부에 대해 보강판으로 보강하여 콘크 리트 말뚝과 강관말뚝 연결부의 파손없이 시공이 가능하다 는 점이 장점이다.
Tapered pile은 말뚝 길이방향으로 단면 크기를 약간씩 변 화시킨 형태의 말뚝을 말하며, 국내에서는 주로 Tapered pile의 연직방향 거동에 대한 연구(이준환 등, 2007a, b)가 수행되고 있으며, 해외에서는 Wei(1998), Naggar and Wei (1999)에 의해 횡방향 거동에 대한 연구가 수행되었다. 연 구 결과를 살펴보면, 말뚝 테이퍼 각도가 횡방향 하중에 미 치는 영향은 크고, 테이퍼 각도가 0.95o일 때 말뚝 횡방향 지지력이 원통형 말뚝에 비해 77% 증대하였으며, Tapered pile의 각도가 p-y 곡선에 미치는 영향을 검토한 결과, 모든 응력 수준에 대하여 Tapered pile에서 훨씬 stiff한 흙의 거 동을 보이고 Tapered piles의 지반반력계수 및 휨 저항 또 한 상대적으로 크게 나타났다. 따라서 말뚝 상부의 단면 확 대로 인해 말뚝의 횡방향 저항력 증대 효과가 뚜렷하게 나 타난다. Tapered 말뚝은 미국 JFK 공항 등 실제 적용 사례 다수 있다(Horvath와 Trochalides, 2004).
팽이 모양의 콘크리트 파일을 설치하여 상부 지반을 보
강하는 팽이기초는 연약지반 현장에 주로 사용하고 있는데, 팽이기초의 지지력에 대한 최치영 등(2007)의 연구 결과에 서 팽이기초는 연직방향 지지력 확보뿐만 아니라 횡방향 지 지력에도 효과를 있는 것으로 나타났다.
3. 개념설계
Fig. 1에서 보이는 것처럼 해양 구조물은 대부분의 하중 을 횡방향 파랑 하중을 지지하도록 설계되어 있다. 이 때 의 힘의 평형상태를 Fig. 2에 나타내었는데, 작용하중 F에 저항하기 위하여 말뚝의 강성(EI)과 지반의 저항력이 발휘 된다. 그런데 지반 위에 노출된 부분에서 거동은 말뚝의 강 성에 의해 결정되지만, 지반 속에 있는 말뚝은 말뚝의 강 성보다는 지반의 저항력에 의해 거동이 결정된다. 또한 지 표면에서 가까운 일정 깊이까지 지반에만 영향을 받게 된 다. 따라서 말뚝의 횡방향 지지력을 향상시키기 위해서는 지표면 아래의 일정부분의 지반을 강화시키거나 지반의 저 항력을 증가시키기 위하여 말뚝의 면적을 증가시키면 된다.
이러한 점에 착안하여 앞에서 설명한 바와 같이 다양한 형태의 말뚝이 사용되고 있지만, 여기에서는 시공성과 경 제적인 측면을 고려하여 새로운 형태의 횡방향 지지력 증
Fig. 1. Concept of Lateral Resisting Mechanism.
Fig. 2. Lateral Resistant Spring Concept.
대 말뚝형태를 제안하였다(한라건설, 2008). 말뚝 상부의 단 면을 증가시키는 방법으로 해양에서 시공의 편이성이 특징 인 석션파일을 도넛 형태로 제작하여 기존 파일과 결합한 방식(버켓보강기초)과 지표면의 다짐 효과가 특징인 팽이기 초를 결합한 방식(팽이보강기초), 상부 지반의 강성을 증가 시키기 위해 시멘트 그라우팅을 하는 방식(그라우팅보강기 초)이다.
석션파일은 해양말뚝의 대표적인 기법으로 말뚝 내부와 외부의 수압차를 유발하여 말뚝의 관입력을 발생시켜 말뚝 이 특별한 항타장치 없이 설치가 가능하며, 특히 수심이 깊 은 곳에서 매우 경제적인 공법이다. 일반적으로 석션파일 은 단면의 크기가 클수록 관입력이 커지기 때문에 길이가 상대적으로 짧고 단면이 넓은 경우가 경제적이다. 이러한 점을 활용하여 기존 말뚝에 도넛형태의 석션파일을 장착하 면 관입과 설치에 유리하고 지반 상부에서 말뚝의 단면을 증가시키는 효과를 발휘할 수 있다. 말뚝의 시공은 육상에 서 석션파일을 기존 말뚝에 장착하여 시공하는 방법과 기 존 말뚝 설치 후 추가적으로 관입하여 결합하는 방식을 검 토할 수 있다.
팽이기초는 기존 연구에서처럼 연직 지지력뿐만 아니라 횡방향 지지력의 증가효과도 있으며 또한 설치과정에서 상 부 지반을 다져주는 효과가 있어 말뚝의 상단에 장착할 경 우, 말뚝의 관입할 때 상부 지반의 다짐 효과와 함께 말뚝 의 단면을 증가시켜 횡방향 지지력의 증가를 기대할 수 있다.
그라우팅 보강기초는 연약한 상부 지반을 시멘트 그라우 팅을 하는 방법으로 원 지반의 상부를 그라우팅한 후 말뚝 을 설치하는 방법과 말뚝 상부에 노즐을 설치하여 해당 위 치까지 관입한 후 그라우팅을 하는 방법을 생각할 수 있다.
이 방법도 지반의 보강과 함께 말뚝 상단의 단면 증가의 효 과도 발휘할 수 있을 것으로 판단하였다.
4. 수치해석을 통한 성능평가 4.1 개요
제안한 횡방향 지지증대 말뚝의 수평 지지 성능을 비교 분석하고자 하는 목적으로 수치모델링을 수행하였다. 앞에 서 설명한 바와 같이 3가지 개념의 보강기법에 대하여 횡 방향 지지 성능을 평가하였으며, 각 개념에 대해 다양한 단 면이나 길이 등 여러 가지 변수조건에 대한 해석도 함께 수 행하였다.
수치모델링 기법으로는 유한요소 범용 프로그램인 ABAQUS Ver. 6.4를 사용하였으며, 모든 경우에 대하여 3차원 해석 을 수행하였다. 국내 대표적 해상 지반조건 고려하여 연약 점성토 지반과 느슨한 사질토 지반에 대한 해석을 각각 수 행하였다.
4.2 수치해석 조건
4.2.1 해석 격자망 및 구성모델
해석에서는 점성토 및 사질토 지반에 대하여 단말뚝 조 건에 대한 3차원 해석을 수행하였다. 점성토 지반의 경우, 횡 방향 재하시 Biot의 혼합 압밀이론 및 대변형 해석을 수행 하였고, 사질토 지반의 경우에는 Mohr-Coulomb 모델을 활 용하였으며 최대한 느슨한 모래지반을 모사하고자 하였다.
지반의 종류 및 두께, 말뚝 및 보강기법의 종류 등 다양 한 조건을 최대한 반영하여 유한요소 격자망을 구축하였다.
지반은 연속체 요소를 활용하였는데, 8절점 3차원 연속체 요소로 구성하였다. 해석 종류에 따라 약간씩 차이가 나타 나긴 하지만, 평균적으로 절점의 개수는 약 17,300개 정도 이고, 요소의 개수는 약 17,000개 정도이다.
점성토 지반의 경우 MCC 모델을 활용하였고, 정규 압 밀 상태로 가정하였다. 즉, 모든 요소에서 p0를 10 kPa로 정 하고 geostatic step에서 정규압밀상태로 자동 설정되도록 하 였다. 그리고 Biot의 혼합 압밀이론을 이용하여 외부 하중 으로 인한 지반의 과잉간극수압 발현 및 압밀 거동을 정확 하게 예측하고자 하였다. 사질토 지반의 경우에는 Mohr- Coulomb 모델을 활용하였다. 지반을 포함한 다양한 부재의 물성치는 다음 Table 1과 Table 2와 같다. Fig. 4는 해석에 사용된 모델의 격자망도의 한 예이다.
4.2.2 말뚝의 등가 탄성계수 결정
해석에서는 콘크리트 말뚝과 강관말뚝을 모두 활용하였 다. 강관말뚝을 3차원적으로 모델링하기 위해서는 쉘요소 (shell) 등을 사용하여 주변 지반에 포함시켜 해석하여야 하
Fig. 3. Concept design of new type pile.
지만, 해석의 편의와 해석 시간 감소를 위해 강관말뚝을 연 속체로 가정하였다. 이때 강관말뚝의 두께는 12 mm로 가 정하였다.
별도의 해석을 통해 강관말뚝을 스틸의 탄성계수로 가 진 쉘요소로 3차원 모델링하고 이에 대한 수평재하를 실 시하여 하중재하곡선을 구하고, 이와 동일한 거동을 보 이는 연속체의 등가 탄성계수를 반복계산을 통해 구하 였다.
4.2.3 말뚝의 설치 및 횡방향 재하
지반의 초기 지중응력 상태가 구현된 이후 말뚝과 보강 기법을 각각 설치하고 횡방향 재하를 실시하였다. 이때 말 뚝 및 보강기법의 시공 과정은 수치모델링에 고려하지 않 았다. 점성토 지반에 대한 해석에서는 비배수 압밀해석을 수행하였는데, 이는 재하동안 압밀이 발생하지 않는다는 가 정 하에 재하로 인해 발생하는 과잉간극수압의 영향을 고 려하고자 한 것이다. 상부 변위가 1 m 발생할 때까지 변형
률 제어 조건으로 재하하여 횡방향 변위-하중 곡선을 산정 하였다. 사질토 지반에 대한 해석에서는 점성토와는 달리 횡방향 재하시 배수가 발생하는 배수 조건에 대한 해석을 수행하였으며, 상부 변위가 0.2 m 발생할 때까지 재하하여 횡방향 변위-하중 곡선을 산정하였다.
4.3 수치해석 결과
Fig. 5는 점성토 지반에서 버켓보강기초에 대하여 횡방향 재하 결과를 수평방향 변위분포 및 수평방향 응력분포, 수 평방향 소성 변형률 분포도로 나타낸 것으로 횡방향 재하 에 따라 말뚝과 지반의 변형특성을 잘 보여주고 있다. 그 림에서는 비교를 위한 목적으로 실제 값보다 4배 확대하여 나타내었다.
Fig. 6은 점성토 지반에 대하여 보강기법에 따른 결과를 비교하여 나타낸 것으로, 지름 0.8 m의 강관 말뚝과 보강 된 기초의 거동을 비교한 것으로 버켓보강기초(버켓 지름 4 m, 길이 6 m)나 팽이보강기초(팽이 상부 지름 3.8 m, 길이 4 m), 그라우팅보강기초(그라우트 지름 2.8 m, 길이 5 m)에 서 횡방향 지지력 증대 효과를 확인할 수 있다. 그러나 제 시한 보강기초를 동일한 크기로 비교할 수 없기 때문에, 보 강기초 사이의 지지력 증대 효과에 대한 정량적인 비교는 불가능 하다. Fig. 7에서는 사질토 지반에서 동일한 조건에 서 횡방향 지지력을 검토한 결과이다.
5. 경제성 분석 5.1 개요
제안한 말뚝기초의 수치해석을 수행 결과를 살펴보면, 기
Table 1. Input parameters of clay ground case
Materials Elastic Modulus
(MPa) Poisson
’s ratio Parameters of MCC Model
λ k M e
0Clay - 0.2 0.25 0.05 1.0 1.0
Rock 50,000 0.2 - - - -
Concrete pile 20,000 0.3 - - - -
Steel pile 200,000 0.1 - - - -
Table 2. Input parameters of sand ground case
Materials Elastic Modulus
(MPa) Poisson
’s ratio Parameters of Mohr-Coulomb Model
c (t/m
2) φ (o) ψ (o)
Sand 3.0 0.27 0.7 25.0 5.0
Rock 50,000 0.2 - -
Concrete pile 20,000 0.3 - -
Steel pile 200,000 0.1 - -
Fig. 4. 3-D Mesh generation.
Fig. 5. Typical analysis results.
존의 말뚝기초보다 대체적으로 2배 이상의 횡방향 지지력 을 발휘하는 것으로 나타났다. 신형식 구조물에 대한 실질 적인 타당성 검토를 위해서는 구조물 자체의 안정성 확보 측면뿐만 아니라 경제적인 측면에서도 검토가 이루어져야 한다. 여기에서는 제안한 말뚝 기초 형식에 대한 경제성 검 토를 수행하였다.
5.2 검토 단면 5.2.1 위치
경제성 평가를 위한 기준 단면은 부산 해경부두의 파제 제와 안벽 조건을 사용하였는데, 부산 해경부두의 설계 당시 사용된 부재와 시공비용을 기준으로 하여 현재 물 가 수준을 반영하여 보정하여 적용하였다. Fig. 8은 해 경부두의 시설의 배치도를 나타낸 것으로 비교대상으로
Fig. 6. Numerical analysis results of new type piles (clay ground condition, D=0.8 m).
Fig. 7. Numerical analysis results of new type piles (sand ground condition, D=0.8 m).
선정된 파제제와 접안시설인 안벽의 위치를 확인할 수 있다.
5.2.2 비교 단면
파제제 기초는 부산 해경부두 파제제 단면(Fig. 9(a))을 대상으로 선정하였는데, 2개의 연직말뚝과 경사말뚝(지름 1.016 m)으로 구성되어 있으며, 비교 단면은 Fig. 9(b)와 같 이 팽이기초(상부 지름 3.8 m, 길이 4 m)가 보강된 말뚝 기 초(지름 0.8 m)를 적용하였다. 버켓보강기초에 대한 검토는 Fig. 10과 같이 연직말뚝(지름 1.016 m)로 구성된 기존 안 벽 단면을 비교대상으로 하여, 버켓기초(버켓 지름 5 m, 길 이 6 m)가 보강된 말뚝 기초(지름 0.8 m)를 검토하였다. 그 라우팅 보강기초는 단순히 지반 보강 효과를 검토하기 위 해 적용하였기 때문에 경제성 평가는 수행하지 않았다.
5.3 검토 결과
파제제 단면과 안벽 단면에 대한 비교 설계를 통해 경제 성을 평가한 결과 다음 Table 3과 같은 결과를 얻었다. 공 사비용의 산정에는 기존 단면과 비교단면 모두 현재 설계 에서 사용하고 있는 2008년 품셈을 적용하였으며 해상장비 비가 포함되어 있어 기존 공법대비 추가 공정에 대한 비용
도 포함하였다. 표에서 신형식 기초는 기존 방법에 비하여 62%~81%까지의 비용으로 매우 경제적인 것으로 나타났다.
상부 구조물 공사비를 포함하면, 전체 공사비의 77%~89%
정도의 비용으로 나타났다. 그러나 산정된 공사비는 말뚝 의 구경이나 본수 등과 현장조건에 따라 유동적이기 때문 에 단순하게 판단할 수 없으나, 제안한 기초형식이 기본 공 법에 비해 말뚝 본수 감소와 해상 작업 공정의 감소에 기여 하기 때문에 공사비의 감소 요인으로 작용한다고 판단된다.
6. 요약 및 결론
횡방향 하중이 지배적인 해양 환경에서 효과적으로 적용 할 수 있는 새로운 형태의 기초를 제안하였으며, 3차원 수 치해석을 통해 제안한 기초에 대한 기본적인 성능을 검토 하였으며 기존의 항만 현장을 대상으로 기존 공법과 제안 기초 공법을 시공 단계를 고려하여 건설 비용을 비교한 결 과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
① 점성토 지반과 사질토 지반에서 기존 강관 말뚝 기초 에서보다 버켓보강기초의 경우에 가장 큰 효율을 발휘하며, 팽이보강기초 및 그라우팅 보강 기초 모두에서 지지력의 증 가가 발생하였는데, 지지력 증가의 비율은 버켓과 팽이, 그
Fig. 8. Investigation site (Busan).
Fig. 9. Comparison section-I.
Fig. 10. Comparison section-II.
Table 3. Construction costs of various pile types
Structure Pile Type Approx. construction costs (*1,000,000 won) Percent of foundation cost (%)
Percent of total cost (%) Foundation Super structure Total
Pier
Normal steel pile 1,915.7 1,298.0 3,213.7 - -
Top reinforced pile 1,553.1 1,297.1 2,850.2 81 89
Bucket reinforced pile 1,184.3 1,297.1 2,481.4 62 77
Wharf Normal steel pile 2,088.5 3,355.9 5,444.4 - -
Bucket reinforced pile 1,499.3 3,352.3 4,851.6 72 89
라우트의 크기와 길이와 관계가 있기 때문에 일관적으로 지 지력 증가율을 판단하는 것은 어렵지만 점토지반에서 0.8 m 지름의 강관말뚝 조건에서 버켓 지름 4 m, 길이 6 m의 보 강 기초는 3.8배 증가하였으며, 상부 지름 3.8 m, 길이 4 m 의 팽이보강기초의 경우에는 1.4배 증가하였다.
② 부산 해경부두 단면에 대한 공사비 검토에서 높아진 지지력으로 인해 말뚝의 설치 본수가 감소하여, 기초의 공 사비만을 비교하면 공사비는 기존 강관 말뚝과 비교하여 62%~81%의 절감효과를 나타내는 것으로 나타났다. 그러나 건설 비용은 재료비와 장비 비용, 시공 과정 등에 따라 유 동적이기 때문에 이 결과를 단편적으로 적용할 수 없으나, 지 지력 효율이 높은 말뚝 기초를 활용하면 경제성을 높일 수 있다는 점의 예시라 할 수 있다.
감사의 글
이 논문은 한라건설(주)의 연구비 지원과제인 ‘횡방향지 지 증대를 위한 상부단면 확대형 해상말뚝 실용화 연구’의 일부이며, 연구 지원에 감사드립니다.
참고문헌
