Analysis of Load Distribution Behavior in Vertical Extension Remodeling from Stiffness of Existing and Reinforcing Pile by Load Test

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(1)한국지반공학회논문집 제36권 8호 2020년 8월 pp. 61 ～ 72 / 특별논문집 제8호 / JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY Vol.36, No.8, August 2020 pp. 61 ～ 72 / NO. 8, Special Publication /. ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2020.36.8.61. 현장 재하시험을 통한 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중분담거동 분석 Analysis of Load Distribution Behavior in Vertical Extension Remodeling from Stiffness of Existing and Reinforcing Pile by Load Test 김 석 중. 1. 2. 왕 성 찬. 3. 한 진 태. Kim, Seok-Jung Wang, Cheng-Can Han, Jin-Tae. Abstract It is generally considered that differences of axial stiffness between exiting pile and reinforcing pile affect the load distribution ratio during vertical extension remodeling. But there are few cases to verify the effect of stiffness by field load test on load distribution ratio in Korea. In this paper, a series of load tests for micropiles were carried out to evaluate the effect of axial stiffness on the load distribution ratio. First, different types of micropiles were constructed so that conventional micropiles simulated existing piles and waveform micropiles simulated reinforcing piles. Secondly, load tests were performed to evaluate the stiffness of each piles. After then, the raft was installed to make a piled raft system and load tests were applied on foundation to verify the effect of axial stiffness on the load distribution ratio. The experimental results show that the stiffness of waveform micropiles were 2.5 times larger than that of conventional micropiles, and the load distribution ratio between existing and reinforcing piles was increased according to axial stiffness of piles.. 요. 지. 수직증축 리모델링시 상부 구조물의 구조적 안정성 확보를 위해서는 기초의 안정성이 우선적으로 확보되어야 한다. 수직증축형 리모델링 구조기준 고시(2014)에 따라, 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따라 상부 하중을 분담하여 지지한다. 하지만, 국내에서는 증축시 활용할 수 있는 기초 보강공법 등에 대하여 연구 주제가 집중되어 있으며, 기존 기초와 보강 기초의 강성 차이에 의한 하중 분담율에 대한 연구는 미비하다. 따라서, 본 연구에서는 현장 재하시험을 통해 수직증축 리모델링시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중 분담 거동에 대하여 분석을 수행하였다. 서로 강성이 다른 일반 및 파형 마이크로파일을 시공하여 기존 말뚝과 보강 말뚝을 모사하고, 각각의 말뚝에 대한 재하시험을 수행하여 각 말뚝의 강성을 산정하였다. 그 후, 기존 말뚝과 보강 말뚝 두부를 연결하는 기초판을 타설하고 기초판 상부에 하중을 재하함으로써 기존 말뚝 및 보강 말뚝의 강성 차이에 따른 하중 분담 거동을 1 정회원, 한국건설기술연구원 인프라안전연구본부 수석연구원 (Member, Senior Researcher, Dept. of Infrastructure Safety Research, Korea Inst. of Civil Eng. and Building Tech.) 2 정회원, 한국과학기술연합대학원대학교 건설환경공학 박사과정 (Member, Graduate Student, Dept. of Civil & Environmental Engrg., Univ. of Science & Technology) 3 정회원, 한국건설기술연구원 인프라안전연구본부 연구위원 (Member, Research Fellow, Dept. of Infrastructure Safety Research, Korea Inst. of Civil Eng. and Building Tech., Tel: +82-31-910-0259, Fax: +82-31-910-0561, [email protected], Corresponding author, 교신저자) * 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2021년 2월 28일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.. Copyright © 2020 by the Korean Geotechnical Society This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.. 현장 재하시험을 통한 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중분담거동 분석. 61.

(2) 분석하였다. 그 결과, 파형 마이크로파일의 강성이 일반 마이크로파일에 비해 약 2.5배 크게 산정되었으며, 이에 비례 하여 하중을 분담하는 것을 확인하였다. Keywords : Axial stiffness, Load distribution, Load test, Reinforcing pile, Vertical extension. 및 시대 변화에 따른 주택 평면에 대한 선호가 변화함에. 1. 서 론. 따라 거주환경 개선 등을 위한 리모델링에 대한 수요는 아파트와 다세대 주택 등 공동주택의 신축은 1980년. 지속적으로 증가하고 있다. 이러한 추세를 반영하여 국. 대 이후 주택보급을 위한 공동주택의 대량공급과 수도. 내에서도 공동주택의 리모델링 시장에 대한 활성화를. 권 신도시 건설로 인해 지속적으로 증가하였으며, 2020. 위해 노력하고 있다. 이를 위해, 2001년에 건축법상 리. 년 2월 현재 전국 약 12,093 동, 10,041,732 세대가 공동. 모델링에 대한 개념 정의를 시작으로 2003년에는 주택. 주택에 거주하고 있다(MOLIT, 2020). 하지만, 이러한. 법 개정을 통한 리모델링 사업성 보완을 위한 제도를. 공동주택들은 준공 이후 약 30여년의 시간이 흐름에 따. 개선하고, 2007년에는 리모델링 연한을 단축, 2012년에. 라 노후화가 진행되는 반면에, 국민들의 생활수준 향상. 는 세대수 증가를 허용하는 등 리모델링 제도가 발전되. Table 1. History of Apartment Housing Remodeling System Related laws. Revision year. Enforcement decree of the building act. 2001.09. - Definition of remodeling (concept and terms). Multi-family housing management act. 2002.03. - Establishment of permission standard for remodeling performance on apartment housing - Permission for expansion after 20 years from completion (10 years for heavy repairs). National land planning and utilization act. 2003.01. - Categorization of the remodeling district. Housing act and enforcement decree of the housing act. 2003.11. - Imposition of the housing remodeling association system - Recognition for the whole district remodeling and remodeling by each apartment - First mitigation of the remodeling agreement rate (100% → 80%). Act on ownership and management condominium building. 2003.11. - Recognition for a special case of remodeling (Land portion is not changed). Enforcement decree of the housing act. 2005.09. - Permission for expansion within 30% of the area for residential use only - Recognition for buildings with Pilotis and permission for vertical expansion of a top floor. Enforcement decree of the restrcition of special taxation act & Housing act. 2006.02. - Zero-rating (VAT exemption) for remodeling - Zero-rating for expansion within 30% of existing national housing. Enforcement decree of the housing act. 2007.03. - Retrenchment of allowable year for remodeling from 20 years to 15 years (prescribe ordinance for the period under 15~20 years). Housing act. 2012.01. - Increasing the scope of expansion under 85 m2 (30% → 40%) - Permission for the increasing the number of household within the range of expandable area (allow within 10% of the existing number of household for horizontal/annex extension and household division) - Establishment of urban planning deliberation for remodeling with the increment in the number of household. Housing act. 2013.06. - Remodeling expanded enforcement for increasing the number of stories and permission for the increment in the number of household (under 14th: 2 stories, over 15th: 3 stories, permission for the increasing the number of household within 15% of existing number of household). Enforcement decree of the housing act. 2017.02. - Second mitigation of the remodeling agreement rate (80% → 75%). 62. Main contents. 한국지반공학회논문집 제36권 제8호 / 특별논문집 제8호 /.

(3) 어 왔다. 그리고, 2013년에는 국토교통부에 주택법 개정. 시공 당시의 지지성능이 현재에서도 발휘될 수 있는지. 을 통해 최대 3개층까지 수직증축 리모델링을 허용하는. 정확히 파악하기가 어렵다. 또한, 수직증축 리모델링시. 방침을 발표하였다. Table 1에 리모델링 제도의 연혁 및. 2∼3개 층이 증축되며 추가되는 하중을 지지하기 위하. 주요 변천사를 정리하였다. 이러한 제도적 개선을 통해. 여 필연적으로 기존 말뚝 이외에 보강 말뚝을 설치해야. 공동주택의 리모델링이 가능해짐에 따라 최근에는 수. 한다. 이때, 수직증축형 리모델링 구조기준 고시(2014). 직증축시 활용할 수 있는 기초보강공법에 관한 연구. 에 따라, 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에. (Jang et al., 2019; Wang et al., 2019)나 벽체의 내진보. 따라 상부 하중을 분담하여 지지한다. Fig. 1에 정리한. 강공법에 관한 연구(Choi and Bae, 2019)와 같이 구조적. 바와 같이, 기존의 해석방법에서는 증축 전에 기초 구. 안정성을 확보하는 연구가 수행되고 있다. 또한, 상기한. 조물이 받고 있던 연직 하중과 증축 후에 추가되는 증. 공학적 연구뿐만 아니라, 공동주택 리모델링에 대한 거. 축 하중을 기존 말뚝과 신설되는 보강 말뚝이 동시에. 주민 선호도 연구(Choi et al., 2019)나 주거만족 영향요. 분담하는 것으로 간주하여, 기존 말뚝의 분담하중을 과. 인 분석(Kim et al., 2019)과 같이 주거환경 개선에 대한. 소평가하고, 보강 말뚝이 분담하는 하중을 과대평가한. 연구나 사업성 평가 모델 개발(Koh et al., 2019), 리모델. 다는 오류가 있었다. 하지만, 국토교통부 고시 개정(국. 링 정책 연구(Kim and Lee, 2019) 등 인문사회학적 연. 토교통부 고시 제 2014-341호, ‘수직증축형 리모델링. 구도 다양하게 진행되고 있다.. 구조기준’)을 통해 시공단계를 고려하여 해석함으로써. 수직증축 리모델링시 상부 구조물의 구조적 안정성. 기존의 연직 하중은 기존 말뚝이 부담하고, 증축하중은. 을 확보하기 위해서는 기초의 안정성이 우선적으로 확. 기존 말뚝과 신설 말뚝이 분담하여 보다 정확한 기초. 보되어야 한다. 기본적으로 리모델링 대상이 되는 공통. 안정성 평가를 수행하도록 하였다(MOLIT, 2014). 이. 주택의 경우, 약 30여년 전에 설계 및 시공, 준공이 되. 때 기존 말뚝과 신설 말뚝의 기초 강성에 따라 상부 하. 었다는 점에서 기초구조물에 대한 정확한 성능을 평가. 중을 분담하여 지지하는 원칙에 의거하여 해석을 수행. 하기 어렵다. 기초구조물의 제원이나 배치를 확인할 수. 하여야 한다. 하지만, 국내에서는 기존 기초와 보강 기. 있는 도면, 성능시험 자료 등이 확보되지 않는 경우가. 초의 강성 차이에 의한 하중 분담율에 대한 연구는 미. 많으며, 지상에 노출되어 있는 상부 구조물과 달리 지. 비한 수준이며, 최근 3차원 유한요소 해석을 통한 기존. 층 하부에 매립되어 있는 기초구조물의 특성상 설계 자. 말뚝 및 보강말뚝의 강성차이에 따른 하중분담율에 대. 료에 부합하게 시공되었는지, 말뚝 배치는 정확한지,. 한 연구가 진행된 바 있으나(Jeong et al., 2019; Kim. (a) Before revision. (b) After revision (2014.12). Fig. 1. Principle of load distribution for vertical extension remodeling. 현장 재하시험을 통한 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중분담거동 분석. 63.

(4) et al., 2019), 실제 말뚝과 현장 조건을 고려한 실규모 실험에 의한 검증이 부족한 실정이다. 또한, 리모델링 대상 구조물의 기존 기초구조물은 PC 말뚝이나 PHC 말뚝을 주로 사용하였으나, 보강말뚝의 경우 일반적으 로 마이크로파일을 사용한다. 이렇게 다른 종류의 말뚝 은 재료 물성치와 시공 시점이 달라 하중-침하거동이 상이하기 때문에 이에 대한 연구가 필요하지만, 서로 다른 형식의 기존 기초와 보강 기초에서의 증축시 하 중분담 메커니즘에 대한 연구가 부족한 실정이다(Jeong et al., 2019). 따라서, 본 연구에서는 현장 재하시험을 통해 수직증 축 리모델링시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중 분담 거동에 대하여 분석을 수행하고자 하였다. 서 로 강성이 다른 일반 및 파형 마이크로파일을 시공하여 기존 말뚝과 보강 말뚝을 모사하고, 각각의 말뚝에 대한 재하시험을 수행하여 각 말뚝의 강성을 산정하였다. 그 후, 기존 말뚝과 보강 말뚝 두부를 연결하는 기초판을 타설하고 기초판 상부에 하중을 재하함으로써 기존말 뚝 및 보강말뚝의 강성 차이에 따른 하중분담 거동을 분석하였다.. Fig. 2. Soil profiles and SPT N variations of the test sites. 구성 및 표준관입시험을 통해 평가된 SPT N값을 보여. 2. 강성 산정을 위한 말뚝 시공 및 재하시험. 준다. 총 18.0m 심도까지 시추조사를 수행하였으며, 상 부 약 5.4m의 층후로 매립토층과 전답토층이 분포하며,. 2.1 지반조건 90년대에 시공된 수직증축 리모델링의 대상이 되는 공 동주택의 경우 기초 조건이 타격식 또는 SIP(Soil-cement Injected Precast Precast Pile) 방식으로 시공되었으며, 재료에 따라 PC 말뚝이 일반적으로 사용되었다(Choi et al., 2017). 유압해머로 말뚝의 두부를 가격하여 지중에 말뚝을 관입시키는 타입 말뚝의 특성상 단단한 지층에 말뚝이 깊이 관입되기는 어려우며, 말뚝 시공 당시의 해 머 효율을 고려하였을 때, 대부분의 말뚝은 풍화토층을 통과하여 풍화암 상단에 관입되었을 것으로 판단된다. 일례로, 1995∼1997년 아파트 신축을 위해 수행된 SIP-PC 말뚝의 현장 압축 정재하 시험을 분석한 결과에 따르면, PC 말뚝의 길이가 5.4∼15.8m로 풍화암층 상단에 말뚝. 6.6m의 풍화토층 아래 풍화암층이 분포하였다. 풍화토 층은 중간 심도에서 채취한 시료를 통해 확인한 결과 통일분류법에 의해 SM(실트질 모래)로 분류되어, Kwon (1998)이 정리한 국내 풍화토의 대표적인 분류(SW∼SM) 와 유사하게 나타났다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이, 풍화토 및 풍화암층의 SPT N값은 심도가 깊어짐에 따라 증가하는 경향을 보 였고 이는 모암의 풍화도가 심도에 따라 감소하기 때문 으로 판단된다(Lee, 1993). 또한, 풍화암층은 KGS(2018) 기준을 적용하여 SPT N값이 50/15 이하인 경우를 풍화 암으로 분류하여 지층을 확인하였다. 2.2 말뚝시공. 이 관입되었을 것으로 판단하였다(Choi et al., 2017).. 본 연구에서는 서로 다른 강성의 기존 말뚝과 보강. 따라서, 본 연구의 말뚝 시공 및 재하시험은 국내의. 말뚝에서의 하중 분담 거동을 확인하고자 하였기 때문. 대표적인 지층구조인 풍화대층(풍화토 및 풍화암층)으. 에, 강성이 서로 다른 두 종류의 말뚝을 시공하였다. 보. 로 구성된 현장에서 수행되었다. Fig. 2는 시험말뚝이. 강 말뚝은 실제 현장에서 기초보강에 자주 활용되는 파. 설치된 위치에서 수행된 지반조사 결과로 심도별 지층. 형 마이크로파일을 적용하였다. 실제 수직증축 리모델. 64. 한국지반공학회논문집 제36권 제8호 / 특별논문집 제8호 /.

(5) Fig. 3. Typical micropile construction sequence using casing. Fig. 4. Waveform micropile construction sequence. 링 현장에서의 기존 말뚝은 시공 후 약 30여년 된 PC 또. 사용하여 토사층에서의 그라우트체 전단키로 이루어진. 는 PHC 말뚝이지만, 현장 실험에서 이를 모사할 수 없. 파형의 형상으로 고결시킴으로써 토사층에서의 강성과. 기에, 보강 말뚝보다 강성이 작은 일반 마이크로파일을. 지지력을 극대화하는 공법이다(Jang et al., 2016; Jang. 적용하여 기존 말뚝을 모사하였다. Fig. 3과 Fig. 4에 일. et al., 2018; Jang, 2018).. 반 마이크로파일과 파형 마이크로파일의 시공순서를 정. 본 연구에서는, 기존 말뚝을 모사하는 일반 마이크로. 리하였다. 일반 마이크로파일은 천공 후 강봉을 삽입하. 파일 5 본과 보강 말뚝을 모사하는 파형 마이크로파일. 고 그라우팅을 주입하여 시공을 완료하는데 반해(FHWA,. 3 본을 각각 시공하였다. 일반 마이크로파일은 150mm. 2005), 파형 마이크로파일은 제트그라우팅 분사공법을. 직경으로 천공한 시추공에 50mm의 강봉을 삽입한 후. 현장 재하시험을 통한 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중분담거동 분석. 65.

(6) 그라우팅을 주입하여 시공하였으며, 파형 마이크로파일. 문에, 일정을 고려하여 말뚝을 배치하였다. 또한, 말뚝. 은 전단키의 직경은 500mm, 전단키가 없는 부분의 직. 간 군말뚝 효과가 발생하여 각각의 말뚝의 지지거동에. 경을 300mm가 되도록 제트그라우팅을 분사한 후 50mm. 영향을 미치지 않도록 말뚝 중심간 간격이 최소 파형마. 의 강봉을 삽입하고 그라우팅을 주입하여 시공하였다.. 이크로파일 최외측 직경(500mm)의 2.5배 이상이 되도. 또한, 각 말뚝의 길이는 선행된 지반조사 보고서를 토대. 록 말뚝을 배치하였다(Cho, 2010).. 로 일반 마이크로파일과 파형 마이크로파일의 설계하. 우선, 각각의 마이크로파일에 대하여 정재하시험을. 중은 본당 40ton으로 가정하여 말뚝의 길이를 산정하였. 통한 말뚝별 강성을 산정한 후, 점선으로 표시된 형태와. 으며, 그 결과 일반 마이크로파일은 풍화암에 근입하였. 같이 기초판을 타설하여 2 × 2 배치의 일반 마이크로파. 으며, 파형 마이크로파일은 토사층에 정착하였다. Table. 일 4 본 중앙에 1 본의 파형 마이크로파일이 배치한 기. 2에 일반 및 파형마이크로파일의 수량 및 지층별 근입. 존말뚝-보강말뚝 기초체(가로 × 세로 × 두께 = 3.0m ×. 깊이를 정리하였다.. 3.0m × 0.8m)를 시공하였다. 그리고 기초판 양생 이후,. 시공 단면도 및 배치도는 아래 Fig. 5와 같다. 5 본의. 기초판 상부에 하중을 가하고, 4 본의 일반 마이크로파. 일반 마이크로파일과 3 본의 파형 마이크로파일에 대하. 일과 1 본의 파형 마이크로파일에 가해지는 하중을 측. 여 각각의 강성을 산정하기 위한 재하시험이 수행되어. 정함으로써 강성 차이에 따른 하중분담율을 분석하고. 야 하며, 그 이후, 기초판 타설 및 하중재하를 통한 하중. 자 하였다. Fig. 6에 말뚝 시공 전경과 기초판 설치 후. 분담 거동 파악을 위한 재하시험이 수행되어야하기 때. 하중재하시험 전경을 제시하였다.. Fig. 5. Pile arrangement and layout for the micropile construction Table 2. Embedded length of each micropiles Type. Cases. Embedded length. Note. Conventional micropiles. 4. L = 15.7 m (weathered soil 12.0 m + weathered rock 3.0 m). Simulate the existing piles under raft (CM-1, CM-2, CM-4, CM-5). Conventional micropiles. 1. L = 18.0 m (weathered soil 12.0 m + weathered rock 6.0 m). Simulate the existing piles outside raft (CM-3). Waveform micropiles. 3. L = 10.8 m (weathered soil 10.8 m). Simulate the reinforcing piles (WM-1, WM-2, WM-3). 66. 한국지반공학회논문집 제36권 제8호 / 특별논문집 제8호 /.

(7) (a) Construction view of pile. (b) Construction view of raft. Fig. 6. Construction view of pile and raft. 재하시험법이 적용된다(ASTM, 1981). 표준재하시험법. 2.3 말뚝재하시험 방법. 은 말뚝두부의 침하율이 시간당 0.25mm 이하가 될 때 말뚝 재하시험시에는 재하하중 이상의 반력 시스템. 까지 하중을 유지해야하기 때문에, 하중단계의 지속시. 을 갖추어야 시험 말뚝에 하중을 재하할 수 있다. 본 말. 간이 제 각각이므로 재하시험의 결과 및 분석의 신뢰성. 뚝재하시험에서는 말뚝 및 기초판 상부에 재하대를 설. 이 떨어지고, 총 8 단계에 걸쳐 최대 하중(설계하중의. 치하고 시험말뚝 주변에 시공된 반력앵커를 이용하여. 200%)까지 재하하기 때문에, 재하시험결과로 얻는 하. 반력을 확보함으로써 고하중의 시험 하중에서도 정확. 중-변위 곡선 등의 형태가 부드럽지 않아 결과분석이. 한 계측을 가능하도록 하였다. Fig. 7에 말뚝 및 반력. 용이하지 않을 수 있다고 알려져 있다(Fellenius, 1990).. 시스템을 포함한 정재하시험의 투시도와 평면도를 나. 이에 반해, 급속재하시험법은 설계하중의 10∼15% 수. 타내었다.. 준의 재하하중을 15∼20단계 정도로 나누어 하중을 재. 말뚝재하시험은 일반적으로 표준재하시험법과 급속. 하하고, 각 단계별 하중 유지시간을 5분 정도로 유지하. (a) Perspective view. (b) Plane view Fig. 7. Schematic of pile load test. 현장 재하시험을 통한 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중분담거동 분석. 67.

(8) 며 2∼4회 측정하기 때문에, 이러한 문제점을 극복할 수. 을 Fig. 8에 각각 도시하였다. 앞 장에서 언급한 바와. 있다(Kim et al., 2006). 따라서, 본 연구에서는 ASTM. 같이, 기초판 하부에 위치하는 4본의 일반 마이크로파. (1981)에서 제시하고 있는 급속재하시험법을 이용하여. 일과 1 본의 파형 마이크로파일은 말뚝의 파괴(극한)가. 말뚝재하시험을 수행하였다.. 발생하지 않도록 하중을 80ton까지 하중을 재하하였으. 또한, 최대 재하하중은 말뚝의 설계하중과 시험 순서. 며, 기초판 하부에 위치하지 않는 1 본의 일반 마이크로. 를 고려하여 결정하였다. 본 재하시험에서는 각 말뚝별. 파일과 2 본의 파형 마이크로파일에 대해서는 침하량이. 강성을 확인하기 위한 재하시험을 수행한 후, 강성에 따. 75mm 발생시 또는 파괴하중이 확인될 때까지 재하시. 른 하중분담거동을 확인하기 위한 기초판 시공과 재하. 험을 수행하였다.. 시험이 추가로 수행되었다. 따라서, 강성 확인을 위한. 축방향 말뚝 재하시험결과로부터 얻은 하중-침하곡. 재하시험시 기초판 하부에 위치하는 4 본의 일반 마이. 선을 바탕으로 말뚝기초의 허용 지지력을 판정하는 데. 크로파일과 1 본의 파형 마이크로파일은 말뚝의 파괴. 에는 일반적으로 하중-침하곡선의 기울기가 급격히 변. (극한)가 발생하지 않도록, 설계하중 40ton의 200%인. 화하여, 작은 하중 증가에 대해서도 큰 침하가 발생하는. 80ton까지 하중을 재하하였다. 단, 기초판 하부에 위치. 하중에서 지반이 파괴되었다고 판단한다. 이때의 하중. 하지 않는 1 본의 일반 마이크로파일과 2 본의 파형 마. 을 극한하중으로 정의하며, 이에 대하여 3.0의 안전율을. 이크로파일에 대해서는 파괴하중이 확인될 때까지 재. 적용하여 허용지지력을 산정한다. 하지만, 재하장비 및. 하시험을 수행하였다. 강성 확인 후, 하중분담거동 측정. 현장조건에 의해 대부분의 말뚝 재하시험에서는 지반. 을 위한 재하시험 수행시에는 5 본의 기초판 상부에 총. 이 파괴에 이르는 하중을 재하하기 어렵기 때문에 극한. 200ton까지 하중을 재하하였다. 이는 설계하중인 40ton. 지지력을 직접 확인하기 어려운 실정이다. 이에 따라 하. 말뚝 5 본의 상부 기초판에 설계하중만큼의 사용하중이. 중-침하곡선의 기울기가 급변하기 시작하는 점을 항복. 재하되는 것을 가정한 값이다.. 하중으로 정의하거나(P-S 곡선 도해법), 말뚝의 탄성침 하량과 선단부 지반의 탄소성 침하량을 고려한 Davisson. 3. 말뚝재하시험 결과 및 분석 3.1 축방향 하중-침하 곡선 및 허용지지력. 방법으로 항복하중을 결정하고, 이에 대하여 안전율 2.0 을 적용하여 허용지지력을 산정한다(KGS, 2018). 또한, 발생한 침하량을 바탕으로 극한하중을 산정하는 다양 한 방법들이 제안되어 왔으며, 말뚝 직경의 10%에 해. 각각의 말뚝 재하시험으로부터 기존 말뚝을 모사한. 당하는 전침하량이 발생하였을 때의 하중을 전침하량. 5 본의 일반 마이크로파일과 보강 말뚝을 모사한 3 본. 으로 산정하는 덴마크기초실용기준이나 25.4mm 기준. 의 파형 마이크로파일의 축방향 하중-침하곡선(P-S curve). (Terzaghi and Peck, 1967; Touma and Reese, 1974)이 널리 이용되며, 이때는 안전율 3.0을 적용한다. 본 연구에서는 대부분의 말뚝에 대하여 설계하중 40ton 의 약 200%인 80ton까지 하중을 재하하였기 때문에, 말 뚝의 항복하중이나 극한하중을 확인하기 어려웠다. 이 에 따라, 침하량 25.4mm 기준을 적용하여 극한하중을 판정할 수 있는 경우는 극한하중에 안전율 3.0을 적용하 고, 최대 재하하중까지 극한을 확인하기 어려운 경우는 최대 재하하중이나 Davisson 방법으로 구한 항복하중에 안전율 2.0을 적용하여 허용지지력을 산정하였다. 이때, 일반 마이크로파일과 파형 마이크로파일의 형상과 말 뚝 길이가 서로 상이하기에, 이를 고려하여 말뚝 종류별 Davisson 기준선을 각각 도시하였으며, 두 방법 이상으 로 허용지지력을 산정할 수 있는 경우는 보수적인 판단. Fig. 8. Load-Settlement curves for micropiles. 68. 한국지반공학회논문집 제36권 제8호 / 특별논문집 제8호 /. 을 위해 최소값을 허용지지력으로 산정하였다. 허용지.

(9) Table 3. Summary of bearing capacity of micropiles 1). 2). 3). Total settlement (mm). Yielding load (ton). Yielding load (ton). Ultimate load (ton). Minimum allowable load (ton). 80.1. 9.88. 80.0. -. -. 40.0. 80.0. 13.12. 80.0. -. -. 40.0. CM-3. 190.0. 69.43. -. 140.0. 137.0. 45.67. CM-4. 80.0. 22.91. 80.0. 56.4. -. 28.2. Pile No.. Maximum applied load (ton). CM-1 CM-2. CM-5. 80.0. 33.59. -. 30.2. 66.3. 15.1. WM-1. 175.0. 40.78. -. 161.0. 169.6. 56.5. WM-2. 170.0. 47.50. -. 150.0. 161.3. 53.8. WM-3. 80.0. 6.05. 80.0. -. -. 40.0. 1) 2) 3). Maximum applied load, Factor of safety = 2.0 for yielding load Davisson Criteria (Δ=PL/EA + D/120 + 3.81(mm)), Factor of safety = 2.0 for yielding load Settlement = 25.4 mm, Factor of safety = 3.0 for Ultimate load. 지력 산정 결과는 Table 3에 정리하였다. 허용지지력을. 이를 통해 산정한 말뚝 강성(  ) 값을 아래 Table 4에. 비교한 결과(CM-3, WM-1, WM-2), 파형 마이크로파일. 정리하였다. 일반 마이크로파일과 비교하여 파형 마이. 의 지지력이 일반 마이크로파일의 지지력보다 약 20%. 크로파일의 경우 전단키로 인해 단면과 주면적이 커지. 크게 나타남을 확인하였다.. 기 때문에, 동일한 설계하중(40ton) 재하시 침하량이 더 작게 발생하며, 그로 인해 강성이 크게 산정되는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 파형 마이크로파일의 강성은. 3.2 말뚝 강성 산정. 대체로 일관되게 결정되었으나, 일반 마이크로파일의 말뚝의 수직 강성, 축방향 스프링정수(  )는 말뚝 축. 강성은 비교적 편차가 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는. 방향으로 단위변위량을 발생시키는 축방향력으로 정의. 파형 마이크로파일과 달리 일반 마이크로파일의 경우. 할 수 있다. 말뚝의 축방향 강성은 재하시험으로 구한. 시공 상태가 고르지 못하며, 현장 실험이 동절기에 수행. 하중-침하량 곡선으로부터 구하는 것이 가장 신뢰성이. 되어, 동결/융해를 반복하며 볕이 드는 방향 쪽의 지반. 높으며, 도로교 설계기준 해설에서는 하중-침하량곡선. 이 약해졌기에 강성이 작게 나오고, 반대쪽의 강성은 크. 으로부터 logP-logS 곡선법 등을 이용하여 판정되는 항. 게 나온 것으로 판단된다. 따라서, 일반 마이크로파일의. 복지지력에서의 할선 기울기를 실측  로 정의하고 있. 강성 산정시 최대값 및 최소값을 제외한 평균값을 파형. 다(KHS, 2008). 하지만, 본 연구에서의 재하시험 결과. 마이크로파일의 강성과 비교하였다. 기존 말뚝을 모사. (Fig. 8)에서는 하중-침하 곡선을 통해 항복지지력을 산. 한 일반 마이크로파일의 강성( )의 평균은 약 60 . 정할 수 없었기 때문에, 설계하중인 40ton에서의 할선. 이며, 보강 말뚝을 모사한 파형 마이크로파일의 강성의. 기울기를 각 말뚝의 축방향 스프링정수( )를 산정하였. 평균은 약 154  으로 일반 마이크로파일에 비해. 다. 각 말뚝별 설계지지력인 40ton에서의 발생변위와. 약 2.5배 큰 것을 확인하였다.. Table 4. Summary of stiffness (  ) of micropiles Pile No.. Design load (ton). Settlement at design load (mm). kv (N/mm2). CM-1. 40.0. 3.99. 98,369. CM-2. 40.0. 6.19. 63,328. CM-3. 40.0. 5.65. 69,381. CM-4. 40.0. 8.35. 46,946. CM-5. 40.0. 13.07. 29,992. WM-1. 40.0. 2.49. 157,430. WM-2. 40.0. 2.47. 159,026. WM-3. 40.0. 2.88. 136,348. Note. 2. Average : 59,885 N/mm (except the min. and Max. values). 2. Average : 154,160 N/mm. 현장 재하시험을 통한 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중분담거동 분석. 69.

(10) 3.3 말뚝 강성에 따른 하중분담거동 분석. 재하되는 것을 가정한 값이다. 재하시험 결과인 기초판 의 하중-침하 곡선은 Fig. 9에 제시하였다. 기초 시스템. 본 재하시험에서는 각 말뚝별 강성을 확인을 위한 재. (Piled raft)의 변위는 기초판 측면 4 면에 부착한 LVDT. 하시험을 수행한 후, 강성에 따른 하중분담거동을 확인. 로 측정한 변위의 평균값을 기초의 변위로 산정하였으. 하기 위한 기초판 시공과 재하시험이 추가로 수행되었. 며, 전체 하중은 재하시험시 유압 실린더의 하중계를. 다. Fig. 5와 Fig. 6(b)에 나타낸 것처럼 4 본의 일반 마. 통하여 측정하였다. 또한, 기존 말뚝을 모사한 4 본의. 이크로파일과 1 본의 파형 마이크로파일의 두부를 연결. 일반 마이크로파일과 보강 말뚝을 모사한 1 본의 파형. 하는 기초판을 시공하고, 양생 후 기초판 상부에 유압잭. 마이크로파일에 가해지는 하중은 말뚝 두부의 변형률. 과 반력 앵커를 이용한 반력시스템을 활용하여 총 200. 계를 통해 계측된 변형률에 말뚝 강성을 곱하여 산정하. ton의 하중을 재하하였다. 이는 설계하중이 40ton인 말. 였다.. 뚝 5 본의 상부 기초판에 설계하중만큼의 사용하중이. Fig. 9의 결과에 따르면, 기초판(raft)이 지반과 완벽 히 이격되지 못하고 지중에 접촉하였기 때문에 말뚝을 제외한 기초판에 의해 하중의 일부를 지지하는 것을 확 인할 수 있었다. 하중 단계에 따라, 기초판이 직접 지지 하는 하중은 각 하중 단계의 27∼40% 수준으로 나타났 다. 수치해석과 1-g 모형 실험을 활용한 기존 연구들에 따르면, 말뚝지지전면기초에서 전면기초의 하중분담율 은 약 30% 정도로 알려져 있으며, 본 실험에서의 결과 역시 그와 유사한 결과를 보였다(Jeong et al., 2017; Wang et al., 2019). 다만, 본 연구에서는 말뚝강성에 따른 하 중분담거동을 분석하는데 그 목적이 있기 때문에, 강성 이 다른 파형 마이크로파일과 일반 마이크로파일의 하 중분담율을 직접 비교하였다. 그 결과를 Fig. 10에 제시. Fig. 9. Load-Settlement curves for piled raft. 하였다.. Fig. 10. Load distribution ratio between conventional and waveform micropiles. 70. 한국지반공학회논문집 제36권 제8호 / 특별논문집 제8호 /.

(11) 하중단계별로 각 말뚝별 하중분담율을 분석한 결과,. 이 큰 보강말뚝을 적용하는 경우, 강성에 비례하여. 1 본의 파형 마이크로파일이 평균 28%의 하중을 분담. 보강기초가 기존기초보다 증축하중을 더욱 많이 분. 하였으며, 1 본의 일반 마이크로파일이 평균 18%의 하. 담할 수 있을 것으로 예상된다.. 중을 분담하는 것으로 확인되었다. 또한, 일반 마이크로. (3) 다만, 기초판이 지반과 완벽히 이격되지 못하고 지. 파일 내에서도 강성이 큰 말뚝(CM-1)이 강성이 작은 말. 중에 접촉하였기 때문에 말뚝을 제외한 기초판에. 뚝(CM-5)보다 더 큰 하중을 분담하였으며, 말뚝간 강성. 의해 하중의 일부를 지지하는 것을 확인할 수 있었. 에 따라 하중 분담율이 비례함을 확인하였다. 이는 수직. 으며, 하중 단계에 따라, 약 27∼40%의 하중을 기초. 증축시 증축하중에 대하여 기존 기초 및 보강 기초의. 판이 직접 분담하였다. 본 연구에서는 강성이 다른. 강성에 따라 상부의 하중을 강성에 비례하여 분담함을. 파형 마이크로파일과 일반 마이크로파일의 하중분. 실험적으로 확인할 수 있었다.. 담율을 직접 비교하는데 국한되었기 때문에, 추후에 기초판을 고려한 하중분담거동에 대하여 추가 연구 가 필요하다고 판단된다.. 4. 결 론 본 연구에서는 현장 재하시험을 통해 수직증축 리모. 본 연구는 수직증축 리모델링시 기존 말뚝과 보강 말. 델링시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중 분담. 뚝의 강성 차이에 따른 하중분담거동에 관한 것이다. 현. 거동에 대하여 분석을 수행하고자 하였다. 서로 강성이. 재 수직증축 리모델링 설계에 있어, 기존 말뚝과 보강. 다른 일반 및 파형 마이크로파일을 시공하여 기존 말뚝. 말뚝의 강성차이에 하중분담거동이 명확히 연구되지. 과 보강 말뚝을 모사하고, 각각의 말뚝에 대한 재하시험. 않아 보강 말뚝의 지지 성능이 불확실하거나 수량이 과. 을 수행하여 각 말뚝의 강성을 산정하였다. 그 후, 기존. 도하게 산정되는 등 많은 어려움을 겪고 있다. 본 연구. 말뚝과 보강 말뚝 두부를 연결하는 기초판을 타설하고. 에서는 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성을 달리하여 증축. 기초판 상부에 하중을 재하함으로써 기존말뚝 및 보강. 하중을 가하였을 때 하중분담거동을 현장 실험을 통해. 말뚝의 강성차이에 따른 하중분담 거동을 분석하였다.. 확인하였으며, 이에 대한 연구 결과는 향후 수직증축 리. 이로부터 다음의 연구 결과를 도출할 수 있었다.. 모델링시 기초 설계시 보강 말뚝의 지지력을 강성을 바. (1) 말뚝 재하시험을 통해 기존 말뚝을 모사한 5 본의 일반 마이크로파일과 보강 말뚝을 모사한 3 본의 파 형 마이크로파일의 축방향 하중-침하곡선을 도출하 고, 이로부터 각 말뚝의 허용지지력과 수직강성(  ). 탕으로 효과적으로 유추할 수 참고자료로 활용할 수 있 을 것으로 기대된다. 또한, 보강 기초의 강성을 바탕으 로 가장 적합한 보강 말뚝 공법을 선정하거나 말뚝의 수량을 적절히 산출하는 등 보다 효율적인 기초 설계의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.. 을 도출하였다. 재하실험 결과 파형 마이크로파일 의 지지력이 일반 마이크로파일의 지지력보다 약. 감사의 글. 20% 크게 나타남을 확인하였으며, 강성은 약 2.5배 큰 것을 확인하였다.. 본 연구는 국토교통과학기술진흥원 주거환경연구사. (2) 4 본의 일반마이크로파일과 1본의 파형 마이크로파. 업 중 “저비용･고효율의 노후 공동주택 수직증축 리모. 일 두부를 연결하는 기초판을 시공하고, 그 상부에. 델링 기술개발 및 실증” 과제의 지원으로 수행되었으며,. 재하하중을 가함으로써 기초시스템에서 강성에 따. 이에 감사드립니다.. 른 하중분담거동을 확인하였다. 그 결과, 1 본의 파 형 마이크로파일이 평균 28%의 하중을 분담하였으. 참고문헌 (References). 며, 1 본의 일반 마이크로파일이 평균 18%의 하중을 분담하는 것으로 확인되었다. 또한, 일반 마이크로. 1. ASTM D 1143-81 (1981), Standard Test Method for Piles Under. 파일 내에서도 강성이 큰 순서대로 많은 하중을 분. Static Axial Compresive Load, American Society for Testing and Materials.. 담하였으며, 말뚝간 강성에 따라 하중 분담율이 비. 2. Cho, C.H. (2010), “Piling Engineering Practice”, E&G book.. 례함을 확인하였다. 즉, 수직증축 리모델링시 강성. 3. Choi, C.H., Lee, H.J., Choi, K.S., You, Y.C., and Kim, J.Y. (2017),. 현장 재하시험을 통한 수직증축시 기존 말뚝과 보강 말뚝의 강성에 따른 하중분담거동 분석. 71.

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