파형 마이크로파일을 이용한 교대 기초 시공사례

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(1)기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.33, No.2 | pp.19~28. 파형 마이크로파일을 이용한 교대 기초 시공사례. 박기원. 최재익. 편명철. 한진태. 장영은. ㈜대련건설 전무 ([email protected]). ㈜대련건설 이사 ([email protected]). ㈜대련건설 대표이사 ([email protected]). 한국건설기술연구원 지반연구소 수석연구원 ([email protected]). 과학기술연합대학원 대학교 (UST) 박사수료 ([email protected]). 1. 서론. 지지력을 확인 하였다. 본 기술기사에서는 파형마이크로파일 공법의 소개. 본 현장은 수원∼광명 고속도로가 개통되면서 차량 이 증가하여 상습 정체구간이 되어 이를 해결하기 위. 와 함께 현장의 시공여건, 지반특성, 설계개요 및 시공 순서에 관하여 간략히 기술하고자 한다.. 해 기존 호매실IC교를 확폭(방향별 1차로)하는 확장공 사 현장이다. 당초 설계에는 확폭부 신설 교대기초로 기존 교대에. 2. 공사개요. 적용되었던 형식과 동일한 강관파일 기초의 적용이 예 정되어 있었다. 그러나 교대 근접 부근에서의 협소한. 2.1 현장 시공여건. 현장여건을 고려할 때, 대형 시공장비가 필요한 강관 파일 기초는 시공성이 떨어질 것으로 판단되었다.. 호매실 IC교는 양방향 1차로 확장교량으로서 당초. 이에 따라 시공사(두산중공업) 및 감리단(동명기술. 설계에 적용된 확장구간의 교대기초인 강관말뚝(Ф. 공단)에서는 강관파일 기초를 최근에 개발된 파형마이. 508×12T) 시공시 수원~광명 고속도로 구간의 금곡. 크로파일로 설계 변경하여 시공성을 개선하고자 하였. 지하차도 상단(과천방향 A1, A2)에 장비거치 후 강관. 다(한국건설기술연구원, 2016). 파형 마이크로파일 시. 파일 항타 작업이 불가피한 현장여건이었다.. 공 후에는 현장재하시험(인장재하, 수평재하)을 통해. 강관파일 항타장비가 대형장비(크레인 80T, 발전. 2017. 3 Vol.33, No.2 • 19.

(2) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.33, No.2 | pp.19~28. 기 350KW 등)로 장비거치 구간이 녹지대(비다짐) 구. 과천방향 시점측교대(N치 10이하의 연약지반)를 제. 간인 점을 고려할 때 상재하중에 의한 금곡지하차도의. 외한 구간은 기초 하단으로 풍화토(N=10~50)로 이루. 구조적 안정성 확보에 문제점이 제기되었다.(수원~광. 어져 있으며, 15.5m~20.5m 아래에는 풍화암으로 구. 명 고속도로 시행사). 성되어 있다.. 따라서, 금곡지하차도의 구조적 안정성 확보가 가능 한 소형장비 사용과 협소한 작업공간에서도 시공이 가 능한 말뚝시공이 필요하였다.. 3. 공법 및 설계개요. 2.2 시공구간의 지반특성. 3.1 공법 개요. 그림 1. 호매실IC교 평면도. 시점측 교대. 종점측 교대 그림 2. 지질주상도. 20 • 地盤.

(3) 파형 마이크로파일을 이용한 교대 기초 시공사례. 시점측(과천방향). 종점측(과천방향) 그림 3. 현장 사진. 1) 개요. 마이크로파일에 비해 지지력 증대 및 시공시간 절감에. 파형(waveform) 마이크로파일은 구조물의 증·개. 효과적인 것으로 나타났다. 또한 그림 5와 같이 제트. 축 및 협소한 공간에 적용이 용이한 마이크로파일의. 그라우팅을 활용한 파형 그라우트체의 시공이 가능한. 지지력을 향상시킴으로써 말뚝의 길이를 줄이고 경제. 것을 확인하였다(장영은 & 한진태, 2015; 장영은 &. 성을 향상시키기 위한 목적으로 개발되었다(한진태. 한진태, 2016).. 등, 2013). 본 공법은 그림 4와 같이 제트 그라우팅을. 당 현장은 큰 수평력이 작용하는 교대구조물의 기초. 활용하여 형성된 파형 그라우트체와 강봉의 조합으로. 로써 파형 마이크로파일의 상부 2m까지 수평력 및 모. 시공할 수 있다. 즉, 제트그라우팅 분사공법을 사용하. 멘트 저항능력이 우수한 강관(216.3㎜)을 사용하여. 여 토사층에서의 그라우트체를 전단키의 역할을 하는. 안전성을 확보하였다.. 파형의 형상으로 고결시킴으로써 토사층에서의 지지 력을 극대화하고자 하였다. 기존에 진행된 실내실험. 2) 공법 특징. 및 현장시험 연구에서는 파형 마이크로파일이 기존의. ① ‌소구경 파일공법으로 대구경 파일의 지지력 확보. 1) 기초 지반 천공. 2) 제트그라우트 분사. 3) 강봉 삽입. 4) 강봉 두부보강. 그림 4. 파형 마이크로파일 시공순서. 2017. 3 Vol.33, No.2 • 21.

(4) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.33, No.2 | pp.19~28. 일반형 (a) 일반 마이크로파일 그림 5. 파형 마이크로파일 현장시험 시공체 굴착전경. 수평력보강형. (b) 파형 마이크로파일. 그림 6. 파형 마이크로파일 개략 모식도. 가능. ④ 대형장비의 진입이 어려운 협소한 공간의 기초공사. ② 압축력 및 인장력 또는 복합하중에 동시 저항. ⑤ 아파트 수직증축 리모델링 공사. ③ 파형의 전단키를 형성하여 지지력 우수. ⑥ 기존 구조물의 내진보강파일. ④ ‌시공장비가 작아서 협소한 지역이나 건물내부 등. ⑦ 연약지반의 기초보강. 제한된 공간에서 시공. 3.2 설계개요. ⑤ ‌소구경으로 Group effect(군효과)와 부마찰력에 의한 응력저감 최소화 ⑥ 커플러를 ‌ 사용하여 다양한 길이로 연장 가능. 1) 설계기준. ⑦ 주변의 ‌ 인접한 구조물, 지반, 환경에 미치는 영향. (1) 사용재료 •그라우트 : fck=10MPa 이상. 적음. •강봉 : 강봉의 규격 및 특성은 아래의 표 1과 같다.. 3) 공법 적용분야. •강관 : 216.3㎜×4.5t(STK400). ① 신축구조물의 기초공사 (2) 설계하중. ② ‌타워, 굴뚝 및 송전선의 기초파일(압축력과 인장. •고정하중 : 교대구체, 뒷채움재. 력 동시작용). •배면토압. ③ 부력 구조물에 대한 보강파일 표 1.. 허용하중(KN). 직경 (mm). 강도 (N/mm2) 항복/극한. 단면적 (mm2). 항복하중 (Fy) (KN). 극한하중 (Fu) (KN). 인장 Fy/1.75. 압축 Fy/1.71. 65. 500/550. 3,318. 1,659. 1,824. 948. 970. 22 • 地盤.

(5) 파형 마이크로파일을 이용한 교대 기초 시공사례. •뒷채움 상재하중 •상부반력 : 고정하중, 활하중. 표 2. 말뚝도심에 작용하는 하중(A1 과천방향) 구분. Vo (kN). Ho (kN). Mo (kN.m). 비고. •지진하중. Comb.1. 4287.8. 1295.9. 1354.2. 상시 (가설시). (3) 설계하중조합. Comb.2. 6022.9. 1355.7. 2935.4. 상시 (축력, 모멘트 최대). Comb.3. 5385.7. 1696.1. 6382.7. 지진시. •교량받침마찰력. •Comb.1 : 고정하중 + 토압 •Comb.2 : 고정하중 + 토압 + 활하중 •Comb.3 : 고정하중 + 토압 + 지진하중. 2) 말뚝 안정검토 (1) 말뚝제원 •강봉지름 : 65㎜ •말뚝지름 : 216.3㎜(상단 케이싱 구간) 300.0㎜(파형 마이크로파일 최소 단면). 표 3. 파형 마이크로파일 정착길이 검토(FHWA, 2005) 깊이 (m). 지층 종류. 지층 유형. Type. 지층 종류. αbond (kN/㎡). Qa. 1.70. 자갈섞인 실트질 모래. 중간. B. 4. 240.0. 153.8. 11.0. 실트질 모래. 중간. B. 3. 130.0. 539.1. 1.50. 실트질 모래. 조밀. B. 3. 190.0. 107.4. •그라우트 : fck=10MPa 이상 •말뚝길이 : 16.2m. (3) 말뚝의 안정성 검토. •지반조건 : 말뚝머리 평균N치 : 15. ① 마이크로파일 자재 검토. 말뚝선단 평균N치 : 50. F_상시 = 355.5 kN < Fca = 970.0 kN. ∴ O.K.. F_지진시 = 436.1 kN < Fca = 1455.0 kN ∴ O.K.. •말뚝배치 그림 7과 같다.. 마이크로파일 정착길이 검토(FHWA, 2005) ② 파형 ‌ (2) 작용하중(말뚝 도심). 표 3과 같다.. 표 2와 같다. 허용지지력, Qa = ∑fs / F.S 여기서, ∑fs : 주면마찰력(αbond·π·D·L) D : 파형 마이크로파일 직경 (최소직경 300㎜ 적용) F.S : 안전율(2.5) Qa = 2000.88 / 2.5 = 800.4 kN ∴ Qa = 800.4 kN/본 > P = 355.5 kN/본 ∴ O.K. ③ 응력 및 변위 검토 그림 7. 말뚝배치(A1 과천방향). 표 4와 같다.. 2017. 3 Vol.33, No.2 • 23.

(6) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.33, No.2 | pp.19~28. 표 4. 말뚝의 응력 및 변위(A1 과천방향). (3) 자재 수량. 휨응력(MPa) 구분. 작용 응력. 허용 응력. 102.37. 지진시 106.09. 상시. 변위(㎜). 표 7.. 비고. 작용 변위. 허용 변위. 비고. 구분. 규격. 수량. 비고. 140.0. O.K.. 6.864. 15.0. O.K.. 구조용 강관. 192m. 210.0. O.K.. 4.839. 15.0. O.K.. Φ216.3㎜, t4.5mm. L = 2.0m/ 공. 고장력 강봉. Φ65㎜. 1,497.6m. 커플러. Φ65㎜용. 96EA. 1 EA/공. 너트. Φ65㎜용. 192EA. 2 EA/공. 플레이트. 300×300×30. 96EA. 1 EA/공. 조강시멘트. Bulk. 218ton. 3) 설계 수량 (1) 그라우트 배합비 표 5.. (1㎥당) W/C. 0.75. 비고. 시멘트. 937Kg. 물. 703ℓ. 합계. 1,000ℓ(1,640kg). 4. 시공 4.1 파형마이크로파일 시공순서. (2) 말뚝 시공수량 파형마이크로파일 시공은 제트그라우트 공법으로. 표 6.. 수행하였다. 시공시에는 천공수로 소정의 심도까지. 구분. 수량 (공). 심도 (m). 비고. 지반을 천공하고, 천공 완료후에는 고압으로 그라우. 케이싱천공 (Φ216.3㎜). 96. 192.0. L=2.0m /공. 트를 분사하며 파형을 가지는 그라우트체를 형성하였. 마이크로파일 (Φ65㎜). 96. 1,497.6. 제트그라우트공 (천공+분사). 다. 시공 순서는 그림 9와 같다.. 4.2 말뚝재하시험 96. 1,257.6. L=13.1m /공 (평균). 파형마이크로파일 시공 완료 후 약 15일간의 그라 우트 양생기간을 거쳐 인장재하시험 및 수평재하시험 을 수행하였다. 현장재하시험을 통해 작용하중에 대 한 말뚝의 허용지지력을 판정하고 설계지지력의 만족 여부를 평가함으로서 기초구조물의 안정성 및 시공품 질을 검토하는데 주요한 목적이 있다. 파형마이크로파일의 설계연직반력은 36.2~39.1ton 으로서 파일의 주면마찰력으로 지지되도록 설계되어 있다. 인장재하시험을 수행한 후 시험결과 분석을 통 하여 설계하중의 적정성을 평가하고자 하며, 설계수 평반력인 6.0ton의 적합성을 수평재하시험을 통하여. 그림 8. 파형마이크로파일 상세도. 24 • 地盤. 판정함으로써, 기초말뚝인 파형마이크로파일 설계 및.

(7) 파형 마이크로파일을 이용한 교대 기초 시공사례. Step. 1 플랜트 조립 및 설치. Step. 2 케이싱 천공/근입. Step. 3 지반 천공(1). Step. 3 지반 천공(2). Step. 4 제트그라우트 분사(1). Step. 4 제트그라우트 분사(2). Step. 5 강봉 조립. Step. 6 강봉 근입. Step. 7 말뚝두부정리 및 완료. 그림 9. 파형마이크로파일 공법의 시공 순서. 시공에 대한 종합적인 평가로 기초설계 및 시공품질에. 대한 지반공학적 데이터를 제공하고자 한다.. 1) 인장재하시험. 표 8. 현장재하시험 종류 및 제원. 인장재하시험의 하중조달은 압축재하시험과는 달. 재하시험 종류. 말뚝 제원. 시험 개소. 최대말뚝반력 (상시). 시험하중. 인장 재하시험. bar Φ65mm. 2. 39.1 ton (연직). 65.3 ton (설계하중의 167%). 수평 재하시험. bar Φ65mm. 2. 6.0 ton (수평). 12.0 ton (설계하중의 200% 또는 허용변위). 리 유일한 방법으로서 시험말뚝 주변지반의 지지력 또 는 반력말뚝(앵커)의 저항력을 반력으로 하여 그림 10 의 방법으로 시험을 수행한다. 본 인장재하시험에서는 파형마이크로파일이 시공 된 주변지반의 지반저항력을 반력으로 하여 시험말뚝 에 인장력을 재하하는 방법으로 계획한다.. 2017. 3 Vol.33, No.2 • 25.

(8) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.33, No.2 | pp.19~28. 그림 10. 인장재하시험의 일반적인 하중조달 방법 시점측(A1과1-2). 표 9. 인장재하시험 주기표 1st cycle. 하중 유지 시간. 2nd cycle. 하중 유지 시간. 3rd cycle. 하중 유지 시간. 설계하중 (%). (분). 설계하중 (%). (분). 설계하중 (%). (분). 5(AL). 0. 25. 5. 25. 2. 25. 2. 50. 5. 50. 2. 50. 2. AL. 2. 75. 5. 75. 2. 100. 5. 100. 2. AL. 2. 125. 20. 150. 20. 167. 20. AL. 2. 종점측(A2과6-1) 그림 11. 인장재하시험 전경. 인장재하시험시 단계는 7단계 하중주기는 3주기이 며, 그림 11은 인장재하시험 전경을 나타낸다. 시험결과 시점측(A1과1-2)의 최대 시험하중인. 시점측. 78.2ton에서 최대변위는 10.72mm, 종점측(A2과 6-1)의 최대 시험하중인 65.3ton에서 최대변위는 4.74mm 로 허용연직변위량인 25.0mm 이내이므로 설계하중을 만족하는 것으로 판단된다.. 2) 수평재하시험 말뚝 수평재하시험의 재하방법으로는 주변말뚝을 반력으로 하여 시험말뚝과 주변말뚝을 상호 재하하는. 26 • 地盤. 종점측 그림 12. 인장재하시험 결과(하중-변위 곡선).

(9) 파형 마이크로파일을 이용한 교대 기초 시공사례. 시점측(A1과1-3). 그림 13. 수평재하시험의 설치 모식도 표 10. 수평재하시험 재하단계 하중재하. 재하. 제하 (除荷). 측정시간. 비고. 설계하중(%). (분). 0. . 25. 10. 종점측(A2과6-2). 50. 10. 그림 14. 수평재하시험 전경. 75. 15. 100. 20. 125. 20. 150. 20. 170. 20. 180. 20. 190. 20. 200. 60. 150. 10. 100. 10. 50. 10. 0. . 시점측. 방법이 가장 보편적이다(그림 13 참조). 수평재하시험은 최대말뚝반력의 200%를 재하하였 으며, 그림 14는 수평재하시험 전경을 나타낸다. 시험결과 설계하중(6ton)에서의 변위는 시점측(A1. 종점측 그림 15. 수평재하시험 결과(하중-변위 곡선). 2017. 3 Vol.33, No.2 • 27.

(10) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.33, No.2 | pp.19~28. 과1-3)에서 0.5mm, 종점측(A2과6-2)에서 7.96mm 로 허용수평변위량인 15.0mm 이내이므로 설계하중 을 만족하는 것으로 판단된다.. 1. 한진태, ‌ 김성렬, 장영은, 이승현(2013), 수치해석을 이용한 파형 마이크로파일의 지지거동 분석, 한국산학기술학회논문지, 제 14 권, 제 11호, 5906-5914.. 5. 결론. 2. 장영은, ‌ 한진태(2016), 원심모형실험을 이용한 파형 마이크로파 일 형상에 따른 성능평가, 대한토목학회논문집, 제 36권, 제 6. 제트그라우팅 공법을 이용한 파형 마이크로파일의 현장시공과 말뚝재하시험을 통한 지지력을 평가하였 다. 본 현장은 확장교량의 교대기초에 적용된 말뚝으로. 호, 1049-1057. 3. ‌장영은, 한진태(2016), 현장시험을 통한 파형 마이크로파일의 시공성 및 거동 평가, 한국지반공학회논문집, 제 36권, 제 10호, 67-79.. 서 시점측교대 48본과 종점측교대 48본 총 96본을 시. 4. ‌한국건설기술연구원(2016), 인공지반 구조물의 기초구조에 대. 공하였고, 협소한 공간에서도 효율적이고 신속하게. 응하는 근접시공 가능 기초형식 개발, 한국건설기술연구원 연. 시공할 수 있었다.. 구보고서, KICT 2016-178.. 또한 시공된 말뚝의 지지력을 평가하기 위하여 인장. 5. ‌FHWA.(2005), Micropile Design and Construction:. 재하시험 2회, 수평재하시험 2회를 실시하였다. 현장. Reference Manual, FHWA-NHI-05-039, Federal Highway. 재하시험 결과 압축과 수평 지지력 모두 설계치를 상. Administration, Vol. 1, No. 1, pp. 7-28.. 회하여 파형 마이크로파일의 지지저항 성능이 우수한 것으로 나타났다. 본 시공을 통해 파형마이크로파일 공법의 우수한 시 공성과 기존 마이크로파일 설계시 고려하지 않았던 토 사층에서의 지지력을 확보함으로써 말뚝의 지지력 증 가 및 말뚝 길이 감소에 따른 경제적 효과를 가져올 수 있음을 확인하였고, 향후 토목/건축물의 신축, 도시재 생 사업, 주택 리모델링, 내진보강 등의 다양한 분야에 적용 할 수 있을 것으로 기대된다.. 28 • 地盤.

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