Study on the Effectiveness of Preloading Method on Reinforcement of the Pile Foundation by 3D FEM Analysis

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(1)한국지반공학회논문집 제34권 1호 2018년 1월 pp. 47 ～ 57 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY Vol.34, No.1, January 2018 pp. 47 ～ 57. ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2018.34.1.47. 3차원 수치해석을 이용한 공동주택 수직증축용 기초 보강 선재하공법 효과 분석 Study on the Effectiveness of Preloading Method on Reinforcement of the Pile Foundation by 3D FEM Analysis 왕 성 찬. 1. 장 영 은. 3. 김 석 중. 5. 한. Wang, Cheng-Can. 하. Jang, Young-Eun. 진 태. 2. 익 수. 4. Han, Jin-Tae Ha, Ik-Soo. Kim, Seok-Jung. Abstract In recent years, vertical extension remodeling of apartment building is considered as one of the efficient ways to broaden and enhance the utilization of existing buildings due to the rapid development of population and decrement of land resources. The reinforcement of foundation is of great importance to bearing the additional load caused by the added floors. However, because of the additional load, the carried load by the existing piles would be in excess of its allowable bearing capacity. In this study, a conceptual construction method called preloading method was presented. The preloading method applies force onto the reinforcing pile before vertical extension construction. The purpose of preloading is to transfer partial load applied on the existing piles to reinforcing piles in order to keep each pile not exceeding the allowable capacity and to mobilize resistance of reinforcing pile by developing relative settlement. The feasibility and effect of preloading method was investigated by using finite numerical method. Two simulation models, foundation reinforcement with preloading and without preloading, were developed through PLAXIS 3D program. Numerical results showed that the presented preloading method is capable of sharing partial carried load of existing pile and develops the mobilization of reinforcing pile’s frictional resistance.. 요. 지. 최근, 수직증축을 통한 공동주택의 리모델링은 제한된 부지 내에서 세대수를 증가시킬 수 있다는 장점으로 인해 그 수요가 증가하고 있다. 수직증축시 기초보강의 가장 큰 목적은 증축되는 층고로 인해 발생하는 추가하중을 지지하 는 것이다. 단, 추가된 하중의 일부가 보강말뚝이 아닌 기존말뚝에도 가해지기 때문에, 기존말뚝의 허용지지력을 초과 하지 않는 범위 내에서만 증축이 가능하다. 선재하공법은 수직증축 시공 전 단계에서 기존말뚝에 가해지던 하중 중 1 정회원, 과학기술연합대학원대학교(UST) 지반신공간공학과 통합과정 (Member, Graduate Student, Dep. of Geospace & Geotechnical Engrg., Univ. of Science & Technology) 2 정회원, 한국건설기술연구원 연구위원 (Member, Senior Researcher, Korea Institute of Civil Engrg. and Building Technology) 3 정회원, 과학기술연합대학원대학교(UST) 지반신공간공학과 박사과정 (Member, Graduate Student, Dep. of Geospace & Geotechnical Engrg., Univ. of Science & Technology) 4 정회원, 경남대학교 토목공학과 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil Engrg., Kyungnam Univ.) 5 정회원, 한국건설기술연구원 신진연구원 (Member, Postdoctoral Researcher, Korea Institute of Civil Engrg. and Building Technology, Tel: +82-31-910-0277, [email protected], Corresponding author, 교신저자) * 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2018년 7월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.. Copyright © 2018 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.. 3차원 수치해석을 이용한 공동주택 수직증축용 기초 보강 선재하공법 효과 분석. 47.

(2) 일부를 보강말뚝에 분담하도록 하여, 증축하중이 추가되어도 기존말뚝의 허용지지력을 초과하지 않도록 하며, 선재하 하중에 의해 보강말뚝의 침하를 미리 발생시켜 증축하중이 가해졌을 때 보강말뚝의 지지력을 빨리 발현시키는 공법이 다. 본 연구에서는 3차원 수치해석을 통해 선재하공법의 효과를 분석하였다. 3D FEM 프로그램인 PLAXIS 3D를 활용 하여 수직증축 리모델링시 기초보강을 모델링하고 선재하공법의 적용 유무에 따른 효과를 비교 분석하였다. 수치해석 결과 선재하공법을 적용하였을 때 기존말뚝에 가해지던 하중을 보강말뚝에 더욱 효과적으로 분담하였으며, 보강말뚝 의 지지력이 조기에 발현하는 데 효과가 있는 것으로 확인하였다. Keywords : Vertical extension, Foundation reinforcement, Preloading method, Numerical analysis. Load, FML)을 포함한 사하중(Dead Load, DL)과 활하. 1. 서 론. 중(Live Load, LL)으로 구성되어 있으며, 마감재 하중과 인구 증가와 더불어 한정된 국토자원으로 인해, 기존. 활하중이 약 40%를 차지한다. 아파트 등 건물의 수직증. 공동주택의 수직 및 수평증축 리모델링의 수요가 크게. 축 시공시 첫 단계는 마감재 하중과 활하중을 제거하는. 증가하였다. 국토교통부(2013)에 따르면, 2012년 말 기. 것이다. 그 후, 기존기초 하부에 언더피닝 공법으로 보. 준으로 15년 이상된 아파트가 전국 약 400만호에 이르. 강말뚝을 설치한다. 보강말뚝 설치 후 기존 건물 상부에. 는 등 공동주택의 재고가 점차 증가할 것으로 예상되며,. 최대 3층의 수직증축을 시공한 후, 마감재와 활하중을. 주민불편 해소를 위하여 리모델링 활성화가 필요한 상. 재재하하는 과정을 통해 수직증축 리모델링을 마무리. 태이다. 이에 따라, 2013년 4.1대책을 통해 수직증축 리. 한다.. 모델링 허용 방침을 발표하였으며, 2013년 12월 주택법. 기존 건물의 수직증축시, 증축 시공에 따른 추가하중. 을 개정하여 세대수 증가형 리모델링을 허용한 바 있다.. 을 기초구조물이 버틸 수 있도록, 기초구조물의 지지력. 그 후 2014년 4월 주택법 시행령을 개정하여, 기존 층수. 이 보강되어야 한다. 따라서, 지지력을 증대시키고 구조. 가 12층 이상 14층 이하인 건물에서는 최대 2개층까지,. 물의 침하를 감소시키기 위하여 기존 건물의 리모델링. 15층 이상인 건물에서는 최대3개층까지 수직증축을 허. 시 언더피닝공법을 적용한 기초의 보강이 필수적이다.. 용하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport,. 언더피닝을 위해서는 소일네일링과 그라우팅공법 등 다양한 공법이 적용되어 왔다(Bruce, 1993; Cole, 1993;. 2013). 공동주택 수직증축 리모델링의 시공순서는 Fig. 1과. Lizzi, 1982; Makarchian; 1994). Makarchian와 Poulos. 같다. 기초구조물에 가해지는 건물의 하중은 골재 하중. (1994; 1996)는 유한요소해석을 통해 언더피닝공법을 적. (Frame Load, FL) 및 마감재 하중(Finishing Material. 용한 기초를 분석하였으며, 언더피닝 말뚝의 간편설계. Fig. 1. Construction remodeling stage of an apartment building. 48. 한국지반공학회논문집 제34권 제1호.

(3) 법을 제안하였다. 또한, 기초의 침하 저감을 위한 토목. 을 감소시키고, 기존기초의 안정성을 확보하는데 효과. 섬유를 활용한 보강공법에 관한 연구도 수행된 바 있다. 적인 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 기초보강시. (Nakai, 2014; Han, 2002). 이러한 공법들 중, 마이크로파. 선재하공법의 효과에 대하여 연구를 수행하였다. 보강. 일은 1980년대 이후 가장 널리 활용되는 보강공법이다. 말뚝의 지지력을 조기 발현시키는 것뿐만 아니라, 기존. (Lizzi, 1993; Dietz, 2006; Tsukada, 2006; Lehtone, 2010).. 말뚝에 가해지던 하중 중 일부를 새로 시공한 보강말뚝. 마이크로파일공법은 설치시 지반교란이 적어 인접구조. 에 전달함으로써 수직증축시 추가된 하중에 의해 기존. 물에 미치는 영향이 적으며, 시공시 발생하는 진동이나. 말뚝의 허용지지력을 초과하지 않도록 하였다.. 소음이 적기 때문에, 언더피닝공법을 활용한 기존 노후 건물의 기초보강시 널리 활용되고 있다.. 이를 위해 본 연구에서는 3차원 유한요소 수치해석을 활용하여 수직증축시 기존말뚝과 보강말뚝의 하중분포. FHWA(2005)에 따르면, 마이크로파일은 마찰말뚝으. 특성을 산정하고, 선재하공법의 적용 여부에 따른 하중. 로 분류되기 때문에, 일반적인 선단지지말뚝과는 하중. 분포특성을 비교분석하여 선재하공법의 효과를 검증하. 전이거동이 상이하다. 따라서, 마이크로파일을 활용한. 고자 하였다.. 기초보강시 기존말뚝과 보강말뚝의 하중분포특성을 확 인하는 것은 매우 중요하다. Cho 등(2014)은 모형실험. 2. 선재하공법의 메커니즘. 을 통해 기존말뚝과 보강말뚝의 하중분포특성을 확인 하였다. 다만, 대부분의 연구에서 기초보강시 보강말뚝. 수직증축 리모델링시 선재하공법은 두 가지 목적으로. 의 효과에 중점을 두는 반면, 기존 말뚝의 허용지지력에. 적용된다. 첫 번째는 보강말뚝에 하중을 미리 재하하여. 대한 연구는 부족한 실정이다. Esmaeili 등(2012)의 연. 기존기초에 가해지고 있던 하중 중 일부를 새로 시공하. 구에서는 마이크로파일을 활용한 제방 보강시 제방의. 는 보강말뚝에 전달하고자 하는 목적이 있다. 두 번째. 정적 허용지지력이 65% 증가함을 확인하였으며, Han과. 목적은 추가하중을 보강말뚝이 효율적으로 지지할 수. Ye(2006)의 연구에서는 언더피닝공법에 의한 기초보강. 있도록, 보강말뚝에 미리 침하를 발생시켜 보강말뚝의. 시 약 75%의 추가하중을 지지할 수 있음을 확인하였다.. 지지력을 빨리 발현시키고자 하는데 있다. 즉 보강기초. 수직증축 리모델링시 기존의 하중은 기존말뚝이 지. 시공 후 기초판과 연결하기 전에 기존말뚝들을 반력말. 지하며, 증축에 의한 추가하중은 기존말뚝과 보강말뚝. 뚝으로 활용하여 보강말뚝 두부에 연직방향의 압축하중. 이 함께 분담하여 지지한다. 보강말뚝이 기존 기초 사이. 을 가하는 동시에 기존말뚝에는 인발력이 작용하여 기. 에 설치된다고 하더라도, 증축에 의한 추가하중 중 일부. 존기초에 가해지던 하중 중 일부를 보강기초에 전달하. 가 기존말뚝으로 추가로 재하되기 때문에 기존말뚝의. 며, 보강말뚝에 주면지지력이 발현하도록 하는 메커니즘. 허용지지력에 대한 검토가 반드시 필요하다. 또한, 시공. 이다. 본 연구에서는 Fig. 2와 Fig. 3과 같이 선재하 모형. 시 기존말뚝 사이의 공간이나 배치의 제한 때문에 시공. 장치를 제작하여 선재하공법의 메커니즘을 확인하였다.. 가능한 보강말뚝의 수량에 한계가 있기 때문에, 추가하. 선재하 모형장치는 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 4개의 기. 중이 가해졌을 때 기존말뚝의 허용지지력을 초과하지 않도록 기존말뚝에 가해지는 하중을 줄일 수 있는 공법 이 필요하다. 선재하공법을 기초보강에 활용할 때에는 보강말뚝에 유압잭을 적용하는 것이 일반적이며(O’Neill, 1989; Cole, 1993; Lehtone, 2010), 중국에서 수행된 기존3층 건물을 7층까지 수직증축시 유압잭을 활용한 선재하공법 적용 사례가 보고되었다(Liu, 2005). 그 결과, 선재하공법을 적용한 보강기초에서의 최종침하량이 감소하였으며, 해 당 건물의 기초보강 이후 5년이 지나도록 안정성에 문 제가 없는 것을 확인하였다. 위와 같이 기존연구들을 통해 선재하공법이 침하량. Fig. 2. Model of preloading equipment. 3차원 수치해석을 이용한 공동주택 수직증축용 기초 보강 선재하공법 효과 분석. 49.

(4) 존말뚝(existing pile, EP)과 1개의 보강말뚝(reinforcing. 가하게 되면(Fig. 3g), 보강말뚝에는 하향력이, 선재하장. pile, RP), 기초판, 로드셀, 계측기, 그리고 나사식 선재. 치와 연결된 기초판은 반력에 의해 상향력이 작용하게. 하장치로 구성되어 있다. 로드셀은 기초판 하부에 연결. 된다(Fig. 3h). 이에 따라, 기초판과 연결된 로드셀에서. 되어 기초판에서 기존기초에 가해지는 하중을 측정하. 는 상향력에 의해 인발력이 작용하는 것을 계측할 수. 도록 제작하였으며, 로드셀에 가해지는 하중은 디지털. 있다. 즉, 선재하공법을 적용함으로써 보강말뚝은 압축. 계측기를 통해 읽을 수 있다. 선재하장치는 나사식으로. 력에 의하여 말뚝-지반 사이의 변위가 발생함과 동시에. 제작되어 나사를 돌려 보강말뚝에 하향 축하중을 가하. 주면마찰력이 발현되며, 기존말뚝에는 반력에 의한 인. 게 되면, 보강말뚝 하부에서 상향 축하중이 반력으로 작. 발력이 작용하게 되여 기존에 받고 있던 하중이 경감되. 용하여 기존기초와 연결된 기초판에 상향력이 작용하. 는 효과가 있음을 확인하였다.. 게 된다. 기존 기초와 연결된 기초판(Fig. 3a) 중앙에 천 공을 한 후(Fig. 3b), 보강말뚝을 설치하고(Fig. 3c & 3d),. 3. FEM 모델링 개요. 선재하장치를 기존기초와 연결된 기초판에 설치한다(Fig. 3e & 3f). 그 후 나사를 돌려 보강말뚝에 선재하하중을. 본 연구에서는 Fig. 4에 나타낸 것과 같이, 원형기준. Fig. 3. Procedure of preloading method. (a) Top view. (b) Front view. Fig. 4. Geometry of foundation and the soil (EP: existing pile, RP: reinforcing pile). 50. 한국지반공학회논문집 제34권 제1호.

(5) 3m × 3m × 1m 기초판에 4개의 기존 말뚝과 1개의 보강. 과 기초판을 탄성모델로 모델링하였으며, Table 2에 말. 말뚝이 설치된 말뚝지지 전면기초(piled raft)로 가정하여. 뚝과 기초판의 입력 물성치를 정리하였다. 말뚝과 기초. 해석을 수행하였다. 실제 XX아파트 리모델링 현장 설. 판의 물성은 콘크리트의 일반적인 물성값을 이용하였. 계 사례를 바탕으로 기존말뚝은 직경 350mm, 길이 8m. 으며, 마이크로파일의 탄성계수를 산정할 때에는 강봉. 인 PC 말뚝이며, 보강말뚝은 직경 200mm, 길이 10m인. 과 그라우팅구근의 면적비를 고려한 합성탄성계수를. 일반 마이크로파일로 설정하였다. 그러나 본 연구에서는. 산정하여 적용하였다. 또한 말뚝기초를 체적요소로 모. 지지력에 기초판이 미치는 영향을 배제하기 위하여 기. 델링하였을 때, 축력이 정확하게 계산되지 않는다는 한. 초판과 지반을 이격시켜 직접 지표와 접촉하지 않도록. 계가 있기 때문에, 말뚝에 작용하는 축력을 확인하기 위. 모형지반에 기초모형을 설치하였다. 또한 수치해석시 토. 하여 체적요소로 모델링한 말뚝의 축방향으로 빔요소. 조에 의한 경계효과를 배제하기 위하여, 토조를 10m ×. 를 추가하여 축력을 측정하였다. 말뚝 빔요소의 물성치. 10m × 20m로 모델링하였으며, 말뚝간 군말뚝효과 역시. 는 체적요소의 탄성계수를 제외한 모든 물성치가 동일. 배제하기 위하여, 말뚝간 거리를 말뚝직경의 3배(3D=. 하며, 탄성계수만 체적요소의 106 배 작게 적용하였다. 1,050mm)이상인 1.8m로 배치하였다(Das, 2015; Butterfield,. (Lebeau, 2008). 또한, 지반과 말뚝의 접촉면에 지반-말. 1971; FWHA, 2005).. 뚝 상호작용을 고려하여 인터페이스 요소를 모델링하 였다. PLAXIS에서는 아래 식 (1)과 식 (2)와 같이, 인접 지반의 물성치에 인터페이스 강도감소계수인 Rinter를 적. 3.1 재료 물성치. 용한다(PLAXIS, 2005). 감소계수는 지반-구조물 접촉 본 연구에서는 지반과 말뚝기초를 체적요소로 모델. 면의 거칠기에 관한 계수이며, 마찰력 및 점착력과 같은. 링하였다. 지반은 사질토층과 풍화암층의 2개 층으로. 강도계수와 연관되어 있다. 일반적으로 실제 지반-구조. 구성하였으며, 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 모델로 모. 물 접촉면에서는 주변지반보다 인터페이스의 강도가. 델링하였다. Table 1에 각 지층의 입력 물성치를 정리하. 더 약하며, 이에 따라 감소계수는 1보다 작은 값을 가진. 였다. 콘크리트 말뚝과 기초판의 경우, 재하하중 범위에. 다. 기존 연구에 따르면 모래지반-구조물 접촉면에서는. 서는 재료의 파괴가 발생하지 않는다고 판단하여 말뚝. 일반적으로 0.67을 적용한다(Tschuchnigg, 2013). 본 연 구에서는 아래 식을 적용하여 인터페이스 모델에 적용. Table 1. Properties of the soil. 하였다.. Description. Sand. Weathered rock. Depth (m). 0-7. 7-20. 19. 21. 3. Unit weight (kN/m ) Material model. MC. MC. Interface, R. 0.67. 0.67. Frictional angle, Φ(°). 34. 39. Cohesion, c (kN/m ). 10. 30. Dilatacy angle,ψ(°). 4. 2. ci = Rintercsoil tan  i = Rintertan  soil. (2). 여기서, ci와 tan  i는 인터페이스의 점착력 및 마찰각 을, csoil와 tan  soil는 인접지반의 점착력 및 마찰각을 의. 9 4. (1). 5. Young’s modulus, E (kPa). 3.5*10. 3.0*10. Poisson ratio, v. 0.30. 0.28. 미한다.. Table 2. Properties of piles and the raft Description. PC pile (Existing pile). Micropile (Reinforcing pile). Length (m). 8. 10. Diameter (mm). 350. 200. Unit weight,. 23.5. 23.5. Raft 3 m × 3 m × 1 m 23.5. Material model. Linear Elastic. Young’s modulus, E (kPa). 2.4*10. 4.3*10. 2.4*10. Poisson ratio, v. 0.167. 0.167. 0.167. 7. Linear Elastic 7. Linear Elastic 7. 3차원 수치해석을 이용한 공동주택 수직증축용 기초 보강 선재하공법 효과 분석. 51.

(6) 하고, 보강말뚝에는 압축력이 작용하여 해당하는 방향. 3.2 선재하공법 모델링. 으로 변위가 발생한 것을 확인하였다. 또한, 본 연구에 본 연구에서 수행한 수치해석에서는 선재하장치를. 서 선재하하중으로 적용한 100kN에 대하여 기존말뚝의. Fig. 5와 같이 잭킹(jacking) 시스템으로 모델링하였다.. 변위가 0.06mm로 매우 작게 나타나는 것을 보아 선재. Fig. 5(b)에 나타낸 것과 같이 선재하장치를 통해 보강. 하하중을 적용하더라도 기존 기초의 안정성에는 문제. 말뚝에는 압축력이, 기존기초와 연결된 기초판에는 인. 가 없이 기존말뚝의 하중을 보강말뚝으로 전이시킬 수. 발력이 작용하도록 모델링 하였으며, 인터페이스를 모. 있음을 확인하였다.. 델링하여 선재하하중이 가해질 때, 보강말뚝과 기초판 이 연결되지 않은 상태를 모델링하였다. 인터페이스 요. 3.3 하중 재하 단계. 소의 강성은 선재하하중에 의한 요소 변형 없이 입력한 하중 모두가 기존기초의 인발력과 보강기초의 압축력. 기존말뚝(PC pile)과 보강말뚝(micropile)의 허용지지. 으로 작용할 수 있도록 1,000MPa로 매우 크게 적용하. 력을 산정하기 위하여 해석을 통해 하중-침하 곡선을 구. 였다.. 하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 제시하였다. 기존말뚝과 보. 위에서 설명한 모델링 기법이 선재하공법을 적절히 모. 강말뚝의 극한지지력을 산정하기 위하여 최대 2,000kN. 델링하였는지 검증하기 위하여 200kN의 하중을 동시에. 의 축하중을 재하하였으며, 말뚝 변위 25.4mm 기준을. 가하여, 보강말뚝에는 압축력이, 기존기초에는 인발력. 적용하여 극한지지력을 산정한 결과, 기존말뚝과 보강. 이 제대로 작용하는지를 검토하였으며, 그 결과를 Fig.. 말뚝의 극한지지력은 각각 1,330kN과 790kN으로 나타. 6에 나타내었다. 그 결과 기존말뚝에는 인발력이 작용. 났다(Terzahi and Peck, 1967; Touma and Reese, 1974).. (a) Modeling of preloading device in FEM. (b) Mechanism of preloading model in FEM. Fig. 5. Numerical modeling of preloading device. *Qult: Ultimate bearing capacity; **Qall: Allowable bearing capacity; ***Fs: Safety factor. Fig. 6. Load-displacement behavior of existing pile and reinforcing pile by preloading. 52. 한국지반공학회논문집 제34권 제1호. Fig. 7. Load settlement behavior of existing pile (PC pile) and reinforcing pile (micropile).

(7) 이렇게 산정한 극한지지력에 일반적으로 사용되는 기. 뚝의 허용지지력을 산정한 후, 수직증축 리모델링시 선. 초구조물의 안전율 3.0을 적용하여 기존말뚝과 보강말. 재하공법의 적용 유무에 따른 수치해석을 수행하였다.. 뚝의 허용지지력을 각각 443kN과 263kN으로 결정하였다.. 수치해석을 통해 보강 마이크로파일의 보강효과와 선. 위의 허용지지력 산정결과를 바탕으로, 기존 기초가. 재하공법의 효과를 확인하기 위하여 시공단계에 따른. 허용지지력에 근접한 하중을 받고 있다고 가정하여 기. 수치해석을 수행하였으며, 선재하공법을 적용한 경우에. 존 건물에 가해지고 있던 기존하중을 1,700kN으로 결. 는 100kN의 선재하하중을 가하였다.. 정하였으며, 이를 4개의 기존말뚝과 결합된 기초판에 적용하였다. 그 후 마감하중 및 활하중에 상응하는 40%. 4.1 선재하공법을 적용하지 않은 경우의 기초 보강. 의 하중을 제거하였으며, 보강 마이크로파일을 설치하 였다. 이후, 선재하공법의 효과를 비교 확인하기 위하여. 수치해석 수행시, 수직증축 리모델링의 시공단계를. 선재하공법을 적용하지 않은 경우와 적용한 경우에 따. 고려하여 기존 기초판에 1,700kN의 초기 하중이 가해. 라 해석 조건을 달리하였다(Table 3). 마지막으로, 보강. 지고 있는 상태에서 마감하중의 제하를 모사하여 초기. 말뚝의 설치 후 마감하중 재재하 및 추가 증축하중 재하. 하중의 60%까지 하중을 감소시킨 후, 보강 마이크로파. 과정에 해당하는 하중을 재하하였다. 추가하중은 기존. 일을 설치하였다. 그 후 별도의 선재하공법 적용 없이. 하중의 150%에 해당하는 2,550kN까지 재하하였으며,. 마감하중 및 증축하중 재재하를 모사하여 기존 하중의. 마감하중 재재하에 상응하는 1,700kN 이후로부터는 기. 150%에 해당하는 2,550kN까지 하중을 재하하였다. 재. 존 하중의 10%에 해당하는 170kN씩 총 5단계에 걸쳐. 재하단계에서는 기존 하중 1,700kN까지 바로 재하한. 재하하였다. Table 3에 선재하공법 유무에 따른 하중재. 후, 170kN씩 총 5단계에 걸쳐 추가하중을 재하하였다.. 하단계를 정리하였다.. Fig. 8에 하중단계에 따른 기존말뚝과 보강말뚝의 하중 전이분석 결과를 나타내었다. Fig. 8의 결과로부터 사질 토 구간인 0-6m 구간에서의 하중 변화량보다 풍화암구. 4. 해석 결과. 간인 6-10m 구간에서의 하중 변화량이 큰 것을 확인할 앞서 설명한대로, 본 연구에서는 기존말뚝과 보강말. 수 있으며, 이는 기존말뚝 및 보강말뚝에서 사질토 층의. (a) Existing pile. (b) Reinforcing pile. Fig. 8. Load transfer behavior of piles without preloading Table 3. Remodeling construction stages considering preloading method Test cases Case 1 Without preloading Case 2 With preloading. Loading level Loading to 100% (1700 kN). Unloading to 60% (1020 kN). Installation of micropile. Preloading. Reloading to 150% (2550 kN). 3차원 수치해석을 이용한 공동주택 수직증축용 기초 보강 선재하공법 효과 분석. 53.

(8) 주면지지력이 크지 않고, 풍화암구간의 주면지지력과. 않았기 때문에, 초기하중단계와 제하단계에서의 기존기. 선단지지력이 말뚝의 지지력을 좌우한다는 점을 의미. 초의 하중분담율은 기존말뚝 1개당 25%씩 분담하고 있. 한다. 특히, 보강말뚝의 경우 하중단계 100%와 110%의. 는 상태이다. 그 후 보강말뚝이 설치되고 재재하 단계를. 하중전이곡선을 보면 사질토층에서의 주면지지력과 풍. 거치며 보강말뚝에도 하중이 가해지게 되어 기존말뚝. 화암에서의 선단지지력이 거의 발현되지 않았으며, 120%. 의 하중분담율은 감소하고 보강말뚝의 하중분담율이 증. 의 하중단계에 도달했을 때 사질토층의 주면지지력과. 가하게 된다. 해석의 최종 하중단계인 150%(2,550kN). 풍화암에서의 선단지지력이 발현된 것을 확인할 수 있. 에서의 보강말뚝의 하중분담율은 약 10%까지 증가하. 다(Fig. 8b).. 며, 기존말뚝 1개당 하중분담율은 약 23%까지 감소하. 수직증축 리모델링시 보강말뚝의 성능을 평가하는데. 는 것으로 나타났다. 또한, Fig. 9의 그래프 양상을 미루. 있어 기존말뚝과 보강말뚝이 받는 하중의 비율을 나타. 어볼 때, 기존말뚝의 하중분담율은 감소하고, 보강말뚝. 내는 하중분담율은 매우 중요한 요소이다. Fig. 9에 초. 의 하중분담율은 증가하다가, 일정 수준에서 수렴할 것. 기하중-제하-재재하 단계에 따른 기존말뚝(EP)과 보강. 으로 예측된다.. 말뚝(RP)의 하중분담율 결과를 나타내었다. 앞서 언급 한대로, 기존기초는 4개의 기존말뚝이 기초판에 연결된. 4.2 선재하공법을 적용한 경우의 기초 보강. 상태로 모델링하였으며, 보강말뚝은 제하단계 이후에 설치되었다. 본 연구에서는 기초판을 지반에 접하지 않. 기초보강시 선재하공법의 효과를 확인하기 위하여. 게 모델링 하여 기초판의 하중 분담을 따로 고려하지. 선재하공법을 적용한 수치해석을 수행하였다. Table 3 에 제시한 것과 같이 보강말뚝 설치 후 선재하공법을 추가로 적용한 점 이외에는 앞서 수행한 경우와 동일한 방식으로 수치해석을 수행하였다. 기존말뚝의 안정성에 영향을 미치지 않는 범위 내의 선재하하중을 재하하기 위하여 Fig. 7에서 확인한 100kN의 선재하하중을 적용 하였다. Fig. 10에 선재하공법 적용시 하중단계별 기존말뚝과 보강말뚝의 하중전이분석 결과를 나타내었다. 기존말뚝 의 하중전이거동은 선재하공법을 적용하지 않은 경우 와 거의 일치하는 것을 확인하였다. 다만, 60%까지 제 하 후 선재하공법을 적용하였기에 두부에서의 축하중. Fig. 9. Load distribution ratio on piles vs. loading level without preloading. 이 약 10% 정도 추가로 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이와는 반대로, 보강말뚝에서는 선재하하중 100kN가. (a) Existing pile Fig. 10. Load transfer behavior of piles with preloading. 54. 한국지반공학회논문집 제34권 제1호. (b) Reinforcing pile.

(9) 추가로 가해졌으며, 이로 인해 재재하 초기단계인 하중. 한 경우 기존말뚝에 가해지던 하중 일부를 보강말뚝에. 단계 100%와 110%에서도 사질토층의 주면지지력과 말. 전달하였다고 판단할 수 있다. 다만, 하중단계가 증가할. 뚝선단에서의 선단지지력이 충분히 발현된 것을 확인. 수록 선재하공법의 유무에 따른 하중 차이가 감소하는. 할 수 있었다(Fig. 10b). 따라서, 선재하공법의 두 번째. 것을 확인하였으며, 최종하중단계인 150%에서는 그 차. 목적인 선재하에 의한 지지력의 조기 발현 효과가 있는. 이가 거의 없음을 확인하였다. 또한, 110% 하중단계에서 기존말뚝에서의 하중은 선. 것으로 나타났다. Fig. 11에 선재하 공법 적용시 하중분담율 결과를 나. 재하공법 적용여부에 따라 각각 447kN과 430kN이다.. 타내었다. Fig. 9에 나타낸 선재하공법을 적용하지 않은. 기존 말뚝의 허용지지력이 443kN임을 고려하면, 선재. 경우의 결과와 유사한 경향을 나타내었다. 국내의 수직. 하공법을 적용하지 않았을 경우 허용지지력을 상회하. 증축은 15층 이상 건물에서 최대 3층 증축까지 가능하. 는 하중이 기존말뚝에 가해지지만, 선재하공법을 적용. 기 때문에, 실제 수직증축 리모델링 사례에서의 최종하. 하는 경우 허용지지력 범위 내의 하중이 기존말뚝에 가. 중단계는 약 120% 수준으로 예상되는데, 120%에서의. 해진다. 즉, 기초보강시 말뚝의 허용지지력에 따른 안정. 보강말뚝의 하중분담율은 약 9.5% 정도로, 선재하공법. 성을 확보하기 위하여 선재하공법을 적용하는 것이 효. 을 적용하지 않은 경우의 8.6%에 비해 증가한 것을 확. 과적이라 판단할 수 있다. 또한 이러한 결과는 선재하. 인할 수 있었다. 또한, 선재하공법에 의해 초기 하중단. 하중 크기에 따라 보강 효율이 달라질 수 있으므로 이에. 계에서 보강효율이 빠르게 증가하여 약 100%의 하중단. 대한 추가 연구가 필요하다.. 계에서 하중분담율이 최종하중단계의 하중분담율과 거. Fig. 13에는 선재하공법 적용 유무에 따른 보강말뚝. 의 유사한 것을 확인할 수 있었다. 이는 선재하공법 적. 에 작용하는 하중을 나타내었다. 재재하 초기단계인 100%. 용시 보강말뚝의 하중분담율이 증가함과 동시에 낮은 하중단계에서도 보강효율을 빠르게 극대화시킬 수 있 음을 의미한다. 4.3 선재하공법의 효과 비교 선재하공법의 효과를 비교하기 위하여 선재하공법 적용 유무에 따라 기존말뚝에 작용하는 하중을 Fig. 12 에 나타내었다. 기초보강 전 단계에서는 기초별 하중이 동일한 것을 확인할 수 있으며, 재재하단계에서 선재하 공법을 적용한 경우에 기존말뚝에 가해지는 하중이 5% 정도 감소하는 것을 확인하였다. 즉, 선재하공법을 적용. Fig. 12. Comparison of carried load of existing pile with preloading and without preloading. Fig. 11. Load distribution on piles with preloading. Fig. 13. Comparison of carried load of reinforcing pile with preloading and without preloading. 3차원 수치해석을 이용한 공동주택 수직증축용 기초 보강 선재하공법 효과 분석. 55.

(10) 하중단계에서는 선재하공법 적용시 선재하 하중에 의해. 5. 결 론. 기존말뚝의 하중 중 일부가 보강말뚝으로 전이되었기 때문에, 선재하공법 적용유무에 따라 보강말뚝에 가해. 본 연구에서는 수직증축 리모델링시 기초보강을 위. 지는 하중이 2배가량 차이가 발생하였으나, 하중단계가. 한 선재하공법의 메커니즘을 확인하고, 3차원 FEM 수. 증가함에 따라 보강효율이 감소하는 것으로 나타났다.. 치해석을 통해 그 효과를 검증하였다. 선재하공법의 기. 이에 대한 원인은 선재하하중 적용에 따른 말뚝 강성. 초보강 효과를 확인하기 위하여 일련의 수치해석을 수. 의 변화에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 14는 선재하공. 행하였으며, 실제 시공단계를 고려한 초기하중-제하-재. 법 적용유무에 따라 보강말뚝의 하중-침하곡선을 각각. 재하 단계에서의 기존말뚝과 보강말뚝의 하중분포특성. 나타낸 결과이다. 보강말뚝에 선재하하중을 가하게 되. 을 평가하였다.. 면, 보강말뚝에는 일정수준의 침하가 발생함과 동시에. 해석을 통해 기존말뚝과 보강말뚝의 단일 말뚝 허용. 주면지지력이 발현되어 보강말뚝의 지지력이 증가한다.. 지지력을 산정하였으며, 선재하공법 적용시 기존기초와. 이때, 말뚝의 보강 성능은 말뚝의 강성 및 말뚝-지반 사. 보강기초의 하중-침하거동을 확인하여 기초의 안정성. 이의 강성에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Wang. 을 검토하였다. 그 결과 선재하공법을 적용하였을 때,. and Han, 2017). 말뚝-지반 사이의 강성은 하중-침하곡. 기존말뚝에 가해지던 하중 일부가 보강말뚝으로 전이. 선에서의 할선탄성계수로 확인할 수 있다. Fig. 14에 따. 되어, 기존말뚝의 하중분담율이 감소하고 보강말뚝의. 르면, 하중이 증가함에 따라 할선탄성계수가 감소하는. 하중분담율이 증가하는 것을 확인하였다. 특히 국내의. 것을 확인할 수 있으며, 이는 말뚝-지반 사이의 강성이. 수직증축은 15층 이상 건물에서 최대 3층 증축까지 가. 감소하는 것을 의미한다. 특히, 선재하공법 적용 유무에. 능하기 때문에, 실제 수직증축 리모델링 사례에서의 최. 따라 그 결과를 비교하면, 재재하 110%의 하중단계까. 종하중단계는 기존 하중 대비 약 120% 수준으로 예상. 지는 선재하공법을 적용하였을 때의 할선탄성계수가. 되는데, 120%에서의 보강말뚝의 하중분담율은 약 9.5%. 선재하공법을 적용하지 않았을 때의 할선탄성계수보다. 정도로, 선재하공법을 적용하지 않은 경우의 8.6%에 비. 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 선재하공법의 효과에 의. 해 증가한 것을 확인할 수 있었다. 다만, 재재하 초기에. 해 말뚝-지반 사이의 강성이 증가한 것으로 생각된다.. 는 선재하공법에 의해 말뚝-지반사이의 강성이 증가하. 그러나, 110% 이상으로 하중단계가 증가함에 따라 선. 여 보강말뚝의 효율이 크게 나타났으나, 재하단계가 증. 재하공법을 적용하였을 때의 할선탄성계수가 선재하공. 가함에 따라 보강말뚝의 효율이 감소하는 것을 확인하. 법을 적용하지 않았을 때의 할선탄성계수보다 작아지. 였다. 그러나 본 연구는 수치해석 기법을 통해 공동주택. 며 선재하공법의 효과가 감소하여 보강효율이 감소하. 수직증축 리모델링시 선재하공법의 적용 가능성을 확. 는 것으로 판단된다.. 인한 연구로써, 추후 실내실험 또는 현장실험을 통한 검 증 연구가 필요하다.. 감사의 글 본 연구는 국토교통과학기술진흥원 주거환경연구사 업 중 “저비용･고효율의 노후 공동주택 수직증축 리모 델링 기술개발 및 실증” 과제의 지원으로 이루어진 것 으로 이에 감사를 드립니다.. 참고문헌 (References) 1. Bruce, D. A. (1993), “In-situ Earth Reinforcing by Soil Nailing”, In Underpinning and Retention, Springer US, pp.340-394.. Fig. 14. Comparison of load-settlement behavior of reinforcing pile with preloading and without preloading. 56. 한국지반공학회논문집 제34권 제1호. 2. Butterfield, R. and Banerjee, P. K. (1971), “The Problem of Pile Group-pile Cap Interaction”, Geotechnique, Vol.21, No.2, pp.135-142..

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