한국지반공학회논문집 제33권 8호 2017년 8월 pp. 5 ～ 16 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY
Vol.33, No.8, August 2017 pp. 5 ～ 16
ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2017.33.8.5
실물 재하시험을 통한 짧은말뚝의 횡방향 저항거동 평가
Investigation of Lateral Resistance of Short Pile by Large-Scale Load Tests
이 수 형1 Lee, Su-Hyung 최 영 태2 Choi, Yeong-Tae 이 일 화3 Lee, Il-Wha 유 민 택2 Yoo, Min-Taek
Abstract
When a lateral load is applied to a short pile whose embedded depth is relatively smaller than its diameter, an overturning failure occurs. To investigate the behavior of laterally loaded short piles, several model tests in laboratory scales had been carried out, however the behavior of large moment carrying piles for electric poles, traffic sign and road lamp, etc. have not been revealed yet. This paper deals with the real-scale load tests for 750 mm diameter short piles. To simulate the actual loading condition, very large moment was mobilized by applying lateral loads to the location 8 m away from the pile head. Three load tests changing the pile embedded lengths to 2.0 m, 2.5 m, and 3.0 m were carried out. The test piles overturned abruptly with very small displacement and rotation before the failures. These brittle failures are in contrast with the ductile failures shown in the former model tests with the relatively smaller moment to lateral load ratio. Comparisons of the test results with three existing methods for the estimation of the ultimate lateral capacity show that the method assuming the rotation point at pile tip matches well when the embedded depth is small, however, as the embedded depth increases the other two methods assuming the inversion of soil pressure with respect to rotation points in pile length match better.
요 지
근입깊이가 직경에 비하여 상대적으로 작은 말뚝은 편심이 큰 횡방향 하중을 받는 경우 전도되어 파괴된다. 지금까 지 횡방향하중을 받는 짧은말뚝의 지지거동에 대해서는 주로 모형실험을 적용한 연구가 수행되었지만, 전주, 표지판, 가로등 기초와 같이 매우 큰 모멘트를 받는 짧은말뚝의 지지거동은 아직까지 명확히 규명된 바 없다. 본 연구에서는 직경 750mm의 실물크기 말뚝에 대한 재하시험을 수행하였다. 실제 하중조건을 모사하기 위하여 기초로 부터 8m 이격된 지점에 횡방향 하중을 가하여 매우 큰 모멘트를 유발하였으며, 말뚝의 근입깊이를 2.0m, 2.5m, 3.0m로 변화시 킨 3회의 시험을 수행하였다. 시험결과 큰 모멘트를 받는 짧은말뚝은 파괴 직전까지 변위나 회전각이 거의 발생하지 않다가 전도로 인해 급격한 변위가 발생하는 취성형태로 파괴 되었다. 이러한 거동은 기존의 횡방향 위주의 하중을 받는 짧은말뚝에서 나타난 연성파괴 거동과는 대조적이다. 기존에 제안된 세 종류의 지지력 예측식으로 부터 구한 짧은말뚝의 극한 횡방향지지력을 시험결과와 비교하였으며, 말뚝 근입깊이가 상대적으로 작은 경우는 말뚝선단 중심
1정회원, 한국철도기술연구원 광역도시교통연구본부 책임연구원 (Member, Principal Researcher, Metropolitan Railway Research Center, Korea Railroad Research Institute, Tel: +82-31-460-5399, Fax: +82-31-460-5026, geoxlee@krri.re.kr, Corresponding author, 교신저자)
2정회원, 한국철도기술연구원 고속철도연구본부 선임연구원 (Member, Senior Researcher, High-speed Railroad Systems Research Center, Korea Railroad Research Institute)
3정회원, 한국철도기술연구원 고속철도연구본부 책임연구원 (Member, Principal Researcher, High-speed Railroad Systems Research Center, Korea Railroad Research Institute)
*본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2018년 2월 28일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
Copyright © 2017 by the Korean Geotechnical Society
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의 회전을 가정한 제안식이 적절하지만, 근입깊이가 커지면서 회전점을 중심으로 응력방향이 반전되는 토압분포를 가정한 제안식이 보다 적절한 것으로 평가되었다.
Keywords : Lateral resistance, Overturning, Short pile, Large-scale, Load test, Moment
1. 서 론
지반에 대한 근입깊이가 말뚝 직경에 비해 상대적으 로 작은 짧은말뚝은 주로 전력공급을 위한 전선을 지지 하는 전주나 신호등, 표지판 등의 횡방향 하중을 주로 받는 기초로 많이 적용되고 있다. 이러한 목적의 기초는 일반적인 기초와 달리 수직하중이 아닌 전선 또는 표지 판에 작용하는 풍하중이 주된 작용하중이며 기초 폭에 비하여 상대적으로 길이가 긴 전주 등의 기둥을 통해 하중이 전달되므로 하중작용점과 기초 사이의 이격거 리가 커서 매우 큰 모멘트가 기초에 작용하게 된다. 근 입깊이가 작은 기초에 큰 모멘트가 작용하게 되면 기초 는 강성기초로 거동하여 전도(overturning) 형태의 파괴 가 일어난다.
말뚝기초에 작용하는 수평방향 지지력에 대한 연구 는 많은 연구결과가 제시되어 있지만, 전도형태의 파괴 가 일어나는 짧은 말뚝의 거동 및 지지력에 대한 연구는 상대적으로 드물다. 짧은 말뚝의 전도 거동에 대한 연구 는 Brinch Hansen(1961), Broms(1964), Petrasovits and Award(1972), Meyerhof et al.(1981), Prasad and Chari (1999), Zhang et al.(2005), Lee et al.(2010), Li et al.
(2017) 등에 의하여 수행되었으며, 주로 기초에 작용하 는 모멘트를 저항하기 위하여 말뚝에 작용하는 토압분 포를 모형시험과 해석적 분석을 통해 제시하고 있다.
현재까지 짧은 원형말뚝의 전도파괴에 대한 횡방향 지지력을 예측하기 위하여 제안된 지지력 산정법은 주 로 말뚝 주면에 작용하는 토압분포 등을 단순화하여 가 정한 반경험적인 접근방식을 통해 유도하고 이를 모형 실험을 통해 검증하는 방식으로 개발되었다. 또한 Reese and Van Impe(2001), Li et al.(2017)은 짧은 말뚝이 횡 방향 하중에 저항하는 경우 말뚝 주면에 작용하는 연직 력 및 마찰력 뿐만 아니라 말뚝 선단 바닥에 작용하는 마찰력도 중요한 역할을 한다고 주장하였다. 하지만 실 물 크기의 기초에 대해서는 기초의 전도를 일으킬 수 있는 큰 모멘트를 재하하는 것이 매우 어렵기 때문에, 이들 이론의 실제크기 규모의 적합성에 대한 검증은 이
뤄진 바가 없다. Lee et al.(2012)는 성토구역에서의 실 물크기 재하시험을 통해 성토사면이 전철주기초의 지 지력을 저하시키는 효과를 평가한 바 있으나, 말뚝 근입 깊이 등에 따른 기초의 거동과 지지력의 변화에 대한 연구는 아직까지 이뤄지지 않았다.
본 연구에서는 직경이 750mm인 원형말뚝 상부에 길 이가 상대적으로 긴 전주를 설치하고 전주 최상부에 횡 방향하중을 작용하는 방법으로 매우 큰 모멘트를 기초 에 가할 수 있는 현장재하시험을 수행하였다. 근입깊이 를 변화시킨 3본의 기초에 대한 시험을 수행하였으며, 기초가 완전히 파괴되는 극한상태까지 재하하여 짧은 말뚝의 전도파괴 거동을 파악할 수 있도록 하였다. 또한 기존의 예측식에 의하여 계산된 지지력과 시험결과의 분석을 통해 짧은 말뚝의 횡방향 저항력을 계산을 위하 여 기존에 제안된 이론들의 적합성을 평가하였다.
2. 짧은말뚝의 횡방향 지지거동
2.1 전도가 발생하는 짧은말뚝에 작용하는 토압분포
지반에 대한 근입깊이가 작은 짧은말뚝이 지지할 수 있는 횡방향 저항력을 산정하기 위해서는, 하중 작용 시 말뚝 주면에 작용하는 토압 분포를 예측하는 것이 가장 중요하다. Zhang et al.(2005)은 횡방향 하중을 받는 짧 은말뚝에 작용하는 토압분포에 대한 기존 이론을 정리 하여 Fig. 1과 같이 제시하였다. Fig. 1에서 지금까지 제 안된 토압분포는 제안자에 따라 많은 차이를 나타내는 것을 알 수 있으며 특히 기초가 회전하는 중심의 상부 토압분포는 차이가 매우 크다. 또한 Broms(1964)가 제 안한 방법은 말뚝이 선단을 중심으로 회전하는 것으로 가정하고 있으며, Brinch Hansen(1961), Petrasovits and Award(1972), Mehyerhof et al.(1981)이 제안한 방법들 은 기초의 회전 중심에 토압이 발생하는 물리적으로 잘 못된 분포를 가정하고 있다.
현재까지 제안된 가장 합리적인 분포는 Prasad and Chari (1999)가 제안하였다. 그들은 직경 102mm의 모형말뚝
Fig. 1. Assumed soil pressure distribution under lateral loads by different researchers (after Zhang, 2005)
(a) Prasad and Chari (1999) (b) Li et al. (2017)
Fig. 2. Measured soil pressure distribution under lateral loads by different researchers
에 대하여 근입깊이를 말뚝 직경의 3배～6배로 변화시 킨 재하시험을 수행하였으며, 각 말뚝에는 10개의 토압 계를 설치하여 말뚝 주면에 작용하는 연직응력을 측정 하여 그 결과를 토대로 Fig. 2(a)에 제시한 토압분포를 제시하였다. 이 분포에서는 상부에는 말뚝 회전깊이의 0.6배 되는 지점에 최대토압이 발생하고, 회전중심에는 토압이 작용하지 않으며, 말뚝선단에는 상부에서 발생
한 최대토압의 1.7배의 토압이 발생하는 것으로 제안되 었다. 반면 Li et al.(2017)은 과압밀된 조밀한 사질토에 서 340mm 직경의 말뚝을 2,200mm 근입시켜 재하시험 을 수행하였으며, 말뚝 주면에 설치된 스트레인게이지 로 부터 구한 휨응력으로부터 말뚝에 작용하는 토압을 역산하여 Fig. 2(b)와 같이 제시하였다. Fig. 2(b)에 제시 된 결과는 Prasad and Chari(1999)가 제안한 토압분포와
Fig. 3. Distribution of front earth pressure and side shear around pile subjected to lateral load (after smith, 1987)
상당한 차이를 나타내고 있으며, 지표부에서 상당한 토 압이 발생하고 선단부의 토압은 기존에 제안된 방법에 비해 상당히 작게 발생하였다.
원형기초의 경우는 기초 단면의 곡률로 인해 주면에 전달되는 정확한 연직토압의 측정이 불가능하다. Fig. 3 은 Smith(1987)가 제시한 원형기초의 단면에 작용하는 토압 분포로 최대 연직토압은 기초 중심부에서 발생하 고, 곡률로 인해 주변으로 갈수록 토압이 감소하는 분포 를 보인다. Briaud et al.(1983)은 원형기초의 경우 최대 연직토압에 대한 평균 연직토압의 비는 0.8로 제시하였 으며, Prasad and Chari(1999)와 Zhang et al.(2005)은 해 당비율을 적용한 횡방향지지력 공식을 제안하였다.
Zhang et al.(2005)은 Prasad and Chari(1999)가 제안 한 토압분포를 적용하고 말뚝 주면에 작용하는 마찰력 을 추가적으로 고려한 횡방향 지지력 산정방법을 제안 하였으며, 기존에 발표된 17회의 재하시험 결과에 대한 분석을 통하여 제안한 방법으로 비교적 정확하게 횡방 향 저항력을 예측할 수 있다고 주장하였지만, 지지력 산 정결과가 시험결과와 최대 50.7%의 오차가 발생하는 경 우도 있어서 제안된 방법의 적용에는 다소 제한이 있는 것으로 판단된다. Li et al.(2017)은 모형실험 결과를 분 석하여 유추한 전단력 분포를 통해 말뚝선단하부에 작 용하는 마찰저항을 무시할 수 없으며, p-y 곡선을 적용 한 해석에 말뚝선단하부의 마찰을 고려하면 보다 정확 한 거동예측이 가능하다고 주장하였다.
이처럼 전도파괴가 일어나는 얕은 말뚝기초에 작용 하는 토압분포는 많은 가정을 토대로 제안되어 있을 뿐
만 아니라 명확하게 검증된 이론은 없는 상태이다. 또한 말뚝에 작용하는 횡방향하중, 모멘트, 수직하중 등의 비 율이나 말뚝의 세장비 등에 따라 토압분포가 상당히 변 화할 수 있으므로 이와 관련된 보다 많은 연구가 필요 하다.
2.2 말뚝에 작용하는 극한횡방향저항력
횡방향하중이 가해진 말뚝에 작용하는 토압이 지반 의 극한응력을 초과하면 말뚝의 전도가 발생하게 된다.
말뚝의 단위길이당 주변지반이 받을 수 있는 저항력인 극한횡방향저항(, ultimate lateral resistance)에 대해서 는 현재까지 다양한 이론이 제시되었다.
Brinch Hansen(1961)은 흙의 점착력()과 유효내부마 찰각(′)을 적용하여 를 구할 수 있는 식 (1)을 제안하 였다.
(1)
여기서 는 ′의 함수인 Hansen의 토압계수, 는 흙 의 단위중량, 는 지표로 부터의 깊이, 는 말뚝의 폭 또는 직경이다.
Broms(1964)는 비점착성지반에 대하여 다음의 식 (2) 를 제안하였다.
(2)
여기서 는 수동토압계수이며, Fig. 1(a)과 같이 기초 의 선단을 중심으로 회전하는 토압분포에 대하여 식 (2) 와 선단을 중심으로 한 모멘트 평형을 고려하면 아래의 식과 같은 횡방향극한저항력(, ultimate lateral capacity) 를 구할 수 있다.
⋅⋅⋅
(3)
여기서 는 말뚝 상면으로부터 횡방향하중 재하지점 까지의 이격거리(편심), 은 말뚝의 근입깊이이다.
식 (3)은 모멘트 평형만을 고려하여 유도된 식으로, 횡방향에 대한 힘의 평형을 만족시키기 위해서는 상당 한 크기의 하중이 말뚝 선단 바닥부에 작용한다는 것을 내포하고 있다.
Fig. 4. Borehole excavation for pile installation
Reese et al.(1974)는 지표부분에서의 쐐기파괴가 발 생하고 깊이가 깊어지면 평면변형률 조건의 파괴가 발 생하는 것을 고려하여 깊이에 따라 변화하는 를 다음 과 같이 제안하였다.
지표 근처 :
tan
cos tan ′sin (4)
지표보다 상당히 깊은 지점 :
tan′ (5)
여기서 는 주동토압계수, 는 정지토압계수,
′ , 는 지표에서의 쐐기파괴의 형태를 결정하 기 위한 각도이다.
Fleming et al.(1992)은 수동토압계수의 제곱에 비례 하는 를 다음의 식 (6)과 같이 제안하였다.
(6)
Prasad and Chari(1999)는 모형실험 결과를 통해 Fig.
2(a)와 같이 파괴 시 말뚝 전면부에 발생하는 최대토압 ()은 회전중심까지 깊이()의 0.6배 깊이에서 발생 하며 그 값은 아래의 식 (7)을 통해 구할 수 있다고 제안 하였다.
tan (7)
Fleming et al.(1992)은 위의 식들로 부터 구한 극한횡 방항저항은 서로 상당한 차이가 있는 것을 제시하였으
며, 실제 설계에서 이러한 문제점으로 인해 말뚝의 극한 횡방향저항력을 산정하는 데 많은 문제가 발생하고 있 다고 지적하였다. Zhang et al.(2005)은 Fleming et al.
(1992)가 제시한 극한횡방향저항을 적용하고 더불어 말 뚝 주면에 작용하는 마찰력을 추가적으로 고려함으로 써 기존에 발표된 17 종류의 재하시험에 대하여 성공적 으로 횡방향지지력을 예측할 수 있다고 주장하였다.
3. 실물크기 재하시험
3.1 말뚝 설치 및 전주 설치
시험을 위한 말뚝은 실제 철도선로의 중심에서 3.0m 이격된 지점에 설치되었다. 철도전력 공급용 전주기초 시공을 위한 천공장비를 이용하여 직경 750mm로 굴착 이 이루어졌으며(Fig. 4), 굴착 완료 후에도 공벽이 잘 유지되어 별도의 케이싱은 사용되지 않았다. 굴착깊이 는 2.0m, 2.5m, 3.0m 세 종류로 각각 말뚝직경에 대한 근입깊이의 비는 2.7배, 3.3배, 4.0배이다.
굴착이 완료된 후 전주와 기초의 연결을 위하여 직경 이 36mm인 앵커 6개를 1,410mm 깊이로 배치한 후 콘 크리트를 현장타설하여 기초를 제작하였다(Fig. 5). 또 한 기초 상부에는 변위측정용 계측기 설치를 위하여 폭 1,100mm, 두께 200mm의 정사각형 캡을 설치하였다. 기 초에는 앵커볼트를 이용하여 길이 9m의 전주를 Fig. 5(b) 와 같이 고정하였다.
3.2 지반조건
말뚝이 설치된 지역은 철도선로 구축을 위하여 대형 다짐장비를 이용하여 조성된 양호한 지반조건을 갖추
(a) Anchor bolts arrangements (b) Electric pole installation Fig. 5. Installations of anchor bolts and electric poles
Fig. 6. Particle size distribution curves
(a) DCPT (b) LFWD test
Fig. 7. Field tests for evaluation of ground strength and stiffness
고 있다. Fig. 6은 채취한 지반시료의 입도분포곡선으로 통일분류법에 의하여 GP-GM(실트 및 모래 섞인 입도 불량한 자갈)로 분류되었다.
노반의 강도 및 강성은 각각 동적콘관입시험(Dynamic Cone Pentration Test, DCPT)와 LFWD(Light Falling
Weight Deflectometer)시험을 이용한 현장시험으로 평 가하였다. 동적콘관입시험은 78.4N의 해머를 575mm의 높이에서 낙하시켜 직경 20mm의 원추를 타격하여 관 입되는 길이를 측정함으로써 지반의 강도 및 강성을 평 가하는 방법이다(Fig. 7(a)). 현장 시험 시 관입깊이는
Load cell
Fig. 8. Load application using crane and load cell for tension measurement
500mm 이상을 기준으로 하였으며, 말뚝 1본당 3회씩 모두 9회의 시험이 수행되었다. 시험결과로 측정된 1회 타격당 콘의 관입깊이인 DCP Index(DCPI)를 이용하여 Mohammadi et al.(2008)이 제시한 아래의 식 (8)을 이용 하여 내부마찰각을 산정하였으며, 평가된 말뚝주변 지 반의 평균 유효내부마찰각은 38.3°로 산정되었다.
(degree) (8)
LFWD는 자유낙하 시킨 추로 인해 발생하는 에너지, 하 중, 지반침하 사이의 관계를 이용하여 지반강성을 평가 하는 장비로서 사용된 장비는 Dynatest의 Keros Prima100 Portable FWD이다(Fig. 7(b)). 각 말뚝의 주변지반에 3 회씩 모두 9회 측정한 결과 평균수직강성은 135MPa로 나타났으며, 이는 고속철도 설계기준(Korea Rail Network Authority, 2015)에서 규정하는 상부노반의 다짐 강성기 준인 연직방향재압축변형계수() 80MPa를 상회하는 값으로 해당구역이 매우 조밀하게 다져진 것으로 평가 되었다.
3.3 재하방법 및 하중측정
재하방법은 Lee et al.(2012)이 성토지반에서 수행한 시험과 동일한 방법으로 수행하였다. 하중조건을 모사 하기 위하여 Fig. 8과 같이 강철 케이블을 전철주에 연 결하고 크레인을 이용하여 인장하였다. 횡방향 하중의 재하 위치는 일반적인 철도용 전철선의 높이(레일 상면 으로부터 약 7m)를 고려하여 기초로부터 이격거리가 8m
인 곳으로 결정하였다.
케이블을 통해 전주에 작용하는 인장력은 Fig. 8와 같 이 케이블에 장착된 로드셀을 이용하여 측정하였다. 말 뚝의 근입깊이가 2.0m인 1차시험에는 30kN까지 측정 이 가능한 로드셀을 사용하였으나 시험 중 로드셀 최대 측정용량에 근접할 때까지 파괴가 발생하지 않아서 2차 시험부터는 최대 측정용량 50kN인 로드셀을 사용하였다.
인장하중은 단계별로 0.5kN 정도씩 증가시키는 것으로 결정하였으며 크레인으로 인장하여 계측하중이 0.5kN 이상 증가하면 계측값이 안정될 때까지 하중을 유지하 여 최종 횡방향변위를 측정하였다.
3.4 변위 계측 방법
작용 모멘트에 따른 기초의 변위를 측정하기 위하여 6개의 전자식변위계(LVDT, Linear Variable Differential Transformer)를 설치하였다. 사용된 LVDT는 일본 KYOWA 사의 스트레인게이지형 제품(DTH-A-50)으로 최대 50mm 까지 측정 가능한 센서이다. Fig. 9와 Fig. 10은 전자식 변위계의 설치 위치를 나타낸 것으로 하중 작용방향에 대하여 전면부는 기초 상면에 2개, 기초 측면에 2개 씩 4개를 설치하였고, 후면부에는 기초 상면과 측면에 각 각 1개씩 설치하였다. 기초 상면부의 전자식변위계는 기 초의 수직변위 측정을 통한 회전각 산정을 위하여 설치 하였으며, 기초 측면부의 전자식변위계는 기초의 수평 변위를 측정하기 위하여 설치하였다.
(a) Plan view (b) Top view Fig. 9. Schematic of LVDT set up
Fig. 10. LVDT set-up for load test
Fig. 11. Lateral load-displacement curves
4. 시험 결과 분석
4.1 얕은 강성말뚝의 파괴 거동
Fig. 11은 재하시험 결과로 나타난 횡방향 하중-변위 곡선이다. 근입깊이가 2.0m인 경우는 로드셀 용량 문제 로 파괴에 이르기 전에 재하를 멈추고 제하하였으며, 근 입깊이가 2.5m, 3.0m인 경우에는 파괴하중을 확인하였 다. 파괴 직전까지의 말뚝 상부의 수평변위는 근입깊이 2.5m인 경우 1.6mm, 근입깊이 3.0m인 경우 0.9mm로 매 우 작게 발생하였으며, 파괴로 인해 약 10mm 정도의 변 위가 급격하게 발생하였다. 이러한 경향은 Fig. 12에 나 타낸 모멘트-회전각 거동에도 유사하게 나타났으며, 파
Fig. 12. Moment-rotation curves
(a) Embedded depth 2.5 m (b) Embedded depth 3.0 m
Fig. 13. Gaps between pile cap and soil after load tests
괴직전까지 근입깊이 2.5m인 경우 0.08도, 근입깊이 3.0m 인 경우 0.01도의 회전이 발생하고 파괴로 인해 함께 약 0.7도 이상의 회전이 급격히 발생하였다. 또한 발생한 수평변위와 회전각은 하중이 완전히 제거된 후에도 거 의 회복되지 않는 것으로 나타났으며, 이러한 현상은 파 괴가 일어나지 않은 근입깊이가 2.0m인 경우에도 동일 하게 나타났다. Fig. 13은 시험완료 후 회복되지 않은 변위에 의해 재하방향 반대편의 말뚝캡과 지반사이에 발생한 틈을 보여주며, 상당한 크기의 소성변형이 발생 한 것을 알 수 있다.
Fig. 14는 기존의 다른 문헌에 나타난 짧은 말뚝의 횡 방향 하중-변위 곡선과 모멘트-회전각 곡선이다. Prasad and Chari(1999)는 직경 102mm의 말뚝에 대하여 근입
깊이를 각각 말뚝 직경의 3, 4, 5, 6배로 변화시킨 모형 시험을 수행하였으며, 이 때 횡방향하중의 말뚝 상부로 부터의 이격거리(편심)는 150mm로 말뚝직경의 1.47배 이다. Li et al.(2017)은 조밀한 모래지반에 설치된 직 경 340mm, 근입깊이 2,200mm인 말뚝에 대하여 재하시 험을 수행하였으며, 편심은 800mm로 말뚝직경의 2.35 배이다. Dickin and Raman(2003)은 폭 25mm의 정방형 말뚝에 대하여 근입깊이를 1, 2, 3, 4, 5배로 변화시킨 원심모형시험을 수행하였으며 이 때 편심은 150mm로 말뚝 폭의 6배이다.
Fig. 14에 나타난 결과에는 본 논문의 시험보다 매우 크기가 작은 모형시험임에도 불구하고 파괴직전 변위 가 10mm, 회전각이 0.5도 이상으로 상당히 크게 발생하 고 있으며, 특히 파괴 이후에 하중이나 모멘트가 변위나 회전각에 따라 증가하는 경화(hardening) 현상이 발생하 여 파괴 이후 더 이상 하중이나 모멘트의 증가가 없었던 본 실험의 결과와는 극명한 차이를 나타내고 있다. 이러 한 파괴거동의 차이는 주로 편심이 말뚝직경의 10.7배 이상인 모멘트 위주의 하중이 적용된 본 실험의 특성에 의해 나타난 것으로 유추된다. 즉 전주, 표지판, 가로등 등 기초로부터 횡방향하중과 기초 사이의 이격거리가 커서 상당히 큰 모멘트를 받는 경우는 하중 증가에 따라 급격한 전도가 발생하는 파괴가 발생할 수 있는 것으로 판단된다. 따라서 짧은 말뚝의 거동을 평가하는 경우에 횡방향하중과 모멘트의 조합비율(편심)에 따른 파괴 거 동의 변화를 반드시 고려해야 하는 것을 알 수 있다.
(a) Prasad and Chari (1999), (B = 102 mm, e = 150 mm (1.47B )
(b) Li et al. (2017), B = 340 mm, e = 800 mm (2.35B )
(c) Dickin and Laman (2003), B = 25 mm, e = 150 mm (6.0B ) Fig. 14. Responses of shot rigid pile under lateral loads by different
researchers
Fig. 15. Variation of lateral stiffness with respect to embedded depth
4.2 근입깊이에 따른 횡방향 강성
Fig. 15는 시험결과로 산정된 말뚝의 횡방향 강성을 근입깊이에 따라 나타낸 것이다. 횡방향 강성은 파괴가
발생하지 않은 근입깊이 2.0m인 경우는 최대하중, 파괴 가 발생한 나머지 두 근입깊이에 대해서는 파괴직전 하 중에서의 발생 변위를 이용하여 할선계수로 산정하였다.
말뚝의 횡방향 강성은 근입깊이에 따라 증가하였으며, 그 증가 폭은 특히 근입깊이가 2.0m에서 2.5m로 증가할 때 0.003kN/m보다 2.5m에서 3.0m로 증가할 때 0.020kN/m 로 매우 크게 나타났다. 이러한 근입깊이에 따른 급격한 강성변화로부터 근입깊이 2.5m에서 3.0m 사이에서 횡 방향하중에 대한 기초의 회전위치나 말뚝선단 하부의 마찰저항이 전도에 미치는 영향 등의 변화에 의하여 파 괴형태의 급격한 변화가 발생하는 것을 유추할 수 있다.
4.3 기존 지지력예측식과의 비교
Fig. 16은 Broms(1964), Prasad and Chari(1999), Zhang et al.(2005)이 제안한 방법에 의하여 계산한 극한횡방향 저항력을 시험결과와 비교하여 나타낸 것이다.
Fleming et al.(1992)은 Broms(1964)가 제안한 방법이 극한횡방향저항력을 과소평가한다고 제시한 바 있다. 그 러나 본 실대형 재하시험의 조건과 같이 기초와 하중작 용점 사이의 편심이 큰 경우는 매우 큰 작용 모멘트의 평형을 위하여 말뚝의 회전중심이 얕아지게 되므로, 말 뚝의 회전에 따른 응력 방향의 반전 등을 고려하는 Prasad and Chari(1999)의 방법이나 Zhang et al.(2005)의 방법 에 비해 말뚝 선단을 중심으로 한 회전을 가정하는 Broms 의 방법에 의해 가장 큰 극한횡방향저항력이 산정되는 것으로 나타났다.
재하시험 결과는 말뚝 근입깊이가 2.0m인 경우 최대
Table 1. Failure patterns and recommended design methods according to pile diameter to embedded length ratio
L/D Failure pattern Recommended design method
L/D < 3.3 - Rotation about pile tip
- Frictional resistance on pile tip base should be considered Broms (1964) L/D > 3.3 - Rotation about a point on embedded length of a pie
- Passive earth pressures on pile side are major resisting factors and the frictional resistance on pile tip base can be ignored
Prasad and Chari (1999) Zhang et al. (2005) Fig. 16. Comparison of ultimate lateral resistance from test results
and existing methods
재하하중이 이론에 의하여 예측된 횡방향극한저항력 중 가장 큰 값인 Broms의 방법에 의한 결과보다 크게 나타 났다. 그러나 근입깊이가 커지면서 시험결과는 Prasad and Chari나 Zhang et al.의 방법에 의한 예측 값에 접근 하는 것으로 나타났다. 앞에서 언급한 바와 같이 말뚝 선 단 바닥부의 마찰 저항은 현재까지 제안한 지지력 예측 방법들에서는 고려할 수가 없다. 반면 본 논문에서 다루 고 있는 말뚝은 콘크리트의 현장타설에 의하여 설치되어 말뚝선단 바닥면과 지반 사이에 매우 큰 부착력이 발휘 되었을 것으로 예측된다. 말뚝의 근입깊이가 작은 경우 에는 이러한 부착력이 선단부에 크게 나타나, Broms의 방법에서 적용된 선단 중심의 회전과 유사한 파괴 거동 이 발생한 것으로 예측된다. 반면에 근입 깊이가 상대적 으로 깊어지면 회전중심 하부의 말뚝 주면에 작용하는 연직응력 만으로도 충분한 지지가 가능하므로 회전중 심이 얕은 형태로 파괴가 발생하여, Prasad and Chari (1999)나 Zhang et al.(2005)의 방법에 의하여 산정된 횡 방향극한저항력과 유사한 재하시험 결과가 나타나는 것 으로 판단된다. 이러한 결과로 부터 횡방향하중을 받는 말뚝의 전도파괴와 관련 된 회전중심 등의 거동이 횡방 향하중과 모멘트의 상대적인 비율과 말뚝의 근입깊이에
따라 변화하는 것으로 예측된다. 따라서 정확한 거동의 파악을 위해서는 말뚝선단 바닥에서의 흙-말뚝 사이의 마찰거동까지 모사할 수 있는 수치해석 방법을 개발하고 횡방향 하중의 편심량에 따른 하중조합이나 말뚝의 근입 비율에 따른 말뚝의 거동 변화를 살펴보는 것이 필요하 며, 이를 토대로 조건에 따른 가장 적합한 횡방향저항력 산정식을 결정하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
본 논문에서는 말뚝의 근입깊이만을 변화시킨 시험 이 수행되었으며, 시험결과로 부터 유추된 말뚝직경에 대한 근입깊이 비에 따른 파괴형태의 변화와 횡방향극 한저항력 산정방안에 대하여 Table 1과 같이 정리하여 나타내었다. Table 1에 제시한 방안은 3회의 재하시험 결과를 통한 잠정적인 결론으로, 보다 합리적인 짧은 말 뚝의 설계를 위해서는 추가적인 재하시험 및 수치해석 등을 통하여 하중조합, 지반조건, 말뚝 설치방법 등의 영향도 파악할 수 있는 연구가 필요하다.
5. 결 론
본 논문에서는 실물크기 재하시험을 통해 기초 상면 으로부터 이격거리가 큰 지점에 횡방향하중을 받아 모 멘트 위주의 하중이 작용하는 짧은말뚝의 거동을 평가 하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 모멘트 위주의 하중을 받는 짧은말뚝은 파괴 직전까 지 거의 변위가 발생하지 않다가 급격하게 말뚝이 전도되는 거동을 나타내었다. 파괴직전까지 발생하 는 횡방향변위나 회전각은 매우 작게 나타났으며, 파괴 후에는 변위 증가에도 더 이상 하중이 증가하 지 않는 변위 연화 현상이 나타났다. 이러한 결과는 기존의 횡방향하중 위주의 모형실험 결과에서 나타 난 상대적으로 큰 파괴직전 변위나 변위에 따라 하 중이 지속적으로 증가하는 파괴 후의 변위경화 현상 과 대조되었다. 따라서 횡방향하중을 받는 짧은말뚝 의 경우 횡방향하중과 모멘트의 비율(편심)에 따라 파괴거동의 변화가 있는 것으로 평가되었다.
(2) 말뚝의 근입깊이가 증가함에 따라 말뚝의 횡방향 저항력은 점진적으로 증가하나, 횡방향 강성은 근 입깊이가 2.5m에서 3.0m로 증가할 때 급격히 증가 하는 것으로 나타났다. 이로부터 근입 깊이가 증가 함에 따라 말뚝의 회전중심이나 말뚝선단 하부면 마찰저항력의 발현 여부 등 지지거동이 급격히 변 화하는 것을 유추할 수 있다.
(3) 기존에 제안된 세 종류의 방법에 의하여 산정한 극한 횡방향저항력과 재하시험 결과를 비교한 결과, 말뚝 근입깊이가 2.0m로 작은 경우에는 회전 중심을 말뚝 선단으로 가정하여 유도된 제안식의 결과와 시험결 과가 유사한 반면, 근입깊이가 2.5m 이상으로 깊어지 면서 회전중심을 기준으로 말뚝 길이에 따라 작용 토 압의 반전을 가정한 제안식의 결과에 시험결과가 근 접하는 것으로 나타났다. 이를 토대로 말뚝 근입깊이 가 말뚝직경의 3.3배 이하인 경우는 말뚝 선단을 중심 으로 한 회전을 가정한 저항력 예측방법이, 3.3배인 이상인 경우는 말뚝 근입부의 한점을 중심으로 한 회 전을 가정한 방법이 각각 적합한 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 횡방향하중을 받는 짧은말뚝의 거동 은 횡방향하중에 대한 모멘트의 상대적 크기나 근입깊 이에 따라 변화하므로 특정한 위치의 회전중심 등의 가 정을 전제로 유도된 해석식의 적용은 부적한한 것으로 판단된다. 또한 기존의 p-y 곡선 등을 이용한 근사적인 해석방법도 회전중심에 따른 토압의 반전이나 말뚝주 면과 선단하부에 발생하는 마찰력을 고려하기에는 부 적절하다. 따라서 향후 보다 합리적인 짧은말뚝의 횡방 향저항력 예측을 위해서는 이렇게 변화하는 지지특성을 고려할 수 있도록 하중조합의 변화에 따른 회전중심의 변화나 흙-콘크리트 경계의 마찰을 정확하게 모사할 수 있는 수치해석기법의 개발이 필요한 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업 “차세대 스 마트 철도교량 핵심기술개발”의 연구비 지원으로 수행 되었습니다.
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Received : July 5th, 2017 Revised : August 7th, 2017 Accepted : August 8th, 2017
