A Comparative Study on the Bearing Capacity of Dynamic Load Test and Static Load Test of PHC Bored Pile

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† Land & Housing Institute, Senior Research Associate (Corresponding Author : [email protected])

PHC 매입말뚝의 동재하시험과 정재하시험의 지지력 비교･분석 연구

A Comparative Study on the Bearing Capacity of Dynamic Load Test and Static Load Test of PHC Bored Pile

박 종 배^† Jongbae Park

Received: August 3

^rd

, 2017; Revised: August 16

^th

, 2017; Accepted: August 30

^th

, 2017

ABSTRACT : In case of USA, the drilled shaft and the driven pile in the field showed a good correlation in the analysis of the bearing capacity between the dynamic load test and the static load test. However, in Korea, we mainly install the bored pile, which is not widely used overseas and we tried to confirm the reliability of the dynamic load test on the bored pile, because many people questioned the reliability of it.

In this study, load tests were carried out on PHC bored piles in LH field (Cheonan, Incheon, Uijeongbu), and the bearing capacity of the dynamic load test (EOID 7times, Restrike 7times) and the static load test (7times) were compared and analyzed. As a result, the average of the bearing capacity of the static load test was 27% higher than that of the dynamic load test (reliability : 0.73, coefficient of variation : 0.3). And the average of the bearing capacity of the static load test (Davisson) was 27% higher than that of the bearing capacity of the dynamic load test (Davisson) (reliability : 0.73, coefficient of variation : 0.2). To reduce the difference between the bearing capacity of the dynamic load test and the static load test, we proposed modified bearing capacity of dynamic load test (base bearing capacity of EOID + skin frictional force of restrike) and difference between the bearing capacities was reduced to 9% (reliability : 0.91, coefficient of variation : 0.2). And the coefficient of variation was reduced to 0.2 and the consistency of analysis increased.

Keywords : PHC bored pile, Dynamic load test, Static load test, Reliability, Modified bearing capacity of dynamic load test

요 지 : 미국 사례의 경우 항타말뚝과 현장타설말뚝은 동재하시험과 정재하시험 지지력 상관관계 분석에서 좋은 상관관계를 나타 내었다. 하지만, 국내에서는 해외에서 많이 사용하지 않는 매입말뚝으로 주로 시공을 하고 있으며, 매입말뚝의 동재하시험 신뢰성에 대해 의문이 많아 동재하시험의 신뢰도를 확인하고자 하였다.

본 연구에서는 LH 현장(천안, 인천, 의정부)에서 PHC 매입말뚝에 대하여 재하시험을 실시하였으며, 동재하시험(EOID 7회, Restrike 7회)과 정재하시험(7회) 지지력을 비교･분석하였다. 그 결과 재항타동재하지지력 및 정재하지지력 평균 값 비교 시 정재하지지력 평균 값이 약 27% 높게 나타났다(신뢰도 : 0.73, 변동계수 : 0.3). 재항타지지력(Davisson 판정 값) 및 정재하지지력(Davisson 판정 값) 평균 값 비교 시 정재하지지력(Davisson 판정 값) 평균 값이 약 27% 높게 나타났다(신뢰도 : 0.73, 변동계수 : 0.2). 동재하시험과 정재하시험의 차이를 줄이고자 본 연구에서는 수정동재하지지력(EOID의 극한선단지지력+Restrike의 극한주면마찰력)을 제시하였 으며, 수정동재하지지력과 정재하지지력을 비교했을 때는 그 차이가 9%로 줄어들었다(신뢰도 : 0.91, 변동계수 : 0.2). 또한 변동계 수가 0.2로 줄어들어 일관성이 증가한 것으로 나타났다.

주요어 : PHC 매입말뚝, 동재하시험, 정재하시험, 신뢰도, 수정동재하지지력

Journal of the Korean Geo-Environmental Society

18(9): 19～31. (September 2017) http://www.kges.or.kr

ISSN 1598-0820 DOI https://doi.org/10.14481/jkges.2017.18.9.19

1. 서 론

기초 말뚝의 지지력을 추정하는 일반적인 방법은 정역학 적 지지력공식 및 동역학적 지지력공식 등이 있다. 그러나 이들 방법은 산정하는 사람의 적용기준 및 각종 지지력계수 사용의 오차, 토질의 상태 등에 따라 많은 오차로 인한 신뢰 도의 문제를 가지고 있어 최근에는 재하시험에 의한 지지력

산정을 많이 시행하는 추세이다. 그러나 재하시험도 실제 조건과 다른 상황에서 실시되므로 시행방법이나 결과 해석 방법에 따라 다소의 오차가 있고 각국마다 규정에도 많은 차이가 있으며, 현재까지는 재하시험을 통한 지지력 산정이 가장 신뢰성 높은 방법으로 판단되고 있다.

국내에서는 동재하 및 정재하시험이 많이 사용되고 있으 며, 이 중 정재하시험은 기초 말뚝의 거동을 파악하기 위해

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Fig. 1. Dynamic load test installation (박종배 외, 2017)

신뢰도가 높은 재하시험 방법이나 시간과 비용이 많이 드는 단점이 있다. 최근에는 말뚝의 품질관리 및 지지력 확인을 위하여 동재하시험이 보편적으로 시행되고 있는데 정재하 시험보다 얻을 수 있는 데이터가 많은 장점이 있는 반면, 타격에너지에 의한 가속도와 변형률로부터 지지력을 간접 적으로 산정하기 때문에 정재하시험에 비해 신뢰도가 떨어 지는 것으로 알려져 있었다. 그러나 항타말뚝에 대해서는 Goble et al.(1980)과 Likins et al.(1996) 등이 동재하시험과 정재하시험 결과의 차이를 분석하여 지지력 차이가 상당히 줄었다는 것을 보고하였다. 현재 국내에서 가장 많이 사용 하고 있는 말뚝공법은 매입말뚝이나 항타말뚝과는 시공방 법 및 지지력 발현 원리가 상당히 다르므로 매입말뚝에 대 해 동재하시험과 정재하시험의 신뢰도 분석이 필요하다.

본 연구에서는 LH 현장(천안, 인천, 의정부)에서 동재하 시험(EOID 7회, Restrike 7회) 및 정재하시험 7회를 실시하 여 동재하시험과 정재하시험 결과를 비교･분석하여 동재하 시험의 신뢰도를 파악하고, 두 시험 결과의 차이를 줄일 수 있는 방안에 대해 고찰하였다.

2. 이론고찰

2.1 동재하시험

동재하시험의 활용은 선단지지력과 주면마찰력으로 각 각 별도로 산정 할 수 있다는 장점 외에도 각 현장 토질별 말뚝시공 작업의 적정성 판단 및 시공기준설정(Pile Driving Criteria), 건전도 파악, 해머의 타격에너지 전달효율 측정 및 말뚝의 지지력 평가(Dynamic Analysis) 등 전반적인 말 뚝시공 작업의 관리와 평가가 가능한 장점이 있다. 다음 Fig. 1에서 동재하시험의 개념도를 나타내었다.

2.1.1 지지력 산정이론

본 시험말뚝의 선단지지력과 주면마찰력은 다음과 같은

방법을 사용하여 분석하였다.

① PDA 측정자료 중 적정 blow를 선정, CAPWAP 방법 을 통하여 분석하고, ② CAPWAP 분석결과 구해진 지지력 중 선단저항과 주면마찰저항을 분리하여 평가한 후 이들 지 지력을 시험시점의 최대 하중 또는 극한지지력으로 판정하 였다.

③ 시험말뚝의 허용지지력은 기본적으로 Davisson 방법 을 적용하여 판정하였으며, 시공 중 시험인 EOID의 경우에 는 선단지지력의 크기만을 분석에 활용하였으며 재항타동 재하시험(Restrike)에서 해석되는 지지력은 전술한 판정방 법을 통하여 결정하였다.

본 현장 시험말뚝의 시간경과에 의한 지지력 변화를 평 가하기 위하여 시공 후 6～9일 경과시점에서 재항타동재하 시험(Restrike)을 각각 실시하고, CAPWAP결과로부터 주면 마찰력의 크기와 분포를 분석하여 시간경과에 따른 지지력 변화를 평가하였다.

2.1.2 CAPWAP Method

CAPWAP 방법은 말뚝두부에서 측정된 파형 중 하나를 입력치로 말뚝 및 흙의 모델링 Parameter들을 경계조건으로 하여, 항타 시 말뚝의 거동을 계산한 후, 측정된 파형과 비교 하는 Wave Matching Technique을 사용한다. 말뚝두부의 거 동 입력치로 F, V, WD 중 하나를 사용하면 각각의 경우 출 력치는 V, F, WU가 된다. 반복적인 계산과정 중 계산된 출 력치와 실제 측정치가 잘 일치하도록 경계조건을 조절하는 작업이 필요하며 CAPWAP에서는 자동 또는 수동으로 이 작 업을 수행할 수 있다. 반복 작업 시 조정되는 경계조건 중 중 요한 것은 Quake, Unloading Quake, 흙과 말뚝의 Damping, Unloading Level, Reloading Level, Radiation Damping, Plug Mass, 흙의 저항분포 등이다. 이와 같은 반복계산으로 Best Match가 얻어지면, CAPWAP은 이들 경계조건을 이용하여 프로그램상에서 모사정적재하시험(Simulated Static Pile Load Test)을 실시하여 하중-변위곡선을 얻으며 주면마찰력의 분 포 및 선단지지력을 제시하였다. CAPWAP해석의 일반적 인 출력 예를 Fig. 2에 나타내었다.

2.1.3 Davisson 판정방법

① PDA측정자료 중 적정 Data를 선정, CAPWAP방법을 사용하여 분석하고, ② CAPWAP 분석결과 구해진 하중-침 하량 곡선에 아래에 설명된 Davisson 판정법을 적용하여 항 복하중을 판정한 후, ③ 안전율 2.0을 적용한다.

Davisson 판정방법은 우선 말뚝자체의 탄성압축량(PL/

AE)과 지반의 탄성거동량(Quake, X)을 더하여 판정 기준선 (Davisson’s offset line)을 설정한 다음, 말뚝의 하중－침하

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Fig. 2. CAPWAP example output of analysis (박종배 외, 2017)

Fig. 3. Davisson example results (박종배 외, 2017)

Fig. 4. Comparison of the static load test (conventional) and the static load test (Osterberg-cell) of the bored pile (박종배 외, 2017)

량 곡선이 이 선과 만나는 점의 하중을 구하여 이를 항복하

중(failure load)으로 규정하고 이 값에 안전율 2.0을 적용하 여 허용지지력(Allowable design load)을 산출하는 방법으 로써 Fig. 3에서 Davisson 판정결과 예시를 나타내었다.

2.2 정재하시험

본 연구에서는 정재하시험의 방법으로 현장시험 간편화 와 파괴하중의 확인 용이성으로 인하여 양방향재하시험 방 법을 실시하였다. 종래의 말뚝 정재하시험의 경우 시험하중 만큼의 사하중이나 반력말뚝, 반력앵커 등의 가력수단이 필 요하고 이런 경우 말뚝에 정재하시험을 할 수 없다. 그러나 양방향재하시험은 특수하게 제작된 고압의 유압식 잭(Cell 또는 Jack)을 일반적으로 말뚝선단에 설치하여 말뚝자체에 서 발현되는 주면마찰력을 자체반력으로 사용되기 때문에 별도의 반력시스템이 없어도 파괴하중까지 정재하시험이 가능하다.

2.2.1 시험 기본원리

종래의 말뚝 정재하시험방법과 정재하시험법 중 양방향 재하시험 방법의 차이를 Fig. 4에 나타내었다. 종래의 말뚝 정재하시험은 두부에서 하중을 재하하므로 사하중이나 반

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Fig. 5. Equivalent load-settlement curve (이종섭 & 박영호, 2008)

Fig. 6. Dynamic load test and static load test bearing capacity correlation (Goble et al., 1980)

력말뚝, 반력앵커 등의 반력장치와 큰 재하장치가 필요하 다. 이때 말뚝두부에 재하하는 하중 P는 주면마찰력 F와 선 단지지력 Q에 의해 지지되고 이 두 지지력을 분리하기 위 해서는 말뚝의 하중전이측정이 반드시 수행되어야 한다.

양방향재하시험의 경우 지상에서 유압을 가하면 양방향 셀의 하부는 하향으로 움직여 선단지지력을 발생시키고 상 부는 동일한 힘으로 상향으로 움직이면서 말뚝에 주면마찰 력을 발생시킨다. 또한 말뚝두부가 아닌 선단이나 말뚝의 임의 위치에 하중을 재하하므로 주면마찰력 F와 선단지지 력 Q는 서로에 대해 반력으로 작용하게 된다. 이런 이유로 양방향재하시험에서는 별도의 하중재하 장치가 필요하지 않은 것이다.

양방향재하시험은 셀이 팽창함에 따라 선단지지력이나 주면마찰력 중 하나가 극한에 도달하거나, 잭의 최대재하용 량에 도달할 때 시험을 종료하며, 유압잭을 이용한 재하시 험은 다음 중 먼저 발생되는 현상이 있을 때까지 수행한다.

① 주면마찰력이 극한에 도달하거나, ② 선단지지력이 극 한에 도달하거나, ③ 유압잭의 재하용량이나 변위측정(Stroke) 이 초과될 때까지 재하하며, 상기 3가지 조건 중 먼저 발생 되는 현상까지 하중을 재하한다.

양방향재하시험은 설계하중과 시험하중이 대규모인 대구 경 현장타설말뚝에 주로 적용되고 있으나 시험기술의 가장 큰 장점인 지지력 성분의 분리측정(주면마찰력 및 선단지 지력)을 위해 기성말뚝인 PHC 매입말뚝공법에 적용이 유 용한 것으로 알려지고 있다. 분석방법으로는 강체해석법과 탄성해석법이 있으며, 탄성해석법의 경우 말뚝재하시험 시 말뚝에서 실제 발생할 수 있는 탄성변형량을 최대한 고려한 방법으로써 하중-변위량 곡선은 말뚝재하시험 결과와 매우 유사하게 나타났다(이종섭 & 박영호, 2008). 따라서, 본 연 구에서는 시험 결과를 탄성해석법으로 분석하였으며, Fig.

5에 등가 하중-침하량 곡선을 나타내었다.

2.3 동재하 및 정재하시험 결과의 상관성

동재하시험은 말뚝을 타격하여 발생하는 변형률과 가속 도를 분석하여 간접적으로 지지력을 산정하나, 말뚝에 직접 정적하중을 재하하여 지지력을 측정하는 정재하시험과 시 험원리가 다르기 때문에 신뢰성에 대한 논란이 있었다. 동 재하시험과 정재하시험 지지력은 산정하는 원리적인 차이 외에도 Set-up 효과 유발시간(시험시기의 차이)에 의해서도 지지력 차이가 발생한다. 그러므로 동재하와 정재하시험 신 뢰성을 논의하기 위해서는 동일한 시간대에 시험하는 것이 좋다. 또한 동재하시험에서 지지력을 충분히 발현시키기 위 해서는 관입량이 2mm 이상 되도록 충분한 에너지로 타격 하여야 한다.

Goble et al.(1980)은 미연방도로국(FHWA)과 타 주정부 기관과 협력하에 수행한 H말뚝, 목재말뚝 및 콘크리트 말 뚝의 동재하시험(CAPWAP, CW)과 정재하시험(Static Load Test, SLT)의 상관관계를 분석한 결과(CW / SLT) 1.010 이 라는 좋은 상관도를 나타낸다고 최초로 보고하였다(Fig. 6, Table 1). Garland Likins & Frank Rausche(2004)는 동재하 시험 결과를 분석하는 방법 중 CAPWAP 해석은 지지력을 평가하기 위한 표준 절차로 간주되고 있으며, 동재하시험 결 과의 CAPWAP 해석과 정재하시험 결과는 좋은 상관관계 를 보여주고 있다. 또한 Goble et al.(1980)과 Likins et al.

(1996)의 연구자료를 취합하여 303건의 데이터베이스를 요 약한 결과 CAPWAP 해석과 정재하시험 결과(Davisson 방 법 적용) 비교는 거의 일치하는 것으로 나타나 동재하시험 이 매우 신뢰할 수 있음을 보여준다(Table 1). Fig. 7에서는 1980년 연구와는 달리 83개의 파일과 그중 36개는 강철, 19 개는 파이프를 사용하였으며, 시험결과를 ‘Best Match’와

‘Radiation Damping’ 해석법을 사용하여 분석하고 비교하

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Table 1. CAPWAP and static load test ratio and coefficient of variation (Garland Likins & Frank Rausche, 2004)

Study CW/SLT C.O.V. N Correl Notes

1980 1.010 0.168 77 0.960 Goble et al., 1980

1996

0.964 0.223 83 0.861 Automatic only

0.955 0.197 51 0.902 Automatic only

0.931 0.166 83 0.927 Best match

0.920 0.177 51 0.951 Best match

1.012 0.097 83 0.967 Radiation damping

1.009 0.081 51 0.971 Radiation damping

SW

0.993 0.165 143 0.984 All piles

0.983 0.156 119 0.987 All driven piles

0.987 0.161 70 0.968 All driven concrete

0.974 0.149 46 0.990 All driven steel

1.037 0.199 23 0.981 All driven and cfa

1.028 0.164 65 0.990 BOR 5+days

0.972 0.147 45 0.989 BOR/slt>0.25

1.039 0.200 49 0.933 All piles

0.982 0.139 15 0.982 All piles

0.910 0.183 96 0.981 All piles

0.968 0.101 24 0.989 All piles

All 0.980 0.169 303 0.983 1980, 1996 using best match date, plus SW

0.888 0.184 179 0.977 1996 plus SW

2000 0.930 0.146 75 Static versus static - Paikowsky slow MLT (Dav.) versus cyclic capacity

* CW : CAPWAP, SLT : Static Load Test, COV : Coefficient of Variation, N : Number of strikes, Correl : Correlation coefficient, SW : Stress Wave

(a) Best match interpretation (b) Radiation damping interpretation Fig. 7. Dynamic load test and static load test bearing capacity correlation (Likins et al., 1996)

Fig. 8. CAPWAP and static load test ratios for 1996 and stress wave database studies (Garland Likins & Frank Rausche, 2004)

였다.

142개의 데이터(119개의 항타말뚝과 23개의 현장타설말 뚝)에서 CAPWAP과 Static Load Test 비율 및 변동계수를 Table 1에 나타내었다.

Fig. 8에서는 Stress Wave 데이터베이스 및 Likins et al (1996) 연구에 대한 CAPWAP과 Static Load Test 비율 분 포를 나타내었다.

Goble et al.(1980)과 Likins et al.(1996) 연구의 303건 데 이터베이스에서 CAPWAP과 Static Load Test의 신뢰도는

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Table 2. LH field (Cheonan, Incheon, Uijeongbu) ground condition

Type N value position

1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 6 m 7 m 8 m 9 m 10 m 11 m 12 m 13 m 14 m

Cheonan N value

A 7 3 6 7 14 19 50 50 50 50 50 50 50 35

B 7 3 6 7 14 19 50 50 50 50 50 50 50 -

Incheon N value

C 41 38 41 50 50 50 50 - - - -

D 1 4 50 50 50 50 50 50 - - - -

E 10 25 50 50 50 50 50 50 - - - -

Uijeongbu N value

F 5 15 28 13 19 26 37 50 50 50 50 - - -

G 8 10 22 23 18 19 22 32 42 46 50 50 50 50

* Ground condition : A, B = Sedentary deposit soil, C, D, E = Weathered rock, F, G = Sedentary deposit soil

0.98이고 변동계수(COV)는 0.169이다(Table 1). 통상적으 로 변동계수는 0.25 이하일 경우 양호하다고 보는데 0.169 의 수치가 나와 양호한 범위에 들었으며, 신뢰도는 1에 근 접하여 CAPWAP과 Static Load Test 값이 비슷하다고 볼 수 있다. 또한 총 데이터에서 9% 미만은 Static Load Test 값보다 CAPWAP 값이 110% 정도 높은 것으로 나타나지만, 이를 달리 해석하게 되면 총 데이터에서 91% 정도는 Static Load Test 값보다 CAPWAP 값이 낮아 보수적인 설계를 유 도할 수 있을 것으로 판단된다.

Likins et al.(1996) 연구에서는 시간이 경과됨에 따라 말 뚝의 지지력이 향상되므로 재항타동재하시험의 경우 최소 6일 이후 시공할 것을 권장한다. 이는 항타말뚝의 경우 말 뚝 시공 후 지반의 Set-Up 효과에 의해 지지력 향상을 기대 할 수 있으므로 최소 6일 이후에 지지력을 시험하고, 매입 말뚝의 경우에는 말뚝 시공 후 시멘트풀을 주입하게 되므 로, 시멘트풀 양생에 따른 기간을 최소 7일(콘크리트 설계 기준 압축강도는 28일이나 양생기간 7일 이후부터는 28일 압축강도에 60～65% 강도 발현이 되기 때문에 콘크리트의 역할 수행이 가능하다고 판단함) 이후 지지력을 시험하면 동일한 조건에서 양호한 시험 값을 얻을 수 있을 것이라 판 단된다.

3. 현장 재하시험

본 시험은 매입공법으로 시공되는 PHC말뚝의 정밀한 평 가를 위해 LH 현장(천안, 인천, 의정부)에서 초기동재하시 험(EOID) 7회, 재항타동재하시험(Restrike) 7회, 정재하시험 7회를 실시하였다. 말뚝의 규격은 PHC 600mm이며, 시멘트 풀 배합비는 LH 시방서에 표기된 것을 참고하여 물시멘트 비 83%를 적용하였다. 또한 시험말뚝 2본 중 1본에는 초기 동재하시험(EOID) 및 정재하시험을 실시하였고, 인접하고 있는 말뚝 1본에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시하였다.

LH현장(천안, 인천, 의정부)의 지반조건은 Table 2와 같다.

3.1 시험말뚝 시공

각 현장의 시공방법은 매입말뚝 시공법을 적용하였다. 매 입공법들 중 천공 후 경타공법으로서 천공 홀의 공벽유지를 위해 강관케이싱이 사용되었고, 이후 시멘트풀 주입, 말뚝 삽입, 마무리 경타 순으로 시공되는 방법이다. 각 현장의 정 재하시험용 시험말뚝들에 대하여 각각 시공과정에서 동재 하시험이 수행되었고, 정재하시험의 주면저항을 예측하기 위해 인접말뚝들에 대한 재항타동재하시험(Restrike)을 수 행하였다.

3.2 재하시험

동재하시험은 PHC말뚝 근입, Casing 인발 후 자유낙하 식 Drop Hammer를 사용하여 타격하는 과정에서 초기동재 하시험(EOID)을 실시하여 지지력을 확인하였으며, 최소 7 일 이후에 인접말뚝에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시 하여 최종지지력을 측정하였다.

정재하시험을 위해 선정된 시험말뚝에는 정재하시험을 위 한 선단 CELL(유압잭), 유압장치 및 변위측정을 위해 Telltale gauge guide pipe 등을 말뚝 시공 전에 설치하였다. 이후 동 재하시험으로 선단지지력을 측정한 후 주면마찰력의 증가를 확인하기 위해서 인접 말뚝에 재항타동재하시험(Restrike)을 실시하였다(양방향 정재하말뚝에 재항타동재하시험을 수행 할 경우 타격력에 의한 주면마찰력 손실을 방지하기 위해 인접말뚝을 이용하였음). 또한 재항타동재하시험 결과 및 지반 주상도를 검토해 볼 때 주면마찰력이 선단지지력보다 작을 것으로 예상되는 시험말뚝에 대한 정재하시험 시에는 주면마찰력을 보완하기 위해 시험말뚝 주변말뚝의 주면마 찰력을 추가 반력으로 이용하여 시험을 실시하였다.

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Table 3. Cheonan field dynamic load test result (박종배 외, 2017)

Test pile number

Depth of penetration

(m)

Skin average N

value

Test type

CAPWAP analysis result (kN)

Skin Note friction force (Per unit area)

Base bearing capacity

(Per unit area)

Total bearing capacity

Davisson (Allowable bearing capacity)

A 13.5 32 EOID 142 3,321 (14,532) 3,463 - O-Cell test

Restrike 1,751 (134.7) 2,549 (9,018) 4,300 4,190 (2,095) 12 days past

B 12.9 32 EOID 122 4,109 (11,735) 4,231 - O-Cell test

Table 4. Incheon field dynamic load test result (박종배 외, 2017)

Test pile number

(m)

Skin average N

value

Test type

(Per unit area)

C 7.0 46 EOID 168 4,321 (15,283) 4,489 - O-Cell test

D 7.9 39 EOID 124 2,576 (9,112) 2,700 - O-Cell test

E 7.8 42 EOID 189 3,064 (10,835) 3,253 - O-Cell test

Table 5. Uijeongbu field dynamic load test result (박종배 외, 2017)

Test pile number

(m)

Skin average N

value

Test type

(Per unit area)

F 10.1 32 EOID 74 3,151 (11,144) 3,225 - O-Cell test

G 13.9 32 EOID 153 3,367 (11,909) 3,520 - O-Cell test

4. 시험결과 및 분석

4.1 동재하시험 결과

매입말뚝 시공 후 시멘트풀이 굳기 전에 실시한 초기동 재하시험(E.O.I.D) 7회와 시멘트풀이 굳고 난 뒤에 실시한 재항타동재하시험(Restrike) 7회의 결과는 Table 3, 4, 5와 같다.

동재하시험(Table 3, 4, 5)으로부터 산정된 선단지지력은 단위저항으로 분석할 때 각각 11,735～14,532kN/m², 9,112～

15,283kN/m², 11,144～11,909kN/m²범위로 나타나 비교적 견 고한 지층에 말뚝이 안착된 것으로 평가된다. 재항타동재하 시험(Table 3, 5) 결과에서는 단위면적당 주면저항이 각각 134.7～252.5kN/m², 54.1～173.5kN/m²범위로 측정되어 큰 변화폭을 나타내었다.

이로 인해 시멘트풀 양생효과 여부에 따른 지지거동 영 향을 확인할 수 있었으며, 정재하시험 시 선단저항을 충분

히 측정하기 위해서는 주면저항 부족에 따른 보조반력하중 이 필요할 것으로 판단되었다. 반면, Table 4의 재항타동재 하시험 결과를 보면 단위면적당 주면저항이 236.9～247.0 kN/m²범위로 측정되어 매우 큰 주면저항을 발휘하는 것으 로 나타났다(일반적으로 100kN/m² 정도인 것과 비교 시).

타 현장에 비해 주면부 평균 N치가 높으며(약 10～20% 높 음), 시멘트풀 재주입 및 양생 등 시공관리가 잘 된 것으로 판단된다.

동재하시험의 신뢰성을 높이기 위해서는 동재하시험 조 건 값들이 양호하여야 하며, Table 6, 7, 8에 나타내었다.

동재하시험은 충분한 타격력을 통하여 타격에너지가 선 단부까지 전달되어야 신뢰할 만한 결과를 얻을 수 있다. 간 혹, 매입말뚝에서 타격력이 약하면 시멘트풀의 경화에 따라 주면에서 타격력이 다 흡수되고 선단까지 에너지가 전달되 지 않아 충분한 지지력을 산정하지 못하는 경우가 있다. 즉, 마찰지지력을 100% 산정하기 위해서는 충분한 타격에너지

(8)

Table 6. Cheonan field dynamic load test condition value (박종배 외, 2017)

Test pile

number

Depth of

penetration (m) Test type Hammer weight (ton)

Hammer height (m)

Final penetration (mm/bl)

Case (RMX)

CSX (MPa)

CSB (MPa)

EMX

(tn･m) Note

A 13.5 EOID 6.0 2.5 2.6 361.0 37.1 26.9 10.31 O-Cell test

Restrike 6.0 3.0 1.0 438.0 38.7 28.2 7.55 12 days past

B 12.9 EOID 6.0 2.5 4.4 201.0 41.9 31.2 12.31 O-Cell test

Table 7. Incheon field dynamic load test condition value (박종배 외, 2017)

Test pile

number

Depth of

Hammer height (m)

Case (RMX)

CSX (MPa)

CSB (MPa)

EMX

(tn･m) Note

C 7.0 EOID 5.0 1.5 3.0 454.0 23.9 35.7 4.35 O-Cell test

D 7.9 EOID 5.0 1.5 4.0 292.0 25.2 25.1 4.59 O-Cell test

E 7.8 EOID 5.0 1.5 5.8 319.0 25.0 24.8 4.84 O-Cell test

Table 8. Uijeongbu field dynamic load test condition value (박종배 외, 2017)

Test pile

number

Depth of

Hammer height (m)

Case (RMX)

CSX (MPa)

CSB (MPa)

EMX

(tn･m) Note

F 10.1 EOID 6.5 1.5 3.2 300.0 27.1 24.3 6.27 O-Cell test

G 13.9 EOID 7.0 1.5 2.8 352.0 29.8 25.4 10.71 O-Cell test

Fig. 9. Static load test (Osterberg-cell) test pile hydraulic jack and telltale gauge guide pipe installation (박종배 외, 2017)

를 가해야 하며 동재하시험 조건 값의 EMX로 타격에너지 여부를 확인할 수 있다. 또한 타격에너지가 선단부까지 충 분히 전달되는지의 여부는 CSB 값으로 확인이 가능하며, CSB(Compression Stress Bottom)가 적어도 30MPa 정도 되 어야 하는 것으로 알려져 있다(박종배 외, 2014).

4.2 정재하시험 결과

초기동재하시험(EOID)을 측정한 말뚝에서 정재하시험

을 실시하였으며, 결과는 Table 9, 10, 11과 Fig. 10, 11, 12 와 같다.

4.3 재하시험 결과 비교･분석 4.3.1 동재하시험 및 정재하시험 비교

LH 현장(천안, 인천, 의정부)에서 실시한 재항타동재하 시험(Restrike) 및 정재하시험의 극한지지력을 비교하였으며 (Table 12, Fig. 13, 14, 15), Fig. 13, 14, 15의 정재하시험

(9)

Table 9. Cheonan field static load test result (박종배 외, 2017)

Test pile number Yield strength or breaking load (kN)

Ultimate skin bearing capacity Ultimate base bearing capacity All ultimate bearing capacity Davisson

A 3,800 2,760 6,560 5,800

B 4,000 3,350 7,350 6,400

Table 10. Incheon field static load test result (박종배 외, 2017)

C 3,000 3,200 6,200 6,400

D 2,300 2,650 4,800 4,800

E 3,500 3,150 6,655 6,000

Table 11. Uijeongbu field static load test result (박종배 외, 2017)

F 1,900 2,900 4,800 4,200

G 900 3,000 3,900 3,000

(a) A pile (b) B pile

Fig. 10. Cheonan field static load test (Load-Displacement behavior) result (박종배 외, 2017)

결과 값은 탄성해석법으로 측정한 결과이다.

Table 12에서 재항타동재하지지력 평균 값은 4,198kN이 며, 정재하지지력 평균 값은 5,752kN으로 정재하지지력이 약 27% 높게 나타났다. 또한 재항타동재하지지력(Davisson 판정 값) 평균 값은 3,765kN이며, 정재하지지력(Davisson 판 정 값) 평균 값은 5,228kN으로 정재하지지력(Davisson 판정 값)이 약 27% 높게 나타났다. 동재하지지력과 정재하지지 력의 차이가 크게 나타난 이유는 Table 3, 4, 5에서 Restrike 의 선단지지력이 EOID보다 약 29% 감소한 데서 기인한다.

이는 실제로 선단지지력이 약화된 것이 아니고 시멘트풀의 경화에 의해 타격에너지가 선단부까지 충분히 전달되지 않 았기 때문이다. 선단지지력을 충분히 발현시키기 위해서는

상당한 타격을 가해야 하나 그럴 경우 말뚝이 손상될 수 있 는 문제가 발생할 수 있고 이러한 문제를 해결하기 위한 방 안으로 수정동재하지지력(EOID의 극한선단지지력+Restrike 의 극한주면마찰력)을 제시하였으며, 수정동재하지지력의 평 균 값은 5,752kN으로 정재하지지력이 약 9% 높게 나타났 다. 앞서 비교한 재항타동재하지지력 및 정재하지지력과 재 항타동재하지지력(Davisson) 및 정재하지지력(Davisson)의 평균 값이 약 27% 나온 것에 비해 상당히 낮은 수치를 나타 내었다. 이 결과를 바탕으로 다음 절에서 동재하시험과 정 재하시험 결과를 종합적으로 정리하고 신뢰도 분석을 실시 하였다.

(10)

(a) C pile

(b) D pile (c) E pile

Fig. 11. Incheon field static load test (Load-Displacement behavior) result (박종배 외, 2017)

(a) F pile (b) G pile

Fig. 12. Uijeongbu field static load test (Load-Displacement behavior) result (박종배 외, 2017)

4.3.2 동재하시험과 정재하시험의 신뢰도 분석

매입말뚝의 동재하시험과 정재하시험의 결과 값의 차이를 보다 체계적으로 분석하고자 본 절에서는 앞 절의 시험 값들 을 통계 분석하여 신뢰도 및 상관관계를 검토하였다(Table

13, Fig. 16).

재항타동재하시험(Restrike)에서 목표지지력을 얻기 위해 서는 선단부에 전달되는 압축응력(CSB)이 적어도 30MPa 이 상이 되어야 한다. 본 연구에서 조사한 LH 현장(3개소 현장)

(11)

Table 12. LH field (Cheonan, Incheon, Uijeongbu) load test (Restrike and static load test) comparison of results

Type Restrike (kN) Static load test (kN)

All ultimate bearing capacity Davisson All ultimate bearing capacity Davisson

Cheonan field A 4,300 (5,072) 4,190 6,560 5,800

B 4,298 (7,114) 4,298 7,350 6,400

Incheon field

C 4,548 (6,349) 4,548 6,200 6,400

D 4,400 (3,927) 4,180 4,800 4,800

E 3,163 (4,520) 3,163 6,655 6,000

Uijeongbu field F 4,309 (4,886) 3,020 4,800 4,200

G 4,369 (4,652) 2,960 3,900 3,000

* The value in parentheses is the value calculated by the modified bearing capacity of dynamic load test.

(a) A test pile (b) B test pile

Fig. 13. Cheonan field load test (Restrike and static load test) comparison of results

(a) C test pile

(b) D test pile (c) E test pile

Fig. 14. Incheon field load test (Restrike and static load test) comparison of results

(12)

(a) F test pile (b) G test pile Fig. 15. Uijeongbu field load test (Restrike and static load test) comparison of results

(a) Bearing capacity of restrike and bearing capacity of static load test correlation

(b) Davisson (Bearing capacity of restrike and bearing capacity of

static load test) correlation (c) Modified bearing capacity of dynamic load test and bearing capacity of static load test correlation

Fig. 16. Comparison of bearing capacity correlation of load test

Table 13. Coefficient of variation and ratio of load test results

Type Reliability Number of times Coefficient of variation

Bearing capacity of restrike / Static load test 0.73 7 0.30

Davisson (Bearing capacity of restrike / Static load test) 0.73 7 0.20

Modified bearing capacity of dynamic load test / Static load test 0.91 7 0.20

* Coefficient of variation (COV) = 1) COV < 25% : Low, 2) 25% ≤ COV < 40% : Normal, 40% ≤ COV : high

(13)

의 7개 말뚝의 Restrike 시험에서는 CSB값이 24.5～38.6MPa 로 나타나(Table 6, 7, 8), 일부 말뚝에서 선단부에 충분한 에너지가 전달되지 않은 것으로 나타났다. 이럴 경우 지지 력이 과소평가될 수 있으며 정재하시험 값과 차이도 크게 발생할 수 있다(Table 12).

Table 13에서 재항타동재하지지력 및 정재하지지력과 재 항타동재하지지력(Davisson) 및 정재하지지력(Davisson)의 신뢰도는 두 조건에서 0.72 나타내고 변동계수(COV)는 각 각 0.3과 0.2를 나타내었다. 이는 항타말뚝에 대한 타 연구 의 신뢰도(평균 : 0.97, Table 1)보다 많이 낮고 변동계수도 크게 나타나 일관성이 떨어지는 것으로 판단되었다. 이를 해결하고자 본 연구에서는 수정동재하지지력(EOID의 극한 선단지지력+Restrike의 극한주면마찰력)과 정재하지지력과 의 신뢰도를 분석하였으며, 그 결과 신뢰도가 0.91, 변동계 수(COV) 0.2로 나타나 신뢰도 및 일관성이 크게 향상되는 것으로 나타났다.

수정동재하지지력이 정재하지지력에 근접하지만 이를 실 무에서 사용하기 위해서는 재항타시험 시에 충분한 타격력 을 가해야 하고, 매입말뚝의 선단과 주면의 시공 상태가 양 호한 것을 전제로 하여야 한다.

5. 결 론

국내에서 많이 사용하고 있는 매입말뚝에 대해 LH 현장 (3개 현장)에 대해 동재하시험(EOID 7회, Restrike 7회)과 정재하시험(7회)을 실시하여 결과를 비교하고 신뢰도 분석 한 결과는 다음과 같다.

(1) 재항타동재하지지력 평균 값은 4,198kN이며, 정재하지 지력은 5,752kN으로 정재하지지력 평균 값이 약 27%

높게 나타났다(신뢰도 : 0.73, 변동계수 : 0.3).

(2) 재항타동재하지지력의 Davisson 판정 평균 값은 3,765kN 이며, 정재하지지력의 Davisson 판정 평균 값은 5,217kN 으로 정재하지지력의 Davisson 판정 평균 값이 약 27%

높게 나타났다(신뢰도 : 0.73, 변동계수 : 0.2).

(3) 재항타동재하시험(Restrike) 시에 매입말뚝의 선단부까 지 타격에너지가 충분히 전달되지 못하여 지지력이 과 소평가되는데, 이러한 문제를 보완하기 위하여 수정동

재하지지력(EOID의 극한선단지지력+Restrike의 극한 주면마찰력)과 정재하지지력을 비교하였으며, 그 차이가 9%로 줄어들었다(신뢰도 : 0.91, 변동계수 : 0.2). 또한 변동계수가 0.2로 줄어들어 일관성이 증가한 것으로 나 타났다.

(4) PHC 매입말뚝의 동재하시험 신뢰도를 향상시키기 위 해서 동재하시험 및 정재하시험의 시차를 줄이는 것이 필요하다. 또한 시멘트풀이 굳고 난 후에 실시하는 재 항타동재하시험(Restrike) 시 선단부까지 충분한 에너지 가 전달되도록 타격하여야 한다. 하지만 충분한 타격에 너지를 가하기에 말뚝 손상이 우려될 경우에는 매입말 뚝의 선단과 주면의 시공 상태가 양호할 때 본 논문에 서 제시한 수정동재하지지력(EOID의 극한선단지지력 +Restrike의 극한주면마찰력)을 사용가능할 것으로 판단 된다.

감사의 글

본 논문은 토지주택연구원에서 과제로 수행한 “한계상태 설계법 시행에 따른 도로교 매입말뚝의 설계기준 정립에 관 한 연구(II)”의 연구결과의 일부를 정리한 것이다.

References

1. 박종배, 박용부, 이창현, 권영환 (2017), 한계상태설계법 시행 에 따른 도로교 매입말뚝의 설계기준 정립에 관한 연구(II), 토 지주택연구원.

2. 박종배, 천영수, 유호원 (2014), 말뚝의 축방향 설계 허용인발 저항력 산정 및 상세 개발, 토지주택연구원.

3. 이종섭, 박영호 (2008), 함께하는 지반여행 Q&A, 한국지반공 학회, 제24권 제7호, pp. 74~78.

4. Garland Likins. and Frank Rausche. (2004), CORRELATION OF CAPWAP WITH STATIC LOAD TESTS.

5. Goble, G. G., Rausche, F. and Likins, G. (1980), The analysis of pile driving-A state-of-the-art, Proc. of the 1st Int’l Conf. on Application of Stresswave Theory to Piles. Balkema, Stockholm Sweden.

A Comparative Study on the Bearing Capacity of Dynamic Load Test and Static Load Test of PHC Bored Pile