확장판 선단부착 PHC말뚝 시공법에 관한 기술적 고찰 -현장 시공안전성능 검증실험 결과를 중심으로-
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(2) (a) ST말뚝. (b) 국내서 생산되는 선단확장형 PHC말뚝. (c) 확장판 선단부착 PHC말뚝. (d) 강관 선단부착 PHC말뚝. (e) 다이렉트 PHC말뚝. (f) 임플란트 PHC말뚝. 그림 1. 다양한 선단변형 PHC말뚝 모습. 및 PHC말뚝의 상태를 확인하였는데 심각한 구조적 손상이 관찰되었다. 2018년 10월 국토교통부 국정감사 의 종합감사 시 질의를 통하여 확장판 선단부착 PHC말뚝의 안전성에 심각한 문제가 있음을 지적하였다. 이 를 계기로 국토교통부에서는 자체적으로 현장안전점검을 진행하고 있는 중이다. 이 기술기사에서는 국내에서 사용이 급증하고 있는 확장판 선단부착 PHC말뚝에 대한 기술적 수준을 고 찰하고자 한다. 또한 해당 말뚝의 지지력 성능, 시공 안전성 성능 등을 확인할 수 있는 올바른 검증시험 방법 론을 살펴보고자 한다.. 2. 확장판 선단부착 PHC말뚝의 제작 공정 확장판 선단은 PHC말뚝의 마밀라슈 탭경에 고장력볼트로 90N·m의 토크치를 작용시켜 체결되는 구조 이며 각 주요 부분은 확장판 선단(SS400; 그림 2(a) 참조), 마밀라 슈(SS400; 그림 2(b) 참조), 고장력 볼트 (F10T) 등이다. PHC말뚝의 생산 과정에서 마밀라슈 탭경은 1차 사용되며 PC강봉에 긴장력을 도입할 때 마 밀라슈의 탭경과 성형판은 인장볼트로 체결되어 6∼7톤의 긴장력을 도입시킨다(그림 2(c), (d) 참조). 따라서 마밀라슈 탭경은 1차사용 후 용도 폐기된 너트부에 해당된다. 확장판 선단은 1차 사용되어 용도 폐기된 탭경 에 체결하게 되는 데(그림 2(e) 참조) 이 때 PC강봉 헤드부는 확장판선단에 맞닿게 된다(그림 2(f) 참조). 매입 시공에서 최종 경타 시 항타에너지는 대부분 PC강봉을 통하여 PC강봉 헤드부에 맞닿은 확장판 선단. 019. _Geotechnical Engineering.
(3) 기술기사. (a) 확장판 선단의 구조. (b) 마밀라 슈의 구조. (c) 인장볼트 체결 전. (d) 인장볼트 체결 후. (e) 마밀라슈에 형성된 땅콩 구멍 (탭경 및 PC강봉 고정 구멍). (f) 확장판 선단에 맞닿게 되는 PC강봉의 모식도. 그림 2. 확장판 선단이 부착되는 탭경의 생성 과정. 에 직접 전달된다. 이는 PC강봉의 탄성계수가 콘크리트의 탄성 계수보다 크기 때문에 PC강봉에서 압축 변위가 더 작게 발생하게 되어 나타날 수 있는 현상 이다. 이 때 PC강봉에 맞닿아 있는 확장판 선단은 항타로 인한 반력을 PC강봉 에 작용시키게 되는 데 이로 인하여 확장판선단 부착에 따라 확장판 선단에 구 속된 PC강봉에서는 팽창변형이 발생하게 되고 동시에 PC강봉 주변 콘크리트 에 인장 균열을 발생시킨다. 확장판 선단부착 PHC말뚝 매입 시공 후 시공된 말뚝 주변을 선행 천공한 후 해당 말뚝을 뽑아내어 육안으로 관찰하였는데 상 당수의 시험말뚝에서 PC 강봉을 따라 심각한 수직 균열이 발생되어 있었으며 이들 균열은 대부분 보수불가능한 구조적인 균열이었다(그림 3 참조). 그림 3. PC강봉을 따라 발생된 보수불가능한 수직 균열 (시험말뚝 B-E-32). 3. 현장 검증 실험을 통한 시공 안전성 분석 직경 500mm PHC말뚝의 선단에 확장판을 볼트로 부착하여 풍화암층에 2.0m 만큼 관입되도록 매입 시공 하였다. 이 때 매 타격마다 동재하시험을 실시하여 PHC말뚝에 발생하는 항타응력을 조절하면서 최종관입량 및 지지력의 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 1)와 현행 시공법대로 최종관입량을 만. 020.
(4) 족할 때 동재하시험을 실시하여 지지력 만족여부를 확인하는 시공 관리를 실시하는 경우(시공법 2)로 구분하 여 시공하는 것으로 계획하였다. 길이 14m의 단본말뚝을 사용하거나 이음이 필요한 경우에는 용접방식 이음 을 실시하였다. 확장판 선단부착 PHC말뚝을 시험 시공한 후 시공된 말뚝의 주변을 천공하여 시험말뚝을 뽑아내어 지상의 거치대에 위치시킨 후 확장판 선단과 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝의 상태를 육안으로 관찰하였고 균열 등은 균열게이지로 폭을 측정하였고 길이는 줄자로 측정하였으며 모든 과정은 동영상으로 촬영하였다. 따라 서 추후 동영상을 통하여 시공 후 상태를 추가로 정밀하게 분석할 수 있었다. 현장 실험 결과를 표 1에 요약하 였으며 확장판 선단의 손상 유형 예(사진 1) 및 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝의 손상 유형 예(사진 2)의 대 표적인 사례를 시험말뚝의 기호와 함께 나타내었다. 확장판 선단에서는 영구변형이 유발되어 원형을 유지하 지 못하였고(사진 1 참조), 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝에서는 보수불가능한 수직 균열(그림 3 참조), 말 뚝 하단부 파괴(사진 2(a) 참조), 하부 보강밴드 손상 및 콘크리트 손상(사진 2(b) 참조), 하부 보강밴드 상단 콘크리트 일부 탈락(사진 2(c) 참조), 말뚝과 하부밴드 사이 벌어짐(사진 2(d) 참조) 등의 손상이 유발되었다.. 표 1. 확장판 선단부착 PHC말뚝의 현장 시공안전성능 검증시험 요약 구분. 확장판 손상. 말뚝 손상. 단계. 시공법. 말뚝 응력. 허용 지지력. 여부. 상태. 여부. 상태. B-E-20. 1단계. 시공법 1. 이상. 만족. 없음. -. 발생. 1개소 수직균열. B-E-20-1. 1단계. 시공법 1. 이상. 만족. 손상. 5개소 변형. 발생. 2개소 수직균열. B-E-21. 1단계. 시공법 1. 이하. 만족. 없음. -. 없음. -. B-E-22. 1단계. 시공법 1. 이하. 만족. 없음. -. 발생. 4개소 수직균열. B-E-23. 1단계. 시공법 1. 이하. 만족. 발생. 1개소 변형. 없음. -. B-E-24. 2단계. 시공법 1. 이하. 만족. 없음. -. 발생. 밴드부 손상(사진 2(b)). B-E-25. 2단계. 시공법 1. 이하. 만족. B-E-26. 2단계. 시공법 1. 이하. 만족. 발생. 1개소 변형. 없음. -. B-E-27. 3단계. 시공법 2. 초과. 만족. 없음. -. 없음. -. B-E-28. 3단계. 시공법 2. 초과. 만족. 없음. -. 발생. 3개소 수직균열/완전 파괴. B-E-29. 3단계. 시공법 2. 초과. 만족. 없음. -. 발생. 3개소 수직균열. B-E-30. 3단계. 시공법 2. 초과. 만족. 없음. -. 없음. 하부보강밴드 상단의 콘크리트 탈락(사진 2(c)). B-E-31. 3단계. 시공법 2. 초과. 만족. 없음. -. 발생. 1개소 수직균열/완전 파괴 (사진 2(a)). B-E-32. 3단계. 시공법 2. 초과. 만족. 발생. 2개소 변형 (사진 1(a)). 발생. 2개소 수직균열 (그림 3). B-E-33. 3단계. 시공법 2. 초과. 만족. 발생. 3개소 변형 (사진 1(b)). 발생. 4개소 수직균열/하부보강밴드 손상(사진 2(b)) /완전 파괴. 실험기호. 021. _Geotechnical Engineering. 하부말뚝의 하부 미회수로 확인 불가.
(5) 기술기사. (a) B-E-32. (b) B-E-33 사진 1. 확장판 선단의 손상 유형 예. (c) 하부 보강밴드 상단 콘크리트 일부 탈락 (B-E-30). (a) 말뚝 하단부 파괴 (B-E-31). (b) 하부 보강밴드 손상 및 콘크리트 손상 (B-E-33). (d) 말뚝과 하부밴드 사이 벌어짐 (B-E-24). 사진 2. 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝의 손상 유형 예. 상세한 내용은 김명학(2018a; 2018b)를 참고할 수 있었다. 확장판 선단부착으로 인해 PHC말뚝의 PC강봉을 따라 발생된 보수불가능 균열들을 통하여 지하수가 말뚝 내부로 침투되어 PC강봉을 점진적으로 부식시키게 되고 시간이 경과함에 따라 부식은 점차 가속화될 수 있 으며 이에 따라 부식된 PC강봉의 부피팽창으로 인하여 콘크리트의 파손은 급격하게 유발될 수 있을 것으로 판단되었다.. 022.
(6) 4. 하중전이 연직압축정재하실험을 통한 지지력 증가효과 분석 현장에 시험 시공된 PHC말뚝(TP-1), 확장판 선단부착 PHC말뚝(TP-2), 강관 선단부착 PHC말뚝(TP-3) 의 하중–침하량 거동은 거의 동일한 양상을 나타내었으며(그림 4(a) 참조) 따라서 말뚝의 근입길이가 동일 하고 선단지지층의 근입길이가 동일하고 말뚝의 직경이 동일할 경우 선단부착 말뚝들의 지지력 증대 효과는 없는 것으로 나타났다. 선단변형 PHC말뚝의 축하중 분포도를 그림 4(b)에 나타내었다. 각 위치에서의 축하중은 축하중계측용 센 서에서 측정된 변형율 값에 말뚝의 탄성계수 값과 말뚝 몸체의 직경 값을 곱하여 계산하였다. 이때, TP-1, TP-2 말뚝은 최대 재하 하중에서의 축하중 분포도를 나타내었으며 TP-3는 TP-1, TP-2와의 비교를 위하여 가장 유사한 단계의 재하하중인 6.98MN에서의 축하중 분포도를 도시하였다. 3가지 선단변형 PHC말뚝들의 축하중 분포도는 비슷한 경향을 나타내었다. 최대재하하중단계에서 말뚝 기초의 지지력 중 주면마찰력이 대 부분의 재하 하중을 지지하였으며 PHC말뚝, 확장판 선단부착 PHC말뚝, 강관 선단부착 PHC말뚝에서 선단 지지력은 각각 4, 5, 2%의 재하 하중을 지지하는 것으로 나타났다.. (a) 하중-침하량 관계. (b) 최대재하하중 시 축하중 분포도. 그림 4. 축하중전이 연직압축 정재하시험 결과(최용규 & 김명학, 2018). 5. 확장판 선단부착 PHC말뚝 시공법의 올바른 검증 방안 확장판 선단부착 PHC말뚝의 거동과 관련하여 검증해야 할 항목은 크게 2가지로 판단되었다. 첫째, 시공법 개발자가 주장하는 바에 의하면 확장판 선단부착으로 선단지지력이 크게 증가되고 이에 따라 전체 지지력이 30% 이상 증가하였다는 점과 둘째, 집필진의 연구(김명학, 2018a; 2018b)에 따르면 현장 매입 시공 중에 확 장판 선단이 영구 변형되었고 PHC말뚝에 보수불가능한 구조적 수직균열이 발생되었고 PHC말뚝 선단부가 파괴되었고 PHC말뚝 하부보강밴드가 손상됨에 따라 그 내부 콘크리트가 손상되었다는 점이었다.. 023. _Geotechnical Engineering.
(7) 기술기사. 확장판 선단부착 PHC말뚝 에서 실시하였던 말뚝재하시 험 자료를 그림 5에 나타내었 다. 여기서 말뚝재하시험으 로 정재하시험이 실시되었는 지 동재하시험이 실시되었는 지에 대한 설명도 나타나 있 지 않았으며 정재하시험을 실 시하였더라도 설계하중의 2 배까지만 재하가 되었을 것으 로 추정되었다. 이런 재하시험 으로는 확장판 선단부착 PHC 말뚝이 PHC말뚝보다 지지력 그림 5. 확장판 선단부착 PHC말뚝에 실시한 말뚝재하시험 자료. 이 30% 증가된다는 주장을 입 증할 수가 없다. 그림 5에서 빨. 간 색 박스로 표시한 부분에 있는 자료들을 살펴보면 PHC말뚝 본체의 허용 부재력보다 더 큰 설계하중을 사 용하고 있었는데 이는 심각한 설계 오류로 볼 수 있었다. 즉 확장판 선단부착구 사용 시 직경 400, 450, 500, 600mm일 경우 PHC말뚝 본체의 허용 부재력의 최대 163, 131, 139, 119%의 하중까지 지지할 수 있도록 설 계한 사례들이 나타나 있었는데 이런 하중 단계에서는 PHC말뚝 본체의 파괴를 전제로 설계가 이루어 졌다 고 볼 수 있었다. 확장판 선단부착 PHC말뚝의 경우 축하중전이 측정이 수반된 연직압축 정재하시험을 실시하여 PHC말뚝 의 연직하중지지 성능과 비교하면 연직하중지지력 증가 양상을 명확하게 분석할 수 있으며 현장에서 현행 경 타 시공법으로 시공한 후 말뚝을 뽑아서 확장판 선단과 그것이 부착된 PHC말뚝을 관찰해보면 경타 시공에 따른 손상여부를 명확하게 확인할 수 있다(표 2 참조). 표 2. 확장판 선단부착 PHC말뚝의 올바른 성능 검증 시험 방법론(김명학 & 최용규, 2018) 단계. 확인해야 할 항목. 검증 방안. 설계. ① 지지력이 30% 이상 증가한다. ② 선단지지력이 크게 증가한다.. 확장판 선단부착 PHC말뚝 및 PHC말뚝에 대한 정재하시험 실시 (파괴 시 까지 재하, 하중전이측정시험 포함). 시공. ㉮ 확장판선단이 영구변형된다. ㉯ 말뚝에 보수불가능한 구조적 수직균열이 발생된다. 10개 정도의 확장판 선단부착 PHC말뚝을 매입 시공 후 뽑 ㉰ 말뚝선단부가 파괴된다. 아내어 육안 관찰 및 측정 ㉱ 하부보강밴드 및 콘크리트가 손상된다. ㉲ 기타 손상. 024.
(8) 6. 결언 및 제언 (1) 확장판 선단에서는 영구변형이 유발되어 원형을 유지하지 못하였고 확장판 선단이 부착된 PHC말뚝에 서는 보수불가능한 수직 균열, 말뚝 하단부 파괴, 하부 보강밴드 손상 및 콘크리트 손상, 하부 보강밴드 상단 콘크리트 일부 탈락, 말뚝과 하부밴드 사이 벌어짐 등의 손상이 유발되었다. (2) PHC말뚝, 확장판 선단부착 PHC말뚝, 강관 선단부착 PHC말뚝의 하중-침하량 거동은 거의 동일한 양 상을 나타내었다. 따라서 말뚝이 선단지지층에 근입된 길이가 동일하고 말뚝의 직경이 동일할 경우 확 장판 선단부착 PHC말뚝 및 강관 선단부착 PHC말뚝의 지지력 증대 효과는 거의 없는 것으로 나타났 다. (3) 확장판 선단부착 PHC말뚝의 경우 축하중전이 측정이 수반된 연직압축 정재하시험을 실시하여 PHC말 뚝의 연직하중지지 성능과 비교하면 연직하중지지력의 증가 양상을 명확하게 분석할 수 있으며 현장에 서 현행 경타 시공법으로 시공한 후 말뚝을 뽑아서 확장판 선단과 그것이 부착된 PHC말뚝을 관찰해보 면 경타 시공에 따른 손상여부를 명확하게 확인할 수 있을 것으로 판단된다. (4) 확장판 선단부착 PHC말뚝에 관한 기존의 연구들은 이론식에 의한 검토, 수치해석에 의한 검토, 기 수 행된 동재하시험 및 단순 정재하시험 자료를 이용한 검토들이었다. 확장판 선단부착 PHC말뚝에서 지 지력이 30% 이상 증가한다는 실증적 근거는 찾아볼 수가 없었다.. 참고문헌 1. 김명학 & 최용규 (2018), 확장판 선단부착 PHC말뚝 및 볼트 수직이음을 사용한 PHC말뚝의 시공 중 건전성 확인을 위한 동재 하시험의 적용성 및 변형시공법 PHC말뚝들의 올바른 검증시험에 관한 연구, 한국지반공학회 논문집, 제34권 제12호, 2018 년 12월, pp. 115-131, ISSN 1229-2427. 2. 김명학 (2018a), 확장판선단부착PHC말뚝 및 볼트수직이음PHC말뚝의 안전한 시공법 개발 프로젝트 최종보고서, 인제대학 교 산학협력단, 2018. 9., pp. 1-341. 3. 김명학 (2018b), 확장판선단부착PHC말뚝 및 볼트수직이음PHC말뚝의 안전한 시공법 개발 프로젝트 최종보고서 부록, 인제 대학교 산학협력단, 2018. 9., pp. A-1-1-A-13-48. 4. 백규호 (2013), 스마트파일을 이용한 매입말뚝의 선단지지력 증대 기술, 건축구조, 2013년 9·10월호, 제20권 5호, pp. 72-78. 5. 이엑스티 브로셔 (2006), 이엑스티 파일(Ext-Pile)공법, 2014. 9, ㈜이엑스티 6. 정상섬, 김수일, 김홍택 (2011), Ext-Pile말뚝의 시공 및 설계검토 연구 용역 최종보고서, (사)한국지반공학회, KGS11-??, 2011. 1, pp. 1-75. 7. 천병식, 유충식, 이우진 (2009), Ext-Pile 공법 현장적용을 위한 재하시험 연구보고서, (사)한국지반공학회, KGS09-038, 2009. 3, pp. 1-118. 8. 최용규 & 김명학 (2018), 현장검증시험에 의한 선단변형 PHC말뚝들의 연직하중 지지특성에 관한 연구, 한국지반공학회 논 문집, 제34권 제11호, 2018년 11월, pp. 107-119, ISSN 1229-2427.. 025. _Geotechnical Engineering.
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