Characteristics of Behavior of Steel Sheet Pile installed by Vibratory Pile Driver

地 盤 工 學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第30卷 第1C 號·2010年 1月 pp. 27~35

진동타입기에 의해 시공되는 강널말뚝의 거동특성

Characteristics of Behavior of Steel Sheet Pile installed by Vibratory Pile Driver

이승현*·김병일**·김주철***·김정환****

Lee, Seung Hyun

·

Kim, Byoung Il

·

Kim, Zu Cheol

·

Kim, Jeong Hwan

···

Abstract

Instrumented steel sheet piles being driven by vibratory pile driver were installed in granular soil deposit and behaviors of the sheet piles were investigated. One of the instrumented steel sheet pile was installed without clutch and the other was installed with clutch. Sheet pile with clutch means that of installed in connection with pre-installed sheet pile. Penetration rates of sheet piles measured from depth measuring drum has shown that interlock friction had great effect on penetration speed of sheet pile.

Clutch friction shows irregular distribution along the depths of penetration and its magnitude was estimated as 19.1kN/m.

According to the accelerations obtained from accelerometer, it was seen that steel sheet pile behaviored nearly as a rigid body.

Efficiency factor of an isolated sheet pile was 0.42 and that of the connected sheet pile was 0.71. Shapes of dynamic load trans- fer curves obtained from analysis of measuring devices was similar to those suggested by Dierssen.

Keywords :instrumented steel sheet pile, vibratory pile driver, clutch, penetration rate, dynamic load transfer curve

···

요 지

사질토지반에 진동타입되는 강널말뚝의 거동을 파악하고자 계측기를 부착한 강널말뚝을 각각 1본씩 단독시공 및 연결시공 하여 현장시험을 수행하였다. 깊이측정장치를 통해 구한 깊이에 따른 관입속도결과에 따르면 연결부 마찰의 영향이 강널말뚝 의 관입속도에 큰 영향을 미친다는 사실을 알 수 있었다. 연결시공시 연결부 마찰은 관입깊이에 대해 불규칙한 양상을 보여 주었으며, 그 크기는 19.1kN/m이었다. 진동타입시 강널말뚝은 거의 강체로 거동함이 계측결과를 통해 확인되었다. 단독시공 시의 효율계수는 0.42이었으며 연결시공시의 효율계수는 0.71이었다. 계측자료로부터 유도한 하중전이곡선의 양상은 Dierssen 이 제안한 그것과 가장 유사하였다.

핵심용어

:

계측기를 부착한 강널말뚝, 진동타입, 연결시공, 관입속도, 동적 하중전이곡선

···

1.

서 론

1930

년대 초 말뚝 시공에 진동타입기가 처음으로 사용된 이래 현재까지 국내외를 막론하여 말뚝시공시 진동타입기(또 는 진동해머)가 많이 사용되고 있다. 말뚝시공에 사용되는 여타의 방법들에 비해 진동타입기를 사용하여 시공하는 경 우 소음이 작고 말뚝재료에 발생하는 응력이 작으며 특정 지반에서는 상당히 빠른 속도로 관입이 가능한 장점이 있 다. 진동타입기에 의해 시공되는 말뚝에 있어 공학적 관심 사는 항타관입성(driveability)인데 특히, 관입속도(rate of

penetration)

가 주된 관심사라 할 수 있다. 이러한 항타관입

성에 관한 연구에 있어 초기 연구자인 Barkan(1957)은 항타 관입성에 영향을 미치는 다양한 연구인자들은 조사한 바 있 는데 항타관입성에 미치는 영향인자들로는 진동가속도, 변위

진폭, 진동수, 정적 상재하중, 말뚝 단면적, 흙의 입경, 내부 마찰각 등을 들 수 있다.

말뚝의 진동타입거동특성에 관련하여 해외에서도 다수의 연 구(Jonker, 1987; Warrington, 1989; Roger and Littlejohn,

1980; Holeyman, 1993)

가 진행되어 왔으나 실물 현장시험

을 실시한 사례는 적어 현재까지 말뚝의 진동타입거동특성 이 명백히 규명되어 있지 않은 상태이다. 국내에서도 최근 들어 극히 제한된 수의 연구(이승현 등, 2007)가 진행되어 왔다.

본 연구에서는 모래지반에 시공되는 강널말뚝에 계측기를 부착하여 진동타입기에 의해 말뚝이 시공되는 동안의 말뚝 의 진동타입거동을 파악해보고자 하였다. 특히, 이론적인 항 타력과 실제 말뚝두부에 발생하는 힘의 차이를 반영하는 효 율계수, 관입시 강널말뚝의 강체거동 가능성, 지반의 하중전

*정회원·선문대학교 토목공학과 부교수 (E-mail : [email protected])

**정회원·교신저자·명지대학교토목환경공학과교수 (E-mail : [email protected])

***삼성물산(주) 건설부문 토목ENG팀 차장 (E-mail : [email protected])

****정회원·삼성물산(주) 건설부문해외토목사업부차장 (E-mail : [email protected])

이특성 및 관입특성 그리고 연결시공에 따라 연결부 마찰력

(clutch friction)

이 강널말뚝의 거동에 미치는 영향을 알아보

고자 하였다.

2.

진동타입 시스템

진동타입기는 그림 1에 나타나 있는 바와 같이 크게 기진 체(exciter block)와 정적 상재하중(bias mass 또는 static

surcharge)

그리고 기진체와 말뚝을 연결하는 클램프(clamp)

로 구성되어 있는데 기진체와 정적 상재하중은 스프링으로 연결되어 있어 기진체의 진동에 따른 영향이 정적 상재하중 에는 미치지 않도록 되어 있다.

기진체의 상하운동은 기진체 내부에 있는 편심 질량체(bias

mass)

의 회전운동에 의해 발생되는데 그림 1에 나타나 있는

바와 같이 서로 반대방향으로 회전하는 회전 질량체에 의해 원심력의 수평성분은 서로 상쇄되고 연직성분만이 존재하게 되어 상하운동이 가능하게 된다. 따라서 말뚝을 관입시키는 힘은 정적 상재하중과 편심질량체의 회전에 따른 불균형력

(unbalanced force)

의 합으로 표현될 수 있다. 이러한 진동

타입력에 의해 말뚝이 지중으로 관입될 때의 관입거동양상 을 그림으로 나타내면 그림 2와 같다.

그림 2에서 d(t)는 시간에 따른 관입깊이를 나타내고 d

0

는 변위진폭(displacement amplitude)을 나타낸다. 또한 ∆d는 영구변위량(permanent displacement)을 나타내고 v

p

는 관입 속도를 나타낸다. 그림 2를 통해 알 수 있듯이 불균형력에 의한 관입거동양상은 정현파 형태를 띄게 되며 정적 상재하

중의 작용으로 인해 연직하향의 관입이 가능해진다. 말뚝 관 입시 불균형력의 작용으로 인해 주면마찰력이 현저하게 감 소하여 관입이 원활하게 이루어지는 것으로 알려져 있다.

3.

현장시험

3.1

시험개요

2008

년 5월 대전 OO 현장에서 강널말뚝의 항타관입성을 알아보기 위해 널말뚝 2본에 대해 계측시험을 수행하였다.

널말뚝 1본은 단독으로 시공하고 나머지 한 본은 기 시공된 널말뚝에 대해 연결시공하여 계측시험을 수행하였다.

3.2

대상지반

현장지반은 지표면으로부터 매립층, 퇴적층, 풍화토 순으로 분포되어 있는 사질토 지반으로 통일분류법에 의하면 실트 질 모래(SM)로 분류되고 현장시험에 앞서 6m 간격으로 표 준관입시험을 2개소에 대하여 실시하였다. 표준관입시험결과 는 그림 3(a)에 나타나 있으며, 표준관입시험을 통해 6m 깊 이에서 채취한 시료의 입도분포곡선은 그림 3(b)에 나타나 있다. 그림 3에서 BH-1 및 BH-2는 공번호를 의미한다. 현 장시험시 시험널말뚝은 BH-1에서 1.5m 떨어진 위치에 시공 하였다.

3.3

강널말뚝 및 진동타입장비

현장시험에 사용된 강널말뚝은 SPIII

A(D)

으로서 길이는 그림

1.

진동타입 시스템

그림

2.

관입운동

그림

3. N

값 분포 및 입도분포곡선

12m

이며, 단면의 형상은 U형이다. 널말뚝 제원은 표 1에서 와 같다. 한편, 현장시험에 사용된 진동해머는 전기식이며 모 델명은 SVS-80으로서 그 제원은 표 2에서와 같다.

3.4

계측기

현장시험에는 변형률계, 가속도계, 깊이측정장치(depth

measuring drum)

등의 계측기를 강널말뚝에 부착하여 진동

타입시 강널말뚝에 발생하는 응력과 강널말뚝의 가속도 및 시간에 따른 관입깊이를 측정하였다. 시험에 사용된 변형률 계는 전기저항식이고 가속도계의 용량은 50g이며 깊이측정 장치의 최대 측정길이는 1000인치이다.

현장시험에 사용된 강널말뚝은 총 2본으로 1본은 단독시 공하여(without clutch), 계측을 수행하였고 나머지 1본은 시

험이 완료된 강널말뚝에 연결하여(with clutch) 강널말뚝을 시공하고 계측을 수행하여 연결부의 마찰영향을 알아보고자 하였다. 단독시험과 연결시험시 각각의 널말뚝에 설치한 계 측기 종류 및 설치위치는 동일하다. 각각의 계측기 설치위치 는 그림 4와 같다. 그림 4에서 보는 바와 같이 말뚝두부와 선단부에 가속도계를 설치하였고, 변형률계는 말뚝두부에 2 개를 설치하였다. 또한 선단부에는 총 8개를 설치하였는데 복부에 4개 좌우측 플랜지부에 각각 2개씩 설치하였다.

그림 5는 계측기 설치에 관한 사진들이다. 그림 5(a)는 널 말뚝 선단부에 설치한 계측기 및 배선이 나타나 있고 그림

5(b)

에는 계측기 설치완료 후의 보호덮개와 계측선이 나타나 있으며 그림 5(c)는 깊이 측정장치를 설치한 모습이다. 그림

5

를 통해 알 수 있듯이 계측기 설치를 위한 보호덮개에 의 해 널말뚝 단면 크기에 있어 약간의 변화는 수반되지만 시 험결과 해석시 보호덮개의 영향은 고려하지 않았다.

그림 5와 같이 설치된 계측기들을 동적 데이터로거에 연 결하여 200Hz로 데이터를 획득하였다.

4.

시험결과 및 분석

4.1

진동타입 관입성

(Vibro-driveability)

단독시공 및 연결시공시 강널말뚝에 부착한 깊이 측정장치 를 통해 측정한 시간-관입깊이 관계 및 관입속도-관입깊이 관계는 그림 6과 같다. 그림 6(a)에서 관입깊이는 시간-관입 깊이 측정자료로부터 1초동안의 평균 관입깊이를 의미한다.

또한 그림 6(b)에서의 관입속도는 시간-관입깊이 측정자료로 부터 10초동안의 평균 관입속도를 의미한다.

그림 6을 통해 알 수 있듯이 관입깊이 7m를 전후로 하여 관입이 거의 되지 않음을 알 수 있다. Rao(1993)는 관입속 도가 22mm/sec 이하일 때 관입이 힘들다(hard)는 기준을 제시한 바가 있는데 관입깊이 7m 근처에서 관입이 힘듦을 알 수 있다. 그림 6에서 초기 관입깊이에 대해서는 예상되 는 바와는 다르게 관입속도가 작음을 알 수 있는데 이러한 원인에 대해서 Viking(2002)은 초기 관입시 말뚝의 횡방향 유연도 때문으로 설명하고 있다. 즉, 초기 관입시에는 해머 에 의한 에너지가 말뚝을 연직방향으로만 관입시키는데 쓰 표

1.

현장시험에 사용된 강널말뚝 제원

Section type

표준단면치수

단면적

(cm²)

둘레 길이

(cm)

편심거리

(cm)

단위중량

(kg/m)

단면2차 모멘트

(cm²)

단면계수

(cm³) B

(mm)

H (mm)

t (mm)

SPIII_A(D) 400 150 13 76.4 119.2 3.8 60.0 3060 279

그림

4.

계측기 및 설치위치

표

2.

현장시험에 사용된 진동타입기 해머 제원 편심모멘트(kg·cm)

2200

공운전시 가속도(g)

10.8

진동수(cpm)

1500

모터출력(kW)

60

기진력(ton)

55.4

총중량(kg-f)

5500

공운전시 진폭(mm)

4.3

진동중량(kg-f)

4800

그림

5.

계측기

이지 않고 횡방향으로 휨을 발생시키는데도 쓰이기 때문으 로 생각된다. 그림 6(a)를 통해 볼 때 대체로 연결시공시 관입이 단독시공시에 비해 어려움을 알 수 있다. 그림 6(b) 에서 대략 관입깊이 2.5m 이하에서의 관입속도를 살펴볼 때 연결시공시의 관입속도가 단독시공시에 비해 크게 나타나는 데 이는 단독시공을 먼저 할 때 지표면 근처의 흙이 진동에 의해 교란되어 이후 연결시공시 지반저항력이 감소된 때문 으로 추정된다. 관입깊이 2.5m 이후로는 연결시공시의 관입 속도가 단독시공시에 비해 작음을 알 수 있는데 말뚝 이음 부에서의 마찰영향이 추가적으로 작용한 때문으로 생각되 며, 특히 관입깊이 4.5m 근처에서 이음부 마찰영향이 크게 나타남을 알 수 있다.

4.2

힘과 가속도

4.2.1

첨두 단면력과 첨두 가속도

강널말뚝의 관입에 따라 널말뚝에 발생하는 단면력의 크기 및 변화양상을 알아보기 위해 설치한 변형률계로부터 관입 깊이에 따른 변형률값을 측정하고 이들 값으로부터 데이터 필터링 과정을 거쳐 관입깊이에 따른 첨두 변형률값을 단면 력으로 환산하여 구해 보았다. 데이터 필터링시에는 1초 동

안의 값들 중에서 첨두 변형률을 추출하였다. 단독시공 및 연결시공시의 첨두 변형률을 통해 계산한 첨두 단면력은 그 림 7과 같다. 그림 7의 범례에 나타나 있는 s1과 s2는 말 뚝의 두부에 설치한 2개의 변형률계를 의미한다.

그림 7(a)와 그림 7(b)의 비교를 통해 알 수 있듯이 말뚝 의 첨두 단면력은 연결시공시의 값이 단독시공에 비해 큼을 알 수 있는데 이는 말뚝 연결부 마찰에 의해 말뚝 두부에서 단면력이 증가한 때문으로 판단되며, 연결부 마찰의 영향도 관입깊이에 대해 불규칙하게 나타난다. 그림 7(b)에서 관입 깊이 4.5m 근처에서 연결부 마찰영향이 크게 작용함을 알 수 있는데 이러한 사실은 그림 6(b)에 나타나 있는 관입속 도의 감소에 반영되어 나타난 것으로 볼 수 있다. 그림 7과 관련하여 연결부 마찰력의 크기를 알아보기 위하여 그림 8 과 같은 자유물체도를 고려하였다.

그림 8에서 P

1

과 P

2

는 각각 널말뚝 두부와 선단부에 설치 한 변형률계에 의한 단면력을 나타낸다. 또한 M과 a는 각 각 널말뚝의 질량과 가속도를 나타내며, S는 단독시공시의 주면마찰력을 나타내고 (S+C)는 연결시공시의 주면마찰력과 연결부 마찰력의 합을 의미한다. 그림 8에서 S와 (S+C)는 다음의 식들을 이용하여 구할 수 있다.

그림

6.

깊이측정장치를 통한 결과분석

그림

7.

단독시공 및 연결시공시의 단면력

(1) (2)

계측자료로부터 식 (1)을 이용하여 관입깊이에 따라 계산 한 주면마찰력의 평균값은 17.8kN/m이고 식 (2)에 의한 관 입깊이에 따른 (S+C)의 평균값은 36.9kN/m이었다. 따라서 연결부 마찰력의 크기는 19.1kN/m로 계산된다. 연결부 마찰 력에 대한 기존의 연구결과에 따르면 Ferron(2001)은 약

1.0kN/m

로 보고하고 있고 Vanden Berghe et al.(2001)은

2.0~20kN/m

으로 보고하고 있는데 본 시험결과는 Vanden

Berghe et al.(2001)

에 의한 값의 상한값에 근접한 연결부

마찰력을 보여주고 있다. Vanden Berghe et al.(2001)에 의 한 연결부 마찰력은 모형시험결과에 따른 것으로 Vanden

Berghe et al.

은 모형 널말뚝을 이용하여 두 개의 널말뚝을

연결 시공할 경우 연결부 마찰력을 평가하기 위한 실험실 시험을 수행한 바 있다.

널말뚝의 관입에 따라 말뚝의 두부와 선단부에 설치한 가 속도계에 의해 측정된 첨두 가속도를 단독시공과 연결시공 의 경우로 나누어 나타내면 그림 9와 같다.

그림 9에서 정(+)의 가속도는 연직상향을 의미하고 부(-)의 가속도는 연직하향을 의미하는데 널말뚝이 관입됨에 따라 가 속도는 서로 대칭형태를 띄며 반복됨을 알 수 있다. 그림 9 를 통해 알 수 있듯이 단독시공 및 연결시공시 말뚝두부에 서의 가속도와 선단부에서의 가속도는 10g 근처의 값을 보 이며 서로 차이가 거의 없어 널말뚝이 강체로 거동한다는 사실을 뒷받침하고 있다. 이러한 경향은 이승현 등(2007)에 의한 기존의 연구를 통해서도 확인된 바 있다. Viking and

Bodare(1998)

은 진동타입을 할 때 정량적으로 말뚝의 강체

거동 여부를 판별할 수 있는 기준을 T/4≥2t

n

로 제시한 바 있다. 여기서 T는 진동기의 진동주기를 의미하고 t

n

은 응력 파가 말뚝을 한 번 왕복하는데 소요되는 시간을 의미한다.

tn

은 2L/c를 이용하여 계산할 수 있는데 L은 말뚝길이를 의 미하고 c는 응력파속도를 의미하는데 강재의 경우 그 값은 약 5100m/sec이다. 본 현장시험에 적용된 진동시스템에 대 하여 T는 0.04sec이며 t

ⁿ

은 0.0047sec로 계산되므로 강널말 뚝은 강체로 거동한다고 볼 수 있다. 기존의 연구결과에 따 르면 말뚝의 진동타입시 이론적으로 말뚝에 전달되는 힘에 비해 실제 말뚝에 전달되는 힘은 상당히 감소하게 되는데

Moulai-Khatir et al.(1994)

은 이론적으로 말뚝에 전달되는

힘에 대해 실제 말뚝에 전달되는 힘의 비를 효율계수

(efficiency factor, ξ)

로 정의하였으며 0.2와 0.25 사이의 값

을 보인다고 하였다. 또한 Viking(2002)은 현장시험결과로부 터

ξ

값을 0.39로 보고한 바 있다. 본 현장시험에 사용된 진 동타입 시스템에 대하여 이론적으로 말뚝에 전달되는 힘(F

d)

은 식 (3)과 같이 계산할 수 있다.

(3) P₁–Ma–S–P₂=0

P₁–Ma–

(

S C+

)

–P₂=0

F₀+M_e

ω

²+m_va F– _d=0

그림

8.

연결부 마찰력 결정을 위한 자유물체도

그림

9.

첨두 가속도

-

관입깊이 관계

식 (3)에서 F

0

는 정적 상재하중을 나타내며 M

e

는 편심모 멘트를 그리고 ω는 각속도를 의미한다. 또한 m

v

는 기진체 질량을 의미하고 a는 기진체의 가속도를 의미한다. 식 (3)을 통해 이론적으로 말뚝에 전달되는 힘을 계산하면 1,030kN이 다. 그림 7을 통해 실제 말뚝에 전달되는 최대 첨두하중은 단독시공시 435kN이고 연결시공시 727kN이다. 따라서 효율 계수,

ξ

는 단독시공시 0.42이며 연결시공시 0.71이다. 단독시 공시의 효율계수는 Viking의 현장시험결과를 통해 구한 값과 비슷한 값을 보임을 알 수 있다. 연결시공시 효율계수는 단 독시공시의 효율계수에 비해 약 1.7배에 해당하는 값을 보이 는데 이는 연결부 마찰력의 존재로 인해 말뚝 두부에서의

단면력이 증가한 때문으로 판단된다.

4.2.2

시간에 따른 동적 지반저항력과 가속도 및 변위

강널말뚝이 진동타입될 때의 시간에 따른 거동특성을 살펴 보았다. 시간에 따른 동적 지반저항력의 거동특성을 살펴보 기 위하여 그림 10과 같은 자유물체도를 고려하였다.

그림 10에서 S

h

와 S

t

는 각각 말뚝두부와 선단부에 설치한 변형률계에 의한 단면력을 나타내고, R

s

와 R

t

는 각각 동적 주면마찰력(dynamic shaft resistance)과 동적 선단저항력

(dynamic toe resistance)

을 나타낸다. 연결시공시 R

s

는 동적

주면마찰력과 연결부 마찰력의 합을 나타낸다. m

M

과 m

m

은 각각 말뚝길이 10.2m와 0.6m에 대응하는 질량을 나타내고

a

는 강널말뚝의 가속도를 나타낸다.

말뚝의 관입깊이 3m에 대하여 시간에 따른 동적 주면마찰 력의 변화양상을 나타내면 그림 11과 같다.

그림 11에 나타난 바와 같이 동적 주면마찰력은 주기운동 의 거동을 보이는데 연결시공의 경우가 단독시공의 경우에 비해 좀 더 복잡한 파형을 보임을 알 수 있다. 이러한 경향 은 계산상 고려한 관입깊이 1m, 2m, 4m, 5m, 6m, 7m에 있어서도 유사하다. 연결시공시 시간에 따른 동적 주면마찰 력의 변화양상이 단독시공시의 경우에 비해 복잡한 변화양 상을 보이는 주된 이유는 연결부 마찰의 영향 때문이라 볼 수 있다.

말뚝 관입깊이 3m에 대하여 시간에 따른 동적 선단저항력 의 변화양상을 그림으로 나타내면 그림 12와 같다. 그림 12 에 나타낸 바와 같이 동적 선단저항력은 시간에 따라 주기 운동양상을 보임을 알 수 있다. 단독시공시와 연결시공시 파

그림

10.

동적 지반저항력 계산을 위한 자유물체도

그림

11.

시간에 따른 동적 주면마찰력

(

관입깊이

=3m)

그림

12.

시간에 따른 동적 선단저항력

(

관입깊이

=3m)

형을 비교하여 보면 그림 11에 나타낸 동적 주면마찰력의 경우와 달리 큰 차이를 보이지 않는데 이러한 경향은 계산 에서 고려한 관입깊이 1m~7m에 대해서도 유사하게 나타난 다. 이는 선단저항력의 경우 연결부 마찰력의 영향과는 무관 한 때문으로 볼 수 있다.

관입깊이 3m에 대하여 시간에 따른 가속도의 변화양상을 그림으로 나타내면 그림 13과 같다. 그림 13에는 시간에 따 라 말뚝두부와 선단부에 설치한 가속도계에 의한 계측값이 나타나 있는데 실선은 두부에 설치한 가속도계에 의한 계측 값을 나타내고 점선은 선단부에 설치한 가속도계에 의한 계 측값을 나타낸다. 그림 13을 통해 알 수 있듯이 시간에 따 라 말뚝두부와 선단부에서의 가속도값이 약 10g로서 거의 일치함을 알 수 있다. 이러한 경향은 계산에서 고려한 관입 깊이 1m~7m에 있어서도 유사하게 나타나며 강널말뚝이 거

의 강체로 거동함을 뒷받침하고 있다.

4.3

동적 하중전이곡선

(Dynamic load transfer curve)

강널말뚝의 단독시공시 진동타입에 따른 하중전이거동을 분석하여 보았다. 하중전이거동분석을 위해 시간에 따른 말 뚝의 변위거동을 파악할 필요가 있다. 먼저 고려하고자 하는 관입깊이에 대하여 말뚝두부에 설치한 가속도계에 의해 측 정된 가속도값을 사다리꼴법칙을 써서 시간에 따라 적분하 면 시간-속도이력곡선을 얻을 수 있는데 적분을 수행하기에 앞서 시간-가속도이력이 시간축을 따라 대칭성을 띄는지를 먼저 검토하고 그렇지 않은 경우에는 영점보정(zero offset) 을 한 후 적분을 수행하여 시간-속도이력곡선을 구할 수 있 다. 얻어진 시간-속도이력곡선의 시간에 따른 대칭성을 검토 하고 영점보정을 하여 얻은 보정속도에 깊이 측정장치를 통 그림

13.

시간에 따른 가속도의 변화양상

(

관입깊이

=3m)

그림

14.

시간

-

변위이력곡선

해 구한 속도를 더해서 시간에 대해 적분하면 시간-변위곡선 을 구할 수 있다. 관입깊이 2m, 4m, 6m, 7m에 대해 얻어 진 시간-변위이력곡선은 그림 14와 같다.

그림 14에서 보는 것처럼 관입깊이 2m와 6m일 때의 관 입속도에 비해 관입속도 4m일 때의 관입속도가 약간 큼을 알 수 있는데 그림 6(b)에 나타낸 깊이에 따른 관입속도경 향과 일치함을 알 수 있다. 또한 관입깊이 7m일 때는 관입 이 불가한 사실을 보여주고 있는데 이는 그림 6에 나타나 있는 깊이측정장치에 의한 결과와 동일한 경향을 보여줌을 알 수 있다.

시간에 따른 동적 지반저항력과 시간에 따른 변위관계로부 터 특정 관입깊이에 대해 변위에 따른 동적 지반저항력관계 를 나타내는 하중전이곡선을 구할 수 있는데 관입깊이 3m에 대응하는 하중전이곡선은 그림 15와 같다. 그림 15(a)와 그 림 15(b)는 각각 주면마찰 및 선단저항에 대한 하중전이곡선 을 나타낸다.

그림 15(a)에서 보는 것처럼 주면마찰에 대한 하중전이곡 선은 상향과 하향의 주면마찰력이 대칭적으로 발현되는 반 복성을 보여준다. 그림 15(a)의 하단부에 나타나 있는 삐죽 이 솟은 부분은 노이즈의 영향을 반영한 결과로 추정된다.

계산상 고려한 다른 관입깊이들(1m~7m)에 있어서도 그림

15(a)

와 거의 유사한 양상을 보여주었다. 또한 그림 15(b)를

통해 알 수 있듯이 선단저항에 대한 하중전이곡선은 톱니형 태의 반복성을 보여주고 있는데 제하(unloading)후 다시 재 하(reloading)되는 과정에서 일정 변위가 발생할 때까지는 선 단저항의 증가가 거의 발생하지 않음을 알 수 있다. 계산상 고려한 다른 관입깊이들(1m~7m)에 있어서도 그림 15(b)와 대체로 유사한 경향을 보여주었다. 진동타입되는 말뚝에 대 한 하중전이곡선의 형상에 대해서는 몇몇 제안자들에 의해 제안된 바 있는데 Dierssen(1994)은 현장시험결과를 바탕으 로 말뚝의 진동타입시 동적 선단저항력의 발현형태에 초점 을 맞춘 연구를 수행하였으며 진동타입되는 말뚝의 하중전 이곡선의 기본적인 형상을 그림 16에서와 같이 제안하였다.

그림 16에서 위부분은 선단저항에 대한 하중전이곡선의 형 상을 그리고 아래 부분은 주면마찰에 대한 하중전이곡선의 형 상을 나타낸다. 그림 15와 그림 16의 비교를 통해 알 수 있 듯이 본 연구를 통해 구한 하중전이곡선의 형상은 Dierssen

(1994)

이 제안한 하중전이곡선과 유사함을 알 수 있다.

5.

결 론

사질토지반에 진동타입되는 강널말뚝의 거동을 파악하고자 계측기를 부착한 강널말뚝을 각각 1본씩 단독시공 및 연결 시공하여 진동타입시의 거동을 살펴보았다. 시험결과분석을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

1.

깊이측정장치를 통해 구한 깊이에 따른 관입속도결과에 따 르면 지표면 근처에서의 관입속도가 관입불가 깊이보다 얕 은 나머지 관입깊이에서의 관입속도보다 작음을 확인할 수 있었으며, 관입깊이 전반에 걸쳐 대체로 연결시공시의 관 입속도가 단독시공시에 비해 작다는 사실로부터 연결부 마 찰의 영향이 강널말뚝의 관입속도에 큰 영향을 미친다는 사실을 알 수 있었다.

2.

강널말뚝의 두부에서 측정한 첨두단면력의 크기는 연결부 마찰의 영향을 반영해 단독시공에 비해 연결시공시 크게 나타나며, 연결부 마찰은 관입깊이에 대해 불규칙한 양상 을 보여주었다. 연결부 마찰력의 크기는 19.1kN/m로 계 산되었는데 Vanden Berghe et al.(2001)에 의해 평가된 연결부 마찰력의 상한값인 20kN/m에 근접한 값을 보여

그림

15.

하중전이곡선

(

관입깊이

=3m)

그림

16. Dierssen

에 의한 하중전이곡선

주었다.

3.

강널말뚝의 두부와 선단부에 설치한 가속도계에 의한 측 정값이 시험과정 전체에 걸쳐 거의 차이가 없다는 사실로 부터 강널말뚝이 거의 강체로 거동함을 알 수 있었으며, 이러한 사실은 강체거동여부를 판별하는 Viking &

Bodare

의 제안식을 통해서도 확인할 수 있었다.

4.

이론적으로 말뚝에 전달되는 힘에 대해 실제로 말뚝에 전 달되는 힘의 비를 나타내는 효율계수를 구해보았는데 단 독시공시의 효율계수는 0.42이었으며, 연결시공시의 효율 계수는 0.71이었다. 단독시공시의 효율계수는 Viking이 실 시한 현장시험을 통해 보고된 효율계수, 0.39와 비슷한 값을 보이며 연결시공시의 효율계수의 증가는 연결부 마 찰의 영향을 반영한 때문으로 판단된다.

5.

강널말뚝의 진동타입시 변위에 따른 동적 주면마찰력의 변 화양상과 동적 선단저항력의 변화양상을 나타내는 하중전 이곡선을 구해 보았는데 그 형상은 Dierssen이 제안한 하 중전이곡선과 가장 유사하였다.

감사의 글

이 논문은 삼성물산(주) 건설부문의 지원으로 이루어진 연 구 성과의 일부이며, 연구를 지원해준 삼성물산(주) 건설부문 에 감사의 뜻을 전합니다.

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(

접수일: 2009.9.14/심사일: 2009.11.6/심사완료일: 2009.12.7)