Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. December 2019. 167-180
https://doi.org/10.12814/jkgss.2019.18.4.167


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  •   1.1 연구 배경 및 목적

  •   1.2 국내・외 선행연구 분석

  • 2. 말뚝 지지력 이론적 산정방법

  •   2.1 말뚝 지지력 특성

  •   2.2 N치에 따른 주면마찰력 산정

  •   2.3 실내 실험

  • 3. 하중전이 시험

  •   3.1 현장 위치도

  •   3.2 지반조사 결과

  •   3.3 하중전이시험의 개념

  •   3.4 하중전이시험 계획

  • 4. 하중전이시험 결과분석

  •   4.1 하중전이시험 결과

  •   4.2 N치에 따른 산정식 제안

  •   4.3 현장시험과 이론식 결과분석

  • 5. 결 론

1. 서 론

1.1 연구 배경 및 목적

국내의 해안 지역의 준설 매립을 통한 국토 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 국내 지층은 해성 점성토가 대부분 차지하고 있으며, 연약 또는 퇴적 상태로 분포하고 있어 구조물 및 성토 시 시공에 따른 지지력 저하, 부마찰력 발생, 액상화 및 침하가 발생하여 어려움을 겪고 있다.

일반적으로 연약지반 및 퇴적지반의 판정방법은 일축압축강도와 표준관입시험 N치를 이용하여 층 두께에 따라 판정한다. 말뚝 시공을 통한 구조물의 안정성을 도모하고자 말뚝의 설계는 지반 지지력과 재료의 강도 중 적은 값을 적용하여 결정 지지력으로 사용되고 있으며, 보편적으로 재료의 강도 보다 지반의 지지력에 의해 결정 지지력이 좌우된다. 지지력이 충분하지 못하거나 침하가 과도하게 일어나면 깊은 기초를 설치하여 지지력이 충분히 큰 하부의 토층이나 암반층에 구조물의 하중을 전달하게 하며, 깊은 기초 중에서 가장 일반적인 방법이 선단지지력 및 주면마찰력을 이용한 말뚝공법이다.

국내 지반의 경우에는 대부분이 지지층인 풍화암과 연암이 조기에 출현하여 선단지지 말뚝으로 시공되고 있다. 그러나 최근에 건설부지의 한계로 점점 기초의 시공이 어려운 퇴적층이 깊은 위치로 옮겨지고 있다. 대표적인 지역으로 부산 명지지구, 울산 송정지구 등이다. 이러한 지역에 깊은 기초인 말뚝기초를 적용하여 선단지지 말뚝으로 시공할 경우 말뚝의 길이가 약 60m 이상으로 설계 시 말뚝의 이음 및 장경비, 시공 시 시공 장비의 수급 및 시공기술의 한계, 공사비의 급격한 증가 등의 문제가 발생한다. 따라서 선단지지 말뚝이 아닌 마찰지지 말뚝으로 시공할 경우 이러한 문제점을 충분히 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

이러한 마찰지지 말뚝의 경우 퇴적지반이 깊은 동남아 지역(캄보디아, 미얀마, 베트남 등)의 건설현장에서 많이 시공되고 있으며, 경험적인 측면에서도 마찰지지 말뚝에 관한 시공사례가 많이 축적되어 있다. 우리나라의 많은 기업들이 동남아로 설계 및 시공을 위해 진출을 하고 있으므로 마찰지지 말뚝에 대한 충분한 경험과 시공사례에 따른 문제점들을 파악해야 한다. 또한, 국내에서 발생하는 퇴적지반이 깊은 지역에서의 토목건축물의 말뚝기초 시공 시 해외 사례를 통해 문제점을 해결할 수 있다. 그러나 국내에서는 마찰지지 말뚝의 설계에 대한 이론식의 정립이 확실하지 않고 마찰지지 말뚝에 관한 연구가 제한적이다.

따라서 본 연구에서는 동남아의 미얀마 지역에서 마찰지지 말뚝에 대한 정재하시험(압축, 하중전이)을 통하여 정량적인 말뚝기초의 거동특성을 분석하고자 하였으며, 각 지층의 N치에 대한 주면마찰력의 상관관계를 통하여 상관식을 도출하고자 하였다. 또한, 국내지반의 마찰지지 말뚝의 N치에 관한 상관식과 비교・분석하여 마찰지지 말뚝의 거동특성을 분석하고자 하였다.

1.2 국내・외 선행연구 분석

말뚝의 지지력 산정법에 관한 연구는 국내에서 말뚝공법이 적용된 이래로 지속적으로 진행되고 있다. 여러 연구자들에 의해 적정성이 분석되었지만, 국내 지층은 비교적 얕은 깊이에서 암반층이 분포하고 있어 선단지지형 말뚝을 거의 적용하고 있으므로 암반층에 근입된 말뚝에 관한 연구가 진행되고 있다. 하지만 암질지수(Rock Quality Designation, 이하 RQD)가 10% 미만인 암반층에서는 시료 채취가 어려워 일축압축강도를 측정할 수 없는 어려움을 가지고 있어 말뚝 재하시험을 통한 여러 연구가 진행되고 있다.

국외에서도 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 침하 거동과 연관 지어 경제적인 설계를 유도하고 있다. 그러므로 원지반의 지지력과 유사한 지지력을 설계하는 것이 가장 큰 과제라 볼 수 있다.

1990년대부터 지속적으로 지지력 산정식에 대한 분석이 진행되었는데, 아직 신뢰성 있게 분석되어 국내지반 특성에 맞게 보정된 산정식은 거의 없는 실정이므로 지속적인 연구가 진행되고 있다.

국외에서는 Reese et al.(1975), Reese(1978), Hsiung(2003)에 의해 현장타설 말뚝에 관한 광범위한 연구가 수행되어 기존보다 향상된 설계법과 시공법이 개발되고 있다. 또한, 양방향 말뚝재하시험을 고안한 Osterberg(1998)는 일본 등 여러 나라에서 적용하여 그 신뢰성을 바탕으로 지지력 산정하는 방법에 관한 연구가 진행되고 있다.

국내의 경우 말뚝의 선단지지력과 주면마찰지지력 산정에 관한 연구를 분석하면 다음과 같다. 선단지지력에 관한 연구는 Yea et al.(2019), Park et al.(2019), Lee(2018), Park et al.(2015) 등이 사질토 및 풍화암 지반에 설치된 말뚝기초의 지지력 연구를 수행하였다. 대부분 풍화암 및 연암이 조기에 출현하므로 말뚝의 근입 심도를 줄여 경제성 및 시공성을 확보하는 방안이 연구되고 있으며, 사질토 및 풍화암, 연암 구간에서의 말뚝에 대한 거동, 산정식을 제안하는 연구를 수행하였다. 또한 Na and Lee(2019)는 무리말뚝을 구성하는 개별말뚝의 선단지지력에 대한 연구를 수행하였으며, Kim et al.(2001), Kwon(2015), Lee(2002), Park(2017), Yoon et al.(2002) 등은 암반 근입에 따른 선단지지말뚝의 지지력에 대한 연구를 진행하였다.

그러나 최근 연안지역의 대형항만공사 및 퇴적층이 깊은 지역에서의 토목공사로 인해 선단지지말뚝이 아닌 마찰지지말뚝이 적용되고 있다. 따라서 주면마찰력에 대한 관심이 급증하고 있으며, 주면마찰력 산정에 관한 연구는 대부분 Choi et al.(2019), Song(2013), Kim(2013), Hong et al.(2011)이 풍화토, 풍화암이나 연암에 근입된 말뚝의 주면마찰력 산정에 관한 연구를 진행하였다. 연약지반에 대한 주면마찰력 산정으로는 Kim et al.(1994)이 연약지반에 근입된 말뚝의 주면마찰력 산정에 관한 연구를 진행하였으나 N치와의 상관관계가 아닌 압밀 절차에 따른 주면마찰력의 발생을 분석하였다.

연약지반의 N치와 주면마찰력의 상관관계 분석을 수행한 연구결과는 매우 미미하며, Yoon et al.(2013)이 국내의 많은 지반조사 및 시공 Data를 취합하여 N치를 이용한 현장타설말뚝의 마찰지지력 산정에 관한 연구를 진행하였다.

Yoon et al.(2013)은 현장타설말뚝의 양방향재하시험 결과를 분석하여 각 지층의 환산 N치를 계산한 후 지층을 분류하고 단위주면마찰력을 산정하는 것이 설계 시 편리하고 현장 실측값에 근접한 지지력을 산정하는데 적정하였다.

Lee(2013)는 사질토 지반에 설치된 현장타설말뚝의 말뚝 지름에 따른 주면마찰력을 분석하였으며, 말뚝 지름에 따른 극한주면마찰력에 대한 영향은 사질토 지반에서 상대밀도가 증가하고 구속압이 감소할수록 커지는 것으로 확인하였다.

Paik et al.(2012)은 대심도 마찰무리말뚝의 주면 무리효율을 분석하였으며, 또한 Sagong and Paik(2004)는 크기효과를 고려한 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면마찰력을 분석하였다.

일반적으로 국내・외 기존 산정식의 설계적용에 있어 적정성을 파악하는 내용이며, 여러 산정식 중 국내 지반특성과 가장 근접한 결과를 도출한 산정식을 선정하는 연구가 대부분이다. 또한, 실측값을 토대로 기존 산정식을 검토한 연구는 말뚝재하시험 측정값과 비교 분석하여 타당성을 제안하는 것으로 하고 있다.

2. 말뚝 지지력 이론적 산정방법

2.1 말뚝 지지력 특성

말뚝에 작용하는 하중은 크게 두 가지 방법으로 지반에 전달된다. 첫째는 말뚝 선단에서의 압축력, 즉 선단지지력(End bearing)에 의한 것이고, 둘째는 말뚝표면을 따라 발생하는 전단력, 즉 주면마찰력(Skin friction)에 의한 것이다. 따라서 말뚝의 극한지지력은 다음과 같이 극한 선단지지력과 주면마찰력으로 구분하여 계산할 수 있다.

말뚝의 극한지지력은 말뚝 선단의 극한지지력과 말뚝 주면의 극한마찰 저항력의 합계로서 구해진다.

$$Q_u=Q_s+Q_b-W=f_sA_s+q_bA_b$$ (1)

여기서, Qs : 주면마찰력(kN)

Qb : 선단지지력(kN)

W : 말뚝의 자중(설계 시 무시(kN))

fs : 단위면적당 극한주면마찰력(kN/m2)

As : 파일 주면적(mLSUP2)

qb : 단위면적 당 극한선단지지력(kN/m2)

Ab : 파일선단 지지면적(mLSUP2)

위 식 (1)은 극한상태에서 말뚝에 작용하는 힘의 조합만을 고려한 것이며, 변형은 전혀 고려되지 않았다. 실제로 말뚝기초 설계에서는 말뚝 머리의 연직하중과 침하량 관계를 파악하는 것이 중요하며, 말뚝 머리의 하중-침하량 관계는 말뚝에서의 강성 및 응력변형특성, 말뚝주면의 마찰 현상 및 말뚝 선단의 하중-침하량 특성의 상호작용으로 결정되는 복잡한 현상이다.

주면마찰저항은 말뚝과 지반 변위 사이의 상대 변위량이 10∼20mm 정도 이하에서 완전히 발휘되며, 말뚝의 길이는 상대 변위량에 큰 영향은 주지 않는다. 또한 선단 저항이 극한상태로 되려면 상당히 큰 침하량이 필요하며, 타입 말뚝에서는 말뚝 지름의 약 10%, 그 외 말뚝에서는 말뚝 지름의 20∼30%의 침하량이 필요하다(Hansen, 1957). 이러한 주면마찰력과 선단지지력의 평가는 말뚝이 흙으로 구성된 지반에 관입된 경우는 기존의 여러 산정식을 이용하여 구할 수 있다. 그러나 국내 지반에서와 같이 매립토층이나 해성 퇴적층 및 잔류층을 통과하고 기반암에 관입된 말뚝, 특히 말뚝의 항타 관입성이 기존 말뚝보다도 훨씬 양호한 고강도 말뚝의 경우 신뢰성 있는 지지력 평가는 어려움이 많이 발생한다.

2.2 N치에 따른 주면마찰력 산정

구조물기초설계기준의 경우 타입공법으로 시공된 말뚝의 주면마찰력은 사질토 지반이나 점성토 지반에 관계없이 식 (2)를 적용하도록 제안하고 있다. 주면마찰력은 0.2에 N치의 평균을 곱하여 결정할 수 있으며, N치를 이용한 최대 주면마찰력은 5.0t/m2 이상은 적용이 불가능하다. 이는 국내 표준관입시험(Standard Penetration Test, 이하 SPT)의 N치의 최대치가 50회/30cm를 나타내기 때문이며, 또한 표준관입시험의 불확실성 때문에 국내에서 한계치를 설정하여 적용하고 있는 실정이다.

$$f_s=0.2N_s(\leq5.0t/m^2)$$ (2)

여기서, fs : 단위면적당 주면마찰력(t/m2)

선굴착 공법의 경우는 주면마찰력이 타입공법보다 작게 나타나기 때문에 타입공법에서 적용된 계수(0.2)의 1/2로 감소시켜 식 (3)을 적용한다. 식 (2)와 같이 주면마찰력은 0.1에 N치의 평균을 곱하여 결정할 수 있다.

$$f_s=0.1N_s(\leq5.0t/m^2)$$ (3)

여기서, Ns는 말뚝주면지반의 평균 N치다.

3. 하중전이 시험

3.1 현장 위치도

본 연구에서 시공된 말뚝은 현장타설 말뚝으로 말뚝의 직경(D)은 800mm, 설계하중은 지역에 따라서 다르게 적용되어 설치된 말뚝으로 깊은 퇴적지반특성을 고려한 지지력 계산법과 검증을 위해 수행하였다.

4개 사례현장(양곤 2개소, 만델리 2개소)은 퇴적지반이 깊은 미얀마 지역의 대표적인 지층구조이며, 총 4개소에 대해 정재하시험 및 하중전이 시험을 수행하여 주면마찰력에 대한 평가를 실시하였다.

Fig. 1은 현장재하시험의 위치도를 나타낸 것이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F1.jpg
Fig. 1.

Position of load test in Myanmar

3.2 지반조사 결과

3.2.1 양곤 지역 지층 개요

본 조사에서는 대부분 Clay, Silt, Sand 순으로 중간에 Clay가 혼재되어 복잡한 지층구조로 분포하고 있다. Site-1의 경우 말뚝의 길이는 30.4m, Site-2의 경우 말뚝의 길이는 36.98m로 시공되었다. 각 지층의 단면도는 Fig. 2와 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F2.jpg
Fig. 2.

Geologic columnar section of Yangon region

3.2.2 만델리 지역 지층 개요

본 조사에서는 대부분 Clay, Silt, Sand 순으로 중간에 Clay가 혼재되어 복잡한 지층구조로 분포하고 있다. Site-3의 경우 말뚝의 길이는 29.6m, Site-4의 경우 말뚝의 길이는 14.63m로 시공되었다. 각 지층의 단면도는 Fig. 3과 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F3.jpg
Fig. 3.

Geologic columnar section of Mandalay region

3.3 하중전이시험의 개념

말뚝의 지지력은 말뚝에 작용하는 상부의 하중이 지반으로 전이되는 능력을 말하며 이는 말뚝과 지반의 상호작용 및 말뚝이 근입된 지반의 특성에 따라 다르게 작용한다. 또한, 말뚝에 작용하는 상부의 하중으로 인해서 주변 지반 대비 상대침하가 발생하며 이 과정에서 주면마찰력과 선단지지지력에 의해서 지지력이 나타난다.

말뚝은 크게 항타 말뚝과 현장타설 말뚝으로 구분할 수 있는데 현장타설 말뚝은 항타 말뚝과 달리 극한지지력을 발현하기 위하여 상대적으로 더 큰 주면과 선단 변위량이 요구되는 것으로 알려져 있다. 또한, 극한지지력 이내의 하중 상태에서는 주면마찰력에 의해서 대부분의 하중이 지지가 되고 하중이 점차 증가하여 커지면 점진적으로 선단지지력에서 하중의 분담이 나타난다.

Fig. 4는 심도별 축하중 분포도이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F4.jpg
Fig. 4.

Distribution of axial load for depth

3.4 하중전이시험 계획

Table 1은 하중전이 센서 설치 계획에 따른 지층의 구분과 수량을 나타낸 것이며, Site-1, 2는 양곤지역, Site-3, 4는 만델리 지역의 지반특성이다.

Table 1. Plan of load transfer test

Classification Depth (m) Condition of stratum Quantity
Site-1 L1 4.0 Soft Clay 4
L2 7.0 Soft ∼ Very stiff Caly 2
L3 11.5 Soft ∼ Very stiff Caly 2
L4 15.0 Soft Clay 2
L5 18.0 Medium dense Clayey Sand 2
L6 22.0 Stiff ∼ Very stiff Caly 2
L7 24.0 Medium dense ∼ Very dense Clayey Sand 2
L8 28.4 Medium dense ∼ Very dense Clayey Sand 4
Site-2 L1 2.0 Clayey Silt 4
L2 6.15 Silty Sand 2
L3 10.15 Silty Sand 2
L4 14.15 Silty Sand 2
L5 19.15 Sand 2
L6 24.15 Sand 2
L7 29.15 Sand 2
L8 34.15 Sand 4
Site-3 L1 1.6 Sandy Clay 4
L2 5.6 Silty Sand 2
L3 9.1 Silty Sand 2
L4 13.1 Silty Sand 2
L5 17.6 Silty Sand 2
L6 22.6 Silty Sand 2
L7 25.6 Silty Sand 2
L8 28.6 Silty Sand 4
Site-4 L1 2.1 Sandy Clay 4
L2 4.6 Silty Sand 4
L3 7.6 Silty Sand 4
L4 10.6 Silty Sand 4
L5 13.6 Silty Sand 4
Total 80

Fig. 5에서 보는바와 같이 Site-1, 2, 3의 경우 양곤과 만델리 지역 모두 A-A`구간에 4개의 센서, B-B`구간에 2개의 센서, C-C`구간에 2개의 센서, D-D`구간에 4개의 센서를 설치하여 총 20개의 센서를 설치하였다. 그리고 Site-4의 경우는 말뚝 길이가 짧아 5구간에 대하여 4개의 센서를 설치하여 총 20개의 센서를 설치하였다.

센서 설치 간격은 말뚝의 총 길이에 따라서 나누어 설치하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F5.jpg
Fig. 5.

Setting drawing of sense and static load test

4. 하중전이시험 결과분석

4.1 하중전이시험 결과

정재하시험 시 측정된 심도별 단위 면적당 주면마찰력은 Fig. 6과 Table 2와 같다. 하중전이 양상은 상부 점성토 지반과 느슨한 사질토 지반에서 마찰력의 작용이 상당히 큰 것을 확인하였으며, 하부 사질토 지반에서 점진적인 주면마찰력의 감소 양상을 나타냈다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F6.jpg
Fig. 6.

Results of load transfer test

Table 2. Skin friction per unit area

Classification Top L1
(Clay)
L2
(Clay)
L3
(Clay)
L4
(Clay)
L5
(Clay)
L6
(Sand)
L7
(Clay)
L8
(Sand)
Site-1 Depth (m) 0.0∼
4.0
4.0∼
7.0
7.0∼
11.5
11.5∼
15.0
15.0∼
18.0
18.0∼
22.0
22.0∼
24.0
24.0∼
28.4
28.4∼
30.4
Skin friction
(kN/m2)
72 141 11 45 2 48 65 91 8
Classification Top L1
(Silt)
L2
(Sand)
L3
(Sand)
L4
(Sand)
L5
(Sand)
L6
(Sand)
L7
(Sand)
L8
(Sand)
Site-2 Depth (m) 0.0∼
2.0
2.0∼
6.15
6.15∼
10.15
10.15∼
14.15
14.15∼
19.15
19.15∼
24.15
24.15∼
29.15
29.15∼
34.15
34.15∼
36.98
Skin friction
(kN/m2)
132 56 8 49 16 61 95 55 14
Classification Top L1
(Clay)
L2
(Sand)
L3
(Sand)
L4
(Sand)
L5
(Sand)
L6
(Sand)
L7
(Sand)
L8
(Sand)
Site-3 Depth (m) 0.0∼
1.6
1.6∼
5.6
5.6∼
9.1
9.1∼
13.1
13.1∼
17.6
17.6∼
22.6
22.6∼
25.6
25.6∼
28.6
28.6∼
29.6
Skin friction
(kN/m2)
19 2 186 57 59 195 40 62 47
Classification Top L1
(Clay)
L2
(Sand)
L3
(Sand)
L4
(Sand)
L5
(Sand)
- - -
Site-4 Depth (m) 0.0∼
2.13
2.13∼
4.63
4.63∼
7.63
7.63∼
10.63
10.63∼
13.63
13.63∼14.63 - - -
Skin friction
(kN/m2)
30 991 1117 970 657 657 - - -

양곤지역(Site-1, 2)의 경우 Site-1은 시험 최대하중 4703kN에서 말뚝선단으로 전달된 하중은 563kN으로 주면마찰에 의해 지지가 된 하중은 4140kN으로 전체 재하하중의 88.02%가 주면마찰에 의하여 지지가 되는 것으로 나타났다. 또한, Site-2는 시험 최대하중 9900kN에서 말뚝선단으로 전달된 하중은 1167kN으로 주면마찰에 의해 지지가 된 하중은 8733kN으로 전체 재하하중의 88.2%가 주면마찰에 의하여 지지가 되는 것으로 나타나, 양곤지역은 연약지반 심도가 깊어짐에 따라 선단지지력 보다 주면마찰력이 크게 나타난 것으로 판단된다.

만델리지역(Site-3, 4)의 경우 Site-3은 시험 최대하중 8431kN에서 말뚝선단으로 전달된 하중은 3385kN으로 주면마찰에 의하여 지지가 된 하중은 5046kN으로 전체 재하하중의 59.9%가 주면마찰에 의해 지지되는 것으로 나타났다. 또한, Site-4는 시험 최대하중 4392kN에서 말뚝선단으로 전달된 하중은 1008kN으로 주면마찰에 의하여 지지된 하중은 3384kN으로 전체 재하하중의 77.0%가 주면마찰에 의하여 지지가 되는 것으로 나타나, 양곤지역(Site-1, 2)보다 연약지반 심도가 깊지 않아 선단지지력이 약간 크게 나타난 결과로 판단된다. 그러나 미얀마 지역에서 하중전이시험으로 측정된 Data 분석 결과 하중전이시험을 통하여 총 지지력 대비 선단지지력과 주면마찰력을 구분하여 측정할 수 있었으며, 선단지지력 < 주면마찰력이 크므로 마찰지지 말뚝의 거동을 확인할 수 있었다.

4.2 N치에 따른 산정식 제안

국내 표준관입시험은 타격 시 50회를 기준으로 몇 cm 관입되는 양을 표시하는 방법을 사용하고 있으나 국외 표준관입시험은 30cm 관입되는 양이 될 때까지 타격횟수를 증가시키므로 100∼200회까지도 나오는 경향이 있다. 따라서 본 연구에서는 환산 표준관입시험 N치를 이용하여 분석하였다. 환산 표준관입시험 N치는 다음과 같은 방법으로 구하였다.

현장 양방향 재하시험 결과를 토대로 말뚝직경, 지지층의 토층두께, 마찰력이 고려된 식 (4)로 주면마찰력(fsi)을 산정하였다.

$$f_{si}=\frac{\triangle Q_{si}}{\pi\;\bullet D\;\bullet\triangle L_i\;}$$ (4)

여기서, ΔQsi : 각 층에서 발휘된 주면마찰력

ΔLi : 각 지층의 토층두께

D : 말뚝직경

한국 양방향말뚝재하시험협회시험 사례를 조사한 결과, 풍화토 지층의 N치가 50/15까지 측정되었다. 그렇게 되면 50/30이나 50/15도 동일하게 50으로 적용하게 되는 것이다. 이러한 불합리한 점을 개선하기 위해 위의 Fig. 7과 같이 단위길이 관입에 필요한 타격횟수(N/cm)를 계산하여 제안하였다. 값은 50회로 나타나는 50회/25cm, 50회/10cm, 50회/5cm의 경우도 단위길이 관입에 필요한 타격횟수(N/cm)로 나타내면 2.0, 5.0 그리고 10.0으로 표현되었다. 이렇게 환산된 N치와 단위주면마찰력과의 상관관계에 대해 비교분석하였다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F7.jpg
Fig. 7.

SPT N/cm

환산하게 되면 30cm 근입량을 기준으로 하여 그 이하 근입된 경우 높은 지지력을 확보하는 것이 가능하다. 정확하게 표현하면 50/30의 경우는 50회를 적용하고 50/15는 100회를 적용하는 것이다. 국외에서는 이를 보완하는 방법으로 100회, 200회까지 타격횟수를 정하고 있지만, 이러한 경우는 지반여건에 따라 지층에서 발휘될 수 있는 지지력에 대해 못 미칠 수도 있다.

4.2.1 국내 사례를 통한 지지력 분석

국내 50여 개 지역의 현장에서 수행된 양방향말뚝재하시험 결과(Seo, 2015)를 바탕으로 미얀마 지역의 사질토 지반과 점성토 지반을 비교・분석하기 위해 미얀마 4개의 Site에서 수행된 정재하시험 결과를 바탕으로 지층별 단위주면마찰력을 계산하여 N치의 관계를 분석하였다.

Fig. 8(a)는 사질토 지반에서 발휘된 단위주면마찰력을 그 지층에서 측정된 표준관입시험 값과 비교하여 나타내었다. 단위주면마찰력과 표준관입시험 값의 관계를 회귀곡선을 작도하여 비교해본 결과, fs = 0.106 N으로 타격횟수 40회 이하에서는 약간의 밀집된 분포를 보이나, 50회 이상에서는 매우 광범위한 분포를 나타냈다.

Fig. 8(b)는 점성토 지반으로서 사질토 지반과 동일한 방법으로 회귀곡선을 나타낸 결과, fs = 0.062 N으로 50회 이상에서 낮게 측정된 값들은 심도가 깊은 지역에서 측정된 값으로 유효상재하중에 의한 다짐이 강하게 나타나 N치가 높게 나타났지만, 모래나 자갈 등과 같은 성분을 함유하지 않고 실트질이나 순수 점성질을 가지는 토층이기 때문에 단위주면마찰력은 낮게 측정된 것으로 판단된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F8.jpg
Fig. 8.

Skin friction in Korea

4.2.2 미얀마 사례를 통한 지지력 분석

본 연구에서 제안하고자 하는 미얀마 4개의 Site에서 수행된 정재하시험 결과를 바탕으로 지층별 단위주면마찰력을 계산하여 N치의 관계를 비교분석하였다. 미얀마 지역에서는 암반층이 발견되지 않았으며, 상부에는 비교적 연약한 점성토 지반 및 느슨한 사질토 지반이 많이 분포하였다.

Fig. 9(a)는 사질토 지반에서 단위주면마찰력을 그 지층에서 측정된 표준관입시험 값과 비교 분석한 것을 나타낸 것이다. 단위주면마찰력과 표준관입시험 값의 관계를 회귀곡선을 작도하여 비교분석한 결과, 타격횟수 50회 이상에서는 약간의 밀집된 분포를 보이나, 50회 이하에서는 매우 광범위한 분포를 나타내었다.

국내 사질토 지반과 비교분석한 결과, 국내의 경우 fs = 0.106N으로 미얀마의 경우 fs = 0.096N으로 국내 지반과 유사한 거동을 확인하였다.

Fig. 9(b)는 점성토 지반으로서 사질토 지반과 동일한 방법으로 회귀곡선을 작도하였다. 그 결과 50회 이하에서 낮게 측정된 것으로 나타났는데 이는 실트질이나 순수 점성질을 가지는 토층이 깊은 구간에 분포하고 있어 단위주면 마찰력이 높게 측정된 것으로 판단된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2019-018-04/N0150180415/images/kgss_18_04_15_F9.jpg
Fig. 9.

Skin friction in Myanmar

국내 점성토 지반과 비교분석한 결과, 국내의 경우 fs = 0.062N으로 미얀마의 경우 fs = 0.315N으로 약 5.1배 높은 것으로 나타났다. 이는 지층 구성의 조밀도, 유효상재하중 및 지층의 두께에 의한 영향인 것으로 판단된다. 따라서 선단에 암반이 없는 퇴적지반이 깊은 현장타설말뚝의 경우 점성토에서의 주면마찰력이 상당히 높아짐이 나타났다. 또한, 대부분 표준관입시험 타격횟수 100회 이내로 측정되었으며, 단위주면마찰력의 사질토 지반에서는 40∼200kN/m2, 점성토지반에서는 10∼150kN/m2로 측정되었다.

그러나 미얀마지역 특성상 SPT 시험 시 동적장비가 아닌 인력으로 SPT 시험이 수행되므로 시험자에 따른 오차, 장비의 숙력도 등에 영향을 받으며, 지역 특성상 선행압밀하중에 의한 조건이 모두 상이하므로 R2가 낮게 나타난 것으로 판단된다. 본 연구결과는 R2가 사질토 지반의 경우 66.27%, 점성토 지반의 경우 70.48%로 제한된 Data를 통하여 나타난 결과이므로 보다 많은 하중전이시험 결과를 비교분석한다면 보다 신뢰성 높은 주면마찰력 산정식을 제안할 수 있을 것으로 보이며, 향후 중요한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

4.3 현장시험과 이론식 결과분석

현장시험결과와 극한지지력을 비교하기 위해 이론식은 정역학적 지지력 공식을 사용하였다.

Table 3은 정역학적 지지력 공식으로 주면마찰력은 사질토 및 점성토 지반으로 나누어 계산할 수 있다. 사질토 지반의 경우 δ는 흙과 말뚝 사이의 마찰각으로 0.5로 결정하였으며, 점성토 지반에서 주면마찰력은 α, β, λ방법 중 α방법을 사용하였다. α는 점토의 비배수 점착력에 따른 값으로 α는 1을 적용하였다.

Table 3. Static formula for pile bearing capacity

End bearing capacity Skin friction
Q = qpAp = (cNc+qNq)Ap Qs = fAs = fpL
Sand
f =v tan δ
Clay
f = αcu
여기서, qp : 단위 면적당 선단지지력, Ap : 말뚝 선단의 단면적
c : 말뚝선단 주위 흙의 점착력, q : 말뚝선단 깊이에서의 유효연직응력
Nc, Nq : 지지력계수 p : 말뚝단면의 둘레길이
As : 말뚝의 표면적 L : 말뚝의 길이
f : 임의 깊이 z에서의 단위면적당 마찰지지력

본 연구에서 사질토 및 점성토 지반의 지반정수는 표준관입시험 N치를 이용하여 산정하였다. Table 4는 사질토 및 점성토 지반의 지반정수를 나타낸 것이다.

현장시험 결과 측정된 극한지지력은 양곤 지역 Site-1의 경우 4703kN 이상, Site-2의 경우 7062kN으로 나타났다. 또한, 만델리 지역 Site-3의 경우 5878kN, Site-4의 경우 4392kN 이상으로 나타났다. 적용된 이론식은 Table 4의 정역학적 지지력 공식을 적용하였으며, 경험식은 식 (3)과 같이 선굴착공법에 의한 경험식을 사용하여 현장시험 결과와 비교분석하였다.

Table 4. Estimation of geotechnical properties

Site Ground condition γt (kN/m3) cu (kN/m2)
Classification N-value
Site-1 Top Clay 3 16 - 13
L1 Clay 9 18 - 25
L2 Clay 10 18 - 40
L3 Clay 10 19 - 40
L4 Clay 8 18 - 20
L5 Clay 11 19 - 60
L6 Clay 16 19 - 80
L7 Clay 21 20 - 120
L8 Sand 16 18 30 -
Site-2 Top Clay 4 18 - 15
L1 Clay 11 19 - 60
L2 Sand 16 18 31 -
L3 Sand 50 19 34 -
L4 Sand 69 20 38 -
L5 Sand 71 20 38 -
L6 Sand 83 20 39 -
L7 Sand 69 19 38 -
L8 Sand 100 20 40 -
Site-3 Top Clay 3 16 - 13
L1 Sand 4 17 28 -
L2 Sand 14 18 30 -
L3 Sand 20 18 32 -
L4 Sand 26 18 33 -
L5 Sand 38 18 34 -
L6 Sand 47 20 36 -
L7 Sand 58 20 38 -
L8 Sand 72 20 39 -
Site-4 Top Clay 14 19 - 70
L1 Sand 12 18 29 -
L2 Sand 27 18 33 -
L3 Sand 57 19 37 -
L4 Sand 56 19 37 -
L5 Sand 59 20 38 -

Table 5는 이론 및 경험식, 현장시험 결과의 극한지지력을 비교분석한 것이다.

이론식과 경험식에 의한 극한지지력 산정결과, 현장시험 결과에 비해 현저하게 낮은 극한지지력 값이 나타났는데, 위에서 보는 바와 같이 이는 연약지반이 깊은 지반에서는 이론식과 경험식이 과소평가될 수 있음을 확인하였다.

이론식에 의한 극한지지력 산정결과, 사질토 지반의 경우 현저하게 낮은 주면마찰력 값을 나타내어 큰 차이가 나타났으며, 또한 말뚝의 거동은 모두 선단지지 말뚝의 거동을 하여 현장조건과 적합하지 않은 결과값을 나타내었다.

경험식에 의한 극한지지력 산정결과, 이론식에 비해 현장시험결과와 가까운 결과값을 나타내었으며, 말뚝의 거동은 모두 마찰지지 말뚝의 거동을 하여 이론식에 비해 현장조건과 적합한 결과값을 나타내었다. 그러나 점성토 지반으로 구성된 경우 주면지지마찰력이 현저히 낮은 문제점을 안고 있다는 것을 알 수 있었다.

따라서 이론식에 의한 극한지지력은 현장조건에 적합하지 않은 결과가 나타났으나, 경험식에 의한 극한지지력은 현장조건과 적합한 거동을 나타냈다. 향후 지속적으로 신뢰성 있는 Data를 확보하여 현장조건에 맞는 수정 경험식을 산정하여 사용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

실제 현장에서의 지반 거동은 말뚝의 깊이가 아닌 선단의 단단한 지층의 유무에 따라서 선단지지 말뚝과 마찰지지 말뚝으로 결정되기 때문에 이론값에 의한 결과는 총 지지력에 대한 비교정도를 평가할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 현장조건보다 정확한 이론값의 지지력을 결정하기 위해서는 현장의 다양한 지반조건, 시공여건 등의 환경적인 요소와 깊이별 c, 와 같은 지반정수를 정확하게 예측, 결정하여 평가해야 할 것으로 판단된다.

Table 5. Ultimate bearing capacity for analytical

Classification End bearing (kN/m2) Skin friction per unit area(kN/m2) Skin friction (m2) Area (m2) Ultimate bearing capacity(kN)
Equation formula Empirical formula Equation formula Empirical formula
Site-1 Top - 13 3 11.05 - 143.7 33.2
L1 - 25 9 7.54 - 188.4 67.8
L2 - 25 9 11.30 - 452.2 113.0
L3 - 51 11 8.79 - 298.9 87.9
L4 - 20 7 7.54 - 150.7 60.3
L5 - 51 11 10.05 - 512.4 110.5
L6 - 52 14 5.02 - 261.2 80.4
L7 - 58 33 10.05 - 578.8 211.0
L8 - 1.1 18 5.02 - 65.1 80.4
Qp 2432 - - - 0.5 1221.8
Qu 3873.2kN (Equation formula) < 4703kN (Static load test)
2066.3kN (Empirical formula) < 4703kN (Static load test)
Site-2 Top - 15 4 6.03 - 90.4 24.1
L1 - 49 13 10.42 - 437.8 114.7
L2 - 1.1 16 10.05 - 114.7 160.8
L3 - 1.2 50 10.05 - 148.0 502.4
L4 - 1.3 50 12.56 - 194.7 628.0
L5 - 1.3 50 12.56 - 194.7 628.0
L6 - 1.3 50 12.56 - 195.2 628.0
L7 - 1.2 50 12.56 - 185.0 628.0
L8 - 1.3 50 6.10 - 94.9 305.2
Qp 3698 - - - 0.5 1857.9
Qu 3513.3kN (Equation formula) < 7062kN (Static load test)
5477.1kN (Empirical formula) < 7062kN (Static load test)
Site-3 Top - 13 3 4.02 - 52.2 12.1
L1 - 0.9 7 10.05 - 84.8 40.2
L2 - 1.1 19 8.79 - 113.9 123.1
L3 - 1.1 31 10.05 - 131.5 201.0
L4 - 1.1 36 11.30 - 149.8 293.9
L5 - 1.1 46 12.56 - 164.5 477.3
L6 - 1.3 50 7.54 - 118.6 376.8
L7 - 1.3 50 7.54 - 116.8 376.8
L8 - 1.3 50 2.51 - 39.0 125.6
Qp 2960 - - - 0.5 1487.1
Qu 2458.2kN (Equation formula) < 5878kN (Static load test)
3513.9kN (Empirical formula) < 5878kN (Static load test)
Site-4 Top - 49 13 5.34 - 261.6 74.7
L1 - 1.1 14 7.85 - 127.4 94.2
L2 - 1.1 39 9.42 - 156.0 254.3
L3 - 1.2 50 9.42 - 166.8 471.0
L4 - 1.2 50 9.42 - 166.8 471.0
L5 - 1.3 50 3.14 - 61.8 157.0
Qp 1463 - - - 0.8 1148.5
Qu 2088.9kN (Equation formula) < 4392kN (Static load test)
2670.7kN (Empirical formula) < 4392kN (Static load test)

5. 결 론

본 연구는 동남아 미얀마 지역에서의 마찰지지말뚝에 대한 거동특성을 파악하기 위해 총 4개 사례현장의 현장타설말뚝에 대하여 하중전이 재하시험을 실시하였다. 하중전이시험이 실시된 현장은 점성토, 사질토 지반 등으로 지층이 구성되어 있다. 각각의 지층에 대해 N치에 대한 주면마찰력이 고려된 상관식을 도출하여 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 하중전이 시험결과, 주면마찰 지지력이 선단지지력 대비 55.9∼88.2%로 선단지지말뚝으로 설계하는 국내 지반과는 달리 주면마찰 지지력이 50% 이상이므로 마찰지지 말뚝임을 확인할 수 있었다.

(2) 하중전이시험을 통한 각 구간별 주면마찰력과 표준관입시험 N치를 비교분석한 결과, 다음과 같은 산정식을 결정하였다. 사질토 지반의 경우 fs = 0.096N으로 국내지반과 유사한 거동이 나타났으며, 점성토 지반의 경우 fs = 0.315N으로 국내 fs = 0.062N으로 5.1배 이상 높은 것으로 나타났다. 이는 지층 구성의 조밀도, 유효상재하중 및 지층의 두께에 의한 영향인 것으로 판단된다.

(3) 이론식 및 경험식에 의한 극한지지력 산정결과는 실측값인 재하시험에 비해 과소평가되었다. 따라서 이론식 및 경험식은 지지력이 과소평가 될 수 있어 향후 보다 많은 신뢰성 있는 Data를 확보하여 현장조건에 맞는 수정 경험식을 산정하여 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

(4) 본 연구는 국내・외의 제한된 Data를 이용하여 나타난 결과이므로 향후 보다 많은 정・동재하시험을 통한 하중전이시험을 비교분석한다면 정확한 N치에 따른 주면마찰력 산정식을 제안할 수 있을 것으로 보며, 또한 중요한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

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