1. 서 론
2. 대형직접전단시험 개요
2.1 전단상자 및 계측장치
2.2 사용 흙 시료 및 모형체 제작
2.3 시험조건
2.4 시험 방법 및 순서
3. 대형직접전단시험 결과
4. 시험 결과 분석
4.1 수직응력에 따른 최대전단응력의 변화
4.2 세립분 함유율과 경계면 강도정수의 관계
5. 결 론
1. 서 론
최근 대형화되고 있는 구조물의 안정성 확보를 위하여 하중을 효과적으로 전달 및 지지할 수 있는 다양한 형태의 말뚝기초가 활용되고 있다. 일반적으로 말뚝기초는 재료 특성에 따라 강관말뚝, PHC말뚝, 현장타설말뚝 및 복합말뚝 등으로 나뉘며, 지지메커니즘과 기능에 따라 선단지지말뚝, 마찰말뚝 및 복합지지말뚝으로 구분될 수 있다(You et al., 2019a).
국내의 말뚝기초 설계는 주로 압축하중 저항에 집중되어 왔는데, 최근에는 부상방지 기초, 풍력발전 구조물 및 해양플랫폼 기초 등과 같이 부력, 풍력, 파력 및 지진력 등에 의한 인발하중에 저항할 수 있는 성능이 요구되는 말뚝기초의 필요성이 크게 대두되고 있다(You et al., 2019b). 즉, 압축하중에 저항하는 설계만으로는 구조물의 안정성 확보가 어려운 실정이다(Cho and Kim, 2010). 따라서 말뚝기초의 인발저항 성능을 설계에 반영하기 위한 예측은 매우 중요하며, 인발저항 성능은 말뚝기초의 주면과 지반의 경계면에서 발현되는 전단특성으로 평가할 수 있다(Lim and Seo, 2002; You et al., 2018).
최근에 적용이 확대되고 있는 LRFD 기준에 의한 말뚝기초의 인발저항 성능 평가에서는 인발저항계수의 영향이 지대하며, 국외 기준(AASHTO, 2007, 2010)을 근간으로 하는 인발저항력 산정식은 다양한 지반 조건에 따라 달리 적용하고 있다. 이러한 배경으로 보다 현실적인 인발저항 성능을 평가하기 위하여 말뚝기초와 지반 경계면의 전단 특성에 관한 다양한 연구가 지속적으로 수행되고 있다.
Meyerhof(1959, 1976) 및 Meyerhof and Adams(1968)는 지반-말뚝 경계면에서 발생하는 마찰 특성을 고려한 인발저항 산정식을 제안하였으며, Das and Seeley(1975)는 Meyerhof가 제시한 산정식을 바탕으로 한계깊이 개념을 추가한 인발저항 산정식을 제시한 바 있다. Reese and O’Neill(1988)은 인발하중을 받는 현장타설말뚝에 대한 연구사례들을 분석하여 인발저항 평가에 있어서 지반의 조건과 말뚝표면 형상을 고려해야 한다는 결과를 제시하였다.
Wang et al.(2020)은 점성토와 콘크리트 말뚝 경계면의 전단특성에 대하여 그라우팅 체적의 영향을 평가하고자 지반-콘크리트 직접전단시험을 수행하여 콘크리트의 거칠기가 증가할수록 전단강도가 증가될 수 있음을 확인하였다. Shakir and Zhu(2009)는 지반과 콘크리트 경계면의 전단응력-전단변위 관계에 대한 함수비 및 콘크리트 표면거칠기의 영향을 평가하기 위해 직접전단시험을 수행했으며, 거칠기 조건이 경계면의 전단 거동에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. Konkol and Mikina(2021)은 연약지반과 콘크리트 경계면에서의 마찰 거동을 평가함으로써, 경계면 거동을 예측하기 위한 쌍곡선 모델의 매개변수를 제시한 바 있다. Qiao et al.(2022)는 말뚝과 지반 경계면에서의 전단 거동을 고려한 군말뚝의 하중-침하 특성을 해석적으로 평가하였다.
Lim and Seo(2002)는 지반에 작용 되는 인장하중 전달 메커니즘의 차이에 의해 말뚝의 극한 인발저항력이 다르게 나타남을 실험적으로 평가하였다. Jung et al.(2017)은 매입말뚝의 지지력과 침하에 영향을 미치는 지반-시멘트풀 경계면의 영향인자를 분석하였고, Lim et al.(2002)은 흙의 단위중량과 매입말뚝의 마찰저항에 관한 상관관계를 평가하였다.
상기와 같은 기존의 연구 결과들을 고찰해 보면 제한적인 범위에서 지반의 종류와 말뚝 표면거칠기에 대한 마찰저항 특성에 관한 연구가 진행되어 왔으나, 더욱 엄밀하고 합리적인 말뚝의 인발저항 평가를 위해서는 지반과 말뚝 표면거칠기 조건을 보다 확대·다양화하여 검토할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 지반과 말뚝 표면 조건을 고려한 인발저항 성능의 합리적인 평가 방법 제시를 목적으로, 지반의 세립분 함유율 및 구속압, 말뚝 표면거칠기 조건에 따른 말뚝과 지반 경계면의 전단거동을 분석하기 위한 일련의 대형직접전단시험을 수행하였다. 또한, 시험 결과를 이용하여 산정된 말뚝과 지반 경계면의 마찰과 점착에 대한 강도정수 분석을 통해 경계면의 전단특성을 평가하였다.
2. 대형직접전단시험 개요
본 연구에서는 현장타설말뚝의 표면과 지반 경계에서 발생하는 전단특성을 면밀히 고찰하기 위해 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 대형직접전단시험 장치를 제작하여 전단시험을 실시하였다. 본 실험장치는 상·하부로 분리된 전단상자와 시료에 수직하중 재하를 위한 공압기, 시료의 응력과 변형을 측정하기 위한 계측 장치들로 구성되어 있다.
2.1 전단상자 및 계측장치
본 실험장치에 설치한 전단상자는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 상·하부 각각 가로 0.3m, 세로 0.3m, 높이 0.15m 크기로 제작되었으며, 두 개의 전단상자를 연결한 총 높이는 0.3m이다. 전단상자 상부는 장치에 고정시키고 전단상자 하부는 장치의 측면에 설치한 모터를 이용하여 수평 이동이 가능하게 함으로써 전단상자 상·하부의 경계면에서 시료의 전단거동이 발생하도록 하였다. 한편, 전단시험 중 시료에서 발생하는 전단응력과 전단변형을 계측하기 위해 Table 1에서 보는 바와 같이 소정의 위치에 로드셀과 LVDT를 설치하였다.
Table 1.
Soil properties (You et al., 2018)
| Soil classification | Properties | |
| Sand | Gs | 2.63 |
| Cu | 2.1 | |
| Cg | 1.1 | |
| U.S.C.S | SP | |
| Fine-grained soil | LL (%) | 39.4 |
| PL (%) | 31.3 | |
| PI | 8.1 | |
| U.S.C.S | ML | |
2.2 사용 흙 시료 및 모형체 제작
본 연구에서는 세립분 함유율의 변화에 따른 현장타설말뚝 표면과 지반 경계에서의 전단특성을 고찰하기 위해 상부 전단상자에 충진하는 흙 시료의 세립분 함유율을 다양하게 조정하였으며, 시험에 사용된 흙 시료인 주문진 표준사 및 세립토의 공학적 특성은 Table 1에 나타낸 바와 같다. 한편, 본 시험에서 현장타설말뚝의 표면을 모사하기 위해서 하부 전단상자에는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 나무블록 상면에 사포(sandpaper)를 부착하여 제작한 모형체를 삽입하였다. 이때 표면 거칠기에 따른 전단특성을 검토하기 위하여 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 세 종류(#24, #40, #400)의 사포를 부착하여 전단시험을 각각 수행하였다. 여기서, #는 사포 표면의 거칠기(grit)를 나타내는 기호이며 숫자는 단위면적(1in×1in)에 부착된 입자의 수를 나타낸다. 따라서 숫자의 크기가 작을수록 상대적으로 거친 사포임을 의미한다. 본 연구에서는 말뚝의 표면 거칠기에 따른 전단특성을 정성적으로 비교·검토하고자 하였으므로 세 종류의 사포 거칠기에 대한 정량적 측정은 생략하였다.
2.3 시험조건
본 시험에서는 말뚝 표면과 지반 경계면의 전단특성을 고찰하기 위해 말뚝 표면을 모사한 하부 전단상자에는 세 종류의 거칠기를 갖는 사포를 부착한 모형체를 장착하였으며, 상부 전단상자에는 7가지의 세립분 함유율로 조성한 흙 시료를 충진하였다. 또한 전단특성에 대한 구속압의 영향을 분석하기 위해 각각의 전단시험 시 3가지의 수직압력을 모형체 상부면에 적용함으로써, 본 연구에서는 총 63케이스에 대한 전단시험을 실시하였다. Table 2는 본 시험의 조건을 나타내고 있다.
Table 2.
Test cases
2.4 시험 방법 및 순서
본 시험에서는 말뚝 표면을 모사하기 위해 2.2절에서 설명한 바와 같이 하부 전단상자에 사포를 부착한 모형체를 삽입하였으며 말뚝에 접하는 지반을 모사하기 위해 세립분 함유율을 조정한 흙 시료를 상부 전단상자에 다짐을 통해 충진하였다. 이때 흙 시료의 다짐은 표준 A다짐(KS F 2312) 방법에 의해 실시하여 전단상자 내부에 균질한 모형지반이 조성되도록 하였다. 다음은 본 시험의 순서를 정리한 것이다(Fig. 5).
(1)규격에 맞게 제작한 나무블록 상면에 사포(#24, #40, #400)를 부착시켜 말뚝 표면 모형체를 완성한 후 하부 전단상자에 삽입한다.
(2)주문진 표준사와 세립토를 세립분 함유율 조건에 맞게 중량비로 계량하여 각각 준비하고 교반한다.
(3)교반하여 준비된 흙 시료를 상부 전단상자에 60mm씩 3층에 걸쳐 다짐하여 모형지반을 조성하고 상부면 평탄화 작업을 통해 표면을 평평하게 마감한다.
(4)상부 전단상자에 조성된 모형지반 상면에 수직하중 재하를 위한 공압기를 조립하여 전단상자 설치를 완료한다.
(5)시험 중 발생되는 상 ․ 하 전단상자 경계면의 전단응력 및 변형을 측정하기 위해 소정의 위치에 로드셀과 LVDT를 설치한다.
(6)에어컴프레셔를 이용한 압축공기를 공압부에 주입하여 시험조건에 맞는 수직압력을 전단상자 내 공시체에 재하한다.
(7)전단시험 준비가 완료된 후 하부 전단상자에 연결된 모터를 구동하여 1mm/min의 속도로 전단을 실시하고, 10%의 전단변형율이 발생할 때까지 로드셀과 LVDT를 이용하여 전단력과 전단변위를 계측한다.
3. 대형직접전단시험 결과
Fig. 6, 7, 8은 본 연구에서 수행한 다양한 조건에서의 대형직접전단시험 결과를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 모든 실험 결과로부터 약 3%~5%의 전단변형률에서 최대전단응력이 발생되고 있으며 그 이후 전단응력의 증감 없이 변형률만 증가함을 알 수 있다. 한편, 하부 모형체의 표면거칠기와 작용된 수직하중의 크기에 관계없이 세립분 함유율이 적은 경우에서 전단변형에 따른 전단응력이 크게 발생하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 9는 전단시험의 전단응력과 전단변형률의 관계 곡선에서 결정된 최대전단응력의 세립분 함유율에 따른 변화를 나타내고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 모형체에 작용하는 수직하중이 증가할수록 최대전단응력은 크게 나타나고 있으며, 세립분 함유율이 증가할수록 최대전단응력은 작게 발생됨을 알 수 있다. 한편, 동일한 수직하중과 세립분 함유율 조건에서 말뚝 모형체의 표면이 거칠수록 경계면의 최대전단응력이 다소 크게 나타남을 알 수 있다.
4. 시험 결과 분석
4.1 수직응력에 따른 최대전단응력의 변화
본 연구에서 수행한 대형직접전단시험 결과를 바탕으로 시험 모형체의 경계면에서 발휘되는 전단강도 특성을 분석하기 위해 Fig. 10과 같이 수직응력과 최대전단응력의 관계를 도시하였다. 모형체 경계면의 최대전단응력은 전단상자 하단부의 말뚝 모형체 표면 거칠기에 관계없이 모형체에 작용된 수직하중이 증가할수록 크게 나타났으며, 그 증가율은 전단상자 상단부 흙 시료의 세립분 함유율이 감소할수록 크게 나타났다. 또한, 수직하중 증가에 따른 최대전단응력의 증가율은 말뚝 모형체의 표면이 거칠수록 크게 나타남을 알 수 있다.
4.2 세립분 함유율과 경계면 강도정수의 관계
한편, 시험 모형체 경계면의 전단특성을 정량적으로 평가하기 위해 최대전단응력과 수직응력의 관계 함수인 Coulomb의 전단방정식을 이용하여 경계면에 대한 강도정수로써 내부마찰각과 점착력을 산정하였으며(Table 3), 강도정수 변화에 대한 세립분 함유율의 영향을 분석하기 위하여 Fig. 11과 같이 세립분 함유율에 따른 강도정수 변화 양상에 대한 회귀분석을 수행하였다. 그림에서 알 수 있듯이 모형체 경계면에서의 내부마찰각과 점착력은 하부 전단상자 표면이 거친 경우일수록 모든 세립분 함유율의 조건에서 크게 나타났다. 따라서, 본 시험에서 적용한 말뚝의 표면 거칠기 범위에서 말뚝과 지반 경계면의 전단저항은 말뚝 표면이 거칠수록 크게 발휘되고 있다고 생각할 수 있으며, 이러한 영향을 엄밀히 분석하기 위해서는 추후 연구에서 말뚝의 정량적 표면 거칠기에 따른 전단특성을 고찰할 필요가 있다. 한편, 모형체 경계면에서의 내부마찰각은 모형체 경계의 거칠기에 관계없이 세립분 함유율이 증가할수록 감소하고 있으나, 점착력은 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 경향은 기존에 수행된 흙 시료에 대한 직접전단시험 결과(You et al., 2018)와 동일한 양상을 나타내고 있으며, 말뚝과 지반의 경계에서 발생되는 전단특성에는 흙 시료에서와 마찬가지로 지반의 세립분 함유율에 따라 점착성분과 마찰성분이 상반적으로 영향을 미치고 있다고 판단된다.
Table 3.
Summary of strength parameters by shear test
5. 결 론
본 연구에서는 현장타설말뚝 표면과 주변 지반의 경계에서 발생하는 전단특성을 면밀히 고찰하기 위해 말뚝 표면 거칠기와 지반의 세립분 함유율을 고려한 일련의 대형직접전단시험을 실시하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1)대형직접전단시험기의 하부 전단상자에 현장타설말뚝의 모형체를 삽입하고 상부 전단상자에 모형지반을 조성하여 직접전단시험을 실시한 결과, 말뚝 표면 거칠기와 모형지반의 세립분 함유율에 관계없이 약 3%~5%의 전단변형률에서 최대전단응력이 발생하였다. 또한, 시험 모형체에 적용한 수직하중이 증가하고 모형지반의 세립분 함유율이 작을수록 전단변형에 따른 전단응력이 크게 발생함을 확인할 수 있었다.
(2)말뚝과 지반 경계면에서의 최대전단응력은 시험 모형체에 적용한 수직하중 즉, 구속압이 증가할수록 크게 나타났으나, 지반의 세립분 함유율이 증가할수록 작게 발생됨을 알 수 있었다. 또한, 말뚝과 지반 경계면에 대한 강도정수로써 내부마찰각과 점착력을 산정하여 분석한 결과, 모형지반의 세립분 함유율이 증가할수록 경계면에서의 내부마찰각은 감소하였으나 점착력은 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 말뚝과 지반의 경계에서 발생하는 전단특성에는 지반의 세립분 함유율 변화에 따라 점착성분과 마찰성분이 상반적으로 영향을 미치고 있다고 판단된다.
(3)본 연구에서는 모형지반의 세립분 함유율에 관계없이 말뚝 모형체의 표면이 거칠수록 말뚝과 지반 경계면에서의 최대전단응력과 전단강도 인자(내부마찰각과 점착력)가 다소 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 금번 시험에서 적용한 말뚝의 표면 거칠기 범위에서 말뚝과 지반 경계면의 전단저항은 말뚝 표면이 거칠수록 증가한다고 생각할 수 있으며, 이러한 영향을 엄밀히 분석하기 위해서는 추후 연구에서 말뚝의 정량적 표면 거칠기에 따른 전단특성의 변화를 고찰할 필요가 있다.
(4)상기의 결과를 바탕으로 지반 내 타설된 말뚝과 주변 지반 경계에서 발생되는 전단특성은 지반의 구속압과 세립분 함유율, 말뚝의 표면 거칠기에 따라 다르게 나타나는 것으로 평가되었다. 따라서 말뚝공법 설계 시에 분석되는 말뚝의 마찰저항 효과는 본 연구에서 제시된 영향인자를 고려하여 경계면 물성치를 적용함으로써 합리적으로 평가해야 할 것으로 판단된다.
