1. 서 론
상부구조물의 하중을 지지하기 위하여 설치되는 기초는 일반적으로 천층의 지반내력을 활용한 얕은 기초와 심층의 높은 구속압으로 인해 단단한 하부지층에 하중을 전이시켜 안정성을 확보하는 깊은 기초(말뚝)로 분류된다. 설계대상 구조물의 기초형식(얕은 기초 또는 깊은 기초)을 결정하는데 있어, 하중조건, 지반조건, 장비조건, 구조물의 성격, 시공조건, 환경조건, 비용조건 등을 포괄적으로 고려하여야 한다. 얕은 기초는 일반적으로 극한지지력 확보와 침하량을 따로 계산한다. 얕은 기초가 지지력을 확보하기 위해서는 지반의 조건에 따라 다르지만 일반적으로 적어도 얕은 기초폭의 5%이상의 침하가 발생하여야지 높은 지지력이 발현된다. 기초폭의 5%이상의 과도한 침하가 발생하면 구조물의 사용성한계상태(Serviceability limit state)에 도달할 수도 있기 때문에 얕은 기초는 침하에 대한 분석을 자세히 실시하는 것이 중요하다. 깊은 기초의 경우, 구조물의 설계하중에 대하여 과도한 침하가 발생하지 않는 침하 범위 내에서 기초의 극한 지지력을 결정하고 이를 안전율로 나누어 구한 기초의 허용지지력을 비교하여 지지력과 침하안정성을 확보한다.
오늘날 상부구조물이 대형화 고층화되면서 초고층 빌딩, 초장대교량 주탑 등의 기초는 높은 연직지지력과 수평 저항력(또는 모멘트에 대한 저항력)을 요구하고 있어 대구경 현장타설말뚝 또는 고강도 기성말뚝이 군말뚝 형식으로 설계 및 시공된다. 해외에서는 연직력이 지배적인 기초의 경우, 말뚝지지전면기초(Piled raft)로 설계를 하여 연직하중에 대하여 군말뚝을 연결하는 전면기초(바닥슬라브)로 하중을 부담하도록 하고 있다(Patil et al., 2016; Phung, 2010).
말뚝 설계의 경우, 말뚝 자체가 가지는 구조내력 및 말뚝에 작용하는 하중을 지반이나 암반이 지지할 수 있는 극한지지력이 모두 설계 기준을 만족해야 한다. 경제적인 말뚝의 설계를 위해서는 말뚝의 구조내력과 지반/암반의 저항력이 균형을 이루어야 한다. 하지만, 기존 PHC 파일(Pretensioned Spun High Strength Concrete Pile)의 적용사례를 보면, PHC 파일 본당 극한지지력(지반파괴)이 파일 구조내력와 큰 격차를 보이는 등의 비경제적인 설계가 빈번히 발생하기도 한다.
현장에서 지반조사가 충분히 이루어지지 않고 많은 본수의 말뚝에 대해 설계가 일괄적으로 적용되는 경우가 많다. 지반조건이 급격히 바뀌거나 지반 내의 지지층이 균질하지 않은 경우, 예상 근입깊이와 실제 시공 가능한 근입깊이가 차이를 보이는 경우도 빈번히 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 지반 지층의 변화에 능동적으로 대응할 수 있는 국내에서 시공된 변단면 연약지반보강기초와 PHC 파일의 재하하중에 따른 하중-침하 거동 및 하중전이 특성을 분석하고 비교하였다.
2. 변단면 연약지반보강기초 공법
본 연구에서 사용된 변단면 연약지반보강기초는 현장토와 고화재를 지중 교반하여 상부에는 큰 원형의 실린더 고형체를 형성하고 하부에는 작은 원형의 실린더를 형성하였다. 상부 큰 실린더형 고형체와 하부의 얇은 실린더형 고형체를 연결은 응력 분산이 완만하게 되도록 변단면인 고형체로 하였다(Fig. 1 ). Fig. 1에서 보이는 바와 같이, 변단면 연약지반보강기초는 상부 큰 실린더 고형체와 변단면 구간 고형체를 합친 “헤드부”와 하부 얇은 실린더형 고형체인 “테일부”로 구성되었다. 현장의 연약지반에서 높은 강성과 강도를 가지는 변단면 고형체를 형성하기 위하여 변단면 개량체 형성용 천공교반장비로 원지반 토사에 고화재를 주입하여 교반한다. 물리적인 관점에서 보면, 변단면 연약지반보강기초는 상대적으로 연약하고 상부에 구속압이 적은 천층에 하중분담율을 개선하고자, 상부에 큰 직경의 개량체를 형성하고, 하부에는 상대적으로 얇은 실린더형 말뚝을 시공하게 된다. 시공성을 높이기 위하여 하부 지반이 너무 단단하지 않은 N치가 20~30인 지지층까지 작은 직경의 개량체를 형성하여 지반의 지내력을 강화한다. 이렇게 시공된 변단면 연약지반보강기초 상부에 전면기초를 시공하여 경제적으로 하부구조물을 형성하는데 목적이 있다. 변단면 연약지반보강기초 시공 후에는 상부에 어느 정도 강성 및 강도를 확보하여 하중분담이 크고, 하부에도 과도한 침하가 발생하지 않도록 어느 정도 선단지지층을 확보하는 것이 본 기초의 장점이다.
변단면 연약지반보강기초 공법을 적용할 경우, 기초의 거동에 가장 많은 영향을 미치는 것은 연약지반보강기초의 설치 간격이다. 변단면 연약지반보강기초 간의 순간격(기초 중심으로부터 옆 기초 중심까지의 거리)이 너무 멀면(연약지반보강기초 간의 순간격과 헤드부 직경 비 > 2.5), 각 개량된 구체가 단말뚝처럼 거동하게 되고, 순간격이 어느 정도 가까울 경우에는 군말뚝과 유사한 거동을 보일 것이다. 변단면 연약지반보강기초를 서로 밀착하여 시공할 경우에는 형성된 구형체와 그 주변이 하나의 블록(복합지반)과 같이 거동을 할 것이다. 이번 연구에서는 변단면 연약지반보강기초 1개소(개별)에 대한 거동을 분석하였으며, 연약지반보강기초 여러 개가 같이 시공되는 군말뚝 형태의 거동 분석은 연구범위에 포함되지 않는다.
3. 변단면 연약지반보강기초 공법의 하중-침하 거동 특성
본 연구에서 변단면 연약지반보강기초의 하중-침하 거동 특성을 분석하기 위하여 인천광역시 ○○현장에서 연약지반보강기초 재하시험을 수행하였다. 변단면 연약지반보강기초의 상부 헤드부 직경은 1.4m, 테일부 직경은 0.5m, 총 근입깊이(보강길이)는 10.5m이다(Fig. 2). 지반조건은 상부 실트질 모래(silty sand) 매립층의 경우 기초판 위치로 약 20m 절토되었으며, 1.0 m의 silty sand 매립층 아래 N값이 10~30으로 상대적으로 연약한 silty clay 층이 깊게 분포하고 있다. 변단면 연약지반보강기초의 선단은 N값이 30인 곳에 안착시켰다. 변단면 연약지반보강기초의 연직 압축 하중재하시험을 수행하기 위하여 하중-침하 곡선 이외에도 하중의 분담율에 대한 정보를 얻기 위하여 근입깊이 방향으로 변형률계, 유효반력계, 토압계를 설치하였다. 변형률계로부터 얻는 변형률(strain)값과 유효발력계로부터 하중전이(하중분담)를 평가하였고, 선단에 설치한 토압계로부터 선단하중분담율을 분석하고자 하였다(Fig. 3).
하중전이를 구하기 위하여 필요한 축강성(axial stiffness)을 구하기 위하여 실제 현장에서 시공된 변단면 연약지반보강기초의 단면 및 강성 정보, 현장토와 고화재의 교반으로 발생한 고형체 코어(core)의 일축압축강도 시험(KS F 2314, 2013)결과를 이용하였다. 고형체 코어를 수집한 깊이는Fig. 4와 같으며, 코어의 샘플 직경과 높이는 50mm와 100mm이다.
일축압축강도 시험결과의 축응력-축변형 곡선(Fig. 5)을 이용하여 탄성계수(Modulus of elasticity)를 산정하였다. 고형체의 탄성계수는 축응력-축변형 곡선으로부터 직선 관계가 있는 선의 기울기(후크의 탄성법칙)을 통해 산정하였다.
Table 1에서 보는 바와 같이,Fig. 5에서 구한 고형체의 탄성계수와 강도는 깊이별로 많은 차이를 보였는데, 이는 기성말뚝과는 다르게 현장토와 고화재를 교반하면서 발생하는 불확실성 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 이 공법을 이용하여 성공적인 지반보강을 하기 위해서는 현장에서 시공 시 품질관리가 아주 중요하다는 것을 알 수 있다. 고형체의 탄성계수의 평균은 507.1 MN/m2이고, 변형계수 또는 할선탄성계수(E50: 최대응력의 50%에 해당하는 응력에 대응되는 범위에서 구한 응력과 변형률비)의 평균은 531.9MN/m2이다.
변단면 연약지반보강기초의 거동을 정량적으로 분석하기 위하여 Fig. 6과 같이 유효반력계, 토압계, 변형률계를 설치하였다. 유효반력계는 위치별 하중전이량을, 토압계는 선단지지층의 하중전이량을, 변형률계는 파일의 변형 및 하중전이를 측정하기 위하여 설치하였다. 계측기 설치수량은 유효반력계 2개, 토압계 1개, 변형률계 4개이고, 각 계측기로부터 10초 간격으로 자동 측정하였다.
일반적인 말뚝 재하시험(KS F 2444, 2015; KS F 2445, 2016; ASTM D 1994, 2014)에 준하여 변단면 연약지반보강기초의 재하시험을 수행하였으며, 하중재하 방법은 콘크리트 블록을 적층하여 사하중을 추가시키는 방법으로, 치환기초 상부에 재하판(폭 1m ×길이 1m)을 설치하여 실시하였으며 최대 재하하중인 600.0 kN까지 재하 하였을 때 12.5mm의 침하량이 발생하였다.
Fig. 7은 재하하중 단계에 따른 변단면 연약지반보강기초 상단 침하량의 측정 결과이다. 변단면 연약지반보강기초가 얕은기초와 깊은기초의 중간적인 거동이 예상되어 재하시험으로부터 극한지지력을 산정하기는 어려움이 있다. 상부(헤드부)는 직경이 1.4m이고 하부(테일부) 직경은 0.5m인 변단면이고 변단면 연약지반보강기초는 1개만 시공하여 단말뚝으로 가정하려고 하였지만, 재하시험의 하중-침하곡선을 보면 재하하중 600 kN 이내에서 어느 정도 최대곡률점이 나타난다. 재하하중 600 kN에 해당하는 침하량 12.5mm는 헤드부 직경대비 약 0.9%, 테일부 직경대비 약 2.5%에 준하는 값이다.
물리적으로 보면, 일반적인 말뚝은 선단지지력과 주면마찰력이 연직압축하중에 대하여 저항한다(Salgado, 2008). 일반적으로 말뚝의 주면마찰력이 최대로 발현되기 위해서는 말뚝 직경의 1% 또는 5mm 정도의 상대변위가 발생해야 한다(Randolph and Murphy, 1985). 하지만 선단지지력의 경우, 말뚝 직경의 10% 이상의 침하가 발생할 경우 극한지지력이 결정되는 경우도 많다(Meyerhof, 1976). 따라서, 이번 변단면 연약지반보강기초 재하시험의 경우 주면마찰력은 최대로 발현되었을 것으로 예측할 수 있지만, 변단면부와 선단부에서의 수동저항 또는 선단지지력은 최대한 발현되었다고 가정하기는 무리가 있다.
Fig. 8은 변단면 연약지반보강기초 상단에서 재하한 하중이 깊이에 따라 어떻게 분배되어 저항하는지, 하중분담율을 알아보기 위하여 하중전이곡선을 도시하였다. 각 단면의 면적, 탄성계수, 변형률계(strain gauge) 측정값을 이용하여 깊이별 하중전이를 분석하였다. 재하하중에 따라 상이한 값을 나타내기는 하지만, 각 상부 재하하중 대비 근입깊이 0.5m이내에서 재하하중의 63%~93%를 저항하였으며, 근입깊이 2.5m이내에서는 72%~95%의 저항력을 발휘하였다. 결과적으로 변단면 연약지반보강기초가 침하를 저하시키고 하중지지에 효율적인 구조라고 볼 수 있다.
4. PHC 파일의 하중-침하 거동 특성
이 연구에서 수행된 변단면 연약지반보강기초 재하시험결과를 일반 PHC 파일의 거동과 비교하고자 한다. 실제로 이 두 기초형식을 지반조건이 같은 한 현장에서 수행하여 거동을 비교하면 이상적이지만 여건 상 어려움이 있었다. 따라서 이번 거동 비교를 통하여 어떠한 정량적인 거동을 비교하기 보다는 전반적인 거동의 경향 차이를 나타내는데 목적이 있다.
변단면 연약지반보강기초의 경우 상단부(천층)에서의 하중분담율이 아주 큰 기초로 판단되었다. 이와 상대적으로 일반적인 PHC 파일은 깊은 지반의 강한 구속력을 이용하여 선단주변에서 지지력을 확보하기 때문에 천층부에서는 큰 지지력의 발현이 어렵다. 가능한 지반조건이 유사하고 말뚝 근입깊이가 비슷한 현장의 PHC 파일 자료 Fig. 9를 활용하여 변단면 연약지반보강기초의 거동을 비교하였다.
PHC 파일은 경기도 ○○현장에서 실시된 PHC 파일의 시험 자료(BKGNC, 2011)를 토대로 PHC 파일의 하중-침하 거동 특성을 분석하였다. 지반조건의 경우 Fig. 7과 같이 상부 silty sand 매립층(깊이 = 0~5m, N값 = 10~20) 하부에 풍화토층(깊이 = 5~10.5m, N값 = 20~50)과 풍화암(10.5m 이상)으로 구성되어 있다. Fig. 9와 같이 직경이 450mm인 PHC 파일(A종)이 근입깊이 10.5m 풍화암에 시공되었으며, Fig. 10과 같이 변형률계를 PHC 파일제작 시 철근망에 부착하여 제작하였다.
PHC 파일의 말뚝두부 재하시험은 지중에 앵커를 이용한 앵커반력 재하방식으로 앵커를 평균 15.0m 심도로 4공, 앵커 1공당 1,000kN 반력에 저항하도록 시공하였다. Fig. 11은 말뚝두부 재하시험의 전경을 나타내며, 최대 시험하중 2,400kN을 재하하여 하중재하시험을 수행하였다.
Fig. 12는 PHC 파일 하중-침하량 곡선을 도시한 것으로 최대 재하 하중인 2,400kN까지 재하 하였을 때 61.7mm의 침하량이 발생하였다. Fig. 13은 재하 하중 단계에 따른 심도별 응력 측정 결과로 재하 하중이 증가 할수록 하부 하중이 증가되는 양상을 보이며, 재하하중 600kN 이내에서는 선단지지력이 발현되지 않아 주면마찰력(근입깊이 10.5m)이 대부분 하중에 대하여 저항하였다. 재하하중이 2,500 kN일 경우에는 선단부(근입깊이 10.5m지점) 하부 저항력(선단지지력)이 1,130kN으로 하중의 46%를 부담하는 것으로 나타났다.
5. 변단면 연약지반보강기초와 PHC 파일의 하중-침하 거동 특성 비교
변단면 연약지반보강기초와 PHC 파일의 연직압축 거동특성을 분석하기 위해 Fig. 14와 같이 변단면 연약지반보강기초와 PHC 파일의 하중-침하 곡선을 비교하였다. 앞에서도 언급했듯이 지반조건 및 기초의 형식, 사이즈 등이 달라서 1:1 비교가 어렵지만 전체적인 거시적 거동을 비교하려고 한다. 변단면 연약지반보강기초가 천층에서 대부분의 저항을 분담하기 때문에 구속압이 적고 연약한 지반에서 크게 저항력을 발현하기 어려운 현실이다. 하지만 변단면 연약지반보강기초의 상부 사이즈가 직경 1,400mm로 크기 때문에 중구경 PHC 파일에 비하여 초기에 강성이 상당히 높은 거동을 한다. 하지만 침하가 발생함에 따라 추가적으로 저항할 수 있는 능력이 조금씩 저하되어 단위 하중에 대해 증가하는 침하량이 계속 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 변단면 연약지반보강기초는 작용하는 연직하중이 크지 않은 상부구조물에 대하여서는 큰 강성을 발현할 수 있어 침하량 억제와 지지력 증대의 효과를 크게 볼 수 있다. 하지만, 예상되는 재하하중보다 과도한 하중이 가해질 경우 침하량의 증가로 사용성을 위협할 수도 있다.
이러한 변단면 연약지반보강기초의 경우, 저렴한 비용으로 현장굴착이나 배토를 최소화하여 시공할 수 있는 시공성 좋은 연약지반보강공법으로 간주 할 수 있다.
변단면 연약지반보강기초와 PHC 파일의 시공지반에 대한 천층의 N값이 어느 정도 유사하기 때문에 선단지지력이 발현되기 전의 거동을 분석해 보기 위해 크지 않은 특정하중에 대하여 비교해 보았다. 앞에서 언급한 바와 같이 재하하중 600kN 이내에서 변단면 연약지반보강기초와 PHC 파일 모두 선단지지력이 거의 발현되지 않았다. 따라서 재하하중 600kN 이내에서의 거동을 비교하면 주면마찰거동을 비교할 수 있다.
Fig. 15에서 보는 바와 같이 재하하중 300kN과 600kN 모두에 대하여 변단면 연약지반보강기초의 천층 하중 분담율이 PHC 파일의 하중 분담율보다 아주 큰 것을 알 수 있다. 결론적으로 보면 연약지반에서 너무 크지 않은 연직하중을 유발하는 상부구조물에 대하여 경제적으로 효율적인 천층 보강효과를 발휘하기 위해서는 변단면 연약지반보강기초가 큰 강점을 가지는 것을 확인할 수 있다.
6. 결 론
본 연구에서는 ○○지역에 N값이 10~15인 연약지반에 시공된 변단면 연약지반보강기초의 거동을 분석하였다. 변단면 연약지반보강기초의 시공에 대한 내용, 하중-침하 거동, 하중전이 등을 분석하여 연약지반에 효율적인 보강이 가능한 것을 확인하였다. 이러한 변단면 연약지반보강기초 공법의 장점은 높은 시공성과 경제성이며, 단점으로는 너무 큰 연직하중에 대하여 적용할 경우 과도한 침하가 발생할 수 있기 때문에 설계시 하중조건을 면밀히 고려, 분석하여야 한다는 점이 있다.
변단면 연약지반보강기초의 거동을 효율적으로 분석하기 위하여 상부지반의 조건이 유사한 지반에 시공된 PHC 파일의 재하시험 결과(하중-침하 곡선, 하중전이 곡선)를 비교하였다. 지반이 완전히 일치하지 않고, 기초의 형상(사이즈)도 달라 연직 거동의 1:1 비교하기에는 무리가 있지만, 주어진 정보 내에서 말뚝의 주면거동을 깊이별로 분석하여 효율성을 객관적으로 분석하였다.
변단면 연약지반보강기초는 상부의 큰 구체 사이즈로 인하여 구속압이 적은 천층에서도 효과적으로 하중에 대하여 저항하고 큰 강성을 보이는 것으로 확인되었다. 대부분의 하중분담이 천층 2.5m이내에서 나타났다. 향후 심도별 하중전달율을 정략적으로 평가하여 기초공법의 하중전이를 고려하여 안정하고 경제적인 설계가 될 수 있을 것으로 보인다.
