Journal of the Korean Geosynthetics Society. 30 December 2017. 1-11
https://doi.org/10.12814/jkgss.2017.16.4.001

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 배경이론

  •   2.1 헬리컬 파일의 지지력

  •   2.2 헬리컬 파일의 극한하중

  •     2.2.1 Davisson’s Method(Davisson, 1975)

  •     2.2.2 10% 침하량 분석법(Franke, 1989)

  •   2.3 폐색 효과(Plugging effect)

  • 3. 실내모형실험

  •   3.1 실험 지반 조성

  •     3.1.1 시료의 기본 물성 시험

  •     3.1.2 강사실험

  •   3.2 실험순서

  •   3.3 실험조건

  • 4. 실험데이터분석

  •   4.1 헬리컬 파일 폐색효과 분석

  •   4.2 헬리컬 파일 관입시간 분석

  •   4.3 헬리컬 파일의 극한하중 분석

  •     4.3.1 Davisson’s method 분석법에 따른 극한하중 분석

  •     4.3.2 10% 침하 분석법에 따른 극한하중 분석

  •     4.3.3 헬리컬 파일의 극한하중과 폐색효과의 관계

  • 5. 결 론

1. 서 론

선단지지력이 기대할 수 없을 경우 많이 시공되는 말뚝(frictional pile) 종류 중 하나인 헬리컬 파일(helical pile)은 고강도 강관으로 제작된 축(shaft)에 나선형 원판(heilx plate)를 부착한 형태로 지반에 회전관입되어 시공된다. 헬리컬 파일의 지지력은 주면 마찰력과 나선형 원판에서 발현되는 수동저항의 합으로 표현된다. 나선형 원판이 연속적으로 촘촘히 설치될 경우, 나선형 원판 사이에 갇힌 흙들이 둘러싸고 있는 지반과 저항하는 경우도 발생한다. 헬리컬 파일은 견고한 지반이 깊은 곳에 있어 항타말뚝을 사용할 수 없을 때 주로 사용되며, 기존 항타말뚝과는 달리 회전 관입기(torque machine)로 시공되어 소음과 진동이 적다는 장점이 있다. 또한 소형장비로도 시공이 가능하여 큰 장비가 들어가기 힘든 연약지반이나 대규모 굴착 저면 등에 적용성이 높다. 선단 주변 지반이 연약할 경우에도 주면을 따라 큰 지지력을 발현하기 위하여 헬리컬 파일이 많이 사용되기도 한다. 하지만 국내의 경우 화강풍화토 또는 연암이 지지층인 지반으로 구성되어 있어 헬리컬 파일 사용이 상대적으로 적고, 헬리컬 파일관련 연구 또한 부족한 상황이다(Lee et al., 2017).

Narasimaha(1991)는 헬리컬 파일의 나선형 원판의 간격에 따른 거동 및 지지력 관련 연구를 하였고, Perko(2009)는 헬리컬 파일이 지반조건(점성토 지반, 사질토 지반, 암반)에 따라 시공성 및 지지력이 어떻게 변화하는지에 대한 연구를 하였다. Sakr(2009)는 캐나다 오일샌드 지역에서 헬리컬 파일의 거동에 관한 연구를 하였으며, 나선형 원판을 변화시켜가며 지지력을 확인하고 헬리컬 파일의 흼 거동 특성을 분석하였다.

국내 연구로는 Lee et al.(2014)는 헬리컬 파일에 대하여 양방향 재하시험과 정재하시험을 수행하여, 그 결과를 비교 분석하였다. 분석 결과, 양방향 재하시험에서 확인한 지지력이 정재하시험에서 확인된 지지력과 유사하며 큰 차이를 나타내지는 않았다. Na et al.(2015)는 헬리컬 파일의 설계 하중에 대하여 안전성을 확보하면서 가장 경제적인 최적 설계를 위하여 하모니서치 알고리즘(harmony search algorithm)을 적용하였다.

본 연구는 헬리컬 파일의 형상에 따른 관입시간을 분석하고, 관입속도와 헬리컬 파일 형상에 따른 극한하중을 분석하였다. 또한 설치된 헬리컬 파일 내부에 콘 관입장치를 타입하여, 콘 관입장치의 유무에 따른 헬리컬 파일의 극한하중을 분석하였다. 구체적으로, (1) 동일한 나선형 원판 3개를 다른 간격(50mm와 150mm)으로 1/6 축소모형 헬리컬 파일을 제작하였다. (2) 헬리컬 파일을 회전관입 시 회전속도를 분당 15회와 30회로 설정하였다. (3) 헬리컬 파일 관입 후 콘 항타 장비를 설치하여 콘 관입 유무에 따른 극한하중 변화를 확인하였다. 여러 조건에 따라 헬리컬 파일의 극한하중 값을 비교하였으며, 헬리컬 파일 관입이 진행되는 시점부터 관입이 완료되는 시점까지 관입시간을 기록하여 시공속도를 측정하였다.

2. 배경이론

2.1 헬리컬 파일의 지지력

헬리컬 파일의 지지력 산정은 일반적으로 나선형 원판의 개별 수동 저항지지력 산정 방법 “Individual bearing method” (Terzaghi, 1943)과 나선형 원판에 갇힌 흙들이 주변 흙들과 원통형으로 마찰을 일으키며 발현되는 저항을 산정하는 방법 “Cylindrical shear method” (Mooney et al., 1985)이 사용된다(Fig. 1). Individual bearing method는 각각의 나선형 원판에서 큰 지지력이 발현된다고 가정하고, 헬리컬 파일의 지지력을 각각의 원판의 지지력의 합과 강관축(shaft)의 주면 마찰력의 합으로 가정한다. 단, 선단에서 발현되는 지지력은 무시한다. Cylindrical shear method에서는 헬리컬 파일의 지지력을 최하단 나선형 원판의 선단지지력, 나성형 원판들 사이에 갇힌 원통형 지반의 마찰 전단력, 강관축(shaft)의 주면마찰력의 합으로 계산한다.

Fig. 1.

Schematic description of (a) individual bearing method and (b) cylindrical shear method

2.2 헬리컬 파일의 극한하중

2.2.1 Davisson’s Method(Davisson, 1975)

Davisson’s method(Davisson, 1975)는 말뚝의 전침하량, 말뚝의 직경, 단면적, 탄성계수 및 말뚝의 길이 등을 고려하여 말뚝의 지지력을 추정하는 방법이다. 먼저 식 (1)과 같이 탄성 침하량(Se)을 계산한다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/PIC6A02.gif (1)

여기서, P는 재하하중, L은 말뚝의 길이, A는 말뚝의 단면적, E는 말뚝의 탄성계수이다. 탄성침하량를 이용한 직선의 기울기를 구하여 직선을 그래프(Fig. 2)에 표시한다. 탄성 침하량으로 표시한 직선을 식 (2)에서 얻어진 값(X) 만큼 평행이동한 그래프의 곡선과 만나는 교점을 극한하중으로 평가한다. 헬리컬 파일의 경우, 식 (2)에서 말뚝의 지름 D를 나선형 원판의 직경으로 할지, 아니면 강관축(shaft)의 외경으로 할지에 대한 판단을 해야 한다. Davisson’s method의 경우 말뚝 직경이 작을수록 극한지지력이 작게 평가되기 때문에 다소 보수적인 접근을 위하여 강관축의 외경으로 결정하였다.

Fig. 2.

Graphical representation for determination of ultimate capacity using Davisson's method

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/PIC6A32.gif (2)

여기서, D는 말뚝의 지름(mm)이다.

2.2.2 10% 침하량 분석법(Franke, 1989)

10% 침하량 분석법에 근거하여 결정되는 헬리컬 파일의 극한지지력은 말뚝 직경(D)에 대한 10%에 해당하는 말뚝의 저항력을 의미한다. Franke(1989)에 따르면 매입말뚝에서 구조물의 붕괴가 발생할 수 있는 상대 침하량(침하량과 말뚝 직경의 비)은 0.1보다 큰 경우라는 연구결과를 보여줬다. 비록 Franke(1989)의 제안한 방법이 때로는 과도한 침하를 유발시킬 수도 있지만, 말뚝 직경의 10%에 해당하는 침하량을 발생시키는 하중을 극한하중으로 정의하는 것이 합리적이라고 판단하였다. 따라서 10% 침하량 분석법은 북미 가장 많이 사용되는 극한하중 기준 중 하나이다.

2.3 폐색 효과(Plugging effect)

폐색 효과(plugging effect)란 말뚝의 선단부가 뚫려있는 개단 말뚝에서 발생하는 현상으로 흙이 관입되는 동안 흙과 말뚝과의 마찰로 인해 말뚝 내부에 흙 마개가 형성되는 현상이다(Jeong and Ko, 2016). 일반적으로 폐색 현상은 완전개방(unplugged) 단계, 부분폐색(partially plugged) 단계, 완전폐색(plugged) 단계로 분류할 수 있다(Fig. 3). 완전개방은 흙의 관입길이가 말뚝의 근잎깊이와 같거나 더 높게 흙이 유입된다. 부분폐색의 경우, 말뚝 내부에 관입된 흙이 다져져서 추가적인 흙의 유입을 막을 정도로 마찰저항이 크게 발생하여 관내토의 길이는 관입깊이보다 다소 작다. 완전폐색의 경우, 관내토 하단부에 있는 흙이 다져져 흙의 유입을 허용하지 않을 정도의 내주면 마찰력을 형성하여 관내토가 거의 없다.

Fig. 3.

Three plugging conditions classifying soil plugging effects of open-ended pipe piles

일반적으로 말뚝의 관내토 높이가 커지면 커질수록 지지력은 약해지며, 이를 정량적으로 반영하기 위하여 사용되는 식으로 PLR(plug length ratio)값을 사용한다. PLR값을 나타내는 식 (3)은 말뚝의 근입깊이(Lp)에 대한 관내토의 높이(Lplug)의 비이며, 말뚝의 시공이 완료 된 후에 폐색 효과를 손쉽게 측정이 가능하다는 장점이 있다(Kindel, 1977).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/PIC6A52.gif (3)

3. 실내모형실험

본 연구에서는 추후에 개단강관말뚝과 헬리컬 파일의 극한하중을 비교하고자 강사장치를 이용하여 상대밀도가 균질한 지반을 조성하였다. 축소모형시험의 경우, 상대밀도가 낮은 지반에 개단강관말뚝을 설치할 경우, 낮은 구속압으로 인해 말뚝의 지지력이 크지 않아 높은 상대밀도(90%)로 지반을 조성하였다. 실험에 사용한 모형 토조의 직경은 1,000mm, 높이는 1,200mm, 두께는 10mm이다. 모형시험에서 말뚝과 모형 토조의 형상비가 신중히 결정되어야 하며, 토조의 강성이나 boundary가 말뚝의 거동에 영향을 미치지 않아야 한다. Parkin et al.(1980)에 의하면 모형 토조의 직경과 말뚝 직경 비는 7~50의 범위를 사용하여, 본 연구에서 사용된 모형 토조와 헬리컬 파일의 형상이 말뚝 재하시험 시 토조의 구속에 영향을 받지 않는 범위에 있다는 것을 확인하였다.

3.1 실험 지반 조성

3.1.1 시료의 기본 물성 시험

본 연구에 사용된 시료는 파쇄모래(규사 특7호)로 KS기준에 의하여 물성시험을 진행했다. 파쇄모래는 체분석 시험(KS F2302, 2002)을 통해 입도가 안 좋은 모래(SP)로 분류되었으며, 비중(KS F2308, 2016)은 2.62로 확인되었다. 상대 밀도 90%에 해당하는 지반의 조성을 위하여 알아야 하는 시료의 최대, 최소 건조 단위중량 시험(JIS A1224, 2009)을 진행하였다.

최대 건조 단위중량을 얻기 위해서는 #200체(sieve size = 0.075mm)에 95%이상 잔류하는 모래를 사용하여 몰드에 모래를 10층으로 나누어 고무망치로 층당 100회 타격(총 1,000회 타격)한다(Fig. 4). 최소 단위중량 시험은 몰드에 모래를 최대한 조심스럽게 낙하고를 낮추어 몰드에 가득 채운 후 무게를 측정하여 구한다. 최대와 최소 건조단위중량 시험은 5번의 시험을 진행되었고, 최대값과 최소값을 제외한 3가지 값의 평균으로 최대 건조단위중량과 최소 건조단위중량을 구한다. 그 결과, 최대와 최소 건조단위중량은 각각 14.80kN/m3와 11.92kN/m3이다. 직접전단 시험(KS F2343, 2007)은 세가지 수직응력(50kN/m2, 100kN/m2, 150kN/m2)에 대하여 수행하였으며 최대 마찰각은 32.77°으로 평가되었다.

Fig. 4.

Compaction mold and rubber hammer to obtain maximum dry unit weight of frictional soils

3.1.2 강사실험

강사장치는 적재 무게 300kg인 크레인과 강사기로 구성되어있다(Fig. 5(a)). 모래의 강사는 최상부에서 낙하 한 모래입자들이 두 단계의 체를 통하여 하강한다. 균질한 모래지반의 상대밀도를 90%로 맞추기 위하여 상부체와 하부체 사이의 간격, 체의 seive size, 강사높이(하부체 하부로부터 형성중인 지반면사이의 연직 거리)를 100mm~500mm 까지 바꿔 가며 상대밀도의 변화를 확인하였다. 상대밀도 90%인 지반은 #16체(sieve size는 1.19mm)와 #30체(sieve size는 0.595mm)체의 조합(Fig. 5(b))으로 강사높이를 500mm로 유지할 경우 잘 조성되었다(Fig. 5(c)).

Fig. 5.

Sand pluviation method and test results

Table 1. Physical properties of crushed sand used in this study http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/Table_KGSS_16_4_1_T1.jpg

3.2 실험순서

강사장치를 사용하여 상대밀도 90%인 지반을 조성하고(Fig. 6(a)), 원형 토조에 고정된 회전관입장치를 이용하여 관입 회전수 조정하며 헬리컬 파일을 설치하였다(Fig. 6(b), Fig. 6(c)). 이 때 헬리컬 파일의 시공성을 확인하기 위하여 관입이 시작되는 시점부터 관입이 완료되는 시점까지의 시간을 측정하여 기록하였다. 헬리컬 파일의 관입이 완료되면 헬리컬 파일에 고정된 회전관입장치를 분리하여 헬리컬 파일의 관내토량을 측정한다. 콘 항타 장비를 크레인에 장착하여 헬리컬 파일 내부에 항타하여 관입한다(Fig. 6(d)). 관입된 헬리컬 파일 재하실험은 급속재하실험으로 진행하였으며(Fig. 6(e)) 각 단계별로 6분 동안 재하한 뒤 다음단계 하중을 재하 한다(Kim et al., 2006).

Fig. 6.

Experiment procedure of this study

3.3 실험조건

이번 연구의 실험조건은 헬리컬 파일의 설치된 나선형 원판의 위치(Types 1 and 2), 헬리컬 파일 강관축 내부 콘 항타 장비 유무, 회전관입속도로 구성된다. Table 2는 각 실험 조건을 정리하였다.

Table 2. Classification of experiment according to experiment condition http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/Table_KGSS_16_4_1_T2.jpg

헬리컬 파일 축(shaft)에 부착된 나선형 원판(heilx plate)의 설치 간격은 50mm(Type 1)와 150mm(Type 2)이다(Fig. 7). 헬리컬 파일 관입 후 관내에 항타하여 관입되는 콘 항타 장비는 지름 10mm, 길이 900mm, 콘의 원뿔 선단각은 60°로 제작하였다. 콘 항타 장비는 강사장치 크레인 프레임에 설치하여 헬리컬 파일 관내로 항타하여 관입하도록 되어있다(Fig. 8). 낙하 해머의 무게와 낙하고는 일반적으로 무게 5kg, 낙하고 500mm를 사용하며(Sowers and Sowers, 1970), 6배 낮추어 진행한 낙하 해머의 무게는 3kg, 낙하고는 125mm로 진행하였다. 또한 콘 장비 유무에 따른 실험을 진행하여 콘 장비의 관입으로 마찰말뚝인 헬리컬 파일에 선단지지력이 발현되는 효과를 분석하였다. 콘 장비 현장 적용 시 지반조사에 사용되는 표준관입시험(standard penetration test)으로 일정하게 관입할 계획이다.

Fig. 7.

Photograph and drawing of helical piles used in this experiments

Fig. 8.

Installation of cone equipment

헬리컬 파일 회전관입속도는 헬리컬 파일 관입장치(Fig. 9(a))에 있는 회전컨트롤러(Fig. 9(b))에 의해 조절된다. 회전 컨트롤러의 기능으로는 회전의 방향(시계방향 또는 반시계방향)과 회전속도 조절이 있다. 회전의 방향으로는 관입 진행방향인 정회전과 실험이 끝난 후 관입되어있는 헬리컬 파일을 인발하기 위한 역회전이 있다. 회전 속도는 총 10단계이며, 회전 속도가 제일 빠른 10단계의 회전수는 1분당 30회이다. 본 실험에서 5단계와 10단계의 회전속도를 사용하였다.

Fig. 9.

Device and set up of rotational installation equipment

4. 실험데이터분석

본 연구의 실험데이터 분석은 각 실험조건별 폐색효과, 헬리컬 파일 관입시간, 극한하중을 분석하였다. 추가적으로 폐색효과와 극한하중의 상관관계를 분석하여 항타로 관입되지 않은 헬리컬 파일이 폐색효과에 미치는 영향을 파악하였다.      

4.1 헬리컬 파일 폐색효과 분석

헬리컬 파일의 폐색효과를 분석하기 위하여 헬리컬 파일 회전관입 후 관입장치를 분리하여 관내토 높이를 측정하였다. 따라서 관입장치 회전속도별 분석과, 헬리컬 파일 Type별 분석으로 진행하였다. Table 3은 실험조건에 따른 관내토 높이와 PLR값을 나타낸다. 관입장치 회전속도별 분석에서 Type 1(나선형 원판 간격 50mm)인 경우 30rpm이 15rpm보다 PLR값이 1.7% 감소하였고(Fig. 10(a)), Type 2(나선형 원판 간격 150mm)인 경우 30rpm이 15rpm보다 PLR이 2.0%감소(Fig. 10(b))하는 것을 확인하였다. 헬리컬 파일 Type별 분석은 15rpm인 경우 Type 2가 Type 1보다 1.5%감소하였고(Fig. 10(c)), 30rpm인 경우 Type 2가 Type 1보다 1.8%감소하였다(Fig. 10(d)). 헬리컬 파일의 폐색효과는 관입 회전속도 증가에 의해 PLR이 감소하였으며, 나선형 원판(heilx plate)의 간격에 따라 PLR값에 영향이 있다는 것을 확인하였다.

Fig. 10.

PLR changes with different helix plate spacings and different rotation speeds

Table 3. Measured PLR values varying test conditions http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/Table_KGSS_16_4_1_T3.jpg

4.2 헬리컬 파일 관입시간 분석

본 실험에서 헬리컬 파일 관입시간은 헬리컬 파일이 조성된 지반에 600mm 근입되는 동안의 시간을 의미한다. 헬리컬 파일 관입시간의 분석은 폐색효과 분석과 동일하게 관입장치 회전속도와 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격으로 구분하여 진행하였다. 관입장치의 회전속도가 헬리컬 파일 관입시간에 미치는 영향은 각 나선형 원판 설치간격별 헬리컬 파일에 대하여 회전속도를 다르게 하여 관입시간을 측정하였다. 또한, 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격이 헬리컬 파일 관입시간에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 동일한 관입속도에 대하여 헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격을 변화시켜 관입시간을 측정하였다.

헬리컬 파일의 관입시간 분석에 대한 결과는 Table 4와 같다. 관입장치 회전속도별 분석은 30rpm인 경우 15rpm보다 Type 1(나선형 원판 간격 50mm) 경우 33.5초, Type 2(나선형 원판 간격 150mm) 경우 43초 단축되었고, 헬리컬 파일 나선형 원판 설치간격별 분석은 Type 1이 Type 2보다 15rpm에서 25.5초, 30rpm에서 16초 단축하였다.

Table 4. Penetration times under different test conditions http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/Table_KGSS_16_4_1_T4.jpg

전체적으로 Type 2보다 Type 1인 경우와 회전속도 증가에 의해 관입시간이 단축되었으며, 그 영향은 회전속도 증가가 더 크다는 것을 확인할 수 있었다.

4.3 헬리컬 파일의 극한하중 분석

극한하중 실험은 총 6개의 서로 다른 실험조건 하에 재하실험을 진행하여 극한하중을 파악하였다. 극한하중은 Davisson’s의 곡선해석법과 10% 침하하중 분석법을 사용하였다. Fig. 11(a)는 Davisson’s 분석법을 사용하여 작도한 직선과 그에 대응하는 극한하중을 나타내며, Fig. 11(b)는 10% 침하량 분석법에 따른 극한하중을 나타낸다. Table 5은 Fig. 11의 Davisson’s 분석법과 10% 침하량 분석법을 사용하여 산출된 극한하중을 수치화하였다.

Fig. 11.

Determination of ultimate load from load-settlement curves

Table 5. Result of ultimate load data using by Davisson’s method and 10% settlement method http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/Table_KGSS_16_4_1_T5.jpg

4.3.1 Davisson’s method 분석법에 따른 극한하중 분석

Table 6은 Davisson’s method분석법에 따른 극한하중 값을 나타낸다. 극한하중은 헬리컬 파일의 Type, 콘 관입장비의 유무, 관입 회전속도에 따라 분류하였다. 헬리컬 파일의 Type(헬리컬 파일의 나선형 원판 설치간격별)에 따른 극한하중 분석은 콘 관입장비를 사용하지 않은 실험조건을 비교하였다. 콘 관입장비 유무에 따른 극한하중 분석과 관입 회전속도변화의 극한하중분석은 Type(헬리컬 파일 나선형 원판 설치간격별)으로 나누어 진행하였다.

Table 6. Summary of ultimate loads of tested helical piles by Davisson’s method http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/Table_KGSS_16_4_1_T6.jpg

나선형 원판 설치간격별 극한하중 분석결과 Type 2(나선형 원판 간격 150mm)에서 Type 1(나선형 원판 간격 50mm)보다 292.7 N 더 큰 극한하중이 산출되었으며, 콘 관입장비 유무에 따른 극한하중 분석결과 콘 장비 사용함에 따라 Type 1, Type 2 각각 653.0N, 740.5N 극한하중이 증가하였다. 회전속도변화의 극한하중 분석은 15rpm에서 30rpm으로 증가함에 따라 Type 1, Type 2 각각 737.8N, 1,954.3N 큰 극한하중을 발현하였다.

4.3.2 10% 침하 분석법에 따른 극한하중 분석

Table 7은 10% 침하 분석법에 따른 극한하중 값을 나타낸다. 극한하중 분석은 Davisson’s method분석법과 동일한 형식으로 진행하였다. 나선형 원판 설치간격별 극한하중 분석결과 Type 2(나선형 원판 간격 150mm)에서 Type 1(나선형 원판 간격 50mm)보다 283.3 N 더 큰 극한하중이 산출되었으며, 콘 관입장비 유무에 따른 극한하중 분석결과 콘 장비 사용함에 따라 Type 1, Type 2 각각 534.2N, 584.1N으로 극한하중이 증가하였다. 회전속도변화의 극한하중 분석은 15rpm에서 30rpm으로 증가함에 따라 Type 1, Type 2 각각 588.6N, 1,564.1N으로 상대적으로 큰 극한하중이 발현되었다.

Table 7. Summary of ultimate load data by 10% settlement methodhttp://static.apub.kr/journalsite/sites/kgss/2017-016-04/N0150160401/images/Table_KGSS_16_4_1_T7.jpg

4.3.3 헬리컬 파일의 극한하중과 폐색효과의 관계

항타관입하여 발생하는 폐색효과현상이 회전관입하는 헬리컬 파일의 극한하중과의 상관관계에 대해 파악하기 위해 헬리컬 파일의 극한하중과 PLR의 상관관계를 Fig. 12로 나타냈다. 그래프의 좌측 y축은 꺾은선으로 표시한 PLR값을 나타내며, 우측 y축은 극한하중으로 Davisson’s분석법 결과와 10% 침하량 분석법의 결과를 나타낸다.

Fig. 12.

Relationship between PLR value and ultimate load of helical pile

최대 극한하중 값과 최소 PLR값은 “Type 2-Equipped-30 rpm”실험 조건에서 발생하였고, 최소 극한하중 값과 최대 PLR값은 “Type 1-Not equipped-15rpm”에서 확인되었다. 그 차이는 각각 2,431.5N과 3.5%의 차이를 보였다. 전체적인 경향을 보면 꺾은선으로 형성된 PLR값이 낮게 측정되면 높은 극한하중이 산출되고, PLR값이 높게 측정되면 낮은 극한하중이 산출되는 형상을 볼 수 있으며, 대부분의 실험이 PLR값에 따른 극한하중 상관관계 경향을 따르고 있었다.

5. 결 론

본 연구는 마찰 말뚝(friction pile)인 헬리컬 파일(helical pile)에 관한 국내 연구의 부족과 헬리컬 파일에 대한 기초연구에 대한 수요로 인해 진행하였다. 데이터분석 결과, PLR값은 나선형 원판(heilx plate) 설치간격이 50mm인 경우가 나선형 원판 설치간격이 150mm인 경우에서 크고, 30rpm이 15rpm 보다 작게 나타났다. 관입시간은 나선형 원판 간격 50mm에서 나선형 원판 간격 150mm보다 빠른 시간에 관입이 완료되었으며, 30rpm에서 15rpm보다 관입시간이 단축되었다. 극한하중은 나선형 원판 간격 150mm, 30rpm 조건에서 콘 장비를 사용할 경우 가장 높은 극한하중으로 보였으며, 나선형 원판 간격 150mm에서 나선형 원판 간격 50mm보다 높은 극한 하중을 보였다. 이는 헬리컬 파일에서 나선형 원판이 개별적으로 지지력이 작용하는 ”Individual bearing“이 나선형 원판이 전체적으로 작용하는 ”Cylindrical shear“보다 크게 작용함을 파악 할 수 있다. 따라서 헬리컬 파일의 설계에 있어서 각각의 나선형 원판이 ”Individual bearing“이 작용할 수 있도록 적절한 간격 너비가 필요할 것으로 판단된다.

이번 실험은 1/6 축소모형 실험으로 진행되어 낮은 구속압(low confining pressure)으로 인해 정량적인 헬리컬 파일의 극한하중을 보여주기 어려웠다. 하지만 이번 연구의 주된 내용은 실험 조건에 따른 헬리컬 파일의 관입되는 시간과 극한하중 분석에 있다. 이에 따라 실험 조건에 따른 관입시간은 헬리컬 파일의 효율 적인 시공성에 대한 방향성을 제시하였고, 극한하중 분석을 통해 헬리컬 파일의 극한하중 증가에 필요한 조건을 보여주었다. 축소모형 실험 데이터를 바탕으로 실제 헬리컬 파일의 관입 시간과 극한하중을 분석하기 위해서는 실제 크기의 헬리컬 파일 데이터와 축소모형 결과를 비교해서 축척 효과(scale effect)를 파악해야 할 것이며, 이에 따른 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This research was supported by Korea Institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agri-culture, Forestry and Fisheries (IPET) through Advanced Production Technology Development Program, funded by Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (MAFRA) (Grant number 116114-03).

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