1. 서 언
대구경 현장타설말뚝은 말뚝 하나에 작용하는 하중이 매우 크기 때문에 시공상의 하자로 인해 지지력이 설계지지력에 미치지 못할 경우, 구조물 전체의 사용성과 안전에 치명적이다. 또한 현장에서 지반에 천공을 하고 콘크리트를 타설하여 양생하므로, 시공과정상에서의 부주의 또는 생각지 못한 지반조건의 변화에 따라 말뚝의 건전도(Intergrity)에 문제가 발생할 가능성이 있다. 따라서 현장타설말뚝의 건전도 시험에 대한 필요성은 일찍부터 제기되어 왔으며 현재 대부분의 현장타설말뚝의 설계에 있어서 음파검측을 통한 건전도 조사를 실시하고 있다.
그러나, 시공된 기초말뚝의 건전도 시험으로는 설계지지력을 만족하는지를 확인할 수 없으므로 재하시험을 통하여 실제 시공된 기초말뚝의 허용지지력을 확인할 필요가 있다.
2. 양방향 재하시험의 일반사항
2-1. 시험 개요
양방향 재하시험은 미국 노스웨스턴 대학의 명예 교수인 Jory O. Osterberg 박사에 의해 처음 고안되었다. 종래의 말뚝 정재하시험의 경우 시험하중만큼의 사하중이나 반력말뚝, 반력앵커 등의 반력이 필요하고, 이런 반력하중을 사용할 수 없을 경우 말뚝정재하시험을 할 수 없다. 그러나 양방향 재하시험은 특수하게 제작된 고압의 유압식 잭(Jack)을 일반적으로 말뚝선단 가까이에 설치하여 선단지지력과 주변마찰력에 의해 하중재하에 필요한 반력을 상호간에 마련해 주는 방법이므로 별도의 하중재하장치가 필요 없고, 좁은 시험공간이나 경사진 곳에서도 적용이 가능하다.
[그림 2-1]은 종래의 말뚝정재하시험방법과 양방향 재하시험 방법의 차이를 보여준다.
종래의 말뚝정재하시험은 두부에서 하중을 재하하므로 사하중이나 반력말뚝, 반력앵커 등의 반력장치와 큰 재하장치가 필요하다. 이때 말뚝두부에 재하하는 하중 P는 주면마찰력 F와 선단지지력 Q에 의해 지지되고, 이 두 지지력을 분리하기 위해서는 말뚝의 하중전이측정이 반드시 수행되어야 한다.
양방향 재하시험의 경우, 지상에서 유압을 가하면 양방향 Jack의 하부는 하향으로 움직여 선단지지력을 발생시키고 상부는 동일한 힘으로 상향으로 움직이면서 말뚝에 주면마찰력을 발생시킨다. 또한 말뚝두부가 아닌 선단이나 말뚝의 임의 위치에 하중을 재하하므로 주면마찰력 F와 선단지지력 Q는 서로에 대해 반력으로 작용하게 된다. 이런 이유로 양방향 재하시험에서는 별도의 하중재하장치가 필요치 않는 것이다.
[그림 2-1. 종래의 말뚝 정재하시험과 양방향 재하시험의 비교]
양방향 재하시험은 Jack이 팽창함에 따라 선단지지력이나 주면마찰력 중 하나가 극한에 도달하거나, Jack의 최대재하용량에 도달할 때 시험을 종료한다.
2-2. 시험 방향(동향)
양방향 재하시험은 10여 개의 국가에서 550여회 이상의 시험이 수행되어 그 유용성 및 적용성이 입증되었고, 길이 90m, 직경 3m 의 말뚝에서 135MN까지 적용된 바 있다. 또한 최근에는 현장타설말뚝에 278MN까지 하중을 재하한 사례가 있다.
양방향 재하시험은 대부분이 미국에서 이루어졌고, 일본에서도 20회 이상 수행되었다. 국내에서는 최근에 이르러 말뚝의 대구경(단일 현장타설말뚝 등)에 따라 연직반력의 증가로 꾸준히 증가하는 추세이다.
양방향 재하시험에서는 기존의 재하시험과는 달리 특별한 장치 없이도 선단지지력과 주면마찰력을 동시에 측정할 수 있다. 따라서 축하중 계측용 센서를 설치하지 않은 경우 말뚝두부에 하중을 재하하는 기존의 재하시험보다 말뚝의 거동을 더 많이 알 수 있다.
양방향 재하시험에서 구해진 선단지지력 - 변위 곡선과 주면마찰력 - 변위곡선은 말뚝몸체는 비압축성이고, 상향의 극한주면 마찰력은 하향의 극한주면마찰력과 같다는 가정하에서 등가하중 - 침하량 곡선으로 합성할 수 있다. 이에 대해 [2-3. 등가하중-침하량 곡선]에 설명하였다.
양방향 재하시험에서의 상향 극한 주면마찰력과 하향 극한 주면마찰력이 동일하다는 가정에 대한 타당성의 논증은 일본에서 실시된 시험에서 입증되었다(Ogura, 1996). 이 시험에서는 양방향 Jack을 이용하여 말뚝을 위로 밀어 올릴 때와 아래로 누를 때의 주면마찰력을 각각 측정하였고, 상향 주면마찰력과 하향 주면마찰력은 서로 같다는 결론을 얻었다. 또한 싱가포르에서는 사하중(Kentledge)에 의한 정재하시험과 양방향 재하시험을 직접적으로 비교하는 시험이 실시 되었다. 여기서는 직경 1.2m, 길이 32m 인 시험말뚝에 사하중(Kentledge) 상재 정재하시험을 실시하고, 10m 정도 떨어진 지점에서 같은 제원의 시험말뚝에 양방향 재하시험을 실시하였다. 두 시험의 결과에 대한 비교는 [그림 2-2]에 도시하였다(Peng et. al. 1999).
[그림 2-2]에서 볼 수 있듯이 사하중(Kentledge) 시험에서 구해진 하중 - 침하량 곡선과 양방향 재하시험에서 구해진 등가 하중-침하량 곡선은 아주 유사한 결과를 보이는 것을 알 수 있다.
2-3. 등가 하중-침하량 곡선
양방향 재하시험은 선단지지력과 주변마찰력이 상호간에 반력으로 작용하여 동시에 측정된다. 따라서, 여기서 얻은 두 개의 하중-변위 곡선(선단지지력-하중곡선, 주면마찰력-하중곡선)을 이용하여 등가 하중-침하량 곡선을 그릴 수 있다.
등가 하중-침하량 곡선은 하중이 두부에 작용할 때의 재하하중과 말뚝두부의 침하량 관계를 주면마찰력-상향변위곡선과 선단지지력-하향변위 곡선으로부터 결정한 것이다. 이것은 주면마찰력 곡선의 임의의 점에서 구해진다. 말뚝 몸체를 변형이 없는 강체로 가정한다면, 말뚝두부와 바닥에서의 변위는 같다. 따라서, 같은 변위에서의 선단지지력과 주면마찰력을 합하면 하나의 점으로 표시할 수 있고, 각각의 변위에서 같은 방법으로 점을 찍어 연결하면 등가 하중-침하량 곡선을 그릴 수 있다.
등가 하중-침하량 곡선은 다음과 같은 가정 하에서 결정된다.
(1) 양방향 Jack 상판의 상향변위에 의한 주면마찰력-변위 곡선은 종래의 말뚝정재하시험에서의 하향 주면마찰력-변위 곡선은 같다.
(2) 양방향 Jack 하판의 하향변위에 의한 선단지지력-변위 곡선은 종래의 말뚝정재하시험에서의 선단지지력-변위곡선과 같다.
(3) 압축에 의한 말뚝 몸체의 변위는 무시할 수 있을 정도이므로 말뚝은 강체로 가정한다. 일반적인 현장타설말뚝의 압축량은 1~3mm이다(Schmermann & Hayes, 1997).
양방향 재하시험은 선단지지력이나 주면마찰력이 극한에 도달하거나 양방향 잭(Jack)의 용량이 한계에 이르면 시험을 종료하게 된다. [그림 2-3]은 일반적인 경우의 양방향 재하시험 결과를 나타내는 예이다. [그림 2-3]에서 알 수 있듯이 양방향 Jack의 작용하중은 양방향으로 각각 25,000 kN 씩 가해졌고, 주면마찰력이 먼저 극한에 도달하였다.
이 때 점 4에서의 상향변위는 약 25.8mm이고, 작용된 주면마찰력은 약 10,600 kN이다. 그리고, 선단지지력-변위 곡선에서 같은 크기의 하향변위를 보이는 점(점 4)을 찾으면 작용된 선단지지력은 21,500 kN 임을 알 수 있다. 따라서 점 4에서의 변위가 25.8mm일 때, 이 두 하중을 합하면 말뚝머리에서 작용된 하중은 32,100 kN 이 된다.
이런 방식으로 각각의 변위에서의 상응하는 하중들을 구하고 이들을 도시하면 [그림 2-4]와 같은 등가 하중-침하량 곡선을 그릴 수 있다. [그림 2-4]에서 보듯이 점 5까지는 측정된 결과를 이용한 곡선이고, 그 이상의 점들에 대해서는 외삽법을 이용하여 추정한 곡선이다. 이것은 양방향 Jack의 단점 중 하나로 선단지지력과 주면마찰력 중 어느 한쪽이 극한에 도달하면 더 이상 시험을 진행할 수 없으므로 등가 하중-침하량 곡선에서 극한지지력이 분명하게 판별되지 않을 경우가 발생하는데, 이 경우 외삽법에 의한 추정곡선을 사용할 수 있다.
선단지지력과 주면마찰력 중 어느 한쪽이 극한에 도달할 경우, 다른 한 쪽을 추정하는 방법에는 두 가지가 있다. 첫 번째는 매우 보수적인 방법으로 다른 한쪽도 극한에 도달하여 침하에 대한 하중의 증가가 더 이상 없다고 가정하는 것이고, 두 번째는 보다 합리적인 방법으로 한쪽은 극한에 도달하지 않았다고 보고 외삽법에 의해 추정하는 것이다.
2-4. 양방향 재하시험의 장점 및 단점
1) 양방향 재하시험의 장점
① 경제성
양방향 재하시험은 반력말뚝이나 반력앵커 혹은 사하중 등의 재하 시스템을 따로 설치하지 않으므로 공기와 비용을 단축시킬 수 있을 뿐 아니라, 반력 시스템 및 재하대의 안정성 검토 등이 필요 없는 경제적인 공법이다. 일반적으로 종래의 말뚝 정재하시험(두부 압축재하시험)의 1/3~2/3 정도의 시험비용이 소요되고, 시험하중이 높을수록 유리하다.
② 큰 시험 용량(High load capacity)
켄터키(Kentucky), 메사추세츠(Massachusets)와 조시아(Geogia)에서 수행된 시험에서는 각각 54MN, 56MN, 66MN의 하중을 작용시켰으며, 최근 국내(인천 연육교)에서는 278MN을 재하시킨 바 있다. 또한 대구경 현장타설말뚝에서 초고하중용량의 시험도 가능하다.
③ 주면마찰력과 선단지지력의 동시 측정
양방향 재하시험은 별도의 장치 없이도 자동으로 선단지지력과 주면마찰력이 분리되어 측정된다.
④ 안전성
양방향 Jack이 지중에 매설되어 시험이 시행되므로 안전하다.
⑤ 암반소켓
종래의 말뚝정재하시험은 반력의 한계와 주변지반에서의 하중분산으로 인하여 적절한 암반소켓말뚝에 대한 시험이 어렵고, 선단지지력과 주면마찰력을 정확히 구별하기 위한 해석방법상의 문제도 있었으나, 양방향 재하시험은 Jack이 소켓에 직접 위치해서 하중이 재하되고, 선단지지력과 주면마찰력이 자동으로 나뉘어 구해진다.
⑥ 작업공간 감소
종래의 말뚝정재하시험보다 양방향 재하시험은 작은 작업공간이 소요된다.
⑦ 높은 적용성
양방향 재하시험은 종래의 말뚝 정재하시험으로는 수행이 불가능한 물위나 완만한 경사지에서도 특별한 문제없이 시험이 가능해진다.
⑧ 정적 크리프(Creep)나 셋업(Setup) 효과의 반영
양방향 재하시험은 정적하중 시험이고, 하중재하시간은 원하는 만큼 유지할 수 있으므로 엔지니어은 선단지지력과 주면마찰력과 주면마찰력의 크리프 거동을 분리하여 측정할 수 있다. 크리프 하중 한계(Creep load limits)는 ASTM D 4719의 프레셔미터(Pressure meter) 시험과 유사하게 구할 수 있다. 엔지니어는 양방향 Jack 설치 후 언제라도 셋업(Setup) 효과를 편리하게 측정할 수 있다.
⑨ 연속 시험(Sequential testing)
양방향 재하시험은 연속 시험이 가능하므로 말뚝이 여러 종류의 흙 속에 관입되었을 때의 셋업(Setup) 혹은 에이징(Aging) 효과를 확인할 수 있다.
미국의 플로리다(Florida) 대학에서 1994년부터 여러 해 동안 양방향 Jack이 설치된 460mm의 사각형 프리스트레스 콘크리트 파일 5개에 대한 시험이 진행되었고, 1996년에는 미국 루이지애나 수송부(Louisiana Department of Transportation)에서 점토층에 관입된 760mm의 사각형 프리스트레스 콘크리트 말뚝의 셋업(setup) 효과에 대한 시험이 진행되었다. 이는 최소의 노력과 장비로 장기간의 시험을 수행할 수 있는 양방향 재하시험만의 장점이라 할 수 있다.
2) 양방향 재하시험의 단점
① 시험 전 설치
양방향 Jack이 반드시 말뚝의 시공과 동시에 설치되어야 한다. 따라서 사전에 계획하여 양방향 Jack을 설치하지 않으면 시험이 불가능하다.
② 선단지지력과 주면마찰력의 균형
양방향 재하시험은 선단지지력이나 주면 마찰력이 극한에 도달하거나, 양방향 Jack의 재하용량이 다하면 시험이 종료된다. 일반적인 경우, 대부분이 선단지지력이나 주면마찰력 중 단지 하나만이 극한에 도달한다. 따라서, 선단지지력이나 주면마찰력 중 어느 하나라도 극히 작은 하중에서 항복 또는 극한에 도달하면 시험을 종료해야 하는 경우가 발생한다. 또한 한번 설치된 양방향 Jack은 교체가 불가능하므로 엔지니어는 먼저 선단지지력과 주면 마찰력을 예측 및 해석하여 적절하게 설치하여야 한다.
③ 등가 하중 곡선
말뚝 두부의 등가 정적하중-침하곡선의 변곡점이 나타나지 않을 수도 있다. 이 경우 외삽법에 의해 추정한다.
④ 양방향 Jack의 소모성
한번 설치된 양방향 Jack은 소모품으로 재사용이 불가능하다.
⑤ 특정 말뚝에 적용성
H-말뚝이나 널말뚝, 선단지지가 극히 취약한 마찰지지말뚝이나 끝이 뾰족한 말뚝, 나무말뚝 등에 적용이 어렵다.
⑥ 작은 시험하중에서의 비경제성
양방향 Jack은 일반적인 말뚝정재하시험보다는 경제적이나, 시험하중이 100~200 tonf 정도의 작은 하중에서는 오히려 비경제적일 수 있다.
표 2-1. 전통적인 말뚝정재하시험과 양방향 재하시험의 비교
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전통적인 말뚝정재하시험 |
양방향 재하시험 |
양방향 재하시험법의 장․단점 |
비 고 | |
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장 점 |
단 점 | ||||
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재하 방식 |
반력말뚝, 반력앵커, 사하중재하, 등 말뚝머리 재하 |
말뚝의 주면마찰력과 선단지지력의 반력 시스템 |
- 하중재하를 위한 준비가 거의 필요 없다. - 수상 말뚝이나 경사말뚝에도 적용가능. - 대용량의 하중 재하가능 |
- 말뚝의 시공과정에서 시험준비 - 한번 설치된 양방향 Jack은 교체가 불가능함. - 양방향 Jack은 소모됨. |
- 전통적인 말뚝정재하시험 ; 29,420 kN이상 곤란 |
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재하 위치 |
말뚝두부 |
선단부 등 말뚝이 설치된 위치 |
- 선단지지력과 주면마찰력의 분리측정 가능 - 같은 재하용량의 유압잭으로 2배의 재하효과 |
- 하향의 지지력과 상향의 지지력 중 하나가 극한에 도달하면 시험 종료 - H-Pile, 널말뚝 등 선단지지력이 취약한 말뚝 시험불가 - 끝이 뾰족한 말뚝, 나무말뚝 등 시험불가 | |
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후처리 |
재하장치 철거 후 바로 사용가능 |
Grouting 작업이 필요 |
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기타 |
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- 경제적이다. (일반대비 70 ~ 80%) - 시험절차와 계측이 용이하고 신속하다. |
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하중량이 클수록 더욱 효과적임 |
2-5. 양방향 JACK 설치위치
말뚝재하시험은 최대의 정보를 얻을 수 있도록 계획되고 수행되어야 한다. 그러므로, 지반조사로부터 얻어진 지반 단면 및 실내시험 결과들을 세밀히 고려하여 말뚝의 어느 위치에 양방향 Jack을 설치하는 것이 시험목적에 부합되는 최대의 정보를 얻을 수 있는가를 결정하여야 한다. [그림 2-5]는 현장타설 말뚝에서의 시험 목적에 따른 양방향 Jack의 위치를 나타낸 것이다.
(a) 일반적으로 양방향 Jack은 말뚝의 선단부에 설치한다. 이 때 시험 위치의 굴착 바닥면에 버림 콘크리트를 얇게 타설한 후, 그 위에 양방향 Jack을 위치시키고 콘크리트를 타설한다. 이 경우 추정되는 선단지지력과 주면지지력이 거의 비슷하거나, 추정 선단지지력보다 큰 경우에 적절한 방법이다. 또한 시험 목적이 단지 말뚝의 극한 주면마찰력만을 측정하는 경우에도 사용된다.
(b) 만일 주면마찰력이 선단지지력보다 상당히 크다고 추정되거나 극한 선단지지력과 극한 주면지지력 둘 다를 구하고자 할 경우, 양방향 Jack은 바닥으로부터 얼마만큼 떨어진 곳에 설치되어야 한다. 이 경우 떨어뜨릴 거리를 정확히 계산할 수 있다면, 양방향 Jack 위쪽의 주면마찰력이 극한에 도달할 때 아래쪽의 주면마찰력과 선단지지력의 합 또한 극한에 도달한다.
(c) 암반에 소켓된 말뚝에서 상제 표토를 제외한 소켓부분의 선단지지력과 주면마찰력을 측정할 경우에 사용되는 방법으로, 소켓부분의 지지력과 소켓 위쪽의 주면마찰력을 구별하기 위해 말뚝의 각 위치에 스트레인 게이지를 설치하는 기존 방법을 대체할 수 있는 방법이다. 만약 추가적으로 상재 표토의 극한 주면마찰력을 측정하고자 한다면 암반 소켓 시험을 마친 후, 말뚝의 나머지 부분을 모두 타설하고 다시 양방향 재하시험을 실시할 수 있다.
(d) 선단지지력이 주면마찰력보다 더 작다고 예측되는 경우에는 설계심도 아래를 종 모양으로 넓게 굴착을 하고 양방향 Jack을 설계심도에 위치시키면 충분한 선단지지력을 얻을 수 있다.
(e) 말뚝의 두부가 현재 지표면보다 아래에 있을 경우에는 하부층까지만 먼저 콘크리트를 채우고 양방향 재하시험을 실시할 수 있다.
(f) 극한 주면마찰력이 두 층으로 예측이 될 경우에는 하부층까지만 먼저 콘크리트를 채우고 양방향 재하시험을 하여 하부층의 주면마찰력을 측정한 뒤, 말뚝 전체를 타설하고 다시 시험한다. 이 때, 전체 극한 주면마찰력을 구할 수 있다.
(g) 말뚝의 바닥과 미리 계산된 거리만큼 위쪽에 각각 양방향 Jack을 설치할 경우 상부 양방향 Jack의 위쪽 극한주변마찰력과 상부 양방향 Jack의 아래쪽 주면마찰력, 그리고 선단지지력을 각각 구할 수 있다. 이 경우에는 먼저 하부 양방향 Jack에 압력을 가하여 말뚝의 선단지지력을 먼저 측정한 뒤, 하부 양방향 Jack에 압력을 빼고 상부 양방향 Jack에 압력을 가하여 상부 양방향 Jack 위쪽과 아래쪽의 주면마찰력을 측정한다.
3. 양방향 재하시험의 준비 및 방법
3-1. 양방향 재하시험의 준비
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시험 계획 수립 |
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시험계획에 따른 자재 준비 |
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양방향 Jack 조립 |
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Jack 철근망에 부착 |
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철근망 제작 완료 | ||
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철근망에 계측장치 설치 |
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시험말뚝 굴착 및 굴착 완료 | ||
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철근망 삽입 |
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Con'c 타설 |
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Con'c 양생 |
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28일 공시체 강도- 설계강도 이상 | ||
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시험기준보 설치 및 시험준비 |
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재하시험 실시 |
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보고서 작성/제출 |
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측정관 그라우팅 실시 | ||
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시험 종료 |
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1) 양방향 재하시험 계획 수립
재하시험의 목적에 따른 시험말뚝 선정 등 시험전반에 관한 계획을 감독관과 협의하여 수립한다.
2) 시험계획에 따른 자재 준비
수험계획이 수립되면 시험계획에 따라 재하용량에 적합한 양방향 Jack과 측정관의 길이, 말뚝 구경에 맞는 재하판 설계 및 제작 등 시험에 필요한 자재를 준비하여 현장에 반입한다.
[그림 2-8. 양방향 Jack 모식도]
3) 양방향 Jack 설치 및 계측장치 부착
시험말뚝의 철근망이 제작되면 재하판과 양방향 Jack을 조립하여 철근망에 부착하고 계측장치, 가압호스 등을 철근망에 부착한다. 이 과정과 동시에 시험말뚝의 굴착을 실시한다.
4) 철근망 삽입과 콘크리트 타설
3)의 작업이 완료되면 시험말뚝에 철근망을 삽입하고 콘크리트를 타설하여 시험말뚝을 완성한다. 완성된 이후 콘크리트 양생 시킨다.
5) 시험 기준보(Reference Beam) 설치 및 시험준비
시험 기준보 설치 및 가압장치, 데이터로그, 말뚝상부 계측장치 등 시험을 준비한다.
- [그림 2-9 참조]
6) 하중재하 및 계측
계획된 단계에 의해 하중을 재하하고 시험을 실시한다.
- 최대시험하중은 30,000 kN/본이며, 양방향으로 적용 시에는 60,000 kN/본 이다. 단계별 하중재하는 [표 2-2]와 같다.
7) 보고서 작성
계측된 결과로 보고서를 작성한다.
8) 그라우팅 실시 및 시험종료
시험이 종료된 이후 측정관 그라우팅을 실시하고 시험말뚝(Test Pile)을 기초말뚝(Working pile)으로 사용하기 위한 작업 (두부정리 등)을 실시한다.
[그림 2-9. 양방향 재하시험 설치도 예]
3-2. 측정 개요
[그림 2-9]은 기본적인 양방향 재하시험의 장치 개념도를 나타낸 것으로, 양방향 Jack의 총 팽창량은 Jack 하부판에 설치된 LVWDT(Linear Vibrating Wire Displacement Transducer)로 측정하고, 상향변위는 Jack 상부판에 연결된 텔테일(Telltale)로 직접 측정한다. 이 때 양방향 Jack의 총 팽창량에서 상부판의 상향변위를 빼면 하부판의 하향변위를 구할 수 있다.
상향변위는 기준대(Reference Beam)에 다이얼 게이지나 LVDT(Linear Variable Differential Transfomer)를 설치하여 구할 수도 있다. 또한 하부판에 변위측정용(Telltale)을 설치하여 직접 하향변위를 측정할 수도 있다.
3-3. 재하방법의 결정
현재 국내에서 실시하는 재하시험의 경우 KS F 2445 및 ASTM D 1143의 규정, 사단법인 한국지반공학회에서 추천하고 있는 재하시험방법 등으로 실시되고 있다. 이러한 규정들은 규정별로 각각 조금씩 다르게 제안하고 있으므로 시험 이전에 감독관, 감리원, 현장 책임자와 충분한 협의를 거쳐 현장에 적합한 시험방법을 결정하여야 한다.
ASTM D 1143에 명시된 시험방법에는 표준재하 시험방법, 급속하중재하 시험방법, 하중증가평형 시험방법, 일정침하율 시험방법, 일정침하량 시험방법, 스웨덴 반복하중재하 시험방법 등이 있다. 이중 가장 많이 채택되고 있는 시험방법은 표준재하 시험방법과 반복하중재하 시험방법이며, 최근에는 하중-침하량 곡선의 신뢰성, 크리프 한계, 극한하중 확인 등의 시험목적에 따라 급속재하 시험방법도 사용이 증가하는 추세이다.
1) 표준재하 시험방법(Standard Loading Test Method)
① 총 시험하중을 8단계 즉, 설계하중의 25%, 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 175%, 200%로 나누어 재하 한다.
② 각 하중단계에서 말뚝머리의 침하율(Ratio settlement)이 시간당 0.01inch(=0.25mm)이하가 될 때까지(단, 2시간을 넘지 않도록) 재하하중을 유지한다.
③ 설계하중의 200%, 즉 총 시험하중 재하단계에서 하중을 유지하되 시간당 침하량이 0.01inch(=0.25mm)이하일 경우 12시간, 그렇지 않을 경우 24시간 유지시킨다.
④ 총 시험하중을 설계하중의 25%씩 각 단계별로 1시간씩 간격을 두어 제하한다.
⑤ 만약 시험도중 말뚝의 파괴가 발생할 경우 총 침하량이 말뚝두부의 직경 또는 대각선 길이의 15%에 달할 때 까지 재하를 계속한다.
2) 반복하중재하 시험방법(Cyclic Loading Test Method)
① 재하하중의 하중단계는 표준재하 방법에서와 같이 정한다.
② 재하하중단계가 설계 하중의 50%, 100%, 150%에 도달하였을 때 재하하중을 각각 1시간동안 유지시킨 후 표준재하방법의 재하 시와 같은 단계를 거쳐 단계별로 20분 간격을 두면서 제하(Unloading)한다.
③ 하중을 완전히 제하한 후 설계하중의 50%씩 단계적으로 다시 재하하고 표준시험방법에 따라 다음 단계로 재하 한다.
④ 재하하중이 총 시험하중에 도달하게 되면 12시간 또는 24시간동안 하중을 유지시킨 후 제하 하되 그 절차는 표준재하 방법과 같다.
3) 급속하중재하 시험방법(Quick Loading Test Method)
① 재하하중단계를 설계하중의 10% 내지 15%로 정하고 각 하중단계의 재하간격을 2.5분 내지 15분으로 하여 재하 한다.
(주) ASTM에서는 재하간격을 2.5분으로 규정하고 있으나, 그 시간동안 2~4 차례에 걸쳐 Gauge 또는 Scale 등을 읽고 기록하기에는 충분치 못한 것으로 판단되며, 대체로 5분 간격으로 하는 것이 실례이다.
② 각 재하하중 단계마다 2~4차례 (예 ; 재하간격 5분일 경우 0, 2.5, 4.0, 5.0분)침하량을 읽어 기록한다.
③ 시험은 재하하중을 계속 증가시켜 말뚝의 극한하중에 이를 때까지 또는 재하장치의 재하용량이 허용하는 범위까지 재하한 후 초종단계에서 2.5내지 15분간 하중을 유지시킨 후 제하한다.
(주) 일반적으로 총 시험하중을 표준재하시험 방법에서와 마찬가지로 설계하중의 200% 혹은 300%까지로 제한하는 것이 권장되고 있다. 이 방법을 사용하면 대략 2~5시간 이내에 전 시험과정을 마칠 수 있다.
4) 하중증가평형 시험방법(Incremental Equilibrium Loading Test Method)
① 재하하중 단계를 설계하중의 15% 내지 25%로 정한다.
② 각 재하하중단계에서 재하하중을 일정시간 (5~15분)동안 유지시킨 후 하중-침하량이 평형상태에 도달할 때까지 재하하중이 감소하도록 방치한다.
③ 평형상태에 도달하면 다음 단계의 하중을 재하 하는 식으로 되풀이하여 재하하중이 총 시험하중에 이를 때까지 시험을 계속한다.
5) 일정침하율 시험방법(Constant Rate Of Penetration Loading Test Method)
① 말뚝의 침하율이 통상 0.01inch/min(=0.25mm/min) 내지 0.1inch/min(=2.5mm/min)가 되도록 재하하중을 조절하면서 매 2분마다 하중과 침하량을 기록한다.
② 말뚝의 총침하량이 2~3inch(=50~70mm)에 달할 때까지 또는 총 시험하중에 도달할 때까지 시험을 계속한다.
(주) ASTM에서는 총 침하량이 말뚝 두부의 직경 또는 대각선 길이의 15%에 달할 때까지 시험을 계속할 것을 권장하고 있다. 이 CRP 시험방법은 급속재하방법(Quick Maintained Load Test)에서보다 더 나은 하중-침하 곡선을 얻을 수 있는 장점이 있으며, 주로 점성토 지반의 마찰말뚝에 적용하게 된다.
6) 일정침하량 시험방법(Constant Settlement Increment Loading Test Method)
① 단계별 재하하중을 말뚝의 침하량이 대략 말뚝두부의 직경 또는 대각선 길이의 1%에 해당하는 값과 같아지도록 조절한다.
② 재하하중의 변화율이 시간당 각 단계에서 재하하중의 1%미만에 이르게 되면 다음 하중단계로 이동한다.
③ 이러한 과정을 계속하여 말뚝의 총침하량이 말뚝머리의 직경 또는 대각선 길이의 10%에 달할 때까지(또는 재하장치의 용량에 달할 때까지) 시험을 계속한다.
④ 재하하중이 총 시험하중에 도달하면 소정 침하량을 유지하기 위한 하중의 변화율이 시간당 총 시험 하중의 1% 미만이 될 때까지 재하하중을 유지시킨 후 총 재하하중을 네 단계로 등분하여 제하하되, 제하 단계별로 말뚝의 리바운드율이 시간당 말뚝 두부의 직경이나 대각선 길이의 0.3% 이내에 들어올 때까지 기다린 후 다음 단계의 제하를 행하도록 한다.
7) 스웨덴 반복하중재하 시험방법(Swedish Cyclic Loading Test Method)
① 초기 재하하중을 말뚝설계하중의 3분의 1까지로 하여 재하 한다.
② 설계하중의 6분의 1까지 제하하여 같은 과정을 20차례 반복한다.
③ 다음, 재하하중을 ①항에서 보다 50% 증가시켜 재하하고 ②에서의 같은 과정을 되풀이한다.
④ 상기 ①, ②, ③의 과정을 말뚝이 파괴에 이를 때까지 계속한다.
이 방법은 상당히 오랜 시간이 소요되고 하중의 재하-제하가 번번이 반복됨에 따라 말뚝자체도 최초의 말뚝(상태)와는 다른 것이 되고 만다. 따라서 이 시험방법은 특별한 경우에 한하여 사용할 것을 권유하고 있다.
8) 재하방법의 결정
이상의 여러 가지 시험방법들 중 어떤 방법을 선택할 것인가는 말뚝재하시험 실시 목적에 따라 결정되어야 한다.
본 현장에서의 재하방법은 다음 [표 2-2]와 같이 표준재하시험방법으로 하중유지시간은 「깊은기초, (사)한국지반공학회_1997, p282」을 참조하여 수행하였다.
표 2-2. 하중재하 방법 ; 표준재하시험방법(103동-PN.9)
|
단계 |
구 분 |
LOAD STAGTE (%) |
단계하중(kN) |
조 건 (하중유지시간) | |
|
일방향 |
양방향 | ||||
|
- |
초기 |
0 |
0 |
0 |
초기하중 |
|
1 |
Loading |
25 |
3,750 |
7,500 |
최소 30분 이상, 최대 2시간 |
|
2 |
Loading |
50 |
7,500 |
15,000 |
최소 30분 이상, 최대 2시간 |
|
3 |
Loading |
75 |
11,250 |
22,500 |
최소 30분 이상, 최대 2시간 |
|
4 |
Loading |
100 |
15,000 |
30,000 |
최소 30분 이상, 최대 2시간 |
|
5 |
Loading |
125 |
18,750 |
37,500 |
최소 30분 이상, 최대 2시간 |
|
6 |
Loading |
150 |
22,500 |
45,000 |
최소 30분 이상, 최대 2시간 |
|
7 |
Loading |
175 |
26,250 |
52,500 |
최소 30분 이상, 최대 2시간 |
|
8 |
Loading |
200 |
30,000 |
60,000 |
최소 30분 이상, 최대 2시간 |
|
9 |
Unloading |
150 |
22,500 |
45,000 |
20 분 |
|
10 |
Unloading |
100 |
15,000 |
30,000 |
20 분 |
|
11 |
Unloading |
50 |
7,500 |
15,000 |
20 분 |
|
12 |
Unloading |
0 |
0 |
0 |
20 분 |
주) LOAD STAGTE의 (%)는 최대시험하중을 200%로 기준하여 계산한 것임.
4. 시험결과 해석방법
말뚝의 지지력을 산정하는 방법에는 정역학적 방법, 동역학적 방법, 항타공식에 의한 방법, 재하시험에 의한 방법 등이 있으나 현장에서 실물 재하시험에 의한 지지력 확인이 가장 신뢰성이 있으며 여타의 방법은 재하시험의 결과와 비교하여 현장에서 시공관리 수준으로 활용하는 것이 타당하다. 또한 재하시험에 의한 해석 방법도 각국의 code에 따라 많은 차이가 있는바 이 또한 해석상의 오류를 범하지 않도록 각국의 기준을 참고하여 합리적인 판단을 내려야 할 것이다.
참고로 국내에서 가장 많이 이용되고 있는 항복하중에 의한 지지력 판단은 재하시험 본래의 목적과 많은 차이가 있어 이는 합리적인 판단법이 아니라고 사료된다. 즉 재하시험은 극한하중을 확인하여 이에 의해 허용지지력을 산정한 후 허용침하량을 고려하여 설계지지력을 산정해야 함에도 불구하고 기존의 시험법은 자체의 문제점, 비용, 시간상의 제약으로 항복하중까지만 재하한 후 이를 기초로 설계지지력을 산정함으로서 상당히 비경제적인 설계가 되는 것으로 보고되고 있다.
4-1. 전침하량 기준
구조물의 기초를 설계 하는 데에는 파괴에 대하여 안전 할것과 허용된 침하 범위 이상의 침하가 발생하지 말아야 할 것 등 두가지 기준에 의한다.
파괴에 대하여 안전하도록 하는 지지력(BEARING CAPACITY) 개념의 설계에서는 파괴를 유발하는 지지력(ULTIMATE BEARING CAPACITY)을 구하고 비교적 높은 2.0~3.0의 안전율을 적용한다. 지지력 개념의 설계는 따라서 극한 지지력의 확인에 의하는 것이 가장 바람직하며 이 개념은 우리나라 건설부 제정 “구조물 기초설계 기준”에도 명시되어 있다. 또한 각종 문헌에서도 극한지지력을 기준으로 할 것을 제안하고 있다.
극한상태의 정의는 하중의 증가없이 침하량이 무한대로 증가하는 상태이지만 대부분의 말뚝 재하시험에서는 이와같은 이론적인 극한지지력은 확인이 되지 않는다. 따라서 인위적인 침하량에 도달하면 그때의 하중을 극한하중으로 인정하는 방법이 보다 폭넓게 적용되고 있다. 전 침하량 기준으로는 Singapore지하철 설계기준에서 규정한 설계하중에서 6~9 mm, 설계하중의 1.5배 하중에서 9~20 mm와 같은 엄격한 기준에서 부터 일본 토질공학회의 25 mm, 러시아에서 적용되는 40~80 mm 등 광범위한 기준들이 있다.
BS규정에서는 말뚝직경의 10% 침하량을 기준으로하며 Terzaghi and Peck이 제안한 25 mm의 기준도 많이 채용되고 있다. 인위적인 기준값은 말뚝의 설치 방법과도 밀접한 관계가 있어 De Beer는 항타 말뚝의 경우에는 말뚝 직경의 10%, 현장타설 콘크리트 말뚝에서는 말뚝 직경의 30% 침하를 기준 값으로 할 것을 제안하고 있다.
표 2-3. 극한하중에 대응하는 전침하량 기준치
|
기준명 또는 제안자 |
전침하량(mm) |
안전율 |
|
독일 DIN 4014 |
20.0 |
2.0 |
|
프랑스 |
20.0 |
2.0 |
|
벨기에 |
20.0 |
2.0 |
|
오스트리아 |
25.4 |
2.0 |
|
네덜란드 |
25.4 |
2.0 |
|
Terzaghi & Peck |
25.4 |
1.5 |
|
싱가폴 지하철 설계기준 |
설계하중 단계에서 6∼9mm |
2.0 |
|
De Bear |
말뚝 직경의 10% (항타말뚝) |
2.2~3.0 |
|
말뚝 직경의 30% (현장타설말뚝) |
2.2~3.0 | |
|
영국 BS규정 |
말뚝 직경의 10% |
2.2~3.0 |
4-2. 순침하량 기준
순 침하량은 하중 제거시의 탄성 침하량을 배제한 잔류 침하량을 기준으로 하여 지반 특성을 보다 잘 반영하므로 많은 설계기준에서 채택되고 있다. 대표적인 기준으로는 DIN의 말뚝 직경의 2.5% 순침하량 기준, New York City, BOCA, Uniform Building기준에서 채택한 0.01 inch/ton의 순침하량 기준이 있다.
표 2-4. 극한하중에 대응하는 순침하량 기준치
|
기준명 또는 제안자 |
순침하량(mm) |
안전율 |
|
독일 DIN 4206 |
말뚝 직경의 2.5% |
2.0 |
|
일본 건축기준 |
말뚝 직경의 2.5% |
2.0 |
|
미국 도로설계기준 |
6.3 |
2.0 |
|
미국 Boston 설계기준 |
12.7 |
2.0 |
|
우드워드 |
12.7 |
1.5 |
4-3. 극한하중에 의한 판정법
말뚝재하시험 시 극한하중의 개념은 이론적으로 하중의 증가 없이 침하가 무한히 발생하는 경우의 하중을 말한다. 즉 하중 대 침하곡선이 침하축과 완전히 평행하게 되는 때, 또는 하중증가율이 급격하게 증가하는 시점의 하중이다. 그러나 실제의 말뚝재하시험에서는 이러한 극한 하중을 얻을 때까지 하중을 재하 하는 것은 현실적으로 어려운 경우가 많으며, 말뚝이 지지력 파괴를 일으킬 만큼 충분히 재하 하더라도 이러한 극한하중이 명확히 식별될 수 있는 이상적인 재하곡선을 얻지 못하는 경우가 많다. 일반적으로 극한하중의 정의는 아래와 같다.
① 하중의 증가 없이 침하가 계속되는 점(A)
② 말뚝직경의 10%의 침하량이 발생된 점(B)
③ 하중의 증가 없이 너무 큰 침하량이 발생되기 시작하는 점(C)
④ 하중의 증가에 비해 순침하량의 증가가 급격히 시작되는 점(D)
[그림 2-10. 극한하중 해석법]
4-4. 항복하중에 의한 지지력 산정법
말뚝에 하중이 재하 되었을 때 하중(P) - 시간(T) -침하량(S) 의 거동 특성에 의하여 소위 항복하중(YIELD POINT)을 구하여 판정하는 방법이 있으며, 여기에 P-S 곡선분석, LogP-LogS 곡선분석, S-LogT 곡선분석, P-ds/d(LogT) 곡선분석, 다 CYCLE 방식에 의한 하중-잔류변형량 곡선법 등 다양한 방법이 있다.
건설부 제정 구조물 기초 설계기준 해설편에서는 극한하중이 확인되면 문제가 없으나 그렇지 못할 경우 항복하중에 의하도록 하고 있으며,
① P-S 곡선분석
② LogP-LogS 곡선분석
③ S-LogT 곡선분석
④ P-ds/d(LogT) 곡선분석의 방법을 권장하고 있다.
1) P - S 곡선분석법
하중 P와 말뚝머리의 침하량 S를 산술눈금으로 표시하고 각점을 연결하여 구해진 곡선에서 초기의 직선부분의 기울기와 말기의 직선부분의 기울기를 작도하여 그 교점을 항복하중으로 한다[그림 2-11 참조].
[그림 2-11. P - S 곡선분석법 예]
2) Log P - Log S 곡선분석법
하중 P와 말뚝머리의 침하량 S를 반대수눈금으로 표시하고 각점을 연결하여 구해진 곡선에서 초기의 직선부분의 기울기와 말기의 직선부분의 기울기를 작도하여 그 교점을 항복하중으로 한다[그림 2-12 참조].
[그림 2-12. Log P - Log S 곡선분석법 예]
3) S - Log t 곡선분석법
각 재하단계에 대해 경과시간을 대수 눈금에 말뚝머리의 침하량을 산술눈금에 표시하여 각하중단계의 관계선이 직선적으로 되지 않는점의 하중을 항복하중으로 한다[그림 2-13. 참조].
[그림 2-13. S - Logt 곡선분석법 예]
4) P - ΔS/Δ(Log t) 곡선분석법
각 하중단계에서 일정시간(10분 이상)후의 대수침하속도 ΔS/Δ(log t) 즉, S-log t 곡선의 경사를 구하고 이것을 하중에 표시하여 연결한다. 이와 같이 하여 구한 선이 급격히 구부러지는 점의 하중을 항복하중으로 한다[그림 2-14 참조].
[그림 2-14. P -ΔS/Δ(Logt) 곡선분석법 예]
5) DAVISSON 곡선분석법
본 해석법은 하중-침하곡선에 말뚝의 탄성압축량, 말뚝의 직경과 상관된 OFFSET을 이용하여 항복하중을 구하는 방법이다. 이 방법으로부터 구한 항복하중에 안전율 2를 적용한다. 본 해석법의 적용절차는 아래와 같다.
① 하중-침하곡선을 구한다.
② 말뚝의 탄성침하량을 구하고 이 탄성압축량에 근거하여 직선을 긋고 수평축을 따라 원점으로부터의 거리 X만큼 떨어진 점으로부터 탄성압축량 직선과 평행하게 직선을 도시한다. 여기에서 구하는 거리 X는 {X=3.81 + D/120(mm), D=말뚝의 직경}구한다(단, D600mm 이상의 경우 X=D/30).
③ 항복하중은 탄성압축량 직선과 거리 X만큼 떨어져 도시된 직선과 하중-침하량 곡선의 교점에서의 하중으로 정의 된다[그림 2-15 참조].
[그림 2-15. DAVISSON 곡선분석법 예]
5. 하중전이 계측방법
5-1. 계측 목적
하중전이 계측의 목적은 시험말뚝 하부에 설치된 양방향 Jack으로부터 하중재하 시 상부 주변지반으로 전이되는 하중을 측정하여 ① 말뚝기초의 경제적인 설계수행을 통한 건설예산 절감, ② 말뚝기초의 하중지지 거동 분석, ③ 침하량 해석 및 계산, ④ 안전 시공관리, ⑤ 사용 중 유지, 관리 등에 활용하기 위하여 실시한다.
본 현장에서의 하중전이 계측 목적은 현장타설말뚝의 하중지지 거동 분석을 목적으로 실시하였다.
5-2. 센서 설치위치 및 수량의 결정
하중전이 계측을 위한 센서(변형률계)는 현장타설말뚝의 철근에 설치하는 것으로 하였으며, 측정 센서의 설치단면은 말뚝의 크기, 편심하중, 콘크리트 타설 시 망실, 오작동 등의 원인으로 2개/1단면(180° 간격)에 설치하였다. 말뚝심도내 단면 결정은 각 지층별(퇴적층, 풍화토, 풍화암)로 기준하여 총 사용수량은 6개로 하였다(그림 2-16 참조).
측정센서는 전기저항식(SGR-100) 방식의 콘크리트 변형률계를 사용 하였다.
5-3. 센서의 설치방법
하중전이 계측을 위한 센서(변형률계)는 현장타설말뚝의 철근망 삽입 전에 기 계획된 위치에 설치하였다. 각 철근망을 연결(2 Span)하여 근입하므로 연결 시 각 철근망의 결합위치를 미리 표시하여 철근망 근입 시 예정된 위치에서 결합되도록 하였다. 또한 철근망을 근입 시에 철근망의 외경과 굴착 내경의 차이로 철근망이 국부적으로 휘는 경우가 발생할 수 있으므로 철근망의 스페이서(Spacer)를 충분히 설치하였고 공벽 내에서 철근망이 휘는 것을 방지하였다.
[그림 2-16. 변형률계 설치 위치도]
5-4. 측정 및 결과의 도출
각 라인에 설치된 변형률계는 자동 Data logger(TDS-530)에 연결되어 말뚝선단에 설치된 양방향 Jack의 하중의 크기에 따라 연속적으로 변형률을 측정하였다.
각 단계별 하중의 크기에 따라 각 지층별 작용하는 주면마찰력은 아래의 절차에 따라 계산하였다.
1) 작용하중에 따른 콘크리트에 작용한 응력의 계산
σs = E ․ ε
여기서, σs=콘크리트(철근)의 응력, E=콘크리트(철근)의 탄성계수, ε=측정된 변형률 이다.
2) 축하중(상향하중)의 계산
Q = σs × A
여기서, P=센서가 설치된 위치에 작용한 축하중, A=말뚝의 단면적 이다.
3) 임의 깊이(z)에서의 단위 주면 마찰응력 계산
4) 임의 깊이(z)에서의 수직변위 계산
5-5. 분포도 작성
1) 측정된 변형률계의 값을 이용하여 임의의 재하단계에서 말뚝의 축하중을 계산하고 심도에 따른 분포도를 작성하였으며(그림 2-17 참조),
2) 1)에서 작도한 심도별 축하중 분포도를 이용하여 단위 면적당 평균 주면마찰력 분포도를 작성하였다(그림 2-18 참조).
[그림 2-17. 심도에 따른 축하중 분포도]
[그림 2-18. 심도에 따른 평균 주면마찰력 분포도]