축소모형실험 및 수치해석에 의한 현장타설말뚝의 선단지지력 및 변위특성에 관한 연구

Abstract

초고층 건물이나 대규모 교량 등과 같은 구조물의 기초로 사용되는 현장타설말뚝은 하중이 지반으로 전이되면서 발생하는 주면마찰력과 선단지지력에 의해서 상부 구조물을 지지하게 된다. 주면마찰력은 실대형 실험뿐만 아니라 모형실험과 수치해석을 통하여 많은 연구가 수행된 것에 비하여, 선단지지력의 경우에는 시공의 불확실성과 암반 불연속면의 특성, 시험 방법의 부재 등으로 인하여 연구 성과가 부족한 상황이며, 이로 인하여 선단지지력 계산시 높은 안전율을 적용하여 보수적으로 설계를 하게 된다. 그러나 국내의 경우로서 암반에 근입된 현장타설말뚝은 주면마찰력에 비하여 선단지지력에 의존적이기 때문에 선단부의 거동을 분석하고 예측하는 것은 경제적, 시간적인 측면뿐만 아니라 안정성 측면에서도 매우 필요한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 암반에 근입된 말뚝의 선단부가 다양한 암반 조건에 대한 선단지지력과 변위 특성을 유추하기 위하여 축소율을 고려한 모형실험을 실시하였으며, 축소모형실험 결과는 수치해석 프로그램인 FLAC과 현장에서 수행된 실대형 실험 자료 등을 통하여 비교·검증하였다. 축소모형실험을 수행하기 위하여 축소율이 고려된 240×240×240 mm 크기의 모르타르 시험편을 제작하였고, 수평 및 수직 방향으로 가압할 수 있는 시험 장치를 이용하여 강도 조건, 구속상태, 수직 및 수평 방향의 불연속면의 간격과 위치 등과 같은 다양한 지반 조건을 말뚝 선단에 모사하여 축방향의 하중재하 실험을 수행하였다. 재하 실험에서 시험편의 강도와 말뚝 선단부의 구속응력비가 증가할수록 선단지지력도 증가하는 것을 볼 수 있었으며, 강도에 대해서는 비선형적인 증가 관계가 있었고, 구속응력비의 크기에 대해서는 선형적인 증가 관계가 있었다. 말뚝의 선단에서 측정된 응력-변위 곡선에서 기울기는 시험편의 강도와 구속응력비의 크기에 따라 선형적인 증가 관계가 있었으며, 변곡점이 발생한 이후에 강도와 구속응력비의 크기에 따라 지속적으로 선단지지력이 증가되는 것을 확인 할 수 있었다. 불연속면이 존재하는 시험편은 불연속면이 존재하지 않는 시험편에 비하여 지지력이 감소하는 것으로 나타났고, 말뚝과 불연속면 간의 거리가 가까울수록 지지력이 감소되는 것을 볼 수 있었다. 특히 수직 방향의 불연속면이 포함되어 있는 시험편은 수평방향의 불연속면이 포함된 실험의 결과에 비하여 선단지지력의 저감율이 작은 것을 볼 수 있었다. 그러나 수직한 불연속면은 변곡점 이후에 지지력의 증가 없이 변형만 발생하는 것에 비하여 수평한 불연속면의 실험에서는 변곡점 이전에 지지력은 작은 경향이 있으나, 변곡점 이후에 지속적으로 지지력이 증가하는 것으로 나타내고 있었다. 또한 이러한 선단지지력의 특성을 분석하여 강도, 구속응력비, 수직 및 수평의 불연속면 간격에 따른 선단지지력 예측식을 제안할 수 있었다. 모형실험의 시험편의 크기와 구속상태를 그대로 모사하여 실시한 수치해석의 결과에서 응력-변위 곡선과 선단지지력 특성은 모형실험결과와 매우 유사한 것을 볼 수 있었으며, 15개의 현장 실대형 실험 자료를 이용하여 분석한 선단지지력과 변위 특성 등은 모형실험과 유사한 경향을 보이고 있었다. 이상의 연구로서 암반에 근입된 말뚝의 선단부에서 다양한 지반조건에 대한 변위 및 지지력 거동 특성을 확인하였으며, 특히 실대형 현장 실험을 대신하여 수행한 축소모형실험의 적용, 시험제 제작과 실험 방법의 제시를 통하여 향후 이와 유사한 연구를 수행하는데 도움이 될 것이라고 생각된다.