Research Article

Journal of the Korean Geotechnical Society. 31 December 2018. 133 -143
https://doi.org/10.7843/kgs.2018.34.12.133

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. PCFT말뚝의 구조

  • 3. PCFT말뚝의 휨거동 특성

  •   3.1 휨강도시험 결과

  •   3.2 P-M 상관도

  • 4. 성능검증을 위한 현장 말뚝재하시험

  •   4.1 지반 및 시험말뚝 조건

  •   4.2 수평재하시험

  •   4.3 수평재하시험의 결과 및 분석

  • 5. 결 론

1. 서 론

말뚝은 구조물의 자중과 구조물에 작용하는 하중을 지지층에 전달해서 구조물의 안전성을 확보하는 것으로, 재질에 따라 콘크리트로 제작된 PHC말뚝과 강재로 제작된 강관말뚝으로 구분된다. PHC말뚝은 휨강도에 비해 압축강도가 우수하기 때문에 수평하중 대비 연직하중이 크게 작용하는 건축구조물에 주로 사용되는 반면, 강관말뚝은 압축강도와 인장강도가 모두 우수하기 때문에 말뚝에 인장응력을 유발하는 수평하중이 크게 작용하는 교대와 옹벽 등과 같은 토목구조물과 지진 시 수평하중을 크게 받는 플랜트 구조물의 기초에 많이 사용되고 있다. 그러나 강관말뚝은 동일한 외경을 갖는 PHC말뚝보다 가격이 4∼5배 비싸고 시공과정에서 말뚝을 서로 연결하거나 말뚝과 구조물의 매트기초(mat foundation)를 연결하는 방법이 복잡하고 공사비도 비싸서 기초 공사비 상승의 주원인으로 지목되어 왔다.

말뚝에 수평하중이 작용하면 지표면으로부터 일정 깊이까지는 큰 크기의 수평하중이 전달되지만, 일정 깊이 아래에서는 말뚝에 수평하중이 거의 전달되지 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 수평하중 전이특성을 고려해서 Piletech et al.(2008)은 Fig. 1과 같이 수평하중이 크게 전달되는 말뚝 상부에는 휨내력이 큰 강관말뚝을 사용하고 수평하중이 크게 전달되지 않는 말뚝 하부에는 휨내력은 작지만 가격이 저렴한 PHC말뚝을 사용한 강관 복합말뚝(HCP, Hybrid Composit pile)을 개발하여 강관말뚝 대비 말뚝 재료비를 낮춤으로써 수평하중을 받는 말뚝기초의 공사비 절감에 크게 기여하였다. 또한 Hyun et al.(2012)과 Bang et al.(2013)은 Fig. 2와 같이 지반에 설치가 완료된 PHC말뚝의 중공부에 수평하중이 전달되는 깊이까지 토사를 투입한 후 종방향의 철근망을 삽입하고 콘크리트를 타설해서 PHC말뚝 상부의 휨내력을 향상시킨 ICP(Infilled Composite PHC)말뚝을 개발하였고, 이를 이용해 PHC말뚝 대비 말뚝의 휨내력을 약 38% 향상시키고 ICP말뚝과 구조물의 매트기초를 손쉽게 연결할 수 있도록 하였다.

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Fig. 1.

Hybrid composite piles using steel pipes

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Fig. 2.

Structural detail of ICP piles

그러나 강관 복합말뚝, 즉 HCP는 여전히 고가의 강관말뚝을 상부말뚝으로 사용할 뿐만 아니라 상부 강관말뚝과 하부 PHC말뚝의 두께 차이로 인해 연직하중 전달 시 하부 PHC말뚝의 가장자리에 응력집중이 발생하는 것을 방지하기 위해 Fig. 3(a)와 같이 상・하부 말뚝 사이에 고가의 말뚝 연결장치를 사용하고, 상부 강관말뚝과 구조물의 매트기초를 연결하기 위해서도 Fig. 3(b)와 같은 고가의 두부보강장치를 사용함으로써 공사비 절감을 극대화하지 못했다는 문제점을 갖고 있다. 또한 ICP말뚝은 PHC말뚝 대비 휨내력을 약 38% 향상시켰지만 강관말뚝에 비해서는 휨내력이 매우 작아 구조물 기초에 적용 시 강관말뚝보다 말뚝 시공수량이 대폭 증가해서 기초 공사비 절감을 극대화하지 못할 뿐만 아니라 현장에서 PHC말뚝의 중공부에 철근망을 설치하고 콘크리트를 타설하므로 시공품질을 일정하게 관리하는 것도 쉽지 않다는 단점을 갖고 있다.

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Fig. 3.

Connecting device and head reinforcement of HCP

HCP와 ICP말뚝이 갖고 있는 이러한 경제성 및 시공성 관련 문제점을 개선하기 위해 Paik(2018)은 두께가 5∼6mm인 강관 내부에 프리스트레스를 도입한 PC강봉을 설치하고 콘크리트를 타설한 후 원심성형을 함으로써 PHC말뚝을 합성한 중공형 콘크리트 충전 강관(PCFT, Prestressed Concrete Filled steel Tube)말뚝을 개발하였다. 그리고 실규모 휨강도시험과 전단강도시험을 통해 PCFT말뚝의 휨내력이 동일 직경의 PHC말뚝 대비 3.98∼5.40배이고, ICP말뚝 대비 2.88배, 두께가 12mm인 SKK400강재로 제작된 강관말뚝 대비 1.19배에 달한다고 보고하면서, PCFT말뚝의 하부에 PHC말뚝을 연결한 PCFT 복합말뚝을 제안하였다. 그러나 PCFT말뚝을 복합말뚝의 형태로 현장에 적용하면 상부 PCFT말뚝의 강도특성과 길이, 하부말뚝의 강도특성, 지반조건 등에 의해 PCFT 복합말뚝의 수평거동 특성이 결정된다.

본 연구에서는 상부말뚝의 강도특성과 길이, 하부말뚝의 강도특성에 따른 복합말뚝의 수평거동을 비교하기 위해 직경이 508mm인 강관말뚝 1본과 직경이 500mm이고 상부말뚝 길이도 동일한 HCP와 PCFT 복합말뚝 각 1본 그리고 직경은 500mm로 동일하지만 이전 복합말뚝과 상부말뚝의 길이가 다른 PCFT 복합말뚝 1본을 매입공법으로 시공하였다. 총 4본의 시험말뚝을 시공한 후 2주가 경과했을 때 시험말뚝에 대한 수평재하시험을 실시하여 말뚝의 종류와 복합말뚝의 조건별 수평거동 특성을 비교 분석하였다. 또한 말뚝의 수평거동을 분석하는 상용프로그램인 L-pile을 이용해서 시험결과에 대한 원인을 분석하였다.

2. PCFT말뚝의 구조

PCFT말뚝은 Fig. 4와 같이 두께가 5∼6mm인 얇은 강관 내부에 프리스트레스가 도입된 중공형 PHC말뚝이 합성된 구조를 갖는다. 특히 말뚝의 강도특성은 극대화하면서 강재의 사용량을 최소화해서 말뚝의 생산원가를 절감하기 위해 수평하중을 지지하는 역할을 하는 합성부는 PHC말뚝 외부를 강관으로 감싸 구속하였으나 말뚝을 매입공법으로 시공할 때 경타 후 절단・제거될 상부 0.5∼1.0m의 길이의 절단부는 강관으로 감싸지 않고 오직 PHC말뚝으로만 구성되었다.

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Fig. 4.

Structural detail and picture of HCFT piles

그 결과 PCFT말뚝은 강관말뚝이나 강관 복합말뚝에 비해 강재의 사용량을 줄여서 말뚝 재료비를 절감하였고, 강관의 단면적 감소에 따른 강도 저하를 강관 내부에 합성된 PHC말뚝으로 보강함은 물론 PHC말뚝을 구성하는 콘크리트에 대한 강관의 구속효과(confining effect)로 인해 강관말뚝보다 압축 및 휨강도가 대폭 향상되었다. 또한 Fig. 5와 같이 PCFT말뚝을 상부말뚝으로 하고 하부에 PHC말뚝을 연결한 PCFT 복합말뚝의 형태로 사용할 경우에도 상부말뚝과 하부말뚝의 두께가 동일하기 때문에 HCP와 달리 하부 PHC말뚝의 가장자리에서 발생하는 응력집중을 방지하기 위한 고가의 연결장치를 사용할 필요가 없어 시공비가 절감되고 시공성이 개선되며, ICP말뚝에 비해서는 말뚝의 휨내력과 전단내력이 대폭 증가하는 장점이 있다. 참고로 PCFT 복합말뚝(PCFT)과 강관말뚝(ST, Steel Tube), 강관 복합말뚝(HCP), ICP말뚝의 구조와 상・하부말뚝의 구성을 비교한 것을 Fig. 6에 나타냈다.

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Fig. 5.

PCFT hybrid composite piles using PCFT piles

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Fig. 6.

Structural comparison of PCFT and ST, HCP, ICP piles

3. PCFT말뚝의 휨거동 특성

3.1 휨강도시험 결과

현재 구조물 기초에 사용되는 여러 말뚝의 휨강도 특성을 비교하기 위하여 PHC말뚝과 강관말뚝, PCFT말뚝에 대해 KS F 4306(2003)에 규정된 방법에 따라 휨강도시험을 수행하였다. 즉 Fig. 7과 같이 말뚝 양쪽 단부로부터 안쪽으로 말뚝 길이(L)의 0.2배 떨어진 곳에 지지점을 설치하고, 말뚝 중앙에서 양쪽으로 0.5m 떨어진 두 지점에 각각 P/2의 압축하중을 작용시켜 말뚝 중앙의 1.0m 구간에 휨하중만이 작용하도록 하였다. 이때 말뚝의 자중과 말뚝에 가해지는 2점 하중에 의해 말뚝 중앙부에 발생하는 휨모멘트는 식 (1)과 같이 계산된다.

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Fig. 7.

Flexural test method for test piles

$$M(kN\cdot m)=\frac{wL^2}{40}+\frac P4\left(\frac35L-1\right)$$ (1)

여기서 w는 말뚝의 단위 길이당 중량으로 직경 500mm 말뚝의 경우에 PHC말뚝은 2.69kN/m, 두께 12mm 강관말뚝은 1.41kN/m, PCFT말뚝은 3.17kN/m이다. 그리고 L은 말뚝 길이, P는 말뚝 중앙부에 가해진 2점 하중의 합을 나타낸다.

휨강도시험에는 일축압축강도가 80MPa인 고강도 콘크리트로 제작된 PHC말뚝과 두께가 12mm인 SKK400 강재로 제작된 강관말뚝(ST, steel tube), 그리고 두께가 6mm인 SKK400 강재로 제작된 강관 내부에 PHC말뚝이 합성된 PCFT말뚝이 사용되었고, 모든 시험말뚝의 직경과 길이는 각각 500mm와 7.0m로 동일하였다. 이중 PCFT말뚝의 경우 합성부 길이는 6.0m이고 강관 없이 PHC말뚝으로만 구성된 절단부 길이는 1.0m였으며, 강관 내벽에 어떠한 종류의 전단연결재도 부착하지 않은 상태로 제작되었다. 또한 휨하중 작용 시 PCFT말뚝의 합성부를 구성하는 강관과 내부 합성 PHC말뚝 사이에 전단변위 발생 여부를 확인하기 위해 Fig. 8과 같이 합성부를 감싸는 강관 단부의 상・하부에 LVDT를 설치하고 절단부가 시작되는 곳의 PHC말뚝 상・하부에 상대변위 측정용 기준판을 설치해서 합성부의 강관과 내부 합성 PHC말뚝 사이의 상대변위를 측정하였다.

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Fig. 8.

LVDTs for measuring relative displacement between steel tube and inside composite PHC pile

Fig. 9는 강관말뚝과 PHC말뚝, PCFT말뚝에 대한 휨강도시험 결과로, 말뚝에 가해진 휨모멘트와 말뚝 중앙부에서 발생한 변위 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 두께가 12mm인 강관말뚝(ST)의 극한휨내력은 868.1N・m이고, PHC말뚝과 PCFT말뚝의 극한휨내력은 각각 187.2kN・m와 1030.7kN・m으로 측정되었다. 결국 PHC말뚝은 강관말뚝 대비 21.6%, 그리고 PCFT말뚝은 강관말뚝 대비 118.7%의 극한휨내력을 발휘하였다. 그리고 말뚝의 단위 변위 발생에 필요한 휨모멘트의 비, 즉 휨하중-변위 곡선의 기울기로 정의되는 휨강성계수의 경우 PHC말뚝과 PCFT말뚝은 비슷하게 측정된 반면 두께가 12mm인 강관말뚝은 PCFT말뚝의 1/2 정도로 나타났다. 이것은 동일한 크기의 휨모멘트에 대해 강관말뚝이 PCFT말뚝보다 약 2배의 변위가 발생한다는 것으로, 직경에 비해 두께가 얇은 강관말뚝은 휨하중 작용 시 단면이 찌그러지면서 단면계수가 작아져서 변위가 가속화되는 반면 두께가 80mm인 PHC말뚝과 PCFT말뚝은 단면계수가 클 뿐만 아니라 단면이 찌그러지는 현상도 발생하지 않아 상대적으로 변위량이 작았던 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

Flexural test results for test piles with a diameter of 500mm

또한 PCFT말뚝에 대해 휨강도시험이 진행되는 동안 말뚝의 정점 및 저점부에 설치한 LVDT를 이용해서 말뚝 합성부의 강관과 그 내부에 합성된 PHC말뚝 사이에 발생한 상대변위를 측정한 결과 시험이 종료될 때까지 강관과 내부 합성 PHC말뚝 사이에는 상대변위가 전혀 발생하지 않는 것으로 측정되었다. 이러한 시험결과는 휨하중이 작용하더라도 강관과 그 내부에 합성된 PHC말뚝이 완전히 부착되어 완전합성 상태로 거동하는 것을 의미하는 것으로, 강관 내벽에 전단연결재의 설치 여부와 무관하게 PCFT말뚝의 휨거동이 동일하므로 PCFT말뚝의 합성부를 구성하는 강관과 그 내부에 합성된 PHC말뚝은 완전히 합성된 상태에서 거동한다는 Paik(2018)의 연구결과와 동일한 것이다. 이처럼 강관 내벽에 전단연결재를 부착하지 않아도 강관과 내부에 합성된 PHC말뚝이 완전히 합성된 거동을 보이는 것은 강관 내부에 합성된 콘크리트의 강도가 80MPa로 매우 크고 콘크리트가 고속원심성형을 통해 강관 내벽에 완전히 부착됨에 따라 강관과 콘크리트간 부착력이 매우 크기 때문으로 판단된다.

3.2 P-M 상관도

지반에 시공된 말뚝에는 다양한 형태의 하중이 작용할 수 있는데, 말뚝의 강도특성을 고려해서 말뚝이 지지할 수 있는 연직하중(P)과 휨하중(M)의 크기는 P-M상관도를 통해 쉽게 파악할 수 있다. 일반적으로 좌굴에 의한 내력감소를 고려하지 않고 강관말뚝과 PHC말뚝의 P-M상관도를 작도하면 강관말뚝의 경우에는 압축강도와 인장강도가 동일하기 때문에 선형의 형태를 보이지만, PHC말뚝의 경우에는 압축강도에 비해 인장강도가 매우 작기 때문에 곡선의 형태로 나타난다.

강구조설계기준(KSSC, 2014)에 따르면 축력과 모멘트를 함께 받는 콘크리트 충전형 합성기둥의 P-M상관도는 각 지점의 변형률을 고려해서 응력의 크기를 결정하는 변형률 적합법(strain compatibility method)과 변형률과 무관하게 일정 크기의 소성응력을 작용시키는 소성응력 분포법(plastic stress distribution method)으로 작도가 가능하다. 그리고 이들 두 가지 방법 중 소성응력 분포법이 상대적으로 계산이 더 간단하고 실무에서도 더 많이 사용되고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 소성응력 분포법을 이용해서 콘크리트 충전 강관(CFT, Concrete Filled steel Tube)말뚝의 구조설계 방법을 제안한 WSDOT(2012)의 설계방법을 적용해서 강관말뚝과 PCFT말뚝의 P-M상관도를 작도하였다. 이때 강재와 콘크리트는 Fig. 10과 같이 강소성의 응력-변형률 관계를 갖는다고 가정하였고, 도로교설게기준(KBSS, 2015)에 따라 압축력과 휨모멘트에 대한 하중감소계수로 각각 0.8과 1.0을 적용하였다. 그림에서 fy는 강재의 항복응력(SKK400강재의 경우 235MPa)이고 fck는 콘크리트의 28일 압축강도(PHC말뚝의 경우 80MPa)을 의미한다.

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Fig. 10.

Stress-strain model for components of PCFT piles

Fig. 11은 이상에 언급한 콘크리트와 강재의 강도특성을 고려해서 말뚝 두부에 연직하중과 휨하중이 작용할 때 강재의 부식을 고려(2mm/100년)해서 강관말뚝과 PCFT말뚝의 P-M상관도를 작도한 결과이다. PCFT말뚝은 강관말뚝 대비 인장강도가 큰 강재를 줄이고 인장강도는 매우 작지만 압축강도가 큰 콘크리트를 합성함에 따라 그림과 같이 두께 12mm 강관말뚝 대비 순수 압축내력이 163% 증가하였고, 연직하중이 작용할 때 지지할 수 있는 휨하중도 매우 큰 폭으로 증가하였다. 그러나 연직하중이 작용하지 않는 경우 PCFT말뚝의 휨내력은 휨강도시험의 결과와 달리 강관말뚝보다 18% 감소하였고, 순수 인장하중이 작용하는 경우에도 인장강도가 큰 강관의 두께를 줄이고 인장강도가 작은 콘크리트 단면을 증가시킨 PCFT말뚝의 인장내력은 강관말뚝보다 약 42% 감소하는 것으로 나타났다. 이처럼 휨강도시험과 달리 순수 휨하중 작용 시 P-M상관도에서 PCFT말뚝의 휨내력이 강관말뚝보다 작은 것은 강재의 부식 고려 유무와 구속효과에 의한 휨내력 증가의 반영 유무 때문으로 판단된다. 즉 휨강도시험에서는 강재의 부식이 전혀 고려되지 않았지만 P-M상관도 작도 시에는 강관말뚝은 물론 PCFT말뚝을 구성하는 강관에 대해서도 모두 2mm의 부식공제를 적용함에 따라 강관말뚝보다 PCFT말뚝에서 부식공제로 인한 강관의 두께 감소율이 훨씬 컸기 때문이다. 또한 휨강도시험에서는 PCFT말뚝의 경우 내부 합성 PHC말뚝에 대한 강관의 구속효과로 인해 PCFT말뚝의 휨내력이 증가하는 현상이 발생하지만 P-M상관도 작도 시에는 이러한 구속효과를 고려하지 못함으로써 상대적으로 PCFT말뚝의 휨내력이 과소평가 된 것으로 생각된다. 그 결과 평상시 수평하중을 받는 교대를 포함해서 지진 시 수평하중을 크게 받는 플랜트 구조물의 기초에 PCFT 복합말뚝을 적용할 경우 압축하중이 작용하는 구역에서는 말뚝의 압축 및 휨내력 증가로 인해 강관말뚝보다 말뚝의 시공수량이 줄 수 있지만 압축하중이 매우 작거나 인발하중이 작용하는 구역에서는 강관말뚝보다 말뚝의 인장내력이 감소하여 말뚝의 시공수량이 다소 증가할 수 있을 것으로 판단된다.

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Fig. 11.

P-M curves of steel tube and PCFT piles

4. 성능검증을 위한 현장 말뚝재하시험

4.1 지반 및 시험말뚝 조건

PCFT말뚝의 하부에 PHC말뚝을 연결한 PCFT 복합말뚝과 강관 복합말뚝(HCP), 그리고 강관말뚝(ST)의 수평거동 특성을 비교 평가하기 위하여 경기도 양주시에 위치한 현장에 직경이 500mm인 PCFT 복합말뚝 2본과 HCP 1본, 그리고 직경이 508mm이고 두께가 12mm인 SKK 400강종의 강관말뚝 1본을 매입공법으로 시공하였다. 현장 지반은 Fig. 12와 같이 지표면으로부터 1m 두께의 실트질 모래로 이루어진 매립층과 17m 두께의 풍화토층이 순서대로 존재하고, 풍화암층은 18m 깊이부터 출현하는 구조를 갖고 있다. 그리고 지하수위는 지표면으로부터 8.9m 깊이에 위치하였고, 모든 시험말뚝의 선단은 풍화암 내에 위치하도록 하였다.

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Fig. 12.

Boring log and SPT result at test site

Table 1에서 보듯이 PCFT 복합말뚝과 HCP에서 상부말뚝으로 사용되는 PCFT말뚝과 강관말뚝의 길이는 모두 6m로 하였고, 상부말뚝의 하부에 연결되는 하부 PHC말뚝의 길이는 모두 15m로 하였다. 복합말뚝의 경우 상부말뚝과 하부말뚝은 Fig. 13과 같이 볼트식 이음장치로 연결하였고, 경타 시 이음장치에 체결된 볼트가 진동에 의해 풀리는 것을 방지하기 위해 나사산 부분에 특수 도료가 도포된 풀림방지 볼트를 사용하여 이음장치를 체결하였다. 총 4본의 시험말뚝 중 PCFT-1 복합말뚝과 HCP, 강관말뚝은 지반에 19.5m 깊이까지 관입시켰고, PCFT-2 복합말뚝은 18.6m 깊이까지 관입시켰다. 그 결과 PCFT-1 복합말뚝의 경우 상부 PCFT말뚝이 지반에 4.5m 관입되었지만, PCFT-2 복합말뚝의 경우에는 상부 PCFT말뚝이 지반에 3.6m만 관입되도록 하였다.

Table 1. Pile and installation conditions

Pile No. Pile length (m) Embedded length (m)
Upper pile Lower pile Total Upper pile
PCFT-1 6.0 15.0 19.5 4.5
PCFT-2 6.0 15.0 18.6 3.6
HCP 6.0 15.0 19.5 4.5
ST 6.0 15.0 19.5 4.5

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Fig. 13.

Bolting type joint for connecting upper to lower piles

4.2 수평재하시험

총 4본의 시험말뚝을 매입공법으로 시공한 후 2주가 경과했을 때 시험말뚝에 대한 수평재하시험을 수행하였다. 수평재하시험은 Fig. 14와 같이 2본의 말뚝 사이에 철재 H빔과 유압잭을 설치하고 서로를 반력말뚝으로 사용해서 하중을 가하는 방식으로 진행하였고, 기준빔(reference beam)에 고정된 LVDT를 이용해 수평하중이 재하되는 높이에서 수평하중 단계별 말뚝 두부의 수평변위를 측정하였다. 이 때 LVDT와 시험말뚝 간에 발생할 수 있는 마찰에 의해 수평변위가 왜곡되는 것을 최소화하기 위하여 LVDT가 접하는 말뚝 표면에 유리판을 부착하였다. 그리고 수평하중은 40kN 단위로 증가시켰고, 각 하중 단계별로 5분 동안 하중을 일정하게 유지하였다.

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Fig. 14.

Lateral pile load tests for test piles

4.3 수평재하시험의 결과 및 분석

말뚝의 수평지지력은 말뚝 두부에서 발생한 수평변위나 회전각이 일정 크기에 도달했을 때 말뚝에 가해진 수평하중으로 결정될 수 있다. Davidson et al.(1982)은 말뚝 두부가 2° 회전했을 때 말뚝 두부에 가해진 하중을 극한수평지지력으로 정의했고, Meyerhof et al.(1981)은 수평재하시험에서 측정된 수평하중-변위 곡선이 초반의 비선형에서 선형으로 전환되는 시점의 하중을 극한수평지지력으로 정의하였다. 또한 구조물기초설계기준(KGS, 2015)에서는 말뚝 두부의 수평변위가 15mm에 도달했을 때 말뚝에 가해진 하중을 허용수평지지력으로 정의하고 있다. 본 연구에서는 재하시험 결과에 대한 분석의 편의성과 실무에서 일반적으로 사용하고 있는 현실을 고려해서 수평재하시험의 결과에 구조물기초설계기준(KGS, 2015)의 파괴기준을 적용해서 각 시험말뚝의 허용수평지지력을 결정하였다.

Fig. 15는 직경이 500mm인 PCFT 복합말뚝과 HCP, 그리고 직경이 508mm이고 두께가 12mm인 강관말뚝(ST)에 대한 수평재하시험의 결과를 나타낸 것이다. 수평재하시험에서 측정된 각 시험말뚝의 수평하중-변위 곡선에 구조물기초설계기준(KGS, 2015)에서 정의한 15mm 수평변위 기준을 적용한 결과 Table 2와 같이 PCFT-1 복합말뚝과 HCP, 강관말뚝의 허용수평지지력은 각각 243.2 kN과 151.5kN, 179.1kN으로, 그리고 PCFT-1 복합말뚝에 비해 상부 PCFT말뚝의 지반내 관입길이가 0.9m 짧은 PCFT-2 복합말뚝의 허용지지력은 강관말뚝과 비슷한 186.5kN으로 결정되었다. 즉 상부말뚝의 길이가 4.5m로 동일한 경우 PCFT 복합말뚝의 허용수평지지력은 HCP보다 60.5% 컸고, 직경이 8mm 더 큰 강관말뚝보다도 35.8% 큰 것으로 나타났다. 그리고 상부 PCFT말뚝의 관입길이가 0.9m 짧은 PCFT-2 복합말뚝은 PCFT-1 복합말뚝에 비해 허용수평지지력이 23.2% 감소하였다.

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Fig. 15.

Lateral pile load test results

Table 2. Allowable lateral load capacities and lateral displacements of test piles at loading steps

Pile
No.
Allowable lateral
load capacity
(kN)
Lateral displacement (mm)
at load of 120kN at load of 240kN
PCFT-1 243.2 5.6 14.6
PCFT-2 186.5 8.1 20.9
HCP 151.5 11.2 27.5
ST 179.1 8.3 22.4

이상과 같이 HCP나 강관말뚝보다 PCFT 복합말뚝의 허용수평지지력이 큰 것은 휨강도시험 결과에서 보았듯이 다른 말뚝보다 PCFT말뚝의 휨강성이 매우 크기 때문으로 판단된다. 그리고 PCFT-1과 PCFT-2 복합말뚝의 지지력 차이에 대한 원인을 규명하기 위하여 말뚝의 수평거동을 해석하는 상용프로그램인 L-Pile을 사용하여 PCFT-1과 PCFT-2 복합말뚝의 두부에 220kN의 수평하중이 작용했을 때 말뚝에 발생하는 깊이별 휨모멘트의 변화를 분석하였다. 이때 풍화토의 SPT-N치와 내부마찰각은 각각 25/30과 27°로 하였고, 말뚝 두부는 고정단 조건으로 하였다. 그 결과 Fig. 16에서 보듯이 상부 PCFT말뚝이 지반에 4.5m 관입된 PCFT-1 복합말뚝의 경우에는 지표면으로부터 3.9m 깊이에서 129.4kN・m의 최대 휨모멘트가 작용하였고, PHC말뚝 부분에 해당하는 4.5m 깊이 아래에서는 휨모멘트가 113.8kN・m 이하로 PHC말뚝의 균열휨내력인 114.4kN・m를 초과하지 않았다. 반면 상부 PCFT말뚝이 지반에 3.6m 관입된 PCFT-2 복합말뚝의 경우에는 PHC말뚝이 위치하는 3.7m하부 깊이에서 128.1kN・m의 최대 휨모멘트가 작용하였고, 특히 PHC말뚝이 위치하는 3.6∼4.5m 깊이에서는 말뚝에 발생하는 휨모멘트가 말뚝의 균열휨내력을 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 PCFT-1 복합말뚝은 상부 PCFT말뚝과 하부 PHC말뚝 모두 휨모멘트에 대해 안전한 반면 PCFT-2 복합말뚝은 하부 PHC말뚝에 작용하는 휨모멘트가 균열휨내력을 초과하여 구조적으로 불안전한 상태에 있었고, 그로 인해 PCFT-1 복합말뚝보다 PCFT-2 복합말뚝의 수평변위가 크게 발생하고 허용수평지지력도 작은 것으로 판단된다.

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Fig. 16.

Bending moment distribution of PCFT-1 and PCFT-2 piles at lateral load of 220kN

PCFT 복합말뚝과 HCP 및 강관말뚝(ST)의 수평거동을 비교하기 위해 말뚝 두부에 120kN과 240kN의 수평하중이 작용했을 때 하중 작용점에서 발생하는 수평변위를 비교하였다. Table 2에서 보듯이 상부말뚝의 길이가 동일할 때 PCFT-1 복합말뚝의 수평변위는 HCP의 약 50%에 불과하였고, 이러한 결과는 직경이 동일한 PCFT말뚝과 강관말뚝에 대한 휨강도시험 결과와 동일하였다. 그리고 강관말뚝은 PCFT-1 복합말뚝 대비 약 1.47∼1.53배의 수평변위가 발생하여 휨강도시험 결과보다 수평변위가 다소 작게 발생하였으나, 이것은 휨강도시험에서는 강관말뚝의 직경이 PCFT말뚝과 동일한 500mm였던 반면, 현장시험에서는 강관말뚝의 직경이 508mm로 커짐에 따라 말뚝의 휨강성이 커졌기 때문으로 사료된다. 따라서 강관말뚝의 직경 차이 등을 고려할 때 현장 수평재하시험에서 측정된 PCFT 복합말뚝과 HCP, 강관말뚝의 수평하중-변위 거동은 상부말뚝에 대한 휨강도시험의 결과와 거의 동일함을 확인하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 얇은 두께의 강관 내부에 PHC말뚝을 합성한 PCFT말뚝과 두께가 12mm인 강관말뚝의 휨성능을 휨강도시험과 한계상태설계법으로 작도한 P-M상관도를 이용해서 비교하였다. 그리고 PCFT 복합말뚝과 HCP말뚝, 강관말뚝의 수평거동을 비교하기 위해 동일 현장에 시공조건을 달리한 4본의 시험말뚝을 시공하고 수평재하시험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 휨강도시험 결과 직경이 500mm이고 두께가 6mm인 강관 내부에 중공형의 PHC말뚝을 합성한 PCFT말뚝은 동일 직경의 두께 12mm 강관말뚝보다 18.7% 향상된 휨내력을 발휘하였고 동일 휨하중이 작용했을 때 변위는 강관말뚝의 경우보다 50% 감소하는 것으로 나타났다.

(2) 한계상태설계법으로 PCFT말뚝과 두께가 12mm이고 직경이 동일한 강관말뚝의 P-M상관도를 작도한 결과 순수 압축하중에 대한 PCFT말뚝의 내력은 강관말뚝의 2.63배로 대폭 증가하였고 연직하중이 작용할 때 말뚝이 지지할 수 있는 휨하중도 큰 폭으로 증가하였으나, 순수 인장하중에 대한 내력은 강관말뚝의 0.58배로 크게 감소하였다.

(3) PCFT말뚝과 강관말뚝의 P-M상관도를 비교한 결과 압축하중이 크게 작용하는 구역에 PCFT 복합말뚝을 적용할 경우 강관말뚝보다 말뚝 시공수량을 줄일 수 있는 반면, 인발하중이 작용하는 구역에 PCFT 복합말뚝을 적용할 경우 강관말뚝보다 말뚝 시공수량이 다소 늘어나는 것으로 나타났다.

(4) 상부말뚝의 길이가 동일한 PCFT 복합말뚝과 HCP, 강관말뚝으로 시공된 매입말뚝에 대해 수평재하시험을 실시한 결과 직경 500mm PCFT 복합말뚝의 허용수평지지력은 HCP보다 60.5% 컸고, 직경이 508mm이고 두께가 12mm인 강관말뚝보다 35.8% 크게 측정되었다. 이러한 시험결과는 휨강도시험에서 측정된 PCFT말뚝과 강관말뚝의 휨강성계수 차이로 인해 발생한 것으로 판단된다.

(5) 현장 수평재하시험을 실시한 결과 PCFT복합말뚝의 수평변위는 동일 직경의 HCP보다 약 50% 작게 측정되어 휨강도시험에서 측정된 휨하중-변위 결과와 크게 다르지 않은 것으로 나타났다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통과학기술진흥원의 국토교통기술사업화지원사업(18TBIP-C144438-01)과 포스코건설 및 대우건설, 한신공영, 다산컨설턴트의 지원으로 수행되었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다.

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