Evaluation of applicability of steel tubes as replacements of steel bars for reinforcement of drilled shafts

Abstract

본 연구에서는 대규모 구조물 건설의 증가, 준설매립지 내 수요가 증가하고 있는 대구경 현장타설말뚝을 대상으로 일반적으로 사용되는 인장보강재인 이형철근(SD400)을 대체하여 지반보강용 강관을 적용한 현장타설말뚝의 거동을 평가하고자 하였다. 한국산업표준 내 2018년 ‘KS D 3872 지반보강용 강관’ 규격으로 제정된 항복강도 800 MPa급 강관(STG800)을 지반보강용 강관으로 선정하여 평가를 수행하였다. 지반보강용 강관(STG800)은 국내에서 최초로 규격화 및 상용화를 시작한 재료로써, 해외에서도 적용된 사례가 없는 강관이다. STG800을 적용할 경우 가장 큰 장점은 항복강도 400MPa급의 SD400 이형철근 단면적의 절반으로 동등한 수준의 부재력(인장력)을 확보할 수 있다는 것이다. 이를 현장타설말뚝에 적용할 경우, 철근망의 중량 증가를 최소화하여 현장타설말뚝의 대구경화에 대응할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 지반보강용 강관은 콘크리트와의 부착력을 높이기 위한 표면의 돌기가 없다는 단점이 있기 때문에, 돌기가 없는 지반보강용 강관과 돌기가 있는 이형철근의 동등 수준의 부착력이 확보되는 직경을 비교분석을 위해 직경별 부착력을 비교하기 위한 별도의 시험 수행이 반드시 필요하다. 또한 현장타설말뚝 내부의 철근은 철근망의 형태로 콘크리트를 보강하기 때문에 독립적으로 삽입되어 부착력이 발현되지 않는다. 따라서 주철근을 지반보강용강관(STG800)으로 대체한 철근망 형태의 시험체에 대한 휨 성능평가도 반드시 필요하다. 나아가 현장타설말뚝의 현장 시험시공과 재하시험을 통해 실제 거동까지 평가하여 본다면 지반보강용 강관 적용을 통한 현장타설말뚝의 대구경화에 대응 및 경량화에 따른 시공시 안전성 확보에 기여할 수 있고, 향후 지반보강용 강관을 다양한 지반분야에서 활용하고자 할 때 참고자료로써의 활용가치가 클 것으로 판단된다. 지반보강용 강관을 적용한 현장타설말뚝의 거동을 평가하기 위해서 본 연구에서는 최근의 고강도 강관(지반보강용 강관)을 이용한 록볼트, C.I.P 등의 지반 보강 연구결과들을 분석하였으며, 본 연구의 적용대상인 한국산업표준 지반보강용 강관 재료 특성과 국내외 현장타설말뚝의 공법과 설계기준에 대한 이론적 배경을 고찰하였다. 지반보강용 강관을 적용한 현장타설말뚝의 구조성능을 평가하기 위해 이형철근(SD400)과 지반보강용 철근(STG800)의 그라우트 부착력 시험을 실시하였으며, 이형철근망과 강관철근망의 휨 성능 평가결과를 비교 분석하였다. 또한, 지반보강용 강관을 적용한 현장타설말뚝의 현장 시험시공 및 재하시험 결과를 통해서 실제 거동을 평가하였으며, 실제 이형철근 현장타설말뚝 적용 현장을 대상으로 지반보강용 강관 적용 시 가상설계를 실시하여 현장 적용성을 평가하였다. 지반보강용 강관 그라우트 부착력 시험을 수행한 결과, 이형철근 DB19, DB22의 부착력과 동등 또는 그 이상의 성능 수준은 강관 ST30.4, ST34.0으로 확인되었다. 이형철근에서 지반보강용 강관을 주철근으로 대체한 철근망에 대한 휨 성능 실험결과, 동일한 직경의 현장타설말뚝의 시험체에서 SD400 이형철근망과 STG800 강관철근망의 60mm 변위까지의 하중-변위 거동이 유사하게 나타났다 동재하시험결과 Davisson (1973) 방법에 의한 허용지지력은 13.33~ 13.46MN으로 산정되어, 요구되는 허용지지력(12.75MN)을 만족하는 것으로 평가할 수 있다. 수평재하시험결과 두부 자유조건에서의 허용수평지지력은 0.74MN 이상으로 평가할 수 있으며, 두부고정 및 군말뚝 영향을 고려한 허용수평지지력은 0.59MN 이상으로 분석되었다. 실제 이형철근을 삽입한 현장타설말뚝 적용 현장을 대상으로 지반보강용 강관 적용 시 가상설계를 실시한 결과 지반보강용 강관 적용 시 일반 철근 대비 경제성이 매우 양호한 것으로 확인되었다. 결론적으로, 현장타설말뚝에 사용된 기존의 일반 이형철근 대신 지반보강용 강관(STG800)의 적용성은 충분한 것으로 판단되며, 향후 본 연구에 적용된 지반보강용 강관을 흙막이 분야 및 터널의 격자 지보제등 지반의 보강을 위한 적용 분야의 확대가 가능하므로, 다양한 지반분야에서 지반보강용 건설 재료로서의 활용이 가능할 것으로 판단된다.; The purpose of this study was to evaluate the behavior of drilled shafts using steel tubes, replacing a deformed reinforcement, which is a tensile stiffener commonly used for a large-diameter drilled shaft with increasing demand for large-scale structure construction and landfill dredging. The steel tubes for ground reinforcement with a yield strength of the 800 MPa class (STG800), which are advantageous in compatibility among the yield strengths of 800 MPa and 1,100 MPa, which are established as the “KS D 3872 : Steel tubes for ground reinforcement” by Korean Agency for Technology and Standards (KATS, 2018). The steel tube is the first material to be standardized and commercialized in Korea, and has not been applied overseas. The biggest advantage of applying the steel tube is the ability to secure a member force (tensile force) equivalent to that of an deformed rebar with a yield strength of the 400 MPa class (SD400) in half the cross-sectional area. When STG800 steel tube is applied to drilled shafts, there is an advantage of minimizing the increase in the weight of the rebar mesh to correspond with the large diameter of drilled shafts. The biggest difference in appearance between steel tubes and deformed rebars is the presence of protrusions on the surface. Surface protrusion is a factor that affects the adhesion to concrete. It is necessary to conduct an adhesion test by diameter to compare and analyze the diameter at which the same level of adhesion between steel tubes without protrusions and deformed rebars with protrusions is secured. In addition, the reinforcement inside the concrete of the drilled shaft reinforced the concrete of the drilled shaft in the form of a rebar mesh, not as a rebar independently inserted to express adhesion. Therefore, it is necessary to evaluate the flexural performance of the specimen in the form of a rebar mesh in which the main rebar was replaced with the steel tube. Furthermore, if the actual behavior is evaluated through a field test construction and loading test of drilled shafts, it can contribute to securing safety during construction by responding to the large diameter of drilled shafts and weight lightening. In the future, it is expected to be of significant value as a reference if the steel tube is to be used in various geotechnical fields.