현장재하시험을 통한 고강도 강관 타입말뚝의 지지력 특성에 관한 연구

Abstract

강관말뚝은 지난 50년간 가장 광범위하게 사용된 말뚝 형식으로 인장강도가 400MPa(항복강도 235MPa)인 STK400을 주로 사용하였으며 지난 1990년대말 인장강도가 490MPa(항복강도 315MPa)인 STK490이 국내에 처음 도입되어 현장 특성별 경제적인 사양을 선택해서 사용되고 있다. 해외에서는 이러한 2종류의 강도 외에도 SM520(항복강도 365MPa), SM570(항복강도 460MPa), S440J2H(항복강도 440MPa), S550J2H(항복강도 550MPa), X60(항복강도 413MPa), X70(항복강도 482MPa) 등의 다양한 고강도의 강종이 마이크로파일을 포함한 여러 형태의 강관말뚝의 재료로 사용되고 있다. 강관말뚝에서 소재의 고강도화는 크게 두 가지 방향으로 적용될 수 있다. 첫째는 강도의 증가만큼을 강관 두께를 줄임으로써 경제성을 확보하는 방안이다. 이와 같은 방법은 주로 기존 설계식을 그대로 사용하면서 단면최적화를 확보하여 경제성을 향상하는 방법이다. 두께 감소로 인한 강성 저하는 강관의 특성상 지름을 증가시키는 방향으로 검토하면 기존 일반강도에서의 적정 강관 지름 및 두께를 사용하는 경우보다 약 20%의 경제성을 확보할 수 있다. 두 번째 방법은 양호한 지반조건에서 소재의 고강도화를 최대한 사용할 수 있는 높은 항타에너지로 말뚝을 시공하는 방법이다. 허용항타응력은 소재 항복응력의 90% 수준으로 관리하도록 기준화 되어 있으므로 고강도 소재를 사용할 경우 고항타에너지로 말뚝을 더 깊은 심도까지 관입하여 시공할 수 있게 해준다. 이러한 추가 관입깊이는 보다 높은 지반의 지지력을 확보해주어 말뚝 본당 허용 설계지지력을 향상시켜 준다. 이와 같은 방법을 사용할 경우에는 약 40% 수준의 경제성 향상이 가능하다. 그러나 매번 현장재하시험을 통해 소재 고강도화의 특성을 정량화하여 현장적용하는 것은 비용과 시간 측면에서 실용성이 떨어지게 된다. 그러므로 고강도 강관말뚝의 장점을 극대화하고 올바르게 현장에 적용하기 위해서는 정량적인 거동분석과 이를 예측할 수 있는 설계 및 시공기술들의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 590MPa급의 고강도 강관말뚝에 대하여 송도지역(건축기초), 광양지역(플랜트기초), 익산지역(교량기초)의 3개 현장에 대해서 동재하시험, 정재하시험, 인발재하시험, 수평재하시험, 하중전이시험 등의 다양한 현장실험들을 수행하고 그 결과를 분석하여 고강도 강관 타입말뚝의 지지력 특성을 분석하였다. 송도지역과 광양지역에서는 축방향 허용설계지지력을 극대화하기 위하여 기존 항타시스템 보다 높은 항타에너지를 구현하기 위한 장비 조합으로 시공하였다. 램중량 13tf과 램낙하고 1.1~1.2m로 시공된 고강도 강관말뚝의 항타관입성과 설계지지력을 도출하였다. 이때 항타관입성 특성의 변화를 소재의 강도와 강관의 지름 및 두께에 대하여 비교분석하였으며 풍화토층이 상대적으로 두꺼운 송도지역 지반조건에 대하여 파동이론분석을 위한 지반반력계수 회귀식을 도출하였다. 또한 설계단계에서부터 고강도 강관말뚝의 지지력 특성을 고려한 선단지지력 설계공식 개선방안을 제시하였다. 시험결과 분석을 통하여 기존 15MPa의 선단지지력 한계를 18MPa로 20% 향상시켜도 충분한 지지력의 확보가 가능한 것을 확인할 수 있었다. 교량기초는 일반적으로 횡방향 하중의 중요도가 상대적으로 높기 때문에 높은 항타에너지에 의한 지지력 변화 보다는 최종관입량 기준에 따른 축방향 지지력 특성에 대해서는 시험을 계획하여 수행하였다. 최종관입량 기준에 따라서는 동일 장비시스템으로 시공된 말뚝임에도 불구하고 설계지지력이 약 40% 차이나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 군말뚝의 두부조건별 수평방향 지지력 특성의 분석을 위하여 자유단 두부조건을 구현할 수 있는 시험장치를 새롭게 고안하여 고정단과 자유단 군말뚝의 수평지지력을 비교하였다. 또한 이를 단말뚝의 수평지지력과 비교하여 각 경우에 따른 수평방향 허용지지력 및 자유단에서의 각 말뚝 위치별 하중분담율을 분석하였다. 본 논문에서는 항타공법을 이용한 강관말뚝의 소재 고강도화에 따른 전반적인 지지력 특성을 상부구조물 종류별 특성을 감안한 시험 및 분석을 수행하여 향후 실무자들이 설계 및 시공 차원에서 적용성 검토를 하기 위한 정량적인 근거를 도출하고자 하였다.