장변위공내재하시험기를 이용한 철도교 기초의 p-y곡선에 관한 연구
P-y Curves from Large Displacement Borehole Testmeter for Railway Bridge Foundation
Article information
Abstract
철도교 기초는 상당한 수평하중과 모멘트가 발생된다. 호남고속철도에서는 콘크리트 말뚝보다 비싼 고강도 강관말뚝을 사용하여 수평하중과 모멘트에 대한 저항성을 가지도록 하였다. 따라서 보다 경제적인 설계를 위하여 지반의 수평하중에 대한 거동특성을 정확하게 파악하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 장변위공내재하시험기를 개발하였으며 이를 이용하여 매입말뚝이 건설된 지반에 대하여 지반의 비선형 특성을 측정하였다. 현재까지 주로 사용되어 지고 있는 공내재하시험기는 장비의 특성상 제한된 변위에 대한 지반의 반력을 측정함으로 인하여 주로 탄성 범위에 해당하는 응력-변위 관계만을 측정하고 있는 실정이다. 이러한 경우 지반의 가장 중요한 특징인 비선형 특성을 측정하지 못함으로 인하여 응력-변위의 정확한 예측은 어렵게 된다. 이에 따라 개발된 장변위공내재하시험기를 이용하여 p-y 곡선을 측정하였다. 이를 수평재하시험을 실시하여 얻어진 휨모멘트를 적용한 p-y 곡선과 비교하였다. 개발된 장비를 사용하여 얻어진 측정결과와 수평재하시험 결과를 이용하여 크기영향(Scale effect)를 제안하였으며, 두부변위 시험을 실시하여 검증하였다.
Trans Abstract
Applied lateral load and moment on railway bridge foundation are usually larger than other transportation bridge foundation. Therefore, high strength steel pipe piles are used for Honam high speed railway bridges to resist lateral load and moment, even though those are much more expensive than concrete piles. It is very important to measure soil characteristic under lateral load from piles in order for economical design. A large displacement borehole testmeter (LDBT) is developed to measure nonlinear characteristics of the soil applied bored pile in this study. Most in-situ borehole test devices to estimate p-y curves can measure low displacement range in soil, which is usually in elastic range. Non-linear characteristics of the soil which is one of the most important characteristics of the soil cannot be obtained. The research result shows that the measured p-y curves using LDBT can be properly matched with back-calculated p-y curves from field tests by applying scale effects for sand. The developed technique using LDBT is verified lateral load test comparing with pile head deflection under field.
1. 서론
호남고속철도에서 대부분의 교량기초는 수평하중과 모멘트에 저항하기 위해 고강도 강관말뚝으로 설계 하였다. 또한 말뚝시공 시 소음과 진동에 의한 민원을 줄이고자 항타말뚝 대신에 매입말뚝공법을 적용하였다. 일반적으로 말뚝의 근입깊이는 수직하중 검토를 통해 지지력을 만족하였을때, 수평하중에 의한 전단과 힘의 거동을 검토하여 근입깊이가 결정된다. 수평하중에 대한 말뚝의 지지력 검토는 일반적으로 수평재하시험을 실시하여야 한다. 그러나 수평재하시험은 시험 기간이 길고, 재하 하중이 증가함에 따라 비용이 과다해진다. 또한 재하 하중량의 제약이 있다. 반면에 공내재하시험은 수평재하시험에 비해 시험과정이 단순하다. 그리고 시험결과를 통해 얻어진 횡방향 압력-변형율 곡선 데이터를 이용하여 수평하중에 따른 지반반력-변위 관계를 산정할 수 있다. 일반적인 공내재하시험은 Dilatometer, Menard Pressuremeter, Lateral Load Tester로 분류된다. 이러한 공내재하시험은 시험 시 가한 횡방향 압력(P)과 부피팽창(ΔV)을 측정하여 Fig. 1과 같이 현장지반의 횡방향 가압력(P)-횡방향 변형률(ΔR/R0) 관계를 설정할 수 있다. 그리고 횡방향 가압력(P)-횡방향 변형률(ΔR/R0) 관계로부터 탄성계수(EO, ER)를 이용하여 하중-변형 관계를 구할 수 있다.
General Result of Displacement Borehloe Tester.
그러나 이러한 공내재하시험기들은 여러가지 제약으로 인하여 실제 말뚝의 거동을 분석하기에는 한계가 있다. Dilatometer Test는 시료 채취가 불가능한 압입식 Pressuremeter이다. Menard Pressuremeter(MPM)의 경우 미소변형 영역 또는 중간변형률 영역 중 어느 특정한 변형률 영역에서 신뢰성 있는 측정만이 가능하다. 하지만 전체 변형률 영역의 시험이 불가능한 상태이다(Yang et al., 2009). Lateral Load Tester(LLT)의 경우 최대 압력이 2.5 MPa로 연약지반에서만 이용가능하다. 또한 프로브가 고무 막으로 이루어졌기 때문에 프로브를 통해 주변 지반에 전달되는 압력은 고무막의 반력에 영향을 받는다(Lee, 2002).
위와 같은 이유로 공내재하시험기를 사용하여 말뚝기초를 설계하여도 신뢰성을 향상시키기 위해 높은 안전율을 사용할 수밖에 없다. 이는 말뚝의 과다설계로 이어져 필요이상의 말뚝 근입깊이를 요하는 설계를 하게 되거나 말뚝의 본수를 증가시키는 요인으로 작용하게 된다.
그러므로 본 연구에서는 설계의 정확성을 높이고 지반의 가장 중요한 특성인 비선형 거동특성을 측정할 수 있는 장변위공내재하시험기(Large Displacement Borehole Testmeter)를 개발하였다. 공내재하시험의 연구로는 Hansen(1961)은 Pressuremeter을 이용하여 지반의 횡방향 압력-변형률 곡선으로부터 실제 말뚝의 거동을 분석하여 p-y 곡선을 유추하는 연구를 수행하였다. Ryu(2003)은 p-y 곡선법을 이용한 말뚝의 수평거동을 분석하였다. 지반반력이 항복치에 도달하게 될 때 말뚝변위와 지반반력 사이의 일반적인 관계는 비선형성을 보인다고 하였다. 본 연구에서는 장변위공내재하시험으로부터 측정된 응력-변위 곡선을 이용하여 SDA(Spearation Doughnut Auger) 매입말뚝공법을 적용한 고강도 강관말뚝의 p-y 곡선과의 상관성을 분석하였다. 이를 통하여 향후 현장말뚝재하시험을 실시하지 않고도 장변위공내재하시험기로부터 측정된 응력-변위 곡선을 통해 SDA 매입말뚝공법을 적용한 고강도강관말뚝의 p-y 곡선을 산정하기 위한 Scale Effect를 제안하였다.
2. 장변위공내재하시험
2.1 시험개요
본 연구에서는 기존 공내재하시험기의 단점을 보완하여 최대 작용압력이 70 MPa이며 지반에 직경대비 약 70% 팽창이 가능한 장변위공내재하시험기를 개발하였다. 개발된 시험기는 외경 70 mm, 압력판(Pressure Plate)은 활착시 최대 130 mm의 외경을 가진다. 실린더는 5 ton 용량 2개로 구성되어있다. Table 1에서는 국내에서 주로 사용하는 공내재하시험기 종류와 장변위공내재하시험기의 최대 작용압력, 유형, 변위측정방법을 비교하였다.
Comparison of LDBT with Existing Displacement Bore Testmeter
장변위공내재하시험기의 특징은 최대 작용압력이 크고 내부에 LVDT를 설치함으로써 변위를 직접 측정할 수 있게 한 것이다. Fig. 2는 장변위공내재하시험기의 개요도를 나타내었다.
Diagram of Large Displacement Borehole Test.
2.2 시험방법
장변위공내재하시험(LDBT)은 다음과 같이 시험이 실시된다. 시추작업을 통하여 시험 대상지층을 판단하고 표준관입시험을 실시한다. 이 후 SPT Rod를 인발, 시추공 내부에 장변위공내재하시험 기구를 삽입한다. 시험기구가 토층에 도달했을 때, Jack에 초기압력을 가하여 시험기구를 중앙에 위치시킨다. 계획된 시험압력을 가압하면 Pressure Plate가 수평으로 벌어지면서 하중과 변위가 측정된다. 압력은 0.2 MPa씩 올라가도록 하고 압력은 2~3단계의 압력과정을 거치므로 이에 따른 그래프가 작성될 수 있도록 가압과 감압을 반복한다. 측정된 하중-변위량 관계곡선에 의해 장변위공내재하시험의 하중-변위 곡선을 분석한다. Fig. 3은 장변위공내재하시험 중 현장실험 및 Pressure Plate모습을 나타내었다.
LDBT Field Test and Details.
3. 현장실험
3.1 대상지반
본 연구는 호남고속철도 00공구의 2개지점(P28, P25)에서 실시하였다. 시험 위치에서의 Pile 및 지반특성은 Table 2와 Fig. 4에 나타내었다. 현장시험은 P25 현장의 깊이 6.9 m에 해당하는 모래층과 P28의 8 m 깊이의 모래층 2곳의 시험 결과를 활용 하였다.
Properties of Pile
Soil Properties of Test Location.
3.2 장변위공내재하시험
장변위공내재하시험은 압력을 가하면서 Pressure Plate가 수평으로 벌어질 때 하중과 변위를 측정하여 반력-변위 곡선을 나타낼 수 있었다. 가압하중은 가압펌프를 통해 가압된 시험 압력으로부터 산정하였으며, 가압 플레이트의 변위는LVDT로 측정을 실시하였다. 시험결과 Fig. 5에 나타난 바와 같이 초기에는 지반 반력의 영향으로 완만한 경사를 나타낸다. 이후 탄성변형이 발생되다가 극한강도에 도달하면 지반의 비선형 특성을 나타내고 있는 것으로 나타났다. P25, P28 시험 결과 모두 다른 시험법에 비하여 지반의 변위-응력 분석결과 극한강도 값에 해당하는 데이터를 얻을 수 있음을 보여주고 있다.
Result of LDBT.
3.3 수평재하시험
수평재하시험은 장변위공내재하시험의 결과를 비교 검토하기 위하여 수행하였다. 시험방법은 표준재하시험(ASTMD3966 규정에 의거)을 적용하였다. 시험말뚝은 직경 609.6mm, 두께 9 mm, 길이 12 m인 강관말뚝을 사용하였다. 하중재하는 반력말뚝을 이용한 방법으로 시험하였으며, 300 tonf의 유압잭을 활용하였다. Fig. 6은 현장시험 전경을 나타내었다.
Lateral Pile Load Test in Field
말뚝에는 변형율계(Strain gage)를 Fig. 7과 같이 말뚝에 1 m 마다 부착하여 시공하였으며 각 하중단계별 말뚝에 적용하는 변형율을 측정하였다. 또한 말뚝 두부에는 LVDT를 부착하여 각 하중단계별 횡방향 변위를 계측하였다.
Installation of Strain Gage.
p-y 곡선은 strain gage를 이용하여 산정된 깊이 별 휨모멘트를 사용한다. 말뚝의 휨모멘트는 변형률의 평균값을 사용하여 휨응력을 구한 뒤, Eqs. (1)을 통하여 산정한다.
여기서, M=휨모멘트, σ=평균 변형률 값으로 구한 휨응력, I=단면 2차 모멘트
산정된 휨모멘트는 위 식을 통하여 깊이별 변위를 계산하고 말뚝의 지반 반력 산정시 오차를 최소화 하고자 잉여항법(Weighted Residual Method)를 사용하여 p-y곡선으로 나타내었다. 이 분석에서는 기록된 전단력과 지반 반력의 분포를 수치적 휨 모멘트 분포 도함수와 비교하였다. 지반 반력 분포의 잉여항(Weighted Residual)은 Residual=Psim-Pdif인 각 노드위치에서 계산하였으며, 여기서 Psim은 수치해석 시뮬레이션에서 구한 지반 반력, Pdif는 휨 모멘트 결과의 이중 미분에서 얻은 지반 반력을 나타낸다(Brandenberg, 2010).
Fig. 8은 수평재하시험 결과와 장변위공내재하시험결과를 나타낸 그래프이다.
Comparisons between LDBT and SDA Load Test Results.
Fig. 8에서 나타난 바와 같이 두 시험 결과의 차이가 아주 크게 나타나고 있다. Broms(1964)의 연구 결과에 따르면 횡하중에 대한 지반의 반력은 말뚝 직경에 비례하는 결과와 일치한다고 할 수 있다. 따라서 공내재하시험기를 이용하여 말뚝의 횡방향 거동 특성을 예측하기 위하여 현장 적용 시 말뚝의 제원 및 지반조건을 고려하여야 함을 알 수 있었다.
3.4 현장시험 비교를 통한 Scale Effect 제안
본 연구에서는 장변위공내재하시험으로부터 측정된 곡선과 SDA 매입말뚝공법을 적용한 강관말뚝의 p-y 곡선과의 상관성을 분석하였다. 이를 이용하여 개발된 장변위공내재하시험기의 적용성 및 사용성을 검증하고자 하였다. 또한 장변위공내재하시험기의 측정결과에 대한 scale effect를 제안함으로써 향후 말뚝설계에 직접 활용할 수 있도록 하였다. Eqs. (2)와 Eqs. (3)은 사질토에 대한 제안식을 나타내었다. Eqs. (2)는 하중(p)에 대한 Scale factor이며 Eqs. (3)은 변위(y)에 대한 scale factor를 나타낸다.
여기서, γ’: 유효단위중량(kN/m3), z: 말뚝깊이(m), D: 말뚝직경(m), N: 표준관입시험 타격회수, Pu: 공내재하시험 극한수평응력(kN/m2), yu: 공내재하시험 수평변위(m)
Kim et al.(2004)은 각 깊이에서 가정한 극한수평응력들이 수동 토압과 밀접한 관계가 있다고 보고, 둘 사이의 관계식을 변형하여 log 스케일에서 선형 회귀분석을 수행하였다. 분석한 경험식은 Kondner(1963)이 제안한 p-y 곡선을 마찰각과 구속압의 함수로서 토출한 경험식에 적용하였으며 본 연구에서는 위 과정을 거쳐 수평재하시험과 동일 지반고에 대한 Scale Effect 식을 제안하였다.
Fig. 9는 수평재하시험을 통하여 측정된 p-y 곡선과 공내재하시험에 scale factor를 적용하여 산정된 p-y 곡선을 상호 비교한 것이다. Fig. 9에 나타난 바와 같이 p28구간은 말뚝에서 측정된 p-y 곡선과 장변위공내재하시험에 의하여 측정된 값에 scale factor를 적용한 값이 거의 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 p25의 두 값의 차이가 다소 있는 것으로 나타났다. 이는 현장에서 시험위치까지 터파기를 수행하는 과정에서 다소 지반의 교란이 발생하였으며 이로 인한 지지력 감소가 원인인 것으로 판단된다.
P-y Curve Comparisons between LDBT Adopting Scale Effect and Field Tests.
4. 장변위공내재하시험기의 적용성 검토
4.1 이론식과 비교
산정된 p-y 곡선은 Reese-O’Neil의 사질토 이론식을(Reese et al., 1956; O’Neil et al., 1977)통한 매입말뚝의 p-y곡선과 비교하였다. Fig. 10에 나타난 바와 같이 strain gage를 이용하여 측정된 p-y 곡선은 기존 매입말뚝 이론식 값보다 다소 크게 나타났다. Tomlinson(1994)은 매입말뚝 이론에서 모래의 매입말뚝 시공 시 지반은 느슨해지며, 이에 따라 노상변동계수(nh)가 작아져 매입말뚝은 지지력이 작아지는 것으로 나타난다고 하였다. 그러나 SDA 매입말뚝의 경우 말뚝주면에 시멘트풀을 주입하고 시멘트풀은 원래 존재하고 있는 지반보다 강성이 크고 말뚝에 부착되어 있으므로 말뚝의 지지력 증대가 발생한 것으로 판단된다.
P-y Curve Comparisons between LDBT and Reese-O’Neil Method.
4.2 말뚝두부 변위 산정 결과 비교
Fig. 11은 말뚝두부의 수평변위에 대하여 재하시험결과와 LDBT 결과에 scale effect를 적용하여 산정한 값, 그리고 Reese-O’Neil의 제안식을 적용하여 산정한 값을 비교하여 나타내었다. Fig. 11에 나타난 바와 같이 LDBT 결과에 scale effect를 적용한 결과와 현장시험과의 비교는 유사한 것으로 나타났으며, Reese-O’Neil의 방법은 말뚝의 횡방향 지지력이 과소평가 되는 것으로 나타났다.
Pile Head Deflection Comparisons between LDBT and Reese-O’Neil Method.
5. 결론
본 연구에서는 SDA(Separation Doughnut Auger) 매입말뚝공법의 수평하중에 따른 거동특성과 개발된 장변위공내재하시험기에 대한 적용성 검증을 실시하였다. 장변위공내재하시험기를 이용하여 측정된 반력-변위 곡선은 말뚝의 수평재하시험을 실시하여 측정된 p-y 곡선과의 상관성을 분석하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 본 연구에서는 장변위공내재하시험기를 개발하였으며, 이를 적용할 경우 지반의 가장 중요한 특징 중의 하나인 비선형 특성을 측정할 수 있음을 확인하였다.
2. 장변위공내재하시험기를 이용하여 측정된 값에 실제 말뚝에 적용할 수 있도록 scale factor를 제안하였으며, 이를 이용할 경우 보다 말뚝의 거동을 기존 이론식 보다 정확히 예측할 수 있음을 확인하였다.
3. SDA공법을 이용한 매입말뚝의 수평하중에 대한 거동 특성은 일반적인 매입말뚝과 비교하여 다소 지지력이 큰 것으로 측정되었다. 이는 매입말뚝 주변에 주입된 시멘트풀의 강도가 흙의 강도보다 큰 것에 의한 것으로 판단된다. 이러한 특성으로 인하여 기존 매입말뚝 이론식과 시험 값은 차이가 발생하였다.
감사의 글
본 연구는 서울과학기술대학교 산학협력단 학술연구비 지원(과제번호:2012-0499)으로 수행되었고, 이에 감사드립니다.