가. 모형실험에 의한 수평거동 특성
말뚝의 지지력 산정은 완전히 관입이 되었다는 가정 하에 수행되었으며, 본 실험에서는 완전 관입이 가능하도록 유압잭을 이용하여 파일을 적정 위치까지 관입시켰다. 그리고 수 압의 영향을 고려하여 지반의 수심을 10cm로 일정하게 유지하였다. 표 4.1.5와 그림 4.1.29는 실험시 측정한 각 지반의 깊이별 콘 저항값을 나타낸 것이다.
표 4.1.5 모형실험 조건 영향인자 L / D*
(모래지반)
관입길이
(이층지반) 지 반 조 건 지반상태
모형실험 조 건
0.8 1 1.2 1.4 1.6 2.0
2 cm 6 cm 10 cm
① 모래지반
- 보 통 지 반 : Dr=60%
- 조밀한 지반 : Dr=78%
② 이층지반
- 상부 : 점토 (자중압밀) - 하부 : 모래 (보통, 조밀)
포화토
* L / D는 말뚝 직경(D)에 대한 말뚝의 전체길이(L)의 비
지 반 별 콘 저 항 값
0 2 4 6 8 10
0 10 20 30 40
깊 이 (cm) 콘지수 (kgf/cm2)
3일 압 밀 -보 통 3일 압 밀 -조 밀 보 통 (모 래 ) 조 밀 (모 래 )
그림 4.1.29 지반별 콘 저항치
표 4.1.6 각 실험별 지반의 콘 저항 평균값
깊이 (cm) 지층
콘 저항치 (kgf/cm2)
지층
콘 저항치 (kgf/cm2) 이층지반 (점토10cm, 모래35cm) 모래지반 (모래45cm)
보통지반(3일압밀) 보통지반(7일압밀) 조밀한지반(3일)
보통지반 조밀한지반
10cm 16cm 20cm 10cm 16cm 20cm 0cm 6cm 10cm 5
clay 0.03 0.03 0.05 0.06 0.06 0.08 0.04 0.04 0.03
send
0.71 0.62 0.71 1.88 1.97 1.60 10 0.11 0.09 0.08 0.19 0.17 0.19 0.12 0.14 0.12 1.60 1.43 1.43 3.75 3.83 4.28 15
send
0.81 0.98 0.79 0.88 1.07 0.81 1.60 1.33 1.60 2.85 2.59 2.67 5.27 5.08 4.73 20 2.23 2.14 1.95 2.14 2.31 1.88 3.38 3.38 3.75 4.01 3.66 3.47 5.98 6.08 6.25 25 3.47 3.66 3.21 3.38 3.83 3.30 5.44 5.80 5.80 4.99 4.99 4.82 7.86 8.12 8.22
30 4.54 4.73 4.37 4.46 4.63 4.91 7.67 7.41 8.03 - - - -
35 6.15 6.42 6.51 6.15 6.34 6.60 8.48 8.29 8.93 - - - -
(1) 말뚝길이에 따른 하중-변위 관계
말뚝 - 지반의 상호작용 문제에서 일반적으로 말뚝의 수평거동은 말뚝의 단면과 관입길 이 그리고 말뚝의 휨강성에 영향을 받고 있는 것으로 알려져 있으며, 수평방향 하중을 지 지하는 말뚝의 설계에 있어서 가장 고려해야 될 사항은 말뚝의 수평방향 극한 강도가 아 니라 말뚝의 최대변위 및 최대 휨모멘트이다.
실험에서 모형말뚝은 직경에 대한 길이비가 일반 깊은 기초보다 현저히 짧기 때문에 말 뚝의 재질에 의한 휨강성은 무시하고 실험을 하였다. 또한, 실제 말뚝의 수평거동은 관입 길이가 증가함에 따라, 동일한 하중을 가하면 수평변위가 감소하는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서 사용된 두부가 막힌 말뚝에서는 어느 정도의 수평변위가 나타나는지에 대한 연구가 없기 때문에 이 모형실험의 의의가 있다고 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 직경 10cm의 원형단면을 가진 모형말뚝으로 관입길이를 다르게 하여 실험을 수행하였다.
그림 4.1.30은 모래지반에서의 하중-변위 곡선을 나타낸 것으로 말뚝의 길이가 일정하게 변함에 따라 말뚝의 하중-변위 곡선도 비례적으로 일정하게 증가함을 알 수 있었다. 그림 4.1.31은 이층지반에서의 하중-변위곡선을 나타낸 것으로 모래지반에서의 경우보다 훨씬 작은 하중에도 변위가 증가함을 알 수 있는데, 이는 말뚝의 변위에 직접적으로 영향을 주 는 말뚝 두부 쪽의 지반이 연약한 점토층으로 이루어져 있어 훨씬 작은 하중에도 말뚝이 빨리 변화하기 때문이다. 그림 4.1.31(c)는 점토의 자중압밀기간을 늘려 상부 쪽 지반의 강 도를 증가시켜 실시한 실험으로 말뚝의 변위는 훨씬 감소하였다.
모 래 지 반 (보통)
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
10cm 12cm 14cm 16cm 20cm 8cm
모 래 지 반 (조밀)
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
10cm 12cm 14cm 16cm 20cm 8cm
(a) 보통지반 (b) 조밀한 지반 그림 4.1.30 모래지반에서의 하중-변위 곡선
이 층 지 반 (보통)
0 2 4 6 8 10 12
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
0cm 관입 6cm 관입 10cm 관입
이 층 지 반 (조밀)
0 2 4 6 8 10 12
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
0cm 관입 6cm 관입 10cm 관입
(a) 보통지반 (3일 압밀) (b) 조밀한 지반 (3일 압밀)
이 층 지 반 (보통 - 7일 압밀)
0 2 4 6 8 10 12 14
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
관입길이 0cm (보통) 관입길이 6cm (보통) 관입길이 10cm (보통)
(c) 보통지반 (7일 압밀)
그림 4.1.31 이층지반에서의 하중-변위 곡선
(2) 지반조건에 따른 하중-변위 관계
말뚝 수평거동은 말뚝과 지반의 상호작용의 문제로서 말뚝과 지반의 조건에 대하여 동 시에 영향을 받고 있다. 본 절에서는 말뚝의 조건은 동일하고 지반의 조건이 다른 경우에 대하여 수평거동에 미치는 지반 조건의 영향을 알아보았다. 말뚝의 수평거동에 대한 지반 조건의 영향은 다양한 지반재료에 대하여 검토하지는 못하였으나, 모래층으로만 이루어진 단일지반과 모래층위에 3일간과 7일간 자연압밀 된 점토층을 가진 이층지반으로 조건을 달리하여 실험하였다. 모형실험에서 얻어진 하중 - 변위 관계곡선은 다음에 나타나는 그 림들에 나타나 있으며, 상대밀도가 클수록 말뚝의 하중은 증가하고 변위는 감소함을 알 수 있다.
말뚝길이 8cm
0 1 2 3 4 5 6
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
말뚝길이 10cm
0 2 4 6 8 10
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
(a) 말뚝길이 8cm (b) 말뚝길이 10cm
말뚝길이 12cm
0 2 4 6 8 10 12
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
말뚝길이 14cm
0 2 4 6 8 10 12 14 16
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
(c) 말뚝길이 12cm (d) 말뚝길이 14cm
말뚝길이 16cm
0 5 10 15 20
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
말뚝길이 20cm
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
(e) 말뚝길이 16cm (f) 말뚝길이 20cm 그림 4.1.32 모래지반에서의 하중-변위 곡선
관입 길이 0cm
0 1 2 3 4
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한지반
관입 길이 6cm
0 1 2 3 4 5 6
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한지반
(a) 관입길이 0cm (b) 관입길이 6cm
관입 길이 10cm
0 2 4 6 8 10 12
0 5 10 15 20 25 30 35
변 위 (mm)
하 중 (kg)
보통지반 조밀한지반
(b) 관입길이 10cm
그림 4.1.33 이층지반에서의 하중-변위 곡선
각각의 조건에서 실시한 실험에서 산정된 항복하중을 표 4.4.3과 그림 4.4.5에 나타내었 다. 횡방향 하중을 가한 말뚝의 파괴하중을 결정하는 방법은 상부 구조물의 허용변위량에 의존한다. 일반적으로 극한수평하중을 산정하기 위해 채택된 해석방법은 다음 2개의 규정 중 작은 값을 사용한다.
① 수평하중-변위량 곡선에서 두접선 (초기와 나중)의 교차점인 곳의 하중.
② 수평 변위량이 0.25 inch (6.25mm)가 되었을 때의 하중.
표 4.1.7 수평하중-변위량 곡선에서 두 접선의 교점인 곳의 하중
지반종류 지반조건 극한하중 (kg)
8cm 10cm 12cm 14cm 16cm 20cm
모래지반 보통지반 1.8 3 5.4 8.9 12 20
조밀한 지반 2.1 3.4 6.4 9.5 13.6 23
이층지반 보통지반 3일 압밀 - 1 - - 2 4.8
7일 압밀 - 1.8 - - 3.2 5.2
조밀한 지반 - 4.8 - - 2.4 6.5
모 래 지 반 (보통-조밀)
0 5 10 15 20 25
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 길이비 (L/D)
항 복 하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
이 층 지 반 (보통-조밀)
0 2 4 6 8
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
길이비 (L/D)
항 복 하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
(a) 모래지반 (b) 이층지반
이 층 지 반 (보 통 ; 3일 -7일 )
0 2 4 6 8
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
길이비 (L/D)
항 복 하 중 (kg)
보통지반(3일압밀) 보통지반(7일압밀)
(c) 이층지반 (3일-7일)
그림 4.1.34 말뚝 길이비에 따른 극한하중 (① 조건)
표 4.1.8 수평 변위량이 0.25inch (6.25mm)가 되었을 때의 하중
지반종류 지반조건 극한하중 (kg)
10cm 14cm 16cm 20cm
모래지반 보통지반 2.5 3.8 - 5.6
조밀한 지반 3.2 4.8 - 6.6
이층지반 보통지반 3일 압밀 0.9 - 1.4 4.1
7일 압밀 1 - 3.2 5.7
조밀한 지반 1 - 1.9 3.9
모 래 지 반 (보통-조밀)
0 2 4 6 8
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
길이비 (L/D)
항 복 하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
이 층 지 반 (보통-조밀)
0 1 2 3 4 5
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
길이비 (L/D)
항 복 하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반
(a) 모래지반 (b) 이층지반
이 층 지 반 (보통:3일-7일)
0 2 4 6 8
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
길이비 (L/D)
항 복 하 중 (kg)
3일압밀 7일압밀
(c) 이층지반 (3일-7일)
그림 4.1.35 말뚝 길이비에 따른 극한하중 (② 조건)
그림 4.1.33은 수평하중-변위량 곡선에서 두접선 (초기와 나중)의 교차점인 곳의 하중을 극한 하중으로 나타낸 것으로 말뚝의 길이비에 따른 각 실험에 대한 극한하중은 길이비가 클수록 일정하게 증가하는 경향을 나타내고 있다. 그림 4.1.34는 수평 변위량이 0.25 inch (6.25mm)가 되었을 때의 하중을 극한 하중으로 나타낸 것으로 길이비가 클수록 ①조건 보 다 훨씬 작다. 따라서 본 실험에서는 ②조건의 값을 극한 하중으로 한다. 그림 4.1.36은 말 뚝의 변화 양상을 도식화 한 것이다.
말뚝의 변화 양상
말뚝 길이비
② 조건 극한하중시 말뚝의 기울기
나. 말뚝의 극한 수평저항력 (Broms 방법)
사질토 지반내 짧은 말뚝의 회전중심은 말뚝 선단부근으로 가정할 수 있다. 따라서 선단 부근의 높은 압력을 집중하중으로 대체하고 말뚝선단에서 모멘트를 취하여 수평저항력을 구하였다. 아래 표는 말뚝 선단에서의 극한 수평저항력과 각 말뚝의 최대 모멘트 값을 Broms의 방법에 의해 계산한 값이다.
표 4.1.9 Broms 방법에 의한 말뚝선단에서의 수평저항력 및 최대 모멘트
말뚝길이 (cm) 8cm 10cm 12cm 14cm 16cm 20cm
말뚝 선단에서의
극한 수평저항력 (kg) 0.31 0.52 0.79 1.12 1.51 2.48
말뚝 전체에서의
극한 하중(kg/cm2) 1.24 2.6 4.74 7.84 12.08 24.8
최대 모멘트 (kg․cm) 2.4 4.24 6.76 10.03 14.02 24.53
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 길이비 (L/D)
수평 저항력 (kg)
0
5 10 15 20 25 30
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 길이비 (L/D)
최대모맨트 (kg.cm)
그림 4.1.37 말뚝의 수평저항력 그림 4.1.38 말뚝의 최대 모멘트
다음 그림 4.4.39는 ①, ②조건에서의 모형실험과 Broms 방법에 의한 해석결과의 극한하 중을 비교한 것으로 항복하중을 구하는 방법인 수평하중-변위량 곡선에서 두접선 (초기와 나중)의 교점인 곳의 하중은 비교적 Broms방법에 의한 해석결과와 비슷한 값을 나타내었 지만 수평 변위량이 0.25 inch (6.25mm)가 되었을 때의 하중은 말뚝의 길이비가 클수록 차이가 훨씬 크게 나타났다. 이는 말뚝의 직경대 길이비가 1:2를 넘지 않는 석션말뚝의 특 성 때문인 것으로 판단된다.
모 래 지 반 (보통-조밀)
0 5 10 15 20 25 30
0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 길이비 (L/D)
극 한 하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반 Broms방법
모 래 지 반 (보통-조밀)
0 5 10 15 20 25 30
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2
길이비 (L/D)
극 한 하 중 (kg)
보통지반 조밀한 지반 Broms 방법
(a) ①조건의 극한하중 (b) ②조건의 극한하중 그림 4.1.39 모형실험과 해석결과의 극한하중 비교
제 2 절 석션파일기초의 수리․지반모형실험
석션파일기초 방파제의 안정성을 검토하기 위하여 수조․지반 모형실험을 실시하였다.
실험 단면은 설계단면을 1/50의 축척으로 축소하여 상사비에 맞추어 제작된 방파제 모형 (표 4.2.1 참조)을 이용하여 지반조건과 원 설계단면(그림 4.2.1 참조)과 실제 최종 설계단 면(그림 4.2.2 참조)에 대하여 실험을 수행하였다. 지반조건은 표 4.2.2에 나타낸 바와 같 이 1/50로 축소된 원 지반의 지반조건(상부 점토층 20cm + 하부 모래층 10cm)과 함께 상 부 점토층이 설계에서 저항력을 발휘하지 않는 것으로 가정하였기 때문에 이에 대한 검토 를 위하여 상부 점토층을 비워 둔 경우 그리고 상부점토층이 모래인 경우와 점토로 채워 진 경우에 대하여 비교․실험을 수행하였다. 또한 실제 방파제형상과는 달리 시험시공될 방파제가 상대적으로 길이방향으로 짧기 때문에 이에 대한 검토를 수행하기 위하여 전체 수조의 절반만 방파제로 막은 반단면에 대한 실험도 실시하여 그 영향을 고찰하였다.
그림 4.2.3은 설치된 방파제 수조․지반모형실험의 개념도 및 설치된 계측기의 위치를 나타낸 것이다. 설치된 계측기는 파고를 측정하기 위한 파고계를 전면 외해부에 3개 설치 하였고 방파제 전면에 인접하여 처올림 높이를 측정하기 위한 파고계 및 전달율을 측정하 기 위한 파고계를 설치하였으며, 방파제에 6개의 파압계를 설치하여 실험시 파압을 실측하 였고 방파제 중앙 하단과 전면 하단 지반 속에 간극수압계를 설치하였다. 또한 방파제의 변위를 측정하기 위하여 전면 상부에 연직방향으로 그리고 후면 상부에 횡방향으로 변위 계를 설치하여 계측을 수행하였다. 그림 4.2.4는 모형방파제의 형상을 나타낸 그림이며, 그림 4.2.5는 평면도를 나타낸 것이다.
작용하중은 표 4.2.3에 제시한 바와 같이 모든 경우에 불규칙파로 통상파, 폭풍파, 설계 파를 가하였으며, 실시설계 단면에 대한 실험인 Case V(상부 점토 20cm + 하부 모래 10cm, 석션파일 8개)에 대하여 규칙파를 조파하여 그 결과를 분석하였다.