식은, q p (kn/m 2 ) = 21, N'(N' : N' 값의누계관입량, cm) 이다. 이러한본발명은, 다양한지지지반과말뚝규격을여러현장에서시험시공과재하시험을수행하므로, 매입말뚝의표준설계및시공컨설팅기법의체계를확립하게되었고, 그결과, 과소설계지지력을적용하는

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1 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) E02D 33/00 ( ) E02D 1/08 ( ) (52) CPC 특허분류 E02D 33/00 ( ) E02D 1/08 ( ) (21) 출원번호 (22) 출원일자 2017 년 06 월 21 일 심사청구일자 (56) 선행기술조사문헌 KR B1* 2017 년 06 월 21 일 * 는심사관에의하여인용된문헌 (45) 공고일자 2017년10월26일 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2017년10월18일 (73) 특허권자 채수근 서울특별시서초구남부순환로 287 길 7, 101 동 80 1 호 ( 방배동, 방배홈타운 ) (72) 발명자 채수근 서울특별시서초구남부순환로 287 길 7, 101 동 80 1 호 ( 방배동, 방배홈타운 ) (74) 대리인 박윤호 전체청구항수 : 총 5 항심사관 : 이재욱 (54) 발명의명칭풍화토와풍화암반의 SDA 매입말뚝선단지지력산정방법 (57) 요약 본발명은, 구조물이축조될지반으로부터하방으로길게천공되어형성된천공홀에삽입되는매입말뚝의선단지지력을계산하는방법으로서, 풍화토 (RS, residual soil) 는, 50/15 N' 50/11 의범위이고, 풍화암반 (WR, weathered rock mass) 은, 50/10 N' 50/1 의범위일때, 매입말뚝의단위선단지지력 (q p ) 을산정하는하기의상관 ( 뒷면에계속 ) 대표도 - 도

2 식은, q p (kn/m 2 ) = 21, N'(N' : N' 값의누계관입량, cm) 이다. 이러한본발명은, 다양한지지지반과말뚝규격을여러현장에서시험시공과재하시험을수행하므로, 매입말뚝의표준설계및시공컨설팅기법의체계를확립하게되었고, 그결과, 과소설계지지력을적용하는문제는물론이고설계와시공오류로인해시공법과말뚝길이가변경되어공사비가증액되고공사기간이연장되는문제가해소되며, 큰설계지지력을안전하면서경제적으로적용할수있게된다. 이와같이체계화된표준설계및시공컨설팅을수행하면서확보한현장의수많은시험자료를분석하여개발된경험식에의해, 풍화토와풍화암반에지지시켜표준설계및시공기법에따라시공하는 SDA매입말뚝의선단지지력을정량적으로산정할수있다

3 명세서청구범위청구항 1 구조물이축조될지반으로부터하방으로길게천공되어형성된천공홀에삽입되는매입말뚝의선단지지력을계산하는방법으로서, 풍화토 (RS, residual soil) 는, 50/15 N' 50/11의범위이고, 풍화암반 (WR, weathered rock mass) 은, 50/10 N' 50/1의범위일때, 매입말뚝의단위선단지지력 (q p ) 을산정하는하기의상관식, q p (kn/m 2 ) = 21, N'(N': 누계관입량, cm) ( 여기서, N' 값은말뚝선단지반의표준관입시험치로서, 말뚝선단에서아래로말뚝직경 (D) 범위의평균값임.) 인것을특징으로하는풍화토와풍화암반의 SDA 매입말뚝선단지지력산정방법. 청구항 2 청구항 1에있어서, 풍화토의단위선단지지력 (q p ) 은 10,000~13,000kN/ m2이며, N' 값과 200~260N' 범위인것을특징으로하는풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법. 청구항 3 청구항 1에있어서, 풍화암반의단위선단지지력 (q p ) 은 13,500~20,000kN/ m2로써 N' 값과 270~400N' 범위인것을특징으로하는풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법. 청구항 4 청구항 1에있어서, 변성암및화성암에서는상기상관식의산정값을적용하고, 퇴적암에서는상기상관식에서산출된단위선단지지력 (q p ) 의산정값에서 10% 감소된산정값을적용하는것을특징으로하는풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법. 청구항 5 매입말뚝 (10) 의선단지지력을산정하기위해매입말뚝 (10) 에부착되고타격으로인해매입말뚝 (10) 에발생되는변형률을측정하는변형률계 (strain transducer; 20); 매입말뚝 (10) 의선단지지력을산정하기위해매입말뚝 (10) 에부착되는가속도계 (accelerometer; 30); 매입말뚝 (10) 의선단지지력을산정하기위해매입말뚝 (10) 을타격하는해머 (hammer; 40); 항타시변형률계 (20) 및가속도계 (30) 로부터측정된아날로그 (analogue) 신호에대해시그널컨디셔닝 (signal conditioning) 을실시하여시간에대한힘과속도의파형으로나타내고 A/D(Analogue to Digital) 변환기를통해시간에대한힘과속도를디지털데이터 (digital data) 로변환하여저장하며, 타격응력, 타격에너지, 말뚝의변위, 건전도등의측정결과치를극한지지력과함께화면에나타내는항타분석기 (PDA, Pile Driving Analyzer; 50) 를포함하여서이루어지며 ; 변형률계 (20) 는타격으로인하여말뚝에발생하는변형 - 3 -

4 률을직접측정하고, 상기변형률은항타분석기 (50) 에의해말뚝의단면적및탄성계수와의관계식으로부터힘을산정하며 ; 가속도계 (30) 로부터측정된가속도는항타분석기 (50) 에의해적분되어속도및변위로변환되고 ; 해머 (40) 는최대시험하중의 2~3% 이상의램 (ram) 중량을가지며 ; 매입말뚝 (10) 의직경이 1000mm 이상되는대구경말뚝의경우, 항타분석기 (50) 는, 편타에의한데이터값의오차를줄이기위해 8채널이상사용되고, 변형률계 (20) 및가속도계 (30) 는, 4세트 (set) 이상사용되는풍화토와풍화암반의매입말뚝 (10) 선단지지력산정시스템을이용하여풍화토또는풍화암반에삽입되는매입말뚝의선단지지력을계산하는방법으로서, 지상부분의길이가 3D(D: 말뚝직경 ) 이상인시험말뚝을준비하는시험말뚝준비단계 (S10); 시험말뚝두부로부터 1.5~2.0D되는지점에드릴을사용하여대칭으로각각한쌍의구멍을천공하는시험말뚝천공단계 (S20); 천공한상기구멍에고강도볼트를사용하여변형률계 (20) 와가속도계 (30) 를부착하는변형률계및가속도계체결단계 (S30); 항타분석기 (50) 에현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수등의초기값과, 변형률계및가속도계의위치와, 검정계수 (calibration factor) 를입력하는데이터입력단계 (S40); 시험말뚝을타격하기위하여해머 (40) 를시험말뚝에거치하고, 편타가생기지않도록해머 (40) 와시험말뚝의축선이일치하도록하는타격준비단계 (S50); 변형률계 (20) 및가속도계 (30) 의매입케이블을항타분석기 (50) 에연결하고변형률계 (20) 및가속도계 (30) 의점검테스트를실시하여이상유무를확인하는변형률계및가속도계테스트단계 (S60); 상기변형률계및가속도계테스트단계 (S60) 후변형률계 (20) 및가속도계 (30) 에이상이없으면초기타격을 1~2회실시하여초기입력치를조정하는초기입력치조정단계 (S70); 상기초기입력치조정단계 (S70) 를통해초기입력값을조정한후복수회타격하여가속도계 (30) 와변형률계 (20) 로힘과속도를측정하고 CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 해석을위해데이터를저장하는데이터수집단계 (S80); 수집된상기데이터를이용하여서매입말뚝 (10) 의선단지지력을계산하는선단지지력산정단계 (S90) 를포함하며 ; 풍화토 (RS, residual soil) 는, 50/15 N' 50/11의범위이고, 풍화암반 (WR, weathered rock mass) 은, 50/10 N' 50/1의범위일때, 매입말뚝 (10) 의단위선단지지력 (q p ) 을산정하는하기의상관식, q p (kn/m 2 ) = 21, N'(N': 누계관입량, cm) ( 여기서, N' 값은말뚝선단지반의표준관입시험치로서, 말뚝선단에서아래로말뚝직경 (D) 범위의평균값임.) 인것을특징으로하는풍화토와풍화암반의 SDA 매입말뚝선단지지력산정방법. 발명의설명 [0001] 기술분야본발명은일부공공기관에서풍화암반으로분류하는풍화토와표준관입시험이가능한풍화암반의매입말뚝단위선단지지력산정방법에관한것으로, 다양한지지지반과말뚝규격을여러현장에서시험시공과재하시험을수행하여서, 매입말뚝의표준설계및시공컨설팅기법의체계를확립하고, 체계화된표준설계및시공컨설팅을수행하면서확보한현장의수많은시험자료를분석하여풍화토와풍화암반에지지시켜표준설계및시공기법에따라시공하는 SDA매입말뚝의선단지지력을정량적으로산정할수있는방법에관한것이다. [0002] 배경기술 일반적으로기성말뚝시공법에는타입 ( 打入 ) 말뚝공법과매입 ( 埋入 ) 말뚝공법이있다. 타입말뚝공법은해머 - 4 -

5 (hammer) 의타격에너지를이용하여말뚝을지반에관입시키는방식이기때문에타입공법이가능한지반및말뚝조건에서는설계지지력확보와시공품질관리가용이하다. 그러나소음과지반진동의건설공해가우려되는환경조건의현장과자갈또는전석 ( 轉石, 호박돌, boulder) 이매립된지층과퇴적된지층, 핵석 ( 核石, core stone) 이분포하는풍화대지반조건에서는타입말뚝공법으로말뚝을시공하는것이불가능하다. 이에대한대책으로중굴공법, 선굴착공법및회전관입공법과같은매입말뚝공법을적용할수있다. [0003] [0004] [0005] [0006] [0007] [0008] [0009] [0010] [0011] 매입말뚝공법은일본에서 1961년경부터개발하기시작하여 1966년에시공법이확립되었으며 1968년에소음규제법, 1976년에진동규제법이시행되면서대다수현장에서본격적으로적용해온일본의대표적인말뚝시공법이다. 우리나라에는 1987년에일본으로부터 SIP(Soil-cement Injected precast Pile) 공법이도입되었으며, 1994년건설공사에대한소음및진동규제법공포를계기로매입말뚝공법을본격적으로적용하기시작하였다. 현재국내에서는 SIP공법의문제점을모두개선한 SDA(Separated Doughnut Auger) 공법이개발되어기성말뚝의 90% 이상은이공법으로시공하고있다 ( 채수근, 1997, 2000, 2002, 2007; 채수근등, 2007, 2008, 2013, 2015). 일본은매입공법을본격적으로적용하면서사질토와점성토지반에시공하는매입말뚝의지지력산정식을 1978년건설성고시제 1623호에서처음으로제시하였으며, 현재여러시공법별로매입말뚝의허용지지력산정식이제안되고건설성으로부터인정되어현장에적용하고있다 ( 일본콘크리트말뚝건설기술협회, 2006). 그러나, 암반을지지층으로하는매입말뚝의지지력추정식은확립되지않아말뚝관련 5개협회에서암반의특성에따른지지력추정식연구를공동으로진행하고있다 ( 田晶規, 河野哲也, 日本기초공, 2016). 우리나라는건설부 (1986) 에서미국의착공말뚝 (bored pile) 지지력산정식을매입말뚝의지지력산정식으로처음으로도입되고, 한국지반공학회 ( 구조물기초설계기준, 1997) 에서선굴착기성말뚝의선단지지력을타입말뚝의 1/3~1/2로감소시켜산정하는지지력산정식을제안하여 10년간이용하였다. 그러나, 이와같은산정식으로구한지지력이현장값과큰차이나는것으로확인되면서정량적인지지력추정식에대한연구가대학과정부기관및기업에서본격적으로진행되었다. 같은시기에대한건축학회 ( 건축기초구조설계기준, 2005) 는사질토와점성토지반에지지시켜시공하는매입말뚝의산정식을일본으로부터도입하였으며, 국토해양부와대한토목학회 ( 도로교설계기준해설, 2008) 모래층, 사력층및점성토층의지지력산정식을일본에서도입하였다. 현재한국지반공학회 ( 구조물기초설계기준해설, 2009, 2015) 에서는대한건축학회 ( 건축기초구조설계기준, 2005), 국토해양부와대한토목학회 ( 도로교설계기준해설, 2008) 및대한주택공사 (2008) 산정식을공식적으로채택하고있다. 그러나, 대한건축학회와대한토목학회에서제안하는산정식은우리나라의지반조건과매입말뚝시공방법이매우다른일본에서개발한것이므로국내현장에적용성이매우낮으며, 말뚝선단지지층이기반암인경우적용할수없는실정이다. 이러한문제점을해결하고자채수근 (2007a,b) 은풍화토와풍화암반지지층에서단위선단지지력을정량적으로산정할수있는경험식을 10년동안연구하여제안하였으며, 말뚝재료와천공장비의낮은규격으로인해작은직경과강도의말뚝을사용하여작은설계지지력을채택하는설계와시공조건에서는성공적으로이용되었다. 최근에구조물의대형화와건물의초고층화로인해큰설계지지력이요구됨에따라천공능력이향상된대형장비를외국에서도입하여대구경및초고강도 PHC말뚝을풍화토와풍화암반지지층에시공하고있지만기존의어떤지지력산정식도더이상적용할수없게되었다. 이러한국내여건을고려할때매입말뚝의단위선단지지력을정량적으로평가할수있는새로운산정식개발이매우시급한실정이다. 즉, 지금까지국내에는암종 ( 岩種 ), 암반분류와풍화정도, 표준관입시험치 (N' 값 ), 시공법, 말뚝규격에따라선단지지력을정밀하게평가할수있는산정식을개발하지않고주로외국의지지력산정식에의존해왔다. 그런데이식들은우리나라의지반조건과다를뿐만아니라매입말뚝시공방법이다른조건에서개발되어실제와많이다르며, 말뚝선단지지층이암반인경우더큰차이를보여현장에적용할수없다. 반면에대한주택공사 (2008) 에서국내현장의 SIP(Soil-cement Injected Precast pile) 매입공법으로매입말뚝을시공하고말뚝재하시험하여얻은시험자료로지지력산정식을개발하였지만풍화토에서는과대평가하는반면에풍화암반에서는과소평가하는것으로확인되었다. 그결과과소또는과대한설계지지력을설계에적용하면서설계지지력에미달하거나천공방법변경으로인한공사비증액과공사기간이연장되는사례가국내여러현장에서자주발생하였다. 더군다나수년전부터토목구조물의대형화와장대 ( 長大 ) 화, 건축물의대형화와고층화및기둥식구조의증가에따라큰설계지지력이요구되면서 2010년부터대구경 (Φ700~Φ1200mm) 및초고강도PHC말뚝 (110MPa) 이개발되어세계최고수준의말뚝을사용하게됨에따라이러한말뚝을시공하기위해천공능력이향상된대형장비가일본 - 5 -

6 과중국에서도입되었다. [0012] 그러나중구경과대구경및초고강도말뚝에대한표준설계및시공기법이개발되지못하여과소한설계지지력을 적용하므로대구경및초고강도말뚝은비경제적인말뚝기초공법으로인식되었다. 선행기술문헌 [0013] 특허문헌 ( 특허문헌 0001) 등록특허제 호 발명의내용 [0014] [0015] 해결하려는과제상술한문제점을해결하기위한본발명의목적은, 다양한지지지반과말뚝규격을여러현장에서시험시공과재하시험을수행하여서, 매입말뚝의표준설계및시공컨설팅기법의체계를확립하도록한풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법을제공하는데있다. 본발명의다른목적은, 체계화된표준설계및시공컨설팅을수행하면서확보한현장의수많은시험자료를분석하여풍화토와풍화암반에지지시켜표준설계및시공기법에따라시공하는 SDA매입말뚝의선단지지력을정량적으로산정할수있는방법을제공하는데있다. [0016] 과제의해결수단이와같은목적을달성하기위한일부공공기관에서풍화암반으로분류하는풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법은, 구조물이축조될지반으로부터하방으로길게천공되어형성된천공홀에삽입되는매입말뚝의선단지지력을계산하는방법으로서, 일부공공기관에서풍화암반으로분류하는풍화토 (RS, residual soil) 는, 50/15 N' 50/11의범위이고, 풍화암반 (WR, weathered rock mass) 은, 50/10 N' 50/1의범위일때, 매입말뚝의단위선단지지력 (q p ) 을산정하는하기의상관식, [0017] [0018] [0019] q p (kn/m 2 ) = 21, N'(N' : N' 값의누계관입량, cm) ( 여기서, N' 값은말뚝선단지반의표준관입시험치로서, 말뚝선단에서아래로말뚝직경 (D) 범위의평균값임 ) 인것을특징으로한다. 본발명의풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법의다른특징은, 풍화토의단위선단지지력 (q p ) 은 10,000~13,000kN/ m2정도로써 N' 값과 200~260N 범위이다. [0020] [0021] 본발명의풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법의다른특징은, 풍화암반의단위선단지지력 (q p ) 은 13,500~20,000kN/ m2로써 N' 값과 270~400N' 범위이다. 본발명의풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법의또다른특징은, 변성암및화성암에서는상기상관식의산정값을적용하고, 퇴적암에서는상기상관식에서산출된단위선단지지력 (q p ) 의산정값에서 10% 감소된산정값을적용한다. [0022] 상술한동일한목적을달성하기위한본발명의풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법은, 매입말뚝의선단지지력을산정하기위해매입말뚝에부착되고타격으로인해매입말뚝에발생되는변형률을측정하는변형률계 (strain transducer); 매입말뚝의선단지지력을산정하기위해매입말뚝에부착되는가속도계 (accelerometer); 매입말뚝의선단지지력을산정하기위해매입말뚝을타격하는해머 (hammer); 항타시변형률계및가속도계로부터측정된아날로그 (analogue) 신호에대해시그널컨디셔닝 (signal conditioning) 을실시하여시간에대한힘과속도의파형으로나타내고 A/D(Analogue to Digital) 변환기를통해시간에대한힘과속도를디지털데이터 (digital data) 로변환하여저장하며, 타격응력, 타격에너지, 말뚝의변위, 건전도등의측정결과치를극한지지력과함께화면에나타내는항타분석기 (PDA, Pile Driving Analyzer) 를포함하여서이루어지며 ; - 6 -

7 변형률계는타격으로인하여말뚝에발생하는변형률을직접측정하고, 상기변형률은항타분석기에의해말뚝의단면적및탄성계수와의관계식으로부터힘을산정하며 ; 가속도계로부터측정된가속도는항타분석기에의해적분되어속도및변위로변환되고 ; 해머는최대시험하중의 2~3% 이상의램 (ram) 중량을가지며 ; 매입말뚝의직경이 1000mm 이상되는대구경말뚝의경우, 항타분석기는, 편타에의한데이터값의오차를줄이기위해 8채널이상사용되고, 변형률계및가속도계는, 4세트 (set) 이상사용되는풍화토와풍화암반의매입말뚝선단지지력산정시스템을이용하여풍화토또는풍화암반에삽입되는매입말뚝의선단지지력을계산하는방법으로서, 지상부분의길이가 3D(D: 말뚝직경 ) 이상인시험말뚝을준비하는시험말뚝준비단계 ; 시험말뚝두부로부터 1.5~2.0D되는지점에드릴을사용하여대칭으로각각한쌍의구멍을천공하는시험말뚝천공단계 ; 천공한상기구멍에고강도볼트를사용하여변형률계 (strain transducer) 와가속도계 (accelerator) 를부착하는변형률계및가속도계체결단계 ; 항타분석기에현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수등의초기값과, 변형률계및가속도계의위치와, 검정계수 (calibration factor) 를입력하는데이터입력단계 ; 시험말뚝을타격하기위하여해머를시험말뚝에거치하고, 편타가생기지않도록해머와시험말뚝의축선이일치하도록하는타격준비단계 ; 변형률계및가속도계의매입케이블을항타분석기에연결하고변형률계및가속도계의점검테스트를실시하여이상유무를확인하는변형률계및가속도계테스트단계 ; 상기변형률계및가속도계테스트단계후변형률계및가속도계에이상이없으면초기타격을 1~2회실시하여초기입력치를조정하는초기입력치조정단계 ; 상기초기입력치조정단계를통해초기입력값을조정한후복수회타격하여가속도계와변형률계로힘과속도를측정하고, CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 해석을위해데이터를저장하는데이터수집단계를포함하여이루어지며 ; 수집된상기데이터를이용하여서매입말뚝의선단지지력을계산하는선단지지력산정단계를포함하며 ; 풍화토 (RS, residual soil) 는, 50/15 N' 50/11의범위이고, 풍화암반 (WR, weathered rock mass) 은, 50/10 N' 50/1의범위일때, 매입말뚝의단위선단지지력 (q p ) 을산정하는하기의상관식, [0023] [0024] q p (kn/m 2 ) = 21, N'(N' : 누계관입량, cm) ( 여기서, N' 값은말뚝선단지반의표준관입시험치로서, 말뚝선단에서아래로말뚝직경 (D) 범위의 평균값임 ) 이다. [0025] [0026] 발명의효과이상에서와같은본발명은, 다양한지지지반과말뚝규격을여러현장에서시험시공과재하시험을수행하므로, 매입말뚝의표준설계및시공컨설팅기법의체계를확립하게되었고, 그결과, 과소설계지지력을적용하는문제는물론이고설계와시공오류로인해시공법과말뚝길이가변경되어공사비가증액되고공사기간이연장되는문제가해소되며, 큰설계지지력을안전하면서경제적으로적용할수있게된다. 이와같이체계화된표준설계및시공컨설팅을수행하면서확보한현장의수많은시험자료를분석하여개발된경험식에의해, 풍화토와풍화암반에지지시켜표준설계및시공기법에따라시공하는 SDA매입말뚝의선단지지력을정량적으로산정할수있다. [0027] 도면의간단한설명 도 1 은오거빗트 (auger bit) 로천공하는것이가능한사질토층, 점성토층및풍화대를천공하고말뚝을시공하 는순서도 도 2는오거빗트 (auger bit) 로천공하는것이불가능한자갈또는전석 ( 호박돌, boulder) 매립층과퇴적층, 핵석 (core stone) 이분포하는풍화대를개량해머또는정해머로천공하여말뚝을시공하는순서도도 3은동정재하시험하중-침하량곡선을보인그래프도 4는시간경과에따른선단및마찰지지력의분담률변화 (data 2529개 ) 를보인그래프도 5는시간경과에따른단위선단지지력의증가률 (data 76개 ) 을보인그래프도 6은풍화암반의단위선단지지력과 N' 값의관계를나타낸그래프도 7은암종별단위선단지지력과 N' 값의관계및회귀직선을보인그래프 - 7 -

8 도 8은암종별단위선단지지력과 N' 값의관계및회귀직선을보인그래프도 9는말뚝규격및설계지지력별단위선단지지력과 N' 값의관계및회귀직선을보인그래프도 10은 N' 값별단위선단지지력을보인그래프도 11은본발명의풍화토와풍화암반의매입말뚝선단지지력을측정할수있는동재하시험장비설치도모식도및시험광경을보인개략도도 12는본발명의풍화토와풍화암반의매입말뚝선단지지력산정방법을보인순서도 [0028] [0029] 발명을실시하기위한구체적인내용본발명의구체적인특징및이점은첨부된도면을참조한이하의설명으로더욱명확해질것이다. 도 1은오거빗트 (auger bit) 로천공하는것이가능한사질토층, 점성토층및풍화대를천공하고말뚝을시공하는순서도이고, 도 2는오거빗트 (auger bit) 로천공하는것이불가능한자갈또는전석 ( 호박돌, boulder) 매립층과퇴적층, 핵석 (core stone) 이분포하는풍화대를개량해머또는정해머로천공하여말뚝을시공하는순서도이며, 도 3은동 정재하시험하중-침하량곡선을보인그래프이다. 도 4는시간경과에따른선단및마찰지지력의분담률변화 (data 2529개 ) 를보인그래프이고, 도 5는시간경과에따른단위선단지지력의증가률 (data 76 개 ) 을보인그래프이며, 도 6은풍화토와풍화암반의단위선단지지력과 N' 값의관계를나타낸그래프이다. 도 7 은풍화토와풍화암반의암종별단위선단지지력과 N' 값의관계및회귀직선을보인그래프이고, 도 8은풍화암반의암종별단위선단지지력과 N' 값의관계및회귀직선을보인그래프이며, 도 9는말뚝규격및설계지지력별단위선단지지력과 N' 값의관계및회귀직선을보인그래프이다. 도 10은 N' 값별단위선단지지력을보인그래프이고, 도 11은본발명의풍화토와풍화암반의매입말뚝선단지지력을측정할수있는동재하시험장비설치도모식도및시험광경을보인개략도이고, 도 12는본발명의풍화토와풍화암반의매입말뚝선단지지력산정방법을보인순서도이다. [0030] [0031] [0032] 본발명의풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법은, 도 11에도시한바와같은산정시스템에의해측정된다. 이러한산정시스템은, 매입말뚝 (10) 의선단지지력을산정하기위해매입말뚝 (10) 에부착되고타격으로인해매입말뚝 (10) 에발생되는변형률을측정하는변형률계 (strain transducer; 20) 와, 매입말뚝 (10) 의선단지지력을산정하기위해매입말뚝 (10) 에부착되는가속도계 (accelerometer; 30) 와, 매입말뚝 (10) 의선단지지력을산정하기위해매입말뚝 (10) 을타격하는해머 (hammer; 40) 와, 항타시변형률계 (20) 및가속도계 (30) 로부터측정된아날로그 (analogue) 신호에대해시스널컨디셔닝 (signal conditioning) 을실시하여시간에대한힘과속도의파형으로나타내고 A/D(Analogue to Digital) 변환기를통해시간에대한힘과속도를 digital data로변환하여저장하며, 타격응력, 타격에너지, 말뚝의변위, 건전도등의측정결과치를극한지지력과함께화면에나타내는항타분석기 (PDA, Pile Driving Analyzer; 50) 를포함하여서이루어진다. 변형률계 (20) 는타격으로인하여말뚝에발생하는변형률을직접측정하고, 상기변형률은항타분석기 (50) 에의해말뚝의단면적및탄성계수와의관계식으로부터힘을산정한다. 가속도계 (30) 로부터측정된가속도는항타분석기 (50) 에의해적분되어속도및변위로변환된다. 해머 (40) 는최대시험하중의 2~3% 이상의램 (ram) 중량을갖는다. 매입말뚝 (10) 의직경이 1000mm 이상되는대구경말뚝의경우, 항타분석기 (50) 는, 편타에의한데이터값의오차를줄이기위해 8채널이상사용되며, 변형률계 (20) 및가속도계 (30) 는, 4set 이상사용된다. [0033] 도 12는상술한구성의풍화토와풍화암반의매입말뚝 (10) 선단지지력산정시스템을이용하여풍화토또는풍화암반에삽입되는매입말뚝의선단지지력을계산하는방법으로서, 지상부분의길이가 3D(D: 말뚝직경 ) 이상인시험말뚝을준비하는시험말뚝준비단계 (S10) 와, 시험말뚝두부로부터 1.5~2.0D되는지점에드릴을사용하여대칭으로각각한쌍의구멍을천공하는시험말뚝천공단계 (S20) 와, 천공한상기구멍에고강도볼트를사용하여변형률계 (20) 와가속도계 (30) 를부착하는변형률계및가속도계체결단계 (S30) 와, 항타분석기 (50) 에현장명과, 말뚝길이, 단면적, 탄성계수등의초기값과, 변형률계및가속도계의위치와, 검정계수 (calibration factor) 를입력하는데이터입력단계 (S40) 와, 시험말뚝을타격하기위하여해머 (40) 를시험말뚝에거치하고, 편타가생기지않도록해머 (40) 와시험말뚝의축선이일치하도록하는타격준비단계 (S50) 와, 변형률계 (20) 및가속도계 (30) 의 - 8 -

9 매입케이블을항타분석기 (50) 에연결하고변형률계 (20) 및가속도계 (30) 의점검테스트를실시하여이상유무를확인하는변형률계및가속도계테스트단계 (S60) 와, 상기변형률계및가속도계테스트단계 (S60) 후변형률계 (20) 및가속도계 (30) 에이상이없으면초기타격을 1~2회실시하여초기입력치를조정하는초기입력치조정단계 (S70) 와, 상기초기입력치조정단계 (S70) 를통해초기입력값을조정한후복수회타격하여가속도계 (30) 와변형률계 (20) 로힘과속도를측정하고, CAPWAP (Case Pile Wave Analysis Program) 해석을위해데이터를저장하는데이터수집단계 (S80) 와, 수집된상기데이터를이용하여서매입말뚝 (10) 의선단지지력을계산하는선단지지력산정단계 (S90) 를포함한다. [0034] 본발명의풍화토와풍화암반의매입말뚝선단지지력산정방법은다음과같다. 풍화토 (RS, residual soil) 는, 50/15 N' 50/11 의범위이고, 풍화암반 (WR, weathered rock mass) 은, 50/10 N' 50/1 의범위일때, 매입말뚝 (10) 의단위선단지지력 (q p ) 을산정하는하기의상관식은, q p (kn/m 2 ) = 21, N'(N': 누계관입량, cm) 이다. 여 기서, N' 값은말뚝선단지반의표준관입시험치로서, 말뚝선단에서아래로말뚝직경 (D) 범위의평균값이다. [0035] [0036] 이하, 본발명의풍화토와풍화암반의 SDA매입말뚝선단지지력산정방법을보다상세히설명하면다음과같다. 본발명은, 표준설계및시공기법 ( 채수근등, 2013, 2015) 에따라풍화암반에 SDA(Separated Doughnut Auger) 공법으로시공한매입말뚝에서말뚝재하시험을수행하고시험자료를분석하여국내지반조건과시공조건및말뚝의설계지지력에부합하는선단지지력을정량적으로평가할수있는산정식을개발하였다. [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] 상기 SDA공법 ( 채수근, 1997, 2000, 2002, 2007; 채수근등, 2007, 2008, 2013, 2015) 은도 1 및도 2에도시한바와같이정 ( 正 ) 회전하는오거스크류 (auger screw; 1) 와역 ( 逆 ) 회전하는케이싱스크류 (casing screw; 2) 로동시에지반을천공하고말뚝을삽입한후압입 ( 壓入 ) 또는경타 ( 輕打 ) 방식으로설치하는저소음저진동말뚝시공법이다. 또한매입말뚝 (10) 을삽입하기전후에말뚝의선단과주면을시멘트밀크 (cement milk; 3) 로충전하여말뚝의지지력 ( 支持力, end bearing and skin friction capacity) 을증대시키는공법으로써모든규격의기성말뚝을시공할수있는매입말뚝시공법이다. SDA공법은말뚝의선단및주면지반에따라케이싱스크류 (2) 와병행하여오거빗트 (auger bit), 개량해머 (jack hammer) 또는정해머 (air hammer) 로천공한다. 도 1 및도 2는 SDA매입공법의표준시공순서를보여주는도면으로서, 도 1은오거빗트 (auger bit) 로천공하는것이가능한사질토층, 점성토층및풍화대를천공하고말뚝을시공하는순서도이다. 도 2는오거빗트 (auger bit) 로천공하는것이불가능한자갈또는전석 ( 호박돌, boulder) 매립층과퇴적층, 핵석 (core stone) 이분포하는풍화대를개량해머또는정해머로천공하여말뚝을시공하는순서도이다. SDA공법의특징은다음과같다. 오거빗트, 개량해머및정해머를장착한오거스크류 (auger screw; 1) 와말뚝보다 50~60mm 정도큰직경의케이싱스크류 (casing screw; 2) 를이용하여 2중으로천공함에따라굴착효율이높을뿐만아니라천공홀및말뚝의연직도 ( 鉛直度 ) 가양호하며, 특히지하수위와지반조건에영향받지않고말뚝을시공할수있다. 또한굴착된토사를오거스크류 (1) 와압축공기로배토 ( 排土 ) 함으로써토사나암편을육안으로관찰하여선단지지층과마찰지지층을용이하게파악할수있다. 특히말뚝의선단에물시멘트비 (W/C) 가부배합 ( 富配合 ) 인시멘트밀크 (3) 를주입하여슬라임 (slime) 과교반하고말뚝주면공간을충전함으로써말뚝선단과주면지반의강도를증가시키고천공에의해지중응력이이완되는것을방지할수있기때문에큰선단지지력확보가가능하다. 이와같이여러가지장점을갖고있는 SDA공법은 Φ400~Φ600mm인중소구경말뚝 ( 채수근, 2002, 2007, 2015) 은물론이고 Φ700~Φ1200mm인대구경말뚝 ( 채수근등, 2013, 2015) 의설계기준과시공품질기준이확립되어있으며, 그결과현재대부분현장에서 SDA매입말뚝시공법으로기초말뚝을시공하고있다. [0043] [0044] 매입말뚝의선단지지층분류방법은다음과같다. 매입말뚝의지지층이란기초를통해서건축물과토목구조물의하중을직접부담하는지층으로써충분한강도를 가진지층이며, 말뚝의경우에는큰선단지지력을기대할수있는지층이다. 또한장기적으로안정되어야함은 - 9 -

10 물론이고충분한층두께를가져야하며, 액상화 ( 液狀化 ) 나침하영향이매우작은양질의지층이지지층이된다. [0045] [0046] [0047] 매입말뚝의지지력은선단지지력과주면마찰력의합력이며양질의지지층에시공하여주로선단지지력에의존하는지지말뚝을우선적으로고려하는것이일반적이지만, 양질의지지층이매우깊어말뚝시공이어렵거나비경제적인경우에는주면마찰력에의존하는마찰말뚝을채택해야한다. 최근에는국내에서도지진발생빈도가급격히높아지면서수평지지력의중요성이부각되어말뚝주면공간을시멘트밀크로충전하면서마찰지지력을고려하는사례가많아지고있다. 본발명에서는암반지지층이풍화토와풍화암반으로이루어지며, 이러한풍화암반은표준관입시험치 (SPT- N' 값 ) 에따라 10단계 (N' 값, 50/10~50/1) 로구분하였다. 또한본발명에서는현재국내일부기관에서풍화암반으로분류하고있는풍화토 (RS, residual soil, N' 값, 50/15~50/11) 층도매입말뚝의지지층으로간주하여선단지지력특성을규명하였다. 여기서, N' 값은질량 63.5±0.5kg의드라이브해머를 76±1cm의높이에서자유낙하시키고보링로드머리부에부착한노칭블록을타격하여보링로드앞끝에부착한표준관입시험용샘플러를지반에 30cm박아넣는데필요한타격횟수이다. [0048] [0049] 풍화토와풍화암반분류방법은아래와같다. 풍화암반 (WR, weathered rock mass) 은지반조사편람 ( 서울특별시, 2006) 에서추천하는표 1의서울지역지반분류기준에따라 NX규격 ( 천공비트외경 75.7mm) 으로시추하고표준관입시험 (Standard Penetration Test, SPT) 에서측정하는 N값 (50/10~50/1) 과관입시료로확인되는정성적특성을이용하여분류하였다. 또한더블튜브와다이아몬드비트를사용한 NX규격에서이중코어배럴로채취한암석코어시료 ( 직경 54.0mm) 를관찰하여암석 ( 岩石, rock) 종류를파악하고, 풍화도 (weathering intensity), 코어회수율 (Total Core Recovery, TCR) 과암질지수 (Rock Quality Designation, RQD), 암석강도 ( 일축압축, 점하중 ), 현장의탄성파속도등을기준으로암반 ( 岩盤, rock mass) 을분류하였다. 표 1 [0050] [0051] [0052] 표준관입시험방법은 KS F 2307( 한국표준협회, 2012c) 에규정되어있으며, 623N(63.5±0.5 kgf) 의강제 ( 鋼製 ) 드라이브해머를높이 76±1cm에서자유낙하시켜표준관입시험용샘플러 (split barrel sampler, 외경51mm, 내경 35mm, 길이810mm) 를시험용천공홀바닥지반내에 15cm관입 ( 예비타 ), 30cm관입 ( 본타 ) 하는데필요한해머타격횟수가 N값이된다. 다만 N값이 50회이상으로예상되는지반에서는시험규정에따라예비타를생략하고본타 (30cm관입) 하는데필요한해머타격횟수를 N값으로간주하였다. 또한시험규정에따라본타횟수는 50회를한도로하고그때의누계관입량 (cm) 을측정하였으며, 예비타단계에서 50회에도달하는경우는그때의누계관입량을측정하여 N값으로

11 하였다. 현장에서측정하는 N 값은해머효율, 롯드길이, 천공홀직경, 샘플러의종류및유효응력에영향을받 으며, 본발명에서는해머의에너지효율이약 60% 일때의값을적용하되, 말뚝선단에서아래로말뚝직경 (D) 범 위의평균값을 N' 값으로규정하여선단지지력산정식의발명에이용하였다. [0053] [0054] [0055] [0056] [0057] 풍화토와풍화암반에시공하는 SDA매입말뚝의선단지지력산정식은아래와같다. 최근 5년간 90개현장에서표준설계및시공컨설팅기법에따라풍화토, 풍화암반과기반암지지층에총 1,761본의매입말뚝을시공하고재하시험을수행하여매입말뚝의단위선단지지력특성을분석하고단위선단지지력을정량적으로평가할수있는산정식을제안하였다. 일부공공기관에서풍화암반으로분류하는풍화토는 N' 값 (50/15~50/11) 에따라 5단계로구분하였으며, 풍화암반은 N' 값 (50/10~50/1) 에따라 10단계로구분하였다. 연구결과, 풍화토와풍화암반이지지층인매입말뚝의단위선단지지력은표준관입시험치 (N' 값 ), 암종 ( 岩種 ), 말뚝규격과설계지지력, 타격에너지등에따라달라지는것을알수있었다. 특히매입말뚝의선단지지력은시간이경과하면서증가하는것으로파악되었다. 또한본연구를통해말뚝규격및설계지지력별지지층을제안할수있었으며, 말뚝시공장비규격과적정한전달에너지 ( 해머무게와낙하고 ) 범위, 정밀지반조사의중요성등을파악할수있었다. [0058] [0059] SDA매입말뚝의시험시공및재하시험분석은아래와같다. SDA매입말뚝의선단지지력산정식발명을위해전국적으로분포된 90개현장에서총 1,761본의매입말뚝을시험시공하였으며, 현장별로말뚝규격과설계지지력, 말뚝길이, 천공방식, 시멘트밀크의물시멘트비 (W/C), 지층조건 ( 지층과선단지반종류 ) 암종 ( 岩種 ) 을표 2에정리하였다. 또한말뚝의선단지지층을암종별로구분해보면변성암과화성암이각각 40개현장, 퇴적암은 10개현장이된다

12 표 2 [0060]

13 [0061]

14 [0062]

15 [0063] [0064] [0065] [0066] [0067] 본발명의시험말뚝규격및시공조건은다음과같다. 시험말뚝은고강도콘크리트말뚝 (PHC, Pretensioned spun High strength Concrete, KS F 4306, 설계기준강도 78.5MPa) 과초고강도 PHC말뚝 ( 설계기준강도 110MPa) 이며, 중공 ( 中空 ) 형태의원형및선단폐쇄형으로써 A종이다. 사용한말뚝의직경별로현장을구분하면 Φ450mm 2개현장, Φ500mm 63개현장 ( 초고강도 PHC말뚝 20 개현장포함 ) 및 Φ600mm는 30개현장 ( 초고강도 PHC말뚝 6개현장포함 ) 이된다. 시험말뚝은지반종류에따라오거빗트 (auger bit) 또는해머빗트 (jack hammer, air hammer) 방식으로천공하고, 시멘트밀크주입, 해머 (40) 로경타하는 SDA매입공법으로시공하였으며, 말뚝관입길이는 m 정도가된다. 모든시험말뚝은본발명자의설계및시공컨설팅기법에따라결정된설계지지력, 말뚝규격과길이및말뚝시공장비의규격을준수하여시공하였다. 국내대부분의현장에서는말뚝선단을풍화토층또는풍화암반내에관입시키거나기반암반내에관입또는지지시켜시공하고있다. 본발명에서는말뚝의지지층을서울시표준지반분류기준 ( 서울특별시, 2006) 에따라일부공공기관에서풍화암반으로분류하는풍화토층 (RS) 은물론이고, 풍화암반 (WR), 연암반 (SR), 보통암반 (MR), 경암반 (HR) 및극경암반 (XHR) 으로구분하였다. 암종 ( 岩種 ) 은변성암 ( 편마암, 흑운모편마암, 운모편암, 호상편마암 ), 화성암 ( 화강암, 흑운모화강암, 안산암질각력암, 안산암, 유문암 ) 및퇴적암 ( 이암, 혈암, 사암, 역암, 석회암, 응회암 ) 으로분류하였다. 본발명에활용한총 90개현장중풍화대 ( 풍화토, 풍화암반 ) 지지층인현장은 40곳이며, 풍화암반과기반암이동시에지지층인현장및기반암이선단지반인현장은 50곳이된다. [0068] [0069] [0070] 본발명의시멘트밀크배합비는다음과같다. 매입말뚝은규격과설계지지력, 지반조건 ( 지층구성및성분, 투수성, 지하수위와지하수량 ) 등을고려하여표 3 에서와같이현장별로물시멘트비 (W/C) 가 59(60), 68(70), 75, 83% 인시멘트밀크를말뚝선단과주면에동일한배합비로사용하여충전하였다. 물시멘트비 (W/C) 별시멘트와물의량은표 3에서보는바와같으며, 1종보통포틀랜드시멘트 (KS L 5201) 와 2종고로슬래그시멘트 (KS L 5210) 로구분하여제시하였다

16 표 3 [0071] [0072] [0073] [0074] [0075] [0076] [0077] 본발명의말뚝재하시험및결과분석은다음과같다. 시험시공한 1,761본의말뚝에서동재하시험 3,329회 ( 초기동재하시험 1,761회, 재항타동재하시험 1,568회 ) 와정재하시험을 275회실시하였으며, 말뚝의시험시공방법및재하시험방법에대한상세한내용은표 4에서보는바와같다. 시험시공한말뚝에대해 PDA(Pile Driving Analysis : Pile Dynamics Inc, 1995) 에의한초기 ( 시공중 ) 동재하시험 (EOID test) 을 KS F 2591 규정에따라실시하고 CAPWAP(CAse Pile Wave Analysis Program : GRL Associates Inc, 1996) 방법으로분석하여말뚝의지지력과건전도등을확인하였다. 또한선단지지력의시간경과효과 (time effect) 를확인하기위해재항타동재하시험 (restrike test) 을실시하였다. 아울러모든현장에서 1회이상연직정재하시험을실시하여하중 - 침하량관계로부터허용지지력을파악하고동재하시험과의상관성을비교검토하여동재하시험결과치의신뢰도를검증하였다. 전국 90개현장에서 SDA매입공법으로시공한 1,761본의말뚝에서동재하시험 (EOID & restrike test) 을수행한결과자료를이용하여풍화토 (N' 값, 50/15~50/11), 풍화암반 (N' 값, 50/10~50/1) 의선단지지력특성을분석하였다. 시험말뚝에서시행한동재하시험의결과자료를 CAPWAP방법으로해석하고말뚝직경과설계지지력별로분석하여단위선단지지력 (unit end bearing capacity) 으로표현하였으며, 경타할때사용한램 (ram) 중량과전달에너지 ( 타격에너지 ), 초기 ( 시공중 ) 및재항타동재하시험시확인된각각의단위선단지지력을설계지지력과의비율 (%) 로산정하여표 4에정리하였다

17 표 4 [0078]

18 [0079]

19 [0080]

20 [0081] [0082] [0083] [0084] 동재하시험과정재하시험비교분석은아래와같다. 동재하시험결과로부터얻은매입말뚝의지지력에대한신뢰도를검증하기위해서동일또는서로인접한말뚝에대해재항타동재하시험과정재하시험을시행하고두시험의하중-침하량변화를함께비교하였다. 도 3은동정재하시험하중-침하량곡선을나타낸도면으로서, 말뚝선단지반종류, 말뚝규격과설계지지력별로 3 현장에서시행한동재하시험과정재하시험의하중-침하량관계곡선을분석한결과매우유사한양상을보여주는것으로확인되었다. 따라서본발명에이용한동재하시험결과의신뢰도는양호한것으로평가할수있다. [0085] [0086] 풍화암반에시공한 SDA 매입말뚝의단위선단지지력분석은아래와같다. 풍화토 (N' 값, 50/15~50/11) 와풍화암반 (N' 값, 50/10~50/1) 에시공한시험말뚝 (Φ450~Φ600) 의단위선단지지력 (q p ) 을분석해본결과는표 5 및도 4 와같으며, 시공초기에는선단지지력이매우큰값으로측정되었지만시 간경과에따라말뚝의마찰저항력이증가하는것으로나타났다. 도 4 에의하면매입말뚝은시멘트밀크양생기 간이 3 주 (21 일 ) 정도경화될때전체지지력에대한선단과주면마찰력의분담률이각각 50% 로수렴되는것을확 인할수있다. [0087] [0088] [0089] [0090] 또한도 5에서보는바와같이말뚝이충분히변위 (mobilize) 되도록큰타격에너지로재항타동재하시험을수행한결과선단지지력이평균적으로 15.7% 가증가하는것으로나타났다. 이것은천공시발생하는토사또는암편의슬라임과시멘트밀크를충분히교반함으로써소일시멘트 (soil cement) 보강체가말뚝선단에매우단단한구근 ( 球根 ) 형태로형성되고, 경타방식으로말뚝을천공홀바닥에안착시키기때문에말뚝선단지반의강도가증가한영향으로판단된다. 한편말뚝선단지반이기반암일경우에는시멘트밀크가암반의불연속면 (discontinuity) 에침투되어암반을보강할뿐만아니라큰타격에너지로인해불연속면의틈새 (aperture) 가좁혀지고연약대나파쇄대가조밀하게되어말뚝의선단지지력이증가하는것으로분석된다. 현재까지매입말뚝에서선단지지력의시간경과효과를정량적으로규명한사례가없었는데, 금번발명에의하면시멘트밀크가양생되면서초기 ( 시공중 ) 동재하시험시단위선단지지력보다최소 10% 큰값을설계에반영할수있는것으로확인되었다. [0091] [0092] 풍화토와풍화암반의단위선단지지력은다음과같다. 표 4 에현장별로사용한시험말뚝중풍화토 (RS, residual soil, 50/15 N' 50/11) 와풍화암반 (WR, weathered

21 rock mass, 50/10 N' 50/1) 에 SDA 매입공법으로시공한 PHC 말뚝의단위선단지지력 (q p ) 과말뚝선단지반의표준 관입시험치 (SPT-N' 값 ) 의관계를분석하였다. [0093] [0094] 본분석은상관분석과회귀분석을이용하였으며, 암종 ( 岩種 ), 말뚝의규격과설계지지력에관계없이모든시험자료를분석한결과는도 6 및식 (1)~ 식 (3), 표 5와같다. 본발명에서이용한 N' 값은말뚝선단에서아래로말뚝직경 (D) 범위의평균값이며, 경타 ( 輕打 ) 에너지크기와시멘트밀크의양생에따른말뚝선단지반의강도증가효과는고려하지않았다. 상관분석의결과는도 6에서보는바와같이 N' 값과단위선단지지력 (q p ) 의산점도 (scatter plot) 로나타냈다. 산점도상에서각점들이얼마나밀도있게모여있는지를나타내는 Pearson 상관계수 (r) 를통해 N' 값과단위선 단지지력 (q p ) 사이의상관성을표현하였다. [0095] 도 6a 는풍화토와풍화암반의단위선단지지력 (q p ) 과 N' 값의상관관계를나타낸것이다. Pearson 상관계수 (r) 값 은 로나타나 N' 값과단위선단지지력 (q p ) 간에매우유의한음의상관관계가있음을알수있다 (p<0.001). 즉, N' 값의관입량 (cm) 이클수록단위선단지지력 (q p ) 이작고, N' 값의관입량 (cm) 이작을수록단위선 단지지력 (q p ) 이컸다. [0096] 도 6b 는풍화토 (N' 값 50/15~50/11) 에서단위선단지지력 (q p ) 과 N' 값의상관관계를나타낸것이다. Pearson 상관 계수 (r) 값은 로나타나 N' 값과단위선단지지력 (q p ) 간에매우유의한음의상관관계가있음을알수있 다 (p<0.01). 즉, N' 값의관입량 (cm) 이클수록단위선단지지력 (q p ) 이작고, N' 값의관입량 (cm) 이작을수록단위 선단지지력 (q p ) 이컸다. [0097] 도 6c 는풍화암반 (N' 값 50/10~50/1) 에서단위선단지지력 (q p ) 과 N' 값의상관관계를나타낸것이다. Pearson 상관 계수 (r) 값은 으로나타나 N' 값과단위선단지지력 (q p ) 간에매우유의한음의상관관계가있음을알수 있다 (p<0.001). 즉, N' 값의관입량 (cm) 이클수록단위선단지지력 (q p ) 이작고, N' 값의관입량 (cm) 이작을수록단 위선단지지력 (q p ) 이크게나타났다. [0098] 단위선단지지력과표준관입시험치의관계를방정식 ( 모형 ) 으로나타낸결과는식 (1)~(3) 와같다. 식 (1) 은풍화토 와풍화암반의단위선단지지력 (q p ) 과 N' 값의회귀식이다. 식 (3) 은풍화토의단위선단지지력 (q p ) 과 N' 값의회귀식 이며식 (4) 는풍화암반의단위선단지지력 (q p ) 과 N' 값의회귀식이다. [0099] [0100] [0101] 식 (1), 'RS+WR'(50/15 N' 50/1) : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.8678, p<0.001) 식 (2), 'RS'(50/15 N' 50/11) : qp = 19, N' 값 (R 2 =0.6907, p<0.001) 식 (3), 'WR'(50/10 N' 50/1) : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.8338, p<0.001) [0102] 풍화토와풍화암반의데이터를나타낸식 (1) 를보면회귀식의기울기가 , 절편은 21,704 로나타났으며 설명력 (R 2 ) 은 86.7% 로나타났다 (p<0.001). 풍화토의데이터를나타낸식 (2) 을보면회귀식의기울기가 , 절편은 19,531 로타나났으며설명력 (R 2 ) 은 69.1% 로나타났다 (p<0.001). 풍화암반의데이터를나타낸식 (3) 를보 면회귀식의기울기가 , 절편은 21,893 이었으며설명력 (R 2 ) 은 83.3% 로나타났다 (p<0.001). [0103] [0104] 풍화토와풍화암반의암종별단위선단지지력은아래와같다. 말뚝의규격과설계지지력에관계없이암종 ( 岩種 ) 별로선단지반이풍화대인매입말뚝의모든시험자료를분석한 결과는도 7 과도 8, 식 (4)~ 식 (9) 및표 5 와같다

22 [0105] 도 7 은변성암, 화성암및퇴적암별로 N' 값이 50/15~50/11 인풍화토 (RS, residual soil) 를포함한풍화암반 (WR, weathered rockmass) 의단위선단지지력 (q p ) 과표준관입시험치 (N' 값 ) 의산점도와회귀직선을각각나타낸 것이다. [0106] 변성암을대상으로표준관입시험치 (N' 값 ) 와단위선단지지력관계에대해회귀분석을수행한결과, 회귀식은식 (4) 와같다 (R 2 =0.886, p<0.001). Pearson 상관계수 (r) 값은 로나타나 N' 값과단위선단지지력 (q p ) 간에 매우유의한음의상관관계가있음을알수있다. 변성암회귀식의기울기는 , 절편은 21,463 으로나타 났다. [0107] 화성암을대상으로표준관입시험치 (N' 값 ) 와단위선단지지력관계에대해회귀분석을수행한결과, 회귀식은식 (5) 와같다 (R 2 =0.858, p<0.001). Pearson 상관계수 (r) 값은 으로나타나 N' 값과단위선단지지력 (q p ) 간에 매우유의한음의상관관계가있음을알수있다. 화성암회귀식의기울기는 , 절편은 21,988 로나타났 다. [0108] 퇴적암을대상으로표준관입시험치 (N' 값 ) 와단위선단지지력관계에대해회귀분석을수행한결과, 회귀식은식 (6) 과같다 (R 2 =0.904, p<0.001). Pearson 상관계수 (r) 값은 으로나타나 N' 값과단위선단지지력 (q p ) 간에 매우유의한음의상관관계가있음을알수있다. 퇴적암회귀식의기울기는 , 절편은 21,172 로나타났 다. [0109] [0110] [0111] [0112] 식 (4), 변성암 (RS+WR) : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.8867, p<0.001) 식 (5), 화성암 (RS+WR) : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.8584, p<0.001) 식 (6), 퇴적암 (RS+WR) : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.9044, p<0.001) 따라서풍화대의암종 ( 岩種 ) 별단위선단지지력도표준관입시험치 (N' 값 ) 에비례하며상관성이매우강한것을알수있다. [0113] [0114] [0115] [0116] 또한풍화암반시험자료만대상으로하여회귀분석을실시한결과는각암종별로식 (7)~ 식 (9) 및표 5와같으며, 풍화토와풍화암반의전체시험자료회귀분석결과와마찬가지로단위선단지지력은표준관입시험치 (N' 값 ) 에비례하고상관성이매우강한것을알수있다. 식 (7), 변성암 (WR) : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.8561, p<0.001) 식 (8), 화성암 (WR) : qp = 22, N' 값 (R 2 =0.8313, p<0.001) 식 (9), 퇴적암 (WR) : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.8407, p<0.001)

23 표 5 [0117] [0118] [0119] 풍화암반에서말뚝규격별단위선단지지력은다음과같다. 도 9 는말뚝의직경과설계지지력크기에따른단위선단지지력 (q p ) 과표준관입시험치 (N' 값 ) 의상관관계를나타낸 것으로써회귀식은식 (10)~ 식 (14) 와같다. 도 9 에의하면말뚝의규격과설계지지력에관계없이단위선단지지력 은표준관입시험치 (N' 값 ) 에비례하며상관성이매우강한것을알수있다. [0120] [0121] [0122] [0123] [0124] 식 (10), Φ450 고강도 PHC PILE : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.7644) 식 (11), Φ500 고강도 PHC PILE : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.8935) 식 (12), Φ500 초고강도 PHC PILE : qp = 23, N' 값 (R 2 =0.7950) 식 (13), Φ600 고강도 PHC PILE : qp = 20, N' 값 (R 2 =0.9142) 식 (14), Φ600 초고강도 PHC PILE : qp = 21, N' 값 (R 2 =0.8608) [0125] 또한도 9 및표 6에의하면말뚝직경과설계지지력의크기에따라동일한지반조건에서단위선단지지력은달라지며, 말뚝직경이작을수록그리고동일직경의말뚝에서는설계지지력이클수록단위선단지지력이더증가하는나타났다. 특히동일한직경의말뚝에서고강도말뚝보다초고강도말뚝을적용하기위해서는고강도말뚝적용할때보다지지지반의강도가더커야한다. 즉, 풍화토지반은고강도말뚝의선단지반으로써적용성이높은반면에초고강도말뚝의선단지반으로써적용성이낮은것으로확인되었다

24 표 6 [0126] [0127] [0128] 풍화토와풍화암반에서매입말뚝의단위선단지지력은다음과같이산정된다. 도 6 ~ 도 8 및표 5 에의하면풍화토 (N' 값 50/15~50/11) 의단위선단지지력 (q p ) 은 10,000~ 13,000kN/ m2정도로 써 N' 값과 200~260N 범위로나타났다. 또한풍화토 (N' 값 50/15~50/11) 를포함한풍화암반의시공중단위선단 지지력 (q p ) 은 14,216~20,955kN/ m2가되며, 풍화토를제외한풍화암반 (N' 값 50/10~50/1) 의단위선단지지력 (q p ) 은 13,940~21,098kN/ m2가된다. [0129] 따라서두값중작은값을채택하면풍화암반의단위선단지지력 (q p ) 은 13,940~20,955kN/ m2정도가되며제안 값은 13,500~20,000kN/ m2로써 N' 값과 270~400N' 범위가된다. 이제안값은변성암과화성암에서는직접적용가 능하지만퇴적암에서는 10% 감소시켜적용하는것이타당하다. [0130] 도 9 및표 6 에의하면매입말뚝의지지층이풍화대인경우 Φ450mm 고강도말뚝의단위선단지지력 (q p ) 은 11,847~20,963kN/ m2정도가되며제안값은 13,500~20,000kN/ m2로써로써 N' 값과 230~410N 범위로나타났으며, Φ500mm 고강도말뚝의단위선단지지력 (q p ) 은 10,661~20,555kN/ m2정도로써 N' 값과 210~400N 범위로나타났다. 또한 Φ600mm 고강도말뚝의단위선단지지력 (q p ) 은 11,058~20,015kN/ m2정도로써 N' 값과 210~400N 범위로나타났다 [0131] [0132] 이상에서와같은본발명은다음과같은특징이있다. 국내 90개현장에서 SDA(Separated Doughnut Auger) 매입공법으로 1,761본의말뚝을풍화토, 풍화암반과기반암에지지시켜시공하고말뚝재하시험을수행하여얻은시험자료를분석하여단위선단지지력을정량적으로산정할수있는경험식을개발하였으며, 다음과같은결론을얻었다

25 [0133] [0134] 첫째, 동재하시험자료의신뢰도동재하시험결과로부터얻은매입말뚝의선단지지력에대한신뢰도를검증하기위해동일또는인접한말뚝에서시행한동재하시험과정재하시험의하중-침하량관계곡선을비교한결과매우유사한양상을보여주는것으로나타남에따라동재하시험자료의신뢰도는매우양호하다고평가할수있다. [0135] [0136] 둘째, 풍화토 (50/15 N' 50/11) 와풍화암반 (50/10 N' 50/1) 의단위선단지지력 (q p ) 산정식 ( 가 ), 풍화토와풍화암반에지지시켜시공하는매입말뚝의단위선단지지력 (q p ) 을표준관입시험치 (N' 값 ) 와암종 ( 岩種 ), 말뚝규격과의상관식을발명하였다. 상관식에이용한 N' 값은 KS F 2307( 한국표준협회, 2012c) 의시험규정에따라시추공에서 1.0m 심도마다측정하되, N' 값이 50회이상될것으로예상되는지반에서는예비타 (15cm 관입 ) 없이본타 (30cm관입) 만으로측정한값이다. 측정한 N' 값은해머의에너지효율이약 60% 일때의값이며, 말뚝선단에서아래로말뚝직경 (D) 범위의평균값이다. 또한풍화토층과풍화암반은서울시 (2006) 지반분류기준에따라 N' 값으로구분하였다. [0137] ( 나 ), 말뚝의규격과암종 ( 岩種 ) 에관계없이풍화토 (50/15 N' 50/11) 와풍화암반 (50/10 N' 50/1) 의단위선 단지지력 (q p ) 은도 10 과표 7 에서보는바와같이말뚝선단지반의 N' 값과비례관계에있으며상관성이매우양 호한것으로확인되었다. 풍화토의단위선단지지력은 10,000~13,000kN/ m2정도로써 N' 값과 200~260N 범위로 나타났으며, 풍화암반의단위선단지지력 (q p ) 은 13,500~20,000kN/ m2로써 N' 값과 270~400N' 범위가된다. 또한단 위선단지지력 (q p ) 을산정하는상관식으로제안하면식 (15) 와같다. [0138] [0139] 식 (15), q p (kn/m 2 ) = 21, N'(N': 누계관입량, cm) 위상관식은 LH공사식, 한국지반공학회식및대한건축학회식보다풍화토층이나풍화암반에시공하는매입말뚝의선단지지력을더욱정확하게평가할수있다. 아울러단위선단지지력제안값은표준설계및시공컨설팅기법에따라말뚝을시공하고동재하시험하여얻은값이므로허용선단지지력산정시안전율 2.5를적용할수있다

26 표 7 [0140] [0141] ( 다 ), 암종 ( 岩種 ) 별풍화토 (50/15 N' 50/11) 와풍화암반 (50/10 N' 50/1) 의단위선단지지력 (q p ) 도표준관입 시험치 (N' 값 ) 에비례하며상관성이매우양호한것으로확인되었다. [0142] [0143] 다만, 변성암과화성암의풍화암반의단위선단지지력은암종 ( 岩種 ) 에관계없이제안한단위선단지지력과동일하 게적용할수있으며, 퇴적암반은약 3% 정도감소시켜적용하는것이안전하다. ( 라 ), 말뚝의규격 ( 직경, 강도 ) 및설계지지력크기별풍화암반 (50/10 N' 50/1) 의단위선단지지력 (q p ) 도표준 관입시험치 (N' 값 ) 에비례하며상관성이매우양호한것으로확인되었다. 말뚝직경이작을수록, 동일한직경에서는설계지지력이클수록동일한 N' 값에서단위선단지지력 (q p ) 은커지는것으로나타났다. 이것은장비의굴착성능이개선됨에따라매우단단한지층까지천공이가능해지고, 장비규격이증대되면서말뚝직경과규격에적정한전달 ( 타격 ) 에너지로경타할수있기때문이다. [0144] [0145] [0146] [0147] 셋째, 시멘트밀크가단위선단지지력에미치는영향 ( 가 ), 현재까지매입말뚝에서선단지지력의정량적인시간경과효과를규명한사례가없었다. 그러나, 금번발명에서시멘트밀크가양생되면초기 ( 시공중 ) 동재하시험시단위선단지지력보다평균적으로 15.7% 가증가하는것으로나타났다. 이와같이단위선단지지력이증가한것은시멘트밀크와경타로인해말뚝선단지반의강도가증가한영향으로판단된다. ( 나 ), 본발명의출원인이제안한단위선단지지력산정식에는이러한지지력증가효과를고려하지않았지만상황에따라서는산정식의값보다최소 10% 이상큰값을적용할수있다. [0148] 넷째, 본발명의식들을적용할시고려할사항

27 [0149] [0150] [0151] ( 가 ), 매입말뚝을경타방식으로천공바닥의원지반에관입시키지않아도슬라임 (slime) 과시멘트밀크를충분히교반하고천공홀바닥까지안착시키면시간경과에따라선단지지력이증가하는것으로나타났다. 따라서본제안식은매입말뚝을표준시공법에따라정밀시공한다면보수적인값이될수있음을알수있다. ( 나 ), 매입말뚝의단위선단지지력은동일한말뚝조건에서도시공장비규격과노후도, 천공및전달에너지효율에따라달라질수있으며, 말뚝선단지반조건 ( 핵석분포, 지지층두께, 지하수 ), 천공방식, 시공품질수준에큰영향을받는다. 따라서장비조건과시공품질이불량할경우제안식의단위선단지지력을 10% 감소시켜적용해야한다. ( 다 ), 매입말뚝의단위선단지지력산정식은표준시공법으로시공하는강관말뚝에도동일하게적용할수있다. 대구경말뚝에대해서도적용할수있으나 EMX값이충분히커야하며, 만약큰 EMX값을적용이불가능한경우단위선단지지력을 10% 감소시켜적용해야한다. [0152] 부호의설명 1 : 오거스크류 2 : 케이싱스크류 3 : 시멘트밀크 10 : 매입말뚝 20 : 변형률계 30 : 가속도계 40 : 해머 50 : 항타분석기 도면 도면

28 도면 2 도면

29 도면 4 도면

30 도면 6 도면

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32 도면

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