토목 기술정보Ⅳ 4 마이크로파일 (Micropile) 공법소개및적용사례 글최재호 \ 토목기술팀차장 \ 토질및기초기술사 \ 전화 02-3433-7756 \ E-mail soilplug@ssyenc.com 글이종원 \ 토목기술팀대리 \ 전화 02-3433-7743 \ E-mail ironmasktt@ssyenc.com 1. 머리말마이크로파일공법이란구조물기초, 기초보강, 리모델링등의목적으로사용되는직경 30cm 이하의비변위말뚝으로정의된다 (FHWA, 2005). 마이크로파일은주변구조물이나지반그리고환경에최소한의영향을주면서시공되며, 접근하기어려운환경과대부분의토질조건에서시공이가능하다. 특히시공과정에서진동과소음이작고, 소규모현장 ( 진입로확보곤란, 작업공간협소, 대형장비운용곤란 ) 등과같이기존말뚝공법적용이곤란한현장에서효율적으로적용및대응이가능한공법이다. 국내에서는마이크로파일공법이대중적으로사용되고있으며, 일반적인마이크로파일이외에도이를개량한헬리컬파일, HAP파일, 덕타일파일등이사용되고있다. 본고에서는마이크로파일의공법소개및시공사례등을소개하고자한다. 2. 마이크로파일의개요 2-1. 마이크로파일의정의마이크로파일 (Micropile) 은강재로보강된소구경 ( 직경 300mm 이하 ) 비변위말뚝으로지지층에근입된강재의마찰력에의해지지되며비교적큰수직하중에저항할수있다. 설계여건에따라기존의기성말뚝인강관파일, PHC 파일을대체하여적용하거나지반 / 말뚝복합체로이용될수있다. 마이크로파일은소형시공장비를사용하기때문에접근하기어려운환경에서시공가능하며대부 분의토질조건에적용가능하다. 또한시공과정에서진동과소음이 작고층고가낮은곳에서도시공이가능함으로기존건축물의기초 보강에도이용가능하다. 2-2. 마이크로파일의메커니즘 마이크로파일의구조적지지능력은하중의대부분또는전부가고 강도강재에의해발휘되며, 이러한보강재의단면적은전체파일 단면적의절반을차지하기도한다. 마이크로파일은그라운드앵커 와비슷한방식으로그라우트와지반의마찰저항력으로강재가지 지하는외부하중을지반으로전달한다. 그라우트 / 지반의마찰저항 력은주로지반조건이나그라우팅방법 ( 압력식주입, 중력식주입 ) 에 따라좌우된다. 또한파일의직경이작고선단슬라임의처리가쉽 지않으므로일반적으로지지력산정시선단지지력은무시한다. 마이크로파일의메커니즘은 [ 그림 1] 과같다. FOUNDATION 연약층 (Casing 설치 ) 지지층 선단지지력무시 LOCK NUT STEEL PLATE THREAD BAR COUPLER GROUT HOSE CENTRALIZER STEEL CASING 토사층마찰력무시 지지층에서의마찰력 = 설계지지력 [ 그림 1] 마이크로파일의메커니즘 46 건설기술 / 쌍용
마이크로파일의단면적은상대적으로작기때문에토사지반또는연약한암반에설치된마이크로파일의선단지지력은일반적으로설계시무시한다. 그러나매우단단한암반에설치된마이크로파일의경우, 지지력은주로선단지지력에의해발휘되며부수적으로주면마찰력에의해발휘될수도있다. 선단지지마이크로파일을적용하기위해서는세심한주의가요구되며, 지지층인암반의특성및암반하부에공동또는연약한지반의존재여부를파악하기위한충분한지반조사가이루어져야한다. 3. 마이크로파일의분류 CASE 2 마이크로파일은지반을그물식으로에워싸듯이보강하여외부하중에저항하도록지반 / 말뚝복합체를형성하며, 보강된지반의한구성요소인그물식마이크로파일은구조물의지지와지반의안정을위해적용된다. 즉, 구조물의하중은말뚝각각이아닌보강된지반전체에작용하게된다. CASE 2 마이크로파일은 CASE 1 마이크로파일에비해강재보강량이적은데, CASE 1 마이크로파일과같이각각의말뚝이직접적으로하중을지지하는구조가아니기때문이다. 이말뚝은그물식으로설치되어지반을보강하여지반 / 말뚝복합체를형성시킨다. 3-1. 파일거동에의한분류 FHWA에의하면, 단일또는군 (Gooup) 으로설치되는마이크로파일 (CASE 1) 과그물식마이크로파일 (CASE 2) 로구분되는데 CASE 1 마이크로파일은하중을직접적으로지지하며이하중의대부분을보강된강재가지지한다. CASE 1 마이크로파일은기존의말뚝을대체하여상부구조물의하중을보다견고하고안정적인하부지반에전달하기위해사용되며, 수직력및수평력에대해마이크로파일이직접적으로저항한다. 즉, 하중은주로구조적으로보강된강재에의해, 지반공학적측 TO SUPPORT VERTICAL LOAD AND LATERAL LOADS (IF NEEDED) COMPOSITE BLOCK CAP BEAM COMPOSITE BLOCK TO LOWER CENTER OF GRAVITY OF SOIL-STRUCTURE UNIT TO IMPROVE STABILITY [ 그림 3] CASE 2 마이크로파일 (FHWA. 2005) ROADWAY STRUCTURE CENTER OF GRAVITY RESULTANT CENTER OF GRAVITY BLOCK CENTER OF GRAVITY PALI RADICE (ROOT PILE) RETICULATED STRUCTURE 면으로는각각의말뚝과그라우트 / 지반의부착영역에의해지지된 다. 북미에서적용되는마이크로파일의대부분그리고전세계적으 로적용되는마이크로파일의 90% 이상은 CASE 1 마이크로파일로 분류된다. 3-2. 그라우팅방법에의한분류 그라우트 / 지반의마찰저항력에가장민감하게영향을미치는요소 는그라우팅방법이다. 그라우팅방법에따라직접적으로마찰저항 력이변화하게된다. FHWA 는그라우팅방법이나압력에따라마 NEW BRIDGE STRUCTURE 이크로파일을문자 (A~D) 를사용하여분류하고천공용케이싱이나 보강재에따라세부적으로분류하였다 ([ 그림 4] 참조 ). BRIDGE ABUTMENT 2H : 1V NEW MICROPILE FOUNDATIONS SUPPORT (TYP) FOUNDATION SUPPORT REINF ORCED CONCRETE CAP ROAD SURFACE FINISHED GRADE APPROXIMATE FAILURE PLANE CASE 1 NON RETICULATED MICROPILE STRUCTURE (TYP) TYPE A ( 중력식그라우팅 ) TYPE B ( 케이싱을통해가압 ) TYPE C ( 싱글가압포스트그라우팅 )) TYPE D ( 멀티가압포스트그라우팅 )) PRESSURE GAGE SLOPE STABILIZATION PACKER [ 그림 2] CASE 1 마이크로파일 (FHWA. 2005) [ 그림 4] 그라우팅방법에의한마이크로파일의분류 (FHWA. 2005) 2018 47
1) 중력식그라우팅 Type A 마이크로파일중력식그라우팅방법은높은압력으로주입되는방법에비해많이사용되지않으며, 현재는단단한점성토에설치되는낮은지지력을갖는말뚝이나기초지반이암반인경우에주로사용된다. 마이크로파일은전통적인지지시스템과비교하여고유의장점을갖고있으며, 일반적으로아래와같은제약이있는경우그적용성이우수하다. 1 공간적인제약으로인해장비의접근이어려운협소한지역 2 기존구조물에또는인접하여시공해야하는경우 2) 가압식그라우팅 Type B 마이크로파일가설용강재케이싱을인발하면서압력을가하여시멘트그라우트를주입한다. 주입압은보통 5~10kg/cm 2 이며, 사질토에서실시하면주입압에의해시멘트현탁액속의물이주변지반으로빠져나가기때문에지반속에최종주입된그라우트의응결시간은단축되고 3 지반및굴착조건이양호하지않은경우 4 진동및소음발생최소화가필요한경우 5 압축및인장이동시에작용하는타워, 굴뚝및송전탑기초마이크로파일의시공사례는내진보강공사, 기초보강공사등 [ 그림 6~9] 와같이다양하다. 높은강도를발휘하게된다. 점성토에서실시하면사질토에서보다 지반개량효과는떨어지지만수평으로지반변위가발생하여다짐효 과가생기게된다. 3) 포스트그라우팅 Type C, D 마이크로파일 지반의수압파쇄나주입시그라우트가케이싱을따라흐를가능성 이있는경우에는가압식그라우팅을사용할수없기때문에포스 트그라우팅기술이개발되었다. 이방법은공내에먼저그라우트 [ 그림 6] 천안 ОО 초등학교내진보강공사 를채운후특수한그라우트튜브를통해추가적으로그라우트를주입하는것으로, 이때추가주입되는시멘트그라우트는먼저채워진것에비해높은물시멘트비를가지며흙의필터기능으로인해흙을통과하는동안함수량이적어지게되어큰강도를내게된다. 4. 마이크로파일의시공순서및적용성 마이크로파일의시공순서는일반적으로 [ 그림 5] 와같다. [ 그림 7] ОО 제지기초공사 1 천공및케이싱설치 2 천공비트제거 3 보강재삽입및그라우팅 4 케이싱제거 ( 필요시추가주입및가압 ) 5 두부정리 ADDITIONAL GROUT [ 그림 8] ОО 제강공장보강공사 COMPRESSIBLE STRATUM BEARING STRATUM BEGIN DRILLING & OR INSTALLATION OF TEMPORARY CASING COMPLETE DRILLING TO DEPTH REMOVE INNER DRILL BIT & ROD (IF USED) PLACE REINFORCEMENT & GROUT (BY TREMIE) REMOVE TEMPORARY CASING, INJECT FURTHER GROUT UNDER PRESSURE AS APPLICANLE [ 그림 5] 마이크로파일의시공순서 COMPLETE PILE (CASING MAY BE LEFT IN PLACE THROUGH THE COMPRESSIBLE STRATIM) [ 그림 9] ОО 중학교내진보강공사 48 건설기술 / 쌍용
5. 마이크로파일공법소개 5-1. 헬리컬 (Helical) 파일헬리컬파일은한개이상의나선형원판을중공형축에부착한후지반에회전관입시켜지지력을발현하게하는말뚝기초로서, 지상에서가해지는회전력은축을통해서나선형원판에전달되며전달된회전력이관입력으로변화되어헬리컬파일이지반에관입된다. 즉, 유압모터에서발현되는토크는원판을지중으로소정의각도 (3 ) 로관입하며, 관입전단력이지반의극한지지력보다클때나선형원판이흙을전단하면서회전관입된다. 헬리컬파일은항타와굴착의공정이필요하지않아무소음 무진동시공이가능한말뚝이다. 또한목표심도까지회전관입이가능하게하는회전관입기 (Toque Machine) 만으로도시공이가능하므로비교적소형의장비로말뚝시공이가능하고, 조작이간단하며, 상업적으로사용되고있는건물또는유적지와같이시공부지가한정된곳에서시공이가능한장점이있다. 헬리컬파일은중공형중심축에중심축보다큰직경을갖는나선형원판이부착되어있으므로각기의나선형원판이선단지지력을발휘할수있어 (Livneh, 2008), 기존의강관말뚝에비해재료비에대한지지력측면에서큰이점을갖는다. 지지력산정은일반적으로나선형원판의개별수동저항지지력산정방법인 Individual Bearing Method (Terzaghi, 1943) 과나선형원판에갇힌흙들이주변흙들과원통형으로마찰을일으키며발현되는저항을산정하는방법인 Cylindrical Shear Method (Mooney et al., 1985) 이사용된다. Individual Bearing Method는각각의나선형원판에서지지력이발현된다고가정하고, 헬리컬파일의지지력을각각의원판의지지력의합과강관축의주면마찰력의합으로가정한다. Cylindrical Shear Method에서는헬리컬파일의지지력을최하단나선형원판의선단지지력, 나선형원판들사이에갇힌원통형지반의마찰전단력, 강관축의주면마찰력의합으로계산한다 ([ 그림 10] 참조 ). 헬리컬파일의주요적용분야는아래와같다. 1 일반및산업용구조물, 토목구조물지지를위한기초공법적용 2 벽면보호공법, 부력방지용, 구조물보수보강 ( 재건축, 리모델링포함 ) 3 압축및인장이동시에작용하는타워, 굴뚝및송전탑기초헬리컬파일의시공사례는증축공사, 구조물기초보강등 [ 그림 11~14] 와같다. [ 그림 11] ОО자동차변전소증축공사 [ 그림 12] ОО스틸공장 [ 그림 13] ОО시험동증축공사 [ 그림 14] ОО 건물증축공사 (a) Individual bearing method [ 그림 10] 헬리컬파일의메커니즘 (b) Cylindrical shear method 5-2. HAP파일 HAP(Hollow Anchor Pile) 파일공법은중공형강봉선단에드릴비트를장착하여직천공하고, 그라우트재를주입하여지중에말뚝체를형성하는공법 ( 특허제10-1499341호 ) 으로, 천공과그라우트가시공중에동시에이루어지는새로운타입의마이크로파일공법이다 ([ 그림 15] 참조 ). 2018 49
너트플레이트 5-3. 덕타일 (Ductile) 파일 덕타일파일은고강도덕타일주철을이용한파일로, 파일한쪽에는 원뿔형커플러가있고, 다른쪽에는선단이있는연성주철관으로 개량지반 소일시멘트구근 시멘트구근 할로우바 (Hollow Bar) 형성된다. 파일의시공은유압해머를장착한굴착기를사용하여파일을항타, 주면마찰력과선단지지력으로지지력을최대화한공법이다. 덕타일파일은주면마찰파일 (Skin Friction Pile) 과선단지지파일 (End Bearing Pile) 로나눌수있는데, 주면마찰파일은연약한토사층또 커플러스페이서드릴비트그라우트홀 는매립층이깊고지층이불안정할때사용된다. 즉파일의외경도 키우고토층과융합하는마찰결속력과수평지지력을한층강화시 키고자할때사용된다. 파일항타시콘크리트펌프를이용하여그 라우팅이파일관입과동시에연속적으로자동주입되기때문에다 D = 1 ~ 2d [ 그림 15] HAP 파일의메커니즘 른시스템이부적합한고도의습지또는오염현장같은토질에서도 사용될수있다. 선단지지파일은조밀한자갈이나암반에서주로 사용되며그라우팅을추가할수도있다. 덕타일파일의메커니즘은 HAP 파일은그라우트에의해말뚝체주변의지반개량효과로말뚝 [ 그림 18] 과같다. 과지반의부착력을향상시켰으며, 드릴비트에의해직천공이가능 하므로시공용외부케이싱이필요없다는장점이있다. 또한공정 Skin Friction Pile Pile head bearing plate End-Bearing Pile 이단순화되므로시공속도가향상되며, 영구구조체로써부식에대한조치가불필요하다. 토사층에서구근을형성하여주면마찰력을최대화하므로파일의길이를최소화할수있는특징이있다. HAP파일의시공사례는 [ 그림 16~17] 과같다. Soft silt Dense sand Sanded grout / concrete Tubular ductile iron pile Tapered spigot end + Tapered socket Soft silt Stiff sandy clay, silty sand Dense silty sand End plug Grout shoe or Rock point Rock / Bedrock [ 그림 18] 덕타일파일의메커니즘 덕타일파일은주로유럽 ( 독일, 오스트리아등 ) 에서널리쓰이며국 내에서는쌍용건설적도기니몽고메엔신공항청사신축현장의시 공사례가있으며, 시공사진은 [ 그림 19] 와같다. [ 그림 16] ОО 시멘트공장 [ 그림 17] ОО 물산위례신도시 50 건설기술 / 쌍용
팩마이크로파일현장시험시공결과, 중력식으로그라우트재가주입된기존마이크로파일에비해가압주입된팩마이크로파일은말뚝직경이대체적으로일정하고밀실하게양생된상태로회수되었다. 그라우팅과정에서중력식주입및가압주입차이에따른말뚝의직경변화를추정하고자회수된말뚝들에대하여각심도별로외경을측정한결과, 기존마이크로파일 ( 강봉보강 ) 보다팩마이크로파일은직경이약 40% 증가함을확인하였다. 또한재하시험결과, 토사층에서팩마이크로파일의연직지지력은기존마이크로파일대비약 50~80% 이상향상된것으로분석되었다. [ 그림 19] 쌍용건설적도기니공항청사 5-4. 팩마이크로파일팩마이크로파일은상부토사층에서발생되는마찰지지력을극대화하기위하여마이크로파일보강재를통해주입재인시멘트밀크를가압주입함으로써, 보강재외부에설치되어있는토목섬유소재팩 (Pack) 을팽창시켜, 지반을압착하여더큰마찰력을얻을수있는공법이다. 시공시천공홀을유지하기위해일반적으로사용되는아웃케이싱을지중에사장하지않은상태에서팩속을가압주입하는방식이므로, 과도한양의주입재를사용하지않으면서도충분한강도의고결체를지중에형성시킬수있으며, 토사층에서의견고한지지력확보가가능하다. 따라서마이크로파일근입깊이를감소시키고, 공기를단축시켜경제적인지반기초구조물보수보강을가능하게한다. 팩마이크로파일의메커니즘은 [ 그림 20] 과같다. Air Packer [ 그림 21] 시험말뚝회수전경 6. 맺음말마이크로파일은주변구조물이나지반그리고환경에최소한의영향을주면서시공되며, 접근하기어려운환경과기존말뚝공법적용이곤란한현장에서효율적으로적용및대응이가능하기때문에다양한현장에서적용되고있다. 최근리모델링수직증축과관련된법시행에맞추어기존구조물에대한보수또는보강공법에많은연구가수행되는등관심이증가하고있다. 본고에서는국내외에서다양하게적용되는마이크로파일의간략한개요와시공사례를살펴보았다. 현장의여건이나프로젝트의성격에따라참고하여적용한다면많은부분에활용가능할것으로판단된다. 팩 (Pack) 주입재배출공 강관 연약층 지지층 참고문헌 ❶ Micropile Design and Construction, FHWA, 2005 ❷ 말뚝기초실무 (Piling Engineering Practice), 조천환, 2010 ❸ 구조물기초처리공법 (Construction Foundation Solution), 반석기초이앤씨, 2015 ❹ 헬리컬파일의지지력산정을위한양방향재하시험의적용성평가, 이동섭외, 2014 ❺ Bauer Ductile Pile, Bauer ❻ 복합지지형마이크로파일공법에관한연구, 한국건설기술연구원 / 쌍용건설 ( 주 ), 2009 (a) 지상시공시적용 (b) 지하층시공시적용 [ 그림 20] 팩마이크로파일개념도 2018 51