기술정보Ⅰ 말뚝시험의종류및기준 글양성호 \ 토목기술팀차장 \ 전화 02-4-7765 \ E-mail yang222@ssyenc.com. 머리말말뚝기초의표준적인설계, 시공과정을살펴보면먼저설계단계에서는상부구조물에대한구조해석을통하여말뚝머리에작용하는외력을산정한후, 말뚝의예상허용지지력이작용외력보다크도록말뚝의길이, 직경, 시공법등을결정한다. 일반적으로말뚝의예상허용지지력은설계기준에서추천하고있는여러가지지지력공식을적용하여산정하게되나, 설계시산정된지지력과실제말뚝의지지력사이에는불가피하게지반조건및시공품질에따른편차가발생하게된다. 이에따라시공자는시공과정중에실제말뚝을대상으로재하시험을실시하여설계시산정된예상지지력을만족하는지확인하여야한다 ( 한국지반공학회기초기술위원회, 202.02). 말뚝재하시험을실시하는목적은단순히지지력을확인하는것외에변위량, 건전도, 시공방법및시공장비의적합성, 시간경과에따른말뚝지지력의변화, 하중전이특성등다양한내용들을확인하기위함이다. 본고에서는말뚝시공의오차한계와실무에서많이사용하는말뚝시험의종류및기준에대해서소개하고자한다. 2. 말뚝의시공관리기준국내외각종시방서에서는다음 < 표 및 2> 와같이말뚝의위치와수직도에관해오차한계를제시하고있다. 다만, 말뚝의시공길이에대한오차는제시되어있지않는데, 그이유는설계시결정된바 에따라정확한길이로말뚝을시공하였다하더라도말뚝의실제지 지력이설계지지력과정확히일치하지않으므로, 시방서상에말뚝 길이에관한허용오차기준은제시되어있지않은것이다. 표 말뚝시공오차한계 ( 국내 ) 토목공사표준일반시방서 (2005) 구분말뚝위치수직도 고속도로공사전문시방서 (20) 철도건설공사전문시방서 (20) 항타말뚝 50mm /50, 50mm 현타말뚝 75mm /40 매입말뚝 50mm /50 D( 직경 )/4 00mm /00 기성말뚝 D( 직경 )/4 00mm /00 현타말뚝 00mm /00 건축공사표준시방서 (20) 00mm - 기성말뚝 D( 직경 )/4 00mm /00 현타말뚝 75mm /40 LH 전문시방서 (202) 표 2 말뚝시공오차한계 ( 해외 ) 미연방도로국 (FHWA) 홍콩 캐나다 구분말뚝위치수직도 항타말뚝 50mm /50 D 60cm, 75mm 토사.5% 현타말뚝 60cm < D <.5m, 00mm 암반 2.0% D.5m, 50mm 육상시공 75mm /75 해상시공 50mm /25 육상시공 해상시공 50mm 50mm /50 미극동공병단 (NAVFAC) 00mm /50 싱가포르, LTA 75mm /75 FHWA : Federal Highway Administration NAVFAC : Naval Facilities Engineering Command LTA : Land Transport & Authority 205 하반기호 2
LH 전문시방서 (202) 에는말뚝의시공상태가잘못된경우다음과같이보강조치를하도록규정하고있다. 2-. 말뚝위치에서벗어난경우설계위치에서벗어난거리가 50mm를초과한경우에는구조검토를하여추가항타및기초를보강한다. 독립기초, 줄기초, 매트기초의외곽말뚝이외측으로 75 50mm벗어난경우에는말뚝중심선에서벗어난만큼기초를확대하고철근을.5배보강하여배근하며, 내측으로벗어난경우에는철근만.5배보강하여배근한다. 2-2. 수직으로시공되지않은경우항타완료후각도기등으로계측하여수직에대한기울기가말뚝길이의 /50 이상일경우에는보강말뚝을시공한다. 췌하였다. -. 정재하시험정재하시험은말뚝의지지력을결정함에있어서말뚝의거동을파악하는가장확실한방법이다. 말뚝두부에직접시험하중을재하하는방식으로가압및반력시스템에따라고정하중이용방식, 반력말뚝이용방식및반력앵커방식으로분류할수있으며, 재하또는제하방법에따라완속재하시험법 ( 표준재하시험법 ) 을포함하여 7개정도로나누어지는데, 이중에서완속재하시험법이많이채택되고있다.. 말뚝재하시험 말뚝재하시험의종류는크게정적인재하시험과동적인재하시험방법으로구분할수있다. 전자는하중작용방향에따라압축재하시험 ( 정재하시험으로칭함 ), 수평재하시험 ( 횡방향재하시험 ), 인발재하시험, 양방향재하시험등으로구분할수있고, 후자에는동재하시험, 정동재하시험, 가상재하시험등이있다. 본고에서는실무에서많이사용하고있는정재하시험, 양방향재하시험및동재하시험에대하여 구조물기초설계기준해설 (205) 의최신내용을발 (a) 고정하중이용방식 (b) 반력말뚝이용방식 [ 그림 ] 정재하시험하중재하방식 -2. 양방향재하시험말뚝정재하시험의경우시험하중만큼의고정하중이나반력말뚝, 반력앵커등의반력이필요하고, 이런반력하중이확보되지않으면말뚝정재하시험을할수없다. 그러나양방향말뚝재하시험에서 표 정적압축재하시험절차의비교 시험법 완속재하시험법 ( 표준재하방법 ) 표준재하방법의초과하중재하 일정시간간격재하법 항목 하중단계재하 (Loading) 하중유지종료하중제하 (Unloading) 하중 8단계 ( 설계하중의 25%, 50%, 75%, 00%, 25%, 50%, 75%, 200%) 표준재하시험까지는설계하중의 50% 씩, 이후최대시험까지는설계하중의 0% 설계하중의 20% 씩 8 단계재하 말뚝머리침하율이시간당 0.25mm 이하 ( 최대 2 시간 ) 표준재하시험까지는 20 분, 이후최대시험하중까지는 20 분씩유지 각하중단계당 시간씩유지 설계하중의 200% 에서침하율이시간당 0.25mm 이하시 2 시간, 그이상인경우 24 시간유지 최대요구하중또는파괴시까지, 파괴안될경우 2 시간유지 설계하중의 200% 에서 시간유지 시험하중의 25% 씩단계별로 시간씩간격을두어제하 시험하중의 25% 씩단계별로 20 분씩간격을두어제하 설계하중의 20% 씩제하하되각단계별로 시간씩유지 일정침하율시험법 단계별로일정침하율 (0.25~2.5mm/ 분내 ) 이된후다음단계재하 점성토 : 0.25~.25mm/ 분사질토 : 0.75~2.5mm/ 분 최종시험하중또는총침하량 50~75mm, 말뚝직경의 5% 총하중제하, 제하후 시간기록 일정침하량시험법 반복하중재하시험법 급속재하시험법 침하량이말뚝직경의 % 정도되는하중을각단계별하중으로결정 표준재하방법과동일 각단계의하중이설계하중의 0~5% 소정의침하량이나재하하중변화율이시간당총재하하중의 % 미만에이를때 50, 00, 50% 하중단계에서 시간씩하중을유지시키고나머지하중단계에서는 20분유지하면서재하하중이완전히재하되면 50% 씩단계재하하되 20분씩유지하면서재하 각단계별 2.5~5 분 ( 보통 5 분 ) 유지하고, 2~4 차례침하량기록 총침하량이말뚝직경의 0% 에도달할때또는시험하중 표준재하방법과동일 극한하중또는허용범위까지재하후 2.5~5 분 ( 보통 5 분 ) 유지 4 번정도나누어제하하되각단계의리바운드율이말뚝직경의 0.% 이내가된후제하 표준재하방법과동일 4 번정도나누어 5 분씩유지하면서제하 22 건설기술 / 쌍용
는특수하게제작된유압식잭 (Jack) 이나셀 (Cell) 을일반적으로말뚝선단부근에설치하여선단지지력과주면마찰력에의해하중재하에필요한반력을상호간에마련해주므로하중재하를위한별도의대형장치가필요없고, 좁은시험공간이나경사진곳에서도적용이가능하다. 다음 [ 그림 2] 는정재하시험과양방향재하시험의차이를보여준다. 정재하시험은두부에서하중을재하하게되므로고정하중이나반력말뚝, 반력앵커등의반력장치와큰재하장치가필요하다. 양방향재하시험의경우, 지상에서유압을가하면유압잭의하부는하향으로움직여선단지지력을발생시키고상부는동일한힘으로상향으로움직이면서말뚝에주면마찰력을발생시킨다. 이런이유로양방향재하시험에서는별도의반력시스템이필요치않게된다 ( 김성수등, 2007). 양방향재하시험은다음중먼저발생되는현상이있을때까지수행된다. 주면마찰력이극한에도달 선단지지력이극한에도달 하중장치용량및변위초과 반력시스템 P = F + Q -. 동재하시험말뚝의동재하시험은말뚝타격시에발생하는충격파의전달에대한파동방정식을이론적근거로하여미국오하이오 (Ohio) 주의케이스웨스턴 (Case Western) 대학교에서 964년에개발되었다. 이시험은말뚝에변형과충격파전달속도를측정할수있는장치를한후에말뚝이타격관입되는과정에서측정되는변형과응력파를말뚝항타분석기 (PDA, Pile Driving Analyzer) 로측정하여 CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 프로그램으로해석하고, 그결과로부터말뚝의지지력, 말뚝에전달되는응력분포, 말뚝에발생하는압축력과인장력, 응력파의전달속도등의자료를얻으며타격관입중에말뚝에발생하는이상을검출해낼수있다. 동재하시험의장점은다음과같다. 시험소요시간이매우짧다 비용이비교적적게든다 말뚝관입도중의어느시점에서도지지력확인이가능하다 말뚝과해머의성능을동시에측정할수있으므로합리적시공관리가가능하다 말뚝타격시에발생하는말뚝의파괴여부와위치를알수있다 깊이별저항력분포를알수있다 항타시와일정시간이경과한후시간경과에따른말뚝지지력변화를알수있다 F Q = (-) F 오스터버그셀팽창 (expanding) Q Q [ 정재하압축시험 ] [ 오스터버그셀재하시험 ] [ 그림 2] 정재하시험과양방향시험의비교 (a) 센서부착 [ 그림 4] 동재하시험 (b) 동재하시험 (a) 재하셀제작 (b) 재하셀파일부착 (c) 재하셀파일관입 [ 그림 ] 양방향재하시험순서 (d) 재하및변위측정 [ 그림 5] 동재하시험출력화면 205 하반기호 2
-4. 말뚝재하시험의수행빈도기준 압축정재하시험은지반조건에큰변화가없는경우건축구조물의 기초또는토목구조물의기초말뚝에대하여전체말뚝개수 ( 공수 ) 의 % 이상또는구조물별로 회이상의시험이필요하며, 여기서 구조물별로적용할경우에는전체시공되는말뚝개수가 00 개미 만인경우에해당한다. 교량기초에대해서는교대와교각을별도 구조물로구분하여수량기준을적용하되이에해당하는교량기초 는고속국도및일반국도상의대형교량을대상으로하며소규모 교량 ( 단지내교량등 ) 인경우에는교량전체를하나의구조물로간 주하여수량기준을적용한다. 매입말뚝의지지력은말뚝을시공한시점으로부터양생에의해지 지력이달라질수있다. 따라서시공되는말뚝의품질을확인하 고구조물의안전을기하기위해서는이와같은지지력의변화를 확인하기위해서시공중동재하시험 (EOID, End of Initial Driving Test) 이실시된말뚝에대하여일정한시간 ( 가급적이면 ~2 주일 ) 이경과한시점에서재항타동재하시험 (Restrike Test) 이이루어져 야한다. 시공중동재하시험 (EOID) 의최소실시빈도는지반조건 의큰변화가없는경우전체말뚝개수 ( 공수 ) 의 % 이상 ( 말뚝이 00 개미만인경우에도구조물별로최소 개수행 ) 이다. 시공중 동재하시험이실시된동일한말뚝에대하여시간경과효과확인을 위해지반조건에따라일정시간경과후재항타동재하시험을실 시하며그수량은동일말뚝에중복해서수행하므로시공중동재 하시험횟수와동일하다. 한편시공이완료되면본시공말뚝에대 해서품질확인목적으로재항타동재하시험을실시하며실시빈도 는시공중동재하시험빈도와동일하다. 국내외재하시험빈도에 대한기준은다음 < 표 4 및 5> 와같다. 표 4 말뚝재하시험최소수행빈도기준 ( 국내 ) 구분 구조물기초설계기준해설 (205) 토목공사표준일반시방서 (2005) LH 전문시방서 (202) 압축정재하시험 구조물별로 회 말뚝 250 개당 개 (0.4%) 또는구조물별로 개 말뚝 250 개당 개 (0.4%) 또는구조물별로 개 시공중동재하 말뚝개수의 %( 횟수는 2%) 구조물별로 회 동재하시험 80 본이하 : 2 개 60 본이하 : 개 6 본이상 : 4 개이상, 구조물별로최소 회 재항타동재하 구조물별로 회 좌동 좌동 ㆍ아파트는 개동기준으로하고, 나머지건물들은매동기준으로하되 250 본초과시는 250 본을 개동으로한다. ㆍ통합주차장인경우인접 개스팬보강구간을아파트 개동으로간주하여시행한다. 표 5 말뚝재하시험최소시행빈도기준 ( 싱가포르, LTA) 구분 극한하중재하시험 (Ultimate Load Test) 사용하중재하시험 (Working Load Test) 동하중시험 (Dynamic Pile Test) 항타관입성분석 (PDA & CAPWAP) 현타말뚝 (Bored Pile) 바렛파일 (Barrettes Pile) 항타말뚝 (Driven Pile) 2 본 2 본 2 본 ( 최소 2 개 ) 말뚝개수의 % ( 최소 개 ) - 말뚝개수의 5% ( 최소 5 개 ) - - ( 최소 2 개 ) - 말뚝개수의 % ( 최소 개 ) 여기서, 극한하중재하시험의최대시험하중은설계하중의 2.5 배이며, 사용하중재하시험은설계하중의.5 배이다. 4. 현장타설말뚝건전도평가 기성말뚝은 KS 표준에의한공장제조제품으로써말뚝본체의균 질성확보가용이하고제작과정에서의품질시험을통하여재료적 품질평가가원활하게수행되므로말뚝본체의건전도가확보된상 태에서사용된다. 그러나현장타설말뚝은시공방법, 시공관리방법, 콘크리트타설및관리방법, 지반조건, 지하수조건등다양한요 인에의해말뚝본체의강도와타설상태, 결함여부등건전성확보 에영향을받게되므로시공품질을확인하고평가하기위한건전 도시험 (Integrity Test) 이필요하다. 실무적으로활용중인현장타설 말뚝의건전도시험방법으로는다음과같은 종류가일반적이다. 검측공을이용하는비파괴시험인 CSL(Cross-hole Sonic Loggings) 방법 ( 공대공탄성파탐사또는공대공초음파검층이라 고도함 ) 저변형율 (Low-strain) 건전도시험인충격반향 (Impact Echo, 예 로 PIT : Pile Integrity Test) 방법 말뚝의내부및그하부지반을일정깊이로코어링 (Coring) 하는 방법 다음 < 표 6> 에는상기 가지방법들에대한장단점을비교하여요 약하였다. 표 6 건전도시험의비교 구분장점단점 CSL 방법 충격반향방법 코어링방법 ㆍ비교적정확한결과제공ㆍ말뚝길이에제한없음 ㆍ시험이간편 ㆍ정확한결과제공ㆍ결함부육안관측가능 ㆍ타설전튜브매설필요 ㆍ말뚝길이에제한 ( 말뚝직경의 0 배이내 ) ㆍ상대적으로경비와시간이소요됨 24 건설기술 / 쌍용
4-. 공대공탄성파탐사 (CSL 방법 ) 공대공탄성파탐사 (CSL) 는공대공초음파검층이라고도불리며, 최소 7 일양생된말뚝을대상으로수행한다. 기본원리는현장타설말뚝의철근망에미리설치한최소 2개이상의탐사용튜브에물을채우고음파발신센서와수신센서를삽입한후말뚝하단부터끌어올리면서통상길이방향으로매 5cm마다탐사대상이되는말뚝본체단면 ( 탐사경로 ) 에대하여음파 ( 탄성파 ) 의도달시간을로깅 (Logging) 한다. 탐사용튜브의거리 ( 간격 ) 가일정한것으로가정하여도달시간으로부터콘크리트의탄성파전달속도를산정함으로써말뚝본체의강도와건전한콘크리트의탄성파전달속도와의관계를적용하여측정대상현장타설말뚝의상대적인건전도를평가하는방법이다. Defect Delayed Signal Defect Blocked Signal [ 그림 6] 결함존재시의파의진행경로 ) 탐사용튜브의개수탐사용튜브는통상적으로말뚝의직경에따라다음 < 표 7> 과같은최소개수로설치한다. 탐사용튜브는보통강관을사용하며그직경은탐사프루브 (Probe) 가원활하게삽입및제거될수있는제원을적용한다. 일반적으로탐사용튜브의직경은 50mm 이내이고, 말뚝저면의품질확인을위해트리플코아배럴 (Triple Tube Core Barrel) 을사용해야할경우 00mm의튜브를설치한다. 표 7 말뚝크기별탐사용튜브의최소개수말뚝크기 (D, m) 탐사용튜브개수탐사경로개수 D 0.6 2 0.6 < D.2 2) 공대공탄성파탐사방법의건전도시험빈도 CSL 방법은주로교량기초에적용되므로국내의주요시방서에서 는다음 < 표 8> 을일반적으로따르고있다. 고층또는초고층건축 구조물에서도현장타설말뚝의적용이일반화되고있는추세이므 로이러한경우에도최소한의빈도기준으로적용될수있다. 단, 토목구조물이든건축구조물이든시공되는현장타설말뚝의전체 개수가적은경우에는모든말뚝에대하여시험하는것이바람직 하다. 4 표 8 CSL 방법의건전도시험수량 평균말뚝길이 시험수량 비고 0m 미만 20% ㆍ교각기초 (Footing) 당말뚝수량에대한백분율 ( 단, 교각기초당최소 개소이상 ) 0m 이상 0% ㆍ건축구조물의경우는전체말뚝개수대비비율 여기서, 상하행선이분리된교각기초의경우는각각별도의교각기초로간주하여수량을결정하며, 단일형현장타설말뚝의경우에는모든말뚝에대하여탐사 ) 건전도판정결과에따른결함의보강 공대공탄성파탐사에대한건전도등급은다음 < 표 9> 를기준으로 판정한다. 표 9 공대공탄성파탐사등급기준 등급 A ( 양호 ) 2 5 6 4 2 [ 그림 7] 튜브의개수와배치단면 N 판정기준 4 5 7 ㆍ초음파주시곡선의신호왜곡이거의없음ㆍ속도저감율 0% 미만 2 5 4 2 8 4 6 9 2 5 0 6.2 < D.5 4 6.5 < D 2.0 5 0 2.0 < D 2.5 7 2 D 2.5 8 28 B ( 결함의심 ) C ( 불량 ) D ( 중대결함 ) ㆍ초음파주시곡선의신호왜곡이다소발견ㆍ속도저감율 0~20% ㆍ초음파주시곡선의신호왜곡정도심각ㆍ속도저감율 20% 이상 ㆍ초음파신호가감지안됨ㆍ전파시간이초음파전파속도.5km/s 에근접 205 하반기호 25
보강이필요한것으로판정된말뚝이있는경우에는결함위치와 불량원인을조사하기위해해당말뚝에대한코어링 (Coring) 을실 시한다. 결함위치에대한보강은그라우팅, 마이크로파일, 재시공 등의적용가능한보강대책을수립하여실시하는것이바람직하 며, 보강이완료된말뚝에대하여필요한시험을실시하고해당시 험방법에따른판정결과를검토하여최종적으로말뚝의건전도를 평가한다. 4-2. 충격반향시험 (Low Strain Impact Test) 말뚝의상단표면에물리적충격을가하면, 탄성파가발생하여말 뚝의길이방향으로전달된다. 이때말뚝의선단, 내부결함, 직경 의증감, 서로다른매질의경계및주위토층의마찰등에의해탄 성파의진행에영향을주게되며, 이러한반사파의진행을말뚝의 상부에부착된가속도계가감지한다. 동시에햄머타격에의한충 격신호도측정하여 PIT System 을이용하여파의도달시간및반사 특성을시간영역및주파수영역에서분석하여말뚝의길이및품 질상태를파악하게된다. Instrumented Hammer Pile Geophone Sound Wave (a) 시험모식도 MIMP 6 [ 그림 8] PIT 시험 (b) 시험전경 4-. 코어링방법 (Proof Coring) 다이아몬드코어배럴 (Diamond Coring Barrel) 을이용하여현장타설말뚝의기초저면하 0.5m까지콘크리트의코어를채취하여육안확인하는방법이다. 28일이상양생된말뚝에대하여수행하며, 코어채취가완료되면코어채취부는그라우팅으로충진되어야한다. 채취된시료는흠결이없어야하며, 콘크리트강도는소요강도를확보하여야하고, TCR(Total Core Recovery) 및 RQD(Rock Quality Designation) 는 00% 를확보하여야한다 ( 싱가포르, LTA 기준 ). 콘크리트소요강도확보 결점이없을것 TCR(Total Core Recovery) = 00% 확보 RQD(Rock Quality Designation) = 00% 확보 5. 맺음말본고에서는국내외말뚝관련시방서및설계기준을참조하여말뚝시공의오차한계와실무에서많이사용하는말뚝재하시험의종류및기준에대해서간략히소개하였다. 본고에언급된기준은최소기준이므로지반조건에큰변화가있거나인명과관련된중요구조물일때에는시공관리기준이나시험횟수를별도로설정하여안전성을충분히확인하여야한다. 또한, 품질시험및재하시험의경우시험자의경험과분석능력이중요하므로자격이있고경험이풍부한시험자가수행하고, 시험성과는지반전문가의검토및확인을거쳐야한다. 마지막으로, 본고가실무종사자들에게조금이나마도움이되기를바란다. 아래 [ 그림 9] 는길이 7.5m인말뚝에대한시험결과로 6.5m 부근에서단면감소가확인된것을나타내고있다. cm/s.60 0.80 0.00-0.80 0 cm/s.00 0.80 0.00-0.50 0 :#7 A-0 2009-06-?? 4:52:44 HI 450.0m 4.4Hz x L/D=0.59 (D=262cm) 7.40m (4000m/s) V 0.652cm/s (0.652) 2 4 5 6 7 8 9 0 m :#9 A-0 2009-06-?? 4:54:00 HI 450.0m 4.4Hz x L/D=0.59 (D=262cm) 7.40m (4000m/s) V 0.56cm/s (0.56) 2 4 5 6 7 8 9 0 m [ 그림 9] PIT 시험결과 ( 예 ) 참고문헌 ❶ 국토해양부 (204), 구조물기초설계기준 ❷ ( 사 ) 한국지반공학회 (205), 구조물기초설계기준해설 ❸ 국토해양부 (2005), 토목공사표준일반시방서 ❹ 한국도로공사 (20), 고속도로공사전문시방서 ❺ 국토해양부 (2009), 도로공사표준시방서 ❻ 국토해양부 (20), 건축공사표준시방서 ❼ 한국토지주택공사 (202), LH전문시방서 ❽ 한국철도시설공단 (20), 철도건설공사전문시방서 ❾ 한국철도시설공단 (202), 말뚝기초의설계 ❿ 한국지반공학회 (2002). 지반공학시리즈 4 깊은기초, 구미서관 ⓫ 조천환 (2006), 매입말뚝공법, 이엔지북 ⓬ FHWA(2006), Design and Construction of Driven Pile Foundation ⓭ FHWA(200), Drilled Shafts Manual ⓮ NAVFAC(986), Foundation and Earth structures ⓯ LTA(2007), Materials & Workmanship Specification for Civil and Structural works ⓰ Canadian Geotechnical Society(2006), Foundation Engineering Manual 4th edition 26 건설기술 / 쌍용