현장재하시험 분석 및 수치해석을 통한 모래지반에 근입된 바렛말뚝의 지지거동 변화에 관한 연구

Abstract

도심지 개발과 인구 유입의 가속화에 따른 용지 부족현상으로 인해 최근 건설되는 구조물들은 초고층화되어 가고 있다. 또한, 지하공간 확보를 위해 굴착 심도가 깊어지고 있는 실정이다. 이로 인해 말뚝이 부담해야 하는 상부 하중이 대폭 증가하여 말뚝 선단을 기반암에 근입하는 현장타설말뚝 공법이 주로 사용되고 있다. 하지만 부산 서낙동강 주변은 매우 연약한 지층이 두껍게 분포되어 있으며 연암 이상의 기반암 출현 심도는 G.L –50.0m 이상인 경우가 대다수로 기존의 현장타설 공법을 적용할 경우 말뚝의 세장비가 길어져 구조적으로 불리하고 시공성이 떨어져 공사비 측면에서 매우 비효율적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 서낙동강 주변에서는 주면장이 크고 강성이 큰 바렛말뚝을 시공하는 사례가 점차 증가하고 있는 추세이다. 기존의 원형 현장타설말뚝과 바렛말뚝기초는 현장타설말뚝으로 분류되지만 굴착장비 및 시공방법은 서로 다르다. 원형 현장타설말뚝의 경우 공벽 유지를 위해 케이싱을 사용하지만 직사각형의 바렛말뚝은 벤토나이트 안정액(Bentonite Slurry)을 사용하여 말뚝의 형상, 시공법 등의 영향으로 지지 거동이 다르게 나타난다. 하지만, 연직하중에 대한 바렛말뚝의 지지력을 산정하기 위한 별도의 지지력 산정식이 제안되어 있지 않아 원형 현장타설말뚝의 지지력 산정식을 그대로 사용하고 있다. 즉 바렛말뚝의 지지력 관련 연구가 부족한 실정이다. 뿐만 아니라, 바렛말뚝의 특성상 형상비(가로 세로의 비율)를 자유롭게 변화시킬 수 있지만 형상비 변화에 대한 연구도 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서 바렛말뚝의 지지력에 관한 연구를 수행하였다. 서낙동강 일대 동일 지반 및 유사 지반에 시공된 바렛말뚝과 원형 현장타설말뚝의 재하시험 결과를 직접 비교 분석하였다. 그 결과 시공법(공벽유지방법)의 차이에 따라 바렛말뚝의 극한단위주면마찰력은 원형 현장타설말뚝 대비 40% 작게 발현됨을 확인할 수 있었다. 바렛말뚝은 동일 단면적에서 형상비를 크게 하면 주면장이 증가하여 설계산정식에서 주면저항력이 크게 산정된다. 하지만 현장재하시험 결과를 역해석하여 시공법(공법유지방법)을 고려한 매개변수를 설정하여 동일한 조건의 지반에서 형상비를 키우더라도 실제 지지력의 크게 향상되는 것은 기대하기 어려운 것으로 나타났다. 이에 따라 형상비와 지지력비의 상관관계에서 유도 가능한 관계계수 vB=0.097Xar+0.9845를 제안하였다. 모래, 자갈층에 시공된 바렛말뚝의 극한주면저항과 표준관입시험결과와의 상관관계를 분석하면 fs,b=2.4N로 확인되었다. 모래자갈층에 근입된 바렛말뚝의 허용지지력을 qE,B=100N(극한선단지지력) +fS,B=2.4N(극한주면저항력)에 허용안전율 3.0을 나눈 값을 적용하고 형상비 변화에 따른 관계계수인 vB=0.097Xar+0.9845를 곱하여 허용지지력을 산정하면 실제 현장시험에서 나타나는 실제 거동과 유사한 지지력 값을 산정할 수 있었다. 향후 바렛말뚝의 현장재하시험의 자료를 추가 수집하여 다양한 지층에서 바렛말뚝의 지지력 산정식에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.