1. 서 론
2. 실내 시험 재료특성
2.1 시험 장비 및 시료
2.2 모래의 최대, 최소 건조 밀도
3. 대형 토조 실험
3.1 실험 장비
3.2 실험 방법
4. 실험 결과 및 분석
4.1 토압-하중-변위량 분석
4.2 전단응력-변형량 분석
4.3 항복 하중 도달에 대한 시간 및 토압 분석
5. 결 론
1. 서 론
말뚝 기초는 연약지반 및 사질토 지반에서 구조물 하중을 지반으로 안전하게 전달하기 위한 대표적인 기초 형식으로, 교량, 항만, 해상 구조물 및 대형 건축물 등 다양한 토목·건축 구조물에 폭넓게 적용되고 있다. 특히 사질토 지반은 입자 집합체로 구성된 재료로서 상대밀도, 입도 분포, 응력 경로 및 배수 조건에 따라 거동이 크게 달라지는 비선형적 특성을 지니며, 이러한 특성으로 인해 말뚝 관입 과정에서 발생하는 지반 거동을 정확히 이해하는 것은 말뚝 설계 및 시공의 안정성과 경제성 확보에 있어 매우 중요하다.
기존의 말뚝 관련 연구는 주로 축 방향 극한지지력 산정과 하중–침하(load–settlement) 거동 분석을 중심으로 발전해 왔으며, 이는 설계 실무에서 말뚝 성능을 평가하는 핵심 지표로 활용되었다(Randolph, 2003; Jardine et al., 2005). 사질토 지반을 대상으로 한 연구들 역시 CPT(Cone Penetration Test) 결과와 연계한 지지력 예측이나 정적 재하시험 기반의 해석에 주로 집중되었으며, 말뚝 관입 과정에서 발생하는 지반 내부 응력장 변화와 하중 전달 메커니즘을 직접적으로 분석한 연구는 상대적으로 제한적인 범위에서 수행되었다(White & Bolton, 2004; Jardine et al., 2013).
특히 사질토 지반에서의 말뚝 관입은 단순한 연직 하중 문제보다는, 말뚝 선단 및 주변 지반에서 강한 전단 변형과 체적 변화가 동시에 발생하는 복합적인 거동으로 인식될 필요가 있다. 최근에는 계측 말뚝 및 모형 실험을 통해 말뚝 관입 과정에서의 응력장 변화, 전단대 형성, 입자 파쇄와 같은 미시적 거동을 직접 관찰하려는 연구가 점차 증가하고 있으며, 이러한 연구들은 지반의 상대밀도 및 말뚝 형상에 따라 하중 전달 메커니즘이 상이하게 나타날 수 있음을 보고하고 있다.
그러나 토압계(Earth Pressure Cell 또는 Soil Pressure Gauge)를 이용한 응력 계측은 센서–지반 상호작용, 셀 작용(cell action), 그리고 대변형 조건에서의 계측 한계로 인해 계측값의 절대적인 해석에 주의가 필요하다는 점이 지적되었다. 이에 따라 토압 계측 결과는 절대 응력값 자체보다는 응력 변화의 경향, 거동 전이 시점 및 상대적인 응답 차이를 파악하기 위한 보조적인 지표로 활용되는 경우가 일반적이다.
이러한 연구 배경을 바탕으로 본 연구에서는 말뚝 형상을 기본 말뚝(Basic pile)과 헬리컬 말뚝(Helical pile)으로 구분하고, 상대밀도 40% 및 80%의 사질토 지반을 조성하여 총 4가지 실험 조건에 대해 말뚝 관입 과정에서의 하중–토압 응답을 실험적으로 분석하였다. 본 연구의 목적은 토압 계측값의 절대적인 크기보다는 말뚝 형상 및 상대밀도에 따른 하중–토압 관계의 변화 양상과 거동 전이 특성을 분석함으로써, 말뚝 형상에 따른 하중 전달 메커니즘의 차이를 규명하는 데 있다. 또한 사질토 지반에서의 말뚝 형상 선택 및 시공 단계에서 활용 가능한 해석 근거를 제시하고자 한다.
2. 실내 시험 재료특성
2.1 시험 장비 및 시료
2.1.1 상대밀도 시험 장비
시험 장비는 Cone, Mould와 Extension, Knife, Hammer와 Cup으로 구성하였다(Fig. 1).
2.1.2 주문진 표준사
연구에서 요구하는 고응력 구간에서의 입자 파쇄, 토압 붕괴, 지지력 전이 등과 같은 핵심 현상을 명확히 확인하기 위해 SiO2가 주성분인 주문진 표준사를 이용하여 지반을 조성하였다.
주문진 표준사의 기본 물성치는 비중Gs=2.63, 최대 공극비emax=0.96, 최소 공극비emin=0.63, 입도 분포곡선에 의하여 평균 입경D50=0.55mm, 균등 계수Cu=1.88, 곡률계수Cg=1.1이며, 통일분류법(USCS)으로 SP(poorly graded sand)로 분류한다.
2.2 모래의 최대, 최소 건조 밀도
시험 결과 주문진 표준사의 최대 – 최소 건조 밀도(Table 1)를 구하였다.
Table 1.
Maximum and minimum dry density measurement table
| Weight | Diameter | 6cm | Volume | |||
| Mould | 836.38g | High | 4cm | |||
| Mould+Sand () | 988.88g | Sand | ||||
| 152.5g | ||||||
| Mould+Sand () | 1,022.56g | Sand | ||||
| 186.18g | ||||||
시험 값을 바탕으로 상대밀도(Dr) 40%, 80% 지반을 조성하기 위한 건조 단위 중량을 Table 1의 결과값을 바탕으로 상대밀도(Dr)공식에 대입하여 Eq. (1), (2)를 계산하였다.
3. 대형 토조 실험
3.1 실험 장비
3.1.1 실험 조성 장비
대형 모의 토조(a)로 2차원 지반 변위와 말뚝 관입 현황을 시각적으로 측정할 수 있도록 측면은 두꺼운 아크릴로 제작하고, 철제 가이드라인을 한겹 추가로 설치하여 토압으로부터 토조가 파손되지 않도록 하였다. 다짐용 봉은 지반조성 과정에서 필요한 장비로 직접 제작하여 사용하였다.
3.1.2 데이터 송신 및 센서 장비
실험에서 사용하는 센서류 장비는 Data Logger, Data Indicator, Soil Pressure Gauge 와 Load Cell 상부에도 측정 센서가 탑재되어 있어 가해지는 하중을 측정할 수 있다.
3.1.3 말뚝 형상 및 제원
실험에 사용한 말뚝은 Basic pile와 Helical pile 두 가지 형태이며, Basic pile은 높이 60cm, 길이 5cm, 폭 30cm이며, Helical pile의 기본제원은 기본말뚝과 동일하나 말뚝 선단으로부터 5cm 높이부터 Helix를 표현한 1단 날개, 1단 날개로부터 18cm 위에 2단 날개가 부착되어 있다.
실험 장비의 전체적인 배치 및 구성 모식도를 나타내면 Fig. 3과 같다.
3.2 실험 방법
본 실험은 사질토 지반에서 말뚝 관입 시 말뚝 형상 및 상대밀도에 따른 하중 전달 특성과 지반 내부 토압 거동을 비교·분석하기 위해 수행되었다. 실험 방법은 지반 조건의 재현성 확보와 계측 신뢰성을 고려하여 다음과 같은 절차와 설계 논리에 따라 구성하였다.
➀ 상대밀도 조건에 맞추어 표준사를 5cm 층 다짐하고 각 층마다 목표 밀도를 확보한다. 이는 지반의 밀도 불균질을 최소화하고, 상대밀도 차이에 따른 조성을 세밀하게 진행하기 위함이다.
➁ 층 다짐 과정에서 말뚝 선단으로부터 20cm 이격된 위치에 토압계를 매설하며, 위치는 토조 전면 아크릴에 표시된 지점을 기준으로 한다.
현 단계에서는 말뚝과 계측기가 직접 상호작용하는 것을 피하고, 관입에 따른 응력 변화 경향을 안정적으로 계측하기 위함이다.
➂ 일정 높이까지 지반을 조성한 후 말뚝을 설치한다.
➃ 말뚝 상부 40cm 까지 표준사를 채운 뒤, Load Cell 크레인을 말뚝 두부 중앙에 위치시켰다. 현 단계는 하중 재하 시 경계조건과 편심 영향을 최소화하기 위한 단계이다.
➄ Pc프로그램, Data Logger, Indicator 및 Load Cell 이용, 재하 속도를 1mm/min으로 설정한다.
➅ 현 단계에서는 계측 신뢰성 저하를 방지하기 위해 실험 중 하중이 말뚝 두부에 편심 없이 작용하는지 확인하며, 토압이 계측기 최대 용량인 200kPa를 초과하지 않도록 관리한다.
➆ 실험 종료 조건은 지반 파괴에 따른 응력 감소 발생 또는 토압계 최대 측정값 도달, 15mm의 최대 변위량 중 하나로 한다. 다음과 같은 종료 조건 선정 이유는 지반의 극한 또는 연화거동 도달여부를 일관된 기준으로 판단하기 위해서이다.
4. 실험 결과 및 분석
4.1 토압-하중-변위량 분석
Table 2는 실험 종료 조건을 달성하거나 토압계가 한계값에 도달하였을 때의 값을 정리한 것이다. Basic pile은 최대 토압을 지점으로 실험 결과값을 표기하였으며, Helical pile의 경우 상대밀도 80% 지반에서 토압계가 측정할 수 있는 최대 토압까지 측정한 값이며, 또한 40% 지반에서 최대 변위량인 15mm까지 측정한 값이다.
Table 2.
The results of an experiment
Basic pile과 Helical pile을 비교·분석하기 위해 모든 결과 분석은 Basic Pile의 토압이 최대 지점을 기준으로 분석한다.
4.1.1 Basic pile
Basic pile의 토압-하중-변위량 관계를 종합적으로 분석하면(Fig. 4), 상대밀도와 상관없이 초기 변위 구간 1~4mm 구간에서 50kPa까지 빠르게 증가하는 경향을 보인다. 상대밀도 40% 지반에서의 수행된 실험값은 점차 완만하게 하중과 토압이 증가하다가 9mm 지점을 통과하자 지반에서 측정되는 토압이 감소하고, 하중 또한 점차 정체 현상을 보인다.
상대밀도 80% 지반에서 수행된 실험값은 10mm 구간부터 특이한 양상을 보인다. 하중 증가는 선형적으로 증가하는 반면, 토압의 증가량이 급격히 상승하며, 12mm 구간을 지나면서 152kPa에 도달 후 감소하는 경향을 보인다. 이는 말뚝 선단부에서 조밀한 사질토 지반의 특성인 팽창성, 국부적인 전단대 형성, 입자 파쇄로 과정이 발생한 것으로 보인다. 15mm 구간에서 토압은 감소하지만 하중이 증가하는 이유는 입자가 재배열되고, 응력의 경로가 바뀌는 아칭현상으로 인한 결과값으로 해석된다.
Basic pile이 상대밀도 80% 지반에서 변위량이 12mm 지점의 항복 토압은 152kPa이며, 이때 하중이 13.23kN이다. 또한 상대밀도 40% 지반에서 9mm의 변위량일 때 항복 토압이 57kPa이며, 이때 작용하는 하중은 5.75kN이다.
상대밀도 40% 지반에서 Basic pile의 최대 토압에 대응되는 9mm 변위량일 때 상대밀도 80% 결과값과 비교하면 80%보다 40% 지반에서 Basic pile이 지지할 수 있는 하중이 약 44%의 감소되었고, 상대밀도 80%의 토압에 대응되는 12mm 변위량에서는 40%의 지반이 지지할 수 있는 하중이 45% 감소되었다. 이는 Basic pile이 느슨한 지반에서는 효율이 저하되어, 상대밀도 40% 지반과 유사한 현장조건인 경우에서는 Basic pile의 사용을 지양해야 한다.
4.1.2 Helical pile
상대밀도와 무관하게 초기 변위 구간부터 토압과 하중이 비교적 빠르게 증가하며, 이후에도 변위 증가에 따라 토압–하중이 선형적으로 증가하는 경향을 보인다(Fig. 5).
Basic pile 상대밀도 40% 결과와 비교할 경우, Basic pile에서 변위량 10mm 부근에서 관찰된 토압의 정체 및 감소 현상은 Helical pile 상대밀도 40%에서는 나타나지 않으며, 실험 종료 조건인 관입 변위 15mm까지 토압과 하중이 증가하는 것으로 보인다. 이러한 결과는 Helix가 말뚝 관입 과정에서 주변 입자를 재배열하고 구속하며, Helix 상·하부에서 국부 지지판 역할을 수행하여 느슨한 지반에서도 저항이 지속적이기 때문으로 보인다. 상대밀도 40%에서도 Helix에 의해 하중 전달 경로가 Basic pile과 달리 주변 마찰 위주가 아닌 Helix 지지 및 구속 효과로 강화되어 성능 저하가 완화된다.
상대밀도 80% Helical pile은 변위 증가에 따라 토압과 하중이 전 구간에서 크게 증가하며, 하중 증가 기울기 또한 상대밀도 40%에 비해 매우 가파른 형태를 보인다. 이는 조밀한 사질토의 팽창성(Dilatancy)과 맞물림(Interlocking) 특성, 그리고 Helix 주변의 구속 효과가 극대화되면서 Helix 상·하부에 발달하는 전단대와 파괴면이 확장되어 수동 토압 및 국부 지지 저항이 커지기 때문이다.
Helical pile이 약 9~10mm 관입되었을 때 토압과 하중 증가량이 일시적으로 저하되는 현상이 관측되었으며, 이는 입자의 회전 및 활동으로 인해 지반 구속력이 약화되면서 응력 증가량이 감소한 것으로 판단된다. 그러나 이후 다시 증가하는 경향을 보이는 점에서, Helix의 기능에 의해 주변 지반 입자가 재배열 및 재구속된 것으로 분석되며, 이는 느슨한 지반의 재배열과는 다른 메커니즘으로 해석된다.
이는 느슨한 지반 조건에서 Helical pile이 Basic pile 대비 하중 확보 및 침하 제어 측면에서 구조적으로 유리함을 의미한다.
4.2 전단응력-변형량 분석
4.2.1 상대밀도 40% 지반
상대밀도 40% 지반의 Basic pile은 초기 변형률 0~0.5% 구간에서 전단응력이 급격히 증가한 후, 변형률 증가에 따라 증가율이 둔화되며, 일정 값에 수렴하는 경향을 보인다(Fig. 6). 이는 느슨한 사질토에서 말뚝 선단부에 전단응력이 집중되면서 입자 파쇄 및 국부 파괴가 발생하고, 이후 추가적인 저항 동원이 제한되기 때문으로 해석된다. 반면 Helical pile은 초기 변형률부터 전단응력이 완만하게 증가하며, 전 구간에서 Basic pile 보다 낮은 전단응력 수준을 보인다. 이는 하중이 작게 작용해서가 아니라 Helix에 의한 선단 면적 증가로 단위 면적당 응력이 분산되어, 말뚝 선단에서 입자 파쇄가 발생하지 않았음을 의미한다.
4.2.2 상대밀도 80% 지반
상대밀도 80% 지반의 Basic pile은 변형률 증가에 따라 전단응력이 크게 증가하며, Helical pile과의 차이가 점차 확대되는 경향을 보인다(Fig. 7). 특히 변형률 약 2% 지점에서 Basic pile의 전단강도는 Helical pile 대비 약 55% 이상 크게 나타나, 말뚝 선단부에 매우 큰 전단응력이 집중됨을 보여준다. 이는 조밀한 사질토의 높은 맞물림과 팽창성으로 인해 선단부 입자 파쇄와 국부파괴가 동반된 결과로 해석된다. 반면 Helical pile은 조밀한 지반에서도 전단응력이 비교적 완만하게 증가하여, 하중 증가에도 불구하고 응력집중이 억제되는 거동을 보인다.
상대밀도 변화의 영향은 두 말뚝에서 다르게 나타나는 것을 볼 수 있다(Fig. 8). Basic pile은 상대밀도 40% 대비 80%에서 전단응력 수준이 전 구간에서 크게 증가하고, 변형률이 증가할수록 그 증가 폭이 확대되어 상대밀도에 매우 민감한 거동을 보인다. 즉, 조밀해질수록 선단부 전단응력 집중과 국부파괴(파쇄)기반 저항 동원이 강화되는 구조다. 반면 Helical pile은 상대밀도가 증가해도 전단응력 증가가 비교적 완만하고, Basic pile 만큼 전단응력 수준이 급격히 커지지 않아 상대밀도 변화에 대한 민감도가 상대적으로 낮다. 이는 Helix에 의한 선단 면적 효과와 구속 작용으로 응력이 분산되어, 상대밀도 증가가 곧바로 응력집중으로 연결되지 않는 메커니즘 때문으로 해석된다.
4.3 항복 하중 도달에 대한 시간 및 토압 분석
4.3.1 상대밀도 40% 지반
상대밀도 40% 지반의 Basic pile은 항복토압이 57kPa에 도달했으며, 이때 말뚝 두부에 작용한 하중은 5.75kN이고 도달 시간은 약 540sec로 나타났다(Fig. 9).
동일한 기준 하중인 5.75kN에 대해 Helical pile은 약 240sec 만에 도달하였으며, 이때 측정된 토압은 36kPa로 Basic pile보다 현저히 낮다. 이는 Basic pile이 느슨한 지반에서 하중을 선단 지지와 주면 마찰에 의존하여 전달함에 따라 국부적인 응력집중이 발생하지만, Helical pile은 Helix를 통해 하중을 상·하부 지반으로 분산 전달하여 선단부 토압이 낮게 유지된 결과로 해석된다. 또한 기준 하중 도달 시간이 Helical pile에서 크게 단축된 점은, 하중 전달 경로가 조기에 형성되어 관입 효율이 우수함을 의미한다.
4.3.2 상대밀도 80% 지반
상대밀도 80% 지반의 Basic pile은 항복 토압 152kPa에 도달하였으며, 이때 말뚝 두부 하중은 13.23kN이고 도달 시간은 약 720sec로 관측되었다(Fig. 10). 이는 말뚝 주변 지반이 이미 한계 응력 상태에 도달하여 전단대가 발달하고, 이후 토압이 정체 또는 감소할 가능성이 큰 연화거동으로 해석된다. 동일 하중 13.23kN에 대해 Helical pile은 약 400sec 만에 도달하였으며, 이때 토압은 97kPa로 Basic pile의 항복 토압보다 낮은 수준을 유지하였다. 이는 Helical pile이 동일한 하중 조건에서도 특정 지점에 응력을 집중시키지 않고 Helix를 통해 하중을 분산 전달함으로써, 지반 항복 이전 범위에서 하중 전달이 완료되었음을 의미한다.
이상을 정리하면, Basic pile은 상대밀도와 관계없이 기준 하중에 도달하는 시간이 길고, 해당 시점에서 말뚝 선단부 토압이 크게 나타나 지반이 항복 상태에 근접하거나 진입하는 거동을 보인다, 반면 Helical pile은 동일 하중 조건에서도 토압이 상대적으로 낮은 상태에서 하중이 전달된다. Basic pile과 다른 형상을 가진 Helical pile의 Helix에 의해 발생한 이러한 차이는 Helical pile이 Basic pile 대비 침하 안정성이 우수하고, 시공 및 관입 효율 측면에서도 구조적으로 유리한 말뚝 형식임을 명확히 보여준다.
5. 결 론
본 연구는 사질토 지반에서 말뚝 형상과 상대밀도 조건에 따른 하중 전달 특성을 지반 내부 토압거동과 함께 비교·분석하기 위해 모형 실험을 수행하였다.
(1) Basic pile은 동일 하중에서 토압조건에 따라 항복과 함께 민감한 변위 거동을 보인다. Helical pile은 낮은 토압에서 하중을 지지하여 침하에 대해 안정성이 우수하다.
(2) 전단응력은 각기 다른 상대밀도 조건에서 동일 변형률 대비 Basic pile이 Helical pile보다 크게 나타났다. 이는 Helical pile이 응력집중을 억제하고 침하거동에 대해 안정성이 우수하다고 볼 수 있다.
(3) Helical pile의 Helix가 Basic pile과 달리 일정한 강도증가를 나타난 것이 아니고, Helix에서 응력을 흡수하기 때문에 특정 토압 도달시간에 효율적이다. 본 연구의 결과를 활용하면, 시공 시 요구되는 하중과 침하억제를 위한 대책 방법이 될 수 있다고 생각한다.
한편, 본 연구는 2차원 모형 토조 실험을 기반으로 수행되었으며, 제한된 말뚝 형상과 상대밀도 조건만을 고려하였다는 한계가 있다. 향후 연구에서는 말뚝 형상 변수의 확장, 계측 위치에 따른 응력 분포 분석, 그리고 실규모 또는 수치해석 연구를 통한 검증 등 추가적인 연구가 필요하다.
