1. 서론

Yokohama항구 주변에서는 표면의 점성토·사질토의 하부에 토단이라고 불리는 딱딱한실드 층이 존재한다. 이 층은 N값 50이상, 비배수 전단강도 500kN/㎡이상이라는 딱딱한 지반으로 층 두께도 두꺼워서 보통 말뚝의 지지층으로 시공된다. 토단은 과압밀한 점성토로 생각할 수 있고, 전단 중의 체적 변화 경향과 흩어진 다음의 재압밀 거동 등이 통상적인 압밀 점토와는 다른 것으로 예상된다. 따라서 토단에 강관 말뚝을 타격 시공한 경우, 말뚝 선단의 폐쇄 상황과 시공 후의 셋업(시간 경과에 따라 말뚝의 저항력이 증가하는 현상)발생 상황을 포함하여 말뚝 축 방향 저항력이 모래지반과 점성토 지반에 말뚝을 타설했을 때와 다른 특성을 나타낼 가능성이 있다. 때문에 토단에 지지를 두는 많은 말뚝에 대하여 연직 재하 시험이 실시되어 왔다. 그러나 지금까지의 연구에서는 재하 실험 결과와 기존의 지지력 추정식과의 비교와, 시공할 때는 말뚝 종료후의 최종 관리기법의 적용성에 관한 검토가 중심이었다. 실제 토단으로 지지되는 말뚝의 축 방향 저항력이 발휘되는 메커니즘에 대하여는 충분한 검토가 이루어지지 않았다.

이 보고서는 토단으로 지지되는 말뚝에 대하여, 모형실험과 요소실험, 원위치에서의 재하 시험의 결과를 정리하고, 말뚝의 축방향 저항력이 발휘되는 원인을 조사하고, 토단층에서의 말뚝 축 방향 저항력의 생각에 대하여 정리하였다.

2. 기존 연구 및 현재의 설계법

기존 연구에서는 재하 실험의 결과와 기존의 지지력 산정식의 비교를 실시하고, 시공시의 말뚝 종료 관리 수법의 적용성에 대하여 검토가 중심이었다. 현재의 항만시설의 기술상 기준·동해설에서는 타격 시공된 강관 말뚝의 축방향 삽입 저항력에 대하여, 토단을 대상으로 한 설계법은 나타나 있지 않다. 따라서 토단에 타격 시공된 말뚝의 축방향 저항력을 추정하기 위해서는 점성토와 연암을 지지층으로 하는 경우의 추정식을 채용하는 것으로 하여 왔다. 이러한 검토는 토단에 타격 시공되는 말뚝의 축방향 저항력에 관하여 모형실험과 요소시험, 원위치에서의 재하 시험을 실시한 결과를 정리하고 저항력을 발휘하는 요인을 조사하는 것이다.

검토에서는 Yokohama항에서 실시된 원위치 재하 시험의 결과를 재검토 하는 것으로 실제 말뚝의 거동을 파악하였다. 그 다음에 모형 실험에 의한 선단저항에 관한 각종 검토를, 요소시험(1면 전단시험)에 의해 주면 저항에 관한 각종 검토를 실시하였다.

3. 토단으로 지지되는 말뚝의 원위치 재하 시험

Yokohama항에서는 연안벽(-13m)의 개량 공사에 관하여 2008년도에 토단층에 타격 시공된 말뚝의 충격재하 시험을 실시하였다. 시험은 관동 지방 정비국 (일본 국토교통성 산하 기관)에 의해 2개의 말뚝에 대하여 실시되었다. 시험에 사용된 말뚝의 제원은 표1 에 나타내었다. 2개의 말뚝 모두 선단이 C.D.L -35.6m이며, K층의 N=50을 나타내는 구간에 고정되었다. 시험은 시공 시와 시공 다음날(1일 양생 후)의 2회 실시하고, 시험종료 후에는 파형 매칭 해석을 실시하고 선단 저항 및 주면 저항을 산출하였다.

표1. 시험말뚝의 제원

표2. 시험결과의 개요

표2 에서는 No1, No2말뚝 모두 선단저항, 주면 저항 모두 양생 1일 후의 값이 큰 것을 확인하였다. 그 값은 시공시의 1.6 ~ 2.5배였다. 이 결과는 토단층에 타격된 말뚝에 대하여 셋업이 양생 1일에 발생한 것을 나타내고 있다. 시험말뚝의 재하 시험으로 확인 된 주면 저항력도의 심도 분포를 보면 주면, 저항의 셋업이 토단층 내에서 발생하고 있는 것을 알 수 있다. 그러나 심도분포의 C.D.L -28 ~30m아래에서 주면 저항응력도가 저하하는 경향을 나타낸다. 이는 재하 실험 시 말뚝 두부에 가한 재하력이 말뚝 선단까지 전달 되지 못한 것을 나타낸다. 시험 종료 후의 파형 매칭 해석에서도 같은 지적이 나왔다. 이는 시험에 사용된 햄머의 능력 부족으로 판단된다. 따라서 표2 에 나타난 각 말뚝의 1일 양생 후의 저항력 값은 실제 말뚝이 발휘하는 저항력이 과소 평가되고 있다고 말 할 수 있다. 이들 값이 과소 평가 되었다고 판단하나, 참고를 위하여 시험결과와 예측식을 보고서에서는 간단히 비교하였다. 시험에서의 토단층의 선단 저항은 2390 ~ 3980kN으로 계산된다. 시험말뚝은 선단 개방 말뚝으로 폐쇄 효과를 고려하여 계산하면 1200 ~ 1990kN이라는 추정 값이 얻어진다.

시험값은 2135kN으로 시험결과가 실제 말뚝의 저항력을 과소 평가하고 있다고 생각됨에도 불구하고, 추정된 값보다 크다. 주면 저항력도의 심도분포를 보면 재하 시험으로부터 얻어진 토단층에서의 주면 저항력도는 100~300kN/㎡이다. 따라서 재하 시험에서는 여러가지 추정식으로 이용되는 주면 저항력도와 같은 정도 혹은 약간 큰 값임이 확인되었다.

4. 말뚝의 연직저항력에 관한 모형 실험

토단 층에서의 말뚝 선단 저항력에 관하여 특히, 선단 폐쇄 상황 및 선단 저항력의 셋업 효과에 관한 검토를 실시하기 때문에 실내 모형 실험을 수행하였다. 모형 실험은 시멘트처리 점토로 토단을 대신한 지반을 제작하고 실험을 실시하였다.

실험에 이용한 시멘트처리 점토는 Kawasaki점토를 모재로 하여 제작하였다. 카와사키점토의 특성은 표3.과 같다. 점토로 제작된 모형 사진을 제시한다.

표3. Kawasaki점토의 물리특성

모형지반을 만들고, 알루미늄으로 만든 모형 말뚝을 속이 찬 막대(폐쇄형)와 파이프상태의 막대(개방형)로 실험을 실시하였다(사진2). 시멘트 처리 점토로 제작한 모형 지반에 대하여 여러 가지 조건에서 말뚝의 관입 실험을 실시하고, 다음과 같은 사항을 확인하였다. 1) 말뚝이 관입 저항은 지반의 강도에 영향 받는다. 관입 중의 저항의 변화 경향도 지반의 강도에 따라 다르다. 2) 지반에 균열이 발생할 때의 말뚝의 관입 저항과 지반의

강도는 항상 비례 관계이다. 지반강도가 같은 정도일 때 균열이 발생하였을 때의 말뚝의 관입량은 폐쇄 말뚝보다도 개방 말뚝의 경우가 더 크다. 3) 시멘트처리 점토 지반에서도 개방 말뚝의 선단 폐쇄가 발생한다. 선단 폐쇄는 지반의 강도와 관입 저항의 크기에 관계없이 발생한다. 또한, 직경이 큰 경우라도, 정도의 차이는 있지만 선단 폐쇄가 발생한다. 4) 선단 개방 말뚝, 폐쇄 말뚝 둘 다 말뚝의 관입을 정지시키고 양생 후에 재 관입 함으로써 셋업의 발생을 확인하였다. 셋업 발생은 양생 전의 말뚝 관입 ~ 양생기간 중에 발생하는 말뚝 직하의 강도 증가가 주요한 원인이다. 5) 선단 개방 말뚝의 선단 폐쇄 상황과 셋업 발생은 상호 관련이 없다.

말뚝의 관입 저항은 말뚝 두부에서 계측된 값이다. 따라서 관입 저항에는 말뚝 선단저항과 주면 저항의 양쪽이 포함되어 있다. 실험 결과에 의하면 말뚝의 관입 저항은 선단저항에 기인하는 것이며, 외주면 저항의 영향은 적은 것으로 생각된다. 여기서 실험에서 얻은 관입 저항과 2장에서 서술하는 선단 저항의 예측 값을 비교하였다. 예측 값과 실험값의 비교는 말뚝 선단의 개방과 폐쇄 정도 등에 따라 서술하고 있다.

5. 말뚝 주면 저항력에 관한 전단 시험

여러 가지 시험 조건에서 전단 시험을 실시하고, 토단에서의 말뚝 주면 저항의 발현 특성에 관한 검토를 수행하였다. 그 결과, 다음과 같은 사항을 확인할 수 있었다. 1) 토단에서의 말뚝 주면 저항은, 토단의 전단 강도가 아닌, 토단과 강재의 마찰력에 의해 결정된다. 2) 토단과 시멘트처리 점토에 관한 시험결과를 비교한 결과, 1면 전단시험·강재 마찰시험의 양쪽에 관하여, 전단 특성이 항상 일치하고 있음을 확인하였다. 3) 강재 마찰시험에서 말뚝의 시공~재하를 모방한 반복~단순 전단을 실시함으로써 단순 전단의 경우보다도 2~3배 정도 큰 최대 전단 응력을 얻는 것을 알았다. 4) 강재 마찰 시험의 경우 반복 단순 전단에 의한 최대 전단 응력의 증가는 초기 압밀 시의 수직응력과 반복 재하의 횟수, 양생기간, 강재의 표면 거칠기 등에 관계없이 발생한다. 5) 강재 마찰 시험의 경우 반복~단순전단을 실시함으로써 최대 전단 응력과 동시에 전단 계수도 증가한다. 6) 1면 전단 시험의 경우, 반복 단순 전단을 실시하여도 최대 전단응력은 변화하지 않았다. 단, 전단 계수에 대하여는 강재 마찰시험 경우와 동등하게 증가하였다.

6. 토단에 지지되는 말뚝의 축방향 저항력의 생각법

토단에 지지되는 말뚝의 축방향 저항력을 검토하기 위해, 원 위치 재하 시험결과를 검증함과 동시에 모형실험과 1면 전단 시험기에 의한 여러 가지 전단시험을 실시하고, 선단 저항력과 주면 저항력의 발현상황을 조사하였다. 이러한 검토 결과 토단에 지지되는 말뚝의 축방향 저항력과 기존의 추정방법으로 구해지는 값보다 어느 정도 큰 것으로 생각 된다.

말뚝 직경 영향 검토와 주면 마찰을 검토 할 때의 말뚝 주면에 대한 수직 응력의 추정 등 시공조건에 맞추어 고려해야 할 과제들은 있으나, 원위치 재하 시험 등을 실시하는 등에 의해 현행의 설계법 보다도 큰 지지력을 기대하는 것이 가능하다는 결론을 얻었다.