이 프로젝트의 주요 목적은, 적절한 진동 모니터링 지역을 결정하는 방법에 중점을 두고 현재 루이지애나 교통개발부(Louisiana Department of Transportation and Development, LADOTD)가 말뚝 항타 진동 위험 관리에 대해 가지고 있는 정책을 업데이트하는 것임. 연방 및 주 고속도로 유관기관들 의한 말뚝 항타의 위험 관리에 대한 현재의 우수 사례가 종합적인 문헌 검토 및 설문조사를 통하여 파악되었음.

지반 진동 데이터는 루이지애나 주의 예전 말뚝 항타 프로젝트에서 수집되었고, 그 데이터는 지반의 진동 최대 입자속도(Peak Particle Velocity, PPV) 값을 예측하기 위한 회귀 방정식(regression equation)을 개발하기 위해 환산거리(scaled-distance) 개념에 근거하여 통계적으로 분석되었음. PPV 값을 예측하기 위한 99 퍼센트 예측수준의 회귀 방정식에 근거하여, 적절한 진동 모니터링 거리(vibration monitoring distance, VMD)를 결정하기 위한 논리적인 절차가 루이지애나의 지역 상태에 대해 개발되었음. 경험적인 환산거리 개념에서 얻어진 결과는 동적 유한요소법(finite element method, FEM) 시뮬레이션으로 검증되었음.

이 연구로부터의 결론에 의하면, 루이지애나의 현재 특별 규정에서 명시된 진동 기준은 일반적으로 너무 보수적이고(주거 건물에 대해 0.2 in/s의 PPV 한계와 500 피트의 건설 전 조사거리), 수정되어야 함. 이러한 PPV 한계값에 있어서, 연구 결과에 의하면, 일반적인 시나리오(근처에 역사적인 건물이 없고, 느슨한 사질토층이 없는 경우)와 특별 시나리오(파일 항타 지역 근처에 역사적인 건물이 있거나 느슨한 사질토층이 있는 경우)에 대해 각각 0.5과 0.1 in/s이 사용되어야 함. 결과적으로, 일반 및 특별 시나리오에 대해 각각 200과 500 피트의 VMD가 제안됨. 대규모 파일 항타 해머가 사용되는 경우(에너지율이 100,000 ft-lbf 이상)에서의 VMD 값도 제안됨. 건설 전 조사거리는 VMD와 같은 값을 가지도록 제안됨.

이 연구로부터의 주요 결과에 근거하여 시방서 초안이 개발되었고, 이는 첨부(Appendix E)에 포함되어 있어 미래의 말뚝 항타 프로젝트에서 LADOTD에 의해 사용될 준비가 되어 있음.
 

무거운 하중을 더 강한 토양층으로 이전하거나 고속도로나 교량 건설에서 임시로 토양이나 물을 지지하기 위해 말뚝이 종종 사용되어 왔음. LADOTD는 말뚝 기초에 연간 수백만 달러를 지출함. 말뚝 항타의 장점에도 불구하고, 그 설치 절차는 필연적으로 진동을 야기함. 진동의 강도는 말뚝의 물리적 특성(재료, 중량, 길이, 크기 등); 말뚝 설치방법; 그리고 토양(타입, 밀도, 수분 함량 등)에 달려있음. 지반의 진동 강도에 따라, 주변의 건물이나 구조물에 다양한 정도의 손상을 일으킬 수 있고, 건물의 거주자들에게 신경을 쓰이게 할 수 있음.

Woods에 의해 수행된 설문조사에 의하면, 28개의 교통부(Department of Transportation, DOTs)와 26개의 말뚝 항타 계약자들은 다양한 말뚝 항타로부터 진동 관련 민원을 받은 경험을 가지고 있었음. 게다가, 말뚝 항타로부터 소송이 제기도 함. 따라서, 말뚝 항타에 참여하는 모든 당사자들이 말뚝 항타 진동과 관련된 문제를 다루는 합리적인 위험 관리 계획을 가지는 것이 필수적임. 주 교통부는 말뚝 항타 전에 잘 계획된 말뚝 항타 위험 분석을 통해 재정적으로, 기술적으로 혜택을 얻을 수 있음. 왜냐하면, 보수적인 가정은 건설비용을 높이거나 프로젝트를 지연시킬 수 있기 때문임.

말뚝 항타로 인한 구조물 손상의 정도는 최대 입자속도로 종종 수치화되는 지반 진동의 크기와 관련이 있는 것으로 믿어짐. 허용가능한 PPV 값을 정의하는 시방서와 규정이 많이 있음. 그럼에도 불구하고, 진동적으로 유발된 손상을 예방하기 위한 허용가능 PPV 값에 있어서 합의가 이루어지지 않았음. 왜냐하면 말뚝, 토양 상태, 주변 건물 간의 복잡한 상호작용 때문임.

이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 말뚝 항타를 하는 동안 주변 지반의 진동을 모니터링하는 것임. 예를 들어, LADOTD는 계약자로 하여금 모든 말뚝 항타 활동의 300-500 피트 내에서 지반 진동을 모니터링하도록 요구하는 특별 규정을 가지고 있음. 이렇게 명시된 거리는 프로젝트에 추가적인 비용을 야기시켰음. 따라서 LADOTD는 위험을 최소화하면서 기술적으로 건전한 합리적인 모니터링 거리를 결정할 필요가 있음.

말뚝 항타의 위험 관리 계획의 다음과 같은 측면은 이 질문을 다루기 위해 필요함:
ㅇ 지반 진동의 수준, 토양 상태, 구조적 손상의 가능성간의 상관관계를 결정하기 위한 합리적 접근방법; 
ㅇ 말뚝 항타 활동과 관련하여 지반의 최대 입자속도를 추정하기 위한 합리적 접근방법; 그리고 
ㅇ 필요하다면 지반의 진동을 줄이기 위한 완화 대책.
 

44개의 주 교통부, 10개의 말뚝 항타 계약자, 13개의 컨설팅 업체로부터 68개의 응답을 얻었음. 첨부(Appendix B)에는 설문조사 응답의 개요를 포함함.

ㅇ 건설 전 조사: 주정부 기관들, 계약자 또는 컨설턴트는 프로젝트 지역에서 기존의 구조물과 토양의 상태를 평가하고 말뚝 항타에 의해 야기되는 손상 위험을 줄이기 위한 적절한 공학적 대책을 결정하기 위해 건설 전 조사를 필요한 활동이라고 생각함. 항타 이전의 조사는 일반적으로 조사를 수행하고, 기존의 손상 및 불량을 사진찍고 촬영하며, 균열 게이지(crack gages)를 설치하고, 조사 노트를 작성하는 것 등으로 구성됨. 그러나, 건설 전 상태 조사 지역을 어떻게 결정할지에 대해서는 합의가 되어 있지 않고, 이는 보통 프로젝트 별로 수행됨. 일부 주 교통부에 의해 사용되는 일반적인 건설 전 조사 거리는 100 피트, 200 피트 또는 400 피트임.

ㅇ 진동 모니터링: 말뚝 항타로부터의 진동 영향을 평가하기 위해 다양한 진동 인자 -- 예를 들어, 최대 입자속도, 최대 입자 변위(peak particle displacement), PPV -- 가 주 교통부에 의해 사용됨. 하지만, 대부분의 기관들은 PPV가 말뚝 항타와 관련된 움직임에 대해 가장 적합한 측정기준이라는데 동의함. 말뚝 항타를 하는 동안 진동 모니터링 거리의 범위에 대해서는 합의가 이루어지지 않았음. 진동 모니터링 지역에 대한 명시가 없다면, 컨설턴트는 종종 항타 파일의 200 피트 내에 모니터링 지역을 제어함.

ㅇ PPV 값의 한계치: 상당수의 주 교통부와 컨설턴트는 미국 광산국(U.S. Bureau of Mines, USBM)에 의해 제안된 주파수 기반의 PPV를 사용하는 반면, 다른 기관들은 표면 채굴국(Office of Surface Mining, OSM)의 주파수 독립적인 진동 기준(0.75 - 1.25 in/s)을 채택함. 그럼에도 불구하고, 일부 주 교통부와 컨설턴트는 더 높은 PPV 값(2 in/s까지)이나 더 낮은 PPV 값(0.1 in/s)도 사용함.
 

이 연구로부터의 결론에 의하면, 루이지애나의 현재 특별 규정에서 명시된 진동 기준은 일반적으로 너무 보수적이고(주거 건물에 대해 0.2 in/s의 PPV 한계와 500 피트의 건설 전 조사거리), 수정되어야 함.
 

모든 진동 위험 관리 계획의 필수적인 인자로써, PPV 한계치는 연방 기관들과 주 교통부에 의해 제안된 현재의 가용한 기준과 시방서를 면밀하게 검토함으로써 결정되었음. 두 가지의 PPV 한계치가 다음의 시나리오를 위해 선택되었음: (1) 근처에 역사적이거나 민감한 건물이 없고, 말뚝 항타 지역에 느슨한 사질토층이 없는 일반적인 시나리오; 그리고 (2) 근처에 역사적/민감한 건물이 있거나 말뚝 항타 지역에 느슨한 사질토층이 있는 특별한 시나리오. 일반적인 시나리오에 대해서는 0.5 in/s가 제안되고, 특별한 시나리오에 대해서는 0.1 in/s가 제안됨.
 

VMD를 결정하기 위한 합리적 접근방법이 이 연구에서 제안되었는데, 이는 환산거리의 개념과 99 퍼센트 예측 수준의 회귀 방정식에 근거하였음. 이 접근방법은 루이지애나에서 10건의 이전 파일 항타 프로젝트에서 수집된 지반 진동 데이터를 분석하기 위해 적용되었고, 다음과 같이 일반적이고 특별한 시나리오에 대해 VMD의 제안으로 이어졌음:

ㅇ 일반적인 시나리오에 대해서, 200 피트의 VMD가 제안됨
ㅇ 특별한 시나리오에 대해서, 500 피트의 VMD가 100,000 ft-lbf 이하의 에너지율을 가진 말뚝 항타 해머에 대해 제안됨; 그렇지 않으면 VMD는 [1.6 x 말뚝 항타 해머의 에너지율의 제곱근]으로 계산됨.

PPV 한계치와 환산거리의 개념에서 얻어진 VMD는 FEM 시뮬레이션으로 검증되었는데, 이는 말뚝 항타를 하는 동안 지반-구조물 간의 상호작용을 고려하였고 구조물에서의 응력 예측치와 상응하는 강도값을 비교하였음. FEM 시뮬레이션 결과에 의하면, 환산거리는 말뚝 항타의 위험을 관리하기 위해 실행하기에 매우 보수적이고 단순함.
 

건설 이전의 조사 거리는 진동 모니터링 거리와 똑같을 것으로 제안됨. 건설 전의 조사는 말뚝 항타 활동의 이전에 수행되어야 함.
 

이 연구로부터의 결과에 근거하여, 시방서 초안이 말뚝 항타와 관련된 위험을 효과적으로 관리하기 위해 제안됨. 이는 미래의 말뚝 항타 프로젝트에서 LADOTD에 의해 사용될 준비가 되어 있고 Appendix E에 포함되어 있음. 말뚝 항타에서 유발된 진동을 다루기 위한 위험 관리 계획은 말뚝 항타 활동 이전에, 그리고 계획 및 설계 단계에서 고려되기 전에 실행되어야 함.