고강도 강관파일 시험시공사례 김성회 2014. 11. 28

목 차 1. 배경 2. 시험시공 사례 2-1. 사례 1 2-2. 사례 2 2-3. 사례 3 3. 결과고찰 PILETEST

1. 배경 ♦ 기술자의 강관말뚝에 대한 인식 PHC말뚝 등 콘크리트재질의 말뚝과 비교하여 재료강도, 균질성, 취급성 등에서 우수 그러나 재료강도의 우수성을 최대한 활용하지 못함→경제성측면에서 불리→수요저감 ♦ 강관말뚝 활용에 대한 개선방안 시공장비 대형화 및 합리적인 설계→재료강도의 최대활용→설계 최적화 ♦ 고강도 강관말뚝에 대한 대표적인 연구 및 시험시공사례 SKK 490(σy=315MPa) 고강도 강관말뚝의 시험시공 및 적용성 연구(1997)→포항 및 광양 지역→직항타공법 SKK 590(σy=440MPa) 고강도말뚝의 시험시공 및 성능평가연구(2008~2013)→인천, 광양, 익산, 삼척지역→직항타, 매입공법 본 사례에서는 SKK 590급 고강도 강관말뚝에 대한 시험시공사례를 소개 PILETEST

1. 배경 SKK(SPS) 490 SKK(STKT) 590 PILETEST

2. 시험시공사례 현 장 구 분 위치 말 뚝 종 류 시 공 방 법 시 험 내 용 주요내용 사례 1 광양 Φ 406.4 Φ 508.0 Φ 600 PHC 직항타 (유압 13ton) .동재하 .정 재하(압축, 인발, 수평) .하중-전이측정 일반강도(SKK400), 고강도(SKK590) 강관 말뚝 및 PHC말뚝비교 사례 2 Φ 711.2, Ⅹ 12t(SKK 590) (유압 16ton) .정 재하(압축, 수평) TANK 기초 일반강도 말뚝(Φ914.4Ⅹ16t)을 고강도 말뚝으로 대체 적용성 확인 사례 3 인천 (송도) Φ1016.0Ⅹ12t (SKK 590) 중굴 + 선단확장 공법 대구경 말뚝 매입공법 적용성 연구 사례 4 Φ 609.6 일반강도(SKK400) 및 고강도(SKK590) 강관 말뚝비교 사례 5 삼척 Φ 812.8Ⅹ12t Φ 914.4Ⅹ12t (유압 20ton) 사례 6 (경서동) Φ 406.4Ⅹ7t Φ 500 PHC DRA (드롭 4.5.ton) 선단 형태에 따른 매입형 고강도말뚝 연구 PHC말뚝과 비교 사례 7 익산 Φ 609.6, Ⅹ9t (유압7ton) 단말뚝, 군말뚝, 자유단, 고정단 수평재하시험. PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 말뚝종류 Φ406.4, Φ508.0 일반강도 및 고강도 강관말뚝, PHC 600(A-Type) 시공방법 램 중량 13ton 유압해머에 의한 직항타 시험목적 설계에 고려 될 수 있는 규격별 고강도말뚝의 연직, 인발, 수평지지력확인 말뚝종류(등급), 선단부 형태 및 규격 별 항 타시공성(driveability) 비교 선단부 폐단 말뚝과 선단부 개단 말뚝 비교 말뚝재료의 건전도 평가 말뚝 관입 깊이에 따른 축 하중 분포확인 PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 시험방법 동적압축재하시험(PDA), 정적압축재하시험(실하중) 인발재하시험 수평재하시험 하중-전이측정 PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 시험말뚝배치도 PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 지반조건 매립층(성토층) : 5.6m, 모래질 실트 + 철 고로폐기물 하부에 조밀한 모래자갈층 기반암 : 높은 풍화(H.W)~중간풍화 (M.W) TCR=95%, RQD=5%, 균열 및 절리 발달 PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 시험시공결과(항타시공성) PILETEST GL-40m 퇴적층까지 관입성 양호 선단폐단말뚝(HSP4,5-3), PHC말뚝은 하부 모래층 또는 모래자갈 상부에 관입(약 GL- 40m) 나머지말뚝은 모래 자갈층 하부에 도달 (약 GL-45m) 항타응력 - 일반강도말뚝은 212 MPa~238 MPa 정도로 허용범위(0.9σy: 211 MPa)를 다소 초과 - 고강도말뚝은 239MPa~317MPa정도로 허용범위((0.9σy: 396 Mpa)에 충분히 여유가 있음. - PHC말뚝은 압축응력은 허용범위에 여유가 있으나 인장응력이 허용범위6.2MPa )를 다소 초과. 총 타격수는 PHC 600, 일반강도 Φ406mm 말뚝이 가장 크게 나타남. 항타응력 초과로 낙하고 조절 PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 시험시공결과(지지력 분석) 말뚝 번호 관입 깊이 (m) 시험 구분 CAPWAP분석결과 정재하 (ton) 재료 하중 비고 Rs Rt Ru Qb (ton/㎡) Ra SP4-1 45.0 E+R(24) 288.7 205.4 494.1 1583 247 - 174 SKK400 HSP4-1 45.3 E 41.7 333.3 375.0 2569 344 323 정재하, 하중-전이 HSP4-3 41.9 E+R(22) 213.6 301.2 514.8 2322 257 선단폐단 HSP4-4 44.9 E+R(23) 276.1 313.1 589.2 2413 294 SP5-1 45.1 292.9 264.1 557.0 1303 278 219 HSP5-1 76.8 373.2 450.0 1841 418 406 HSP5-2 45.2 E+R(17) 314.1 317.9 632.0 1568 316 HSP5-3 40.8 E+R(20) 299.1 263.2 562.3 1298 281 PHC-1 40.5 380.2 267.4 647.6 945 328 231 PHC 600 PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 시험시공결과(정재하 시험) 시험 말뚝 번호 추정 설계 하중 (ton) 최대 전체침하량 (mm) 하중의 100% 단계 200% 시험하중 HSP4-1 323 969.0 17.48 54.71 144.05 1.95 5.28 53.41 HSP5-1 406 1055.6 20.17 62.15 103.30 0.80 6.34 23.11 시험 말뚝 번호 극한 또는 항복 하중판정 허용 지지력 판정 전체 침하량 기준 (10%D, Fs=3.0) 순침하량 (2.5%D, Fs=2.0) S-log t (Fs=2.0) log P ­log S dS/d(log t) ­P Davisson 방법 HSP4-1 540 708(적용) - 680(적용) 969.0 344 ton HSP5-1 710 907(적용) 800(적용) 807(적용) 1055.6 418 ton PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 시험시공결과(시간경과효과) PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 결과요약 항타응력 일반강도(SKK400)말뚝은 낙하고 0.8m~1.0m일 때 212.1MPa~238MPa로 허용범위(211MPa) 다소 초과 고강도(SKK590)말뚝은 최대낙하고(1.1m~1.2m)일 때 239.7MPa~317.7MPa로 허용범위(396MPa) 충분히 여유가 있음. PHC말뚝은 압축응력은 허용범위 이내이나 인장응력은 6.3MPa로 허용범위(6.1Mpa)를 다소 초과. 관입깊이 일반강도 : 45.0m~45.1m(모래 자갈층 하부) 고강도 : 44.9m~45.3m(모래 자갈층 하부) 선단폐단 : 40.8m~41.9m, PHC 말뚝 : 40.5m(모래 자갈층 상부) PILETEST

2.1 사례1(광양지역) 결과요약 지지력 정재하시험 및 동재하시험 결과 시험말뚝 모두 재료의 허용 축하중 이상 확인 단위 면적당 선단지지력은 Φ406.4는 1580 t/㎡(SKK400), 2430 t/㎡(SKK590)정도 이며 Φ508.0은 1300t/㎡(SKK400), 1560t/㎡(SKK590) 정도로 분석되었음. PHC600은 945t/㎡으로 분석 되었음. PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 말뚝종류 Φ 711.2 X 12(t) 강관말뚝(SKK 590급) 시공방법 램중량 16 ton (DKH-1516) 유압해머에 의한 직항타 시험시공목적 증설예정인 LNG TANK에 고강도말뚝 실제 적용성 검토 기존설계는 SKK 400급 Φ 914.4Ⅹ16(t), 재료하중은 560ton 유사한 재료하중(572ton) 정도인 SKK 590급, Φ 711.2Ⅹ12(t) 규격으로 대체 검토 설계에 고려 될 수 있는 고강도말뚝의 연직, 인발, 수평지지력확인 기반암 도달 여부에 대한 항타 시공성(driveability)확인 말뚝 관입 깊이에 따른 축 하중 분포 확인(부주면 마찰력 고려) 동(動), 정(靜)재하시험의 상관관계 확인(본 공사시 PDA에 의한 품질관리) PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험방법 및 배치도 동적압축재하시험(PDA), 정적압축재하시험(실하중) 인발재하시험 수평재하시험 하중-전이측정 PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 지반조건 GL-43m 정도까지 보통조밀, 연약, 매우 연약한 해성 퇴적층으로 구성됨 하부 43m~48m정도에 보통 내지 매우 조밀한 모래 자갈층, 항타시공 관입성 불량할 것으로 예상됨. 이어서 1m 정도의 풍화암과 약 50m에 기반암인 연암층 나타남. PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험시공 및 시험전경 PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험시공결과(항타시공성) 허용항타 응력은 0.9σy 의 90%인 356MPa로 설정 측정된 압축응력은 245.6MPa ∼ 269.5MPa로서 허용 범위에 충분히 여유가 있음. 항타 관입성이 불량할 것으로 예상 되었던 하부 모래 자갈층 양호하게 관통 됨. 최종 관입 깊이는 49.9m ~ 50.4m 로 연암층 상단에 관입되어 설계조 건 충족함. PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험시공결과(지지력) 말뚝 번호 관입 깊이 (m) 시험 구분 CAPWAP분석결과 정재하 (ton) 재료 하중 비고 Rs Rt Ru Qb (ton/㎡) Ra HSP-1 50.4 E 100.0 645.0 745.0 1623 372 600↑ 572 하중-전이 R(12일) 429.1 335.9↑ 765.0 - 382 E+R(12) 1074.1 537 HSP-2 49.9 107.4 502.6 610.0 1265 305 인발시험 423.1 208.0↑ 640.1 320 432.1 934.7 467 HSP-3 50.3 101.0 439.1 540.0 1105 270 수평시험 R(13일) 430.5 168.1↑ 598.6 299 E+R(13) 869.6 434 E+R: EOID시점의 선단지지력과 Restrike 시점의 주면 마찰력을 합성한 값임. HSP-1, 2는 가용 할 수 있는 최대낙하고(1.4m)로 고정 HSP-3은 본공사시 13ton 해머 사용을 고려하여 낙하고를 0.9m로 고정 하였음. PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험시공결과(정재하 시험) 시 험 말 뚝 번 호 가정한 설 계 하 중 (ton) 최 대 전체침하량 (mm) 잔류침하량 (mm) 비고 설계하중의 100%단계 (600 ton) 200%단계 (1200 ton) HSP-1 600 1200 40.98 107.63 2.78 17.87 시 험 말 뚝 번 호 극한 또는 항복 하중판정(ton) 허용 지지력 판정 전 침하량 기준 (10%D, Fs=3.0) 순침하량 (2.5%D, Fs=2.0) S-log t (Fs=2.0) log P ­log S dS/ d(log t) ­P Davisson 방법 HSP-1 903 1200 1200↑ 600 ton PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험시공 결과(정재하시험) Hansen's Curve DIN 4026 S - log t logP-logs dS/d(log t)-P, (15-5) Davisson's Method PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험시공결과(시간경과효과) PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험시공결과(하중-전이) 심도별 축하중 분포 단위 주면마찰력-변위거동 단위 선단지지력-변위거동 479tn PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 시험시공결과(정-동 비교)교) ☞ 정-동재하 시험결과 비교 ① 산출된 지지력 ② 시험시점을 고려한 하중-침하거동 압축, 인발 모두 시간경과에 따라 지지력 증가, 하중단계별 침하량(인발량) 감소 압축의 경우 최종 재항타 시점에서 정· 동 유사한 하중-침하 거동 타격에너지 부족을 고려하여 합성한 지지력 적용, 유사한 전체 지지력 인발저항력은 마찰력에 감소계수 (SRF:0.8)를 적용하여 산정 시간경과효과, 타격에너지를 고려하면 SRF값 조정가능 정(압축)재하-동재하시험비교 정(인발)재하-동재하시험비교 745t(E) 754t(R1) 765t(R2) 1074(E+R) 346 ton 221 ton 86 ton PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 결과요약 항타응력 항타시 측정된 압축응력은 최대 269.5MPa로 허용범위(0.9σy:396MPa)에 충분히 여유가 있음. 항타관입성 퇴적층(GL-48m)까지의 항타관입성은 양호함. 항타관입성이 불량할 것으로 예 상된 하부 모래자갈층도 낙하고 조절로 비교적 비교적 양호하게 관입됨. 지지력 동재하시험결과 지지력은 시간이 경과함에 따라 증가, 최종 Restrike 시점에서 299(434)ton~382(537)ton으로 분석됨. 정재하시험결과, 600ton으로 분석되었으며 재료하중(572ton)을 상회하는 것으로 평가됨. PILETEST

2.2 사례2(광양지역) 결과요약 하중-전이 측정결과, 최대하중 1200ton 재하시 선단부에 전달된 축하중은 479ton으로 분석됨. q-z 곡선, 정재하시험, 동재하시험 결과를 고려하면 선단부 축하중은 보수적인 것으로 평가됨. t-z 곡선 분석결과 상부퇴적층은 극한에 명확하게 도달, 하부 모래자갈층 및 풍 화암층은 극한에 도달하는 양상 나타냄. 정(靜)-동(動)재하 비교 동, 정, 인발 재하시험결과 비교적 양호하게 부합됨. PILETEST

2.3 사례3(인천지역) 말뚝종류 Φ1016.0× 12t 고강도강관말뚝(SKK590) 시험목적 선단확장형 대구경 고강도 말뚝의 지지력 특성, 설계자료수집 대상말뚝의 연직, 인발, 수평지지력 확인→동, 정, 인발, 수평재하시험 선단확장 유무에 따른 지지력 비교 시간경과에 따른 지지력 변화 평가. PILETEST

<선단확장형 중굴공법 개념도> 2.3 사례3(인천지역) 시공방법 ■ 중굴공법 + 선단부 확대, ■ 중굴공법 + 선단부 일반 파일 설치와 동시에 내부를 굴착(중굴공법)하고 선단부를 확대 굴착(선단확장)하여 구근부를 형성한 후 강관과의 합성 거동을 통해 선단지지력을 극대화하는 공법 특징 -선단면적 1.7배 확대에 따른 지지력 향상 -저소음/저진동 공법으로 도심지 시공 가능 <선단확장형 중굴공법 개념도> PILETEST

2.3 사례3(인천지역) 시험말뚝배치도 선단 확장 선단확장 con’c채움 선단 확장 PILETEST

2.3 사례3(인천지역) 시험시공 및 시험전경 PILETEST

2.3 사례3(인천지역) 지반조건 매립층(성토층) : 1.3m, 세립질모래 및 폐석혼재 굴착은 풍화암 약 6.5m까지 굴착, 말뚝은 풍화암 4.5m까지 관입 PILETEST

2.3 사례3(인천지역) 시험시공결과(지지력 분석) 말뚝 번호 관입 깊이 (m) 낙하고 S.V (mm/타) 시험 구분 CAPWAP분석결과 비고 Rs (ton) Rt Ru Ra HSP-D1 41.7 1.3 〈 2 R1(10일) 365.5 593.5 960.0 480↑ 선단부 확장 1.5 〈 1 R2(28일) 464.4 825.6 1290.0 645↑ HSP-D2 41.8 1.0 18 159.1 256.9 416.0 208 13 274.7 330.0 604.7 302 HSP-D1 선단부 확대 타격에너지 부족으로 지지력 충분히 발휘시키지 못함 허용지지력은 645ton 이상일 것으로 판단됨 HSP-D2 선단부 확대하지 않은 말뚝 상대적으로 큰 침하량 발생 하였으며 지지력도 작게 측정됨. PILETEST

2.3 사례3(인천지역) 시험시공결과(정재하 시험) 시 험 말 뚝 번 호 가정한 설 계 하 중 (ton) 최 대 전체침하량 (mm) 잔류침하량 (mm) 비고 설계하중의 100%단계 (1000 ton) 200%단계 (2000 ton) HSP-S1 1000 2000 36.41 109.6 6.87 30.8 시 험 말 뚝 번 호 극한 또는 항복 하중판정(ton) 허용 지지력 판정 전 침하량 기준 (10%D, Fs=3.0) 순침하량 (2.5%D, Fs=2.0) S-log t (Fs=2.0) log P ­log S dS/ d(log t) ­P Davisson 방법 HSP-1 1915 1820(적용) 2000(적용) 2000↑ 1750(적용) 1270 928 ton PILETEST

2.3 사례3(인천지역) 시험시공 결과(정재하시험) Result S - log t DIN 4026 dS/d(log t)-P PILETEST

2.3 사례3(인천지역) 시험시공 결과(공법별 비교) 공법별 비교 지지력은 선단부 확장말뚝이 미확장 말뚝에 비해 2배 이상 하중-침하거동 상대적으로 양호 선단부 확대 부분 시멘트풀 양생효과 현저하게 나타남. 하중-침하량 비교 심도별 주면마찰력 비교 1290 ton↑ 604 ton PILETEST

3. 결과고찰 광양지역, 인천지역 등에서 7개소 현장에서 고강도강관말뚝 시험시공 일반규격(Φ406, 508), 대구경(Φ711)말뚝의 직항타, 대구경(Φ1014)말뚝의 매입공법 사례분석. 일반규격 직항타 말뚝의 경우 장비최적화로 재료강도 최대활용가능 대구경의 경우 장비대형화 필요. 대구경 말뚝의 선단확대공법 적용 학인 장비최적화, 다양한 공법개발 → 재료강도최대활용 → 시공성, 경제성 등 경쟁력 확보 PILETEST