말뚝의 정재하시험(반력말뚝방식)

현장에서 말뚝을 시공한 후에는 설계 시 가정한 성능을 충분히 확보하고 있는지 확인해야 합니다. 말뚝 재하시험에는 정재하시험과 동재하시험으로 구분하는데, 정재하시험이 신뢰도가 높습니다. 그 중에서도 실재하 방식(철근 등을 이용해서 최대 시험하중의 110% 이상을 준비해서 재하)이 가장 신뢰도가 높지만 시험시간이 많이 걸리기 때문에 현장에서는 반력말뚝을 이용한 재하시험을 많이 합니다. 

 

여기서는 PHC 말뚝에 실시한 반력말뚝방식의 정재하시험에 대해 살펴보겠습니다.

 

 

■ PHC 말뚝 - 프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝

■ 원심력 콘크리트 말뚝(PHC말뚝)의 시공

 

시험말뚝내용

위 사진에서 시험한 시험말뚝의 사양은 다음과 같습니다.

말뚝종류	직경 (mm)	말뚝관입심도 (m)	시공방법	설계하중 (ton/본)	최대시험하중 (ton/본)
PHC	500×80	22.5	D.R.A	120.0	250.0

 

시험장비의 제원은 다음과 같습니다.

• 유압잭 및 펌프(1조) : 600ton
• 재하프레임(1set) : 총 Beam 무게는 약 6톤
• 다이알게이지(Digital guage)(2개) 1/1000mm Division, 50mm Strock
• 마그네틱 홀더(Magnetic holder)(2개) 

 

시험장비의 설치

1) 두부 정리 : 시험을 실시할 파일과 주변 파일의 두부를 정리합니다. 말뚝 배치가 맞지 않으면 시험을 하지 못하기 때문에 시험할 파일위치를 사전에 결정해야 합니다. 

 

 

원래는 파일머리를 절단한 다음 상부표면을 연마기를 평탄하게 정리하고 에폭시 수지 등으로 말뚝 두부를 보강해야 합니다.

 

2) 재하프레임 및 재하장치 설치
재하판 설치 ▶ 유압잭 설치 ▶ 레퍼런스 빔 설치 ▶ 재하대 설치 ▶ 하중재하

 

 

 

재하대는 시험하중의 110%를 견딜 수 있고 파괴나 전도되지 않는 안전한 구조를 갖추어야 합니다. 재하대는 시험하는 동안 편심이 발생하지 않도록 시험말뚝과 재하하중의 무게 중심이 일치하도록 해야 합니다.

 

3) 측정장치 설치

다이알 게이지는 시험말뚝 본체 양 옆에 부착합니다.

 

 

시험방법의 종류

가장 표준적인 ASTM - 1143에 규정된 재하방법은 다음과 같습니다.

• 시험 하중을 8단계 즉, 설계하중의 25%, 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 175% 및 200%로 나누어 재하한다.
• 각 하중단계에서 말뚝 머리의 침하율(rate of settlement)이 시간당 0.01inch(0.25mm) 이하가 될 때까지(단, 최대 2시간) 재하하중을 유지한다.
• 설계 하중의 200% 즉, 총 시험하중 재하단계에서 하중을 유지하되 1시간동안의 침하량이 0.01inch(=0.25mm) 이하일 경우 12시간, 그렇지 않을 경우 24시간동안 유지시킨다.
• 총 시험하중의 25%씩 각 단계별로 1시간씩 간격을 두어 제하한다.
• 만약 시험도중 말뚝의 파괴가 발생할 경우, 총 침하량이 말뚝머리의 직경 또는 대각선 길이의 15%에 도달할 때까지 재하를 계속한다.

표준적인 재하방법은 시간이 많이 걸리기 때문에 급속재하방법을 사용할 수 있는데 이 방법은 2∼5 시간 정도 소요됩니다.

 

급속재하 시험방법은 

• 재하하중단계를 설계하중의 10% 내지 15%로 정하고 각 하중단계의 재하간격을 2.5분 내지 15분으로 하여 재하한다. (주) ASTM에서는 재하간격을 2.5분으로 규정하고 있으나 그 시간동안 2 ~ 4 차례에 걸쳐 Gauge 혹은 Scale등을 읽고 기록하기에는 충분치 못한 것으로 판단되며 대체로 5분 간격으로 하는 것이 보다 실제적인 것으로 보인다.
• 각 하중단계마다 2 ~ 4 차례 (예 : 재하간격 5분일 경우 0, 2.5, 4.0 및 5분 경과시) 침하량을 읽어 기록한다.
• 시험은 재하하중을 계속 증가시켜 말뚝의 극한하중에 이를 때까지 또는 재하장치의 재하용량이 허용하는 범위까지 재하한 후, 최종단계에서 2.5분 내지 15분간 하중을 유지시킨 후 제하한다.
  (주) 일반적으로 총 시험 하중을 표준재하방법에서와 마찬가지로 설계하중의 200% 혹은 300%까지로 제한하는 것이 권장되고 있다. (Fellenius, Prakash)

이외에 반복 하중 재하방법(ASTM D 1143-81(Optional)에 의한 이 시험방법)은 다음과 같습니다.

• 재하하중의 하중단계는 표준재하 방법에서와 같이 정한다.
• 재하하중 단계가 설계하중의 50%, 100% 및 150%에 도달하였을 때 재하하중을 각각 1시간동안 유지시킨 후 표준재하방법의 제하시와 같은 단계를 거쳐 단계별로 20분 간격을 두면서 제하한다.
• 하중을 완전히 제하한 후 설계하중의 50%씩 단계적으로 다시 재하하고 표준시험방법에 따라 다음 단계로 재하한다.
• 재하하중이 총 시험하중에 도달하게 되면 12시간 또는 24시간 동안 하중을 유지시킨 후 제하하되 그 절차는 표준재하방법과 같다.

 

한국지반공학회 재하방법

앞에서 제시한 방법들은 다소 시간이 걸리기 때문에 보통은 한국지반공학회에서 제시한 수정된 방법을 많이 사용합니다.

 

재하방법

분류	내용
최대재하하중	설계하중의 200%(즉 2배)
재하하중단계	재하하중은 설계하중의 25%를 단위로 재하한다.
제하과정	제하하중은 설계하중의 50%씩 제하한다.
하중유지시간	침하율이 시간당 0.25mm 이하 또는 최대 2시간까지 하중을 유지한다.

 

측정방법

구분	범위 및 규정
최대재하하중	설계하중의 200%(즉 2배)
재하하중단계	9단계
싸이클수	1 Cycle
재하단계별 하중지속시간	침하율이 시간당 0.25mm 이하 또는 최대 2시간까지 하중을 유지한다.
제하단계별 하중지속시간	각 제하단계별 10분 간격
하중단계별 하중지속시간	재하와 제하(%) 0-25-50-75-100-125-150-175-200-207-0
침하량 기록시간	1, 2, 3, 5, 10, 15, 20분 · · · (이후 10분 간격)

 

(시험결과) 하중-침하량 곡선을 이용한 지지력 산정

P-S분석법은 하중 - 침하량 곡선에서 하중의 증가에 따라 침하량이 급하게 변하고 있는 하중에 접선을 그려 항복 하중을 산정하는 방법입니다.

 

 

이 현장에서는 최대재하하중 재하 시에도 급하게 변하는 하중단계가 나타나지 않고, 일직선에 가까운 형태로 분석되어 항복 및 극한하중은 나타나지 않았습니다. 그러므로 최대재하하중을 최소항복하중으로 말뚝의 허용지지력을 산출하였습니다.

 

log P - log S 곡선법은 하중 및 침하량을 모두 log 용지에 출력하여 허용지지력을 산정 하는 방법으로, P - S 분석법과
마찬가지로 최종하중을 재하 시 거의 일직선 형태로 분석이 되므로 이 현장의 경우는 항복 및 극한하중은 나타나지 않았습니다. 그러므로 최대재하하중을 최소항복하중으로 말뚝의 허용지지력을 산출하였습니다.

 

S - log (t) 분석법은 하중이 증가함에 따라 직선상에 상향으로 나타나는 하중(즉, 침하량이 급격히 증가하는 하중단계)을 항복 하중으로 나타내는 방법으로 이때 분석표를 보면 상향으로 나타나는 하중단계가 없이 하중선과 평행하게 분석되므로 본 현장의 경우 항복 및 극한하중은 나타나지 않았습니다. 그러므로 최대재하하중을 최소항복하중으로 말뚝의 허용지지력을 산출하였습니다.

 

 

P - △S/△log(t) 분석법은 하중의 증가에 따른 침하량의 변화를 측정한 후 하중(P)의 변화에 따른 일정 시간의 경과에 따른 침하량의 변화(△S/△log(t))를 일반 산술눈금 용지에 출력한 후 일정한 변화를 보이는 지점을 직선으로 연결하여 두 직선이 만나는 지점을 항복점으로 판단하는 방법으로 이때 분석표를 보면 상향으로 나타나는 하중단계가 없이 하중선과 평행하게 분석이 되므로 이 현장의 경우는 항복 및 극한하중은 나타나지 않았다. 그러므로 최대재하하중을 최소항복하중으로 말뚝의 허용지지력을 산출하였습니다.

 

 

Davisson's method : Davisson은 파괴기준에 말뚝의 길이를 고려하는 방법으로 말뚝머리의 변위가 그 말뚝의 탄성압축량을 초과하는 상태에서의 하중을 파괴하중으로 계산합니다. 즉, 탄성압축량 Δ =PL/AE 을 0.15 + D/120(in) 만큼 평행이동시킨 선과 침하곡선과의 교점에서 하중을 파괴하중으로 가정하는 방법입니다. 분석결과 본 현장의 경우는 말뚝의 전침하량이 이론적인 말뚝재료의 탄성압축량과 유사한 값으로 나타나고 있으며, 탄성압축량을 0.15 +D/120 (in) 만큼 평행이동 시킨 Davisson'sOffset Line과는 교차하지 않으므로 항복점은 발생되지 않았습니다. 그러므로 최대시험하중을 최소항복하중으로 가정하여 분석하였습니다. Davisson에 의한 변위계산 결과는 다음 표와 같습니다.

 

 

최종 분석 결과는 다음과 같습니다.

 

 

시험결과 최대시험하중 재하 시 측정된 시험말뚝의 전침하량은 17.545mm, 잔류침하량 11.455mm로 나타났습니다. 따라서 기준치(전침하량 : 25.40mm, 잔류침하량 12.70mm) 이하로 나타났습니다.

 

 

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