Numerical and experimental model studies were carried out to evaluate the integrity and the end condition for drilled shafts by applying elastic impact on the top of the shaft in the stress wave propagation method. One-dimensional finite element studies were carried out using mock-up shafts including four types of defects: (1) axisymmetric void, (2) non-axisymmetric void, (3) neck, and (4) bulb. Experimental studies were carried out to verify the finite element models in the air and in soil, and impact responses were analyzed in both time and frequency domains. It was shown that axisymmetric void, non-axisymmetric void, and neck could be detected in the frequency domain when the reduction in shaft cross-sectional area was more than 50%. Alternatively in the time domain, it was possible to identify the defect reliably when the reduction was 30%.
Subsequently, typical impact responses corresponding to the various end conditions including free, fixed, rock-socketed, and soft-bottom with good and poor side contact conditions, were investigated. In order to simulate these conditions, mock-up shaft models made of cement mortar were used. Three-dimensional finite element studies using axisymmetric model were performed to evaluate each end condition. Small-scale laboratory experiments were also performed, and field tests were carried out for the shafts that were socketed into weathered rock. It is found that the rock-socketed condition and depth of penetration into rock can be identified from the reflection at the interface between the soil and rock in the waveform. The soft bottom condition can be identified, only when the side contact between shaft and surrounding rock is poor, whereas it cannot be identified when the side contact is good because the waveform is similar to that of fixed end condition.
본 논문은 응력파 전파방법에 의하여 현장타설 말뚝기초의 건전도를 평가하는 연구로서 이를 위하여 실내실험, 수치해석 및 현장실험을 수행하였다. 현장타설 말뚝기초의 건전도 평가는 말뚝 내부의 결함 평가와 말뚝 선단의 조건 평가로 구분하여 각각 연구를 수행하였다.
말뚝 내부의 결함 평가를 위하여 직경 10cm, 길이 1m인 모노캐스트 모형말뚝을 사용하였으며, 이 모형말뚝에 축대칭 공극, 비축대칭 공극, 병목부, 그리고 단면 확대부의 결함을 제작하였다. 결함의 크기는 말뚝 단면적에 대한 결함 면적으로 정의하였으며, 30%부터 80%까지 변화시켰다. 결함 위치는 말뚝 표면에서 0.4m와 0.6m에 위치하도록 하였다. 서로 다른 결함의 종류, 결함 면적, 결함 위치에 대하여 수치해석을 실시하였으며, 수치해석 결과를 검증하기 위하여 공기 중에서 및 지반에서 각각 실내실험을 실시하였다. 실내실험 결과 결함 말뚝에 대한 동적 특성을 파악할 수 있었으며, 주파수 영역에서는 결함의 크기가 50%이상이어야 탐지가능하지만, 시간 영역에서는 30%이상이어도 결함 탐지가 가능함을 확인할 수 있었다. 특히, 주파수 영역에서는 결함에 해당하는 주파수와 말뚝 길이에 해당하는 2차 또는 3차 모드의 주파수가 서로 중첩되어 결함의 크기가 80% 이상이어도 정확한 위치 파악이 어렵다는 사실을 발견하였으며, 따라서 이 경우에는 시간 영역에서 결함의 위치를 추정하는 것이 바람직함을 제시하였다.
한편, 말뚝 선단의 조건 평가를 위하여 직경 6cm, 길이 2m인 시멘트 몰탈 모형말뚝과 직경 6cm, 길이 0.6m인 폴리우레탄 모형말뚝을 각각 제작하였다. 말뚝 선단의 조건은 자유단 조건, 고정단 조건, 암반근입 조건, 그리고 연약선단 조건의 네 가지로 구분하였으며, 연약선단 조건은 다시 말뚝과 주위 지반과의 접착 상태가 양호한 경우와 불량한 경우로 나누어 각각 수치해석과 실내실험을 실시하였다. 수치해석 및 실내실험 결과 응력파 전파방법에 의하여 말뚝 선단의 조건 가운데 자유단 조건, 고정단 조건 및 암반근입 조건을 각각 구별, 평가할 수 있었다. 또한 암반에 근입되어 있는 깊이도 정확히 산정할 수 있었으며, 말뚝과 주위 지반과의 접착상태가 불량한 경우 연약선단도 탐지할 수 있었다. 이는 우리나라 대부분의 현장타설 말뚝기초가 암반에 근입되어 있음을 고려해 볼 때, 현장타설 말뚝기초의 품질관리에 있어서 본 연구결과가 가지는 중요성이 크다고 할 수 있다.
말뚝 표면의 감지기에 의한 응력파 전파방법은 말뚝과 주위 지반의 강성비 및 말뚝 직경에 대한 길이의 비에 영향을 많이 받는다. 즉, 주위 지반이 단단할수록, 그리고 말뚝의 길이가 길수록 응력파의 에너지 감쇠가 많이 발생하여 뚜렷한 반사신호를 얻을 수 없으며, 따라서 본 연구에서는 수치해석에 의하여 국내 지반에 적용할 수 있는 말뚝과 주위 지반의 강성비 및 말뚝 직경에 대한 길이의 비를 제안하였다.
응력파 전파방법의 현장 적용성을 평가하기 위하여 국내 5개 현장에 건설되어 있는 현장타설 말뚝기초에 대하여 현장실험을 수행하였으며, 현장실험 결과 응력파 전파방법에 의하여 현장타설 말뚝기초의 건전성 평가, 즉 말뚝 내부의 결함 평가 및 말뚝 선단의 조건 평가가 가능함을 다시 한번 확인하였다.
