Rock-socketed drilled shafts are widely used in various geological settings all around the world to transfer the heavy load from the superstructure. Their load-carrying behavior under compressive loading is well-understood. However, a working pile is not always subjected to a compressive load. Some structures, such as transmission towers, jetting structure, submerged platforms, are constructed on pile foundation that have to resist uplift load. Despite the importance of these structures, the behavior of drilled shaft under uplift load is insufficiently understood and design procedures provide little guidance in situation involving uplift loading. Therefore, in this study, research was conducted to investigate the uplift behavior of rock-socketed drilled shaft.
A series of uplift load tests were conducted using KAIST geotechnical centrifuge facility. The artificial model rocks were constructed by mixing dry silica sand, ultra rapid hardening cement (or dry mortar), retarding agent and water. The properties of artificial rocks were verified through various testing such as uniaxial compression test and Free-Free Resonant Column (FFRC) test. The model drilled shafts were made by aluminum tubing with a roughened surface having an equivalent structural stiffness as that of a typical concrete piles. Roughness of socket wall is an important factor in development of shear resistance. The surface of model pile was roughened using a process called knurling, which produce crosshatch texture, the tooth depth of which is controlled by the choice of knurling tool in the machine. The groove depth was designed based on average value of socket wall roughness for Korean domestic drilled shafts. All the model piles were instrumented with closely spaced strain gages. A hydraulic loading system was created to apply large uplift load up to failure condition. The testing program includes model drilled shafts socketed in different rock conditions where their strength of rock, socket depth, embedment ratio are varies.
This thesis presents the experimental results from centrifuge modeling of instrumented uplift load test for drilled shaft socketed into various rock conditions. Evaluation of ultimate uplift capacity from load-displacement behavior observed at the shaft head using appropriate criteria to determine the ultimate capacity, followed by assessment of the effect of intact rock strength, socket depth, and embedment ratio of layered rock on the ultimate capacity. Also axial load distribution in the pile and the skin friction distribution were interpreted using the strain gage measurements. In addition, load-transfer (t-z) curves which describe the rock-pile interactions and load-displacement behavior were investigated.
Based on the information obtained in this study, improved design recommendations for computation of side resistance and load-transfer for rock-socketed drilled shaft under uplift load can be suggested.
기초는 상부구조물로부터 전달되는 하중을 지반으로 전달하는 토목구조물의 중요한 구성요소이다. 기초의 불완전한 설계 및 시공은 상부 구조물의 변위 및 전도를 유발하며 심하면 구조물 파괴의 원인이 된다. 따라서 상부 하중을 안전하게 지지할 수 있도록 기초를 설계하는 것은 필수적이다.토목구조물이 점차 대형화, 중량화 됨에 따라 소규모 기성말뚝을 대체하기 위한 방안으로 대구경 현장타설말뚝의 사용이 증가 되어 왔다. 현장타설말뚝은 기초가 설치되는 대상 지반을 굴착한 후 현장에서 콘크리트를 타설하여 기초체를 형성한다. 이러한 시공방법은 상부구조물의 중량과 지반조건에 따라 말뚝의 직경과 근입깊이 조절이 용이하여 다양한 지반에 적용 될 수 있다. 특히, 기반암의 깊이가 수 십 미터 이내의 비교적 얕은 심도에 위치하고 있는 국내 지반조건의 특성에 따라 국내 현장타설말뚝은 대규모 하중을 견고한 암반층에 전달하도록 암반에 근입되는 경우가 일반적이다.
대부분의 구조물 기초가 상부구조물의 자중을 지반에 전달하며 압축하중을 견디도록 설계되어 온 것과는 달리 높은 산지에 설치되는 송전철탑, 원유시추 등을 위한 해상의 해양플랫폼, 자켓구조물등은 극심한 풍하중과 부력 및 파랑하중에 의해 발생하는 인발하중이 설계를 지배하는 주요인자가 된다. 그러나 기초의 인발지지력에 관한 연구는 압축 및 수평지지력에 비해 연구가 미진한 실정이다. 특히 암반에 근입된 현장타설말뚝의 경우에는 인발저항기구에 대한 정보가 매우 드물다.
말뚝기초의 인발저항력은 주면마찰력과 말뚝자중에 의해 발현되는 것으로 알려져 있다. 현장타설말뚝의 경우 주면마찰력을 발현시키는 변위량이 선단저항력을 발현시키기 위한 변위량에 비해 작으므로 대부분의 사용하중이 주면저항력에 의해 지지되도록 설계되고 있다. 따라서 인발하중에 대한 안정성 검토를 위해서는 주면마찰력의 평가가 매우 중요하다. 그러나 현행 설계기준은 암반에 근입된 현장타설말뚝의 극한주면마찰력을 예측하기 위해 일반적으로 재하실험결과로부터 얻은 일축압축강도와의 경험적인 관계를 이용하고 있는 실정이다. 그러나 이러한 경험적 식들은 제안된 식들간의 편차가 매우 크다. 뿐만 아니라 이러한 재하실험을 실시한 대상 지반이 국내의 풍화암 및 연암의 특성과 달라 신뢰도 있는 예측 결과를 기대하기 어렵다.
뿐만 아니라, 인발하중에 대한 사용하중 이내의 변위를 예측할 수 있는 신뢰도 있는 하중전이함수를 제공하지 못하고 있는 실정이다. 특히 암반에 근입된 현장타설말뚝의 경우에는 국내외를 막론하고 인발시 하중전이특성에 대한 연구가 미진하다.
이에 따라 설계 치침에는 말뚝의 축방향 지지력과 변위 검토를 위해 말뚝 시공 대상지반의 정밀한 지반조사 및 정재하시험을 실시할 것을 권고하고 있다. 그러나 모든 공사에서 현장재하시험을 수행하는 것에는 경제적, 시간적 제약조건이 있다. 예를 들어, 재하 시험시 최대 재하하중은 설계 예상 하중의 약 2배를 재하하도록 규정되어 있다. 암반에 근입된 말뚝의 경우에는 설계 예상하중 자체가 크기 때문에 반력을 제공하는 시스템의 구축이 매우 어려운 것이 현실이다. 이러한 이유로 재하실험을 수행한다 해도 파괴거동과 극한하중을 확인하지 못하고 최대 재하 가능하중에서 실험이 중단되는 경우가 무수하며, 이에 따라 도입되는 항복하중의 판정 방법의 불확실성 등으로 또다시 설계의 제약성을 내포하게 된다.
이러한 기초의 설계검토를 위한 현장실험을 대체하여 현장지반의 응력상태를 모사할 수 있는 원심모형실험은 효율적 대체방안으로 평가되며 널리 활용되고 있다. 특히, 암반에 근입된 현장타설말뚝에 인발하중 재하 실험을 원심모형실험을 통해 모사할 경우, 상사법칙에 따라 현장실험에서 재하 할 수 없는 대규모의 하중까지도 재하가 가능하다. 또한, 다양한 계측기를 다량으로 매설할 수 있어 말뚝의 인발거동 및 하중전이기구에 대한 심도 있는 분석을 수행할 수 있다.
본 학위 논문에서는 암반에 근입된 현장타설말뚝의 인발거동을 평가 하고 하중전이 특성 파악을 위해 원심모형실험을 수행하였다. 특히 본 시험에서는 암반의 강도, 암반 근입 깊이 및 2중 암반층의 두께비를 달리하여 다양한 지반조건에서의 인발저항력 발현의 차이를 평가하고, 하중전이특성 분석을 수행하였다.
첫째로, 국내의 풍화암 및 연암의 물성특성을 모사한 모형암반을 제작하였다. 이를 위해 초속경 시멘트와 모래, 드라이모르타르(Dry Ready Mixed Mortar)의 사용하였으며 재료들의 배합비를 조절하여 제작한 시편에 대해 다양한 실내실험을 수행하였다. 일축압축강도시험을 통해 암편의 강도특성을 평가하였으며, 양단자유단공진주시험을 통해 영계수 및 전단파속도, 포아송비를 측정하였다. 이를 통해 본 연구에서 조성된 모형 암반이 현장 암반의 강도 및 강성 특성을 적절히 모사할 수 있음을 검증하였다.
둘째로, 국내 암소켓(rock-socket)의 거칠기 특성을 반영한 모형말뚝을 제작하였다. 소켓 벽면의 거칠기는 주면마찰력에 영향을 미치는 주요 인자이다. 따라서 실제 현장에서의 암반-기초 사이의 거칠기를 모사하는 것은 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 널링(Knurling)기법을 도입하여 모형말뚝의 표면에 국내 암반에 근입된 현장타설말뚝의 평균 거칠기 높이를 정량적으로 모사하였다.
셋째로, 현장인발재하실험을 원심모형실험 내에서 모사하여 현장의 거동을 재현하고 계측하였다. 이때, 현장에서는 물리적으로 재하가 어려운 대규모 하중의 재하와 그에 따른 파괴거동 평가를 위해 유압잭(Hydraulic jack)을 제작하였다. 이를 통해 수백 MN의 매우 큰 하중의 재하실험까지 가능하였으며, 말뚝의 극한하중을 원활히 평가 할 수 있었다. 뿐만 아니라 모형말뚝의 표면에 깊이에 따라 좌우 10쌍의 변형률계를 부착함으로써 현장타설말뚝의 인발하중전이기구를 정밀하게 계측하였다.
넷째로, 원심모형실험에서 계측된 결과를 이용하여 암반에 근입된 현장타설말뚝의 인발거동을 분석하였다. 세가지 서로 다른 근입깊이를 가진 풍화암 및 연암, 풍화암/연암 2중층 지반에서 암반 강도, 암반 근입 깊이가 말뚝의 인발지지력 발현 특성에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 축하중 분포와 주면마찰력의 분포를 사용하중 및 극한하중 단계별로 비교하였으며, 하중전이분석 (t-z curve)을 통해 각 지반의 하중전이특성을 도출하였다.
본 연구에서는 암반에 근입된 현장타설말뚝의 인발거동에 대한 정성적 이해를 돕고자 하였다. 향후 본 연구결과를 활용하여 합리적 설계법을 제안하고 불확실성을 개선함으로써 효율적이고 신뢰성있는 설계방안에 대해 고찰 할 수 있을 것이라 판단된다.
