Hi-PHC 흙막이공법 소개



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서론


최근 도심지의 가설 흙막이 공사는 지하안전영향평가의 시행으로 지하 안정성을 높여가고 있다. 그리고 벽체의 강성을 높이는 설계가 요구되면서 도심지 가설 흙막이 공법은 CIP공법이 가장 많이 사용되는 공법으로 자리를 잡아 가고 있다. CIP공법은 현장타설 말뚝공법이라 기본적으로 레미콘을 현장에서 타설하는 습식공법이라 레미콘의 수급관리, 품질관리의 어려움이 뒤따르고 있다.


이러한 습식공법의 문제를 극복하기 위해 수 년 전부터 CIP 말뚝 전체를 기성 말뚝인 PHC 파일로 대체 시공하는 All-PHC 공법이 개발되어 현장에 적용되고 있다. 처음 All-PHC공법이 현장에 도입되었을 때는 공기의 획기적인 단축과 품질의 우수성 때문에 많은 관계자들을 놀라게 했다. 그러나 All-PHC 공법은 띠장을 용접 연결할 수 있는 H-PILE이 없다보니 안전성에 문제를 야기했으며 종종 흙막이 벽체가 붕괴되는 사고를 유발하곤 했다.


이후에 이러한 두 공법의 장단점을 취합하여 H-PILE은 그래도 사용하고 철근망 CIP 파일만 기성말뚝인 PHC 파일로 대체한 공법을 개발 하였다. Hi-PHC공법은 두 공법의 단순한 결합임에도 마치 콜럼버스의 달걀처럼 CIP공법과 All-PHC공법의 문제점을 단숨에 극복하는 결과를 가져왔다. CIP공법의 골재분리라는 품질 불량은 기성말뚝으로 해결하고 띠장과의 연결 취약으로 인한 구조 불안정성은 기존 H-PILE의 사용으로 말끔하게 해소할 수 있었다.


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Hi-PHC 공법의 설계


Hi-PHC 흙막이 벽체는 기존 CIP공법의 현장타설 말뚝 대신에 공장 제작한 기성 파일을 사용한 공법이며 가설 흙막이 구조물에 해당함으로 부재 단면설계 방법은 허용응력법을 기본으로 하고, PHC 파일의 특성을 고려하여 적용하였으며 국토부의 구조물 기초설계 기준의 가설 흙막이 구조물의 부재단면 설계 기준을 따라 응력 할증을 반영하였다.


그리고 Hi-PHC 벽체는 가설 흙막이 구조물이라 강도설계법의 하중증가계수, 강도감소계수, 하중조합 등을 사용하지 않지만,  구재를 사용할 경우 부재의 재사용이나 단면의 감소에 따른 허응응력 저하를 고려하고 있다. 또한 지하안전영향평가서 표준 메뉴얼에 의거하여 부재의 발생응력 대비 허용응력을 비교하여 발생응력을 허용응력의 90% 이하로 설계하여 안전율을 높이고 있다.


Hi-PHC 파일의 탄소성해석은 프로그램(Midas Geox V420)을 사용하며 계산 결과값으로 휨모멘트와 전단력, 변위 등의 발생치가 생성되는데, 철근망 CIP 파일은 표준성능이 없어 매번 콘크리트와 주철근, 전단철근의 허용 압축강도, 허용 전단강도, 허용 인장응력 등을 구해서 발생치와 허용치를 비교하여 설계를 하고 있지만, PHC 파일은 KS 제품이며 표준성능이 있어서 PHC 파일의 균열휨모멘트와 전단강도를 비교하여 안전율을 판단하고 있다.


이때 Hi-PHC 벽체는 H-PILE과 PHC 파일의 환산물성치를 입력 물성치로 사용하고 있으며 H-PILE에 비해 강성이 약한 PHC 파일의 강성을 발생치와 비교하여 안전 유무를 판단하고 있다. 그리고 PHC 파일은 기성말뚝이라 품질의 신뢰도가 현장타설 말뚝인 CIP 파일보다 휠씬 높기 때문에 높은 신뢰성을 담보할 수 있다고 판단된다.


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Hi-PHC 공법의 시공


Hi-PHC 공법의 시공 순서는 CIP 공법과 동일하며 레미콘 타설과 양생 공종이 생략되어 PHC 파일만 제대로 공급되면 레미콘 수급과 타설로 인한 공기 지연은 Hi-PHC 공법의 공기 단축으로 직결되고 있다. 시공순서는 줄파기와 가이드빔 설치 → H-PILE 천공과 근입, 레미콘 타설 → PHC 파일의 천공과 근입 → 배면 그라우팅 → 캡빔 타설을 하면 벽체 시공이 완료된다.


PHC 파일은 기성말뚝이라 파일 간에 틈새가 필연적으로 생김으로 배면 그라우팅에 대한 시공관리가 중요하게 부각된다. 틈새를 일정 넓이 이하로 관리하기 위해 H-PILE에 대한 CTC 관리를 철저히 하여 누적 오차가 발생하지 않도록 선시공하고, 후 시공된 PHC 파일의 구체는 차수가 된다는 전제하에 PHC 파일 간 틈새에 그라우팅을 집중하여 배면 그라우팅을 하게 되면 차수 효과가 향상될 수 있다.


이에 비해 CIP 파일은 철근망에 자유낙하로 레미콘을 타설함으로 파일 구근에 골재분리가 발생하거나 28일 압축강도를 지키지 못하고 레미콘 타설 후 곧바로 케이싱을 인발함으로 강도가 발현되기 전에 토압을 받게 되는 과정으로 인해 파일 구체에서 누수가 종종 발생하고 있다. 특히 지하수가 많거나 지반이 불량한 경우에는 구체의 누수가 더욱 심해지는 경향이 있다. H-PILE의 레미콘 타설은 선행 천공이라 지하수의 유입이 지연되고 H-PILE이 슈트 역할을 일정 정도 해줌으로 철근망 파일에 비해 상대적으로 골재분리가 적게 발생하고 있다.

        

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그리고 PHC 파일은 수직도에 민감하여 케이싱이 약간만 기울어도 파일 근입이 되지 않아 수직도가 우수한 장비를 사용하여 시공하여야 한다. 이외에도 파일이 15m가 넘어가면 용접을 하거나 이음재를 사용하여 연결하여야 하며, 캡빔 타설시 PHC 파일 컷팅이 발생하지 않도록 파일 높이를 맞춰 시공하는 등의 시공관리 문제가 있으나 현장 적용 사례가 많아지면서 점점 정밀 시공이 정착되고 있다.

        

Hi-PHC 공법의 장점과 현장 적용 사례


Hi-PHC 공법의 가장 큰 장점은 CIP 파일의 콘트리트 타설과 양생 공종이 생략되어 표준품셈 기준으로 시공 시간(0.31hr/18m 1공)이 줄어들어 약 21%의 공기단축이 가능하며, 현장 시공에서는 레미콘의 수급이나 휴일 작업 등의 영향을 감안하면 실제로 50% 이상의 공기단축을 실현하고 있다. 이러한 공기단축은 현장타설 말뚝을 기성말뚝으로 대체한 공법의 가장 큰 장점이라 할 수 있다.


또한 가시설 임에도 불구하고 PHC 파일의 표준성능을 준용하는 Hi-PHC 벽체는 품질 면에서 CIP 벽체와 비교할 수 없는 차이를 보이고 있다. PHC 파일의 공장검수와 현장 입고 검수 등을 통해 일반 구조물에 준하는 품질관리를 하고 있다.


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그리고 최근에 레미콘과 철근의 가격이 폭등하면서 상대적으로 PHC 파일의 가격이 저렴해져 현장 원가 절감에도 큰 진전을 가져오고 있다. PHC 파일은 중공 파일이라 CIP 파일에 비해 레미콘은 1/2을 사용하고 강재는 프리스트레스 도입을 통해 1/3을 사용하지만 동등 이상의 강성을 구현하기 때문에 원가 상승의 영향을 훨씬 적게 받고 있다. 그리고 제조 공장에서의 PHC 파일은 10m 기준으로 하나의 생산라인에서 3분이면 생산이 가능한 시스템이라 CIP 파일의 생산성과는 애초에 비교가 불가능 하고 할 수 있다.


CIP 파일의 수량이 많아 공기가 촉박한 현장, 지하수의 유입이 많고 토질이 불량하여 골재분리가 필연적으로 발생하는 현장, CIP 파일의 철근이 D25mm 이상으로 설계된 현장 등에서는 Hi-PHC 공법이 높은 경쟁력을 보이고 있다. 그리고 2019년 LH공사 우수신기술(2018-토목26)로 선정되어 LH공사의 공모사업에는 가점을 받을 수 있어서 적극 추천하고 있다.


맺음말


지하안정영향평가의 시행으로 가설 흙막이 공사의 설계와 시공에 커다란 변화가 왔으며 이제는 현장에서 어느 정도 정착되는 과정을 거치고 있다. 흙막이 벽체의 강성이 높아지고 시공 관리도 더욱 엄격해 지고 있으나 안전성을 높이기 위해 가설 흙막이 벽체의 강성을 무조건 높이는 것이 능사는 아니다. 건설 자재비 등 모든 부분에서 원가가 폭등하는 현실에서 취약한 부분에 대한 보강을 강화하고 불필요한 부분에는 과설계가 발생하지 않도록 설계와 시공에서 노력하는 엔니지어의 역할이 어느 때보다 절실해 지고 있다.


건설기술연구원과 2년 여에 걸쳐 흙막이 지하합성벽에 대한 연구와 시험을 통해 Hi-PHC 벽체와 지하실 외벽의 전단연결을 통해 지하실 외벽의 레미콘과 철근을 약 30% 정도 절감하는 연구 결과를 만들었으나 모두가 취약한 부분에 대한 보강은 목소리를 높이나 불필요한 부분의 과설계를 방지하는 노력에는 귀를 기울이지 않고 있다. 우리나라가 자원 빈국임에도 건설 분야에서 시공 재료를 줄이려는 기술적인 노력은 등한시 하는 게 현실이며, 시공 재료를 절감하여 심의를 받는 것 자체도 지난한 노력이 필요하다.


향후 Hi-PHC 공법은 공기와 품질을 확보하고 원가를 더욱 절감하여 현장에서 널리 사용될 수 있도록 노력하고 있으며 또한 흙막이 벽체를 영구 벽체의 일부로 사용할 수 있도록 지하합성벽에 대한 연구를 지속적으로 진행하고, 지반과 건축구조의 융합적인 협력을 기반으로 현장 적용을 통해 실증자료와 데이터를 축적하여 가설 흙막이의 새로운 지평을 열기 위해 힘쓰고 있다.



참고문헌

1. 가설 흙막이 설계기준, KDS 21 30 00 :2022, 국토교통부
2. 지하안전영향평가서 표준매뉴얼, 2020, 국토교통부
3. Hi-PHC 흘막이벽의 유한요소해석에 의한 휨강도와 탄소성보법에 의한 벽체 안정성 검토, 2017. 박민철,한희수(금오공대), 백용(한국건설기술연구원)
4. 흙막이를 이용한 지하 합성벽, 2021, 채지용, 이문환, 허병욱(한국건설기술연구원)


*본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다. 





전자기파를 이용한 말뚝의 건전도 평가 방법 연구



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1. 서 론


현장타설말뚝의 건전도평가는 충격반향기법(sonic echo method, SE)과 공대공초음파검사(cross-hole sonic logging)가 보편적으로 이용되어 왔다. 충격반향기법에서는 해머로 말뚝 두부에 충격을 가하여 응력파(stress wave)를 발생시키며, 결함이나 말뚝의 선단에서 반사된 파를 두부에 설치한 가속도계나 속도계로 측정한다. 이 때 측정한 파의 도달시간으로부터 결함의 위치를 추정한다. 충격반향기법은 신속하고 간단하게 시험을 수행할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 주변지반의 저항력이 매우 큰 단단한 지반(stiff soil)에 설치된 말뚝에서는 파의 감쇠로 인해 반사파 측정에 어려움이 있으며, 말뚝의 길이대 직경비(L/D)에도 영향을 받는다(Hearne et al., 1981; Davis and Robertson, 1976). 말뚝 선단부와 선단부 지반의 상대강성이 비슷한 경우에는 임피던스 차이가 적다. 따라서, 반사파의 크기가 매우 적어 측정에 어려움이 따를 수 있다(Hearne et al., 1981). 공대공초음파검사는 국내에서 가장 활발히 적용되고 있는 시험법이다. 이 시험법은 현장타설말뚝에 미리 설치한 두 개 이상의 시험관에 초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)를 각각 설치하고, 말뚝의 길이방향으로 내리면서 측정된 초음파 신호를 분석하여 말뚝의 품질을 평가하는 기법이다. 공대공초음파검사는 충격반향기법과 달리 주변지반의 강성과 말뚝의 L/D에 따른 제약 없이 수행할 수 있다. 하지만, 초음파가 전파하는 경로에 위치한 결함만 탐지가 가능하기 때문에 그림 1(a)와 같이 시험관 외부에 위치한 결함에 대해서는 평가할 수 없다. 현장타설말뚝의 기능에 심각한 영향을 주는 결함은 많은 경우에 철근망 주변에서 발생한다. 하지만, 일반적으로 시험관은 철근망의 주철근을 따라 설치되기 때문에 철근망 내부의 품질만 평가하게 된다.


본 기사에서는 전자기파를 이용하여 말뚝에 발생한 결함을 탐지하는 기술에 대해서 소개하고자 한다. 본 기술은 철근망을 따라 전송선로를 설치함으로써 그림 1(b)와 같이 철근망 주변에 발생한 결함을 말뚝의 L/D와 주변 지반의 특성에 관계 없이 평가할 수 있다.


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2. 전송선로에서의 전자기파 전파 특성


이선 전송선로(two-conductor transmission line)의 이상적인 회로는 그림 2와 같이 구성된다. 이선 전송선로는 전자기파의 전파를 가이드(waveguide)하는 두 개의 도체(conductor)로 구성된다. 일반적으로 전송선로는 저항(resistance, R), 인덕턴스(inductance, L), 컨덕턴스(conductance, G), 캐패시턴스(capacitance, C)로 이루어진 RLGC 회로로 표현이 된다. 전송선로 특성과 주변 물질은 RLGC에 영향을 주어 전자기파의 전파 특성을 변화시킨다. R은 도체에 흐르는 전류에 대한 저항성 손실을 일으킨다. L은 전류의 변화를 방해하는 정도를 나타내는 파라미터이다. 전류가 도체에 흐르면 자기장이 형성되며, 전류가 변화하려고 하면 자기장도 함께 변화해야 한다. 만약, 자기장이 변화하는 속도가 전류가 변화하는 속도에 미치지 못하면 전류 변화에 지연이 발생하게 된다. 자기장이 잘 형성되면 전류 변화에 지연이 잘 일어나며, 이 때의 L은 상대적으로 더 크다. 전송선로의 두 도체에 흐르는 전류에 전위차가 발생하면, 도체 사이에 있는 유전체에 전류가 흐르는데 이를 누설전류(leakage current)라고 한다. 여기서 유전체가 가지는 아주 작은 전도성은 G로 표현된다. C는 전송선로의 두 도체 사이에 존재하는 유전체에 저장할 수 있는 전하의 양을 나타낸다.


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전송선로에 전파하는 전자기파의 속도는 식 (1)과 같다(Von Hippel, 1954; Robinson et al., 2003).

        

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여기서 vc는 진공에서의 빛의 속도(2.998×108m/s)이며, εr는 상대유전율(relative permittivity) 또는 유전상수(dielectric constant)를 나타낸다. 전자기파의 전파는 분극현상(polarization)과 전기 전도성(electrical conductivity, σ)에 의해 에너지 손실이 발생할 수 있다. 분극현상은 전자기장의 위상지연을 초래하기에 주파수의 함수가 된다. 따라서, 유전상수는 식 (2)와 같이 복소유전상수(complex dielectric constant, εr*)로 표현할 수 있다. εr'와 εr"는 각각 εr*의 실수부와 허수부이며, 각각 전기적 에너지의 저장과 에너지 손실과 관련된 분극의 정도를 나타낸다. σdc는 영주파수(zero frequency)의 전기 전도도(direct current electrical conductivity)로 반사된 신호의 전체 감쇠(total attenuation)를 일으킬 수 있는 전도손실(conduction loss)을 야기한다.매질의 전기적 임피던스 차이는 전자기파의 반사를 야기하며, 반사 특성은 식 (3)과 같이 반사계수로 표현할 수 있다.

        

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여기서 Vi과 Ii는 각각 입사된 전압과 전류의 크기, Vr과 Ir은 반사된 전압과 전류의 크기, Z0는 특성 임피던스(characteristic impedance) 또는 매질 0의 임피던스이며, Z1은 매질 1의 임피던스를 나타낸다. 임피던스는 식 (4)와 같이 매질의 유전율과 투자율, 그리고 상대유전율의 함수로 표현될 수 있다. 따라서, 매질의 유전율의 차이는 전자기파의 반사를 일으키게 된다.

        

3. 실내 모형 실험


그림 3과 같이 네킹(necking)이 발생한 모형 말뚝을 제작하였다. 모형 말뚝의 길이와 직경은 각각 1m, 600mm이며, 결함의 크기는 10cm이다. 철근망의 주철근을 따라 전선을 설치하여 8개의 전송선로를 구성하였다. 그림 4와 같이 전자기파의 송수신을 위해 TDR(time domain reflectometer)을 사용하였다. TDR로부터 진폭 250mV, 펄스폭(pulse width) 200ps인 계단형 펄스(step pulse)를 발생시켰으며, 결함 및 말뚝 선단에서 반사되어 돌아오는 전자기파를 TDR로 수신하였다.


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측정된 전자기파 신호를 그림 5에 나타내었다. 그림 5(a)와 5(b) 같이 결함이 없는 경우에는 전자기파의 반사는 두부와 선단부에서만 나타났다. 하지만, 그림 5(c)와 같이 결함이 있는 경우는 결함부에서 전자기파의 반사가 나타났다. 그림 5(d)와 같이 말뚝 한쪽 면의 상하부에 각각 결함이 한 개씩 총 두개 발생한 경우에도 결함부에서 반사되는 전자기파가 뚜렷하게 나타났다.

        

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4. 현장 실험


현장 실험은 결함이 없는 현장타설말뚝(L=24.6m, D=2.5m)과 철근망이 한쪽으로 기울어져 결함이 발생한 현장타설말뚝(L=21.05m, D=2.5m)에 대해 수행되었다. 그림 6과 같이 철근망의 주철근을 따라 전선을 설치하여 전송선로를 구성하였고, TDR을 이용하여 전자기파를 송수신하였다.


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결함이 없는 말뚝에서 측정된 신호를 그림 7에 나타내었다. 측정된 신호를 보면 말뚝의 선단부와 두부에서만 전자기파의 반사가 나타나는 것을 볼 수 있다. 하지만, 그림 8과 같이 철근망의 기울어짐으로 인해 콘크리트의 타설 두께가 충분하지 않아 결함이 발생한 경우에는 그림 9와 같이 결함부에서 전자기파 신호의 변화가 나타났다. 그림 9의 P1은 철근망의 기울어진 방향과 반대편에 설치된 전송선로에서 측정된 전자기파 신호이다. P1에서는 전자기파의 반사는 두부와 선단부에서만 나타났다. 하지만, P3, P4, P5와 같이 철근망이 기울어져 콘크리트 두께가 얇아 철근이 드러난 부분에 설치된 전송선로에서 측정된 신호를 보면, 전자기파 신호의 진폭이 결함부에서 더 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 결함부에서의 유전율이 더 작아 전기적 임피던스가 더 크기 때문이다.결함이 있는 말뚝에 대해 공대공초음파검사를 수행하였으며, 결함이 발생한 부분에 설치된 시험관에서 측정한 결과를 그림 10에 나타내었다. 전자기파로 측정한 결과와 달리 철근망의 기울어짐으로 인해 결함이 발생하였어도 결함이 없는 것과 같은 신호를 보여준다. 결함이 시험관 외측에 발생하여 초음파의 전파 경로에서 벗어났기 때문이다.

        

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5. 맺음말


본 기사에서는 전자기파를 이용하여 말뚝의 건전도를 평가하는 연구에 대해 소개하였으며, 실내 모형 실험과 현장 실험을 통해 적용성을 검증하였다. 철근망의 주철근을 따라 전송선로를 구성함으로써 결함에 따른 전자기장의 변화를 말뚝의 길이에 따라 관찰할 수 있다. 전자기장의 변화는 곧 전자기파 신호의 변화를 가져오며, TDR을 이용하여 이를 측정할 수 있다. 실내 모형 실험을 통해 네킹 결함부에서 전자기파 신호가 반사되는 것을 알 수 있었으며, 다수의 결함이 발생하여도 반사 신호가 뚜렷하게 나타났다. 이는 다수의 결함이 있는 경우 다중반사(multiple refelcion)로 인해 결함의 위치를 정확히 구분하기 어려운 충격반향기법의 단점을 보완하는 것이다. 현장 실험을 통해 전자기파를 이용한 건전도 평가 기법의 유효성을 검증할 수 있었다. 측정된 전자기파 신호로부터 현장타설말뚝의 철근망 주변에 발생한 결함을 평가할 수 있었다. 하지만, 시험관 사이의 콘크리트 품질만 평가할 수 있는 공대공초음파검사로는 결함을 탐지하지 못했다. 전자기파를 이용하여 말뚝의 건전도를 평가하는 방법이 충격반향기법과 공대공초음파검사 시험법 보다 모든 면에서 우수하다고 말할 수는 없다. 하지만, 타 기법에서 기술적으로 해결하지 못하는 부분을 보완할 수 있다는 측면에서 신기술로서 의미가 있다.



참고문헌

1. Davis, A. G., & Robertson, S. A. (1976). Vibration testing of piles. Structural Engineer, 54(6), A7-A10.

2. Hearne Jr, T. M., Stokoe, K. H., & Reese, L. C. (1981). Drilled-shaft integrity by wave propagation method. Journal of the Geotechnical Engineering Division, 107(10), 1327-1344.

3. Robinson, D. A., Jones, S. B., Wraith, J. M., Or, D., & Friedman, S. P. (2003). A review of advances in dielectric and electrical conductivity measurement in soils using time domain reflectometry. Vadose Zone Journal, 2(4), 444-475.

4. Von Hippel, A.R. (1954). Dielectrics and waves. John Wiley, New York.


*본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다.

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