SLOT 수평제어형 양방향 재하시험 공법 소개 

(Self Leveling Osterberg cell Pile Load Test)

1. 서론

현대사회의 발전이 고도화됨에 따라 초대형 구조물에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있고, 이와 더불어 기초 구조물의 크기와 지지력의 규모 또한 급속도로 커지고 있다. 상부 구조물의 침하방지와 안정성 확보를 위해 기초 구조물의 성능, 즉 지지력 확보와 이에 대한 신뢰할 만한 품질시험과 검증방법이 요구되는 시점이다. 근래에 들어 대구경 말뚝의 지내력 확인을 위해 양방향 재하시험이 많이 활용되고 있다. 양방향 재하시험(O-cell test)는 구조물의 동적거동 및 기초시스템에 대한 비교적 정확한 데이터를 제공하고, 기초시스템을 보존하면서 수행하는 비파괴 실험(Non-destructive testing)이며, 비교적 높은 load capacity를 가지고 있으며 범용성(vesatility)가 뛰어나다. 하지만 상대적으로 높은 비용과 셋업의 복잡성 및 모든 지반 조건에서 적용이 불가능한 단점을 가지고 있다. 특히 수평도에 이상이 있는 경우 정확하고 신뢰성 있는 결과를 얻기 어렵기 때문에 본 기술기사에서는 당사에서 개발한 수평제어형 양방향 재하시험 공법을 소개하고 이의 적용사례와 시험기기 운영방법을 고찰하고자 한다.

2. 현장 타설말뚝에서 말뚝재하시험의 분류

말뚝재하시험은 크게 인발재하시험, 압축재하시험, 수평재하시험 등으로 구분되며, 압축재하시험은 재하방법에 따라 정적재하시험, 동적재하시험, 양방향 재하시험 등으로 구분된다. 또한, 정적재하시험의 경우 재하하중의 적용방법에 따라 사하중, 반력말뚝, 어스앵커를 이용하는 방법으로 각각 구분된다(그림 1).

3. 양방향 재하시험 개요

3.1 양방향 재하시험의 개요(그리퍼 TBM)  

현장타설 말뚝의 지지력을 확인하는 시험방법으로 말뚝설치 위치에서 지중천공을 완료한 후 공내 하부에 특수유압잭을 설치한다. 그리고 공내에 콘크리트를 타설 및 양생시킨 후 말뚝 하단의 특수유압잭(Osterberg cell)에 압력을 가하여 양방향으로 하중을 가하는 방법이다. 일반적으로 유압은 물이나 기름을 이용하며 콘크리트의 강도에 다다르게 되면 셀은 윗방향과 아랫방향으로 같은 힘을 가하게 된다. 따라서 실험을 진행하는동안 O-cell 위에 위치하는 말뚝의 측변부 전단저항(total side shear resistance)과 선단지지력(end bearing)은 같게된다. 따라서 양방향 재하시험은 기존의 일방향 재하시험과는 다르게 말뚝 상부에서 반력제어를 위한 frame이 필요하지 않게 된다. 그림 2는 일반적인 양방향 재하시험 과정에 대한 모식도이다.

3.2 현행 양방향 재하시험의 문제점

양방향 재하시험을 위해 한번 설치된 양방향 유압잭은 소모품으로 재사용이 불가능하지만, 반력말뚝이나 반력앵커 혹은 사하중 등의 재하 시스템을 따로 설치하지 않으므로 공기와 비용을 단축시킬 수 있는 경제적인 공법임에 틀림이 없다. 뿐만 아니라, 별도의 장치 없이도 자동으로 선단지지력과 주면 마찰력을 구분하여 측정이 가능하므로, 말뚝의 성능 검증에 뛰어난 장점이 있다.

그러나 현장타설말뚝 시공시 사전 제작된 철근망의 선단부에 유압재하 장치를 미리 고정하는 작업이 선행되어야 하며, 공내에 철근망 관입시 높은 정밀도를 요구하는 작업이 시행된다. 고도의 인양 기술과 설치 작업이 수반되지만, 불균등한 공벽의 상태와 굴착시 발생한 선단부 경사로 인해 철근망과 연결된 유압재하 장치의 수평도와 정합도 확보가 매우 어려운 상황이 비일비재하게 발생한다(그림 3). 불량한 선단 상태는 철근망과 유압재하 장치 축선 불일치, 유압재하 장치의 편심과 수평도 저하을 유발하며, 이것은 재하시험 결과에 심각한 오차와 말뚝의 허용하중의 신뢰도에 막대한 악영향을 초래할 수 있다.

4. SLOT (SLOT : Self Leveling Osterberg cell Pile Load Test) 공법 시공

Self Leveling Osterberg cell Pile Load Test 공법(수평측정 및 수평제어가 용이한 양방향 재하시험기기)은 기존의 양방향 재하시험기기에 수평 측정장치와 수평조절용 유압잭을 별도로 설치하여 유압잭의 수평도 유지를 유지하고, 편심을 제거한 방식이다. 수평조절용 유압잭을 Osterberg cell 상부 재하판에 3개소 이상 설치하고, 철근망 관입 직후 초기 수평도를 측정한다. 수평도에 이상이 있을 경우, 지상에 설치된 유압펌프 장치로 압력을 가해 수평 조절용 유압잭으로 재하판의 미세한 경사와 위치를 조절하며, 철근망과 유압장치의 축선을 일치시킨다. 그림 4와 5에 각각 SLOT의 설치도와 개념도를 나타내었다.

SLOT공법의 시공 순서는 일반적인 양방향 재하시험 방법과 동일하며 철근망 삽입전 수평 측정장치를 추가 설치하는 방식으로 이뤄진다. 시공순서는 양방향 재하시험 기기 현장거치 → 철근망 설치 → 수평조절용 유압잭 설치 → 시험기기와 철근망 연결 → 수평측정 장치 설치 → 초기수평도 조정 → 철근망 근입 → 최종수평도를 조정한 후 콘크리트 타설을 하면 시공이 완료된다(그림 6).

5. SLOT 공법 장점과 현장 적용 사례

SLOT 공법은 하중재하시 발생할 수 있는 수평도와 재하판 위치변화를 크게 줄여, 편심을 최소화할 수 있다. 뿐만 아니라 Osterberg cell 상하부에 설치된 상부 재하판과 하부재하판의 간격을 미세하게 조정이 가능하기 때문에 재하시험의 결과의 정확성과 신뢰도를 크게 높일 수 있는 방법이다. SLOT공법은 시험품질의 우수성을 인정받아 지난 2023년 7월 25월에 한국도로공사 기술마켓에 등록되어 표 1과 같이 우리나라 고속도로 현장에 적용된 바 있다.

6. 맺음말

SLOT 공법의 현장 적용 후 말뚝 지내력 측정과 허용 지내력 산정에 큰 도움이 되었으며 향후 많은 현장에 적용이 기대된다. 추후에는 SLOT공법의 현장 적용과 연구를 지속적으로 진행하고 실증자료와 데이터를 축적하여 양방향 재하시험의 새로운 활로를 개척할 예정이다. 향후 SLOT공법은 기초 구조물의 경제적인 단면 설계와 품질 확보를 통해 경제성과 시공성 확보에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

1. 표준시방서 『KCS 11 50 40 : 2021 말뚝재하시험』 국토교통부
2. 고속도로공사 전문시방서 『EXCS 11 50 40 : 2021 말뚝재하시험』 한국도로공사
3. 산업표준심의회 『KS F 7003:2022 말뚝의 양방향 재하시험』
4. 특별시방서 『수평조절 양방향 재하시험방법(SLOT)』 (주)한국시험공사

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]