1. 서론
5월호에 게재된 기술기사(Ⅰ)에서는 대부분 말뚝을 시공품질이 개선된 SDA(Separated Doughnut Auger)공법으로 시공함에도 불구하고 학회나 정부에서 추천하고 있는 매입말뚝의 지지력 산정식과 시공지침이 다양한 지반조건과 말뚝 시공법에 부합하지 않는 문제점을 지적하였다. 실제로 풍화암반 또는 기반암을 매입말뚝의 선단지지층으로 많이 선택하고 있지만, 암반에 시공하는 매입말뚝의 연직지지력을 올바로 평가하지 못하는 실정이다.
채수근(2007a,b)은 SDA공법을 개발한 1997년부터 10년 동안 말뚝설계 및 시공실무 경험과 말뚝재하시험 자료를 분석하여 SDA매입말뚝의 연직지지력 산정식을 개발하고 시공법을 표준화 하였다. 2000년 이후에 큰 설계지지력이 필요한 장대(長大)한 토목구조물과 고층부터 초고층 건축물의 기초말뚝으로 중·대구경의 초고강도말뚝이 사용되면서 말뚝 시공장비가 대형화되고 암반의 천공효율도 개선되어 기성말뚝을 기반암에 깊게 시공할 수 있게 되었지만 연직지지력 산정식은 개선되지 않았다. 또한 채수근(2007a,b)식도 암반에 시공하는 SDA매입말뚝의 지지력을 과소평가하는 것으로 나타나 SDA매입말뚝의 선단지지력을 올바로 평가할 수 있는 산정식을 개발하였다(채수근, 2017a,b).
그러나, 선단지지력 만으로 중·대구경 말뚝의 큰 설계지지력을 확보할 수 없기 때문에 SDA매입말뚝의 주면마찰력을 정량적으로 평가할 수 있는 새로운 산정식 개발이 시급하였다. 이에 따라 채수근(2022)은 암반에 SDA공법으로 시공한 시험말뚝의 재하시험 자료를 분석하여 암반종류와 개선된 시공법에 부합하는 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정식을 개발하였다. 그 결과 큰 설계지지력을 적용하더라도 말뚝기초 공사비 절감과 공기 단축이 가능하게 되어 이를 소개하고자 한다.
2. 암반에 시공하는 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정식 개발
2.1 개요
1) 우리나라는 암종(岩種), 암반종류(풍화암반~극경암반)와 강도, 표준관입시험치, 말뚝시공법에 따라 주면마찰력을 올바로 평가할 수 있는 산정식이 없어 주로 외국식에 의존해 왔다. 한국지반공학회(2018)에서 지적한 바와 같이 암반에 시공하는 타입말뚝과 현장타설말뚝에 대해 제안한 여러 지지력 산정식은 대부분 외국식이며, 편마암, 화강암, 안산암 등 국내 주요 암반의 경우 암석강도는 큰 편이지만 풍화도가 높고 절리가 많이 발달하여 이들 산정식을 이용하려면 많은 주의가 필요하다.
2) 즉, 말뚝의 지지력 산정에 이용하는 암석강도는 암종(岩種), 풍화도와 절리, 암석시편의 직경, 채취심도 및 개수 등에 의해 항상 대표성 문제가 따른다. 특히 말뚝 시공심도에서 암석코어 시편이 채취되지 않아 강도시험 값이 없거나 시험개수가 너무 적은 경우 SDA매입말뚝의 주면마찰력을 제대로 평가하지 못하는 것이 여러 현장에서 확인됨에 따라 주면마찰력과 암석강도 관계식은 암반지지력 연구에서 배제하였다.
3) 채수근(2017a,b, 2020, 2022)과 지에스이앤씨(2022)에 의하면 풍화암반과 기반암에 시공하는 SDA매입말뚝의 주면마찰력은 표준관입시험치(NS값)의 누계관입량(Ncm), 암종(변성암, 화성암, 퇴적암)과 암반종류(풍화암반~극경암반), 암반의 이방성(異方性)과 불연속성(不連續性) 특성이 반영된 TCR(Total Core Recovery, 코어회수율)과 RQD(Rock Quality Designation, 암질지수), 시멘트밀크 배합비(W/C, %)와 충전길이, 전달에너지(EMX) 크기에 따라 달라지는 것으로 나타났다.
4) 이에 따라 전국 70개 현장의 퇴적층(점성토, 사질토), 풍화대(풍화잔류토, 풍화암반) 및 기반암(연암반~극경암반)에 736본의 시험말뚝을 채수근 등(2013, 2015)의 표준설계 및 시공컨설팅기법에 따라 SDA공법으로 시공하고 동재하시험(EOID & restrike test)을 실시하여 마찰지지층의 단위극한주면마찰력(fs)을 정량적으로 평가할 수 있는 설계기준식을 개발하였다. 풍화암반(WR)은 표준관입시험(KS F 2307, 한국표준협회, 2022)을 실시하고 50 이상 NS값의 누계관입량(Ncm, 1~10cm)을 측정하여 10단계로 구분하였으며, 기반암은 지반조사 편람(서울특별시, 2006)의 서울지역 지반분류 기준에 따라 연암반(SR), 보통암반(MR), 경암반(HR) 및 극경암반(XHR) 4개로 구분하였다. 이 산정식(설계기준식)은 특허청에 특허(채수근, 제10-2452877호, 2022) 등록되었다.
2.2 풍화암반의 단위극한주면마찰력(채수근, 2007a,b)
채수근(2007a,b)은 1997년부터 2006년까지 10년간 36개 현장에서 중·소구경 강관 및 PHC말뚝 379본을 다양한 지지층에 SDA공법으로 시공하고 이 중 165본의 시험말뚝에서 실시한 재항타 동재하시험(restrike test) 자료를 분석하여 표 1~2에서 보는 바와 같이 시멘트밀크 배합비(W/C) 및 지반종류별 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(fs) 산정식을 개발하였다. 표 2에 의하면 풍화암반의 단위극한주면마찰력(fs)은 시멘트밀크의 배합비(W/C)에 따라 20~25% 차이나는 것으로 나타났다.
2.3 풍화암반과 기반암의 단위극한주면마찰력(채수근, 2022; 지에스이앤씨, 2022)
가. 풍화암반의 단위극한주면마찰력
1) 풍화암반(weathered rock mass)에 시공한 시험말뚝의 재항타 동재하시험(restrike test) 자료를 이용하여 풍화암반(50/10≤Ns≤50/1)의 누계관입량(Ncm)과 단위극한주면마찰력(fs) 관계를 상관분석(correlation analysis)과 회귀분석(regression analysis)하였다. 단위극한주면마찰력(fs)은 극한주면마찰력(Qs)을 말뚝의 마찰지지면적(표면적)으로 나누어 단위마찰력(unit frictional resistance, kN/㎡)으로 표현하여 말뚝규격(강도, 직경)의 영향에 의한 절댓값의 차이가 배제되도록 하였다.
2) 그림 1은 암종(岩種), 말뚝규격과 설계지지력에 관계없이 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 단위극한주면마찰력(fs)과 누계관입량(Ncm) 관계를 상관분석과 회귀분석한 것이다. 그림 1에서 풍화암반의 단위극한주면마찰력(fs)은 누계관입량(Ncm)에 반비례하는 것을 알 수 있으며, 회귀식을 안전측으로 보정한 식(1)~(3)을 단위극한주면마찰력(fs)을 산정하는 설계기준식으로 제안하였다. 그림 1ⓓ에 의하면 풍화암반의 단위극한주면마찰력(fs)은 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 약 10% 차이나며, LH공사식은 누계관입량(Ncm)과 관계없이 동일한 단위극한주면마찰력(fs)이 되므로 주면마찰력을 과소평가하게 된다. 풍화암반의 단위극한주면마찰력(fs)은 표 3~4를 이용해도 간편하게 산정할 수 있다.
fs = 245-7×Ncm(W/C = 59~60%) (1)
fs = 225-7×Ncm(W/C = 68~70%) (2)
fs = 205-7×Ncm(W/C = 80~83%) (3)
나. 기반암의 주면마찰력(지에스이앤씨, 2022; 채수근, 2022)
1) 기반암(bed rock mass)에 시공한 시험말뚝에의 재항타 동재하시험(restrike test) 자료를 이용하여 암석코어가 채취되는 풍화암반(WR), 기반암인 연암반(SR), 보통암반(MR), 경암반(HR), 극경암반(XHR)의 TCR(코어회수율), RQD(암질지수)와 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(fs) 관계를 상관분석과 회귀분석하였다. 단위극한주면마찰력(fs)은 극한주면마찰력(Qs)을 말뚝의 마찰지지면적으로 나누어 단위마찰력(unit frictional resistance, kN/㎡)으로 표현하여 말뚝규격의 영향에 따른 절댓값의 차이가 배제되도록 하였다.
2) 그림 2는 암종(岩種)과 암석강도, 말뚝규격과 설계지지력에 관계없이 암반종류별 및 시멘트밀크 배합비(W/C)별 단위극한주면마찰력(fs)과 TCR(코어회수율) 및 RQD(암질지수) 관계를 상관분석과 회귀분석한 것이다. 그림 2에서 TCR(코어회수율)보다 RQD(암질지수)가 단위극한주면마찰력(fs)과 상관성이 더 강한 것으로 확인됨에 따라 RQD(암질지수)의 회귀식을 안전측으로 보정한 식(4)~(6)을 단위극한주면마찰력(fs)을 산정하는 설계기준식으로 제안하였다. 그림 3에 의하면 기반암의 단위극한주면마찰력(fs)은 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 약 20~25% 차이나는 것으로 나타났으며, 표 5~6을 이용해도 풍화암반 내지 극경암반의 단위극한주면마찰력(fs)을 간편하게 산정할 수 있다.
fs = 300 + 4×RQD(W/C = 59~60%) (4)
fs = 250 + 4×RQD(W/C = 68~70%) (5)
fs = 200 + 4×RQD(W/C = 80~83%) (6)
2.4 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정법
1) 풍화암반(50/10≤Ns≤50/1)에 시공하는 SDA매입말뚝의 주면마찰력은 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 누계관입량(Ncm)과 관계식으로 제안한 설계기준식(1)~(3)에 따라 산정한 단위극한주면마찰력(fs) 또는 표 4에 제시한 Ns값과 관계식으로 산정한 단위극한주면마찰력(fs)에 말뚝의 마찰지지면적(As)을 곱하여 산정한다. 풍화암반의 누계관입량(Ncm, 1~10cm)은 NX규격으로 시추한 시추공에서 표준관입시험(KS F 2307, 2022)을 실시하여 측정한 값이다.
2) 기반암(연암반~극경암반)에 근입시켜 시공하는 SDA매입말뚝의 주면마찰력은 암반종류 및 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 RQD(암질지수)와 관계식으로 제안한 설계기준식(4)~(6)에 따라 산정한 단위극한주면마찰력(fs) 또는 표 5~6에 제시한 단위극한주면마찰력(fs)을 RQD(암질지수)와 비례식(보간법)으로 산정한 단위극한주면마찰력(fs)에 말뚝의 마찰지지면적(As)을 곱하여 산정한다. 암반의 RQD(암질지수, %)는 매입말뚝 주면부 암반의 평균값으로써 NX규격(시추공 ø76mm, 암석코어 ø54mm)의 diamond bit와 double core barrel로 채취한 암석시료로 정밀하게 산정해야 한다.
2.5 SDA매입말뚝의 주면마찰력 영향 요소
1) 암반종류와 강도(Ns값, Ncm), RQD(암질지수) : SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(fs)은 표 3~6에서 보는 바와 같이 마찰지지층인 풍화암반의 표준관입시험치(Ns값)의 누계관입량(Ncm)에 반비례하며, 암반종류(풍화암반, 연암반, 보통암반, 경암반, 극경암반)와 RQD(암질지수)에 비례한다.
2) 시멘트밀크 배합비(W/C, %)와 충전 : 동일한 암반 지지층에서도 시멘트밀크 배합비(W/C)에 따라 단위극한주면마찰력(fs)이 달라진다. 즉, 시멘트밀크 배합비(W/C)가 빈배합(83%), 표준배합(68%), 부배합(59%) 별로 단위극한주면마찰력(fs)이 풍화암반은 약 10%(그림 1ⓓ 참고), 기반암은 약 20~25씩(그림 3 참고) 증가하는 것을 볼 때 시멘트밀크의 배합비(W/C)는 매입말뚝의 주면마찰력을 확보하는데 매우 중요한 요소임을 알 수 있다. 아울러 시멘트밀크 충전 여부, 말뚝 주면공간을 충전하는 재료와 충전길이도 주면마찰력에 큰 영향을 준다.
3) 전달에너지(EMX) : 재항타 동재하시험(restrike test)할 때 전달에너지(EMX)가 말뚝 선단부까지 충분히 전달될 정도로 커야 시험말뚝이 충분히 변위(mobilized)되어 주면마찰력을 올바로 파악할 수 있다. 따라서 재항타 동재하시험(restrike test)에서는 해머 낙하고를 높이거나 해머 중량을 증가시켜 초기 동재하시험(EOID test)보다 1.5~2.0배 이상 큰 전달에너지로 시험해야 한다(채수근, 2023).
3. 결론 및 제언
(1) 풍화암반에 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(fs)은 표준관입시험치(Ns값)의 누계관입량(Ncm)에 반비례하며, 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 누계관입량(Ncm)과 관계식으로 제안한 설계기준식(1)~(3)과 표 4에 제시한 Ns값과 관계식으로 산정할 수 있다. 이 설계기준식은 암종(岩種)에 관계없이 적용할 수 있다.
(2) 암석코어가 채취되는 풍화암반과 기반암(연암반~극경암반)에 시공하는 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(fs)은 TCR(코어회수율)보다 RQD(암질지수)가 상관성이 더 강한 것으로 확인되었다. 따라서 암반종류 및 시멘트밀크 배합비(W/C)별로 RQD(암질지수)와 관계식으로 제안한 설계기준식(4)~(6)과 표 5~6에 제안한 시멘트밀크 배합비(W/C)별 RQD(암질지수)에 대응하는 값으로 단위극한주면마찰력(fs)을 산정할 수 있다. 이 설계기준식은 퇴적암(혈암, 이암)에서는 5~10% 감소시키거나 재하시험 값을 이용하고, 나머지 암종(岩種)은 암반종류별로 암종에 관계없이 적용할 수 있다.
(3) 설계기준식이 개발된 이후에도 약 50개 현장에서 암반에 시공한 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(fs)이 설계기준식 값과 근사치(近似値)로 평가되는 것으로 볼 때 큰 설계지지력을 적용하는 중·대구경의 초고강도말뚝을 안전하고 경제적으로 사용할 수 있게 되었다. 다만, SDA매입말뚝의 주면마찰력이 풍화암반의 강도(Ns값, Ncm), 풍화암반과 기반암의 RQD(암질지수)에 따라 달라지므로 누계관입량(Ncm, 1~10)과 암반의 RQD(암질지수, %)를 정밀하게 측정해야 한다.
(4) 시멘트밀크의 배합비(W/C)는 SDA매입말뚝의 주면마찰력에 큰 영향을 준다. 그림 1ⓓ에 의하면 풍화암반의 단위극한주면마찰력(fs)은 시멘트밀크의 배합비(W/C)별로 약 10% 차이나고, 기반암은 그림 3에서 약 20~25% 차이나는 것을 수 있다. 따라서 큰 주면마찰력 확보가 요구되는 설계 및 시공조건에서는 빈배합(W/C=80~83%)보다 표준배합(68~70%) 또는 부배합(W/C=59~60%)의 시멘트밀크를 주입해야 하며, 시멘트밀크 또는 굴착토사와 혼합하여 말뚝의 주면공간을 반드시 충전해야 한다.
(5) 큰 설계지지력이 필요한 장대(長大)한 토목구조물과 고층 내지 초고층 건축물에 중·대구경의 초고강도말뚝을 많이 사용하면서 설계효율과 말뚝시공법도 혁신적으로 발전하고 있다. 그러나, 한국지반공학회(2018)와 국토교통부(2015, 2021)에서 추천하는 매입말뚝의 지지력 산정식과 시공기준은 다양한 지반조건과 시공법에 부합하지 않는다. 이러한 문제점을 해결하기 위해선 한국지반공학회가 주체가 되어 매입말뚝의 지지력 산정식과 표준시공법을 개발할 것을 제안하며, 저자가 개발한 SDA매입말뚝의 단위극한주면마찰력(fs) 산정식과 표준시공법의 현장적용성도 검증되길 기대한다.
참고문헌
1. 국토교통부(2015), 교량하부구조설계기준(한계상태설계법), pp.7-1~7-97.
2. 국토교통부(2021), KDS 24 14 51, 교량하부구조설계기준(한계상태설계법), pp.1~76.
3. 서울특별시(2006), 지반조사편람, pp.17~18.
4. 지에스이앤씨(주)(2022), 시멘트밀크 배합비에 따른 지반종류별 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정식 연구, pp.1~85.
5. 채수근(2007a), “시멘트밀크 배합비에 따른 다양한 지반 내 SDA매입말뚝의 연직지지력”, 박사학위논문, 중앙대학교, pp.1~262.
6. 채수근(2007b), SDA매입말뚝의 지지력 산정방법, 특허청, 특허 제10-0792211호.
7. 채수근(2017a), 풍화토와 풍화암반의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법, 특허 제10-1789967호.
8. 채수근(2017b), 풍화암반과 기반암의 SDA매입말뚝 선단지지력 산정방법, 특허 제10-1789966호.
9. 채수근(2022), 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝 주면마찰력 산정방법, 특허 제10-2452877호.
10. 채수근(2023), PHC말뚝기초 표준설계 및 시공실무(3판), 제3장 SDA매입말뚝의 연직지지력 산정식.
11. 채수근(2024), YouTube방송 [채박사의 기초이야기]
12. 채수근, 류경렬 등(2013), “대구경PHC말뚝의 국내 사용현황 및 전망”, 한국지반공학회, ‘2013 기초기술위원회 세미나’, pp.25~50.
13. 채수근, 박정호, 류경렬, 김준호(2015), “매입말뚝의 표준설계 및 시공컨설팅기법과 적용사례 소개”, ‘지반’, 한국지반공학회지, Vol.31, No.2, pp.8~18.
14. 한국지반공학회(2009, 2018), 국토교통부 제정 ‘구조물 기초설계기준 해설’, 제5장 깊은기초.
15. 한국표준협회(2022), 표준관입시험 방법, KS F 2307, pp.1~14.
16. LH공사(2008), 기초설계 효율화를 위한 말뚝 기초설계 개선(안), pp.1~7.
[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]
