2017. 9. 29.

말뚝재하시험 종류 및 방법

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

그림 1. 말뚝재하시험의 종류


2. 재하시험 횟수(구조물 기초설계기준 2016 국토교통부, p51)
□ 압축정재하시험
지반조건에 큰 변화가 없는경우 전체 말뚝개수의 1%이상(말뚝이 100개 미만인 경우에도 최소 1개) 실시하거나 구조물별 1회 이상 실시


동재하시험
① 시공 중 동재하시험(end of initial driving test)은 시공장비의 성능 확인, 장비의 적합성 판정, 지반조건 확인, 말뚝의 건전도 판정, 지지력 확인 등을 목적으로 실시한다. 재하시험 수량은 지반조건에 큰 변화가 없는 경우 전체 말뚝 개수의 1% 이상(말뚝이 100개 미만인 경우에도 최소 1개)을 실시
② 시공중 동재하시험이 실시된 말뚝에 대한 시간경과효과 확인을 위하여 지반조건에 따라 시공 후 일정한 시간이 경과한 후 재항타동재하시험(restrike test)을 실시한다. 시험빈도는 ①항과 같은 수량으로 한다.


3. 정적재하시험(KS F 2445, ASTM D1143)
정적재하시험은 그림 2.와 같이 말뚝, 무리말뚝(Group pile) 또는 말뚝군(Pile group)에 정적인 압축 축하중을 가하여 말뚝의 반응을 정하는 목적으로 실시된다. 시험결과는 말뚝의 장기효과를 알려주지 못하며, 파괴란 이방법으로 일정하중 아래에서 말뚝이 신속히 침하하는 것을 가리키는 것이다.
그림 2. 정적재하시험의 전경


정적재하시험의 목적을 충분히 달성하기 위해서는 하중, 시간, 총침하량, 잔류침하량의 관계를 명확하게 분석할 수 있는 시험법을 채택해야 한다. 방법은 재하 또는 재하방법에 따라 완속재하시험법을 포함하여 7개로 정도로 나누어지며, 이 중에서 현장에서는 급속재하시험법을 많이 채택하고 있다.


시험방법으로는 콘크리트, 철근 등 시험하중의 10% 이상의 중량과 유압잭을 사용하는 사하중에 의한 방법과 주변에 시공된 말뚝 또는 어스앵커를 반력으로하는 반력에 의한 방법이 있다.


3.1 분석방법
1) 하중-침하량 곡선
2) 항복하중 판정법 : 항복하중을 결정하는 방법에는 나라마다 규정이 다르지만 ① P-s 곡선법, ② log P-log s 곡선법, ③ s-log t곡선법, ④ P-ds/d(log t)곡선법, ⑤ Chin 방법, ⑥ Davisson 방법 등

3) 침하량 분석으로 항복하중 판정
- 전침하량 : Terzaghi/Peck과 뉴욕시 기준 등에서 정하고 있는 1inch(25.4mm)
- 잔류(순)침하량 : 미국보스턴 건축기준 및 Woodward(1972)에서 1/2inch(12.7mm)


4. 동적재하시험(ASTM D 4945)
동적재하시험은 동적인 축하중을 가하여 말뚝의 저항을 정하는데 적용되며, 시험을 실시하는 시점에서의 지지력, 말뚝에 작용하는 최대압축응력 및 최대인장응력, 말뚝의 손상여부, 장비의 효율 등의 결과를 얻을 수 있다. 따라서 설계하중 만큼의 지지력을 얻을 수 있는지의 여부를 정재하시험보다 훨씬 빠른방법으로 측정할 수 있으며, 시항타시 적용하여 파일시공관리가 가능하다.
그림 3. 동적재하시험의 전경

4.1 PDA(Pile Driving Analyzer)의 원리
PDA의 원리는 아래 그림과 같이 말뚝을 항타할 경우 말뚝머리는 충격에 의하여 아랫방향으로 전달되면서 압축변형을 발생시키는 압축력이 작용한다. 이때 말뚝 내에 발생하는 변위와 말뚝 내 어느 한 요소의 변위 속도를 측정하여 분석함으로써 말뚝의 지지력을 얻을 수 있다.
4.2 시험방법
1) 초기항타(EOID : End of Initial Driving)
설계지지력 확인이나 시공관리를 위해 시공 중 또는 시공 직후에 실시하며, 침하량 관리 시스템 선정, Stress, Pile damage, Capacity 확인을 위해 실시한다.
2) 재항타(Restrike)
Set-up이나 Relaxation에 의한 지지력변화 확인 및 Capacity 및 Pile 손상여부 확인, 3~5회 타격으로 시험을 종료 한다.

4.3 결과분석
동적재하시험의 결과분석 방법에는 CASE 방법과 CAPWAP 방법 등이 있다. 측정된 힘과 속도의 기록을 이용하여 지지력을 예측한다는 점에서 두 방법은 거의 동일하다고 볼 수 있다.
1) CASE 방법
CASE방법은 동적재하시험에 의한 지지력 예측법의 간편계산법으로 계측치를 가지고 지지력을 예측할 수 있는 공식에 대입하여 구하는 방법이다.
2) CAPWAP 방법
CAPWAP 방법은 CAPWAP 프로그램을 이용하여 시행착오법으로 말뚝지지력, 떨림 및 Damping 특성, 흙의 저항분포 등의 경계조건을 결정하는 방법이다. 계산된 경계조건을 이용하여 정적재하시험을 모사 하여 말뚝의 두부에 하중을 작용시켜 말뚝의 관입과 이에 소요되는 흙의 정적저항의 관계를 얻을 수 있으며, 주면마찰력의 분포를 얻을 수 있다.

5. 인발재하시험
말뚝의 인발시험은 말뚝기초의 선단지지력과 주면마찰력 중 주면마찰려에 대한 시험이다. 선단지지력의 불확실성이 배제되어 시험결과에 있어서도 비교적 분명한 결과를 얻을 수 있으며, 해석방법도 간편한 특징이 있다. 일반시험은 말뚝기초 설계시 풍하중 또는 인발하중에 저항하는 인발저항력을 산정하는 경우필수적으로 실시해야 한다.
시험방법으로는 시험말뚝 위로 빔을 설치하고 시험말뚝 위쪽에 유압잭을 두어 인발하중을 가하는 방법

6. 수평재하시험(ASTM D 3966)
수평방향 외력을 받는 말뚝의 거동을 추정하기 위한 방법으로 말뚝의 거동에 영향을 주는 요소로는 말뚝의 강성, 말뚝폭, 재하높이, 말뚝머리 고정조건, 지반조건, 하중의 성질 등이 있다.
시험방법으로는 사하중 또는 중장비의 반력으로 하여 유압잭으로 하중을 가하는 방법과 반력말뚝 2개를 사용하는 방법이 있다. (허용수평변위 15mm)

사내기자 : 조명수(joms@extpile.co.kr)