2018. 10. 10.

[기술정보] 기초공법적용 및 설계

“아파트를 짓고 싶은데 땅이 어렵다.  기초에 대한 생각은?”


국내 대부분 지반에서는 풍화암은 30m 이내에 분포하고 있지만,
해안매립지, 장기 퇴적지반에서는 30~40m, 또는 80m이하에도
풍화암을 찾아볼 수 없는 경우도 존재한다.  
특히, 양질의 풍화토(N>30)가 매입공법의 천공장비 한계(약 42m 내외)
를 초과해서 나타나고 상부 주변지반도 연약한 조건에서는 구조물
기초를 선정함에 있어서 어려움을 겪고 있는 실정이다.


금번에 소개할 현장도 이러한 지반조건 및 시공상황으로 당사가 설계
Concept 및 품질관리를 진행한 현장이다.  
현장은 강릉의 바닷가에 인접한 현장으로 그림1에서 보는 바와 같이
상부가 모래층, 하부는 모래 및 자갈층이 교호하나 N값이 20이하로
지층이 깊게 분포하고 있고, 풍화토가 54m에서 나타나는 지반이다.


1. 기초공법 적용 Concept


당 현장의 경우에는 지반조건 및 시공조건을 반영하여 구조물별로
상이하게 적용하였으며 [그림1참조], 본 고에서는 아파트구조물
기초공법에 대한 설계 및 시공관점에 대해서 소개하고자 한다.

“아파트는 선단확장PHC말뚝+하부JSP보강, 주차장은 PF공법 적용”


ⓐ 아파트 구조물 기초공법 선정
  ■ 기초공법 : 상부 선단확장PHC D600(120tf) +
하부 JSP보강(Φ1.0~1.2m)
  ■ 공법 선정 사유
      - 매입공법 장비 시공한계 초과 → 상부 지층을 활용할
수 있는 Concept 필요
      - 상부 지반 양호 → 말뚝기초 주면마찰력 기대 가능 →
단본(15m) Pile 검토 필요
      - 중간 N=50층의 모래자갈층 활용 → JSP보강으로 선단지지층 대용
      
ⓑ 지하주차장 기초공법 선정
  ■ 기초공법 : PF공법(상부1.4m, 하부1.0m)(20tf/㎡)  
  ■ 공법 선정 사유
      - 기초하부 200m까지 양호한 모래 및 모래자갈층으로 구성
      - 상재하중 작음 → 침하영향심도 지반개량 → PF공법 7~9m적용

[그림1. 당 현장 기초공법 Concept]



2. 설계측면 검토


당 현장의 아파트 본동 구조물 기초시에 고려한 설계사항으로는
①JSP 보강길이
②말뚝지지력 및 침하검토,
③JSP자체의 지지력검토
④수치해석을 통한 보강유무의 안정성


■JSP 보강심도 결정


JSP 보강심도는 연경이 교호되는 다층지반에서 말뚝의 선단지지력
산정시 적용이 가능한 Meyerhof(1976) 방법을 적용하였다.
즉, 그림2에서 보는 바와 같이, 말뚝 선단부에 놓여있는 대상층의
선단지지력을 적용하기 위해서는 파일 하부 10D 심도까지 동일한
강성을 가진 지반조건이어야 한다는 사항을 적용하여 PHC말뚝(D600)
하부 7~8m를 보강하는 것으로 설정하였다
(출처 : M.J. Tomlinson, Pile Design and Construction
Practice, pp.132~133, 1994).


[그림2. 말뚝 하부 JSP 보강심도 결정 근거]


■수치해석을 통한 복합거동의 안정(지지력/침하) 검토


앞서 언급한 바와 같이 기본적인 PHC말뚝 및 JSP 본체에 대한
지지력검토를 수행하였고, JSP 보강 유무에 따른 전체 말뚝의 안정성은
3차원 수치해석을 통해서 진행하였다.
그림3에서 보는 바와 같이, JSP보강 전-후, JSP길이에 따른 지지력,
침하, 말뚝본체 응력 및 지중응력 변화에 대해서 확인하였다.


[그림3. JSP보강 전-후의 안정해석]


3. 시험시공을 통한 최적방안 도출



설계 Concept의 현장 적용을 위해서 다양한 조건으로 시험시공을
진행하였다.
여러차례 시행착오를 거쳐서 최종적으로 지지력 검증을 위한 시공관련
항목은 JSP후시공 여부, JSP주입방향, PHC말뚝 항타근입 여부 등이며,
이를 기준으로 그림4와 같은 조건으로 시험시공을 진행하였다.


“PHC말뚝 관입유무, JSP주입방향, JSP시공순서가 관건임”



그림5는 JSP 분사노즐 방향을 조절하여 확인하는 사진이다.


[그림4. 시험시공 방안]


[그림5. JSP 분사노즐 방향]



상기 4가지 조건에 따른 시험시공을 진행하였고, 말뚝 재하시험을 통해서
최종 적용 방식을 선정하였다.
말뚝 재하시험과 EOID 및 Restrike의 동재하시험을 실시하였고, 하부 JSP
구근체의 형성 유무를 확인하기 위하여 JSP구체에 대한 코아채취 및
압축강도 시험도 병행하였다.
표1은 시험시공시 실시된 재하시험 결과이다.
표에서 보는 바와 같이 CASE3의 경우가 가장 안정적으로 지지력확보가
가능하였고, CASE2의 경우는 불확실성이 다소 존재하는 것으로 나타나서
최종적으로 CASE3 방식을 적용하였다.
[표1. 시험시공시 재하시험 결과]
구분
CASE 1
CASE 2
CASE 3
말뚝직경
EXT-D500
EXT-D600
EXT-D600
JSP직경
1000mm
1200mm
1200mm
말뚝길이(m)
18.5
19.0
14.8
15.5
13.5
14.0
허용
지지력
(tf)
EOID
-
-
89.0
-
70.1
57.3
Restrike
113.0
90.0
131.9
81.7
192.2
150.7
안정성
N.G
N.G
O.K
N.G
O.K
O.K
앞서 언급한 바와 같이, PHC말뚝 하부에 시공된 JSP 구체의 심도별
압축강도 시험결과는 그림6과 같다.
그림에서 보는 바와 같이 재령 21일 압축강도 결과는 모래층이평균
7.8MPa (6~9MPa수준), 자갈층은 16.4MPa(9~23.6MPa수준)수준으로
양호하게 나타났다.
한편, 재령 8일 압축강도 결과는 모래층 1.6~12.7MPa, 자갈층 3.0~
21.4MPa로 나타나서 대체적으로 자갈층에서의 강도가 높게 나타났다.
일반적인 JSP시공시 발현되는 지층별 강도가 모래층은 4~9MPa,
자갈층은 4~15MPa 수준임을 감안하면, 당현장의 JSP 품질은 양호한
것으로 나타났다.

[그림6. JSP 압축강도 시험 결과]

4. 아파트구간 본 시공 현황


시험시공을 통해서 확정된 방식으로 본동 시공을 진행하였으며, 본 시공
진행시에도 지속적으로 보완 및 개선을 통해서 본 Concept에 대한 현장
적용을 실현하였다.
그림7에서 보는 바와 같이 3가지 Type의 기초장비가 적용되어 시공되고
있어서, 공종간 시공순서, 간섭해소, 안전관리 등 공정관리에 세심한
주의가 필요하다.


“3가지 기초 Type 적용 → 공정 및 품질관리에 세심한 주의 필요”
[그림7. 현장 기초시공 전경]

아파트 본동 구간 기초시공은 다음과 같은 순서로 진행하였다.
먼저 말뚝 선단슈판을 JSP시공을 위해서 개방하여 말뚝을 시공하였다.
이후 말뚝 두부를 정리한 후 JSP시공을 위해서 약 30cm를
성토하여 JSP장비 이동성을 확보하면서 말뚝 내부로 JSP보강을
진행하였다.
마지막 말뚝 내부의 JSP 슬라임은 Sand Pump를 이용해서 제거하여
향후 두부체결을 위한 철근보강이 가능하게 하였다.
JSP시공을 위한 말뚝시공과의 간섭과 JSP 시공시 발생하는 과다한
슬라임 처리 등을 해결하면서 진행하였으며, 세부적인 시공 사진은
그림8과 같다.

[그림8. JSP 시공 순서]

시공이후에는 각 동별로 재하시험을 실시하여 말뚝 안정성을 확인하였다.
먼저 동재하시험 결과를 통해서의 말뚝 안정성 및 선단지지력 발현여부를
분석해보면 그림9와 같다.
[그림9. 동재하시험을 통한 선단지지력 발현 분석]

그림9에서 보는바와 같이, EOID시험에서는 약 40~60tf의 허용지지력을
보였으나, Restrike 시험에서는 130tf 이상의 지지력을 확보하여 설계
하중인 120tf을 만족하는 경향을 보였다. 한편, 선단지지력 발현 경향을
살펴보면, EOID 시험에서는 약 30~50tf의 허용 선단지지력을 보였으나,
Restrike 시험(JSP보강후)에서는 60~90tf의 허용 선단지지력을확보하여
JSP 보강후 선단지반의 강화로 인해서 선단지지력 확보에 도움이 되는
것을 확인하였다.


한편, 당 현장의 중요한 관리요소인 주면마찰력 발현경향을 심도별로
살펴보면 그림10과 같다.
그림에서 보는바와 같이, 지지력 미달된(빨간 점선) 경우에는 선단지반의
연약으로 인해서 심도별 마찰력 발현이 미미한 수준이었으나, JSP보강
후에는 선단지반의 강화영향에 의해서 심도별로 증가하는 경향을 보이고
있다. 일부 항타 에너지전달의 크기에 따른 영향은 존재하지만 본 시공시
m당 허용주면마찰력은 4.0~8.2tf/m 수준을 보였다.
[그림10. 심도별 주면마찰력 발현 경향]

끝으로 정재하시험 결과를 살펴보면 그림11과 같다. 그림에서 보는 바와
같이 약 250tf 하중에서 총침하량/잔류침하량이 10.8/1.9mm,
7.6/0.8mm로 양호한 침하경향을 보이고 있으며, 항복하중 분석법인
Davission 방법을 적용시에도 항복점은 발견되지 않았다.  
또한, 설계하중(120tf)에서의 침하량은 각각 5mm/3mm 수준으로 매우
양호한 경향을 보이고 있어서 말뚝 안정성은 확보된 것으로 평가되었다.


[그림11. 정재하시험 결과 분석]

우리나라처럼 지반이 양호하여 말뚝 선단을 풍화함에 지지하는 경우에는
품질관리만 제대로 한다면 말뚝안정성에는 큰 문제가 없을 것으로 판단
된다. 다만, 국내에서는 풍화암이 장비 시공한계를 벗어나는 50m이상에
분포하는 경우에는 상기 방법이 말뚝 기초의 안정성을 확보를 위한 새로운
대안으로 적용이 가능할 것으로 사료된다.
다만, 다 기초 공종에 따른 현장내 공정관리 및 JSP 시공시의 다량의 슬라임
처리 등에 대한 문제에 대해서는 해결할 과제일 것이다.




사내기자 한병권(hanbk@extpile.co.kr)