실내모형실험을 통한 무리말뚝의 횡방향 설치간격에 따른 거동특성 연구 = (A) study on the characteristic behavior of the group piles with different lateral installation distance using small scaled lab-test

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The pile has been widely used in the engineering works and all kinds of foundation of a construction since early times. The construction structure becomes complicated gradually according to the development of an industry and the load condition of the structure becomes complicated accordingly. It is necessary that the appropriate study on the movements of piles and the interaction between the piles and grounds under the complicated loading condition in order to design piles safely and economically for the various purpose of uses.
The pile is the member that transfers the vertical load from the upper construction structure to the ground. Studies on the pile has been done since early times and they are usefully used for the design. However, if the structure supported by a pile receives lateral part earth pressure such as the earth pressure, wind pressure, wave activated force etc. the head part of the pile get the horizontal force and bending moment as well as the vertical force at the same time. In case of the old design approach for the pile, this kind of horizontal force was not reviewed in details. However, recently, the studies on the pile design with the horizontal bearing capacity are being actively conducted domestically and internationally in line with the development of large-sized structures.
As to the lateral bearing capacity theory on the pile, the methods proposed by Brinch Hansen, Broms, Chang and Reese & Matlock etc. are used.
Especially, when the lateral bearing capacity of the pile is evaluated, the strain wedge theory which considers the passive resistance of the ground effectively is being proceeded with the detailed research and it is applied for the practical design works. However, in Korea, studies on the behavior characteristic of the pile, group pile efficiency, the load sharing and subgrade reaction (p-y curve) are insufficient in comparison with the importance of the group piles with lateral bearing capacity and in case of the group piles, the various analysis on the behavior of the pile is not done in comparison with the single pile due to the difficulty in the modeling test.
This study is theoretical study which propose the behavior characteristic of the pile against laterial bearing capacity of the group pile based on the distance between the piles and proposes the formula which consists of the functions with the distance between the piles and the strength of the ground on the limit resistance force of the strain wedge theory by abbreviating stress bulb of the pile with polygon. The modeling test is conducted for this in the lab and the test result is compared with the existing formula. In order to do that, p-y curve drawing method is proposed by using bending moment of the pile which is measured from the test result and the interaction effect on the group pile is also studied by conducting the group pile test by distance.
As a result of the lab test, in case of the result on the single pile, there is big difference between the test result and the existing formula and it appears that the difference is originated from some considerable factors - the existing formula is based on the limitation of the pile for application and the test result in the lab is based on the ground failure. As a result of the test on the group pile, bearing capacity of each pile in the group pile is reduced in comparison with the bearing capacity of the single pile due to the interaction between the piles but it is not reduced as a constant proportion in the load - displacement relation, that means, the load-displacement behavior of the group pile is different from the load and displacement of the single pile.
And there is a range which shows same behavior with the single pile in case of over specific distance between the piles, that means, interaction effect between piles in the group pile is closely related to the distance between the piles and the
loading to the pile.

국문 초록 (Abstract)

말뚝은 예로부터 토목, 건축의 각종 구조물 기초에 널리 사용되었다. 산업의 발달과 더불어 이러한 구조물의 형태가 점차 복잡해지고 이에 따라 하중작용 방향도 복잡해지고 있다. 다양해진 사용목적에 맞는 안전한 말뚝을 경제적으로 설계하려면, 복합적인 하중조건하에서의 말뚝거동 및 말뚝과 지반사이의 상호작용에 관한 연구가 이루어질 필요성이 있다.
일반적으로 말뚝은 상부구조물로부터 전달되는 연직하중을 받아 지반에 전달하는 부재이다. 이러한 말뚝에 대해서는 일찍부터 연구되어 설계에 유용하게 활용되고 있다. 그러나, 말뚝에 의해 지지되고 있는 구조물이 토압, 풍압, 파력 등의 측방하중 등을 받게 되면 말뚝머리에는 연직력 뿐만 아니라 수평력과 휨모멘트도 동시에 작용하게 된다. 기존의 말뚝의 설계에서는 이러한 수평력에 대해서는 자세한 검토가 행해지지 않았다. 그러나 최근에는 구조물의 대형화로 인하여 수평력을 받는 말뚝의 설계에 관한 연구가 국내 국외에서 최근에도 활발히 진행되고 있다.
기존 말뚝의 횡방향 저항지지력 이론은 Brinch Hansen, Broms, Chang 및 Reese and Matlock 등의 방법이 인정되고 또한 활용되고 있다. 특별히 말뚝의 횡방향 저항력 산정 시 지반의 수동 저항력을 효과적으로 고려할 수 있는 변형률 쐐기이론은 세부적인 연구가 진행 중이며, 설계 등의 실무에서는 기초적인 단계에서 적용되고 있다.
현장에서 사용되는 말뚝의 대부분은 무리말뚝형태로 시공배치 되어 횡하중까지 받는 형식이나 국내에서는 횡하중을 받는 무리말뚝의 중요성에 비하여 거동특성, 무리말뚝 효율 및 하중분담 그리고 지반반력(p-y 곡선)에 대한 연구가 미비하며 또한, 무리말뚝의 경우에는 모형실험의 어려움으로 그 거동분석이 단일말뚝에 비하여 다양하게 연구되지 못한 실정이다.
본 연구에서는 무리말뚝의 간격별 횡방향 하중에 대한 거동특성을 제안하고자 하는 목적으로 이론적인 연구로는 횡하중을 받는 말뚝의 응력구근을 다각형으로 간략화하여 하중작용 단계별로 군말뚝의 간섭정도를 판단하는 변형률 쐐기이론의 극한 저항력에 대하여 말뚝의 폭과 지반의 강도만의 함수로 이루어진 식을 제안 하였다. 실험적인 연구로는 실내모형실험을 수행하였으며, 이를 통하여 기존의 제 안식과 실험 결과를 비교하기 위해 실험결과에서 측정된 말뚝의 휨모멘트를 이용 하여 심도별 p-y곡선 작도법을 제안하였다. 또한 말뚝의 수평간격별 무리말뚝 실험을 수행하여 상호 간섭효과에 대하여 연구하였다. 실내실험 결과를 분석한 결과 단일말뚝의 경우 기존의 제안식과 실험결과와는 큰 차이가 있음을 확인할 수 있었는 바, 이는 기존 제안식들은 말뚝 편심으로 인해 발생되는 좌굴의 영향을 고려하여 최대 수평변위를 제약함으로서 연직하중에 대한 사용성에 문제가 없도록 고려하였다는 점과 실내실험에서는 말뚝 자체의 강성이 견디는 범위내에서 지반의 파괴 시까지 고려하였다는 점에서 그 차이가 발생 한다고 판단된다. 무리말뚝의 실험 결과 말뚝 상호간의 간섭효과에 의해 각각의 말뚝지지력은 단일말뚝에 비해 감소하였으나, 하중과 변위 관계가 일정 상수의 비율로 줄어 들지는 않았으며, 이는 군말뚝의 하중과 변위거동은 단일말뚝과 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 또한 작은 하중단계로서 변위가 말뚝직경보다 작은 경우 일정 수평간격이상에서는 단일말뚝과 같은 거동을 나타내는 구간이 존재하였는 바, 이를 통해 무리말뚝에서 말뚝 상호간 간섭효과는 말뚝의 수평설치 간격과 더불어 재하된 하중의 크기와 연관이 있음이 확인할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구연혁 1
• 1.2 연구의 배경 및 목적 3
• 제 2 장 말뚝의 횡방향 지지력 산정방법과 변형률 쐐기 모델 5
• 2.1 서 론 5
• 2.1.1 주동말뚝과 수동말뚝 5
• 2.1.2 주동말뚝의 예 6
• 2.1.3 수동말뚝의 예 7
• 2.2 단일말뚝의 횡방향 극한지지력 산정방법 8
• 2.2.1 개 요 8
• 2.2.2 Brinch Hansen 방법 9
• 2.2.3 Broms 방법 10
• 2.3 횡하중을 받는 단일말뚝의 하중과 변위 관계 16
• 2.3.1 지반반력법 16
• 2.3.2 p-y 곡선법(탄성법) 20
• 2.4 변형률 쐐기이론을 이용한 말뚝의 횡방향 저항력 산정 이론 26
• 2.4.1 변형률 쐐기이론의 개요 26
• 2.4.2 변형률 쐐기이론의 특성 27
• 2.5 무리말뚝의 횡방향 거동 33
• 2.5.1 개 요 33
• 2.5.2 변형률 쐐기이론을 이용한 무리말뚝의 거동 34
• 제 3 장 사질토 지반에서 말뚝의 횡방향 거동 특성 40
• 3.1 개 요 40
• 3.2 변형률 쐐기 이론의 하중단계와 지반의 변형률 40
• 3.3 선형보간을 통한 지반의 지지력 예측 42
• 3.3.1 하중단계와 변형률의 관계 42
• 3.3.2 p-y 곡선을 이용한 극한하중의 결정 및 특성 44
• 제 4 장 횡하중을 받는 무리말뚝의 실내모형실험 47
• 4.1 실내모형실험 개요 47
• 4.1.1 실내모형실험 장비 및 제원 47
• 4.1.2 실내모형실험에 사용된 시료의 특성 48
• 4.1.3 실내모형실험에 사용된 말뚝의 제원 50
• 4.2 실내모형실험 방법 및 순서 51
• 4.3 실험결과 54
• 4.3.1 말뚝의 심도, 위치에 따른 휨모멘트 54
• 4.3.2 말뚝 두부에서의 하중-변위 곡선 58
• 제 5 장 실내모형실험 결과분석 60
• 5.1 이론적 극한지지력 60
• 5.1.1 Brinch Hansen 방법 60
• 5.1.2 Broms 방법 61
• 5.2 p-y 곡선 62
• 5.3 실내모형 단일말뚝의 극한지지력과 p-y곡선 64
• 5.3.1 두부의 하중 변위 관계를 통한 극한지지력 산정 64
• 5.3.2 말뚝의 휨모멘트를 이용한 p-y곡선 작도 65
• 5.3.3 모멘트분포도를 이용한 무리말뚝의 효율 71
• 제 6 장 결 론 76
• 참 고 문 헌 79
• ABSTRACT 82
• 감사의 글 85