KR101072721B1 - 말뚝 정재하 시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 말뚝 정재하 시험장치에 관한 것으로서,
지면(10)에 박힌 시험말뚝(26)과, 상기 시험말뚝(26) 상부에 안착되는 하나 이상의 보강판과, 상기 보강판 상부에 안치되는 유압잭(16)과, 상기 유압잭(16)의 피스톤(46)과 연결볼트(17)에 의해서 연결되며 곡면으로 형성된 두부플레이트(15)와, 상기 두부 플레이트(15) 상부로 다수개 지나가는 와이어 강선(14)과, 상기 다수개의 와이어 강선의 단부의 각각은 연결봉(27)의 상단부에 연결되며, 상기 연결봉(27)의 하단부에 그 상단이 피봇식으로 연결되며, 지면에 고정되는 그라운드 앵커(22)와, 상기 그라운드 앵커(22)의 지면(10)으로부터 돌출된 부분에는 연결핀(32)에 연결되며, 상기 연결핀(32)은 연결 볼트(35)에 의해서 수평반력빔(28)의 후단에 연결되며, 수평반력빔(28) 선단에는 가압판(30)이 장착되어 있으며 이 가압판(30)에 연결되며 시험말뚝(26)과 일정한 간격을 두고 위치한 원형강관(29)으로 구성된다.
정재하,말뚝,토목,시험장치

Description

말뚝 정재하 시험장치{APPARATUS FOR PILE LOAD TEST}
본 발명은 말뚝 정재하 시험장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 유압잭 및 그라운드 앵커를 이용한 말뚝 정재하 시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 토목 및 건축 구조물 등이 시공될 지반은 구조물 하중에 대해서 지반은 충분히 이를 지탱되어야 한다. 그러나 상대적으로 구조물하중의 크기에 비해서 지탱한 지반의 지지력이 약할 경우에는 지반보강공법으로 통상적으로 말뚝을 지중에 설치하여 상부의 구조물하중을 말뚝을 통해서 암반과 같은 단단한 지층에 전달하거나 말뚝을 둘러싸고 있는 인접지반에 하중을 전달토록 설계 및 시공을 한다. 즉 지반조사를 통해서 지층의 구조 및 각 층별 샘플을 채취하여 실내시험을 통해 지반의 물리적 또는 역학적 설계 변수를 측정하여 그 자료를 이용해서 정역학적 지지력공식 또는 경험식 등을 이용하여 시공될 말뚝의 극한지지력을 계산한다. 계산된 극한지지력은 안전율 3.0으로 나누어 허용지지력을 산정 후 시공될 말뚝의 수량 및 배치 간격 등을 결정하는 말뚝설계를 수행한다. 그러나 이 같은 과정에서 계산된 말뚝의 지지력은 실재 시공 중 실시되는 말뚝재하시험을 통해 확인된 지지력과는 상단한 차이가 발생한다. 이 같은 설계시 계산된 지지력과 시공 중 확인된 지지력의 차이가 크게 발생하는 이유는 다음과 같다.
①지반조사기술의 한계 ②실제 지반에서 거동하는 말뚝의 복잡한 움직임을 모두 표현 가능한 정역학적 지지력이론의 한계 ③말뚝거동특성과 일치하는 전용지반조사법의 부재 등의 원인에 따라 통상 확인된 지지력은 설계시 제시된 지지력보다는 크게 측정되며, 총 시공된 말뚝의 약 22%는 시공불량등에 따라 설계시 예측된 지지력보다 작게 측정되어 말뚝지지력의 예측설계는 과다 또는 과소설계라는 양극화를 초래하고 있는 실정이다. 따라서 이 같은 문제로 인해서 국가적으로 말뚝시공비가 과다하게 지불되고 있는 실정이며, 일부 말뚝은 오히려 시공불량에 따른 향후 구조물의 안정성 등에 문제를 발행하고 있다. 따라서 말뚝설계시 지지력예측의 부정확성으로 인해서 반드시 시공 중에는 말뚝재하시험을 통해서 시공된 말뚝에 대한 지지력을 확인하는 시험을 반드시 수행토록 법률적으로 제도화된 실정이다. 이러한 정재하시험은 설계하중이 2.0~3.0배의 하중을 말뚝머리부에 재하하여 하중을 증가시킴에 따라 말뚝의 침하량을 측정하여 말뚝의 항복 및 극한지지력을 측정하는 시험이다. 따라서 말뚝정재하시험에서는 필연적으로 말뚝머리부에 유압잭을 통해서 시험말뚝을 침하시키기 위해서는 반드시 반력장치 등이 필요하다.
시공된 말뚝에 대한 지지력 확인시험법 중 가장 정확한 정재하시험은 시험하중에 대치하는 지상 반력장치를 구성해야 한다. 이러한 지상 반력장치의 주요구성 인자는 인접말뚝의 시공 유무, 반력앵커의 시공, 콘크리트 블럭 또는 강재와 같은 중량물, 중량의 반력빔 등이 필요로 한다. 그러나 모든 정재하시험은 기본적으로 설계하중의 2.0~3.0배의 반력하중을 만들어서 시험을 하기 때문에 반력하중의 크기는 현장지반 조건 등의 영향으로 인하여 충분한 인발저항력을 확보하기가 현실적으로 곤란한 경우가 종종 발생하며, 인발저항력이 발현되더라도 반력장치들을 현장에서 구성하는데 시간과 경비가 상당히 많이 소요된다. 또한 이 같은 여러 어려움에도 불구하고 시험의 목적이 시험말뚝에서 발현 가능한 항복 및 극한지지력을 확인코자 할 때는 설계하중의 2.0~3.0배보다 더 큰 하중을 재하토록할 경우 반력 부족으로 인해서 항복 또는 극한에 필요로 하는 충분한 반력을 추가로 증가시키기가 현실적으로 불가능하다. 따라서 지금까지 정재하시험에서 수행되고 있는 반력장치들은 현장에서 측정된 시험결과에 따라 시험하중의 크기를 증가시킬 수 없기 때문에 말뚝에서 발현되는 실재의 참 지지력을 확인하기는 어러운 실정이다.
이와 같이 지금까지 현장에서 실시되는 정재하시험은 반력형성을 위해 중량의 재하물 또는 앵커시공, 인접말뚝에서 시험에 소요되는 충분한 인발 저항력의 확보, 중량의 반력빔 설치로 인해 말뚝재하시험에 소요되는 시간과 재경비등이 많이 소요되어 시험비가 과다한 실정이다. 또한, 반력형성을 위한 사전 전제 조건하에서 시험방법이 선정되어야 하는 제약과 시험 중 기 시공된 말뚝이 설계시 예측된 지지력보다 과다한 지지력발현이 예상될 때 참지지력을 확인에 필요한 추가 반력확보가 현실적으로 곤란하여 반력 하중부족으로 시험을 조기 중단하기도 한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 말뚝정재하시험은 반력시스템을 구성하는데 현장의 지반조건과 시공조건에 영향을 받기 때문에 경우에 따라서는 시간과 경비가 많이 소요되는 실물재하공법 또는 별도의 반력앵커를 시공해서 시험을 해야하는 공법을 선택할 수 밖에 없는 경우가 많이 발생하고, 또한 시험말뚝 주변에 설치된 기 시공된 인접 말뚝 및 앵커 등에서 발현되는 인발 저항력은 지반조건에 따라 달라지기 때문에 시험 전에 정확한 예측이 불가능하여 시험 중 인발저항력 부족으로 계획하중까지 시험 단계를 높이지 못하고 시험이 종료되곤 하는 문제점을 극복하고자, 본 발명은 규격화된 그라운드앵커를 시험말뚝 주변에 시험하중의 크기에 따라 다수 설치하여 반력을 형성하는 인접말뚝, 앵커, 중량의 재하물, 반력빔 등을 완전히 제거하여 기존의 반력시스템 설치에 따른 시간과 경비를 현저히 감소시켰으며, 반력을 만들어내는 그라운드앵커의 인발저항력을 극대화할 수 있도록 소정의 각도로 그라운드앵커의 연직인발 분력을 극소화시켜 결과적으로 그라운드앵커의 인발저항력을 극대화시켜 손쉽게 정재하시험을 수행하면서도 현장에서 인발력 부족시 신속히 추가 그라운드앵커의 설치가 용이하기 때문에 말뚝의 실제지지력을 정확히 측정이 가능토록하는 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 말뚝 정재하 시험장치의 일예로서,
지면(10)에 박힌 시험말뚝(26)과,
상기 시험말뚝(26) 상부에 안착되는 하나 이상의 보강판과,
상기 보강판 상부에 안치되는 유압잭(16)과,
상기 유압잭(16)의 피스톤(46)과 연결볼트(17)에 의해서 연결되며 곡면으로 형성된 두부플레이트(15)와,
상기 두부 플레이트(15) 상부로 다수개 지나가는 와이어 강선(14)과,
상기 다수개의 와이어 강선의 단부의 각각은 연결봉(27)의 상단부에 연결되며, 상기 연결봉(27)의 하단부에 그 상단이 피봇식으로 연결되며, 지면에 고정되는 그라운드 앵커(22)와,
상기 그라운드 앵커(22)의 인발저항력을 향상시키는 장치로서, 상기 그라운드 앵커(22)의 지면(10)으로부터 돌출된 부분에는 연결핀(32)에 연결되며, 상기 연결핀(32)은 연결 볼트(35)에 의해서 수평반력빔(28)의 후단에 연결되며, 수평반력빔(28) 선단에는 가압판(30)이 장착되어 있으며 이 가압판(30)에 연결되며 시험말뚝(26)과 일정한 간격을 두고 위치한 원형강관(29)으로 구성되며,
상기 그라운드 앵커(22)의 좌우 움직임을 측정하기 위하여 그라운드 앵커 변위게이지(34)가 연결봉(23)에 의해서 그라운드 앵커(22)와 연결되며, 그라운드 앵커 변위게이지(34)의 고정을 위하여 마그네틱 홀더(19)가 연결되며,
시험말뚝(26)의 상하 변위를 판단하기 위해서, 지면(10)에 고정되는 유지봉(43)에 의해서 레퍼런스 빔(18)이 유지되며,또한, 결착구(41)에는 변위게이 지(51)가 연결되며, 변위게이지(51)의 고정을 위해서 마그네틱 홀더(53)가 레퍼런스 빔(18)에 고정된다.
본 발명에 따른 말뚝 정재하 시험장치는 지면(10)에 박힌 시험말뚝(26) 상에 안치된 유압잭(16)을 작동시키고, 유압잭과 연결된 두부플레이트(15) 상부로 다수개 지나가는 와이어 강선(14)을 압박하고, 상기 다수개의 와이어 강선의 단부의 각각은 지면에 고정되는 그라운드 앵커(22)와 연결되며, 상기 그라운드 앵커(22)의 지면(10)으로부터 돌출된 부분에는 수평반력빔(28) 및 원형강관(29)에 의해서 연결되어 그라운드 앵커의 반발력을 흡수하므로, 정재하 시험을 위하여 무거운 웨이트를 사용하지 않아도 되므로, 시험 시간이 단축되고, 시험 공정이 매우 간단하게 되며, 시험 정확성을 보장할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 말뚝 정재하 시험장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도 1내지 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
지면(10)에 박힌 시험말뚝(26)상에 결착구(41)를 착설하고 상기 결착구(41) 상부에 보강판(20, 24)을 안착하고, 상기 보강판(20, 24) 상부에 유압잭(16)을 안치한다. 유압잭(16)의 압력은 압력계(31)로써 확인한다.
상기 유압잭(16)의 피스톤(46)에는 연결볼트(17)의 일단이 고정되고, 연결볼트(17)의 타단은 두부플레이트(15)에 연결된다.
상기 두부 플레이트(15)는 곡면이 형성되고 그 상부로는 와이어 강선(14)이 다수개 지나간다.
상기 와이어 강선의 단부는 각각 연결봉(27)의 상단부에 연결되며, 상기 연결봉(27)의 하단부는 그라운드 앵커(22)의 상단에 피봇식으로 연결된다.
상기 그라운드 앵커(22)는 지면(10)에 고정되며, 지면(10)으로부터 돌출된 부분에는 연결핀(32)에 연결되며, 상기 연결핀(32)은 연결 볼트(35)에 의해서 수평반력빔(28)의 후단에 연결되며, 수평반력빔(28) 선단에는 가압판(30)이 장착되어 있으며 이 가압판(30)은 시험말뚝(26)을 둘러싼 원형강관(29)에 밀착되도록 설치한다. 상기 원형강판(29)은 시험말뚝(26)과 일정한 간격을 두고 원형으로 위치한다.
상기 그라운드 앵커(22)의 좌우 움직임을 측정하기 위하여 그라운드 앵커 변위게이지(34)가 연결봉(23)에 의해서 그라운드 앵커(22)와 연결되며, 그라운드 앵커 변위게이지(34)의 고정을 위하여 마그네틱 홀더(19)가 연결된다.
시험말뚝(26)의 상하 변위를 판단하기 위해서, 지면(10)에 고정되는 유지봉(43)에 의해서 레퍼런스 빔(18)이 유지된다. 또한, 결착구(41)에는 변위게이지(51)가 연결되며, 변위게이지(51)의 고정을 위해서 마그네틱 홀더(53)가 레퍼런 스 빔(18)에 고정된다.
일반적으로 그라운드 앵커는 시험말뚝으로부터 시험말뚝의 직경의 2~3배 이상 간격을 두고 대칭적인 구조로 설치를 한다. 기존의 정재하시험에서는 반력장치로 사용되는 인접말뚝 또는 앵커의 인발저항은 시험 전까지는 확인이 불가능하지만 본 발명에서는 시험에 소요되는 시험하중과 크기가 같은 인발 총저항력이 결정되면 그라운드 앵커(22) 한 개에서 발현되는 예상 연직인발저항력을 계산하여 그라운드 앵커(22)의 총 설치수량을 결정한다.
그라운드 앵커(22)를 지중에 설치시 그라운드 앵커(22)의 인발 저항력Qt는 그라운드 앵커(22)를 지중에 설치시 사용된 유압 모우터의 토크 T와 Qt= T·K와 관계가 있다. 여기서, K는 토크저항계수로서 지반에 관계없이 일정한 K값을 갖기 위해서는 규격화된 그라운드 앵커를 사용한다. 현장에 적용되는 일정한 규격의 그라운드 앵커(22)에 대한 실제 앵커인발시험을 통해 토크저항계수 K값만 확인하면 그라운드 설치시 토크를 측정하여 Qt= T·K 관계식을 적용하여 앵커의 인발 저항력을 시험전에 확인할 수가 있어 시험중 반력 부족으로 시험이 조기에 중단 되지 않으며, 실제 말뚝의 지지력이 예상보다 많이 발생하여 계획하중(설계하중의 2~3배) 보다 시험하중을 증가시 기존 시험법에서는 반력하중 증가가 현실적으로 불가능하였지만 여분의 그라운드 앵커(22)를 추가로 설치가 쉽기 때문에 충분한 하중재하가 가능하며 말뚝의 실제 지지력 확인이 가능토록 하였다.
그라운드 앵커(22)의 설치가 완료되면 시험말뚝(26) 상부에 결착구(41) 및 보강판(20, 24)을 안착하고, 상기 보강판(20, 24) 상부에 유압잭(16)을 안치한다. 유압잭 피스톤(46) 상단에 두부플레이트(15)를 설치 후 두부플레이트 연결볼트(17)를 이용해서 두부플레이트(15)와 유압잭(16)을 일체화시킨다.
다시 시험말뚝(26) 주변에 복수의 그라운드 앵커(22) 설치가 완료되면 1번 앵커와 5번 앵커, 3번 앵커와 7번 앵커 등을 같은 방법으로 와이어 강선(14)으로 연결한다. 그라운드 앵커(22)는 도 3에서와 같이 상단부에 작용하는 시험 중 작용하는 유압잭(16)의 의한 인발력 T는 소정의 각도θ를 형성한다. 이때 시험 중 발생하는 인발력 T는 Tcosθ의 수평분력 H와 Tsinθ의 연직분력 V가 발생한다. 도 3(a)에서 수평반력 빔(28)이 없는 경우 시험 말뚝(26)의 두부에 장착된 유압잭(16)에 의해서 발현되는 인발력 T에서 발생된 힘은 수평 및 연직분력 H와 V에 의해서 도 3(a)와 같이 그라운드 앵커는 수평저항력이 작은 지표면 부근에서 과도한 수평변위 발생에 따라 그라운드 앵커(22)는 지중에서 회전하면서 인발하게 된다. 통상 그라운드 앵커(22)가 설치된 지반에서 수평인발저항력보다는 연직인발저항력이 훨씬 크게 발현된다. 따라서 흙이 이와 같은 성질 때문에 기존의 정재하시험에서는 반력 빔을 통해서 지반에 설치된 반력말뚝 및 앵커 등을 수직으로 연결하여 인발저항이 극대화 되도록 한다. 그러나 본 발명에서는 중량의 반력 빔을 제거하였기 때문에 두부플레이트(15)와 그라운드 앵커(22)와는 와이어 강선(14)으로 연결되어 필연적으로 연직 및 수평분력이 발생한다. 따라서 가급적 수평분력을 줄이고 연직분력을 높이기 위해서는 와이어 강선(14)의 설치 각도θ가 커야 함으로 현장에서 그라운드 설치시 사전제약을 받는다. 따라서, 도 3(a)와 같은 형태로 그라운드 앵커를 설치 시에는 인발각도에 따른 지반의 수평저항력 기대효과가 총 인발력 T의 20%정도 밖에는 기대할 수가 없기 때문에 주로 연직분력 V에 의존하여 그라운드 앵커를 설치할 수 밖에 없다.
따라서, 도 3(b)에서와 같이, 그라운드 앵커의 인발저항력을 극대화하기 위해 그라운드앵커 머리부에서 수평으로 수평반력빔(28)을 설치한다. 수평반력빔(28) 선단에는 가압판(30)이 장착되어 있으며 이 가압판(30)은 시험말뚝(26)을 둘러싼 원형강관(29)에 밀착되도록 설치한다. 따라서 인발하중T가 그라운드앵커 머리부에 θ의 각도로 작용하면 인발에 따른 그라운드 앵커(22)는 B점을 따라서 인발하중 T가 그라운드앵커 두부에서 θ의 각도로 작용하면 수평분력 H는 모두 수평반력빔(28)을 통해서 원형 강관(29)에 전달된다. 또한 말뚝을 인발하는 힘은 연직분력 V가 그라운드앵커 부두에서 뽑는 힘으로 작용한다. 수평반력빔(28)은 그라운드앵커(22)의 머리부에서 ℓ만큼 하향에 연결핀으로 B지점에 설치한다. 따라서 A점에서 작용하는 수평분력 H에 의해서 B점을 중심축으로 해서 회전모멘트 M = ℓ·M 만큼 발휘된다. 따라서 회전모멘트 M은 그라운드 앵커(22)를 지중에서 회전시키는 힘으로 작용해서 인발력 T가 작용시 그라운드앵커와 지반과의 밀착력을 증대시켜 인발저항력을 증대하는 효과를 갖도록한다. 수평반력빔(28)을 설치함으로서 수평분력을 전부 지반이 받지 않도록 하여 말뚝의 회전중심축을 지중에서 지상으로 변화시켜 인발저항력을 극대화시킬 수 있다.
시험중 발생되는 인발력 T의 연직력 V를 극소화시키려면 상대적으로 수평분 력을 증대시키면 된다. 각도변화에 따른 연직 및 수평분력은 표.1과 같다.
(표.1) 각도변화에 따른 연직 및 수평분력
인발력 T
(ton) 		인발각도
(θ) 		수평분력 H
(강관이 감당) 		연직분력 V
( 앵커외 인발저항력 )
20 0 20 0
10 19.7 3.47
20 18.8 6.84
30 17.32 10.0
40 15.32 12.86
50 12.86 15.32
60 10.0 17.32
70 6.84 18.79
80 3.47 19.7
90 0 20.0
(표.1)에서 보는바와 같이 인발력 T가 20ton일 경우, 인발각도 θ=20일 경우 연직분력은 인발력 T의 34%만 제공하면 된다.
도 1은 본 발명에 따른 말뚝 정재하 시험장치의 전체 구성 단면도
도 2는 본 발명에 따른 말뚝 정재하 시험장치의 평면 구조도
도 3은 본 발명에 따른 말뚝 정재하 시험장치의 그라운드 앵커의 거동 작동도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 지면 14 : 와이어 강선
15 : 두부플레이트 16 : 유압잭
17 : 연결볼트 18 : 레퍼런스 빔
19 : 마그네틱 홀더 20, 24 : 보강판
22 : 그라운드 앵커 23 : 연결봉
26 : 시험말뚝 27 : 연결봉
28 : 수평반력빔 29 : 원형강관
30 : 가압판 31 : 압력계
32 : 연결핀 34 : 그라운드 앵커 변위게이지
35 : 연결 볼트 41 : 결착구
43 : 유지봉 46 : 피스톤
51 : 변위게이지 53 : 마그네틱 홀더

Claims (2)

  1. 지면에 박힌 시험말뚝과,
    상기 시험말뚝 상부에 안착되는 하나 이상의 보강판과,
    상기 보강판 상부에 안치되는 유압잭과,
    상기 유압잭의 피스톤과 연결볼트에 의해서 연결되며 곡면으로 형성된 두부플레이트와,
    상기 두부 플레이트 상부로 다수개 지나가는 와이어 강선과,
    상기 다수개의 와이어 강선의 단부의 각각은 연결봉의 상단부에 연결되며, 상기 연결봉의 하단부에 그 상단이 피봇식으로 연결되며, 지면에 고정되는 그라운드 앵커와,
    상기 그라운드 앵커의 인발저항력을 향상시키는 장치로서, 상기 그라운드 앵커의 지면으로부터 돌출된 부분에는 연결핀에 연결되며, 상기 연결핀은 연결 볼트에 의해서 수평반력빔의 후단에 연결되며, 수평반력빔 선단에는 가압판이 장착되어 있으며 이 가압판에 연결되며 시험말뚝과 일정한 간격을 두고 위치한 원형강관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 말뚝 정재하 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그라운드 앵커의 좌우 움직임을 측정하기 위하여 그라운드 앵커 변위게 이지가 연결봉에 의해서 그라운드 앵커와 연결되며, 그라운드 앵커 변위게이지의 고정을 위하여 마그네틱 홀더가 연결되며,
    시험말뚝의 상하 변위를 판단하기 위해서, 지면에 고정되는 유지봉에 의해서 레퍼런스 빔이 유지되며,또한 결착구에는 변위게이지가 연결되며, 변위게이지의 고정을 위해서 마그네틱 홀더가 레퍼런스 빔에 고정되는 것을 특징으로 하는 말뚝 정재하 시험장치.
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