KR101188004B1 - 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 말뚝 기초에 설치되어 하중 재하에 대한 말뚝기초의 극한지지력을 산출하는데 사용되는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압잭과 하판 사이에 유격이 형성되고, 하판 하부에 상기 하판보다 직경이 작은 중공된 하판홀을 형성하고, 하중 재하시 상기 유압잭 하부에 형성된 관입부재가 상기 하판홀을 관통하도록 구성함으로써 상기 관입부재가 상기 유격만큼 변위할때까지 재하하여 선단지지력을 측정하고, 상기 관입부재가 하판과 일체로 이동하면서 상향, 하향으로 변위가 발생하여 파괴가 발생할때까지 재하하여 주면 마찰력을 측정하는 2단계 재하를 통해 경질지반에서도 정확한 극한 지지력 측정이 가능한 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치에 관한 것이다.
말뚝 기초, 하중 재하기, 관입부재, 하판홀

Description

말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치 {Loading Device For Pile Load Test}
본 발명은 말뚝 기초에 설치되어 하중 재하에 대한 말뚝기초의 극한지지력을 산출하는데 사용되는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압잭과 하판 사이에 유격이 형성되고, 하판 하부에 상기 하판보다 직경이 작은 중공된 하판홀을 형성하고, 하중 재하시 상기 유압잭 하부에 형성된 관입부재가 상기 하판홀을 관통하도록 구성함으로써 상기 관입부재가 상기 유격만큼 변위할때까지 재하하여 선단지지력을 측정하고, 상기 관입부재가 하판과 일체로 이동하면서 상향, 하향으로 변위가 발생하여 파괴가 발생할때까지 재하하여 주면 마찰력을 측정하는 2단계 재하를 통해 경질지반에서도 정확한 극한 지지력 측정이 가능한 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 구조물을 지지하는 말뚝 기초는 구조물의 안정성을 유지하기 위해 가중 중요한 구조부재 중에 하나이므로 성능에 대한 측정이 매우 중요하다.
종래에는 상기와 같은 말뚝 기초의 성능(지지력 및 침하량)을 측정하기 위한 여러가지 기술들이 제안되었다.
종래 기술 중 가장 대표적인 기술은 실물시험에 해당하는 정재하 시험이다.
상기 정재하 시험은 말뚝 기초에 실하중을 가하여 실제 상부 구조물이 건설되었을 때를 재현하므로 성능에 대한 신뢰도가 높다는 장점이 있다.
그러나, 상기 정재하 시험은 하중 재하를 위한 가압 및 반력 시스템의 선택 , 설치 방법 및 넓은 시험 부지 등이 필요하므로 공기와 현장조건 등의 제약을 심하게 받는 문제가 있다.
또한, 대구경 현장타설 말뚝은 말뚝 하나에 작용하는 하중이 매우 크기 때문에 시공상의 하자로 인해 지지력이 설계값에 미치지 못할 경우, 구조물 전체의 사용성과 안정성에 치명적인 영향을 미친다.
그리고 현장에서 지반에 천공을 하고 콘크리트를 타설하여 양생함으로써 시공과정에서 부주의 또는 예상치 못한 지반조건의 변화에 따라 현장타설 말뚝의 지지력에 큰 변화가 발생될 수 있다. 그러므로 지반조건을 토대로 토질역학적으로 추정한 설계허용하중을 사용하여 설계를 할 경우 설계자들은 보수적인 설계를 할 수 밖에 없는 문제가 있었다.
한편, 최근에는 오스터버그 셀(Osterberg cell)을 이용한 측정장치가 개발되어 사용되고 있다.
상기 오스터버그 셀을 이용한 측정장치는 고압의 유압식 잭을 말뚝내에 설치하여 하중 재하에 의해 발생되는 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력으로 재하하중에 대한 반력을 상호간에 마련함으로써 말뚝 정재 재하시험과 같이 큰 재하용량이 필요없고, 별도의 하중 재하장치 및 반력장치가 필요없으며, 좁은 시험공간이나 경사진 곳에서도 범용적으로 적용이 가능하므로 상기 정재하 시험의 문제를 해결할 수 있는 기술로 인식되고 있다.
상기와 같은 오스터버그 셀을 이용한 측정장치는 말뚝기초의 직경에 상응하는 상판과 하판 및 상기 상판과 하판 사이에 개재되는 유압잭을 포함하여 구성되고, 지반에 매립된 말뚝기초의 하단에 설치된다.
상기 오스터버그 셀을 이용한 지지하중 측정장치는 유압잭의 로드가 유체의 압력에 의해 신장되면서 실린더에서 돌출됨에 따라 상기 상판과 하판에 각각 형성된 텔테일(Telltale)을 통해 변위를 측정하여 말뚝기초의 성능을 측정한다.
그러나, 종래의 오스터버그 셀에 의한 측정장치는 지지하중을 측정하는 시간이 매우 오래 걸리고, 작은 크기의 하중이 재하될 경우에는 선단지지력 및 주면마찰력을 측정할 수 없는 단점이 있다.
특히, 오스터버그 셀에 의한 측정장치는 말뚝기초의 외주면에 발생되는 주면마찰력과, 말뚝기초의 하측 단부에 발생되는 선단지지력을 한꺼번에 측정할 수 없으며, 이로 인해 말뚝기초의 극한지지력을 정확하게 측정할 수 없는 문제가 있었다.
또한, 종래의 오스터버그 셀에 의한 측정장치는 상판과 하판이 말뚝기초의 직경과 동일하게 구성됨에 따라 지반의 근입이 사실상 불가능하므로 풍화토 이상의 지반으로 이루어진 국내의 지반 환경에 부적합하게 구성되어 말뚝기초의 안정성 확 보를 위하여 대체로 연암이나 풍화암에 근입하도록 권고하고 있는 국내 시공기준에 적합한 실험을 수행할 수 없는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 말뚝기초에 일체적으로 설치되어 말뚝기초의 선단 하부의 지반 방향 및 말뚝기초의 선단 방향으로 제각기 팽창력을 부가하면서 주변 구성요소(관입부재, 상판, 하판)의 변위량을 산출할 수 있는 말뚝기초용 하중 재하 시험장치를 제공하는 데 있다.
그리고 본 발명의 또다른 목적은 지반 방향으로 팽창력을 부가하는 부재가 말뚝기초보다 작은 직경으로 형성된 구조적 특성으로 인하여 지반에 근입이 용이한 말뚝기초용 하중 재하 시험장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 다른 말뚝기초 시험용 하중 재하 시험장치는 상판과 하판 그리고 상기 상판과 하판 사이에 형성된 유압잭 및 상판과 하판과 각각 연결된 텔테일(TU, TL)이 형성된 하중 재하기와 상기 하중 재하기의 텔테일로부터 측정된 변위를 통해 말뚝기초의 성능을 측정하는 측정기를 포함하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치로서, 상기 하중 재하기는 상기 유압잭과 하판 사이에 유격(W)이 형성되고, 상기 하판 하부에 형성되고 상기 하판보다 직경이 작은 중공된 하판홀과 상기 하판홀을 관통하도록 상기 유압잭 하부에 형성된 관입부재와 상기 관입부재 상에 형성되어 관입부재의 변위를 측정하는 텔테일(TE)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 관입부재는 상기 유압잭 하부에 형성되고 상기 유압잭의 지름보다 넓은 가압판과 상기 기초판 하부에 형성되어 상기 하판홀을 관통하는 관입로드를 포함하는 것을 특징으로 하며, 관입로드(D1)와 하판(D2)과의 지름비(D1/D2)는 지반의 상태에 따라 결정하되 0.1 ~ 0.5 범위에서 설정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 유격(W)은 25 ~ 70mm 인 것을 특징으로한다.
또한, 상기 유압잭은 2이상 형성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
그리고 상기 하중 재하기는 상기 유압잭을 하부로 신장시켜 상기 관입부재가 상기 유격(W)만큼 변위가 발생하여 관입부재의 가압판이 상기 하판에 닿을때까지 하중을 재하하는 제 1 재하단계와 상기 관입부재가 하판과 일체로 지반에 근입되어 햐향으로 변위가 발생함과 동시에 반력에 의해 상판이 상향으로 변위가 발생하여 파괴가 발생할때까지 하중을 재하하는 제 2 재하 단계로 하중이 재하되는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 측정기는 상기 제 1 재하단계에서 상기 관입부재의 텔테일(TE)로부터 감지된 변위를 이용하여 선단지지력을 측정하고, 상기 제 2 재하단계에서 상 기 상판과 하판의 텔테일(TU, TL)로부터 감지된 변위를 이용하여 주면마찰력을 측정하고, 상기 측정된 선단지지력과 주면마찰력을 이용하여 극한 지지력을 산정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 측정기는 상기 제 1 재하단계에서 선단지지력의 극한 도달하때까지의 하중-변위 관계 그래프를 생성하고, 상기 제 2 재하단계에서 주면마찰력 극한 도달할때까지의 하중-변위 관계 그래프를 생성하여 상기 생성된 하중-변이 관계 그래프 중 하향으로의 하중-변위 관계 곡선을 스케일 효과 인자(Scale effect factor)를 적용하여 변환하고, 상기 변환 결과와 상기 제 2 재하단계의 하중-변위 관계 그래프 중 상향으로의 하중-변위 관계 곡선의 각각 동일 변위에서의 하중값을 합산하여 등가 하중-변위 관계 그래프를 추출하여 극한지지력을 산정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 말뚝기초용 하중 재하 시험장치는 관입로드가 부착된 유압잭이 하방으로 신장하면서 선단지지력을 측정한 후 가압판과 하판이 만나게 되면, 가압판에 의하여 하판이 지면을 가압하면서 그에 따른 반작용으로 상판을 가압하여 주면마찰력을 측정함으로 하나의 유압잭으로 선단지지력과 주면마찰력을 같이 측정할 수 있다.
또한, 선단지지력 및 주면 마찰력을 한꺼번에 측정할 수 있으므로 말뚝기초에 대한 극한지지력을 매우 정확하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 관입로드의 직경이 말뚝기초의 지름보다 작은 소정크기로 형성되어 관입로드가 지반에 용이하게 근입되므로 말뚝기초의 선단지지력 및 극한지지력을 더욱 정확하게 측정할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 말뚝기초 시험용 하중 재하 시험장치를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1의 하중 재하기의 분해 사시도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 하중 재하 시험 장치는 하중 재하기(1), 측정기(200)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 측정기(200)는 텔테일로부터의 변위량을 감지할 뿐만 아니라, 재하된 하중과 상기 변위량에 따른 선단지지력, 주면마찰력을 직접 측정할 수 있다.
만일, 상기 측정기(200)에 하중-변위량에 따른 선단지지력, 주면마찰력을 측정할 수 있는 측정 프로그램이 구비 되지 않을 경우 상기 측정기로부터 센싱된 변위 정보를 제공받아 선단지지력, 주면마찰력을 측정하는 측정 프로그램이 구비된 별도의 관리 단말(300)을 더 포함될 수 있다.
상기 하중 재하기(1)는 말뚝기초의 하단에 설치되는 상판(10), 상기 상판 하부에 설치되는 하판(20), 상기 상판과 하판 사이에 개재되는 유압잭(40), 상기 하판 하부에 형성된 중공된 하판홀(210), 상기 유압잭 하부에 형성되는 관입부재(30) 그리고 상기 상판, 하판 및 관입부재와 연동하는 텔테일(TU, TL, TE)(510,520,530)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 관입부재(30)는 하중 재하시 상기 하판홀(210)을 관통할 수 있는 구조를 가진다. 또한, 상기 상판과 하판 사이의 외부를 덮는 커버부재(미도시)를 포함한다.
여기서, 상기 유압잭(40)은 지반 상태에 따라 2 이상 형성될 수 있다.
또한, 상기 유압잭에 유압을 공급하는 유압펌프과 유압선을 포함하지만 본 발명의 통상의 지식을 가진 당업자에게 자명한 사항이므로 도면에 도시하지는 않았다.
상기 상판(10)과 하판(20)은 말뚝기초의 직경과 동일하거나 유사한 직경으로 형성될 수 있으며, 상기 상판(10)은 상기 말뚝기초의 선단에 일체적으로 고정되어 설치될 수 있다.
상기 유압잭(40)은 실린더(410)와 로드(420)로 구성될 수 있으며 상단부가 상기 상판에 고정설치될 수 있다. 그리고 상기 관입부재(30)는 하판(20)을 관통하여 하판홀(210)에 삽입되도록 상기 유압잭 하부에 고정설치될 수 있다.
상기 관입부재(30)는 상기 실린더 하부에 결합되는 가압판(310)과 상기 가압판 하부에 결합되어 상기 하판의 하판홀에 삽입되는 관입로드(320)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 관입로드(320)의 직경은 지반의 조건에 따라 결정되고 경암 지반의 경우 직경이 작게 설정되고, 연암 지반의 경우 직경이 크게 설정된다.
상기 관입로드의 직경이 지나치게 클 경우 경질지반인 경우 관입이 어려울 수 있으며, 지나치게 작을 경우 정확한 성능 측정이 어려우므로 상기 관입로드의 직경(D1)과 하판의 직경(D2)의 비(D1/D2)는 0.1 ~ 0.6의 범위에서 설정하는 것이 좋으며, 바람직하게는 경암 지반의 경우 0.2~0.3, 연암 지반의 경우 0.1 ~ 0.2로 설정하는 것이 좋다.
상기 텔테일(TU, TL, TE)(510,520,530)은 각각 상판, 하판 및 관입부재에 일체적으로 절치되고, 말뚝기초 외부의 측정기(200)와 연결된다.
상기 측정기(200)는 기초 말뚝 상에 설치된 고정점인 레퍼런스 빔에 대하여 상기 텔테일의 변위를 다이얼게이지(Dial Gauge)나 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 사용해 측정한다.
상기 텔테일(510,520,530)은 기초 말뚝 두부부터 상판, 하판 및 관입부재까지 케이싱을 설치하고 그 내부에 설치되어 변위를 측정한다.
이하, 본 발명에 따른 하중 재하 시험 방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 하중 재하 시험 방법은 2단계 재하를 통해 선단지지력, 주면 마찰력을 각각 측정하여 말뚝 기초의 극한 지지력을 산정하게 된다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제 1 재하단계에 대한 재하 과정을 도시한 것이고, 도 3b는 제 1 재하 단계에 따른 하중-변위 관계 그래프를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 제 1 재하단계에서 유압펌프가 작동하여 유압에 의해 하중이 재하되면 유압잭이 신장하면서 유압잭 하부에 형성된 관입부재는 하향으로 변위가 발생한다.
상기 재하되는 하중을 일정하게 증가하고 사전 설계된 유격길이(W)가 모두 소요되어 상기 관입부재의 가압판이 하판과 맞닿게 되는 극한 선단지지력에 도달하면 제 1 단계 재하단계는 종료된다.
여기서, 상기 유격길이(W)는 지반의 상태에 따라 결정될 수 있으며, 유격이 지나치게 크거나 작을 경우 정확한 선단지지력 측정이 불가능하므로 25 ~ 50mm로 설정하는 것을 바람직하다.
상기 관입부재에 연결된 텔테일(TE)은 상기 관입부재의 하향 이동에 따른 변위량을 감지하여 측정기에 전송하고, 상기 측정기는 상기 극한선단지지력에 도달할때 까지 재하된 하중에 따른 변위 관계를 도시하는 하중-변위 관계 그래프를 생성한다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제 2 재하단계에 대한 재하 과정을 도시한 것이고, 도 3b는 제 2 재하 단계에 따른 하중-변위 관계 그래프를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 제 1 재하단계가 종료되고 계속적인 하중 재하시 상기 관입부재의 가압판이 하판과 맞닿아서 하판과 일체로 하향으로 변위가 발생하고, 이와 동시에 반력에 의해 상판이 상향으로 변위가 발생한다.
하중이 증가하면서 상기 하향 및 상향으로 변위가 증가하고 주면 마찰력의 극한 도달시 파괴가 발생하여 2단계 재하단계가 종료되면서 재하시험이 종료된다.
일반적으로 경질지반에서는 하향보다는 상향의 파괴가 먼저 발생하고, 연질지반에서는 상향보다는 하향의 파괴가 먼저 발생한다.
하판에 연결된 텔테일(TL)은 상기 하판이 지반에 근입되면서 하향 이동에 따른 변위량을 감지하여 측정기에 전송하고, 상판에 연결된 텔테일(TU)는 상기 상판의 상향 이동에 따른 변위량을 감지하여 측정기에 전송한다.
상기 측정기는 파괴가 발생하여 주면 마찰력이 극한에 도달할때 까지 재하된 하중에 따른 변위 관계를 도시하는 하중-변위 관계 그래프를 생성한다.
도 5는 본 발명에 따른 등가 하중-변위 관계 그래프를 도시한 것이다.
시험이 종료되면 측정기는 제 1 재하단계로부터 획득된 하중-변위 관계 그래프와 제 2 재하단계로부터 획득된 하중-변위 관계 그래프 중 하향으로로의 하중-변위 관계 곡선에 스케일 효과 인자(Scale effect factor)를 적용하여 변환하고, 상기 변환된 결과와 상기 제 2 재하단계로부터 획득된 하중-변위 관계 곡선 중 상향으로의 하중-변위 관계 곡선의 각각 동일 변위에서의 하중값을 합산하여 등가 하중-변위 관계 그래프를 생성하게 된다.
상기와 같이 생성된 등가 하중-변위 관계 그래프를 이용하여 기초 말뚝의 극한 지지력을 산정하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니 며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 말뚝기초 시험용 하중 재하 시험장치를 개략적으로 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1의 하중 재하기의 분해 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제 1 재하단계에 대한 재하 과정을 도시한 것이고, 도 3b는 제 1 재하 단계에 따른 하중-변위 관계 그래프를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제 2 재하단계에 대한 재하 과정을 도시한 것이고, 도 3b는 제 2 재하 단계에 따른 하중-변위 관계 그래프를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 등가 하중-변위 관계 그래프를 도시한 것이다.

Claims (8)

  1. 상판과 하판 그리고 상기 상판과 하판 사이에 형성된 유압잭 및 상판과 하판과 각각 연결된 텔테일(TU, TL)이 형성된 하중 재하기와 상기 하중 재하기의 텔테일로부터 측정된 변위를 통해 말뚝기초의 성능을 측정하는 측정기를 포함하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치로서,
    상기 하중 재하기는
    상기 유압잭과 하판 사이에 유격(W)이 형성되고,
    상기 하판 하부에 형성되고 상기 하판보다 직경이 작은 중공된 하판홀과;
    상기 하판홀을 관통하도록 상기 유압잭 하부에 형성된 관입부재와;
    상기 관입부재 상에 형성되어 관입부재의 변위를 측정하는 텔테일(TE)을 포함하며,
    상기 관입부재는 상기 유압잭 하부에 형성되고, 상기 유압잭의 지름보다 넓은 가압판과;
    상기 가압판 하부에 형성되어 상기 하판홀을 관통하는 관입로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하중 재하기는
    상기 유압잭을 하부로 신장시켜 상기 관입부재가 상기 유격(W)만큼 변위가 발생하여 관입부재의 가압판이 상기 하판에 닿을때까지 하중을 재하하는 제 1 재하단계와;
    상기 관입부재가 하판과 일체로 지반에 근입되어 햐향으로 변위가 발생함과 동시에 반력에 의해 상판이 상향으로 변위가 발생하여 파괴가 발생할때까지 하중을 재하하는 제 2 재하 단계로 하중이 재하되는 것을 특징으로 하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 측정기는
    상기 제 1 재하단계에서 상기 관입부재의 텔테일(TE)로부터 감지된 변위를 이용하여 선단지지력을 측정하고,
    상기 제 2 재하단계에서 상기 상판과 하판의 텔테일(TU, TL)로부터 감지된 변위를 이용하여 주면마찰력을 측정하고,
    상기 측정된 선단지지력과 주면마찰력을 이용하여 극한 지지력을 산정하는 것을 특징으로 하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 측정기는
    상기 제 1 재하단계에서 선단지지력의 극한 도달하때까지의 하중-변위 관계 그래프를 생성하고,
    상기 제 2 재하단계에서 주면마찰력 극한 도달할때까지의 하중-변위 관계 그래프를 생성하여;
    상기 생성된 하중-변이 관계 그래프 중 하향으로의 하중-변위 관계 곡선을 스케일 효과 인자(Scale effect factor)를 적용하여 변환하고,
    상기 변환 결과와 상기 제 2 재하단계의 하중-변위 관계 그래프 중 상향으로의 하중-변위 관계 곡선의 각각 동일 변위에서의 하중값을 합산하여 등가 하중-변위 관계 그래프를 추출하여 극한지지력을 산정하는 것을 특징으로 하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 관입로드(D1)와 하판(D2)과의 지름비(D1/D2)는 지반의 상태에 따라 결정하되, 0.1 ~ 0.5 범위에서 설정되는 것을 특징으로 하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유격(W)은
    25 ~ 70mm 인 것을 특징으로 하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 유압잭은
    2이상 형성된 것을 특징으로 하는 말뚝 기초시험용 하중 재하 시험장치.
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