KR102232266B1 - 지반과 채움부를 고려한 2차원 말뚝거동 시험방법, 2차원 말뚝거동 시험장치 및 이를 위한 2차원 말뚝거동 시험시편 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시험대상이 되는 말뚝을 모사(simulation)하는 2차원 말뚝시험체와, 말뚝이 설치되는 환경에 대응되는 시험지반 및 채움부가 형성되어 있는 토조(土槽)를 이용하여 말뚝이 그라우트 재료에 매립되어 지반에 설치되어 있는 상태를 모사한 2차원 말뚝거동 시험시편을 제작 준비하고, 2차원 말뚝시험체에 대해 연직방향(말뚝이 연장되는 방향)으로 하중을 재하하고, 그 때의 재하 하중 크기, 2차원 말뚝시험체의 연직변위(displacement) 및 변형량(strain), 시험지반과 채움부에 발생하는 변형량, 균열 크기, 균열 진전 속도, 균열 양상, 파괴 양상 등을 측정하고 파악함으로써, 현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 지반과 채움부 사이의 실질적인 상호 거동을 동일하게 재현하여 말뚝과 채움부 사이, 그리고 지반과 채움부 사이의 상호 거동 및 지지효과를 분석할 수 있게 되는 "2차원 말뚝거동 시험방법 및 2차원 말뚝거동 시험장치, 그리고 이를 이위한 2차원 말뚝거동 시험시편"에 관한 것이다.

Description

지반과 채움부를 고려한 2차원 말뚝거동 시험방법, 2차원 말뚝거동 시험장치 및 이를 위한 2차원 말뚝거동 시험시편{Apparatus, Specimen, and Method for 2D Model Test of Pile}

본 발명은 말뚝과 지반과 채움부 사이에 서로 작용하게 되는 구조적인 거동과 그에 따른 지지효과 등을 분석하기 위한 2차원 말뚝거동 시험방법과 2차원 말뚝거동 시험장치, 그리고 이를 위한 2차원 말뚝거동 시험시편에 관한 것으로서, 구체적으로는 시험대상이 되는 말뚝을 모사(simulation)하는 2차원의 말뚝시험체를 준비하고, 말뚝이 설치되는 환경에 대응되는 시험지반 및 채움부가 형성되어 있는 토조(土槽)를 이용하여, 그라우트 재료로 이루어진 채움부에 2차원 말뚝매립체를 매립 설치함으로써, 말뚝이 지반에 설치되어 있는 현장 상태를 모사한 2차원 말뚝거동 시험시편을 제작 준비하고, 2차원 말뚝시험체에 대해 연직방향(말뚝이 연장되는 방향)으로 하중을 재하하면서 재하되는 연직하중 크기, 2차원 말뚝시험체의 연직변위(displacement) 및 변형량(strain), 시험지반과 채움부에 발생하는 변형량, 균열 크기, 균열의 진전 속도, 균열 양상, 파괴 양상 등을 측정하고 파악함으로써, 현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 지반과 채움부 사이의 실질적인 상호 거동을 동일하게 재현하여 말뚝의 지지효과, 구조적 거동 등을 객관적이고 정밀하게 분석할 수 있도록 하는 "지반과 채움부를 고려한 2차원 말뚝거동 시험방법, 2차원 말뚝거동 시험장치, 및 이를 위한 2차원 말뚝거동 시험시편"에 관한 것이다.

말뚝의 종류로서 소위 "마이크로 파일(micro pile)"이라고 불리는 말뚝이 빈번하게 사용되고 있다. 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0123854호 등에 예시되어 있는 마이크로 파일은 강봉으로 이루어지며, 필요에 따라서는 커플러(연결재)를 이용하여 연직방향으로 복수개의 강봉을 연결하거나 또는 필요한 위치에 단면이 더욱 커지도록 확장부 내지 돌출부가 형성된 형태로 사용된다.

도 18에는 종래 기술에 따라 말뚝(301)이 현장 지반(300)에 설치된 상태를 보여주는 개략적인 단면도가 도시되어 있는데, 도면에 예시된 것처럼 현장에서는 지반(300)에 설치공(302)을 종방향으로 천공하고 설치공(302) 내에 말뚝(301)을 배치한 후 설치공(302)에 시멘트, 모르타르 등의 다양한 재료에서 필요에 맞게 선택한 그라우팅 재료(303)를 주입하여 채움으로써 말뚝(301)이 그라우팅 재료(303)에 매립 고정되어 있도록 말뚝의 시공작업이 이루어지게 된다. 필요에 따라서는 복수개의 말뚝(301)을 연결장치(304)를 이용하여 연결하여 사용할 수도 있다.

이렇게 시공된 말뚝에 있어서, 말뚝에 가해지는 연직하중은, 그라우트 재료(303)와 말뚝(301) 사이의 마찰과, 그라우트 재료(303)와 지반(300) 사이의 마찰의 형태로 전이되어 지지된다. 따라서 말뚝(301)의 지지 성능 그리고 그로 인한 주변의 영향 등을 알기 위해서는 말뚝(301)과 그라우트 재료(303) 사이의 계면에서의 구조적인 거동과 특성, 그라우트 재료(303) 자체의 구조적인 거동과 특성, 그리고 그라우트 재료(303)와 지반(300) 사이의 계면에서의 구조적인 거동과 특성을 정확하고 객관적으로 파악할 필요가 있다.

그런데 지금까지의 종래 기술은 단지 현장에서 말뚝에 대한 지지력, 인발력 등을 측정하는 정도에 그치고 있을 뿐이어서, 위와 같은 필요성을 충족시키지 못하고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2019-0123854호(2019.11.04.공개).

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 말뚝의 지지 성능 그리고 그로 인한 주변의 영향 등을 알 수 있도록, 다양한 현장 상황에 대응 되는 모형을 이용하여 다양한 형태의 시험을 수행함으로써, 그라우트 재료에 의해 조성된 채움부와 말뚝 사이의 계면에서의 구조적인 거동과 특성, 채움부 자체의 구조적인 거동과 특성, 및 채움부와 지반 사이의 계면에서의 구조적인 거동과 특성을 파악할 수 있게 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로는 현장에 시공되는 시험대상 말뚝을 모사(simulation)하는 2차원 말뚝시험체를 준비하고 말뚝이 설치되는 환경에 대응되는 시험지반과 채움부를 토조에 조성하며, 토조에서 2차원 말뚝시험체를 채움부에 매립된 상태로 설치함으로써, 실제 현장에서 말뚝이 채움부의 그라우트 재료에 매립되어 있는 상태로 지반에 설치되어 있는 상태를 모사한 2차원 말뚝거동 시험시편을 제작한 후, 2차원 말뚝시험체에 연직방향으로 하중을 재하하고, 그 때의 재하 하중 크기, 2차원 말뚝시험체의 연직변위 및 변형량, 시험지반과 채움부에 발생하는 변형량, 균열 크기, 균열 진전 속도, 균열 양상, 파괴 양상 등을 측정하고 파악함으로써, 현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 지반과 채움부(그라우트 재료) 사이의 실질적인 상호 거동을 동일하게 재현하여 말뚝과 지반과 채움부 사이의 상호 거동 및 지지효과를 분석할 수 있게 되는 "모형을 이용한 2차원 말뚝거동 시험방법, 2차원 말뚝거동 시험장치, 및 이를 위한 2차원 말뚝거동 시험시편"을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 정면이 개방된 직육면체의 내부 공간을 가지는 토조(3); 말뚝이 시공되는 원지반을 모사하기 위하여 토조(3)의 내부 공간에서 중앙의 빈 공간을 두고 폭방향 양측 공간에 채워지도록 조성된 시험지반(4); 현장에서 시공되는 말뚝을 모사하기 위하여 시험지반(4)과 동일한 두께를 가지는 막대형 부재로 이루어져서 토조(3)의 중앙 위치에서 양측에 조성된 시험지반(4) 사이의 빈 공간을 관통하도록 배치되는 2차원 말뚝시험체(1); 및 시험지반(4) 사이의 빈 공간에서 2차원 말뚝시험체(1)가 일체로 매립되도록 그라우팅 재료가 채워져서 형성되는 채움부(5)를 포함하는 구성을 가지고 있어서; 2차원 말뚝시험체(1)가 길게 연장되는 방향이 연직방향이 되도록 설치된 상태에서 2차원 말뚝시험체(1)에만 연직방향의 하중을 재하함으로써, 현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 그라우트 부재 사이의 상호 거동 및 지반과 그라우트부재 사이의 상호 거동을 동일하게 재현하게 되는 것을 특징으로 하는 말뚝에 대한 2차원 말뚝거동 시험시편이 제공된다.

또한 본 발명에서는 이러한 2차원 말뚝거동 시험시편을 이용한 2차원 말뚝거동 시험방법이 제공되는데, 구체적으로 정면이 개방된 직육면체의 내부 공간을 가지는 토조(3)의 내부 공간에서, 중앙의 빈 공간을 두고 폭방향 양측 공간에, 말뚝이 시공되는 원지반을 모사하는 시험지반(4)을 조성하고; 현장에서 시공되는 말뚝을 모사하기 위하여 시험지반(4)과 동일한 두께를 가지는 막대형 부재로 이루어진 2차원 말뚝시험체(1)를, 토조(3)의 중앙 위치에서 양측에 조성된 시험지반(4) 사이의 빈 공간을 관통하도록 배치하며, 시험지반(4) 사이의 빈 공간에서 2차원 말뚝시험체(1)가 일체로 매립되도록 그라우팅 재료를 채워서 채움부(5)를 형성함으로써, 2차원 말뚝시험체(1)의 상단부가 토조(3) 밖으로 돌출되어 있는 형태의 상기한 본 발명의 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 제작하고; 제작된 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 연직하중 재하장치(110)에 배치하고; 토조(3)의 밖으로 돌출되어 있는 2차원 말뚝시험체(1)의 상단부를 연직하중 재하장치(110)로 가압하여 2차원 말뚝시험체(1)에 연직하중을 가하면서, 재하되는 연직 하중 크기, 2차원 말뚝시험체(1)의 연직변위 및 변형량 및 시험지반(4)과 채움부(5)에 발생하는 변형량을 포함하는 물리량을 계측함으로써, 현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 그라우트 부재 사이의 상호 거동 및 지반과 그라우트부재 사이의 상호 거동을 동일하게 재현하여 파악하는 것을 특징으로 하는 2차원 말뚝거동 시험방법이 제공된다.

또한 본 발명에서는 이러한 2차원 말뚝거동 시험방법을 위한 2차원 말뚝거동 시험장치가 제공된다.

이러한 본 발명에 따른 2차원 말뚝거동 시험시편, 2차원 말뚝거동 시험방법 및 2차원 말뚝거동 시험장치에 있어서, 시험지반(4), 2차원 말뚝시험체(1) 및 채움부(5)는 동일한 두께를 가지고 있고; 2차원 말뚝시험체(1)의 배면은 토조(3)의 배면판(3c)에 밀착되도록 배치되어 있어서; 시험지반(4), 2차원 말뚝시험체(1) 및 채움부(5)의 정면은, 시험자가 육안으로 볼 수 있도록 노출된 형태로 동일한 평면상에 존재하는 구성을 가질 수 있고, 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면은 거친 면으로 이루어질 수 있으며, 특히, 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면에는, 수평한 형태의 돌기(10)가 간격을 두고 연직방향으로 반복하여 형성되어 있어서, 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면이 거친 면으로 이루어질 수 있다.

또한 본 발명에서 현장에서 시공되는 말뚝에 단면이 커지는 부분을 모사하도록 폭방향으로 돌출된 형태의 측면커플러(2)가, 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면 각각의 동일한 높이에서 밀착된 상태로 조립 결합되고, 2차원 말뚝시험체(1)는 측면커플러(2)가 결합된 상태로 토조(3)에 배치되어 채움부(5)에 매립되어 있는 형태로 2차원 말뚝거동 시험시편이 제작될 수 있는데, 현장에서 시공되는 말뚝에 단면이 커지는 부분을 모사하도록 폭방향으로 돌출된 형태의 측면커플러(2)가, 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면 각각의 동일한 높이에서 밀착된 상태로 조립 결합되고, 측면커플러(2)에서 2차원 말뚝시험체(1)에 밀착되는 면은, 2차원 말뚝시험체(1)에 형성된 돌기(10)에 대응되는 대응돌기가 형성되어 있어서, 측면커플러(2)가 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 측면에 밀착되었을 때 돌기(10)와 대응돌기 간의 맞물림에 의해 측면커플러(2)가 견고하게 2차원 말뚝시험체(1)에 일체화되며; 2차원 말뚝시험체(1)는 측면커플러(2)가 결합된 상태로 토조(3)에 배치되어 채움부(5)에 매립될 수도 있다.

본 발명에 의하면, 말뚝이 실제 현장에서 시공되는 상황을 반영하여 모사한 2차원 말뚝거동 시험시편을 이용하여 시험을 수행하게 되고, 이를 통해서 재하 하중 크기, 2차원 말뚝시험체의 연직변위 및 변형량, 시험지반과 채움부에 발생하는 변형량, 균열 크기, 균열 진전 속도, 균열 양상, 파괴 양상 등을 측정하고 파악하게 되는 바, 현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 지반과 채움부 사이의 실질적인 상호 거동을 동일하게 재현할 수 있고, 이를 통해서 말뚝과 지반과 채움부 사이의 상호 거동 및 지지효과를 분석할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 의하면 현장에서 시공되는 말뚝과 채움부(그라우트 재료) 사이의 계면에서의 구조적인 거동과 특성, 그라우트 재료 자체의 구조적인 거동과 특성, 그리고 채움부와 지반 사이의 계면에서의 구조적인 거동과 특성을 사전 모형 시험을 통해서 정확하고 객관적으로 파악할 수 있게 되고, 이를 통해서 말뚝의 지지 성능 그리고 그로 인한 주변의 영향 등을 사전에 파악하여 적절한 대응조치를 취할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 모형으로 제작된 시편을 이용한 시험이 이루어지므로, 시편을 제작할 때 재료를 이용하여 다양한 형태의 시험지반과 채움부를 조성할 수 있고, 더 나아가 말뚝을 모사함에 있어서도 2차원 말뚝시험체와 측면커플러를 이용하여 실제 현장에 시공되는 말뚝의 물리적인 특성과 동일하거나 매우 유사한 형태를 구현할 수 있게 되는 바, 다양한 조건의 시험을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 말뚝거동 시험시편을 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 2차원 말뚝거동 시험시편에 대한 개략적인 정면도이다.
도 3 내지 도 5는 각각 도 1의 2차원 말뚝거동 시험시편을 제작하는 과정을 단계별로 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 말뚝시험체와 돌기부재의 개략적인 분해사시도이다.
도 7은 도 6의 원 A부분에 대한 개략적인 확대도이다.
도 8은 2차원 말뚝시험체와 돌기부재가 결합된 후의 상태를 보여주는 개략적인 결합사시도이다.
도 9는 도 8의 원 B부분에 대한 개략적인 확대도이다.
도 10의 (a) 내지 (e)는 각각 다양한 크기와 형태로 준비해둔 측면커플러를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 11은 도 1의 원 C부분에 대한 개략적인 확대도이다.
도 12는 시험을 위하여 2차원 말뚝거동 시험시편이 연직하중 재하장치에 설치된 상태를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 13은 본 발명에 따른 말뚝에 대한 2차원 말뚝거동 시험방법의 과정을 정리한 개략적인 흐름도이다.
도 14는 본 발명에 따라 2차원 말뚝거동 시험시편을 제작 준비하는 과정을 정리한 개략적인 흐름도이다.
도 15 내지 도 17은 각각 실제로 2차원 말뚝거동 시험시편에 대해 본 발명의 시험방법에 따라 시험을 수행한 상태를 보여주는 도 1의 원 C부분에 해당하는 위치에서의 정면도 대용 시험결과 사진이다.
도 18은 종래 기술에 따라 말뚝이 현장 지반에 설치된 상태를 보여주는 개략적인 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 2차원 말뚝거동 시험시편(100)에 대한 개략적인 정면도가 도시되어 있다. 도 3 내지 도 5에는 각각 도 1의 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 제작하는 과정을 단계별로 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다.

본 발명의 2차원 말뚝거동 시험시편(100)에는 시험 대상이 되는 원(原)지반을 모사하기 위한 시험지반(4)이 내부 공간에 조성되는 토조(3)가 구비되어 있다. 도 3에는 토조(3)만을 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있는데, 토조(3)는 정면측이 개방되어 있는 사각육면체의 상자 형태의 부재로 이루어지는데, 가장자리의 측판 중에서 연직방향의 상측판(3a)과 하측판(3b) 각각의 중앙에는 후술하는 2차원 말뚝시험체(1)가 연직방향으로 자유롭게 관통할 수 있는 관통개구부(31)가 형성되어 있다. 본 발명의 2차원 말뚝거동 시험시편(100)은 연직방향 하중에 따른 말뚝의 거동 즉, 2차원적인 거동을 분석하기 위한 것이므로 토조(3)의 두께는 토조(3)의 연직방향 높이 및 횡방향 폭에 비하여 상대적으로 작다.

도 4에는 토조(3) 내에 시험지반(4)을 조성하는 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있는데, 토조(3) 내에는 2차원 말뚝시험체(1)가 위치하게 될 정중앙을 중심으로 소정의 횡방향 폭을 가지는 빈 공간만을 남겨둔 상태에서 횡방향 양쪽에 각각 시험지반(4)이 채워져 조성된다. 도면에서는 실제 시험이 진행될 때와 마찬가지로 토조(3)의 개방된 면이 정면에서 보이도록 토조(3)를 세워서 도시하였는데, 토조(3)를 준비하는 단계에서는, 개방된 정면측이 위를 향하도록 토조(3)를 바닥에 누워놓은 상태에서 토조(3)의 내부 공간에 시험지반을 위한 재료를 채워서 시험지반(4)을 조성하는 것이 바람직하다. 이 때, 시험지반(4)이 채워지지 않는 중앙의 빈 공간을 확보하기 위하여 칸막이 형태의 거푸집판(40)을 토조(3) 내에 설치하고 거푸집판(40)과 토조(3)의 가장자리 측판 사이의 공간에 시험지반을 위한 재료를 채워서 시험지반(4)을 조성하는 것이 바람직하다.

시험지반(4)은 현장에서 말뚝이 시공되는 실제 지반에 대응되는 물성을 가지도록 조성되는데, 일반적으로 말뚝이 설치되는 지반은 경량 암반 등과 같이 단단한 상태의 것이므로 이에 맞추어서 시멘트와 잔골재를 물에 혼합한 형태의 것을 이용하여 시험지반(4)을 조성할 수 있다. 물론 실제 지반에 맞추어서 다양한 재료를 이용하여 시험지반(4)을 조성하게 된다. 시험지반(4)의 조성이 완료된 후에는 거푸집판(40)을 제거한다.

이와 같이 토조(3)의 중앙에 소정 폭의 빈 공간이 형성되고, 그 빈 공간의 양측에 각각 나누어서 시험지반(4)이 조성된 후에는 토조(3) 중앙의 빈 공간에 연직방향으로 길게 연장된 2차원 말뚝시험체(1)를 배치한다. 도 5에는 토조(3) 내에 2차원 말뚝시험체(1)가 배치된 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있으며, 도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 말뚝시험체(1)와 측면커플러(2)의 개략적인 분해사시도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 원 A부분에 대한 개략적인 확대도가 도시되어 있다. 도 8에는 2차원 말뚝시험체(1)와 측면커플러(2)가 결합된 후의 상태를 보여주는 개략적인 결합사시도가 도시되어 있으며, 도 9에는 도 8의 원 B부분에 대한 개략적인 확대도가 도시되어 있다.

2차원 말뚝시험체(1)는 말뚝을 모사하는 부재 즉, 말뚝에 대응되는 부재로서, 연직방향으로 길게 연장되며 시험지반(4)와 동일한 두께를 가지는 사각단면의 막대형부재로 이루어져 있다. 현장에서 사용되는 말뚝 중에는 채움부를 이루는 그라우트 재료와의 마찰을 강화시키기 위하여 표면에 나사부가 형성되거나 또는 철근처럼 돌기가 형성되어 있는 것이 있다. 2차원 말뚝시험체(1)의 상태를 이러한 실제 현장에서 시공되는 말뚝의 표면 조건에 부합되게 만들기 위하여 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면을 "거친 면"으로 만들 수 있다. 거친 면으로 만드는 방식을 다양한데, 점(點) 형태의 돌기를 분포시킬 수도 있지만, 도면에 예시된 것처럼 볼록부분이나 오목부분을 연직방향으로 반복적으로 형성함으로써, 수평한 형태의 돌기(10)가 간격을 두고 연직방향으로 반복하여 형성되는 형태가 되도록 만들 수도 있다. 이와 같이 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면을 거친 면으로 형성함으로써, 실제 현장에서 시공되는 말뚝의 표면 상태를 그대로 모사할 수 있게 된다. 물론 말뚝의 표면이 매끈한 면으로 되어 있다면 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면 역시 매끈한 면으로 이루어진다. 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면에서 위와 같은 거친 면은 연직방향으로 토조(3) 내에 위치하는 구간 이상의 길이에 걸쳐서 형성된다.

현장에서 시공되는 말뚝은 그 시공깊이에 따라서는 연직방향으로 복수개를 연결 결합하여 사용할 수 있다. 이렇게 말뚝이 연결 결합되는 경우, 그 연결 위치에는 연결장치가 설치되고, 이러한 연결장치의 설치로 인하여 해당 연결 위치에서의 단면 크기는 말뚝의 다른 위치보다 더 커지게 된다. 연결 위치뿐만 아니라, 현장의 말뚝에는 다양한 목적의 부착부재가 그 측면에 설치될 수 있으며, 부착부재가 설치되는 경우 그 설치 위치에서도 연직방향 단면 크기가 말뚝의 다른 위치(부착부재가 없는 위치)보다 더 커진다.

이와 같이 현장 시공 말뚝에서 별도의 부착부재, 연결장치 등의 설치로 인하여 단면이 커지는 상태를 그대로 모사하기 위하여, 2차원 말뚝시험체(1)의 양측 폭방향 측면에는 측면커플러(2)가 분해 가능한 형태로 조립 결합될 수 있다. 측면커플러(2)는 직육면체 부재로 이루어질 수 있는데, 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 양쪽 측면 각각의 동일한 높이에서 밀착된 상태로 조립 결합된다. 측면커플러(2)를 일체로 조립할 때, 예를 들어 볼트 등의 체결부재(9)를 측면커플러(2)에 관통시킨 후 2차원 말뚝시험체(1)에 관입 고정되도록 하는 방식이나 기타 다양한 방식을 이용할 수 있다.

앞서 예시한 것처럼 2차원 말뚝시험체(1)의 양측 폭방향 측면에 돌기(10)가 간격을 두고 연직방향으로 반복하여 형성되어 있는 경우, 측면커플러(2)에서 2차원 말뚝시험체(1)에 밀착되는 면을 상기 돌기(10)에 대응되는 형태로 만들 수도 있다. 즉, 측면커플러(2)에도 상기 돌기(10)와 맞물리게 되는 대응돌기를 형성하는 것이다. 이 경우, 측면커플러(2)를 2차원 말뚝시험체(1)에 설치할 때, 돌기(10)의 존재에도 불구하고 측면커플러(2)가 2차원 말뚝시험체(1)의 측면에 잘 밀착될 뿐만 아니라, 측면커플러(2)가 2차원 말뚝시험체(1)의 폭방향 측면에 밀착되었을 때 돌기(10)의 맞물림에 의해 측면커플러(2)가 매우 견고하게 2차원 말뚝시험체(1)에 일체화되며, 더 나아가 아직 체결부재(9)를 관통시키기 전이라도 측면커플러(2)가 2차원 말뚝시험체(1)의 측면에 밀착된 상태를 유지하게 되므로 체결부재(9)의 관통 체결작업이 더욱 수월해지는 유용한 효과가 발휘된다.

측면커플러(2)는 복수개의 위치에 설치할 수도 있으며, 현장 설치되는 말뚝에서의 연결장치, 추가 부착부재 등의 상황에 맞추어서 측면커플러(2)는 그 연직길이 및 폭방향으로의 돌출높이를 달리할 수도 있다. 이를 위하여 미리 다양한 돌출높이와 연직길이를 가지는 측면커플러(2)를 준비하여 필요에 맞게 선택하여 2차원 말뚝시험체(1)에 결합하여 사용하는 것도 바람직하다. 도 10의 (a) 내지 (e)에는 각각 다양한 크기와 형태로 미리 준비해둔 측면커플러(2)를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다.

2차원 말뚝시험체(1)가 준비되면, 이를 토조(3) 내에 설치한다. 도 5에 도시된 것처럼 토조(3)의 중앙 위치에서 토조(3)를 연직방향으로 관통하도록 2차원 말뚝시험체(1)를 배치한다. 2차원 말뚝시험체(1)의 연직방향 상단부가 토조(3)의 상측판(3a)에 형성된 관통개구부(31)를 관통하여 상측판(3a)의 외측으로 더 연장되도록 2차원 말뚝시험체(1)를 시험지반(4) 사이의 빈 공간 내에 배치하는 것이다. 이 때, 2차원 말뚝시험체(1)의 하단부가 토조(3)의 하측판(3b)에 형성된 관통개구부(31)도 관통하여 토조(3)의 아래쪽으로 돌출되어 연장되도록 할 수도 있다. 측면커플러(2)가 더 구비되는 경우에는, 측면커플러(2)가 2차원 말뚝시험체(1)에 결합된 상태로 2차원 말뚝시험체(1)가 토조(3)에 배치된다. 이와 같이 토조(3) 내에서 시험지반(4) 사이에 2차원 말뚝시험체(1)를 배치하는 것은 실질적으로 현장에서 지반을 천공하고, 그 천공된 부분 내에 말뚝을 삽입 배치하는 것을 모사하는 것이 된다.

2차원 말뚝시험체(1)의 두께는 토조(3)의 두께에 대응되므로 2차원 말뚝시험체(1)를 배치한 상태에서 2차원 말뚝시험체(1)의 정면과 시험지반(4)의 정면은 동일한 평면상에 있으며, 시험자가 육안으로 볼 수 있도록 노출된 상태에 있게 된다. 2차원 말뚝시험체(1)가 연직변위할 때, 2차원 말뚝시험체(1)의 배면과 토조(3)의 배면판(3c) 사이에서 마찰로 인한 저항이 발생하지 않도록 2차원 말뚝시험체(1)의 배면 또는 토조(3)의 배면판(3c)에는 이형제, 윤활제 등을 도포하거나 기타 다양한 방식으로 미끄럼 처리하는 것이 바람직하다.

위와 같이 토조(3) 내에 시험지반(4)이 조성되고 2차원 말뚝시험체(1)가 배치된 후에는, 양쪽으로 나누어진 시험지반(4) 사이의 빈 공간 즉, 2차원 말뚝시험체(1)가 놓여 있는 빈 공간에는 그라우트 재료를 채움으로써, 2차원 말뚝시험체(1)가 매립되어 있는 상태의 채움부(5)를 형성한다. 측면커플러(2)가 더 구비되는 경우에는, 측면커플러(2)가 2차원 말뚝시험체(1)에 결합된 상태로 2차원 말뚝시험체(1)가 토조(3)에 배치되고, 측면커플러(2)가 결합된 상태로 2차원 말뚝시험체(1)가 채움부(5)에 일체로 매립된다. 도 11에는 2차원 말뚝시험체(1)와 측면커플러(2)가 채움부(5)에 매립되어 있는 것을 보여주는 도 1의 원 C부분에 대한 개략적인 확대도가 도시되어 있다.

채움부(5) 역시 2차원 말뚝시험체(1)의 정면 및 시험지반(4)의 정면과 동일한 평면상에 있도록 형성되므로, 채움부(5)가 조성된 후의 정면모습은 도 1에 도시된 것처럼 2차원 말뚝시험체(1)와 채움부(5), 그리고 시험지반(4)의 정면이 동일한 평면에 있는 상태에서 모두 육안으로 볼 수 있도록 노출되어 있게 된다.

본 발명에 따른 2차원 말뚝거동 시험장치 및 시험방법은 위와 같은 구성을 가지도록 제작된 2차원 모형시험시편(100)을 이용하는 것이다. 이를 위하여 본 발명의 2차원 말뚝거동 시험장치는, 2차원 모형시험시편(100)의 2차원 말뚝시험체(1)에만 연직하중을 가하게 되는 연직하중 재하장치(110)를 포함한다. 도 12에는 시험을 위하여 2차원 모형시험시편(100)이 연직하중 재하장치(110)에 설치된 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 연직하중 재하장치(110)에 구비된 시편설치대 위에 2차원 모형시험시편(100)이 놓인 상태에서, 토조(3)의 밖으로 위쪽을 향하여 돌출되어 있는 2차원 말뚝시험체(1)의 상단부를 연직하중 재하장치(110)의 하중재하부재(111)가 연직하향의 힘을 가하여 2차원 말뚝시험체(1)에 하중을 재하하게 된다. 이 때, 도면에는 상세하게 도시하지 않았지만, 로드 셀과 같은 하중측정장치가 구비되어 2차원 말뚝시험체(1)에 재하되는 연직하중을 측정하고, LVDT와 같은 변위측정장치가 설치되어 2차원 말뚝시험체(1) 및 토조(3)에서 발생하는 연직변위를 포함한 여러 방향의 변위를 측정할 수도 있다. 연직하중 재하장치(110) 자체는 이미 공지된 것이며 다양한 형태의 연직하중 재하장치(110)를 사용할 수 있으므로, 연직하중 재하장치(110)의 기타 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한 하중측정장치 및 변위측장장치 역시 그 자체로 공지된 것이고, 필요한 위치에 설치하는 방식 역시 다양하게 공지된 것인 바, 이에 대한 추가 설명은 생략한다.

도 13에는 본 발명에 따른 2차원 말뚝거동 시험방법의 과정을 정리한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 도 13에 정리된 것처럼 본 발명에 따른 2차원 말뚝거동 시험방법에서는, 우선 시험대상이 되는 말뚝과 현장 지반 조건에 맞추어서, 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 제작 준비한다. 도 14에는 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 제작 준비하는 과정을 정리한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 앞서 설명한 것처럼 토조(3)를 준비하고, 말뚝을 모사하는 2차원 말뚝시험체(1)와 필요한 측면커플러(2)를 준비한 후, 토조(3) 내에 시험지반을 조성하고 2차원 말뚝시험체(1)를 배치하고 그라우팅 재료를 이용하여 채움부(5)를 형성하여 경화시킴으로써 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 제작한다.

후속하여 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 연직하중 재하장치(110)에 설치한다. 이 때 2차원 말뚝시험체(1)가 길게 연장되는 방향이 연직방향이 되도록 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 설치한다. 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 설치할 때, 또는 설치한 후에는 연직하중 측정을 위한 로드 셀, 연직변위 측정을 위한 변위계, 그리고 시험지반(4)과 채움부(5)와 2차원 말뚝시험체 등 2차원 말뚝거동 시험시편(100)에 발생하는 여러 부분의 여러 방향의 변형률을 측정하기 위한 변형률 게이지(strain gage) 등과 같은 각종 필요 계측 장치를 설치한다. 물론 변형률 게이지 등은 2차원 말뚝거동 시험시편(100)을 연직하중 재하장치(110)에 설치하기 전에 미리 부착 등의 방법에 의해 설치해둘 수도 있다.

이렇게 준비 작업이 이루어진 다음에는 연직하중 재하장치(110)를 이용하여 2차원 말뚝시험체(1)에 연직하중을 가하면서 연직변위, 변형률 등을 측정하고 균열 발생 시점, 균열 전파속도, 균열 전파 형태 등 다양한 물리량을 계측하여 수집함으로써, 하중-침하 특성, 2차원 말뚝시험체와 채움부와 시험지반에서의 응력분포, 파괴 특성 등의 구조적 거동을 파악하게 된다. 연직하중을 가할 때는 앞서 설명한 것처럼, 토조(3)의 밖으로 위쪽을 향하여 돌출되어 있는 2차원 말뚝시험체(1)의 상단부를 연직하중 재하장치(110)의 하중재하부재(111)가 연직하향의 힘을 가한다.

도 15 내지 도 17은 각각 실제로 2차원 말뚝거동 시험시편(100)에 대해 본 발명의 시험방법에 따라 시험을 수행한 상태를 보여주는 도 1의 원 B부분에 해당하는 위치에서의 도면대용 시험결과 사진이다. 도 15 내지 도 17에 예시된 것처럼, 시험자는 2차원 말뚝거동 시험시편(100)의 정면에 설치된 변형률 게이지 등을 포함한 계측 장비를 통해서 재하되는 연직하중 크기, 2차원 말뚝시험체(1)의 연직변위 및 변형량, 시험지반(4)과 채움부(5)에 발생하는 변형량, 균열 크기, 균열 진전 속도, 균열 양상, 파괴 양상 등의 물리량을 정확하게 계측하여 취득하게 되고, 이를 다양한 공지의 방법으로 분석함으로써, 2차원 말뚝시험체(1), 시험지반(4) 및 채움부(5)의 물리적 변화와 거동 등을 파악할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 말뚝이 실제 현장에서 시공되는 상황을 반영하여 모사한 2차원 말뚝시험체를 이용하여 시험을 수행하게 되고, 이를 통해서 재하 하중 크기, 2차원 말뚝시험체의 연직변위 및 변형량, 시험지반과 채움부에 발생하는 변형량, 균열 크기, 균열 진전 속도, 균열 양상, 파괴 양상 등을 측정하고 파악하게 되는 바, 현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 지반과 그라우트부재 사이의 실질적인 상호 거동을 실험실에서 동일하게 재현할 수 있고, 이를 통해서 말뚝과 지반과 그라우트부재 사이의 상호 거동 및 지지효과를 분석할 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 의하면 현장에서 시공되는 말뚝과 채움부(그라우트 재료) 사이의 계면에서의 구조적인 거동과 특성, 그라우트 재료로 이루어진 채움부 자체의 구조적인 거동과 특성, 그리고 채움부와 지반 사이의 계면에서의 구조적인 거동과 특성을 사전 모형 시험을 통해서 정확하고 객관적으로 파악할 수 있게 되고, 이를 통해서 말뚝의 지지 성능 그리고 그로 인한 주변의 영향 등을 사전에 파악하여 적절한 대응조치를 취할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 2차원 말뚝거동 시험시편을 이용한 시험이 이루어지므로, 2차원 말뚝거동 시험시편을 제작할 때 재료를 이용하여 다양한 형태의 시험지반과 채움부를 조성할 수 있고, 더 나아가 말뚝을 모사함에 있어서도 2차원 말뚝시험체와 측면커플러를 이용하여 마이크로 파일 뿐만 아니라 실제 현장에 시공되는 다양한 말뚝의 물리적인 특성과 동일하거나 매우 유사한 형태를 구현할 수 있게 되는 바, 다양한 조건의 시험을 효율적으로 수행할 수 있게 된다.

1: 2차원 말뚝시험체
2: 측면커플러
3: 토조
3a: 상측판
3b: 하측판
3c: 배면판
4: 시험지반
5: 채움부
9: 체결부재
10: 돌기
31: 관통개구부
40: 거푸집판
100: 2차원 말뚝거동 시험시편

Claims (9)

1. 정면이 개방된 내부 공간을 가지는 토조;
   토조의 내부 공간에서 중앙의 빈 공간을 두고 폭방향 양측 공간에 채워지도록 조성되어 말뚝이 시공되는 원지반을 모사하는 시험지반;
   시험지반과 동일한 두께를 가지는 막대형 부재로 이루어져서 토조의 중앙 위치에서 양측에 조성된 시험지반 사이의 빈 공간에 배치되어 현장에서 시공되는 말뚝을 모사하는 2차원 말뚝시험체; 및
   시험지반 사이의 빈 공간에서 2차원 말뚝시험체가 일체로 매립되도록 그라우팅 재료가 채워져서 형성되는 채움부를 포함하며;
   현장에서 시공되는 말뚝에 단면이 커지는 부분을 모사하도록, 폭방향으로 돌출된 형태의 측면커플러가 2차원 말뚝시험체의 폭방향 양쪽 측면 각각의 동일한 높이에서 밀착된 상태로 조립 결합되어 있으며;
   2차원 말뚝시험체는 측면커플러가 결합된 상태로 토조에 배치되어 채움부에 매립되어 있 는 구성을 가지고 있어서;
   2차원 말뚝시험체가 길게 연장되는 방향이 연직방향이 되도록 설치된 상태에서 2차원 말뚝시험체에만 연직방향의 하중이 재하함으로써, 현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 채움부 사이의 상호 거동, 및 지반과 채움부 사이의 상호 거동을 재현하게 되는 것을 특징으로 하는 2차원 말뚝거동 시험시편.
2. 제1항에 있어서,
   시험지반, 2차원 말뚝시험체 및 채움부는 동일한 두께를 가지고 있고;
   2차원 말뚝시험체의 배면은 토조의 배면판에 밀착되도록 배치되어 있어서;
   시험지반, 2차원 말뚝시험체 및 채움부의 정면은, 시험자가 육안으로 볼 수 있도록 노출된 형태로 동일한 평면상에 존재하는 것을 특징으로 하는 2차원 말뚝거동 시험시편.
3. 제2항에 있어서,
   토조는 정면이 개방되어 있는 사각육면체의 상자 형태의 부재로 이루어지는데, 사각육면체의 가장자리 측판 중에서 연직방향의 상측판의 중앙에는 관통개구부가 형성되어 있고;
   2차원 말뚝시험체는 연직방향 상단부가 토조의 상측판에 형성된 관통개구부를 관통하여 상측판의 외측으로 더 연장되도록 토조에 배치되는 것을 특징으로 하는 2차원 말뚝거동 시험시편.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   2차원 말뚝시험체의 폭방향 양쪽 측면에는, 수평한 형태의 돌기가 간격을 두고 연직방향으로 반복하여 형성되어 있고;
   측면커플러에서 2차원 말뚝시험체에 밀착되는 면은, 2차원 말뚝시험체에 형성된 돌기에 대응되는 대응돌기가 형성되어 있어서, 측면커플러가 2차원 말뚝시험체의 폭방향 측면에 밀착되었을 때 2차원 말뚝시험체의 폭방향 양쪽 측면의 돌기와 측면커플러의 대응돌기 간의 맞물림에 의해 측면커플러가 견고하게 2차원 말뚝시험체에 일체화되는 것을 특징으로 하는 2차원 말뚝거동 시험시편.
8. 연직하중을 재하하는 연직하중 재하장치와,
   청구항 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의한 2차원 말뚝거동 시험시편을 포함하며;
   2차원 말뚝시험체가 길게 연장되는 방향이 연직방향이 되도록 설치된 연직하중 재하장치에 설치된 상태에서, 연직하중 재하장치에 의해 2차원 말뚝시험체에만 연직방향의 하중이 재하되는 방식으로 모형시험이 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원 말뚝거동 시험장치.
9. 정면이 개방된 직육면체의 내부 공간을 가지는 토조의 내부 공간에서, 중앙의 빈 공간을 두고 폭방향 양측 공간에, 말뚝이 시공되는 원지반을 모사하는 시험지반을 조성하고; 현장에서 시공되는 말뚝을 모사하기 위하여 시험지반과 동일한 두께를 가지는 막대형 부재로 이루어지며, 현장에서 시공되는 말뚝에 단면이 커지는 부분을 모사하도록, 폭방향으로 돌출된 형태의 측면커플러가 2차원 말뚝시험체의 폭방향 양쪽 측면 각각의 동일한 높이에서 밀착된 상태로 조립 결합되어 있는 2차원 말뚝시험체를, 토조의 중앙 위치에서 양측에 조성된 시험지반 사이의 빈 공간을 관통하도록 배치하며; 시험지반 사이의 빈 공간에서 2차원 말뚝시험체가 일체로 매립되도록 그라우팅 재료를 채워서 채움부를 형성함으로써; 2차원 말뚝시험체에서 측면커플러가 결합된 부분은 채움부에 매립되어 있고 2차원 말뚝시험체의 상단부는 토조 밖으로 돌출되어 있는 형태로 2차원 말뚝거동 시험시편을 제작하고;
   제작된 2차원 말뚝거동 시험시편을 연직하중 재하장치에 배치하고;
   토조의 밖으로 돌출되어 있는 2차원 말뚝시험체의 상단부를 연직하중 재하장치(110)로 가압하여 2차원 말뚝시험체에 연직하중을 가하면서, 재하되는 연직 하중 크기, 2차원 말뚝시험체의 연직변위 및 변형량, 그리고 시험지반과 채움부에 발생하는 변형량을 포함하는 물리량을 계측함으로써,
   현장에서 시공되어 공용 중에 있는 말뚝과 채움부 사이의 상호 거동, 및 지반과 채움부 사이의 상호 거동을 재현하여 파악하는 것을 특징으로 하는 2차원 말뚝거동 시험방법.

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