9말뚝시험의 종류 및 특징

말뚝재하시험의 필요성

말뚝기초는 상부구조물에 대한 구조해석을 통해 말뚝 머리에 작용하는 외력을 산정한 후 말뚝의 예상 허용지지력이 작용하는 외력보다 크도록 말뚝의 길이, 직경, 시공법 등을 결정하고 설계한다.
이때 적용되는 허용지지력은 설계기준에 맞는 여러 지지력공식을 적용하여 산정하지만, 설계 시 산정 된 지지력과 실제 말뚝 지지력에는 시공품질 및 지반조건 등에 따라 다소 편차가 발생한다.
따라서 시공자는 시공 과정 중에 실제 말뚝을 대상으로 재하시험을 실시하여 설계 시 산정된 지지력을 실제 지지력이 만족하는지 검토해야 한다.

말뚝재하시험의 목적

• 지지력 확인
• 변위량 검토
• 건전도 확인
• 시공방법 및 시공장비의 적합성 확인
• 시간 경과에 따른 말뚝 지지력의 변화 확인
• 하중전이 특성 확인

말뚝의 시공관리 기준

1. 말뚝위치에서 벗어낫 경우

• 설계위치에서 벗어난 거리가 150mm를 초과한 경우: 구조검토 후 추가 항타 및 기초 보강
• 독립기초, 줄기초, 매트기초의 외곽말뚝이 외측으로 75~150mm 벗어난 경우: 말뚝 중심선에서 벗어난 만큼 기초 확대, 철근 1.5배 보강 배근
• 내측으로 벗어난 경우: 철근만 1.5배 보강 배근

2. 수직으로 시공되지 않은 경우

• 항타 완료 후 계측하여 수직에 대한 기울기가 말뚝 길이의 1/50 이상일 경우: 보강말뚝 시공

말뚝 재하시험의 종류

1. 정재하 시험
정재하시험은 말뚞의 지지력을 결정함에 있어서 말뚝의 거동을 파악하기에 가장 확실하고 정확한 방법이다. 말뚝 두부에 직접 시험하중을 재하하는 방식으로 가압 및 반력시스템에 따라 고정하중 이용방식, 반력말뚝 이용방식, 반력앵커 방식으로 분류할 수 있다.
재하 방식에 따라 7개 정도로 나뉘어 지는데 이중 크게 완속재하와 급속재하 방식으로 구분할 수 있고 완속재하시험방법이 많이 채택되고 있는 실정이다.

• 완속재하 시험법

(1) 시험 하중은 설계하중의 25%, 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 175%, 200%로 8단계로 나누어 재하한다.
(2) 각 하중 재하 단계별 침하율은 시간당 0.25mm 이하가 될때까지 유지하며 최대 2시간을 넘기지 않는다.
(3) 설계하중의 200%에서 침하율이 시간당 0.25mm 이하 시 12시간, 그 이상인 경우 24시간 유지한다.
(4) 시험하중의 25%씩 단계별로 1시간 간격으로 하중을 제거한다.
(5) 시험 중 말뚝이 파괴 될 경우 총 침하량이 말뚝머리 직경 또는 대각선 길이의 15%에 달할때 까지 재하를 계속한다.

• 급속재하 시험법

(1) 시험 하중은 설계하중의 10~15%씩 2.5~15분(보통 5분) 간격으로 재하한다.
(2) 각 하중 재하 단계별로 2~4차례 침하량을 읽고 기록한다.
(3) 최종 하중재하 단계에서 2.5~15분간(보통 5분) 유지 후 하중을 제거한다.
(4) 각 단계별 4번정도 나누어 5분씩 유지하면서 하중을 제거한다.

2. 동재하 시험
동재하 시험은 말뚝타격 시 발생하는 충격파의 전달에 대한 파동 방정식을 이론적 근거로 하여 미국에서 개발되었다. 시험 말뚝에 변형과 충격파 전달속도를 측정할 수 있는 장치인 변형률계(Strain transducer)와 가속도계(Accelerometer)를 설치한 후 말뚝이 타입되는 과정에서 측정되는 변형과 응력파를 말뚝항타분석기(PDA, Pile Driving Analyzer)로 측정한다.
측정된 결과를 CAPWAP(Case Pile Wave Analysis Program) 프로그램으로 해석하고, 그 결과로 부터

• 말뚝의 지지력
• 말뚝에 전달되는 응력분포
• 말뚝의 압축력과 인장력
• 응력파의 전달속도

등의 자료를 얻을 수 있다.

(1) 동재하 시험 순서

• 파일 두부에서 약 1.5D 아래의 지점에 변형률계와 가속도계를 각 2장씩 부착 후 연결케이블과 메인케이블을 이용해서 항타분석기(PDA, Pile Driving Analyzer)에 연결한다.
• 항타 장비로 타격하여 변형률계와 가속도계에서 측정한 아날로스 신호를 A/D 변환기를 통해 디지털 신호로 변환한다.
• 입력된 데이터를 CAPWAP 프로그램으로 지지력등을 분석한다.

(2) 동재하 시험의 장점

• 시험 소요시간이 매우 짧다.
• 비용이 비교적 적게 든다.
• 말뚝관입 도중의 어느 시점에서도 지지력 확인이 가능하다.
• 말뚝과 해머의 성능을 동시에 측정할 수 있으므로 합리적 시공관리가 가능하다.
• 말뚝 타격 시 발생하는 말뚝의 파괴 여부와 위치를 알 수 있다.
• 깊이 별 저항력 분포를 알 수 있다.
• 항타 시와 일정시간이 경과한 후 시간경과에 따른 말뚝 지지력 변화를 알 수 있다.

말뚝재하 시험의 수행빈도 기준

현장타설말뚝의 건전도 평가

기성말뚝은 KS 표준에 의한 공장 제조 제품으로 말뚝 본체의 균질성 및 품질성이 검증된 상태로 말뚝 본체의 건전도가 확보된 상황에서 사용된다.
그러나 현장타설말뚝은 시공방법, 시공관리방법, 지반조건, 지하수 조건, 타설 및 양생방법 등에 따라 말뚝 본체의 강도와 결함여부 등 건전성 확인이 어렵다.
따라서 현장타설말뚝의 건전도 시험(Integrity Test)이 필요하다. 건전도시험방법에는 다음과 같은 3종류가 있다.

• 공대공탄성파탐사, CLS(Cross Hole Sonic Loggings)
• 충격반향 방법, PIT(Pile Integrity Test)
• 코어링 방법

1. CLS, 공대공탄성파탐사
공대공탄성파탐사는 공대공초음파검층이라고도 부르며, 최소 7일 양생된 말뚝을 대상으로 수행한다.
기본원리는 현장타설말뚝의 철근망에 미리 설치한 최소 2개 이상의 탐사용 튜브에 물을 채우고 음파 발신센서와 수신센서를 삽입한 후 말뚝 하단으로부터 끌어올리면서 통상 길이방향으로 매 5cm 마다 탐사 대상이 되는 말뚝 본체의 단면에 대해 음파(탄성파)의 도달 시간을 로깅(Logging) 한다.
탐사용 튜브의 거리(간격)가 일정한 것으로 가정하여 도달시간으로부터 콘크리트의 탄성파전달속도를 측정함으로써 말뚝 본체의 강도와 건전성을 건전도가 검증된 콘크리트 말뚝과 비교하여 평가하는 방법이다.

2. 충격반향시험 (Low Strain Impact Test, 예:PIT)
말뚝의 상단 표면에 물리적 충격을 가하면, 탄성파가 발생하여 말뚝의 길이방향으로 전달된다. 이때 말뚝의 선단, 내부 결함, 직경의 증감, 서로 다른 매질의 경계 및 주위 토층의 마찰 등에 의해 탄성파의 진행에 영향을 주게 되고, 이러한 반사파의 진행을 말뚝의 상부에 부착된 가속도계가 감지한다.
동시에 햄머 타격에 의한 충격 신호도 측정하여 PIT System을 이용하여 파의 도달시간 및 반사 특성을 분석하여 말뚝의 길이 및 품질상태를 파악한다.

3. 코어링방법 (Proof Coring)
다이아몬드 코어배럴을 이용하여 현장타설말뚝의 기초 저면 0.5m까지 콘크리트의 코어를 채취하여 육안으로 확인하는 방법이다.
28일 이상 양생된 말뚝에 대하여 수행하며, 코어 채취가 완료되면 코어 채취부는 그라우팅으로 충진되어야 한다.
채취된 시료는 흠결이 없어야 하고, 콘크리트 강도는 소요강도 이상이어야 한다. TCR, RQD는 100%를 확보하여야 한다.

*TCR: 채취된 코어의 길이의 합/총 코어의 길이 x 100
*RQD: 채취된 10cm이상 코어 길이의 합/총 코어의 길이 x 100

• 콘크리트 소요 강도 확보
• 결점이 없을 것
• TCR(Total Core Recovery) 100% 확보
• RQD(Rock Quality Designation) 100% 확보