서 론
스파이럴 기초는 적당한 두께의 강판을 비틀어 만든 나선형 말뚝이다. 따라서 지반에 회전을 통하여 관입시 킨 후 구조물을 지지하는 회전관입형 말뚝의 일종이다. 이러한 종류의 말뚝은 큰 지지력과 인발력을 발휘 할 수 있다. 발휘된 인발력이 기초 부재에 상방향으로 연직 하중을 전달하게 되면 기초가 뽑혀 이동을 유발시키게 된다. 현재 국내에서는 태양광패널 설치 기초, 실험온실 용 기초, 공원산책로 간이다리 기초, 등산로 지주 기초 등 연약한 지반에서의 기초형식으로 사용되고 있다 (www.sungboent.ec.ec21.com). 이와 같이 많은 부분에서 스파이럴 형식의 기초가 사용되고 있지만 온실의 기초설 치 시 지반형태, 적절한 매립깊이 및 직경 등의 설치기 준에 대해서 아직 연구가 부족하다.
일본에서는 온실기초로 스파이럴을 사용한 사례가 있 다. Tanaka et al.(2005)는 파이프하우스 건설에 사용되 는 기초는 굴착 후 중량이 무거운 기초를 운반하여 세 우거나 현장에서 직접 콘크리트 타설하여 기초를 제작한 후 흙으로 되메우기를 하기 때문에 많은 노력이 필요하 다고 하였다. 따라서 작업의 효율화 및 경량화를 위해서 직접 굴착 하지 않고 시공할 수 있는 스파이럴의 올바른 시공 방법에 대한 연구를 수행하였다. 뿐만 아니라, 중산 간지역 경사지에 파이프 하우스를 건설할 때 작업의 경 량화 및 생력화를 위한 시공방법을 개발하기 위해 스파 이럴의 역학적 특성인 연직 및 수평내력을 검토하였다. 또한 일본 이사하야 간척지에 건설된 온실이 태풍 등 재해에 취약하여 이에 대응하고자 스파이럴 나선형 모양 의 상단에 파이프를 연결한 기초에 대한 수직 및 수평 내력도 검토를 하였다(www.naro.affrc.go.jp). 그리고 Hirata et al. (2005)는 지반의 연성거동을 기반으로 3차 원 시뮬레이션 분석과 실험을 통해 스파이럴 기초의 축 방향 저항력 산정법을 제안하였다.
국내의 경우, Yoon 등 (2003) 몇 몇 연구자들이 현장 실험 및 모형실험(Lee와 Lee 1998; Kim and Yoo, 2013; Lee 등, 2014; Choi 등, 2015)을 통해 스크류 앵 크, 파이프매립 기초, 주름 및 민말뚝 기초에 대해서 실 험적으로 인발저항력을 검토한 연구결과들은 많이 있다. 그러나 스파이럴 기초를 온실기초로 적용하기 위한 기초 적인 연구는 미미한 실정이다. 또한 간척지 같은 연약지 반에 스파이럴 기초를 적용하기 위해서는 적절한 시공방 법(매립깊이 및 직경)등이 제시되어야 할 것이다.
따라서 본 연구는 국내 간척지에 온실을 건설할 때 온 실 기초로서 스파이럴 기초를 사용할 경우에 적절한 매 립깊이 및 직경 산정에 필요한 기초자료를 제공하자 수 행하였다.
재료 및 방법
1 스파이럴 기초의 제원
본 연구는 일반 농경지 및 간척지 흙을 대상으로 스파 이럴 기초에 대해 다짐률, 직경 및 매립깊이의 변화가 인발저항력에 미치는 영향을 분석하여 온실기초로서 사 용가능성을 평가하는 것이다. 이를 위해 실내 모형실험 을 조성해서 인발실험을 실시하였다. Fig. 1은 모형실험 에 사용한 스파이럴 기초의 제원을 나타낸 것이다. 스파 이럴 기초는 직경 50, 70, 90mm의 강판을 나선형으로 비틀어서 제작을 하였으며, 비틀림 각도는 4°이다. 그리 고 기초의 두께는 각각 6, 9, 6mm이며, 스파이럴의 길 이는 500mm로 전부 동일하다.
2 실험 장치 및 방법
Fig. 2는 본 연구에서 사용한 실험 장치의 모식도를 나 타낸 것이다. 실험 장치는 크게 실형용 토조, 하중계, 변위 계 등으로 구성되어 있다(Lee 등, 2014; Choi 등, 2015).
Fig. 3은 실험에 사용한 토조를 나타낸 것이다. 실험에 사용한 토조는 800(B) × 1,000(L) × 600(H)mm 크기의 강 재로 제작되었다. 한쪽 측면은 아크릴로 제작하여 흙의 다 짐높이를 직접 눈으로 확인 가능하게 하여 흙다짐 조성이 원활히 이루어 질 수 있게 하였다. 인발실험 시 하중재하 는 Power jack 과 AC 모터로 인발하중을 가력 하였으며, 가력과 동시에 Universal test machine(DUS204LCD, 미래 산업, Korea)을 통해 하중과 변위를 계측하였다. 로드셀 (TCLP-500KA, Sokki Kenkyuoio Co. Ltd., Japan)의 최대 하중은 500kgf이며, 변위계(Micro Switch, Kunhung Electronic, Co., Ltd., Korea)의 최대변위는 600mm이다.
본 실험 장치는 하중 가력을 변위 및 하중제어로 제작 하였으나 예비실험결과 하중제어로 실험이 가능하지 않 아 변위제어 방식으로 실험을 수행하였다. 인발하중을 가력 할 때 변위제어 속도는 1mm·min-1(허용오차 ± 10%)로 (Kim과 Yoo, 2013) 연직방향으로 당겨, 인발하 중이 최대치를 지나 연화경향을 나타내거나 일정한 값으 로 수렴될 때를 종료시점으로 하였다. 실험은 각각의 스 파이럴에 대해서 매립깊이 300, 400, 500mm로 나누어 2회씩 반복실험을 하여 그 평균값을 실험결과로 이용하 였다. 2회 반복한 측정결과가 5%이상 차이가 나는 경우 에는 서로 유사한 측정치가 나올 때 까지 반복 실험을 하였다. 그리고 기초의 자중은 고려하지 않았다.
3 흙시료 및 모형지반
모형실험에 사용한 시료는 일반 농경지 및 간척지의 2 종류 흙에 대해 실험을 하였다. 농경지 흙은 진주시 인 근 농경지에서 채취하였고 간척치 흙은 새만금 간척지내 매립지에서 채취하였다. Table 1은 각 흙에 대해 물리적, 역학적 특성을 분석한 결과 이며 Fig. 4는 A 다짐법(KS F 2312)을 통해 얻은 입도분포 곡선을 나타낸 것이다. 간척치 흙은 농경지 흙에 비해 실트 및 점토가 약간 많 이 포함되어 있었다.
Table 1.
Physical and mechanical properties of used soils(Lee 등, 2014; Choi 등, 2015).
| Parameters | Farmland soil | Reclaimed soil |
|---|---|---|
| Wn (%) | 29.9 | 22.5 |
| Gs | 2.65 | 2.64 |
| Consistency (%) | ||
| LL (%) | NP | NP |
| PL (%) | NP | NP |
| Soil texture (%) | ||
| Sand | 58.9 | 34.5 |
| Silt | 39.1 | 57.5 |
| Clay | 2.0 | 8.0 |
| d-max(g.cm-3) | 1.77 | 1.69 |
| OMC (%) | 16.2 | 15.8 |
실험 토조 내 흙의 다짐조건의 경우, 일반적인 온실주 변 현장의 다짐률이 85%내외인 점을 고려해 6.5kgf의 다짐봉을 이용해 흙다짐을 하였다. 모형지반의 균등한 흙 다짐률을 확보하기 위해 50cm 높이의 지반을 6층으 로 나누어 매 층마다 동일한 다짐에너지를 주었다.
다짐률 85, 75, 65%의 층별 다짐 횟수는 각각 200, 100 및 0회 정도였다. 각 다짐 조건에 대해 상대밀도는 다짐률 85, 75, 65%에 대해 각각 67, 38, 0%에서 인발 저항력을 측정하였다.
본 연구에서는 강우에 의한 흙의 완전 포화된 상태를 고려하지 않았기 때문에 추후 연구가 필요할 것으로 판 단된다.
결과 및 고찰
Fig. 5는 각 흙별로 스파이럴 기초의 매립깊이에 따른 인발저항 특성을 보여주고 있다. 여기에서는 직경 50mm인 스파이럴 기초의 다짐률 65와 85%에 대해 매 립깊이 30, 40, 50mm으로 변화시킨 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
다짐률이 65%인 아주 느슨한 흙에서는 최대하중에 도 달한 후 변위가 증가하여도 하중은 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지하는 경향을 보였다. 그러나 다짐률 85%인 아주 단단한 흙에서는 초기변위에서 인발하중이 빠르게 증가 한 후에 하중이 완만하게 증가하다가 다시 빠르게 증가하는 경향을 나타냈다. 이와 같이 빠르게 다 시 하중이 증가하는 경향은 지반의 강성도 변화와 스파 이럴의 나선 형상에 기인한 것으로 판단된다.
농경지 흙(a)에서 매립깊이에 따른 하중-변위 그래프는 깊이가 증가할수록 최대인발저항력은 증가하였고 또한 다짐률이 증가 할수록 증가하는 경향을 관찰할 수 있었 다. 간척지 흙(b)에서도 농경지 흙과 마찬가지로 매립깊 이 및 다짐률이 증가할수록 최대 인발하중은 증가하는 경향을 나타냈다.
한편 극한 인발저항력 산정은 연구자 마다 다른 방식 을 채택하고 있어 그 결정이 일정하지 않다(Yoon 등, 2003). 본 실험에서는 다짐률 75 및 85%에서 스파이럴 형상에 기인하여 증가 및 감소가 반복하지만 측정한 값 의 최대치를 극한 인발저항력으로 결정하였으며, 결과분 석도 이를 기준으로 하였다.
Fig. 6에서는 다짐률 65 및 85%의 인발저항력 뿐만 아니라 다짐률 75%의 극한 인발저항력 포함하여 각각의 흙별로 직경의 변화에 따른 인발저항 변화를 나타내었다. 여기서 알 수 있듯이 스파이럴의 직경 크기가 증가할수 록 극한 인발저항력은 증가하는 경향을 보였다. 농경지 흙에서 매입깊이가 30cm에서 40cm, 40cm에서 50cm로 깊이질 때 인발 저항 상승효과는 113.8~155.6%의 범위 를 보였다. 직경이 가장 작은 스파이럴 기초의 다짐률 65%에서 매립깊이가 30cm에서 40cm, 40cm에서 50cm 으로 깊어질 때 상승효과는 각각 127.2 및 118.6% 이었 다. 그리고 직경이 가장 큰 스파이럴 기초에서는 128.1% 및 129.4%이었다. 따라서 매입 깊이 증가보다 직경의 증가에 따른 상승효과가 상대적으로 크게 나타났 다. 간척지 흙의 인발 저항 상승효과는 121.2~162.1%로 농경지 흙과 비슷한 인발 상승효과를 나타냈다. 그리고 직경 다짐률 65%에서 매립깊이가 30cm에서 40cm, 40cm에서 50cm로 깊어질 때 상승효과는 각각 170.6 및 134.5%로 나타났다. 농경지 흙 다짐률 85%, 매립깊이 50cm의 기초는 장치의 최대하중 이상의 인발하중이 예 상되어 측정하지 못했다.
이번 연구에서는 스파이럴 기초의 피치의 간격에 다른 인발저항력 검토는 수행되지 않았기 때문에 추후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
한편, Tanaka et al.(2005)가 일반적인 농경지에 직접 삽 입한 스파이럴 기초 인발저항력 연구결과에 의하면 스파 이럴의 직경 50mm에 매립깊이 60cm일 때 최대 인발저 항력은 변위 15mm 시점에서 약 550kgf 정도였다. 이는 매립깊이가 본 연구에서 수행한 최대 매립깊이 50cm 보 다 10cm 정도 커 단순 비교는 어렵지만 다짐률 85%의 극한 인발저항력에 비해 약 24% 정도 큰 값을 나타냈다.
Fig. 6에서 보는 바와 같이, 일반 농경지와 간척지 흙 에서 모두 다짐률이 증가 할수록 최대인발저항력도 증가 하는 경향을 확인 할 수 있었다. 다짐률 65%의 경우에 는 거의 인발하중을 발휘하지 못하며 다짐률이 증가할수 록 곡선의 기울기가 증가하는 경향을 보였다. 또한 매립 깊이 증가에 따른 최대 인발저항력 변화보다 흙의 다짐 률 변화에 따른 증가효과가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 따라서 온실의 기초를 설치하기 위해 구멍을 파서 다시 뒤메우기를 할 때에는 단단하게 다짐으로써 인발저 항력을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.
각 직경별로 다짐률 증가에 따른 극한 인발저항력 변 화는 Fig. 6에서 보이는 바와 같이 농경지 흙(a)과 간척 지 흙(b) 모두 다짐률이 증가할수록 극한인발저항력이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 농경지 흙의 경우 는 다짐률이 65%에서 75%, 75%에서 85%로 증가 할 때 인발상승 효과는 각각 1117.4 및 620.9%로 급격히 증가하는 경향을 나타냈다. 간척지 흙의 경우도 다짐률 이 65%에서 75%, 75%에서 85%로 증가 할 때 인발상 승 효과는 833.3% 및 494.8%로 나타났다. 이는 스파이 럴 직경이 50mm일 때를 나타낸 결과이지만 스파이럴 직경이 70mm 및 90mm인 경우도 비슷한 경향을 보였 다. 이 결과로부터 알 수 있듯이 다짐률이 증가 할수록 인발상승 효과는 상당히 증가하는 것을 알 수 있었다.
Table 2는 일반농경지와 간척지 흙의 극한 인발저항력 을 다짐률 및 매설깊이별로 2회 평균한 값을 나타낸 것 이다. 그리고 두 흙의 극한 인발저항력을 비교하기 위해 간척지 흙에 대한 농경지 흙의 인발저항력 비 F/R도 함 께 나타냈다. 그 결과 모든 실험 조건에서 간척지 흙이 농경지 흙 보다 작은 값을 나타내는 것을 알 수 있었다. 가장 큰 인발저항력 값은 농경지 흙의 경우 491.2kgf, 간척지 흙의 경우 267.9kgf로 가장 단단한 지반의 다짐 율 85%, 측정 최대매설깊이에서 나타났다. 평균적으로 농경지 흙이 간척지 흙에 비해 약 1.83배 큰 값을 나타 냈다. 다짐률이 85, 75 및 65% 일 때 극한 인발저항력 은 농경지 흙이 간척지 흙에 비해 각각 2.2~3.0, 1.3~2.4 및 1.2~2.5배 크게 나타났다. 또한 극한 인발저항력은 다짐률 85%일 때가 가장 큰 차이를 보였다.
Table 2.
Comparison of farmland value and reclaimed land value.
| Spiral bar | Farmland(F) | Reclaimed land(R) | F/R | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Size | Degree of Compaction (%) | Depth (cm) | Ultimate Uplift Capacity (kgf) | Ultimate Uplift Capacity (kgf) | |
| Φ90×6t | |||||
| 50 | - | 267.9 5.9 | - | ||
| 85 | 40 | 461.2* | 152.0±11.4 | 3.0 | |
| 30 | 296.4±13.1 | 102.8±4.3 | 2.9 | ||
| 50 | 94.3±0.2 | 68.0±0.1 | 1.4 | ||
| 75 | 40 | 73.8±1.0 | 54.0±2.2 | 1.4 | |
| 30 | 63.4±1.4 | 42.8±0.2 | 1.5 | ||
| 50 | 14.0±0.1 | 9.3±0.2 | 1.5 | ||
| 65 | 40 | 10.8±0.7 | 8.9±0.1 | 1.2 | |
| 30 | 8.4±0.0 | 6.5±0.2 | 1.3 | ||
| Φ70×9t | |||||
| 50 | 450.1* | 204.4±1.6 | 2.2 | ||
| 85 | 40 | 392.4±11.2 | 142.8±8.3 | 2.7 | |
| 30 | 239.0±2.8 | 106.2±2.4 | 2.3 | ||
| 50 | 83.7±0.7 | 62.5±0.4 | 1.3 | ||
| 75 | 40 | 68.9±0.6 | 41.3±0.7 | 1.7 | |
| 30 | 64.9±1.5 | 36.5±0.6 | 1.8 | ||
| 50 | 10.1±0.8 | 8.2±0.0 | 1.2 | ||
| 65 | 40 | 8.9±0.2 | 6.9±0.1 | 1.3 | |
| 30 | 6.7±0.2 | 3.9±0.1 | 1.7 | ||
| Φ50×6t | |||||
| 50 | 442.7±0.6 | 160.8±1.4 | 2.8 | ||
| 85 | 40 | 342.4±0.4 | 132.5±2.5 | 2.6 | |
| 30 | 217.0±1.7 | 91.1±1.3 | 2.4 | ||
| 50 | 71.3±1.2 | 32.5±0.6 | 2.2 | ||
| 75 | 40 | 57.4±0.1 | 23.7±0.5 | 2.4 | |
| 30 | 42.6±1.0 | 18.4±0.2 | 2.3 | ||
| 50 | 6.4±0.2 | 3.9±0.0 | 1.6 | ||
| 65 | 40 | 5.4±0.2 | 2.9±0.0 | 1.9 | |
| 30 | 4.2±0.0 | 1.7±0.1 | 2.5 | ||
이상에서 알 수 있듯이 극한 인발저항력은 흙의 다짐 률, 매입깊이, 스파이럴의 직경에 따라 상당한 차이가 있는 것으로 나타났다. 따라서 온실기초로서 스파이럴 기 초를 간척지 같은 연약지반에 사용할 경우, 농경지 흙이 간척지 흙에 비해 극한인발저항력이 약 1.2~3배 이상 차 이가 나므로 연약지반 보강 기초로 사용할 경우에는 스 파이럴의 직경을 더 크게 또는 스파이럴의 깊이를 더 깊 이 매설하여 인발력을 높일 수 있도록 해야 할 것이다.
