항타말뚝 시공관리 — 항타관리기준, 저항계수, 거부와 재타, 동재하시험

항타말뚝의 지지력은 설계도면이 아니라 현장의 타격횟수로 확정된다. 그 타격횟수를 어떤 방법으로 정했는지가 저항계수를 바꾸고, 저항계수가 바뀌면 같은 설계하중을 위해 필요한 공칭저항이 달라진다.

이 글은 FHWA GEC 12 Volume II, "Design and Construction of Driven Pile Foundations" (FHWA-NHI-16-010, 2016)를 근거로 한다.

1. 항타관리기준을 정하는 방법

NCHRP Synthesis 418은 42개 교통기관을 대상으로 항타관리기준 수립 방법을 조사했다. 빈도가 높은 순서는 다음과 같다.

이미 동재하시험과 해석을 거친 다른 말뚝에서 정한 타격횟수까지 항타

동적 공식(dynamic formula)에서 정한 타격횟수까지 항타

파동방정식 해석에서 정한 타격횟수까지 항타

실질 거부(practical refusal)까지 항타

지정된 선단 표고까지 항타

이미 정재하시험을 한 다른 말뚝에서 정한 타격횟수까지 항타

기준을 정하는 것은 설계자의 몫이다. 기초 설계자가 항타관리기준 결정 방법을 명시해야 하며, 시공 인력은 그 방법과 현장 적용 방식을 분명히 이해하고 있어야 한다.

중요한 것은 이 방법들이 각각 다른 저항계수를 갖는다는 점이다. 그래서 시공 중에 검증 방법을 바꾸면 계약도서에 표시된 것보다 더 높거나 더 낮은 공칭저항까지 항타해야 한다.

변경결과

신호정합 동재하시험(φ_dyn = 0.65) → FHWA 수정 Gates 공식(φ_dyn = 0.40)요구 공칭저항 63% 증가 — 항타 시스템이 그 저항을 위해 선정되지 않았다면 문제가 된다

FHWA 수정 Gates(0.40) → 정재하시험 1본(0.75) 또는 100% 신호정합 동재하시험요구 공칭저항 87% 감소 — 더 작은 해머를 쓰거나, 손상을 유발하는 전석층을 피해 더 높은 표고에서 항타를 끝낼 수 있다

AASHTO(2014)의 신호정합 동재하시험 저항계수는 시험 물량으로 갈린다.

조건φ_dyn

현장 조건별 2본, 단 시공말뚝의 2% 이상에 신호정합 동재하시험0.65

시공말뚝의 100%에 신호정합 동재하시험0.75

현장 조건별 정재하시험 1본 성공 + 위의 2본(2% 이상) 동재하시험0.80

신호정합 동재하시험으로 축방향 인장 공칭저항을 정할 때0.50

이 계수의 출처와 전제도 명시되어 있다. NCHRP Report 507의 데이터베이스에서 정재하시험의 공칭저항은 하중-변위 곡선이 Davisson offset 한계를 넘는 하중으로, 동재하시험의 공칭저항은 재타 시 CAPWAP 신호정합으로 구한 값으로 정의되었다. 다른 정재하시험 판정기준이나 다른 신호정합 방법을 쓴다면 저항계수의 수정 또는 지역 보정을 고려해야 한다.

파동방정식 해석의 저항계수는 연구로 바뀐 사례가 남아 있다. 당시 AASHTO 값은 φ_dyn = 0.40이었고 이것이 LRFD 체계에서 기초 비용을 올렸다. 오리건 DOT의 보정 연구는 여러 데이터베이스를 검토해 초기 항타 0.55, 재타 0.40을 권고했고, 이 연구 등의 결과로 AASHTO(2010) 설계기준의 파동방정식 저항계수가 0.40에서 0.50으로 변경되었다.

2. 실질 거부와 절대 거부

거부 기준의 정의는 승인된 해머 시스템이 최대 연료 또는 최대 스트로크 설정에서 정상 작동하는 것을 전제로 한다 — 다만 해머 승인 자체가 낮은 연료·스트로크 설정에서 이루어졌다면 그 설정이 기준이 된다. 그리고 해머 성능이 의심스러운 상태에서 거부 조건이 나타나면, 에너지 전달과 거부 조건의 원인을 추가로 평가해야 한다.

구분정의

실질 거부1 in당 10회의 관입저항이 연속 3 in 이내에서 나타나는 것

절대 거부1 in 이하 관입에 20회

실질 거부는 일정하고 단단한 지지층까지 항타하는 말뚝의 기준으로 자주 쓰인다. 재질별 주의도 붙는다 — 1 in당 10회를 넘는 타격횟수는 콘크리트 말뚝에서 신중히 써야 하고, 목재 말뚝에서는 피해야 한다. 어느 쪽이든 적정 규격의 정상 작동 해머로 기준에 도달하면 즉시 항타를 중단한다.

거부 기준을 두는 목적은 과도하고 불합리한 타격횟수에서 장시간 항타하는 것을 피하기 위함이다. 단단한 암반에 말뚝을 안착시킬 때는 1 in당 20회보다 ¼ in당 5회 또는 ½ in당 10회가 더 나을 수 있다 — 말뚝 선단과 항타 장비 손상 위험을 줄이기 위해서다.

승인된 해머로 요구 관입깊이에 도달하지 못한 채 거부 기준을 넘게 되면 선굴착(predrilling), 제팅(jetting), 스퍼딩(spudding) 같은 관입 보조 수단을 검토한다.

3. 시간 의존 저항 변화 — setup과 relaxation

항타관리기준에는 시간에 따른 공칭 지반저항 변화가 들어가야 한다.

Setup이 있는 조건에서는 항타 종료 시점의 관입저항이 공칭저항에 필요한 값보다 작아도 허용될 수 있다 — 이후 재타로 setup이 확인되는 경우에 한한다.

Relaxation이 있는 지반에서는 반대로 항타 종료 시점의 관입저항이 요구 공칭저항에 필요한 값보다 커야 한다. 나중의 저항 손실을 미리 반영하는 것이다.

수치로 어떻게 반영하는지도 예시되어 있다. 항타 종료에서 setup 기간 후까지 공칭저항이 50% 증가한다면, 요구 공칭저항을 1.5로 나눈 값에 해당하는 타격횟수까지만 항타하면 된다. 이 저감된 기준은 전 저항까지 항타하는 것에 비해 상당한 절감이 된다. 대신 조건이 붙는다 — 대표 비율의 시공말뚝에 재타를 시행해 현장 전반에서 setup이 실제로 일어남을 입증해야 하고, 재타 결과가 요구 공칭저항에 못 미칠 경우를 대비한 대책(더 긴 2차 재타, 또는 더 깊은 관입)을 미리 준비해야 한다.

재타 시기는 지반에 따라 다르다.

지반재타까지의 지연시간

깨끗한 모래1일

실트질 모래2일

모래질 실트3~5일

실트질 점토7~14일 (더 길어질 수 있음)

셰일10~14일 (더 길어질 수 있음)

재타 시기가 관리에 미치는 영향도 지적된다. 세립토에 시공한 마찰말뚝에 너무 짧은 재타 시기를 지정하면 말뚝 길이 초과(overrun)로 이어질 수 있다. 반대로 장기 재타는 공정에 넣기 어려워, 선택된 말뚝에 여러 차례 재타를, 다른 위치에는 단기 재타를 지정하는 방식이 자주 쓰인다.

재타 시행 방법에도 규정이 있다. 차가운 해머를 재타에 쓰지 않는다 — 다른 말뚝이나 지반에 깔아둔 목재 매트에 최소 20회를 타격해 해머를 예열한 뒤 시작한다. 재타에 요구되는 최대 관입은 3 in, 또는 최대 타격 20회 중 먼저 도달하는 쪽이다.

4. 동재하시험이 보는 것

표준적인 동재하시험 장비는 변형률계 2개와 가속도계 2개 이상으로 구성된다. 재사용 가능한 게이지는 말뚝 두부에서 2~3D 아래 위치에 지름 방향으로 마주보게 외부 볼트로 고정한다. 마주보는 변형률계 2개는 유효한 동재하시험의 필수 조건이며, 불균일한 타격과 말뚝 휨의 영향을 평균해 보정하기 위한 것이다.

측정에서 나오는 항목은 세 가지 계열이다.

응력 — 게이지 위치의 압축응력은 측정 변형률과 탄성계수로 계산된다. 다만 연약토를 통과해 암반에 지지되는 말뚝처럼 최대 압축응력이 게이지 위치가 아닌 곳에서 발생할 수 있어, 그 경우에는 신호정합이나 파동방정식 해석으로 다른 위치의 최대 압축응력을 평가한다. 인장응력은 상향파와 하향파의 중첩으로 계산한다.

지지력 — 재타 시 신호정합으로 구한 공칭저항.

건전도 — 아래의 BTA.

Beta 방법은 힘 기록과 속도 기록의 수렴 상태로 말뚝 축을 따라 발생한 손상의 상대적 심각도를 평가하며, 손상이 감지되면 손상 위치의 임피던스 감소량을 BTA 값으로 정량화한다.

BTA손상 정도

1.0손상 없음

0.8 ~ 1.0경미한 손상

0.6 ~ 0.8손상

0.6 미만파손

판정선도 명시되어 있다 — BTA 80% 미만은 손상되었거나 파손된 말뚝에 해당한다. 원래 Beta 방법은 선단저항이 크거나 응력파 반사가 있을 때 선단 부근 손상을 잡아내기 어렵다는 한계가 있었고, 이후 개선에서 정확한 2L/c 시각보다 이르게 나타나는 반사로 선단 부근 손상을 평가하게 되었다. PDA는 이 계산을 수행해 BTT 값이 100%에서 1%로 바뀌는 것으로 조기 선단 반사를 자동 표시한다.

5. 계약도서에서 미리 정해둘 것

현장에서 반복되는 문제로 두 가지가 지목된다.

계약도서에 말뚝 수용 기준이 없거나, 불완전하거나, 서로 모순되는 경우. 시방서는 압축·인발 공칭저항 요구, 필요한 최소 관입깊이(횡저항이나 사용성 요구, 압축성 지층 위의 견고한 층에서 조기에 말뚝을 수용해 버리는 것을 피하기 위한 것, 장애물이나 해머 성능 저하로 인한 높은 항타저항 등), 그리고 저항 검증 방법을 분명히 규정해야 한다.

누가 항타 종료를 결정하는지 불분명한 경우. 시험말뚝 현장에는 발주기관이나 설계시공팀의 검사자, 발주기관의 담당 기술자나 설계 자문, 동재하시험 수행 기술자, 시공사의 현장 책임자가 각기 다른 역할로 함께 있을 수 있다.

6. 정리

항타관리기준 수립 방법은 각각 다른 저항계수를 갖는다.

0.65 → 0.40 변경은 요구 공칭저항 63% 증가, 0.40 → 0.75는 87% 감소다.

신호정합 동재하시험 φ_dyn은 2본·2% 0.65, 100% 0.75, 정재하 병행 0.80, 인장 0.50이다.

파동방정식 저항계수는 0.40에서 0.50으로 변경되었다.

실질 거부는 3 in 이내에서 1 in당 10회, 절대 거부는 1 in에 20회다.

암반 안착에는 ¼ in당 5회 또는 ½ in당 10회가 선호될 수 있다.

setup 50%가 예상되면 요구 공칭저항을 1.5로 나눈 값까지 항타할 수 있다.

재타 지연은 깨끗한 모래 1일 ~ 셰일 10~14일이며, 차가운 해머를 쓰지 않는다.

동재하시험은 마주보는 변형률계 2개가 유효성의 조건이다.

BTA 0.8 미만은 손상 또는 파손이다.

항타 관리에서 어긋나기 쉬운 지점은 검증 방법을 현장에서 바꾸면서 목표 타격횟수를 그대로 두는 것이다. 저항계수가 0.65에서 0.40으로 내려갔다면 같은 설계하중을 지지하기 위해 말뚝은 63% 더 큰 공칭저항까지 들어가야 하고, 그 저항을 낼 수 없는 해머라면 문제는 말뚝이 아니라 항타 시스템 선정에 있다.