< Previous기술기사 3 | TECHNOLOGY ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 78 기록되고 있다. 교량 전체길이는 903m, 경간구성은 35 + 86 + 125.5 + 435 + 129.5 + 86 m로 된 6경간 연속교이며 교량 상부거더는 <그림 13>과 같이 폭원 25.3 m, 높이 3.5 m의 1-cell 박스거더로 되어있다. 주탑과 보강거더에 적용된 콘크리트는 일반적인 고강 도 콘크리트 45 MPa를 적용하였으며 사장 케이블은 MS Type(Multi-strand Type)을 중앙부에 1열로 배 치하였다. • 교량 특징 보강거더의 표준 세그먼트 길이는 6.5 m로서 보 강거더의 경량화를 위해 박스거더 내부에는 콘크리 트 격벽 대신에 <그림 14>와 같은 강관 브레이싱을 배치하여 단면의 경량화를 도모하였으며, 설치간격 은 3.25 m로서 케이블 정착부와 일반부가 교대로 설 치하였다. 케이블 정착부는 강성이 큰 각관(□-250× 16 mm)을 설치하고 내부에는 PC강연선(12-S15.2) 으로 보강하여 사장케이블의 인장력에 저항하도록 하 였고 일반구간에서는 강관(Φ267.4×9.3 mm)을 설 치하였다. 평균 풍속 50 m/sec에서 풍하중에 대한 안 전계수 1.3을 만족하고, 평균 풍속 45 m/sec에서 균 열 가능성의 최소화를 위해 수직의 프리스트레싱 텐 던(12-S12.7) 및 고강도(항복강도 490 MPa) 대구경 (D51) 철근을 주탑 하부에 설치하였다. 사장 케이블 보호용 HDPE 덕트는 콤팩트형 150 ~ 200 mm를 사 용하여 직경을 20 % 감소시켰고 풍우진동을 감소시 키기 위해서 2중 나선형의 리브를 부착하였다. ⑦ 애틀랜틱(Atlantic)교 본 교량은 파나마 콜론에 위치하는 교량으로 파나 마 해협의 대서양 입구부를 횡단하고 있다. 해협을 통 과하는 선박 규모를 감안하여 교량 형하고가 75 m로 높을 뿐만 아니라 해협부 주경간장도 대형선박의 교 행을 고려하여 530 m의 장경간을 적용하였다. 주경 간장 530 m는 지금까지 세계 최장 콘크리트 사장교 로 기록되고 있는 노르웨이의 스칸순데트교와 동일 한 규모로 2019년에 개통되었다<그림 15>. 교량 길 이는 3,081 m, 폭원은 23.6 m의 4차로로 구성되어 있으며 단면 형상은 <그림 16>과 같이 측면부에 각 각 박스거더를 배치한 구조이다. 주탑은 델타형상으 로서 전체 높이는 215.5 m이며 도로면에서의 높이는 135 m이다. • 교량 특징 보강거더는 높이 2.6 m인 박스거더를 외측에 배치 하고 횡방향 다이아프램으로 연결하여 횡방향 강성을 그림 13. 보강거더 횡단면도 그림 16. 보강거더 횡단면도 그림 15. 애틀랜틱교 전경 그림 14. 박스거더 내부의 강관 브레이싱 시공전경 제35권 5호 2023. 09 79 증대시켰으며 거더 단면은 유선형과 유사한 형상을 적용하여 내풍에 유리한 구조로 하였다. 보강거더 구 조재료는 열대기후(tropical climate)이면서 염해가 심한 해안 구조물의 환경을 고려하여 콘크리트 거더 를 적용하였으며, 콘크리트 설계기준강도는 50 MPa 이다. 사장케이블은 보강거더 양끝단 돌출부에 정착 되며 종방향 설치간격은 8 m로, 1,860 MPa의 사장케 이블을 사용하였다. 5. 세계 최장경간의 세종포천선 한강횡단교량 기술 특징 본 교량은 고속국도 제29호 세종포천선 구간중 한 강을 횡단하는 교량으로서 2022년 12월에 보강거더 가설이 완료되었고 2024년에 개통예정이다. 한강 횡 단부 사장교의 전체 길이는 1,000m로, 경간구성은 230 + 540 + 230 m의 3경간 연속교이다. 주경간장 540 m는 노르웨이의 스칸순데트교(주경간장 530 m, 1991년)와 파나마의 애틀랜틱교(주경간장 530 m, 2019년)보다 10 m 긴 교량으로 세계 최장경간 콘크 리트 사장교이다. 고속도로는 왕복 6차로로서 표준폭 원은 37.6m이며 주탑 및 사장케이블이 단면 중앙부 에 배치된 1면 사장교이다<그림 17>. • 교량 특징 본 교량은 앞서 소개한 교량들보다 상부폭원이 넓 을 뿐만 아니라 540 m 장경간 구조이므로 보강거더 경량화 및 주탑 슬림화를 추구하였다. 이를 위해 보강 거더는 80 MPa급의 초고강도 콘크리트와 인장강도 (fpu) 2,360 MPa의 내부 강연선, 사장케이블은 인장 강도(fpu) 2,160 MPa인 초고강도 케이블, 주탑 콘크 리트는 설계기준강도 60 MPa 등의 고성능·고강도 건 설재료의 적용을 통해 교량 자중 최소화와 더불어 고 내구성을 확보할 수 있도록 하였다. - 보강거더 넓은 교량폭원에서 거더자중의 저감을 위하여 구조 계획 및 재료 측면에서 특징이 있다. 구조계획 측면에 서는 3-Cell 박스형으로 하고 케이블을 중앙부 복부 에 근접하게 배치하고 내측 Cell에는 횡방향 거더를 설치하여 케이블 장력에 의한 응력을 박스단면 전체 에 골고루 분포시키도록 하였다. 외측 캔틸레버에는 4 m 간격의 변단면 리브를 두어 내측 횡방향 거더와 연속화되도록 하였다<그림 16>. 재료적인 측면에서는 일반적인 콘크리트 압축강도 (40 ~ 50 MPa)보다 훨씬 높은 압축강도 80 MPa의 고 성능 콘크리트가 적용되어 단면의 두께를 최소화하였 다. 콘크리트 배합설계 시에는 거더 콘크리트의 조기 강도 발현 및 장기강도 확보, 그리고 일반적인 FCM으 로 시공되는 박스형 보강거더에서 흔히 발생하는 균 열제어를 위해 조강포틀랜트시멘트, 고로슬래그 그리 고 플라이 애쉬를 적용한 3성분계시멘트를 적용하였 으며 배합설계는 <표 2>와 같다. 동적거동 측면에서는 가설지역의 설계풍속(재현주기 200년)이 34.2m/sec 으로 일반적인 풍환경인 반면, 변장비(주경간장/거더 폭원)가 14.4로서 매우 큰 편이고, 유선형의 거더 단면 형상으로 공기역학적 흐름이 우수하므로 장경간임에 도 불구하고 안정적인 동적거동을 보여주고 있다. - 주탑 주탑은 높이 168.5 m의 일주형(Mono Pylon)을 적 용하였으며 주탑 단면은 케이블 장력에 의해 교축직 각방향 벽체 외부에 작용하는 인장응력 제어에 효과 적인 6각형 단면(길이 : 6.5 m, 폭 : 5.5 m)을 적용하였 그림 18. 보강거더 횡단면도 그림 17. 고속국도 제29호 세종포천선 한강횡단교량 전경 기술기사 3 | TECHNOLOGY ARTICLES Magazine of the Korea Concrete Institute 80 다. 콘크리트 설계기준강도는 단면의 크기가 큰 주탑 하부측은 50 MPa급, 케이블이 정착되고 슬림한 형태 이지만 큰 응력이 발생하는 주탑 상부에는 60 MPa을 적용하였다. 특히, 케이블 정착부의 응력집중 구간은 일반적인 PS강봉 대신에 PS강연선을 서로 엇갈리게 배치하여 보강함으로써 주탑 단면의 효율성을 극대화 하였다. - 사장케이블 사장케이블은 중앙부에 2열 배치되고 종방향 설 치간격은 8 m(거더 세그먼트 길이 : 4 m)이며, 케이 블의 길이는 50 m(주탑부) ~ 290 m(주경간 중앙부) 까지 큰 변화를 이루고 있다. 이와 같이 케이블 길 이가 길고 폭원이 넓은 교량에서는 케이블 직경 증 가로 내풍 거동이 불리해질 수 있는 환경이지만, 인 장강도 2,160 MPa급의 초고강도 MS Type(Multi- strand Type) 적용을 통해 기존에 사용되는 인장강 도 1,860 MPa의 케이블에 비하여 약 14 %의 중량이 감소하였으며 케이블 보호용 HDPE 덕트의 직경도 180 ~ 225 mm로 통상적인 수준의 제원을 적용할 수 있었다. 6. 기술 발전과정의 특징 분석 사장교는 1990년대 초반의 경간장 500 m 수준은 콘크리트나 강재 보강거더 재료의 구분없이 유사한 경간장 범위에서 적용되었으나, 1990년대 중반 이후 로 강합성 사장교, 복합 사장교 및 강사장교에 적용되 는 최대 경간장이 1,000 m 이상까지 지속적으로 확 대되는 추세이다. 콘크리트는 내풍거동에 유리하고 강교량에 비해 유지관리가 용이한 장점이 있으나 경 간장이 증가할수록 시공난이도의 급격한 상승, 콘크 리트 시공 시 어려운 품질관리, 구조적으로 불리한 중 량의 재료, 건조수축 및 크리프 등의 물성변화, 지진 하중 증가 등의 불리한 점이 있다. 그렇지만 지난 40 여년 간 건설된 경간장 400 m 이상의 콘크리트 사장 교는 고성능 콘크리트에 의한 내구성 증진, 고강도 콘 크리트 및 경량 콘크리트 적용을 통한 경량화, 다이아 프램의 경량화, 시공성 및 공기역학적 안정성을 개선 한 보강거더 단면형상, 초고강도 사장케이블 및 방식 기능 증진, 한계상태를 고려한 합리적 설계법 등의 다 양한 기술적 발전 과정이 있었다. 특히 2024년에 개 통예정인 세종포천선 한강횡단교량은 재료, 구조계 획, 단면계획, 설계법, 시공방법 등의 전반적인 측면에 서 기술발전의 집약체로서 38.7m의 광폭교량임에도 불구하고 주경간이 540m라는 세계 최장경간 콘크리 트 사장교로 건설될 수 있었다. 앞으로도 이와 같은 점진적인 기술발전 외에도 최 근 내구수명 200 ~ 300년을 목표로 한 콘크리트 장 대교량이 건설되고 있는 추세를 감안한다면 콘크리트 재료의 장점을 극대화한 장경간 콘크리트 사장교가 이어질 것으로 내다본다. 7. 맺음말 금번 세종포천선의 한강횡단교량 건설은 본고에서 소개한 해외 시공사례에 대한 면밀한 분석 뿐만 아니 라 지난 20여년 간의 국내 시공경험, 초장대교량사업 단의 연구성과 및 공종단계별 내외부 전문가 그룹 자 문 등의 총체적 기술집약의 결과물이라고 볼 수 있다. 이러한 경험은 국내 설계 및 건설기업의 글로벌 위상 제고와 더불어 해외시장 경쟁력을 업그레이드할 수 있는 전환점이 될 것이며, 향후 관련 연구자 및 기술 자들의 협력과 지혜를 모아 콘크리트 사장교 기술을 더욱 확립하고 활성화되기를 기대해본다. 담당 편집위원 : 최하진(숭실대학교) hjchoi@ssu.ac.kr 남일우(한동대학교) namiru@handong.edu 표 2. 보강거더 콘크리트 배합설계(설계기준강도 : 80 MPa) 구분 W/B (%) S/a (%) 단위 중량(kg/㎥) AD (%) BW3종S/PF/ACSSC 배합비23.144.56701553351881475451358801.3제35권 5호 2023. 09 81 1. 김광수, 이병인, “콘크리트 사장교의 건설 동향”, Magazine of the Korea Concrete Institute, 제24권 2호, pp.10-15, 2012. 03. 2. Ito Manabu, “Cable 지지형식 교량의 최근 동향”, 한 국강구조학회지, 제17권 제1호, pp.07-13, 2005. 03. 3. Holger Svensson, “State-of-the-Art of Cable- Stayed Bridges Worldwide”, pp.21-33. 4. H. S. Svensson, E. Jordet, “The concrete cable- stayed Helgeland Bridge in Norway”, Civil . Engineering, pp.54-63, 1996. 5. Juan B. Ripoll, “Practical Experience in the Design of Anchorages for Cable Stayed Bridges”, PCI JOURNAL, pp.94-106, 1986. 6. Fritz Leonhardt, “Bridges: Aesthetics and Design”, 1982. 7. Hongmei Tan, Xiuping Wu, “Recent Achievements and Challenge of Long Span Bridges in China”, Advancements in Civil Engineering & Technology, pp.303-304, 2019. 8. Per Fidjestol, “HIGH PERFORMANCE LIGHTWEIGHT CONCRETE BRIDGES - N O R W E G IA N BA C K GR O U N D A N D EXPERIENCE”, ISHPC, 2003. 9. Tomoki Nakamura, Kazuteru Tsuchida, Hiroshi Ohno, Naoki Nagamoto, “Bai Chay Bridge, Vietnam”,Structural Engineering International 3/2007. 10. RenéWalther, “Cable stayed bridges”. 참고문헌 서상길 공사관리 2팀장은 경 북대학교 대학원에서 “고속도로 교 량의 예방적 유지관리체계 구축방 안 연구”로 박사학위를 취득하였으 며 토목시공기술사이다. 1997년 한 국도로공사에 입사 후 현재까지 고 속도로 건설, 설계, 유지관리업무를 담당하였으며 특히 초장대교량사업 단에서 고덕대교에 적용된 고강도 강연선, 박층포장 기술 등을 국책연 구과제로 수행하였으며, 2023년 3 월부터는 고덕대교 공사관리를 총 괄하고 있다. supexsk@ex.co.kr 이원철 책임기술자는 서울시 립대에서 “고연성재를 이용한 철근 콘크리트 기둥의 내진성능”으로 박 사학위를 취득하였으며 토목구조기 술사이다. 한강의 서강대교 및 마곡대교, 세 종시의 아람찬교를 설계하였으며, 서울시의 시설안전자문단으로 올림 픽대교 주치의를 맡고 있고 2019년 부터 용인∼구리 고속도로의 건설사 업관리 책임기술자 업무를 수행하고 있다. 저서로는 “강아치교 가설공법 의 역사와 발전”등 4권이 있다. struc4177@hanmail.net 윤현식 상무는 영남대학교 졸업 후 경북대학교에서 “고등해석과 유 전자 알고리즘을 이용한 강뼈대 구 조물의 최적설계”로 석사학위를 취 득하였으며 토목구조기술사이다. 아람찬교, 원산안면대교, 선소대 교, 용진대교 및 경도대교를 설계하 였으며, 초장대교량사업단의 장경 간 케이블교량 경제적 설계지침 개 발과 해외 케이블교량 대상 신뢰도 기반 비교설계를 통한 경쟁력 분석 및 통합솔루션 개발 연구과제를 수 행하였다. hsyoun21@gmail.com 박양흠 사업단장 은 금오공과 대학교 대학원에서 "장기공용 콘크 리트 포장의 팽창거동 특성에 관한 연구"로 박사학위를 취득하였으며, 1989년 한국도로공사에 입사하여 밀양-울산 사업단장 및 도로교통연 구원장 등을 역임하였으며, 2021년 12월 부터 용인구리사업단장 업무 를 수행하고 있다. 용인-구리사업단 은 한국도로공사에서 수행하고 있는 14개 사업단 중 가장 규모가 큰 사 업단으로 7개 공구로 구성되어 있으 며, 남한산성터널, 방아다리터널, 고 덕대교 등 대한민국을 대표하는 대 규모 프로젝트가 추진 중이다. hiwayman@ex.co.kr김락현 Rak-Hyun Kim (주)포스코이앤씨 R&D센터 과장 김인철 In-Cheol Kim 피에이치씨탑다운(주) 대표이사 이기철 Ki-Chul Lee 피에이치씨탑다운(주) 부사장 유일욱 Il-Wook Yoo 삼표피앤씨 상무 김봉찬 Bong-Chan Kim 롯데건설 기술연구원 수석 공사기사 | CONSTRUCTION ARTICLE 착탈식 보조말뚝을 이용한 PHC말뚝의 역타시공 기술(PTR공법) PHC Pile Top-down Method by Using Removable Auxiliary Steel Pile Magazine of the Korea Concrete Institute 82 강현준 Hyun-Joon Kang 대우조선해양건설(주) 토목팀 부장 1. 머리말 최근 도심 공사는 협소한 부지와 인접 건물 또는 지하철 근접 시공, 토지 이용 극대화를 위하여 대심도로 굴착하는 특 징을 가지고 있으며, 굴착공사 중 가설 흙막이 벽체의 붕괴 위험 및 주변 건물 침하로 인한 균열 등에 대한 안전, 소음이 나 진동 또는 분진 등에 대한 민원 문제 등을 해결하고자 지하역타공법이 광범위하게 적용되고 있다. 건축구조물의 지하층 시공을 위한 지반굴착 공법은 각종 건설사업에서 가장 먼저 시행되며, 전체 작업 공기에 큰 영향 을 미치고, 전체 공사비의 약 5% 이상을 차지하는 주요 공정이다. 특히 건설 수주 물량이 부족하고 경쟁력이 요구되는 시점에서 경제성 및 공기 단축을 위한 공법 선택은 매우 중요하다. 이러한 이유 등으로 지반굴착공법에 대한 연구가 꾸준 히 이루어지고 있으며, 다양한 지하역타공법이 개발· 적용되고 있다. 지하역타공법에서 기둥(역타기둥)은 흙막이 벽체를 지지하는 버팀보가 연결되는 부분일 뿐만 아니라 지하공사가 완료 된 후에는 상층부의 하중을 기초로 전달하는 건물구조체인 기둥으 로서 역할을 하게 된다. 따라서 천공 및 근입 시 이동 또는 변형되 지 않고 정확한 수직도를 확보할 수 있도록 주의가 요구된다. 역타기둥은 터파기하지 않은 상태에서 지상에서 현장타설콘크 리트 말뚝을 선시공하고 역타기둥의 하단을 현장타설 콘크리트 말 뚝에 근입시키는 방식으로 시공되며, 현장타설 콘크리트 말뚝의 시공방법은 천공장비의 종류에 따라 RCD(Reverse Circulation Drill) 공법, PRD(Percussion Rotary Drill) 공법 및 Earth Drill 공법으로 분류할 수 있다. 최근에는 현장타설 콘크리트 말뚝의 단 점을 극복하기 위해 PHC말뚝을 적용하는 공법이 개발되고 있으 며, 그중 착탈식 보조말뚝을 이용한 PHC말뚝의 역타시공(PTR공 법) 기술에 대해 소개하고자 한다. 그림 1. 착탈식 보조말뚝과 이음용 상부PHC말뚝을 이용한 시공법 개념도제35권 5호 2023. 09 83 2. 착탈식 보조말뚝을 이용한 PHC말뚝 역타시공 기술 본 기술은 역타기둥(H형강 또는 CFT기둥)을 지지하 기 위한 현장타설콘크리트말뚝(PRD/RCD말뚝)을 기성 콘크리트 말뚝인 대구경(D800 ~ 1,000)말뚝으로 대체 하고, 대구경의 PHC말뚝을 공삭공 내에 자유낙하시키 는 것이 아니라 착탈식 보조말뚝을 이용해 목표 선단에 내려놓아 시공한다. PHC말뚝과 역타기둥을 별도의 연결장치를 이용해 연 결하는 대신 이음용 상부PHC말뚝을 매개로 대구경의 PHC말뚝과 역타기둥을 연결한다. 착탈식 보조말뚝 내 부를 통해 모르타르 또는 콘크리트가 이음용 상부PHC 말뚝 내부에 타설되고 역타기둥이 이음용 상부PHC말뚝 내부로 삽입되어 역타기둥과 이음용 상부PHC말뚝이 일 체로 연결된다. 이러한 연결방식은 선단 지지층의 심도 가 달라 PHC말뚝의 근입깊이가 일정하지 않은 경우에 특히 유리하다. 2.1 착탈식 보조말뚝 착탈식 보조말뚝은 강관말뚝으로 PHC말뚝과 볼트로 연결할 수 있도록 고장력 볼트머리가 들어갈 수 있는 원 주방향으로 긴 구멍이 형성되어 있으며, 착탈식 보조말 뚝 연결 및 해체를 위한 회전용 강봉 삽입구가 보조말뚝 의 상하에 있고 PHC말뚝 연결용 탈부착식 플레이트가 착탈식 보조말뚝 하부에 설치되어 있다. 또한 드롭해머 또는 유압해머 타격 시 PHC말뚝 두부 파손을 방지하기 위해 MC나일론 쿠션재를 착탈식 보조 말뚝의 하부에 설치할 수 있도록 되어있다. 착탈식 보조 말뚝과 PHC말뚝 결합체를 인양할 수 있는 러그가 착탈 식 보조말뚝 내부에 설치되어 있으며, 보조말뚝의 길이 를 조절할 수 있는 이음장치가 있다. 착탈식 보조말뚝은 PHC말뚝과 볼트로 연결하여 시공 하고 착탈식 보조말뚝을 회전시켜 연결 및 해체가 가능하 므로 PHC말뚝의 공삭공 시공 시 자유낙하로 인한 말뚝의 손상을 막을 수 있고 깊은 굴착 구간 소요 심도 내 말뚝 시공이 가능하므로 말뚝 자재 손실을 최소화할 수 있다. 또한 착탈식 보조말뚝을 이용한 시공 시 PHC말뚝과 볼트연결 및 쿠션재가 있어 해머 타격으로 인한 두부손 상을 방지할 수 있고, 침하량 확인 및 동재하시험이 가능 하다. 그리고 대구경 PHC말뚝과 착탈식 보조말뚝을 연 결하여 매입공법으로 말뚝을 시공한 후 보조말뚝 내부로 모르타르 또는 콘크리트를 타설하고 역타기둥을 정확한 위치와 심도에 설치가 가능하다. 2.2 이음용 상부PHC말뚝 역타기둥이 설치되는 대구경 PHC말뚝의 상부에는 이 음용 상부PHC말뚝이 연결된다. 이음용 상부PHC말뚝에 는 대구경 PHC말뚝과의 체결을 위해 10개의 매립형 너 트가 설치되어 있고 고장력볼트와 33 mm의 묻힘깊이로 체결되어 최종 결합된 말뚝의 자중을 안정적으로 인양할 수 있다. 또한 기존 대구경 PHC말뚝 구조에 D13 스터럽 철근 이 CTC = 100 mm로 보강되어 있어 역타기둥을 통해 전 달된 하중으로 인한 PHC말뚝의 균열을 방지하여 하중 분담을 안정적으로 할 수 있다. PHC말뚝과 내부로 주입된 모르타르 또는 콘크리트의 그림 2. 착탈식 보조말뚝 개념도(1) 그림 3. 착탈식 보조말뚝 개념도(2)공사기사 | CONSTRUCTION ARTICLE Magazine of the Korea Concrete Institute 84 주면마찰력을 초과하는 하중을 지지할 수 있도록 이음용 상부PHC말뚝의 하단부 내부에 내부구체 지지용 전단철 근을 배치할 수 있으며, 시공 중 작업하중을 고려하여 하 부 철판의 두께(19 ~ 35 mm)를 구조계산하여 PHC말뚝 하부에 부착한다. 이는 작업하중을 고려하여 현장 여건에 따라 구조계산 을 통해 시공자가 두께를 선택할 수 있으며, 하부철판의 접합은 서비스홀에서 하부 PHC말뚝과 먼저 용접하고 보조말뚝과 볼트로 연결된 이음용 상부PHC말뚝을 인양 하여 철판과 용접이음을 한다. 하부철판은 PHC말뚝 근 입 시 PHC말뚝 내부의 공기와 지하수 및 슬라임이 빠져 나갈 수 있도록 에어홀이 있고, 에어홀은 내부로 충진되 는 모르타르 또는 콘크리트가 새어나가지 않도록 덮개 또는 리브라스망이 부착되어 있다. 2.3 시공 순서 및 방법 착탈식 보조말뚝을 이용한 PHC말뚝의 시공순서는 오거 천공(풍화암 1~3m), 슬라임 제거, 1차 그라우팅 및 선단 부 교반, 말뚝(착탈식 보조말뚝+PHC말뚝) 근입 및 착탈 식 보조말뚝 해체, 케이싱 인발 및 2차 그라우팅, 말뚝 경 타, 콘크리트 타설(이음용 상부PHC말뚝 내부), 역타기둥 근입 및 양생, 착탈식 보조말뚝 인발, 천공홀 속채움의 순 서로 이루어지며 각 순서에 대한 내용은 <그림 6>과 같다. 3. 공법 품질 및 성능시험 결과 3.1 착탈식 보조말뚝 체결볼트 인장력 대구경 PHC말뚝을 안전하게 인양할 수 있도록 착탈 식 보조말뚝 체결볼트의 인장력을 시험을 통해 측정하고 그림 4. 이음용 상부PHC말뚝 개념도(1) 그림 5. 이음용 상부PHC말뚝 개념도(2) (a) 오거케이싱 천공(SDA)(b) 슬라임 제거(머케니컬펌프)(c) 1차 그라우팅(선단부) 및 교반(d) 말뚝 근입 및 보조말뚝 해체(e) 오거케이싱 인발 및 2차 그라우팅(주면부) 그림 6. 착탈식 보조말뚝을 이용한 PHC말뚝 역타시공 순서 (f) 말뚝 경타(g) PHC말뚝 내부 콘크리트 타설 (철골 연결부 상부말뚝) (h) 역타용 철골세우기 및 콘크리트 양생 (i) 보조말뚝 인발(j) 천공홀 속채움제35권 5호 2023. 09 85 개수를 결정하였다. 시험방법은 PHC말뚝 상부철판 19, 25 mm 두께에 볼트를 체결하여 항복강도를 측정하였다. 시험결과 19, 25mm 철판에 대한 체결볼트의 평균 인장력은 각각 19.66, 32.64ton으로 볼트 10 ea 적용시 196.7, 326.4 ton을 인양할 수 있으며, 직경 1,000 mm PHC말뚝의 경우, 자중이 약 0.95ton/m로 최대 길이를 40 m로 가정하면 총 38 ton의 자중이 작용하며 이를 10 개의 체결볼트가 하중을 분담하게 된다. 25 mm 철판의 경우 자재비 증가와 자재수급의 문제가 있어 <그림 8>과 같이 철판하부에 고강도 캡너트를 설치하여 19 mm 철 판 사용 시 25 mm 이상의 묻힘깊이로 볼트체결을 통해 인양에 대한 안정성을 확보하였다. 3.2 착탈식 보조말뚝의 시공성 착탈식 보조말뚝의 시공성(안전성, 연결 및 해체)을 검 증하기 위해 (주)포스코이앤씨에서 송도에 수행 중인 현 장에 초고강도 PHC말뚝(D600) 2공을 시험 시공하였다. 시공방법은 PHC말뚝의 강선너트에 고장력 볼트를 체 결한 후 착탈식 보조말뚝을 인양하여 PHC말뚝에 체결 된 볼트가 착탈식 보조말뚝의 연결홈에 들어가도록 거치 하고 착탈식 보조말뚝을 시계방향으로 회전시켜 착탈식 보조말뚝과 PHC말뚝이 볼트로 연결되게 한다. 그리고 오거로 천공한 후 시멘트풀 1차 주입 및 믹싱을 수행하 고 연결된 착탈식 보조말뚝과 PHC말뚝을 서비스홀에서 인양 및 운반하여 천공 홀에 근입한다. 근입된 말뚝은 드 롭해머로 타격하여 지지층에 안착시키고 시멘트풀을 2 차 주입하면서 오거 케이싱을 인발하고 착탈식 보조말뚝 을 해체 후 인양한다. 시험시공을 통해 착탈식 보조말뚝의 인양러그, 안전 핀, 체결볼트로 실제 시공 중 인양에 대한 안전성이 확인 되었으며, 말뚝의 매입공법 시 착탈식 보조말뚝의 지상 에서의 설치와 말뚝 설치 후 지중에서의 해체에 대한 시 공성을 확인하였다. 3.3 착탈식 보조말뚝을 이용한 매입공법 시공성 평가 착탈식 보조말뚝으로 시공된 PHC말뚝이 소요의 지지 력을 발휘할 수 있도록 착탈식 보조말뚝이 타격에너지를 전달시키는데 적절한 성능을 유지하는지 확인하기 위해 동재하시험 및 정재하시험을 실시하였다. 동재하시험 결과 착탈식 보조말뚝을 사용한 경우와 사 용하지 않은 경우의 최종 침하량은 각각 4 mm, 8 mm의 관입량이 기록되었고, 초기동재하(EOID) 및 재항타동재 하시험(Restrike)결과 목표 지지력 600ton을 상회하여 착탈식 보조말뚝 사용여부와 무관하게 말뚝의 소요 지지 력의 확인이 가능하였다. 선행된 동재하시험에서의 지지력 평가결과를 보다 객관 적으로 검증하고 실질적인 허용지지력을 명확하게 평가하 기 위해 신뢰도가 가장 높은 정재하시험을 수행하였다. 착탈식 보조말뚝을 사용한 PHC말뚝의 압축 정재 하시험 결과, 시험하중 1,300 ton에서 전체 침하량 24.19 mm, 잔류침하량 5.05 mm가 측정되었으며 항복 그림 7. 체결볼트 인장시험 전경 그림 8. 19mm 철판 하부 캡너트 그림 9. 말뚝 인양, 시공, 착탈식 보조말뚝 인발공사기사 | CONSTRUCTION ARTICLE Magazine of the Korea Concrete Institute 86 현상이나 극한현상의 징후 없이 최소 650ton 이상으로 해석되어 목표하중 600ton을 안전하게 지지할 수 있는 것으로 판정되었다. 3.4 이음용 상부PHC말뚝의 보강방식 본 기술의 이음용 상부PHC말뚝 내부에는 역타기둥이 삽입되며 모르타르 또는 콘크리트로 일체화된다. 역타기 둥으로부터 하중이 전달되면 이음용 상부PHC말뚝에는 휨응력으로 인한 균열이 발생할 수 있으며 이에 이음용 상부PHC말뚝의 건전성 확보를 위한 보강방식 선정에 대한 실내시험을 수행하였다. 실험체는 직경 1,000mm의 대구경 PHC말뚝에 역타 기둥을 삽입하여 모르타르로 고정시켰으며, 변수는 철 선, 철근(D10) 보강의 두 가지로 수행하였다. 시험결과, 철선으로 보강한 경우에 약 300 ton의 하 중이 가해졌을 때 이음용 상부PHC말뚝에 균열이 발생 하기 시작하였다. 또한, 약 800 ton의 하중 재하 시 이 음용 상부PHC말뚝의 상부에 다수의 종방향 균열이 발 생하였다. 철근(D10)으로 보강한 경우, 초기에 균열은 약 700 ton 하중 재하 시 발생하였으며, 약 900 ton까 지 하중을 재하한 결과 철선 보강한 경우와 마찬가지로 이음용 상부PHC말뚝 상부에 종방향 균열이 다수 관찰 되었다. 이에 이음용 상부PHC말뚝의 보강방법은 직경 10 ~ 13 mm의 철근 보강으로 결정 및 적용하였다. 표 2. 정재하시험 지지력 분석결과 그림 11. 압축시험체 제작도 및 보강방안 상세 그림 12. 압축시험 전경 및 시험결과 그림 10. 동재하시험 및 정재하시험 전경 표 1. 동재하시험 지지력 분석결과제35권 5호 2023. 09 87 3.5 역타기둥과 이음용 상부PHC말뚝 접합부 건전성 이음용 상부PHC말뚝을 철근으로 보강하고 역타기둥 을 삽입하여 모르타르를 충진한 시험체를 제작하여 압축 재하시험을 통해 역타기둥와 이음용 상부PHC말뚝의 접 합부에 대한 안정성 검토를 수행하였다. 역타공법 시공 중 역타기둥을 통해 말뚝이 부담해야 하는 하중은 대부 분 작업하중으로써 일반적으로 약 300 ~ 400 ton이 작 용하고, 안전율을 고려하여 목표 하중을 600 ton으로 설 정하였다. 단 하중재하 시 이음용 상부PHC말뚝 및 역타 기둥의 변형을 모니터링하면서 하중을 최대 1,000ton 까지 재하를 계획하여 시험을 수행하였다. 압축시험결과 1,000 ton까지 하중을 재하하였으며, 이음용 상부PHC말뚝과 채움콘크리트의 계면, 역타기둥 과 채움콘크리트의 계면 및 상부PHC말뚝 본체에서 균 열이 발생하지 않아 접합부의 건전성을 확보하고 있음을 확인하였다. 또한, 하중전이분석 결과 수직방향으로는 압축력이, 수평방향으로는 인장력이 작용하였으며, 하 중이 직접 가해지는 역타기둥에서 3,001 ㎲로 가장 많은 변형률이 발생하였다. 그러나 이음용 상부PHC말뚝에서 의 변형률은 미미한 것으로 나타났다. 4. 적용사례 및 실적 착탈식 보조말뚝을 이용한 PHC말뚝 역타시공 기술은 주상복합, 업무시설, 데이터센터의 역타시공 현장에 중/ 대구경 PHC말뚝의 공삭공 시공 및 역타기둥 시공을 수 행하여 적용실적을 보유하고 있으며, 지반조건은 선단 지층이 45 m 전후에 위치해 있고 연약점토가 분포해있 는 인천 송도지역과 상대적으로 선단 지층이 30 m 전후 에 위치해 있으며 퇴적층과 풍화토가 분포되어 있는 지 반조건에 시공을 완료하였으며, 본 기술의 적용을 통해 기존 현장타설콘크리트 말뚝의 시공품질을 개선하고 경 제성을 확보할 수 있으며, 공기단축을 실현할 수 있었다. 5. 맺음말 기존 역타공법용 말뚝 시공을 위한 현장타설콘크리트 말뚝 공법은 연약지반 조건에서 지지층의 심도가 깊어 오 표 3. 적용사례 및 PJT현황 그림 13. 압축시험 시험체 및 시험전경 그림 14. 수평방향 위치별 하중-변형률 결과 그림 15. 현장별 시공 현황Next >