KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research (대한토목학회논문집)

Korean Society of Civil Engeneers (대한토목학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Numerical Analyses on the Behavioral Characteristics of Side of Drilled Shafts in Rocks and Suggestion of Design Charts

수치해석을 통한 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면부 거동특성 분석 및 설계차트 제시

  • 이혁진 (홍익대학교 토목공학과) ;
  • 김홍택 (홍익대학교 토목공학과)
  • Received : 2006.05.15
  • Accepted : 2006.08.03
  • Published : 2006.11.29
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Situations where support is provided solely in shaft resistance of drilled shafts are where the base of the drilled hole cannot be cleaned so that it is uncertain that any end bearing support will be developed. Alternatively, where sound bed rock underlies low strength overburden material, it may be possible to achieve the required support in end bearing on the rock only, and assume that no support is developed in the overburden. However, where the drilled shaft is drilled some depth into sound rock, a combination of side wall resistance and end bearing can be assumed. Both theoretical and field studies of the performance of rock socketed drilled shafts show that the major portion of applied load is usually carried in side wall resistance. Normal stress at the rock-concrete interface is induced by two mechanisms. First, application of a compressive load on the top of the pile results in elastic dilation of the concrete, and second, shear displacement at the rough surface of the drilled hole results in mechanical dilation of the interface. If the stiffness of the material surrounding the socket with respect to normal displacement is constant, then the normal stress will increase with increasing applied load, and there will be a corresponding increase in the shear strength. In this study, the numerical analyses are carried out to investigate the behavioral characteristics of side of rock socketed drilled shafts. The cause of non-linear head load-settlement relationship and failure mechanism at side are also investigated properly and the design charts are suggested and verified for the leading to greater efficiency and reliability in the pile design.

현장타설말뚝이 주면저항력에 의해서만 지지되는 상황은 천공홀 바닥을 청소할 수 없어서 선단부 지지력의 반현 여부를 확신할 수 없을 때이다. 반대로, 신선한 기반암이 낮은 강도의 상부 재료 하부에 있는 경우는 암반에서의 선단지지력만으로 상부 하중을 지탱할 수 있으며, 상부 재료에서는 지지력 발현을 기대하지 않아도 된다. 그러나 신선암에서 일정 깊이 천공을 실시한 경우, 현장타설말뚝은 주면저항력과 선단지지력 모두를 기대할 수 있다. 암반에 근입된 현장타설말뚝의 거동에 관한 이론적 연구와 현장 시험을 통하여 작용 하중의 대부분이 통상 주면저항력에 의해서 지지되게 된다는 사실이 알려져 있다. 암-콘크리트 접촉면에서의 수직응력은 두 가지 기구에 의해 증가하게 된다. 먼저, 말뚝 상부에 작용하는 압축하중에 의해서 콘크리트는 탄성 다이레이션이 발생하고 두 번째로 거친 천공홀 표면에서 전단 변위를 통해서 접촉면의 역학적 다이레이션이 발생되게 된다. 수직 변위에 대한 근입부 주변 물질의 강성도가 일정하면, 작용하중이 증가함에 따라서 수직응력은 증가하게 되며 따라서, 전단강도의 증가 현상이 발생하게 된다. 본 연구에서는 수치해석을 통하여 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면부 거동특성을 조사하였다. 또한, 두부의 하중-침하량(선단부 침하량+말뚝의 탄성변형량) 관계가 비선형성을 띠는 원인 및 파괴기구를 충분히 조사함으로써 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면저항력에 영향을 미치는 요소들을 모두 고려하여 국내 풍화암 및 연암에 근입되는 현장타설말뚝의 설계차트를 제시하고 이를 검증하였다.

Keywords

References

  1. 김원철,황영철,안창윤(2005),현장타설말뚝의 잔류응력 분포에 관한 연구,한국지반환경공학회 논문집,한국지반환경공학회,제6권 제1호,pp. 45-51
  2. 김원철,황영철,황성식(2002),암반에 근입된 현장타설말뚝의 정재하시험결과와 지지력이론식의 비교,한국지반환경공학회 논문집,한국지반환경공학회,제3권 제4호,pp. 51-58
  3. 남정봉,서보국,김명학(2004),풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 지지력 산정평가,대한토목학회 정기학술대회,pp. 2378-2383
  4. 백규호,사공명(2003),암반에 근입된 현장타설말뚝의 지지력 산정기준에 대한 평가,한국지반공학회논문집,한국지반공학회,제19권 제4호,pp 95-105
  5. 사공명,백규호(2003),Hoek-Brown 공식을 이용한 현장타설말뚝의 주면마찰력 산정, 한국지반공학회논문집,한국지반공학회,제19권 제1호,pp. 209-220
  6. 사공명,백규호(2004),크기효과를 고려한 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주변마찰력,한국지반공학회논문집,한국지반공학회,제20권 제9호,pp. 115-123
  7. 사공명,천병식(2005),암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면마찰력 크기 효과에 대한 고찰,2005 대한토목학회 정기학술대회,pp. 3949-3952
  8. 이명환,조천환,유한규,권형구(2003),국내 암반에 근입된 현장 타설말뚝의 소켓벽면 거칠기에 관한 연구,한국지반공학회 봄학술발표회,pp. 431-438
  9. 이영휘,김용준(2003),암반의 경계조건을 고려한 절라면 직접전단시험기 개발, 한국지반공학회논문집,한국지반공학회,제19권 제2호,pp. 147-157
  10. 이인모,홍은수,배석일,이석원(2002),암석의 절리면 거칠기 정량화 기법 개발을 통한 절리면 전단강도 특성 분석,한국지반공학회 논문집,한국지반공학회,제18권 제4호, pp 229-238
  11. 이혁진,김홍택(2006),암반에 근입된 현장타절말뚝의 주면부 거동에 영향을 미치는 변수분석을 위한 수치해석, 대한토목학회 논문집,대한토목학회,제26권 제6C호,pp. 395-406
  12. 장명환,양형식(1999),암반구조물의 수치해석을 위한 입력자료의 비교분석, 터널과 지하공간,한국암반공학회 논문집,한국암반공학회,제9권,pp. 221-229
  13. 정상섬,설훈일,정우현(2005),굴착변 거칠기 및 GSI를 이용한 암반 근입 현장타설말뚝의 주면 하중전이힘수 산정,2005 대한토목학회 정기학술대회,pp. 3937-3940
  14. 정상섬,정우현,설훈일(2005),일정수직강성시험을 통한 암반근입 현장타설말뚝의 주면마찰력특성분석,지반공학공동학술발표회 논문집,pp. 489-498
  15. 조천환,이명환,김성회,이혁진,유한규(2003),국내 현장타설말뚝의 주면 접촉부에 대한 일정강성도 전단시험,한국지반공학회 봄학술발표회 논문집,pp. 147-152
  16. 조천환,이명환,유한규,권형구,박언상(2003),암반에 근입된 현장타설말뚝의 벽면거칠기 특성,2003,한국지반환경공학회 논문집,한국지반환경공학회,제4권 제2호,pp. 5-13
  17. 조천환,이혁진,이명환(2003), 암반의 일축압축강도를 이용한 암반에 근입된 현장타설말뚝의 주면 저항력 산정 방볍, 한국지반공학회 기초기술학술발표회,pp. 59-72
  18. 천병식,김원철,서덕동(2004),IGM에 근입된 말뚝의 지지력 해석을 위한 기준침하량 결정방법 제안,한국지반환경공학회 논문집,한국지반환경공학회,제5권 제2호,pp. 17-30
  19. 천병식,김원철,서덕동,윤우현(2004),현장티설말뚝의 하중전이 시험 결과를 이용한 IGM 이론의 적용성 평가,한국지반공학회 논문집,한국지반공학회,제20권 6호,pp. 29-40
  20. 천병식,김원철,최용규,서덕동(2003),현장타설말뚝의 정재하시험에 의한 지지력과 이론식에 의한 지지력과의 비교,한국지반공학회 논문집,한국지반공학회,제19권 제2호,pp. 237-246
  21. 홍원표,여규권,이재호(2004),대구경 현장타설말뚝의 침하특성 사례연구, 2004 대한토목학회 정기학술대회, pp. 1324-1329
  22. AASHTO (2000) Standards specifications for highway bridges, American Association of State Highway and Transportation officials
  23. Aurora, R. P. and Reese, L. C. (1977). Field tests of drilled shafts in clay-shales, Proc. 9th Int. Can! Soil Mechanics and Foundation Engineering, pp. 371-376
  24. Brett, Gunnink, and Chad, Kiehne (2002) Capacity of drilled shafts in Burlington limestone, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 128, No.7, pp. 539-545 https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2002)128:7(539)
  25. Canadian Geotechnical Society (1992) Foundation Engineering Manual
  26. Carter, J. P. and Kulhawy, F. H. (1988) Analysis and design of drilled shaft foundations socketed into rock, 1493-4, Cornell University
  27. Collingwood, Benjamin, B. E. (2000) The effects of construction practices on the per- formance of rock socketed bored piles, Ph. D. Thesis, Monash University
  28. FHWA (1999) Drill Shafts: Construction procedures and design methods., National High- way Institute
  29. GEO (1996) Pile design and construction, Geotechnical Engineering Office, Hongkong
  30. Gibson, G. L. (1973) Field and laboratory investigation for design of rock socketed caiss- ons on a multi-story building founded in sound limestone, M. Eng. Sc. Thesis, Carleton University, Ontario
  31. Gupton, C. and Logan, T. (1984) Design guidelines for drilled shafts in weak rock in South Florida, Preprint, Annual Meeting of South Florida Branch of ASCE, Miami, FL
  32. Hassan, K. M. and O'Neill, M. W. (1997) Side load transfer mechanisms for drilled shafts in soft argillaceous rock, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 123, No.2, pp. 145-152 https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(1997)123:2(145)
  33. Hoek, E., Carranza-Torres, C. T., and Corkum, B. (2002) Hoek-Brown failure criterion - 2002 edition. Proc. North American Rock Mechanics Society meeting
  34. Horvath, R. G. and Kenny, T. C. (1979) Shaft resistance of rock socketed drilled piers, ASCE, Annual Convention
  35. Hughes, T. J. ${\infty}$R., Taylor, R. L., Sackman, J. L., Curnier, A., and Kanoknukulchai, W. (1976) A finite element method for a class of contact-impact problems, J. Comp. Methods in Appl. Mech. and Engrg., Vol. 8, pp. 249-276 https://doi.org/10.1016/0045-7825(76)90018-9
  36. Johnston, I. W. and Lam, T. S. K. (1989) Shear behaviour of regular triangular concrete- rock joints-analysis, Jnl. Geotech. Engg. ASCE Vol. 115, No.5, pp. 711-727 https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1989)115:5(711)
  37. Kulhawy, F. H. and Phoon, K. K. (1993) Drilled shaft side resistance in clay soil to rock, Proc. Conf. on design and performance of deep foundations - piles and piers in soil and soft rock. Geotechnical Special Publication No. 38. ASCE, pp. 172-183
  38. Ladanyi, B. and Archambault, G. (1970) Simulation of shear behaviour of a jointed rock mass, Proc. 11TH Symp. on Rock Mechanics: Theory and Practice, pp. 105-125
  39. McKenzie, I. M. (1969) Foundation load tests on Sydney sandstone, Rock Mechanics Symposium, University of Sydney, pp. 173-180
  40. McVay, M. C., Townsend, F. C., and Williams, R. C. (1992) Design of socketed drilled shafts in limestone, Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 118, No. 10, pp. 1626-1637 https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1992)118:10(1626)
  41. NAVFAC (1986) Foundation and earth structures, Design Manual Department of Navy, Naval Facilities Engineering Command
  42. Parkin, A. K. and Donald, I. B. (1975) Investigation for rock socketed piles in Melbourne mudstone, Proceedings of the Second Australia-New Zealand Conference on Geomechanics, Brisbane, pp. 195-200
  43. Pells, P. J. N., Rowe, R. K., and Turner, R. M. (1980) An experimental investigation into side shear for socketed piles in sandstone, Proceedings of the International Conference on structural foundations on rock
  44. Reese, L. C. and O'Neill, M. W. (1988) Drilled shafts. Construction procedures and design methods. FHWA-HI-88-042, Federal Highways Administration, Washington D. C.
  45. Rosenburg, P. and Journeaux, N. L. (1976) Friction and end bearing tests on bedrock for high capacity socket design, Canadian Geotechnical Journal, Vol. 13, No.3, pp. 324-333 https://doi.org/10.1139/t76-033
  46. Reynolds, R. T. and Kaderabeck, T. J. (1980) Miami limestone foundation design and construction, Preprint No. 80-546, South Florida Convention, ASCE
  47. Seidel, J. P. (1993) The analysis and design of piles socketed into weak rock, Ph. D. Thesis, Monash University
  48. Tomlinson, M. J. (1977) Pile design and construction practice, Viewpoint publications, Cement and concrete association, London
  49. Williams, A. E, Johnston, I. W, and Donald, I. B. (1980) The design of socketed piles in weak rock. Intl. Conf. structural foundations on rock