S.I.P기초공법(Soil-cement Injected Precast Pile methods)
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1. SIP 기초공법의 개요 기초지반의 지지력은 지반의 강도돠 기초의 크기 및 기초의 근입등에 의해 결정 되는데 지반의 강도가 부족한 경우 기초의 근입을 늘이는 것이 가장 확실한 공법이 라 하겠다. 그러나 기초에 전달되는 하중이 대단히 큰 경우는 기초의 근입이 상당히 늘어나야 하므로 그에 따라 기초전체를 깊게 근입하는데는 상당한 공사비가 소요되 기 때문에 말뚝공법의 도입이 필연적이 된다. 이 공법을 토질 및 기초공학에서는 깊은 기초(deep foundation)공법으로 분류하며 기초공법중 가장 안정된 공법으로 평가하고 있다. 말뚝 공법은 강성이 큰 steel이나 콘크리트, 목재 등을 지층 깊숙히 관입하여 매우 단단한 심층에서 기초가 지지되도 록 하는 것으로 지층의 토립자 구성이 매우 중요한 고려사항이다. 즉, 중간 토층에 서의 말뚝의 관입이 용이하여야 하고 말뚝선단부의 지지력이 확실하여야 한다. 그러 나 하천 인접유역에서는 자갈, 호박돌층이 두껍게 퇴적되어 있는 경우가 많아 타격 에 의한 말뚝근입이 불가능하며 모래, 자갈층은 세굴작용이 일어나므로 선단지지층 으로 사용하기도 곤란하다. 따라서 이러한 지층에서는 대구경의 우물통기초를 하거 나 오거장비등에 의해 미리 삭공하여 현장에서 콘크리트를 치는 현장말뚝(Bores pile)공법 등이 사용되어 왔다. 그러나 이러한 공법들은 말뚝의 크리(단면적)에 비해 비교적 침하량이 크게 나타 나고 기초지반이 이완되며 말뚝주변의 마찰이 크게 감소되어 지반의 지지력이 부족 한 탓으로 말뚝본체의 강도를 충분하게 사용하지 못하므로서 비경제적이 되기가 쉽 다. 본 SIP 공법은 이러한 단점을 보완하므로서 양생후에는 주변 지층의 강도가 증 대되어 말뚝주변의 마찰력(Skin friction)을 크게 증대시키고 아울러 선단부에서도 교반된 Soil-cement가 완전히 충진되어 말뚝의 침하량을 최소화시키는 공법이다. 1.1 SIP 기초공법의 배경 SIP 기초공법은 공법분류상 대변위말뚝(large displacement pile) 공법인 Pre-drilled공법과 무변위말뚝(none displacement pile)공법인 시멘트 몰탈주입공법 (cement mortar into drelled hole)을 합한 것으로 1968년 일본의 기초기술연구소 패 호(貝戶)후일에 의해 원래는 무소음, 무진동공법으로 고안된 공법이다. 이 공법은 그해 시험시공된 이래 처음 몇 년간은 사용이 부진했으나 이후 해마다 사용이 급격히 증가되어 불가 5년후인 1973년에는 일본 전체의 말뚝공사중 33.7%로 사용될 정도로 크게 인정받았다. 국내에서는 1980년대 들어 산발적으로 사용한 실적이 있으며 대단위로서는 1987 년에 한강변에 신축중인 초고층아파트의 기초공법으로 Ø600mm PC콘크리트 말뚝 (길이=20m ～ 26m)을 사용하여 전체 약 5,000본의 말뚝이 두성건설주식회사에 의 해 시공하였으며 공사감리는 (주)동일기술공사 기술단이 맡아 기술자문에 답하고 있다. 이 공법의 주요사항은 크게 지층의 구성, 장비의 능력, Soil-cement의 강도, 기성 말뚝의 선정, 시공관리 등을 열거할 수 있는데 실제로 말뚝공사는 이론과 시공이 잘 맞아야 하는 공사로 특별한 시공관리가 요망된다. 1.2 시공방법 및 효과 본 공법은 오거장비로 소요말뚝구경보다 직경이 10cm정도크게 하여 삭공하며 굴 진시 오거빗트를 통해 Cement Paste와 Bentonite를 배합한 용액을 주입하여 공벽을 보호하면서 설계심도까지 굴진하다. 지지층 부근에서는 부배합의 Cement Paste를 주입하여 원지반토와 충분히 교반하므로서 확장된 선단 지지층으로 사용할 수 있게 한다. 교반작업이 완료되면 기성말뚝을 자중에 의해 공의 내부에 압입한 후 선단부 1.0～1.5m을 햄머에 의해 타입시키므로서 말뚝 선단부가 이완되지 않고 오히려 더 욱 조밀해지도록 하는 효과를 얻는다. 이렇게 하므로서 말뚝선단부의 지지력이 증대될 뿐만 아니라 말뚝 주변의 마찰력 이 타입말뚝(Driven Pile)보다 오히려 크게 나타나 말뚝 본체의 지지력을 100%발휘 할 수 있게 된다. 또한 말뚝의 선단이 개구식(Open Shoe)인 경우 말뚝내부에도 Soil-cement가 충 진되어 말뚝의 유효단면적이 확대되므로 말뚝 자체의 강성에도 더욱 양호한 효과를 주며 말뚝에 가해지는 충격응력이 작아 품질관리면에서도 우수하다. 뿐만 아니라 소음 및 진동이 작아 도심지에서의 작업도 가능하며 지지층까지의 관입이 확실하여 하자발생의 요인이 거의 없다. 1.3 사용장비 구 분 규 격 비 고 PILE-DRIVE 50 TON 파일의 길이. 크기에 따라 변경 AUGER D-120HP 〃 CRAWER 40 TON 〃 350 KW 100 KW 800L X 2련 7 kg/cm 본 오거장비의 특징은 다음과 같다. ⑴ 본 공법에 사용되는 오거장비는 강력한 구동력을 발휘하여 풍화대층(잔적토 및 풍화암)까지 삭공이 가능하다. ⑵ 오거의 회전은 축회전이 가능하여 굴진과 교반작업의 구분 시공이 용이하다. ⑶ 날개(Screw)는 토사와 Cement Paste를 교반시키는 봉형으로된 교반 날개와 배 합토사를 상사로 이동시키는 나선형으로된 교반날개오 구분되어 있고 토층에 따 라 일반적, 호박돌층용, 점성토층용 등 다양하여 지층에 따라서 선택하여 사용이 가능하다. ⑷ 항타장비는 일반적으로 많이 사용되는 Kobe K-25나 Drop Hammer 중에서 말 뚝중량에 따라 적절한 것을 선택하여 사용하고 있다. 1.4 시공순서 ⑴ 사용기계 및 기구의 점검을 실시한다. 특히 오거의 치수, 길이를 정확히 측정하 고 설계심도 부근에는 50cm마다 mark를 한다. 또 배합기 및 계량기에 대해서도 배합비, 사용방법 등을 확실하게 파악한다. ⑵ 말뚝의 시공시점에 설치된 표식과 오거의 중심을 정확히 일치시킨 후 오거가 수 직인가를 확인한 다음에 굴진을 시작한다. ⑶ 굴진용 용액(일반적으로 Soil-cement 1㎥당 시멘트 120kg, Bentonite 25kg, 물 450 ℓ로 배합)을 오거선단에서 주입하면서 중간지층을 굴진한다. ⑷ 지지층을 확인하면 다시 설계심도까지 굴진한다. 이때 설계심도는 적어도 지지층 안에 말둑직경의 3배 이상 관입되어야 한다. ⑸ 설계심도까지 도달하면 굴진용 용액을 근고용(根痼用) 용액(선단부 지층에 따라 다소 차이는 있으나 시멘트:물 = 1:1.2 ～ 1.4 로 하며 시멘트는 400～800kg 정도 로 사용한다.)으로 바꾸어서 수회,수m를 오거로 상하 왕복하면서 교반하여 Cement Paste와 지층이 충분히 교반되도록 한다. ⑹ 오거로 충진액(굴진용 용액과 동일)을 주입하면서 인발한다. ⑺ 말뚝은 공의 중심과 수직이 되도록 세운 뒤 말뚝자중에 의해 압입한다. 이때 압 입길이가 말뚝선단부에서 허용고차(약 2.0 ～ 2.5m)보다 미달되면 말뚝을 인발하 여 재압입하든지 말뚝을 낙차(0.2 ～ 0.5m)로 타격하여 허용고차 범위에 seating 되도록 한다. ⑻ 항타장비에 의해 말뚝을 경타하여 허용최종고차(약 0.5 ～ 1.0m)이내까지 타입시 킨다. 1.5 허용지지력 SIP의 경우 지층에 따라 다소 차이는 있으나 말뚝 주변의 Soil-cement가 상당히 강하여 (일축압축강도가 점성토의 경우 7～20kg/㎠ 사질토인 경우 20～30 kg/㎠ 사력토인 경우 60～120kg/㎠정도)대부분 말뚝본체의 허용지지력 만큼 의 지반지지력을 기대할 수 있다.(2절 설계 및 시공예 참조). 참고로 국내에서 생산되는 PC콘크리트 말뚝의 제원을 살펴보면 다음과 같다. 2. S.I.P 기초공법의 설계 및 시공예 S.I.P 공법이 국내에서 대규모로 시공된 것은 1987년 10월부터 서울특별시 성동구 구선동 강변에 신축되는 초고층 아파트의 기초 말뚝으로 사용된 것이다. 이 지역은 원래 한강 본류가 지나던 곳으로 오랜 세월 동안 자갈, 모래 등이 두껍 게 퇴적되어 있으며 그 위에 근래 약 10～11m 두께로 쓰레기, 실트질 모래 등을 인 위적으로 매립한 곳이다. 이러한 지층에 말뚝을 타입하는 경우 말뚝은 모래층에서 지지하게 되는데 모래의 입자가 세립 내지 중립질로서 지하수의 유수작용에 의해 말뚝선단부에서의 세굴작 용으로 말뚝이 장기간에 걸쳐 침하가 발생하게 되며 상부의 매립층이 느슨하여 수 평하중을 지지할 수 없게 된다. 따라서 말뚝을 Pre-drill하여 기반암의 풍화대층까지 관입하는 것이 불가능하여 처음에는 현장타설말뚝(Bored Pile)으로 고려하였으나 이 또한 자갈층에 호박돌이 많아 선단부의 청소가 불량하여 선단지지력을 크게 기대하 기가 어려운 탓으로 결국에는 SIP공법으로 변환하여 시공하게 되었다. 2.1 지반조사 지반조사는 아파트 기초부지에 대하여 약 10～15m 간격으로 시추조사와 표준관 입저항이 측정되었으며 대표적인 3개소 대하여 말뚝 선단지지층인 풍화암층 (편마 암류)의 불교란시료를 채취하여 실내시험이 이루어졌다. 그 결과 상부의 매립층은 생활발암물이 섞인 실트질 모래로서 기초바닥에서 약 10.4～11.3m까지 나타나고 표준관입저항 N치는 4/30～17/30정도로서 느슨내지 보통 상태의 상대밀도를 나타내며 중간의 충적층은 모래 및 자갈층으로서 심도 15.0～ 19.0m 까지 불규칙하게 분포되어 있다. 모래층의 경우 표준관입저항 N치가 21/30～ 27/30정도로 보통 정도이며 자갈층은 대부분 5cm이하 크기의 둥근 자갈이나 15～ 20cm크기의 호박돌도 약간 섞여 있었다. 한편 하부의 풍화대는 매우 조밀하여 실트섞인 중립 내지 조립질 모래로 구성되 어 있다. 채취된 불교란시료는 농업진흥공사 시험연구실에서 일축압축시험(KSF 2314), 지접단면시험(KSF 2343), 삼축압축시험(KSF 2346) 및 압밀시험(KSF 2316) 이 이루어 졌는데 그 성과는 다음과 같다. ⑴ Boring No. 1 ( 지표 EL(+)18.00m 기준, 지하수위(-) 9.6m ) ⑵ Boring No. 2 ( 지표 EL(+)18.00m 기준, 지하수위(-) 10.4m ) ⑶ Boring No. 3 ( 지표 EL(+)18.00m 기준, 지하수위(-) 11.7m ) (*)는 삼축압축시험 성과임 이상의 지반조사 성과를 종합하여 설계시 적용할 대표적인 지층과 토질특성을 산 정하면 다음과 같다. 주) 탄성계수는 사질토의 경우 일축압축시험 성과와 심층에서의 값은 매우 차이 가 크다. 따라서 본 설계에서는 표준관입 저항 N치를 이용한 Mitchell과 Gardner(1975)의 식 [Es = 50 (N+15)t/㎡]를 이용하였다.