(1) 말뚝재하 시험방법 : 말뚝의 압축 재하시험 방법에는 다음의 여러 가지가 있으며 이들을 간략하게 살펴보면 아래와 같다.
(1.1) 완속 재하 시험방법(Slow Maintained-load Test) : ASTM 표준재하 방법(Standard Loading Procedure)으로 널리 알려진(ASTM D1143-81)이 방법에 의한 재하시험 과정은 다음과 같다.
(1.1.1) 총 시험하중을 8단계 즉, 설계하중의 25%, 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 175%, 및 200%로 나누어서 재하 한다.
(1.1.2) 각 하중 단계별 말뚝머리 침하물(rate of settlement)이 시간당 0.01inch(-0.25mm)이하가 될 때까지, 단 최대 2시간을 넘지 않도록 하여 재하하중을 유지한다.
(1.1.3) 설계하중 200%, 즉 최대 시험하중 재하단계에서 하중을 유지하되 침하량이 0.01inch(-0.025mm)/hr 이하일 경우 12시간, 그렇지 않을 경우 24시간 동안 유지 시킨다.
(1.1.4) 총 시험 하중을 설계하중 25%씩 각 단계별로 1시간 간격을 두어 재하 한다.
(1.1.5) 만약 시험 도중 말뚝의 파괴가 발생할 경우, 총 침하량이 말뚝머리의 직경 또는 대각선 길이의 15%에 달할 때까지 재하를 계속한다.
(1.2) 급속재하 시험방법(Quick Maintain-load Test) : 표준재하방법은 매우 긴 시간이 소요된다는 것이(보통 30내지 70시간) 가장 큰 결점이며 또한 안전 침하율 기준(Zero Settlement)인 0.01inch(-0.025mm)/hr도 환산하여 보면 2.19moter/year가 되어 매우 잘못 인식되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서 안전침하율 기준에 따라 각 하중단계에서 경과시간을 조절하는 것은 별 의미가 없으며 실제로 각 하중단계마다 “동일한” 시간을 유지토록 하는 것이 더 중요하다고 할 수 있다. 이러한 인식 하에서 제안된 방법이 “급속 재하방법”으로서 “New York State Department of Transportation", "The Federal Highway Adminstration" 및 ”ASTM 1143-81(Optional)"의해 권장되고 있으며 그 시험 방법은 아래와 같다.
(1.2.1) 재하하중 단계를 설계하중의 10내지 15%로 정하고 각 하중 단계의 재하 간격을 2.5 내지 15분으로 하여 재하 한다. ASTM에서는 재하 간격을 25분으로 규정하고 있으나 그 시간동안 2~4차례에 걸쳐 gauge 혹은 scale을 읽고 기록하기에는 충분치 못한 것으로 판단되며 대체로 5분 간격으로 하는 것이 실제성이 있는 것으로 본다.
(1.2.2) 각 하중 단계마다 2~4차례(예 : 재하간격 5분일 경우 0, 2.5, 4 및 5분경과 시) 침하량을 읽어 기록한다.
(1.2.3) 시험은 재하하중을 계속 증가시켜 말뚝의 극한 하중에 이를 때까지 또는 재하 장치의 재하용량이 허용되는 범위까지 재하한 후, 최종 하중 단계에서 2.5 내지 15분간 하중을 유지 시킨 후 재하 한다. 일반적으로 최대시험하중을 표준 재하 방법에서와 마찬가지로 설계하중의 200% 혹은 300%까지로 재하 하는 것을 권장하고 있다. 이 방법을 사용하면 대략 2~5시간 이내에 전 시험 과정을 마칠 수 있다.
(1.3) 하중증가 평형 시험방법(Incremental Equilibrium Test) : 이 방법은 Mohan 등에 의해 제안되어, 표준 재하 방법을 개선한 방법으로서 표준 재하 방법에 비해 총소요시간을 1/3가량 단축시킬 수 있으며 그 시험 결과는 표준 재하 방법에 의한 것과 잘 부합되는 것으로 알려져 있다.
(1.3.1) 재하 하중 단계를 설계 하중의 15% 내지 25%로 정한다.
(1.3.2) 재하 하중 단계에서 재하 하중을 일정시간(5~15분)동안 유지시킨 후, 하중 침하량이 평형상태에 도달할 때까지 재하 하중이 감소되도록 방치한다.
(1.3.3) (1.3.2) 항에서 평형상태에 도달하면 다음 단계의 하중을 재하 하는 식으로 같은 방식을 되풀이하여 재하 하중이 최대 시험 하중에 이를 때까지 시험을 계속한다.
(1.4) 일정 침하율 시험방법(Constant Rate of Penetration Test) : 이 방법이 흔히 CRP 시험이라고 불리며 말뚝의 극한 하중을 신속히 결정하기 위한 목적으로 Whitaker에 의해 개발된 것으로서 “Swedish Pile Commission", "New York State Department of Transportation" 및 "ASTM D 1143-81(Optional)"에 의해 권장되고 있는 바 그 시험 방법은 다음과 같다.
(1.4.1) 말뚝의 침하율이 통상 0.0inch/min(-0.25mm/min) sowl 0.1Inch/min(-2.50mm/min)이 되도록 재하 하중을 조절하면서 매 2분마다 하중과 침하량을 기록한다. 침하율을 정하는데 있어 Whitaker는 마찰 말뚝에 대해서는 0.75mm/min, 선단지지 말뚝에 대해서는 1.5mm/min을 사질토인 경우 0.75~2.50mm/min을 제시하고 있다.
(1.4.2) (1.4.1) 의 방법에 의해 재하 하중을 증가시켜 말뚝의 총 침하량이 2~3Inch(-50~75mm)에 달할 때까지 또는 최대 시험 하중에 도달할 때까지 시험을 계속한 후 재하 한다. ASTM에서는 총 침하량이 말뚝머리의 직경 또는 대각선 길이의 15%에 달할 때까지 시험을 계속할 것을 규정하고 있다. CRP시험 방법은 급속 재하 방법(Quick Maintained-lad Test)에서 보다 더 나은 하중-침하량 곡선을 얻을 수 있다는데 그 장점이 있으며 특히 점성토의 마찰 말뚝에 대해 보다 잘 적용된다. 이 방법을 수행하기 위해서는 일정 침하율을 유지하기 위해 지속적으로 유압을 가할 수 있는 특수전용펌프의 구비가 필수적이며 또한 하중과 침하량들을 동시에 읽어내야 하므로 시험 요원의 적절한 훈련을 필요로 한다.
(1.5) 일정 침하량 시험방법(Constant Settlement Increment Test) : 이 방법 역시 CRP 시험방법과 마찬가지로 말뚝의 침하량이 일정한 값만큼 증가 하도록 단계별 재하 하중을 조절하는 방법으로서 그 과정은 아래와 같다.
(1.5.1) 단계별 재하 하중을 말뚝의 침하량이 대략 말뚝머리의 직경 또는 대각선 길이의 1%에 해당하는 값과 같아지도록 조절한다.
(1.5.2) (1.5.1)항의 소정 침하량이 유지하기 위한 재하하중 변화율이 시간당 각 단계에서의 재하 하중 1%미만에 이르게 되면 다음 하중 단계로 옮겨간다.
(1.5.3) 이러한 과정을 계속하여 말뚝의 총 침하량이 말뚝머리의 직경 또는 대각선 길이의 0%에 할 때까지(또는 재하 장치의 용량 한도까지) 시험을 계속한다.
(1.5.4) 재하 하중이 최대 시험 하중에 도달하면 소정 침하량을 유지하기 위한 하중의 변화율이 시간당 최대 시험 하중의 1% 미만이 될 때까지 재하 하중을 유지시킨 후 총 재하하중을 네 단계로 구분하여 재하 하되, 재하 단계별로 말뚝의 Rebound율이 시간당 말뚝 머리의 직경이나 대각선 길이의 0.3%이내에 들어올 때까지 기다린 후 다음 단계의 재하를 행하도록 한다.
(1.6) 반복 하중 재하 방법(Cyclic Loading Test)―ASTM D 1143-81(Optional) : ASTM D 1143-81(Option)에 의한 이 시행방법은 다음과 같다.
(1.6.1) 재하 하중의 하중 단계는 표준재하 방법에서와 같이 정한다.
(1.6.2) 재하 하중 단계가 설계 하중의 50%, 100% 및 150%에 도달하였을 때 재하 하중을 각각 1시간 동안 유지시킨 후 표준 재하 방법의 재하 시와 같은 단계를 거쳐 단계별로 20분 간격을 두면서 재하 한다.
(1.6.3) 하중을 완전히 재하한 후 설계 하중의 50%씩 단계적으로 다시 재하하고 표준 시험 방법에 따라 다음 단계로 재하 하다.
(1.6.4) 재하 하중이 최대 시험 하중에 도달하게 되면 12시간 또는 24시간동안 하중을 유지 시킨 후 재하 하되 그 절차는 표준 재하 방법과 같다.
(2) 말뚝 재하 시험 방법의 선택 : 이상의 여러 가지 시험 방법들 중 어떤 방법을 선택할 것인지는 전적으로 말뚝 재하 시험실시 목적에 따라 결정되어야 한다. 말뚝 재하 시험의 목적은 말뚝 설계를 위하여 설계 지지력 또는 기 시공된 말뚝의 허용 안전 하중을 확인하는 것이다. 말뚝 기초의 설계 개념은 상부 구조물이 파괴에 대하여 안전하여야 한다는 극한 또는 항복하중에 대비하여 일정한 안전율을 강안하는 개념과, 허용 침하량 이상의 침하가 발생되지 않아야 한다는 개념으로 나누어 볼 수 있다. 그러나 대부분의 구조물 설계에서는 이 두 가지 설계 개념을 모두 만족시켜야 한다는 것이 현실이다. 말뚝 재하 시험 결과의 해석에 대한 각국의 설계기준도 의견상 극한 또는 항복하중을 기준으로 하는 개념과 침하량 기준 개념으로 대별할 수 있지만, 말뚝기초의 허용 침하량은 지반 의지 능력 이외에 말뚝의 재질, 길이 등에 따라 큰 차이가 있을 수 있어 순수한 침하량 기준으로 볼 수는 없다. 오히려 침하량 기준, 예를 들면 BS의 0.1D 전침하량 기준 또는 DIN의 2.5%D 잔류 침하량 기준, New York 시의 0.01inch/ton 잔류 침하량 기준은 재하 시험 결과인 하중-시간-침하량 관계의 불분명한 해석을 인위적인 침하량 기준으로 단순화 시켰지만 결국 그 기준 침하량에 해당되는 하중을 극한 또는 항복하중으로 간주하여 안전율을 적용하는 해석법의 한 편법으로 보는 것이 타당할 것이다. 이런 의미에서 국내의 기준, 건설부 제정 「구조물의 설계기준」에서 채택하고 있는 극한 또는 항복하중 결정과 여기에 일정한 안전율을 적용하는 해석법은 설계 개념에 있어 분명하다는 장점을 갖고 있다. 다만 극한 또는 항복하중 결정 방법에 있어 다양한 전침하량 또는 잔류 침하량 기준들이 포함되지 않아 상대적으로 보수적인 해석으로 치우칠 수 있는 가능성이 있다는 문제점이 보완될 필요가 있을 것으로 사료된다. 이상의 설명을 종합해보면 말뚝의 압축 재하실시 목적은 말뚝기초의 극한 또는 항복하중 결정에 있는 여러 가지 해석법들이 있으며 다양한 해석법들을 적용하기 위해서는 하중-전침하량 관계, 하중-잔류 침하량 관계, 하중-시간-침하량 관계 등을 측정하여 종합적으로 판정할 필요가 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 하중-시간-전침하량-잔류침하량 관계를 해석할 수 있도록 필요 충분한 재하 시험의 절차가 요구되며, 그간 실시한 재하 시험의 경험으로부터 아래와 같은 수정된 재하 시험 방법이 적합한 것으로 제안할 수 있다.
(2.1) 최대 재하 하중 : 최대 재하 하중은 설게 하중의 225%로 한다. 단, 시험말뚝의 상황에 따라 말뚝의 파괴가 발생되지 않는 조건에서는 가능한 경우 250%까지 재하 할 수 있다.
(2.2) 재하 하중 단계 : 재하 하중은 설계 하중의 25% 단위로 증가하여 재하 한다.
(2.3) 재하 과정 : 잔류 침하량 기준 적용을 위하여 설계 하중의 50% 단위마다 재하 하여 잔류침하량을 측정하여 분명한 항복이 나타났을 경우에는 추가로 재하 하여 확인한다.
(2.4) 하중 유지 시간 : 각종 기준에서 적용하는 0.01inch/hr 미만이 도면 안전한 것으로 판단하고 다음 단계 하중으로 시험을 계속한다. 설계 하중 단계 또는 설계 하중의 150% 또는 200%에서 6시간 또는 12시간 하중 유지는 실제로 각종 해석상 고려하지 않는 바, 이를 유지할 필요가 없는 것이 합리적인 것으로 판단된다.
(2.5) 기타 : 재하 시험 실시 중 전침하량 기준, 잔류침하량 기준, 하중-시간-침하량 기준 등을 종합적으로 판단하여 분명한 항복하중이 규명된 경우에는 그러한 규정에 충분한 단계 까지만 재하 시험을 계속하여, 무의미한 하중유지 시간에 집착하지 않고 시험을 중단하도록 한다.
이때 각종 해석법들 중 일부 기준만으로 극한 또는 항복하중 판단의 객관성을 확보하는 과정을 필요로 한다. 따라서 말뚝 재하 시험은 전술한 바와 같이 ASTM D 1143 및 KSF2445의 표준 재하 방법에 의거하여 아래와 같은 과정으로 재하 시험을 실시하는 것이 적합하다고 판단된다.
(3) 정재하 시험의 단계
(3.1) 제 1 단계 : 설계 하중의 25%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.2) 제 2 단계 : 설계 하중의 50%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.3) 제 3 단계 : 제하, 잔류침하량 측정
(3.4) 제 4 단계 : 설계 하중의 75%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.5) 제 5 단계 : 설계 하중의 100%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.6) 제 6 단계 : 제하, 잔류침하량 측정
(3.7) 제 7 단계 : 설계 하중의 125%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.8) 제 8 단계 : 설계 하중의 150%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.9) 제 9 단계 : 제하, 잔류침하량 측정
(3.10) 제 10 단계 : 설계 하중의 175%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.11) 제 11 단계 : 설계 하중의 200%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.12) 제 12 단계 : 제하, 잔류침하량 측정
(3.13) 제 13 단계 : 설계 하중의 225%, 침하율 0.25mm/hr 미만이 되거나, 2시간까지 중 빠른 조건까지 하중 유지
(3.14) 제 14 단계 : 제하, 잔류침하량 측정 후 시험 종료
