23. 말뚝선단의 폐쇄(closing of end pile)

그림 23-1은 지반 중에 타성한 개단강관말뚝의 관내 유입토 및 그 현장의 주상도를 나타낸 것이다.

이를 보면 말뚝타설시에 세립 점성토는 교란되어 관내로 침입하는 양도 적고 층 두께는 타설 전보다도 상당히 얇으나 조립토의 경우는 약간 얇은 정도의 것이 많고 또한 세립토의 일축압축강도는 상당히 적어지는 경향도 보여진다.

이화 같이 강관 내의 흙기둥은 근입장의 5∼8할 정도가 많고 개단 말뚝은 흙마개로 페쇄된 상태가 된다. 타설시에 선단부는 상층의 토층, 특히 세립토에서 점차 고압으로 관벽에 피상으로 둘러붙어 내측으로 향하여 연륜상의 코어가 형성되어 있는 예도 보고되고 있다.

이러한 개단말뚝의 산단지지력은 폐단말뚝의 선단지지력보다 적다는 것이 현장의 비교실험에서 확인되고 있다. 상기의 흙마개가 지지력에 미치는 영향을 폐쇄효과라 하며, 양적으로는 폐단말뚝을 기준으로 다음의 폐쇄효율에 의하여 평가하는 경우가 많다.

그림 23-2와 같이 말뚝 본체가 지반에 관입될 경우 지반과 말뚝 사이에 마찰력이 생긴다. 이 마찰력에 말뚝 선단부 순단면적의 지지저항을 더한 힘이 작용하중과 균형을 이루는 것으로 고려된다.

관내토의 단면강성(단면적 X 탄성계수)은 말뚝본체 및 그 주변지반보다 현저히 적으므로 관내 흙기둥은 그 주면마찰력에 의하여 쉽게 압축된다. 그 결과 그림 23-2와 같이 관내토와 말뚝본체 사이의 마찰저항은 선단부에서만 생긴다고 고려하면 좋다.

그림 23-3은 모래층에 설치된 d = 400mm 강관말뚝의 압입실험에서 얻어진 축방향력 및 후프(hoop)응력으 분포도인데 말뚜건단에서 2d 까지의 후프응력이 매우 크고 그 사이의 마찰력에 의한 축방향 응력의 감소가 현저하다.

그림 23-4는 d = 800mm의 강관말뚝에 모래를 충진하고 아래로부터 밀어올리는 압상의 경우에 축방향 응력분포로서 2d ∼ 4d 사이의 마찰력에 따라 축방향 응력이 급격히 감소한다.

다이레이턴시를 고려한 관내 모래의 압상에 관한 수치해석 결과에 의하면 하단부터 관벽으로 향하여 압상하중을 전달하는 아치가 생기는 것을 볼 수 있다.

그림 23-5와 같이 관내토 선단 중심축에서 수직으로 나온 아치가 관벽과 이루는 각도는 강관과 모래의 마찰이 극한(미끄러짐)상태에 도달할 경우 마찰게수가 μ = 0.5 ∼ 0.7 이 되므로 θ = 60° 로 된다.

이 결과 아치 OC 사이의 평균경사각을 (θ+90)/2로 하면 AC≒2d 로 추정된다. 이 후 증대하는 압상하중은 대부분 AC사이 극한상태의 마찰에 의하여 강관에 전달되어 강관 축력이 증대한다.

이 축력과 내압의 증가에 따라서 강관지름과 강관두께에도 연관되어 강관변형이 관여된 부정정문제로서 취급되며, 상기의 사실로부터 그림 23-3,4에 나타낸 현상도 알 수 있다.

동일 지반, 동일 근입장의 대구경말뚝을 포함한 각종 말뚝지름의 개단말뚝과 폐단말뚝의 비교실험을 실시한 예가 없으므로 말뚝선단의 폐쇄율과 말뚝지름의 관계를 명확히 나타낼 수는 없다.

상기의 말뚝지름, 강관두께의 영향 외에 토질, 근입장, 관벽에 부착된 세립토 등의 영향도 고려되며, 선단폐쇄효과는 매우 복잡한 양상을 나타내고 있다.