2012 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A029

기능성말뚝의 철도교 적용성에 관한 고찰

A Study on the Applicability of High-Performance Piles on Railway Bridges

김일태*†, 김성용**, 김명민***

Il Tae Kim*†

, Seong Ryong Kim**

, Myung Min Kim***

Abstract In the construction industry which includes the fields of civil engineering and architecture, steel pipe piles and PHC piles are the most commonly used type. Among the two, steel pipe piles have been mostly used because of its structural performance and constructability. For the raw material steel, we depend entirely on imports. However, high construction costs caused by increasing steel price, have resulted in less use of steel in construction. In contrast, PHC piles have excellent cost benefits but it is also restricted in large horizontal forces acting Structures. Therefore, the composite piles have been used recently which combine both the structural performance of steel pipe piles and the economic feasibility of PHC piles. In conclusion, the aim of this research is to study the characteristics of high-performance piles as the composite piles have shown the increased demand recently, and to study on the applicability of it on railway bridges.

Keywords : Steel pipe pile, PHC pile, Composite pile, DEX(Dongbu head Extended) pile, High-performance pile

초 록 토목분야 및 건축분야를 포함한 건설시장에서 주로 사용되고 있는 말뚝의 형태는 강관말뚝과 PHC말뚝이 대표적이다. 이 중 강관말뚝은 구조적 성능 및 시공성이 우수하여 많이 사용되어 왔다. 하지만 원자재인 철강재를 전량 수입에 의존하고 있고, 계속되는 가격 상승이 전체공사비의 증가로 이어져 건설분야에서 점차 그 사용이 줄고 있는 실정이다. 반대로 PHC말뚝은 경제성면에서 뛰어난 장점이 있지만 수평력이 크게 작용하는 구조에서는 사용이 제약된다. 그래서 최근에 강관말뚝의 우수한 구조적 성능과 PHC말뚝의 경제성을 갖는 복합말뚝의 사용이 빈번해지고 있다. 따라서 본 연구에서는 복합말뚝과 같이 최근 그 수요가 늘고 있는 기능성말뚝의 특징들을 살펴보고, 철도교량의 적용성에 관한 고찰을 하고자 한다.

주요어 : 강관말뚝, PHC말뚝, 복합말뚝, 선단확장형 강관말뚝, 기능성말뚝

1. 서 론

토목분야 및 건축분야를 포함한 건설시장에서 일반적으로 사용되는 말뚝으로는 강관말뚝,

PHC말뚝 등이 있다. 그 중 강관말뚝은 전단저항, 인발저항, 휨저항이 아주 우수하고, 현장

에서 취급이 용이하며, 암선의 기복이 심한 곳에서도 시공이 편리하여 가장 많이 사용되어

왔다. 하지만 말뚝으로서 여러 장점에도 불구하고, 원자재인 철강재를 전량 수입에 의존하

고 있고, 계속되는 가격상승으로 인하여 공사비를 크게 증가시킴으로서 강관말뚝의 시장 점

† 교신저자: (주)서영엔지니어링 구조연구팀(dlfxo95@hanmail.net)

** 한국철도시설공단 건설본부 일반철도처

*** (주)포유엔지니어링 기술연구팀

유율은 최근들어 급격히 감소하는 추세이다.

PHC 말뚝은 1990년 초에 도입이 되어 건축분야는 물론 철도교량에서도 그 수요가 급격히

증가하고 있다. 장점으로는 압축저항이 우수하고 비교적 가격이 안정적이고, 강관말뚝에 비

해서 매우 경제적이라는 점이다. 하지만 전단저항, 인발저항, 휨저항이 취약해서 수평력이

많이 발생하는 곳에서는 그 사용이 제한되고 있다.

그래서 최근에는 강관말뚝과 PHC말뚝의 특징들을 조합한 복합말뚝과 기존 강관말뚝의 선

단부를 확장하여 강관말뚝의 선단지지력을 증대시켜 기초부분의 경제성을 도모하고 말뚝외

경, 두께, 재질을 적절히 변경하여 최적의 설계를 할 수 있는 선단확장형 강관말뚝 등 기능

성말뚝의 적용성이 대두되고 있다.

2. 기능성말뚝의 개요

2.1 복합말뚝

복합말뚝이란 상부는 강관말뚝, 하부는 PHC말뚝으로 두 개의 기성말뚝을 결합구라는 매개

체를 이용하여 강관과 PHC를 연결하여 일체화시킨 말뚝이다. 복합말뚝의 가장 큰 장점은 강

관말뚝과 구조적 성능이 동등하면서 경제성을 꾀할 수 있는 점이다. 하지만 말뚝길이가 약

12m이하에서는 경제성 확보가 어렵고, 지지층(암층)이 불규칙할 경우는 PHC말뚝의 길이를

조절할 필요가 있다.

2.1.1 결합방법 및 성능평가

국내에 사용되고 있는 복합말뚝은 결합구와 PHC말뚝의 결합방법에 따라 크게 일체식, 용접

식, 볼트식 이 세가지로 나누어 진다. 일체식은 공장에서 PHC말뚝이 생산되는 과정에서 강선

에 의해 PHC 말뚝과 일체화하는 방식이며 용접식은 결합구와 PHC말뚝을 용접하는 방식이다.

마지막으로 볼트식은 접속플레이트를 이용하여 PHC 말뚝을 감싼 후 결합구와 PHC말뚝에 볼트

를 체결하여 일체화가 되는 방식이다.

복합말뚝의 성능평가를 위한 압축 및 휨에 대한 실험결과, 압축실험에서는 강관말뚝의 좌굴

로 인한 파괴가 발생되고 휨실험에서는 PHC말뚝의 균열에 의한 파괴가 발생한다. 또한 유한요

소해석에서 PHC말뚝이 허용응력을 벗어났지만 강관과 결합구는 안정한 것으로 나왔다.

Fig. 1 복합말뚝의 압축 및 휨 실험과 파괴형상

압 축 실 험 강관말뚝상부 좌굴 4점재하 휨실험 PHC말뚝 파단

2.1.2 생산 및 시공방법

복합말뚝의 생산 및 시공방법은 Fig. 2와 같이 결합구 제작, 연결장치(결합구) 조립, 콘크

리트 타설, 현장운반 및 강관연결, 말뚝시공 순으로 기존의 말뚝 시공과정과 유사하며 별도

의 추가작업은 없다. 다만 강관말뚝구간 깊이를 확보하고 항타시 PHC말뚝의 선단파괴를 방

지하기 위해 천공후 매입하는 방식을 원칙으로 한다. 하지만 부득이한 경우 항타도 가능하

다.

2.2 선단확장형 강관말뚝(DEX Pile)

선단확장형 강관말뚝은 강관말뚝의 선단부를 확장하여 지반의 선단지지력을 증가시켜 말뚝

의 내하력을 최대한 효율적으로 사용할 수 있는 말뚝이다. 일반적으로 말뚝 설계시에 지반지

지력은 800kN~1200kN 정도이다. 그러나 자주 사용하는 강관말뚝 Φ508×12t의 1본의 내하력은

부식두께를 고려하더라도 약 2067kN, Φ508×9t의 경우에도 약 1421kN을 받을 수 있다. 이는

말뚝은 더 큰 작용하중을 받을 수 있음에도 불구하고, 지반이 견딜수 있는 지반지지력에 의해

말뚝본수가 결정된다는 뜻이다. 그러므로 좀 더 효율적인 설계를 위해서는 지반지지력을 키워

야 한다. 지반지지력은 선단지지력과 주면마찰력의 합으로 구해지나, 주면마찰력은 여러가지

불확실성으로 인하여 그 값을 키우는데 불안 요소가 많은 것이 현실이다. 이에 반해 국내의

말뚝 설계 및 시공시에 말뚝선단은 지지층(암층)에 매입 또는 상단에 놓이도록 하고 있어 선

단지지력은 확실하게 보장할 수 있다고 할 수 있다. 그러므로 선단면적을 키움으로써 지반지

지력을 키워 말뚝수를 감소시킬 수 있는 설계가 가능해진다. 말뚝수를 감소시킬 경우, 말뚝공

사비 감소, 그에 따른 기초크기 감소, 콘크리트 및 철근량 감소, 공기단축 등의 효과가 나타

나 추가로 공사비를 절감할 수 있어 말뚝의 경제적인 설계가 가능해진다.

일반 Pile

선단지지력

P P

선단지지력=A x N x Ap

A:시공법에 따른계수 N :말뚝선단N치 Ap:파일의선단면적

=>선단지지력은선단면적에비례( 직경의제곱증가)

지반 지지력 = 선단지지력+ 주면마찰력

DEX Pile

파일

내력

파일

내력

주면마찰력주면마찰력

선단지지력

작용하중 작용하중

Fig. 3 선단확장형 강관말뚝 설계개념도

Fig. 2 복합말뚝의 생산 및 시공과정(일체형 복합말뚝)

DEX Pile일반 Pile

2.2.1 특징 및 성능평가

선단확장형 강관말뚝은 다양한 설계조건에 따라 말뚝외경, 본수, 두께, 재질(SKK400,

SKK490)등의 변경으로 설계단계에서 최적

의 설계대안을 제시할 수 있고 나아가 강

관말뚝의 특징을 모두 갖추고 있다는 장점

이 있다. 하지만 선단확장으로 인한 말뚝

1본당의 시멘트 페이스트량은 조금 증가하

게 되는데 말뚝 본수를 줄이게 되므로 그

에 따른 공사비 증가는 미미하다고 할 수

있다. 그리고 선단확장형 강관말뚝은 강관

말뚝과 구조적 성능이 동일하며 Fig. 4와 같

이 선단확장부의 압축시험을 통하여 그 안

정성을 확인한 결과, 최대가력하중 재하시

에 확장부의 균열 및 파손 없이 매우 안정

된 결과를 보였다.

2.2.2 생산 및 시공방법

선단확장형 강관말뚝은 동부제철에서 자체 생산한 열연원료를 이용하여 제품생산까지 일관

생산체제방식으로 제작하며, 원료의 외부 구매로 인한 중간마진을 절감하여 경제성을 증진한

다. 시공방법도 복합말뚝과 같이 기존의 방법과 다르지 않고, 추가 작업 또한 필요치 않다.

선단확장형 강관말뚝은 선단확장으로인해 시공장비에 의한 굴진성능이 일반말뚝에 비해 떨어

지기 때문에 천공후 매입하는 방식을 원칙으로 하며 부득이한 경우 항타도 가능하다.

3. 경제성 분석

3.1 분석개요

경제성 분석을 위한 비교대상으로 철도교 교대(역T형, PSC BEAM 25m 복선)와 교각(π형,

PSC BEAM 25m 복선, PRECOM 30m, 35m 복선)을 선정하였으며 교대의 경우는 교대높이와 말뚝길

이, 교각의 경우는 상부구조의 경간장과 말뚝길이를 변수로 선정하였다.

3.2 공사비 분석

3.2.1 교대

Table 1 말뚝 설계에 사용된 설계조건

구 분 설 계 조 건

지반근입깊이 말뚝선단N치 말뚝중앙부N치 말뚝머리N치 말뚝시공

특성치 1.0D(연암지지) 50 30 11 내부굴착말뚝

Fig. 4 선단확장형 강관말뚝의 성능시험

대상 교대의 말뚝은 수평력이 많이 발생하는 구조이며 말뚝의 응력과 변위가 지배적이므로

PHC말뚝과 선단확장형 강관말뚝은 비경제적 설계가 되어 비교대상에서 제외시켰다.

Table 2 교대 말뚝 공사비(자재비) 비교

구분 교대

높이(m)

말뚝

길이(m)

강관말뚝(Ф508x12t) 복합말뚝(Ф500x12t)

본수(EA) 본당 공사비 총금액(원) 본수(EA) 본당 공사비 총금액(원)

8A10 8 10 35 1,695,540 59,343,900 35 1,644,120 57,544,200

8A20 8 20 35 3,571,080 124,987,800 35 2,346,020 82,110,700

10A10 10 10 48 1,695,540 81,385,920 48 1,644,120 78,917,760

10A20 10 20 48 3,571,080 171,411,840 48 2,346,020 112,608,960

12A10 12 10 64 1,695,540 108,514,560 64 1,644,120 105,223,680

12A20 12 20 64 3,571,080 228,549,120 64 2,346,020 150,145,280

3.2.2 교각

대상 교각의 말뚝은 철도교 특성상 수평력이 상대적으로 도로교보다 크게 작용하였으나 말

뚝의 지지력이 지배적이므로 강관말뚝, 복합말뚝, PHC말뚝, DEX Pile에 대해 비교 정리하였다.

Table 3 교각 말뚝 공사비(자재비) 비교(1)

구분 경간장

(m)

말뚝

길이(m)

강관말뚝(Ф508x9t) 복합말뚝(Ф500x9t)

본수(EA) 본당 공사비 총금액(원) 본수(EA) 본당 공사비 총금액(원)

25P10 25 10 48 1,279,740 61,427,520 48 1,429,950 68,637,600

25P20 25 20 48 2,739,480 131,495,040 48 1,870,900 89,803,200

30P10 30 10 48 1,279,740 61,427,520 48 1,429,950 68,637,600

30P20 30 20 48 2,739,480 131,495,040 48 1,870,900 89,803,200

35P10 35 10 56 1,279,740 71,665,440 56 1,429,950 80,077,200

35P20 35 20 64 2,739,480 175,326,720 64 1,870,900 119,737,600

구분 경간장

(m)

말뚝

길이(m)

PHC말뚝(Ф600x90t) DEX PILE(Ф457x9t)

본수(EA) 본당 공사비 총금액(원) 본수(EA) 본당 공사비 총금액(원)

25P10 25 10 49 693,630 33,987,870 42 1,194,750 50,179,500

25P20 25 20 49 1,603,260 78,559,740 42 2,403,300 100,938,600

30P10 30 10 49 693,630 33,987,870 42 1,194,750 50,179,500

30P20 30 20 56 1,603,260 89,782,560 42 2,403,300 100,938,600

35P10 35 10 56 693,630 38,843,280 49 1,194,750 58,542,750

35P20 35 20 63 1,603,260 101,005,380 49 2,403,300 117,761,700

Table 4 교각 말뚝 공사비(기초) 비교(2)

구분 강관말뚝(Ф508x9t) 복합말뚝(Ф500x9t) PHC말뚝(Ф600x90t) DEX PILE(Ф457x9t)

25P10 41,499,375 41,499,375 50,114,175 41,499,375

25P20 41,499,375 41,499,375 50,114,175 41,499,375

30P10 55,100,175 55,100,175 56,244,825 55,100,175

30P20 55,100,175 55,100,175 60,560,625 55,100,175

35P10 59,264,175 59,264,175 69,632,625 59,264,175

35P20 59,264,175 59,264,175 77,720,025 59,264,175

Table 5 교각 말뚝 공사비(합계) 비교(3)

구분 강관말뚝(Ф508x9t) 복합말뚝(Ф500x9t) PHC말뚝(Ф600x90t) DEX PILE(Ф457x9t)

25P10 102,926,895 (100%) 110,136,975 (107%) 84,102,045 (82%) 91,678,875 (89%)

25P20 172,994,415 (100%) 131,302,575 (76%) 128,673,915 (74%) 142,437,975 (82%)

30P10 116,527,695 (100%) 123,737,775 (106%) 90,232,695 (77%) 105,279,675 (90%)

30P20 186,595,215 (100%) 144,903,375 (78%) 150,343,185 (81%) 156,038,775 (84%)

35P10 130,929,615 (100%) 139,341,375 (106%) 108,475,905 (83%) 117,806,925 (90%)

35P20 234,590,895 (100%) 179,001,775 (76%) 178,725,405 (76%) 177,025,875 (75%)

3.3 소 결

교대에서는 예상한 바와 같이 복합말뚝이 12m이상의 긴 말뚝에서 강관말뚝을 대체할 만한

경제성을 확보하였고, 교각에서는 경간장에 관계없이 짧은 말뚝은 PHC말뚝이 가장 경제적이었

으며, 긴 말뚝은 경우에 따라 복합말뚝과 선단확장형 강관말뚝 등 기능성말뚝의 경제성이 확

보됨을 알 수 있다.

4. 결 론

1) 복합말뚝은 철도교량의 교대에 주로 사용되는 강관말뚝을 충분히 대체할 수 있는 경쟁

력이 있을 것으로 판단되며, 교각에서 복합말뚝은 말뚝의 길이가 짧은 경우는 사용을

신중히 검토해야 하나, 말뚝의 길이가 충분히 길 경우에는 복합말뚝과 선단확장형 강

관말뚝 등 기능성말뚝이 PHC말뚝과도 경제성이 대등하여 교각의 적용에 있어서도 경쟁

력이 있으므로 공사비 분석을 통하여 말뚝의 종류를 선택하는 것이 바람직하다고 판단

된다.

2) 선단확장형 강관말뚝의 경우는 말뚝본수를 줄여 공사기간 단축과 관련된 공사비는 반

영하지 않았으며, 취급부주의로 인한 PHC말뚝의 불량률 등을 고려한다며 철도교 교각

에 대한 적용성은 더 우수해 질 것으로 판단된다.

(a) 교대 (b) 교각

Fig. 5 구조물별 말뚝공사비 상대 비교

3) 철도교량의 교대와 교각에 적용할 수 있는 기능성말뚝은 지반조건 및 하중조건에 따라

다소 차이가 나지만 충분히 경쟁력을 가지므로 면밀히 검토후 적용성을 판단해야 하며,

복합말뚝에서 강관을 대체할 수 있는 말뚝의 연구개발이 필요하고, 현장타설말뚝과의

경제성 분석도 추후 연구되어야 할 것이다.

후 기

본 논문 작성에 물심양면으로 도움을 주신 ㈜서영엔지니어링 철도1팀 고원태 부장님과 ㈜GS건설(보성~임성리 철도건설공사 7공구) 임직원분들께 감사드립니다.