현장타설말뚝 건전도시험(Sonic Test)

O 시험의 목적

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본시험은 기초에 설계된 현장타설말뚝의 말뚝 건전도 시험을 통하여 시공말뚝의 결함유무를 파악하여 시공 상태에 대한 자료를 제공하는데 그 목적이 있다.

현장타설말뚝의 시공 시 탐사관(Sonic Guide Pipe)를 시공하여 pipe간의 sonic logging을 통하여 아래 사항을 말뚝의 결함을 유무를 시험한다.

1) 다수 기포발생 (Honeycombing)

2) 말뚝재료분리 (Segregation of concrete)

3) 지하수 (흐름)에 의한 시멘트 확산 또는 희석(Washout of cement due to groundwater flow)

4) 말뚝재료 수축에 의한 균열 (Cracks in pile shafts due to shrinkage)

5) 이물질 함유 (Inclusion of foreign material causing contamination of concrete)

6) 부분적인 단면 증가 또는 감소(Necking and arching after collapse of side walls during withdrawal of temporary liners)

 

 

 

 

O 시험 장비 제원 및 시험일정

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1) 시험 장비 제원

Cross-Hoe Sonic 장비(이하 CHA)는 Pentium 컴퓨터와 12 bit A/D PC card를 사용한 초음파기기이므로 real time 자료처리가 가능하며 좋은 graphic기능을 가지고 있다. 최소한 12 bit A/D converter와 최소한 50,000Hz의 Sampling 가능하고 모든 신호를 저장할 수 있다. 높은 bit A/D 해상도와 높은 수의 Sampling를 가진 Low noise의 신호변환은 양질의 측정에 중요하고 좋은 해석을 만들 수 있다.

2개의 독립적인 심도측정 sensor는 송신기와 수신기의 심도를 독립적으로 측정할 수 있어 송신기와 수진기의 거리를 항상 확인할 수 있다.

 

시험기명	규격	수량(set)
	Main Unit (signal generating and conditioning electronics)	1
	pair of ultrasonic probes with data storage	1
	Meter wheel & Depth length-mete	2
Cross Hole Sonic Analyzer (CHA) <제작사> 미국 Pile Dynamics Inc.	Tube receiver probe with 60m cable *. Cross-hole Analyzer software 2002.0007 *. Cross-hole Analyzer software 2006.0009	1 1

<표 1.1> 시험장비의 제원

 

 

2) 시험 일정

시험은 시공 후 7일 이후에 하고 하중이 가해지는 말뚝은 시공 후 10일 이내, 본 말뚝은 시공 후 45일 이내에 해야 한다. 콘크리트의 강도와 품질이 양생과 함께 증가하므로 파의 속도가 설계에 명시되어 있거나, 여러 개의 말뚝을 시험할 경우, 변동성을 작게 할 경우, 단 말뚝에서 시공길이별 양생시간이 다른 경우, 장시간 양생한 경우에는 비교적 장시간 후에 건전도 시험을 하는 것이 바람직하다. 오랜 시간이 경과 할 경우 tube와 concrete의 결합력이 작아질 수 있다.

 

 

 

O 건전도 시험용 탐측관의 설치

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1) 탐측관의 제원

구분	내경(mm)	외경(mm)	두께(mm)	길이(m)	이음부
Steel Pipe	50	52~56	2~3	6	커플러 사용

 

<그림1.3> 탐측관 설치 사진

 

직경 1500용 탐측관 배치도

<그림 1.2> 직격 별 탐측관 설치 모식도

 

<그림 1.3> 탐측관 연결 방법

건전도시험을 위한 탐측관의 설치는 위 그림과 같이 커플러를 이용하여 연결하며 주철근 안쪽에 위치시켜 철근망에 얇은 철사를 이용하여 설치한다. 탐측관의 상하부는 앤드캡을 이용하여 타설시 이물질이 탐측관 내부에 침투하지 않도록 유의하여야 한다.

 

 

 

O 건전도 시험 준비 후 작업

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1) 건전도 시험 준비 과정

① 노출된 탐측관의 상부를 일정한 길이로 절단한다.

② 탐측관내에 담수를 채운다.

③ 시험 전 탐측관의 심도를 측정하여 상태를 확인한다.

④ 시험을 실시한다.

⑤ 시험 후 이상이 없을 경우 무수축 모르타르를 사용하여 탐측관을 밀실하게 채운다.

 

건전도 시험 준비

⑥ 건전도시험을 실시한 후 탐측관은 무수축 모르타르를 사용하여 탐측관 하부에 PE hose를 내려 하부부터 밀실하게 충진 하여 마감한다.

 

 

 

O 건전도 시험 개요

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1) 현장 타설 말뚝의 시험방법은 Sonic Echo(PIT)방법과 Ultra Sonic(Cross hole)방법이 있다. Sonic Echo(PIT)는 현장타설말뚝의 단면 변화 예측에 적합하고 말뚝의 강성(동적 탄성계수)은 충격의 힘을 측정할 수 있는 망치를 사용하여 말뚝의 상태를 알아보기 위한 해석방법으로 말뚝두부 속도를 시간의 함수로 나타낸 PEM (Pulse Echo Method), 말뚝 두부 속도와 힘의 진동수 스펙트럼(Spectrum)의 비인 모빌리티(Mobility)의 함수로 나타낸 TRM(Transient Response Method), 두 방법을 혼용한 PIT-FV(Pile Integrity Tester-Force and Velocity)방법, 그리고 위의 방법으로부터 추정되고 계산된 속도를 비교 분석하여 말뚝 형상과 지방저항효과를 측정하는 PITWAP 등이 있다. 이 강성은 말뚝 전체에 대한 강성(Impedance)이기 때문에 어느 단면의 부분적인 결점(defect)은 파악하기 어려워 Cross Hole Ultra Sonic Monitor(CHUM)를 사용한다. Sonic Echo Test의 장점은 쉽고 저 비용으로 말뚝 재료의 임피던스(Impedance) 변화에 따른 단면 성상(확대 또는 축소 형상), 말뚝 시공길이의 파악(계획길이 대비 실제길이), 충격파의 속도(Wave Propagation Velocity)변화에 따른 콘크리트의 품질을 예측할 수 있으므로 매우 유용한 시험이다. CHUM은 시공시에 tube를 미리 시공해야 하는 단점이 있지만 부분 단면의 결함을 측정할 수 있다.

본 시험은 말뚝의 지지력이나 말뚝 형상을 측정하기 위한 시험이 아니라 시공 상태의 양부를 파악하기 위한 시험으로 시험결과에 의한 구조적 검토(지지력 및 형상 확인)의 필요성은 엔지니어가 추가적으로 결정하여야 할 사항으로, 말뚝의 형상은 Sonic Echo Test에 의해서, 말뚝의 지지력은 재하시험(정재하 또는 동적재하)에 의하여 종합/판단 할 수 있다.

 

2) CHUM (Cross-hole ultra sonic monitoring) 이론

말뚝의 직경보다 작은 파장의 초음파를 사용함으로 말뚝의 1차원 파동이론을 따르지 않으며 1차원 파동과 다른 점은 다음과 같다.

① 초음파는 압축파, 전단파로 이동한다.

② 압축파 (Cp)

여기서, E : 탄성계수 ρ : 밀도 v : 포와송비

Cp는 1차원 파동으로 약 10% 정도가 빠르다.

 

③ 압축파는 재질 및 형상에 의하여 감쇄된다.

여기서, f : 주파수 x: 파의 이동거리

 

감쇄는 거리가 증가 시 파의 에너지는 log함수로 급격히 감소하고 특히 큰 주파수(작은 파장)에서 감쇄가 크다.

 

④ 콘크리트 내의 공극은 압축파가 반향을 유발한다.

⑤ 콘크리트내의 이물질(철근)은 압축파의 부분 반사와 부분 굴절을 일으킨다.

⑥ 콘크리트내의 공극이나 이물질은 그 주위에서 파의 회절을 유발한다.

위의 원칙에서 다음의 결과를 예측할 수 있다.

- 결함이 송신기와 수신기의 사이에 있을 때 송신된 파는 직접 수신기에 도달하지 않는 다.

- 만일 공극 주변에서 회절 된다면, 초음파는 감소된 에너지로 수신기에 도달한다

- 파의 Exponential 감소 때문에 송신기의 큰 에너지는 측정 가능거리와 noise(잡 음)을 증가시키며 battery와 sensor의 수명을 단축시킨다.

 

 

 

 

 

O 시험 절차 및 시험 방법

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1) Access Tube

센서를 삽입하기 위한 튜브의 재질은 PVC나 Steel이 모두 가능하나 Steel이 신호전달 측면에서 유리하다. 튜브는 철근망의 내부 혹은 외부에 미리 부착시키고 수직도를 유지하기 위하여 1 ~ 2m 간격으로 철근망에 고정시킨다. 튜브는 균일한 내경을 가져야 하며(φ50mm) 센스가 오르내리는데 장애가 없어야 하고 하단은 막혀있어야 한다. 튜브의 파손 및 이물질 투입을 방지하기 위하여, 튜브의 길이는 말뚝의 선단에서 15cm 가량 위에서부터 말뚝머리에서 50cm 가량 올라오도록 설치하는 것이 바람직하다. 튜브의 접합부는 방수가 되어야 한다. 접합방법은 용접이나 접착제를 사용하는 것보다는 나사방식을 사용하는 것이 유리하다. 튜브는 말뚝 둘레를 따라 배치하며, 튜브의 수는 많을수록 좋지만 말뚝의 직경에 따라 [ 표 1.3 ]과 같은 기준을 따르는 것이 일반적이다.

 

말뚝 직격(D) (m)	권장 튜브 설치개수	검측경로의 수
D < 0.6	2개	1
0.6 < D < 1.2	3개	3
1.2 < D < 1.5	4개	6
1.5 < D < 2.0	5개	10
2.0 < D < 2.5	7개	15

<표, 1.3> 말뚝직경에 따른 튜브 설치개수

 

2) 튜브 설치 및 콘크리트 타설

철근망을 삽입하고 콘크리트를 타설 하기 직전 또는 직후에 튜브에 깨끗한 물을 채우고 이물질이 들어가지 않도록 마개를 씌운다. 타설 후 최대 4시간 경과 전까지 물을 채우는 것이 좋으며, 충분한 양생이 되기 전에 튜브에 힘을 가하면 튜브와 콘크리트의 접합부가 이격(Debonding)되어 시험에 지장을 초래하므로 주의하여야 한다.

 

3) 결합부에 대한 조치

시험결과 결함이 있는 것으로 판단되면, 결함부에 대한 공학적인 분석(결함부, 탄성계수 추정을 통한 설계하중의 지지가능성 판단)을 거쳐 필요할 경우, 결함부까지 천공을 하고 그라우팅 등의 방법을 통한 보강조치를 취해야 한다. 보강조치 후에 재차 음파검층시험을 실시하여 보강효과에 대한 검증을 할 수 있다. 시험이 끝난 후에 결함부가 없는 것으로 판단되면, 튜브에 물을 제거하고 그라우팅을 실시한다.

 

4) 시험 방법

① 나침반을 이용하여 북쪽을 파악하고 탐사관(Pipe)의 위치를 구분한다.

② Tube 상단까지 깨끗한 물을 가득 채운다.

③ 추를 매단 줄자를 넣어 tube 상태 및 심도를 확인한다.

④ Encoder를 tube 상단에 설치하고 발신기 및 수신기를 넣는다.

⑤ 장비를 초기화하고 Logging을 시작한다.

⑥ 송신기와 수신기를 동시에 내린다.  tube의 간격 사이와 transmitter에서 발생한 초음파를 콘크리트를 통하여 수신기에 도달한다.. 수신된 signal은 A/D card를 통하여 컴퓨터에 전송된다.

⑦ 도달 시간이 증가하거나 에너지가 감소하면 결함의 표시이다.

⑧ 의심스러운 구간은 반복 시험한다.

⑨ 결함의 형태와 위치는 모니터에 표시된다.

⑩ 시험자가 real time으로 결과를 볼 수 있으므로 의심스러운 곳에 집중적으로 조사한다.

⑪ 탐사경로를 차례로 바꿔가며 시험한다.

 

 

 

 

O 시험 결과의 평가

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1) 자동도달시간 선택 및 에너지 결정

 

Signal의 Amplitude보다는 형태를 검사하여 도달 signal의 전체 에너지와 도달시간을 계산한다.다 CHA는 도달시간 선택과 에너지를 자동적으로 조절할 수 있다.

 

2) 최초 도달시간 해석(arrival time)

 

콘크리트의 강도가 크고 공극이 없을 때 최초 도달 시간은 작다. 콘크리트가 부실하거 나 공극이 있으면 최초 도달 시간은 길어진다. 도달시간이 작아지면 콘크리트의 탄성계 수(E)는 커지며 반대로 도달시간이 길어지면 콘크리트의 탄성계수는 작아진다.

재료의 특성이 균일하다면 파의 전달 속도를 결정하기 위해서는 재료에서 파가 전달되 는 거리가 측정되어야 하며 아래 식에 의하여 구한다.

 

전달속도(Velocity) = 전달길이(Path length)/전달시간(Transit time)

 

3) 판정기준

 

결함이 있을 때 결함의 위치를 표시해야 한다. 결함의 정도는 건전한 콘크리트와 비교하 여 도달시간이 20%증가했을 경우이다. tube의 간격이 평행이 아닐 때 속도의 변화는 의 미가 없고 도달시간의 변화로 판단해야 한다.

 

초음파 속도(km/sec)	판정
4.5 이상	Excellent(매우 양호)
3.5 ~ 4.5	Good(양호)
3.0 ~ 3.5	Doubtful(보통)
2.0 ~3.0	Poor(불량)
2.0 이하	Very Poor(매우 불량)

주) "Properties of concrete” Neville著 참조.

 

한국도로공사 [공사현장 품질관리실무] "제7장 교량공 4.검사결과 판정 및 조치 p247"의 아래 <표 4>에 의하여 동일 심도별 검측경로별 점수를 합산하여 검측 경로의 수로 나눈 평균값을 구하여 종합 판정한다.

 

말뚝심도 (단면) 평균점수 =

말뚝심도 (단면) 평균점수 =

(해당심도에서의 검측 경로별 프로파일 그래프의 점수)

 

등급	판정기준	점수	비고
A	- 초음파 주시곡선의 신호왜곡(Signal distribution)이 거의 없음. - 건전한 콘크리트 초음파 전파속도의 10% 이내 감속에 해당하는 전파시간 검측	0
B	- 초음파 주시곡선의 신호왜곡이 다소 발견. - 건전한 콘크리트 초음파 전파속도의 20% 감소에 해당하는 전파시간 검측	30	V:전파속도 S:튜브간의거리 T:전파시간
C	- 초음파 주시 곡선의 신호왜곡의 정도가 심함. - 건전한 콘크리트 초음파 전파속도의 20% 이상 감소에 해당되는 전파시간 검측	50
D	- 초음파 신호 자체가 감지되지 않음. - 전파시간이 초음파 전파속도 1500m/sec에 근접	100

4) 첨부 시험 결과

왼쪽 그래프 : 최초도달시간(좌측) 및 에너지(우측)

오른쪽그래프 : 심도별 3차원 Sonic map (Z축 심도 m, X 축시간 msec, Signal 강도 흰색 0 volt, 검정 -10 Volt, 녹색 10Volt )\

 

 

 

2023.04.06 - [강박사의 토목이야기] - 현장타설말뚝 시공관리지침