044. 도심지 기성콘크리트 말뚝공사(매입말뚝) / SIP공법 / SDA(DRA)공법
*71회-논술9. 도심지 기성콘크리트 말뚝공사의 준비사항과 공법을 기술하시오
*73회3교시-1. SIP(Soil Cement Injected Precast Pile) 공사시 시공순서와 유의사항을 설명하시오.
*77회2교시-1. SIP(Soil Cement-Injected Precast Pile)파일 공사의 시공순서와 유의사항을
기술하시오.
*시공83회2교시-6. S.I.P.(Soil Cement Injected Precast Pile) 공법의 특징과 시공상 유의사항을
설명하시오.
*시공88회1교시-3. DRA(Double Rod Auger) 공법
*100회2교시-2. SIP(Soil Cement Injected Precasted Pile)공법 시공 시 유의사항에 대하여 설명하시오.
[해설]
1. 배경
-타입공법은 말뚝을 지반에 직접 타격하는 방법으로 전통적으로 이용되어온 공법이다. 상부 지층에 조밀층 또는 자갈층 등 있어 타입이 곤란하거나, 점토층이 있어 타입시 기존 구조물 및 기항타 말뚝에 영향을 줄 수 있는 경우에는 상부 지층을 선굴착한 후 항타할 수도 있는데 이 경우도 타입공법으로 분류할 수 있다.
-근래에 타입말뚝 공법은 항타시 발생하는 소음, 진동 등의 공해로 인해 제한적으로 사용되고 있다.
-매입공법은 타입말뚝시공 시 발생하는 소음, 진동의 문제를 해결하기 위해 개발된 공법으로 여기에는 SIP(soil cement injected precast pile)공법, SAIP 공법, SDA(separated doughnut auger)공법, 중굴공법, 코렉스공법, PRD(percussion rotary drill)공법 등이 있다.
-이러한 매입말뚝공법은 1994년 건설환경법이 공표되면서 그 이용이 급격히 증가하기 시작하였으며, 최근에는 항타시 소음, 진동으로 인한 민원 문제가 없는 임해지역과 같은 특수한 경우를 제외하면 매입말뚝공법이 대부분 이용된다.
-SDA 공법은 현장에서 DRA(dual respective auger)공법으로도 불려진다.
-현재 국내에서 주로 이용되는 매입공법은 SIP공법, SDA공법, PRD공법이며
-SAIP공법, 중굴공법, 코렉스공법은 도입 및 개발 초기에 이용되다 적용성의 문제로 거의 이용되지 않고 있다.
-매입말뚝공법 중 SIP공법, SDA공법은 주로 PHC말뚝을 이용한 방법에서 많이 쓰이고, PRD공법은 강관말뚝을 이용하는 공법에서 주로 이용된다. 그러나 PRD공법은 현장타설말뚝 공법에서 이용되기도 한다.
2. 기성콘크리트말뚝공사의 종류
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타입공법 |
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직타 |
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선굴착후 직타 |
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매입공법 |
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SIP, SAIP, SDA(DRA) |
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PRD |
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현장타설공법 |
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대구경공법 |
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all casing, RCD, earth drill |
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조합 |
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소구경공법 |
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ACIP, Omega, Fundex |
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마이크로파일 |
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3. 기성콘크리트 매입말뚝공법기술
->여기선 도심지 기성콘크리트말뚝이란 제한사항이 있으므로 매입말뚝위주로 설명한다.
(1)타입말뚝공법
-타입말뚝공법은 디젤해머, 유압해머, 드롭해머 등으로 기성말뚝을 소정의 깊이까지 타입하는 공법으로 말뚝시공법 중에서 실적이 많고, 시공시에 지지력을 확인할 수 있는 공법이다. 단, 소음, 진동이 발생하기 때문에 현장조건을 고려할 필요가 있다.
(2)매입말뚝공법
-현재 국내에서 콘크리트말뚝에 이용되는 매입공법으로는 SIP공법, SAIP공법, SDA공법, 속파기공법 등이 있는데 이중 SIP공법과 SDA공법이 가장 많이 이용되고 있다.
가. SIP(Soil-cement Injected Precast pile) 공법
1)정의
-SIP공법은 선굴착 시멘트풀 주입후 최종경타하는 공법으로 불려진다.
2)시공순서
-SIP공법의 시공순서는 우선 말뚝직경 보다 100 ㎜ 정도 큰 연속오거로 선굴착하고 오거 중공부를 통하여 시멘트풀을 굴착공 내에 주입(충전)한다. 그리고 오거를 인발한 후 기성말뚝을 삽입하고 드롭해머(또는 유압해머)를 사용하여 최종 경타를 실시한다.
[시공Flow]
A. 사용기계 및 기구의 점검을 실시한다. 특히 오거의 치수, 길이를 정확히 측정하고 설계심도 부근에는 50cm 마다 mark를 한다. 또한 배합기 및 계량기에 대해서도 배합비, 사용방법 등을 확실하게 파악한다=>
B. 말뚝의 시공시점에 설치된 표식과 오거의 중심을 정확히 일치시킨 후 오거가 수직인가를 확인한 다음에 굴진을 시작한다.(그림①)=>
C. 굴진용 용액(일반적으로 Soil-cement 1m³당 시멘트 120kg, Bentonite 25kg, 물 450 ℓ로 배합)을 오거선단에서 주입하면서 중간지층을 굴진한다. 지지층을 확인하면 다시 설계심도까지 굴진한다. 이때 설계심도는 적어도 지지층 안에 말뚝직경의 3배 이상 관입되어야 한다. (그림②)=>
D. 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 정도로 사용한다.)으로 바꾸어서 수회,수m를 오거로 상하 왕복하면서 교반하여 Cement Paste와 지층이 충분히 교반되도록 한다. (그림③)=>
E. 오거로 충진액(굴진용 용액과 동일)을 주입하면서 인발한다. (그림④)=>
F. 말뚝은 공의 중심과 수직이 되도록 세운 뒤 말뚝자중에 의해 압입한다. 이때 압입길이가 말뚝선단부에서 허용고차(약 2.0∼2.5m)보다 미달되면 말뚝을 인발하여 재 압입 하든지 말뚝을 낙차(0.2 ∼ 0.5m)로 타격하여 허용고차 범위에 seating 되도록 한다. . (그림⑤)=>
G. 항타장비에 의해 말뚝을 경타하여 허용최종고차(약 0.5 ∼ 1.0m)이내까지 타입시킨다. . (그림⑥)
3) SIP공법적용시 및 시공시 고려사항
-굴착공 내에는 흙․시멘트풀이 슬러리(slurry) 상태로 존재하며 말뚝 삽입 및 최종 경타 후 이 슬러리는 말뚝주변에 흙-시멘트벽을 형성한다.
-일정시간 경과 후 흙-시멘트 층이 양생되면 이 층으로 인하여 주면마찰력을 기대할 수 있다. 과거의 시방에서는 시멘트함량을 굴착부피에 대해 제시하였지만 이는 현장에서 정량화하기가 용이하지 않으므로 물시멘트 비(w/c)로 제시하는 것이 실용적이다.
-SIP공법에서는 말뚝의 최종 근입깊이가 지지력을 결정하는데 중요한 역할을 한다.
-말뚝이 굴착 깊이보다 깊은 곳까지 경타관입 될 경우에는 시멘트풀의 주입은 큰 의미를 갖지 않으므로 평균배합을 적용할 수 있다. 그러나 경타 후 말뚝선단부가 선굴착 깊이 보다 깊지 못할 경우에는 지반조건, 말뚝 관입깊이 등을 고려하여 시멘트 함량을 부배합으로 조정할 필요가 있다.
-아직 까지 SIP공법에 대한 국내의 설계기준은 상세하지 못한 것이 현실이다.
-따라서 SIP공법의 적용시 시험시공의 중요성이 더욱 강조된다. 시험시공시에는 최종 굴착깊이, 경타기준, 시멘트풀 배합비, 말뚝의 부력 및 조치 등을 결정한 후 이에 따라 본시공을 실시하고 최종적으로 품질 확인시험을 실시하는 절차가 바람직하다.
-굴착깊이는 토질주상도, 오거 장비의 저항치 등을 바탕으로 결정하되 위치별로 시험시공을 통해 결정하고 최종적으로는 경타기준으로 확인할 수 있도록 한다.
-경타기준은 시험시공으로부터 정해지며 해당해머에 대한 낙하높이와 이에 대한 타격당관입량으로 표시된다. 따라서 최종 경타시에는 낙하높이와 타격당관입량을 확인해야 한다.
-시멘트풀배합비는 일반적인 조건에서는 평균배합비(w/c=0.83～1.0)를 사용하고, 이미 설명한 바와 같이 마찰력 위주로 시공될 필요가 있거나 지하수위에 의해 시멘트풀이 희석될 가능성이 있는 경우는 부배합비를 적용한다.
-말뚝삽입시 말뚝이 부력을 받는 경우는 경타시 말뚝에 인장응력이 걸리거나 경타후 말뚝이 부상하여 나쁜 결과를 초래할 수 있다. 따라서 부력이 의심되는 경우는 말뚝의 하단부에 구멍을 뚫어 부력을 줄여 경타를 하는 것이 좋다.
-SIP공법을 적용하기 위해서는 우선 현장주변의 환경조건이 최종 경타를 허용할 수 있어야 한다. 그러나 드물게는 경타를 하지 않고 말뚝을 설치하는 경우도 있는데 이는 선단 근고액을 별도로 주입하는 일본의 다른 공법을 모방하는 것에서 시작된 것으로 생각된다.
-따라서 이러한 공법을 적용하기 위해서는 원래 공법의 시방을 제대로 지키거나 확실한 주면마찰력이 기대되는 조건이 만족되어야 하며 그렇지 않을 경우는 좋지 않은 결과가 초래될 수 있으므로 주의를 기해야 한다.
-선굴착시 공벽붕괴가 심하게 발생하여 최종 경타를 실시하더라도 소정의 관입깊이를 확보할 수 없는 경우에는 SIP공법의 적용은 곤란하며 이러한 경우는 케이싱을 이용한 굴착공법이 적용되는 매입공법을 적용하여야 한다.
나. SAIP공법
1)정의
-SAIP공법은 강관 케이싱 굴착공법으로 불려진다.
2)고려사항
-매입말뚝의 공법선정에 중요한 영향을 미치는 요소는 공벽붕괴이다. 일반적으로 굴착시 공벽이 붕괴되어 SIP공법의 적용이 불가능한 조건이 많다.
-지반이 공벽붕괴되는 조건에서 시멘트풀 주입으로 소정의 주면마찰력을 기대할 수 있는 충분한 관입깊이가 확보될 경우는 평균적인 시멘트풀배합비(w/c=0.83～1.0)의 주입으로 마찰말뚝의 설계가 가능하다. 이 경우 소요 말뚝 관입깊이는 현장주변의 여건에 따라 최종 경타 또는 별도의 오거에 의한 관입으로 확보될 수 있다.
-그러나 최종 경타 또는 별도 오거에 의한 압입으로도 충분한 주면마찰력을 기대할 수 있는 정도까지 말뚝을 관입시킬 수 없을 때에 이용할 수 있도록 SAIP공법이 고안되었다. <그림 3.2>에는 SAIP공법의 시공순서를 나타내었다.
-SAIP공법에서 강관케이싱의 내경은 말뚝직경보다 50㎜정도 크며 강관케이싱의 외벽에는 폭이 50㎜정도인 오거날개를 나선형으로 용접하여 굴착을 용이하게 한다. 강관케이싱의 바닥에는 굴착시 강관케이싱 내부로 토사가 유입되지 못하도록 선단부용 마개를 설치한다.
-지지층까지 굴착이 완료되면 케이싱 내부에 시멘트풀을 주입하고 기성말뚝을 삽입한다. 기성말뚝의 삽입은 케이싱 상부로부터 말뚝을 낙하시키는 방법이 일반적으로 사용된다. 이는 강관케이싱 하부에 가용접한 선단부용 마개를 케이싱으로부터 분리하기 위함이다. 그러나 이 경우 말뚝의 낙하에너지(말뚝자중×낙하고)의 값이 크게 되어 말뚝재료의 파손이 우려되며 낙하된 말뚝이 선단부에 완전하게 접촉되고 있는지가 의문시된다.
-따라서 바람직한 말뚝 삽입방법은 말뚝을 서서히 삽입한 후 선단부용 마개분리와 선단부의 완전한 접촉을 위하여 최종 경타를 실시하는 방안이 좋다.
-선단부용 마개가 강관케이싱으로부터 분리된 후에는 내부오거로 말뚝을 누른 상태에서 강관케이싱을 회전 인발한다. 이 과정에서 기 주입된 시멘트풀과 토사와의 교반으로 말뚝 주위에는 흙-시멘트층이 형성된다.
-SAIP공법은 적절히 시공될 경우 만족할 만한 지지력을 얻을 수 있으나, 전술한 바와 같이 시공상의 문제가능성을 포함하고 있으며, 시공 시간이 길고 시공비가 고가인 점이 단점으로 지적된다.
다. SDA(DRA)공법
1)정의
-SDA(Seperated Doughnut Auger) 공법은 이중오거공법으로 불려지며 현장에서는 DRA(Dual Respective Auger)공법으로도 불려지고 있다. 이 공법은 굴착공벽붕괴에 따른 말뚝지지력의 저감 문제와 선단지지지반 확인이 곤란한 점을 개선한 공법이다.
2)특징
-SDA공법은 상호 역회전하는 상부(내부) 오거와 말뚝직경보다 50～100mm 정도 큰 하부(외부)케이싱 스크류에 의한 독립된 이중 굴진방식을 채택함으로써 굴진에 따라 서로의 반동 토크를 감소시킬 수 있다. 굴진된 토사는 오거와 공기로 배출시킴으로서 토사나 암편을 육안으로 관찰하여 각 지층의 확인 및 지지층 결정이 용이하다.
-D.R.A(Double Rod Auger)공법은 기존매립공법의 지지력 문제점을 보완하고 진동, 소음이 문제가 되는 지역에서 적용성이 매우 큰 공법이고 특히 주변건물과 밀접하여 소음 및 진동으로 민원발생이 예상되는 현장과 지하 터파기 후 장비 진입이 곤란하고 지반여건이 연약하여 파일공사 작업이 불가능한 현장에서는 현 지반에서 공삭공 D.R.A공법을 병행하여 시공할 수 있는 장점이 있다.
3)시항타 시공방법
-시험말뚝은 실제말뚝의 무게와 단면을 가진 본항타용 제품으로 하며 실제 말뚝박기에 적용될 비트(T-4)와 햄머를 사용한다.
-시항타는 당초 설계된 길이 보다 길이가 긴 파일을 사용하고 위치 선정은 지형상이 지층 길이 변화가 예상되는 곳, 이상지층등 필히 확인을 요하는 곳에 선정한다.
-시항타를 할 때 관입량을 검측하고 파일번호를 기재하며 설계심도와 상이한 경우 설계변경요청을 한다.
-지지층이 호박돌, 지장물 철거 잔재매설, 불규칙 토층으로 인하여 도면대로 시공이 어려울 경우 발주처나 감독관에게 보고한다.
4)본항타 시공방법
-천공
ⓐ 천공위치를 확인후 장비를 작업하기에 최적의 위치에 이동 거치한다.
ⓑ 천공위치에 AUGER+T-4의 중심을 정확히 일치시킨후 AUGER+T4가 수직인가를 수준기와 다림추로 확인한 다음에 굴진한다.
ⓒ Air를 T-4햄머 선단부에 주입하면서 굴진한다.
ⓓ 지지층까지 정회전으로 굴진한다.
-시멘트 그라우팅
ⓐ 설계심도까지 도달하면 오거를 상하 왕복하면서 교반하여 Cement Paste(일반적으로 물1㎡ 당 시멘트 880kg, 물 730L)와 선단부 부근의 원지반 토사와 충분히 혼합되도록 한다.
ⓑ Cement Paste를 주입하면서 인발하고 파일 삽입시 공벽이 충진되도록 한다.
-파일건입
ⓐ 파일을 세울 때 매다는 위치는 파일선단부의 3/10 지점에 와이어 로프를 걸어 세운다.
ⓑ 파일을 끌어올릴 때 이미 시공된 파일에 부딪쳐 충격을 가하거나 Leader에 충돌하지 않도록 유의한다.
ⓒ 파일을 천공홀의 중심과 수직이 되도록 세운뒤 파일 자중에 의해 삽입한다.
-최종 안착항타
파일을 해머를 이용 낙착로 타격하여 천공깊이 까지 안착 시킨다.
보강타
ⓐ 설계위치에서 75~100mm 벗어난 경우 중심선 외측으로부터 벗어난 만큼 기초 확대 및 철근 1.5배 보강 배근도록 조정, 확인한다.
ⓑ 설계위치에서 150mm 초과하여 벗어난 경우 설계위치에 인접하여 추가항타하고 파일 중심선에서 벗어난 만큼 기초폭 확대하고 철근 1.5배 배근
ⓒ 수직 시공이 되지 않을 경우 (기울기L/50이상) 보강파일 시공
ⓓ 중파된 경우 설계위치에 인접하여 추가항타하고 파일 중심선에서 벗어난 만큼 기초폭 확대하고 철근 1.5배 배근
5)시공Flow
-SDA공법의 시공순서는 우선 이중오거를 서로 역회전시키면서 소정의 위치까지 굴착을 한다.
-굴착이 끝난 후 내부 오거를 인발하면서 외부 케이싱 내에 시멘트풀을 주입(충전)하고 오거를 완전히 뺀다.
-내부 오거를 뺀 후 말뚝을 삽입하고 오거로 말뚝을 누른 상태에서 외부 케이싱을 인발한다. 외부케이싱을 인발한 후 경타를 실시한다.
-지반에 조밀한 중간층 또는 전석층 등이 존재하거나 단단한 선단지반을 굴착할 필요가 있는 경우 오거로 지반을 굴착하기가 어렵게 되므로 천공기(T4)를 사용하게 된다. 이 경우 시멘트 풀은 내부 오거를 통해 주입할 수가 없으므로 별도의 튜브를 이용해야 한다.
4)고려사항
-T4를 이용한 굴착은 지지층의 확인에 보다 주의를 기울일 필요가 있다.
-SDA공법은 원래 최종 경타 방법이 아닌 압입방법으로 말뚝을 시공하여 건설공해로 인한 민원을 줄일 수 있는 방법으로 고안되었지만, 현장 시공시에는 굴착 선단하부가 교란 되는 경우가 많고, 또한 경타를 하지 않을 경우 별도의 품질관리수단이 없어 최종 경타로 마무리하는 것이 일반적이다.
-아직 SDA공법에 대한 상세한 설계내용은 설계기준 및 시방에 반영되지 않은 것이 현실이다. 따라서 SDA공법을 적절히 적용하기 위해서는 시험시공의 역할이 중요하며 반드시 필요하다. 시험시공시에는 최종 굴착깊이, 경타기준, 시멘트풀 배합비, 말뚝의 부력여부 등을 정한 후 이에 따라 본시공을 실시하고 최종적으로 품질 확인시험을 통해 시공을 마무리 하는 절차가 바람직하다.
-굴착깊이는 토질주상도, 오거(또는 T4) 장비의 저항치, 배토된 흙 등을 바탕으로 결정하되 위치별로 시험시공을 통해 결정하고 최종적으로는 경타기준으로 확인할 수 있도록 한다.
-경타기준은 시험시공으로부터 정해지며 해당해머에 대한 낙하높이와 이에 따른 타격당관입량으로 표시된다. 따라서 최종 경타시에는 낙하높이와 타격당관입량을 확인해야 한다.
-시멘트풀 배합비는 일반적인 조건에서는 평균배합비(w/c=0.83～1.0)를 사용하되, 마찰력 위주로 시공될 필요가 있거나 지하수위에 의해 시멘트풀이 희석될 가능성이 있는 경우는 부배합비를 적용한다.
말뚝삽입시 말뚝이 부력을 받는 경우는 경타시 말뚝에 인장응력이 걸리거나 경타후 말뚝이 인상하여 나쁜 결과를 초래할 수 있다. 따라서 부력이 의심되는 경우는 말뚝의 하단부에 구멍을 뚫어 부력을 줄인 후 경타를 하는 것이 좋다.
4. 매입말뚝 시공준비
가. 준비
(1) 말뚝의 시공에 앞서 지하매설물 및 지상의 장애물에 대한 상황을 조사하여 말뚝시공에 차질이 없도록 한다.
(2) 지면은 평탄하게 다지고 배수에 지장이 없도록 한다. 필요시 폭 50㎝, 깊이 50㎝의 배수로를 만든다.
(3) 연약한 층이 깊게 분포된 지반으로 항타장비 진입이 어려운 경우는 두께 60㎝의 혼합골재나 80㎝의 사질양질토로 치환하여 다지고 항타기 깔판용 강판을 준비한다.
(4) 말뚝 위치는 헝겊과 못 등으로 정확하게 표시하고 건물 또는 구조물의 배치상태와 말뚝위치, 바닥레벨을 점검한다.
(5) 천공장비는 50㎝마다 눈금을 표시하고 매 100㎝마다 숫자를 표시하여 천공깊이를 용이하게 식별할 수 있도록 한다.
(6) 말뚝은 수평선으로 50㎝마다 눈금을 표시하고 숫자를 말뚝선단에서부터 100㎝마다 기입하여 말뚝길이를 식별할 수 있도록 한다.
(7) 경타용 드롭해머의 낙하높이를 확인할 수 있도록 리더하부에 50cm 간격으로 마킹을 한다.
나. 시험시공
(1) 본항타 착수 전에 지반조사보고서와 기초 설계자료를 토대로 설계하중의 적정성 및 지반조건의 확인, 본항타 용 말뚝길이 및 시공관리기준의 확정을 위하여 시항타를 실시한다.
(2) 본 공사와 동일한 조건으로 시험시공을 한다.
(3) 시험시공 초기 또는 지지층변화가 예상되는 지반조건에서는 기존의 지반조사 자료를 기준으로 시험천공을 실시하여 시공할 말뚝의 길이를 예측한 후 시험시공을 실시한다. 시험천공한 구멍은 되메움한다.
(4) 지하수위가 높거나 흐르는 경우 시멘트풀의 배합비를 표준배합(83%)보다 부배합으로 한다.
(5) 지하수위가 높을 경우 말뚝설치 직 후 말뚝에 대한 수준측량 등으로 부력여부를 관찰하여 이에 대한 조치를 취한다. 필요할 경우 말뚝 선단부에 구멍을 뚫어 부력을 줄일 수 있으며 이 경우 구멍크기는 직경의 1/6미만으로 한다.
(6) 시항타에서는 동재하시험 등을 실시하여 지지력 및 말뚝의 관입성을 확인하여 경타관리 기준을 정한다. 항타시 동재하시험(EOID)에서 지지력이 만족되었을 경우라도 시멘트 풀이 양생된 후 재항타시험(Restrike)을 통해 지지력의 변화를 반드시 확인한다.
(7) 시공관리항목(굴착깊이 및 말뚝관입깊이, 시멘트풀 배합비, 경타기준, 지지력, 부력발생여부 등)을 모두 기록하고 평가한 후 시공관리기준을 작성하여 본항타의 기준자료로 삼는다.
(8) 시항타를 실시한 이후 그 결과에 따라 설계 및 시방을 변경할 수 있다. 시험시공 결과 말뚝의 길이, 직경, 시공방법의 변경이 필요한 경우에는 지질조사결과, 지반 조건 등의 제반사항을 충분히 검토한 후 결정한다.
[출처]PHC 말뚝의 설계 및 시공지침서 연구보고서 2006. 3 사단법인 한국지반공학회 보고서에서