마이크로파일 공법은 대구경 천공 말뚝의 단점인 협소한 공간의 제약, 과다한 소음 및 진동 등을 해결하기 위해 개발되었으며 소구경 말뚝과 소형 장비를 사용함으로써 도심지나 공장 지역의 기초말뚝, 협소한 공간의 기초보강 등에 많은 혁신을 했다. 마이크로파일의 기본 설계개념은 대구경 말뚝과 동일하나, 선단 지지력이 무시할 정도로 작아 대구경 말뚝과 달리 그라우트와 말뚝의 주면마찰력에 의존하여 하중을 지지한다. 주면마찰력에 의존하는 마이크로파일은 연약지반에서 지반이완과 주입재의 지반침투력 저하, 지하수위가 높은 지역에서는 그라우트의 고결시간 지연 및 지하수 용해작용으로 시간 경과에 따른 마찰력 감소, 그리고 균열과 절리가 발달한 지반이나 공벽의 함몰이 큰 붕적층에서는 그라우트와 말뚝체의 분리 및 부착력이 감소하는 문제를 지니고 있다.
본 연구에서는 상기와 같이 마이크로파일이 그라우트의 부착력에 의존되어 발생하는 여러 가지 지지력 저하의 문제점을 해결하기 위해 마이크로파일 선단에 쐐기수평력을 도입하는 방식을 제안하였고 도입된 쐐기수평력에 의한 마이크로파일의 지지력 특성을 고찰하기 위해 다음과 같이 연구를 수행하였다.
첫째, 본 연구에서는 쐐기수평력이 도입된 마이크로파일의 지지력 특성을 고찰하기 위해 상부 하중 재하 시 마이크로파일 선단부가 팽창 및 확대되면서 쐐기수평력이 발휘되어 그라우팅 이전 단계에서도 지지력을 확보할 수 있는 고정지압구가 장착된 마이크로파일 시험장치를 고안하였다. 고안된 시험장치를 이용하여 지반 강도 및 파일의 선단 단면에 따른 모형 재하시험을 수행한 결과, 풍화암 강도(일축 압축강도 10MPa 이상) 이상의 지반에서 쐐기수평력 발휘에 따른 고정지압구 주면마찰력이 증가하여 전체지지력이 증가하는 것으로 확인되었다. 이러한 지지력 증가가 단순히 선단확장 효과에 따른 것인지를 확인하기 위해 단순히 선단만을 확장한 선단확장형 마이크로파일과의 지지특성 비교 시험들을 추가로 수행하였다. 그 결과, 동일한 지반조건에서 선단확장형 마이크로파일은 특정 재하하중에서 지반이 견디지 못하고 파괴되는 양상을 보이지만 쐐기수평력이 도입된 마이크로파일은 지반이 파괴되는 하중점 이후에도 쐐기력에 의한 단부 구속과 확경 효과로 인하여 더 큰 하중을 견딜 수 있는 것으로 나타났다.
둘째, 그라우팅 조건에서 일반 마이크로파일과의 지지력 특성 비교를 위한 대형 토조 정재하시험을 수행하였다. 시험결과, 일반 마이크로파일과 달리 고정지압구형 마이크로파일은 쐐기수평력에 의한 선단 면적의 확대로 변형률 연화 현상이 나타나 이에 따른 급작 파괴가 다소 완화될 수 있는 것으로 나타났다. 이를 통해 말뚝 선단부 지반이 다소 약한 경우에도 쐐기수평력에 의한 단부 주면 저항력이 선단 지지력만큼의 지지 효과를 발휘할 수 있는 것으로 나타나, 일반 마이크로파일에서 고려하지 않는 선단 지지력을 반영한 고정지압구를 장착한 마이크로파일의 극한지지력 산정 식을 제시하였다.
셋째, 본 연구에서는 선단에 작용하는 하중 방향에 따라 압축(하중)과 인장(부력 및 양압력)에 모두에 대해 저항력이 발휘될 수 있는 압축인장구를 고안하였으며 이를 장착한 마이크로파일의 작동성과 메커니즘 고찰하였다. 시험결과 하중 방향에 따른 압축인장구의 압축과 인장에 대한 단부 확대의 작동성은 확인되었으나, 금형으로 제작되는 축소모형 압축인장구의 맞물린 부분의 경도가 약해 인장 저항성은 명확히 검증하지 못하였다. 그러나 금형이 아닌 주물로 제작되는 실제 현장에 적용하게 될 압축인장구는 금형보다 10배 이상의 경도를 가지므로 적용성은 충분히 있을 것으로 기대된다.

The micropile method has been developed to solve the shortcomings of large-diameter perforated piles such as small space constraints and excessive noise and vibration. By using small-diameter piles and small equipment, the micropile method has achieved many innovations with respect to base piles in downtown and factory areas as well as foundation reinforcements in small spaces. The basic design concept of the micropile is identical to that of a large-diameter pile. However, because the tip bearing capacity is negligible, the design depends on the principal surface frictional force of grout and pile to support loads, unlike with large-diameter piles. Micropiles that depend on a primary surface frictional force have the following problems: ground loosening and reduced penetration of ground material in soft grounds; delayed consolidation of grout and reduced frictional force with time by ground water dissolution in areas with high ground water levels; and separation and lower adhesive force of grout and pile bodies in grounds with large cracks and joints or in a colluvium with a large collapse of hollow walls.
To solve the aforementioned problems resulting from decreased bearing capacity caused by the dependence of a micropile on the adhesive force of grout, this study proposes a method of introducing a wedge horizontal force to the micropile tip. In addition, the bearing characteristics of a micropile when introducing a wedge horizontal force are examined as follows.
First, to examine the bearing characteristics of a micropile when introducing a wedge horizontal force, we devised a micropile test device equipped with a fixed bearing apparatus that can secure a bearing capacity even before grouting, as the micropile tips extended and enlarged when a top load is applied and a wedge horizontal force is generated. We then performed a model loading test based on the ground strength and tip section of a pile using the devised experimental device. We found that, because the primary surface frictional force of the fixed bearing apparatus increased as a result of the wedge horizontal force in grounds having the strength of weathered rock(uniaxial compressive strength of 10MPa or higher), the total bearing capacity in turn increased. To verify if this increase in bearing capacity was simply the result of the tip extension effect, an additional experiment was conducted to compare bearing characteristics with a tip-extended micropil ewhose tip only has been expanded. Consequently, under the same ground conditions, the tip-extended micropile failed because the ground could not endure a specific load. However, the micropile with a wedge horizontal force could endure a greater load because of the end restraining and diameter extension effects generated by the wedge force even after the loading point where the ground was destroyed.
Second, in general field conditions after grouting, a static load test was conducted in a large chamber to compare the bearing characteristics with general micropiles. The test results showed that unlike general micropiles, the fixed bearing apparatus-type micropile exhibited a strain softening phenomenon as a result of the tip area being enlarged by the wedge horizontal force, which could relieve sudden failure to some degree. This suggests that even when the ground for the pile tip was somewhat weak, the primary surface resistance by the wedge horizontal force exhibited a bearing effect as much as the tip bearing capacity. Thus, a calculation formula is presented for extreme bearing capacity of the micropile equipped with a fixed bearing apparatus that reflects the tip bearing capacity, something that is not considered in general micropiles.
Third, this study devised a compression-tension apparatus that can exhibit resistance to both compression (load) and tension (buoyancy and positive pressure) in accordance with the direction of the load acting on the tip. We then examined the operability and mechanism of the micropile equipped with this apparatus. The test results confirmed the operability of the end enlargement for the compression and tension of the compression and tension apparatus based on the loading direction. However, we could not clearly verify the tension resistance because of the minimal hardness of the engagement part of the compression and tension apparatus based on the loading direction. Nevertheless, the compression and tension apparatus to be applied to the field after being produced by casting instead of molding had a hardness that is at least 10 times greater than that of the mold type. Therefore, it is expected to have sufficient applicability.