기초공의 분류 및 공법(직접기초, 깊은기초, 피어기초)

DH-938K - 신의페트라

 

 

 

기초공은 구조물의 기본이 되는 것으로 기초공의 경계 및 시공이 불완전하다면 상부 구조물의 침하, 경사, 전도, 활동 등의 원인이 되어 구조물에 심각한 영향을 주게 된다. 대략적인 기초의 종류는 아래와 같다.

 

 

 

 

 

 O 지반의 파괴와 기초의 구비 조건

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1) 지반의 파괴 형태

기초에 하중이 가해지기 전 탄성평형상태에 있던 지반이 하중의 어떤 값에 다다르게 되면 기초의 단부부터 소성 평형상태로 전이하게 되며 이 전이 과정에 의해 기초 저부에 작용하는 접지압의 분포와 주응력 위치가 변화하게 된다.

 

① 전반 전단 파괴(General Shear Failure)

조밀한 모래나 굳은 점토 지반에 나타나는 형태이고, 기초 지반에 하중이 가해질 때 어떤 하중까지는 침하의 경사가 작고 대체로 직선적이지만 그 이상의 하중에 달하면 침하가 급격히 커지면서 주위의 지반이 솟아오르고 지표면에 균열이 생기는 지반 파괴를 말한다.

 

② 국부 전단 파괴

느슨한 모래나 연약한 점토 지반에서 나타나는 형태이며, 파괴가 국부적으로 발생하여 점차 확대되면서 지반이 전단 파괴된다. 국부 전단인 경우 점착력은 2/3배 값을 사용하며 국부 전단 파괴 시의 극한 지지력은 전반 전단 파괴의 극한 지지력보다 작다.

 

③ 관입 전단 파괴(Punching Shear Failure)

아주 느슨한 모래나 연약한 점토 지반에서 나타나는 형태이고, 기초 아래의 흙이 가라앉기만 하고 부풀어 오르지 않는 형태의 파괴이다.

 

 

2) 기초 설계시 고려사항

① 최소 기초 깊이(depth)를 유지할 것

② 상부 하중을 안전하게 지지할 수 있을 것

③ 모든 기초는 침하가 허용치를 초과하지 않을 것

④ 기초공의 시공이 가능할 것

⑤ 내구적이고 경제적일 것

 

 

 

 

 O 직접 기초(얕은 기초)

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1) 직접 기초(Direct or Shallow Fountation)의 개념

① 직접 기초는 상부 구조물의 하부에서 가까운 거리에 기초가 설치되는 형태를 의미한다. 즉 상부 구조로부터 하중을 말뚝이나 피어 등을 쓰지 않고 기초판부터 직접 지반으로 전달하는 기초를 의미한다. 이에 반해 깊은 기초는 지중 상당한 깊이까지 기초가 연장된 형태이다.

 

② Terzaghi는 기초의 깊이(Df)가 폭 B보다 작은 경우를 얕은 기초로 정의하였다.

 

 

③ 반면 깊은 기초는 기초의 깊이 Df가 폭 B보다 큰 경우

 

 

2) 직접(얕은) 기초의 종류

상부 구조의 하중을 전달하는 기둥 중 한 개 또는 몇 개를 하나의 기초 슬래브로 지지하는 형식을 Footing Foundation이라고 한다.

 

① 독립 푸틴 기초(Individual Footing Foundation)

 - 상부 구조물의 하중을 1개의 기둥이 하나의 푸틴(기초 슬라브)으로 받치는 형식의 기초

 

② 복합 푸틴 기초(Combined Footing Foundation)

 - 상부 구조물의 하중을 2개 이상의 기둥이 하나의 푸틴으로 받치는 기초 구조

 

③ 연속 푸틴 기초(Continuous Footing Foundation)

 - 기둥의 수가 많아지거나 하중이 벽을 통하여 전달되는 경우 이들을 띠 모양의 긴 푸틴으로 지지하는 기초이고 지지력이 가장 작은 지반에 설치하게 되면 매우 경제적이다.

 

④ 켄틸레버 푸틴 기초(Cantilever or Strap Fooding Foundation)

- 2개의 푸틴을 스트랩이라고 부르는 보로 연결한 기초

 

⑤ 전면 기초(Mat Foundation)

- 상부 구조물의 전하 중을 하나의 기초판이 지지하도록 지반 위에 설치한 기초로 푸틴 기초 면적이 시공면적의 2/3 이상일 때 시공한다. 기초지반의 지지력이 작은 곳에 전면 기초가 사용된다.(지반의 국부적인 차이에 의한 부등 침하의 영향이 적어 지반의 강도가 아주 약한 연약 지반에는 푸틴 기초보다 유리함)

 

 

3) 직접 기초의 지지력과 지내력

① 지지력 : 지반이 전단 파괴를 일으킬 때 이에 저항하는 평균 단면적당의 강도

 

② 직접 기초의 지지력

 - 극한 지지력 : 지반 강도의 한계 즉 어떤 구조물에 유해한 균열이나 현저한 2차 응력이 생기지 않는 한계를 말한다.

 - 허용 지지력 : 극한 지지력을 규정된 안전율로 나눈 것이고 조립토일수록 양호하며 세립토 일수록 작다.

 

 

 - 접지압(Contact Pressure) :  기초의 저면과 지반 사이에 작용하는 압력

 

구분	사질토 지반	점토 지반
지지력	기초 폭에 비례	기초 폭과 무관
침하량	기초 폭에 무관	기초 폭에 비례

 

③ 허용 지내력

지반의 허용 지지력에 허용 침하량을 고려한 응력이다. 즉 허용 지지력과 허용 침하량으로부터 결정 되는 지지력 중 작은 쪽으로 기초 설계에 이용된다.

- 지지력을 기준 : 점성토에서는 기초 폭에 관계없이 일정하고 사질토에서는 기초 폭에 비례하여 커짐

- 침하량을 기준 : 흙의 종류에 관계없이 기초 폭이 클수록 하중 강도가 감소한다.

- 크기가 작은기초 : 허용 지내력은 지지력으로 결정

- 크기가 큰 기초 : 허용 지내력은 침하량으로 결정

 

 

4) 직접 기초의 침하

① 침하의 종료

 - 즉시침하(=탄성침하) : 하중을 가하면 동시에 침하 현상이 일어나고 하중을 제거하면 원상태로 되돌아가는 침하를 말한다.

 - 압밀 침하 : 포화 점토층의 공극을 통해 공극수가 빠져 나감으로써 발생하는 침하

 

② 구조물의 침하 대책

 - 구조물을 경량화 하여 지중 응력의 증가를 감소시킨다.

- 구조물의 중량 배분을 균등하게 한다. 

 - 구조물의 강성을 높이거나(수평재가 유효) 중량이 일정하지 않을 경우 신축 이음을 설치한다. 

 - 인접 구조물과의 간격을 크게 한다.

 

 

 

 

 

O 말뚝 기초(Pile Foundation)

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말뚝 기초란 지반이 소요의지지력에 미달될 경우 말뚝(Pile)을 근입 시켜 지지력을 크게 하는 공법을 말하며 견고한 지반의 선단지지력이나 말뚝과 지반의 주면 마찰력을 이용하는 방법이다.

 

1) 말뚝의 기능에 의한 분류

① 선단지지 말뚝(End Bearing Pile) :   말뚝이 견고한 지반(풍화암)이나 암반(연암,보통암,경암)에 도달하게 하여 하중이 전달되는 형태로 선단 저항이 지배적인 말뚝이다.

 

② 지지 말뚝(Bearing Pile) : 하부에 존재하는 견고한 지반에 어느 정도 관입시켜 지지하게 하는 형태로 관입한 부분의 주면 마찰력과 선단 지지력에 의존하게 하는 말뚝이다.

 

③ 마찰 말뚝(Friction Pile) : 견고한 지반이 상당한 깊이에 존재하여 도달하기 어려운 경우말뚝과 지반 사이의 마찰력이나 부착에 의해 하중을 지지하는 형태로 주면 마찰 저항이 지배적인 말뚝이다.

 

④ 다짐 말뚝(Compaction Pile) : 말뚝을 항타하여 박음으로써 지반의 다짐 효과를 기대하여 사용하는 형태로 느슨한 사질토 지반에 주로 사용되는 말뚝이다.

 

⑤ 억지 말뚝(Stabilizing Pile) : 사면의 활동 지반 등에 사용되는 말뚝이다.

 

⑥ 수평 저항 말뚝 : 안벽, 교대 등에서와 같이 횡력에 저항시키기 위해 사용하는 말뚝이다.

 

⑦ 인장 말뚝(Tensile Pile) : 큰 휨모멘트를 받는 기초의 인장 측 등에 인발력에 저항하는 부재로 사용되는 말뚝이다.

 

 

2) 말뚝 기초의 종류

① 나무말뚝 기초 : 지하수 아래에 적용

 

② 기성콘크리트 말뚝기초 : PHC Pile, RC Pile

 - 프리스트레스 콘크리트 말뚝 : PC강선을 미리 인장하여 그주위에 콘크리트를 쳐서 굳은 후 PC 강선의 인장 장치를 풀어서 콘크리트 말뚝에 Pre-Stress를 넣는  Pretention 방법과 콘크리트에 구멍을 뚫어 놓고 콘크리트가 굳은 후 구멍 속에 PC강선을 넣고 인장하여 그 끝을 콘크리트 단부에 정착하여 넣는 Post-Tension방법이 있다.

 

③ 현장콘크리트 말뚝기초(Cast-in-Place Concrete Pile) : Frankey, Raymond, Pedestal 공법

- 현장 콘크리트 말뚝이란 현장 위치에 천공을 하고 그속에 철근과 함께 콘크리트를 부어서 만든 말뚝이다.

 

④ 강관말뚝 기초(Steel Pile) : H-Pile, Steel Pile 

 

 

 

 

 

※ 참고 자료

2023.01.06 - [강박사의 건설안전] - 말뚝공사 시공관리 지침(파일공사) (1)

2023.01.06 - [강박사의 토목이야기] - 말뚝공사 시공관리 지침(파일공사) (2)

2023.02.08 - [강박사의 토목이야기] - 직항타 시공관리 지침(PHC/강관)

 

 

 

3) 말뚝 박기

① 말뚝 기초의 설계

- 말뚝의 간격

A= 2.5d 이상 (적당한 간격은 말뚝 직경 d의 2.5배 이상, 4배 이상이면 비경제적임)

B= 1.5d 이상 (기초판의 가장 끝 면과 끝 말뚝 사이의 간격은 말뚝 직경의 1.5배 이상)

 

- 말뚝의 이음 : 이음 1개소당 지지력은 20%씩 감소

 

- 말뚝의 저항력 : 말뚝을 시공할때 단면 계수가 적고 타입 저항력이 적은반면 가늘수록 저항력이 적어짐

 

② 말뚝박기의 세세한 사항은 위 참고자료를 참고하시길 바란다.

 

 

 

 

 

O 피어 기초(Pier Foundation)

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피어 기초는 구조물의 하중을 굳은 지반까지 전달하기 위하여 수직공을 굴착하여 그 속에 현장 콘크리트를 타설 하여 만든 주상의 기초이다. 시공법의 차이로 말뚝 기초와 구별된다.

 

1) 피어기초의 종류

① 인력에 의한 굴착 : Chicago 공법, Gow 공법

② 기계에 의한 굴착 : Benoto 공법, Earth Drill(Calweld) 공법, Reverse Circulation(RCD) 공법

 

 

 

2023.04.06 - [강박사의 토목이야기] - 현장타설말뚝 시공관리지침

현장타설말뚝 시공관리지침

 

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2) 피어 기초의 특징

① 큰 구조물이 되므로 수평력에 대한 휨 모멘트 저항성이 크다.

② 무진동, 무소음 공법이므로 도심지 공사에 좋다.

③ 지반에서 팽창 작용이나 분사 현상이 일어나지 않는다.

④ 말뚝으로 타입이 곤란한 곳도 기계 굴착으로 시공이 가능하다.(해머그라브, RCD 사용)

⑤ 인력 굴착인 경우 선단 지반의 토질상태를 확인할 수 있고 재하 시험도 가능하다(지내력 시험을 즉시 실시하여 결과를 도출해 낼 수 있음)