기초공은 구조물의 기본이 되는 것으로 기초공의 경계 및 시공이 불완전하면 상부 구조물의 침하, 경사, 전도, 활동 등의 원인이 되어 구조물에 심각한 영향을 주게 된다. 대략적인 기초의 종류를 우선 소개하면 다음과 같다.
얇은 기초 − − 푸팅 기초 − − 독립푸팅기초
− 복합푸팅기초
− 연속푸팅기초
− 캔틸레버기초
− 전면 기초
깊은 기초 − − 말뚝 기초
− 피어 기초
− 케이슨 기초
지반의 파괴와 기초의 구비 조건
1. 지반의 파괴 형태
기초에 하중이 가해지기 전 탄성 평형상태에 있던 지반이 하중이 어떤 값에 다다르면 기초의 단부부터 소성 평형상태로 전이하며 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 형태. 기초 지반에 하중이 가해질 때 어떤 하중까지는 침하의 경사가 작고 대체로 직선적이지만 그 이상의 하중에 달하면 침하가 급격히 커지며 주위의 지반이 솟아오르고 지표면에 균열이 생기는 지반 파괴를 말함.
(2) 국부 전단 파괴
느슨한 모래나 연약한 점토 지반에서 나타나는 형태. 파괴가 국부적으로 발생하여 점차 확대되면서 지반이 전단 파괴된다. 국부 전단인 경우 점착력은 2/3배 값을 사용하며 국부 전단 파괴시의 극한 지지력은 전반 전단 파괴의 극한 지지력보다 작다.
(3) 관입 전단 파괴(Punching shear failure)
아주 느슨한 모래나 아주 연약한 점토 지반에서 나타나는 형태. 기초 아래의 흙이 가라앉기만 하고 부풀어 오르지 않는 형태의 파괴임.
2. 기초의 구비 조건 (설계시 고려사항)
(1) 최소 기초 깊이를 유지할 것
(2) 상부 하중을 안전하게 지지할 것
(3) 모든 기초는 침하가 허용치를 초과하지 않을 것
(4) 기초공의 시공이 가능할 것
(5) 내구적이고 경제적일 것
직접 기초(얕은 기초)
1. 직접기초( = 얕은 기초, direct or shallow foundation)의 개념
▪ 직접기초는 상부 구조물의 하부에서 가까운 거리에 기초가 설치되는 형태를 의미함. 즉, 상부 구조로부터 하중을 말뚝이어 피어 등을 쓰지 않고 기초판부터 직접 지반으로 전달하는 기초를 의미한다. 이에 반해 깊은 기초는 지중의 상당한 깊이까지 기초가 연장된 형태
▪ Terzaghi는 기초의 깊이 D
가 폭 B보다 작은 경우를 얕은 기초로 정의함.
즉,
< 1 인 경우.
▪ 반면에 깊은 기초는 기초의 깊이 D
가 폭 B보다 큰 경우. 즉, > 1 인 경우.
2. 직접(얕은) 기초의 종류 ☞ 필수 숙지 사항
상부 구조의 하중을 전달하는 기둥 중 한 개 또는 몇 개를 하나의 기초 슬래브로 지지하는 형식을 푸팅 기초(footing founding)라고 함.
(1) 독립 푸팅 기초(individual footing)
상부 구조물의 하중을 1개의 기둥이 하나의 푸팅(기초 슬래브)으로 받치는 형식의 기초
(2) 복합 푸팅 기초(combined footing)
상부 구조물의 하중을 2개 이상의 기둥이 하나의 푸팅으로 받치는 기초 구조
(3) 연속(줄) 푸팅 기초(continuous footing)
기둥의 수가 많아지거나 하중이 벽을 통하여 전달되는 경우 이들을 띠 모양의 긴 푸팅으로 지지하는 기초, 지지력이 가장 작은 지반에 설치하면 경제적이다.
(4) 캔틸레버 푸팅 기초(cantilever or strap footing)
2개의 푸팅을 스트랩(strap)이라 부르는 보로 연결한 기초
(5) 전면기초(mat foundation)
상부 구조물의 전하중을 하나의 기초판이 지지하도록 지반 위에 설치한 기초로 푸팅 기초 면적이 시공 면적의 2/3 이상일 때 시공함. 기초 지반의 지지력이 작은 곳에 전면 기초가 사용됨. (지반의 국부적인 차이에 의한 부등 침하의 영향이 적어 지반의 강도가 아주 약한 연약 지반에는 푸팅 기초보다 유리함.)
3. 직접 기초의 지지력과 지내력
(1) 지지력 : 지반이 전단 파괴를 일으킬 때 이에 저항하는 평균 단면적당의 강도.
여기서, Fs : 안전율 (보통 3)
qu : 극한 지지력
qa : 허용 지지력(t/m2)
φ : 흙의 안식각
Y : 깊이, W : 흙의 단위 중량
(2) 직접 기초의 지지력
① 극한 지지력 : 지반 강도의 한계. 즉, 어떤 구조물에 유해한 균열이나 현저한 2차 응력이 생기지 않는 한계를 말함.
② 허용 지지력 : 극한 지지력을 규정된 안전율로 나눈 것. 조립토일수록 양호하며 세립토일수록 작음
▪ Terzaghi의 허용 지지력,
③ 접지압(contact pressure) : 기초의 저면과 지반 사이에 작용하는 압력
[직접 기초의 지지력]
|
사질토 지반 |
점토 지반 |
|
|
지지력 |
기초 폭에 비례 |
기초 폭에 무관 |
|
침하량 |
기초 폭에 무관 |
기초 폭에 비례 |
(2) 허용 지내력
지반의 허용 지지력에 허용 침하량을 고려한 응력. 즉, 허용 지지력과 허용 침하량으로부터 결정 되는 지지력 중 작은 쪽으로 기초 설계에 이용됨.
① 지지력을 기준 : 점성토에서는 기초 폭에 관계없이 일정. 사질토에서는 기초 폭에 비례하여 커짐
② 침하량을 기준 : 흙의 종류에 관계없이 기초 폭이 클수록 하중 강도가 감소
③ 크기가 작은 기초 : 허용 지내력은 지지력으로 결정
④ 크기가 큰 기초 : 허용 지내력은 침하량으로 결정
4. 직접 기초의 침하
(1) 침하의 종류
① 즉시침하( =탄성침하) : 하중을 가하면 동시에 침하 현상이 일어나고 하중을 제거하면 원상태로 되돌아 가는 침하
② 압밀침하 : 포화 점토층의 공극을 통해 공극수가 빠져 나감으로써 발생하는 침하
(2) 구조물의 침하 대책
① 구조물을 경량화하여 지중 응력의 증가를 감소시킨다.
② 구조물의 중량 배분을 균등하게 한다.
③ 구조물의 강성을 높이거나(수평재가 유효) 중량이 일정하지 않을 경우 신축 이음을 설치한다.
④ 인접 구조물과의 간격을 크게 한다.