말뚝 기초(pile foundation)
말뚝 기초란 지반이 소요의 지지력에 미달될 경우 말뚝을 박아 지지력을 크게 하는 공법을 말하며 견고한 지반의 선단지지력이나 말뚝과 지반의 마찰력을 이용하는 방법이다.
1. 말뚝의 기능에 의한 분류
(1) 선단지지 말뚝(end bearing pile) : 말뚝이 견고한 지반이나 암반에 도달하게 하여 하중이 전달되는 형태로 선단 저항이 지배적인 말뚝.
(2) 지지 말뚝(bearing pile) : 하부에 존재하는 견고한 지반에 어느 정도 관입시켜 지지하게 하는 형태로 관입한 부분의 마찰력과 선단 지지력에 의존하게 하는 말뚝
(3) 마찰 말뚝(friction pile) : 견고한 지반이 상당한 깊이에 존재하여 도달하기 어려운 경우 말뚝과 지반 사이의 마찰력이나 부착에 의해 하중을 지지하는 형태로 주변 마찰 저항이 지배적인 말뚝.
(4) 다짐 말뚝(compaction pile) : 말뚝을 쳐서 박음으로써 지반의 다짐 효과를 기대하여 사용하는 형태로 느슨한 사질토 지반에 주로 사용되는 말뚝
(5) 억류 말뚝(stabilizing pile) : 사면의 활동 지반 등에 사용되는 말뚝
(6) 수평 저항 말뚝 : 안벽, 교대 등에서와 같이 횡력에 저항시키기 위해 사용하는 말뚝
(7) 인장 말뚝(tensile pile) : 큰 휨모멘트를 받는 기초의 인장측 등에 인발력에 저항하는 부재로 사용되는 말뚝
2. 말뚝 기초의 종류 ☞ 필수 숙지 사항
(1) 나무말뚝기초 : 지하수 아래에 적용이 가능
(2) 기성콘크리트 말뚝기초 : PC pile, RC pile
① 프리스트레스 콘크리트 말뚝(PC pile) : PC 강선(강봉)을 미리 인장하여 그 주위에 콘크리트를 쳐서 굳은 후 PC 강선의 인장 장치를 풀어서 콘크리트 말뚝에 prestress를 넣는 pretention 방법과 콘크리트에 구멍을 뚫어 놓고 콘크리트가 굳은 후 구멍 속에 PC 강선을 넣고 인장하여 그 끝을 콘크리트 단부에 정착하여 prestress를 넣은 post-tention 방법 등
② RC pile (??)
(3) 현장콘크리트 말뚝기초(cast-in-place concrete pile) : Frankey, Raymond, Pedestal공법
현장 콘크리트 말뚝이란 현장 위치에 적당한 방법으로 구멍을 뚫고 그 속에 콘크리트를 넣어서 만든 말뚝이다.
① Franky pile : 외관속에 콘크리트를 채워서 지지층까지 박은 후 외관을 빼면서 콘크리트를 타격하여 말뚝을 만드는 것
② Pedestal pile : 내외 이중관을 박은 후 내관을 빼내고 콘크리트 구근이 만들어진 후 외관을 빼내어 만든 말뚝
③ Raymond pile : 얇은 철판의 외관 안에 굳은 심대를 넣어 쳐박은 후 심대는 떼어 내고 콘크리트를 다져 넣는 방법으로 콘크리트 말뚝을 만드는 공법
(4) 강말뚝기초(steel pile) : H형 강말뚝(H pile), 강관 말뚝(Pipe pile)
강말뚝은 다른 말뚝의 재료에 비하여 압축 강도 또는 인장 강도를 갖기 때문에 같은 하중 강도에 대해서 단면이 작아질 수 있으므로 도중에 자갈이나 쇄석층을 관통해서 깊은 곳까지 타설이 가능
3. 말뚝 박기
(1)말뚝 기초의 설계
① 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)
② 말뚝의 이음 : 콘크리트 말뚝을 이음 말뚝으로 사용할 경우 이음 1개소마다 지지력은 20%씩 감소
③ 말뚝의 저항력 : 말뚝을 박을 때 말뚝의 단면 계수가 적고, 타입 저항력이 적은 반면, 가늘수록 저항력이 적어짐.
④ 저항력의 크기 : H형강말뚝 → 강관 말뚝 → PC 말뚝 → RC 말뚝
(2) 말뚝 박기의 순서
① 말뚝은 보통 정확한 위치에 똑바로 타입한다
② 중앙부 말뚝 → 외측 말뚝
③ 육지 → 해안(잔교나 부두처럼 지표면이 한쪽으로 경사진 경우)
④ 인접 구조물 → 외측으로 타입 (기존 구조물 부근에서 항타하는 경우)
(3) 말뚝 박기의 방법 ☞ 필수 숙지 사항
① 드랍 해머(drop hammer) : 타격력이 다른 해머에 비해 떨어지고 말뚝 머리를 손상시키지만 모래 또는 점성 지반에도 손쉽게 사용할 수 있음
② 증기 해머(steam hammer)
▪ 단동식 해머 : 단단한 점성토 지반에서 사용. 타격 속도가 늦음
▪ 복동식 해머 : 단동식보다 타격 속도가 두 배 정도 빠르기 때문에 경사 말뚝 타입과 연약점토지반 및 사질토 지반에서 사용
③ 디젤 해머(disel hammer) : 디젤유의 폭발 압력에 의하여 램이 위로 올라갔다 낙하하는 무게와 폭발 압력에 의해 말뚝을 타입하는 방법
④ 진동 해머(vibro hammer) : 말뚝 상단에 진동을 일으키는 기진기를 설치하여 말뚝을 종방향으로 강제 진동시켜 지반에 관입시키는 장치
⑤ 압입 공법 : 오일 잭을 사용하여 말뚝 주변이나 선단부를 교란시킴 없이 말뚝을 강제적으로 압입시키는 방법
⑥ 수사 방법 : 기성 말뚝의 내외부에 파이프를 설치하여 압력수를 말뚝 선단부에 분출시켜 말뚝의 관입 저항을 감소시키는 방법
4. 말뚝의 지지력
(1) 말뚝 기초의 지지력 산정 방법
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정역학적 공식 |
동역학적 공식 |
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① Dӧrr 공식 ② Terzaghi 공식 ③ Meyerhof 공식 ④ Dunham 공식 |
① Hiley 공식 ② Weisbach 공식 ③ Engineering News 공식 ④ Sander 공식 |
(2) 단항과 군항
① 군항은 전달되는 응력이 겹쳐져서 군항 1개의 지지력은 단항 1개의 지지력보다 훨씬 적다.
② 일반적으로 기초 말뚝에 군항을 사용하게 되는 데 군항이 되면 말뚝부터의 지중 응력이 중복하게 되어 말뚝 한 개당 지지력이 약화되어 침하량도 커지게 된다.
(3) 부마찰력
말뚝 기초는 선단 지지력과 주변 마찰력에 의해 상부 하중을 지지하는 것이 보통이나 주면 마찰력이 아래로 작용함으로써 말뚝을 아래쪽으로 끌어 내리려는 현상도 발생하게 된다.
① 부마찰력의 특징
▪ 아래쪽으로 작용하는 말뚝의 주면 마찰력이다.
▪ 말뚝에 부마찰력이 발생하면 말뚝의 지지력은 감소한다.
▪ 해머의 무게가 말뚝의 무게보다 가벼울 때 일어나기 쉽다.
▪ 압밀층을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 박으면 일어나기 쉽다.
▪ 연약 지반에 말뚝을 박은 후 그 위에 성토를 하면 일어나기 쉽다.
▪ 연약 지반을 관통하여 견고한 지반까지 말뚝을 박은 경우 일어나기 쉽다.
▪ 연약한 점토에서 부마찰력은 상대 변위의 속도가 느릴수록 적고, 빠를수록 크다.
② 부마찰력을 감소시키는 방법
▪ 표면적이 작은 말뚝을 사용한다.
▪ 말뚝 직경보다 약간 큰 케이싱(casing)을 박는다.
▪ 말뚝 표면에 역청 재료를 피복한다.
▪ 말뚝 직경보다 큰 구멍을 뚫어 bentonite 등의 slurry를 구멍에 넣고 말뚝을 박는다.