기초공사에서 깊은 기초(Deep Foundation)

어떻게 땅속 기초를 설계하는가?

구조물을 지탱하는 기초는 수많은 조건을 고려하여 지상 위 구조물이 안정하도록 설계하는 것이 중요하다. 그러나 안정성만 확보되면 안 되고 다양한 장비, 재료 수급, 인력, 기상, 인허가 사항을 검토하는 방식으로 시공성과 경제성도 같이 고민해야 할 것이다.

​땅속의 기초를 설계하기 위해서는 지반조사를 통해 지지층의 심도를 결정하고, 상부 구조물의 하중 규모를 사전에 알아야 할 것이다. 그리고 기초설계를 위한 조건에 따라 안정성을 검토한다.

지지층이 지상에 가까이 있는 직접기초에서는 전문용어로 지지력과 침하에 대해 안정성을 확인한다. 여기서 지지력은 용어 그대로 지반이 상부 하중을 지탱할 수 있는 능력을 나타내는 것으로 하중이 클 경우 흙 종류에 따라 파괴 양상이 다르게 나타난다. 그리고 침하는 커질수록 지지력과 연관되어 파괴 가능성을 증가시킨다. 지지층이 깊은 경우에는 말뚝기초를 선택하여 설계하며, 지지력과 침하를 연직과 수평으로 구분하여 검토한다. 지지층의 종류에 따라 단단한 토사층과 암반으로 구분하는데 설계 기준서, 지침서, 제안식에 따라 상세하게 분류되어 있다.

 

기초란 건물의 모든 하중을 받아서 안전하게 지반(땅의 표면)에 전달하는 건축물 하부의 지중(땅을 뚫고 들어갔을 때의 그 속) 구조부입니다.

기초는 기둥, 벽체의 고정하중이나 적재하중 등의 외력을 지반으로 전달하는 역할을 합니다. 때문에 하중으로 인한 침하가 일어나지 않도록 기초의 하중을 안전하게 받을 수 있는 견고한 지반에 설치해야 합니다.

건축 구조 가운데 맨 아래층의 주각(기둥의 맨 밑부분) 레벨을 경계로 하여 그것보다 위를 상부구조(superstructure), 그것보다 밑의 부분을 기초(foundation) 혹은 기초구조(foundation structure)라 합니다.

깊은 기초(Deep Foundation)

: 깊은 기초는 기존의 선단지지력으로만 상부침하를 지지하는 것과는 달리, 말뚝이라는 것을 박아서 주면 마찰력과 선단지지력 2가지로 상부하중을 견디는 구조물이다.

: 상재하중이 작용하게 되면 지반은 침하가 되길 마련인데, 이 침하가 되려는것을 막기 위해 말뚝의 옆면을 따라 마찰력이 작용하게 된다. 이를 주면 마찰력이라 부른다.

: 그리고 기존의 상재하중에 저항하는 선단지지력도 있다.

: 이 2가지 힘을 합해서 하중을 지지하기 때문에 지지층까지 깊이가 깊은 경우에는 말뚝 기초를 쓰는게 좋다.

​: 그리고 비교적 깊지 않은 곳에 단단한 지지층이 존재하면, 그냥 말뚝 대신 큰 덩어리 구조물로 지어서 기반암까지 상부 구조물의 하중을 전달하는 기초방식을 쓴다.

: 이것을 케이슨 기초라고 부른다. 케이슨 기초는 깊은 기초의 한 종류이다.

 

1. 기초공사란

기초는 상부 구조물과 지반 사이에서 상부에서 작용하는 하중을 지반에 전달하여 상부 하중에 의한 지반의 파괴와 심한 침하가 발생하지 않도록 하고 상부 구조물이 안정한 상태에서 유지될 수 있도록 하는 하부구조물을 의미한다.
기초의 종류에는 얕은 기초와 깊은 기초로 구분하며, 얕은 기초는 직접기초라고도 하며 확대기초와 전면기초로 다시 나눌 수 있으며, 확대기초는 독립확대기초, 연속기초, 복합확대기초로 구분할 수 있다. 깊은 기초에는 말뚝기초, 피어기초, 케이슨기초로 구분할 수 있다. 기초의 종류를 선택할 때는 구조물의 형식이나 토질의 상태 하중 분포상태에 따라 설계단계에서 적절한 구조물의 종류를 선택할 수 있다.

 

2. 기초가 갖추어야 할 구비조건

우선 기초가 갖추어야 할 구비조건으로는 기초 정면에서 지반의 횡 방향 이동을 방지하도록 기초의 근입깊이가 충분해야 하고, 깊이는 동결이나 융해, 각종 식물의 뿌리 등으로 인한 지반의 체적변화가 발생하는 범위의 아래에 있어야 한다. 그리고 전도, 회전, 미끄럼, 흙의 전단파괴 등에 충분히 안전해야 하며, 침하는 기초 및 상부 구조물이 구조적으로 안정할 수 있는 허용 범위 내에 있어야 한다. 기초가 옹벽의 상부나 경사면에 설치되는 경우에는 전체적인 안정성을 확보해야 한다. 또한 시공이 기술적으로 구현할 수 있고 내구적이며 경제적이어야 한다. 다음으로 기초형식 선정 시 고려사항으로는 기초지반의 지지력과 침하량은 상부 구조물에 작용하는 하중의 종류와 크기에 따라 결정되며, 기초가 설치되는 지반에 대한 공학적 특성을 조사해 지반의 지지력과 침하량을 고려한 기초형식을 선정해야 한다. 또한 상부 구조물과의 상대적인 연성을 충분히 반영하고, 시공 위치, 시공 심도, 기초의 단면적, 작업공간의 여유, 소음과 진동의 영향 등의 시공조건과 공사의 시기 및 공사 기간을 충분히 고려해야 한다.

 

3. 얕은 기초와 깊은 기초

얕은 기초에 대해서 알아보면 상부 구조물의 하중을 기초 하부지반에 직접 전달하는 근입깊이가 작은 기초로 압축성이 크지 않은 지반에 직접 설치하는 형식으로 직접기초라고도 한다. 형식에는 확대기초와 전면기초로 구분하며, 주요 전단파괴 형태로는 전반 전단파괴, 국부 전단파괴, 관입 전단파괴로 나타난다. 얕은 기초의 지지력 산정 방법으로는 지지력 공식에 의한 방법과 현장시험에 의한 방법이 있다. 지지력 공식에 의한 방법 중 Terzaghi 지지력 공식은 편심이 작용하지 않는 수평 기초에 적용하며 산정 결과가 매우 정확하고 계산이나 도표 이용이 쉬워 점착력이 큰 지반에 설치하는 얕은 기초에 주로 적용한다. 이에 반해 Meyerhof의 지지력 공식은 기초바닥의 바로 아래에 쐐기형 파괴에의 각도가 다르며 파괴면이 대수 나선과 직선으로 교차하여 지표면까지 연장되는 파괴 형상을 가정하여 극한지지력 공식을 유도한 공식으로 기초의 형상, 깊이에 대한 영향, 하중이 기울어져서 기초에 작용할 때 보정을 통한 지지력 공식을 산정할 때 주로 사용한다. 현장시험에 의한 지지력 산정에는 평판 재하시험에 의한 방법과 STP(Standard Penetration Test)에 의한 방법, 콘 관입시험(Cone Penetration Test)에 의한 방법, 현장 베인 시험(Vane Test)에 의한 방법이 있다. 얕은 기초에 발생하는 침하의 원인으로는 외부 하중에 의한 지반의 압축, 지하수위 강하로 인한 지반의 자중이 증가하여 발생하는 압축, 점성토 지반의 건조에 의한 건조수축, 지하수의 배수에 의한 지반의 부피 변화, 함수비 증가로 지반의 지지력이 부분적으로 약화하여 발생하는 지반의 변형, 기초 파괴에 의한 지반의 변형, 지하 매설관 등의 지중공간 압축이나 함몰, 동상 후의 연화 작용으로 지지력이 약화하여 발생하는 지반의 변형 등이 있으며 이를 고려하여 얕은 기초 시공 시에는 굴착은 지반 상태, 지하수위, 지하 매설물과 기초 주변의 상황을 충분히 하여 조사하고 굴착 방법, 흙막이공법, 용수처리 등을 검토하여 경제적이고 안전한 굴착공법을 선정해야 한다.

깊은 기초는 기초 하부지반의 지지력이 부족하거나 과도한 침하가 발생하여 직접기초의 설치가 곤란한 경우에 말뚝, 케이슨 등을 설치하여 상부 하중을 전달하는 형식의 기초이다. 주요 기능에는 상부 구조물의 하중을 깊은 곳의 지지층에 전달하고, 침식이나 세굴 등의 영향이 없는 지층에 하중을 전달하며, 토압이나 풍하중 등의 수평하중을 지지한다. 그러므로 깊은 기초는 지층이 깊게 위치하고 구조물의 자중을 감소시킬 수 없는 상태에서 표층부의 연약지반개량에 드는 비용이 얕은 기초를 설치하는 비용보다 많이 소요되거나 지표 부의 지반 굴착 시에 지하 수처리가 곤란한 경우, 또는 침하에 민감한 구조물인 경우에 적용한다. 깊은 기초 종류에는 말뚝기초, 피어기초, 케이슨기초가 있는데 우선 말뚝기초는 지지력의 전달 기구와 사용법에 의해서 다시 선단 지지말뚝, 하부지반에 의한 지지말뚝, 마찰말뚝, 다짐말뚝, 경사말뚝으로 나눌 수 있고, 시공 방법에 의한 분류로 타입 공법, 매입공법, 현장 타설 말뚝으로 구분할 수 있다. 말뚝 재료로는 나무말뚝, 철근 콘크리트말뚝, 프리스트레스트콘크리트말뚝, PHC 말뚝, 강 말뚝, 복합말뚝 등이 있다. 말뚝기초의 시공 방법에는 지반 조건, 말뚝 규격, 설계하중, 사용 장비, 주변 여건과 건설공해 등을 고려하여 결정하며 기성 제품 말뚝의 타입 공법과 매입공법, 현장 타설 말뚝 등으로 분류한다.

케이슨 공법은 지중의 지지층까지 케이슨 내부를 굴착하여 침하시킨 후에 바닥을 콘크리트로 막고 속채움을 하는 중공 대형의 철근콘크리트 기초형식이다. 케이슨은 지하수의 용수, 유사 등의 영향으로 개착이 곤란한 구조물의 기초로 사용하고 말뚝기초가 지지력 또는 지진 시의 수평 저항력이 부족하거나 침하, 진동이 큰 경우에 적용한다. 케이슨 공법의 방법에는 오픈 케이슨이라고 하는 우물통 공법, 해저면 아래에 설치되는 구조물의 기초공사에 주로 사용되는 공기식 케이슨, 케이슨의 바닥 부분이 폐쇄된 상자형 박스 케이슨공법이 있다. 이러한 케이슨 공법은 다른 기초공법에 비하여 설치비용이 비싸므로 중요한 구조물 기초에 사용하며 공법선정 및 시공에 고도의 기술이 필요하다.

 

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