기초 구조물 내진 성능 향상 방법

교량기초는 교량의 기초구조물로 사용되는 직접기초, 말뚝기초, 케이슨기초, 교대기
초 등의 구조물에 대해서 내진성능 향상을 위한 대표적인 대책공법을 정리하면 다
음의 표 3.2.9와 같다. 기초구조물은 지상구조물에 비해서 지진에 의한 손상 발견
이 곤란하고, 손상을 받은 경우에는 지상구조물 이상으로 대규모의 복구·보수가 이
루어진다. 따라서, 기초구조물은 내력 및 변형성능을 확보하는 것이 중요하다.

1. 직접기초

직접기초의 내진성능 보강에 있어서 주안점은 기초의 지지력(Bearing capacity) 및
수평저항력을 증대시키는 것이다. 대부분의 확대기초 또는 말뚝캡의 경우 기둥이나
말뚝의 항복이 일어나기 전에 기초(Footing)의 항복이 먼저 일어나게 될 것이다.
이러한 이유는 기초 위의 층이 미약하기 때문에 지진력에 대한 기초의 저항력이 상
대적으로 작기 때문이다. 또한 지진하중에 의해 예기치 않은 상대적으로 큰 수평변
위가 발생하여 기초에 균열이 발생하고 기초는 파괴에 도달할 수 있다. 따라서 직
접기초의 내진성능 보강에 있어서는 기초의 지지력과 수평저항력을 증대시키는데
목적이 있다.

가. 지반개량공법

기존 시설물이 위치하는 지반의 개량은 개량공법의 시공 중에 발생할 수 있는 위험
성을 반드시 고려하여야 한다. 비록 개량효과는 뛰어나더라도 진동다짐과 같이 시
공 과정에서 구조물의 침하를 유발시킬 수 있는 개량방법은 피하여야 한다.
지반의 개량 및 보강으로 얻을 수 있는 기초구조물의 내진성능 향상은 확대기초의
수직방향 지지력 향상, 확대기초 저면에서의 수평마찰저항력 증가, 기초 주변지반
에서의 수동저항력(Passive resistance) 증가 등이다.
기초의 지지력(Bearing capacity)을 향상시키는 공법에는 제한이 따른다. 흙의 제
거 및 치환방법과 진동다짐공법 등은 구조물의 침하를 유발시킬 수 있기 때문이다.
주입공법은 기존 시설물에 큰 피해없이 지반의 강성을 증가시켜 기초의 지지력 및
기초 저면에서의 마찰 저항력(Lateral frictional resistance)을 증대시키기 때문에
지진에 의한 수평변위를 감소시킬 수 있다. 이와 같은 주입공법의 대표적인 방법으
로는 압축주입공법(Compaction grouting), 침투주입공법(Permeation grouting), 사
출주입공법(Jet grouting) 등이 있다. 그림 3.2.36에 이를 개략적으로 도시하였다.
압축주입공법(Compaction grouting)은 다양한 지반에 적용이 가능하고, 흙의 강성
을 증대시켜 기초에 작용하는 하중을 보다 깊고 강한 흙에 전달하는데 효과적이다.
흙, 시멘트, 물의 혼합물을 지반에 주입하여 구근모양의 벌브(Bulb)를 형성시킨다.
이와 같이 지중에 형성된 벌브는 주변지반을 조밀하게 하고, 압력을 가하여 수평응
력을 증가시키는 효과를 가져 온다. 그러나 사질토에서 이와 같은 정적인 압력의
효과는 진동다짐에 비하여 제한적일 수 있다. 압축공법을 수행하는 과정에서 허용
치를 벗어나는 히빙(Heaving) 또는 수평변위에 반드시 주의를 요한다.

침투주입공법(Permeation grouting)은 화학적 주입공법(Chemical grouting)이라고
도 불리우며 사질토에 특히 효과적이고, 상대적으로 실트질 모래나 보다 미세한 입
자의 흙에서는 효과가 반감될 수 있다.
사출주입공법(jet grouting)은 시멘트와 같은 안정물질을 지중에 고속으로 분사하는
방법이다.

한편, 흙의 치환방법과 진동공법 등은 구조물의 침하를 유발시킬 수 있기 때문에
적용할 경우, 주의가 요구된다. 치환공법은 기존의 흙보다 강하고 조밀한 흙(시멘
트-안정처리 흙)등을 이용하여 적용한다. 현장에서 충격 또는 진동다짐에 의한 지
반 개량은 반드시 다짐 대상층이 너무 두껍지 않아야 하고, 진동이 구조물이 견딜
수 있는 정도라야 한다.

나. 기초단면확대공법

직접기초의 지지력 또는 수평저항력을 증대시키기 위해 기존의 독립 또는 확대기초
의 크기를 증가시키는 방법을 사용할 수 있다.
직접기초의 단면을 확대하기 위해서는 기초의 두께를 증가시키거나 기초와 지반이
접촉하는 면적을 증가시켜야 하며, 두 가지 모두를 적용할 수도 있다. 현장의 주변
조건을 살펴서 어떠한 방향으로의 단면 확대를 할 것인가를 결정하여야 한다. 단면
의 확대를 결정할 때에는 확대하려고 하는 기초의 단면이 지지력, 미끄러짐, 전도
등에 안전하면서도 기초 자체가 하중을 견딜 수 있는 지를 검토하여야 한다. 즉,
설계 기준에 안전한지를 먼저 검토한 후 단면 확대를 실시하여야 한다.
기존의 직접기초의 단면적을 증가시키면 지진하중의 작용시 요구되는 추가의 지지
력을 얻을 수 있고, 수평변위를 감소시킬 수 있다. 기초의 단면적이 커지면 지지력
증가는 물론 수평하중에 대한 저항력이 상대적으로 증대되므로 기존의 직접기초를
중심으로 대칭성을 이루어 기초의 단면적을 확장시킨다. 이때, dowel bar 또는 tie
등을 이용하여 기존의 직접기초와 추가 확장기초와의 결속력을 강화시켜 일체의 거
동이 나타나도록 한다. 그림 3.2.37은 기초판의 확대 및 단면보강의 예를 나타내고
있다.

다. 콘크리트캡설치공법

직접기초의 전도를 막기 위하여 기초 위에 일정 두께를 갖는 콘크리트 캡
(Concrete cap)을 설치하는 방법을 사용할 수 있다. 그림 3.2.38에 콘크리트 캡을
추가로 설치하는 개요도를 나타내었다. 추가로 설치되는 콘크리트 캡과 기존의 기
초(footing)와의 연결은 그림 3.2.38(a)에 나타났듯이 기존의 기초에 구멍을 뚫어
철 맞춤못의 그라우팅(Steel dowels grouted in drilled holes)을 통하여 일체화 시
킨다. 또한 그림 3.2.38(b)에 나타난 바와 같이 상부층에 철근 보강(Reinforcing
bars)과 프리스트레스 철근(Prestress tendons)을 설치하여 부 모멘트에 대한 저항
력(Negative moment capacity)이 생기게 된다. 이와 같은 콘크리트 캡의 추가설치
에 의하여 기초의 전도에 대한 저항력은 커질 것이다. 또한 이로 인해 기둥
(column)의 저면부와 기초 상부면에서 별도의 구속이 발생하여 앵커리지 파괴
(anchorage failures)에 대한 예방효과도 기대할 수 있다.

라. 언더피닝공법

기존의 독립 또는 확대기초 아래에 언더피닝공법을 통하여 지지력을 증대시킬 수
있다. 기존의 직접기초가 위치한 지반의 지지력이 문제가 보다 클 경우에는 기존의
독립 또는 확대기초 아래 및 주변에 일정깊이(지지력이 양호한 부분, 암반)까지 마
이크로파일을 설치하는 언더피닝공법을 이용하여 지지력 및 수평저항력을 증대시킬
수 있다. 그림 3.2.39에 직접기초에서의 언더피닝공법의 개요를 나타내었다. 직경
약 0.2m 정도의 일련의 마이크로파일(microshafts) 설치를 위한 보링을 직접기초
주변에 실시한 후, 철근을 삽입하고 그라우팅을 실시하여 시공한다. 마이크로파일
의 설치가 끝나면 기존의 기초에서 마이크로파일로의 하중전달을 위해 스트랩 등을
이용하여 마이크로파일과 기초를 결속시킨다.

마. 앵커정착공법

암반위에 기초가 위치하는 경우에는 앵커에 의한 정착으로 동적하중에 대한 안정성
을 증대시킬 수 있다. 지진하중과 같은 동적하중이 작용하면 기초저면의 미끄러짐
에 대한 저항력이 충분할지라도 기초의 전도가 발생할 우려가 있다. 이를 방지하기
위해 암반위에 놓인 기초의 경우 락앵커 타이다운(rock anchor tie-down) 공법을
사용할 수 있다. 앵커의 인발저항에 의하여 동적하중에 의한 변위발생이 억제되며,
주의할 점은 앵커에 프리스트레스를 가하면 기초가 침하할 가능성이 있기 때문에
단지 인발저항력에 의한 보강 효과만을 기대하여야 한다는 것이다. 그림 3.2.40은
앵커에 의한 기초의 보강의 개념을 간략하게 나타내고 있다.

바. 기초형식변경공법
기존의 기초를 보강하기가 불가능한 경우에는 기초 또는 기초형식의 전면 교체에
의하여 지지력을 확보할 수 있다. 대형구조물이 아닌 경우, 즉 일반 저층 주택과
같은 경우에는 기초의 손상이 심하거나 기술적인 이유로 보수․보강이 어려울 경우
에 유압잭으로 상부구조물을 들어올린 상태에서 기존의 기초를 일부분 제거하고 새
로운 기초로 대체할 수 있다. 또한, 직접기초로써 지지력 확보가 어려운 경우에 말
뚝기초로 기초형식 자체를 변경하여 지지력을 확보할 수 있다.
그러나, 이러한 방법은 위에서 언급한 다른 보강방법들에 대한 충분한 검토가 이루
어진 후에 다른 대안이 없을 경우에만 고려해보아야 할 것이다. 이 때, 반드시 기
술적인 문제와 경제성 분석등을 통해 그 타당성을 검토하여 신설구조물을 새로 만
드는 것보다 유리하다는 판단이 필요하다.

2. 말뚝기초

가. 지반개량공법
기초구조물 주변의 지반의 개량 및 보강으로 내진성능을 향상시킬 수 있다. 그라우
팅 또는 다짐말뚝과 같은 방법으로 기초에 인접한 지반의 강성을 증가시킴으로써
말뚝기초-지반 시스템의 내진성능을 향상시킬 수 있다. 이 때 사용할 수 있는 지반
의 보강방법은 액상화 및 직접기초에 대한 보강방법에 소개된 바를 참고로 한다.
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나. 말뚝캡보강공법
말뚝캡의 강성을 증가시킴으로써 내진성능을 향상시킬 수 있다. 보강방법 및 기대
되는 효과는 직접기초에 대한 보강방법을 참조한다.
다. 말뚝추가공법
기존의 말뚝기초가 설계지진에 대하여 지지력 및 수평변위 등이 내진성에 만족스럽
지 못할 경우, 새로운 말뚝을 추가로 설치하여 보강할 수 있다. 기존의 무리말뚝
및 개별말뚝 해석결과 설계지진하중에 대하여 지지력 및 수평변위 등이 내진성에
만족스럽지 못할 경우에 기존의 무리말뚝에 새로운 말뚝을 추가로 설치하고, 말뚝
캡을 확장함으로써 보강을 실시한다.
말뚝캡을 확장시에는 Dowel bar 또는 Tie 등을 이용하여 기존의 말뚝캡과 확장될
부분이 일체가 되도록한다. 또한, 새로운 말뚝을 설치시 상부구조물에 침하와 같은
피해가 없도록 시공에 주의한다. 그림 3.2.41에 새로운 말뚝을 추가하여 보강하는
방법의 대략적인 개념을 나타내었다.

라. 앵커정착공법
앵커의 인발저항을 이용하여 내진성능을 증가시킬 수 있다. 말뚝캡으로부터 기초지
반에 이르는 앵커를 정착하면 앵커의 인발저항에 의하여 기초의 횡방향 저항력이
증가한다. 기초의 저면이 암반이면 락앵커를, 토사이면 쏘일앵커를 사용할 수 있다.
이러한 보강방법은 말뚝을 추가하는 방법에 비해서 경제적이고 시공이 편리하므로
지지력에 대한 안정성이 확보되는 경우에는 우선적으로 고려하여야 한다.

마. 언더피닝공법

기존 말뚝의 직경이 큰 경우에는 마이크로파일을 이용한 언더피닝공법으로 말뚝의
지지력 및 수평저항력을 증가시킬 수 있다. 즉, 기존 말뚝기초가 직경이 큰 콘크리
트 말뚝 또는 대형 현장타설말뚝일 경우, 마이크로파일을 기존의 말뚝 주변에 설치
하는 언더피닝공법을 사용하면 효과적으로 내진성능을 증가시킬 수 있다.
그림 3.2.42에 언더피닝공법의 개요도를 나타내었다. 직경 약 20㎝정도의 마이크로
파일(Micropile) 설치를 위한 보링을 말뚝 주변에 실시한 후, 철근을 삽입하고 그라
우팅을 실시하여 시공한다. 마이크로파일의 설치가 끝나면 기존의 말뚝에서 마이크
로파일로의 하중전달을 위해 그림에 나타난 것처럼 스트랩(Strap) 또는 개별의 타
이(Tie)를 사용하여 마이크로파일과 기존말뚝을 결속시킨다.

3. 케이슨기초

케이슨기초에서 가장 중요한 점은 동적하중 등으로 발생하는 변위를 최소화하여 상
부구조물의 파괴를 방지하는 것이다. 케이슨기초는 지지면과의 접지면적이 넓고 대
부분 단단한 지지면 위에 놓이므로 연직지지력을 충분히 확보할 수 있고, 기초의
단면적이 크기 때문에 횡방향 하중에 대한 저항력이 큰 기초구조물이다. 그러나,
케이슨기초를 사용하는 상부구조물은 매우 중요한 구조물이기 때문에 지진하중 등
에 의해 발생하는 변위에 대해서는 엄격한 기준이 요구된다.

가. 지반개량공법
케이슨기초의 보강은 부재 자체의 보강과 기초가 위치한 인접지반에 대한 보강 방
법으로 나뉠 수 있다. 그러나 일반적으로 부재 자체의 보강은 오히려 보강작업이
힘들고 경제적으로 현실성이 떨어진다. 따라서, 인접지반에 대한 보강이 경제적이
라 할 수 있다. 기초의 인접지반에 대한 보강으로 액상화 방지 및 변위 감소가 가
능하다. 이러한 지반의 보강방법은 액상화에 대한 지반보강 방법을 비롯하여 앞서
소개된 여러 가지 그라우팅 공법 및 다짐말뚝에 의한 지반보강 등을 들 수 있다.

나. 락앵커정착공법
케이슨기초를 락앵커로 정착함으로써 저항력 증가 및 변위 감소의 효과를 발휘할
수 있다. 케이슨기초는 대부분 단단한 암반 위에 놓이기 때문에 락앵커를 설치하기
가 용이하다. 지진하중 등이 작용하면 앵커의 인발저항에 의하여 미끄러짐과 양압
력에 대한 저항력이 증가하고 수평 및 전도에 대한 변위가 억제된다.

4. 교대기초

액상화에 의한 파괴 또는 경간 끝단에서의 지지력 손실이 일어나지 않는다면 교대
의 파괴는 구조물의 붕괴에 거의 영향을 끼치지 않는다. 따라서 내진에 의한 대책
공법도 교대 자체의 강성을 증가시키기 보다는 교대와 교량구조물과의 연결성에 초
점을 맞추는 것이 바람직하다.
지진시 교대에서의 문제점은 과도한 수평변위 또는 뒤채움재(Abutment fills)의 침
하로 인한 교량구조물과의 단절 가능성이다. 더욱이 교대 베어링에서 상대적인 변
위를 제한하기 위해 사용되는 구속장치(Restrainer)는 큰 교대 작용력으로 나타날
수 있다. 따라서 상황에 따라 지진시 교대에 발생할 수 있는 문제점을 예측하고 이
를 고려하여 파괴를 예방할 수 있는 대책공법을 결정하는 것이 중요하다.

가. 배면토압감소공법
뒤채움 상부지반을 경량의 지반재료(슬래그, 기포혼합처리토 등)로 치환하거나, 뒤
채움 지반 전체를 마찰각이 큰 석재 또는 사전혼합처리토로 치환하거나, 뒤채움 지
반을 고결하여 강도를 증가시키는 방법 등으로 교대에 작용하는 횡방향 작용력을
감소시킴으로써 교대에 발생하는 과도한 변위를 억제할 수 있다.

나. 침하슬래브설치공법
교대 뒤채움재(Abutment fills) 침하에 의한 교량과의 단절을 방지하기 위하여 침하
슬래브(Settlement slab)를 적용할 수 있다. 침하슬래브는 흙의 파괴 또는 교대의
과도한 변위에 의해 초과 침하가 발생할 우려가 있는 경우에 적용하도록 한다.
지진에 의해 발생하는 교대의 단절(Discontinuity)을 최소화하기 위하여 간단한 철
근 콘크리트 슬래브구조물을 교대에 타이(Tie)를 이용하여 설치한다. 이때 교대에
연결되는 타이는 설계지진하중(슬래브 사하중×지진계수)에 대하여 저항력이 있어
야 한다. 또한, 침하슬래브의 연결은 침하 발생시 교대 뒷벽(Abutment backwall)으
로의 모멘트 전달을 방지하기 위하여 반드시 회전변위에 대해서 자유로워야 한다.
그림 3.2.43과 그림 3.2.44에 두 가지 종류의 침하 슬래브를 나타내었다. 그림
3.2.44에 나타난 방법이 침하슬래브 위 흙의 자중으로 인한 마찰력 증가라는 측면
에서 교대의 안정에 좀 더 유리할 것으로 예측지만, 이러한 효과는 크지 않아서 그
림에서의 두 종류의 침하 슬래브 거동은 유사할 것으로 판단된다.

다. 앵커설치공법
교대의 수평변위로 인한 교량구조물과의 단절은 앵커(Anchor)를 설치하여 억제할
수 있다. 설치할 앵커의 극한 저항력(Ultimate capacity)은 상부구조물로부터 교대
에 전달되는 지진력 및 설계지진으로 인한 교대 배면에 발생하는 지진응력(Seismic
earth pressure) 이상이어야 한다. 그림 3.2.45와 같이 앵커를 교대에 설치할 수
있으며, 지진시 교대 뒤채움재는 이동이 발생할 수 있으므로 앵커는 이러한 영향을
받지 않는 충분한 거리까지 연장하도록 한다.

라. 지반개량공법
그라우팅 또는 토사교반공법에 의하여 기초지반의 지지력을 증가시킬 수 있다. 교
대의 지지력 파괴에 대한 안정성은 교대의 저면이 연암 또는 풍화암 등의 견고한
지반인 경우에는 크게 문제가 되지 않는다. 그러나, 교대가 연약한 점토층에 놓이
는 경우에는 기초저면으로부터 교대폭의 2배 이상의 깊이까지 그라우팅이나 토사
교반공법 등에 의한 기초지반의 지지력을 강화할 수 있다.
마. 교대중량화공법
교대 상부 또는 측면에 콘크리트를 타설하여 교대 자체의 중량을 증가시킴으로써
바닥면과의 마찰특성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이 경우에는 반드시 지지력에
대한 안정성 검토가 필요하다.
바. 기초특성에 따른 보강
교대의 기초특성에 따라 그 기초 형식에 해당하는 보강방법을 적용할 수 있다. 교
대의 경우 뒤채움 지반에서 가해지는 작용력을 추가적으로 고려해야 한다는 점을
제외하면 직접기초 또는 말뚝기초로 분류할 수 있다. 따라서, 직접기초 또는 말뚝
기초의 보강방법에 따라 교대 기초를 보강할 수 있다.

 

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