말뚝

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Pile Driving 2.jpg

말뚝에 박기 위하여 한쪽 끝을 삐죽하게 만든 기둥이나 몽둥이 모양의 물건 또는 그것을 땅에 박아 놓은 것을 가리키는 단어이다. 말뚝은 건물이 가라앉거나 무너지지 않게 하는 역할을 한다. 건물의 기초가 땅 위 상층부를 지지하기에 너무 약하면 말뚝을 사용해서 구조물의 무게를 지하의 단단한 흙이나 암반으로 전달하면 된다. 마천루와 같은 고층 건물의 기초는 지하 60m까지 말뚝을 박는 경우도 있다.

말뚝에 작용하는 하중[편집]

말뚝기초에 작용하는 하중.png

말뚝에 작용하는 하중은 축하중과 수평하중이 있다. n개의 말뚝으로 이루어진 말뚝기초에서 말뚝 하나가 받는 축하중은 다음 식으로 구한다. 축하중을 계산할 때는 편심하중이나 수평하중으로 인해 말뚝기초 상단의 확대기초(파일 캡)에 모멘트가 작용하기 때문에 각 말뚝이 받는 축하중은 단순히 전체 연직하중 P를 말뚝 개수 n으로 나눈 것이 아니다. i번째 말뚝이 받는 축하중을 Pi라 할 때,

P : 연직하중의 합력(사하중 + 활하중)
Mx, My : x축, y축에 대한 모멘트(편심하중에 의한 모멘트는 각 축에서 편심하중 P까지의 수직거리를 곱해준다)
xi, yi : i번째 말뚝에서 x, y축까지의 거리

각 말뚝이 받는 수평하중은 기초에 작용하는 수평하중 H를 말뚝 개수 n으로 나눠주면 된다.

상부구조물에 작용하는 수평하중이 말뚝에 전달되는 경우는 주동말뚝이라고 하고, 말뚝 주변 지반 변형이 말뚝에 하중으로 작용되는 경우는 수동말뚝이라고 한다.[1]

지지력[편집]

말뚝의 축방향 극한 지지력 Qu는 말뚝 극한 선단지지력 Qp와 극한주면마찰저항력 Qs의 합과 같다.[2]

말뚝의 지지력을 구하는 공식에는 동역학적 지지력 공식과 정역학적 지지력 공식이 있다. 사질토 지반에는 동역학적 지지력 공식이 적합하고, 점성토 지반에는 정역학적 지지력 공식을 사용한다.

동역학적 지지력 공식[편집]

동역학적 지지력 공식은 엔지니어링 뉴스(Engineering News) 공식, 샌더(Sander) 공식, Hiley 공식, Weisbach 공식이 있다.

샌더(Sander) 공식

해머의 중량을 , 해머 낙하고를 H, 타격 당 말뚝의 평균 관입량을 S라고 하면 샌더 공식은 다음과 같다. 이때 샌더 공식에서의 안전율 이다.

극한 지지력
허용 지지력
엔지니어링 뉴스(Engineering News) 공식

엔지니어링 뉴스 공식에서의 안전율 이다. 엔지니어링 뉴스에서 소개한 공식은 세 가지로, 낙하식 해머(drop hammer)에 대한 공식, 단동식 증기 해머에 대한 공식, 복동식 증기 해머에 대한 공식이 있다.

  • 단동식 증기 해머 공식
극한 지지력
허용 지지력

정역학적 지지력 공식[편집]

정역학적 지지력 공식에는 Dörr 공식, 테르자기(Terzaghi) 공식, Meyerhof 공식, Dunham 공식이 있다.

극한 선단지지력

말뚝의 극한 선단지지력 Qp는 단위면적당 극한선단지지력(단위선단지지력)을 qp, 선단부 내부가 흙으로 완전히 채워졌다고 가정하는 경우의 말뚝 저부 면적을 Ab라 할 때 다음과 같다.

단위 선단지지력 qp는 얕은 기초의 극한 지지력 공식 에서 기초 단변 길이 B를 말뚝 직경 D로 바꾼 식을 사용한다. *가 붙은 지지력 계수들은 형상계수, 깊이계수, 경사하중 계수를 모두 고려한 지지력 계수임을 의미한다.[3] 말뚝 직경 D는 크지 않으므로 세 번째 항을 무시할 수 있고 q는 유효상재압력 σv'을 사용하므로 식은 다음과 같이 된다.[4][5]

사질토인 경우, c=0이므로 단위선단지지력 이다. 말뚝이 타입 말뚝인지 현장 타설 말뚝인지에 따라 Nq*가 달라진다. 단위선단지지력은 말뚝 깊이가 깊어질수록 σv'의 증가에 따라 커지나, 말뚝 직경 D의 20배까지의 한계깊이 이하에서는 일정하다. 즉 를 한계로 한다.[6]

포화된 점토에서 비배수 조건인 경우 이므로 이다. cu는 점토의 비배수 전단강도이다. 관입비가 4 이상인 정방 기초 혹은 원형 기초는 Nc*=9이다. 따라서 이다.[7]

극한 주면마찰저항력

말뚝의 주면마찰저항력 Qs는 다음 식으로 나타난다.[8]

p : 말뚝 단면의 윤변
ΔL : p와 fs가 일정한 곳에서 말뚝의 길이
fs : 깊이 z에서의 단위 주면마찰저항력

fs는 흙과 구조체의 전단강도 식으로, 다음과 같이 구한다.

ca : 말뚝과 주변 흙 사이의 부착력
δ : 말뚝과 주변 흙 사이의 벽면마찰각
Ks : 말뚝면에 작용하는 토압계수

사질토의 단위 주면마찰저항력은 ca=0이므로 이다. 선단지지력과 마찬가지로 깊이가 깊어질수록 주면마찰저항력이 커지다가 말뚝 직경 D의 20배까지의 한계깊이 이하에서는 일정해진다. 즉 를 한계로 한다.[9] 토압계수 Ks는 말뚝이 타입 말뚝인지 굴착 말뚝인지에 따라 달라진다. 벽면마찰각 δ는 말뚝의 재료에 따라 달라진다.[10]

점토의 단위 주면마찰저항력은 전응력 해석법인 α계수법과 유효응력 해석법인 β계수법을 통해 구한다.

α계수법은 비배수 전단강도 cu를 사용하며, Φu=0이므로 δ=0이 되어 식으로 점토의 단위 주면마찰저항력을 구한다. 여기서 α는 부착력 계수이다.[11]

β계수법은 포화 점토지반에 말뚝을 타입하고 지반에 과잉간극수압이 발생하며 점토가 교란되었다가 과잉간극수압이 소산된 후, 재성형된 점토에 대해 유효응력을 이요하여 해석하는 방법이다. 저항력은 다음 식으로 구한다.

cr' : 재성형된 점토의 점착력
Ks : 토압계수(보통 정지토압계수)
Φr' : 재성형된 점토의 내부마찰각

재성형된 점토의 점착력이므로 식은 다음처럼 간략화된다.

여기서 이므로 이다.[12]

군항의 지지력[편집]

하나의 말뚝을 단항이라 한다면, 여러 개의 말뚝은 군항 또는 무리말뚝(group pile)이라 한다. 일반적으로 군항을 말뚝 기초로 사용하는데,[13] 이때 군항의 허용 지지력 은 단순히 단항의 허용 지지력에 말뚝 개수 N을 곱한 것이 아니라, 말뚝부터의 지중 응력이 중복되기 때문에 말뚝 한 개당 지지력이 약화되므로, 별도의 식을 이용해야 한다. 무리말뚝의 효율을 E라고 한다면 다음과 같이 구할 수 있다.

무리말뚝 효율.png

마찰말뚝의 경우 극한지지력을 이용하여 식을 나타낸다면

단일 말뚝의 주면 마찰저항력 Qu는 p가 윤변, L이 말뚝 길이, 가 평균 단위주면마찰저항력이라 할 때,

블록으로 작용하는 경우 주면마찰저항력 Qug는 m이 말뚝의 열수, n은 한개 열의 말뚝 수라 할 때,[14]

군항의 효율 E는 Converse-Labarre의 저감식을 통해서도 계산할 수 있다.[15]

D : 말뚝의 직경, S : 말뚝 중심간의 간격

사질토에 타입된 마찰말뚝이나, 암반에 근입된 마찰말뚝은 효율 E를 1로 한다. 반면 사질토나 점토에 매입된 말뚝은 위 식에 따라 무리말뚝의 효율이 달라지게 된다.[16] 특히 점토지반에 근입된 무리말뚝의 극한지지력 Qug는 다음 두 값 중 작은 값을 선택한다. 여기서 cu(b)는 말뚝 저면의 점토층 비배수전단강도이다.[17]

  • 단일말뚝의 극한지지력 Qu총합
  • 무리말뚝의 영역을 블록으로 봤을 때의 극한지지력

부마찰력[편집]

말뚝 기초는 선단 지지력과 주면 마찰력에 의해 상부 하중을 지반에 전달한다. 그러나 주변 지반이 말뚝보다 더 많이 침하하여 상향으로 작용해야 하는 주면 마찰력이 아래쪽으로 작용하는 경우가 생기는데 이때의 마찰력을 부마찰력(negative friction; ) 또는 부주면마찰력이라 한다.[18] 부마찰력은 말뚝을 아래쪽으로 끌어내린다.[19]

U : 말뚝의 주변장 (D : 말뚝 직경)
 : 관입 깊이
 : 말뚝의 평균 마찰력 또는 일축 압축 강도의 절반값()

부마찰력의 특징[편집]

  • 부마찰력 발생 시 말뚝의 지지력은 감소
  • 연약한 점토에서 부마찰력은 상대 변위의 속도가 느릴수록 작고, 빠를수록 크다.

부마찰력의 발생[편집]

  • 압밀층을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 박는 경우 발생
  • 연약 지반을 관통하여 말뚝을 박고 그 위에 성토하는 경우 발생
  • 연약 지반을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 박는 경우 발생

같이 보기[편집]

참고 문헌[편집]

각주[편집]

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