5장. 기초공

1. 개설

(1) 기초의 정의

1) 기초 (Foundation) : 상부구조의 하중을 지반에 전달하는 부분의 총칭

- 얕은기초 : 구조물 하중을 접지압(contact pressure)으로 지지

footing 또는 mat와 같이 상부구조와 일체를 이룬 것

- 깊은기초 : 구조물 하중을 선단지지력과 주면 마찰력으로 지지

pile, casisson과 같이 지반내에 설치하는 것으로 나눔

2)기초의 기능 : 심화 침하 또는 부등 침하의 방지

Ø 기초의 최소폭과 근입 깊이

- 얕은 기초 : Df/B ≤ 4

지표면 근처에 지지층 존재, 지지력과 침하에 문제 없을 경우

- 깊은 기초 : Df/B ≥ 4

지지층이 깊은 경우

지표 부근 연약층의 개량비용이 클 경우

구조물이 침하에 민감한 경우

향후 구조물 근처에 새로운 굴착 또는 지하구조물 설치가 예상될 경우

(2) 지반조사와 기초공법 선정

① 지반조사(Soil Investigation)

② 기초에 대한 조사 및 방침

- 허용침하량 파악(상부구조 하중조건, 구조물 형식별)

- UD를 이용한 역학시험 결과를 이용하여 근입 깊이와 기초의 규모 결정

③ 기초공법 선정조건

- 충분한 지지력 - 허용한계 이내의 변형 : 침하, 부등침하, 회전

- 최소 근입깊이 확보 : 습윤팽창, 건조수축, 동결융해, 지하수 변동에 저항

- 충분한 안전율 확보 - 경제적, 기술적시공 가능여부, 인접구조물 영향고려

(3) 기초의 침하

① 침하원인

- 구조물 自重에 의한 지중응력 증가(탄소성 변형)

- 지하수위 증가에 의한 지반내 유효응력 증가

- 점성토 지반의 건조 수축

- 함수비 증가로 인한 지반 지지력 약화

- 지반의 기초 파괴

- 지중공간 함몰(지하공동, 지하 매설물)

- 凍傷(Frost Heaving)에 의한 지반 지지력 약화

② 침하의 종류

- 즉시 침하(탄성침하)

자중에 의한 지반의 압축, 사질토 지반

- 압밀 침하

간극수 이동에 의한 시간의존성 장기 침하, 점성토 지반

- 2차 침하

유기질 또는 점성토의 2차 압밀, 점성토의 creep 영향

③ 不等 沈下(differential settlement)

- 침하한 기초 양단을 연결한 가상선을 기준으로 측정된 침하량이 다른 경우

- 구조물 미세균열 가속화 -> 붕괴 초래

- 균등침하의 경우 계획고(FH) 조정으로 해결

④ 기초지반의 파괴

- 기초에 전해지는 하중에 의해 탄성평형이 소성평형상태로 전이

- 전반 전단파괴 : 일반적 파괴 형태, 조밀한 모래 / 굳은 점성토

- 국부 전단파괴 : 점토 / 느슨한 사질토

- 관입 전단파괴 : 매우 연약한 지반

(4) Boring

① 보링의 종류 : Auger, Rotary, Percussion

② RQD & TCR(total core recovery)

- RQD : 코어 암질 지수

- TCR : 코어 채취율

③ Drill rod 외경

④ 보링심도

구분

형식

비트 케이싱

내경 외경 내경 외경

EX 0.847(21.4MM) 1.47(37.3MM) 1.50(38.14MM) 1.81(46.0MM)

AX 1.185(20.0MM) 1.88(47.6MM) 1.91(48.4MM) 2.25(57.1MM)

BX 1.655(42.0MM) 2.35(59.5MM) 2.30(60.3MM) 2.88(73.0MM)

NX 2.155(54.7MM) 2.97(75.3MM) 3.00(76.2MM) 3.50(88.9MM)

⑤ 시료(Sampling)

- 교란시료 : Test Pit, Borrow Pit, Auger, SPT 등으로 취득. 물성 파악에 사용

- 불교란시료 : 역학적 특성 파악

- 시료채취 기구 : Split Spoon, Thin Wall Tube, Piston 시료채취기

⑥ 보링 주상도

⑥ 표준관입시험(SPT)

- 64kg hammer로 76cm 낙하고에서 30cm 관입될 때까지의 타격수를 N값

- N > 30 : 말뚝 지지층 가능

- N < 10 : footing 기초로 곤란

- N < 4 : 연약지반

⑦ 평탄재하시험(PBT)

- 기초지반 허용지지력, 탄성계수, 기초형식 결정, 강성포장의 지지력계수(K값) 결정

- plate (30cm 이상, 30*30cm 정방형으로 두께는 2.5cm이상)

- 하중의 크기는 연약지반 5t, 단단한 지반 30t.

- 예상파괴하중의 1/5씩 증가시키며 처짐량을 측정.

-처짐량와 하중과의 관계 장기시험 허용지지력

Py : 항복강도

Pu : 극한강도

- 평판재하시험 결과를 실제 footing에 적용할 때 scale effect를 고려

모래지반 : 지지력은 재하판 폭에 비례하고 침하량과는 무관.

점토지반 : 지지력은 재하판 폭에 무관하고 침하량에 비례.

⑦ Sounding : rod 선단 저항체를 땅 속에 넣어 관입, 회전 등에 대한 저항치로

지반의 강도 및 밀도 등을 조사하기 위한 원위치 시험

- Vane Test / 정적 콘관입시험 / 물리탐사

2. 얕은기초(직접기초)

(1) 개요

① 얕은기초 시공시 유의사항

- 가벼운 구조물 or 양질의 토층이 지표 부근에 놓이는 경우

- 극한지지력과 침하량은 심부 토층의 영향을 받을 가능성 있으므로 지질조사 필요

- 직접기초의 근입깊이 : 계절적 영향을 고려할 것(보통 1-2m)

- 동결 피해 없어도 지반 하부 1.2m에 설치

- 경사지 기초 : 풍화영향을 고려하여

경사면에서 60 ~ 100cm 이상 이격

② 지지력의 종류

- 극한 지지력 : 전반전단 파괴시의 최대 응력

- 허용 지지력 : 단위 면적에 재하 가능한 최대 응력(극한/안전율)

③ 얕은기초 지지력 산출 공식

- 현장시험 자료이용 : SPT, PBT, PMT(공내재하시험)

- 지지력 이론 활용

q = α CNc + βγ1 B Nr + γ2 Df Nq (t/m2)

- 기초지반 허용 지지력

(2) 얕은기초의 종류

① 독립(Footing)기초

- 한 개의 기둥을 각각 독립된 한 개의 기초로지지

② 연속기초, 연속푸팅, 줄기초

- 연속한 기둥 or 벽체의 하중을 대상(긴 형태)의 footing으로 지지

③ combined(복합) footing

- 2개 or 2개 이상의 기둥을 지지

- 인접 건물이 있는 경우 부지경계선 내부에 footing을 놓기 위한 방법으로 사용

④ Mat Foundation(전면 기초)

- 독립기초만으로 지지력 확보가 어려운 경우

=> footing 저면적 합계가 건축면적 2/3을 초과

- 전체 기둥하중을 하나의 기초 slab로 지지하는 것이 경제적으로 유리

- 지반의 국부적 차이에 따른 부등 침하의 영향 적음

- 기초의 강성이 커서 부등 침하에 저항

3. 깊은기초(간접기초)

(1) 말뚝기초

- 타입(항타), 굴착(매입) 및 현장 타설을 이용하여 말뚝머리와 상부 구조물 연결

- 말뚝길이 결정 : 지반조사 이용 후 => 시범 항타를 통해 길이, 관입량, 항타기 결정

지반 지지력이 충분하지 않을 경우 or 침하가 과다할 경우 Pile / Pier / Cassion 사용

1) 지지력 전달상태에 의한 분류

① 선단지지말뚝 : 하부의 단단한 지지층까지 도달시킴

② 하부지반지지말뚝 : 선단지지 + 마찰말뚝

③ 마찰말뚝 : 말뚝 전 길이의 표면마찰력에 의존

2) 사용 목적에 의한 분류

① 다짐(compaction)말뚝 : 말뚝에 의한 지반다짐 효과

② 억류(stabilizing)말뚝 : 비탈면 활동 억제(흙막이 말뚝 or 억제 말뚝)

③ 수평저항말뚝 : 횡방향 압력에 저항

④ 인장(tensile)말뚝 : 휨부재의 인장측에 사용 or 말뚝 재하시험용 저항 말뚝

⑤ 사항(batter pile) : 수평력 보완

3) 기능에 의한 분류

- 군항(무리말뚝) : 2개 이상 말뚝의 지중 응력이 상호 영향을 미치는 경우

- 점성토 지반은 군항의 영향이 큼(단항의 70~80% 지지력)

① 군항과 단항의 구분(아래 값 이하일 경우 => 군항)

Do = 1.5 * r * L Do : 군항의 최대 중심간격 / L : 말뚝깊이 / r : 말뚝반경

② 군항의 지지력 효율

③ 군항의 허용 지지력

4) 재료 및 제조 방법에 의한 분류

① 나무 말뚝 : 운반, 항타 용이 / 지하수위 이하에서만 내구성 지님

② PC 말뚝 : 강동 50 Mpa내외 / pre- 및 post- 방식 / 균열 및 부식 적음

용접이음으로 신뢰성 높음 / 휨저항 큼 / RC 파일보다 고가

③ PC 널말뚝 : 콘크리트 널말뚝에 프리스트레스 적용 / 이동식 담장

④ 원심력 콘크리트 말뚝 : 제조공정에서 원심력 적용 => 콘크리트의 밀도와 강도 증진

⑤ PHC 말뚝 : 강도 80MPa 이상 / 고온 고압 양생과정 필요

⑥ 강말뚝 : H-형, 강널(sheet), 강관(pipe) / N값 30이상의 굳은 지층에 타입 가능

큰 휨모멘트에 의한 수평저항력 큼 / 운반 및 항타 용이

부식대책 필요(해수에서 0.1 ~ 0.2mm/year)

=> 두께 증가, 표면 도장, 콘크리트 피복, 전기 방식 등 적용

5) 말뚝재료의 조합에 의한 분류

① 이음 말뚝 : 동일 재료 말뚝을 2개 이상 이음

② 합성 말뚝 : 2개 이상 다른 재료로 구성된 말뚝

6) 말뚝의 저항방향과 수에 의한 분류

① 연직 말뚝

② 빗 말뚝(사항)

③ 외 말뚝(단항)

④ 무리 말뚝(다항)

7) 시공방법에 의한 분류

(2) 현장타설 콘크리트 말뚝

- 대구경 Cast in place pile

- 배토(soil excavation pile) 및 비배토 말뚝(soil displacement pile)

1) 장점

① 말뚝 길이 조절 용이

② 지지력 증대(선단부 구근형성)

③ 운반용이/ 강도, 내구성 큼

④ 공기단축(말뚝 양생시간 불필요)

2) 단점

① 소음 및 진동

② 인접말뚝의 영향에 의한 품질 문제

③ 품질검사 어려움

④ 케이싱 없을 경우 지하수의 영향

⑤ 지층 변화에 따른 말뚝 단면 변화

3) 현타말뚝의 종류

① 페데스탈 (Pedestal) 말뚝 : 강관을 직접 타격하여 지지층에 도달한 다음 케이싱을

뽑아 올리면서 콘크리트를 투입, 구근 형성. 다소 굳은 지반에도 사용.

② 프랭키 (Flanky) 말뚝 : 페데스탈 말뚝과 거의 동일하나 강관을 박을 때 강관의

상부가 아니라 강관 하부에 굳은 비비기 콘크리트를 채워 이를 타격.

연약지반 구근형성시 사용.

③ 레이몬드 (Raymond) 말뚝 : 외관에 얇은 철판을 사용하여 내.외관을 동시에

박은 후, 내관을 뽑아 올린 뒤 콘크리트를타설.

4) Micro Pile

- 지반보강을 위한 300mm 이하의 소구경 파일

- 작업공간이 적고, 소음 진동이 작음

- 인장 및 압축 동시 적용 가능

① Bearing Pile(구조물 지지)

underpinning / 침하억제 / 근접시공 시 부등침하 방지용

② Soil Retaining & Reinforcement(지반 보강)

암반 또는 사면보강 / 터널 보강 / 지반 개량 및 지지

③ Intension pile(인장강화)

풍화층의 구조물 전도 방지 / 부력 방지

④ 종류

철근 / 강관 / 압력 주입

(3) 말뚝 시공

1) 타입공법

① 타격 시공

- 기성말뚝의 두부를 헤머로 타입

- 경제적, 지지력 신뢰도 높음

- 진동 및 소음 문제 발생

② 진동 시공

- 사질토 지반에서 가능

- 진동헤머를 이용한 Sheet pile or H-pile 철거

2) 매입 공법

- 진동 및 소음 문제 해결 / 품질 균일 / 시공속도 빠름

- SIP(Soil Cement Injected Precast Pile)

- DRA(Dual Respective Auger)

- 압입 / 프리보링 / 내부굴착 / 제트 공법

3) 말뚝 시공 준비

- 작업 중 시공장비의 위치한 지면 정지 및 개량

- 사전조사 및 준비작업

- 지하매설물 유무,지반조사 및 공법 적합성 여부판단

- 최종관입량 확인 표식 설정 및 최종 관입 목표치 설정

- 두부 보호재, 크래인 및 헤머상태 점검(장비의 점검 및 정비)

4) 항타기 종류

- 드롭헤머 / 증기헤머 / 디젤헤머 / 진동헤머 / Jack과 Water Jet를 이용한 항타기

5) 말뚝 타입 순서

- 중앙부에서 외부로

- 지표면이 한쪽으로 경사진 경우(잔교, 부두), 육지에서 바다 쪽으로

- 기존 구조물 근처에서는, 상황별 대책 수립

- 헤머 무게는 파일 무게의 1.5 ~ 2 배

- 최종 관입량(S)는 최소한 5mm이상 (항타공식 적용 가능)

6) 말뚝의 간격

- Bierbaumer 이론식이용

- 현장 적용시 2.5D ~ 4D로 시공

(4) 말뚝 지지력

1) 허용지지력 산정

① 재하시험에 의한 방법 : 정재하 / 동재하 / 정.동적 재하시험

② 현장시험에 의한 방법 : 표준 관입 시험 / 콘 관입시험 / 공내 재하시험

③ 이론해(정역학 공식) 이용 : Dorr / Terzaghi / Meyerhof

④ 동역학 공식 이용 : Hiley / Weisbach / Engineerign-News / Sander

2) 말뚝의 정역학적 지지력

① 극한지지력(Qu) = Qp(선단지지력)+Qf(주면마찰력)

= g p + Ap + fs + As

Qu : 단위 선단지지력 (t/㎡)

Ap: 말뚝 저면적(m2)

fs : 단위마찰 저항력 (t/㎡)

As: 말뚝 주면 면적(m2)

② 선단지지력 ③ 주면 마찰력

3) 부주면 마찰력(Negative Skin Friction)

- 연약지반에서 말뚝방향으로 침하하는 마찰력

- 중립점 : 상대적 변위가 “0”인 점

- 발생원인

상재하중에 의한 압밀 / 자중에 의한 압밀

지하수위 저하 / 인근 공사의 영향

말뚝타입에 의한 흙의 교란 및 압밀

- 감소 방안

4) 항타 공식(동역학적 공식)

① 항타공식 일반 원리

- 에너지 보존법칙 적용

② Hiley 공식

③ Engineering News 공식

④ Sander 공식

⑤ 허용 지지력

5) 말뚝 재하시험

① 종류

② 사하중에 의한 말뚝재하시험

③ 반력말뚝을 이용한 재하시험

④ 말뚝재하시험 방법

4. 피어 기초(Pier)

(1) 특징

- 직경 750mm 이상 현장타설 말뚝

- 특징

(2) 기계 피어 공법

① Benoto 공법 : 요동식 굴삭기로 케이싱 투브를 요동,압입시켜 케이싱 튜브내 토사를

함마 그랩으로 굴삭하고 공저를 준설 / 철근롱, 트래미관을 통해 콘크리트 타설

② Earth Drill 공법 : 시공설비가 소규모로 시공 능율이 높아 비교적 협소한 부지에서도

작업성이 좋음

③ RCD(Reverse Circulation Drill) 공법 : 물을 사용하여 정수압 0.2kg/cm2 으로 공벽을

안정시키고 스타트 파이프로 지반의 표층을 보호한 후 이후의 깊이에서는 케이싱

없이 굴삭이 가능한 공법

(3) 케이슨기초 (정통, 우물통, Caisson)

- 기초가 수중 또는 20m이상 깊이의 연약지반의 경우에 경제적인 공법

- 케이슨은 말뚝에 비해 지지력과 수평저항력이 크다.

1) 종류

- 오픈 케이슨 / 뉴메틱(neumatic) 케이슨, 압기(공기) 케이슨 / 박스케이슨

2) 케이슨의 거치 및 시공

a. 육지에서 제자리 놓기 / 로드 : 지상에서 만든 2~3m높이의 케이슨

정통을 놓는 장소를 평탄하게 만들고 제 1로드를 설치, 굴착하면서 제 2, 제 3…

로드를 연속적으로 연결, 지지기반까지 내린 후 콘크리트를 적당한 두께로 타설

이후 모래나 자갈, 빈배합 콘크리트로 채움.

b.수중에서 설치

① 축도법 (island method) : 수심 5m까지는 축도를 한다. 널말뚝으로 물을 막고

그 내부를 토사로 채운 뒤 육지에서와 같이 정통을 침하 → 신속히 침하시킬 것

② 비계식 : 수중에 비계를 설치하여 웰을 지반에 내린다. → 소규모.

③ 부동식 : 수심이 깊은 곳 등에서는 육지에서 제작한 케이슨을 물에 띄워 끌고 가

콘크리트를 쳐서 침전시키는 방법.

3) 케이슨의 침하

- 침하작업은 내부의 토사굴착과 하중재하에 의해 진행된다.

- 침하조건 : W > F + B W : 케이슨의 수직하중 → 자체하중 + 재하중

F : 총 주면 마찰력

B : 케이슨의 선단부의 지지력

- 내부의 토사 굴착

open 케이슨 : 클램셸, 커트맬

공기 케이슨 : 인력굴착 또는 소규모굴착장비

4) 침하공법 – 재하중

- 분기식(분사식) : 주면마찰력 감소

- 물 하중식

- 진동공법

- 폭파(발파공법)

*주의 ① 경사이동이 없어야 한다.

.② 콘크리트 타설시 케이슨 바닥을 깨끗이 해야 한다.

5) 공기케이슨 공법

- 이 공법의 채용범위는 수심 10~40m이며 압축공기를 이용한다.

a. 장점

- 공정이 빠르고 공기도 확실히 예정.

- 토층, 토질을 확인할 수 있고, 지지력 측정도 정확.

- 중심위치가 낮아 경사이동이 적고, 바른 위치에 정착.

- 경사이동이 생긴 경우에도 수정이 용이.

- 배수를 하지 않아 지하수위에 변화를 주지 않아, 주변 지반의 침하현상이 없다.

- 수중콘크리트를 타설하지 않으므로 신뢰성 높은 콘크리트 시공을 할 수 있다.

b. 단점

- 기계설비가 고가.

- 노무비가 많이 든다.

- 주야 겸행 작업으로 노무관리의 어려움.

- 케이슨 병이 발생할 수 있다.