기초의 지지력

1. 설계 개념

 기초는 구조물의 하중을 지중의 흙 또는 암반에 전달하는 역할을 하는 것이다. 대부분 빌딩 및 토목구조물의 기초는 평면인 철근 콘크리트로 시공되어진다. 특수한 경우를 제외하고 토목구조물은 도로, 제방 및 댐과 같이 흙과 암석으로 구성되는 구조물이며 또, 말뚝기초는 강재 또는 목재로 되어 있다.

 기초의 성능과 기능은 구조물과 지반의 상호작용에 의해 결정된다. 기초 거동은 지반과 관련되고, 지반의 거동은 기초의 형상과 크기에 따라 달라진다. 재하 구조물의 비틀림 거동 또한 같은 양상을 나타낸다. 그래서 설계자는 흙은 지지 능력이 없고, 기초 위치가 놓이는 방법에 따라 지지력이 결정된다고 생각하고 있다. 그러므로 공사비와 장래 유지관리가 경제적이 되도록 설계 단계에서 침하와 이동, 극한 전단파괴에 대한 안전, 기능적 서비스 능력과 재료의 내구성을 포함하여야 한다.

 기초설계의 대부분은 경험 및 기준을 가지고 일정한 반복 과정에 의해 이러우지고 있다. 일정한 반복 과정을 하는 설계는 유사한 구조물의 설계 사례를 포함한 현장조사와 경험을 이용하여 수행된다.

 

2. 얕은 기초의 설계 인자

 얕은 기초는 확대 기초라 하기도 하고, 독립기초, 연속기초 및 전면기초를 포함한다.

얕은 기초의 일반적인 정의는 근입 깊이가 기초 폭보다 작은 경우이다. 대부분 독립기초와 연속기초는 이 기준을 만족하나 전면기초는 모든 경우가 만족하지 않는다. 그러므로 얕은 기초의 의미는 근입 깊이 3m이하 또는 근입깊이가 기초 폭 이하로 정의되고 있다. 

 

 콘크리트 기초의 구조설계를 제외하고, 세 가지 설계 기준이 필요하다.

 

1) 적정깊이 : 기초의 근입 깊이는 지표면 조건 변화로 나쁜 영향을 받지 않도록 충분히 깊어야 한다. 나쁜 영향을 주는 것으로는 온도 또는 강우로 인한 기후 변화, 동결 및 융해작용, 빌딩으로부터 전달되는 온도의 변화 및 지하수위 변화 등이 있다. 적정깊이는 기초가 수평 하중 또는 과대한 전도 모멘트를 받을 때 매우 중요하다.

 

2) 침하제한 : 전체 침하량, 부등 침하량, 각 변위의 허용정도는 사용자의 필요성(자산가치, 보험료, 잠재적 생산 손실 등을 고려)과 빌딩 성능에 따라 결정된다. 즉시 침하(비배수 상태)는 압밀침하와 분리해서 생각한다. 대부분의 침하 피해는 건축적 문제로 생각되며, 마감 재료가 떨어지는 정도로 생각한다. 즉시침하는 사하중과 구조물의 하중에 의해 시공 중에 발생하므로 사하중이 모두 작용할 때까지 마감재 시공 등을 지연시키면 이러한 피해는 최소화할 수 있다. 침하량은 대체적으로 다음과 같이 제안되어 지고 있으며, 제시된 값은 안전측으로 판단된다

 

 사질토지반 : 최대 전체 침하량 = 독립기초 40mm

                                         = 전면기초 40~65mm

 인접 기둥 사이 최대 부등 침하량 = 25mm

 점성토 지반 : 최대 전체 침하량 = 독립기초 65mm

                                          = 전면기초 65~100mm

 인접 기둥 사이 최대 부등 침하량 = 40mm

 

3) 전단 파괴에 대한 안전율 : 지반 이동으로 구역 분할이 이루어질 때 전단파괴가 발생하며, 작용하는 힘은 파괴 면과 수평방향으로 작용한다. 그래서 파괴면과 수평방향으로 작용하는 전단응력이 평형상태(즉, 극한평형 상태)에 도달할 때 소성항복 상태가 발달하게 된다. 기초 설계에 있어 극한평형 상태의 전단파괴는 단단한 취성지반 또는 낮거나 중간 정도의 소성 지반에서 중요 인자로 이용되며, 일반적으로 침하 제한이 기초설계의 중요 인자일 것이다. 기초가 견딜 수 있는 전단파괴는 무거운 하중 구조물, 사일로, 교량, 기둥, 수리구조물 등과 같이 활 하중과 사하중의 비가 높은 것이다. 설계의 기본적인 기준은 지반의 전단강도와 작용하는 전단강도의 비가 적정한 값 이하여야 한다. 즉, 안전율이 보장되어야 한다. 일반적으로 안전율은 최소 2.5~3.0사이이다.

 

 세 가지의 전단파괴 형태를 정의하면 다음과 같다.

A. 전반전단파괴 : 기초 아래 확실한 소성 항목 파괴면을 형성하고 기초 밖으로 파괴면을 확장시켜 지표면에서 파괴면을 확인할 수 있다. 파괴는 갑자기 발생하고 한 쪽 면에서 최종 파괴를 일으키는 심한 각 변형이 발생한다. 이러한 파괴는 조밀하거나 압축성이 낮은 과압밀 지반에서 발생한다.

전반전단파괴

B. 국부전단파괴 : 압축성 지반에서 전단평면 발생 전에 심각한 수직 이동이 발생한다. 기초 아래 지반이 항복 상태에 도달하면서 전단 평면이 발생하지만 지표면까지 파괴면이 확장되지는 않는다. 인접 지반에 융기가 발생하지만 매우 적은 각 변형이 발생한다. 이런 침하 발생은 기본적인 설계 기준이 된다.

국부전단파괴

C. 관입전단파괴 : 연약한 압축성 지반에서 기초 측면과 인접한 수직 평면이 파괴면 발달을 억제시키면서 수직 이동이 발생한다. 지표면에서 융기 현상은 발생하지 않으며, 대신 하부로 내려가는 현상이 발생한다.

관입전단파괴

 파괴는 주로 압축성 지반에 발생한다. 조밀한 사질토 지반과 압축성이 낮은 점착성 지반에서는 전반전단파괴가 발생한다. 큰 압축성 점성토 지반, 실트질 지반 및 느슨한 사질토 지반에서는 관입전단파괴가 발생한다. 그러나 아주 깊은 지반 도는 하부 연약층의 압밀에 의해서도 관입전단파괴가 발생한다. 정규압밀 점토에서는 배수조건이 파괴형태에 영향을 준다. 전반전단파괴는 비배수 상태에서 발생하고, 장시간 배수상태에서의 파괴는 관입전단이 원인이 된다.