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1. 말뚝기초

 기초의 밑면에 접하는 토층이 적당한 지내력을 갖지 못하여 푸팅이나 전면기초와 같은 얕은 기초로 할 수 없거나 공사비 계산의 결과 다른 공법보다 구조물을 말뚝으로 지지하는 것이 경제적으로 될 때 이러한 기초를 말뚝기초라 한다.

여기서 말뚝이란 쳐 박거나 눌러 박거나 또는 다른 방법으로 흙속에 만들어지는 일종의 기둥 구조이다.

 구조물에 작용하는 힘은 말뚝을 거쳐 어느 간격으로 배치된 말뚝의 무리로 전달되어 기반에 이르게 된다.

 일반적으로 말뚝기초는 그 밑면 이상의 높이에서 작용하는 수평하중을 받게 되므로 모멘트를 일으키게 되며 경우에 따라서는 인장력도 받을 수 있도록 설계되는 경우도 있다.

 

 말뚝 기초에서 필요로 하는 조건

⑴ 말뚝은 설계하중을 받았을 때 적성재료의 허용 응력을 초과해서는 안된다.

⑵ 말뚝은 그의 축부에 손상됨이 없이 소정의 깊이 또는 정해진 관입량에 도달될 때까지 박혀져야 한다.

⑶ 말뚝 기초는 하중을 충분한 안전율로서 지지할 수 있는 아래쪽의 토층으로 전달되어야 하며, 과도한 침하를 일으켜서는 안된다,

⑷ 말뚝을 박음으로써 일어나는 말뚝 위치의 편의에 대해서 설계하중과 말뚝의 치수에는 여유를 둘 필요가 없다.

⑸ 하중 또는 그 합력의 작용선은 말뚝의 축과 일치하여야 한다.

   하중이 편심으로 작용하는 경우에는 이에 따라 일어나는 하중증가는 설계에 고려해야 한다.

⑹ 말뚝 기초가 수평하중을 받을 때는 경사말뚝 또는 이것에 저항하는 다른 방법으로 충분한 안전율이 있도록 하지 않으면 안된다.

 

 말뚝 기초를 필요로 하는 경우

⑴ 상부지층이 매우 압축성이 크거나 아주 연약하여 상부 구조물에서 오는 하중을 지지할 수 없을 때 하중을 암반으로 전달시키기 위해서 말뚝을 사용.

⑵ 암반이 지표면 아래 적절한 깊이에 위치하지 않은 경우에도 구조물의 하중을 점진적으로 흙에 전달하기 위해서 사용.

⑶ 기초 저면 아래 지반의 지지력이 충분하지 않으며, 지지층이 깊게 위치한 경우

⑷ 기초 저면 아래 지반이 침식, 유실, 또는 활동파괴의 위험이 있는 경우

⑸ 지하수위가 높은 경우

⑹ 구조물의 강성도가 크지 않고 침하에 예민하며 부등침하를 피해야 하는 경우

⑺ 면적이 넓고 여러 가지 다양한 크기의 하중이 작용하는 경우

⑻ 케이슨 등 다른 형식의 깊은 기초를 시공하면 지반이 연화되어 인접구조물의

   안정에 문제가 되는 경우

⑼ 말뚝기초를 적용하면 지지력의 향상이 뚜렷한 경우

⑽ 말뚝기초를 선택하면 신속하고 경제적인 시공이 가능한 경우

 

2. 말뚝의 분류

 말뚝은 기능, 재질, 제조방법, 타설하는 방법 및 장소 등에 따라 분류할 수 있다.

 

2.1 기능에 따른 분류

1)선단지지 말뚝 (point bearing pile)

 축하중의 대부분을 말뚝 선단을 통하여 지지층에 전달하는 말뚝으로서 지지층이란 말뚝의 재료에 따라 다르겠으나 사질토층는 SPT의 N값 50 이상, 점성토 지반은 N값 30 이상인 지층이 상당한 두께(5m)이상 존재할 때를 말한다. 선단지지 말뚝은 이를 다시 완전 지지와 불완전 지지로 나누기도 하는데 불완전 지지란 말뚝 선단이 박힌 지지층 아래에 상대적으로 약한 지층이 존재하여 무리 말뚝을 해석할 때에 그 지층이 지지력과 침하를 고려해야 할 경우를 일컫는다. 선단지지 말뚝은 대체로 장기 하중에 대해서 잔류 침하량이 크지 않아서 침하에 까다로운 구조물 기초에 적당하다. (그림 a)

 

2)지지 말뚝 (bearing pile)

하부에 존재하는 견고한 지반에 어느 정도 관입시켜 지지하게 하는 것으로 관입한 부분의 마찰력과 선단지지력에 의존하는 말뚝이다. (그림 b)

 

3)마찰 말뚝 (friction pile)

 상부구조물의 하중을 주로 말뚝의 주변마찰력으로 지지하며 지지 가능한 지층이 너무 깊게 위치하여 지지층까지 말뚝을 설치할 수 없어서 말뚝의 선단지지력을 기대하지 못할 때에 적용한다.

 마찰말뚝의 길이는 흙의 전단 강도, 가해진 하중, 그리고 말뚝의 크기에 따라 달라진다. (그림 c)

 

4)다짐말뚝 (compaction pile)

 말뚝을 지반에 타입하여 지반의 간극을 말뚝의 부피만큼 감소시켜서 지반이 다져지는 효과를 얻기 위하여 사용하는 말뚝으로 주로 느슨한 사질지반의 개량에 사용된다.

* 다짐말뚝의 길이는   ① 다짐 이전의 흙의 상대 밀도

                                ② 다짐 후의 흙의 필요 상대 밀도

                                ③ 필요한 다짐 깊이

  등과 같은 요소에 따라 달라진다.

 합리적인 값을 결정하기 위해서는 여러 번의 현장 조사를 필요로 한다. (그림 d)

 

5)활동 억제말뚝 (sliding control pile)

 사면 등의 활동을 억제하거나 중지시킬 목적으로 유동중인 지반에 설치하는 말뚝으로 대개 충분한 전단강도를 얻기 위하여 직경 2 ∼ 3m 로 시공한다. (그림 e)

 

6)수평 저항말뚝 (lateral load bearing pile)

 말뚝에 작용하는 수평력은 말뚝의 강성과 주변 지반, 특히 지표 부근 표층의 지반 반력으로 저항하게 되므로 말뚝과 지반의 상성이 충분히 확보되어야 한다.

 수평하중을 지지하는 데는 연직 말뚝보다 경사 말뚝을 이용하는 것이 더 바람직하다. (그림 f)

 

7)인장말뚝 (tension pile)

 주로 인발력에 저항하도록 계획된 말뚝으로 마찰말뚝과 원리는 같으나 힘의 방향이 다르다.  말뚝자체가 인장력을 받으므로 인장에 강한 재질을 사용한다.

 말뚝에 인장하중이 작용하게 되는 경우는 ① 기초에 양압력이 작용하는 경우,

② 기초판에 작용하는 하중의 합력이 기초판 중앙 3분폭 밖에 있게 될 때에 편심의 반대쪽에 위치한 말뚝에 인장력이 걸리고, ③ 앵커와 같이 인발 하중을 저항하도록 설계된 기초이다. 인장하중의 저항은 주면 마찰력과 말뚝 자중에 의존하는데 지하수위 아래에 있는 부분은 수중 무게로서 부력을 제한 값이다. (그림 g)

  




2.2 재질에 따른 분류

1)나무 말뚝 (timber or wooden pile)

 옛날에는 가장 많이 사용하던 말뚝이며 보통 낙엽송이나 미송 등의 통나무를 그대로 사용한다. 타입중에 말뚝선단부의 손상을 피하고 관입이 용이하도록 선단에 강재 말뚝슈를 설치하고 항타시에 헤드를 보호하기 위하여 말뚝캡을 씌운다. 나무 말뚝은 지지력이 작다는 것과 지하수면 이하에서만 사용할 수 있다는 점을 고려하면, 나무 말뚝은 비록 단위 길이당 가격이 싸다고 하더라도 다른 말뚝공법보다 반드시 경제적이라 할 수 없다. 허용 지지력은 토질에 따라 5∼15t 정도이며, 기성 콘크리트 말뚝의 1/2 정도이다. 또, 말뚝의 재료로서의 압축강도는 50 kg/㎠ 이상으로 취해서는 안 된다. 길이는 9∼18m 정도이다.

 

* 장점

① 타입시 지반이 다져진다.

② 취급이 용이하고 절단이 쉽다.

③ 단면이 원형이므로 지지력이 크다.

④ 값이 비교적 싸다.

⑤ 가볍고 수송 및 타입이 쉽다.

 

* 단점

① 쉽게 부식되어 지하수위 이하에서만 오래 보존된다.

② 단면의 크기와 길이 및 지지력이 한정된다.

③ 강한 항타에 의하여 손상되는 경우가 있다.

④ 부재를 잇기가 어렵다.

 

2)강말뚝 (steel pile)

 다른 종류의 말뚝에 비해 지지력이 크고 시공능률이 훨씬 우수하여 최근에 널리 사용되고 있다. 보통 단면형에 따라 H pile과 강관 말뚝(Pipe pile)으로 분류되는데, H pile 은 Pipe pile 에 비해 가격이 20∼30 % 정도 싸고 흙의 배제량이 적기 때문에 좁은 곳에 조밀하게 타입할 수 있다. Pipe pile은 모든 방향으로 강성이 고르며 단위중량당 단면계수, 외주면적, 선단의 저면적 등의 공학적 특성이 일반적으로 H pile보다 우수하다.

강관말뚝(Pipe pile)은 선단부를 폐색한 폐단말뚝과 폐색하지 않은 개관말뚝이 있다.

 

* 장점

① 변형량이 적고, 허용지지력이 크다.

② 타입시 지반이 다져진다.

③ 단면 및 길이를 무제한으로 시공할 수 있다.

④ 재질이 강하여 중간 정도의 상대밀도를 갖는 지반을 관통하여 타입할 수 있고, 개당 100톤 이상의 큰 지지력을 얻을 수 있다.

⑤ 단면의 휨강성이 커서 수평저항력이 크다.

⑥ 말뚝의 이음과 절단 등 취급이 용이하다.

⑦ 가벼워서 소형의 기계로 빠르고 용이하게 운반하고 타입할 수 있다.

⑧ 날개 등을 붙여서 선단의 보강이 가능하다.

 

* 단점

① 휨강성이 약한 I형 단면은 타입시에 휘어질 가능성이 있다.

② 단가가 비싸다.

③ 부식이 잘 된다.

 

- 강말뚝은 재료비가 많이 들지만 지지력이 크고 시공능률이 우수하여 전체적으로 공사기간이 많이 단축되므로 대규모 공사에서는 오히려 경제적일 수 있다.

강말뚝은 수분이나 대기에 노출되면 산화되어 단면이 감소하고 지지력이 작아진다.

 강말뚝의 부식은 보통 지반중에서는 1년에 0.05mm, 해수에 직접 노출되거나 수면 부근에 있는 경우에는 연간 0.1∼0.2mm 정도를 예상하여 설계한다.

 

 강말뚝의 부식 방지대책

① 두께를 증가 : 단순히 소요단면보다 두꺼운 부재를 사용하는 방법. 공사비가 많이 든다.

② 도장에 의한 방법 : 부식을 방지하기 위해서 표면을 방식도장한다.

③ 콘크리트 피복 : 부식이 심한 지표면 부근이나 건습이 되풀이되는 부분을 콘크리트로 피복한다.

④ 전기방식법 : 전기적으로 처리하여 부식을 감소시킨다. 이 경우에 부식량을 1/10 이하로 감소시킬 수 있다.

 

⑴ H형 말뚝

 H단면을 갖는 강철말뚝은 말뚝이 기둥으로서 지상에 돌출하거나 강한 타입을 필요로 하는 경우에 매우 효과가 있다. 또한 지지말뚝으로서 관입에 의한 흙의 배제가 적기 때문에 비교적 조밀한 간격을 두고 타설할 수 있는 특징이 있다.

공업지대에 화합물의 침투 또는 전류에 의한 부식의 우려가 있는 곳에서는 위에서 말한 알맞은 처치로서 도장 또는 콘크리트 피복에 의한 방호를 하던가 단면의 두께에 손실의 여유를 두어 설계에 임하면 된다.

 허용압축강도는 600∼800 ㎏/㎠ 이하로 하는 것이 일반적인 것 같지만 암반 또는 고결된 조밀한 토층에 세게 타설된 경우에는 선단 지지력은 충분하며 강철의 탄성한계강도까지 하중을 버틸 수가 있게 된다.

 

⑵ 강관 말뚝

 강관 말뚝에는 그 끝을 개구로 하는 경우와 폐쇄하는 경우의 2종류가 있으며, 직경은 25∼50㎝의 것이 보통 쓰여진다. 개구단의 강관 말뚝을 흙속에 박을 때는 폐쇄단의 경우보다 주위의 흙의 이동이나 융기가 적어진다.

 그리고 개구단의 관내에 들어온 흙은 타입후 물로 분출하게 하거나 압축공기를 사용해서 제거한다.

 강관 말뚝은 타입후 콘크리트를 채우면 우수한 말뚝으로 된다. 강관말뚝은 또한 비교적 가벼워 다루기가 쉽고, 용접에 의해서 간단하게 첨접할 수가 있고, 콘크리트를 채우기 전에 내부를 검사할 수 있는 등의 이점도 있다. 그리고 H형 말뚝보다도 강하여 장애물에 걸려 옆으로 기울어지거나 하는 일은 적다. 콘크리트를 채운 강관 말뚝의 하중은 대부분 강관이 지지하게 되지만, 하중이 콘크리트와 강철로 분담되기 때문에 각각 그 허용응력(콘크리트는 45㎏/㎠, 철근은 700㎏/㎠)을 초과해서는 안된다. 보통 강관말뚝의 설계하중은 25㎝관(두께 6㎜)에서 60ton 정도이다.

 

3)콘크리트 말뚝 (concrete pile)

 근래에 가장 많이 사용하는 말뚝이며, 형상과 길이 등을 다양하게 할 수 있고 설치방법에 따라 기성 콘크리트말뚝과 현장타설 콘크리트말뚝이 있다.

 

4)복합말뚝

 복합말뚝의 상단과 하단은 서로 다른 재질로 만들어진다. 예를 들어, 복합말뚝은 강재와 콘크리트 혹은 목재와 콘크리트로 만들어질 수 있다. 강재와 콘크리트 복합말뚝은 하부는 강재이고, 상부는 현장 타설 콘크리트로 이루어진다. 이러한 말뚝은 단순히 현장 타설 말뚝만으로는 충분히 적절한 지지력을 발휘할 수 없을 경우에 사용된다. 목재와 콘크리트 복합 말뚝은 보통 영구 지하수위면 아래 부분은 목재 말뚝이고, 윗 부분은 콘크리트 말뚝으로 이루어진다. 어느 경우이든 두 개의 다른 재질 사이에 적당한 결합 형태를 이루는 것은 어려우므로, 복합 말뚝은 널리 사용되지 않는다.

 

5)특수말뚝

⑴ Cored pedestal 말뚝

 이것은 보통 쓰이는 pedestal말뚝에 말뚝의 형상유지와 보다 확실한 강도를 얻기 위해 개량된 말뚝이다.

 이 구조는 많은 개구공이 박철판에 있는 core를 말뚝안에 설치하여 놓았다. 이 core는 원통형으로 만들어지고 안쪽에는 종대철로 바깥쪽에는 대철로 보강하고 있다.

 cored pedestal 말뚝의 시공은 먼저 외관의 아래쪽에 있는 기제 철근콘크리트의 shoe를 끼추고, 일반적인 pedestal말뚝의 시공법에 준해서 소정의 깊이까지 박아 구근을 만든다.

 그 다음 core를 외관안으로 내려 콘크리트를 치고, 이것을 내관으로 누르면서 외관을 서서히 들어 올린다. 이렇게 함으로써 콘크리트 core의 개구창으로부터 외측으로 유츌되어 꽉 차인 말뚝의 단면이 얻어진다.

 core의 골조를 이루는 대철은 무근 pedestal 말뚝에 비해서 강도상으로 보아 신뢰성이 훨씬 높다.

 

⑵ 이형 cored pedestal 말뚝

 core말뚝에 사용하는 박철판에 알맞은 크기의 개구공을 부지의 지반상태에 따라 설치해서 core 말뚝을 시공할 때와 같이 내관에서 콘크리트를 압축함으로써 개구공부근에 혹 모양의 돌출부를 만들게 된다.

 마찰말뚝을 사용하는 이외에 경제적인 기초구조가 없는 경우에는 알맞은 곳에 혹 모양의 돌출부를 설치함으로써 말뚝의 허용지지력을 증가시키고 소요의 말뚝수를 줄일 수도 있으므로 경제적이다.

 혹 모양의 돌출부의 형상은 지반의 경, 연에 의해서 좌우되며, 연약 토질에 대해서는 크고, 사질토질에 대해서는 작게 만들어진다.

          

                           Cored pedestal 말뚝                        이형 cored pedestal 말뚝

 

⑶ Pre-packed 콘크리트 말뚝

 이 말뚝은 현장콘크리트말뚝에 pre-packed법을 적용해서 만드는 것이다.

 일반적인 Pre-packed 공법에 있어서는 조골재를 미리 소정의 자리에 넣은 다음에 pre-packed  모르타르를 주입한다. 이때의 주입모르타르는 시멘트, 플라이 애시, 모래, intrusion aid 및 물을 알맞은 비율로 섞은 것이다.

이 공법은 제자리 말뚝 이외에 콘크리트 구조물의 보수, 신축등에도 이용되고 있다.

 

2.3 설치방법에 따른 분류

1)기성 철근 콘크리트말뚝 ( precast reinforced concrete pile)

 현장 또는 공장에서 제작한 후에 설치장소로 옮겨서 압입, 타입, 진동관입 또는 선행 보링한 공간에 삽입하여 설치하는 말뚝을 말한다.

 일반적으로 기성 콘크리트말뚝은 타입에 의하여 주변지반이 다져지면 구입과 상부구조와의 연결이 용이한 대신에 운반이나 타입방법에 민감하다. 지하에 장애물이 있을 때에는 설치에 어려움이 있으며, 길이의 조절이 어렵고 타입시 소음이 많이 나며 횡력에 대한 저항력이 약하다.

 기성 철근콘크리트말뚝은 비교적 큰 지지력이 필요하거나 지하수위가 깊은 경우에 널리 사용되며 원심력 철근콘크리트말뚝이나 프리스트레스 콘크리트말뚝 등이 있다.

 

 

⑴원심력 철근 콘크리트 말뚝 (RC)

 원심력 철근콘크리트 말뚝은 기성 철근 콘크리트말뚝으로서는 가장 많이 사용되며, 양생중에 원심력을 이용하여 콘크리트의 밀도 및 강도를 높인 말뚝이다.

 

* 장점

① 말뚝을 쉽게 구입할 수 있다.

② 길이 15m 이하인 경우에 경제적이다.

③ 재질이 균질하여 신뢰할 수 있다.

④ 강도가 커서 지지말뚝으로 적합하다.

⑤ 상부구조와의 연결이 용이하다.

 

* 단점

① 말뚝이음이 어렵고, 이음이 2개 이상일 경우에는 신뢰성이 크게 저하된다.

② 중간 이상의 강성을 갖는 토층 (N치>30)에서는 타입하기가 거의 불가능하다.

③ 무거워서 취급이 어렵다.

④ 타입시 말뚝 본체에 압축 또는 인장력이 작용하여 균열이 생기기 쉽고, 균열사이로 수분이 유입되어 철근이 부식될 우려가 있다.

 

⑵프리스트레스 콘크리트 말뚝 (PC pile)

 Pretension 방식 : PC 강선(강봉)을 미리 인장하여 그 주위에 콘크리트를 쳐서 콘크리트가 굳은 후, PC 강선(강봉)의 인장 장치를 풀어서 콘크리트 말뚝에 프리스트레스를 넣는 방식.

 

 Post tension 방식 : 부재에 미리 PC 강선이 들어갈 구멍을 뚫어 놓은 상태로 콘크리트를 치고 콘크리트가 경화되면 구멍 속에 PC 강선(강봉)을 넣고 인장하고 그 끝을 콘크리트 단부에 정착해  프리스트레스를 가하는 방식.

 

 PC 말뚝의 특징

① PC 말뚝은 균열이 생기지 않으므로 강재 부식이 없어 내구성이 크다.

② 휨력을 받았을 때의 휨량이 적다.

③ 타입시 인장력을 받더라도 프리스트레스가 유효하게 작용하여 인장 파괴가 일어나지 않는다.

④ 길이의 조절이 비교적 쉽다.

⑤ 중량이 가벼워 운반이 쉽다.

⑥ 이음이 쉽고 신뢰성이 있으며 지지력 감소가 적다.

 

⑶ 원심력 고강도 콘크리트 말뚝 (PHC)

 구조물의 규모와 하중이 커지고 부지의 지반 조건이 열악해지면서 과거보다 더 깊고 단단한 지층에 말뚝을 관입할 필요성이 커지면서 말뚝 재료의 고강도화가 요구되고 이에 따라 개발 제작된 것이 PHC이다.

 일본에서는 PHC 말뚝이 기성 콘크리트 말뚝 사용량의 90% 이상을 차지하고 있다고 하는데 이는 PC 말뚝보다 훨씬 큰 압축강도를 가지고 있어서 굳은 지층의 관입 능력이 증가되었고 말뚝 선단에 강판이 부착되어 있어서 콘크리트 말뚝의 치명적인 약점인 이음 시공이 가능해졌기 때문이다.

 앞으로 국내에서의 사용이 증가할 것이다.

 

2)현장 타설 콘크리트말뚝

 보링 등의 방법으로 지반에 구멍을 뚫고 그 속에 콘크리트를 타설하여 만든 말뚝.

 일반적으로 콘크리트를 타설한 후 케이싱이나 외관을 땅속에 남겨두는 유각 현장 타설 콘크리트말뚝과 남겨두지 않는 무각 현장 타설 콘크리트말뚝이 있다.

 

* 장점

① 운반비 및 야적에 따르는 비용이 들지 않는다.

② 지지층의 깊이에 따라 말뚝길이의 조절이 가능하다.

③ 말뚝 선단부에 구근을 만들어 지지력을 크게 할 수 있다.

④ 운반이나 기타 취급중에 손상을 받을 우려가 없다.

⑤ 말뚝의 양생기간이 필요치 않다.

 

* 단점

① 케이싱 등의 타입에 의한 소음이 일어난다.

② 인접 말뚝의 타입 작업시에 진동, 수압, 토압 등을 받아 소정의 치수 및 품질이 되지 않는 경우가 있다.

③ 말뚝몸체가 지반내에서 형성되므로 품질관리상 어려움이 있다.

④ 중간지층이 N>30 의 굳은 지반이면 외관의 타입 및 회수가 곤란하다.

⑤ 케이싱이 없는 경우에 지하수에 함유된 화학성분에 의하여 시멘트가 잘 경화되지 않을 우려가 있다.

 

⑴ 무각 현장 타설 콘크리트말뚝

 케이싱을 하지 않고 만드는 현장 타설 콘크리트말뚝으로 지반과 접촉이 우수하여 주변 마찰저항이 크며, Franky pile과 Pedestal pile이 가장 대표적이다.

 

① Franky pile :

 구근이 될 콘크리트를 되게 반죽하여 강관에 채우고 강관내에서 그 위를 드롭해머로 타격하면 콘크리트와 강관 내벽사이의 마찰저항 때문에 강관과 콘크리트가 분리되지 않고 같이 지반에 관입된다. 원하는 지지층에 도달되면 강관을 약간 끌어올려서 지표에 고정시키고 강관 내의 콘크리트에 타격을 가하여 콘크리트가 강관에서 밖으로 밀려 나와서 강관 선단에 구근이 형성되도록 한다. 이같은 일을 일정한 간격마다 되풀이하면 혹같은 돌기를 많이 가지는 말뚝이 형성되며 이로 인하여 강관 주변지반이 압축되어 강도가 증가된다. 케이싱 내부에서 콘크리트만을 해머로 타격하므로 소음과 진동이 적어서 특히 도심지 시공에 적합하다.

               

 * Franky 말뚝의 시공순서

 

 

② Pedestal pile :

 케이싱을 직접 지반에 타입하여 지지층에 도달시킨 후에 Franky pile 과 같은 방법으로 선단에 구근을 만들고, 콘크리트를 타설하여 케이싱을 뽑아 올리고 다지는 일련의 작업을 반복해서 만드는 말뚝이다. 상성도가 큰 강재케이싱을 타입하므로 지반이 다소 굳더라도 충분한 지지력을 갖는 하부 지지층까지 도달시킬 수 있다.

 따라서 기성 콘크리트 말뚝의 타입이 어려운 지반에 말뚝을 설치하는 경우나 말뚝의 이음을 피할 경우에 적당하다.

               

* Pedestal 말뚝의 시공 순서

 

③ Vibro-pedestal pile :

 이 공법은 pedestal 말뚝에 개량을 가한 것으로 최근 네덜란드에서 많이 쓰이고 있다. 콘크리트를 외관에 쳐 넣은 데까지는 pedestal 말뚝과 같으나, 외관을 끌어올릴 때 스팀에 의해서 진동해머에 상하로 진동(약 80 r.p.m)을 주어 채워진 콘크리트를 다지면서 끌어내는 점이 특징이라 할 수 있다.

 

④ Simplex pile :

 외관의 선단에 쉽게 떨어지는 답철을 붙여. 이와 함께 지반속에 삽입한다. 소정의 깊이에 이르면 외관중에 콘크리트를 투입한 다음 외관을 뽑는다. 이때 선단은 땅속에 남겨둔다. 때에 따라서는 각관을 사용하기도 한다.

                    

         

 * Simplex 말뚝의 시공 순서

 

⑵ 유각 현장 타설 콘크리트말뚝

 케이싱(또는 외관)과 내관을 동시에 타입한 후에 내관만 뽑아내고 케이싱에 콘크리트를  타설하여 설치하는 말뚝이다. 케이싱은 느슨한 사질토나 연약한 점성토인 주변지반이 굴착공간 내로 흘러 들어오는 것을 막기 위하여 필요하다.

 

① Raymond pile :

 외관으로 얇은 철판을 사용하여 잘 맞는 내용을 삽입해서 내외관을 동시에 박아, 소정깊이에 도달하면 내관을 뽑아내고 외관속에 콘크리트를 쳐서 된 말뚝이다. 말뚝의 몸체는 약 30㎝에 1㎝의 구배가 붙여져서 내관을 뽑아내기 쉽게 한 것과 말뚝 둘레의 저항을 크게 했다는 점이 특징이다.

                        

 * Raymond 말뚝의 시공 순서

 

 

 

② Compressed pile :

 외관속에 심봉을 넣어 지반속에 삽입하여 소정의 깊이에 이르면 속의 심봉을 뽑아 콘크리트를 쳐 만들어진 말뚝이다. 때에 따라서는 여분의 콘크리트를 쳐 넣어 외관의 하단에 주각을 만드는 경우도 있으며, 각관을 사용하지 않는 경우도 있다.

 

* Compressed 말뚝의 시공 순서

 

 

2.3 외말뚝과 무리말뚝

 

 지반중에 박혀진 말뚝의 수가 하나로서 구조물의 기초를 지지하고 있을 때 이 말뚝을 외말뚝(단항)이라 부르고 있다. 여기에는 말뚝의 굽힘 저항을 이용해서 수평력에 저항하게끔 된 연직말뚝과 말뚝의 인발저항을 이용해서 양력이나 수평력에 저항하게끔 된 빗말뚝이 있다.

 또한 이들을 두부에서 결합시킨 말뚝이 쓰여지는 경우가 많은데 이것을 이음말뚝이라 부르기도 한다.

 실제의 구조물 기초로서는 많은 말뚝을 박아서 연직 외력이나 수평 외력에 저항되게끔 이용하는 경우가 많지만, 이때 말뚝사이의 거리가 가까워 서로간의 영향이 겹치게 되면 한 개의 말뚝으로서의 지지력과 다른 것으로 된다. 이와 같은 것을 무리말뚝이라 한다.

 그러나 지반중에 박혀진 두 개 이상의 말뚝이 하중을 받았을 때에도 서로가 영향을 받지 않을 만큼 떨어져 있을 때는 이들을 외말뚝이라 부르고, 서로가 영향을 받을 만큼 접근해 있는 말뚝들을 무리말뚝이라 부르게 된다.

 이때, 말뚝간격의 한계는 말뚝의 직경과 말뚝의 근입깊이에 의해서 정해지게 된다. 무리말뚝에 대해서는 말뚝을 박을 때도 하중을 가할 때도 특별한 고려를 함이 필요하고, 콘크리트 말뚝과 같이 말뚝을 박기 시작해서 차차 외측으로 향해서 박도록 하여야 한다.

 무리말뚝에 있어서 말뚝간격이 어느 값보다 작아지면 외말뚝의 지지력이 저하해서 말하자면 무리말뚝 효과(지지력 저감의 효과)가 일어나게 된다.

여기서 무리말뚝의 영향을 고려할 필요가 있는 말뚝 간격에 대해 다음의 식이 있다

        

여기서,  Do = 무리말뚝의 영향을 고려하지 않아도 좋은 최소간격 (m)

         r = 말뚝의 평균반경 (m)

         L = 말뚝의 토중 관입량 (m)

 

 

3. 말뚝기초의 설계

 

3.1 말뚝기초 설계의 순서

 말뚝 기초의 설계는 구조물에 있어서 다른 부분의 설계와 가정해서 그 안전을 검토하여 만족한 것으로 될 때까지 수정을 해나가는 것이다.

 또한 몇 개의 설계를 비교하여 공사비와 공사기간을 감안해서 최종적인 안을 선정하여야 한다. 이와 같이 해서 결정괸 것을 알맞은 종류와 치수의 말뚝을 보링의 위치에 인접한 곳에 시험말뚝을 박아 재하시험을 하게 되는 경우도 있다.

 기초가 상당히 커지는 경우에는 말뚝의 개수도 많기 때문에 각종 말뚝을 박아서 시험해 보는 것도 좋을 것이다.

말뚝 기초의 설계순서를 요약하면 다음과 같다.

① 토질조사

② 하중의 결정

③ 말뚝의 종류와 길이의 결정

④ 안전지지력의 결정

⑤ 말뚝의 간격 및 배치의 결정

⑥ 무리말뚝 효과의 검토

⑦ 말뚝푸팅의 구조설계

 

⑴ 토질조사

 일단 말뚝 기초를 하기 위해서 토질조사를 하게되면 이 결과에 따라 선단지지 말뚝으로 하느냐 마찰말뚝으로 하느냐를 판단하는 자료가 되는 것이다.

 토질조사는 말뚝의 주위와 아래쪽에 있는 흙의 성질을 확실하게 알 수 있는 충분한 수와 충분한 깊이의 보링을 하여, 흐트러지지 않은 시료를 채취하고 전단강도 등의 일반적 성질을 토질시험에 의해서 각 깊이에 있어서 토층의 지지력을 알 수 있도록 하여야 한다.

 경제적인 깊이에서 충분한 선단지지력을 얻기 어려운 지반상태인 경우에는 설계전에 각 깊이에 있어서의 선단저항과 주변 마찰력을 각각 결정함이 바람직하다.

 

⑵ 말뚝에 작용하는 하중

 보통 연직하중이 모멘트에 의해서 생기는 상향의 반력보다 큰 경우에는 어느 말뚝이나 상향으로의 힘을 받는 일은 없다. 또한 높은 철탑이나 고가수조와 같이 풍하중을 받는 구조물에 대한 말뚝은 반력으로서 상향으로의 힘을 취하도록 설계하지 않으면 안된다.

 그리고 매설탱크와 같은 구조물을 지하면하에 축조하는 경우에는 그 양압력에 저항하는 말뚝을 박을 필요가 있게 된다. 수평하중은 어느 정도 수직말뚝에 의해서 저항되지만 그 이상 커지면 빗말뚝에 의존하지 않으면 안된다. 풍하중 또는 이동하중 등에 의한 단시간만 작용하는 수평력은 말뚝푸팅에 대한 수동토압에 의해서 저항시키게 할 수도 있다.

 지반이 느슨한 모래와 같은 투수성이 큰 비교적 비압축성의 토층으로 된 경우에는 구조물의 예정부지에 미리 쌓아놓은 성토가 말뚝에 끼치는 영향을 고려할 필요까지는 없다. 그러나 지반이 약한 실트질 또는 점토층이 포함되어 있을 때는 성토에 의해서 말뚝의 하중이 상당히 커져 그로 인해 침하도 커지는 수가 있다.

 

⑶ 안전지지력

 안전지지력은 외말뚝의 극한지지력을 추정하던가 또는 시험말뚝의 재하시험에 의해서 결정되고, 이 값을 적당한 안전율로 나누어서 말뚝 한 개에 대한 안전지지력으로 한다.

 시험말뚝의 수와 길이 등은 각각의 경우에 따라서 정해지지만 공사의 규모에 따라서도 융통성이 있어야 한다.

 

⑷ 말뚝의 길이

 말뚝의 길이는 토층단면도 및 각 토층의 강도와 압밀성을 검토하여 정하여진다.

선단지지말뚝이 알맞은 경우에는 부등침하 또는 파괴가 일어나지 않고, 기초전체를 받칠 수 있도록 토층단면도에 따라 소요의 말뚝길이를 정확히 결정할 수가 있지만, 사층속의 마찰말뚝의 길이는 말뚝박기 시험결과에 의하지 않고는 알기 어렵다.

 또 연약점토층의 마찰말뚝의 길이는 토괴속에 응력을 분포시킬 수 있도록 하는 것이 좋다. 즉, 구조물의 최소폭의 2배 이상이면 된다.

 이것은 완전파괴에 대한 무리말뚝으로서의 안전율을 추정하여 침하를 최소한도로 허용할 수 있는지의 여부를 검토하여 정하여야 할 것이다.

 

⑸ 말뚝의 수와 간격

 구조물을 지지하는데 필요한 말뚝의 개수는 전하중과 말뚝 한 개에 대한 허용지지력으로부터 정해지는 것이 일반적이다.

 단독 기둥 아래에서 세 개 이하의 말뚝을 박는 것은 실용적이 못된다. 이것은 말뚝을 박을 때 말뚝의 위치가 설계상의 지점과 꼭 일치하기가 어렵고 어느 정도 편의하게 되기 때문에 하중이 편심해서 말뚝이 구부러지는 염려가 있기 때문이다. 이와 같은 이치로 벽을 1열의 말뚝으로 지지하게 하는 것도 좋지 않고, 이런 때에는 지그재그 또는 2열 이상으로 말뚝을 배치하도록 해야 한다.

 단독 또는 2개의 말뚝에 하중을 걸도록 설계하는 경우에는 그 푸팅을 연결푸팅으로 하고, 편심하중에 의한 모멘트에 저항토록 고려하지 않으면 안된다. 말뚝의 설계위치로부터 편의는 적어도 10㎝ 정도, 경사도 1/30 정도를 항상 예상해 두어야 한다.

 다음, 말뚝의 간격은 지반의 성질에 관련해서 고려하여야 한다. 점토층 또는 조밀한 모래 자갈과 같은 비압축성의 토층에 조밀한 간격으로 말뚝을 박아 일어나는 지표면의 횡이동이나 융기는 될 수 있는 한 제한하지 않으면 안된다. 그러나, 수직방향과 수평방향의 다짐에 의해서 말뚝의 용적과 같은 흙의 배제를 흡수하기 쉬운 느슨한 모래나 성토에 있어서의 말뚝의 간격을 적게 해도 좋을 것이다.

 마찰말뚝은 말뚝 둘레의 흙이 응력의 중복에 의해서 지지력이 상당히 감소하거나 침하가 증가하지 않을 정도로 간격을 띄우는 것이 좋다. [ D = (3.0∼3.5)d ]

 선단지지 말뚝의 경우에는 중심간격을 2.5∼4.0d로 하여 이 한계내에서 토질조건에 따라 정하지 않으면 안된다.

 

⑹ 무리말뚝의 효과

 이것은 외말뚝의 지지력과 침하와는 아무 관계없이 무리말뚝이 파괴할 우려가 있거나, 또는 지나친 침하를 일으키고 있는 것을 의미하는 것으로, 푸팅에 의해서 연결된 무리말뚝이 일체로 되어 작용하여 말뚝의 선단과 무리말뚝의 외주에 의해서 강푸팅과 같이 작용한다고 생각하면 된다.

 즉, 지반 상태에 있어서 푸팅, 전면기초 또는 피어기초를 설치한다고 가정했을 때, 안전과 침하의 관점으로부터 필요하다고 생각되는 최소의 깊이를 결정한다.

 그리고 이 기초를 말뚝에 의해서 구성하기 위해서는 이 깊이보다 말뚝 끝이 어느 만큼 관입해서 말뚝 한 개의 지지력이 어느 정도로 되는 가를 구하는 것이다.

 

⑺ 말뚝푸팅

 기둥이나 벽의 하중은 보통 푸팅에 의해 말뚝으로 전달된다. 푸팅의 면적은 말뚝의 개수와 간격에 의해서 정해지므로, 말뚝푸팅의 면적이 구조물이 차지하는 면적의 절반 이하인 때에는 푸팅 기초로 하고, 절반 이상인 때에는 말뚝으로 지지되는 전면기초로 한다.

 그리고 말뚝의 배치가 고르게 되도록 말뚝의 간격을 넓게 하고, 전면기초의 가가 부분마다 하중강도가 다를 때에는 말뚝의 두부가 푸팅속으로 10m 정도 돌출하여 타설에 따른 말뚝머리의 편의가 7∼8m 있음을 고려하지 않으면 안된다.

 말뚝은 수평력, 회전력 또는 인장력에 저항하여야 할 경우가 있는데, 이와 같은 경우에는 말뚝을 푸팅에 충분히 삽입시켜 철근 등으로 연결시킨다.

 말뚝푸팅의 구조설계는 푸팅기초의 설계와 같고 푸팅의 강성이 무리 말뚝의 끝에

있는 말뚝에 하중을 전달하는데 충분한지에 유의하여야 한다.

 

4. 말뚝의 주변마찰력

 지반중에 말뚝이 박혀지면 말뚝 자체에 의해서 배제된 흙이 압축되거나 전단변형을 일으킨다. 사질지반이나 불포화점토이면 압축을 받아 밀도가 증대하기 때문에 일반적으로 원지반일 때 보다 공극비가 작아진다.

 그 결과 교란 현상이 계속되어도 강도의 저하를 나타내지 않는 사질지반의 경우는 말뚝을 박기 전에 예상했던 마찰저항보다도 작아지지 않는다.

 한편, 점성토 지반중에 말뚝이 박혀지면 말뚝 주위의 흙은 큰 전단변형을 받아 거의 교란된 상태로 된다.

 이와 같이 지반중에 말뚝을 박으면 지반중의 토질의 성질 즉, 전단력, 마찰계수 등에 따라 말뚝의 지지력에 큰 영향을 끼치게 되는 것이다.

 이때 말뚝의 선단지지력이 말뚝의 지지력으로서 가산되는 정의 마찰력과 지반침하에 따라 말뚝에 대해서 하중으로서 작용하는 부의 마찰력이 있게 된다.

 그런데 정, 부의 마찰력의 값은 위에서 말한 바와 같이 말뚝 둘레면의 전단력과 말뚝 표면과 흙과의 사이의 마찰계수에 의해서 정해지는 것이다.          

 * 말뚝의 주변 마찰력

 

* 부의 주변마찰력

 지반에 작용하고 있는 말뚝의 지지력은 시간이 경과함에 따라 점차 감소하는 수도 있는데 이러한 현상은 말뚝에 부의 주변마찰력이라 할 수 있는 힘이 작용하기 때문에 발생하게 된다.

 부의 주변마찰력은 말뚝이 점착력이 있고 압축되기 쉬운 지반에 타설된 경우에 나타나지만, 이것은 점성토가 자중에 의하거나 다른 하중에 의해서 압밀될 때에도 일어난다.

 여기서 압밀에 의한 지반의 침하는 말뚝에 대해서 아래를 향한 주변마찰력을 주게 되어 말뚝을 끌어내리는 듯 하는 작용을 하게 되는 것이다.

 좀더 자세히 설명하면 연약 지반을 지나 선단이 단단한 지지층에 달해있는 지지말뚝은 연약층의 마찰력이 상향으로 작용해서 하중의 일부를 부담하고 있는 것이 보통이다.

    

                                               * 말뚝의 부마찰력

 

 

5. 말뚝 박기  

 말뚝을 설치할 때에는 말뚝항타공법이 가장 보편적으로 적용되며 최근에는 소음과 진동이 없거나 아주 적은 압입식, water jet식이 자주 사용된다.

 

1)항타 공법

 말뚝을 해머로 타격하여 지반에 근입시키는 방법이며, 무거운 해머를 끌어 올렸다가 낙하시키기 때문에 소음과 진동이 발생한다. 해머를 들어 올리는 에너지가 필요하며 드롭 해머, 증기 해머, 바이브로 해머등이 있다.

 

⑴ 드롭 햄머 (drop hammer)

 원치 등으로 해머를 끌어 올렸다가 말뚝상단에 자유낙하시켜서 말뚝상단에 자유낙하시켜서 말뚝을 타입하는 장비이며, 타격할 때마다 무거운 추를 끌어 올리는 데 시간이 걸려서 시공능률이 나쁘므로 대규모공사에는 사용되지 않는다. 반면에 설비가 간단하므로 소규모공사에서 짧은 나무말뚝 등을 타입할 때 많이 이용된다. 해머 무게를 크게 하면 원치와 비계등의 설비가 커지며, 낙하고를 크게 하면 말뚝두부의 파손이 커진다. 해머의 무게는 말뚝 무게의 3배 정도로 하는 것이 보통이며 너무 작은 해머를 사용하면 말뚝 상부에만 응력이 발생하여 말뚝이 지반에 관입되지 않는다.

 

⑵ 증기 해머 (steam hammer)

 증기압을 이용하여 말뚝을 타입하는 장비이며 실린더, 피스톤, 램 및 자동 증기조종간으로 구성되어 있고, 단동식과 복동식이 있다.

 단동식 증기해머는 피스톤 하부에 증기압이 작용하여 피스톤과 램을 밀어 올리며, 다 올라가면 하부에 가했던 증기를 배출시켜서 피스톤과 램을 자중으로 낙하시키는  장치이다.

 복동식 증기해머는 램을 들어올리게 한 증기를 배출함과 동시에 새로운 증기를 피스톤 상부에 가하여 피스톤과 램을 빠르게 낙하시키는 장치이다.

 

⑶ 디젤 해머 (diesel hammer)

 최근에 가장 많이 사용되는 항타기이며 말뚝타격시에 디젤이 압축폭발하여 램을 원높이까지 밀어올리는 장치이다. 이때 말뚝에 반력을 가하게 되어서 타격 에너지는 램의 낙하에너지뿐만 아니라 연소폭발압력의 합이 된다. 연료소비량이 적고, 보조장비가 필요없고 경사말뚝타입에 효율적이다. 중간이상의 단단한 지반에 적합하고, 아주 연약한 지반에서는 저항이 적어서 점화가 어려울 수 있다. 디젤해머는 제작사마다 여러 가지 모델이 있으며 제원과 작업능률이 각기 다르므로 현장에 잘 맞는 것을 선택해야 한다.

 

⑷ 바이브로 해머 (vibro hammer)

 말뚝 상단에 진동을 일으키는 기진기를 설치하여 말뚝을 종방향으로 강제 진동시켜서 지반에 관입시키는 장치이다.

 최근에 개발된 신공법이며 그 능률은 진동수와 진폭에 따라 다르다. 기진력과 자중을 일정하게 하여 진동수를 변화시키면 말뚝의 관입 속도가 최대가 되는 특정한 진동수, 즉 최적진동수를 구할 수 있다. 포화 조립토(지반에 말뚝을 설치할 때) 나 쉬트파일 관입에 효과적이다.

 

2)압입 공법

 오일 잭을 사용하여 말뚝을 강제로 지반에 압입시키는 공법이다. 말뚝 주변 또는 선단부의 지반을 교란시키는 않으나 압입시에 말뚝 주변에 마찰저항이 작용하며 이로 인한 압입저항이 크다. 압입저항에 대한 반력으로 압입기계의 자중과 반력하중이 사용된다.

 N = 30 정도의 지반까지 압입이 가능하며 압입이 불가능한 지층에 대해서는 오거 또는 water jet 등을 병행 시공한다.

 

3)water jet 관입

 water jet식 말뚝관입공법은 기성말뚝의 선단부에서 압력수를 분출시켜 말뚝의 관입저항을 감소시키면서 말뚝을 설치하는 공법이다. 햄머와 병용하면 효과적이나 점성토에서는 함수비가 변하여 지지력이 떨어지므로 적합하지 않다.

 

 

 

 ♣ 장단점

 

종     류

장            점

단             점

드롭 해머

 1. 설비가 간단

 2. 낙하고를 자유롭게 조절

 3. 가격이 저렴

 1. 튜브가 손상하기 쉽다.

 2. 편심되기 쉽다.

 3. 타격 속도가 느리다.

증기 해머

 1. 타격횟수가 많다.

 2. 긴 말뚝을 박는 데 적합

 3. 항두의 손상이 적다.

 1. 소규모 현장에서 부적합

 2. 연속 타격으로 소음이 크다.

 3. 시설비가 크다.

디젤 해머

 1. 기동성이 풍부

 2. 큰 타격력을 얻을 수 있다.

 3. 연료비가 적다.

 1. 중량이 커 설비가 크다.

 2. 연약 지반은 능률 저하

 3. 타격음이 크다.

바이브로 해머

 1. 정확한 위치에 타격

 2. 타격음이 적다.

 3. 항두의 손상이 적다.

 1. 장애물을 관통하지 못할 수 있다.

 2. 전기 설비가 크다.

 3. 특수 캡이 필요하다.

 4. 점토 지반은 지지력의 저하 우려

압입 공법

 1. 무소음 및 무진동이다.

 2. 말뚝에 손상이 없다.

 3. 말뚝 주변에 교란이 없다.

 1. 기동성이 적다.

 2. 반력을 얻기 위한 대형 설비 필요

 3. N = 30 인 지반은 사용 곤란




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