구조물기초설계

[최현기]

1. 기초의 정의

건물, 교량, 흙 물막이, 흙 구조물 및 각종 댐 등의 모든 구조물을 지반위에 얹혀 있게 설계되어있으며, 두 부분으로 되어있다. 이 두 부분은 구조물의 윗부분인 상부구조(super structure)와 상부구조물을 지지하는 지반과 연결해 주는 하부구조(substructure)로 되어있다. 성토나 댐에 있어서는 상부구조와 하부구조기 뚜렷하게 구별되지 못할 때도 가끔있다. 기초는(foundation)는 하부구조와 그 하중의 영향을 받는 인접한 지반이나 암반으로 정의를 한다.

기초 기술자(foundation engineer)는 경험과 숙련으로 기초계통(foundation system)의 기술적인 방법에 관계되는 설계문제(design problems)를 해결할 수 있는 사람을 말한다. 이러한 관점에서 기초공학(foundation engineering)이란 것은 흙과 구조물의 상호작용문제(interfacing problem)를 해결하기 위해서 토질역학(soil mechanics)과 구조역학(structure mechanics)의 원리를 모두적용시켜 공학적인 판단(기술)을 사용하는 기술과 과학이라고 정의를 내린다. 기초기술자는 상부구조의 하중이 지반에 전달되어서 그 결과로 인한 지반의 안정성과 계산한 변형이 견딜 수 있는가에 대한 하중의 전달에 영향을 미치는 구조물의 부재 설계에 직접적인 관련이 있다.

기초 기술자는 하부 구조물의 부재의 위치나 치수 설계가 때로는 지반의 반응에 영향을 미친다는 것을 알고 합리적인 구조물을 설계해야 한다.

기초를 설계할 때는 다음과 같은 실무적인 사항을 고려해야 한다.

① 주어진 현장에서나 실험실에서 시험자료를 눈으로 보아서 지질학적인 확신을 가져야 한다.

② 항상 탐사계획과 실험실 실험 계획을 적절히 세워야 한다.

③ 경제적이고 설치 가능한 기초 구조물을 설계해야 한다.

④ 실제적인 시공방법도 알아야 하고 시행하고자 하는 시공에 대한 허용오자도 알아야 한다. 아주작은 오차일지라도 기초공사의 비용에 엄청난 영향을 미칠 수가 있다.

2. 기초구조물의 분류

아주 작은 주택에서 큰 고층건물에 이르는 구조물의 기초나 교량(bridge)의 기초는 모두 상부구조물의 하중을 하부의 지반에 전달하는 목적으로 설치한다. 상부구조물의 하중은 강구조물의 140mPa에서 콘크리트 구조물의 10mPa정도의 하중이 기둥과 같은 부재를 통해서 지반에 전달된다. 이때 지반의 지지력은 500kPa이상이 되는 곳은 드물고 대략 200에서 250kPa정도가 된다. 상부구조의 재료와 기초지반의 재료게 있어서 공학적으로 사용 가능한 강도의 차이가 수백배나 된다는 것을 알아야 한다. 이렇게 큰 상부구조물의 하중을 전달시키는 데는,

① 얕은 기초(shallow foundations) - 얕은 기초란 상부 구조물로부터 하중을 직접 지반에 전달시키는 기초의 형태로서, 기초의 단변 B와 근입깊이 Df와의 비가 대체로 1.0 이하( Df/B<1 )인 경우를 말한다. 일반적으로 얕은 기초는 그 형식과 기능에 따라 후팅(Footing)기초와 전면(Mat)기초로 나누어진다. 후팅기초는 지지하는 기둥과 벽의 관계로부터 다시 3종류로 나누어지는데, 한 개의 기둥만을 지지하는 경우를 독립기초, 기둥이 일렬로 나열되어 벽체로 연결되거나 또는 하중이 벽을 통하여 연결되는 경우를 연속기초(또는 줄기초), 상부구조의 전단면을 단일 SLAB로 지지하는 경우를 전면기초라 한다. 일반적으로 완전 지지지반이 얕은 깊이에 위치할 때는 전면기초를, 불안전 지지지반이 상당한 깊이까지 계속될 때에는 독립기초 또는 연속기초가 효과적이다.

② 깊은 기초(deep foundations) - 깊은 기초는 구조물의 하중이 비교적 크거나 지지층이 깊으며, 얕은 기초에서의 독립기초와 연속기초를 위한 기초터파기심도가 일반적으로 3∼5m 이상일 때에는 기초터파기의 효율, 중기작업조건, 굴착사면의 안전을 위한 토류시설의 설치 및 지하수 배수처리 등을 고려할 때 비경제적인 것으로 알려져 있다. 따라서 지표 근처의 지층이 구조물의 하중을 지지할 수 없고, 깊이가 3∼5m 이상의 깊이에 기초 지지지반이 위치할 경우에는 깊은 기초를 선택하는 것이 일반적이다. 깊은 기초는 말뚝기초, 피어기초등으로 분류되는데, 대구조물 등의 특수한 경우를 제외하고는 시공이 용이하고 공사비가 저렴한 말뚝기초가 가장 많이 이용되고 있는 실정이다.

가 쓰인다.

다른 형태의 구조물로서 지반을 유지시키거나, 곡물, 광석이나 석탄 등을 쌓아 둔 형태를 유지시키기 위해서 사용되는 구조물이 있으며, 이러한 구조물은 중력에 의해서 자연적으로 생기는 경사진 면을 유지시키는 것을 말하며, 옹벽구조물(retainins structure)이라 한다. 얕은 기초, 깊은 기초나 옹벽 구조물에 속하지 않는 것을 특수 기초(special foundation)라고 한다.

대표적인 기초의 형태는

① 건물의 기초(얕은 기초나 깊은 기초)

② 굴뚝, 라디오나 텔레비젼 방송의 송신탐, 교량의 교갓(piers), 공장 설비의 기초(얕은 기초나 깊은 기초)

③ 항만이나 해양구조물의 기초(얕은 기초, 깊은 기초나 옹벽이 주로 사용된다)

④ 회전 및 왕복운동을 하는 기계나 충격운동을 하는 기계 즉 터어빈(turbine)이나 발전기의 기초(진동을 제어할 수 있는 얕은 기초나 깊은 기초)

⑤ 터파기를 할 때 흙을 지지하거나 교대, 교각같이 흙더미를 보호하거나 곡식, 광석이나 석탄이 흩어지지 않도록 유지시키는 기초구조물(옹벽이나 강 널말뚝 구조)

이 있다.

건물의 기초는 종류가 많지만 상부구조물이 아주 다양한 것처럼 그렇게 종류가 많은 것은 아니다.

3. 기초의 위치와 경제성

건물의 기초는 그 건물이 만족스런 제 기능을 발휘하고 사용기간 동안 안전하게끔 설계해야 한다. 또한 다른 기초도 제 기능을 다하도록 설계해야 하지만 원자력 발전소, 발전소의 터어빈과 라디오 방송용 등에서도 예외가 아니지만 건물의 안전에 대한 규정은 아주 엄격하다. 원자력 발전소는 안전조건에 대해서는 아주 정밀한 설계가 요구되고 있는 실정이다. 다른 형태의 기초로서 지반의 흙이 조금만 변형을 하여도 민감한 반응을 보이는 아주 값비싼 기계를 지탱하는 기초도 있다.

더욱이 요즈음 미리 막을 수도 있었던 댐의 파괴가 몇 군데서 생긴 뒤에 흙을 주된 재로로 하는 흙댐의 설계를 할 때는 더욱 세심한 주의를 기울이고 있다. 흙댐을 설계하는 사람은 다른 대부분의 기초를 설계할 때보다 토질역학이나 지질학의 이론을 더욱더 잘 알고 있어야 한다. 아울러 상부구조의 엄격한 규정과 기초지반에서 지하수의 흐름과 기초 지반의 안정성에 대해서도 자세히 관찰해야 한다. 댐이 시공된 뒤에 생기는 기층면의 파괴(base crack), 파이핑(piping)현상에 의한 파괴 및 댐의 마루가 금이 가서 유발되는 물넘기 부분의 파괴가 생기지 않게끔 주의를 기울여야 한다.

대부분의 구조물은 재정적인 지원이 충분하다면 합리적이고 안전한 구조물이 된다. 불행하게도 현 실정으로서는 재정적인 지원이 있더라도 충분하기란 어려우며, 이러한 여건 때문에 기초 기술자는 이상적인 조건 밑에서 결정을 내릴 때보다 더욱 난처하게 도니다. 비록 잘못도니 곳이 땅속에 묻힐지라도 잘못으로 인한 결과는 곧 나타나지 않고, 아마도 어떤 제한된 현상이 끝나기 전에, 서서히 나타날 것이다. 기초의 잘못된 곳(벽에 금이 간 구조물의 기초나 설치된 장소가 부서지는 것 등)은 몇 년이 지난 뒤에 나타난다고 연구 보고가 되고 있다. 경우에 따라서는 상부구조가 설치되는 중이거나 구조가 설치된 바로 뒤에 나타날 때도 있다.

기초구조물은 상부구조 밑에 설치되거나 땅 밑에 묻히므로 상부구조가 설치된 뒤에 지표면에서 잘못된 기초를 파헤쳐내는 방법이 매우 어렵게 된다. 이러한 곳에서는 상부구조를 1~2% 과대 설계하는 것보다 기초를 1~2% 정도로 과대하게 설계하는 것이 아주 유리하다.

설계자(designer)는 한 장소에서도 자연에 산재해 있는 흙이 다른 성질을 갖고 있기 때문에 항상 어떻게 하면 안전하고 경제적인 설계를 할 수 있겠는가라는 문제를 접하게 된다. 요즈음은 대지가 부족하기 때문에 공해 폐기물, 쓰레기와 위생 페기물이 섞여져 개간된 지역에 어떻게 하면 안전하고 경제적인 설계가 될 수 있는가라는 문제가 대두되고 있다. 또, 다른 복잡한 문제는 해석이나 설계를 할 때와 공사를 시행할 때 흙의 성질이 상당히 달라질 수 있다는 것이다. 기초설계에 있어서 이러한 요인 때문에 꼭 같은 만족도를 가진 두 회사의 설계가 아주 다르게 될 수 있는 바와 같이 기초의 설계에 있어서 경제성과 안정성에 대한 요소는 주관적인 것이며, 어떤 수나 양으로 나타내기란 어렵다. 설계비용도 또한 설계의 형을 다르게 할 수 있다.

이러한 제 문제와 여러 가지의 해결 방법도 다음 사항에 따라 좌우된다.

① 기초구조물의 허용침하량은 얼마인가? 또 여유는 얼마나 있으며 15mm에서 30mm나 되는 침하량은 어떻게 하면 줄일 수 있는가?

② 공사 발주자가 받아들일 수 있는 적당한 토질탐사 계획은 어떤 것이 있는가?

③ 건물을 어떤 기초를 사용하여 지지시킬 것인가?

a 확대기초(spread footing)-비용이 제일 적게 든다.

b 전면기초(mats)-중간 정도의 비용이 든다.

c 말뚝이나 케이슨(caisson)-확대기초에 비해 몇 배의 비용이 든다.

④ 공공의 안전도 면에서 볼 때 기초의 파괴로 인한 결과는 어떻게 될 것인가? 기초가 제 기능을 발휘하지 못할 때 소송 가능성은 있는가?

⑤ 기초공사를 하는 지금은 충분한가? 기초공사만의 비용이 너무 많이 들면 경제적인 공사가 될 수 없다. 기초공사의 비용이 적절하지 못하면 그 설계(공사)는 포기해야 한다.

⑥ 지역적으로 볼 때 공사의 추진 능력이 있는가? 그 지역에서 아무도 시공할 수 없거나 설계가 너무 독특해서 청부업자가 입찰을 할 때 의문사항이 많으면 그 설계는 실용적이 되지 못한다.

⑦ 기초 기술자가 기술적인 면에서 능력이 있는가? 이러한 기술적인 능력에 관해서 제일 마지막에 나열을 하였지만 이 문제는 경제적인 설계에 있어서 아주 중요한 것이다. 기술자는 다른 직업인(법률가, 의사, 교수 등)이나 목수, 전기공, 도색공과는 달리 기술능력의 정도가 다른 것이다.

기초공사가 공사비 절감으로 실패한다면(실제로 높은 위험부담을 각오한 경우에), 고객은 따라서 발생했을 일시적인 재정적 이익에 대한 고마움을 잊어버리게 될 것이다. 큰 손해를 보거나 법적으로 저촉이 되면 청부업자는 관련된 사람과의 사이가 아주 나빠진다. 그래서 기초구조물을 설계하는 설계자는 경제적인 절약만을 목표로 하여서는 좋은 기초공사가 될 수 없다는 것을 명심하여야 한다.

기초 기술자는 기초를 설치하는 목적, 변화할 가능성이 있는 하중의 상태, 골조의 형태, 토질 주상도, 시공방법 및 청부자나 발주자가 다 같이 필요로 하는 설계에 따른 공사비와 같은 모든 계획을 면밀하게 조사해야 한다. 이러한 사항은 일반 사람들이나 구조물의 소유자가 만족할 만하게 안전하게 되어야 한다.

기초공사를 하는 데는 확실하지 못한 여러 가지 문제점이 제기되기 때문에, 모험과 모험에 따른 책임보험으로 인하여 공사비가 아주 많이 들게 도니다. 공사비를 절감하려고 하면 몇 개의 회사에서 제안도니 설계(예를 들면 종합이 되어 하나로 일치를 본 설계)를 아주 면밀하게 관찰하고 이에 대한 충분한 견해를 가진 완숙한 기술자가 제안된 설계에 대한 토론(몇 가지의 분야에서 실무적인 기술이 갖추어진 토론)을 많이 하여서 결정을 해야 한다.

4. 기초구조물의 일반적인 구비사항

기초는 아래의 몇 가지 안정과 변형에 관계되는 사항을 만족하도록 되어야 한다.

① 기초 밑에 있는 흙을 옆으로 밀리지 않게 하려면 적당한 깊이에 설치해야 한다-특히 독립기초(footing)와 전면기초에서.

② 기초의 깊이는 식물의 성장이나 계적적인 기온 변화로 인하여 흙이 얼고 녹?하여 부피가 변하는 장소보다 깊게 설치해야 한다.

③ 기초구조물은 전도(overturning), 회전(rotation), 활동(sliding)이나 흙 자체의 강도파괴(전단에 의한 파괴) 등에 대해서 안전해야 한다.

④ 기초구조물은 지반의 좋지 못한 재료로 인하여 생기는 변질이나 부식에 대해서 안전하게 유지되어야 한다. 좋지 못한 재료라는 것은 위생 폐기물로 매립하여 만든 지반과 해양구조물의 기초에 관계가 있다.

⑤ 기초구조물은 다음에 어떤 위치를 변화시킨다거나 구조물의 시공형상이 달라져도 이용할 수 있게끔 설계를 해야 한다. 또 시공을 하고난 뒤 주요한 부분을 변경하고자 할 때 쉽게 수정할 수 있게 설계해야 한다.

⑥ 기초구조물은 경제적인 시공이 되게끔 설계해야 한다.

⑦ 전체적인 흙의 유동(일반적인 침하)과 부등유동(differential movement)에 대해서 상부구조나 하부구조에서 모두 허용이 되게끔 설계를 해야 한다.

⑧ 기초구조물과 기초구조물의 시공을 할 때는 자연보호 규정(environmental protection standard)에 저촉이 되지 않게 해야 한다.

5. 기초구조물의 선택

<표 1> 에 나타낸 여러 가지의 기초구조물에 대해서는 앞으로 여러 장에서 좀더 상세히 설명할 것이다. 표 1-1에 몇 가지의 기초구조물의 형태와 이용되는 곳에 대해서 나열하였으며 이 표를 잘 이용할 수 있을 것이다. 지하수가 있는 곳은 지하수위가 기초(footing) (또는 굴착면) 아래에 있으면 별로 문제가 되지 않는다. 그러나 지하수가 시공을 하는 장소에 있으면 펌프(pump)로 물을 퍼내거나, 그라우팅(grouting)을 하거나, 콘크리트(concrete)방수벽을 설치하거나, 철제 쉘(shell)의 막물이공을 하거나 또는 적절한 다른 방법으로 지하수를 없애야 한다. 지하수를 제거할 때나 지하수의 밑에서 공사를 할 때는 공사로 인하여 지하수가 오탁되므로 오염의 영향을 최소화하기 위해서 정부기관의 허락을 얻어야 한다.

<표 1> 기초형식과 대표적인 사용 예

기초형식	사용 예	적용할 수 있는 흙의 조건
확대기초, 벽기초	독립기둥, 벽, 교각	적용하중에 대하여 지지력이 정확한 조건단일층, 연약층 위에 단단한 층, 단단한 층 위에 연약층일 때 적용할 수 있다. 순간침하, 부등침하, 압밀침하를 조사한다.
전면기초	확대기초, 벽기초와 같다. 중량주하중, 통상 부등침하와 전침하량이 줄어든다.	통상 지지력은 확대기초보다 적다. 개개의 기초로 된 건물기초가 전부분을 덮는 것. 침하를 검토한다.
말뚝기초	벽체하중, 중량기둥하중을 무리로 전달한다. (2개 이상). 필요하면 파일쒜을 한다.	지지력이 약한 표면과 거의 잔류토, 기초지반표면 아래 20~50m에서 높은 지지력을 갖는 흙, 파일, 수갱에 따라 분포 하중이 분포하며, 토질강도는 정확하다. 부식토는 나무 또는 콘크리트 말뚝을 사용할 수 있다.
지압	중량기둥하중, 벽체하중을 전달하는 기둥. 필요하면 파일쒜을 한다.	지지력이 약한 표면과 잔류토, 지지력이 높은 흙이 지표면 아래 8~50m에 있을 때 사용한다.
정통(직경 75cm이상)일반적으로 선단지지력과 주변 마찰력의 합이다.	말뚝보다 큰 기둥하중이지만, 기둥을 확대한 것과 같은 케이스의 사용으로 파일쒜을 사용한다.	지지력이 약한 표면과 잔류토, 지지력이 높은 흙이 지표면 아래 8~50m에 있을 때 사용한다.
옹벽, 교대	영구 옹벽구조물	어떤 종류의 토질, 옹벽의 뒤는 통상적으로 뒷채움을 조절하는 규정영역이 있다.
강말뚝	굴착, 지수, 코퍼댐과 같은 일시적인 옹벽구조	일반토질, 차수구조물은 특수합금 또는 부식방지가 필요하며, 코퍼댐은 채움채움재의 조정이 필요하다.