토질특성에 따른 기초산정

[kjm자댕]

  구조물기초는 크게 나누어 직접기초, 케이슨기초, 말뚝기초의 세가지 형태로 대별된다. 즉, 기초부분의 폭이 넓고 지지지반이 견고하고 상대적으로 얕은 경우에는 직접기초로 하고 지지지반이 깊은 경우에는 말뚝기초로 시공하는데 케이슨기초도 근입장이 크게 되면 말뚝기초로 취급된다.

     얕은기초(Shallow foundation), 깊은기초(Deep foundation)라고 하는 분류는 원래 Terzaghi의 얕은기초에 대응하는 지지력이론이 적용될 수 있는가 없는가를 구별하는 의미로 사용된 것으로 근입폭비(Depth ratio: D_f/B)가 대체적으로 1이하의 기초를 얕은기초라 하고 1보다 큰 기초를 깊은기초로 정의하고 있었다.

     그러나 이 정의는 분명치 않아 근래에는 얕은기초는 말뚝 등을 사용하지 않고 직접지반에 지지시키는 직접기초의 의미로 사용되고 있다. 그리고 영국에서는(CP2004, BSI) 근입 깊이가 3m이상이면 깊은기초라 하고, DAS(1984)등의 기초공학 저서에는 근입폭비(D_f/B)가 3～4인 경우에도 얕은기초로 보고 4이상을 깊은기초로 보고 있다.

     이들 기초의 선정에 있어서는 상부구조물의 종류, 규모, 용도 및 중요도 등에 의하여 결정되는 하중 및 설계조건과 부지의 지반조건, 시공조건에 의하여 이루어진다.

 5.1.1 얕은기초(Shallow foundation)

     얕은기초란 상부구조물로부터 하중을 지반에 직접 전달시키는 형식의 기초로서 적절한 토층 아래 압축성이 큰 층이 없을 때 직접 설치하는 기초이며, 직접기초(Direct foundation)라고도 한다.

      얕은기초는 근입깊이(Df)와 Footing 저면의 폭(B)이 대체로 Df/B≤1～4인 경우로 기초형식과 기능에 따라 후팅기초(Footing foundation)와 전면기초(Mat 또는 Raft foundation)로 구분된다.

      얕은기초는 견고한 지반에 지지시키는 것을 원칙으로 하되 특별한 경우의 연약지반에 지지시킬 경우에도 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.

      - 직접기초를 지지하는 지반은 상부하중을 지지할 수 있는 충분한 지지력을 가져야 하며 전단파괴에 대하여 안전해야 한다.

      - 상부구조물이 기울거나 균열이 생기지 않도록 기초지반의 침하량이 구조물의 허용침하량 범위내에 있어야 한다.

   가. 기초의 형식

     얕은기초는 그 형식과 기능에 따라 Footing기초와 전면기초(Mat foundation)로 구분한다.

Footing기초는 상부하중을 넓게 분포시키기 위하여 밑면을 확대시킨 확대기초(Spread foundation)의

형태로 쓰이는데 한 개의 기둥만을 지지하는 경우에 독립 Footing기초라 하며, 2개 또는 그 이상의 기둥을 지지하는 경우에는 복합 Footing기초라 한다.

   

     전면기초는 지지토층 위에 단일슬레브 형식의 기초로 1열 또는 수개 열의 기둥을 지지하는 형식의 기초이다.

   나. 얕은기초의 허용 지지력

   얕은기초의 지지력은 지반이 전단파괴를 일으키지 않고 기초가 지지할 수 있는 최대하중을 말하며, 여러 가지 방법으로 산정할 수 있다.

   일반적으로 기초의 지지력을 계산하기 위해서는 지반의 특성을 정확히 파악하여야 한다.

   즉, 현 지지지반의 특성과 형상을 정확히 고려하여 이론적으로, 또는 실험적으로 지반의 지지력을 산정하여 기초를 설계하는 것이 가장 경제적이라고 말할 수 있다.

   얕은기초의 허용지지력은 대체로 다음과 같은 방법으로 결정을 한다.

    ① 기준지지력표 이용

    ② 표준관입시험 결과 이용

    ③ 지지력 이론에 의한 계산

    ④ 평판재하시험 등 현장시험에서 구한 시험 허용지지력

   그리고, 기초의 극한지지력(Ultimate Bearing Capacity) 계산방식으로는 지반을 완전소성체로 보는 것과 탄성이론적인 견해 및 원호활동면을 가정한 것 등 여러 가지 방법이 있다.(구조물 기초 설계기준, 건설부 1989. p.98 참조)

   이러한, 여러 가지 방법 중 어떠한 방법을 사용하여 기초의 지지력을 산정하느냐 하는 것은 대단히 어려울 뿐만 아니라, 또한 사용된 방법에 따라 그 값이 달라지므로 구조물의 안정성과 경제성이 좌우된다.

   이들 식 중에서도 Terzaghi, Meyerhof 및 Hansen식이 가장 널리 사용되는 지지력 산정식이다.

다. 토사에서의 지지력

 ․ Terzaghi의 극한지지력 공식

       q_ult = αCN_c + βγ₂BN_r + γ₁D_fN_q ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ <식 5.1>

     여기서, q_ult : 기초의 극한지지력(ton/㎡)

              C  : 기초지반의 점착력(ton/㎡)

              γ₁ : 기초저면 보다 상부에 있는 지반의 단위중량(ton/㎡)

                γ₂ : 기초저면 보다 하부에 있는 지반의 단위중량(ton/㎡)

              B  : 기초의 폭(m)

                D_f : 기초의 근입깊이(m)

           α,β : 기초의 형상계수

       N_c, N_r, N_q : 지지력계수

                         e^{2(3π/4 - φ/2)tanφ}

              N_c : cotφ [---------------------- - 1] ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ <식 5.2>

                                        φ

                           2cos2(45°+ ������������������ )

                                      2

                  1   K_p

            N_r :  ---[-------  - 1] tan φ ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ <식 5.3>

                  2  cos²φ

                   e^{2(3π/4 - φ/2)tanφ}                 

            Nq : ---------------------  ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ <식 5.4>

                               φ

                   2cos²(45°+ ������������������)

                               2