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건물기초
기초부문이 견고하지 못하면 상부구조물이 침하 하거나 경사지며, 파괴하는 등 안전에 직접적인 영향을 미치게 된다.
더구나 일단 기초의 시공이 끝난 후 상부구조의 築造가 시작된 다음에는 지하, 또는 수면 아래로 매설되어 보이지 않게 되므로 기초가 불안전하다
해서 다시 보강한다거나 補修하기가 곤란, 혹은 불가능하게 된다.
다시 말해서 기초는 처음 시공할 때에 세심한 주의를 기울여서 시공하지 않으면 안 되는 것이다.
Ⅰ. 개요
1. 기초의 조건
(1) 지반, 수중 및 자연에 구조물의 충분한 안전을 위한 지지
(2) 건습, 동해 등에 영향을 받지 않은 심도유지
(3) 하중에 대한 토층의 안전과 전단력에 대한 토층의 지지력 확보
(4) 부동침하발생의 방지
(5) 인접건물에 영향이 없어야 함
2. 기초공사의 고려사항
(1) 건물
(가) 형상 : 평면도, 입면도
(나) 용도 : 공공성, 주택, 창고
(다) 구조 : 형식, 재료
(라) 기초 : 판, 독립, 연속
(마) 하중 : 등분포, 집중, 편심
(바) 기타 : 신공법, 증개축 등
(2) 입지
(가) 대지경계 : 형상, 바위, 배치, 인접건물
(나) 지 형 : 표고, 구배, 고저차
(다) 매 설 물 : 수도, 전기, 가스, 우물
(라) 지하수위 : 변동, 평균
(마) 교 통 : 도로이용 및 관계 비즈니스센타와의 거리
(바) 주변건물 : 상태, 지하실, 시공년도, 설계 및 시공자
(3) 지반
(가) 조 사 : 지층상태, 지질, 지하수
(나) 토 질 : 강도, 연약지반의 압밀도
(다) 허용지내력 : 지반, 상태
<표1>
지 반 | 상태 | 허용지내력 (t/㎠) | 참 고 | |
N치 | qu(㎏/㎠) | |||
암질지반 | 경 암 | 100 50 | 100 이상 50 이상 | |
자갈층지반 | 조 밀 느 슨 | 60 30 | ||
모래질지반 | 조 밀 약간느슨 느 슨 매우느슨 | 30 10~20 5 0 | 30~50 10~30 5~10 5 이하 | |
점토질지반 | 매우단단 단 단 중 간 무 름 매우무름 | 20 10 5 2 0 | 15~30 8~15 4~8 2~4 0~2 | 2.5이상 1.5~2.5 0.5~1.0 0.25~0.5 0.25이하 |
Ⅱ. 기초의 종류
1. 직접기초(Direct Foundation)
상부의 하중을 기초판으로부터 직접 지반에 전달하는 기초인데 지정(잡석말뚝)을 통하여 지반에 전달하는 경우도 있다.
대별하면 확대기초(Footing Foundation)와 전면기초(Mat Foundation)로 분류되며
확대기초는 다시 독립기초(Individual Footing)와 복합기초(Combined Footing)와 연속기초(Continccous Footing)로 구분된다.
<표2> 직접기초의 종류와 특징
기초의 종류 | 특 징 | |
확대 | 독립 | · 단일기둥을지지 · 기둥간격이 클 경우 |
복합 | · 편심하중에 유리 · 기둥간격이 적을 때 유리 | |
연속 | · 연속기둥 또는 벽체에 유리 · 기둥간격이 적을 때 유리 | |
전면 | · 고층건물, 중량건물, 연약지반, 지하실에 유리 · 지하흙파기의 유효깊이 확보 · 하중증가로 인한 허용지내력 증대 요망 · 지하수위의 고려 |
<표3> 허용최대침하량 (즉시침하때) (㎝)
구조 | Con.cBlock조 | 철근 Concrete조 | ||
기초형식 | 연속기초 | 독립기초 | 연속기초 | 전면기초 |
표준치 최대치 | 1.5 2.0 | 2.0 3.0 | 2.5 4.0 | 3.0~(4.0) 6.0~(8.0) |
<표4> 허용최대침하량 (압밀침하때) (㎝)
구조 | (Con.cBlock조 | 철근 Concrete조 | ||
기초형식 | 연속기초 | 독립기초 | 연속기초 | 전면기초 |
표준치 최대치 | 2.0 1.0 | 5.0 10.0 | 10.0 20.0 | 10.0~(15.0) 20.0~(30.0) |
2. 말뚝기초(Pile Foundation)
말뚝이 기초판을 지지하는 기초하는 기초로서 지정의 일종이다.
지반이 소요의 지내력에 도달되지 못할 경우에 땅속에 만드는 기둥으로서 종류는 여러 가지가 있으나
건물기초에 필요한 것만 분류하면 지지력전달 및 용도에 의한 것과 재료 및 제조방법에 의한 것으로 구분된다.
1) 지지력 전달 및 용도에 의한 구분
(1) 선단지지말뚝 (Ended Bearing Pile)
(2) 하단지지말뚝 (Bearing Pile)
(3) 마찰말뚝 (Friction Pile)
(4) 다짐말뚝 (Compaction Pile)
(5) 억류말뚝
(6) 횡력저항말뚝
(7) 인장말뚝
2) 재료 및 제조방법에 의한 구분
(1) 나무말뚝 (Wooden Pile)
(2) 개성철근콘크리트말뚝(Ready Made R.C Pile)
(3) 제자리철근콘크리트 또는 현장타설콘크리트 말뚝(cast-in-Place concrete Pile)
(4) 강재말뚝(Steel Pile)
(5) 특수말뚝(Special Pile)
말 뚝 | 지 지 층 |
지 지 마 찰 | · 선단이 지반층 · 선단이 연약층 |
나 무 R C 제자리 강 철 Pier |
· 지지층이 얕은 곳 · 지지층이 25m 이상 |
3) 말뚝기초의 재료 및 시공상 고려사항
(1) 자체 및 이음매의 강도가 충분한 것
(2) 변형이 없고 내구성이 있는 것
(3) 칫수 및 형성이 정확한 것
(4) 안전한 지지와 허용침하 한도를 고려할 것
(5) 시공의 용이함과 확실성이 있을 것
(6) 진동, 소음, 공사비, 기타 등을 고려할 것
(7) 인접건물 및 기존건물에 대한 영향을 고려할 것
(8) 두부가 Footing에 10cm정도 삽입
(9) 중심간격 (마찰: 3~3.5D 지지:2.5~4D)
4) 각 종류의 장단점
① 나무말뚝
가. 장점
(가) 취급, 타설조정이 편리
(나) 공기, 시공, 가격이 유리
(다) 하중이 적고 상수면이 얕은 곳에 유리
나. 단점
(가) 재료의 굴곡, 마디, 불균등
(나) 상수면하의 제한
(다) 長尺의 求得이 문제
다. 시공시 주의사항
(가) 송재생통나무의 수피를 제거하여 사용할 것
(나) 끝마무리 지름이 12cm이상으로 양단중심선이 말뚝내에 있을 것
(다) 전장이 지하수위 이하로 설치할 것
(라) 중심거리는 끝마무리 지름의 2.5배 이하 또는 60cm 이상
② 기성철근콘크리트말뚝
가. 장점
(가) 균질, 강도, 충격저항이 크다.
(나) 항장 15cm이하는 경제적 지정
(다) 구득용이
나. 단점
(가) 취급시에 균열발생
(나) 이음매의 신뢰성문제
(다) 15m이상은 곤란
다. 시공시 주의사항
(가) 한 중간층의 관통하중(단 N=30은 관통불가능)
(나) 타격방향이 중치를 지지하도록 특별한 고려를 할 것
(다) 보관, 운반, 타입시의 주의를 요함
(라) 타입작업중에 또는 타입작업완료후에 말뚝머리를 잘 처리할 것
③ 제자리 철근 콘크리트말뚝
가. 장점
(가) 이음매 없고, 장층, 선단에 球根 , 제조가능
(나) 운반문제 불필요
(다) 제작시의 진동, 소음 없음
(라) 흙파기전에 시공가능
나. 단점
(가) 설비복잡
(나) 공기 지연의우려
(다) 품질보증은 문제
다. 시공시 주의사항
(가) 지지지반이 깊이를 확인할 것
(나) 시공의 여부는 재료의 강도와 품질이 지배
(다) 지지지반의 고저를 확인
④ 강철말뚝
가. 장점
(가) 장척(70m까지)구득
(나) 강도, 신뢰성 높고, 수평하중에 유리
(다) 운반, 취급이 용이(콘크리트 1/3중량)
나. 단점
(가) 방부처리 고려
(나) 단척은 비경제적
다. 시공상 이점
(가) 타입시의 중간경질지반 관통가능 (N=50~70)정도
(나) 현장용접이음으로 장척타설이 용이
(다) 지지지반이 깊거나 불균형인 경우에 이용
(라) 완성후의 지지력이 크다.
라. 방식대책
(가) 철판의 두께를 여유있게 가산하여 제작
(나) 피복처리 방법
(다) 도장처리 방법
(라) 전기방식처리 방법
⑤ 특수말뚝
가. Franki말뚝
선단이 붙은 강관을 타격하여 그 속에 콘크리트를 채우고 Drop Hammer로 타격하면 강관은 콘크리트와 같이 땅속에 관입하여 지지층에 이른다.
그러면 강관을 끌어올려 지상에 고정시키고 콘크리트에 타격을 가하여 구근을 형성한다.
이러한 방법으로 球根콘크리트 말뚝을 일정한 간격으로 설치하게 된다.
이점은 관내의 작업이므로 소음이 적다.
·진동도 줄일 수 있다.
·시가지 시공에 적합하다.
나. Pldestal말뚝
외관과 내관(강제선단붙임)을 지중에 동시에 타격하여 소정의 깊이까지 박고 내관을 들어 올리고 된 콘크리트를 부어 넣고
내관으로는 콘크리트를 반복타격하면서 외관을 뽑아 올리면 내관과 Hammer의 타력으로 구근이 형성된다.
이점은 ·단단한 지반에 관입이 용이하다.
·지지층까지 충분히 도달된다.
다. Core Pedestal말뚝
개구공이 있는 박철판을 원통형의 Core로 하여 말뚝안에 설치하고 이 내부에는 종대철과 외부에는 대철로 보강하고
시공은 Pedestal말뚝과 같이 한다.
Core를 외관내에 내려 콘크리트를 타설하고 내관으로 누르면서 외관을 서서히 들어올리면 콘크리트는 개구공으로 유출되어
<그림3>과 같이 말뚝을 형성하여 강도가 큰 말뚝이 제조된다.
라. 이형 Core Pedestal말뚝
<그림4>와 같이 Core에 사용하는 박철판에 알맞은 크기의 개구공을 부지의 지반상태에 따라서 설치하고
Core Pedestal 말뚝 시공과 같이 내관에서 콘크리트를 압축하면 개구공에 의하여 혹모양의 콘크리트 돌출부를 형성하여
만드는 말뚝인데 허용내지력을 증가시키는 장점이 있다.
3. 말뚝의 안전율
<표5>
지반종류 | 재하시험 | 말뚝박기공식(Hiley) | 정역학적공식 | |
되박기저항불변 | 되박기저항감소 | |||
암 반 사질토 경점성토 연점성토 | - 1.5~2 1.5~2 1.5~2 | 1.5~2 2~2.5 2~2.5 적용불가 | - 2.5~3 3 적용불가 | 2~3 2~3 2~3 2~3 |
4. 항타기계(Pile Driver)비교표
<표6>
장 점 | 단 점 | 적응성 | |
Drop Hammer | 설비가 간단 낙하고조정가능 고장이 적음 공비저렴 |
항두손상의 제한 편심이 되기 쉬움 타입속도가 느림 | 대략의 토질에 작은 단면에 적합 타력가감요망시 |
Steam Hammer | 능률양호 사항수중타가능 항두손상이 적음 인발가능 | 대형 Boiler필요 Hose가 방해됨 낙하고 조정불능 화기 연기 소음 | 모든 토질에 사용가능 사항에 적합 |
Diesel Hammer | 기동성풍부 타격력이 강대 능률양호 연료비 저렴 | 중량이 큼 연약지반 부족 타격음이 큼 기름의 비산 | 굳은 지반에 최적 모든 토질에 사용가능 |
Vibro Hammer | 정확한 방향위치로 타입인발용 | 대용량 전기소모 토질변화에 대한 적응성이 낮음 | 연약지반에 적합 인발사용가능 |
Jet공법 | 타입의 보조수단 | 대량의 용수필요 배수시설소요 | 단단한 사질지반에 좋음 |
Ⅲ. PIER 기초(Pier Foundation)
말뚝기초는 지반내에 타격하여 형성되고 Pier기초는 지반에 굴착하여 그 속에 형성하는 것이다.
일반적으로 철근콘크리트 또는 철판의 우물통 지중과 상부에 하중을 가하고 저부를 굴착하면서 소요의 지층까지 침하시키고
우물안에 콘크리트를 채우므로써 기초를 형성하여 무거운 구조물을 지지하는데 적합하다.
특징은 자연지반의 지지력을 저하시키지 않으며 소음없이 시공이 가능하므로 시가지 공사에 적합하다. 그리고 특히 선단의 지지가 확실하다.
방법은 기초밑면까지 구멍을 파서 형성하는 것과 우물통 또는 cassion을 소정의 위치에 가라앉혀 형성시키는 것으로 구분된다.
1. 인력에 의한 방법
(1) Chicago공법
인력으로 깊이 1.2~1.8m의 원통형 구멍을 판後에 重 의 흙막이판으로 강제환을 두 개 조립하여 유지시킨다.
이와같은 방법으로 흙막이를 뒤풀이 하여 점점 지반 또는 암반까지 내려간다. 그리고 Pier의 저부를 Bell모양으로 확대하여 형성하여
항의 크기는 사람이 속에서 작업하기 편리한 만큼으로 한다. 특히 상부는 외부에서 물이 흘러들어 가지 못하도록 지면보다 높게 돌출시킨다.
(2) Gow공법
Chicago공법과 같으나 굴착내부의 흙막이를 강제원통을 사용하는 것만 다르다.
길이 약 1.8m의 강제원통을 지중에 박고 내부의 흙을 인력으로 파내고 원통을 박는다.
이 원통의 직경은 상단이 5cm씩 크게 되어야 한다. 그리고 각 원통의 하부는 ΔL정도의 흙을 남긴다. ΔL은 토질에 따라 정해진다.
이 방법은 Chicago공법모다 연약한 흙에 유리하다.
2. 기계에 의한 방법
(1) Benoto공법
프랑스 Benoto회사에서 고안한 공법으로서 Benoto굴착기를 사용하여 지지지반가지 구멍을 파고 그 속에 콘크리트를 충진하여
원형주상기초를 형성하는 공법이다. 선단에 강제 Caring Tube의 Cutting Edge를 반회전하며 흙을 파낸다.
자연지반을 허트리지 않고 굴착하는 이점이 있으며 Tube의 진동을 가하면서 인발하므로 콘크리트의 밀실한 타설을 기할 수 있다.
Hammer Grab의 날은 지반의 연질 또는 경질에 따라서 결정한다.
(2) Calweld Earth Drill공법
미국의 Calweld회사에서 개발한 공법으로서 Casing Tube를 사용하지 않고 지지지반까지 구멍을 파는 공법이다.
물이 많이 나오는 경우 또는 주변의 붕괴가 예상되는 경우에는 부분적으로 Casing Tube를 삽입할 때도 있다.
즉 회전식 Bucker에 의하여 굴착하며 내려가서 그 속에 콘크리트를 충진하여 기초를 형성한다.
3. 공사사례
(1) 공사개요
(가) 소 재 지 : 서울
(나) 대지면적 : 197,000㎡
(다) 건축면젓 : 2,890㎡
(라) 연 면 적 : 106,500㎡
(마) 층 수 : 지하2층, 지상55층, (지상227m)
(바) 구 조 : 철골철근콘크리트조
(2) 지반상태
(가) 경암반의 심도 : 지표에서 -2.5~29m
(나) R.Q.D (Rock Quality Designation) 50% 이상의 암반심도 : -29~32m에 분포
(3) 기초형식결정
(가) 초고층건물의 경우는 RQD가 50% 이상이어야 한다.
(나) 기초지반은 신선한 암반이어야 한다.
(다) 지하실깊이(-13.5m)에서 경암까지는 15.5m~18.5이다.
(라) Pile기초는 저부가 신선한 암반까지 굴착하여야 하는 문제점과 직경의 한 도 등의 문제점을 고찰
(마) Pier기초로 결정 즉 기계굴착에 의한 RCD(Reverse Circulation Drill)공법 으로 guswkdXktjfakfEnr 방법으로 채택
(바) 이점은 시공속도가 빠르고 굴착공벽의 붕괴정수압의 보호가 용이하고 저소 음 및 저진동이다.
(4) Pier의 규모 및 설계
① 개당설계하중 : 2,500t
Peck Hansonþ Burn에 의한 RQD50%이상일 때 적용지내력 : 7.0MN/m2
∴ 7.0MN/㎡*102t/1MN*1D2/4"g2,500ton
D"g2.11"R2.5m
고로 Pier의 직경 2.5m면 안전
그러므로 2,500t의 Pier직경은 3.00m로 결정
② 개당설계하중 : 700t
7MN*102ton/1MN*1D2/4"g700ton
D"g1.12"R1.5m
고로 Pier의 직경 1.5m면 안전
그러므로 700t의 Pier직경은 1.5m로 결정
③ Pier의 수량
Φ 3,000m/m : 32개
Φ 1,500m/m : 45개
(5) Location Map
(6) 시공순서
① Caisson공사
지하2층의 축조될 -13m까지 굴토 작업을 완료하고 이곳에서 약 -8m분포된 풍화암까지 Caisson 을 Vibo Hammer로 침하시킨다.
② 초기 굴착공사
침하된 Caisson내부의 토사를 Hammer Grab로 파낸다 .
이때 Caisson 변위와 수직,수평을 철저하고 세밀하게 체크한다.
③ 암반 굴진 공사
Caisson중심에 Reverse Circulation Drill을 정확히 설치하고 Bit를 회전하여 Soft Rock를 갈아내기 시작한다.
R.C.D의 원인인 Rotary식 Boring공법(물의 흐름과 반대로 Drill Rod의 물을 빨아올려 굴착된 토사를 함께 지반으로 운반하며 시공하는 공법)을
이용 하고 물과 토사의 흡상은 ① Suction Drill Pump ② Za Drill Pump ③ Air Drill Pump ①을 채택하여 시공했다.
④ 수직전파측정
소정의 지지지반까지 갈아낸 후에는 Drill Monitor를 이용하여 굴착된 Hele의 공내 상태 및 수직, 수평의 정확도를 체크한다.
⑤ 철근설치
조립된 철근바구니를 굴착된 Hole내에 집어넣는다.
이 철근 바구니에는 반드시 지반개량용 Grouting Pipe 3개를 묶어 고정시켜 함께 넣는다.
⑥ 공기처리
압축공기를 이용하여 Hole의 저면의 찌꺼기를 떠오르게 하는 Air Libeing 작업을 한다.
⑦ con'c타설
Air Lifting작업이 끝난 후에는 Tremie Pipe Hole에 설치한다. 이에 Tremie Pipe 선단은 Air와 물이 침투하지 못하도록 Taping을 하고 밑바닥에 밀착
시키고 Tremie Pipe속에 콘크리트를 가득 채우고 Tremie Pipe를 서서히 뽑아 올리면 콘크리트 자중에 의하여 밑바닥의 마개가 빠지면서 콘크리트가
타설된다. 그러면 Hole내의 물은 위로 올라온다. 이러한 작업을 계속할 때 Tremie Pipe의 선단은 콘크리트 속에 150-200cm 묻혀지면서 콘크리트
타설작업을 계속하여야 한다.
⑧ Grountig시공
콘크리트 타설이 완료된 후에는 Vibro Hammer를 이용하여 Caisson를 인발하고 충분히 양생시킨다.
물과 접촉한 Laitance의 제거를 위하여 콘크리트 의상부 약 1m는 까내기 작업 및 단부를 정리한다. 그리고 양생완료후에는 ⑤의 Pipe2개는
Grouting을 하고 Pipe개는 재 Boring작업을 하여 Pier와 암반의 착접상태 및 암반의 Crack유무 등을 체크한다.
(7) 소요공기
·Pier Φ3,000m/m:개당 4-5일
·Pier Φ1,500m/m:개당 3-4일
·총공기:5개월 (총77개의 Pier )
· 고로 평균 2일에 1개정도를 완성시켰음
(8) 장비상황
<표7>
No | Equipment | Model | Remark |
1 | Drill Machine | RBB 100A | D/A1.5M 사용 ,Koken社 제조 漢 陽장비 Suction Pump |
2 | Drill Machine | L-6 | D/A3.0 M사용 IHI社제조 신동아 장비 Suction Pump Power |
3 | Vibro Hammer | 10 ton | (주)한양장비, D/A1.5 M 사용 |
4 | Vibro Hammer | Nippei Controller Type CR -120-4 | 신동아 장비 D/A1.5 M, D/A3.0 M겸용 |
5 | Crawler Crane | LS-118 60 ton | Drill Machine 이동 ,Casing항타 및 인반 철근 공내 설치 |
6 | Crawler Crane | Khoring 35ton | Hammer Grab 작업 ,철근 공내 설치, Tremie Pipe 설치 |
7 | Crawler Crane | P·H 75ton | Drill Maching지지 및 항타 및 인발 ,철근공내 설치 |
8 | Crawler Crane | Batam 10ton | 철근공내 설치,Tremie Pipe 기타 Rod연결이동 suction hose이동 |
9 | Generator | GM 100kW | 용접기용, 양수기용 |
10 | Grnerator | GM 580W | D/A3.0M Vibro Hammer ,Suction Pump Machine |
11 | Generator | OB 440D 440kW | D/A 1.5MVibro Hammer. Suction Pump Drill Machine용 |
12 | Air Compressor | EC 210Z 742CMF | Air Lifting 용 |
13 | Excavator | DH-09 | Casing 항타시 잡아줌, 바닥정지작업, MUD Tank 내 청소 |
14 | Laser Transit | TL-20DP | 건물 Center LIne, Pier Center측량 |
15 | Drill Monitor | Type DM-686-Ⅲ Tykyo Kodenco | 수직 전파 측정기 |
(9)기능공 인원구성
<표7>
직종 | DIA 3.0m | DIA 1.5M | ||
명 | 특기사항 | 명 | 특기사항 | |
Operator | 1 | 신동아 직원 | 2 | 한양 중기원 |
비계공 | 4 | 주야 각 2명씩 교대 작업 | 4 | 주야 각 2명씩 교대작업 |
목공 | 2 | Pter Center Line 및 Casing항타시 | 수직 Check | |
철근공 | 5 | 철근 조립 및 공내 설치 | ||
용접공 | 4 | Bit용접, Casing용접, 철근용접 | Casing용접, 철근용접 | |
전공 | 2 | Switch Panel담당, Cable이동 | 및 연결 | |
박전공 | 2 | 580kW, 100kW | 1 | 440kW |
직영인부 | 5 | Con'c타설준비, Tremie Pipe내부 청소 | 바닥정지작업, 수로작업 | |
Crane기사 | 4 | 75ton 3명,34ton 1명 주야 | 3 | 60ton 2명, 10ton 1명 중야 |
Comp공 | 1 | 440kW발전공이 같이 봄 | ||
Vibro Hammer기사 | 1 | 비계공이 같이 봄 | 1 | Operator가 같이 봄 |
Back Hoe기사 | 1 | 바닥정지, Mud Tank청소 | ||
Check Boring공 | 9 | 기계 1대당 3명이 신동아 콘설탄트 직원 | 3 | 1대 |
Pump Car기사 | 2 | Elephant Pump Car | ||
계 | 43 | 16 |
Ⅳ. Anchor공법
지중에 시멘트 Paste, Mortar, 인장재를 매입시킨 구조물에 인장력에 가해진 힘을 지중에 전달하는 공법으로써
이점은, 첫째 받침대나 지주의 설치와 이동이 필요치 않으며
둘째는 작업공간을 넓게 활용할 수 있으며
셋째는 공기단축 및 인접건물에 피해가 없는 것이다.
가장 중요한 것은 정착력의 불변성과 Anchor 자체의 내수식성 문제이다.
그러므로 Anchor의 설치기술, 극한인발저항, 안전율, 보호 등을 검토하여야 한다.
그리고 Anchor는 힘의 전달경로가 3개의 구성요소를 갖는 것이 타구조와 비교하여 다른 특징이 있다.