이종기초1

[yita]

1. 서언

건축분야의 구조설계 실무에는 기초구조에 대한 기준이나 규준이 많다. 과거 기초구조에 숙달된 기술자가 부족해 최저한의 구조안정성을 확보하기 위해 내력식부터 지반의 정수선정, 결국에는 말뚝의 지지력 값까지 세세한 항목에 걸쳐 규정이 정해졌고 이것이 지금까지 이어졌다.

이 결과 지반상황을 파악하거나 건축 구조적 또는 기초공학적 합리성을 추구하려는 자세가 희박해져 규정의 문구나 행정창구의 대응에 익숙해지는 것이 마치 설계에 익숙해진다는 식으로 착각하는 것은 아닐까? 본래 구조설계자 자신이 공학적 판단을 내려야 함에도 이를 기준·지침류나 행정지도요강, 감정·평가라는 전문기관의 판정 등에 의존하고 창의적인 연구가 부족하며 획일적인 설계에 길들여지는 것은 아닐까?

이러한 의문을 품지 않을 수 없는 것이 기초설계 실무의 현황이다. 한신대지진으로 기초의 피해상황도 조금씩 들리는데 안일한 매뉴얼 설계를 원인으로 지적하기도 한다. 필자도 기초 전문가의 한사람으로서 지진피해를 교훈으로 기초구조와 설계 법을 어떻게 재검토할 것인지 우리 실무설계자들이 기초구조의 원칙을 재검토하고 논의가 필요하다고 생각한다.

기초구조의 과제는 이 글의 주제가 아니므로 더 이상 논하지 않겠지만 세부항목에 걸쳐 구조사양을 규정한 현재의 건축기준법 체계는 설계의 자유를 보다 더 허용하는 성능규정으로 바꾸려는 작업도 금년부터 시작되어 앞서 말한 기초설계의 상황도 앞으로는 변화의 조짐이 보인다. 우리 실무설계자도 매뉴얼설계에서 탈피하여 보다 합리적인 기초설계에 중점을 두어야 한다.

서론이 길어졌지만 이 글에서는 필자의 부족한 실무경험을 바탕으로 기초구조 선정의 검토방법을 정리하려고 한다. 물론 필자도 보통 구조설계자이며 기초구조가 전문이 아니므로 기초구조의 전체상을 논한다는 것이 다소 치우친 면도 있을 수 있으므로 양해를 얻고자 한다.

2. 기초구조의 종류와 특징

건축에서 일반적으로 채용되는 기초구조는 주로 연직하중의 지지형식에 따라 크게 직접기초와 말뚝기초로 나눈다. 기초형식의 분류는 그림-1, 각각의 기초는 그림-2와 같다.

제 목 : 그림-1 기초형식에 따른 기초구조의 분류

제 목 : 그림-2 기초의 구조

직접기초는 상부구조부터 전달되는 하중을 기초슬래브를 거쳐 직접 지반에 전달하는 기초로 정의할 수 있으며, 지지지반이 얕은 경우에 사용된다. 건물의 중량이 가벼운 경우나 지반에 큰 지지력을 기대할 수 없을 경우에는 푸팅기초가 채용된다. 또한 건물 중량이 크거나 지반의 지지력을 그다지 기대할 수 없고 침하량이 커질 것으로 예상되는 경우에는 건물 바닥 면 전체를 기초슬래브로 하는 전면기초가 채용된다.

직접기초는 말뚝기초에 비해 훨씬 경제적이며 시공성도 뛰어날 뿐 아니라 지지지반을 실제 육안으로 확인할 수 있다는 장점이 있기 때문에 기초의 계획을 세울 때에는 먼저 직접기초로 가능성을 충분히 검토하는 것이 꼭 필요하다. 또 액상화의 발생이 염려될 경우에는 지반개량 등으로 별도 대책을 세워야 한다.

한편 말뚝기초는 파일 캡이나 설명할 각종 말뚝을 통해 지지지반에 하중을 전달하는 기초로 정의할 수 있으며 지지지반이 깊을 경우의 대표적인 기초형식이다. 「파일 캡」이란 말뚝두부에 설치하는 「기초슬래브」를 가리키는데 이러한 호칭 법은 그 구조적 역할과 작용하중을 정확하게 나타내는 것으로 여겨져 여기에서는 이 명칭을 사용하였다.

또 말뚝기초의 지지력은 말뚝주면의 마찰력과 말뚝선단지지력으로 구성되는데 선단지지력이 작고 주로 주면마찰력에 의존하는 말뚝을 “마찰말뚝”이라 하며, 선단지지력에 크게 의존하는 말뚝을 “지지말뚝”이라 하여 구별한다. 단, 재하시험으로 알 수 있지만 보통 지지말뚝이라 하더라도 장기허용지지력 정도의 하중상태에서는 선단지지력이 거의 발휘되지 않으며 말뚝주면마찰력으로 대부분의 하중에 저항하는 경우가 많다.

최근 시공기술이 크게 발전하여 긴 말뚝을 매입하거나 축조할 수 있게 되었지만 이 폐해로 말뚝선단을 무조건 N치 50을 넘는 사력층까지 내리는 설계가 일반화 되었다. 지반침하가 발생할 것 같은 지층을 관통한 말뚝은 부 마찰력이 문제가 되며 주변 지반의 침하에 따라 말뚝두부가 끌려올라가 수평저항도 저하된다. 또 주변 지반과 단차가 생김으로써 건축기능상, 설비배관 상 장해가 되는 등 약점이 있어 지지말뚝이 반드시 최적의 방법이 아닌 경우도 있으므로 특히 주의해야 한다.

마찰말뚝은 주면마찰력을 증가시키기 때문에 마디를 붙인 짧은 기성말뚝을 주변 충전용 쇄석과 함께 타입 하는 실링공법이 과거에 많이 사용되었지만 지금은 시공시의 진동과 소음문제 때문에 도심지 시공은 곤란하여 매입공법의 일종인 시멘트밀크공법으로 침설되므로 시공 상 일반적인 지지말뚝과 차이가 없다. 단, 개발이나 보급된 정도의 차이와 마찰력에 기대하는 것에 대한 막연한 불안감 때문인지 행정상으로는 내력을 상당히 낮게 억제하거나 재하시험을 의무적으로 실시하게 하기도 한다.

보통 콘크리트 기성말뚝을 긴 마찰말뚝으로 사용하여 두터운 연약지반에 대처하는 새로운 장척마찰말뚝도 등장하고 있다. 역시 마찰말뚝으로는 지반침하에 의해 지지말뚝에서 발생하는 장해는 피할 수 있지만 부등침하에 대한 충분한 검토와 대책공의 병용이 불가피하다.

이야기의 앞뒤가 바뀌었지만 부 기초에 관해 이야기하자면, 이 형식은 지하실을 설치하여 터파기로 배토한 흙의 중량과 건물 중량을 균형 맞추어 건설후의 지중응력 증가치를 0으로 하여 배가 부력에 의해 물에 뜨는 것처럼 건물을 지반위에 설치하는 공법으로 전면기초의 특수한 경우이다. 장척말뚝 설치기술이 개발되지 않았던 시대에 연약지반 위에 건물을 건설할 때 많이 이용되었던 공법으로 최근 건설폐기물이 환경문제로 대두되고 자원을 효과적으로 활용하기 위한 연구가 활발해지는 것으로 보아 앞으로 많이 활용될 것이다. 이 형식에서도 부등침하에 대한 충분한 검토가 불가결한 요소이다. 또 부 기초형식 중 건축 중량과 배토중량의 균형이 완전하지는 않지만 하중의 경감을 꾀한 기초를 특별히 “세미플로팅기초”라 한다.

복합기초는 지금가지 이야기한 기초형식 중 몇 가지를 병용한 형식으로 여러 가지 조합을 생각할 수 있다. 파일드리프트(piled-lift)기초는 이름 그대로 말뚝으로 보강한 전면기초를 가리키며, 전면기초를 지지하는 지반의 지지력과 말뚝의 주면마찰력에 의한 지지력을 연직변위를 적절히 맞추면서 동시에 발현시키는 기초형식이다. 이것은 마찰말뚝 병용에 의한 침하억제 효과를 노린 부 기초와의 병용공법으로 예전부터 사용되어 왔지만 연약지반에서의 건설이 늘어남에 따라 최근에도 시공사례가 몇 건 있지만 설계 시에 부기초보다 상세한 해석과 지반공학에 관한 지식이 요구된다.

다음으로 연구지반 앵커공법은 지진시의 전도에 대한 저항력이 부족할 경우나 지하수에 의한 부력에 저항시키기 위해 채용되며 직접기초나 말뚝기초와 병용하여 지반에 인장력을 전달한다는 의미에서 일종의 복합기초이다. 이 공법은 지반 중에 타입 된 PC강재에 인장력을 도입하여 인발력에 대한 저항요소로 작용하는 것인데 본래 가설흙막이의 지보공용으로 개발된 공법이었지만 내구성을 개선함으로써 본설구조요소로서도 채용할 수 있게 되었다.

현재 정부인정공법으로 취급되며 지반에 수직으로 타입 하는 공법에서는 시공실적도 많이 늘고 있으며 경사지게 타입 하는 새로운 공법도 현재 개발 중이다. 또 각 기초형식에 대해 각종 지반개량공법을 병용하기도 한다. “지반개량”이라고 하면 토목공사의 범주에서 건물 단독의 설계로는 낯설고 보조공법적인 느낌이 매우 강하지만 심층혼합처리공법 만큼은 건축 확인 상으로도 인정하는 행정관청도 있으며 직접기초 지지지반의 지지력을 증강하려는 목적의 매우 주체적인 채용사례도 늘고 있으므로 장래에 기초형식의 하나로 자리 잡게 될 가능성도 있다.

좀 더 구체적으로 말하면 직접기초에서는 바로 밑 지반의 지지력이 부족할 경우 말뚝기초에 의존하지 않고 지반의 연직지지력을 증강시키는 공법을 먼저 들 수 있으며 지반 속에 소일시멘트 주열체를 교반 축조하는 심층혼합처리공법이 대표적이다. 또 사질지반 다짐공법인 샌드컴팩션 파일공법이나 점토지반 강제 압밀공법인 샌드 드레인공법도 토목공사에서 많이 이용되는 공법이지만 대규모 건설공사에서 채용한다. 특수한 예로는 쓰레기 매립지반 등의 지지력 증강에 동압밀공법을 채용하여 직접지반으로 한 사례도 보고된다. 또 이전부터 지지지반이 다소 깊을 경우에 기초 밑을 지지지반까지 굴착하고 빈배합콘크리트에 옥석을 투입하여 다지는 콘크리트 공사를 병용해 왔다. 이 공사도 넓은 의미에서는 지반치환공법이며 지반개량의 일부라고 볼 수 있지만 이미 이 명칭이 정착되고 특수한 기술을 요하지 않는 것도 있으므로 분류상으로는 독립시켰다.

다음으로 말뚝기초에도 보조공법적인 사용법이지만 지반개량공법의 병용을 생각할 수 있다. 액상 화 대책으로 샌드컴팩션 파일공법이나 그라벨 드레인 공법 및 고화공법 중 격자모양으로 지반을 보강하는 공법 등과 지반침하로 인한 부 마찰력 대책으로 버티컬드레인 등의 압밀촉진공법이 구체적으로 거론된다. 또한 필자가 참가한 JSCA 기술위원회에서는 건축구조 설계에 도움이 될 수 있도록 독자적인 지반개량공법 데이터시트를 작성중이며 조만간 발표할 예정이다.

3. 이종기초의 병용

앞 장에서 거론한 각 기초형식은 각각 지지기구가 다르고 침하성상이 다르기 때문에 한 건물에는 한 형식이 선정되는 것이 일반적이다. 그러나 설계실무에서는 여러 가지 지반조건과 부딪치게 되므로 평면적으로 복수의 기초형식을 병용해야만 하는 경우가 종종 있다. 이러한 기초형태를 “이종기초의 병용”이라 하는데 아무런 검토를 하지 않고 안일하게 채용할 경우에는 연직지지기구가 달라 부등침하에 의한 장해를 일으키는 원인이 되거나 지진 시 수평변위의 차이로 인해 지진력이 집중되기도 한다.

이 때문에 어떤 일이 있어도 이종기초는 피해야 한다고 잘못 생각하기가 쉽다. 필자도 지지지반이 경사졌기 때문에 경사에 맞추어 직접기초부터 콘크리트공사 병용, 또 말뚝기초와 같은 조합을 채용한 적이 있는데 중요한 것은 각 기초의 침하성상을 확실하게 파악하여 상부구조도 포함해 침하강성을 고려한 구조해석으로 상대침하량이 허용범위가 되도록 본체의 강성을 확보하는 것, 또 부가응력을 가미한 단면설계를 하는 것, 그리고 지진 시 기초에 작용하는 수평력에 대해 수평강성의 차이를 평가하여 지진력을 분담시키는 것 등을 충분히 검토하여 대책을 세워 두면 특별히 문제는 없다.

이때 기초의 강성 평가나 해석모델의 정확성에 편차가 있을 수 있기 때문에 기초보등에는 가능한 한 강성을 크게 확보하고 내력상의 여력을 부여해 두는 것, 또 경우에 따라서는 큰 응력이 발생하는 이종기초 환경을 후 타설하는 등 시공 상의 대책도 고려하여 신중하게 검토하고 예상치 못한 사태에 대해 대책을 세워두어야 한다.

그림-3은 이종기초를 병용한 대표적인 예이다. 이 외에도 대구경 확저말뚝을 병용하는 경우나 직접기초에서도 침하량이 큰 층의 층 두께가 변화되는 경우 등 동종 기초의 조합이면서도 각각의 기초에서 침하성상이 다른 경우가 있는데 동일한 검토가 필요하다. 중요한 것은 상부구조와 같은 기초설계에서도 내력뿐만 아니라 침하나 수평변위라는 변형을 가미하여 힘의 흐름을 평가해야 한다. 구체적인 설계방법이나 사례는 이미 알려져 있는 문헌들을 참조하기 바란다.

제 목 : 그림-3 이종기초 병용의 대표적인 예

4. 말뚝기초공법의 종류

여기에서는 공법이 다양하고 새로운 공법도 계속해서 등장하는 등 설계자가 공법선정에 어려움을 겪는 말뚝기초구조에 대해 이 종류를 개략적으로 살펴보고자 한다. 그림-4는 시공법에 의한 말뚝기초의 분류, 그림-5는 말뚝 체 종별에 의한 분류이다.

제 목 : 그림-4 설치공법에 대한 말뚝기초의 분류

제 목 : 그림-5 말뚝 체에 의한 말뚝기초의 분류

말뚝기초는 말뚝 체의 설치 또는 축조방법에 따라 타입말뚝과 매입말뚝 및 현장 타설 말뚝으로 나뉜다. 타입말뚝은 지반에 말뚝 체를 타입하기 때문에 다른 말뚝에 비해 큰 지지력을 발휘할 수 있고 시공 시에 지지력이 발현되는 상태를 확인할 수 있으므로 가장 경제적인 말뚝이지만 시공에 따른 진동과 소음문제로 인해 도심지에서는 자취를 감추었으며, 현재는 저진동·저소음공법이며 기성 말뚝인 매입말뚝과 현장 타설 말뚝이 말뚝기초의 주류이다.

두 가지 모두 지지력을 직접 확인할 수 없다는 점과 굴착에 따른 이수와 이토가 발생하므로 이것을 처리하는 일이 문제가 된다는 공통점도 있지만 공장에서 생산된 기성말뚝을 말뚝 체로 사용하는 매입말뚝은 사전에 말뚝 체의 상황을 확인할 수 있는데 반해 현장 타설 말뚝은 현장의 굴착 공에 콘크리트를 타설하기 때문에 완성된 말뚝 체의 상황을 확인할 수 없고 현장에서의 품질관리가 특히 중요하지만, 기성말뚝은 공장에서 완성제품을 반입하는 관계로 현장 타설 말뚝에 비해 시공 상 제약이 크고 단면설계도 제한되는 등 각각 개별적인 장·단점을 함께 가진다. 또 시공법을 살펴보면 지반조건이나 지하수 상황 등에 따라 각각 여러 가지 시공법이 있고 조건에 적합한 말뚝공법이 한가지뿐이 아니므로 항상 복수의 공법을 검토대상으로 시공 상의 적합여부와 경제성 등을 비교하여 최적의 말뚝기초공법을 선정해야 한다.

매입말뚝중에서 대표적인 공법은, 사전에 말뚝 침설 공을 천공하는 프리보링공법과 말뚝 속에 스파이럴 오거를 삽입하여 지반을 선행굴착하면서 말뚝을 침설하는 중굴 공법이 2대 공법이다. 또 현장 타설 말뚝은 붕괴방지용으로 굴착 공에 안정 액을 가득 채우고 굴착장치로 굴착토를 회수하는 방식의 어스드릴공법, 굴착장치에 흡입구가 있어 굴착토를 안정 액의 순환으로 배출하는 리버스서큘레이션공법 및 케이싱을 지반 속에 압입하고 그 속에 굴착장치를 넣어 굴착토를 배출하는 올케이싱공법이 3대 공법이다. 여기에 굴착 면을 보호하면서 인력으로 굴을 파서 현장 타설 말뚝을 조성하는 심초공법도 굴착기계를 사용할 수 없는 사면이나 암석혼입지반 등에 오래전부터 채용되었다. 말뚝시공 시에 발생하는 문제점의 원인은 말뚝공법 선정의 부실함으로 인한 경우가 상당히 많다는 일본 지반공학회의 보고도 있듯이 말뚝기초의 선정에 특히, 신중해야 한다.

각 말뚝공법에 대해 자세한 설명은 여기에서는 지면관계상 생략하지만 말뚝공법 선정은 그림-6의 플로차트와 표-1의 말뚝공법 선정 표를 참조하기 바란다.

제 목 : 그림-6 말뚝공법선정 플로

제 목 : 표-1 말뚝공법의 선정 도표

※ ○ : 일반적으로 사용된다. △ : 사용 시 신중한 검토가 필요하다. × : 거의 사용되지 않는다.

또 말뚝시공기술의 발달속도가 매우 빠르고 시공능력도 급속히 향상되고 있기 때문에 지반조건과 시공조건을 상세히 검토하면 자료와 다른 결과가 될 수도 있으므로 여기에 지나치게 의존하지 말고 상황에 따라 몇 개의 공법을 검토하는 것이 좋다.

또한 현재 공법들의 추세를 정리하면 매입말뚝·현장 타설 말뚝 모두 말뚝선단부분을 확대하여 말뚝선단지지력을 증강한 공법이 많이 이용된다. 모두 일본정부에서 인정한 공법이지만 매입말뚝에서는 천공 중에 말뚝선단부분을 확대하여 시멘트밀크에 의한 말뚝밑다짐 액을 주입하고 기성콘크리트말뚝을 침설하는 프리보링 확대 밑다짐공법이, 현장 타설 말뚝에서는 말뚝 선단부 굴착 시에 전용굴착기를 이용하여 종 모양으로 말뚝선단을 확대하는 확저현장타설 공법이 주류를 이룬다.

다음으로 기성말뚝을 살펴보면 건축에서는 기성콘크리트말뚝의 사용량이 강관말뚝을 훨씬 앞서며 이 중에서도 “PHC말뚝”이라고 불리는 800kg/㎠이상의 고강도 콘크리트를 사용하며 프리스트레스를 도입한 고강도 콘크리트말뚝이 주류이다. 또 큰 휨 내력을 가진 외각강관콘크리트말뚝(보통 SC말뚝)이나 두 가지의 중간인 PHC말뚝에 휨내력 증강용 이형철근을 배치한 PRC말뚝도 등장했다. 또 확저현장 타설 말뚝과 같은 사용을 전제로 말뚝지름을 변화시킨 확경말뚝(ST말뚝)도 개발 중이다. 말뚝지름도 대구경화되어 이미 1m의 말뚝이 사용 중인 것을 필두로 1.2m지름의 말뚝도 개발 중이다.

한편 현장 타설 말뚝도 내력증강용 강관을 이용한 합성구조의 현장타설 강관콘크리트말뚝이나 프리스트레스를 도입하여 인발저항력을 증대시킨 신종 말뚝도 출현을 앞두고 있다.

5. 기초구조 선정순서

기초구조 선정 순서는 그림-7과 같다.

제 목 : 그림-7 기초구조 선정 순서

기초선정은 건축계획을 파악한 후에 상부구조의 구조형식, 구조종별을 상정하는 것에서 지반조건, 부지조건, 주변 환경 조건을 부지답사나 지반조사를 통해 파악하는 것이 제 2단계이다. 그리고 지지지반을 상정하거나 지반공학 상 또는 기초공학 상 문제가 되는 점을 추출하여 검토과제를 정리하는 것이 다음 단계이다.

여기에서 건축계획에 피드백 해야 할 사항, 구체적으로는 건물의 배치나 익스팬션 조인트의 검토방법, 건물 중량의 증감에 관련된 블록계획, 지하실 설치여부, 터파기 깊이 등 전체계획의 기본에 관계된 사항을 검토해야 할 경우에는 부여된 검토조건 뿐만 아니라 건축계획이나 상부구조의 구조계획까지도 문제가 되면 건물 전체의 균형을 재검토해야 한다.

또 기초선정의 비교검토 단계에서는 대상이 되는 기초구조형식을 반드시 여러 개 추출하고 기초구조로서의 안정성은 처음부터 상부구조와의 균형이나 경제성은 물론 시공의 난이도와 신뢰성, 내구성 등을 종합적으로 비교 검토하여 가능한 한 부여된 조건에 적합한 기초형식을 선정해야 한다. 이를 게을리 하는 바람에 지반조건이나 시공환경 또는 시공조건이 적합함에도 불구하고 공사비가 쓸데없이 많이 들뿐 아니라 시공 상으로도 크게 어려움을 겪기도 한다. 두터운 연약지반이라는 이유로 저층건물에도 장척의 지지말뚝 기초를 이용함으로써 공사비가 많이 드는 기초구조를 채용하는 것은 절대 삼가해야 하며 기초부에 이중슬래브를 설치하는 등의 방법이나 부 기초 또는 마찰말뚝에 의한 방법을 궁리해야 한다.

또 지하수위가 높은 지반에 건물 중량이 편중된 평면계획의 건물을 계획하는 경우에도 나중에 누수로 인한 장해를 생각하면 그냥 교과서적으로 익스팬션 조인트를 설치하는 방법이 반드시 최선책이라고는 할 수 없다. 따라서 기초구조나 상부구조와의 균형, 또 건축계획, 건물의 유지관리 등을 종합적으로 판단하여 의장설계자나 시공정문가와 충분히 협의를 하는 것이 기초구조의 선정에 특히 중요하다는 것을 강조하는 바이다