얕은 기초
1 적용범위
이 장은 기초의 깊이가 기초의 최소폭보다 작은 얕은기초(확대기초, 전면기초)에 적용한다.
2 설계일반
2.1 설치조건
말은 기초는 하부에 압축성이 큰 지층이 없을 때에 설치하고 말은 기초의 설계 및 시공에 대한 적합성은 다음의 사항을 검토하여 결정한다.
(1) 기초지반이 전단파괴에 대해 안전해야 한다.
(2) 과도한 침하나 부등침하가 일어나지 않아야 한다.
2.2 하중
(1) 하중구분
기초구조물에 작용하는 하중은 지속하중과 일시하중으로 구분하며, 지속하중에는 구조물 자중, 지속적으로 작용하는 토압 및 수압(침투압 포함)이 있으며, 일시하중에는 가변성의 토압, 수압, 얼음압 등을 포함한다. 시공 중에 발생하는 하중, 재하중의 변화 또는 지하수위 강하에 의해 발생되는 하중은 그 지속시간에 따라 지속하중 또는 일시하중으로 구분한다.
(2) 적용하중
기초의 지지력 계산시에는 다음의 하중을 적용하며, 상부 구조체에 의한 하중 전이를 고려 할 수 있다.
- 기초체 상부에 작용하는 연직하중
- 기초체의 자중
- 기초체 바닥면에 작용하는 수압
- 기타 수평하중
- 측벽의 수동토압 및 수압
.2.3 기초의 안정성
기초의 안정성은 지반의 전단파괴, 침하, 전도, 활동, 기초본체에 대하여 검토하며 소정의 안전율을 확보해야 한다.
(1) 지반의 전단파괴
기초에 과도한 하중이 작용하여 지중 전단응력이 지반의 전단강도보다 크게 발생되면 지반에 전단파괴가 일어난다. 따라서 기초의 폭, 근입깊이, 지반의 전단강도, 하중의경사, 편심, 지하수위 등을 고려하여 지반의 전단파괴에 대한 안정성을 검토해야 한다. 점성토에서 재하속도가 빠른 경우에는 과잉간극수압의 발생을 고려한다.
(2) 침하
기초에 과도한 침하나 부등침하가 발생되어 구조물이 손상되지 않도록 침하에 의한 안전성을 검토해야 한다. 특히 응력전이, 불균등한 지층상태, 불균질한 지반상태, 불규칙한 기초 형상, 근입깊이의 차이, 편심하중 등에 의해 과도한 부등침하가 발생되지 않는지 확인해야 한다.
(3) 전도
기초에 가해진 하중에 의하여 기초와 구조물이 전도되지 않도륵 안전성을 검토해야한다.
(4) 활동
기초의 바닥에서 수평저항능력보다 큰 수평력이 작용하게 되어 기초 바닥이 미끄러지지 않도륵 활동에 대한 안전성을 검토해야 하며, 근입깊이가 충분히 깊은 경우에는 지반의 수동저항을 이용할 수 있다. 기초바닥에 근접하여 연약지층이 있을 경우에는, 연약층을 따라 활동면의 발생 가능성을 검토해야 한다.
(5) 기초 본체의 안전성
기초 본체의 안전성은 콘크리트구조설계기준에 따라서 검토한다.
3 지지력 산정
.3.1 설계일반
기초 설계시에는 지반상태를 완전히 파악한 후에 지지력을 구한다. 상재하중이 크지않은 소규모 구조물 또는 가설구조물의 기초는 인근 구조물의 경험값이나 기초설계 및 시공 성과를 참작하거나 현장시험을 통하여 지지력을 구할 수 있다.
3.2 이론 지지력
(1) 극한지지력
극한 지지력은 지반이 전단파괴가 일어날 때까지 지탱할 수 있는 최대하중지지능력으로 정의하며, 지반조건, 하중조건, 기초형상, 근입깊이의 영향, 지하수의 영향 등을 고려하여 계산한다. 지지력 계산 방법에 따라 서로 다른 지지력이 계산될 경우에는 설계자의 판단에 의하여 적용방법을 선택한다.
(2) 연직지지력
구조물 하중이 기초의 도심에 연직으로 작용하고 지반의 각 지층은 균등하며 기초의 근입깊이가 기초의 폭보다 작고 기초 바닥이 수평이며 기초를 강체로 간주할 수 있을 때에는 기존의 이론식을 적용하여 지지력을 구한다. 이른식에 적용되는 지지력 계수는 지반의 내부마찰각에 의하여 결정되며, 활동파괴형상, 기초바닥의 거칠기, 각 이론의 기본가정등에 따라 달라진다.
그 밖에 소성이론에 의한 파괴형상에 따른 계산결과나 재하시험 또는 모델시험의결과를 이용하여 지지력을 구할 수 있다.
① 기초 형상: 기초의 형상이 연속기초가 아니고 직사각형, 정사각형, 원형일 경우에는 형상계수를 적용하여 기초의 지지력을 수정한다.
② 경사하중; 기초에 경사하중이 작용하는 경우에는 경사계수를 적용하여 보정하며, 경사계수는 합력의 경사와 수평력의 작용방향을 고려하여 결정한다. 수평 하중의 작용방향은 기초의 좁은 변의 방향으로 작용할 때와 기초의 긴 변의 방향으로 작용할 때로 구분한다.
③ 편심하중 하중의 합력이 기초에 편심으로 작용할 때에는, 합력의 작용점이 도심인 가상기초에 대해서 지지력을 계산한다.
기초바닥이 경사진 경우에는 가장 깊은 점을 지나는 수평면을 바닥으로 하는 기초로 가정하여 지지력을 구한다.
(3) 층상지반의 토질정수
여러 개의 지층으로 이루어진 지반에서 각 총의 내부마찰각이 평균내부마찰각과 5°이내의 편차를 나타낼 때에는 토질정수 Y, c, ø를 근사적으로 평균한 값을 적용하여 지지력을 계산할 수 있다.
(4) 허용지지력
지반의 허용지지력은 극한지지력을 안전율로 나누어 계산한다.
(5) 안전율의 정의
기초의 안전율은 하중 또는 강도정수를 기준으로 정의하며 기초의 치수가 경제적으로 결정되는 방법을 선택하여 적용한다.
(6) 암반의 지지력
단일 암종이 두껍고 넓게 분포되어 있고 건설공사에 의하여 암석의 특성이 나빠지지 않는 경우에는 암석상태에 따라 경험적인 허용지지력을 적응할 수 있다. 그러나 다음의 경우에는 암반의 지지력 결정에 유의하여야 한다.- 암반 판정이 모호한 경우
- 지질학적으로 해명이 안되는 경우
- 심하게 교란된 암석
- 절리나 층리가 지표의 경사와 유사한 경우
암의 표면이 30°이상 경사진 경우
3.3 경험적 지지력
(1) 적용조건
다음의 조건이 모두 충족되는 경우에는 경험적인 기초 지지력을 적용할 수 있다.
① 기초바닥면 이하의 지반이 기초폭의 2배까지 거의 균질한 경우
② 지표와 지층경계면이 거의 수평인 경우
③ 기초의 크기가 큰 경우
④ 규칙적인 동하중을 받지 않는 경우
⑤ 개략적인 지지력 예측이 필요한 경우
⑥ 정밀한 조사를 시행할 여건이 못되는 경우
경험적인 지지력은 신중하게 적용해야 하며 불가피하게 외국의 경험적 지지력을 적용할 때에는 해당 국가의 지반분류체계, 지반특성, 지질학적 여건등이 분명하게 일치한다는 것을 증명해야 한다.
(2) 경험적 지지력 수정
경험적 지지력은 기초의 크기, 근입깊이에 따라 수정하여 적용해야 한다. 매우 연약한 점토로부터 중간정도 단단한 점토의 지지력 경험값은 신뢰도가 떨어지며, 지지층아래에 압축성이 큰 연약 지층이 있으면 압밀침하를 검토해야 한다.
3.4 현장시험에 의한 지지력
현장시험을 실시하여 신중하게 획득한 현장시험 결과는 지반의 지지력으로 이용할수 있으며, 허용지지력은 지반상태와 경계조건을 고려하여 지반공학 전문가가 공학적으로 판단하여 정한 것이어야 한다.
(1) 평판재하시험(PBT)
기초 예상 지반에 대한 평판재하시험에서 얻은 하중-침하 곡선으로부터 허용지지력을 구하고 기초의 크기효과를 고려하여 설계지지력을 구한다.
(2) 표준관입시험 (SPT)
표준관입시험 결과(값)를 이용하여 기초의 허용지지력을 구할 수 있다. 이 때 N값은 경계조건에 의해 보정한 것이어야 한다.
(3) 콘관입시험 (Cn)
정적 표준 콘관입시험 결과로부터 기초의 허용지지력을 추정할 수 있다. 조밀한 지반이나 혼합토에서는 주의하여 적용한다.
(4) 베인 시험(FVT)
점토지반에서는 현장베인시험 결과로부터 지반의 비배수 전단강도를 구하여 기초의지지력을 추정할 수 있다.
(5) 프레셔미터시험 (PW)
프레셔미터시험 결과로부터 기초의 허용지지력을 추정할 수 있다. 현장시험이 어려운 모래, 자갈, 빙적층 등에서 적용할 수 있으며 시추공의 상태와 시험결과 분석에 신중하여야 한다.
3.5 암반지지력
(1) 적용조건
암반 위에 기초를 설계할 때에는 흙지만과 마찬가지로 과도한 침하나 갑작스런 파괴가 일어날 위험성을 사전에 검토해야 한다. 암반의 상태는 암반의 표면과 하중방향, 암표면 방향의 하중분력, 불연속면의 들새 등을 고려하여 판단한다.
(2) 양호한 암반의 지지력
기초지반이 일축압축강도가 크고 불연속면의 간격이 넓으며 틈새가 작은 암반일 때 양호한 암반으로 판정하고 기초의 지지력을 정한다.
(3) 불량한 암반의 지지력
일축압축강도가 작고 불연속면의 간격이 매우 좁으며 풍화상태가 심하거나 세편상태인 암반은 불량한 암반으로 간주하고 기초를 설계한다.
(4) 암반 등급에 따른 지지력
암반의 상태를 정량적으로 등급화하고 그에 따라 등급별로 암반의 극한 지지력을 정하여 기초를 설계할 수 있다.
4 침하량
4.1 설계 일반
(1) 침하원인
구조물의 침하는 일정한 전응력을 받고 있는 지지층의 변형에 의해 발생되며, 본 기준에서는 다음의 변형에 기인한 침하를 다룬다.
- 지반의 탄성 침하
- 지반의 함수비 변화에 의한 체적변화(압밀침하)
- 지반의 전단변위
- 지반 붕괴나 함몰
(2) 침하구성
일반적으로 지반의 침하는 지반의 탄성침하, 압밀침하, 이차압축침하를 합한 전체침하량을 말한다.
(3) 한계깊이
기초하중에 의해 발생된 지중웅력이 지반의 자중에 의한 지중응력에 비해 상대적으로 매우 작지 않은 한계 깊이에서만 지반침하를 계산한다.
4.2 지중응력
(1) 적용조건
기초하중에 의해 지반 내에 발생되는 지중응력은 Boussinesq의 식을 적용하여 구하며, 기본적으로 지반이 균질하고 등방성인 반무한 탄성상태일 때에 적합하다. 지반이선형 탄성적으로 변형되는 하중범위에서는 비교적 잘 적용할 수 있으나, 파괴직전하중이나 비등방성 또는 불균질한 다층지반에서는 신중하게 적용해야 한다.
(2) 지중응력
지중응력은 지반이 균질하고 등방성인 탄성체라고 가정하고 기초형상(연속기초, 직사각형기초, 원형기초, 임의형상기초)과 하중의 분포형태(등분포, 직선분포)에 따라 제시된 계산식을 적용하여 구한다.
(3) 층상 또는 이방성 지반
여러 개의 지층으로 이루어진 층상지반에서 서로 인접한 지층의 강도가 큰 차이를 타내는 경우에는 Boussinesq의 식에 의한 해석결과가 실제와 상이할 수 있으므로 지층의 성상을 고려하여 지중응력을 구한다.
4.3 탄성첨하
(1) 적용조건
기초하중에 의한 지반의 탄성침하는 기초의 강성과 형상 및 지반의 탄성성질을 고려하여 계산한다.
(2) 탄성 이론
지반의 탄성침하는 지반을 단위면적을 갖는 흙기둥으로 간주하고 탄성이론을 적용하여 계산한다. 이때에 지중웅력은 Boussinesq에 의한 값을 그대로 또는 근사화시켜서 적용한다.
(3) 평판재하시험
평판재하시험을 실시하여 구한 재하판의 하중-침하량 관계로부터 지층의 구성형태나 지반의 종류를 고려하여 실제기초의 침하량을 추정한다. 평판재하시험의 결과값은 토층전체의 변형특성을 대표할 수 없다는 사실에 유의해야 한다.
4.4 압밀침하
(1) 적용조건
기초하중에 의하여 지반에 발생된 과잉간극수압이 배수에 의해 소산되면서 장시간에 걸쳐서 압밀침하가 일어나며 흙지반의 압축특성, 유효응력변화, 지반의 투수성, 경계조건등을 고려하여 압밀이론을 적용하여 계산한다. 지반을 여러 개의 미세한 수평지층으로 나누고 각 지층에 대해 기초하중에 의한 지중응력을 적용하여 침하량을 계산한다. 압밀침하 계산에서는 경우에 따라 시간에 따른 압밀침하(압밀침하속도)완료 후 의 최종침하를 구한다.
(2) 최종 압밀침하량
압밀에 의한 최종침하량은 압밀시험을 실시해서 구한 압축지수를 적용하여 계산한다. 최종압밀침하량은 정규압밀상태와 과압밀상태로 구분하여 계산한다.
(3) 압밀침하속도
일차압밀이 종료되기 전 압밀진행정도(압밀도)에 따른 압밀침하속도는 침하량-시간관계로부터 구한다.
4.5 이차압축침하
(1) 이차압축 정의
이차압축침하는 일차압밀이 완료되어 과잉간극수압이 소산된 상태에서 흙구조의 소성적 재배열로 장기간에 걸쳐 일어나는 침하로 정의하며, 그 크기는 현장함수비, 압축지수, 소성지수, 유기질함량 둥에 따라 변화한다.
(2) 이차압축침하
이차압축침하는 압밀시험에서 구한 하중-침하관계 곡선에서 일차압밀 완료 후의 기울기를 적용하여 계산한다.
4.6 허용침하
(1) 정의
구조물의 허용침하는 구조물의 기능 및 안정성이나 미관상의 피해가 허용치 이내로 일어나는 침하량으로 정한다.
(2) 허용침하량
균등한 침하에 대한 허용침하량은 구조물의 형태나 기능에 따라 정한다.
(3) 부등침하량
침하에 의한 구조물의 손상은 대체로 부등침하에 의하여 발생되므로 상부구조물의구조형식, 철근보강형태, 지반의 변형형태등을 고려하여 허용치를 정한다.
4.7 침하관측
사용하중상태에서 침하속도 및 침하량이 설계치와 실제값이 부합되는지를 판단하고 필요한 대책을 마련하기 위하여 구조물의 사용상태에서 구조물 준공 후 일정기간동안 침하를 관측한다.
5 전면기초
5.1 설계일반
전면기초는 여러 개의 기둥들을 지지하는 커다란 콘크리트 슬래브로 정의하여 대체로 평면구조물로 건설한다.
5.2 지지력
(1) 적용조건
전면기초의 지지력은 독립기초와 같은 방법으로 결정하며, 근입깊이는 건물 외측을 기준으로 하고 합력의 작용위치는 각각 기둥들의 위치와 작용 하중의 크기에 따라 결정 한다.
(2) 허용지지력
전면기초의 허용지지력은 상부구조-기초판-지반의 상대적 거동을 고려하여 결정한다. 전면기초의 허용지지력은 강성법, 연성법, 흔합법, 수치해석법 등을 적용하여 구할수 있으며, 계산방법의 선택과 그 결과의 활용은 설계자의 판단에 따른다.
5.3 침하
(1) 적용조건
전면기초는 쪽이 커서 침하가 크게 발생되므로, 하부지반에 국부적으로 존채하는 연약지층 등의 특성보다는 지반의 전체적인 특성을 적용하여 침하를 계산한다.
(2) 전면기초의 침하
전면기초의 침하는 상부구조물의 강성에 따라서 기둥의 위치별로 다르게 일어날 수 있으므로 이를 계산하여 상부구조물 및 기초판에 손상이 발생되는지 여부를 검토해야한다.
(3) 허용침하량 계산
전면기초에서는 전체침하와 부등침하가 과도하게 발생되지 않아야 하며 사질토에 설치한 전면기초는 침하에 의해, 그리고 점성토에 설치한 전면기초는 깊은 지층에서의 전단 파괴에 의해 설계가 좌우되므로 이를 고려하여 설계해야 한다.