TIMWORK-inc/kds-kcs-standards huggingface dataset:
횡방향 하중을 받는 말뚝의 거동을 해석적으로 추정하는 방법으로는 말뚝을 탄성보로 보고 해석하는 방법과 극한평형법이 있다. 이 때에는 해당 지반반력의 성격 및 그 계수를 알아야 한다. 지반반력에 관한 계수는 지반조건에 따라 추정할 수도 있으나 정확한 지반반력에 관한 계수를 파악하려면 그 지점에서 재하시험을 하여야 한다.
① 극한평형법
② 탄성지반반력법
③ p-y 곡선 방법
(3)프레셔미터 결과에 의한 추정
말뚝자체의 설계휨강도가 문제되지 않는 짧은말뚝의 경우에는 Menard(1962)에 의하여 고안된 프레셔미터시험 결과를 이용한 말뚝 횡방향 저항력 추정방법을 사용할 수 있다.
(4)전산 해석프로그램을 통한 예측
해석적 방법이나 재하시험을 통한 말뚝 거동예측은 여러 가지 제한사항과 가정 등의 문제점이 존재할 수 있다. 따라서 실제 설계 시에는 유한요소해석(FEM 해석)과 같은 지반-구조물의 전산 정밀 해석을 수행하여 재하시험이나 해석적 방법에서 고려하지 못하는 부분에 대한 모델링을 바탕으로 횡하중을 받는 말뚝의 거동을 검토할 수 있다.
4.5.4 변위량 검토
(1)상부구조에 대한 해석 시, 하부기초의 지점은 고정이 아닌 축방향 및 횡방향 변위를 고려할 수 있도록 하여야 하며, 지반은 선형 또는 비선형 스프링으로 설계하여야 한다.
(2)타입말뚝에 설계하중이 작용할 때의 침하량은 허용된 범위의 침하량 안에서 외말뚝의 침하량, 무리말뚝의 침하량 및 부등침하량 값을 상부 구조물의 특성과 연계하여 판정한다.
(3)말뚝의 횡방향 변위는 상부로부터 작용하는 하중을 모두 고려하여 구조적 안정성을 확보할 수 있는 범위 내에서 허용할 수 있다. 말뚝 및 교각부의 횡방향 변위는 교좌장치의 구속조건을 고려하여 검토되어야 한다. 이 때 말뚝의 횡방향 변위는 선형 또는 비선형 해석을 통하여 산정한 값으로 한다.
(4)타입말뚝의 과도한 변위, 전체 안정성에 대한 검토는 사용한계상태에서 검토한다.
4.5.4.1 타입말뚝의 침하량 산정
(1)말뚝의 침하거동에 미치는 영향요인은 매우 다양하므로 외말뚝 또는 무리말뚝의 침하량을 정확하게 예측하는 것은 난해한 문제이다. 일반적으로 말뚝의 주면마찰력은 수 mm정도의 변위에서 극한상태에 도달되기도 하지만 극한 선단저항력은 말뚝직경의 약 5~10%정도의 큰 변위에서 발생하므로 저항력 발휘에 소요되는 변위거동이 상이하다. 즉, 말뚝의 하중-침하거동은 저항력 성분의 상대적인 영향정도, 지반조건 및 말뚝시공방법 등에 따라 영향을 받기 때문이다. 그러나 지금까지 보다 신뢰도 높은 말뚝의 침하량을 산정하기 위한 이론적, 경험적 방법들이 다양하게 연구되어 침하거동을 적절히 평가할 수 있는 기법들이 개발되어 왔다.
(2)타입말뚝에 대한 대표적 경험식은 Vesic(1970, 1977)방법이 널리 적용되고 있으며, 이론적 예측기법으로서는 탄성 연속체 역학에 근간을 둔 Poulus and Davis(1980)방법이 선단지지 말뚝 또는 마찰말뚝 등에 적용되고 있다. 여기에 Coyle and Reese(1966)에 의해 발표된 하중전이함수를 적용한 예측방법도 사용되고 있다. 한편 무리말뚝에 대해서도 Poulus and Davis(1980), Randolph(1987)에 의해 이론적 기법이 연구된 바 있다.
(3)변위량 검토란 말뚝머리의 추정변위량과 상부구조에서 결정되는 한계변위량의 비교이다. AASHTO LRFD(2007)에서는 교량 구조물에 대해서 상대처짐 평가기준을 제시하였으며, 아래와 같다.
단순교의 각변위량 : (rad) (4.5-1)
연속교의 각변위량 : (rad) (4.5-2)
(4)한계침하량은 정확한 수치로 규정함은 비합리적이고, 상부구조의 구조형식, 사용재료, 용도, 중요성 및 침하의 시간적 성격 등에 의해서 규정되어야 하는 것이다.
(5)이 기준 4.5.2 외말뚝에 대한 축방향 저항력 산정방법에서와 같이 침하량의 평가에서도 실물말뚝에 대한 압축정재하시험 결과로부터 구한 말뚝머리 하중-침하량 관계를 이용하여 예측하는 것이 가장 신뢰도 높은 방법이다. 여기서 압축 정재하시험은 KDS 24 00 00 교량 설계기준(한계상태설계법)을 따르는 것으로 한다. 재하시험을 수행하여 설계하중에 해당하는 침하량을 구함으로써 실제 말뚝의 발생 가능한 침하량으로 추정할 수 있지만 재하하중의 작용시간이 짧다는 점, 시험말뚝이 지반조건 및 설계조건을 대표할 수 없다는 점, 지반거동 특성에 따라 침하량이 상이하게 나타난다는 점 등을 재하시험결과에 고려하여 침하량을 산정하는 것이 가장 바람직하다. 말뚝에 대한 압축 정재하시험 결과를 얻지 못하는 경우 침하량 산정공식이나 해석적 기법을 이용하여 침하량을 추정할 수 있다. 타입말뚝의 침하량 산정공식은 KDS 24 00 00 교량 설계기준(한계상태설계법)을 따르는 것으로 한다. 해석적 기법을 적용할 때에는 말뚝의 하중전이특성을 파악하여 반영하여야 신뢰도가 높아진다(Reese and O'Neill, 1988).
(6)일반적으로 침하의 양상은 말뚝형식에 따라 다르지만, 장경간 케이블교량의 경우에는 암반 위에 놓인 선단지지말뚝이 대부분이다. 견고한 지지말뚝에서는 전체적으로 침하가 작고 더구나 침하는 말뚝자체의 탄성변형량이 대부분이며, 소성변형량 또는 잔류변형량은 몇 mm를 넘지 않는 것이 보통이다. 무리말뚝 침하량은 외말뚝의 침하량 보다 약간 큰 침하가 발생하는 것으로 알려져 있다. 암반이 경사진 경우에는 말뚝을 암반 속에 충분히 근입하지 않으면 하중이 작용할 때 말뚝이 미끄러질 가능성이 있다. 암반이 견고하지 않을 때에는 코아를 채취하여 압축특성 등을 시험할 필요가 있다.
4.5.4.2 횡방향 하중을 받는 타입말뚝의 횡방향 변위
(1)횡방향 변위기준은 국외의 경우 주로 38mm 이내, 국내의 경우 기초폭의 1% 이내로 규정하고 있으나 각 기관별, 연구자별 횡방향 변위에 대한 구체적인 크기 또는 규정이 모호하여, 대부분 상부구조 및 말뚝부재의 안정성이 확보되는 변위까지로 확대 적용되고 있다.
4.5.4.3 사용한계상태의 변위
(1)한계 축방향/횡방향 변위 기준은 말뚝의 형태, 사용 기간, 그리고 인접 구조물의 영향에 의한 과도한 변위에 근거하여 결정한다. 전체 안정성은 한계평형해석으로써 평가할 수 있다.
(2)무리말뚝의 침하를 계산하기 위해서는 지반에 근입된 말뚝 깊이의 2/3에 위치한 등가 확대기초에 하중이 작용하는 것으로 가정할 수 있다. 사질토 속에 있는 말뚝기초의 침하는 사용하중조합의 적용 가능한 모든 하중을 사용하여 검토하여야 한다. 또한 점성토 속에 설치된 말뚝기초의 침하는 일시 하중만을 제외하고 사용하중조합의 적용 가능한 모든 하중을 사용하여 조사하여야 한다. 또한, 적용 가능한 모든 사용한계상태의 사용하중조합으로 기초의 횡방향 변위를 조사하여야 한다. 사질토의 무리말뚝 침하는 현장 원위치시험 결과와 등가 확대기초의 위치를 이용하여 계산할 수 있다.
4.5.5 부주면마찰력과 인발저항력
(1)압밀이 진행 중인 지반에 시공되었거나 말뚝 시공 이후 지반침하가 발생하는 경우 타입말뚝에 작용하는 부주면마찰력(downdrag(DD))을 고려하는 경우에는 다음 사항을 반영한다.
①부주면마찰력의 크기는 중립면의 위치, 말뚝선단 지지층의 특성, 침하지반의 특성, 말뚝재료의 특성을 고려하여 산정한다.
②부주면마찰력이 발생하는 지반조건에서는 선단저항력의 크기, 말뚝의 침하, 주면마찰력의 크기 및 분포를 판단할 수 있는 압축재하시험을 실시하여 축방향 저항력을 결정하는 것이 바람직하다.
③부주면마찰력이 큰 경우에는 부주면마찰력 감소방법을 적용하여야 한다.
(2) 타입말뚝의 인발저항력은 다음 사항을 고려하여 결정한다.
①외말뚝의 인발저항력은 지반의 축방향 인발저항력에 말뚝의 무게를 더한 값과 말뚝본체의 설계 인발하중 중 작은 값으로 한다.
②지반의 축방향 설계 인발저항력은 인발재하시험을 실시하여 판정하는 것이 가장 바람직하다.
③인발정재하시험 결과를 얻을 수 없는 경우에는 압축재하시험 결과로부터 얻어진 극한 주면마찰력으로부터 극한 인발저항력을 추정할 수 있다.
4.6 현장타설말뚝
4.6.1 설계일반
(1) 현장타설말뚝
①현장타설말뚝 본체의 설계압축하중은 콘크리트와 보강재로 구분하여 설계압축하중을 각각 산정한 다음 이 두 값을 합하여 결정한다.
②콘크리트의 설계압축하중은 콘크리트의 설계압축강도에 콘크리트의 단면적을 곱한 값으로 한다.
③보강재의 설계압축하중은 보강재의 설계압축강도에 보강재의 단면적을 곱한 값으로 한다.
④지하수에 의해 부식이 우려되는 경우에는 부식방지공을 검토하여야 하며 이 조건을 고려하여 말뚝 본체의 설계압축하중을 결정한다.
(2) 단일 현장타설말뚝
①현장타설말뚝의 특수한 형식으로서, 기초를 시공하지 않고 말뚝과 교각을 연속 시공하여 유연한(flexible) 거동을 보이는 기초이다.
②명시되어 있지 않은 사항은 이 설계기준의 현장타설말뚝의 설계기준을 따르는 것으로 한다.
③축방향 저항력은 현장타설말뚝과 동일하게 설계하고, 횡방향 저항력에 대한 설계는 지중부 및 지상부를 함께 고려하여 설계를 수행하여야 하며, 국외기준(AASHTO, 2002; Caltrans, 2006; FHWA, 1987)을 참고하여 적용할 수 있다.
④단일 현장타설말뚝의 설계는 다양한 해석 모델링을 적용하여 설계하며, 내진 해석 시 지진강도가 매우 큰 지역이나 상부에 연약지반이 있는 경우 지반 비선형성을 고려하여 해석을 수행하여야 한다. 단일 현장타설말뚝의 설계를 위한 구조해석 모델링 방법은 이 기준 4.9.3을 따르는 것으로 한다.
(3) 지반의 축방향 압축저항력은 다음 사항을 고려하여 결정한다.
①외말뚝 조건에서 지반의 축방향 압축저항력은 축방향 극한압축저항력에 소정의 저항계수를 곱한 값으로 한다.
②저항계수는 축방향 극한압축저항력을 산정하는 방법의 신뢰도에 따라 적절한 값을 적용한다.
4.6.2 축방향 저항력
현장타설말뚝의 축방향 저항력은 이 기준 4.5.2를 따르며, 그 이외의 내용은 다음과 같다.
(1)현장타설말뚝의 축방향 저항력은 말뚝본체의 설계압축하중과 지반의 저항력 중 작은 값 이하로 한다.
4.6.3 횡방향 저항력
현장타설말뚝의 횡방향 저항력은 이 기준 4.5.3을 따르며, 그 이외의 내용은 다음과 같다.
(1)현장타설말뚝의 횡방향 저항력은 말뚝에 발생하는 휨강도가 말뚝재료의 설계휨강도 이내가 되는 값이며 말뚝머리의 횡방향 변위량이 상부구조에서 정해지는 한계변위량을 넘어서지 않는 조건을 만족시키는 가장 큰 값으로 한다.
(2)단일 현장타설말뚝의 횡방향 저항력은 도로교설계기준 해설(2008) 또는 표준관입시험 결과를 이용하여 구할 수 있다.
4.6.4 변위량 검토
(1) 현장타설말뚝의 침하량 산정은 이 기준 4.5.4.1을 따른다.
(2) 현장타설말뚝의 횡방향 변위기준은 이 기준 4.5.4.2를 따른다.
(3) 현장타설말뚝의 사용한계상태의 변위는 이 기준 4.5.4.3을 따른다.
4.6.4.1 현장타설말뚝의 침하량 산정
(1)현장타설말뚝의 침하량 산정의 경우, 토사지반에 대하여 Reese and O'Neill(1988), 암반에 소켓된 현장타설말뚝에 대하여 Pells and Turner(1979)에 의한 산정방법을 주로 이용한다. 보다 상세한 내용은 이 기준 4.5.4.1을 따르는 것으로 한다.
(2)단일 현장타설말뚝의 침하량 산정은 현장타설말뚝의 침하량 산정방법을 따르며, 그 이외의 내용은 다음과 같다.
①단일 현장타설말뚝에서 교각의 높이가 높은 경우 침하량 산정은 시공단계를 고려하여 코핑 설치 이후에 발생하는 침하량에 대하여 상부 구조물의 안정성을 검토할 수 있다.
②암반이 경사진 때에는 어느 정도 암반 속에 말뚝을 근입하지 않으면 하중이 가해졌을 때 말뚝이 미끄러질 염려가 있으므로 하향 경사부에서 발생되는 최소 근입깊이가 암반에 1 이상 되도록 하는 것이 바람직하다
4.6.4.2 횡방향 하중을 받는 현장타설말뚝의 횡방향 변위
(1)단일 현장타설말뚝의 횡방향 변위 산정 시, 지표면 상부와 하부의 거동을 동시에 고려하여 구조적 안정성이 확보되도록 하여야 하며, P-Δ 해석을 수행하여 교좌장치 변위를 예측하는 것이 바람직하다. 단일 현장타설말뚝의 횡방향 변위는 지표면을 기준으로 말뚝의 횡방향 변위기준을 따르며, 상부토층이 매우 연약하여 저항력을 무시할 수 있는 경우 변위기준면을 낮출 수 있다.
4.6.4.3 사용한계상태의 변위
(1)점성토에 설치된 현장타설말뚝의 사용한계상태 침하량을 추정할 경우 영구하중만을 고려한다.
(2)사질토에 설치된 현장타설말뚝의 사용한계상태 침하량을 추정할 경우 영구하중에 일시적인 하중을 더한 값을 사용한다.
(3)현장타설말뚝의 침하량은 다음 사항을 고려하여 추정하여야 한다.
4.6.5 부주면마찰력과 인발저항력
(1) 현장타설말뚝의 부주면마찰력과 인발저항력은 이 기준 4.5.5를 따르는 것으로 한다.
4.7 앵커리지 기초
4.7.1 설계일반
(1)앵커리지 설계에 있어서는 시공조건을 고려하여야 한다. 시공조건을 만족시키지 않을 경우에는 별도의 시험 등을 수행하여 이 설계기준과 동일하거나 그 이상의 설계 여유를 확보하도록 한다.
(2)앵커리지 기초는 지지, 전도, 활동에 대해 안정하여야 한다. 또한 앵커리지 설계 시, 케이블에 작용하는 힘에 견딜 수 있어야 한다. 지반의 변위가 탄성변위 내에서 비교적 크게 예상되는 경우에는 주케이블에 작용하는 작용력과 앵커리지에서 발생하는 변위를 고려하여 설계할 수 있으며, 변위예측은 앵커리지가 설치될 위치에서 소형 모형실험 또는 상세 수치해석을 통하여 구한 값을 이용하는 것이 바람직하다.
(3) 앵커리지와 기초는 다음 사항을 고려하여 선정하여야 한다.
① 지형 및 지질조건
② 구조물의 특성
③ 시공조건
④ 환경조건
⑤ 기 타
(4)앵커리지 기초 설계에 필요한 다음과 같은 지반정수는 지반조사 및 토질시험의 결과를 종합적으로 판단하여 결정한다.
①지반의 물리적 성질 : 입도, 간극비, 단위중량, 컨시스턴시, 함수비, 탄성파속도
②지반의 정역학적 성질 : 점착력, 내부마찰각, 변형계수, 압축지수, 압밀계수, 압밀항복하중, 크리프정수, 포아송비
③지반의 동역학적 성질 : 전단탄성계수, 재료감쇠비
4.7.2 중력식 앵커리지 얕은기초의 설계
얕은기초의 안정성 평가는 시공 시, 완성 시에 대해 다음의 4개 항목에 대해 만족하여야 한다.
(1) 지반의 저항력
(2) 활동
(3) 전도
(4) 변위
4.7.2.1 축방향 저항력에 대한 안정성 검토
(1)여러 가지 하중상태에 대해서 기초 저면에 대한 축방향 작용력이 기초에 대한 지반 저항력보다 작도록 기초의 치수, 근입길이를 정하여야 한다.
(2)지반의 축방향 저항력은 하중의 편심경사를 고려해서 구한 지반의 극한저항력에 소정의 저항계수를 곱한 값으로 한다.
(3)지반의 저항력은 기초저면에 있어서 하중에 편심과 경사를 고려한 얕은기초로서 산정하는 것으로 한다.
4.7.2.2 전도에 대한 안정성 검토
(1)기초저면의 경우, 지반반력 합력의 작용 위치는 극한한계상태일 경우 토사지반은 바닥면의 중심으로부터 바닥면 폭의 이내, 암반은 바닥면의 중심으로부터 바닥면 폭의 이내, 극단상황한계상태일 경우 토사지반과 암반 모두 바닥면의 중심으로부터 바닥면 폭의 이내에 있어야 한다.
4.7.2.3 활동에 대한 안정성 검토
(1)기초 저면에 작용하는 횡방향 외력은 기초 저면의 활동저항력에 소정의 저항계수를 곱한값보다 작아야 한다.
(2)앵커리지는 상당히 큰 횡방향 하중을 지지하고 활동부는 교량의 안전도를 크게 좌우하기 때문에 특히 여유를 두고 설계하여야 한다.
(3)기초저면의 활동에 대해서 저항면적은 일반적으로 유효재하면적 또는 접지면적으로 가정한다.
(4)기초의 활동저항력은 식 (4.7-1)에 의해 구한다.
여기서, 는 기초의 활동저항력(kN), 는 기초지반의 점착력(kN/m2), 는 기초지반의 내부마찰각(deg), 은 작용하중상태에 의한 접지면적(m2), 는 기초저면에 작용하는 축력(kN)을 의미한다.
(5) 앵커리지에 작용하는 토압은 굴착지반의 토질과 굴착경사, 되메움 흙의 성질과 되메움의 상태 등을 평가하여 산정하며 이때 수동저항을 고려할 수 있다.
4.7.2.4 스프레이새들 변위에 대한 안정성
(1)스프레이새들의 변위는 교량의 기능상, 구조상 유해하지 않도록 다음 고려사항 등을 만족하여야 한다.
① 앵커리지의 본체에 유해한 강도 또는 균열이 발생하지 않을 것
② 상부구조에 유해한 강도 또는 변형이 발생하지 않을 것
③ 자동차의 주행에 악영향을 주지 않을 것
(2)현수교의 상부구조의 설계에서 고려해야 할 스프레이포인트의 설계기준 변위는 식 (4.7-2)에 의해 설정하는 것을 원칙으로 한다. 그러나 상부구조 설계 시 추정되는 중력식 앵커리지의 최종 변위가 이를 초과할 것으로 예상되면 식 (4.7-3)에 의해 스프레이포인트의 변위를 상세히 확인하여 상부구조 설계 시 고려하도록 한다. 변위는 하중에 대한 탄성스프링을 이용하여 산정하며, 지진하중이 작용하는 경우에는 지진규모 및 등급 등을 고려하여 산정한다. 스프레이새들 설치 후 작용하는 하중에 의한 크리프변위에는 시공 중 발생한 크리프변위 잔류량도 포함하고 있으므로 주의하여야 한다.
= 앵커리지 스프레이포인트의 기준수평변위(mm)
= 중앙지간의 길이(m)
= 상부구조의 설계에서 고려하여야 할 스프레이포인트의 변위
= 스프레이새들 설치 후에 작용하는 하중에 의한 탄성변위(표 4.7-1)
= 지진하중에 의한 변위
= 스프레이새들 설치 후에 생긴 크리프변위
(3)식 (4.7-2)의 설계기준 변위량은 중앙지간이 1,000∼1,500m의 현수교를 대상으로 하여 주탑 하단과 주탑 기초 접합점의 추가 응력이 허용응력의 5%가 되는 조건을 역산하여 결정한 변위량이다. 일본 혼슈시코쿠연락교공단(本州四國連絡橋公團) 하부구조설계기준 (1977)의 주탑 하부구조에 대한 상기 기준을 준용하여 중력식 직접기초 앵커리지 설계요령(안)·동해설(1980)에서는 중력식 앵커리지에 한하여 스프레이새들의 기준수평변위로 적용하였다. 그러나 일반적으로 케이블교량의 하부구조는 규모가 크기 때문에 제한된 변위량에 따라 하부구조의 크기를 정하는 것은 과다설계가 될 수 있다. 중력식 앵커리지, 주탑 밑 교각 각각에 대한 하중 조건 및 산정변위와 그 위치는 표 4.7-1과 같다.
표 4.7-1 하중의 조건 및 산정변위와 그 위치

하중 조건

산정변위

변위산정 위치

중력식

앵커리지

스프레이새들 설치 후에 작용하는 하중

횡방향 변위

축방향 변위

스프레이포인트

주탑 밑

교각

주탑 완성 후에 작용하는 하중

횡방향 변위

축방향 변위

회전변위

주탑 하단과

주탑기초 접합점의 중심
4.7.3 터널식 앵커리지의 설계
(1)터널식 앵커리지는 활동에 대해 안전성을 확보하여야 한다.
(2)지진하중이 작용하는 경우, 터널식 앵커리지의 설계 케이블장력은 지진하중이 작용하지 않는 경우보다 작고, 앵커구체의 관성력 영향도 거의 무시할 수 있으므로 활동에 대한 안정성 검토를 제외할 수 있다.
4.7.3.1 활동에 대한 안정성 검토
(1)터널식 앵커리지에 작용하는 케이블장력은 KDS 24 12 12와 KDS 24 12 22에 명시된 하중계수 및 하중조합을 고려하여 산정하고, 앵커리지의 활동저항력에 소정의 저항계수를 곱한 값보다 작아야 한다.
(2)터널식 앵커리지의 활동에 대한 저항력 고려방안은 앵커부의 자중(구체중량), 활동면 내의 암(연동 암)의 중량, 활동면 주변의 마찰력 및 점착력에 의해 저항하는 것을 기본으로 한다.
(3)터널식 앵커리지 활동저항력은 다음의 사항에 따라 크게 영향을 받으므로 이들에 대해서는 시공방법, 지반조건 등을 감안하여 산정하여야 한다.
① 파괴활동면
② 앵커부 형상
③ 마찰 및 점착저항 발현 범위
④ 터널 굴착에 따른 손상암반 영역
⑤ 암반 강도정수
(4)터널식 앵커리지의 설계에 있어서 앵커리지부의 활동저항력에 대한 확립된 이론은 아직 없으며, 단지 다음에 대하여 일반적인 역학, 수치해석, 반경험적인 방법 등을 바탕으로 정립된 설계개념에 의거하고 있다.
① 파괴가능성 있는 형태
② 국부적인 파괴가능성
③ 불연속면
(5) 터널식 앵커리지부의 활동저항력은 식 (4.7-4)에 의해 산정한다.
=터널앵커부의 활동저항력(kN)
=구체 중량(kN)
=연동암괴 중량(kN)
=평균 마찰계수
=지반의 점착력(kN/m2)
=앵커리지 주면적(m2)
=터널 경사각(deg)
다만, 점착저항력을 제외할 경우 식 (4.7-5)에 의해 산정한다.
4.7.4 기타 특수한 형식의 앵커리지 설계
(1)지형 및 지질조건과 지반-구조물 상호작용을 고려하여 케이블 장력 및 하중에 대한 저항원리를 공학적으로 검토하고, 검토 후 안정성이 확보되면 특수한 구조형태의 앵커리지를 설계할 수 있다.
4.7.4.1 활동에 대한 안정성 검토
(1)이 기준 4.7.2 또는 이 기준 4.7.3에 따라 설계하여야 한다. 두 형식의 앵커리지 형식과 다른 역학적인 지지거동이 예측될 경우, 수치해석과 모형실험 혹은 실물실험을 통하여 그 적합성을 제시 및 확인하여야 한다.
(2)국부적인 집중하중에도 안정성을 확인하여야 하며, 발생된 변위가 상부구조에 미치는 영향도 검토하여야 한다. 지중 혹은 암반 내에 앵커리지의 안정성에 영향을 줄 수 있는 약한 층이 존재할 경우 이에 대한 영향 검토는 별도로 수행하여야 한다.
(3)앵커리지의 설계에 있어서 앵커리지부의 활동에 대한 확립된 이론은 아직 없으며, 단지 다음사항에 대하여 일반적인 역학, 수치해석, 반경험적인 방법 등을 바탕으로 정립된 설계개념에 따라 설계하여야 한다.
4.8 강관널말뚝 기초
4.8.1 설계일반
(1)강관널말뚝은 주탑이나 접속교의 기초로 사용하거나 가물막이용 가시설물로도 사용할 수 있다.
(2)이 설계기준에서 규정하는 강관널말뚝기초의 구조는 모든 강관널말뚝이 지지층까지 타입되는 우물통형식으로 한다. 강관널말뚝기초는 강관에 용접으로 이음금속을 붙여 서로 연결할 수 있도록 한 널말뚝으로서, 안벽, 가물막이, 널말뚝기초 등으로 많이 쓰이고 있으며 다음과 같은 몇 가지 특징이 있다.
① 가물막이 겸용 공법이 가능하므로 하천이나 해상에서 시공이 용이하다.
② 강관말뚝의 기능도 갖고 있으므로 축방향 저항력도 크게 할 수 있다.
③ 단면계수가 대단히 크므로 횡방향 저항력이 크다.
④ 형상 크기 등을 임의로 할 수 있으므로 시공의 난이도에 영향을 받지 않는다.
(3)강관널말뚝기초에 하중이 작용함으로써 우물통 바닥면에 발생하는 축방향 반력은 그 위치에서 허용되는 강관널말뚝의 저항력 이내이어야 한다. 또한 강관널말뚝기초의 발생변위량이 한계변위량보다 작아야 한다.
(4)축방향 하중은 우물통 바닥면 지반의 축방향 지반반력과 우물통 주변 지반의 마찰력이 저항하도록 한다. 횡방향 하중은 전면 지반의 횡방향 지반반력, 우물통 바닥면 지반의 전단력 그리고 우물통 측면의 전단력이 저항하도록 한다.
4.8.2 강관널말뚝의 축방향 저항력
(1)축방향 압축저항력은 지반의 축방향 압축저항력과 말뚝재료의 설계강도를 비교하여 작은 값을 사용한다.
(2)지반의 축방향 압축저항력은 지반의 극한 축방향 압축저항력에 대하여 소정의 저항계수를 곱하여 산정한다.
(3)지반의 극한 축방향 압축저항력은 축방향 재하시험을 통해 구하거나 압축저항력산정식을 통해 추정할 수 있다.
(4)축방향 인발저항력은 지반의 축방향 인발저항력에 말뚝의 무게를 더한 값으로 한다. 이 경우, 축방향 인발저항력은 말뚝재료의 한계 인발강도보다 작아야 한다.
(5)지반의 축방향 인발저항력은 지반의 극한 축방향 인발저항력에 대하여 소정의 저항계수를 곱하여 산정한다.
(6)지반의 극한 축방향 인발저항력은 인발재하시험을 통해 구하거나 인발저항력산정식을 통해 추정할 수 있다.
4.8.2.1 강관널말뚝의 축방향 압축저항력
(1)강관널말뚝은 강관말뚝과 가까운 성질을 지니고 있기 때문에 그 축방향 압축저항력()은 강관널말뚝 1개당의 저항력에 의한다.
(2)강관널말뚝이 타입공법으로 시공되는 경우 저항계수는 외말뚝에 적용하는 저항계수를 참고할 수 있다. 다만, 선택과 적용에 있어서는 각별한 신중함이 요구된다.
(3)강관널말뚝의 극한 축방향 압축저항력()은 대표적인 지반조건에 설치된 실물크기의 말뚝이나 축소말뚝에 대한 축방향 재하시험을 실시하여 결정하는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 정역학적 저항력 산정공식이 말뚝재하시험에 준하는 정밀도를 갖는 경우나 시험말뚝에 의한 재하시험이 극히 곤란한 경우 다음과 같은 정역학적 저항력 산정식을 사용하여 극한 축방향 압축저항력을 추정할 수 있다. 이 때 사용된 지반의 역학적 특성치는 비교란 시료에 대한 원위치 시험(CPT, PMT, DMT, SPT 등)과 실내 토질시험 결과를 종합적으로 판단하여 산정하여야 한다. 상기의 시험들 중 SPT의 N치를 이용하는 경우 반드시 에너지 효율을 고려하여야 하며, 흙의 상태, 연결봉의 길이, 상재압 등의 영향을 고려한 수정된 N치를 이용하여야 한다.
= 지반조건에 따라 결정되는 강관널말뚝의 극한 축방향 압축저항력
= 강관널말뚝의 폐쇄 단면적
= 강관널말뚝 선단에서 지지하는 단위면적당의 극한 축방향 압축저항력
= 우물통 외벽의 강관널말뚝 개수
= 우물통 바깥 둘레길이
= 주면마찰력을 고려하는 각 층의 두께
= 주면마찰력을 고려하는 각 층의 최대단위주면마찰력
(4)강관널말뚝 선단의 극한 축방향 압축저항력 및 최대주면마찰력 는 강관말뚝에 적용하는 식에 따라 계산할 수 있다. 다만, 타입공법을 사용하지 않는 경우 별도로 검토할 필요가 있다.
4.8.2.2 강관널말뚝의 축방향 인발저항력
(1)강관널말뚝은 강관말뚝과 가까운 성질을 지니고 있기 때문에 그 축방향 인발저항력은 강관널말뚝 1개 당의 저항력에 의한다.
(2)강관널말뚝이 타입공법으로 시공되는 경우 저항계수는 외말뚝에 적용하는 저항계수를 참고할수 있다. 다만, 선택과 적용에 있어서는 각별한 신중함이 요구된다.
(3)지반조건에 따른 강관널말뚝의 극한 축방향 인발저항력은 인발재하시험으로부터 결정하는 것이 가장 신뢰성 있는 방법이다. 인발재하시험이 곤란한 경우 지반조사 결과를 근거로 다음과 같은 식을 사용하여 강관널말뚝의 극한 축방향 인발저항력을 추정할 수 있다.
= 지반조건에 따라 결정되는 강관널말뚝의 극한 축방향 인발저항력
(4)강관널말뚝의 최대주면마찰력 는 강관말뚝에 적용하는 식에 따라 계산할 수 있다. 다만, 타입공법을 사용하지 않는 경우 별도로 검토할 필요가 있다.
4.8.3 지반반력계수
(1)강관널말뚝기초를 설계할 때 사용하는 지반반력계수로는 바닥면의 축방향 지반반력계수, 전면의 횡방향 지반반력계수, 그리고 바닥면의 횡방향 전단지반반력계수가 있으며, 지반조사와 토질시험의 결과를 검토하여 추정한다.
4.8.4 강관널말뚝 기초 본체의 설계
(1)강관널말뚝 기초 본체는 기초 전체의 휨강성을 평가하여 탄성지반 위에 놓인 유한길이의 보로 설계한다. 다만, 기초 본체의 변형이 클 경우에는 기초의 변형특성을 고려하는 해석법을 따르는 것으로 한다.
4.8.5 상부슬래브의 설계
(1)상부슬래브와 본체의 강성, 그리고 상부슬래브와 강관널말뚝의 결합상태를 고려하여 상부슬래브를 설계한다.
(2)상부슬래브와 강관널말뚝의 결합부는 상부슬래브에 작용하는 하중을 확실하고 안전하게 강관널말뚝에 전달하는 구조이어야 한다.
4.9 말뚝본체의 설계
(1) 말뚝본체 설계 시 다음 사항을 고려한다.
①말뚝에 작용하는 압축, 인장, 전단, 휨강도가 모두 설계강도 범위 안에 있어야 한다.
②말뚝에 사용하는 콘크리트부재와 강부재는 각각 KDS 24 14 22에 규정된 재료계수, KDS 24 14 32에 규정된 저항계수를 적용하여 설계강도를 산정한다.
③말뚝과 기초의 연결부, 말뚝의 이음부 등은 확실하게 시공할 수 있도록 설계한다.
④말뚝의 부식, 풍화, 화학적 침해 등에 대하여 적합한 대책을 강구한다.
⑤침식, 세굴 또는 인접지반의 굴착, 지하수 변동 등에 대한 검토와 대책을 수립한다.
⑥말뚝을 소요 지지층까지 근입시킬 수 있는 공법을 선정한다.
⑦시공 시 발생할 수 있는 소음, 진동 등은 환경기준을 만족하여야 한다.
⑧지반의 액상화 가능성에 대하여 검토한다.
⑨말뚝종류 선정, 시공장비 선택, 시공법 선정, 지지층 선정, 시멘트풀 보강 여부, 무리말뚝 시공으로 인한 말뚝 솟아오름 가능성 등에 대하여 검토한다.
(2) 말뚝간격과 말뚝배열은 다음 사항을 고려하여 결정한다.
①말뚝의 배열은 축방향 하중 작용점에 대하여 가능한 한 대칭을 이루며 각 말뚝의 하중 분담률이 큰 차이가 나지 않도록 한다.
4.9.1 완성 후의 하중에 대한 설계
(1)말뚝머리에 발생하는 반력과 변위가 계산되고 말뚝 개수와 배치 그리고 간격이 결정된 후에는 말뚝본체에 발생하는 외력을 견딜 수 있도록 말뚝본체를 설계하여야 한다.
(2)말뚝본체 설계에서는 말뚝에 작용하는 하중에 의하여 발생하는 단면력의 크기를 계산하고 말뚝 재료의 설계강도를 고려하여 소요 말뚝단면을 결정한다.
(3)말뚝에 작용하는 외력으로는 축방향압축력, 축방향인장력, 횡력 그리고 모멘트가 있으며, 또한 이들 힘이 조합되어 작용하는 경우도 많다.
(4)말뚝에 발생하는 최대단면력이 결정되면 그 최대단면력 재료의 설계강도 또는 부재의 저항강도를 초과하지 않도록 말뚝단면과 길이를 설계하여야 한다.
4.9.2 이음
(1)말뚝의 이음부는 구조물이 완성된 후 작용하는 하중에 따른 축방향압축력, 축방향인발력, 횡력은 물론, 시공 시 타입에 따른 하중에 대하여 안전하도록 설계하여야 한다.
(2)이음구조는 말뚝본체의 강도에 상당하는 강도를 갖는다고 전제한다. 일반적으로 기성말뚝의 이음부 시공에는 현장작업이 따르기 때문에 이음부는 시공관리의 영향을 받기 쉽다. 따라서 설계에서는 구조적인 안전뿐만 아니라 이음의 시공성에 대하여 고려할 필요가 있다.
4.9.3 상부구조-하부기초/말뚝의 접합부
(1) 상부구조와 하부기초/말뚝과의 접합부 설계 시 다음 사항을 고려하여야 한다.
①상부구조와 하부기초/말뚝과의 접합부 설계 시에는 상부구조물의 특성에 따라 기초는 말뚝머리에 작용하는 압축력, 인발력, 횡력, 모멘트 등을 검토하여 기초 말뚝의 저항력이 안정적으로 상부구조를 지지할 수 있어야 한다. 말뚝과 기초의 연결부를 간편해석 시, 강결 및 힌지결합을 검토하여 변위 및 강성이 확보될 수 있도록 할 수 있으며, 상세해석 시에는 말뚝 및 기초의 실제 상대강성(연결 상태)을 고려하여 해석할 수 있다.
②말뚝과 기초의 연결방식으로는 일반적으로 강결합과 힌지결합이 있다. 어느 방식을 채용하는가 하는 것은 구조물의 형식과 기능, 확대기초의 형태와 치수, 말뚝의 종류, 지반조건, 시공 난이도 등에 따라 결정하여야 한다. 채택된 방식에 대해서는 압축력, 인발력, 횡력, 모멘트 등이 검토되어 소정의 여유가 확보될 수 있도록 설계한다.
③일반적으로 교량기초의 경우에는 하부 말뚝의 변위기준(강결결합, 힌지결합)을 만족하는 범위 내에서 구조적으로 안정하게 설계하도록 한다. 이 때 기초는 강성체 또는 연성체로 설계하여야 한다.
(2)지진발생 시, 말뚝머리의 결합방법으로 말뚝과 하부기초 사이에 모래, 강자갈, 쇄석자갈 및 제강슬래그와 같은 재료로 구성된 지진격리층을 조성하여 지반에서 전달되는 지진에너지를 감쇠시키는 방법을 적용할 수 있다.
(3) 하부기초/말뚝의 모델링은 다음 사항을 고려하여야 한다.
①상부구조를 지지하는 하부기초/말뚝의 모델링 방법은 등가 지반스프링 모델, 등가 고정단 모델, 등가 지반면 스프링 모델이 있다.
②변위가 크게 발생하여 상세해석이 필요한 경우, 등가 지반면 스프링 모델을 적용하도록 한다. 이 때 지반은 p-y 곡선을 적용하고, 말뚝은 비선형거동도 고려하여 교량구조해석을 수행하여야 한다.
4.9.4 시공 시의 검토
(1) 말뚝의 부식, 풍화, 화학적 침해 등에 대한 대책
(2) 침식, 세굴 또는 인접지반의 굴착, 지하수 변동 등에 대한 검토와 대책
(3) 소요 지지층까지 말뚝을 근입시킬 수 있는 공법 선정
(4) 시공 시 발생할 수 있는 소음, 진동 등의 처리
(5) 말뚝종류 및 시공법의 선정
4.9.5 말뚝의 배열 및 최소 중심간격
말뚝간격과 말뚝배열은 다음과 같이 결정한다.
(1)말뚝 배열
말뚝 배열은 축방향 하중 작용점에 대하여 될 수 있는 한 대칭을 이루며 각 말뚝의 하중분담률이 큰 차이가 나지 않도록 하여야 한다.
(2) 말뚝 간격
① 말뚝사이의 중심간격은 최소한 말뚝직경의 3배 이상이며 기초 측면과 말뚝 중심의 간격은 최소 말뚝직경의 1.25배 이상이어야 한다.
② 타입말뚝은 시공 가능성과 지지력에 대한 영향을 검토하여 안정성이 확보되는 경우 말뚝직경이나 폭의 3배 이하까지 고려할 수 있으나, 이 때 최소간격은 2.5배보다 커야 한다.
4.10 말뚝재하시험
(1)말뚝재하시험에는 압축시험, 인발시험, 횡방향시험 등이 있으며 다음 사항을 계획한다.
(2)말뚝재하시험을 실시하는 방법으로는 정재하시험방법 또는 동재하시험방법을 고려할 수 있다. 말뚝재하시험의 종류는 크게 정적인 재하시험과 동적인 재하시험방법으로 구분할 수 있다. 전자는 하중 작용 방향에 따라 압축재하시험(정재하시험), 횡방향 재하시험, 인발재하시험, 양방향 재하시험 등으로 구분할 수 있고, 후자에는 동재하시험, 정동재하시험, 가상재하시험 등이 있다. 실무에서는 정적인 재하시험으로 정재하시험과 양방향 재하시험이 많이 활용되고 있으며, 다음으로 횡방향 재하시험, 인발재하시험 등이 이용되고 있다. 동적인 재하시험의 경우는 동재하시험이 주로 이용된다.
(3)말뚝재하시험은 아래의 사항들을 고려하여 목적에 맞도록 계획한다.
⑧ 하중전이특성
⑪ 시험 및 결과분석 요원
(4)압축정재하시험의 수량은 지반조건에 큰 변화가 없는 경우 말뚝 250개당 1회 또는 구조물별로 1회 실시하도록 시방서에 명기한다.
(5)시공 중 동재하시험은 시공장비의 성능 확인, 장비의 적합성 판정, 지반조건 확인, 말뚝의 건전도 판정, 지지력 확인 등을 목적으로 실시한다. 재하시험 수량은 지반조건에 큰 변화가 없는 경우 전체 말뚝 개수의 1% 이상(말뚝이 100개 미만인 경우에도 최소 1개)을 실시하도록 시방서에 명기한다.
(6)시간경과효과 확인을 위하여 지반조건에 따라 시공 후 일정한 시간(7일 이상)이 경과한 후 재항타 동재하시험(restrike test)을 실시한다. 재항타 동재하시험의 빈도는 위 항에서 정하는 바와 같다.
(7)지반조건, 시공장비, 말뚝종류 등 제반 시공조건이 변경될 때는 시험횟수를 추가하도록 시방서에 명기한다. 또한, 중요 구조물일 때에는 시험횟수를 별도로 정한다.
(8)설계목적을 위하여 암반소켓된 현장타설말뚝의 재하시험을 실시할 경우, 말뚝의 극한 단위주면마찰력과 극한 단위선단지지력을 결정하기 위한 시험에 사용하는 말뚝 직경은 실제 말뚝 직경의 1/2 이상되어야 하되 최소 750mm 이상의 말뚝으로 재하시험을 실시하여야 한다. 이 때 주면마찰력과 선단지지력을 구분하여 측정할 수 있는 장치들이 설치되어야 한다.
(9)설계하중 확인을 위한 암반소켓된 현장타설말뚝의 일반적인 재하시험을 실시할 경우에는 실제 크기의 말뚝으로 재하시험을 실시하여야 한다.
(10)현장타설말뚝의 경우, 사용말뚝과 시험목적의 말뚝에 따라 양방향 재하시험 방법이 구분되어야 한다. 사용말뚝의 재하시험 수행 시, 말뚝의 건전도 확보를 위한 재하장치를 이용하여야 한다.
4.11 구조세목
4.11.1 PHC 말뚝
(1)PHC 말뚝은 KS F 4306(프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝)의 규정에 적합한 것을 표준으로 한다.
(2)PHC 말뚝의 선단은 타입에 대하여 안전하고 시공법을 고려한 구조임과 동시에 지반에 알맞는 구조이어야 한다.
(3)PHC 말뚝의 머리부분은 타격에 대하여 강도를 가져야 한다.
(4)PHC 말뚝의 이음은 이음철구를 사용한 아크용접 이음으로 한다.
(5)PHC 말뚝의 머리부를 절단할 경우에는 필요에 따라 말뚝의 머리부에 말뚝 본체 내 보강철근을 배치하기도 한다.
4.11.2 현장타설말뚝
(1)현장타설말뚝의 설계지름은 표 4.11-1을 따르는 것으로 한다.
(2)주철근의 최소덮개두께는 표 4.11-2를 표준으로 한다.
(3)주철근은 이형철근을 사용하여야 한다. 그 치수 및 간격은 표 4.11-3을 따르는 것으로 한다. 그리고, 주철근에는 갈고리를 붙이지 않는 것이 좋다.
(4)띠철근은 이형철근(지름 13mm 이상, 중심간격을 500mm 이하)을 기준하되 상세 내용은 KDS 14 20 50을 참고한다. 다만, 확대기초 저면으로부터 말뚝지름의 2배의 범위 안에는 띠철근의 중심간격을 150mm 이하로 하고 철근량을 측단면적의 0.2% 이상으로 하되 이 경우에는 전단강도를 검토하지 않아도 된다.
표 4.11-1 설계지름

공 법

설 계 지 름

올케이싱공법

RCD 공법

어스드릴공법

800mm 이상으로 하고 100mm 단계로 한다. 다만, 어스 드릴공법에서 안정액을 사용하는 경우에는 설계지름보다 50mm 큰 공칭지름의 것을 대상으로 설계한다.

인력공법

1,400mm 이상으로 하고 100mm 단계로 한다.
표 4.11-2 주철근의 최소덮개두께

공 법

주철근의 최소덮개두께

올케이싱 공법

RCD 공법

어스드릴 공법

150mm

인력공법

흙막이재 매설의 경우 100mm

흙막이재 철거의 경우 250mm
표 4.11-3 주철근

항 목

최 대

최 소

비고

철 근 량

6%

0.4%

인력공법에 의한 경우는 제외한다.

지 름

-

22mm

순 간 격

-

철근 직경의 2배 이상, 혹은

조골재 최대치수의 2배 이상

갯 수

-

6개
4.11.3 단일 현장타설말뚝
(1)최소철근에 대한 규정은 KDS 24 14 50에서 제시하는 교각의 최소철근비 1% 및 현장타설말뚝의 최소철근비 0.4%를 적용하되, 지표면을 기준으로 구분하여 적용한다.
(2)단일 현장타설말뚝의 최소철근에 대한 적용은 지표면을 기준으로 하여, 하부는 현장타설말뚝의 최소철근비를 적용하며 상부는 교각의 최소철근비를 적용한다. 다만, 지표면아래 말뚝길이와 길이의 차이가 작은 경우 시공성을 고려하여 모두 교각으로 간주할 수 있다. 여기서, 는 말뚝의 횡저항 특성치로서, 를 의미한다.
(3)철근 피복두께는 지중부에 대하여는 150mm를 그리고 지상부에 대하여는 100mm 이상으로 적용한다.
4.11.4 강관말뚝
(1)강관말뚝은 KS F 4602(강관말뚝)의 규격에 적절한 것을 표준으로 한다.
(2)강관말뚝 각 부분의 두께는 강도 계산상 필요한 두께에다 부식에 의한 감소두께를 더한 것으로 결정되는데 최소 9mm 이상으로 한다. 시공 시 말뚝에 생기는 강도에 대해서는 전단면을 유효한 것으로 한다.
(3)강관말뚝의 부식감소 두께는 말뚝이 흙 혹은 물에 접하는 면에 대해서 고려한다. 다만, 강관의 안쪽면에 대해서는 고려하지 않아도 된다.
(4)말뚝머리가 타입에 의해 해로운 손상을 입을 우려가 있는 경우에는 필요에 따라 보강한다.
(5)말뚝 선단이 장애물 등에 의해 해로운 손상을 입을 우려가 있는 경우 혹은 굳은 지반에 쉽게 타입되도록 할 경우에는 필요에 따라서 보강한다.
(6)강관말뚝의 현장이음은 이음철구를 이용한 전둘레 전두께 아크용접 이음으로 한다.