기초구조에 대해서..

[산수유]

제 2장 기초 구조

2-1 개요

1. 기초의 정의

건축물의 자중·적재하중·풍력·지진력·기타의 외력을 받아 이것을 안전하게 지반에 전달하는

건축물 하부의 지중구조부분을 총칭하여 기초라 한다.

2. 기초판의 형식에 의한 분류

1)독립기초 : 기둥 1개를 기초판 1개로 받침
2)복합기초 : 지지하중이 다른 기둥 2개를 1개의 기초판으로 받침
3)연속기초 : 벽 또는 연속된 기둥을 띠모양의 기초판으로 받침
4)온통기초 : 지하실 바닥 전체를 기초판으로 하여 건물 전체를 받침

3. 지정의 형식에 의한 분류

1)직접기초 : 기초판이 굳은 지반 또는 잡석다짐 위에 직접 오는 기초
모래지정, 자갈지정, 잡석지정, 밑창(버림)콘크리트지정

2)파일(Pile, 말뚝)기초 : 기초판에 말뚝을 박아 댄 기초
ㆍ기능상 분류 : 지지말뚝, 마찰말뚝, 다짐말뚝
ㆍ재료상 분류 : 나무말뚝, 기성콘크리트말뚝, 현장콘크리트말뚝, 강재말뚝

3)피어기초 : 상부하중을 피어를 통하여 힘을 받게 한 기초

4. 연약한 지반에 대한 대책

상부구조의 조치	하부구조의 조치
①건물의 경량화 ②건물의 길이를 너무 길게 하지 않을 것 ③건물의 강성(rigidity)을 높일 것 ④건물의 인동거리를 멀게 할 것	①경질지반에 기초판을 지지할 것 ②경질지반이 깊을때는 마찰말뚝을 사용할 것 ③지하실을 설치할 것 ④동일건물의 기초에 이질지정을 두지 않을 것

5. 부동침하의 원인

①지반이 연약한 경우
②연약층의 두께가 상이한 경우
③건물이 이질지층에 걸려 있을 경우
④건물이 낭떠러지에 접근되어 있을 경우
⑤부주의한 일부증축을 하였을 경우
⑥지하수위가 변경되었을 경우
⑦지하에 매설물이나 구멍이 있을 경우
⑧지반이 메운땅일 경우
⑨이질지정(또는 일부지정)을 하였을 경우
⑩각 독립 기초판에 있어 지내력 여유의 차가 큰 경우

2-2 지반의 성질

1. 예민비(sensitivity ratio)

① 흙의 압밀에서 진흙의 자연시료(자연상태대로 또는 자연상태로 채취한 것)는 어느 정도의

강도가 있으나, 그 함수율을 변화시키지 않고, 이기면 약하게 되는 성질이 있는 바, 그 정도를

나타낸 것을 말함.

즉, 예민비 =

{ 자연시료의 강도} over {이긴시료의 강도 }

② 예민비에서 강도란 흙의 전단강도 또는 압축강도임

③ 예민비는 진흙의 종류에 따라 다르며 간극비가 1보다 적은 것은 예민비가 1에 가까운 것이

많고, 간극비가 1보다 큰 것은 에민비가 4∼10정도의 것도 있다.
 

2. 공극률(percentage of void, void ratio)  

① 입상물질(흙, 시멘트, 골재 등) 전체의 용적에 대한 공극용적의 백분율, 즉,

n={Vv } over { V}

× 100 %

② 공간율, 간극률

③ 골재의 단위용적중 공극의 비율을 백분율로 나타낸 것이 골재의 "공극율"이고, 실적부분의

비율(%)은 "실적율" (solidvolume percentage)

④ V=

{ rho- upsilon } over { rho }×100

(%),

d= {W } over { rho } × 100

(%)

※ v + d = 1에서 v : 공극률, d : 실적율

rho

: 골재의 비중
 

{(g/cm }^{3}

), w = 골재의 단위용적 중량(kg/l)

⑤ 표준다짐의 경우 잔골재의 공극률은 45%, 굵은골재는 40% 정도임.

⑥ 콘크리트에서 공극율이 적은걸 쓰면 시멘트 용량이 적게들어, 콘크리트의 건조수축률이

적어짐(골재의 공극률은 적은 것이 좋음)

⑦ 기하학적으로는 크기가 같은 구형의 공극률은 약 26%임
(골재의 입형은 구형이 가장좋음)

 3. 공극비(void ratio, 간극비)  

 ① 흙속의 흙입자 부분의 용적에 대한 공극의 용적비, 즉

e= { Vv} over { Vs}

(e : 공극비, Vv : 공극의 용적, Vs : 흙입자의 용적)

2-3 말뚝기초

1. 시험말뚝을 박을 때(시항타시) 주의사항

①시험말뚝은 실제 사용할 말뚝과 똑같은 조건으로 할 것
②시험말뚝은 3本이상으로 할 것
③시험말뚝의 위치는 항상 정확한 위치에 수직으로 박을 것
④연속적으로 박되 휴식시간을 두지 말 것
⑤최종관입량은 5회 또는 10회 타격한 평균값을 쓸 것
⑥소정의 침하량에 도달하면 그 이상 무리하게 박지 말 것

2. 본항타

①말뚝머리가 깨지는 것을 방지하는 보호조치를 한다.

②소정의 관입깊이와 관입속도로 정확한 위치에 수직으로 타입한다.

③말뚝박기의 초기에는 말뚝 관입깊이가 1타격당 100-200mm가 되도록 램의 높이를

200-300mm로 낮게 설정하고 말뚝의 연직성을 확인하면서 서서히 타입한다.

④지지층까지의 중간박기는 최대관입량이 매회 300-700mm가 되도록 램의 높이를 조정하고

강타로 인한 과대한 타격응력이 발생되지 않도록 주의한다.

⑤항타시 인접한 말뚝이 솟아오를 경우는 타격력을 증가시켜 솟아오른 말뚝은 원지점 이하

까지 다시 박는다.

⑥항타결과 관입길이가 설계길이 및 인접말뚝 관입길이에 비하여 현저히 차이가 발생하는

경우에는 인접위치에 확인항타를 시행하여 관입길이를 재확인 하여야 한다.

⑦말뚝은 기초설계와 시항타결과를 참조하여 안전지지력이 나올 수 있는 소요최종관입량이

확보되는 길이까지 관입시키며, 그 이상 무리하게 박지 않는다.

⑧자동항타검측기를 사용하여 최종관입량을 관리할 때 관입량이 급격히 줄어들면서 멈춤

신호가 울릴 경우는 전석, 암반 등으로 인한 말뚝의 중파위험이 있으므로 즉시 항타작업을

멈추고 충분한 기술적 검토를 거쳐 항타의 계속여부를 결정하여야 한다.

⑨기존시설, 구조물 또는 도로에 인접하여 말뚝박기를 할 경우에는 인접구조물에 가까운쪽

에서부터 박아야 한다.

3. 설계변경

 

하부 지지지반이 급경사, 호박돌, 매립지 등 불규칙한 토층이어서 설계 및 시방서대로 시공할

수 없거나, 시항타 결과 말뚝의 길이, 재질, 시공방법 등을 변경할 필요가 있는 경우에는 지반

조사 결과, 토질조건, 상부구조물 영향, 환경문제, 공사기간, 공사비 등을 검토하여 작성한

구조검토 결과와 도면, 사진 등 관계증빙서류가 포함된 설계변경 승인 요청서를 제출하여

승인을 받은 후 시공한다.

4. 지내력시험 : 하중시험  

① 재하판은 30∼45cm각의 강판으로 설치

매회의 재하는 1t이하로 하고, 예정하중(파괴하중)의 1/5이하로 하며, 각 재하에 의한 침하가

멎을때까지 침하량을 측정

③총침하량이 2cm일때의 하중응력을 단기허용지내력도라 하고, 이 지내력도의 1/1.5을 장기

허용지내력도라 한다.

④ 침하의 증가가 24시간에 0.1cm이하로 되었을 때 침하가 정지한 것으로 본다.

⑤ 매회의 재하는 침하가 멎을때까지 방치하였다가 하중을 가한다.

2-4 현장 콘트리트 파일

1. 개 요

현장타설 콘크리트 말뚝이란 현장에서 소정의 위치에 구멍을 뚫고 콘크리트 또는 철근콘크리트

를 충진해서 만드는 말뚝을 말하며, 건축물이 고층화ㆍ대형화되어감에 따라 기초공사시 환경공해

및 근접건물의 피해를 최소화하기 위해 소음ㆍ진동이 없는 현장타설 콘크리트 말뚝의 사용이

증가하고 있는 추세이다.

2. 공법선정시 고려사항

①소요강도 확보
②지반의 액상화 가능성 여부
③말뚝의 지지층까지의 관입여부
④소음ㆍ진동의 공해유발 요인

3. 현장타설 콘크리트 말뚝의 분류

1)관입공법 :
①Pedestal Pile
②Simplex Pile
③Raymond Pile
④Franky Pile
⑤Compressol Pile

2)굴착공법 :
①Earth drill 공법 (Calweld 공법)
②Benoto 공법 (All casing 공법)
③R.C.D(Reverse Circulation Drill) 공법

3)Prepacked Con'c Pile :
①C.I.P(Cast-in-Place Pile)
②M.I.P(Mixed-in-Place Pile)
③P.I.P(Packed-in-Place Pile)

 

4. 현장타설 콘크리트 말뚝

가. 관입공법

1)Pedestal Pile [외관+내관, 구근형성]

①Simplex Pile을 개량하여 지내력 증대를 위해 말뚝선단에 구근을 형성하는 공법으로서

②외관과 내관의 2중관을 소정의 위치까지 박은 다음, 내관을 빼내고 관속에 콘크리트를 부어

넣고 내관을 넣어 다지며, 외관을 서서히 빼올리면 말뚝선단이 구근을 형성

③구근은 파일선단의 지지력 증대를 위해 형성

2)Simplex Pile [외관(철제 쇠신) + 추]

①외관을 소정의 깊이까지 박고 콘크리트를 조금씩 넣고 추로 다지며 외관을 빼내는 공법

②외관끝에는 철제의 쇠신(Steel Shoe)을 대고 외관을 박는다.

3)Franky Pile [외관(주철제 원추형의 마개)+추, 합성말뚝]

①심대 끝에 주철제의 원추형 마개가 달린 외관을 추로 내리쳐서 소정의 깊이에 도달하면,

내부의 마개와 추를 빼내고 콘크리트를 넣어 추로 다져, 외관을 조금씩 들어 올리면서 말뚝을

형성하는 공법

②원추형 주철제 마개 대신에 나무말뚝을 사용하여 상수면 이하로 때려 박은 다음 Franky Pile의

형성과정을 밟으면 합성말뚝이 된다.

③소음과 진동이 적어 도심지 공사에 적합

4)Raymond Pile [얇은철판재의 외관 + 심대(core)]

①얇은 철판재의 외관에 심대(core)를 넣어 지지층까지 관입한 후, 심대를 빼내고 외관내에

콘크리트를 다져 넣어 말뚝을 만드는 공법

②연약지반에 사용

5)Compressol Pile [3개의 추]

①구멍속에 잡석과 콘크리트를 교대로 넣고 무거운 추로 다지는 공법
②1.0 - 2.5t 정도의 3개의 추(▼, □, ■)를 사용하여 천공, 타설 및 마무리
③지하수가 많이 나지 않는 굳은 지반에 짧은 말뚝으로 사용
④원시적인 방법으로 근래에는 사용하지 않음

나. 굴착공법

1)Earth drill 공법 (Calweld 공법)

①정 의

ⅰ)미국의 Calweld사가 개발한 공법으로 칼웰드공법이라고도 함.
ⅱ)회전식 drilling bucket으로 필요한 깊이까지 굴착하고, 그 굴착공에 철근을 삽입하고

콘크리트를 타설하여 지름 1-2m 정도의 대구경 제자리 말뚝을 만드는 공법

②특징

ⅰ)장점 : - 제자리 콘크리트 파일중 진동.소음이 가장 적다.
             - 기계가 비교적 소형이므로 굴착속도가 빠르다.
             - 좁은 장소 작업이 가능하고, 지하수가 없는 점성토에 적당
ⅱ)단점 : - 붕괴하기 쉬운 모래층, 자갈층에는 부적당
             - 중간 굳은층 굴착이 어렵다.
             - Slime 처리가 불확실하여 말뚝의 초기침하 우려

③시공순서 Flow Chart

굴착→  Casing 파이프 삽입 및 안정액 주입 →  Slime제거 →  철근망 넣기 →  Tremie관 삽입 →
콘크리트 타설 →  표준 케이싱 인발

④시공시 유의사항

ⅰ)지표면의 붕괴방지를 위해 4-8m까지 표층 Casing하고, 벤토나이트로 공벽을 보호
ⅱ)Slime처리를 철저히 하여 지지력 확보
ⅲ)콘크리트 타설시 강도유지와 재료분리 방지로 콘크리트 품질 확보
ⅳ)폐액처리를 철저히 하여 환경공해 방지

 2)Benoto 공법 (All casing 공법)  

 ①정 의

ⅰ)프랑스의 베노트사가 개발한 대구경 굴착기에 의한 현장타설 말뚝공법

ⅱ)케이싱튜브를 요동장치로 왕복요동 회전시키면서 유압잭으로 땅속에 관입시켜 그 내부를

헤머 그래브로 굴착하여 공내에 철근을 세운후, 콘크리트를 타설하면서 케이싱튜브를 요동시켜

뽑아내어 현장타설 콘크리트 말뚝을 구축

②특징
ⅰ)장점 : - All Casing 공법으로 붕괴성 있는 토질에도 시공 가능
             - 적용지층이 넓으며 장척말뚝(50-60m) 시공 가능
             - 굴착하면서 지지층 확인 용이
ⅱ)단점 : - 기계가 대형이고 중량으로 기계장비가 고가
             - 굴착속도가 느리다.
             - Casing Tube를 빼는데 극단적인 연약지대, 수상(水上)에서는 반력이 크므로 적합

하지 않음

③시공순서 Flow Chart
 Casing Tube 세우기 → Hammer grab로 굴착 → 동시에 Casing Tube 삽입 → 철근망 넣기 →
 Tremie관 삽입 → 콘크리트 타설   

④시공시 유의사항

ⅰ)말뚝선단 및 말뚝주변의 지반이완 방지
ⅱ)유동성이 큰 고강도 콘크리트 사용
ⅲ)피압수 차단등 지하수 처리 철저
ⅳ)콘크리트 타설시 철근망이 뜨는 일이 있으므로 주의

 3)R.C.D(Reverse Circulation Drill) 공법  

 ①정 의
ⅰ)독일의 짜르츠타사와 Wirth사가 개발
ⅱ)Reverse Circulation Drill로 대구경의 구멍을 파고, 철근망을 삽입하고 콘크리트를 타설하여

현장타설 콘크리트 파일을 구축
ⅲ)보통의 로터리식 보링공법과는 달리, 물의 흐름이 반대이고 드릴로드의 끝에서 물을 빨아올려

, 굴착토사를 물과 함께 지상으로 올려 말뚝구멍을 굴착하는 공법으로, 역순환공법 또는 역환류

공법이라고도 함.

②특징
ⅰ)장점 : - 시공속도가 빠르고 유지비가 비교적 경제적
             - 해상작업 가능
             - 타공법에서 문제가 많은 가는 모래층도 굴착 가능

ⅱ)단점 : - 정수압 관리가 어렵고 적절하지 못하면 공벽붕괴 원인
             - 다량의 물 필요
             - 호박돌층, 전석층 피압수시 굴착 곤란

③시공순서 Flow Chart
표준 Casing 세우기 →  굴착 →  철근망 넣기 →  Tremie관 세우기 →  콘크리트 타설 →  표층

케이싱 인발

④시공시 유의사항
ⅰ)지하수위보다 2m이상 물을 채워 공벽에 0.2kg/㎠이상의 정수압 유지
ⅱ)굴착속도가 너무 빠르면 공벽붕괴의 원인이 되므로 굴착속도를 지킨다.
ⅲ)Tremie 선단은 공저에서 10-20cm 띄워 둔다.

4)굴착공법의 특성 비교

굴착공법 종류	굴착기계	공벽보호 방법
Earth Drill 공법	drilling bucket	안정액(Bentonite)
Benoto 공법	hammer grab	Casing
R.C.D 공법	특수 bit + suction pump	정수압(0.2kg/㎠)

다. Prepacked Con'c Pile

1)C.I.P 말뚝(Cast-in-Place Pile)

①Earth Auger로 지중에 구멍을 뚫고 철근망을 삽입(생략가능)한 다음 모르타르 주입관을 설치

하고, 먼저 자갈을 채운후 주입관을 통하여 모르타르를 주입하여 제자리 말뚝을 형성하는 공법

②지름이 크고 길이가 비교적 짧은 말뚝에 이용

2)P.I.P 말뚝(Packed-in-Place Pile)

①연속된 날개가 달린 중공의 Screw Auger의 머리에 구동장치를 설치하여, 소정의 깊이까지 회전

시키면서 굴착한 다음, 흙과 Auger를 빼올린 분량만큼의 프리팩트 모르타르를 Auger 기계의 속구멍

을 통해 압출시키면서 제자리 말뚝을 형성하는 공법

②Auger를 빼내면 곧바로 철근망 또는 H형강 등을 모르타르속에 꽂아서 말뚝을 완성하기도 함

3)M.I.P 말뚝(Mixed-in-Place Pile)

①Auger의 회전축대는 중공판으로 되어 있고, 축선단부에서 시멘트 페이스트를 분출시키면서 토사를

굴착하여 토사와 시멘트 페이스트를 혼합 교반하여 만드는 일종의 Soil Con'c 말뚝이다.

②Auger를 뽑아낸 뒤에 필요에 따라 철근망을 삽입한다.

5. 시공시 주의사항

1)수직도

①굴착기계에 경사계를 장착하여 수직도 체크
②오차 10㎝이내 시공

2)선단지지 교란

①구멍내 수위가 지하수위보다 낮을 경우 공벽 붕괴
②구멍내 수위를 지하수위보다 높게 유지

3)Slime 처리

①굴착저면에 퇴적하여 말뚝 선단지지력이 저하
②수중펌프 사용하여 제거

4)기계인발시 지반 이완

①기계인발을 빨리 인발할 경우 지반붕괴현상 발생
②기계인발을 천천히 하여 진공에 의한 흡인력 발생 방지

5)피압수

①피압수에 의한 부풀음으로 공벽붕괴현상 발생
②피압수 발생지역에 배수공법으로 수압 저하

6)공벽유지

①안정액 관리 철처
②표층에서 6m 정도는 케이싱을 사용
③정수압 유지(0.2kg/㎠이상)

7)콘크리트 품질 확보

①타설시 재료분리 방지
②유동성이 큰 고강도 콘크리트 사용

8)안정액 관리

①지질에 맞는 안정액 선택
②안정액의 퇴적으로 인하여 굴착심도를 유지 못하기 때문에 신선한 안정액과 교체

9)공해관리

①소음.진동 없는 공법 채용
②벤토나이트 분리시설 및 건조 처리

10)규격관리

①말뚝단면 과소방지(말뚝단면〉설계단면)
②지지층에 1m이상 관입시켜 지지력 확보

6. 결 언

①도심지 건축물이 고층화.대형화 되어 감에 따라 기초말뚝지정을 시공함에 있어서, 인접건물의

피해와 환경공해 발생을 방지하기 위한 방법으로 현장타설 콘크리트 말뚝이 확대ㆍ시행

②Slime관리 및 처리를 철저히 하여야 하며, 환경공해관리와 굴착기계의 소형화로 시공성을 향상

시키고 무소음.무진동 공법의 기술개발과 연구에 박차를 가해야겠다.

2-5 터파기 및 흙막이

1. 터파기 공법 종류

1) 모양에 따른 분류

①구덩이파기 - 독립기초 형태
②줄기초파기 - 연속줄기초 형태
③온통파기 - MAT기초

2) 형식에 따른 분류

①Open Cut Method

②Island Cut Method
: 굴착공사장 주위에 H형강 Pile 또는 Sheet Pile을 설치한 후, 중앙부를 먼저 굴토하고 기초와

지하구조체를 시공한다. 이 구조체로부터 흙막이벽 역할을 하게 하고, 외주부를 굴착하여 구조체를

시공하는 방법이다. 굴착면적이 넓고 깊이가 비교적 얕은 경우에 효과적이다.

③Trench Cut Method
: 흙이 대단히 연약하여 전체를 일시에 굴착할 수 없고, 굴착깊이가 얕은 경우 중앙부분을 남겨두고

흙막이 벽측부터 흙파내기후 외주구조체를 먼저 시공하여 이 구조체가 토압을 받도록 하고,

나머지 중앙부분을 나중 흙파기를 하는 공법으로, 확실한 안정성은 있으나 가설공사가 많고

공기가 길어진다.

④Top Down Method
: 흙막이벽으로 설치한 Slurry Wall을 본 구조체의 벽체로 이용하고 기둥과 기초를 시공한 다음

점차 지하로 진행하면서 동시에 지상구조물도 축조해가는 공법

2. 지하수 대책

①집수정 설치 : 터파기 저면에 집수정을 설치하고 유입된 물을 펌프로 배수

②Deep Well : 터파기면 옆에 깊은 우물을 파고 수중펌프로 배수

③진공 Deep Well : Deep Well 공법으로는 배수가 잘되지 않을 때 진공상태로 배수

④웰포인트 공법 : 지중에 pipe(집수관)를 1-2m 간격으로 박고 well point를 사용하여, 지하수를

진공펌프로 흡입탈수하여 지하수위를 저하시키는 공법. 이와같이 지하수위를 낮추어서 탈수하는

방법으로 최고 10m까지 저하시킬 수 있으나, 일반적으로 6m 정도까지 이용.

3. 흙막이 공법의 분류

1) 지지방법

①자립공법 : 지지가 없이 흙막이 자체로 지지, 가설비용 절감 및 공기단축
②버팀대공법 : 버팀대를 이용 흙막이를 지지, 가설재 소요가 많음
③Earth Anchor 공법 : 지중에 Anchor를 설치, 지하매설물 사전 확인

2) 구조방법

①H-Pile + 토류판

②Sheet Pile(널말뚝) : 기성 Sheet Pile을 연속해서 박는다.

③Slurry Wall 공법
: 지수벽, 구조체 등으로 이용하기 위해 지하로 크고 깊은 트렌치를 굴착하여 철근망을 삽입후,

콘크리트를 타설한 panel을 연속으로 축조해 나아가는 벽식 공법

④Top-Down 공법
: 흙막이벽으로 설치한 Slurry Wall을 본 구조체의 벽체로 이용하고 기둥과 기초를 시공한 다음

점차 지하로 진행하면서 동시에 지상구조물도 축조해가는 공법

3) 형식

①관입공법
②굴착공법

4. 흙막이 공사의 필요성

①지반붕괴 방지
②지하공사의 안전성 확보
③인접대지 침하방지
④인접구조물 및 주민에 대한 안전대책

5. 흙막이 공법의 종류별 특성

①자립공법 : 지지가 없이 흙막이 자체로 지지, 가설비용 절감 및 공기단축
②버팀대(Strut)공법 : 버팀대를 이용 흙막이를 지지, 가설재 소요가 많음
③Earth Anchor 공법 : 지중에 Anchor를 설치, 지하매설물 사전 확인
④H-Pile 공법 : 공장생산된 H-Pile을 박고 토류판을 끼움
⑤Sheet Pile 공법 : 기성 Sheet Pile을 연속해서 박는다.