KR101438004B1 - 하중 분산용 지반 지지 구조체 및 이의 시공 방법 - Google Patents

Abstract

하중 분산용 지반 지지 구조체 및 이의 시공 방법을 개시한다. 상기 하중 분산용 지반 지지 구조체는 지반과 접촉되어, 상기 구조물의 전체 하중 중 일정하중을 전달받아 상기 지반 내의 기설정된 깊이로 침하되는 얕은기초; 및 상기 지반 내에 삽입되며, 상기 얕은기초의 침하로 일단이 상기 얕은기초에 체결됨에 따라 상기 전체 하중 중 나머지 하중을 전달받는 말뚝기초;를 포함하고, 상기 얕은기초는 상기 구조물의 전체 하중 중 일정하중을 상기 지반 내의 제1 수평응력을 통해 지지하고, 상기 말뚝기초는 상기 구조물의 전체 하중 중 나머지 하중을 상기 지반 내의 제2 수평응력을 통해 지지하는 것을 특징으로 한다.

Description

하중 분산용 지반 지지 구조체 및 이의 시공 방법{A BEARING GROUND STRUCTURE PILE FOR EFFICIENT LOAD DISTRIBUTION AND CONSTRUCTION METHOD USING THE SAME}

본 발명은 말뚝에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하중 분산용 지반 지지 구조체 및 이의 시공 방법에 관한 것이다.

도 1a은 말뚝지지 전면기초의 개략적이 예시도이며, 도 1b는 기초분리 말뚝의 개략적인 예시도이다.

도 1a를 참조하면, 말뚝지지 전면기초(piled raft)는 말뚝 기초와 얕은 기초의 장점을 동시에 살릴 수 있게 제안된 복합기초로서 얕은 기초만으로 충분한 지지력이 확보되지만, 과도한 침하량이 발생할 가능성이 있어 침하량을 허용 범위 한도까지 제한하기 위해 말뚝기초를 함께 설치하는 것으로 얕은 기초와 말뚝 기초가 고정되어 있어 초기 응력 상태에서 상부하중에 의한 응력이 말뚝 기초에 집중되며, 말뚝두부에서의 휨모멘트가 크게 나타나 횡하중이 작용하는 경우 얕은 기초와 말뚝 기초의 연결부에 전단응력이 과다하게 집중될 가능성이 큰 단점이 있다.

도 1b를 참조하면, 기초분리말뚝(disconnected piled raft)은 얕은 기초와 말뚝 기초가 연결되어 있지 않은 형태로 설치하는 복합 기초 형태로서 말뚝지지 전면기초에서와 마찬가지로 말뚝 기초는 지지력보다 침하경감을 위한 지반개량 형태의 원지반 보강방법으로 사용되는데 얕은 기초가 받는 하중이 다짐층을 통해 말뚝으로 전달됨으로써 얕은 기초의 침하가 감소되는 효과를 기대할 수 있다.

침하 감소용 분리 말뚝이 설치된 경우 얕은 기초의 부등침하와 횡하중에 따른 연결부위의 휨모멘트가 감소하는 것을 확인하였고, 말뚝기초의 길이가 증가할수록 말뚝이 받는 하중 분담률이 증가하게 된다.

일반적으로 사질토층에 설치한 얕은 기초는 기초 폭의 10% 정도의 연직변위가 발생하게 되면 극한하중 상태에 이르러 기초지반의 파괴가 발생하고 (Vesic, 1975), 사질토 층에 근입된 말뚝 기초는 말뚝 두부 직경의 0.51% 정도 침하가 발생할 때, 주면 마찰력의 극한하중 상태까지 하중전달이 되고, 두부 직경의 35% 정도까지 침하가 진행되면 선단지지력의 크기가 극한하중 상태까지 하중 전달되는 것으로 알려져 있다 (ONeill과 Reese, 1999). 이렇듯 얕은 기초에 비해 말뚝 기초는 초기 하중 상태에서 동일 침하량을 발생시키는데 필요한 하중이 상대적으로 매우 크게 나타나지만, 최대 허용하중 상태에 이르는데 필요한 변위량은 훨씬 작은 것으로 나타났다.

본 발명에서는 상술한 말뚝지지 전면기초와 기초분리말뚝의 장점을 살려 사용 상태에서 최대의 지지력을 발휘할 수 있는 형태의 복합기초인 하중 분산용 지반 지지 구조체를 제안하고자 한다.

[선행기술 문헌]

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Vesic, A. S. (1975), Bearing capacity of shallow foundations, Foundation Engineering Handbook, H. Winterkorn, and H. Y. Fang, eds., Van Nortrand Reinhold Co., New York, N.Y.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 얕은 기초와 말뚝 기초의 침하량을 조절함으로써 각 기초별로 효율적으로 하중을 분담시켜 보다 큰 지지력을 확보할 수 있는 하중 분산용 지반 지지 구조체 및 이의 시공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체는 상기 지반과 접촉되어, 상기 구조물의 전체 하중 중 일정하중을 전달받아 상기 지반 내의 기설정된 깊이로 침하되는 얕은기초; 및 상기 지반 내에 삽입되며, 상기 얕은기초의 침하로 일단이 상기 얕은기초에 체결됨에 따라 상기 전체 하중 중 나머지 하중을 전달받는 말뚝기초;를 포함하고, 상기 얕은기초는 상기 구조물의 전체 하중 중 일정하중을 상기 지반 내의 제1 수평응력을 통해 지지하고, 상기 말뚝기초는 상기 구조물의 전체 하중 중 나머지 하중을 상기 지반 내의 제2 수평응력을 통해 지지하는 것을 특징으로 한다.

상기 얕은기초는 상기 지반과 접촉되는 면의 중앙부에 상기 말뚝기초의 일단과 체결되는 홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기 설정된 깊이는 상기 지반의 상태조건에 따른 계획침하량인 것을 특징으로 한다.

상기 홈의 깊이는 상기 지반의 종류에 따라 가변되는 것을 특징으로 한다.

상기 홈의 깊이는 상기 기 설정된 깊이와 동일한 깊이인 것을 특징으로 한다.

상기 홈의 깊이는 상기 얕은 기초의 하부면적과 반비례하는 것을 특징으로 한다.

상기 얕은 기초 및 상기 말뚝 기초는 폴리에틸렌수지, 폴리스틸렌수진, ABS수지, EPS, 금속류, 비금속류 및 목재류 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체의 시공 방법은 보강이 요구되는 지반 종류를 분석하는 제1 단계; 상기 분석된 지반 내에 기 설정된 깊이로 말뚝기초를 항타하여 삽입하는 제2 단계; 및 상기 말뚝기초가 삽입된 지반 상에 얕은기초를 설치하는 제3 단계;를 포함하고, 상기 제2 단계는 상기 지반 내의 단위당 밀도를 증가시킴에 따른 수평응력을 증가시키기 위한 단계인 것을 특징으로 한다.

상기 제1 단계는, 상기 말뚝기초가 상기 지반 내에 삽입시, 지반에 삽입되는 깊이에 따라 받는 수평응력을 분석하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체는 얕은기초와 말뚝기초의 침하량을 조절함으로써 각 기초별로 효율적으로 하중을 분담시켜 보다 큰 지지력을 확보할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 하중 분산용 지반 지지 구조체는 지지층까지의 깊이가 너무 깊고(지지층 깊이 > 50m) 상당한 부마찰력이 예상되는 현장에서 산단지지말뚝을 대체하여 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 종전에 말뚝기초와 얕은기초가 일체형으로 설계된 말뚝지지 확대기초에 비하여 얕은기초의 지지력을 적극 활용할 수 있어, 그 만큼 말뚝기초가 부담하여야 하는 지지력을 줄여 줄 수 있다는 이점을 가지고 있다.

도 1a은 말뚝지지 전면기초의 개략적이 예시도이다.
도 1b는 기초분리 말뚝의 개략적인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체의 시공 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 각 기초별 거동을 나타낸 그래프이다.
도 4는 지반 조건에 따른 기초의 거동을 나타낸 그래프이다.
도 5는 말뚝지지 확대기초의 거동을 나타낸 표이다.
도 6은 보통 상태에서 얕은 기초의 직경과 계획침하량에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동을 나타낸 그래프이다.
도 7은 조밀한 상태에서 얕은기초의 직경과 계획 침하량에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동을 나타낸 그래프이다.
도 8은 말뚝지지 확대기초와 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동을 비교한 그래프이다.
도 9는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 계획 침하량 부분은 확보된 지지력으로 보고 계획 침하량이 끝나는 지점의 변위가 0이 되도록 하여, 얕은기초와 말뚝기초가 일체형으로 거동을 시작하는 부분과 말뚝지지 확대기초의 거동을 비교한 그래프이다.
도 10은 하중 분산용 지반 지지 구조체가 받는 수평응력을 나타낸 도면이다.
도 11은 말뚝기초 두부에서 9cm, 18cm, 26cm 지점의 수평응력을 계산하여, 깊이에 따른 말뚝기초의 수평응력의 크기를 비교한 도면이다.
도 12는 얕은기초의 직경 및 지반 조건에 따라 작용하는 수평응력과 응력 범위를 계산한 그래프이다.
도 13은 얕은기초의 직경이 100mm인 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 얕은기초가 계획 침하량만큼 선행 침하 하면서 생기는 수평응력과, 선행 침하 이후 말뚝기초와 결합하여 거동하면서 생기는 수평응력을 지반조건에 따라 발생하는 분포를 나타낸 도면이다.
도 14는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 계획 침하량만큼의 거동을 제외하고 얕은기초와 말뚝기초가 일체로 거동을 시작하는 부분을 원점에서 나타내어 말뚝지지 확대기초의 거동과 본 발명의 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동을 비교한 도면이다.
도 15는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 말뚝기초를 항타하여 설치하고, 얕은기초가 계획침하량만큼 단독 침하하는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 하중 분산용 지반 지지 구조체의 계획 침하량이 5mm일 때의 거동과 하중 분산용 지반 지지 구조체의 계획 침하량을 30mm 이상으로 크게하여 도 13과 같이 얕은기초가 선행침하한 거동을 나타낸 도면이다.
도 17은 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 얕은기초와 말뚝기초의 일체로 거동하는 지지력에서 도 15와 같이 말뚝기초가 항타되어 있고 얕은기초만 거동하는 지지력의 차와 도 14에서 나타낸 말뚝지지 확대기초의 지지력에서 도 15와 같이 말뚝기초가 항타되어 있고 얕은 기초만 거동하는 지지력의 차, 그리고 말뚝기초 단독 거동을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 기재된 실시 예를 보다 상세하게 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체를 이용한 시공 방법을 나타낸 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체(100)는 얕은기초(110) 및 말뚝기초(120)를 포함한다.

상기 얕은기초(110)는 지반과 접촉되어, 상기 구조물의 전체 하중 중 일정하중을 전달받아 상기 지반 내의 기설정된 깊이로 침하된다.

상기 말뚝기초(120)는 상기 지반 내에 삽입되며, 상기 얕은기초(110)의 침하로 일단이 상기 얕은기초(110)에 체결됨에 따라 상기 전체 하중 중 나머지 하중을 전달받는다.

여기서, 상기 얕은기초(110)는 상기 지반 상에 설치되는 구조물의 전체 하중 중 일정하중을 상기 지반 내의 제1 수평응력을 통해 지지하고, 상기 말뚝기초는 상기 구조물의 전체 하중 중 나머지 하중을 상기 지반 내의 제2 수평응력을 통해 지지하는 기능을 수행한다.

상기 제1 수평응력은

이며, 상기 말뚝기초 주면에 작용하는 수평응력은

일 수 있다. 여기서,

는 말뚝기초가 받는 제2 수평응력이다.

따라서, 하중 분산용 지반 지지 구조체가 받는 총 수평응력은 얕은기초와 말뚝기초의 수평응력을 더한

이다.

상기 얕은기초(110) 상기 지반과 접촉되는 면의 중앙부에 상기 말뚝기초의 일단과 체결되는 홈이 형성되며, 상기 기 설정된 깊이는 상기 지반의 상태조건에 따른 계획침하량일 수 있다.

상기 홈의 깊이는 상기 지반의 종류에 따라 가변될 수 있으며, 상기 기 설정된 깊이와 동일한 깊이일 수 있다. 또한, 상기 얕은 기초의 하부면적과 반비례하도록 설계된다.

여기서 본 발명에서 제시하는 하중 분산용 지반 지지 구조체 지반의 상부에 가해지는 하중의 일정한 부분을 얕은 기초가 먼저 부담하고, 얕은 기초의 침하가 진행되면서 말뚝기초와 함께 연직방향으로 거동되면, 얕은 기초가 이미 분담한 하중을 제외한 나머지 전체 하중만을 말뚝기초로 전달하도록 설계된 형태이다.

즉, 상기 하중 분산용 지반 지지 구조체(100)는 얕은 기초의 계획침하량을 조절함으로써 효율적으로 상기 얕은기초(110)와 상기 말뚝기초(120)에 전체하중을 분산시켜 허용 침하량 범위 내에서, 보다 큰 허용 지지력을 확보하기 위한 것을 목적으로 한다.

이하에서는 본 발명에서 제시하는 하중 분산용 지반 지지 구조체와 종래에 사용되던 말뚝지지 확대기초를 비교 실험한 예를 설명하도록 한다.

- 본 발명의 비교 실험 예 -

상기 비교 실험에서는 지반의 상대밀도를 달리하면서 얕은기초, 말뚝기초, 말뚝지지 확대기초, 하중 분산용 지반 지지 구조체의 하중-침하량 관계를 비교한 실험을 나타낸다.

여기서, 말뚝지지 확대기초는 얕은기초와 말뚝기초를 결합한 기초로서 말뚝기초를 항타시킨 이후에 얕은기초를 말뚝기초와 결합하여 일체로 거동시키도록 설계된 기초이다.

실험 재원인 지반은 사질토로 사용한다. 표 1은 실험 장비의 재원을 나타낸 표이다.

[표 1]

이하에서 설명하는 본 실험 비교를 설명하기 앞서, 본 실험에서 사용되는 기초의 형식과 크기, 지반조건을 함축한 기초의 명칭을 제안하려고 한다.

명칭의 순서는 기초 명, 기초의 크기, 지반조건 순이다. 얕은기초는 Shallow foundation의 S를, 말뚝기초는 Pile foundation의 P를, 말뚝지지 확대기초는 Piled Raft의 PR을, 어우름 기초는 Hybrid Foundation의 HF를 기초 명으로 정하였다. 기초의 크기는 기초 명에 따른 크기를 나타냈으며, 말뚝지지 확대기초는 말뚝기초의 길이를 P 뒷자리에, 얕은기초의 크기를 R 뒷자리에 써서 알기 쉽게 하였고, 어우름 기초는 기초 명 뒤에 말뚝기초의 길이, 얕은기초의 직경 순으로 써서 표시하도록 하였다. 지반조건은 느슨한 상태를 나타내는 Loose에 L을, 보통 상태를 나타내는 Medium의 M을, 조밀한 상태를 나타내는 Dense의 D를 사용하여 각각의 상태를 나타내었다.

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 2-1]은 각 기초별 극한하중과 항복하중을 비교한 표이다.

여기서, 얕은기초의 직경은 100mm이다. 극한하중은 실험값을 쌍곡선으로 나타낸 값을 사용하였으며, 항복하중은 극한하중이 2/3에 해당되는 값이다. 도 3을 참조하면, 지반조건이 조밀해 질수록 기초형태에 상관없이 지지력이 향상되는 것을 볼수 있다.

참고로, 상기 쌍곡선은 Chin(1970)이 제안한 하중-침하량 관계식으로서 침하량을 독립변수로 하중을 종속변수로 두어 나타낸 관계식이다.

Chin(1970)이 제안한 하중-침하량 관계식은 침하량을 독립변수로 하중을 종속변수로 두어 쌍곡선 형태의 식으로,

[수학식 1]

여기서,

는 하중,

는 침하량을 나타낸다. 수학식 1은 하중을 극한하중으로 나누어 정규화 시키는데 극한하중은 침하량이 무한대로 발산할 ?의 하중이다. 이것은 회기계수(b)의 역수값과 동일하다(즉,

).

[표 2-2]는 지반조건에 따라 각 기초의 거동이 달라짐에 다라 기초마다 얼마다 지지력이 증가하였는지를 표 2-1에 나타난 극한하중으로 비교한 표이다.

도 4는 지반조건에 따른 각 기초의 거동을 나타낸 그래프이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 하중 분산용 지반 지지 구조체의 극한지지력이 말뚝지지 확대기초의 극한지지력에 비해 크게 나타남을 알 수 있다.

말뚝기초는 얕은기초에 비해 초기 하중상태에서 침하에 따른 저항이 매우 크게 나타나지만 최대허용하중 상태에 이르는데 필요한 변위량은 말뚝기초가 얕은기초에 비해 훨씬 작다는 것을 알 수 있다.

도 5는 말뚝지지 확대기초의 거동을 나타낸 표이다.

도 5를 참조하면, 본 실험에서, 말뚝지지 확대기초는 얕은기초와 말뚝기초를 결합한 기초로서 말뚝기초를 항타시킨 이후에 얕은기초를 말뚝기초와 결합하여 일체로 거동하는 것으로 가정한다. 사질토인 경우 말뚝기초가 먼저 항타되면서 지반에 다짐 효과가 발생되고 이로 인하여 얕은기초의 지지력이 커짐을 확인할 수 있다.

얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 값과 말뚝지지 확대기초의 거동을 비교한 결과, 지반조건에 상관없이 말뚝지지 확대기초의 지지력이 얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 값보다 더 크고 지반조건이 조밀해질수록 그 차이가 큰 것을 알 수 있었다.

[표 3]

[표 3]은 기초의 침하량이 10mm일 때 얕은기초, 말뚝기초, 얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 지지력, 말뚝지지 확대기초의 지지력을 비교한 표이다.

여기서, 얕은 기초는 Qs100, 말뚝기초는 Qp270, 얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 지지력은 Qs100+Qp270(A), 말뚝지지 확대기초의 지지력은 Qp270R100(B)로 나타냈으며, 얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 지지력과 말뚝지지 확대기초의 지지력의 증가량은 B-A/A ×100(%)로 구하였다.

도 5를 참조하면, 각 지지력을 비교해본 결과 얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 지지력과 말뚝지지 확대기초의 지지력을 비교해본 결과 말뚝지지 확대기초의 지지력이 지반조건에 따라 8~ 47 % 큰것으로 나타났다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체(100)는 상부 하중의 일정부분을 얕은기초(110)가 먼저 부담하고, 얕은 기초의 침하가 진행되면서 말뚝기초(120)와 함께 연직방향으로 거동하며 얕은 기초가 이미 분담한 하중을 제외한 나머지 상부하중만을 말뚝기초로 전달하도록 설계된 기초로서, 얕은기초(110)의 계획 침하량을 조절함으로써 효율적으로 얕은기초(110)와 말뚝기초(120)에 하중을 분담시켜 허용 침하량 범위 내에서 보다 큰 허용 지지력을 확보하는 목적을 갖는다.

도 6은 보통 상태에서 얕은 기초의 직경과 계획침하량에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동을 나타낸 그래프이며, 도 7은 조밀한 상태에서 얕은기초의 직경과 계획 침하량에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동을 나타낸 그래프이다.

도 6과 도 7은 지반조건에서 얕은기초의 직경을 50mm, 100mm일 때로 구분하여, 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 계획 침하량을 10mm, 20mm로 다르게 하여 비교한 도면으로, 비교 결과 계획 침하량을 2배로 증가시켰으나 극한지지력의 차이는 미미하였고, 계획 침하량은 허용 침하량 범위 내에서 발생시켜야 효과적이라는 것을 알 수 있다.

이후, 얕은 기초와 말뚝기초가 일체로 거동하는 말뚝지지 확대기초와 전체하중의 일정부분으로 인하여 얕은기초가 선행침하하고 난 후 말뚝기초와 체결되어,일체로 거동되는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 지지력 차이를 비교해보았다.

그 결과 하중 분산용 지반 지지 구조체의 지지력이 말뚝지지 확대기초의 지지력보다 큰 것을 알 수 있었다.

[표 4]

상기 표 4는 말뚝지지 확대기초와 하중 분산용 지반 지지 구조체의 극한지지력의 차이를 비교한 표이며, 여기서, Q_ult 는 극한하중을 나타낸다.

표 4를 참조하면, 지반조건에 따라 하중 분산용 지반 지지 구조체의 극한지지력이 말뚝지지 확대기초의 극한지지력에 비해 약 40~100% 큰 것으로 나타났다.

[표 5]

표 5는 지반조건에 따른 말뚝지지 확대기초와 하중 분산용 지반 지지 구조체의 극한 지지력을 비교한 표이다.

도 9는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 계획 침하량 부분은 확보된 지지력으로 보고 계획 침하량이 끝나는 지점의 변위가 0이 되도록 하여, 얕은기초와 말뚝기초가 일체형으로 거동을 시작하는 부분과 말뚝지지 확대기초의 거동을 비교한 그래프이다.

표 5 및 도 9를 참조하면, 지반조건에 상관없이 하중 분산용 지반 지지 구조체의 극한지지력이 말뚝지지 확대기초의 극한지지력에 비해 약 10kgf 더 큰 것으로 나타났다. 이는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 캡이 계획 침하량 발생시 말뚝 주변에 작용하는 수평응력의 증가에 따른 말뚝 주면 마찰지지력의 증가 효과가 초기 지반 상태에 상관없이 거의 같다는 사실을 알 수 있다.

또한 말뚝지지 확대기초에 대한 하중 분산용 지반 지지 구조체의 극한지지력 증가효과는 지반이 느슨할수록 더 커짐을 알 수 있다.

여기서, 하중 분산용 지반 지지 구조체가 말뚝지지 확대기초보다 지지력이 큰 이유는 말뚝기초 항타에 의한 지반 다짐효과와 얕은기초의 선행 침하에 의하여 말뚝기초 주면에 작용하는 수평응력의 증가 때문이다.

이를 증명하기 위해 얕은기초와 말뚝기초가 받는 수평응력을 계산해보았다.

도 10은 하중 분산용 지반 지지 구조체가 받는 수평응력을 나타낸 도면이다.

도 10을 참조하면, 얕은기초가

만큼의 수평응력을 받고, 말뚝기초 주면에 작용하는 수평응력은

이다.

따라서 하중 분산용 지반 지지 구조체가 받는 총 수평응력은 얕은기초와 말뚝기초의 수평응력을 더한

이다. 여기서,

는 말뚝기초가 받는 수평응력이다.

말뚝기초가 받는 수평응력을 알기 위해서는 정지토압계수 K₀가 필요하다. 본 실험에서 사용한 시료가 주문진 표준사이므로, 배수시 이용하는 β 방법을 이용하여 정지토압계수를 구하였고, β 방법은 아래에 기재된 수학식 2와 같이 정의된다.

[수학식 2]

β방법을 통하여 얻은 말뚝기초 주면에 작용하는 수평토압의 횡방향 토압계수는 표 6에 나타난 바와 같으며, 지반조건이 조밀해질수록 정지토압계수가 커지는 것을 알 수 있다.

표 6은 지반조건에 따른 말뚝기초 주면에 작용하는 수평토압의 횡방향 토압계수(K)를 나타낸 표이다.

[표 6]

표 7을 참고하면, 말뚝기초 주면이 받는 수평응력은

이고, 지반조건에 따른 정지토압계수를 알고 있으므로 표 7에 나타난 것과 같이

과

를 계산할 수 있다.

표 7은 말뚝기초에 가해지는 연직응력과 수평응력을 나타낸 표이다.

[표 7]

도 11은 말뚝기초 두부에서 9cm, 18cm, 26cm 지점의 수평응력을 계산하여, 깊이에 따른 말뚝기초의 수평응력의 크기를 비교한 도면이다.

이하, [표 8] 내지 [표 10]은 말뚝기초의 지점에 따른 수평응력을 나타낸 표로서, 보다 구체적으로, [표 8]은 말뚝기초의 지점에 따른 수평응력(느슨한 상태)를 나타낸 표이다. [표 9]은 말둑기초의 지점에 따른 수평응력(보통 상태)를 나타낸 표이다. [표 10]는 말뚝기초의 지점에 따른 수평응력(조밀한 상태)를 나타낸 표이다.

[표 8]

[표 9]

[표 10]

도 11, 표 8 내지 9를 참조하면, 말뚝기초 선단에 가까운 지점일수록 수평응력이 큰 삼각형 분포를 갖는 것으로 나타났다.

도 12는 얕은기초의 직경 및 지반 조건에 따라 작용하는 수평응력과 응력 범위를 계산한 그래프이다.

도 12를 참조하면, 얕은기초가 받는 수평응력은 지반조건이 조밀해질수록 크게 나타났으며, 얕은기초의 직경이 50mm일 때는 약 40mm, 100mm일 때는 약 80mm, 150mm일 때는 120mm 깊이까지 수평응력이 작용하는 것으로 나타났다.

[표 11]

표 11은 얕은기초의 직경 및 지반 조건에 따른 수평응력과 응력범위를 나타낸 그래프이다.

표 11을 참조하면, 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 말뚝기초가 항타된 후 얕은기초만 선행 침하할 때의 거동과 얕은기초와 말뚝기초가 결합되어 일체로 거동할 때의 수평응력을 계산해보았다.

얕은기초가 계획 침하량만큼 거동할 때 나타나는 수평응력은 얕은기초와 말뚝기초가 결합하여 일체로 거동하면서 생기는 수평응력에 추가로 발생하는 수평응력이다.

도 13은 얕은기초의 직경이 100mm인 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 얕은기초가 계획 침하량만큼 선행 침하 하면서 생기는 수평응력과, 선행 침하 이후 말뚝기초와 결합하여 거동하면서 생기는 수평응력을 지반조건에 따라 발생하는 분포를 나타낸 도면이다.

즉, 상술한 바와 같이, 말뚝지지 확대기초와 하중 분산용 지반 지지 구조체는 얕은기초와 말뚝기초가 결속되어 일체로 거동을 한다는 특징으로 가지고 있으나, 말뚝지지 확대기초는 초기 거동부터 얕은기초와 말뚝기초가 일체로 거동을 하고 본 발명인 하중 분산용 지반 지지 구조체는 말뚝기초가 항타되어 있는 상태에서 얕은기초가 계획 침하량만큼 선행 침하하고 말뚝기초와 결합되어 일체로 거동을 한다는 점에서 두 구조의 하중 분담률이 다름을 알 수 있다.

다시 말해, 얕은기초의 선행 침하 여부에 따라서 말뚝지지 확대기초와 하중 분산용 지반 지지 구조체의 극한지지력은 차이가 남을 알 수 있다.

따라서, 기초형태에서 얕은기초가 받는 하중과 말뚝기초가 받는 지지력의 차이가 있으며, 하중을 분담하는 비율이 다름을 알 수 있다.

이하에서는 얕은기초와 말뚝기초 각각이 받는 전체하중의 분담률을 알아보고자 한다.

도 14는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 계획 침하량만큼의 거동을 제외하고 얕은기초와 말뚝기초가 일체로 거동을 시작하는 부분을 원점에서 나타내어 말뚝지지 확대기초의 거동과 본 발명의 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동을 비교한 도면이다.

도 14를 참조하면, 지반조건에 관계없이 하중 분산용 지반 지지 구조체의 지지력이 말뚝지지 확대기초보다 크고, 지반조건이 조밀해질수록 지지력의 차이가 커짐을 알 수 있다.

도 15는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 말뚝기초를 항타하여 설치하고, 얕은기초가 계획침하량만큼 단독 침하하는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 16은 하중 분산용 지반 지지 구조체의 계획 침하량이 5mm일 때의 거동과 하중 분산용 지반 지지 구조체의 계획 침하량을 30mm 이상으로 크게하여 도 13과 같이 얕은기초가 선행침하한 거동을 나타낸 도면으로, 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 얕은기초와 말뚝기초가 일체로 거동을 시작하는 부분에서 말뚝기초 단독으로 거동한 데이터를 더하여 나타냈다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 얕은기초가 계획 침하량만큼 선행 침하하면서 지반이 다짐 효과로 인해 말뚝의 주면 마찰력이 커지고 말뚝의 효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

도 17은 하중 분산용 지반 지지 구조체의 거동에서 얕은기초와 말뚝기초의 일체로 거동하는 지지력에서 도 15와 같이 말뚝기초가 항타되어 있고 얕은기초만 거동하는 지지력의 차와 도 14에서 나타낸 말뚝지지 확대기초의 지지력에서 도 15와 같이 말뚝기초가 항타되어 있고 얕은 기초만 거동하는 지지력의 차, 그리고 말뚝기초 단독 거동을 나타낸 도면이다.

도 17을 참조하면, 말뚝지지 확대기초와 본 발명의 하중 분산용 지반 지지 구조체에서 얻은 지지력에서 도 15와 같이 말뚝기초가 항타되어 있고 얕은기초만 거동하여 얻은 지지력의 차와 말뚝기초가 단독으로 거동할 때의 지지력을 비교하여 말뚝기초의 하중 분담률을 계산하였다.

[표 12]

[표 13]

[표 14]

[표 15]

그 결과에 대한 비교 값은 아래에 기재된 표 12 내지 표 14에 나타내었으며, 하중 분산용 지반 지지 구조체가 말뚝지지 확대기초에 비해 말뚝기초가 받는 지지력이 큰 것을 나타났다. 표 15는 지반 조건에 따라 말뚝기초가 받는 하중 분담률을 나타낸 표이다.

하중 분담률을 비교해봤을 때 하중 분산용 지반 지지 구조체에서 말뚝기초가 받는 하중 분담률은 약 50%이고, 말뚝지지 확대기초에서 말뚝기초가 받는 하중 분담률은 약 20%로 나타났다. 얕은기초의 크기에 비해 말뚝기초의 크기가 작아서 말뚝지지 확대기초의 경우 하중 분담률이 작게 나온 것으로 알 수 있다.

말뚝지지 확대기초의 설계를 할 때 얕은 기초가 14~20%, 말뚝기초가 70~80%, 기초아래 지반이 5~15%의 하중을 분담하여야 한다는 연구 결과(Qian, S. et. al., 2011)와 비교해보면 보다 효율적으로 하중을 분담시켰다고 볼 수 있다.

따라서, 본 발명의 실험 결과를 종합해보면, 지반조건에 따라 얕은기초, 말뚝기초, 말뚝지지 확대기초, 하중 분산용 지반 지지 구조체의 재하실험을 한 결과 지반조건이 조밀해질수록 지지력이 큰 것으로 나타났다. 지반조건이 조밀해질수록 얕은기초는 약 25%, 말뚝기초는 약 20~70%, 말뚝지지 확대기초는 약 50%, 하중 분산용 지반 지지 구조체는 약 25%의 차이를 보였다.

말뚝지지 확대기초와 하중 분산용 지반 지지 구조체의 지지력 차이를 비교해본 결과 하중 분산용 지반 지지 구조체의 지지력이 말뚝지지 확대기초보다 컸으며, 그 이유는 말뚝기초 항타에 의한 지반 다짐효과와 얕은기초와 말뚝기초의 거동에 의해 수평응력이 증가하기 때문인 것으로 생각된다.

말뚝지지 확대기초는 말뚝기초 항복 후 얕은기초가 항복하게 되므로 다짐효과가 상대적으로 적으나, 하중 분산용 지반 지지 구조체는 파괴면이 형성되기 전 얕은기초에 의해 지반이 조밀하게 되면서 다짐효과가 커지고 말뚝기초의 주면마찰력이 커지면서 지지력이 더 커지게 된다. 초기 하중상태에서 초기 얕은기초에 의해 생기는 상부 지반의 다짐효과로 말뚝기초의 주면 마찰력이 추가된 하중에 대해서 크게 증대되는 효과를 볼 수 있고, 이는 말뚝기초가 항복하게 되는데 말뚝지지 확대기초보다 더 많은 하중을 필요하게 한다.

지반조건에 따라 하중 분산용 지반 지지 구조체와 말뚝지지 확대기초의 지지력을 비교해보았다. 비교 결과 하중 분산용 지반 지지 구조체가 말뚝지지 확대기초에 비해 느슨한 상태의 지반에서 약 105%, 보통 상태의 지반에서 67%, 조밀한 상태의 지반에서 약 44%만큼 극한지지력이 큰 것을 알 수 있었다.

하중 분담률을 비교해봤을 때 하중 분산용 지반 지지 구조체에서 말뚝기초가 받는 하중 분담률은 약 50%이고, 말뚝지지 확대기초에서 말뚝기초가 받는 하중 분담률은 약 20%로 나타났다. 얕은기초의 크기에 비해 말뚝기초의 크기가 작아서 말뚝지지 확대기초의 경우 하중 분담률이 작게 나온 것으로 판단된다. 일반적인 말뚝지지 확대기초의 설계 시 말뚝기초가 70~80%의 하중을 부담하도록 고려하는 것에 비하면 효율적으로 하중을 분담시키는 기초라고 할 수 있다.

얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 지지력과 말뚝지지 확대기초의 지지력을 비교해 보았다. 그 결과 지반조건에 상관없이 말뚝지지 확대기초의 지지력이 얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 지지력보다 크고 지반조건이 조밀해질수록 그 차이가 큰 것을 알 수 있었다. 기초의 침하량이 10mm일 때 얕은기초, 말뚝기초, 얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 지지력, 말뚝지지 확대기초의 지지력을 비교한 결과 말뚝지지 확대기초의 지지력이 얕은기초와 말뚝기초 각각의 지지력을 더한 지지력보다 지반조건에 따라 8%~47% 큰 것으로 나타났다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

[참고사항]

100: 하중 분산용 지반 지지 구조체 110: 얕은기초
120: 말뚝기초

Claims (10)

1. 지반 상에 설치되는 구조물의 하중을 분산시키기 위한 하중 분산용 지반 지지 구조체에 있어서,
   상기 지반과 접촉되어, 상기 구조물의 전체 하중 중 일정하중을 전달받아 상기 지반 내의 기설정된 깊이로 침하되는 얕은기초; 및
   상기 지반 내에 삽입되며, 상기 얕은기초의 침하로 일단이 상기 얕은기초에 체결됨에 따라 상기 전체 하중 중 나머지 하중을 전달받는 말뚝기초;를 포함하고,
   상기 얕은기초는,
   상기 구조물의 전체 하중 중 일정하중을 상기 지반 내의 제1 수평응력을 통해 지지하고, 상기 말뚝기초는 상기 구조물의 전체 하중 중 나머지 하중을 상기 지반 내의 제2 수평응력을 통해 지지하는 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반 지지 구조체.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 수평응력은

   

   이고, 상기 말뚝기초의 주면에 작용하는 수평응력은

   

   이며, 상기 제2 수평응력은

   

   이며, 상기 하중 분산용 지반 지지 구조체가 받는 총 수평응력은 얕은기초와 말뚝기초의 수평응력을 더한

   

   인 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반지지 구조체.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 얕은기초는,
   상기 지반과 접촉되는 면의 중앙부에 상기 말뚝기초의 일단과 체결되는 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 하중 분사용 지반 지지 구조체.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 기 설정된 깊이는,
   상기 지반의 상태조건에 따른 계획침하량인 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반 지지 구조체.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 홈의 깊이는,
   상기 지반의 종류에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반 지지 구조체.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 홈의 깊이는,
   상기 기 설정된 깊이와 동일한 깊이인 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반 지지 구조체.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 홈의 깊이는,
   상기 얕은 기초의 하부면적과 반비례하는 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반 지지 구조체.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 얕은 기초 및 상기 말뚝 기초는,
   폴리에틸렌수지, 폴리스틸렌수진, ABS수지, EPS, 금속류, 비금속류 및 목재류 중 적어도 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반 지지 구조체.
   
9. 청구항 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 따른 하중 분산용 지반 지지 구조체의 시공 방법에 있어서,
   보강이 요구되는 지반 종류를 분석하는 제1 단계;
   상기 분석된 지반 내에 기 설정된 깊이로 말뚝기초를 항타하여 삽입하는 제2 단계; 및
   상기 말뚝기초가 삽입된 지반 상에 얕은기초를 설치하는 제3 단계;를 포함하고,
   상기 제2 단계는,
   상기 지반 내의 단위당 밀도를 증가시킴에 따른 수평응력을 증가시키기 위한 단계인 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 시공 방법.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    상기 말뚝기초가 상기 지반 내에 삽입시, 지반에 삽입되는 깊이에 따라 받는 수평응력을 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하중 분산용 지반 지지 구조체의 시공 방법.

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