개념 한 쪽
깊은기초의 대표적 요소로서 말뚝과 앵커의 지지력 산정은 현장 관측치(관입량, 타격횟수 등)와 지반 특성(전단강도, 마찰계수 등)을 적절히 결합하여 수행한다. 동적 공식과 정역학적 공식의 구별, 단위 일치와 상수의 의미를 명확히 이해하는 것이 핵심이다.
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출제기준 단원 「케이슨기초」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 앵커 주면저항 계산 | 1 | 고정부 주변면적과 전단강도로 극한지지력 산정 |
| Sander 공식 적용 계산 | 1 | 해머 무게·낙하높이·침하량으로 허용지지력 계산 |
| 동적 vs 정역학적 구별 | 1 | 말뚝 지지력 공식의 분류(동적인지 정역학적인지) 판별 |
케이슨기초 및 말뚝기초의 지지력 산정은 크게 동적·경험적 접근과 정역학적·이론적 접근으로 구분된다. 동적·경험적 공식은 해머의 무게와 낙하높이, 관입량 등 타격 시 관측되는 변수들을 사용하여 지지력을 추정하는 방법으로 Engineering-News, Sander, ENR(Engineering-News의 변형) 등이 있다. 이러한 공식은 현장 관찰에 기반하므로 단위 통일과 경험상수 처리에 주의해야 한다.
정역학적 지지력 공식은 흙의 물성치(전단강도, 마찰각, SPT N값 등)를 이용해 이론적으로 선단지지력과 주면마찰력을 계산하는 방법이다. 대표적으로 Terzaghi, Meyerhof 등의 공식이 정역학적 접근에 속한다. 이들 공식은 지반의 물리적 성질을 직접 사용하므로, 동적 공식과는 목적과 적용조건이 다르다는 점을 구분해야 한다.
말뚝의 부주면(부마찰)력은 지반과 말뚝 간의 상대적 변위 또는 침하 속도 차이에 의해 발생한다. 지반이 말뚝보다 더 빨리 가라앉으면 부주면력이 작용하여 말뚝에 추가적인 하중을 부여하거나 끌어내리는 효과가 나타난다. 따라서 부주면력 발생 가능성은 매립지, 붕적토, 연약점토처럼 침하가 쉬운 지반에서 높고, 다짐된 사질지반에서는 낮다.
실무 문제 풀이에서는 불필요한 정보(문제에 섞인 디트랙터)를 걸러내고 핵심 변수만을 추출하는 능력이 중요하다. 동적공식 적용 시에는 상수의 단위(예: ENR의 안전계수 6, Engineering-News의 분모 상수 등)와 효율 계수의 적용 순서, 단위 변환(㎏⇄t, cm⇄m 등)을 꼼꼼히 확인해야 오답을 줄일 수 있다.
예 1 — Sander 공식 적용(간단 계산 예시) 드롭햄머 무게 320㎏, 낙하높이 2m, 침하량 2cm인 경우 Sander 공식 형태 Ra = (W × H) / (s × C)를 사용한다. 높이를 cm 단위로 통일하면 H=200cm이고, 경험상수 C=8을 적용하면 Ra = (320 × 200) / (2 × 8) = 64,000 / 16 = 4,000kg이 된다. 이 값은 허용지지력 표기로 4,000kg임을 확인한다.
예 2 — 앵커 주면마찰에 의한 극한지지력 고정부 길이 5m, 직경 20cm인 원통형 앵커의 주변면적은 πDL로 계산한다. D=0.2m, L=5m 이므로 주변면적은 약 3.14㎡이다. 배수되지 않은 상태의 점토 전단강도 Cu를 1.0kg/cm²로 가정하여 10t/㎡로 환산한 뒤 표면마찰계수 α=0.6을 곱하면 극한지지력 Qu는 약 3.14 × 10 × 0.6 ≈ 18.84ton으로 산정한다고 한다. 단위 환산과 면적 계산 절차를 확인하는 것이 핵심이다.
굳은 점토지반에 앵커를 그라우팅하여 고정시켰다. 고정부의 길이가 5m, 직경 20cm, 시추공의 직경은 10cm 이었다. 점토의 비배수전단강도 Cu = 1.0 kg/cm², ø = 0°이라고 할 때 앵커의 극한 지지력은? (단, 표면마찰계수는 0.6으로 가정한다.)
정답 ③ · 앵커의 극한 지지력은 주변 흙과의 부착력(전단마찰력)으로 구합니다. 표면마찰에 의한 지지력 계산 시 고정부의 주변 길이는 π × D(0.2m) × L(5m) = 3.14m²입니다.
극한 지지력은 고정부 주변 면적에 비배수전단강도와 표면마찰계수를 곱하여 계산한다.
무게 320㎏인 드롭햄머(drop hammer)로 2m의 높이에서 말뚝을 때려 박았더니 침하량이 2㎝ 이었다. Sander의 공식을 사용할 때 이 말뚝의 허용지지력은?
정답 ④ · 샌더(Sander)의 동역학 공식은 허용지지력(Ra)을 구하는 식으로, Ra = (W·H) / (s · C) 입니다. 여기서 W=320kg, H=200cm, s=2cm 이고, C는 말뚝 재질 및 해머 종류에 따른 경험상수입니다.
샌더 공식 Ra=(W·H)/(s·C)에 W=320, H=200, s=2, C=8 대입 시 4,000kg이므로 ④번이다.
말뚝 지지력에 관한 여러가지 공식 중 정역학적 지지력 공식이 아닌 것은?
정답 ④ · 문제는 여러 말뚝 지지력 산정식 중 정역학적 공식이 아닌 것을 찾는 것이다. Dörr, Terzaghi, Meyerhof 공식은 모두 정역학적·정적 지반특성을 이용한 지지력 산정식인 반면 Engineering-News 공식은 말뚝 타설 시의 동적 타격에 의한 침하량과 타격에너지 관계를 이용하는 동적 경험식으로 정역학적 공식이 아니다.
Engineering-News 공식은 말뚝 타설 시의 동적 하중-침하량 관계를 기반으로 한 동적 공식으로 정역학적 공식이 아니다.
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