교량 하부구조 설계기준(케이블교량)

(1)이 기준은 케이블교량 하부구조물의 안전성, 사용성 및 내구성을 확보하기 위한 것이다.

(1)이 기준에서는 케이블교량의 하부구조에 관한 설계규정을 다룬다.

∙KDS 24 12 12 교량 설계하중조합(케이블교량)

∙KDS 24 12 22 교량 설계하중(케이블교량)

∙KDS 24 14 51 교량 하부구조 설계기준(한계상태설계법)

∙KS F 4306 프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝

∙강관널말뚝: 강관에 용접으로 이음금속을 붙여 서로 연결할 수 있도록 하여 측방토압을 지지하는 연성 흙막이 구조물로서 안벽, 가물막이, 널말뚝기초 등으로 많이 쓰임.

∙경사말뚝: 수평 하중에 대한 저항성을 크게 하기 위해서 경사지게 설치한 말뚝

∙교각: 교량의 상부 구조물과 기초 사이에 위치한 하부구조의 한 부분으로서 다양한 형태를 가짐.

∙기초 길이: 평면으로 본 기초 형상 중에서 긴 쪽의 길이

∙기초 폭: 평면으로 본 기초 형상 중에서 짧은 쪽의 길이

∙깊은기초: 선단지지, 주면마찰력(또는 마찰력) 또는 두 가지 성분 모두에 의해 일정심도의 흙이나 암반층으로 하중을 전달함으로써 구조물을 지지하는 기초

∙단일 현장타설말뚝: 캡 없이 기둥과 일체로 연결한 말뚝

∙동재하시험: 말뚝 머리 부분에 가속도계와 변형률계를 부착하고 타격력을 가하여 말뚝-지반의 상호작용을 통한 말뚝 내 하중 전달과정을 파악하고 말뚝의 지지력 및 건전도를 평가하는 시험법

∙마찰말뚝: 말뚝 주면에 발생하는 흙의 마찰저항력을 위주로 하중을 지지하는 말뚝

∙무리말뚝: 두 개 이상의 말뚝을 인접 시공하여 하나의 기초를 구성하는 말뚝의 설치형태

∙부주면마찰력: 말뚝 침하량보다 큰 지반침하가 발생하는 구간에서 말뚝 주면에 발생하는 하향의 마찰력

∙선단 저항력: 말뚝기초의 선단부 지반의 전단 저항력에 의해 발현되는 저항력

∙설계목적의 말뚝재하시험: 말뚝기초의 설계에 활용하여 최적화 설계를 수행하기 위한 시험으로서 설계단계 또는 시공초기에 수행하며, 극한하중까지 재하를 목표로 실시함.

∙암질지수(RQD, Rock Quality Designation): 암반시추로 회수한 암석코어 중에서 100mm 이상인 코어시편 길이의 합을 총시추 길이로 나누어 백분율로 나타낸 값

∙얕은기초: 얕은 심도의 흙이나 암반에 직접 하중을 전달하여 구조물을 지지하는 기초

∙유효응력: 수중에서 흙 입자간의 접촉으로 전달되는 응력으로서, 일반적으로 전응력에서 간극수압을 뺀 값

∙앵커리지: 인장을 받는 강재의 재단부분을 콘크리트 등에 묻어 넣어 인발 등이 생기지 않도록 정착시키는 구조물

∙외말뚝: 말뚝 주변에 영향을 미치는 다른 말뚝이 없는 상태인 한 개의 말뚝

∙전단 저항력: 전단 파괴면에서 전단변형에 반대 방향으로 발생하는 저항력

∙전응력: 지반내 작용하는 모든 응력의 총합

∙정재하시험: 정하중에 대한 말뚝의 저항능력을 하중-침하량의 관계로부터 구하는 시험

∙지반조사: 하부구조 설계에 필요한 지반정보를 획득하기 위한 지표조사, 시추, 사운딩, 시료채취, 원위치시험, 실내시험, 물리탐사 등을 총칭하여 일컫는 말

∙타입말뚝: 기성말뚝을 거의 전 길이에 걸쳐 지반 내에 타입시키는 말뚝

∙통상적인 말뚝재하시험: 설계하중의 지지 가능 여부를 확인하기 위한 시험으로서 시공 도중에 수행하며, 설계하중의 2배 이상 재하를 실시함.

∙하부구조: 기초와 함께 지표면 아래에 있는 지하구조물을 포함하는 하부 구조물

∙하부기초: 상부 구조물의 하중을 지반에 전달하여 구조물의 안정성과 기능성을 유지하는 기능을 갖는 하부 구조물

∙현장타설말뚝: 지중에 전부 혹은 일부 관입된 깊은 기초로서 굴착공에 철근 또는 무근 콘크리트를 타설하여 시공하며, 말뚝 주변과 선단하부 지반에 하중을 전달함.

∙확대기초: 얕은기초의 대표적인 종류로서, 상부구조로부터 하중을 전달하는 기둥이나 벽의 하부에 지반과 직접 접하는 부분을 확대시켜 설치한 기초

∙PHC 말뚝: 원심력을 이용하여 만든 프리텐션 방식의 고강도 콘크리트말뚝

∙ = 각변위량 (4.5.4.1)

∙ = 말뚝 선단의 면적 또는 현장타설말뚝의 바닥면 면적(m2)

∙ = 얕은기초 폭(m) (4.4.1, 4.7.2.2)

∙ = 강관널말뚝기초의 폭 (4.8.3)

∙ = 2차압축지수 (4.2.6.3)

∙ = 압축지수 (4.2.6.3)

∙ = 재압축지수 (4.2.6.3)

∙ = 균등계수 (4.2.5)

∙ = 압밀계수(mm2/yr) (4.2.6.3)

∙ = 흙의 점착력(MPa) (4.2.4.3, 4.2.5, 4.2.6.2, 4.7.2.3)

∙ = 말뚝 폭 또는 직경(m); 현장타설말뚝의 직경(m) (4.5.3.2, 4.6.4.1, 4.9.5)

∙ = 기초의 최대폭 (4.8.4)

∙ = 강관널말뚝의 바깥지름 (4.8.3)

∙ = 초기 유효 연직응력에서의 간극비

∙ = 무결암 시료의 변형계수(MPa) (4.2.6.5)

∙ = 추정 암반 탄성계수(MPa) (4.2.6.5)

∙ = 말뚝 탄성계수(MPa)

∙ = 지반 탄성계수(MPa) (4.2.4.3, 4.2.6.3, 4.6.3)

∙ = 콘크리트 28일 압축 강도 (4.6.2)

∙ = 단위면적당 주면마찰력 (4.6.2)

∙ = 주면 마찰력을 고려하는 각 층의 최대단위주면마찰력 (4.8.2.1)

∙ = 암석과 콘크리트의 일축압축강도 중 작은 값 (4.6.2)

∙ = 지반 전단탄성계수 (4.2.6.3)

∙ = 기초의 활동저항력(kN) (4.7.2.3)

∙ = 터널앵커부의 활동저항력(kN) (4.7.3.1)

∙ = 중앙지간의 길이(m) (4.7.2.4)

∙ = 기초의 강성과 폭을 고려한 영향 계수; 말뚝의 관성모멘트(mm4)

∙ = 사면의 영향을 고려한 횡방향 지반반력계수(kN/m3) (4.6.3)

∙ = 수평지반의 횡방향 지반반력계수(kN/m3) (4.6.3, 4.8.3)

∙ = 횡방향 전단지반반력계수 (4.8.3)

∙ = 축방향 지반반력계수 (4.8.3)

∙ = 말뚝길이(m) (4.5.3)

∙ = 주면 마찰력 측정 시 고려되는 점까지의 깊이(m)

∙ = 주면 마찰력을 고려하는 각 층의 두께 (4.8.2.1)

∙ = 표준관입시험 타격횟수(타/300mm) (4.2.4.3, 4.3.4, 4.6.3)

∙ = 해머효율 60%로 보정한 값 (4.6.3)

∙ = 우물통 외벽의 강관널말뚝 개수 (4.8.2.1)

∙ = 대기압 (4.6.2)

∙ = 축방향 압축저항력 (4.8.2.1)

∙ = 무리말뚝의 극한저항력 (4.5.2)

∙ = 극한 축방향 압축저항력 (4.8.2.1)

∙ = 단위면적당 선단지지력 (4.6.2, 4.8.2.1)

∙ = 암석의 일축압축강도 (4.2.6.4, 4.6.2)

∙ = 응답수정계수 (4.6.1)

∙ = 말뚝사이의 중심간격 (4.9.5)

∙ = 압밀침하량(mm) (4.4.4, 4.6.4.3)

∙ = 탄성침하량(mm) (4.4.4)

∙ = 비배수 전단강도(MPa) (4.2.6.2)

∙ = 우물통 바깥 둘레길이 (4.8.2.1)

∙ = 기초저면에 작용하는 축력(kN) (4.7.2.3)

∙ = 구체 중량(kN) (4.7.2.3)

∙ = 연동암괴 중량(kN) (4.7.2.3)

∙ = 설계지반면에서 기초의 횡방향 변위량 (4.8.3)

∙ = 기준 변위량 (4.8.3)

∙ = 지표로부터 깊이(mm) (4.5.3.2)

∙ = 말뚝의 횡저항 특성치 (4.11.3)

∙ = 상부구조의 설계에서 고려하여야 할 하부구조의 변위 (4.7.2.4)

∙ = 스프레이새들 설치 후 또는 주탑 완성 후에 생긴 크리프변위 (4.7.2.4)

∙ = 지진하중에 의한 변위 (4.7.2.4)

∙ = 앵커리지 스프레이포인트의 기준수평변위(mm) (4.7.2.4)

∙ = 스프레이새들 설치 후 상시하중에 의한 탄성변위 (4.7.2.4)

∙ = 무리말뚝 효율 (4.5.2)

∙ = 마찰계수 (4.6.2, 4.7.2.3)

∙ = 지반 포아송비 (4.2.6.3)

∙ = 선행압밀응력 (4.2.6.3)

∙ = 흙의 내부마찰각 (4.2.4.3, 4.2.5, 4.2.6.2, 4.7.2.3)

∙ = 저항계수 (4.3.4)

∙ = 저항수정계수 (4.3.4)

∙ = 터널 경사각(deg) (4.7.3.1)

(1) 내용 없음

(1) 내용 없음

(1)하부구조의 설계는 KDS 24 00 00의 한계상태설계법을 따르는 것으로 한다. 기초의 설계방법은 얕은기초, 타입말뚝 및 현장타설말뚝의 경우 LRFD(load and resistance factor design) 설계를 한다. 지역 특성에 적합하고 일관된 신뢰성 이론을 통해 계수의 통계적 특성이 고려된 경우 발주처와 협의하여 다른 방법을 적용할 수 있다. 이 규정에서 다루고 있는 내용들은 AASHTO LRFD specifications(2004, 3판)을 기본으로 하고 있으며, 저항계수를 포함한 일부 내용들은 동 기준 4판(2007)을 준용하였다. 지반공학 분야에서 LRFD 설계의 적용은 국외에서도 아직 관련 연구가 진행 중임을 감안하여 주의하여 활용하도록 한다.

(1)하부구조는 교량의 기초, 케이블의 앵커리지, 교대와 기타 교량에 관련된 지반구조물 모두를 포함한다.

(2)하부구조는 모든 활하중, 고정하중, 토압 및 수압을 지지할 수 있도록 설계되어야 한다.

(3)하부구조는 지지, 전도, 활동, 사면 활동, 침하 등에 대하여 안정하여야 하며, 변위량은 한계변위량을 초과하지 않아야 한다.

(4)하부구조는 얕은기초, 타입말뚝, 현장타설말뚝, 강관널말뚝기초, 대수심 복합기초 등으로 구분하며, 형식에 따라 적합한 설계 및 안정성 검토를 수행한다.

(5)하부구조의 안정성 검토는 사용한계상태, 극한한계상태, 극단상황한계상태로 구분하여 수행한다.

(6)하부구조의 횡방향 및 축방향 한계변위량은 구조물의 기능과 형태, 예상 사용수명, 과대 변위 발생 시 구조물에 미치는 영향 등을 고려하여 결정되어야 한다.

(1)하부구조는 지지하중과 하중 전달방식에 따라 얕은기초, 깊은기초 등으로 구분한다.

(2)얕은기초는 상부구조물의 하중을 기초저면을 통하여 지반에 직접 전달하는 기초형식으로 확대기초, 연속기초, 복합확대기초, 전면기초 등이 있다.

(3)깊은기초는 상부구조물의 하중을 기초의 선단과 주면을 통하여 지반 속에 전달하며 선단저항력과 주면마찰력으로 상부구조물의 하중을 지지한다. 일반적으로 타입말뚝, 현장타설말뚝, 강관널말뚝기초, 대수심 복합기초 등이 있다.

(1)얕은기초는 양질의 지지층에 설치되어야 한다. 즉, 충분한 강도와 과도한 침하의 우려가 없는 양질의 층을 필요로 한다.

(2)말뚝기초의 근입깊이는 상부구조의 형식과 기능, 하중의 크기와 방향, 말뚝의 하중지지기구(주면마찰지지, 선단지지 또는 혼합지지) 그리고 시공성 등을 고려하여 적절하게 결정되어야 한다.

(3)지지층은 기초로부터 전달된 하중을 지지할 수 있는 지반이며, 절대적인 기준에 의하여 결정되는 것이 아니라 상부에서 작용하는 하중과 지반의 저항력을 비교하여 상대적으로 결정되어야 한다.

(1)평상시 설계상의 지반면은 다음사항을 고려하여 결정하여야 한다.

① 세굴

② 자중 압밀침하

③ 동결융해의 영향

④ 시공에 의한 지반의 흐트러짐

(2) 내진설계의 지반면은 교량이 건설되기 전에 부지 정지작업이 완료된 지면으로부터 지진의 영향(액상화 등)으로 장래 지반이 변하는 상태을 고려하여 정한 설계상의 기준면을 의미하며, KDS 24 17 12를 따르는 것으로 한다.

지반조사로부터 확보할 지반정보의 종류와 양을 결정하기 위하여 과업의 요건을 분석하여야 하며, 여기에는 다음과 같은 내용들이 포함될 수 있다.

(1)설계 및 시공 조건을 파악한다(예 : 교량 상부구조물 하중, 인접 육상부 굴착과 그 영향 등의 정보 등).

(2)기초를 포함한 구조물의 성능 기준(performance criteria)을 정의한다(예 : 침하량 한계, 주위 구조물과의 근접성 등).

(3)대상부지에서 지질학적으로 문제가 있거나 지질 변동성이 큰 구역을 확인한다.

(4)대상부지에서 수리학적으로 문제가 되는 구역을 확인한다(예 : 침식이나 세굴이 일어날 가능성이 있는 곳 등). 해상교량은 물에 의한 영향이 매우 중요하므로 그 분야 전문가와 충분한 협의가 필요하다.

(5)하부구조 설계 및 시공에 필요한 지반 특성과 지반정수를 파악한다.

(6)예측되는 시공과정을 조사 및 분석하고, 그 결과가 지반정보에 미치는 영향을 파악한다.

(7)지반의 종류와 하부구조의 시공방법을 고려해서 지반 특성과 지반정수를 구하는 방법을 결정하고, 그 타당성을 검토한다.

(8)필요한 시험 및 시료의 개수와 조사 위치를 결정한다.

(9)조사계획 수립과 지반정수 결정 과정에는 자격을 갖춘 과업 책임 기술자가 수립 및 결정하여야 한다.

(1)지반조사는 하부구조의 설계와 시공에 필요한 각 지층의 정보를 얻기 위해서 수행한다.

(2)조사의 범위는 지반조건, 하부구조의 종류 및 형식, 그리고 시공 요구 조건 등에 따라 결정되며, 일반적으로 지층의 종류와 성질, 암반의 상태, 흙과 암반의 공학적 특성, 액상화 가능성, 지하수 상태 등을 조사한다.

(3)해상 지반조사에는 수심 및 해저 지형, 세굴 및 지질재해 가능성, 해저 방해물 또는 기타 구조물의 존재 여부 등이 포함되며, 계절별 해양 기상정보(예 : 해류, 큰 풍랑 및 파랑 주기, 파고정보, 온도 및 기후 등)도 추가로 고려할 수 있다.

(4)지반조사는 해당 지역 지반의 특성을 사전 조사하여 하부구조의 설계 및 시공에 문제가 될 수 있는 지반을 판별할 수 있도록 계획되어야 한다(예 : 지층 사이의 연약 박층, 지하 공동, 팽창성/붕괴성 흙 등).

(5)지반조사 보고서에는 조사 위치와 함께, 구성 지층의 두께 및 분류, 관입시험 결과, 시료 채취 여부, 지하수 정보 등을 대상 깊이와 함께 기술하여야 한다.

지반조사는 일반적으로 예비조사와 본조사로 나누어서 시행하며, 설계, 시공 및 유지관리단계에서 필요할 경우, 추가 조사를 수행한다.

(1) 예비조사

①예비조사 단계에서는 부지를 선정하고, 하부구조 종류 및 적용공법 등의 개괄적 사항을 결정하기 위하여 자료조사, 현지답사, 시추조사 및 물리탐사 등을 실시한다. 본조사와 마찬가지로 예비조사에는 시추조사 및 물리탐사 등의 현장조사를 포함하나, 이는 예비조사 목적에 적합한 수준으로 제한하여 실시한다.

②예비조사는 다음 사항에 필요한 정보를 얻을 수 있도록 계획하여야 한다.

가. 부지의 전반적인 안정성 평가

나. 대체 부지에 비교한 대상 부지의 적합성 평가

다. 구조물의 적절한 위치 선정

라. 주변지역, 혹은 인접 구조물에 대상 구조물의 건설이 미칠 영향 평가

마. 지반에 적합한 하부구조물 종류와 적용공법 및 지반개량 방법 결정

바. 구조물 거동에 미칠 수 있는 지반의 영향 평가

사. 지질재해 가능성 평가

③예비조사 결과에는 다음을 포함하도록 한다.

가. 흙과 암반 종류 및 층상 구조

나. 지하수위 또는 간극수압 분포

다. 대표적인 흙 및 암반의 강도 및 변형 특성

라. 오염된 지반이나 지하수의 발생이 건설재료의 내구성에 미칠 악영향

마. 해상일 경우 수심 및 해저지형

(2) 본조사

①본조사 단계에서는 설계 및 시공에 필요한 지반특성을 파악하고, 지반정수를 결정하기 위하여 현장조사 및 실내시험 등을 실시한다. 본조사 단계에서는 설계에 필요한 모든 자료를 제공할 수 있도록 계획되어야 한다. 본조사를 통해서 시공방법을 결정하게 되며, 시공 도중 발생할 수 있는 문제점들을 사전에 예측할 수 있어야 한다.

②현장조사

가. 일반사항 본조사 단계의 현장조사는 다음을 포함한다.

(가) 시료채취를 위한 시추 혹은 시굴

(나) 지하수위 측정

(다) 현장시험 현장조사에서 수행되어야 할 시험을 나열하면 아래와 같다. 현장시추공시험(콘관입시험, 표준관입시험, 공내재하시험, 딜라토미터시험, 현장베인시험, 현장투수시험 등), 평판재하시험, 말뚝재하시험, 앵커인발시험 등을 수행하여 직접적으로 기초의 저항력이나 거동을 평가할 수 있다.

(라) 물리탐사

나. 현장조사계획 현장조사에 필요한 다음 사항에 대한 계획을 수립한다.

(가) 조사 위치와 조사 방법

(나) 조사 깊이

(다) 시료 채취(시료 수와 채취 위치 및 깊이, 채취 방법, 시료 상태)

(라) 지하수위 측정 방법

(마) 사용 장비의 종류

(바) 시험방법의 기준(표준시험방법)

③ 실내시험

가. 일반사항 실내시험을 계획하기에 앞서, 대상부지의 층상 구조를 미리 파악하고 있어야 한다. 설계에 관련된 모든 층에 대하여 시험 종류 및 시험 수량 등을 지반조사 보고서에 명시하여야 한다. 층을 구분할 때는 발생가능한 지반공학적 문제, 구성지반의 불균질성 및 복잡성, 현장 지질상태 및 필요한 설계정수 등을 고려하여야 한다.

나. 육안검사와 초기 층상 정보

(가)시료와 시험갱을 육안으로 관찰하고 시추공의 현장 기록자료와 비교하여, 초기 층상 정보를 파악한다. 토질 시료에 대한 육안 검사는 실내시험 전에 시료의 컨시스턴시와 역학적 성질을 구분하는 가장 기초단계라고 할 수 있다.

(나)만약 같은 층에서 채취한 시료일지라도 뚜렷한 차이가 발견될 경우에는 초기 층상 정보를 세분화할 필요가 있다. 반드시 실내시험 전에 시료의 질을 평가하여 신뢰성을 확보하도록 한다.

다. 실내시험계획

(가)실내시험은 구조물 종류 및 규모와 기능, 지반 특성 및 층상구조, 그리고 필요한 설계 정수를 고려하여 계획하며, 비슷한 사례가 존재하는 경우 참고할 수 있다. 인접한 지반의 시험 결과가 있을 경우, 이를 활용할 수 있다.

(나)각 층의 대표성 시료에 대하여 실내시험을 수행한다. 반드시 시험에서 사용할 시료가 시료 전체를 대표하는지 확인하도록 한다.

(다)지반공학적 관점에서 프로젝트 규모, 흙 종류, 변동성 등을 고려하여, 정밀 시험 및 추가 지반조사 필요 여부를 결정하도록 한다.

(3) 추가조사 추가조사는 예비조사 및 본조사 이후에 추가 자료가 필요할 때 실시하며, 시추 및 현장시험, 물리탐사, 실내시험 등을 포함한다. 설계가 변경되거나, 시공 중 예기치 못한 지반조건이 감지될 경우 실시한다. 또한, 장경간 케이블교량과 같은 대규모 구조물의 경우, 시공 및 유지관리 단계에서 실시하는 모니터링 결과에 대한 검증과 분석을 위하여 추가 지반조사가 필요할 수 있다.

(1)원위치에 있는 흙과 암반의 특성을 보다 정확히 판단하기 위하여 현장조사를 실시한다. 현장조사는 시추, 샘플링, 현장시험 및 물리탐사를 포함한다.

(1)시추는 지층구성을 파악하고 지하수위에 대한 정보를 얻기 위하여 수행한다. 또한, 시추공을 통해 표준관입시험과 같은 현장시추공 시험을 수행하기도 한다.

(2)시추조사는 지층의 공간분포를 정확히 알기 위해서 충분히 많은 횟수로 가능한 깊은 심도까지 실시한다.

(3)교대나 교각의 폭이 30m 미만일 경우 교각 또는 교대 당 최소 하나의 지점, 폭이 30m 이상일 때 최소 두 지점에서 조사하여야 한다. 지반이 매우 불균질할 경우, 추가 시추를 실시하여야 한다. 구조물의 폭이 매우 클 경우 조사 지점을 늘리는 것을 고려할 필요가 있다.

(4)얕은기초의 시추는 기초 하중에 의해 증가하는 지중응력이 원지반의 유효 상재하중의 10%보다 작은 값을 가지는 심도까지 실시되어야 하며, 기반암이 이보다 얕은 깊이에 존재할 경우 기반암 내 3m 깊이까지 실시한다. 깊은 기초의 최소 시추 심도는 깊은 기초 선단 아래 6m와 깊은 기초 최대 직경의 두 배 중 큰 값으로 결정한다. 암반지지말뚝의 경우 암반 지지층의 연속성을 암석 코어 채취를 통해 확인하여야 한다. 모든 하부구조의 시추 심도는 압밀진행 중인 흙, 이탄, 유기성 흙과 같은 연약한 층을 지나 단단한 층까지 확장되어야 한다. 시추 조사에서 얻은 흙 및 암반 시료는 실내시험 등에 사용한 후에도 참고 자료로 보관한다. 시추공이나 관입시험공은 사용자나 법이 요구하는 경우 지하수 오염을 막기 위해 시험 후 메워야 한다.

(1)샘플링이란 지반조사에서 흙 및 암석에 대한 실내시험을 위하여 시료를 채취하는 것으로 교란된 시료는 주로 분류시험이나 기본 물성을 파악하고자 하는 시험에 사용하며, 불교란시료는 원지반의 구조적으로 중요한 특성인 흙의 강도, 변형, 투수성 등을 평가하는 경우에 사용한다. 불교란시료를 채취하기 위해서는 고정피스톤식 샘플러(stationary piston sampler)가 널리 사용되며, 시료 채취 시 본래의 강도를 유지하도록 주의하여야 한다. 일반적으로 널리 사용되는 샘플러는 고정피스톤식 샘플러(stationary piston sampler), 오픈 드라이브식 샘플러(open drive sampler), 데니슨형 샘플러(denison sampler), 포일 샘플러(foil sampler), 스플리트 스푼 샘플러(split spoon sampler) 등이 있으며, 각각 적합한 토질과 특징이 있으므로 조사목적 및 지반에 따라 적절한 샘플러를 선정하여야 한다.

(1)현장시험은 설계 또는 시공을 목적으로 기초 지반 흙과 암반의 기본물성값, 투수계수, 강도정수 및 변형계수 등 지반공학적 특성을 결정하기 위해 수행한다. 한국산업표준(KS) 또는 ASTM 규정에 따라 수행한다.

(2)현장암반시험은 주로 댐이나 교량과 같이 주요구조물에 대하여 수행된다. 파쇄된 암이나 연약한 암이 가까운 곳에 위치하여 구조물의 침하를 일으킬 우려가 있는 경우나 연속적으로 낮은강도의 불연속면이 존재하여 구조물 변위가 발생할 수 있는 경우에는 반드시 수행하여야 한다. 또한, 불교란시료를 얻을 수 없거나 충분히 큰 사이즈의 실내시험 시료를 얻을 수 없을 때에도 현장시험을 수행한다.

(1)물리탐사는 지반의 층 구분, 기반암이 시작하는 위치 및 기반암의 상태, 지하수위, 층별 경계, 공동의 존재, 이상 퇴적층, 매설관, 설치된 하부구조의 깊이 등을 규명하기 위하여 수행한다. 해상 물리탐사는 이 밖에도 수심, 해저지층 구분, 해저 지형 등을 파악하기 위하여 수행한다. 물리탐사 결과는 표준관입시험(SPT), 콘관입시험(CPT)과 같은 직접적인 조사 방법으로부터 얻어진 정보와 통합하여 사용하여야 한다. 시험은 한국산업표준(KS)에 따라 실시한다. 적용 가능한 KS규정이 없을 때에는 ASTM 규정에 따라 실시한다. 적용 가능한 ASTM 규정이 없을 때에는, Sabatini 등(2002), AASHTO 지반조사매뉴얼(1988), Arman 등(1997), Campanella(1994)와 같은 상세한 가이드라인(지침)을 사용하도록 한다.

(1)실내시험은 채취한 흙과 암석 시료를 이용하여 설계 또는 시공에 필요한 기초 지반의 공학적인 특성을 결정하기 위해 수행한다. 해상에서 지반조사가 이루어지는 경우, 시험결과를 신속히 파악하여, 추가 현장시험 필요 여부 등을 결정하기 위해 해상선박 또는 작업장에서 바로 실내시험을 실시할 수도 있다.

(2)장경간 케이블교량의 하부구조를 설계할 때에는 적절한 실내시험을 통하여 반복하중(지진, 파도, 해류 및 바람 등)에 대한 올바른 평가를 하여야 한다. 실내시험은 관련된 한국산업표준(KS), ASTM, 또는 사용자가 제공하는 규정에 따라 수행한다.

(1)지반(흙 또는 암반) 특성은 다음의 방법 중 하나 혹은 그 이상을 사용하여 결정할 수 있으며, 불가피한 경우 기준 또는 문헌자료에서 제시하는 값을 충분한 사용근거와 함께 적용할 수 있다.

① 현장시험(물리탐사 포함)

② 실내시험

③ 현장 계측 자료에 근거한 지반정수의 역해석

(2)설계에 적용할 지반정수 값은 지층과 지반조건을 대변하는 신뢰할 수 있는 값이어야 하며, 이를 위해서는 충분한 수의 시험자료를 바탕으로 설계에 적용할 지반정수들의 편차 및 변동성을 고려하여야 한다.

(3)암반의 공학적 특성을 결정할 때에는 반드시 무결암의 특성과 불연속면을 포함하는 전체 암반의 특성을 모두 고려하여야 한다. 암반의 공학적 특성을 결정할 때에는, 표면 관측 및 정량적 묘사, 작은 시편에 대한 실내시험과 경험적 분석, 그리고 현장 관측 결과를 종합적으로 고려하여야 한다.

실내시험 및 현장시험 등을 통해서 다음과 같은 값을 결정한다.

(1) 점성토의 비배수 전단강도()

(2) 점성토의 배수 전단강도(내부마찰각(), 점착력())

(3) 사질토의 배수 전단강도(내부마찰각())

실내시험 및 현장시험 등을 통해서 다음과 같은 값을 결정한다.

(1)흙의 변형계수(), 전단탄성계수(), 포아송비()

(2)점성토의 압밀정수(압축지수(), 재압축지수(), 2차압축지수(), 압밀계수() 및 선행압밀응력())

(3) 내진설계를 위한 지반의 압축파속도(), 전단파 속도()

실내시험 및 현장시험 등을 통해서 다음과 같은 값을 결정한다.

(1)무결암의 강도

(2)RQD(rock quality designation) 및 TCR(total core recovery)

(3)암반등급분류 시스템에 의한 암반등급(RMR)

(4)암반의 전단강도(암석 코어의 일축압축강도와 점착력 및 내부마찰각을 이용해서 결정)

(5)암반 불연속면의 강도

실내시험 및 현장시험 등을 통해서 다음과 같은 값을 결정한다.

(1)무결암의 변형계수

(2)암반의 포아송비

(3)암반의 변형계수(무결암의 변형계수와 암반등급(RMR)을 이용하여 결정)

(1)기초 부근의 암반 침식도를 암석의 역학적 성질과 암반 상태를 고려해서 결정한다.

(1) 내진 설계를 위한 지반조사 및 지반의 분류 등은 KDS 17 10 00, 내진설계일반을 따른다.

(1)하부구조의 한계상태설계 개념은 KDS 24 10 12(4.1.5)를 따르는 것으로 한다.

(2)하부구조의 설계는 사용한계상태에 대한 기준과 극한한계상태 및 극단상황한계상태에 대한 기준을 만족하여야 한다. 하부구조는 모든 활하중과 고정하중을 포함한 축방향 하중과 횡방향 하중, 횡토압과 수압, 온도 및 수축 효과, 그리고 지진하중에 대하여 저항할 수 있도록 설계한다.

사용한계상태의 하부구조 설계 시, 다음 사항들을 고려한다.

(1) 침하량

(2) 횡방향 변위량

(3) 저항력

(4) 전체 안정성

(1) 극한한계상태의 하부구조 설계 시, 다음 사항들을 고려한다.

① 저항력

② 접지압

③ 하부구조 저면의 활동

④ 횡방향 저항력

⑤ 구조적인 파괴

(2) 하부구조는 저항계수를 곱한 저항력이 하중계수를 곱한 하중보다 작지 않도록 설계한다.

(1)하부구조와 기타 지보재들은 KDS 24 12 12와 KDS 24 12 22에서 명시된 모든 적용 가능한 하중조합에 대해서 안전하도록 설계한다.

(1)하부구조의 종류에 따른 극한한계상태의 저항계수는 지역적으로 규정된 값이 없는 경우에는 표 4.3-1~표 4.3-3에 제시된 값을 사용한다. 사용한계상태에 대한 저항계수는 1.0을 적용한다.

(2)엄지말뚝, 연속식 말뚝, 슬러리 트렌치 콘크리트 벽체 등의 축방향 부재는 저항력 예측 시 이 기준(4.4~4.6)에 명시된 규정에 맞게 적용한다.

(3)기초구조물에 대한 저항계수는 표 4.3-1~표 4.3-3과 같으며, 설계방법과 하중의 특성(압축, 인장), 파괴양상 등에 따라 상이한 계수를 적용하도록 한다. 이 때 적용된 목표신뢰도지수는 일반케이블교량의 경우 타입말뚝은 2.3(파괴확률 1%), 현장타설말뚝은 3.0(파괴확률 0.1%)이며, 목표신뢰도지수에 대한 설명은 KDS 24 10 12(4.1.4)를 참고할 수 있다. 표에 제시된 값은 말뚝의 중요도 및 시공조건 등을 고려한 것으로서, 타입말뚝의 경우 무리말뚝으로 시공되는 경우가 많으므로 기초설계의 여유가 상대적으로 많고, 현장타설말뚝의 경우 중요도가 높은 구조물에 적용되고 대구경으로서 상대적으로 기초설계의 여유가 작은 것을 반영하고 있다. 그러나, 타입말뚝이 무리말뚝 효과를 기대할 수 없고 기초설계의 여유가 작은 경우나 현장타설말뚝이 단일형으로 상부구조를 지지할 경우 각각 표 4.3-2 및 표 4.3-3에서 제시하고 있는 저항계수의 값을 20% 감소시켜 적용하도록 하고 있다. 얕은기초의 적용된 저항계수의 경우 목표신뢰도지수는 허용응력설계법의 안전수준과 지반 구조물 설계의 목표신뢰도지수와의 정합성을 고려하여 풍화토는 4.0 (파괴확률 0.0032%), 풍화암은 3.5(파괴확률 0.023%)이다.

(4)중요한 교량이나 장경간 케이블교량에 대하여는 KDS 24 10 12(4.1.7)의 저항수정계수 = 0.95를 적용하여 상향된 목표신뢰도지수를 만족할 수 있도록 한다.

(5)기초에 사용하는 콘크리트부재와 강부재는 각각 KDS 24 14 22에 규정된 재료계수, KDS 24 14 32에 규정된 저항계수를 적용하여 설계강도를 산정한다.

(1) 하부구조 및 기타 지보재들은 KDS 24 12 12와 KDS 24 12 22에서 제시된 적용 가능한 모든 하중조합들을 검토하여야 한다. 별도의 규정이 없는 한 극단상황한계상태에 대한 저항계수는 1.0의 값을 적용한다.

(1)얕은기초 바닥면에서의 기초면 접지압은 기초 바닥 아래지지 지반의 극한지지력 이내에 있어야 하며, 얕은기초에 작용하는 하중의 합력이 작용하는 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.

(2)얕은기초 바닥면에서의 횡방향 지반반력은 바닥면 아래 기초지반의 횡방향 저항력 이내에 있어야 하고, 얕은기초의 근입부에 횡방향 하중을 분담시키는 경우에는 그 횡방향 지반반력은 근입부 지반의 횡방향 저항력 이내에 있어야 한다.

(3)얕은기초의 변위량은 상부구조의 안정성을 확보하는 한계변위량 이내에 있어야 한다.

(4)기초지반이 전단파괴에 대하여 안전하도록 한다.

(5)과도한 침하나 부등침하가 발생하지 않도록 한다.

(6)기초가 경사진 지반에 설치될 경우, 기초하중에 의한 비탈면 활동이 발생하지 않도록 한다.

(7)암반에 기초를 설계할 경우에는 암석의 강도, 절리 및 기타 불연속면의 간격과 방향, 불연속면의 틈새, RQD, 풍화정도, 충전물질, 지하수 등을 고려하여 설계한다.

(1)토사지반의 축방향 저항력은 극한저항력에 소정의 저항계수를 곱한 저항력 또는 한계변위량으로부터 정하여지는 저항력 중 작은 값을 사용한다.

(2)암반 위에 놓인 얕은기초의 축방향 저항력은 Peck et al(1974)의 RQD와 접지압과의 관계, 일축압축강도, 절리 및 기타 불연속면의 상태와 간격을 고려하여 계산한다. 저항계수를 곱한 접지압과 콘크리트의 설계강도를 비교하여 작은 값을 사용하여야 한다.

(1)얕은기초 측면에 분담된 횡방향 저항력은 지반의 정지토압에 저항계수를 곱한 값으로 한다.

(2) 얕은기초 바닥면의 횡방향 저항력

①얕은기초 바닥면에 있어서 횡방향 저항력은 지반조사, 토질시험의 결과를 검토하여 산정된 얕은기초 바닥면과 지반사이에 작용하는 횡방향 저항력에 저항계수를 곱한 값으로 한다.

②횡방향 저항력을 증가시키기 위해 얕은기초 저면에 활동 방지벽을 둘 수 있다.

(1) 탄성침하량

①얕은기초 저면의 탄성 변위량은 기초를 강체로 하고, 얕은기초 저면의 축방향 지반반력계수 및 횡방향 지반반력계수를 이용하여 산정한다.

②암반에서는 암석 종류, 불연속면의 상태, 풍화도를 고려하여 침하 해석을 하여야 한다. 탄성변형에 근거한 탄성침하량을 계산한다. 이 때 암반의 변형계수는 현장시험과 실내시험결과로부터 결정하거나, 일축압축시험으로 구한 탄성계수에 RQD의 함수인 감소계수를 곱하여 사용한다.

(2) 압밀침하량

①압밀침하량은 얕은기초 바닥면 아래에 압밀이 발생할 수 있는 점성토가 존재하는 경우에 산정한다.

②압밀침하량은 얕은기초에 작용하는 하중에 의한 지반 내의 유효연직하중의 증가분에 대해서 선행압밀하중의 크기를 고려하여 구한다.

③압밀침하량의 계산에 있어서 깊이 증가에 따른 유효연직하중의 증가분 감소와 지반 압축성의 변화를 고려하기 위하여 전체 점성토를 다수의 얇은 층으로 분할한다. 전체 점성토의 압밀침하량은 분할한 각 층에 대하여 산정한 압밀침하량을 모두 합한 것이다.

④이외에 압밀침하량은 유한요소해석 등의 적절한 수치해석적 방법을 통해 산정할 수 있다.

(1) 타입말뚝 본체의 설계압축하중은 다음 사항을 고려하여 결정한다.

① 강말뚝

가.강말뚝 본체의 설계압축하중은 강재의 설계압축강도에 본체의 유효단면적을 곱한 값에 세장비(말뚝 직경에 대한 길이의 비) 및 말뚝이음에 의한 지지하중 감소를 고려하여 결정한다.

나.강말뚝 본체의 유효단면적은 구조물 사용기간 중의 부식을 공제한 값으로 한다.

다.지하수에 의해 부식이 우려되는 경우에는 강재부식 방지공을 검토하고 이 조건을 고려하여 강말뚝 본체의 설계압축하중을 결정한다.

② 콘크리트말뚝

가.PHC말뚝 본체의 설계압축하중은 콘크리트의 설계압축강도에 콘크리트의 단면적을 곱한 값에 프리스트레싱의 영향을 고려하고 세장비 및 말뚝이음에 의한 지지하중 감소를 고려하여 결정한다.

나.지하수에 의해 부식이 우려되는 경우에는 부식방지공을 검토하여야 하며 이 조건을 고려하여 말뚝 본체의 설계압축하중을 결정한다.

③ 기타 종류의 말뚝 합성말뚝 본체의 설계압축하중은 해당 재료에 대해 필요한 구조계산을 실시하여 결정한다.

(2) 지반의 축방향 저항력은 다음 사항을 고려하여 결정한다.

①외말뚝 조건에서 지반의 축방향 저항력은 축방향 극한저항력에 소정의 저항계수를 곱한 값으로 한다.

②저항계수는 축방향 극한저항력을 산정하는 방법의 신뢰도에 따라 적절한 값을 적용한다.

③하중저항계수법을 적용하여 저항력을 결정할 경우에는 예상되는 한계상태에 대한 요구조건을 만족하도록 설계하되, 자료의 신뢰성을 중시하여 결정된 저항계수를 적용한다.

(3)상부구조에 대한 해석 시, 하부기초의 지점은 고정이 아닌 축방향 및 횡방향 변위를 고려할 수 있도록 하여야 하며, 지반의 탄성을 고려한 선형 또는 비선형 스프링으로 설계하여야 한다.

(1) 타입말뚝의 축방향 저항력은 말뚝본체의 설계압축강도와 지반의 저항력 중 작은 값 이하로 한다.

(2) 타입말뚝의 축방향 저항력은 다음과 같이 결정한다.

①일정규모 이상의 공사에서는 시험말뚝을 설치하고 재하시험을 실시하여 지반의 축방향 극한저항력을 확인한다.

②공사 규모가 작거나 제반 여건상 시험말뚝 시공과 재하시험이 곤란한 경우에는 지반조사와 토질시험 결과를 이용한 정역학적 저항력공식을 이용하거나 표준관입시험, 정적관입시험, 공내재하시험 등과 같은 원위치시험 결과를 이용한 경험식에 의하여 축방향 극한저항력을 계산할 수 있다. 그러나 이들 방법의 신뢰도는 극히 낮기 때문에 공사 초기에 실제 말뚝을 대상으로 재하시험을 실시하여 축방향 저항력을 확인한다.

③무리말뚝의 축방향 저항력은 외말뚝의 축방향 저항력에 말뚝 및 지반조건에 따라 적합한 무리말뚝효과를 고려하여 산정한다.

(3)타입공법으로 말뚝을 시공하는 경우에는 파동이론분석을 실시하여 항타장비 선정, 항타시공 관입성 및 지반의 축방향 극한저항력 등을 검토하되 시험말뚝 시공 시 동적거동측정을 실시하여 이를 확인한다.

(4) 타입말뚝은 저항계수를 곱한 저항력이 하중계수를 곱한 하중보다 작지 않도록 설계한다.

(1)타입말뚝의 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) 타입말뚝의 횡방향 저항력은 다음사항을 고려하여 결정한다.

①외말뚝의 횡방향 저항력은 횡방향 재하시험을 실시하여 결정하는 것이 가장 바람직하며, 실제 구조물의 하중조건과 다른 경우에는 그 결과를 적합한 방법으로 해석한다.

②횡방향 재하시험을 실시할 수 없는 경우에는 탄성보 방법과 극한 평형법과 같은 해석적 방법 또는 프레셔미터 결과를 이용한 방법으로 횡방향 저항력을 추정할 수 있다.

(3)횡방향 저항력은 직접 말뚝의 하중-변위 거동에 따라 저항력을 구하여야 한다. 이것은 횡방향 저항력의 특수한 성격을 고려한 것이기 때문이다.

① 말뚝이 횡방향 하중을 받을 경우에는 흙의 파괴는 하중이 증대되어 감에 따라 지표면에서 점차적으로 깊은 곳으로 진행하는 성질이 있고, 흙의 파괴하중은 간단히 정할 수가 없다(다만, 짧은말뚝일 때는 제외). 따라서 말뚝의 저항력은 말뚝자체의 거동에 따라 정하여야 한다.

② 횡방향 하중을 받을 때 말뚝에는 휨이 생긴다. 이에 따라 말뚝에 휨모멘트가 발생하고 또 말뚝머리에는 변위가 생긴다. 휨모멘트가 커지면 말뚝이 꺾어지며, 말뚝머리 변위량이 커지면 상부구조에 지장을 주게 된다. 따라서 말뚝의 횡방향 저항력은 앞선 (1)의 규정을 만족하도록 정하여야 한다.

(4)위의 경우는 근입길이가 긴 경우이며, 근입길이가 짧은 경우에는 다소 달라진다. 근입길이가 긴말뚝에서는 횡방향 하중을 받더라도 말뚝 밑부분에는 거의 변위가 생기지 않으며 따라서 이 부분에는 지반반력의 변화도 없고, 하중에 대해서도 아무런 저항을 발휘하지 않는다.

① 근입길이가 긴말뚝에서 하중에 대해서 유효한 저항을 발휘하고 있는 부분의 길이를 유효길이라 부른다. 긴말뚝의 경우 횡방향 하중에 대한 말뚝의 거동은 말뚝의 실제 근입길이에는 관계가 없으며, 말뚝 하부는 지반 속에 고정된 형태를 갖는다.

② 말뚝의 강성이 큰데 비하여 길이가 짧은 경우를 짧은말뚝이라고 한다. 짧은말뚝에서는 횡방향 하중에 의한 말뚝의 움직임은 휨보다는 회전에 가까워지며, 극단의 경우에는 어느 하중으로 흙이 전면적인 파괴상태에 들어가 말뚝이 전도하게 된다. 이와 같은 경우에는 흙의 파괴하중에 의해 말뚝의 횡방향 극한저항력을 규정할 수가 있다. 그러므로 짧은말뚝의 횡방향 저항력을 정하기 위해서는 휨강도, 말뚝머리 변위량 외에 흙의 파괴하중도 고려하지 않으면 안 된다.

③ 짧은말뚝은 긴말뚝에 비해서 말뚝머리 변위가 크게 되고, 전도의 위험도 있다. 또 말뚝머리 변위나 휨모멘트가 근입길이의 영향을 받기 때문에 긴말뚝의 경우보다 이들의 예측이 어렵다. 더구나 짧은말뚝은 일반적으로 크리프나 반복하중에 대해서도 불리하다. 그러므로 횡방향력을 지지하는 말뚝으로서 짧은말뚝을 사용하는 것은 가급적 피하는 것이 좋다.

(5)무리말뚝의 횡방향 저항력은 말뚝중심 간격에 따른 영향을 고려한다. 하중이 작용하는 방향의 말뚝중심간 거리가 말뚝직경의 8배 이하일 때에는 무리말뚝효과를 고려하며, 하중직각방향의 말뚝 간 거리가 말뚝직경의 2.5배 이상이면 그 방향의 무리말뚝 효과를 고려하지 않아도 된다.

(6)무리말뚝 효과에 대해서는 무리말뚝의 횡방향 재하시험을 실시하여 확인하는 것이 가장 바람직하다. 횡방향 하중을 받고 있는 무리말뚝의 경우, 일반적으로 여러 개의 말뚝을 인접해서 설치하게 되므로 각 말뚝에 의하여 지반에 전달되는 응력이 중복되는 경우가 발생한다.

① 현장 재하시험이나, 원심모형시험을 통한 횡방향 저항력 측정치에 따르면, 무리말뚝 주변의 지반저항력은 지반저항력 발생영역의 중첩으로 인하여 감소하게 되는데 이러한 효과를 ‘그림자 효과(shadow effect)’라고 한다.

② 그림자 효과를 나타내는 무리말뚝의 횡방향 저항거동은 정량화하기가 쉽지 않으므로 횡방향 재하시험이나 모형실험을 통하여 확인하는 것이 바람직하다. 그러나 무리말뚝의 횡방향 재하시험 또한 현장조건에서 실시하는 것이 쉽지 않으므로 (7)의 규정에서 설명하는 해석적 방법으로 추정할 수 있다.

(7)무리말뚝의 횡방향 재하시험을 실시할 수 없는 경우에는 해석적 방법으로 추정할 수 있다.

① Brown(1988)은 무리말뚝의 횡방향 저항거동을 산정하는 해석적 방법으로 무리말뚝에서 각 열에 따라 주어진 변위에서 지반의 저항력 감소를 설명하기위해 P-multiplier이론을 제안하였다.

② P-multiplier는 무리말뚝의 원심모형시험과 실물 재하시험으로부터 얻어낸 결과를 토대로 경험적으로 이끌어낸 계수이다. P-multiplier는 지반의 종류, 지반 물성, 말뚝 간격, 말뚝위치 그리고 말뚝머리 고정상태 등에 영향을 받지만, 실제 설계에서는 무리말뚝의 기하학 조건(말뚝 중심부 간격, 하중 방향에 대한 말뚝의 위치 등)에 따라 제안된 값이 적용되고 있다.

(1)횡방향 재하시험 결과는 말뚝과 하중조건에 따라 크게 달라진다. 이 설계기준에서는 재하시험이 실제의 구조물과 같은 조건으로 시행되었다고 가정하고 재하시험 결과에서 저항력을 구하는 방법을 제시한다

(2)횡방향 재하시험에서 하중-말뚝머리변위 곡선은 일반적으로 비선형 형태를 나타내고 짧은말뚝인 경우를 제외하면 명확한 항복하중이나 극한하중이 규명되지 않는 것이 보통이다. 이것은 근입길이가 긴말뚝에서는 흙의 소규모적인 파괴현상이 점진적으로 발생할 뿐이며, 전면적인 파괴가 일어나지 않기 때문이다. 그러므로 하중-말뚝머리변위 곡선은 항복하중이나 극한하중을 구하기 위한 것이 아니고 말뚝머리 변위량을 제한하기 위하여 사용한다. 말뚝머리 한계변위량을 결정하면 하중-말뚝머리변위 곡선상의 그 변위에 대해서 다시 휨강도를 고려하여야 한다. 즉 한계변위량 발생 시 하중이 작용하였을 때에 말뚝에 발생하는 최대의 휨강도가 말뚝재료의 설계휨강도를 넘어서는 안 된다. 재하시험에서 말뚝의 휨강도의 분포를 알기 위해서는 말뚝에 스트레인게이지를 설치하여야 한다. 그러나 이것은 비용과 시간이 많이 소요되고 또한 기술적으로 확실한 측정치를 얻기가 상당히 어려우므로 보통의 재하시험에서는 휨강도의 측정을 하지 않는 것이 일반적이다. 휨강도를 측정하지 않는 경우에는 말뚝머리의 변위를 측정한 결과와 해석적 방법을 조합함으로써 최대 휨강도를 간접적으로 추정할 수 있다.

(3)재하시험에서 재하하중이 매우 클 경우 하중-말뚝머리변위 곡선에서 파괴하중을 추정할 수 있을 때가 있다. 이것은 말뚝의 꺾어짐, 즉 휨파괴를 나타내는 때이다. 이 경우에는 횡방향 저항력이 파괴하중의 1/3을 넘지 않는다는 조건에서 휨강도를 산정한다. 재하시험에 있어서 파괴하중을 얻지 못할 때에는 최대시험하중을 파괴하중으로 보고 휨강도를 검토한다. 짧은말뚝의 횡방향 저항력을 구하기 위해서는 이미 설명한 말뚝머리 변위 및 휨강도 검토 외에 말뚝의 전도에 대한 고려가 필요하다. 즉 한계하중은 전도하중의 1/3을 넘어서는 안 된다. 전도하중이 얻어지지 않을 때는 최대시험하중을 전도하중으로 본다.

(1)재하시험 이외로 외말뚝의 횡방향 저항력을 구하는 방법은 다음 중 어느 한 방법에 의하여 추정할 수 있으며 가능하면 이들 방법을 조합하여 추정하는 것이 좋다.

(2)해석적 방법에 의한 추정 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.

(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.

(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.

(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.

(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.

(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.

(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.

③하중저항계수법을 적용하여 저항력을 결정할 경우에는 예상되는 한계상태에 대한 요구조건을 만족하도록 설계하되, 자료의 신뢰성을 중시하여 결정된 저항계수를 적용한다.

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.

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.

(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.

(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

(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.

(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.

① 단기간 침하량

② 점성토에 시공될 경우에는 압밀침하량

③ 현장타설말뚝의 축방향 압축량

(1) 현장타설말뚝의 부주면마찰력과 인발저항력은 이 기준 4.5.5를 따르는 것으로 한다.

(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

얕은기초의 안정성 평가는 시공 시, 완성 시에 대해 다음의 4개 항목에 대해 만족하여야 한다.

(1) 지반의 저항력

(2) 활동

(3) 전도

(4) 변위

(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.

(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.

(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.

(4.7-1)

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.

(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.

(4.7-2)

여기서,

= 앵커리지 스프레이포인트의 기준수평변위(mm)

= 중앙지간의 길이(m)

(4.7-3)

여기서,

= 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.

(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.

(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.

(4.7-4)

여기서,

=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.

(4.7-5)

(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.

(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.

① 파괴가능성 있는 형태

② 국부적인 파괴가능성

③ 불연속면

(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.

(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.

(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.

(4.8-1)

여기서,

= 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.

(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.

(4.8-2)

여기서,

= 지반조건에 따라 결정되는 강관널말뚝의 극한 축방향 인발저항력

= 우물통 외벽의 강관널말뚝 개수

= 우물통 바깥 둘레길이

= 주면마찰력을 고려하는 각 층의 두께

= 주면마찰력을 고려하는 각 층의 최대단위주면마찰력

(4)강관널말뚝의 최대주면마찰력 는 강관말뚝에 적용하는 식에 따라 계산할 수 있다. 다만, 타입공법을 사용하지 않는 경우 별도로 검토할 필요가 있다.

(1)강관널말뚝기초를 설계할 때 사용하는 지반반력계수로는 바닥면의 축방향 지반반력계수, 전면의 횡방향 지반반력계수, 그리고 바닥면의 횡방향 전단지반반력계수가 있으며, 지반조사와 토질시험의 결과를 검토하여 추정한다.

(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.

(1)상부슬래브와 본체의 강성, 그리고 상부슬래브와 강관널말뚝의 결합상태를 고려하여 상부슬래브를 설계한다.

(2)상부슬래브와 강관널말뚝의 결합부는 상부슬래브에 작용하는 하중을 확실하고 안전하게 강관널말뚝에 전달하는 구조이어야 한다.

(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.

(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.

(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.

(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.

(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

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.

(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.

① 관련시험규정

② 지지력

③ 변위량

④ 건전도

⑤ 시공방법과 장비의 적합성

⑥ 시간경과에 따른 말뚝지지력 변화

⑦ 부주면마찰력

⑧ 하중전이특성

⑨ 시험횟수와 방법

⑩ 시험실시 시기

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.

(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.

(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.

(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.

(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.