교각의 단일현장타설 말뚝기초 적용성 검토

1. 개 요

1.1 단일현장타설 말뚝기초란?

단일현장타설 말뚝기초(Single Column Drilled Pier Foundation) 공법은 확대기초 없이 직경 약 2.0~3.5m의 철근콘크리트로 교량 하부구조의 기둥과 말뚝기초를 연속 시공하는 공법으로 확대기초 시공으로 인한 과다한 지반절취 없이 다양한 지반조건에 적용이 가능하고, 지진에 대해서는 유연한 거동을 보이는 공법이다.

확대기초를 배제함으로써 기초 시공시 소음 및 진동을 최소화하며, 특히 해상구간의 경우 확대기초 시공을 위한 PC House 등의 공법이 필요 없어 일반적인 교각 기초에 비해 경제적이며, 암반이 조기에 출현하는 국내 지반에 적합한 기초공법이라고 할 수 있다.

1.2 단일현장타설 말뚝기초의 특징

가. 기초형식의 개념도

나. 장점 및 단점

• 기초굴착시 지지층을 확인할 수 있으며, 말뚝을 항타하여 관입이 곤란한 지층에 적용이 용이함

• 주변 지반의 교란 최소화 가능

• 시공시 소음 및 진동 최소화 가능

• 충분한 근입심도를 유지할 수 있어서 세굴에 유리함

• 확대기초가 없어서 시공시 터파기량 감소, 해상구간 추가공법 최소화로 경제적임

• 대구경의 말뚝기초로 1본당 횡방향 저항력이 큼

• 시공 난이도가 높으며, 교각고가 높을 경우 면밀한 구조적 안전성 검토 필요

• 상부하중을 말뚝기초 1본, 혹은 2본으로 모두 부담하므로 철저한 시공관리 필요

• 설계하중이 커서 정적 재하시험 수행에 비교적 어려움 발생

1.3 단일현장타설 말뚝기초 적용 검토

단일현장타설 말뚝기초를 적용한 교각 설계시 여러 가지의 구조검토를 수행하게 된다.

그중 단일현장타설 말뚝기초이기 때문에 중요한 변수가 될 수 있는 내용에 대해 알아보고자 한다.

특히 교각 높이가 큰 경우 어느정도까지 단일현장타설 말뚝기초를 적용할 수 있는지에 의문이 생길 수 있을 것이다.

실제 설계시 고려했던 부분을 바탕으로 단일현장타설 말뚝기초 적용시 검토했던 내용과 설계사례를 설명함으로써 그 적용성에 대해 고찰하고자 한다.

2. 구조적 안전성 검토

2.1 상시 장주효과

검토결과

교축방향으로 캔틸레버 거동을 하는 단일현장타설 말뚝기초의 기둥검토시 P-Δ효과에 의한 영향을 필히 고려해야 하며, 고교각일수록 유효길이가 커져 그 영향은 더욱 커질 것이다.

상시 P-Δ해석을 통한 구조해석으로 설계기준에 의거 계수하중을 적용한 [비교3안]의 모멘트 확대계수 1.42를 적용하여 기둥검토시 반영하였다.

2.2 지진시 장주효과

검토결과

설계기준에 의거 지진해석에 의한 1차모멘트에 횡방향 지진변위와 축력에 의한 2차모멘트를 추가하여 총모멘트를 결정하였다.

이는 근사적인 방법으로 기둥 상단과 하단의 횡방향 최대상대변위의 1.5배에 축력을 곱한 값을 2차모멘트로 취하여 지진시 P-Δ효과를 고려하였다.

해석결과 교축방향 모멘트는 36,335kN.m에서 57,944kN.m로 약 59% 증가, 교축직각방향 모멘트는 64,909kN.m에서 81,619kN.m로 약 26% 증가하였다.

2.3 좌굴 안정성 검토

가. 말뚝의 휨강성 산정 (도로교 한계상태설계법 5.6.6.2)

나. 고정점까지의 근입깊이 산정 (도로교 한계상태설계법 7.7.4.2)

다. 좌굴 안정성

3. 설계 검토

3.1 설계 개요

가. 검토 방법

교각 높이가 큰 교량에 대한 하부구조 형식검토를 위해 단일현장타설 말뚝기초와 다주식 현장타설 말뚝기초(PC House+현장타설말뚝)로 구간별 변경 계획을 수행하여 기초 형식을 결정하였다.

특히 설계구간은 지반조사 결과 암질불량 구간이 출현하여 더욱 면밀한 구조검토가 수행되어야 했으며, 이를 반영한 지지력 검토 및 수평변위 검토와 좌굴 안정성 검토를 통해 연암파쇄대 구간의 적절한 기초형식을 결정하였다.

나. 교량 현황

3.2 기초안정성 검토

가. 연직지지력 검토

나. 수평지지력 검토

다. 수평변위 검토

검토결과

연암파쇄대가 60~70m깊이로 분포하는 P28~P30 교각의 지지력 확보를 위한 말뚝길이 산정

해당 구간을 단일현장타설 말뚝기초 형식으로 검토한 결과 말뚝길이 약 100m 이상 필요

3.3 좌굴안정성 검토

가. [비교 1안] 단일현장타설 말뚝기초 + 다주식 현장타설 말뚝기초

나. [비교 2안] 단일현장타설 말뚝기초

검토결과

기존 다주식 현장타설말뚝을 단일현장타설말뚝으로 변경한 P26, P27은 좌굴안정성 확보

깊은 연암파쇄대 구간인 P28~P30의 경우 단일현장타설말뚝 기초형식 적용시 안정성 미확보

4. 결 론

• 설계사례의 내용을 정리하면 설계 구간 중 P28~P30구간에 기반암 질이 불량한 연암파쇄대가 60~70m 깊이로 분포하여 기초형식 결정시 이를 고려한 구조검토가 필요했으며, 해당 구간의 지지력 검토 결과, 단일현장타설 말뚝기초 형식의 적용시 하부구조 길이 최대 140m, 지중근입 길이 최대 108m 필요로 구조적 안전성 및 품질확보의 문제 발생 가능성이 보였다.

• 말뚝길이 70m 이상 적용시 시공성이 불량(굴착속도 70% 감소)하고, 품질확보가 불리(연직도, 콘크리트 품질, 공벽붕괴로 인한 건전도 저하)하며, 말뚝길이 100m 이상은 국내 시공실적이 전무하다.

• 또한, 해당 교량에 대한 좌굴안정성 검토 결과, 깊은 연암파쇄대를 지나는 하부구조 형식을 단일현장타설 말뚝기초로 적용시 기둥의 좌굴효과에 의한 불안정 상태로 적용이 불가함을 검토하였다.

• 따라서, 암질불량구간(P28~P30)의 하부구조 형식은 다주식 현장타설 말뚝기초(PC House+현장타설 말뚝기초) 형식으로 적용해야 하며, 기초안정성 및 좌굴안정성을 확보하는 말뚝길이를 결정하였다.

• 위의 설계사례와 같이 고교각의 기초형식 결정시 단일현장타설 말뚝기초를 적용할 때에는 여러 가지의 구조검토 및 기초 안정검토와 더불어 좌굴의 영향에 대한 검토가 필히 수행되어야 하며, 좌굴 안정성 확보에 따라 결정적인 설계인자가 될 것이라고 판단된다.

• 기둥의 주철근비를 만족하는 최대철근으로 배근하여 단면의 안전성을 만족시키고, 말뚝 직경 및 근입깊이 증가로 기초 안정성을 만족시킨다면 단일현장타설 말뚝기초의 교각 길이는 계속 길어질 수 있을 것이다. 그러나 교각의 유효길이에 따른 좌굴 안정성 검토로 최대 가능한 단일현장타설 말뚝기초의 높이가 결정될 것이며, 이로 인해 더욱 안전하고 경제적인 설계 및 시공이 될 것으로 판단된다.

출처 및 참고자료

• 영종-청라 연결도로(제3연륙교) 건설공사 실시설계 구조계산서 (2021)

• 도로교 설계기준(한계상태설계법) 해설 (2015)

• 도로교 설계기준 해설 (2008)

• 단일현장타설말뚝 기초공법 적용 기준-한국도로공사(2004)

About the Editor

티제이

구조 엔지니어 경력 10년 이상

국내 설계사 구조설계 10년… 길고도 짧은 시간동안 다양한 프로젝트를 통해서 나름의 기술력을 갖춰가고 있습니다.

저의 실무경험과 짧지만 유용한 노하우를 공유하게 되어서 기쁘며, 나아가 기술축적을 통해서 서로 발전할 수 있는 계기가 되길 바랍니다.

※ Topics 아래 키워드를 누르시면 관련 콘텐츠를 보실 수 있습니다.