045. 기초침하(구조물침하 및 부동침하)와 기초의 안전성검토
*71회-논술10. 기초 침하에 대하여 1) 종류, 2) 원인, 3) 방지대책을 기술하시오.
*73회2교시-4. 공사 착수전 기초의 안전성 검토시 고려할 사항에 대하여 기술하시오.
*79회3교시-1. 구조물의 침하발생 원인과 방지대책을 기술하시오.
*81회3교시-2. 건축물 기초침하의 종류와 방지대책을 열거하시오.
*90회3교시-1. 도심지 건축공사에서 기초의 부동침하원인과 대책에 대하여 설명하시오.
[요약]
1. 기초의 종류 : 얕은기초와 깊은기초
2. 침하 : 지반의 압축에 의하여 발생되는 구조물 또는 구조물 일부의 연직변위를 침하
3. 침하의 형태 : 균등, 부등, 전도침하
4. 침하의 종류 : 탄성, 압밀, 2차압밀
5. 안정성검토 : 연약지반에 대한 판단, 지지력검토, 침하검토, 액상화검토
[해설]
1. 기초의 설계(선정)요인
2. 기초의 안정성검토 Flow
3. 얕은기초와 깊은기초의 구분
-얕은기초(Shallow Foundation)란 상부구조의 하중을 기초슬래브에서 지반에 직접 전달시키는 형태의 기초, 즉 구조물의 하중을 소위 접지압으로 지지하는 기초를 말한다.
-이에 반하여 깊은기초(Deep Foundation)는 구조물 하중을 선단지지력과 주변마찰력으로 지지하는 형태의 기초를 말한다.
-얕은기초는 무게가 비교적 작은 구조물이나 양호한 지반이 지표 가까이에 있는 경우에 선택하여 상부구조의 하중을 지반에 직접 전달한다하여 직접기초(Direct Foundation)라고도 하고, 그 모양이 기둥의 하단을 확대시킨 형태이므로 확대기초(Spread Foundation)라고도 한다.
-또한 단순하게 근입깊이 Df가 기초의 최소폭 B 또는 일정한 깊이(예를 들어 기초폭의 8배)보다 작은 기초를 얕은기초라고도 말하기도 한다.
4. 기초침하
(1)침하의 정의
-일반적으로 지반의 압축에 의하여 발생되는 구조물 또는 구조물 일부의 연직변위를 침하라고 하며, 구조물의 모든 부분의 침하가 같으면 균등침하라고 한다. 균등침하가 발생되면 구조물에는 균열이 생기지 않고 다만 연직위치만 달라진다. 반면에 구조물의 위치에 따라 침하의 크기가 다른 부등침하가 일어나면 구조물에 균열이 발생하거나 기울어져 구조물의 기능과 안전에 영향을 미친다.
-기초의 접지압이 기준지지력을 초과하거나 기준지지력표를 적용할 수 없는 지반에서는 침하량을 계산해서 안전을 확인하여야 한다. 일반적으로 흙 지반에 설치한 기초는 침하량을 계산하는 것이 좋다.
(2)침하분류
가. 기초침하의 형태분류
1)균등침하
균질한 지반위의 강성 기초침하 형태
2)전도침하
균질한 지반위에 편심하중이 작용하는 구조물(송전탑, 목욕탕굴뚝)
3)부등침하
균질한 지반위의 연성기초의 침하 형태
나. 기초침하의 종류
-일반적으로 기초에 하중이 가해지면 침하가 일어나며, 침하는 재하 즉시 지반이 압축되어 일어나는 즉시침하 와 시간이 지남에 따라 간극의 물이 빠져나가면서 지반의 체적이 감소되어 일어나는 압밀침하 로 구분한다.
-유기질토나 점성토에서는 2차압밀에 의하여 2차 압축침하 가 일어나서 전체 침하량 는 이들을 합한 크기가 된다.
-즉,유기질을 포함한 연약한 점성토 위에 축조한 댐에서 관측한 바에 의하면, 각각의 침하량은 의 비율로 발생되었으며, 2차 압축에 소요되는 시간은 1차 압밀 소요시간의 2배정도가 되었다.
1)탄성침하
*사질토 및 포화도가 90% 이하인 세립토, 하중재하와 동시에 발생되는 초기침하량, 대부분이 공사기간중에 발생, 탄성론에 의하여 계산되고 있으나, 실제 이 침하량은 탄성적이 아님
-재하와 동시발행
-즉시 침하
-하중 제거시 원상태 복구
-사질토 지반
2)압밀침하
*간극으로부터의 물의 점진적 배수에 의한 침하
-장기침하
-하중 제거 후에도 잔존
-간극수 유출 후 부피 감소 침하
-점성토 지반
3)2차 압밀침하
*입자구조의 압축변형 및 부식에 의한 침하
-점성토의 Creep침하
-압밀침하 후 발생되는 계속침하
-구조물의 균열발생 원인
5. 기초침하의 원인
지반의 침하는 다음과 같은 원인들에 의하여 지반이 압축되어 발생된다.
① 구조물 하중에 의한 지중응력의 증가 (지반의 탄소성 변형)
② 지하수위 강하에 따른 지반의 자중증가
③ 점성토 지반의 건조수축
④ 함수비의 증가에 의한 지반 지지력의 약화
⑤ 지반의 기초파괴
⑥ 지하공간이나 지하매설관 등 지중공간의 함몰
⑦ 동상후의 연화작용
(1)인접구조물의 영향
-기존의 구조물에 인접하여 새로운 구조물을 신축할 때에는 구조물 상호간의 영향을 고려하여야 한다. 같은 규모의 건물이 서로 인접한 경우에는 건물사이의 지반은 응력이 중첩되어 침하가 커져서 구조물은 서로 근접하는 방향으로 기울어 진다(a)
-또한 기존의 큰 구조물에 인접하여 작은 구조물을 신축하면 경계부분에서는 작은 구조물의 하부지반이 이미 큰 구조물의 영향을 받아 압축이 일어난 상태이므로 침하가 적게 일어나서 구조물의 간격이 벌어진다(b)
-반대로 기존의 작은 구조물에 접하여 큰 구조물을 신축하면 기존 구조물 하부의 지반이 큰 신축구조물의 영향을 받아 추가로 침하가 일어난다. 이때는 그림 c와 같이 기존의 작은 구조물이 손상될 수 있다.
(2)불규칙지반의 침하
구조물의 하부지반이 균질하지 않고 불규칙한 층상구조를 나타낼 때에는 특수한 층상구조로 인한 부등침하가 발생할 수 있다. 따라서 사전에 철저한 지반조사를 통하여 이러한 경우를 확인하고 대비책을 세워야 한다. 아래그림은 가장 대표적인 경우로 압축성이 큰 연약지반이 쐐기형 또는 렌즈형으로 분포되어 있거나 압축성이 큰 지반의 두께가 불규칙한 경우를 나타낸다.
(3)기타 부동침하의 원인과 대책
1)부동침하 원인
①연약지반 ②연약층의 두께차이③이질지반 ④지하매설물⑤경사지반 ⑥다른 기초
⑦기초 제원의 현저한 차 ⑧인근 터파기 ⑨지하수위 변동 ⑩증축
2)부동침하의 대책
①연약지반 개량 ②마찰말뚝 지정 이용
③지하수위 변동 방지 ④동일 지반시 통합 기초
⑤경질지반 지지 ⑥평면의 길이단축
⑦건축물의 균등 중량 ⑧Under Pinning보강
⑨건축물의 경량화 ⑩지하실설치
⑪이질 지반시 복합기초 시공 ⑫상부 구조물 강성 증대
6. 결론
이상에서 살펴본 바와 같이 얕은기초는 설계할 때에는 그 이론적 배경과 고려해야 될 사항들을 면밀히 검토하여 현장 상황에 가장 적합한 방법을 선택하여야 하며, 널리 알려진 방법이라 하여 무비판적으로 적용해서는 안된다. 즉, 상부구조물-기초-지반의 상대적인 거동을 파악하고 있어야 적합한 기초를 설계할 수가 있다.
특히, 기초와 지반의 상호거동은 기초-지반의 상대적인 거동에 의해 크게 좌우되므로 얕은기초 설계시 가장 먼저 고려해야 할 사항이며, 기초-지반의 상대적인 강성에 따라 상부 구조물의 하중이 지반에 다른 형태로 전달되기 때문에 상부구조물 하중에 의해 지반이 압축되어 발생되는 기초 침하 양상을 정확히 파악하여 상부구조물이 손상되지 않도록 해야한다.
일반적으로 얕은기초의 설계를 대수롭지 않게 생각하고 가볍게 설계하는 경향이 뚜렷하나, 그 이론적 배경과 지반의 복잡한 거동현상을 알고나면 결코 쉬운 일이 아님을 알 수 있다.
따라서 보다 많은 연구를 통하여 지반의 거동을 확실하게 파악해야 할 것이며 실무자들은 이와 같은 상황을 알고 신중하게 설계해야 할 것이다.
[출처 및 참조]
얕은 기초 설계시 간과하기 쉬운 문제에서
1. 이상덕(1996) 전문가를 위한 기초공학, 엔지니어즈, pp.113-186
2. 이상덕(2000) 기초공학, 새론, pp. 59-125