구조물 기초 설계 - 설계 기준 및 설계 방법

1. 서문

설계를 수행함에 있어 현장조건에 따라 설계자의 공학적 판단에 따른 전단강도를 산정하고 지지력 및 침하거동을 분석하게 됩니다. 이러한 이유는 지반현황과 설계제원이 대부분 균등하지 않기 때문입니다.

특정 상황에 대한 고찰 및 관심 부분을 더욱 설계에 반영하기 위해서는 주관적인 요소가 반영되어야 하나 여기에는 보다 합리적이고 객관적이며 논리적인 근거가 요구됩니다. 조사 및 시험에는 대표성의 문제가 따르게 되며 구조물 기초의 설계방법 개선에 있어서는 이론적인 근거가 요구되기 때문입니다.

이러한 제약성에 대해 우리는 설계기준을 찾게 되며 이에 부합하는 한도 내에서 설계를 수행하게 됩니다.

앞선 글에서 주제별 설계기준이 일부 소개되었습니다. 본 글에서는 구조물 기초설계에 있어 설계자가 참조해야 하는 설계 기준을 소개하고 국토해양부 국도설계실무요령(2008)에 제시된 설계기준 중심으로 해설해 보고자 합니다.

설계과정에서 설계기준에 대한 이해는 다음과 같다고 할 수 있습니다.

발주처 즉 클라이언트가 요구하는 과업지시서과 가장 우선시 되어야 하며, 이후 발주처가 속한 기관의 설계기준(국토해양부, 도로공사, 수자원공사 등)의 순으로 상위 기준을 정하여 우선 순위에 따르는 설계기준을 준수해야 하는 것입니다.

설계기준은 과거 일본의 기준을 준용하던 방식에서 미국의 설계 기준을 도입하여 혼용되고 있는 상태로 아쉽게도 국내의 연구개발이 국부적인 분야에 한정되어 있어 대표적인 설계 기준은 아직 외국의 사례를 따르고 있는 실정입니다.

2. 하부구조의 설계 기준

적용범위는 도로설계에 있어 국대도, 일반국도 및 국지도 공사의 도로 구조물 설계에 적용하며 설계에 적용하는 설계기 준은 아래의 기준들을 근간으로 하여 적용합니다.

1) 지반조사

■ 공통 - 구조물 기초설계기준 제 2 장 지반조사의 규정을 준용
■ 지방국토관리청 - 구조물 기초설계기준 제 2 장 지반조사의 규정 및 발주처 지침사항
    (2회 컬럼 기초설계를 위한 지반조사 및 현장조사편 참조)
■ 도로공사 - 도로공사 지반조사 지침
    (2회 컬럼 기초설계를 위한 지반조사 및 현장조사편 참조)
■ 토지주택공사 - 토지주택공사 지반조사 지침

설계기준은 장비개발, 설계수준향상 등 시대성을 반영하는 만큼 최신의 설계기준을 반드시 확인해야 합니다.

일부 과업지시서에는 전문성 부족 및 오류로 인해 변경된 설계기준을 미처 반영하지 못한 부분들도 많기 때문입니다.
이에 설계자는 감독원에게 이러한 사항을 보고하고 현재의 설계기준을 반영한 설계를 진행하여야 합니다.

흙의 분류는 통일분류법(KS F2324)을 원칙으로 하며, 설계자는 수행되는 모든 시험 및 조사의 설계기준을 보고서에 명시하여 일종의 계약 서류인 과업지시서의 요구를 수용해야 합니다.

지시서 내용에 오류가 없다면 이는 계약 항목의 일종으로 판단해야 하며 이를 준수하지 않은 경우 계약 불이행으로  처리 가능하여 불이익을 받을 수도 있음을 명심해야 합니다.

설계비용의 제약과 지형상 접근의 어려움 등으로 문헌값을 이용한 설계 정수를 산정하는 경우가 있습니다.

국도설계요령에는 이러한 이유로 관련 단위중량이 제시되어 있습니다. 현장조사를 통한 단위중량 적용이 어려울 경우 
대체방법으로 적절하며 적용시에는 반드시 현장조사값이 아님을 밝히고 확인조사 등을 통해 설계정수의 적정성을 확인토록 하는 조치를 취해야 합니다. 

흙의 단위 체적 중량

지하수위 이상의 습윤단위중량을 제시한 값으로 실험이 없는 상태에서 권장값으로 사용 가능합니다.

지하수위가 높은 경우 흙의 수중단위중량은 9를 뺀 값을 사용합니다.

일반적으로 SI 단위 적용시 kN=10tonf 를 적용하나 국토설계요령에는 9를 제안값으로 제시하고 있기 때문입니다. 

쇄석은 자갈과 같은 단위중량 적용이 가능하며 암버력, 암괴의 경우 그 특성상 간극의 크기가 커서 간극내 충진토사의 비율에 따라 복합지반의 성격을 띠는 것으로 판단할 수 있고 암괴의 크기에 따라 쇄석 또는 버력으로 구분되어 질 수도 있기 때문에 공학적 판단 하에 적용하며 대형 시험등을 통해 검토할 필요가 있습니다.

자갈 섞인 사질토 또는 자갈 섞인 점성토도 마찬가지로 혼합비율 및 상태에 적정값이 산정되어야 하며 우리가 하는 기초설계가 궁극적으로는 장기 안정성 확보와 관련되므로 지하수위는 시공 후 평균치를 고려해야 합니다. 

2) 흙의 전단강도

흙의 전단강도는 원칙적으로 토질시험을 실시하여 구하여야 하지만 아래의 값을 참고할 수 도 있다. 

흙의 내부마찰각 및 점착력

흙의 전단강도는 가능한 한 토질시험을 실시하여 결정하여야 합니다.
특히 연약지반을 구성하는 점착력을 갖는 흙의 전단강도는 반드시 토질시험을 실시하여 결정하여야 하며 상기 제시된 내부마찰각 및 점착력의 값은 압밀-비배수(압밀-급속) 조건하에 전단에 대한 값으로 배수조건과 응력조건이 같지 않은 경우에는 그대로 적용해서는 안됩니다.

쇄석, 암버력, 암괴 등은 대체로 자갈에 준하여도 좋은 것으로 제시되고 있으며 자갈 또는 암괴가 섞인 사질토 및 점성토에서는 혼합 비율, 상태에 따라서 적절한 값을 정하는 것을 권장하고 있습니다.

3) 지지 지반의 선정

기초계획과 기초형식별 지내력산정에서 소개했던 부분으로 상부하중을 지반에 전달하는 데 있어 전단파괴가 발생하지 않고 허용침하 이내에서 변위가 발생되는 지반을 말합니다.
관련 설계기준서에는 대부분 양질의 지층에 지지시키는 것을 원칙으로 한다라고 명시되어 있습니다.

이 때, 양질의 지층이라는 의미에 혼동이 올 수 있는데 경험적이고 객관적인 분류에 의해 상대적으로 많은 경험과 조사가 이루어진 SPT 시험결과에 따른 양질의 지층은 아래와 같이 정의될 수 있습니다. 

지지층과 N 값

여기서 주의할 점은 이하 지층이 상기 표에 제시된 값의 이상이여야 한다는 것입니다.

상부하중으로 인한 지중응력의 범위는 통상 기초폭의 2배를 넘기 때문입니다. (연속의 경우 4 배)

따라서 하부 지층이 상부지층보다 약한 경우 하부지층에 지배되는 결과가 초래되어 지지층 선정시 연속성을 평가하여야 합니다.

국내의 경우 단층의 영향을 받아 견고한 암반층 이후 파쇄대나 연질의 지층이 출현하는 복합지반도 다수 발견되기 때문에 지지층은 조사자료의 상호비교와 확인과정이 반드시 필요합니다.

부연하여 설명하면 대표적인 것이 연약층으로서 상부 견고한 지층이 2~4m 의 두께로 분포하고 하부 연약층이 분포하는 경우가 있습니다. 
우리는 교량기초의 경우 통상 연암 3m, 경암 1m, 풍화암 7m에서 시추를 종료합니다. 이러한 경우 연암층 내에서 종료되므로 연약지반으로 판정하지 않고 지지층을 선정하게 되며 이러한 결과는 장기 안정성 측면에서 과도한 변위를 발생시켜 구조물 기능을 수행하지 못하는 결과가 초래됩니다. 

이를 극복할 수 있는 방법으로는 물리탐사의 수행으로 시추 조사 전 취약대의 경향을 파악하고 기준 심도 이상의 시추를 수행하여 확인하는 방법이 있습니다. 물론 조사심도 확장에 따른 비용증가가 발생되나 이러한 문제가 예상 시에는 물리 탐사 결과를 통해 발주처의 이해를 얻어야 하는 것이 설계자의 임무라 생각합니다.

그리고 시공 시에는 확인 조사 또는 암 판정을 통해 시추 조사의 대표성으로 인한 불확실성을 극복하기 위한 노력이 필요합니다. 

4) 지반변형계수(Eo)

지반변형계수는 강도 또는 재하시험시 재하와 제하를 반복하여 잔류 변형을 포함하는 응력-변위의 기울기로서 기초의 즉시 침하량 및 말뚝의 수평변위량 산정, 변형특성파악, 수치해석입력자료 등에 사용되며 적용 값은 현장 재하시험 결과의 적용을 원칙으로 하나 부득이한 경우 N 치를 토대로 지반변형계수를 추정 할수 있으며 지층상태 별 적용 방법은 아래와 같습니다.

기존 설계자료나 계산식을 보면 28N(kgf/cm2)이 많이 등장합니다.

여기서 주의할 점은 이 경험식은 일본의 철도기준에서 비롯되어 풍화토이상의 견고한 지층에 제한되고 있다는 점입니다.

즉, 노상 등 다짐이 잘된 경우나 조직이 치밀하여 견고한 상태(N=30 이상)에 제한적으로 적용해야 하며 과대 평가될 수 있음을 주의해야 합니다.
실제 재하 시험을 통해 확인하면 토사의 경우 28N 을 충족시키지 못 하는 경우가 많고 N=50 이상의 지층에 부합되는 결과를 경험한 바 있습니다.

3. 얕은 기초

얕은기초는 기초-지반으로 이루어진 구조계가 상부의 하중을 비교적 얕은 지반에 전달하며 지내력을 확보하는 기초 형식으로 상부 하중에 대하여 활동, 전도, 지내력에 대하여 충분한 안전율을 확보하여야 합니다.

기초가 충분한 지내력을 확보하기 위해서는 다음의 사항을 각각 만족하여야 합니다. 
① 전단파괴에 대하여 안전 
② 과도한 침하나 부등침하에 대하여 안전 

얕은 기초의 허용침하량 기준은 다음과 같습니다. 

1) 정정구조

2) 부정정구조

3) 각변위

4) 보강토 옹벽

H : 옹벽교

허용지지력 산정방법은 [얕은기초 (1) - 국내외 지지력 산정] 편에 소개하였으며 관련 설계 기준에 제시되어 있으므로 생략하기로 하며 침하기준에 대해서만 다시 언급했습니다.

얕은 기초는 지지층이 지표면 5 m 이내에 있는 경우 적용하며 그 외의 경우는 다른 기초형식과 비교 검토를 하여 적정공법을 선정 해야 합니다. 시공성과 관련하여 백호 등 장비 진입이 가능하고 터파기 및 장소제약이 없다면 경제성을 고려하여 약 10m 이내 까지 지지층 심도는 확대될 수 있습니다. 즉 결정된 절대심도기준이 아니라 경제성, 시공성이 고려된 심도라 할 수 있습니다. 

얕은 기초는 지반의 상태에 따라 콘크리트(mass concrete)로 치환을 할 수 있으며 콘크리트로 치환하는 깊이는 설계시 2m, 시공시 3m 이내의 범위로 제한하는 것이 합리적입니다.매스 콘크리트는 무근 콘크리트가 타설되므로 기초슬래브보다는 
지반으로 분류해야 하며 두께가 증가할 수록 수화열으로 인한 문제, 슬라임에 의한 재료분리, 강도부족 등 경제성과 함께 품질에서도 문제가 발생되므로 상기 제한 깊이를 준수하는 것이 바람직합니다.

4. 깊은기초

말뚝기초는 연직지지력, 수평지지력, 인발지지력, 무리말뚝 영향검토 등의 지지력 검토를 수행하여야 합니다. 말뚝의 연직지지력은 아래의 검토 값 중 가장 적은 값으로 합니다. 

- 정역학적 공식 
- 동역학적 공식 
- 재하시험(필요시). 
- 말뚝 본체의 축방향력

말뚝길이는 소요지지력을 확보할 수 있는 지지층 및 근입깊이를 고려한 위치까지로 하며 이때 말뚝의 휨강성과 변위가 허용기준을 초과하면 안 됩니다.

허용 침하력

일반적으로 기존 설계에서는 25mm(Terzaghi)기준을 준용하여 왔습니다. 안전측 개념에서 암반층에 근입되는 국내설계경향이 반영 된 상황으로 판단되며 침하가 거의 없도록 하는 설계방식으로 이해 됩니다.

반면 재하시험의 극한지지력은 직경의 약 10%의 침하시 발생되는 경향이 있으므로 508mm 의 직경을 갖는 기성말뚝의 경우 허용변위를 50mm 로 산정하는 것도 과다설계를 지양할 수 있는 방법이라 사료됩니다.

선단부의 극한지지력이 아직 발휘되지 않고 장기 침하거동시 불확실성을 고려할 때 이상의 변위가 발생가능하지만 안전
율이 적용되고 있고 재하시험을 시공시 반영한다면 상기 허용변위가 재하시험에 부합되는 결과로 이론상 타당하다고 생각합니다.

매입말뚝의 연직지지력 산정과 관련하여 일본 건설성 고시기준은 다음과 같습니다.

Meyerhof 등 미국의 지지력 공식도 설계기준에 제시되어 있지만 현장조사를 이용한 지지력 산정방법은 개인적으로 일본의 방법이 보다 합리적이라 생각합니다. 시공방법을 고려한 점과 시공특징을 고려할 때 국내의 경우 일본의 경우가 유사하며 재하시험을 통한 지지력 판정을 제외하곤 개략적인 예비설계의 한계를 극복하기 어렵기 때문입니다.

국내의 경우도 많은 재하시험이 이루어지고 있고 관련설계가 진행되고 있는 만큼 이제는 국내 지층과 시공장비, 말뚝재료에 부합하는 지지력 산정방법의 연구 및 개발도 이루어져야 하는 것이 아닌가하는 아쉬움이 있습니다. 

5. 맺음말

이상으로 국도설계실무요령에 제시된 설계기준을 소개하고 이해를 돕기 위해 약간의 설명을 추가하였다. 설계에 임하면서 상기 기준의 준수만으로도 보편적인 완성이 가능하리라 판단됩니다.

보다 자세한 이해를 위해서는 구조물 기초설계기준과 도로공사 고속도로 설계실무지침서(2008)를 참고하기 바라며 설계는 보편화된 기준을 준수하는 데 그치지 않고 설계자의 판단과 논리적인 근거를 배경으로 시공 과정과 연계된 밑그림을 그리는 사고로 부터 문제점발생시 대책, 설계의 적정성을 판단하게 하는 과정 등 종합적인 고려가 부가되어야 하며 상기 기준을 적합하게 준용하여 현장여건에 부합하는 구조물 기초설계가 이루어지도록 노력하는 과정이 필요한 것으로 사료됩니다. 

참고문헌

- 구조물 기초설계기준 해석, 지반공학회, 2009 
- 국도설계실무요령, 국토해양부, 2008 
- 고속도로 설계실무지침서, 한국도로공사, 2008

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본 글은 [구조물 기초 설계]의 총 20개의 시리즈 중 열세번째 내용입니다.

                                                          ✅ 1. 기초의 종류 및 설계 입문

                                                          ✅ 2. 기초 설계를 위한 지반 조사 및 현장 조사

                                                          ✅ 3. 기초 계획 (1) - 기초 형식 선정 및 일반적인 고려사항

                                                          ✅ 4. 기초 계획 (2) - 기초 시공성에 관한 실무검토 사례 소개

                                                          ✅ 5. 얕은 기초 (1) - 국내외의 지지력 산정

                                                          ✅ 6. 얕은 기초 (2) - 침하량 산정 및 허용침하량 산정

                                                          ✅ 7. 깊은 기초 (1) - 지지력 산정

                                                          ✅ 8. 깊은 기초 (2) - 침하량 산정 및 허용침하량 산정

                                                          ✅ 9. 깊은 기초 (3) - 군말뚝 영향 검토

                                                          ✅ 10. 깊은 기초 (4) - 군말뚝 침하 거동 및 부주면 마찰력의 이해

                                                          ✅ 11. 말뚝 시공법에 의한 분류 및 고찰 (1)

                                                          ✅ 12. 말뚝 시공법에 의한 분류 및 고찰 (2)

                                                                  13. 구조물 기초 설계 기준 및 설계 방법 (현재 읽고 계신 글)

                                                          ✅ 14. 설계 사례 (1) - 현장타설말뚝

                                                          ✅ 15. 설계 사례 (2) - 현장타설말뚝

                                                          ✅ 16. 설계 사례 (3) - PHC말뚝

                                                          ✅ 17. 설계 사례 (4) - 강관말뚝

                                                          ✅ 18. 설계 사례 (5) - 마이크로파일

                                                          ✅ 19. 시공사례소개 - 실패 원인 소개 및 대책

                                                          ✅ 20. 부록 - 말뚝 시공법

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