기 초 공 학 서 론.

Presentation on theme: "기 초 공 학 서 론."— Presentation transcript:

1 기 초 공 학 서 론

2 지반공학 흙의 거동 기초의 설계기준 - 토질역학 - 암반공학 - 기초공학
- 강도(strength) : 지지력, 사면안정, 토압 ▬► Stability (안정성) - 변형(deformation) : 침하, 압밀, 탄소성 변위 ▬► Serviceability (효용성) 기초의 설계기준 - 전단파괴에 대한 안정성 (지지력) - 과도한 침하 방지 (허용 침하량)

3 기초공학 개요 인류문화의 발달과 더불어 더욱 편리한 방법으로 살아갈 수 있는 길을 꾸준히 연구, 그 결과 중 가장 큰 업적이 토목 또는 건축구조물들이다. 흙 이외의 재료로 건설되는 구조물 : 각종 교량, 지하철, 터널, 건물, 콘크리트 댐 등 흙으로 건설되는 구조물 : 흙 댐, 제방, 도로 성토 모두 토목 또는 건축 구조물들은 각 구조물의 지지지반 상태에 따라 가장 경제적이면서도 안정되게 그 기능을 수행할 수 있는 기초에 의해 지지되어야 한다. 기초공학 기술자들의 목표 충분한 지지력과 허용할 수 있는 범위 이내의 침하만을 유발시키면서 가장 경제적인 기초를 설계, 시공하는 것 숙달된 기초설계 기술자가 되기 위해서는, 기초공학, 토질역학, 지질학, 암반역학 등 : 지반 관련 기초지식 구조공학, 콘크리트공학, 수공학 : 기초 상부구조물의 거동 이해 경제학 : 경제적인 설계

4 기초공학에서 다루는 범위 N치와 지반물성의 상관관계 사질토 (양질의 지지층 N≥ 30) Peak (1953) :
• 상부 구조물을 지지하는 기초는 크게 얕은 기초와 깊은 기초로 나눌 수 있다. N치와 지반물성의 상관관계 사질토 (양질의 지지층 N≥ 30) N치 지반상태 상대밀도 (%) 0-4 매우 느슨 0-20 4-10 느슨 20-40 10-30 중간 조밀 40-60 30-50 조밀 60-80 50 이상 매우 조밀 80-100 Peak (1953) : Dunham (1954) : 오자끼식 :

5 기초공학에서 다루는 범위 N치와 지반물성의 상관관계 (2) 점성토 (양질의 지지층 N ≥ 20, qu ≥ 4kg/cm2) N치
연경도 일축압축강도 (kg/cm2) < 2 매우 연약 < 0.25 2 – 4 연약 4 – 8 중간 정도 단단 8 – 15 단단 15 – 30 매우 단단 > 30 견고 > 4.0

6 기초공학에서 다루는 범위 얕은 기초 : 지표면 가까운 깊이에 양질의 지지층이 있는 경우에 사용되는 기초 (확대기초, 전면기초 등) - 확대 기초 - 전면 기초

7 기초공학에서 다루는 범위 얕은 기초 : 지표면 가까운 깊이에 양질의 지지층이 있는 경우에 사용되는 기초 (확대기초, 전면기초 등)

8 기초공학에서 다루는 범위 깊은 기초 : 지표면 가까이에 양질의 지층이 나타나지 않을 때 사용
(현장타설 콘크리트말뚝, PHC 말뚝, 강관말뚝 등) - 말뚝 기초 - 케이슨 기초

9 기초공학에서 다루는 범위 깊은 기초 : 지표면 가까이에 양질의 지층이 나타나지 않을 때 사용
(현장타설 콘크리트말뚝, PHC 말뚝, 강관말뚝 등) (a) 타입말뚝 (b) 매입말뚝 (c) 현장타설말뚝

10 기초공학에서 다루는 범위 토류벽 및 옹벽과 지반굴착 공법 : 지반의 수평 거동을 안정되게 제어
지반개량공법 : 지반의 상태를 보다 낫게 개량 사면안정 문제 : 구조물 아래 부분의 흙 지반이나 암반지반에서의 사면 붕괴 발생가능성 터널 및 지반환경 문제 : 지반공학 (Geotechnical Engineering) - 지반공학은 기초공학의 범위를 확장시킨 개념 - 흙과 암석 모두와 관련된 지반 문제 - 터널이나 지반환경 문제 등

11 기초의 설계과정 ◆ 기초의 설계 순서 상부구조물로부터 전달되는 하중 산정 지반조사 기초의 형식 결정 기초의 규격 결정
설계 시방화 작성

12 기초의 설계과정 일반적인 기초의 설계순서

13 기초의 설계과정 초기 기초구조물의 설계개념 : 주어진 한계를 넘어가지 말아야 하는 한계상태(limit state)의 개념
한계상태: 기능수행 한계상태(serviceability limit state) : - 주어진 여건 하에서 기초가 그 기능을 제대로 발휘할 수 없게 되는 한계상태 극한상태(ultimate limit state) - 구조물이 위험상태에 도달한 상황 - 구조물의 과다한 균열에 이은 부분 또는 전반적인 파괴로 이어지는 상태 허용응력 설계법(Allowable Stress Design method) : 안전율(factor of safety)에 그 기초를 두고 있는 설계법 기초구조물이 지지할 수 있는 극한지지력을 안전율로 나누어서 허용지지력을 결정 - 실제 기초구조물에 가해지는 하중의 조합이 허용지지력 내에 들도록 설계하는 개념 신뢰성 개념에 바탕을 둔 설계법(reliability-based design) : - 위험도(risk)에 기본개념 - 위험도 : 기초구조물이 제대로의 기능을 발휘하지 못할 확률 - 하중저항계수 설계법(load and resistance factor design, LRFD)

14 기초의 설계과정 Load Settlement Geotechnical Ultimate Limit State
설계기준 (Design Criterion) Load Settlement Geotechnical Ultimate Limit State Geotechnical Service Limit State Structural Ultimate Limit State

15 기초의 설계과정 ASD LRFD 허용지지력 Allowable B.C 극한지지력 Ultimate B.C
안전율 Safety Factor LRFD 하중계수 Load factor 공칭하중 Nominal load 저항계수 Resistance factor 공칭저항 Nominal resistance

16 1장 얕 은 기 초

17 1.1 얕은 기초의 개요 및 시공일반 1.1.1 개요 얕은 기초(shallow foundation) : 지표면 부근의 지반이 지반공학적인 측면에서 양호한 상태를 나타내고 있을 경우, 상부구조물에서 전달되는 하중을 확대된 단면을 통해 지표면 혹은 상부지층에 직접 전달시키는 형식의 기초구조물 기초 폭(B)와 근입깊이(Df)의 비가 대체로 1.0 이하인 경우 (Df /B≤1) 1 2 <얕은 기초의 분류> 17

18 1.1.2 기초형식의 분류 및 선정요인 <확대기초>

19 1.1.2 기초형식의 분류 및 선정요인 <얕은 기초 형식 및 용도> 기초형식 기초의 용도 확대기초
가장 일반적인 직접기초 형태로 한 개의 기둥만을 지지하는 경우에 적용 정사각형 독립 확대기초는 정사각형 또는 원형의 기둥을 지지하는데 가장 경제적 직사각형기둥 또는 벽체에 대해서는 직사각형 기초가 경제적 2개의 기둥이 근접하고 있어 독립 확대기초를 2개 설치하기 힘든 경우 기둥이 용지경계선에 극히 접근하고 있어서 독립 확대기초가 인접지를 침범하지 않도록 설치하면 심한 편심이 생겨서 불리한 경우에 적용 기초지반의 지지력이 클 때에는 복합기초보다 캔틸레버식 또는 연결형식인 스트랩(strap)을 사용하는 것이 경제적 연결보인 스트랩이 큰 경우나, 스트랩을 깊은 위치에 시공하여야 하는 경우에는 복합 확대기초가 경제적 전면기초 기초지반의 지지력이 작아서 개개의 확대기초를 하나의 큰 슬래브로 연결하여 지반에 작용하는 단위압력을 감소시키려는 경우에 적용 과도한 침하를 방지하기 위해 사질토 지반인 경우 N치 10이상인 경우에만 적용

20 1.1.2 기초형식의 분류 및 선정요인 <얕은 기초와 깊은 기초의 특성 비교> 기초형식 얕 은 기 초 깊 은 기 초
말 뚝 기 초 케 이 슨 기 초 하중지지개념 연직력 : 저면반력 수평력 : 기초저면의 전단저항 (마찰저항) 연직력 : 선단저항 및 주면마찰저항 수평력 : 말뚝 휨강성 및 주변지반의 수동저항 수평력 : 측면반력 및 전단저항 (마찰저항) 적용기준 심도 : 최대 6.0m 내외 연직하중 : 제한없음 터파기 영향권내 장애물이 없고 시공 중 배수처리가 곤란하지 않 을 것 심도 : 6~12 m 말뚝 1본당 연직하중 기성말뚝 : 1,000kN 내외 현장타설말뚝 : 5,000kN 내외 현장 및 하중조건에 따라 기성말뚝과 현장타설말뚝으로 나누어 적용 심도 : 6~30 m 정도가 일반적 m 이상의 대심도에서도 적 용가능 연직하중 : 15,000 kN 이상 지하수 영향 큰 지역, 하상, 수상 등 특수지역 공법별 구분 독립확대기초 복합확대기초 연속확대기초 켄틸레버확대기초 전면기초 항타말뚝 매입말뚝 속파기말뚝 현장타설말뚝 오픈케이슨 공기케이슨 특수케이슨 강관널말뚝웰

21 1.1.3 시공 일반 얕은 기초의 사용 : 굴착 가능한 저심도 부근에 양질의 지지층이 존재하는 경우 시공 순서 : 흙막이 굴착
본체 시공 되메우기 <기초시공을 위한 터파기> <완성된 확대기초> <기초 콘크리트 타설 방법>

22 1.1.3 시공 일반 <얕은 기초의 시공방법> 기초형식 오픈컷공법 H형말뚝 + 토류판공법 쉬트파일공법 개념도 개요
자연기울기로 터파기 H형말뚝 항타+굴착+토류판 쉬트파일 항타+굴착 장점 공정이 단순, 소음진동이 작음 공사비 저렴, 공기가 짧음 터파기량이 적어 부지활용이 용이 강성이 커 인근벽체 변위 억제 벽체 및 차수겸용 단점 지하수 및 우수에 의한 붕괴우려 지수효과가 적고 차수공법 필요 연약지반 굴착 시 붕괴우려 항타 시 소음, 진동이 크게 발생 공사비 및 공기측면에서 불리 항타 시 소음 진동발생 자갈 및 전석층에 시공곤란 공사비 및 공기 측면에서 불리 대상지역 지하수위가 낮고 굴착심도가 깊지 않은 구간 부지여유가 많은 경우 오픈컷 공법이 불가한 경우 굴착심도가 깊고, 지하수위가 낮은 곳 굴착심도가 깊고, 지하수위가 깊은 곳

23 1.2 얕은 기초의 극한지지력 1.2.1 파괴 형태 <극한 파괴 형상>

24 <모래질 지반에서 원형기초의 파괴모드 (Vesic, 1973)>
1.2.1 파괴 형태 ◆ Vesic(1937)의 모래질 지반에서의 하중 재하 시험 결과 1 암반, 비배수 점성토 지반에 설치된 얕은기초의 경우, 주로 전반 전단파괴 발생 상대밀도가 67%보다 큰 조밀한 사질토지반에 설치된 얕은 기초의 경우, 주로 전반 전단파괴 발생 상대밀도가 30~67% 정도인 느슨~중간 조밀한 사질토 지반에 설치된 얕은 기초의 경우, 주로 국부 전단파괴가 발생 상대밀도가 30% 미만인 매우 느슨한 사질토 지반에 설치된 얕은 기초의 경우, 주로 펀칭 전단파괴가 발생 2 3 4 <모래질 지반에서 원형기초의 파괴모드 (Vesic, 1973)> 24

25 1.2.2 Terzaghi의 극한지지력 ◆ Terzaghi에 의한 지지력 산정이론의 가정사항
기초의 근입깊이는 기초폭보다 작거나 같음 (Df ≤B) 기초저면에는 기초와 지반면 사이에 미끄러짐 현상이 발생하지 않음 기초하부 지반은 균질하며, 지반의 파괴형상은 전반 전단파괴 지반에는 압밀현상이 발생하지 않음 기초는 지반에 비하여 매우 강성이 큼 지표면과 기초 근입깊이 사이의 상재압 구간에서는 전단저항이 발휘되지 않음 기초에 모멘트는 작용하지 않음 2 3 4 5 6 7 25

26 <Terzaghi의 지지력 산정을 위한 지반파괴 현상>

27 1.2.2 Terzaghi의 극한지지력 ◆ Terzaghi에 의한 극한지지력 산정식 (1.1) (1.2) (1.3) (1.4)
여기서, = 지지력계수 = 점착력, 단위중량 = 기초폭 , = 기초형상계수 = 내부마찰각

28 1.2.2 Terzaghi의 극한지지력 ◆ 국부전단파괴시 점착력(c*)과 전단저항각(φ) (1.5)

29 1.2.2 Terzaghi의 극한지지력 <Terzaghi의 지지력 계수>

30 1.2.2 Terzaghi의 극한지지력 <기초형상에 따른 지지력 계수> 기초면의 형상 연속형 정사각형 원형 직사각형
α 1.0 1.3 B/L β 0.5 0.4 0.3 B/L

31 1.2.3 일반적인 극한지지력 공식 ◆ Meyerhof(1963) (1.6) 여기서, = 형상계수 = 깊이계수 = 하중경사계수
여기서, = 형상계수 = 깊이계수 = 하중경사계수 (1.7) (1.8) (1.9) 여기서, = 지지력계수

32 1.2.3 일반적인 극한지지력 공식 ◆ Meyerhof(1963) ① 형상계수 (1.10) (1.11) ② 깊이계수
③ 하중경사계수 ∴αL = 작용하중 방향이 연직면과 이루는 각도 (1.10) (1.11) (1.12) (1.13) (1.14) (1.15)

33 1.2.3 일반적인 극한지지력 공식 <Meyerhof의 지지력 계수>

34 1.2.3 일반적인 극한지지력 공식 계수 관계 출처 형상계수 깊이계수 경사계수 De Beer(1970)
<여러 문헌의 형상계수, 깊이계수, 경사계수> 계수 관계 출처 형상계수 De Beer(1970) Meyerhof(1953) 깊이계수 Hansen(1970) Meyerhof(1963) 경사계수 Meyerhof(1963); Hanna와 Meyerhof(1981)

35 1.2.4 순 극한지지력 ◆ 허용지지력 (1.16) ∴ = 허용지지력, = 극한지지력, = 안전율 ◆ 순 극한지지력
∴ = 허용지지력, = 극한지지력, = 안전율 ◆ 순 극한지지력 (1.17) ∴ = 상재하중 ◆ 강도정수에 직접 안전율을 적용 (1.18) (1.19) ∴ = 점착력과 전단파괴에 대한 안전율 = 1.4~1.6

36 <지하수위와 흙의 단위중량의 보정>
1.3 지하수위를 고려한 얕은 기초의 지지력 <지하수위와 흙의 단위중량의 보정>

37 <편심하중을 받는 기초의 유효크기>
1.4 편심 하중을 받는 기초 <편심하중을 받는 기초의 유효크기> ◆ 극한지지력 (1.20) 여기서, 산정시 유효크기( , )) 사용 산정시 본래의 기초크기( , ) 사용 ◆ 극한하중 : (1.21)

38 <편심하중을 받는 기초의 압력분포>
1.4 편심 하중을 받는 기초 <편심하중을 받는 기초의 압력분포> (a) 일 때, * 최대압력 : * 최소압력 : (1.22) (1.23)

39 <편심하중을 받는 기초의 압력분포>
1.4 편심 하중을 받는 기초 <편심하중을 받는 기초의 압력분포> (b) 일 때, (1.24)