1. 말뚝 본체의 허용압축하중
1) 현장타설말뚝 재료의 허용압축응력
일반적으로 말뚝의 구조재로서 허용압축하중은 말뚝재료의 허용압축응력에 말뚝의 유효단면적을 곱한 값을 기본으로 한다. 현장타설말뚝의 경우 말뚝재료의 허용하중은 콘크리트부위와 보강재(철근 등)부위로 구분하여 두 부분의 허용하중을 각각 산정한 다음 이 두 값을 합하여 결정한다.
(1) 현장타설말뚝 재료는 땅 속에서 타설되기 때문에 기성 콘크리트말뚝 보다 품질면에서 열악하며 따라서 말뚝재료의 허용압축응력을 산정하는데 몇 가지 제약을 갖는다. 지하수가 없는 건조한 상태에서 정밀한 품질관리를 실시하며 콘크리트를 타설하는 경우에는 기성콘크리트말뚝에서와 같이 콘크리트 압축강도의 최대 25%까지를 허용압축응력으로 하나 좁은 구멍내에서 작업으로 품질관리나 검사가 지상구조물에 비해 원활하지 않은 경우 콘크리트의 압축응력은 지상에서 시공하는 값의 90%로 하여 그 값이 8.5MPa를 초과하지 않도록 한다. 콘크리트 타설조건상 지하수가 존재하는 상태에서 정밀한 품질관리를 실시하며 콘크리트를 타설하는 경우에는 아래 표에 따른다.
수중에서 시공하는 현장타설말뚝의 콘크리트 허용응력(MPa)
(2) 보강 철근의 허용압축응력은 항복강도의 40%로 한다.
2) 장경비에 의한 지지하중 감소
긴말뚝은 연직으로 곧게 세우기 어려워서 편심 혹은 휨이 일어날 가능성이 많다. 현장타설 콘크리트 말뚝은 말뚝이 긴 경우의 콘크리트 단면 및 품질 균질성 유지의 어려움 등 여러 요인이 말뚝의 허용응력의 감소요인이 된다. 이러한 감소요인은 말뚝길이가 같을 경우 직경이 작을수록 더 큰 감소량을 나타낼 것이므로 감소율은 장경비 L/D에 비례한다. 따라서 장경비가 큰 말뚝은 아래의 식을 적용하여 말뚝재료의 허용응력을 감소시켜 적용한다.
※ 주) 장경비에 의한 말뚝재료의 허용응력 감소를 감안하더라도, 장경비의 상한계 이상의 긴 말뚝은 설계하지 않는 것이 좋다.
2. 말뚝지반의 허용압축지지력 산정시 고려사항
1) 지반의 축방향 허용압축지지력은 다음 사항을 고려하여 결정한다.
- 외말뚝조건에서 지반의 축방향 허용압축지지력은 축방향 극한압축지지력을 소정의 안전율로 나눈 값으로 한다.
- 안전율은 축방향 극한압축지지력을 산정하는 방법의 신뢰도에 따라 적절한 값을 적용한다.
- 일정규모 이상의 공사에서는 시험말뚝을 설치하고 압축재하시험을 실시하여 지반의 축방향 극한압축지지력을 확인한다.
- 공사 규모가 작거나 제반 여건상 시험말뚝 시공과 압축재하시험이 곤란한 경우에는 지반조사와 토질시험 결과를 이용한 정역학적 지지력공식을 이용하거나 표준관입시험, 정적관입시험, 공내재하시험 등과 같은 원위치시험 결과를 이용한 경험식에 의하여 축방향 극한압축지지력을 계산할 수 있다. 그러나 이들 방법의 신뢰도는 극히 낮기 때문에 공사 초기에 실제 말뚝을 대상으로 압축재하시험을 실시하여 축방향 허용압축지지력을 확인한다.
2) 말뚝 본체의 자중을 고려한 외말뚝의 축방향 허용지지력Qa는 아래 식에 의하여 산출한다.
말뚝 본체의 자중이 큰 경우(대구경 현장타설 말뚝 등)에는 말뚝으로 치환되는 부분에 해당하는 흙의 중량 Ws를 지지력으로 이용할 수 있다. 따라서, 흙의 중량은 안전율 대상에서 제외하며 말뚝자중(부력을 제외한 값)과 말뚝 내부 흙의 유효중량 W를 빼주어야 한다. 그러나 Ws, W는 일반적으로 고려하지 않는다.
3. 현장시험결과를 이용한 말뚝지지력 추정
현장타설말뚝은 지반을 굴착하여 만든 연직 구멍 속에 콘크리트를 쳐서 만든 기초형식이므로 말뚝주변과 선단지반을 이완시키는 경향이 있다. 그러므로 타격에 의해 지반을 다지면서 시공되는 말뚝기초와 비교하면 하중-침하곡선의 강성도 낮고 지지력도 저하되는 경향이 있다.
따라서 일정규모 이상의 공사에서 현장타설말뚝의 허용지지력은 말뚝부재의 허용축력 이하로 하되 시험시공 및 재하시험을 실시하여 최종 허용지지력을 결정하여야 한다. 공사규모가 작으며 제반여건상 시험시공과 재하시험이 곤란한 경우에는 현장 토질조사와 시험에서 측정된 각종 토질상수를 사용하여 말뚝의 허용지지력을 구하는 정역학적 지지력 공식이나 SPT 결과를 이용한 식으로 허용지지력을 산정할 수 있다. 그러나 이 경우에도 공사초기에 시험시공 및 재하시험을 실시하여 허용지지력을 확인하도록 한다.
일반적으로 땅속은 온도가 일정하고, 항상 습윤 상태를 유지하므로 좋은 양생조건이 되어 높은 압축강도를 얻을 수 있다. 그러나 항상 품질관리에 유의하여야 하며, 특히 지하수의 흐름이 빨라 아직 굳지 않은 콘크리트를 침식할 우려가 있는 투수층을 관통하는 경우에는 그 영향을 고려하여야 한다. 또한 실제로 콘크리트를 타설시 공벽이 붕괴되어 주변 흙이 콘크리트에 흡입되는 등의 원인으로 콘크리트 강도의 편차가 크게 나타나고 있으므로 콘크리트의 허용압축강도를 상부구조에 비해 작은 값을 사용한다.
표준관입시험 N값을 기준으로 현장타설말뚝의 지지력을 산정할 때는 아래의 식과 표를 이용하여 구하며, 안전율 3.0이상을 사용한다.
4. 암반에 근입된 현장타설말뚝의 지지력
기초 암반 위 또는 암반속으로 근입하여 설치한 현장타설말뚝은 고층빌딩이나 중요산업시설 및 교량과 같이 큰 하중을 받는 경우에 보편적이고 효과적인 기초형식이다. 현장타설말뚝의 극한지지력은 일축압축강도를 토대로 제안된 경험식인 아래 표를 참고로하여 선단지지력과 주면마찰력을 추정할 수 있다.
지지층 암반의 극한파괴강도를 구할 수 있을 때는 극한파괴강도의 20％를 최대 허용지지력으로 볼 수도 있다. 실제로 지중의 암반의 강도는 현장에서 채취한 작은 직경의 암코아를 사용하여 실험실에서 측정한 값과는 상당한 차이를 보이고 있으므로 압축시험결과 측정한 강도는 암반의 균열, 절리 및 구조적인 불연속성 등에 따른 영향을 반영하기 위하여 소정의 감소율을 곱하여 사용하여야 한다.
즉 암코아의 일축압축 시험강도는 보통 시험치의 1/5 내지 1/8을 허용지지력으로 본다. 그러나 실제 설계시에 가장 합리적인 감소율을 선정하는 일은 고도의 전문지식과 경험을 요하는 부분이다. 현장타설말뚝을 암반속으로 관입시켰을 때에는 주면마찰력을 고려할 수 있으나, 현장시험에 의하지 않을 경우에는 신빙성 있는 허용부착응력(fs)을 구하기가 어렵다.
특히, 주면마찰력은 암반 굴착면의 거칠기에 따라 크게 차이가 나는 것으로 많은 국내외 연구결과에서 보고하고 있으며 FHWA (1999), Canadian Foundation Engineering Manual (2006)의 국외 기준에는 마찰계수(μ)를 암반 소켓면의 거칠기 상태에 따라 0.63∼1.90 정도를 달리 적용하고 있다. 암반 굴착면 거칠기를 지지력에 반영하기 위해서는 불규칙적으로 분포된 암반 굴착면 거칠기를 일정한 값으로 대표되는 정량화된 값으로 나타내야 하는데 여러 통계적 방법들이 제안되었으나 아직 확립된 방법은 없는 상태이다.
이들 산정식의 국내 암반 적용성 검토를 수행한 보고된 연구 결과, 암반과 현장타설 말뚝 주면의 단위면적당 극한 마찰력 산정을 위해 여러 제안식 중에서 FHWA(1999)에서 제안한 식이 적합 것으로 평가된다.