말뚝

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1. 개요
2. 분류
- 2.1. 제조 방식에 따른 분류
- 2.2. 재료에 따른 분류
  - 2.2.1. 기성말뚝
  - 2.2.2. 현장말뚝
3. 공법
4. 말뚝에 작용하는 하중
5. 지지력
6. 지지력 저하
7. 군항의 지지력
8. 부마찰력
참조

1. 개요

말뚝은 건축 구조물의 기초를 형성하는 데 사용되는 구조 부재로, 제조 방식과 재료에 따라 분류된다. 제조 방식에 따라 기성말뚝과 현장말뚝으로 구분되며, 기성말뚝은 공장에서 제작되어 현장으로 운반, 설치되고 현장말뚝은 현장에서 구멍을 뚫어 철근과 콘크리트를 채워 제작된다. 재료에 따라 나무, 콘크리트, 강재 말뚝 등으로 나뉘며, 각 재료는 특정한 장단점을 가지고 특정 환경에 적합하다. 말뚝은 지지력을 확보하기 위해 다양한 공법으로 시공되며, 말뚝에 작용하는 하중과 지지력, 그리고 말뚝의 지지력을 감소시키는 요인과 부마찰력 등이 고려되어야 한다. 여러 개의 말뚝을 근접하여 설치하는 군항의 경우, 개별 말뚝의 지지력이 감소하는 현상을 고려하여 설계해야 한다.

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말뚝
개요
건설 현장의 항타기
정의	구조물의 하중을 지지하는 데 사용되는 기둥 또는 기둥 형태의 구조 부재
종류	나무 강철 콘크리트
상세 정보
기능	연약 지반을 관통하여 단단한 지반이나 암반층까지 하중 전달 압축력, 인장력, 횡력에 저항
설치 방법	항타: 해머로 말뚝을 땅속에 박는 방법 압입: 유압 장비로 말뚝을 땅속에 밀어 넣는 방법 굴착 후 삽입: 땅을 파고 말뚝을 넣은 후 되메우기하는 방법
장점	다양한 지반 조건에 적용 가능 높은 하중 지지력 내진 성능 향상
단점	시공 비용이 높음 소음 및 진동 발생 시공 과정에서 지반 교란 가능성
설계 고려 사항
지반 조사	지반의 종류, 강도, 지하수위 등을 파악 말뚝의 종류 및 길이 결정
하중 계산	구조물로부터 전달되는 하중을 정확하게 계산 안전율 고려
말뚝 간격	말뚝 간의 상호 작용 고려 경제적인 간격 설정
시공 방법	지반 조건 및 말뚝 종류에 적합한 시공 방법 선택 시공 중 품질 관리 철저
관련 용어

2. 분류

말뚝은 크게 제조 방식과 재료에 따라 분류할 수 있다. 제조 방식에 따라서는 공장에서 제작되어 현장으로 운반되는 기성말뚝과, 현장에서 땅에 구멍을 뚫고 철근과 콘크리트를 채워 만드는 현장말뚝으로 나뉜다. 재료에 따라서는 나무 말뚝, 콘크리트 말뚝, 강재 말뚝 등으로 분류된다.^[2]^[3]

2. 1. 제조 방식에 따른 분류

기성말뚝은 공장에서 제작된 후 현장으로 운반되어 설치되는 말뚝이다. 현장말뚝은 현장에서 땅에 구멍을 뚫고 철근과 콘크리트를 채워 제작하는 말뚝이다.

2. 2. 재료에 따른 분류

말뚝 기초에 사용되는 말뚝은 재료에 따라 나무 말뚝, 콘크리트 말뚝, 강재 말뚝으로 분류할 수 있다.^[2]^[3]

나무 말뚝: 나무로 만든 말뚝을 말한다. 대한민국에서는 주로 소나무가 사용되었다. 오다이바의 소나무 말뚝,^[6]^[7]^[8] 마루 빌딩의 소나무 말뚝,^[10]^[11] 요시노강 수계의 이오카와 제1수문의 소나무 말뚝,^[13] 히비야 공회당의 소나무 말뚝 등이 사용되었다. 에도 시대 말기에 건조된 시나가와 포대^[9]의 기초는 현재에도 사용되고 있다. 지하수위 아래에서는 부패하지 않고 장기간 사용 가능하다.

콘크리트 말뚝: 콘크리트로 만든 말뚝이다. 공장 등에서 제작된 기성 콘크리트 말뚝과, 미리 굴착한 보링 구멍에 콘크리트를 주입하는 현장 타설 콘크리트 말뚝으로 분류된다.^[2]^[15] 기성 콘크리트 말뚝에는 철근 콘크리트 말뚝(RC 말뚝)과 프리스트레스트 콘크리트 말뚝(PC 말뚝)이 있으며, 강도와 내구성이 뛰어나다.
강재 말뚝: 강관 말뚝, H형강 말뚝으로 분류된다. 굳은 지층 관통에 유리하고 이음 신뢰성이 높다.

2. 2. 1. 기성말뚝

원심력 철근콘크리트 말뚝(RC 말뚝)
* 중간 정도 굳기의 지층에는 불리하다.
* 말뚝 이음 신뢰성이 낮다.
* 항타 시 편심 타격이나 과도한 타격 에너지로 인해 두부 손상 가능성이 있다.
프리스트레스트 콘크리트 말뚝 (PC 말뚝)
* 말뚝 이음 신뢰성이 높다.
* 프리스트레스에 의해 인장 파괴가 일어나지 않는다.
* 대구경 제조가 가능하다.

강관 말뚝
* 굳은 지층 관통이 가능하다.
* 이음 신뢰성이 높다.
* 강도가 크다.
* 대구경 제조가 가능하다.
* 부식 대책으로 두꺼운 강관을 사용하거나, 표면 도료칠, 전기 방식을 할 수 있다.
H형 PC 말뚝
* 주택이나 아파트 등의 소규모 건축물용으로 개발되었으며, 건축 기술 성능 증명을 취득하여 사용되고 있다.
* 특히 부식토층이나 복류수가 있는 토양에서는 고화 불량의 우려가 없기 때문에 자주 사용된다.
* 타설 속도가 빠르기 때문에(말뚝의 총 길이: 250m/일 - 350m/일) 아파트이나 상점의 지반 보강 공사에 많이 사용된다.

2. 2. 2. 현장말뚝

현장말뚝은 현장에서 직접 구멍을 뚫고 철근과 콘크리트를 채워 제작하는 말뚝이다. 현장말뚝의 종류는 다음과 같다.

기계굴착 공법
베노토 공법(benoto 공법, all casing)
어스 드릴 공법(Earth drill 공법, Calwelde drill)
RCD 공법(Reverse Circulation Drill)
관입공법
프랭키 파일(Franky pile)
레이몬드 파일(Raymond pile)
페데스탈 파일(Pedestal pile)
기타
CIP(Cast In Place pile)
MIP(Mixed In Place pile)
PIP(Packed In Place pile)

3. 공법

나무 말뚝은 나무로 만든 말뚝으로, 건축물의 기초를 튼튼하게 하기 위해 사용된다. 역사적으로 매우 오래되었으며, 기원전 5000년 전의 말뚝 집 유적이 발견되기도 했다. 알프스 산맥 주변의 선사 시대 말뚝 집 군은 세계 유산으로도 지정되어 있다.^[4] 베네치아 또한 나무 말뚝을 사용하여 건설된 도시로 유명하다.^[5]

일반적으로 나무는 금속이나 돌보다 썩기 쉽다고 생각하지만, 땅속 물보다 아래에 묻힌 나무는 오랫동안 썩지 않고 잘 보존되는 경우가 많다. 이는 목재 부후균이 산소를 필요로 하기 때문이다. 따라서 나무 말뚝도 적절한 환경에서 사용하면 오랫동안 사용할 수 있다.

다음은 나무 말뚝이 오랫동안 사용된 예시들이다.

오다이바의 소나무 말뚝: 에도 시대 말기에 만들어진 시나가와 포대의 기초로 사용되었으며, 현재까지도 사용되고 있다.^[6]^[7]^[8]^[9]
마루 빌딩의 소나무 말뚝: "놀라울 정도로 신선한 상태"로 회수되었다고 한다.^[10]^[11]^[12]
요시노강 수계의 이오카와 제1수문의 소나무 말뚝: 80년이 지나도 거의 썩지 않았다고 한다.^[13]
히비야 공회당: 약 18미터 길이의 소나무 말뚝 2,200개가 사용되었다.

나무 말뚝을 사용할 때는 땅속 물 아래에 설치하여 항상 물에 잠겨 있도록 하는 것이 중요하다. 만약 물에 잠겨 있지 않은 경우에는 방부 처리를 해야 한다. 소나무 말뚝이 많이 사용되지만, 다른 종류의 나무도 사용될 수 있다. 소나무는 다른 침엽수에 비해 단단하여 시공하기 좋기 때문에 많이 사용된다.

콘크리트 말뚝은 공장에서 만든 기성 콘크리트 말뚝과 현장에서 직접 콘크리트를 부어 만드는 현장 타설 콘크리트 말뚝으로 나뉜다. 기성 콘크리트 말뚝은 공장에서 만들어져 운반되기 때문에 길이에 제한이 있다. 현장에서 여러 개를 연결할 때는 용접 이음이나 무용접 이음을 사용한다. 무용접 이음은 용접 장비가 필요 없고, 날씨나 작업자의 숙련도에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다.

소규모 건축물에는 H형 PC 말뚝 압입 공법이 사용되기도 한다. 이 공법은 부식토층이나 복류수가 있는 곳에서도 사용할 수 있으며, 시공 속도가 빠르다는 장점이 있다.

3. 1. 기성말뚝 공법

말뚝을 지반에 설치하는 방법에는 크게 매입공법과 타입공법이 있다. 매입공법은 말뚝을 지반에 압입하거나, 미리 구멍을 뚫은 후 말뚝을 설치하는 공법이다. 타입공법은 말뚝을 지반에 타격하거나 진동시켜 설치하는 공법이다.

매입공법
압입공법
프리보링(pre boring) 공법
SIP(Soil cement Injected Precast pile) 공법: 소음과 진동이 없는 공법이다.
타입공법
타격공법
디젤 해머: 타격력이 우수하고 기동성이 좋다. --
진동공법
진동 해머: 말뚝을 뽑아낼 수 있고, 소음이 없으며, 시공 속도가 빠르다.
진동해머(vibro hammer)

기성 말뚝은 공법과 말뚝의 종류(콘크리트 말뚝, 강관 말뚝 등)에 따라 시공 가능한 길이가 달라진다. 주로 3점식 항타기에 어스 오거를 설치하여 시공한다.

압입 공법
타격 공법
프리보링 공법
중굴 공법
회전 공법

3. 2. 현장말뚝 공법

현장 타설 말뚝은 굴착한 지반에 철근을 넣고 콘크리트를 부어 굳혀서 만든다.^[1] 지면 굴착 방법에 따라 공법이 달라지며, 시공 가능한 말뚝 길이에 영향을 준다.^[1]

기계굴착 공법
* 베노토 공법
* 어스 드릴 공법
* 리버스 공법

관입공법
* Franky pile
* Raymond pile
* Pedestal pile

기타
* CIP (Cast In Place pile)
* MIP (Mixed In Place pile)
* PIP (Packed In Place pile)

3. 3. 일본의 말뚝 공법 (참고)

압입 공법
타격 공법
프리보링 공법
중굴 공법
회전 공법

4. 말뚝에 작용하는 하중

말뚝에는 축하중(압축력, 인장력)과 수평하중이 작용한다. n개의 말뚝으로 이루어진 말뚝기초에서 말뚝 하나가 받는 축하중은 다음 식으로 구한다.

:P_i = P/n ± M_y/Σx_i² x_i ± M_x/Σy_i² y_i

P : 연직하중의 합력(사하중 + 활하중)
M_x, M_y : x축, y축에 대한 모멘트 (편심하중에 의한 모멘트는 각 축에서 편심하중 P까지의 수직거리를 곱해준다)
x_i, y_i : i번째 말뚝에서 x, y축까지의 거리

각 말뚝이 받는 수평하중은 기초에 작용하는 수평하중 H를 말뚝 개수 n으로 나눠주면 된다.

:H_i = H/n

상부 구조물의 수평하중이 말뚝에 전달되는 경우를 '''주동말뚝'''이라고 하고, 주변 지반 변형이 말뚝에 하중으로 작용하는 경우를 '''수동말뚝'''이라고 한다.^[1]

5. 지지력

말뚝의 축방향 극한 지지력 Q_u는 말뚝 극한 선단지지력 Q_p와 극한주면마찰저항력 Q_s의 합과 같다.^[1]

:Q_u = Q_p + Q_s

말뚝의 지지력을 구하는 공식에는 동역학적 지지력 공식과 정역학적 지지력 공식이 있다. 사질토 지반에는 동역학적 지지력 공식이 적합하고, 점성토 지반에는 정역학적 지지력 공식을 사용한다. 공식 외에 항타분석기(PDA; Pile Driving Analyzer)를 통해 지지력을 구하는 방법도 있다.

6. 지지력 저하

말뚝의 지지력은 다음 원인으로 저하될 수 있다.^[1]

말뚝 이음
말뚝 침하

7. 군항의 지지력

여러 개의 말뚝을 근접하여 설치한 경우, 각 말뚝의 지지력은 단독 말뚝(단항)에 비해 감소할 수 있다. 이를 군항(무리말뚝) 효과라고 한다. 일반적으로 말뚝은 여러 개를 설치하는데, 이때 지지력을 감소시켜서 볼지(군항으로 볼지), 감소시키지 않고 볼지(단항의 집합으로 볼지)는 다음 식으로 정한다.^[1]

: $S < 1.5 \sqrt{rL}$

r : 말뚝 반경
L : 말뚝 길이

군항의 허용 지지력

R_{ag}

은 단항의 허용 지지력

R_a

에 말뚝 개수 N을 곱한 값이 아니다. 말뚝으로부터의 지중 응력이 중복되어 말뚝 한 개당 지지력이 약화되기 때문이다. 따라서 무리말뚝의 효율 E를 고려하여 다음과 같이 계산한다.^[1]

:

R_{ag}=E \Sigma R_a

마찰말뚝의 경우 극한지지력을 이용하여 식을 나타낼 수 있다.

:

Q_{ug}=E \Sigma Q_u

단일 말뚝의 주면 마찰저항력 Q_u는 p가 윤변,

f_{s(avg)}

가 평균 단위주면마찰저항력이라 할 때, 다음과 같다.

:

Q_u = p L f_{s(avg)}

블록으로 작용하는 경우 주면마찰저항력 Q_ug는 m이 말뚝의 열수, n은 한개 열의 말뚝 수라 할 때, 다음과 같이 나타낼 수 있다.^[1]

:

\begin{align} Q_{ug} & = p_g L f_{s(avg)} \\& = \left[2(m-1 +n-1)S + 8\frac{D}{2} \right]L f_{s(avg)} \\& = [2(m+n-2)S + 4D]L f_{s(avg)} \end{align}

:

\begin{align} \therefore E & = \frac{Q_{ug}}{\Sigma Q_u} = \frac{[2(m+n-2)S + 4D]L f_{s(avg)}}{mnpLf_{s(avg)}} \\& = \frac{2(m+n-2)S + 4D}{mnp} \end{align}

Converse-Labarre의 저감식을 사용하여 군항의 효율 E를 계산할 수도 있다.^[2]

:

E=1-\phi \frac{(m-1)n+(n-1)m}{90mn}

:

\phi =tan^{-1}\frac{D}{S}

D : 말뚝의 직경
S : 말뚝 중심간의 간격

사질토에 타입된 마찰말뚝이나, 암반에 근입된 마찰말뚝은 효율 E를 1로 한다. 반면 사질토나 점토에 매입된 말뚝은 위 식에 따라 무리말뚝의 효율이 달라진다.^[3] 특히 점토지반에 근입된 무리말뚝의 극한지지력 Q_ug는 다음 두 값 중 작은 값을 선택한다. 여기서 c_u(b)는 말뚝 저면의 점토층 비배수전단강도이다.^[3]

단일말뚝의 극한지지력 Q_u총합 $(\Sigma Q_u = mn(Q_p + Q_s) = mn(q_p A_b + \Sigma f_s A_s = mn(9c_{u(b)} A_b + \Sigma \alpha c_u p L)$
무리말뚝의 영역을 블록으로 봤을 때의 극한지지력 $( Q_{ug} = Q_{pg} + Q_{sg} = q_p A_b + \Sigma c_u p_g \Delta L = c_{u(b)} N_c^* (B_g \cdot L_g) + \Sigma c_u \cdot 2(B_g + L_g)\Delta L)$

8. 부마찰력

주변 지반이 말뚝보다 더 많이 침하하여 상향으로 작용해야 하는 주면 마찰력이 아래쪽으로 작용하는 경우가 생기는데 이때의 마찰력을 '''부마찰력'''(negative friction) 또는 '''부주면마찰력'''이라 한다.^[1] 부마찰력은 말뚝을 아래쪽으로 끌어내린다.^[2]

$R_{nf}=U\cdot l_c\cdot f_s$

U : 말뚝의 주변장 $(U=\pi D)$ (D : 말뚝 직경)
$l_c$ : 관입 깊이
$f_s$ : 말뚝의 평균 마찰력 또는 일축 압축 강도의 절반값 $\left( f_s=\frac{q_u}{2} \right)$

부마찰력은 다음과 같은 경우에 발생한다.

압밀층을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 박는 경우
연약 지반을 관통하여 말뚝을 박고 그 위에 성토하는 경우
연약 지반을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 박는 경우
지하수위 하강
말뚝 항타 후 지반의 간극수압이 상승하는데(과잉간극수압 발생) 나중에 과잉간극수압이 다시 떨어져 원래대로 돌아오는 경우

부마찰력을 방지하기 위한 대책은 다음과 같다.

표면적 큰 말뚝 사용(H형강 말뚝)
말뚝 표면 역청재 도포
말뚝 직경보다 크게 pre boring

참조

_[1] 웹사이트 地盤用語大辞典 http://www.tobu21.co[...] 株式会社東部 2013-01-29
_[2] 웹사이트 第2章杭基礎の分類と一般的な特徴 http://kaihoufc.com/[...] 一般財団法人建設物価調査会 2013-02-17
_[3] 웹사이트 建築基礎構造講義(13) http://www.archi.hir[...] 近畿大学工学部 2013-02-17
_[4] 웹사이트 イタリア世界遺産の旅 http://www.japanital[...] JITRA 2013-01-29
_[5] 웹사이트 ヴェネツィアの都市計画（水上環境共生都市の特徴） http://www.recycle-s[...] 特定非営利活動法人リサイクルソリューション 2013-02-13
_[6] 웹사이트 東京品川台場-資料編- http://www.umeshunky[...] 社団法人日本埋立浚渫協会 2013-01-29
_[7] 웹사이트 東京湾海堡ファンクラブニュースNO.12 http://kaihoufc.com/[...] 東京湾海堡ファンクラブ 2013-01-29
_[8] 웹사이트 石垣の下に残る松杭の列 http://www.nikkenren[...] 社団法人日本土木工業協会 2013-01-29
_[9] 웹사이트 お台場 http://www.egawatei.[...] 財団法人江川文庫 2013-01-29
_[10] 웹사이트 総数5443本 http://www.miniikou.[...] 三菱地所 2013-01-29
_[11] 웹사이트 松杭とは http://www8.plala.or[...] 九州パイリング 2013-01-29
_[12] 웹사이트 東京丸の内ビルディングのアート http://www.art-inter[...] アールアンテル 2013-01-29
_[13] 웹사이트 樋門基礎杭として 80 年以上経過したマツ材の性能 http://www.pref.toku[...] 徳島県 2013-01-29
_[14] 웹사이트 樋門基礎杭として 80 年以上経過したマツ材の性能 http://www.pref.toku[...] 徳島県 2013-01-29
_[15] 서적 共立建築新辞典共立出版 2013-02-15
_[16] 문서
_[17] 웹사이트 ペアリングジョイント無溶接継手杭 http://www.manac-net[...] マナック 2020-08-22
_[18] 서적 基礎工5月号 종합토목연구소 2013-02-15
_[19] 웹사이트 JIS A 7201 遠心力コンリートくいの施工標準の改訂について http://www.c-pile.or[...] 社団法人コンクリートパイル建設技術協会 2013-02-17

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