기술사가 알려주는, '부마찰력' 총정리!
오늘은 부마찰력에 대하여 포스팅 해보고자 합니다.
부마찰력은 말뚝기초의 지지력에 영향을 미쳐 구조물의 안전성을 저해할 수 있으므로 철저한 관리가 필요합니다.
부마찰력과 관련 용어의 정의, 문제점, 발생원인, 대책에 대해 자세히 설명드리겠습니다.
부마찰력, 정마찰력, 중립점의 정의
부마찰력 (부주면 마찰력 - Negative skin friction)
말뚝이 타입된 지반이 연약한 경우에는 지반의 침하나 압축으로 인해 말뚝 주면에 아래 방향으로 특정한 점까지 말뚝을 끌어내리는 힘이 작용합니다. 이때 말뚝 주면에 작용하는 전단응력이 아래 방향으로 작용하는데, 이것을 부주면 마찰력이라고 합니다.
정마찰력 (정주면 마찰력 - Positive skin friction)
반면에 말뚝이 견고한 암반층에 위치한다면 말뚝의 하향 이동은 말뚝의 압축성 때문에 발생하게 됩니다. 이 경우에는 말뚝 주면에서 위 방향으로 작용하는 전단응력이 발생하는데, 이것을 정주면 마찰력이라고 합니다.
중립점 (Neutral point)
말뚝과 지반 사이의 상대적인 움직임이 0인 지점을 중립점이라고 합니다. 이것은 부주면 마찰력과 정주면 마찰력이 상충하는 특정한 지점으로, 중립점 이전까지는 부주면 마찰력이 지반의 침하로 인해 작용하게 되고, 중립점 이후부터는 정주면 마찰력이 말뚝의 하향 이동으로 인해 작용하게 됩니다. 따라서 중립점은 말뚝과 지반의 상대적인 움직임이 0이 되는 깊이에 위치하게 됩니다.
부마찰력 발생시 문제점
- 비용증가 : 부마찰력으로 인해 말뚝의 지지력이 설계기준치 미달로 재시공 비용이 발생할 수 있습니다.
- 기초 파손 : 말뚝의 침하량이 증가할 수 있으며, 이로 인해 말뚝 두부와 기초 연결부의 파손이 유발 될 수 있습니다.
- 말뚝 파손 : 말뚝의 축하중이 증가하며, 말뚝 이음부 파손이 발생할 수 있습니다.
- 구조물 붕괴 : 구조물의 침하 또는 부등침하 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
부마찰력 발생 원인
지반의 연약한 지반층 : 말뚝이 연약한 지반층에 설치되면, 지반은 압축 및 침하되어 부주면 마찰력이 발생합니다.
되메우기나 치환상태 불량 지역에 항타시 : 말뚝 설치를 위해 지반을 파내는 과정에서 되메우기나 치환상태 불량 지역을 만나면, 지반의 압축성이 감소하여 부주면 마찰력이 발생합니다.
말뚝 간격 조밀화 : 간격이 너무 조밀하면, 인접 말뚝들이 서로 영향을 미치면서 지반의 압축성이 감소하고 부마찰력이 발생합니다.
진동에 의한 압밀침하 : 말뚝을 항타하는 과정에서 진동기계를 사용하면, 지반의 압축성이 감소하고 부마찰력이 발생할 수 있습니다.
함수율이 큰 지반 : 함수율이 큰 지반일수록 부주면 마찰력이 증가합니다.
피압수의 영향 : 지반 내부의 물의 움직임에 의해 발생하는 피압수가 부주면 마찰력을 증가시킬 수 있습니다.
지표면에 과적재물이 장기적재된 경우 : 지표면에 과적재물이 장기적재되면, 지반이 압축되면서 부주면 마찰력이 발생할 수 있습니다.
말뚝이음부의 단면적이 기존말뚝의 단면적보다 클 때
부마찰력 방지대책
- 항타 이전에 연약지반을 개량하여 지지력 확보
- 치환공법, 재하공법, 혼합공법 등 사용
- Pile 표면적을 적게 하여 마찰력을 감소시킨다.
- 말뚝에 진동을 주지 말 것
- 지하수위를 저하시켜 수압변화 방지
- 중력배수공법, 강제배수공법, 전기침투공법 등 사용
- 내외관을 분리한 sliding 방식의 이중관말뚝 시공
- 지표면에 하중 금지로 압밀침하 억제
- 말뚝이음부의 단면적을 기존 말뚝의 단면적과 동일하게 시공하여 마찰력 감소
- 말뚝의 길이를 최소화
- 군(무리)말뚝 시공
- 말뚝 표면에 역청재(asphalt, Slip layer compound 등) 시공
SL (Slip Layer) Compound 공법 이란
말뚝 표면에 점탄성 재료인 SL Compound를 도포하여 말뚝에 작용하는 부마찰력의 크기를 감소시키는 방법으로 제조 후 도포층은 탄성적 거동을 하나, 시공 후 점성체가 되어 전단저항을 감소시킨다.
부마찰력은 허용지지력을 감소시키지 않는다?
여기 부마찰력에 대한 새로운 관점을 제시한 논문이 있어 소개합니다.
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