말뚝 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:Pile Driving 2.jpg|500px|right]]
'''말뚝'''(pile)은 [[땅]]에 박기 위하여 한쪽 끝을 삐죽하게 만든 [[기둥]]이나 몽둥이 모양의 [[물건]] 또는 그것을 땅에 박아 놓은 것을 가리키는 단어이다. 말뚝은 [[건물]]이 가라앉거나 무너지지 않게 하는 역할을 한다. 건물의 기초가 땅 위 상층부를 지지하기에 너무 약하면 말뚝을 사용해서 구조물의 무게를 지하의 단단한 흙이나 암반으로 전달하면 된다. [[마천루]]와 같은 고층 건물의 기초는 지하 60m까지 말뚝을 박는 경우도 있다.

== 분류 ==
* 기성말뚝 : 공장 제작, 현장으로 운반하여 설치되는 말뚝
* 현장말뚝 : 현장에서 땅에 구멍을 뚫고 철근과 콘크리트를 채워 제작하는 말뚝

=== 기성말뚝 ===

*원심력 철근콘크리트 말뚝
**중간정도 굳은 지층에 불리
**말뚝 이음 신뢰성 낮음.
**항타 시 편심 타격으로 두부 손상 가능.
**타격 해머 무게, 타격 에너지 과다로 두부 손상 가능.
* [[프리스트레스트 콘크리트]] 말뚝
**말뚝 이음 신뢰성 높음
**프리스트레스에 의해 인장파괴 일어나지 않음.
**대구경 제조 가능.

[[파일:Steel Piling Filled With Impacted Concrete, 5-14-68 (16380494245).jpg|섬네일|400x400픽셀|강관말뚝]]

* 강관말뚝
**굳은 지층 관통 가능.
**이음 신뢰성 높음.
**강도 큼
**대구경 제조 가능.
**부식 대책으로 두꺼운 강관을 쓰거나, 표면 도료칠, 전기 방식을 할 수 있음.

== 공법 ==
=== 기성말뚝 공법 ===
* 매입공법
** 압입공법
** pre boring
** SIP(Soil cement Injected Precast pile) : 무소음, 무진동 공법.
* 타입공법
** 타격공법
***디젤 해머 : 타격력 우수. 기동성 좋음.
** 진동공법
***진동 해머 : 말뚝 인발 가능. 무소음. 시공 속도 빠름.

<gallery widths="400" heights="400">
파일:Berminghammer B6505 Diesel Impact Hammer Driving 30-in Pipe Piles.jpg|디젤 해머
파일:Vibratorypiledriver05.JPG|진동해머(vibro hammer)
</gallery>

=== 현장말뚝 공법 ===
* 기계굴착 공법
** benoto 공법(all [[wikt:케이싱|casing]])
** Earth drill 공법(Calwelde drill)
** RCD 공법(Reverse Circulation Drill)

* 관입공법
** Franky pile
** Raymond pile
** Pedestal pile

<gallery widths="400" heights="300">
파일:RC_drill_rig.jpg|RCD
파일:Franki-pålning Slussen.JPG|Franky pile
</gallery>

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

== 말뚝에 작용하는 하중 ==
{{본문|기초#말뚝에 작용하는 하중}}
[[파일:말뚝기초에_작용하는_하중.png|오른쪽|400x400픽셀]]
말뚝에 작용하는 하중은 축하중과 수평하중이 있다. n개의 말뚝으로 이루어진 말뚝기초에서 말뚝 하나가 받는 축하중은 다음 식으로 구한다. 축하중을 계산할 때는 편심하중이나 수평하중으로 인해 말뚝기초 상단의 확대기초(파일 캡)에 모멘트가 작용하기 때문에 각 말뚝이 받는 축하중은 단순히 전체 연직하중 P를 말뚝 개수 n으로 나눈 것이 아니다. i번째 말뚝이 받는 축하중을 P<sub>i</sub>라 할 때,
:<math>P_i = \frac{P}{n} \pm \frac{M_y}{\Sigma {x_i}^2} x_i \pm \frac{M_x}{\Sigma {y_i}^2} y_i</math>
::P : 연직하중의 합력(사하중 + 활하중)
::M<sub>x</sub>, M<sub>y</sub> : x축, y축에 대한 모멘트(편심하중에 의한 모멘트는 각 축에서 편심하중 P까지의 수직거리를 곱해준다)
::x<sub>i</sub>, y<sub>i</sub> : i번째 말뚝에서 x, y축까지의 거리

각 말뚝이 받는 수평하중은 기초에 작용하는 수평하중 H를 말뚝 개수 n으로 나눠주면 된다.
:<math>H_i = \frac{H}{n}</math>

상부구조물에 작용하는 수평하중이 말뚝에 전달되는 경우는 '''주동말뚝'''이라고 하고, 말뚝 주변 지반 변형이 말뚝에 하중으로 작용되는 경우는 '''수동말뚝'''이라고 한다.{{Sfn|이인모|2015|p=114-116}}

== 지지력 ==
말뚝의 축방향 극한 지지력 Q<sub>u</sub>는 말뚝 극한 선단지지력 Q<sub>p</sub>와 극한주면마찰저항력 Q<sub>s</sub>의 합과 같다.{{Sfn|이인모|2015|p=123}}
:<math>Q_u = Q_p + Q_s</math>

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.

=== 동역학적 지지력 공식 ===
동역학적 지지력 공식은 엔지니어링 뉴스(Engineering News) 공식, 샌더(Sander) 공식, Hiley 공식, Weisbach 공식이 있다.

==== 엔지니어링 뉴스(Engineering News) 공식 ====
해머의 중량 <math>W_H</math>, 해머 낙하고 H(cm), 타격 당 말뚝의 평균 관입량 S(cm), 안전율 F<sub>s</sub>라 할 때

극한 지지력 <math>R_u=\frac{W_H\cdot H}{S+C}</math>

허용 지지력 <math>R_a=\frac{R_u}{F_s} = \frac{W_H\cdot H}{6(S+C)}</math>

* C : 손실상수
** 단동식 증기 해머 0.254cm
** drop hammer 2.54cm

==== 샌더(Sander) 공식 ====

극한 지지력 <math>R_u=\frac{W_H\cdot H}{S}</math>

허용 지지력 <math>R_a=\frac{R_u}{F_s} = \frac{W_H\cdot H}{8S}</math>

=== 정역학적 지지력 공식 ===
{{본문|기초#정역학적 지지력 공식}}
정역학적 지지력 공식에는 Dörr 공식, [[카를 폰 테르자기|테르자기]](Terzaghi) 공식, Meyerhof 공식, Dunham 공식이 있다.

; 극한 선단지지력
말뚝의 극한 선단지지력 Q<sub>p</sub>는 단위면적당 극한선단지지력(단위선단지지력)을 q<sub>p</sub>, 선단부 내부가 흙으로 완전히 채워졌다고 가정하는 경우의 말뚝 저부 면적을 A<sub>b</sub>라 할 때 다음과 같다.
:<math>Q_p = q_p A_b</math>
단위 선단지지력 q<sub>p</sub>는 얕은 기초의 극한 지지력 공식 <math>q_u = cN_c^* + qN_q^* + \frac{1}{2} \gamma_1 BN_\gamma^*</math>에서 기초 단변 길이 B를 말뚝 직경 D로 바꾼 식을 사용한다. *가 붙은 지지력 계수들은 형상계수, 깊이계수, 경사하중 계수를 모두 고려한 지지력 계수임을 의미한다.{{Sfn|권호진, 김동수, 박준범, 정성교|2015|p=186}} 말뚝 직경 D는 크지 않으므로 세 번째 항을 무시할 수 있고 q는 유효상재압력 σ<sub>v</sub>'을 사용하므로 식은 다음과 같이 된다.{{Sfn|이인모|2015|p=128}}{{Sfn|권호진, 김동수, 박준범, 정성교|2015|p=187}}
:<math>q_p = cN_c^* + \sigma_v' N_q^*</math>

[[사질토]]인 경우, c=0이므로 단위선단지지력 <math>q_p = \sigma_v' N_q^*</math>이다. 말뚝이 타입 말뚝인지 현장 타설 말뚝인지에 따라 N<sub>q</sub><sup>*</sup>가 달라진다. 단위선단지지력은
말뚝 깊이가 깊어질수록 σ<sub>v</sub>'의 증가에 따라 커지나, 말뚝 직경 D의 20배까지의 한계깊이 이하에서는 일정하다. 즉 <math>\sigma_v' \leq \gamma' (20D)</math>를 한계로 한다.{{Sfn|이인모|2015|p=129}}

포화된 [[점토]]에서 비배수 조건인 경우 <math>\phi_u = 0</math>이므로 <math>q_p = c_u N_c^*</math>이다. c<sub>u</sub>는 점토의 비배수 전단강도이다. 관입비가 4 이상인 정방 기초 혹은 원형 기초는 N<sub>c</sub><sup>*</sup>=9이다. 따라서 <math>q_p = 9 c_u</math>이다.{{Sfn|이인모|2015|p=131}}

; 극한 주면마찰저항력
말뚝의 주면마찰저항력 Q<sub>s</sub>는 다음 식으로 나타난다.{{Sfn|이인모|2015|p=132}}
:<math>Q_s = \Sigma p \Delta L \cdot f_s</math>
::p : 말뚝 단면의 [[개수로#경심|윤변]]
::ΔL : p와 f<sub>s</sub>가 일정한 곳에서 말뚝의 길이
::f<sub>s</sub> : 깊이 z에서의 단위 주면마찰저항력

f<sub>s</sub>는 흙과 구조체의 전단강도 식으로, 다음과 같이 구한다.

<math>\begin{align} f_s & = c_a + {\sigma_n}' \tan \delta \\
                  & = c_a + K_s {\sigma_v}' \tan \delta \\ \end{align}</math>
* c<sub>a</sub> : 말뚝과 주변 흙 사이의 부착력
* δ : 말뚝과 주변 흙 사이의 벽면마찰각
* K<sub>s</sub> : 말뚝면에 작용하는 [[토압계수]]

[[파일:Vertical effective stress of a pile.png|right|300px]]

사질토의 단위 주면마찰저항력은 c<sub>a</sub>=0이므로 <math>f_s = K_s {\sigma_v}' \tan \delta</math>이다. 선단지지력과 마찬가지로 깊이가 깊어질수록 주면마찰저항력이 커지다가 말뚝 직경 D의 20배까지의 한계깊이 이하에서는 일정해진다. 즉 <math>{\sigma_v}' \leq {\gamma}' (20D)</math>를 한계로 한다.{{Sfn|이인모|2015|p=133}} 토압계수 K<sub>s</sub>는 말뚝이 타입 말뚝인지 굴착 말뚝인지에 따라 달라진다. 벽면마찰각 δ는 말뚝의 재료에 따라 달라진다.{{Sfn|이인모|2015|p=134}}

점토의 단위 주면마찰저항력은 [[전응력]] 해석법인 α계수법과 [[유효응력]] 해석법인 β계수법을 통해 구한다.

α계수법은 비배수 전단강도 c<sub>u</sub>를 사용하며, Φ<sub>u</sub>=0이므로 δ=0이 되어 <math>f_s = c_a = \alpha \cdot c_u</math> 식으로 점토의 단위 주면마찰저항력을 구한다. 여기서 α는 부착력 계수이다.{{Sfn|이인모|2015|p=137}}

β계수법은 포화 점토지반에 말뚝을 타입하고 지반에 과잉간극수압이 발생하며 점토가 교란되었다가 과잉간극수압이 소산된 후, 재성형된 점토에 대해 유효응력을 이용하여 해석하는 방법이다. 저항력은 다음 식으로 구한다.

<math>\begin{align} f_s & = {c_r}' + {\sigma_n}' \tan {\phi_r}' \\
                  & = {c_r}' + K_s {\sigma_v}' \tan {\phi_r}' \\ \end{align}</math>
* c<sub>r</sub>' : 재성형된 점토의 점착력
* K<sub>s</sub> : 토압계수(보통 정지토압계수)<math>= \begin{cases}
1-\sin {\phi_r}' & \text{정 규 압 밀 점 토 인  경 우} \\
(1-\sin {\phi_r}')\sqrt{OCR} & \text{과 압 밀 점 토 인  경 우}\end{cases}</math>
* Φ<sub>r</sub>' : 재성형된 점토의 내부마찰각

재성형된 점토의 점착력<math>{c_r}' \approx 0</math>이므로 식은 다음처럼 간략화된다.

<math>f_s  = K_s {\sigma_v}' \tan {\phi_r}'</math>

여기서 <math>\beta = K_s \tan {\phi_r}'</math>이므로 <math>f_s  = \beta {\sigma_v}'</math>이다.{{Sfn|이인모|2015|p=139}}

=== 항타분석기 사용 ===
항타분석기를 사용하면 시공관리 상 다음의 이점이 있다.

* 항타와 동시에 항타기 효율, 적합성 판단 가능.
* 빠른 계측이 가능.

== 지지력 저하 ==
기성말뚝은 다음 원인으로 지지력 저하가 발생할 수 있다.
* 말뚝 이음
* 말뚝 침하

== 군항의 지지력 ==
하나의 말뚝을 단항이라 한다면, 여러 개의 말뚝은 '''군항''' 또는 '''무리말뚝'''(group pile)이라 한다. 일반적으로 말뚝은 여러개를 박는다.{{Sfn|이인모|2015|p=170}} 말뚝이 여러 개 박혀있을 때 지지력을 감소시킬지(군항으로 볼지) 감소시키지 않을지(단항의 집합으로 볼지)는 아래 식으로 정한다.
[[파일:무리말뚝 효율.png|대체글=|오른쪽|프레임없음|400x400픽셀]]
<math>S < 1.5 \sqrt{rL}</math>

* r : 말뚝 반경

* L : 말뚝 길이

군항의 허용 지지력 <math>R_{ag}</math>은 단순히 단항의 허용 지지력<math>R_a</math>에 말뚝 개수 N을 곱한 것이 아니라, 말뚝부터의 지중 응력이 중복되기 때문에 말뚝 한 개당 지지력이 약화되므로, 별도의 식을 이용해야 한다. 무리말뚝의 효율을 E라고 한다면 다음과 같이 구할 수 있다.

:<math>R_{ag}=E \Sigma R_a</math>

마찰말뚝의 경우 극한지지력을 이용하여 식을 나타낸다면
:<math>Q_{ug}=E \Sigma Q_u</math>
단일 말뚝의 주면 마찰저항력 Q<sub>u</sub>는 p가 윤변, <math>f_{s(avg)}</math>가 평균 단위주면마찰저항력이라 할 때,
:<math>Q_u = p L f_{s(avg)}</math>
블록으로 작용하는 경우 주면마찰저항력 Q<sub>ug</sub>는 m이 말뚝의 열수, n은 한개 열의 말뚝 수라 할 때,{{Sfn|이인모|2015|p=172}}
:<math>\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}</math>
:<math>\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}</math>

군항의 효율 E는 Converse-Labarre의 저감식을 통해서도 계산할 수 있다.{{Sfn|이인모|2015|p=173}}
:<math>E=1-\phi \frac{(m-1)n+(n-1)m}{90mn}</math>
:<math>\phi =tan^{-1}\frac{D}{S}</math>
::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 달라지게 된다.{{Sfn|이인모|2015|p=174}} 특히 점토지반에 근입된 무리말뚝의 극한지지력 Q<sub>ug</sub>는 다음 두 값 중 작은 값을 선택한다. 여기서 c<sub>u(b)</sub>는 말뚝 저면의 점토층 비배수전단강도이다.{{Sfn|이인모|2015|p=174-176}}
* 단일말뚝의 극한지지력 Q<sub>u</sub>총합<math>(\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)</math>
* 무리말뚝의 영역을 블록으로 봤을 때의 극한지지력<math>( 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)</math>

== 부마찰력 ==
말뚝 기초는 선단 지지력과 주면 마찰력에 의해 상부 하중을 지반에 전달한다. 그러나 주변 지반이 말뚝보다 더 많이 [[침하]]하여 상향으로 작용해야 하는 주면 마찰력이 아래쪽으로 작용하는 경우가 생기는데 이때의 마찰력을 '''부마찰력'''(negative friction; <math>R_{nf}</math>) 또는 '''부주면마찰력'''이라 한다.{{Sfn|이인모|2015|p=147}} 부마찰력은 말뚝을 아래쪽으로 끌어내린다.{{Sfn|이인모|2015|p=148}}

<math>R_{nf}=U\cdot l_c\cdot f_s</math>
* U : 말뚝의 주변장<math>(U=\pi D)</math> (D : 말뚝 직경)
* <math>l_c</math> : 관입 깊이
* <math>f_s</math> : 말뚝의 평균 마찰력 또는 일축 압축 강도의 절반값<math>\left( f_s=\frac{q_u}{2} \right)</math>

=== 부마찰력의 특징 ===
* 부마찰력 발생 시 말뚝의 지지력은 감소
* 연약한 [[점토]]에서 부마찰력은 상대 변위의 속도가 느릴수록 작고, 빠를수록 크다.

=== 부마찰력 발생 경우 ===
* [[압밀]]층을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 박는 경우
* [[연약 지반]]을 관통하여 말뚝을 박고 그 위에 [[성토]]하는 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

=== 부마찰력 방지책 ===

* 표면적 큰 말뚝 사용(H형강 말뚝)
* 말뚝 표면 [[아스팔트|역청재]] 도포
* 말뚝 직경보다 크게 pre boring

== 같이 보기 ==
* [[기초공학]]

== 참고 문헌 ==
* {{서적 인용 |저자= 이인모|날짜= 2015|제목= 기초공학의 원리 |출판사= 씨아이알 |isbn= 979-11-5610-063-8 |ref=harv}}
* {{서적 인용 |저자1= 권호진 |저자2= 김동수 |저자3= 박준범 |저자4= 정성교|날짜= 2015|판=2 |제목= 기초공학 |출판사= 구미서관 |isbn= 978-89-8225-5854 |ref=harv}}
*{{글로벌세계대백과}}
* {{서적 인용|제목=토목기사 필기 토질 및 기초|성=임진근 외|이름=|날짜=2015|판=|출판사=성안당|쪽=|장=}}
* {{서적 인용|제목=토목기사 실기|성=박영태|이름=|날짜=2019|판=|출판사=세진사|쪽=|장=}}
* {{서적 인용|제목=기초공학|성=Das|이름=|날짜=|판=5|출판사=인터비젼|쪽=|장=}}

== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==
* [http://www.koscaj.com/news/articleView.html?idxno=105503 대한전문건설신문 - 고강도콘크리트(PHC) 말뚝 연결방식 분쟁, 볼트체결 신기술 일단 판정승]
* [http://blog.naver.com/dhfound/221445232676 대흥기초건설 - 한림 ~ 생림간 도로현장 D1000 BG공법]

{{전거 통제}}

[[분류:건축공학]]
[[분류:기초공학]]