24. 말뚝의 항복지지력과 극한지지력(yield bearing capacity & ultimate bearing capacity of pile)

 말뚝의 항복지지력과 극한지지력의 구분은 말뚝재하시험 해석시에 하고 있다.

즉, 말뚝재하시험에서 구한 하중-침하량 곡선의 형상으로부터, 이 두 개의 지지력을 구하여 설계지지력으로 전자의 1/2 및 후자의 1/3중 작은 쪽을 취하는 것이 가장 많이 이용되는 방법이다.

말뚝의 재하시험결과로부터 설계지지력을 구하는 것은 외국에서도 보통 하고 있는 방법이지만 구하는 방법은 각 나라ㆍ기관ㆍ연구자에 따라 다양하다. 그러나 이들의 공통점은 하나의 기준치(파괴하중 또는 극한하중이라는 말을 사용하고 있다)를 상요하고 그것에 대하여 일정의 안전율을 부여하고 있는 것이다.

또한, 파괴하중 또는 극한하중에 도달한 것인가가 분명하지 아니한 경우에는 각각 적당한 기준치를 설정하여 그것을 토대로 판단하고 있으며, 이 기준치를 대별하면 다음과 같다.

① 하중-침하량 곡선이 급변하는 점

예) 그 것까지 재하 전하중의 1/9 하중을 증가하였을 때 침하량이 2배로 되는 점

② 침하량으로 규정

예) 가. 말뚝 지름의 10%의 침하가 발생한 점

    나. 2.5cm 의 침하가 생긴 점

이화 같이 재하시험결과로부터 지지력을 구하는 방법은 일치하지 않으며, 말뚝재하시험으로 구한 하중-침하량 곡선에서 분명한 파괴상태(약간의 하중증가에 의해 침하량이 급속히 증가하는 상태, 즉 하중-침하량 곡선이 침하축과 거의 평행하게되는 점), 또는 이에 가까운 상태가 나타난 점을 극한상태라 하는 경우가 많고 또 일부에서는 말뚝의 지지력은 극한상태가 아닌 침하량으로 규정하고 있다.

일본토질공학회의 말뚝연직재하시험기준ㆍ동해설에서는 충분한 침하가 생길 때까지 재하한 타입말뚝의 시험결과로서 주요한 판정방법을 비교하고 있는데 각각 판정된 극한지지력은 거의 같은 값으로 된다. 따라서 이들의 판정법 중 가능한 단순한 오차가 생기지 않는 판정법을 채용하는 것이 좋으므로 말뚝직경의 10%의 침하량이 생긴 점을 극한 상태로 판정하는 방법이 추천되고 있다.

그림 24-1에 타입말뚝의 하중-침하량 곡선을, 그림 24-2에 현장 타설말뚝의 곡선을 나타낸 것인데 이 두 개의 시험은 일반적으로 하는 시험보다도 상당히 큰 침하가 생길때까지 재하하였기 때문에 이들 곡선에서는 선단지반의 지지력성상도 충분히 파악할 수 있다.

이 두 개 곡선에서 분명한 것은 여기에 기술한 극한지지력 고려방법은 곡선에 급절점이 나타나는 타입말뚝에서만 적용이 가능하기 때문에 현장 타설말뚝은 별도로 고려할 필요가 있다는 점이다.

그림 24-3은 직경 20cm의 모형말뚝에서 실시한 타입말뚝과 굴착한 공내에 설치한 매입말뚝의 선단지지력을 비교한 결과로서, 그림과 같이 매입말뚝의 하중-침하량 곡선도 반복하여 시험을 하면 침하의 증가와 함께 점점 타입말뚝 곡선에 가까워지고, 말뚝직경의 2배∼4배의 침하가 생긴 시점에서 양자는 거의 일치한다.

따라서, 현장 타설말뚝 및 매입말뚝에서는 타입말뚝에서 정의한 바와 같이 극한상태는 이러한 큰 변형이 생긴 시점에서 비로소 나타난다. 그러나 이같은 큰 변형이 생긴점을 기준으로 하여 말뚝지지력을 판정하는 것은 실용적이 아니다. 따라서, 현장 타설말뚝 및 매입말뚝의 지지력은 변형량으로부터 규정하는 것이 적절하기 때문에 엄밀히는 상부구조의 성질에 따라 다른 기준치를 채용하는 것이 좋다. 예를들면, 침하량 2.5cm(약 1 인치)의 값을 규정하고 그때 하중의 1/2을 설계지지력으로 고려하는 방법이 있다. 또 극한상태에서 말뚝선단 지반의 입자파쇄 등에 의해 급격히 압축되어 침하하지만 지반의 강도는 저하하지 않기 때문에 하중을 약간 감소하면 침하속도는 급격히 작아진다.

이같이 극한상태에 달하여도 지반의 강도가 작아지지 않는다는 점이 중요하며, 일반적으로 각 국의 기준 등에서는 설계지지력을 극한지지력의 1/1.5 ∼ 1/2로 하고 있으나 일본에서는 안전율 3을 기준으로 하고 있다. 말뚝지지력에 의한 항복지지력의 정의를 일본의 村山ㆍ　田은 점성토의 레올로지 특성에 관한 고찰로부터 점성토의 강도특성을 나타낸 값으로써 상한 항복치를 정의하고, 그것이 파괴강도의 약 2/3정도라고 밝히고 그것을 연약한 점성토 중의 마찰말뚝 재하시험 해석에 적용했다. 즉, 극한지지력의 약 70%의 재하중에서 말뚝주위 지반이 상한항복치에 달하기 때문에 이 상태에 도달한 점을 항복지지력이라 하고, 하중-침하량 곡선으로부터의 판다은 log p - log s 곡선의 절곡점 등으로 하였다.

따라서, 항복지지력을 고려하는 방법은 같은 점성토 중의 마찰말뚝에서는 상당히 명확하게 정의 할 수 있으나 지지말둑의 경우는 주면마찰력과 선단지지력이 복잡하게 관게되여 선단지반의 성질과 그 상부에 있는 말뚝주변부의 흙성질이 매우 다르고 말뚝주면부의 흙성질도 깊이에 따라 다르다. 그래서 긴 말뚝에서 재하시의 말뚝본체와 말뚝주위의 흙 사이의 상대변위량은 말뚝머리와 말뚝선단부에서 차이가 나는 등 많은 요소를 고려해야 하기 때문에 간단히 항복지지력을 정의할 수 없다.