34. 부마찰력(negative skin friction) |
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지반에 말뚝을 설치한 상태에서 지반이 말뚝보다 상대적으로 큰 침하를 일으키면 하중으로서 작용하는 하향의 마찰력이 말뚝에 전달되는데 이 마찰력을 부마찰력이라 하며 하중에 저항하여 상향으로 작용하는 마찰력(정말찰력)에 반대어로 사용하고 있다.
그림 34-1은 부마찰력에 관한 현상을 정성적으로 나타낸 설명도로서 (a)와 같이 침하가 발생하는 지반을 관통하여 지지층에 설치된 말뚝은 말뚝머리 하중과 부마찰력에 의해 (b)와 같은 침하량 Sp(말뚝선단침하량 St + 말뚝의 압축변형량 Se)가 생긴다. 이 때 지반이 (c)와 같이 침하량 Ss가 발생하면 지반과 말뚝의 상대침하량 ΔS(= Sp - Ss)는 (d)와 같이 된다. ΔS = 0 인 점을 중립점이라 하며 중립점 상부에서는 지반이 말뚝보다 침하량이 크고 , 반대로 하부에서는 말뚝쪽이 지반보다 침하량이 크다. 따라서 (e)와 같이 중립점을 경계로 상부에서는 부마찰력이, 하부에서는 정마찰력이 말뚝에 작용한다. 부마찰력에 의해 생긴 말뚝의 축력 Qn 은 (f)와 같이 중립점에서 최대치 Qmax를 나타내는 분포로 된다. (g)는 말뚝머리하중 W를 고려할 경우 말뚝의 축력분포이다. 부마찰력은 말뚝선단까지의 심도에 다음과 같은 지층이 있을 때 발생한다. ① 매립지와 같이 압밀이 완료되지 않은 점성토층 ② 지하수위 저하나 성토 등에 의해 지중응력의 증대로 압밀침하가 진행되는 점성토층 중립점의 심도 Zn은 Sp와 Ss가 변동적이므로 동일 말뚝에서도 일정한 것은 아니며, St가 발생하기 어려운 말뚝일수록 깊게 되는 경향이 있다. 침하가 발생하는 층의 두께 Z에 대한 Zn의 비율을 α로 표시하면 α는 Qmax 가 거의 극한 상태에 도달한 시점에서 다음과 같은 값이 된다. 마찰말뚝 : 0.65 ∼ 0.78 지지말뚝 : 0.73 ∼ 0.97 점성토지반에서 말뚝주면 마찰력 τ 는 보통 qu/2 치와 거의 일치하며, 지반침하의 원인이 성토에 의한 경우에는 qu/2 보다도 30% 정도 큰 값이 된다는 보고도 있다. 또한 지중유효응력과의 관계로부터 구하는 식 (1)의 K tanδ 치는 보통 0.2 ∼ 0.4 범위에 있으며, 소성지수가 클수록 크게 된다. 반면 모래함유량이 많을수록 크게 되는 경향도 있다.
τ는 말뚝의 설치방법(타입, 매입, 현장타설)이나 선단형상(개방, 폐쇄) 등에 따라 달라지는데 실측자료는 많지 않고 또 ΔS의 속도와의 관계도 규명되어 있지 않다. 외말뚝의 Qnmax 에 대한 군말뚝 중 말뚝의 Qnmax 비율 β는 무리말뚝 효과라 하는 것으로 1 보다 작으며, 무리말뚝의 말뚝간격이 좁을수록 또한 말뚝 개수가 많을수록 감소한다는 것이 밝혀졌다. 이 β값은 다음과 같이 구하는 방법이 제안되어 있다. ① 외말뚝의 Qnmax를 말뚝을 중심으로 하는 같은 중량의 원통모양의 토괴로 바뀌 놓고 ② 무리말뚝의 수평단면상에 그 원을 그려 ③ 각말뚝의 지배면적을 기준으로 원통단면적의 비율을 구하여 이를 β로 한다. 부마찰력이 작용하는 말뚝에 지진시 등 단기연직하중이 가해질 경우, 이 하중은 중립점 상부에서 흡수되어 Qnmax에는 거의 영향을 주지 않는다. 근접한 위치에서 말뚝타격 등에 의해 진동이 발생하면 축력이 일시적으로 감소하는 경우가 있으나 비교적 빠른 기간에 원래 값으로 복원한다. 말뚝에 부마찰력이 작용할 경우 말뚝의 축력은 그림 34-1(g)와 같이 중립점에서 최대로 된다. 따라서 부마찰력에 대한 말뚝의 안정성 검토는 다음 식으로 한다.
위의 식중 상부의 것은 말뚝 재료 강도에 대한 안정성이며, 하부의 것은 지반에 의존하는 말뚝 지지력에 대한 안전성에 관한 검토식이다. |
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