116. 허용지지력과 허용지내력(allowable bearing capacity and allowable bearing power)

 구조물기초를 설계할 경우 지반파괴에 대한 안전성으로서 상부구조물에 장해를 미칠 염려가 있는 큰 침하를 일으키지 않고 또한 기초부재가 안전하도록 기초의 형식, 치수, 위치 등을 결정해야 한다.

구조물기초는 이것을 지지하는 지반의 강도와 변형 및 기초부재의 강도를 검토하여 안전하도록 설계해야 한다. 그림 116-1의 곡선은 직접기초가 정적으로 연직하중을 받을 경우에 재하중과 기초의 침하관계를 나타낸 것이다.

이 곡선의 형상은 지지지반의 토성, 기초의 크기, 형상 및 재하방법 등에 영향을 받으나, 곡선 1, 2, 3과 같이 구분할 수 있는데, 여기서 곡선 1, 2에서는 기초가 지지할 수 있는 최대하중을 알 수 있다.

이때 최대하중을 극한지지력(qu)이라고 부르며, 곡선 3에서는 최종적으로 침하율이 일정하게 시작된 곳의 하중을 극한지지력으로 한다. 이 값은 재하시험 또는 적장한 지지력계산 공식으로 구할 수 있다.

이 극한지지력을 식 (1)과 같이 안전율로 나눈 값을 허용지지력(qa)이라 하며, 이때 기초의 침하량은 상부구조물에 해롭지 않는 허용침하량(Sa)이내에 있어야 한다.

                                                                             (1)

여기서 허용침하량에 대한 재하중 qs는 그림 117-1의 하중-침하곡선 또는 해석적으로 계산할 수 있으며, 그 기초의 설계하중 qd는 식(2)와 같이 qs 와 qa 중에서 작은 편을 취하는데, 여기서 결정되는 설계하중을 허용지내력이라 한다.

기초의 극한지지력(qu)은 일반적으로 소성평형상태에서 힘의 평형조건으로 구한 지지력공식을 이용하여 계산하며, 지지층의 전단강도정수 점착력과 내부마찰각에 의하여 결정된다.

이외에 활동선 위에서의 소성응력 평형식을 차분적으로 푸는 Kotter 해에 의하면 극한해석법에 의한 상하계정리를 이용하는 방법도 있다.

이렇게 구한 극한지지력은 해석상 불확실 요소를 가진 구조물이 충분한 안정성을 가지도록 안전율을 고려하여 식(1)과 같이 허용지지력을 결정하며, 안전율은 다음과 같은 값을 이용하는 경우가 많다.

 그런데 지금까지 안전율 고려방법은 전술한 바와 같이 단순히 극한지지력에 대해서만 적용하였으나 최근은 더욱 합리적인 허용지지력을 구할 필요가 있으므로 각 항 마다 안전율을 적용하는 방법이 유럽을 중심으로 추진되고 있다.

예를 들면 기초에 작용하는 하중에 대해서도 사하중과 활하중으로 나누고 사하중은 정확하게 예상할 수 있으므로 안전율 Fd = 1.0, 활하중은 여러 가지의 오차가 들어 있으므로 Fl = 1.5 로 하며, 지반전단강도에 대해서도 점착력은 Fc = 2.0, 내부마찰각은 정밀도가 충분하게 구해지므로 Fφ = 1.2 등으로 한다.

따라서 이 방법에 의하면 같은 지반에서도 사하중과 활하중이 차지하는 비율에 따라서 각각 다른 허용지지력이 구해진다.

기초의 허용침하량에 대한 재하중을 구하려면 그림 116-1과 같은 재하시험 결과에 의한 방법과 해석적으로는 탄성해석에 의한 방법, 압축지수(Cc)를 사용하는 방법, Terzaghi-Peck 등의 경험식을 이용하는 방법, 유한요소법(FEM)에 의한 방법 등이 있다.

허용침하량은 상부구조물에 해로운 영향을 주지 않도록 각각의 지반조건, 구조물 특성 등을 고려하여 결정한다. 그런데 상부구조물에 균열 및 과대한 부재응력을 생기게 하는 침하는 주로 부등침하에 의한 것이므로 허용상대 침하량으로서 결정되는 경우도 있다.

그러나 일반적으로 전침하량이 클 경우는 부등침하량도 크므로 대부분의 경우는 허용침하량에 대한 검토만을 하고 있다. 즉, 극한지지력이 얻어질 때의 침하량은 포화점토지반의 표면기초는 기초폭의 3∼7%, 근입이 깊을 경우는 15%가 된다.

또한 모래지반에서는 이보다 약간 큰 표면기초는 기초폭의 5∼10%, 깊은 기초는 25%가 된다고 알려져 있다. 이들의 수치는 기초치수가 커지면 증가하는 경향이 있다.