1. 서론

우리나라는 말뚝의 95% 이상을 시공품질이 크게 개선된 SDA(Separated Doughnut Auger)공법으로 시공하지만 다양한 설계조건, 지반조건과 말뚝 시공법에 부합하는 매입말뚝의 지지력 산정식과 시공지침이 국가설계기준과 표준시방서에 규정되어 있지 않다. 

한국지반공학회가 2009년부터 매입말뚝의 지지력 산정식으로 추천한 대한건축학회(2005)식과 대한토목학회(2008)식은 검증 없이 일본에서 도입한 식으로써 사질토와 점성토지반에 시공하는 매입말뚝의 지지력만 산정할 수 있는 반면에 풍화암반이나 기반암에 시공하는 매입말뚝의 지지력을 산정할 수 없다. 

LH공사(2008)식은 국내 현장의 말뚝재하시험 자료를 분석하여 개발한 매입말뚝의 연직지지력 산정식이지만 풍화암반지지 매입말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 과소평가하며, 특히 기반암에 시공하는 매입말뚝의 지지력을 산정할 수 없다.  

암반지지 매입말뚝의 지지력 산정 시 이용하는 Goodman(1980)식과 캐나다지반공학회(2006)식은 타입말뚝 또는 현장타설말뚝의 지지력을 산정하는 식으로써 암석강도의 대표성이 문제가 되는 것은 물론이고, 다양한 배합비(W/C)의 시멘트밀크를 주입하는 SDA매입말뚝의 지지력을 산정할 수 없다. 

그럼에도 구조물기초설계기준 해설(한국지반공학회, 2009)에 처음으로 추천된 지지력 산정식은 지금까지 개정되지 않았다. 그 결과 국내의 토사층은 물론이고 암반에 시공하는 매입말뚝의 연직지지력을 올바로 산정하지 못할 뿐만 아니라 과소 또는 과대평가하여 공기 지연과 공사비 증액의 원인이 되고 있다. 

이와 관련하여 말뚝의 지지력 산정식을 고찰하고자 하며, 7월호 기술기사(Ⅱ)에서는 이와 같은 문제점을 개선하기 위해 저자가 개발한 암반지지 SDA매입말뚝의 주면마찰력 산정식을 게재할 예정이다.

2. SDA공법의 표준시공법

2.1 매입공법 분류

가. 기성말뚝 시공법은 타입공법(打入工法)과 매입공법(埋入工法)으로 구분되며, 매입공법에는 그림 1에서 보는 바와 같이 말뚝시공기계의 조합과 천공방식, 말뚝 정착방식에 따라 중굴공법(中掘工法), 선굴착공법(先掘鑿工法) 및 회전공법(回轉工法)이 있다.

나. 1994년부터 건설공사에 대한 소음 및 진동규제법 시행으로 타입공법을 적용할 수 없는 주변 환경과 지반조건에서 큰 설계지지력을 확보하기 위해 중·대구경말뚝을 대부분 SDA공법으로 암반에 시공하고 있다.

2.2 SDA(Separated Doughnut Auger)공법 

가. SDA공법은 정(正)회전하는 오거 또는 해머비트(auger or hammer bit)와 역(逆)회전하는 케이싱비트(casing bit)로 동시에 지반을 천공 및 배토하고 말뚝을 삽입한 후 해머 경타(輕打) 또는 압입(壓入)방식으로 정착시키는 시공법이다. 그리고 말뚝을 삽입하기 전후에 시멘트밀크(cement milk)를 주입하여 천공홀 바닥에 쌓이는 슬라임(slime)과 교반하고 말뚝의 주면공간을 충전하여 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 증대시키는 선굴착공법이다(채수근, 1997, 2000, 2007, 2022, 2023, 2024). 

나. SDA공법은 천공방식과 말뚝을 정착하는 방식에 따라 구분하며, 그림 2는 말뚝을 압입(壓入) 또는 회전압입(回轉壓入)방식으로 정착시키는 압입형 시공법이며, 경타를 허용하지 않는 주변 환경에서 적용한다. 그림 3은 경타시 발생하는 소음과 지반진동에 대한 민원 우려가 없고, 퇴적토층과 풍화대와 같이 오거비트로 천공이 가능한 지반에서 큰 설계지지력 확보가 필요할 경우 말뚝을 경타하여 정착시키는 표준형 시공법이다. 그림 4는 오거비트로 천공하는 것이 불가능한 자갈, 옥석(玉石), 전석(轉石), 핵석(核石)이나 기반암을 T4(hammer bit)로 천공하고 말뚝을 경타하여 정착시키는 시공법이며, 시멘트밀크를 작업자가 직접 주입호스로 주입하므로 슬라임과 시멘트밀크를 교반하는 것이 어렵다. 

다. SDA공법의 중점관리사항으로는 시공장비규격 및 천공방식, 시멘트밀크와 슬라임을 2회 이상 상하로 반복 교반, 시멘트밀크 배합비와 말뚝의 주면공간 충전관리, 경타(정착)관리 등이다. 표 1은 중·대구경 말뚝길이별 시공장비 조합을 보여주며, 상세한 내용은 채수근(2023, 2024)을 참고하기 바란다.

3. 매입말뚝의 연직지지력 산정식  

3.1 허용응력설계법(WSD, Working Stress Design Method)

가. 매입말뚝의 극한연직지지력(Q_u)은 극한선단지지력(Q_p)과 극한주면마찰력(Q_s)의 합이며, 식 (1)에서 극한선단지지력(Q_p)은 단위극한선단지지력(q_p)에 말뚝의 선단면적(A_p)을 곱하고, 극한주면마찰력(Q_S)은 단위극한주면마찰력(f_s)에 말뚝의 마찰지지면적(A_s)을 곱하여 구한다.

Q_u = Q_p + Q_s = q_pA_p +Σf_sA_s = mNA_P +ΣnN_sA_s                    (1)

여기서,

Q_u : 말뚝의 극한연직지지력(kN) 

Q_p : 극한선단지지력(= q_pA_p)

Q_s : 극한주면마찰력(= f_sA_s) 

q_p : 단위극한선단지지력(= mN, kN/㎡)

m : 선단지지력계수

N : 말뚝 선단지반의 평균 N값

A_P : 말뚝의 선단면적(㎡)

f_s : 단위극한주면마찰력(= nN_s, kN/㎡)

n : 마찰지지층별 주면마찰력계수 

N_s : 마찰지지층별 평균 N값

A_s : 마찰지지층별 마찰지지면적(㎡)

나. 매입말뚝의 허용지지력(Q_a)은 극한연직지지력(Q_u)을 소정의 안전율(F_s)로 나누면 된다. 식 (2)에서 안전율은 정부, 학회 및 공사(公社)에서 규정하거나 말뚝재하시험의 안전율 2.5~3을 적용한다.

Q_a = Q_u/F_s = (Q_P +Q_s)/F_s               (2)               

여기서,

Q_a : 말뚝의 장기 허용지지력                  

F_s : 안전율

3.2 한계상태설계법(LRFD, Load & Resistance Factor Design Method)

가. 한계상태설계법(또는 하중저항계수설계법)의 기본 설계조건은 식 (3)에서 보는 바와 같이 공칭하중(L_i)에 하중계수(γ_i)를 곱한 설계하중이 공칭저항(Q_n)에 저항계수(φ)를 곱한 설계지지력(감가지지력)을 초과하지 않도록 하는 것이다.     

φ Q_n≥Σγ_iL_i               (3)     

여기서,

φ : 저항계수(resistance factor ≤ 1.0)

Q_n : 공칭저항(nominal resistance)

γ_i : 하중계수(load factor ≥ 1.0)

L_i : 공칭하중(nominal load)

나. 말뚝의 지지력은 해석적 방법이나 현장 원위치시험 방법 등으로 산정할 수 있으며, 한계상태설계법에서 말뚝의 감가된 지지력(Q_R)은 식(4)~(5)와 같이 말뚝의 지지력(Q_u)에 저항계수(φ_q)를 곱하여 산정하며 설계반력보다 커야 된다(국토교통부, 2015, 2021).         

Q_R = φ_qQ_u = φ_qpQ_p + φ_qsQ_s               (4)           

Q_u = Q_p+ Q_s = q_pA_p + q_sA_s              (5)

여기서, 

Q_R : 외말뚝의 감가된 지지력(kN)

Q_u : 외말뚝의 지지력(kN) 

φ_q : 말뚝의 지지력에 대한 저항계수

Q_p : 말뚝의 선단지지력(kN)

Q_s : 말뚝의 주면마찰력(kN)

φ_qp : 말뚝의 선단지지력에 대한 저항계수

φ_qs : 말뚝의 주면마찰력에 대한 저항계수   

3.3 한국지반공학회(2018) 추천식

가. 한국지반공학회(2009, 2018)는 매입말뚝의 지지력 산정식을 표 2와 같이 추천하였으며, 이 중 대한건축학회(2005)식은 일본건축학회(2001)식, 대한토목학회(2008)식은 일본도로협회(2002)식을 도입한 식이다. 이 식들은 사질토와 점성토지반에 시공하는 매입말뚝의 지지력만 산정할 수 있는 반면에 풍화암반이나 기반암에 시공하는 매입말뚝의 지지력은 구할 수 없다. 특히 매입말뚝의 주면마찰력에 큰 영향을 주는 시멘트밀크의 배합비(W/C)에 대한 규정이 없으며, 구조물기초설계기준 해설(한국지반공학회, 2009)에 처음으로 추천된 이후 지금까지 개정되지 않았다.

LH공사(2008)식은 오거 천공 후 시멘트밀크(W/C=83%)를 주입하고 경타하는 SIP매입공법으로 시공한 φ400~φ450mm PHC말뚝의 재하시험 자료를 분석하여 SIP매입말뚝의 지지력 산정식을 개발한 것이다. 이 식으로 풍화대의 주면마찰력을 산정할 수 있지만, N_s값으로 최대 50을 적용하므로 풍화암반의 주면마찰력을 과소평가하며, 특히 기반암의 주면마찰력은 산정할 수 없다. 

나. 매입말뚝의 주면마찰력은 마찰지지층의 종류와 강도, 천공방식, 시멘트밀크 배합비(W/C)와 주입관리에 따라 달라지며, 말뚝의 주면공간을 시멘트밀크로 충전해야 말뚝과 구조물의 안정성이 확보된다. 

3.4 암반지지 매입말뚝의 연직지지력 산정식

가. 표 3에서 보는 바와 같이 암반에 시공하는 기성말뚝과 현장타설말뚝의 연직지지력을 산정하는 식은  주로 암석시료의 일축압축강도(q_u)와 관계식이다. 그러나, 암석의 일축압축강도(q_u)는 암반의 이방성(異方性)과 비균질성(非均質性)으로 인해 동일 현장에서도 시추공이나 심도별로 차이가 크기 때문에 계산지지력과 현장지지력이 수(數)배 내지 수십배 이상 차이 날 수 있다. 따라서 암석강도의 대표성에 따라 지지력의 신뢰도가 달라지므로 설계지지력 확보 여부를 판단하기 어려우며, 암석코어를 채취하지 않았거나 절리가 발달하여 강도시험을 실시하지 못할 정도의 단주상(短柱狀) 코어 또는 암편(岩片)으로 채취될 경우엔 지지력의 신뢰도가 낮을 수 밖에 없다.

나. 암반에 시공하는 매입말뚝의 연직지지력을 산정할 때 암석강도시험 자료가 없는 경우 LH공사(2008)식을 이용하고, 강도시험 값이 있으면 표 3에 제시한 타입말뚝 또는 현장타설말뚝의 지지력식을 이용하기 때문에 지지력을 과소 또는 과대평가하고 있다. 특히 가장 많이 이용하는 Goodman(1980)식과 캐나다지반공학회(2006)식은 암석강도의 대표성이 항상 문제가 되는 것은 물론이고, 다양한 배합비(W/C)의 시멘트밀크를 주입하고 있는 SDA매입말뚝의 주면마찰력을 산정하는 것이 불가능하다.

3.5 한국도로공사(2020)

가. 한국도로공사(2020)는 매입공법으로 시공하는 강관말뚝, 복합 및 합성말뚝의 감가된 지지력(Q_R) 산정식을 LH공사와 공동으로 개발하여 제안하였다. 말뚝의 감가된 지지력(Q_R)은 식(6)~(7)과 같이 말뚝의 지지력(Q_u)에 저항계수(φ_q)를 곱하여 산정한다. 이 식에서 단위선단지지력(q_p)와 단위주면마찰력(q_s)의 산정식(경험식)과 저항계수(φ, φ_b, φ_s)를 표 4~5에 제안하였다.

Q_R1 = φ_bQ_p + φ_sQ_s = φ(q_pA_p +Σq_sA_s) (강관말뚝)                              (6)  

Q_R2 = φ_bQ_p+ φ_sQ_s = φ_bq_pA_p + φ_sΣq_sA_s (복합 & 합성말뚝)                (7)

여기서, 

Q_R : 외말뚝의 감가된 지지력(kN)   

φ, φ_b, φ_s : 저항계수(표 5 참고)  

Q_p : 외말뚝의 선단지지력(kN)

Q_s : 외말뚝의 주면마찰력(kN) 

q_p : 단위선단지지력(kN/㎡)  

q_s : 단위주면마찰력(kN/㎡)

A_p : 말뚝의 선단면적(㎡)

A_s : 말뚝의 마찰지지면적(㎡)

4. 결론 및 제언

(1) 대부분 말뚝을 시공품질이 크게 개선된 SDA공법으로 시공함에도 불구하고 학회나 정부에서 추천하고 있는 매입말뚝의 지지력 산정식과 시공지침은 다양한 지반조건과 시공법에 부합하지 않으며, 심지어 공법명(名)도 통일되지 않았다. 더군다나 매입말뚝의 선단지지층으로 주로 풍화암반 또는 기반암을 선택하지만 암반에 시공하는 매입말뚝의 연직지지력을 올바로 평가하지 못하는 실정이다. 

(2) 한국지반공학회(2018)에서 추천하고 있는 대한건축학회(2005)식과 대한토목학회(2008)식은 검증 없이 일본에서 도입한 식으로써 사질토와 점성토지반의 지지력만 산정하고 풍화암반이나 기반암에 시공하는 매입말뚝의 지지력은 구할 수 없다. LH공사(2008)식은 풍화대의 주면마찰력을 산정할 수 있지만 풍화암반의 주면마찰력을 과소평가하며 기반암의 주면마찰력을 산정할 수 없다.

(3) 암반지지 매입말뚝의 지지력 산정 시 가장 많이 이용하는 Goodman(1980)식과 캐나다지반공학회(2006)식은 타입말뚝 또는 현장타설말뚝의 지지력을 산정하는 식으로써 암석강도의 대표성 문제로 현장 시험 값보다 과소 또는 과대평가할 뿐만 아니라, 다양한 배합비(W/C)의 시멘트밀크를 주입하고 있는 SDA매입말뚝의 주면마찰력(Q_s)을 산정할 수 없다.

(4) 특히 2000년 이후 큰 설계지지력이 필요한 장대(長大)한 토목구조물과 고층부터 초고층 건축물에 중·대구경의 초고강도말뚝을 암반에 시공하므로 암반지지 SDA매입말뚝의 주면마찰력(Q_s)을 올바로 평가할 수 있는 산정식 개발이 시급하다. 2015년부터 도로교에 한계상태설계법을 적용하면서 한국도로공사(2020)가 LH공사와 공동으로 매입말뚝의 감가된 지지력 산정식을 개발하였지만, 기반암에 시공하는 매입말뚝의 지지력은 산정할 수 없다. 

(5) 채수근(2022, 2023)에 의하면 마찰지지층별 단위극한주면마찰력(f_s 또는 q_s)은 시멘트밀크의 배합비(W/C)별로 약 10~25% 차이나는 것으로 나타났다. 현재 매입말뚝의 큰 지지력 확보를 위해 설계조건과 지반조건에 따라 다양한 시멘트밀크 배합비(W/C)를 적용하고 있으므로 이를 반영할 수 있는 주면마찰력(Q_s) 산정식이 개발되길 기대한다.

참고문헌

1. 국토교통부(2015), 교량하부구조설계기준(한계상태설계법), pp.7-1~7-97.

2. 국토교통부(2021), KDS 24 14 51, 교량하부구조설계기준(한계상태설계법), pp.1~76.

3. 대한건축학회(2005), 건축기초구조설계기준, pp.172~184.4. 채수근(1997), SDA매입말뚝 신공법, pp.1~133.

5. 채수근(2000), “Q&A 매입말뚝 시공법”, ‘지반’, 한국지반공학회지, Vol.16, No.7, pp.63~68.

6. ?채수근(2007), “시멘트밀크 배합비에 따른 다양한 지반 내 SDA매입말뚝의 연직지지력”, 박사학위논문, 중앙대학교, pp.1~262.

7. 채수근(2022), 풍화암반과 기반암에 시공된 SDA매입말뚝 주면마찰력 산정방법, 특허 제10-2452877호.

8. 채수근(2023), PHC말뚝기초 표준설계 및 시공실무(3판), 제3장 SDA매입말뚝의 연직지지력 산정식.

9. 채수근(2024), YouTube방송 [채박사의 기초이야기]

10. 한국도로공사(2020), 매입말뚝 한계상태설계법 적용기준, 고속도로 설계실무자료집[2020], pp.156~175.

11. 한국지반공학회(2009, 2018), 국토교통부 제정 ‘구조물 기초설계기준 해설’, 제5장 깊은기초.

12. (社)日本建築學會(2001, 2019), 建築基礎構造設計指針, 6章 杭基礎.

13. (公社)日本道路協會(2002, 2012), 道路橋示方書·同解說 Ⅳ下部構造編, 參考資料 10.

14. LH공사(2008), 기초설계 효율화를 위한 말뚝 기초설계 개선(안), pp.1~7. 

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]