부마찰력

왜 배우는가: 부마찰력은 지지말뚝의 지지력 감소와 구조물 침하·균열로 이어지는 대표적 지반-말뚝 상호작용 문제라 건설안전과 기초 시공 분야에서 실무 판단의 기준이 된다. 기술사 시험에서는 1교시 용어와 2~4교시 원인·대책 논술로 여러 회차에 걸쳐 반복 출제된다.

출제 이력: 제137회 2교시 1번, 제117회 1교시 4번, 제109회 3교시 4번, 제94회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

부마찰력은 주변 지반이 말뚝보다 많이 침하할 때 말뚝 주면에 하향으로 작용하는 마찰력이다

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 부마찰력(Negative Skin Friction)
• 부주면마찰력
• 중립점
• 압밀침하
• 지지말뚝
• 연약지반
• 지하수위 저하
• 유효응력 증가

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 흙이 말뚝보다 더 많이 가라앉으면서 흙이 말뚝을 아래로 끌고 내리는 힘이 생긴다는 뜻이다. 말뚝 기초는 보통 선단 지지력과 주면 마찰력으로 하중을 지반에 전달한다. 주면 마찰력은 원래 말뚝을 지지하는 방향, 즉 위로 작용해야 한다.

그런데 주변 지반의 침하량이 말뚝의 침하량보다 크면 주면 마찰력의 방향이 뒤집힌다. 이때 말뚝 주면에 아래로 작용하는 마찰력이 부마찰력이다. 부마찰력은 말뚝에 추가 하중으로 작용하므로 지지말뚝의 축하중을 키운다.

중립점(Neutral Point) 은 지반 침하와 말뚝 침하가 같아져 상대 변위가 0이 되는 깊이다. 중립점 위쪽 구간에서는 지반이 말뚝보다 더 침하하므로 부마찰력이 발생한다. 중립점 아래쪽은 말뚝이 지반보다 더 침하하므로 정마찰력이 작용한다. 따라서 부마찰력의 범위는 지표에서 중립점까지다.

압밀(Consolidation) 은 점토층이 상재하중을 받아 간극수가 빠져나가며 체적이 줄어드는 현상이다. 부마찰력의 주된 원인이 바로 이 압밀침하다.

지하수위 저하 는 흙의 유효응력을 증가시켜 압밀침하를 유발한다. 굴착이나 배수로 인한 지하수위 저하가 부마찰력을 키우는 대표적 조건이다.

3. 등장 배경과 필요성

연약지반에 말뚝을 시공하거나 말뚝 주변에 성토·매립이 이루어지면 지반이 장기간 압밀침하한다. 이 과정에서 말뚝 주면에 예상하지 못한 하향 마찰력이 생기면 설계상 말뚝의 축하중이 증가하고 지지력이 부족해질 수 있다. 말뚝 상부 구조물에서는 지반 침하에 따른 균열과 부등침하가 발생한다.

초기에는 말뚝 설계에서 부마찰력을 고려하지 않는 경우가 많았다. 그러나 도심지 굴착과 대규모 매립지 개발이 늘면서 지하수위 변동과 지반 침하가 잦아졌고, 부마찰력에 의한 구조물 피해 사례가 누적되었다. 이에 따라 말뚝 설계와 시공 단계에서 부마찰력을 검토하고 대책을 세우는 것이 필수 과정이 되었다.

부마찰력은 지지력 감소, 구조물 침하, 누수 등 다양한 피해로 이어진다. 따라서 발생 원인을 이해하고 방지대책을 계획하는 능력이 기술사 답안의 핵심 평가 요소다.