부간극수압·부마찰력

왜 배우는가: 부마찰력은 연약지반 위 성토나 지하수위 변동에서 말뚝 지지력을 떨어뜨리고 침하를 키우는 대표적 현상이라 실무 설계와 시공 판단의 기본이 된다. 부간극수압과 함께 연약지반 말뚝 문제의 원인 구조를 이해해야 하므로 기술사 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제119회 2교시 4번, 제116회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 부마찰력은 주변 지반이 말뚝보다 더 많이 침하할 때 주면에 아래 방향으로 작용하는 마찰력이다.

핵심 키워드

• 부마찰력(negative skin friction): 말뚝 주면에 하향으로 작용하는 마찰력
• 부간극수압(negative pore water pressure): 간극수압이 정수압보다 낮아 생기는 음의 과잉간극수압
• 중립면(neutral plane): 말뚝과 지반의 상대변위가 0이 되어 주면마찰력 방향이 바뀌는 깊이
• 압밀침하(consolidation settlement): 성토·지하수위 저하로 연약층이 압밀되며 발생하는 침하
• 주면마찰력(positive skin friction): 말뚝을 위로 지지하는 상향 마찰력
• 지지말뚝(end bearing pile): 선단 지지력으로 하중을 주로 지지하는 말뚝
• 하향 하중(downdrag load): 부마찰력으로 말뚝에 추가되는 연직 하중
• 유효응력(effective stress): 전응력에서 간극수압을 뺀 값으로, 부마찰력 크기를 좌우함

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 말뚝 주변의 흙이 말뚝보다 더 내려앉으면 흙이 말뚝을 아래로 끌고 내려가는 힘이 생긴다. 이 힘이 부마찰력이다. 말뚝은 원래 흙이 위로 버텨 주는 힘(주면마찰력)을 받아야 하는데, 반대로 흙이 말뚝을 잡아당기는 셈이다.

정식 정의는 다음과 같다. 말뚝 기초는 선단 지지력과 주면 마찰력으로 상부 하중을 지반에 전달한다. 주변 지반의 침하가 말뚝의 침하보다 커서 주면 마찰력의 방향이 아래로 바뀐 것을 부마찰력이라 한다. 부마찰력은 말뚝 상단에 추가 하중으로 작용하므로 말뚝의 연직 지지력을 감소시킨다.

부마찰력은 주면 마찰의 방향 반전으로 정의된다. 방향이 바뀌는 깊이가 중립면이며, 중립면 위쪽은 부마찰력, 아래쪽은 정(正)의 주면마찰력이 작용한다. 중립면의 위치는 말뚝과 지반의 상대 침하가 같아지는 지점으로 결정된다.

부간극수압은 지하수위가 내려가거나 압밀이 진행되어 간극수압이 정수압보다 낮아지는 현상이다. 간극수압이 줄면 유효응력이 증가하여 흙이 압밀되고 침하가 생긴다. 이 침하가 말뚝 주변에서 크면 부마찰력이 커진다. 따라서 부간극수압은 부마찰력을 일으키는 원인 중 하나로 이해한다.

전단강도 측면에서 보면, 흙의 전단강도는 유효응력으로 계산한다. 간극수압이 변하면 유효응력이 바뀌고 주면 마찰저항도 바뀐다. 부마찰력은 이 변화가 말뚝 주면에서 반대 방향의 힘으로 나타난 결과다.

3. 등장 배경과 필요성

부마찰력은 말뚝이 연약한 압밀층을 관통하여 지지층에 도달하는 경우 주로 나타난다. 연약 지반 위에 성토를 하면 성토 하중이 압밀층을 압축하고 주변 흙이 말뚝보다 더 많이 침하한다. 이때 말뚝 주면에 하향 마찰력이 생긴다.

발생 경우는 다음과 같다.

• 압밀층을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 설치하는 경우
• 연약 지반을 관통하여 말뚝을 박고 그 위에 성토하는 경우
• 연약 지반을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 설치하는 경우
• 지하수위가 하강하여 유효응력이 증가하고 흙이 압밀되는 경우
• 말뚝 항타 후 과잉간극수압이 상승했다가 소산되어 원래 상태로 돌아오는 경우

부마찰력이 문제가 되는 이유는 말뚝이 설계 하중보다 큰 하향 하중을 받기 때문이다. 말뚝 자체의 구조 안전성뿐 아니라 말뚝 침하가 커져 상부 구조물에 균열과 부등침하가 생길 수 있다. 특히 장기 압밀침하는 시간이 지나야 진행되므로 준공 후에 피해가 드러나는 경우가 많다.

시공 측면에서는 말뚝 간격이 좁거나 진동 항타로 주변 지반이 압밀되면 부마찰력이 증가한다. 따라서 부마찰력은 지반 조건, 시공법, 하중 조건이 함께 작용하는 현상으로 파악한다.

4. 구성요소·원리·절차

부마찰력은 말뚝 주변 지반이 말뚝보다 크게 침하할 때 말뚝 주면에 아래 방향으로 작용하는 마찰력이다. 말뚝의 지지력은 주면마찰력과 선단지지력의 합으로 정리되므로, 부마찰력이 생기면 주면마찰력의 방향이 반대로 바뀌어 말뚝에 가해지는 하중이 늘어난다.

구성요소별 역할은 다음과 같다.

부마찰력의 원리는 상대변위에 있다. 말뚝이 지반보다 상대적으로 덜 내려가면 지반이 말뚝을 아래로 끌어당긴다. 깊이가 깊어질수록 지반과 말뚝의 상대변위가 줄어들고, 어느 깊이에서 상대변위가 0이 된다. 이 지점이 중립면이다.

부마찰력이 작용하는 절차는 다음과 같이 진행된다.

• 성토, 지하수위 저하, 과재하 등으로 상부 지반에 압밀이 시작된다.
• 압밀 중인 지반이 말뚝 주변에서 침하하며 말뚝 주면과의 상대변위가 생긴다.
• 상대변위 방향이 아래로 바뀌는 구간에서 주면마찰력이 아래 방향으로 작용한다.
• 부마찰력이 말뚝에 더해진 하중으로 누적되어 말뚝 축력이 깊이에 따라 커진다.
• 중립면 위쪽은 부마찰력, 아래쪽은 정마찰력으로 나뉘어 축력 분포가 정해진다.
• 선단 지지력과 말뚝 응력, 침하량을 함께 검토하여 설계에 반영한다.

중립면 깊이는 지반의 압밀 진행과 말뚝 침하의 상대관계로 정해지며, 설계에서는 말뚝 침하가 지반 침하와 같아지는 깊이로 본다. 부마찰력의 총량은 중립면 위쪽 주면 구간에서 마찰 응력을 적분하여 구한다.

$Q_{nf} = \int_{0}^{L_n} f_{n}(z)\, U\, dz$

여기서 Q_{nf}는 부마찰력의 총량(kN), f_n(z)는 깊이 z에서의 부마찰 응력(kPa), U는 말뚝의 주변장(m), L_n은 중립면까지의 깊이(m)이다. 사질토에서는 부마찰 응력을 유효 상재압과 토압계수, 마찰각으로 구하고, 점성토에서는 부착계수와 비배수 전단강도로 구한다.

부마찰력은 지반이 말뚝보다 더 침하할 때 생기며, 중립면 위쪽에서 하향으로 작용한다.

소제목 4에서 핵심어는 중립면, 주면마찰력, 상대변위다.

도식 1개(흐름도):

5. 관련 법령·기준·표준

부마찰력은 법령에서 직접 수치를 정한 개념이 아니고, 건축구조기준과 지반공학 설계기준, 그리고 교량·항만 등 분야별 설계기준에서 다룬다. 시험에서는 개념과 설계 검토 방법을 묻는 경우가 많다. 아래 표는 설계와 시공 기준에서 함께 쓰는 핵심 기준값이다.

위 표의 값은 깊은기초 말뚝 설계에서 널리 쓰는 수치다. 기준의 정확한 조항은 설계기준 원문에 따른다. 중립면 깊이와 부마찰력 크기는 지반 조건에 따라 달라지므로 값을 고정하지 않고 지반 조사 결과로 산정한다.

개정 연혁은 설계기준의 개정 시기에 따라 적용 기준이 달라진다. 설계 시에는 적용하는 기준의 최신 개정판을 기준으로 한다.