말뚝 부마찰력

왜 배우는가: 말뚝 부마찰력은 연약지반 위 성토나 지반침하가 발생할 때 말뚝의 지지력을 떨어뜨리고 구조물 침하를 키우므로 실무 설계에서 반드시 검토해야 한다. 시험에서도 1교시 용어, 2~4교시 논술과 계산 문제로 여러 번 반복 출제되었다.

출제 이력: 제133회 2교시 1번, 제132회 2교시 5번, 제122회 1교시 9번, 제114회 2교시 6번, 제108회 1교시 10번, 제98회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

부마찰력은 주변 지반이 말뚝보다 더 크게 침하할 때 말뚝 주면에 하향으로 작용하는 마찰력이며, 이 힘은 말뚝을 아래로 끌어내려 지지력을 감소시킨다.

• 부마찰력(Negative Skin Friction)
• 중립점(Neutral Point)
• 중립면(Neutral Plane)
• 압밀침하(Consolidation Settlement)
• 성토하중(Surcharge Load)
• 연약 점토층(Soft Clay Layer)
• 하중전이(Load Transfer)
• 주면마찰력(Positive Skin Friction)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 말뚝이 단단한 층에 박혀 있는데 그 주위 흙이 가라앉으면 흙이 말뚝을 아래로 끌고 내려가는 힘이 생긴다. 이것이 부마찰력이다. 보통의 주면마찰력은 말뚝이 흙보다 더 많이 가라앉을 때 흙이 말뚝을 위로 밀어 올리는 방향으로 작용한다. 두 힘은 방향이 반대다.

정식으로는 말뚝 기초가 선단 지지력과 주면 마찰력으로 상부 하중을 지반에 전달하는데, 주변 지반이 말뚝보다 더 많이 침하하면 주면 마찰력이 아래쪽으로 작용한다. 이때의 마찰력을 부마찰력이라 하고, 부주면마찰력이라고도 부른다.

중립점은 말뚝과 흙의 상대변위가 0이 되어 주면마찰력의 방향이 바뀌는 깊이다. 위쪽 구간은 흙이 말뚝보다 더 침하하여 부마찰력이 작용하고, 아래쪽 구간은 말뚝이 흙보다 더 침하하여 정(正)의 주면마찰력이 작용한다. 중립점에서 말뚝의 축력이 최대가 된다. 이 점을 기준으로 나눈 면이 중립면이다.

부마찰력의 크기는 말뚝 주변장, 관입 깊이, 흙의 평균 마찰력 또는 일축압축강도의 절반으로 정한다. 단위 면적당 마찰력은 \tau로 쓰고, 말뚝 주변장은 U=\pi D로 둔다.

3. 등장 배경과 필요성

연약 지반 위에 도로나 매립지를 조성하거나 기존 말뚝 주변에 성토를 하면, 연약한 점토층이 자중과 추가 하중으로 압밀침하를 일으킨다. 이때 말뚝 주변 흙의 침하가 말뚝 자체의 침하보다 커지면서 부마찰력이 생긴다. 이 현상은 말뚝을 설계할 때 고려하지 않으면 말뚝의 지지력이 부족해지고 구조물이 침하하거나 균열이 생긴다.

특히 압밀층을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 박는 경우, 연약 지반을 관통하여 말뚝을 박고 그 위에 성토하는 경우, 연약 지반을 관통하여 견고한 지반에 말뚝을 박는 경우에 부마찰력이 발생한다. 실제 피해로는 지반침하, 구조물 균열, 말뚝 지지력 감소, 건축물 누수 등이 보고되어 있다.

따라서 부마찰력은 말뚝 기초의 안정성을 좌우하는 설계 하중으로 다뤄야 한다. 성토가 예정된 연약지반에서는 부마찰력을 하중으로 더하여 허용지지력을 검토하는 것이 기본 절차다.

4. 구성요소·원리·절차

부마찰력 문제는 말뚝 주면, 압밀 침하층, 중립점, 지지층 네 요소의 상호작용으로 이해한다. 각 요소의 역할은 아래 표와 같다.