말뚝 횡방향 지지력

왜 배우는가: 말뚝 횡방향 지지력은 교대·옹벽·해상구조물처럼 수평하중이 큰 기초의 안전을 좌우한다. 연직 지지력과 달리 두부 구속조건과 지반 종류에 따라 거동이 크게 달라서 기술사 시험에서 방법 비교와 설계 개념을 반복해 묻는다.

출제 이력: 제137회 3교시 1번, 제136회 2교시 3번, 제125회 1교시 7번, 제114회 1교시 5번, 제110회 2교시 4번, 제101회 3교시 6번, 제97회 1교시 7번, 제93회 2교시 2번, 제92회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

말뚝 횡방향 지지력은 수평하중에 대해 말뚝과 주변 지반이 함께 저항하여 말뚝이 허용변위 내에서 견딜 수 있는 최대 수평력이다.

• 횡방향 지지력, 수평저항력, 지반반력계수, 두부 구속조건, 주동말뚝, 수동말뚝, 짧은말뚝·긴말뚝

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 말뚝 머리에 옆으로 힘이 작용할 때 말뚝이 버티는 능력이다. 연직 지지력은 말뚝 선단과 주면이 아래위로 받는 힘이지만, 횡방향 지지력은 말뚝 몸체가 흙을 옆으로 밀면서 생기는 흙의 저항으로 결정된다.

정식으로는 말뚝 두부에 작용하는 수평력과 모멘트에 대해 말뚝의 변위와 휨응력이 허용 범위를 넘지 않는 한계 수평력을 말한다. 말뚝과 지반의 상호작용을 보는 방식에 따라 극한평형법, 탄성지반반력법, p-y 곡선법 등으로 나뉜다.

주동말뚝(active pile)은 말뚝이 지표면에서 수평력을 받아 말뚝이 움직이고 지반이 저항하는 경우다. 수동말뚝(passive pile)은 지반이 먼저 변형하여 말뚝에 측방토압이 작용하는 경우로, 측방유동 지반이 대표적이다. 두 경우는 검토 방법이 다르다.

두부 구속조건은 말뚝 머리가 회전과 수평 이동에 대해 얼마나 구속되어 있는지를 뜻한다. 두부가 자유인 경우와 고정인 경우에 모멘트 분포와 최대 휨모멘트 위치가 달라진다. 짧은말뚝은 말뚝이 지지층 저항을 충분히 받지 못하고 말뚝 전체가 회전하거나 평행이동하는 말뚝이고, 긴말뚝은 일정 깊이 이하에서 변위가 거의 0에 가까워지는 말뚝이다.

수평지지력 산정에서 흙의 저항은 깊이에 따라 달라진다. 점토지반에서는 점착력, 모래지반에서는 내부마찰각과 깊이에 비례하는 수평지반반력계수가 지배한다.

3. 등장 배경과 필요성

교대, 옹벽, 항만 구조물, 해상풍력 하부구조 등은 수평하중이 크게 작용한다. 연직 하중만 보고 말뚝을 설계하면 말뚝 머리 변위가 커져 상부구조의 사용성이 떨어지거나 말뚝이 휨으로 파손될 수 있다. 따라서 수평저항 검토는 연직 지지력 검토와 별도로 필요하다.

또한 측방유동이 일어나는 연약지반에서는 지반이 말뚝을 밀어내므로 수동말뚝 개념으로 횡방향 하중을 따로 산정해야 한다. 두부 구속조건을 잘못 가정하면 설계 모멘트가 실제보다 작게 나와 위험하다. 그래서 설계 초기에 지반 종류, 말뚝 길이, 두부 연결 상태를 함께 정하는 것이 중요하다.

기준은 허용 수평변위와 말뚝 본체의 휨 강도를 함께 만족하도록 요구한다. 기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)도 말뚝 두부 변위와 말뚝 본체 파괴 가능성을 검토하고, 말뚝 본체가 지표면 아래에서 먼저 파괴되지 않도록 요구한다.