말뚝 횡방향 지지력

정의

말뚝 횡방향 지지력은 수평하중에 대해 말뚝과 주변 지반이 함께 저항하는 능력이다.

말뚝 머리에 옆으로 힘이 작용할 때, 말뚝이 허용 범위 안에서 버틸 수 있는 최대 수평력이다.

교대, 옹벽, 해상구조물처럼 수평하중이 큰 기초에서 특히 중요하다.

두부 구속조건

먼저 두부 구속조건을 구분해야 한다. 두부가 회전할 수 있는지가 핵심이다.

두부 자유 말뚝은 회전이 자유로워 변위가 크고 두부 모멘트는 작다.

두부 고정 말뚝은 회전이 구속되어 변위는 작고 두부 모멘트는 크다.

두부 조건을 잘못 가정하면 설계 모멘트가 실제보다 작게 나와 위험하다.

짧은 말뚝과 긴 말뚝

말뚝의 파괴 형태는 말뚝 길이, 즉 강성에 따라 짧은 말뚝과 긴 말뚝으로 나뉜다.

짧은 말뚝은 말뚝 전체가 강체처럼 움직이므로 지반의 수동저항으로 지지력이 정해진다.

긴 말뚝은 말뚝 본체가 휘므로 말뚝의 항복 모멘트가 지지력의 한계가 된다.

두 경우의 파괴 형태를 구분해 답해야 한다.

지반반력과 반력계수

지반반력은 말뚝 변위에 비례하는 반력으로, p = k_h · y · b로 표현한다.

여기서 k_h는 수평지반반력계수, y는 말뚝 변위, b는 말뚝 폭 또는 직경이다.

지반 종류에 따라 반력계수의 깊이 분포가 달라진다. 점성토는 일정하고, 사질토는 깊이에 비례하여 증가한다고 가정한다.

점성토와 사질토는 분포 형태가 달라서 Broms 식도 지반별로 다르게 적용한다.

계산 예제

예제로 사질토 위의 짧은 말뚝을 생각하자. 말뚝 직경은 0.6m, 길이는 6m다.

수동토압계수는 Kp = tan²(45° + φ/2)로 구하며, φ가 35°이면 약 3.69가 된다.

이 값으로 모멘트 평형식을 세워 극한 수평저항력 Hu를 구한다.

얻은 값이 상식 범위인지 보고, 말뚝의 휨 한계보다 작은지도 함께 확인한다.

흔한 실수

시험에서 자주 틀리는 실수는 네 가지다.

첫째, 두부 구속조건을 혼동하는 실수가 많다.

둘째, 짧은 말뚝과 긴 말뚝의 판정을 빠뜨리는 실수다.

셋째, 지반반력계수를 깊이에 따라 일정하다고 가정하는 실수다.

넷째, 기준 수치를 근거 없이 단정하는 것이다.

정리

말뚝 횡방향 지지력을 한 번 정리한다.

횡방향 지지력은 지반반력과 말뚝 휨모멘트의 연계로 구한다. 두부 조건과 말뚝 길이를 먼저 판정한다.

짧은 말뚝은 지반 파괴, 긴 말뚝은 말뚝 본체의 항복 모멘트가 한계가 된다.

기준은 허용 수평변위와 말뚝 본체의 휨 강도를 함께 만족하도록 요구한다.