부마찰력과 부간극수압

부마찰력의 정의

부마찰력은 주변 지반이 말뚝보다 더 많이 침하할 때 생긴다.

말뚝 주면에 하향으로 작용하는 마찰력이며, 말뚝을 아래로 끌어내리는 힘이다.

그래서 말뚝에 추가 하중으로 더해져 연직 지지력을 떨어뜨린다.

중립면과 상대변위

말뚝 주변 흙이 말뚝보다 더 내려앉으면 흙이 말뚝을 아래로 끌고 내려간다.

말뚝과 지반의 상대변위가 0이 되는 깊이를 중립면이라 한다.

중립면을 경계로 위쪽과 아래쪽의 주면마찰력 방향이 서로 반대가 된다.

중립면은 말뚝과 지반의 상대 침하가 같아지는 지점으로 정해진다.

부간극수압과 유효응력

부간극수압은 지하수위가 내려가거나 압밀이 진행되어 간극수압이 낮아지는 현상이다.

간극수압이 줄면 유효응력이 증가하고, 흙이 압밀되어 침하가 생긴다.

유효응력은 전응력에서 간극수압을 뺀 값이다.

따라서 부간극수압은 부마찰력을 일으키는 원인 중 하나로 이해한다.

부마찰력과 다른 힘 비교

부마찰력은 정의 주면마찰력과 힘의 방향이 반대다.

비교 기준은 작용 방향, 발생 원인, 설계 결과의 세 가지로 잡는다.

정의 주면마찰력은 말뚝을 위로 지지하고, 부마찰력은 말뚝 하중을 늘린다.

측방 토압은 수평으로 밀어 말뚝 휨 응력을 키우므로 원인이 다르다.

계산 예제

가상의 예로, 연약 점토층을 관통한 말뚝을 계산해 보자.

주변장은 파이에 직경을 곱한 값이므로 약 1.257 m이다.

단위 마찰력은 부착계수 0.5에 비배수 강도 40을 곱해 20 kPa이다.

주변장, 두께, 단위 마찰력을 곱하면 말뚝 1본당 약 251 kN이 된다.

실제 설계에서는 중립면 구간만 적분하고 선단 지지력과 합산해 검토한다.

헷갈리는 점과 답안 정리

첫째, 부마찰력을 지지력 증가 요인으로 쓰면 틀린다.

부마찰력은 말뚝에 하향 하중을 더하므로 구조적으로 불리하다.

둘째, 중립면을 말뚝 선단이나 지표면과 혼동하지 않는다.

셋째, 부마찰력을 침하와 무관한 고정값으로 쓰는 것도 감점이다.

정리하면 원리를 먼저 쓰고, 중립면, 하중 증가, 대책 순으로 답안을 짠다.