1. 서 론
2. 말뚝지지 전면기초의 이론적 특성
2.1 말뚝지지 전면기초의 하중분담율
2.2 기초 종류별 거동 특성
3. 현장 계측치를 이용한 수치해석 검증
3.1 수치해석 모델링
3.2 현장 계측결과
3.3 수치해석 검증 결과
4. 말뚝지지 전면기초에 미치는 영향인자 분석
4.1 해석조건
4.2 말뚝지지 전면기초의 영향 인자별 하중-침하량 및 하중분담률 분석
5. 결 론
1. 서 론
최근 급속한 도시화로 인해 초고층 건축물, 복합개발단지, 지하공간 활용 등 대규모 건설 프로젝트가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며, 국내에서도 수도권 및 주요 도시를 중심으로 이러한 개발 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 구조물의 하중을 안정적으로 지지할 수 있는 기초 시스템의 중요성이 부각되고 있으며, 단순한 구조적 안정성뿐만 아니라 시공성 및 경제성까지 고려한 통합적 설계 접근이 요구되고 있다(Poulos, 2000, 2001).
일반적인 건축물의 기초 설계에서는 전면기초(Raft foundation)를 통해 구조물의 하중을 넓은 면적에 분산시켜 지반에 전달하는 방식이 우선 적용된다. 그러나 지반의 지지력이 부족하거나 상부 구조물의 하중이 과도한 경우, 전면기초만으로는 안정성과 침하 허용기준을 만족하기 어려워 말뚝을 병행하는 말뚝지지 전면기초(Piled raft foundation)로 전환하는 사례가 많다(Lee et al., 2010). 특히 초고층 건축물과 같은 하중이 큰 구조물에서는 말뚝기초의 적용 빈도가 높으며, 대부분의 설계가 말뚝이 하중을 전적으로 지지한다는 전통적인 지지력 기반 설계 개념에 따라 수행되고 있다(Bisht and Juneja, 2023).
이러한 보수적인 설계 방식은 말뚝 지지력 기준에 따라 안전율을 적용해 말뚝의 수량과 길이를 결정하며, 침하를 허용하지 않는 방식으로 이루어진다. 그러나 실제 구조물–지반 시스템의 거동을 고려할 때, 이러한 접근은 과도한 보수성으로 인해 필요 이상의 말뚝이 설치되는 결과를 초래하고(Varghese et al., 2020), 이는 시공비 증가 및 설계의 비경제성으로 이어질 수 있다. 또한, 침하를 고려하지 않는 설계는 전면기초와 지반 간의 상호작용을 반영하지 못해 실제 거동과 맞지 않는 비효율적인 설계가 이루어질 가능성이 있다(Nguyen et al., 2022; Ko et al., 2017).
이에 따라 최근에는 구조물, 기초, 지반 간의 상호작용을 고려한 보다 합리적이고 경제적인 설계 개념으로서 말뚝지지 전면기초가 주목받고 있다(Poulos, 2001; Elwakil and Azzam, 2016; Alnuiam et al., 2013; Deb and Pal, 2019; Ateş et al., 2022). 이 방식은 말뚝과 전면기초가 하중을 함께 분담함으로써 말뚝의 설치 개수를 줄이고, 전면기초의 지반 지지력을 활용할 수 있어 시공성과 경제성 측면에서 유리하다(Yirsaw and Ashango, 2023). 또한 침하를 허용 가능한 범위 내에서 제어함으로써 구조적 안정성도 확보할 수 있다(Katzenbach et al., 1998; Hoang et al., 2024).
본 연구는 이러한 측면에서 국외에서 활발히 적용되고 있는 말뚝지지 전면기초 설계 개념을 국내 지반 조건(매립층, 연안 근입조건)에 적용하고, 기존의 비효율적이고 보수적인 말뚝기초 설계의 한계를 극복하기 위한 방안을 제시하고자 한다. 이를 위해 3차원 유한요소해석(PLAXIS 3D)을 통해 말뚝지지 전면기초의 침하 거동 및 하중 분담 특성을 정량적으로 분석하고, 다양한 설계변수(예: 말뚝 직경, 길이, 전면기초 폭, 두께 등)와 지반 조건을 고려하여 합리적이고 경제적인 최적 설계방안을 도출하고자 한다. 더불어 실무에 적용 가능한 설계기준 정립에 기여함과 동시에 구조적 안정성과 경제성을 동시에 만족시키는 설계 접근의 이론적 기반을 제공하는 것을 목적으로 한다.
2. 말뚝지지 전면기초의 이론적 특성
2.1 말뚝지지 전면기초의 하중분담율
말뚝지지 전면기초(Piled Raft Foundation, PRF)는 말뚝기초와 전면기초의 장점을 결합한 복합 기초 시스템으로, 구조물의 하중을 말뚝과 전면기초가 공동으로 분담하는 형태로 작용한다(Poulos, 2001). 이 시스템은 구조물에서 전달되는 하중의 일부를 전면기초를 통해 넓은 면적으로 지반에 분산시키고, 나머지는 말뚝을 통해 심도 깊은 지지층에 전달함으로써 침하 제어와 구조적 안정성을 동시에 확보할 수 있다. 말뚝지지 전면기초의 거동은 구조물–기초–지반 간의 상호작용에 크게 의존하며, 말뚝의 지지력, 전면기초의 강성, 말뚝의 배열 및 간격, 지반의 탄성 특성 등이 복합적으로 작용하여 전체 시스템의 하중 분담 및 침하 특성을 결정한다(Varghese et al., 2020; Nguyen et al., 2022). 말뚝과 전면기초는 서로 다른 비율로 하중을 지지하게 되며, 이때의 하중 분담률(Load Sharing Ratio, LSR)은 다음 식 (1)과 같이 정의된다.
여기서, 는 말뚝에 전달되는 하중(kN), 는 전면기초에 전달되는 하중(kN), 는 말뚝 하중 분담률()을 나타낸다.
2.2 기초 종류별 거동 특성
말뚝지지 전면기초의 성능은 전면기초의 강성, 말뚝의 배열 및 형상, 지반의 강도 특성, 구조물의 하중 조건 등에 따라 복합적으로 결정된다(Bisht and Juneja, 2023). 특히 구조물–기초–지반 간의 상호작용이 중요하며, 이를 정확히 해석하기 위해서는 3차원 유한 요소 해석(3D FEM)과 같은 수치해석 기법이 요구된다(Deb and Pal, 2019; Ateş et al., 2022). Fig. 1과 Table 1은 단일 전면기초, 말뚝기초, 말뚝지지 전면기초의 특성을 비교한 것이다. 전면기초는 비교적 양호한 지반에 효과적으로 적용 가능하며 시공성과 경제성이 우수하지만, 하중 증가 시 침하 발생이 크고 침하 제어 성능이 낮다. 반면, 말뚝기초는 침하 제어 성능이 우수하나, 전면기초의 지지력을 고려하지 않아 경제성이 떨어진다(Poulos, 2001; Yirsaw and Ashango, 2023).
Table 1.
Comparison of the behavior of different foundation types (Poulos, 2001; Randolph, 1994)
말뚝지지 전면기초는 두 방식의 장점을 결합하여 침하 제어와 비용 절감의 균형을 달성할 수 있으나, 하중 분담 메커니즘의 정밀 고려가 필요하다(Katzenbach et al., 1998; Hoang et al., 2024). Fig. 1(c) 곡선은 이러한 거동을 잘 보여주며, 허용 침하 기준에 도달하기까지 지지할 수 있는 하중이 상대적으로 낮음을 확인할 수 있다.
말뚝기초는 말뚝을 통해 하중을 심도 지지층에 직접 전달함으로써 침하를 효과적으로 억제할 수 있다. 곡선 (a)에서 나타나듯이 동일한 침하 수준에서 가장 높은 하중을 지지할 수 있어 침하 제어 성능이 가장 우수하다. 그러나 기존의 보수적인 설계 방식에서는 전면기초의 지지력을 고려하지 않고 말뚝에 전적인 하중을 할당하는 경향이 있으며, 이로 인해서 과다한 말뚝 설치와 공사비 증가, 경제성 저하로 이어지는 문제가 있다. 실제로 그림에서는 전면기초가 기여할 수 있는 잔여 지지력(Excess capacity)이 활용되지 않고 낭비되는 구간이 표시되어 있다.
말뚝지지 전면기초는 전면기초와 말뚝이 하중을 함께 분담함으로써 각 기초 방식의 장점을 통합한 형식이다. 곡선 (b)는 침하 제어 성능이 전면기초보다 우수하면서도, 말뚝기초에 비해 효율적인 하중 분산을 통해 경제성을 확보할 수 있음을 보여준다. 이 방식은 다양한 지반 조건에 적용 가능하며, 침하 제어와 비용 절감의 균형을 달성할 수 있다. 다만 하중 분담 메커니즘을 정밀하게 고려해야 하므로 설계 복잡성은 가장 높다(Table 1 참조).
3. 현장 계측치를 이용한 수치해석 검증
본 장에서는 현장시험을 통해 전면기초 위에 설치된 기둥이 하중을 받는 말뚝지지 전면기초에 대하여 기존에 수행된 현장시험(Roh, 2017; Jeong et al., 2017)을 참조하여 검증을 실시하였다. 현장 시험 조건은 3.1m × 3.1m의 전면기초에 5본의 강관말뚝(D=0.508m, t=0.014m)이 0.9m 간격으로 이격되어 있는 말뚝지지 전면기초이다. 이를 기초로 하는 구조물에 총 10개층이 시공될 때의 하중-침하 거동과 하중 분담 비율을 말뚝지지 전면기초를 현장 모니터링하여 분석하고, 말뚝지지 전면기초의 거동을 분석하였다. 더불어 현장시험 결과와 본 연구에서 이용될 수치해석 프로그램인 PLAXIS 3D 수치해석 모델의 적정성을 검증하였다(Brinkgreve et al., 2025).
3.1 수치해석 모델링
현장 계측결과에 대한 수치해석 검증은 현장조건에 따라 Fig. 2와 같이 모델링 하였다. 전면기초는 Fig. 2(b)와 같이 3.1m×3.1m 크기에 두께 1.1m, 말뚝은 23m 깊이로 모델링 하였다. 본 수치해석 모델링은 검증 대상인 현장의 지반조건과 동일하게 매립층, 풍화토, 풍화암, 연암으로 모델링 하였다. 이때 풍화토, 풍화암, 연암의 SPT N 값은 50이상을 가지는 지반으로 구성되어 있다.
3차원 모델링시 수평방향(x, y방향)의 해석영역은 40m로 각각 말뚝 직경의 50배 이상(40m ≥ 25m = 500mm × 50, Lee, 2014)을 만족하도록 하였다. 또한 중력방향(z방향)의 해석영역은 바닥 경계부의 구속조건이 앵커의 선단부의 응력 변화에 영향을 미치지 않도록 말뚝길이의 2배(46m)로 모델링 하였다.
지반조건은 현장 조건을 반영하여 해석결과의 단순화를 위해 Fig. 2(b)와 같이 4개층 지반으로 모델링 하였다. 지반의 중앙부에는 전면기초가 놓여있으며 말뚝 간 간격은 1.8m인 5개 말뚝으로 모델링 하였다. 요소의 크기는 정밀한 해석을 위해 구조물(전면기초, 말뚝기초)과 근접한 지반은 50mm의 고체요소로 모델링하였고 해석결과에 큰 영향을 미치지 않는 지반의 경계부는 해석 시간의 효율을 높이기 위해 1m 크기의 요소로 모델링하였다. 해석 지반정수는 Table 2와 같다.
Table 2.
Soil parameters in field
3.2 현장 계측결과
Fig. 3(a)는 말뚝지지 전면기초의 전체 하중과 말뚝 하중의 관계를 침하량에 따라 나타낸 것이다. 침하 초기 구간(0~4mm)에서 전체 하중은 급격히 증가하여 약 6.8MN에 도달하며, 말뚝이 분담하는 하중은 약 2.8MN로 전체 하중의 약 41% 수준이다. 이는 초기에는 지반이 주로 하중을 지지하고 있음을 의미한다. 이후 침하가 증가함에 따라 말뚝 하중도 점진적으로 증가하여 최종 약 5.6MN까지 도달한다. 침하 4mm 이후부터는 말뚝의 하중 분담 비율이 증가하는 경향을 보이며, 말뚝이 본격적으로 지지력을 발휘하기 시작하는 것으로 해석된다. 이러한 하중 분담 특성은 침하량에 따라 지반에서 말뚝으로 하중이 이행되는 거동을 잘 보여준다.
Fig. 3(b)는 말뚝의 침하량에 따른 하중분담률 변화를 나타낸 것이다. 초기 하중분담률()은 약 30%에서 시작하여 최종 침하 시점에는 70%에 이르는 증가를 확인할 수 있었다. 기존 연구에 따르면 국외의 경우 하중분담률이 일반적으로 30~60%(Randolph, 1994; Reul and Randolph, 2003)로 나타나는 반면, 국내에서는 말뚝의 하중 분담 비율은 초기 30%에서 70%에 근접한 수치를 보인다. 이는 국내의 현장 지반이 풍화토와 풍화암으로 구성되어 있고, 대부분의 말뚝이 암반에 근입되기 때문에 점토지반이 주를 이루는 국외와 비교하여 말뚝의 하중분담률이 더 크게 나타나는 것으로 추정된다.
또한, 초기 하중 조건에서 말뚝의 하중분담률이 전체 하중에 비해 다소 낮게 나타난 것으로 측정되었다. 이는 5m 이상의 깊이에서 나타나는 견고한 풍화토 지반에 비해 상부 지반의 강도가 상대적으로 낮아, 하중 증가에 따라 상부 지반의 주면마찰력이 항복 상태에 이르고 하부 지반에서는 주면마찰력과 선단 지지력이 크게 발휘되었기 때문으로 분석된다.
3.3 수치해석 검증 결과
Fig. 4(a)는 하중-침하 곡선을 나타내며, 하중이 증가함에 따라 말뚝-전면기초 시스템의 침하가 점진적으로 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 실측 데이터와 수치해석 결과는 초기 하중 구간에서 유사한 경향을 보였으나, 하중이 증가한 조건에서는 실측 데이터가 수치해석 결과보다 더 큰 침하량을 나타냈다. 특히 최종 침하량에서는 약 2mm의 오차가 발생하였으나, 수치해석 결과와 실측 데이터 모두 동일한 파괴 지점에서 급격한 침하가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 기초의 지지 한계를 초과한 후 기초 구조가 급격히 변형되는 상황을 의미하며, 수치해석을 통해 실제 현장의 거동을 근사적으로 반영하고 있음을 나타난다.
Fig. 4(b)는 침하량에 따른 하중분담율()을 나타낸 것으로 말뚝과 전면기초가 하중을 어떻게 분담하는지를 시각적으로 보여준다. 침하가 진행됨에 따라 하중분담율은 점진적으로 증가하며, 이는 전면기초보다 말뚝이 점차 더 많은 하중을 지지하게 되는 현상을 나타낸다. 실측 데이터는 연속적으로 증가하는 하중분담 비율을 보여주고 있으며, 수치해석 결과 또한 비슷한 경향을 보였다. 극한 하중 조건에서 수치해석을 통한 하중 분담 비율은 약 70%로 수렴하였으며, 이는 실측 데이터와 유사한 수준이다. 이는 말뚝이 지지하는 하중도 최종 하중에서 유사한 값을 나타내어 해석 결과가 현장 계측과 일치하는 경향을 보인다.
이상의 결과를 종합해 보면, Table 3과 같이 계측값과 수치해석의 결과에 차이가 있는데 이는 침하량의 경우 수치해석시 지반강성을 과소평가 할 수 있는 부분과, 균질·등방성으로 단순화한 결과와 과거 하중 이력에 따라 거동이 변하는 것을 반영하지 못한 한계가 있다. 그리고 하중재하방법의 경우 해석시 하중을 즉시재하로 모델링 하였지만 계측이 수행된 구조물은 점진적 시공 및 하중 작용으로 침하가 감소되어 평가된 것으로 판단된다.
Table 3.
Comparison between field measurements and numerical analysis results
| Item | Field measurement (A) | Numerical analysis (B) | Error rate (%) = A/B |
| Settlement (mm) | 11.1 | 13.2 | 84.1 |
| Load sharing ratio (αpr) | 73.4 | 71.0 | 103.3 |
하중분담율의 경우 적용한 interface 계수값을 일정한 것으로 적용하여 이는 raft의 하중분담율이 과대평가 되는 경향을 기존 연구(Reul and Randolph, 2003)을 바탕으로 판단된다. 따라서 수치해석은 말뚝-전면기초 시스템의 실제 하중-침하 거동과 하중 분담 비율을 근사적으로 잘 반영하고 있음을 확인할 수 있다.
4. 말뚝지지 전면기초에 미치는 영향인자 분석
4.1 해석조건
본 해석에 사용된 2×2 말뚝지지 전면기초의 개략도는 Fig. 2와 동일하며 이 구조물은 기초와 1.5m 간격으로 배치된 4개의 동일한 수직 말뚝(PHC)으로 구성되어 있다. 말뚝의 근입깊이는 23m이고 직경은 0.5m이다. 말뚝선단은 암반에 근입되어 있으며, 기초폭은 3.1m인 정사각형 기초이며 두께는 1.1m로 모델링 하였다.
연구에 사용된 지반 조건은 Fig. 2(a)의 모델링을 단순하게 매립층(21m)층과 연암층(25m)으로만 구성하였다. Table 4는 해석에 사용된 지반정수로 매립층은 탄성계수가 35MPa이며 포아송비는 0.45, 점착력은 0kPa, 내부마찰각은 28°로 설정하였다. 이는 실제 느슨한 잔류토의 특성을 반영하여 기초 구조가 상부 지반에서 어떻게 거동하는지 평가하기 위함이다. 하부층은 연암층 조건으로 탄성계수는 230MPa, 포아송비는 0.3, 점착력은 50kPa, 내부마찰각은 35°로 설정하였다. 연암층은 비교적 강한 지반 조건을 반영하여 말뚝 선단이 근입된 경우 하중 전이 특성과 안정성을 평가하기 위한 목적으로 적용하였다. 하중조건은 전면기초에 분포하중으로 z방향으로 적용하여 말뚝지지 전면기초의 거동을 확인하였다.
Table 4.
Material properties for parametric analysis
| Soil conditions | γt (kN/m3) | c (kN/m2) | ϕ (°) | E (MPa) | ν |
| Fill | 18.0 | 0.0 | 28 | 35 | 0.45 |
| Soft rock | 23.0 | 50.0 | 35 | 230 | 0.3 |
| PHC pile | 25.0 | - | - | 42,000 | 0.2 |
| Steel pile | 75.0 | - | - | 210,000 | 0.2 |
| Raft | 25.0 | - | - | 34,000 | 0.2 |
상재하중은 PHC D600 말뚝기준으로 총 5766kN을 적용하였으며 기초의 면적으로 나누어 분포하중으로 적용하였다.
수치해석 조건은 Table 5와 같이 말뚝직경(D), 기초폭(W), 기초두께(t), 말뚝종류(M), 선단부 근입여부(E)를 영향인자로 선택하여 각 해석 조건별로 수치해석을 수행하였다. 말뚝 직경은 0.4m에서 0.9m까지 변화시키며 침하량과 최대 축력을 비교 분석하였고, 기초 폭은 2.0m에서 6.0m까지 확장하여 기초 폭 증가가 안정성에 미치는 영향을 수치적으로 평가하였다. 기초 두께는 0.5m에서 5.0m 까지 변화시켜 두께 증가가 구조 강성과 침하 저감에 미치는 영향을 검토하였으며, 강관말뚝 사용시 기존 PHC 말뚝과 비교하여 설계 적합성을 분석하였다. 마지막으로, 말뚝이 토사에 근입된 상태에서의 침하량 및 최대 축력을 분석하여 지반조건에 대한 말뚝지지 전면기초의 거동특성을 도출하였다.
Table 5.
Case studies for parameteric study
| Factor | Pile diameter (D) (m) | Raft width (W) (m) | Raft thickness (t) (m) | Pile type (M) | Embedded conditions (E) |
| Pile diameter | 0.4 | 3.1* | 1.1* | PHC* | Rock socketing* |
| 0.45 | |||||
| 0.5 | |||||
| 0.6* | |||||
| 0.7 | |||||
| 0.8 | |||||
| 0.9 | |||||
| Raft width | 0.5 | 2.0 | 1.1 | ||
| 2.5 | |||||
| 3.1 | |||||
| 4.0 | |||||
| 5.0 | |||||
| 6.0 | |||||
| Raft thickness | 0.5 | 3.1 | 0.5 | ||
| 0.75 | |||||
| 1.1 | |||||
| 1.5 | |||||
| 3.0 | |||||
| 5.0 | |||||
| Pile type | 0.5 | 3.1 | 1.1 | Steel | |
| Embedded conditions | 0.5 | 3.1 | 1.1 | PHC | Friction pile |
4.2 말뚝지지 전면기초의 영향 인자별 하중-침하량 및 하중분담률 분석
4.2.1 말뚝직경 조건
말뚝직경 검토 결과 Fig. 5 및 Table 6에서와 같이 말뚝직경이 0.4m~0.7m 까지는 직경은 감소할수록 침하량이 증가하는 경향을 나타내었는데, 직경이 0.8m, 0.9m 에서는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 특정 직경 0.8m 이상에서는 말뚝간 사이 거리가 1.4m로 말뚝의 그룹효과의 영향으로 말뚝이 받는 총 하중이 감소하고 전면기초로 하중분담율이 증가되는 것으로 확인된다. 이때 말뚝의 침하량도 증가(Mandolini et al., 2005)하는 것으로 나타났다. 이외에 말뚝직경 0.4m~0.7m 까지는 말뚝그룹 효과 영향에 포함되지 않은 결과로 강성증가에 따라 말뚝의 침하량은 감소하고 말뚝 축력은 증가하는 것으로 확인되었다. 여기서 Pile total load는 말뚝 4본의 최대축력값을 총합한 값이다.
Table 6.
Numerical analysis results (Pile diameter)
4.2.2 기초 폭 조건
기초 폭 조건 검토 결과 Fig. 6 및 Table 7에서와 같이 기초 폭이 2.0m, 2.5m, 3.1m, 4.0m, 5.0m, 6.0m에 따라 상이한 결과가 나타났다. 검토결과 기초 폭이 증가함에 따라 침하량이 감소하고, 최대 축력이 변화하는 양상을 확인하였다. 또한, 기초 폭이 2.0m일 때 침하량은 21.08mm였으며 기초 폭이 6.0m일 때 침하량은 6.395mm로 감소하였다. 그리고 하중분담율은 기초 폭이 증가할수록 분담율이 감소하는 것으로 나타나 이는 전면기초의 자중이 증가하였지만, 하중분담의 역할이 더 크게 나타난 결과로 사료된다.
Table 7.
Numerical analysis results (Raft width)
4.2.3 기초두께 조건
기초두께 조건 검토 결과 Fig. 7 및 Table 8에서와 같이 기초두께가 2.0m, 2.5m, 4.0m, 5.0m, 6.0m 인 경우로 분석하였다. 검토결과 기초 두께가 증가함에 따라 침하량이 감소하고, 말뚝이 받는 총 하중도 증가하는 것으로 나타났다. 침하량은 0.5m에서 13.2mm 5.0m에서는 5.67mm가 발생하는 것을 확인하였다. 이는 기초가 두꺼워질수록 굽힘강성이 커져 기초의 변형(곡률)이 줄고, 같은 하중에서 기초의 전반적 처짐이 감소하며, 이때 말뚝지지 전면기초의 거동 형태 때문에 말뚝으로의 하중분담이 더 일찍 전이되어 말뚝 축력과 분담율이 증가한다. PRF 거동이 상대강성에 좌우 된다는 점은 이론·수치·모형시험에서 반복 확인되었다. 그리고 기초의 강성(두께, 폭 등)이 증가하게 되면 말뚝의 분담율이 증가한다는 연구 결과와 동일한 거동이 나타났다(Mali and Singh, 2018).
Table 8.
Numerical analysis results (Thickness of raft foundation)
4.2.4 말뚝재료 조건
말뚝재료 조건은 실무에서 가장 많이 사용되는 PHC 말뚝과 강관말뚝에 대해 검토를 수행하였다. 검토 결과 Fig. 8은 강관말뚝의 사용이 침하량 및 최대 축력에 미치는 영향을 분석하였으며 기존 말뚝 조건과 비교하여 설계 적합성을 평가하였다. PHC 말뚝 사용시 침하량은 12.55mm 였으나, 강관 말뚝 사용 시 침하량은 10.55mm로 2mm 감소하였다. 이는 강관말뚝의 강성이 PHC말뚝보다 크게 나타나 침하량은 감소하였고 말뚝에 걸리는 축력은 증가된 결과로 판단된다.
Table 9.
Numerical analysis results (Pile material)
| Pile material | PHC | Steel |
| Maximum pile settlement (mm) | 12.55 | 10.55 |
| Pile total load (kN) | 4236 | 4460 |
| Load sharing ratio (%) | 73.5 | 77.3 |
4.2.5 말뚝선단부 근입 조건
말뚝선단부 근입 조건은 실무에서 가장 많이 사용되는 PHC 말뚝과 강관말뚝에 대해 검토를 수행하였다. 검토 결과 Fig. 9 및 Table 10과 같이 말뚝선단 근입조건에서의 말뚝지지 전면기초의 설계 및 성능 평가를 수행한 것으로 암반 근입 조건에서 침하량은 12.55mm 였으나, 토사 근입 조건에서 침하량은 16.18mm로 3.63mm 증가하였다. 하중분담율은 토사근입의 경우 침하량이 많이 발생되면서 말뚝기초에 걸리는 하중이 암반근입 조건보다 감소하고 전면기초가 하중을 많이 분담하는 것으로 나타났다. 이는 전형적인 말뚝지지 전면기초에서의 거동으로 말뚝의 침하를 일정 부분 허용하고 전면기초가 하중을 분담하는 형태이다.
5. 결 론
본 연구에서는 말뚝지지 전면기초에 대해 현장 계측자료를 바탕으로 침하량 및 하중분담비에 대한 수치해석 검증을 수행하였고, 이를 바탕으로 설계에 미치는 다양한 영향인자에 대해 하중-침하 곡선 및 하중분담율 값을 정량적으로 분석하였으며 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 말뚝지지 전면기초의 설계 변수는 침하량 및 축력 거동에 결정적인 영향을 미치며, 기초 폭과 두께의 증가가 침하 억제에 효과적인 것으로 분석되었다. 특히, 기초 폭 6.0m 및 두께 5.0m 조건에서 침하량이 각각 6.395mm, 5.668mm로 현저히 감소하여 기초 단면 확대가 침하 안정성 확보에 유리함을 확인하였다.
(2) 말뚝 직경은 최대 축력과 하중 분담율 향상에 기여하였으나, 직경이 과도하게 증가할 경우 침하량도 증가할 수 있어 경제성과 구조적 효율성을 동시에 고려한 최적 설계가 요구된다. 본 연구에서는 0.7~0.8m 직경이 가장 합리적인 범위로 제시되었다.
(3) 말뚝 재료 측면에서 강관말뚝은 PHC 말뚝에 비해 침하량이 적고, 하중 분담율이 높아 구조적 안정성 및 효율성 면에서 우수한 성능을 보였다. 특히 강관말뚝은 최대 축력 1119kN, 하중 분담율 77.3%으로 나타나 강성이 높은 말뚝이 분담률이 큰 것으로 확인되었다.
(4) 지반조건에 따른 비교에서는 암반 근입이 토사 근입에 비해 침하량이 감소하고 하중 분담율이 증가하는 경향을 보여, 지반 특성을 고려한 말뚝 근입이 설계 안정성 확보에 필수적임을 확인하였다.
