얕은기초에서의 침하문제
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Transcript 얕은기초에서의 침하문제
얕은기초에서의
침하문제
2002. 11. 29
아주대학교
이 상 덕
목 차
1. 기초의 기본사항
2. 기초의 접지압
3. 기초의 즉시침하
4. 기초의 압밀침하
5. 기초의 이차압축침하
6. 기초침하의 특수문제
7. 허용침하량과 허용각변위
8. 결론
1. 기초의 기본 사항
기초의 기능
기초의 역학적 시스템
기초의 형태
기초의 형태에 따른 지지원리
1. 기초의 기본 사항
기초의 침하 원인
구조물 하중에 의한 지반의 압축
(지반의 탄소성 변형)
지하수위 강하에 따른 자중 증가
점성토 지반의 건조수축
지하수 배수에 의한 지반의 부피감소
(압밀)
함수비 증가에 의한 지지력의 약화
지반의 전단파괴(기초파괴)
지중공간(지하공간, 매설관)의 함몰
동상 후의 연화작용
1. 기초의 기본 사항
기초의 침하
S Si S c S s
Si : 즉시침하
S c : 압밀침하
S s : 이차압축침하
1. 기초의 기본 사항
침하계산 한계깊이
구조물하중에 의해 증가된 지중응력
σzp이 지반의 자중에 의한 응력 σzg의
20%보다 작아지기 시작하는 깊이.
즉, σzp ≤ 0.2 σzg 인 깊이
(a) 한계깊이
1. 기초의 기본 사항
지반의 변형계수
-
탄성계수(영율) E
압밀변형계수 Es : 압밀시험
평판변형계수 Ev : 평판시험
실측변형계수 Em : 실측
변형계수 상호관계
1 2 2
E
Es
1
1 2 2
Ev
Es
2
(1 )(1 )
• 탄성 및 소성재료 (0
•
0.5)
E Ev Es
: Poisson’s Ratio
1. 기초의 기본 사항
기초의 강성도비
Ec I
K
강성도비 :
Es B 3 L
3
Ec d
(직사각형)
12Es B
Ec
12 Es
K=0
3
d
(원형)
D
: 연성기초/무한강성지반 예) 폭 2.0cm 길이 3.0cm
K=∞ : 강성기초/무한연성지반
K>0.5 : 강성기초로 간주
(DIN4018)
0.5>K>0 : 탄성기초
두께 50cm인 직사각형기초
4
2
콘크리트 Ec 2 10 MN / m ,
지반변형계수 Es 100MN / m
K
1 Ec d 3 1 20000 0.5 3
( )
( )
12 Es B
12 100
2.0
0.26
기초의 강성도
2
2. 기초의 접지압
강성기초와 연성기초의 비교
2. 기초의 접지압
강성기초와 연성기초의 비교
C-point
2. 기초의 접지압
기초의 접지압 영향인자
• 구조물 기초의 휨강성 EI
EI : 강성기초 / EI 0
: 연성기초
•구조물-지반의 상대적 강성도 K
K : 강성기초 / K 0 : 연성기초
• 작용하중의 크기
• 작용하중의 형태 (절점, 선, 분포하중 등)
• 구조물 기초의 근입깊이
• 지반의 종류 및 지층상태 (점성토, 사질토)
• 구조물의 크기와 기초의 폭, 길이
• 사질토의 상대밀도
• 지반의 거동특성 (탄성, 소성거동)
• 지반의 압축특성
• 압축특성의 시간에 따른 변화
2. 기초의 접지압
기초구조물 – 지반의
상대강성도에 따른 접지압
1. 탄성기초
2. 강성기초
3. 연성기초
• 연성기초의 접지압
2. 기초의 접지압
• 강성기초의 접지압
EI
(a) 이론접지압
(b) 수정접지압
강성기초의 Boussinesq 접지압
2. 기초의 접지압
하중의 크기에 따른 접지압
(a)
접지압
(b)
최대 주응력 (c)
의 방향
하중 침하곡선
하중크기에 따른 기초의 지지거동
2. 기초의 접지압
지반에 따른 기초의 접지압
• 강성기초
(a)
완전탄성지반
(b)
모래지반
(c=0)
(c)
a와 b의
중간지반
• 연성기초
(a)
연성지반
(b)
강성지반
2. 기초의 접지압
기초의 안전율에 따른 접지압
2. 기초의 접지압
기초의 접지압 분포의 가정
• 등분포 접지압
: 지지력 계산시
• 직선분포 접지압
: 단면력, 침하 계산시
• 이형분포 접지압
: 휨성기초판, 슬래브 계산시
2. 기초의 접지압
등분포 접지압 가정
2. 기초의 접지압
직선분포 접지압 가정
탄성기초의 이형분포 접지압
3.기초의 즉시침하 (탄성침하)
일반사항
* 재하순간에 발생되며 보통 크기가 작다.
* 불포화 점토나 과압밀 점토에서 전체침하의
대부분을 차지
* 사질토에서 기초의 크기(폭/길이), 지하수위,
지반반력계수에 따라 결정
* 지반의 변형계수를 판정하여 계산
ο 실내시험
- 일축압축시험
- 삼축압축시험
ο 현장시험
-
평판재하시험(PBT)
표준관입시험(SPT)
콘관입시험(CPT)
프레셔미터시험(PMT)
3.기초의 즉시침하
(탄성침하)
평판재하시험에 의한 침하량
* 조립토에서 폭 300mm재하판 사용
* 큰 재하판은 보다 나은 결과 기대
(큰 재하중 필요)
* Terzaghi/ Peck (1967)
2
S 2 S1
1 B1 / B2
2
3.기초의 즉시침하
(탄성침하)
평판재하시험에 의한 침하량
* Bond (1961)
B2
S 2 S1
B1
n 1
여기에서 n = 0.20~0.25 : 느슨한 모래
0.25~0.35 : 중간 모래
0.35~0.50 : 다져진 모래
0.03~0.05 : 점토
0.08~0.10 : 모래질 점토
s₁: 재하판( 폭B₁)의 침하량
s₂: 실제기초( 폭B₂)의 침하량
3.기초의 즉시침하(탄성침하)
표준관입시험(SPT)과
콘관입시험에 의한 침하량
• 표준관입시험(Standard Penetration Test)
• 콘관입시험(Cone Penetration Test)
지반
모래
SPT[kPa]
CPT
Es=500(N+15)
Es=18000+750N
Es=(15200-22000)ln N
Es=2-4qc
Es=2(1+Dr2) qc
Es=320(n+15)
Es =3-6 qc
점토질 모래 Es=300(N+6)
Es=1-2qc
실트질 모래 Es=1200(N+6)
자갈질 모래
연약점토
Es=6-8qc
Ip>30 또는 유기질 점토
Ip<30 또는 굳은 점토
1<OCR<2
2<OCR
Es =100-500 Su
Es=500-1500 Su
Es=800-1200 Su
Es=1500-2000 Su
3.기초의 즉시침하(탄성침하)
Pressuremeter를 이용한 침하계산
* 수직시추공에서 Pressuremeter를 이용하여
축방향 변형계수를 구하여 침하계산
* 조립토의 침하예측
p
4
B
S
q0 R0 2 p
qa 3 B
9 Em
R0
9 Em
여기에서
S : 침하량
Em : Pressuremeter 정수
qa : 허용지지력
Ro : Reference width
equal to 0.3m
B : 기초의 폭
λ2,λ3 : 형상계수
αp : 지반형태에 따른 구조계수
3.기초의 즉시침하(탄성침하)
*조립토의 침하예측
피트
지반
αp
과압밀,
매우조밀
정규압밀,
조밀
압밀중,
느슨
큰간격절리
보통절리
작은간격절리
매우미세절리
매우낮은강도
1
점토
E/p1
αp
실트
E/p1
αp
모래
E/p1
αp
모래+자갈
E/p1
αp
>16.
1
>14.67
>12.50
>10.33
8.50
7.33
6.25
6.50
6.50
암반
p
9.67
8.50
Pressuremeter 시험에서 지반에 따른 apd
0.67
0.50
0.33
0.67
3.기초의 즉시침하(탄성침하)
2.5 탄성이론에 의한 침하량
일반사항
* 외부하중에 의한 지중응력을 구하고
탄성이론을 적용하여 침하량 계산
* 직접계산법: 탄성식을 이용
* 간접계산법: 지반내 수직응력분포가
지반종류에 무관하게 일정하다고
가정하고 침하계산
3. 기초의 즉시침하
직접계산법
* 등방성 탄성지반
S
0
1 2
zz dz 0 B
I
Es
σ0 : 1축 평균하중
Bχ : 기초의 폭
ν : 지반의 포아슨비
Es : 지반탄성계수비
I : 침하계수
3. 기초의 즉시침하
1) 집중하중에 의한 즉시침하
Q 3(1 ) 2 z 3 (1 2 ) z
Se
5
1
2E ( 2 z 2 ) 2
( 2 z 2 ) 2
Q
(1 2 )
2E
(지표침하)
3. 기초의 즉시침하
2) 원형 등분포하중에 의한 즉시침하
1 N Z
q 1 bI
Se q
b I1 (1 ) I 2
2
E
E b
( I1 A' )
I2
형태 L/B
원형
구형
1
1.5
2
3
휨성
중심
모서리
1.00
1.12
1.36
1.53
1.78
0.64
0.56
0.68
0.77
0.89
I2
형태
L/B
휨성
중심 모서리
5
10
20
50
100
2.40
2.54
2.99
3.57
4.01
1.05
1.27
1.49
1.8
2.0
3. 기초의 즉시침하
3) 직사각형 등분포하중에
의한 즉시 침하
- 등분포 하중이 작용하는 직사각형
기초의 모서리 바로아래
(Steinbrenner,1934)
1 2
Se 0 B
IW
Es
2
1
1
m
IW ln m 1 m 2 m ln 1
m
3. 기초의 즉시침하
3) 직사각형 등분포하중에
의한 즉시 침하
- Harr(1966)의 식
qB
Se
1 2
E
1 2
I3 1 I 4
2
2
1 m 2 n 2 1
1 1 m1 n1 1
1
1
I 3 ln
m ln
1 m 2 n 2 1
1 m12 n12 1
1
1
n1 1
m1
I 4 tan
1 m2 n2
1
1
L
m1
B
Z
n1
B
3. 기초의 즉시침하
3) 직사각형 등분포하중에
의한 즉시 침하
- Janbu,Bjerrum,Kjaernli
qB
SZ
E
0
1
3. 기초의 즉시침하
4) 연성 직사각형 기초의
모서리아래의 침하량
- 등분포 하중 (Kany,1974)
S
B
0 : 평균 접지압,
0
E
min
j
s
I w : 영향계수
f : 영향계수
3. 기초의 즉시침하
5) 연성 원형 기초의 침하량
- 등분포 하중(Leonhardt, 1963)
S
0
E
I
k
s
0 : 평균 접지압,
I k : 영향계수
3. 기초의 즉시침하
6) 강성직사각형기초의 침하량
* 같은크기 연성기초의 중앙의 침하량의 75%
* 같은크기 연성기초의 C점의 침하량
S
B
0
E
(Kany, 1974)
I
vc
m
0 : 평균 접지압 I vc: 영향계수
3. 기초의 즉시침하
7) 강성기초의 침하량
(Sovinc, Matl)
- 강성 직사각형 기초
S
'a
0
E
1
m
0'd
- 강성 원형 기초
S
- 강성 연속 기초
S
[m]
Em 4
[ m]
'b
0
E
[m]
3
m
0: 유효 평균 접지압 [kN/㎡]
3. 기초의 즉시침하
간접계산법
* 지중 연직응력이 지반의 종류에 무관하고
선형 탄성 이론식과 같은 유형의 분포함수에
따른다.
* 지반의 비선형 응력-침하관계 근사적으로 고려
실제와 상당히 근사
(수직응력이 구성방정식에 거의 무관)
* 기초하부 지반을 두께 Δz인 미세층으로
나누고 각 미세층의 침하량Δs를 구하여 총합.
* 미세층의 침하량 Δs계산
-지반의 응력 - 비침하 관계
(압밀시험.평판시험)
-탄성식
3. 기초의 즉시침하
1) 탄성식 이용
* 현위치 응력에 맞는 변형계수 Es를 택하여
침하계산
* 미세지층의 중간부분의 응력 σzp에 맞는
Es 값 선택
S s
zp
E
s
z
4. 기초의 압밀 침하
정규압밀점토의 압밀 침하
sc sci
Cci
' z '
hi log 0
1 e0i
0'
흙의 종류
예민비가 중간정도인 정규압밀점토
Chicago 실트질 점토(CL)
Boston 청점토(CL)
Vicksburg 점토(CH)
Sweden 예민점토(CL∼CH)
Canada Leda 점토(CL ∼ CH)
Mexico City 점토(MH)
유기질 점토(OH)
이암(Pt)
유기질 실트 및 점토질 실트(ML ∼ MH)
San Francisco Bay Mud (CL)
San Francisco Bay old 점토(CH
Bangkok 점토(CH)
Cc
0.2 ∼ 0.5
0.15 ∼ 0.3
0.3 ∼ 0.5
0.5 ∼ 0.6
1∼3
1∼4
7 ∼ 10
4이상
10 ∼ 15
1.5 ∼ 4.0
0.4 ∼ 1.2
0.7 ∼ 0.9
0.4
Cc= 0.009(Wl-10) : 정규압밀점토
(유기질 없는 예민비 4미만의 지반 )
Cc= 0.007(Wl-10) : 교란된 점토
Cc= 0.0115Wn : 유기질토, 피트
Cc= 1.15(e-0.35) : 점토
Cc= (1+e0)[0.1+(Wn-25)0.006]
4. 기초의 압밀침하
과압밀점토의 압밀침하
`
hi
0 ` z `
p
Sc Sci
Ccr log ` Cc log
1 e0i
0
p `
5. 기초의 이차압축침하
이차압축침하
* 일차압밀 완료후 발생되는 침하
* log t –침하곡선에서 잘 나타남
→ 이차압축계수 C 를 구하여 계산
* 이차압축량
ts
S s C H log
tp
H
: 지층의 두께
: 구조물의 사용 가능시간
s
t p : 일차압밀 종료시간
t
6. 기초침하의 특수문제
침하파괴
•
지반의 압축
•
지하수위 강하에 의한 유효응력 증가
•
함수비변화에 따른 점성토의 부피변화
•
지하공동의 함몰
•
동상 후의 지반 연화
•
지반내 응력 중첩에 의한 침하 증가
6. 기초침하의 특수문제
침하에 의한 구조물균열
특이형상 지반에 의한 침하
6. 기초침하의 특수문제
특이형상 지반에 의한 침하
(a) 쐐기형 압축성 지반
(b)
불규칙한 두께의 압축성 지반
(c)
렌즈형 압축성 지반
6. 기초침하의 특수문제
인접기초간의 영향에 의한 침하
(a) 같은 규모의 건물
(b) 작은 건물 신축
(c) 큰 건물 신축
6. 기초침하의 특수문제
인접기초간의 영향배제
6. 기초침하 특수문제
상부구조물과 기초의 강성에 따른
상대거동
상부탄성, 기초강성
상부탄성, 기초탄성
상부강성, 기초강성
상부강성, 기초탄성
6. 기초침하의 특수문제
상부구조 강성에 따른
기초침하와 휨모멘트
(a)
연성 상부구조
(b)
강성 상부구조 ( 두꺼운 지층, 작은 강성지반 )
7. 허용침하량 및
허용각변위
허용침하량
* 대개 경험에 의존하여
구조적 기능/미관에 따라 결정
* Skempton /McDonald(1956)
독립기초；점토 6cm, 사질토 4cm
전면기초；점토 6∼10cm, 사질토 4∼6cm
7. 허용침하량 및
허용각변위
허용침하량
* 일반적인 허용침하량
재료
최대처짐량
( L：스팬길이 )
석재, 유리 및 기타 취성재료
금속피막 및 유사 파손방지 처리
강재 및 콘크리트 골조
목재 골조
강재 및 콘크리트 전단벽
L/360
L/240
L/150∼l/180
L/100
설계기준
구조물
연속구조의 최대경사
높은 연속 벽돌벽
주거용 벽돌건물
기둥간 벽돌쌓기
철근콘크리트 건물골조
철근콘크리트 차폐벽
연속 강재골조
단순지지 강재골조
0.0050∼0.0010
0.0030
0.0010
0.0025∼0.0040
0.0030
0.0020
0.0050
7. 허용침하량 및
허용각변위
허용각변위/부등 침하
* 부등침하에 의한 구조물 손상은
구조물과 지반의 상대적 강성도에 따라다름.
* Briske (1957)
ΔS/L < 1/500 구조물손상 안됨
ΔS/L < 1/300 기능과 외형상 문제 발생
ΔS/L < 1/150 구조적손상 초래
ΔS/L < 1/50
균열 발생
7. 허용침하량 및
허용각변위
허용각변위/부등 침하
* 허용각변위 (Bjerrum, 1963：Meyerhof, 1982)
각변위
허용범위 및 구조물
1/100
- 정정구조물 및 옹벽의 위험한계
1/150
- 정정구조물 및 옹벽의 안전한계
- 오픈된 강재골조, 철근콘크리트 골조, 강재 저장탱크,
높은 강성구조물의 전도에 대한 위험한계
1/250
- 오픈된 강재골조, 철근콘크리트 골조, 강재 저장탱크,
높은 강성구조물의 전도에 대한 안전한계
- 골조건물의 패널벽체와 교대의 전도에 대한 위험한계
- 높은 건물의 기울음이 눈으로 확인되는 상태
1/300
- 고공크레인의 문제발생한계
1/500
- 골조건물의 패널벽체와 교대의 전도에 대한 안전한계
- 하중을 받는 무근 콘크리트 벽에의 중앙부 처짐에 대한
위험한계
1/750
1/1000
- 침하에 민감한 기계의 문제발생한계
- 하중을 받는 무근콘크리트 벽체의 중앙처짐에 대한
안전한계
- 하중을 받는 무근콘크리트 벽체의 단부처짐에 대한
위험한계
1/2000
- 하중을 받는 무그콘크리트 벽체의 단부처짐에 대한
안정한계
7. 허용침하량 및
허용각변위
허용각변위/부등 침하
• 소련건축 규정 (Milhejev, 1961:Polshin :Toker)
모래,
단단한 점토
소성점토
기중기, 레일
0.003
0.003
강구조, 콘크리트구조
0.0010
0.0013
10
벽돌조
0.0007
0.001
15
변형 일어나는 곳
0.005
0.005
L/H ≤ 3
0.003
0.004
8
L/H ≥ 5
0.005
0.007
10 L/H ≤ 1.5
일층제철소 건물
0.001
0.001
연돌, 수조탑, 링기초
0.004
0.004
구조
평균최대
침하량[cm]
다층블록조 옹벽
구조
L/H ≥ 2.5
30
모래, 단단한 점토
평균최대 침하량[cm]
철근콘크리트
0.002∼0.0015
15 at 4cm/year
벽돌조
0.003∼0.002
20 at 6cm/year
프리캐스트콘크리트
0.003∼0.002
20 at 6cm/year
강구조
0.004∼0.0025
25 at 8cm/year
목조
0.007∼0.005
40 at 12cm/year
7. 허용침하량 및
허용각변위
부등침하에 대한 대책
1) 길고 큰 구조물에서 20∼30m마다 신축이음
을 설치하여 침하를 국한 시키거나 전파를
방지
2) 구조물의 강성을 증대
3) 구조물의 형상과 중량을 침하에 유리하도록
배분
4) 구조물을 경량화
5) 말뚝, 피어, 케이슨을 지지 가능한 지반까지
깊게 설치
6) 연약지반을 압축성이 작은 지반으로 개량
7) 모든 기초의 침하량을 동일하게 조절
7. 허용침하량 및
허용각변위
부등침하에 대한 대책
8) 모든 구조물 부재에서 연직하중의 1％크기로
수평하중을 가정
9) 변형이 잘 안 생기는 암반 등의 견고한 지반에
구조물을 설치할 때에는 중간에 압축 가능한
중간층을 설치
10) 기초를 크게 하여 접지압을 감소
11) 배관이나 구조물의 연결부는 충분한 변위를
받을 수 있도록 가변 구조화
12) 0.2％이상 변형이 발생되는 구조물에서는
기초바닥과 지반 사이에 피치 등을 이용해서
마찰감소층을 설치. 접지압이 작은 경우에는
사질토보다 점성토에서 마찰저항이 크므로
마찰감소를 위한 모래매트를 설치
8. 결
론
기초는 구조물에서 가장 중요한 부분
얕은기초 이론은 아직 불완전
상부구조물
기초
지반의
상호관계를 정확히 알아야 적합한
기초설계 가능
특히 기초
지반의 상호관계를 알지
못하는 사람의 기초설계는 절대금지
기초의 설계는 침하를 기준으로 해야
지반기술자는 상부구조물에 관심을
가져야
지속적인 연구 필요