2020

도 로 설 계 요 령

AN01145-000145-12

발 간 등 록 번 호

제3권 교량

 

교 량

제8편 교량

제8-1편 교량 계획

제8-2편 교량 상부 구조물

제8-3편 교량 하부 구조물

제8-4편 내진 설계

제8-5편 교량 부대시설물

제8-6편 교량의 확폭

제8-7편 옹벽

제8-8편 가설 구조물

제3권

 

제 8-3 편 교량 하부 구조물

 

제8-3편 교량 하부 구조물

473

7.1 일반사항

7.1.1 적용범위

케이슨 기초란 하부공 구체에서의 하중을 깊은 지지층에 전달하기 위해 강체로 취급하는 기초를 말

한다.

설계에서 케이슨 기초로서 취급하는 범위는 ｢제8-1편 교량 계획｣ ʻ4.5.1 기초구조형식 분

류ʼ에 따르기로 하며, ‘도로교설계기준(2010)’을 적용한다.

7.1.2 설계의 기본

(1) 케이슨 저면에서의 연직 지반반력은 지반의 허용 연직지지력을 초과해서는 안 된다.

(2) 케이슨 전면에서의 최대 수평 지반반력은 그 위치에서의 지반의 허용 수평지지력을 초과해서는 안

된다.

(3) 케이슨 저면에서의 전단저항력은 케이슨 저면과 지반 사이에 작용하는 허용전단 저항력을 초과해

서는 안 된다.

(4) 케이슨 기초의 변위는 허용변위량을 초과해서는 안 된다.

7.1.3 단면 및 형상

케이슨의 단면 및 형상은 외력에 대해서 충분히 안정하고 경제적이어야 하며, 다음을 검토하여 결정한다.

(1) 구체의 형상 및 단면 치수와의 관계

(2) 시공 시의 편심에 대한 여유

(3) 시공성

(4) 기타

7. 케이슨기초

제3권 교량

474

케이슨의 설계에서는 단면치수와 근입길이의 관계에 주의할 필요가 있다.

단면을 크게 해서 근입을 적게 하는 편이 경제적으로 되는 경우도 있으므로 교각에서 결정

되는 최소단면에 구애받지 않고 근입길이와 단면치수 모두가 경제적인 설계가 되도록 검토

해야 한다.

지지지반의 선정

허용

값을 넘지

않는가?

허용

값을 넘지

않는가?

지반반력계수의 계산

안정계산

케이슨 본체의 계산

시 작

형상치수

지반조건

외력조건

NO

NO

YES

YES

허용지지력의 계산

끝

<그림 7.1> 케이슨 기초의 설계순서

(1) 케이슨의 형상은 교축, 교축직각 양방향 외력의 크기, 횡방향 및 연직방향의 지반지지력의

균형, 침하성상, 굴착 등의 시공을 고려한 원형 · 타원형 · 장방형 · 정방형 중에서 선택하며,

일반적으로 교각 구체와 비슷한 형상을 선정하는 것이 단면을 줄일 수 있다(그림7.1). 케이

슨 단면을 상 · 하선 일체로 할 것인가 분리할 것인가는 그림 7.2의 흐름도에 따라 결정하면

좋다.

제8-3편 교량 하부 구조물

475

(2) 침하에 의한 시공오차를 고려하여 교각 등에서 500 mm 정도의 여유를 갖게 하는 것이 좋으

며, 지수벽을 만드는 경우 1.0 m 이상의 여유를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 설계 시에 고려

할 편심하중으로서 300 mm의 편심량을 계산에 넣기로 한다.

(3) 케이슨 기초의 설계 및 시공 시 다음 사항을 주의할 필요가 있다.

(가) 침하

(a) 침하 시 마찰저항에 의한 큰 침하중량을 필요로 하지 않도록, 형상 · 단면치수 및 측

벽의 두께를 결정한다.

S T A R T

케이슨 분리 케이슨 일체

하천 관계자 협의에 의해 교각

형식을 분리형식으로 결정

상부공 형식에서 결정되는 교각

형식이 상, 하선 분리형식

케이슨을 분리했을 때 상호간격이

3 ~ 5 m 이내

공사기간에 있어서 케이슨 분리

형식이 유리

케이슨의 공사비 비교 결과 분리

형식이 유리

No

Yes

Yes

Yes

Yes

Yes

No

No

No

No

※ 근접시공과 연관하여 케이슨 상호

간격이 최소 3 ~ 5 m 이내의 경우

는 일체로 하고, 그 이상의 경우는

분리하는 것으로 한다. 또 케이슨의

최대 장단변의 비는 3 : 1 이내가

바람직하다.

<그림 7.2> 케이슨의 분리시공 여부

(b) 케이슨 기초의 단면형상은 토질이 연약지반에 가깝고 침하가 용이할 경우 사각형단

면을 사용할 수 있으나, 일반적으로 타원형단면, 원형단면의 순으로 마찰이 적고 굴

착도 용이하다. 우물통의 경우 가능한 한 우각부를 만들지 않는 편이 좋다. 원형단면

의 경우 크기가 작으면 똑바로 침하가 곤란할 때가 있다. 장방형 또는 타원형과 같이

제3권 교량

476

긴 쪽이 있으면 휨이 적다고 알려져 있지만 우각부의 주변마찰 저항이 크게 되어 침

하에 장해가 되기 쉽다. 일반적으로 장 · 단변의 비는 3:1보다 크게 하지 않는 것이

바람직하다.

(c) 기초의 침하 촉진을 위해 마찰력의 감소장치(friction cut)를 사용한다. 그러나 느슨

한 모래 등의 붕괴성 지반에서는 주면마찰력 감소 효과가 작고 오히려 원지반을 느슨

하게 할 우려가 있으므로 마찰력 감소장치를 사용하지 않는 편이 좋다.

(나) 형틀의 제작 · 조립의 난이도를 검토한다.

(다) 공기케이슨 작업실의 내공 높이는 날 끝 하단에서 1.8 m를 표준으로 한다.

극히 연약한 지반의 경우이거나 케이슨의 저면적이 매우 커서 기계굴착 등을 필요로 하

는 경우에는 내공 높이를 2.0 m 정도로 하는 것이 바람직하다.

7.2 설계계산

7.2.1 완성 후의 하중에 대한 설계

우물통 및 공기케이슨 완성 후에는 다음과 같은 하중조합에 대한 안정성을 확보해야 한다.

연직방향의 안정에 대하여

활하중 + 고정하중 + 양수압

수평방향의 안정에 대하여

활하중 + 고정하중 + 양수압 + 토압

양수압의 취급은 설계상 안전측이 되도록 0% 또는 100%의 어느 한쪽으로 설계하는 것을

원칙으로 한다. 또한 필요에 따라서는 유수압이나 부의 마찰력 등을 고려해야 한다.

7.2.2 침하작업중의 상태에 대한 설계

우물통 및 공기케이슨은 침하작업 중에 일어나는 모든 상태에 대하여 충분히 안전하다는 것을 확인해

야 한다. 이 경우 허용응력은 1.25배까지 높여도 된다.

케이슨은 다른 하부구조에 비하여 시공 시 검토를 소홀하게 하여 여러 가지 사고를 일으킨

예가 많아 시공 시 응력 검토의 중요성이 매우 크다. 시공 시 케이슨의 지반반력, 응력 등을

제8-3편 교량 하부 구조물

477

계산하여 케이슨의 안전성을 검토할 필요가 있는 경우는 다음과 같다.

(가) 케이슨이 침하작업에 들어간 직후의 상태

이 상태는 구체가 양단에서 지지된 상태[그림 7.3(a)], 캔틸레버 보 모양으로 지지된 상태

[그림 7.3(b)], 그리고 대각선의 방향으로 지지된 상태[그림 7.3(c)] 등이 있다.

(나) Floating식 케이슨의 경우에는 진수 시, 예인 시 및 콘크리트 타설 시

(다) 침하작업 중 각 lift(1회의 타설높이) 사이에 매달려 있는 속이 들뜬 상태

(a) (b) (c)

<그림 7.3> 시공 시의 하중상태

(라) 최종침하가 끝나는 직전에서의 최악의 하중상태

이 경우, 최악의 하중상태란 작업실내압이 정전이나 기타의 사고로 인하여 급격히 감소

한 경우를 말한다.

(마) 케이슨 침하완료 후 물푸기를 하는 경우 배수로 인하여 케이슨 내부가 중공으로 된 상태

침하작업 중의 안전도를 검토하는 경우 허용응력을 1.25배 까지 높여도 된다. 또한, 시

공 후의 하중은 재령이 얼마 되지 않았을 경우에 작용할 때가 많으므로 시공 시 충분히

주의할 필요가 있다.

지지되는 부분

이 단면의 응력조사

매어달린 상태로 되는 부분

<그림 7.4>

제3권 교량

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7.3 지반반력계수

7.3.1 수평 지반반력계수

(1) 케이슨의 앞면지반의 수평 지반반력을 산정하는 수평 지반반력계수는 ʻ도로교설계기준(2010)

5.7.6 지반반력계수 및 지반탄성계수’에 따라 산정한다. 단 ʻ7.3.2 연직 지반반력계수ʼ에서 구한

값을 초과할 수 없다.

(2) 지반반력계수는 (가)보링공내 시험 (나)1축 또는 3축 압축시험 (다)표준관입 시험(N값)에서 구한

변형계수 중 두 종류 이상을 사용하여 종합적으로 결정한다.

(1)에 대하여

(가) ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.6 지반반력계수 및 지반탄성계수’에서 구한 kho는 케이슨 측

면의 저항을 고려해서 지반반력계수 kh를 20% 증가시키고 있으므로, 안정계산의 수평

허용지지력의 검토에 사용하는 지반반력은 20% 감소시킨 값을 사용해야 한다. 단, 변위

회전각 및 단면계산에서는 20% 증가한 지반반력계수를 사용하여 구한 지반반력을 사용

하기로 한다.

(나) 통상적으로 지반구성에서 수평지내력이 연직지내력을 초과하지 않으므로 수평방향의 지

반반력계수는 연직방향 지반반력계수의 값 이하로 한다.

(2) 케이슨의 필요 근입길이 및 필요단면은 수평 지반반력계수 · 연직 지반반력계수 · 허용 지지

력 등의 결정방법에 따라 크게 좌우되므로 설계 시 이들 각각의 값에 구속받지 않고 상대적

인 비율(균형)에 대해서 종합적으로 검토해야 한다.

7.3.2 연직 지반반력계수

ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.6 지반반력계수 및 지반탄성계수’에 따른다.

케이슨기초의 설계에 이용하는 지반반력계수와 탄성계수는 지반조사와 토질시험의 결과를

종합적으로 검토하여 결정한다. (도로교설계기준해설(2008) 참조)

제8-3편 교량 하부 구조물

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7.3.3 전단 스프링계수

ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.6 지반반력계수 및 지반탄성계수’에 따른다.

케이슨기초의 설계에 이용하는 지반반력계수와 탄성계수는 지반조사와 토질시험의 결과를

종합적으로 검토하여 결정한다[도로교설계기준해설(2008) 참조].

7.4 허용지지력

7.4.1 케이슨 저면지반의 허용 연직지지력

케이슨 저면지반의 허용 연직지지력은 원칙적으로 ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.5 지반의 허용 연직지

지력’에 따르며, 이 경우 허용 연직지지력은 지반의 극한지지력에 대하여 상시 3, 지진 시 2의 안전율

을 확보해야 한다.

(가) ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.5 지반의 허용 연직지지력ʼ에 의하면 케이슨 지지반의 허용

연직지지력을 구하는 방법은 정역학공식, 평판재하시험 또는 추정에 따라 구하는 방법

에 따르게 되어 있다. 구조물의 중요도, 지지력 산출의 방법, 정확성 등을 고려하여 케

이슨 설계에 사용하는 연직 허용지지력은 원칙적으로 정역학공식에 따라 구하는 방법

에 따르기로 한다.

(나) 지지층이 얇은 경우의 허용 연직지지력은 케이슨 저면에서의 허용 연직지지력과 아래

층에서의 하중의 확산을 고려한 허용 연직지지력(계산방법은 직접기초에 준한다)과 비

교하여 적은 쪽의 값을 사용하기로 한다.

7.4.2 케이슨 전면지반의 허용 수평지지력

케이슨 전면지반의 허용 수평지지력은 ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.5.2 케이슨 기초 전면지반의 허용

수평지지력ʼ에 따른다.

제3권 교량

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7.4.3 케이슨 저면지반의 허용 전단저항력

케이슨 저면지반의 허용 전단저항력은 ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.5.3 케이슨 기초 저면지반의 허용

전단저항력ʼ에 따른다.

7.5 지반반력과 변위

7.5.1 지반반력의 산정

케이슨 지반반력의 산정은 ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.7 지반반력 및 변위량ʼ에 따른다.

(가) ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.2 설계의 기본ʼ에 규정되어 있는 것은 안정 문제이다. 이중

(1) ~ (3)은 케이슨에 작용하는 하중과 이 하중을 지탱하는 지반반력(저항)과의 균형을

검토하는 것이고 (4)는 균형이 잡힌 때의 변위량을 검토하는 것이다. 따라서 케이슨의

형상 및 단면치수의 위의 규정을 만족하도록 결정되는 것이다.

(나) 케이슨에 작용하는 하중으로서 연직 · 수평하중 및 휨모멘트를 받았을 때 이에 저항하

는 요소로서 케이슨 저면지반의 연직반력 · 전단저항력, 케이슨 측면지반의 수평 지반

반력, 수평 및 연직방향의 마찰저항력이 있으며, 이에 대하여 ʻ도로교설계기준(2010)

5.7.7 지반반력 및 변위량ʼ에서는 다음 고찰방법을 체계화하고 있다.

(a) 케이슨 지반의 저항력은 지반반력계수와 변위의 곱으로서 취급한다.

(b) 케이슨에 작용하는 하중의 주된 저항요소로서 케이슨 저면지반의 연직 지반반력, 저

면의 전단저항력, 앞면의 수평 지반반력을 고려하고 있다.

(c) 수평 지반반력은 일정 지반에서는 포물선 분포로서 취급되고 있고 지반이 다층으로

구성된 경우에도 이 영향이 고려되고 있다.

(d) 케이슨 측면의 영향에 대해서는 수평방향 지반반력계수를 할증하여 취급하고 있다.

7.5.2 변위 산정

케이슨 변위량의 산정은 ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.7 지반반력 및 변위량ʼ에에 따른다.

제8-3편 교량 하부 구조물

481

7.6 안정계산

7.6.1 안정계산의 기준

(1) 연직하중에 대한 케이슨의 안정은 지반의 상태에 따라 오픈케이슨 및 공기케이슨 저면에서의 지반

지지력에 의해서, 또는 마찰력과 저면지지력에 의해서 안정한 가를 검토해야 한다.

(2) 수평하중의 영향에 대한 오픈케이슨 및 공기케이슨의 안정은 케이슨의 측면에 작용하는 저항토압

에 의해서 또는 측면의 저항토압과 저면지지력에 의해서 안정한 가를 검토해야 한다.

저면지지력을 고려하는 경우는 연약층 아래 견고한 지반이 있는 경우 예를 들어 상층이 점

토나 실트의 연한 흙이고 하층이 다져진 모래, 자갈 또는 암반 등 일 때, 견고한 지반까지

오픈케이슨이나 공기케이슨을 침하시킨 경우이다. 이와 같은 경우에는 사하중에 대하여 상

층의 연약한 흙의 마찰력은 작용하지 않게 되고, 대부분의 하중을 저면에서 받게 된 공기케

이슨의 자중을 포함한 사하중을 비교하면 활하중은 극히 작으므로, 안정계산에서는 마찰력

을 무시하는 것으로 하였다.

저면지반의 지지력은 보링 등으로 토질을 파악한 후 판정하는 것이 좋다. 또 하중의 대부분

을 저면에서 받는 경우의 허용지지력은 침하작업이 끝난 후의 지반의 안정에 의한 침하의

크기에 관계가 있다. 침하는 침하작업 중 마찰력에 의해서 지지되고 있던 사하중이 주위의

지반이 안정됨에 따라 저면으로 옮겨가서 저면 밑에 있는 지반이 천천히 압축되기 때문에

일어나는 것이다. 침하는 보통 2 ~ 3개월 이내에 끝나지만, 토질조건이 나쁘고 지반이 너무

느슨하면 수개월에서 1년 이상 계속될 때도 있다. 침하의 크기는 잘 시공된 공기케이슨에서

는 수 mm 이내이며, 사하중에 의한 자연지반의 압축침하량과 거의 같다고 생각되나 오픈

케이슨에서는 이보다 약간 크다. 또한 오픈케이슨의 침하가 대체적으로 큰 것은 침하작업

중에 지반이 느슨하게 되기 쉽기 때문이기도 하지만, 저면에 미처 파 내지 못하고 남아 있는

굴착토나 뒤채움 모래가 압축되기 때문이기도 하다. 주위의 토질이 나쁘고 침하작업이 곤란

한 경우에는 침하작업에 무리가 따르기 쉽고, 선단부근의 지반이 느슨하게 되었을 경우에는

침하의 양이 대단히 크게 되어 100 mm 이상으로 된 예도 있으므로 주의해야 한다.

제3권 교량

482

7.6.2 케이슨의 허용연직하중

(1) 케이슨 기초지반의 허용연직지지력은 토질조사 및 시험결과를 이용하여 정역학적 공식에 의하여

구하거나, 시추조사 결과와 평판재하시험 결과를 반영하고 기초 폭에 의한 크기효과를 고려하여

결정해야 한다.

(2) 정역학적공식에 의한 경우 ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.5.1 케이슨기초 저면지반의 허용연직지지

력ʼ에 따른다.

7.6.3 부의 주면마찰력

주면마찰력은 현장에서의 실측에서 얻은 자료 또는 토질조건에 의해서 추정한다.

압밀이 생기는 층을 관통해서 지지층에 도달시킨 케이슨에서는 케이슨 주면의 지반은 침하

할 지라도 케이슨은 양질의 지지층으로 지지되어 있기 때문에 침하하지 않는다. 따라서 지

반과 케이슨 사이에는 상대적인 이동이 생겨 케이슨 주면과 지반과의 마찰에 의하여 케이슨

은 하향력을 받는다. 이러한 경우에 주면마찰력은 지지력을 돕는 역할을 못하며, 역으로 하

중으로 작용하게 된다.

압밀층

<그림 7.5> 부의 주면마찰력

부의 마찰력을 구하는 방법에는 일정한 정설은 없고 향후 연구가 필요하며, 통상적인 계산

방법은 다음과 같다.

Rnf = U ․ H ․ f (7.1)

제8-3편 교량 하부 구조물

483

여기서, Rnf : 부의 주면마찰력(kN)

U : 케이슨의 둘레길이(m)

H : 지표면으로부터 압밀층 저면까지의 깊이(m)

f : 케이슨 측면의 평균 마찰력으로서 1축압축강도 qu의 1/2 (kN/m2)

말뚝의 주면마찰력에 대해서는 이론적 또는 실험적으로 연구되어 왔으며 1축압축강도 qu의

1/2, 즉 점성토의 점착력과 대략 일치하고 있으므로 케이슨 주면의 평균 마찰력에 대해서도

현재로서는 이를 적용하여도 좋은 것으로 하였다.

윗 식에서 구한 부의 마찰력 Rnf는 중립점 이하의 정의 마찰력, 케이슨의 저면침하, 지반

침하속도의 영향 등에 의한 주면마찰력의 감소가 고려되어 있지 않으므로 케이슨에 작용하

는 실제 부의 마찰력은 0 ~ Rnf의 사이에 있다고 할 수 있다. 또한 케이슨은 주면마찰력을

감소시켜서 침하시키므로 시공 직후 주면마찰의 영향은 적다. 따라서 시공 후 수개월 경과

후 부의 주면마찰을 검토하는 경우에는 위의 값을 상당히 감소시켜도 된다.

부의 주면마찰력으로 위 식을 사용하는 경우에는 Rnf와 기타의 장기지속하중의 합계의 1.5

배가 케이슨저면의 극한지지력을 초과하지 않으면 안전하다고 볼 수 있다.

7.6.4 케이슨의 지지력

연약한 토질을 관통하여 충분히 견고한 층에 들어가 있는 케이슨에서는 저면의 지지력만을 고려하고

주면마찰력은 무시한다.

압축성의 지반에서는 압밀침하에 의한 부의 마찰력이 작용하게 되므로 주면마찰력은 지지

력의 일부로서 간주할 수 없다.

7.6.5 전도에 대한 안정

케이슨에 작용하는 수평하중은 케이슨 측면의 수동토압 또는 측면의 수동토압과 저면 지지력에 의해

서 견딜 수 있도록 해야 한다.

(가) 케이슨에 작용하는 수평하중은 케이슨 측면의 수동토압 만으로 저항하게 한다는 이론

과 수동토압과 저면지지력에 의해서 저항하게 한다는 이론이 있다. 케이슨의 길이가

제3권 교량

484

단면에 비하여 짧을 때에는 저면지지력의 효과를 무시할 수 없다. 따라서 케이슨의 길

이와 단면의 크기의 비에 따라 어느 쪽의 이론을 적용하느냐를 결정하는 것이 좋다.

P  

y  









K × W ×   M

× 

 

y



(7.2)

P  y



P

 y    (7.3)

P1 ＜ 2 × b × cγ × (y1 + z1) (7.4)

P2 ＜ 2 × b × c × γ × (ℓ+ z1) (7.5)

   





  

×  (7.6)

e  P  K × W × 





K × W ×   M

(7.7)

여기서, γ : 흙의 단위체적중량(kN/m3)

W : 케이슨의 단위길이 당 중량(kN/m)

M : 가정지표면에서 케이슨에 작용하는 모멘트(kN·m)

ℓ : 케이슨의 가정 지표면 밑으로의 길이(m)

y1 : 최대수평반력이 생기는 위치의 가정 지표면으로 부터의 깊이(m)

e : 수평반력 합력의 작용점의 가정 지표면으로 부터의 깊이(m)

p : 가정 지표면에서 케이슨에 작용하는 수평력(kN)

c : 수동토압계수

2b : 케이슨의 폭(m)

P1 : 최대수평반력

P2 : 하단에서의 수평반력

K : 수평진도

Z1 : 가정 지표면 위치의 실제 지표면으로 부터의 깊이(m)

제8-3편 교량 하부 구조물

485

Y1

P2

G.L

수동토압

P1

(a) (b)

<그림 7.6> 케이슨 측면의 수동토압만을 고려하는 경우

(나) 측면의 수동토압과 저면지지력을 고려한 경우

(a) 저면반력이 저면의 핵 내에 작용하는 경우[그림 7.7(a) 참조]

P 

b   ｋa K․W․  P․  M 

 K․W․  ｐ  M  ｋa K․W․  P 

(7.8)

q  A

N  W․

 b   ｋa 

aｋK․W․  P․  M 

(7.9)

q  A

N  W․

 b   ｋa 

aｋK․W․  P․  M 

P1 ＜ cγ(y1 + z1) (7.10)

q1 ＜ 지반의 허용지지력

P 

b   ｋa K․W․  P․  M 

 K․W․  ｐ  M  ｋa K․W․  P 

(7.11)

(b) 저면반력이 저면의 핵 외에 작용하는 경우[그림 7.7(b) 참조]

P 

b   mｋa KW  P ×   M 

 K × W ×   ｐ  M  m × ｋ× a KW  P 

(7.12)

q  b   mｋa 

ak K × W ×   ｐ  M 

  cos  (7.13)

P1 ＜ cγ(y1 + z1) (7.14)

q ＜ 지반의 허용지지력

y 

 KW  P ×   M 

KW  ｐ  M  m × ｋ× a KW  P 

(7.15)

제3권 교량

486

<그림 7.7> 케이슨 저면의 수동토압과 저면지지력을 고려하는 경우

여기서, q1 : 최대 저면반력(kN/m2)

q2 : 최소 저면반력(kN/m2)

q : 최대 저면반력(kN/m2), 단 저면반력이 저면의 핵 외에 작용하는 경우

α : 저면의 형상에 따라 정해지는 계수로 표 7.1과 같다.

N : 가정 지표면에서 케이슨에 작용하는 연직력(kN)

A : 케이슨의 저면적(m2)

2a : 케이슨의 폭(m)

k : 연직 지반반력계수 k2와 수평 지반반력계수 k1의 비, k = k2/k1

m2 : 표 7.2 및 식 7.16을 만족하는 계수

q  

  mｋa

ｋam KW  ｐ  M 

(7.16)

또한 수동토압은 케이슨의 폭만을 고려하고, 측면의 마찰저항을 무시하는 것이 보통

이므로 실제의 저항력은 계산상의 값보다 상당히 크다. 그러므로 이 기준의 계산방법

을 사용하는 경우에는 특별히 안전율을 생각할 필요는 없다.

그러나 장기지속하중이 작용하고 더구나 지반의 크리프량이 크다고 추정되는 경우에

는 토질에 따라 1.1 ~ 3.0의 안전율을 고려하는 것이 좋다.

제8-3편 교량 하부 구조물

487

<표 7.1> α의 값

저

면

의

형

상

α

의

값

1 0.589   



  



 





 





<표 7.2> β의 값

βﾟm1 m2 βﾟm1 m2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1.571

1.547

1.476

1.363

1.213

1.037

0.848

0.660

0.485

0.333

0.589

0.589

0.589

0.586

0.576

0.554

0.514

0.456

0.380

0.295

100

110

120

130

140

150

160

170

180

0.212

0.123

0.063

0.028

0.018

0.002

0.000

0.000

0

0.209

0.133

0.075

0.035

0.013

0.003

0.001

0.000

0

<표 7.3> 지반반력계수의 개략치

흙 의 종 류 k1(kN/m2) k2(kN/m2) k2/k1 = k

극히 연한 점토

연한 점성토, 극히 느슨한 모래

느슨한 모래, 약간 단단한 점성토

약간 느슨한 모래, 극히 단단한 점성토

치밀한 모래, 자갈 등

극히 치밀한 모래, 자갈 등

100이하

100 ~ 200

200 ~ 400

400 ~ 800

800 ~ 1500

1500 이상

-

-

300 ~ 500

500 ~ 1500

1500 ~ 2500

2500 이상

-

-

5/4 ~ 3/2

5/4 ~ 15/8

5/3 ~ 15/8

5/3

제3권 교량

488

7.7 케이슨 본체의 설계

측벽 및 칸막이는 각종 하중의 조합에 대해서 충분히 안전할 뿐만 아니라 침하작업도 고려하여 설계

해야 한다. 또 이들의 응력 계산은 수평방향과 종방향에 대하여 검토한다.

7.7.1 측벽 및 칸막이

상부슬래브는 케이슨 측벽과 연결상태를 고려해서 설계해야 한다.

ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.8.2 측벽 및 칸막이ʼ에 따른다.

7.7.2 상부슬래브

상부슬래브는 ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.8.3 상부슬래브 및 5.7.8.4 상부슬래브 지지부ʼ에 따른다.

ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.8.3 상부슬래브 및 5.7.8.4 상부슬래브 지지부ʼ에 따른다.

7.7.3 오픈케이슨의 저면슬래브

오픈케이슨의 저면슬래브의 설계는 다음과 같이 설계한다.

(1) 무근콘크리트 슬래브

(가) 저면콘크리트의 유효두께가 케이슨 내공 폭의 1/2 이상인 경우는 설계계산의 생략이 가능하

다(그림 7.8).

(나) 저면콘크리트의 유효두께가 케이슨 내공 폭의 1/2 이하인 경우는 그림 7.9와 같이 AB를 지

점으로 한 단순보로서 계산한다. 이 경우 허용인장응력은 0.21MPa으로 한다.

(2) 철근콘크리트 슬래브

저면슬래브에 배근하여 철근콘크리트 단면으로 설계할 경우 단순받침의 한 방향 또는 두 방향 슬

래브로 설계한다.

<그림 7.8> 설계계산을 필요로 하지 않는 두께 <그림 7.9> 설계계산을 필요로 하는 두께

제8-3편 교량 하부 구조물

489

(1) 저면슬래브는 수중콘크리트로 시공되므로 철근콘크리트 구조로 하는 것이 용이하지 않다.

따라서 설계계산을 하는 경우 인장응력은 0.21 MPa(0.3 MPa × 0.7) 이하 밖에 허용되지

않는다.

(2) 수압에 대하여 설계한 무근콘크리트를 타설하고 물을 퍼 올려 건조상태에서 콘크리트를 시

공한다. 단면이 크고 너무 깊지 않은 경우는 이 공법이 좋다.

7.7.4 날 끝

날 끝은 케이슨의 침하가 용이한 형상으로 하고, 침하 중 외압에 대해서 안전하게 설계해야 한다. 또

날 끝이 파손될 우려가 있는 경우는 날 끝 선단을 보강할 필요가 있다.

날 끝은 예상되는 최악의 하중에 대해서 캔틸레버보로 계산하지만 공기케이슨에서 최악의

하중이라는 것은 케이슨 최종침하 직전에 작업실내의 기압이 일시적으로 감소할 경우이다.

이 경우 하중으로 외측에서는 정지토압과 정수압, 내측에서는 작업기압의 1/3이 작용한다

(그림 7.10).

정지토압 작업기압의 1/3

+ 정수압

<그림 7.10> 날끝에 작용하는 하중

또 오픈케이슨의 경우는 날끝 부근의 응력상태가 복잡하지만, 캔틸레버 보의 길이 ℓ을 칸

막이의 하단에서 날 끝 하단까지의 길이로 취하고 칸막이가 없는 경우는 ℓ = 1.5 m로 한다

(그림 7.11). 그러나 캔틸레버 보 지점부근은 충분한 내력을 갖는 구조로 해야 하지만 보와

같은 구조로 하는 것이 불가능한 경우에는 철근으로 날 끝 선단을 충분히 보강할 필요가

있다(그림 7.12). 오픈케이슨의 경우 작용하중은 외압으로서 정지토압, 정수압을 취하고 오

픈케이슨 내에서 물푸기를 하는 경우 물푸기에 의한 내압의 감소를 고려하며, 육상굴착의

오픈케이슨에서는 내압을 무시한다. 실제 배근을 하는 경우는 시공시의 영향을 고려하여 날

끝의 내외면에 같은 양의 배근을 한다. 케이슨의 침하시공 중에 케이슨의 변이 또는 기울어

제3권 교량

490

짐이 예상되는 경우 날 끝의 설계토압으로서는 정지토압(토압계수 = 0.8 ~ 1.0) 정도를 고려

하는 것이 바람직하다(이 경우 심도 15 m 이하는 토압을 일정하게 하여도 좋다).

칸막이

측벽

<그림 7.11> 날 끝의 길이 <그림 7.12> 날 끝 선단 보강

또, 날 끝의 수평단면에서는 상당히 큰 인장응력이 발생할 것이므로 작은 직경의 케이슨이

라도 원주방향으로 철근이 필요한 지 검토할 필요가 있다. 날 끝의 형상은 토질 및 시공법에

의하여 결정되지만 일반적으로 그림 7.13 ~ 그림 7.16에 따라도 좋다.

(1) 점토층 · 실트층 · 모래층으로 구성되는 지반에서는 그림 7.13과 같은 형상 · 치수의 강판 날

끝을 사용하는 것이 좋다. 이 경우 하단의 폭은 구성지반의 지지력을 고려해서 변화시키고,

지지력이 큰 경우에는 폭이 좁고 지지력이 작은 경우에는 폭을 넓게 한다.

(a) 오픈케이슨 (b) 공기케이슨

<그림 7.13> 점성토층 또는 사질토층으로 된 지반에 사용하는 경우

(2) 큰 자갈 또는 조약돌층의 지반이 존재하는 경우에는 그림 7.14와 같이 날 끝 선단에 각을

만들어 침하에 지장이 없도록 배려가 필요하다. 단 굴착작업에서 발파가 예측되는 경우에는

강판 날 끝으로 큰 철판을 사용한다(그림 7.15). 또 극히 연약한 지반에 있어서는 그림 7.16

과 같이 간단하게 보강하여 쓰는 것도 있다.

제8-3편 교량 하부 구조물

491

(a) 오픈케이슨 (b) 공기케이슨

<그림 7.14> 큰 자갈 또는 조약돌로 된 지반에 사용하는 경우

<그림 7.15> 발파를 이용하는 경우의 예 <그림 7.16> 연약지반에 사용하는 경우

7.7.5 공기케이슨 작업실 천정슬래브 및 천정슬래브 행거 빔

공기케이슨 작업실 천정슬래브 및 천정슬래브 행거빔은 ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.8.7 공기케이슨

작업실, 천정슬래브 및 천정슬래브 행거 빔ʼ에 따른다.

(1) 공기케이슨 작업식 천정슬래브는 시공 중 및 완성 후 하중상태의 가장 불리한 조합에 대하여 안전

해야 한다.

(2) 칸막이를 갖는 케이슨 작업실 천정슬래브의 행거 빔은 칸막이 하부를 이용하고, 작업실 천정슬래

브에 작용하는 하중을 분담하는 보로 설계하는 것으로 한다.

제3권 교량

492

ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.8.7 공기케이슨 작업실, 천정슬래브 및 천정슬래브 행거 빔ʼ에

따른다.

7.8 시공을 위한 검토

7.8.1 재하중

케이슨의 형상, 치수가 결정되게 되면 케이슨의 침하관계를 예상하여 침하작업에 지장이 있는가 조사

할 필요가 있다. 이 결과 케이슨 구체 중량이 현저히 가벼울 때에는 벽두께를 두껍게 하는 경우도 있

다. 케이슨 침하관계는 일반적으로 다음과 같다.

Wc + Ww ＞ U + R (7.17)

여기서,

Wc : 케이슨 구체의 중량(kN)

Ww : 케이슨에 재하하는 침하하중(kN)

U : 이론기압 또는 작업기압에 의한 양압력(kN)

R : 케이슨의 침하저항(kN)

설계 시의 시공에 앞서 참고로 그림 7.17과 같은 침하도를 그려보아야 한다. 이 침하도에서

침하저항력이 커서 케이슨이 침하하지 않는다고 생각될 때에는 재하하중이 필요한가 마찰

감소장치를 설치해야 하는가 판단해야 하는데 이는 침하관계도를 가지고 판단할 수 있다.

<그림 7.17> 침하도

제8-3편 교량 하부 구조물

493

케이슨의 침하저항으로 케이슨 주면마찰력, 케이슨의 경사에 의한 것과 케이슨의 날 끝 선

단저항 등을 들 수 있다. 이중 케이슨 침하도의 작성에 필요한 케이슨 주면마찰력에 대해서

정리하면 표 7.4와 같다. 이 값은 과거 자료로부터 케이슨의 경사가 대각선 방향이고 1.5

m 이내에 사질토가 많은 경우에는 50 ~ 100 mm의 friction cut를 두어 날끝 선단저항은

전혀 없다는 조건을 만족하는 침하상태가 양호한 경우에 대해서 정리한 것이다.

이 값은 어느 정도 오차가 있으므로 수정할 필요가 있다. 완전하게 날 끝 선단부를 굴착시켜

놓으면 케이슨의 날 끝 선단저항은 없어지지만 약간의 저항은 남는다. 그러나 굴착에 의하

여 원지반이 느슨해져 있으므로 10 kN/m2 정도로 보면 충분하다. 그러나 케이슨이 경사지

면 상당히 크게 된다. 또 시공에 감압침하를 많이 하는데 지반이 매우 느슨하게 되므로 감압

침하를 해서는 안 되고 침하관계도에 이를 고려해서는 안 된다.

<표 7.4> 케이슨의 주면마찰력(kN/m2)

케이슨의 깊이

토질

8 m 16 m 25 m 30 m 40 m

실 트

잘 다 져 진 실 트

잘 다 져 진 모 래

자 갈 섞 인 모 래

모 래 섞 인 자 갈

잘다져진 모래 자갈

2

5

12

14

17

22

4

6

14

17

20

24

5

7

17

20

22

27

6

9

20

22

24

29

7

10

22

24

26

31

7.8.2 이음

케이슨이 침하 중에 매달리는 상태로 되는 것이 예상되는 경우 각 리프트(lift)의 이음은 근입깊이 방

향으로 보강해야 한다.

ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.9.1 시공이음ʼ에 따른다.

7.8.3 지수벽 또는 흙막이 가벽

침하 완료 시 케이슨 상단이 수면 또는 지반면 보다 아래에 있는 경우 지수벽 또는 흙막이 가벽을 설

치하고, 그 설계는 ｢제8-8편 가설구조물｣에 따르기로 한다.

제3권 교량

494

7.8.4 칸막이에 설치하는 통수구멍

칸막이를 갖고 있는 케이슨을 침하시켜 설치하는 경우에는 칸막이에 통수구멍 설치를 고려해야 한다.

ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.9.3 칸막이에 설치하는 통수구멍ʼ에 따른다.

7.8.5 공기케이슨 샤프트구멍 주변의 보강

공기케이슨의 샤프트 구멍 주변은 충분히 보강해야 한다.

ʻ도로교설계기준(2010) 5.7.9.4 공기케이슨의 샤프트 구멍 주변ʼ에 따른다.