구조물공 ❙ 237

구조물공

57

구조물공

교량 말뚝기초 설계 프로세스 개선방안 설계처-1940

(2015.07.08)

1 검 토 배 경

교량 말뚝기초 설계 시 경제성에 영향을 미치는 다양한 설계

영향인자에 대한 검토를 통하여 최적의 말뚝기초 설계 프로세스를

구축하고자 함

2 현 설 계

1) 말뚝재질 선정기준

구 분 말뚝연장〈15m 말뚝연장 ≥ 15m 비고

말뚝재질 강관말뚝 복합말뚝 설계처-6005

(2009.12.3)

2) 말뚝종류별 지반지지력

구 분 지반 지지력 산정 기준

기성

말뚝

연 암

◦ 구조물기초설계기준, Goodman 식 중 작은 값

구조물기초 설계기준 Goodman

  









   



∅  

풍화암 ◦ 선단 :  ×  , 주면 :  × 

현장

타설

말뚝

연 암

◦ 도공산정식(2002), CFEM, 구조물기초설계기준 중 작은 값

구분 도공산정식 CFEM 구조물기초기준

선단 ․Peck at el 공식 ․ × ×  ×  × ․



∼



× ×

주면 ․CFEM 공식* ․ ×  × 

 

․∼×′

* CFEM : Canadian Foundation Engineering Manual

풍화암 ◦ 산정기준 없음

※ 세부 산정식 : 별첨 1

238 ❙ 구조물공

3 문 제 점

 설계자의 경험적 판단에 의한 형식 결정

□ 기성말뚝(강관, 복합말뚝) 위주의 경험적 설계

◦ 최근 설계노선 분석결과 95.8%가 기성말뚝 적용

[ 최근 10년간 교량 기초형식 현황(동홍천~양양 등 15개 노선 580개교) ]

구 분 계

기 성 말 뚝

현장타설말뚝

강관말뚝 복합말뚝

말뚝본수 43,190본 38,729본 2,620본 1,841본

적용비율 100% 89.7% 6.1% 4.2%

□ 말뚝연장 및 지반조건 등 설계 영향인자 검토 부족

◦ 10m 이상말뚝의경우현장타설말뚝이경제적일수있으나설계시미고려

◦ 지지층(풍화암 또는 연암지지)에 따라 경제성이 달라질 수 있으나 검토 미흡

☞ 말뚝연장, 지반조건 등을 감안한 경제성 검토 필요

 보수적인 지지력 설계로 경제성 저하

□ 연암지지 현장타설말뚝 지반지지력 과소 산정 경향

◦ 우리공사 산정식에 의한 지지력 값이 상당히 보수적임

- 정재하시험 결과 대비 약 54% 수준, CFEM 및 구조물기초 설계기준

대비 각각 24%, 32% 낮음

[ 25m 길이의 말뚝직경별 지반지지력 산정결과 비교 ]

구 분

말뚝직경별 지반지지력(kN)

600㎜ 800㎜ 1,000㎜ 1,200㎜ 1,500㎜ 2,000㎜

연암

지지

우리공사

산정식(2002) 1,670 2,968 4,634 6,675 10,428 18,542

CFEM 2,207 3,922 6,124 8,822 13,782 24,505

구조물기초

설계기준 2,465 4,381 6,838 9,852 15,391 27,367

※ 현장타설말뚝 지지력 연구결과 분석 : 별첨 2

구조물공 ❙ 239

구조물공

◦ 두꺼운 풍화암층 활용 미흡으로 연암지지 위주의 현장타설말뚝 설계

- 국내 지반특성 상 N값이 50 이상인 풍화암(IGM*)층이 두껍게 분포

하고 있으나 지지력 산정방법이 명확하지 않아 연암층에 지지

* Intermediate GeoMaterials : 토사와 암반의 중간지반(N값 50/30～50/3 범위)

□ 연암지지 기성말뚝 지지력 산정기준 검토 부족

◦ 암반 일축압축강도에 Scale Effect* 반영으로 지지력값이 낮게 산정

- Scale Effect를 고려하여 qu×1/5 적용

* Scale Effect : 척도의 차이로 암반의 일축압축강도 실험값과 실제값이 차이가 나타나는 현상

◦ 주면마찰력을 연암 근입부만 고려하고 연암상부의 토층은 미 고려

☞ 기성말뚝 및 현장타설말뚝 지지력 산정기준 재검토 필요

 기 타

□ 말뚝재료의 강도특성을 고려하지 않고 일률적으로 적용

◦ 말뚝직경, 두께별 경제성 검토는 시행하나 본체강도 상향에 대한

검토는 미 시행 (강관말뚝 : SKK400*, 현장타설말뚝 :   만 적용)

* SKK400 : 항복강도 400Mpa 이상인 말뚝(허용압축응력 140MPa)

□ 동일 교량 내 다양한 종류의 말뚝 적용으로 시공성 저하

◦ 동일 교량에 강관, 복합, 현장타설말뚝이 혼재하여 시공성 저하

예 시

240 ❙ 구조물공

4 개 선 방 안

1) 말뚝기초 형식 선정절차 수립

□ 말뚝 형식선정 흐름

□ (Step-1) 지반조건, 말뚝연장 등을 고려한 말뚝 재질 선정

① 지반조건

․풍화암 두께 확인

․풍화암 또는 연암

지지 검토

② 말뚝연장

․말뚝 예상길이 검토

․말뚝종류 및 연장별

경제성 고려

③ 특수조건

․환경조건, 해상 또는

대규모 하천횡단

․특수조건 등 고려

경제성

검토

강관말뚝

복합말뚝

현장타설말뚝

□ (Step-2) 시공조건을 고려한 말뚝공법 선정

◦ 매입말뚝

프리보링 타격공법 SIP SDA PRD

․15cm이하 자갈층

․공벽유지 가능

․안정된토사, 풍화암

․공벽유지 불가

․15cm이하 전석층

․공벽유지 불가

․30cm이상 전석층

․지층제약 없음

◦ 대구경 현장타설말뚝

All-Casing RCD Earth Drill

․토사층 위주지반 ․지지층이견고하고깊은지반 ․비교적강도가작고얇은지반

※ 교량 말뚝기초 형식선정 흐름도 및 설계 영향인자 검토 : 별첨 3

구조물공 ❙ 241

구조물공

 지반지지력 산정방법 개선

□ 연암지반 현장타설말뚝 지지력 산정방법 현실화

◦ 지반지지력 산정 시 도로교 설계기준 해설(2015) 공식 적용 시

기존 산정식 대비 약 28% 지지력 향상* 가능

* 한계상태법 적용으로 지지력 향상 [저항계수 : 당초 0.4(안전율 2.5) → 변경 0.5～0.55]

[ 도로교 설계기준(한계상태설계법) 적용결과 비교 (L=25m일 경우) ]

구 분

말뚝직경별 허용지지력(kN)

600㎜ 800㎜ 1,000㎜ 1,200㎜ 1,500㎜ 2,000㎜

당초 우리공사

산정식(2002) 1,670 2,968 4,634 6,675 10,428 18,542

개선 도로교설계

기준해설(2015) 2,143 3,810 5,953 8,572 13,393 23,811

◦ 연암지반의 지지력 산정식 적용방안

- 우리공사 산정식(2002), CFEM(지지력 과다산정 경향) 및 구조물 기초

설계기준(저항계수 없음) 제외

당 초 개 선

①우리공사 산정식(2002), ②CFEM,

③구조물 기초 설계기준(2009)으로

산정한 값 중 작은 값

①도로교 설계기준 해설(2015) 적용

※ AASHTO, FHWA 산정식과 동일

※ 연암지반 현장타설말뚝 지지력 산정 쉬트 : 별첨 4

□ 두꺼운 풍화암(IGM)층을 활용한 현장타설말뚝 설계

◦ 국내외 적용사례와 관련학회 질의회신 검토결과 풍화암(IGM)

지반에 현장타설말뚝 지지 가능

※ 현장타설말뚝 풍화암(IGM) 지반 적용 검토 : 별첨 5

◦ 국내 풍화암(IGM) 실정에 맞는 지지력 산정식 개발 시까지 도로교

설계기준 해설(2015) 공식 적용

242 ❙ 구조물공

예시) N값 상한 100 적용 시 말뚝직경별 풍화암(IGM) 지반 지지력 검토결과

구 분

말뚝직경별 허용지지력(kN)

600㎜ 800㎜ 1,000㎜ 1,200㎜ 1,500㎜ 2,000㎜

말뚝허용 압축하중 2,051 3,645 5,690 8,200 12,814 22,796

지 반

지지력

도로교설계

기준해설(2015) 2,424 3,424 4,520 5,712 7,680 11,439

※ φ=600mm, 800mm에서 적용성이 높음

◦ 선단지지력 및 주면마찰력 산정방안

구 분 산정식 적용

선단지지력 도로교 설계기준 해설(한계상태설계법, 2015) 공식

주 면

마찰력

IGM 근입부 미연방도로청(FHWA, 1999) 비점성 IGM 공식

IGM 상부토층 도로교 설계기준 해설(한계상태설계법, 2015) 공식

※ 풍화암(IGM) 지반 현장타설말뚝 지지력 산정 쉬트 : 별첨 6

◦ 설계 적용대상

구 분 설 계 적 용 대 상 비고

현장타설말뚝

(Φ=600~800)

- 말뚝연장이 10~20m이고 기성말뚝과 비교

하여 경제성이 확보되는 경우

별첨 7

현장타설말뚝

(Φ=800이상)

- 경제성이 확보되는 경우

◦ 국내 풍화암(IGM) 지반에 맞는 지지력 공식 개발

- (설계) 시험말뚝, 시험 및 분석비용 반영 (교량 당 말뚝본수의 1%)

※ 시험말뚝 시공비, 시험 및 분석, 보완설계 비용 등은 P.S 단가로 지정

- (시공) 시험말뚝 선 시공, 시험 및 분석(도교원 입회)을 통해 지지력 확인

☞ 말뚝 재설계 후 본 말뚝 시공 (데이터 도교원 송부)

데이터 축적 후 국내 IGM 지반에 맞는 지지력 공식 개발

구조물공 ❙ 243

구조물공

□ 연암지반 기성말뚝 지지력 산정방법 개선

◦ 구조물 기초 설계기준 해설(2009) 산정공식의 Scale Effect 제외

- 구조물 기초 설계기준 해설(2009)편 식은 경험식으로 Scale Effect 반영 불필요

- Scale Effect 미반영 시 지반지지력 약 20% 높게 산정 가능

구 분 당 초 개 선

산정식    

 

 

 ( :암반 일축압축강도)

적 용 qu×1/5 적용 qu 적용

계산값 1,396 kN (Φ509mm, 9T) 1,669kN (Φ509mm, 9T)

※ 한국지반공학회 질의회신 결과 : 별첨 8

◦ 말뚝두부 지반으로부터 암반상단까지 주면마찰력 반영

- 암반 주면마찰력 + 퇴적토 및 풍화토층의 주면마찰력*까지 산정

* 지반조건 등 검토 후 반영이 곤란한 경우는 미 반영

- 암반상단 주면마찰력 반영 시 지반지지력 약 19～40% 향상

구 분 당 초 개 선

모식도

퇴적토

풍화토

연 암

①

퇴적토

풍화토

연 암

①

②

적 용

암반근입부만의

주면마찰력(①)

연암상부의 주면마찰력(②)

포함 반영 (①+②)

계산값 1,669kN (Φ509mm, 9T) 2,334kN(Φ509mm, 9T)

※ 한국지반공학회 질의회신 결과 : 별첨 8

244 ❙ 구조물공

 기 타

□ 설계조건 검토 후 고강도 말뚝재료 적용

◦ 지반지지력보다 말뚝 허용압축하중이 작아 경제성이 불리한 경우

고강도 재료 적용 (강관 : SKK490* 이상, 현장타설말뚝 :   이상)

* SKK490 : 항복강도 490MPa 이상인 말뚝(허용압축응력 190MPa)으로 구조물 기초설계기준 해설

(2009) 에서 사용할 수 있도록 규정함

◦ 고강도 강관말뚝 및 현장타설말뚝 콘크리트 생산․수급여건 고려

□ 시공성을 고려한 교량 말뚝설계

◦ 동일 교량 내 다수 종류의 말뚝배치 시 가급적 동일재질 말뚝 적용

◦ 시공장비의 종류, 접근성, 말뚝재료 수급 및 종류별 수량분포

등을 고려하여 선정

5 협조 및 적용방안

□ 협조사항 (도로교통연구원)

◦ 현장타설말뚝 풍화암(IGM)층 지지력 산정 합동연구

- 풍화암(IGM)층 현장타설말뚝 시험입회 및 데이터 취합․분석

- 국내 여건에 적합한 풍화암(IGM)층 지지력 공식 연구

□ 적용방안

◦ 설계중인 노선 : 본 기준 적용

◦ 공사중인 노선 : 공사주관(시행)부서에서 적용여부 판단

구조물공 ❙ 245

구조물공

별첨 1 지반지지력 상세 현 설계

□ 기성말뚝

◦ (연암) 구조물기초설계기준, Goodman 식 중 작은 값

구조물기초 설계기준 Goodman

   

 

 



Pu : 강관말뚝의 극한선단지지력(kN)

qu : 암반의 일축압축강도(kPa)

At : 강관말뚝의 선단부 순단면적(m2)

Ai : 선단폐색면적(m2)

   



 ∅    

Qu : 말뚝의 극한선단지지력(kN)

qu : 암석의 일축압축강도(kPa)

N∅ = tan2(45+∅/2)

◦ (풍화암) 선단지지력 :  × , 주면마찰력 :  ×



: 말뚝선단에서 위로 d, 아래로 d 사이의 평균 N값(d:말뚝직경)

 : 각 지층에서의 N값, A : 선단부 또는 주면부, 재료 단면적

□ 현장타설말뚝

◦ (연암) 도공산정식(2002), CFEM, 구조물기초설계기준 식 중 작은 값

구분 도공산정식 CFEM 구조물기초기준

선 단

지지력

 ×  

 : Peck at el 공식

 : 선단부 단면적

 ×   ×  ×  ×  

 : 불연속면 간격계수

 : 말뚝근입부 지름/깊이

 : 암석 일축압축강도(kPa)

 : 선단부 단면적





∼ 



 ×  ×  

 : 암석 일축압축강도(kPa)

 : 선단부 단면적

주 면

마찰력

CFEM 공식

 ×  ×  

 

 : 대기압

 : 암석 일축압축강도(kPa)

 ∼   × ′ 

′ : 암석과 콘크리트 일축

압축강도 중 작은값

◦ (풍화암) 산정기준 없음

246 ❙ 구조물공

별첨 3 말뚝기초 형식선정 흐름도 및 설계 영향인자 검토

□ 말뚝기초 형식선정 흐름도

구조물공 ❙ 247

구조물공

□ 말뚝기초 설계 영향인자 검토

(Step-1) 지반조건, 말뚝연장 등을 고려한 말뚝재질 선정

◦ (지반조건) 풍화암층 분포에 따른 경제성

경제성 비교 검 토 결 과

◦지층구성 상 풍화암층이 2.0m

이하일 경우 연암지지가 경제적

☞지반조사 결과 풍화암층이 2m

이하인 경우 풍화암 천공 후

연암지지 검토 필요

◦ (말뚝연장) 말뚝종류별 경제성

말뚝종류별 경제성 비교 검 토 결 과

◦말뚝길이 10m 이상 경제성 분석

결과 현장타설말뚝〈복합〈강관

순으로 분석됨

☞말뚝길이 10m 이상의 경우 말뚝

종류별로 경제성 검토 필요

◦ (특수조건) 환경조건 등 특수조건에 따른 적용성

구 분 강관말뚝 복합말뚝 중구경

현장타설말뚝

대구경

현장타설말뚝

항타 가능 ◎ × 해당없음 해당없음

연약지반 ○ △ △ ◎

해상 횡단교량 △ △ △ ◎

대하천 횡단교량 ○ ○ ○ ◎

특수교량

(현수교, 사장교 등) △ △ △ ◎

수평하중이 큰 교대 ○ ○ ○ ○

수질오염 및

지하수위 변동 ◎ ○ △ △

※ × : 적용불가, △ : 적용성 보통, ○ : 적용성 양호, ◎ : 적용성 매우 양호

248 ❙ 구조물공

(Step-2) 시공조건을 고려한 말뚝공법 선정

◦ 매입말뚝

공 법 명 적 용 조 건 비 고

프리보링

타격공법

- 15cm이하 자갈 또는 전석층, 공벽유지 가능

전석층

1m이하

분포 시

T4조합

SIP

- 안정된 토사 및 풍화암 지반

- 15cm이하 자갈 또는 전석층, 공벽유지 불가

SDA

- 15cm이하 자갈 또는 전석층, 공벽유지 불가

- N치 50이상의 사력층, 호박돌층 및 암반층(T4장착시)

PRD

- 지층에 따른 제약 없음(공벽유지 불가)

- 30cm이상 자갈 또는 전석층, 암반층

◦ 대구경 현장타설말뚝

공 법 명 적 용 조 건

All-Casing

- 토사층 위주지반, 전석층 및 암반

- 용수가 많은 경우 시공능률 떨어짐

RCD

- 지지층이 견고하고 깊은 경우

- 천공심도가 큰 경우 사용 시 유리

Earth Drill

- 지지층이 토사층 위주인 지역

- 비교적 강도가 작고 두께가 얇은 암반

구조물공 ❙ 249

구조물공

250 ❙ 구조물공

구조물공 ❙ 251

구조물공

별첨 3 연암지반 지지력 산정 (예시 : D600)

252 ❙ 구조물공

구조물공 ❙ 253

구조물공

254 ❙ 구조물공

별첨 6 풍화암(IGM) 지반 지지력 산정 (예시 : D600)

구조물공 ❙ 255

구조물공

256 ❙ 구조물공

구조물공 ❙ 257

구조물공

별첨 7 현장타설말뚝(φ=600~800mm) 세부 적용대상

□ 적용대상

◦ 말뚝연장 10~20m*로써 풍화암층 두께가 최소 2.0m 이상** 분

포하고, 경제성을 확보하는 경우

* 최대 시공실적을 감안(18m)하여 20m 제한

** 말뚝길이별 기성말뚝과 현장타설말뚝의 지지력이 같아지는 풍화암층 두께

및 경제성 검토결과

구 분

말뚝길이

비 고

10m 미만 10~15m 15~20m

지 층

구 성

토사1 (N=10) 3.00 3.00 3.00 　

토사2 (N=15) 4.40 9.40 14.40 　

풍화토(N=30) 2.00 2.00 2.00 　

풍화암(N=50) 0.60 0.60 0.60 1D 근입조건

계 10.00 15.00 20.00 　

강 관

말 뚝

지지력(kN/본) 1,719 1,833 1,947 　

본수 14 12 12 　

공사비(백만원) 40 56 74 　

복 합

말 뚝

지지력(kN/본) 1,724 1,837 1,947 　

본수 14 12 12 　

공사비(백만원) 41 50 61 　

현 장

타 설

말 뚝

(Φ=600)

길이 14.05(+4.05) 17.55(+2.55) 20.95(+0.95) + : 말뚝

길이 증가

최소 풍화암 두께 4.65 3.15 1.55 　

지지력(kN/본) 1,715 1,836 1,948 　

본수 14 12 12 　

공사비(백만원) 43 43 55 　

◦ 말뚝연장 20m 이하로써 풍화암층이 없는(최소 1m 이하) 연암층에

지지 시 경제성을 확보하는 경우