건축물 기초구조 설계기준: 조사 조건이 먼저이고, 팽창성 지반과 경사지반은 계산으로 답하지 않는다

건축물 기초구조 설계기준은 계산보다 먼저 "어떤 경우에 지반조사를 해야 하는가"를 규정한다. 조사 요구는 지반의 종류·지하수·암반·채움재·내진설계범주별로 각각 조건이 걸려 있고, 조건에 걸리면 조사 항목까지 목록으로 지정된다.

그다음이 설계인데, 여기서도 팽창성 지반과 경사지반에는 일반 기초와 다른 규칙이 붙는다. 이 두 조건은 지지력 계산으로 다룰 수 없는 문제이기 때문이다.

세 가지 상황에서 확인한다. ① 인허가 단계 — 지반조사보고서를 제출해야 하는지가 여기서 결정된다. ② 대지 선정과 배치 — 경사지반 이격거리가 건물 위치를 제한한다. ③ 기초 형식 결정 — 팽창성 지반이면 설계 대신 흙을 제거하거나 안정화하는 선택지가 있다.

이 글은 KDS 41 19 00 건축물 기초구조 설계기준의 조문을 인용한다. 얕은기초 추정 지지력표와 깊은기초 산정식은 옮기지 않았다.

1. 지반조사는 조건에 걸릴 때 요구된다

조사는 예비조사와 본조사로 나뉜다. 예비조사는 "기초의 형식을 결정하고 본 조사의 계획을 수립하기 위한 것"이고, 본조사는 "기초의 설계 및 시공에 필요한 제반 자료를 얻기 위하여" 시행한다(2.4). 본조사의 조사간격·지점·깊이는 예비조사에서 추정된 지반상황과 건축물의 규모·종류에 따라 정한다.

2.5는 조사를 요구하는 조건을 열한 항으로 나눈다. 그중 숫자가 붙은 것들이다.

조건요구되는 것

팽창성 토질 가능성이 있는 지역위치를 결정하기 위한 토질시험을 담당원이 요구하여야 한다

지하수 — 소규모 건축물에서 바닥이 지표 마감면보다 아래일 때지하수위가 최하부층 바닥보다 위인지, 또는 바닥 아래 1.5 m 이내인지 조사. 단 적절한 방수를 하면 생략 가능

암반층에 구조나 특성의 의심이 있을 때보링 수는 충분히, 깊이는 기초저면으로부터 3 m 이상

다짐채움재 두께 300 mm 이상에 직접기초를 지지할 때현장준비·재료 시방, 최대 건조밀도와 최적 함수비 시험방법, 층별 최대 허용두께, 원위치 건조밀도 시험방법과 최소 허용값, 시험 횟수와 빈도

제어된 저강도 재료 위에 직접기초를 지지할 때 (재령 28일 압축강도 8.3 MPa 이하)사전준비 시방, 재료 사양, 강도·지지력 시험방법, 현장 승인 시험방법, 시험 횟수와 빈도

내진설계범주 C 또는 D지반조건과 지진 위험 평가 — 사면 불안정, 액상화, 총·부등 침하량, 측방퍼짐 또는 측방유동

팽창성 토질의 판정 기준이 특히 구체적이다(2.5.3). 다음 중 하나라도 해당하면 팽창성 토질로 분류할 수 있다.

소성지수(PI)가 15 이상인 흙

체번호 200(0.075 mm)을 통과한 토립자가 10%를 초과하는 흙

크기 0.005 mm 미만인 토립자가 10%를 초과하는 흙

팽창지수가 20을 초과하는 흙

그리고 단서가 붙는다 — "④에 따라 팽창성 토질로 확인된 경우 ①, ②, ③의 시험을 생략할 수 있다". 팽창지수는 팽창성을 직접 재는 시험이므로, 간접 지표들을 대신한다. 팽창성 점토의 거동은 입도와 소성만으로는 완전히 예측되지 않기 때문이다.

깊은기초를 쓰는 경우에는 조사 항목이 아홉 가지로 열거된다 — 말뚝 종류와 지지력, 중심 간 간격, 항타 시방, 설치 절차, 현장 검사 및 보고 절차, 하중재하시험 요구사항, 인위적으로 조성된 환경에 대한 재료의 적합성, 지지층의 결정, 그리고 필요한 경우 무리말뚝 효과에 대한 저감(2.5.5).

여기서 조사가 지반만이 아니라 시공 방법까지 포함한다는 점이 중요하다. 말뚝의 지지력은 지반과 항타 방법이 함께 만들기 때문이다.

2. 팽창성 지반에서는 설계를 바꾸거나 흙을 바꾼다

팽창성 지반 위의 기초에는 두 갈래의 설계와 두 갈래의 대안이 있다(4.1.5).

방법내용

기초 설계 (4.1.5.1)부등 체적변화에 저항하도록 설계. 팽창성 지반을 관통하는 기초는 부상이 방지되도록, 그리고 체적변화 응력에 저항하거나 팽창성 지반에서 분리

지면슬래브기초 설계 (4.1.5.2)모멘트·전단력·처짐을 지반-구조물 상호작용을 고려해 결정. 중심부와 가장자리의 융기 조건을 함께 본다

토사 제거 (4.1.5.3)잔류토의 함수비가 일정하게 유지되도록 충분한 깊이까지 제거. 메우기 재료에 팽창성 토사가 포함되면 안 된다

지반 안정화 (4.1.5.4)화학적, 배수, 사전포화 또는 동등한 기법으로 활성화구역을 안정화

중심부와 가장자리의 융기를 나눠서 본다는 조문이 팽창성 지반의 성격을 보여 준다. 슬래브 가장자리는 비와 증발로 함수비가 계속 변하고 중심부는 덮여 있어 안정적이므로, 계절에 따라 가운데가 솟거나 가장자리가 솟거나 두 방향의 변형이 번갈아 일어난다. 한 방향만 검토하면 반대 계절에 균열이 생긴다.

토사 제거에는 예외가 있다 — "메우기와 지지된 구조물에 의해 발생한 팽창성 토사의 구속압력이 팽창압력을 초과한다면, 일정 습윤의 깊이까지 팽창성 토사를 제거할 필요는 없다"(4.1.5.3 (3)). 눌러 놓으면 부풀지 못한다는 원리다.

3. 경사지반에서는 거리로 답한다

4.1.6은 사면의 경사가 1/3(33% 경사) 이상인 경사면 위나 인접한 곳의 배치를 규정한다.

오르막경사 하부의 건물 — 비탈면의 배수·침식·표면붕락으로부터 보호하기 위해 충분히 이격한다. 기존 비탈면이 1/1(100%) 경사 이상이면, 비탈면의 하부는 "기초상부에서 그은 수평면과 수평에 대해 45도로 비탈면에 접선으로 그은 평면과의 교차점"에 있는 것으로 가정한다(4.1.6.1).

내리막경사 위의 기초 — 단단한 지반에 매립해 설치하고 비탈면에서 충분히 이격한다. 경사가 1/1 이상이면 소요 이격거리는 "비탈면 하부에서 위쪽으로 투영한 수평면에 45도인 가상면으로부터" 산정한다(4.1.6.2).

옹벽이 비탈면 하부에 있으면 비탈면의 높이는 옹벽의 상부에서 비탈면의 상부까지로 산정한다(4.1.6.1 (4)).

저수지 — 비탈면과의 이격은 건물기초 이격거리의 1/2이며, 비탈면 상부로부터 수평거리 2.1 m 이내의 저수지 벽체는 외측지반의 지지 없이 내측수압을 지지할 수 있어야 한다(4.1.6.3).

기초 높이 — 정지작업된 부지에서 외부기초의 상부는 배수시설 방류·인입 지점의 도로 배수로 높이 위로 최소 300 mm에 2%를 추가한 높이만큼 높인다(4.1.6.4).

45도 가상면이 반복되는 것이 이 절의 핵심이다. 급경사에서 이격거리를 사면의 실제 형상으로 재면 계산이 복잡해지므로, 45도로 잘라낸 가상의 면을 기준으로 삼는다. 그리고 옹벽이 있으면 사면 높이의 기산점이 옹벽 상부로 올라간다 — 옹벽이 그 아래를 잡고 있다는 사실을 인정하는 것이다.

이격거리는 담당원의 승인으로 달리할 수 있으나, 그때 담당원은 재료·사면높이·사면구배·하중강도·사면재료의 침식특성을 포함한 지반조사를 요구할 수 있다(4.1.6.5, 2.5.10). 사면 안정을 계산으로 다루려면 그만큼의 자료가 필요하다는 뜻이다.

4. 상재하중과 콘크리트 강도에도 조건이 있다

4.1.2.2는 인접 구조물을 보호한다 — "건물 또는 구조물의 되메우기나 상재하중으로 인한 추가하중을 지지할 수 없으면, 건물 또는 구조물에 인접하여 메우기나 상재하중과 같은 추가하중을 발생시켜서는 안 된다". 그리고 굴착으로 영향을 받는 기존 기초는 하부를 보강하거나 침하방지 조치를 해야 한다.

예외는 아주 좁게 열려 있다 — 조경 목적의 소규모 정지공사로 인력구동 소규모 장비를 쓰고, 정지면이 원래 설계 정지면에서 300 mm를 초과하지 않는 경우다.

콘크리트 강도에는 하한이 있다 — 기초용 콘크리트 또는 충전재의 설계기준압축강도는 내진설계범주 A·B·C에서 18 MPa 이상이며, 내진설계범주 D의 경량골조 및 2층 이하 구조도 18 MPa다(표 4.1-1).

시공 조건도 배합에 들어온다 — "콘크리트를 깔때기 모양의 호퍼를 사용하여 깊은기초의 상부에서 타설하는 경우, 콘크리트 배합은 슬럼프값이 100 mm 이상 그리고 200 mm 이하인 점착력과 시공성 있는 배합이 되도록 배합설계 하여야 한다"(4.1.7.1 (2)). 너무 되면 내려가지 않고 너무 묽으면 재료가 분리된다.

5. 정리

지반조사는 예비조사와 본조사로 나뉘며, 본조사의 간격·지점·깊이는 예비조사 결과와 건축물 규모로 정한다.

팽창성 토질은 네 가지 중 하나로 판정한다 — PI 15 이상, #200 통과 10% 초과, 0.005 mm 미만 10% 초과, 팽창지수 20 초과. 팽창지수로 확인되면 나머지 시험을 생략할 수 있다.

소규모 건축물의 지하수 조사는 바닥 아래 1.5 m가 기준이며, 적절한 방수를 하면 생략할 수 있다.

암반 보링은 기초저면으로부터 3 m 이상, 다짐채움재는 300 mm 이상, 제어된 저강도 재료는 28일 강도 8.3 MPa 이하가 조사의 문턱이다.

내진설계범주 C·D에서는 사면 불안정·액상화·침하·측방유동을 평가한다.

팽창성 지반은 설계로 저항하거나, 흙을 제거하거나, 지반을 안정화한다. 구속압력이 팽창압력을 넘으면 제거하지 않아도 된다.

경사지반의 이격은 45도 가상면으로 산정하며, 저수지는 건물 이격의 1/2, 비탈면 상부 2.1 m 이내 벽체는 외측 지지 없이 수압을 견뎌야 한다.

기초 콘크리트는 18 MPa 이상이고, 호퍼로 깊은기초 상부에서 타설하면 슬럼프 100~200 mm로 배합한다.

이 기준을 읽으면 기초 설계의 절반이 지반을 아는 일임이 분명해진다. 그리고 조문은 "조사하라"고만 하지 않고 어떤 조건에서, 무엇을, 몇 개나까지 정한다. 팽창성 지반과 경사지반에 별도의 절이 있는 이유도 같다 — 이 두 경우에는 지지력을 아무리 정확히 계산해도 답이 나오지 않고, 흙을 바꾸거나 건물을 옮기는 것이 해답이기 때문이다.