This paper is a case study on bridge foundations connecting Hwayang-myeon with Jeok-kumdo

Island, which are composed of Jobal cable-stayed girder bridge and Dun-byung PSC box girder

bridges. The maximum water depth at location of pylon foundation is 28.7m and the bedrock is

exposed without overlaying soil stratum in seabed. Under such ground conditions, the estimation of

the minimum embedded depth of drilled shafts was performed for horizontal stability guarantee. In

elevated multiple piles in sea-crossing bridges, the lateral displacement and bearing capacity are main

critical design factors, which were estimated surface of rock unlike the conventional type with

checking them in design ground level. The literature research and 3D-numerical analysis were

performed for the establishment of the design criteria on the horizontal displacement in surface of

rock. As the possible solutions for construct problems caused by the bed rock exposed early, the

installation of guide frame to reinforce upper part of a steel pipe and placing underwater concrete for

fixing bottom of a steel pipe were suggested. After this processes, RCD(Reverse Circulation Drill)

and pile installation were performed. Results obtained from this study showed that the application of

pile foundation to this ground and marine environmental conditions can be a promising solution for

minimizing marine pollution and precise construction at deep water depth.

화양-적금3공구교량기초설계사례분석

1. 서론

2. 교량 기초설계

3. 현장타설말뚝의시공법검토

4. 결론

Foundation design of Hwayang-Jukkeum 3rd section

1) 지반본부 대리(ydongju@yooshin.co.kr)2) 지반본부 차장·토질 및 기초기술사(y12897@yooshin.co.kr)

3) 지반본부 대리(y13359@yooshin.co.kr)4) 수공본부 대리(y12899@yooshin.co.kr)

유동주1) 박기웅2) 임형준3) 조주환4)

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314_제18호

1. 서론

1.1 교량 현황 분석

과업구간의교량은조발대교와둔병대교두교량

으로 이루어져 있으며, 조발대교는 V각 원형주탑

사장교이고둔병대교는국내최장경간170m PSC

박스거더교로계획하였다. 과업대상구간의교량기

초는 수심이깊고, 조류속이빠르며급경사의해저

지형에대응성이우수한기초형식으로대구경현장

타설말뚝을선정하였으며, 기반암이조기출현하는

지형적특성을고려하여기초의안정성검토와해

상환경오염및피해를최소화하기위한기초가설

공법을선정하였다.

[그림 1] 교량계획

1.2 수심 및 지반조건

조발대교및둔병대교의기초형식및시공법선

정을위하여음파탐사및해저면영상조사를수행

하여해저지형을파악하였으며, 시추조사및물리

탐사를통해지지지반의역학적특성및동적특성

을파악하였다.

음파탐사및해저면영상조사에의한지형을분

석한결과교량시점부는급경사로해저면이불규

칙한반면종점부는완만한경사를이루고있는것

을확인하였다.

기초가위치하는구간의수심은조발대교구간은

최대수심 25.2m, 둔병대교 구간은 28.5m이며,

조발대교구간은조류속이빨라P3~P5구간은기

반암이 0.5~1.5m로 조기 출현하는구간으로조

사되었으며 둔병대교 구간은 기반암 출현심도가

2.3~13.5m로조발대교구간에비해서는상대적

으로깊게분포하는것으로조사되었다. 기반암은

역질응회암, 안산암응회암으로TCR/RQD는연

암 80∼100/0∼40, 경암 83∼100/44∼100

범위로양호한암질로파악되었고일축압축강도는

조발대교구간은48.3∼266.9MPa, 둔병대교구

간은60.8∼138.4MPa로조사되었다.

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화양-적금 3공구 교량기초 설계사례 분석

1.3 교량기초 형식선정

청정해역내에해상교량이위치하고낭도주변에

는양식장이위치하고있어환경훼손을최소화하는

친환경적인공법을적용하여야하며대수심및빠

른조류속에대응이가능한기초의형식이필요하

다. 기반암이조기에출현하는지형적특성과깊은

수심 빠른 조류속으로 인해 우물통기초를 적용할

경우그규모가직경25m이상, 높이30m정도로

증대되고다수의교각기초로인하여우물통제작을

위한대규모제작장이필요하고3000톤급해상크

레인, 강재우물통등공사비가증대되는요인이발

[그림 2] 전체 지형 현황 및 지층 종단면도

[표 1] 기초형식 선정결과

•대수심, 빠른 조류속 및 지층변화에대응성 우수•기반암 근입 확실한 안정성 확보•희생강관사용 해양오염 최소화•시공성 및 경제성 우수

•대수심 빠른 조류속 규모 과대•경사지형으로 대규모 수중발파 필요•강재케이슨 적용으로 공사비 고가

•시공시 안정성 확보가 어려움•대수심에 의한 가물막이 공사비 과다•지지층 확인으로 품질관리 확실한지지력 확인 가능

구 분

개요도

특징

적용 ◎

현장타설말뚝 우물통 기초 가물막이+직접기초

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316_제18호

생하며 더욱이 주탑기초 구간은 기반암이 경사진

지형으로대규모수중발파가불가피하게되어환경

훼손의우려가있어희생강관을이용한대구경현

장타설말뚝기초를적용하는것으로계획하였다.

2. 교량기초설계

2.1 해상말뚝기초 근입심도 검토

본과업구간의경우토피가얕고기반암이조기

에출현하는경우에현장타설말뚝의수평안정성을

확보하기위해서는충분한근입심도를확보하여야

한다. 돌출된말뚝의경우일반적으로수평변위에

지배적이므로 국내설계기준을 분석하여 근입심도

를결정하였다. [표 2]에서나타낸바와같이도로

교설계기준해설(2008)에의하면돌출된말뚝본체

에하중이작용하는경우에현장타설말뚝은3/β이

상을지반에근입해야하는것으로명시되어있다.

이를위해당현장의지층조건을분석하여3/β값

을산정하여안정성을확보하는기반암최소근입

깊이를산정하였고설계지배검토항목인말뚝의수

평변위에대한변위기준을만족하는심도를검토하

여최종기반암근입깊이를결정하였다.

[그림 3] 교량기초계획

[표 2] 해상말뚝 근입깊이 결정을 위한 최소기준

설 계 적 용

구 분

도로교설계기준 해설 (2008)

•지반면 위에 돌출된 말뚝본체에 수평력이 적용하는 경우

•설계지반면상의 말뚝 본체에 파압, 조류압 동수압 등의 수평력이 작용하는 경우 ➞

지중근입 말뚝길이를 3/β이상으로 함

•3/β이상 근입시 긴말뚝 거동으로 간주하여 설계반영

수평하중을 받는 말뚝기초 기준

βL > 3 ……………………………………………………………………식 (1)

여기서, L = 지중근입 말뚝길이(m)

β= 기초특성값(m-1),

β：4 (m-1)Kh·D

4EI

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화양-적금 3공구 교량기초 설계사례 분석

기초의안정성확보를위해연암및경암을지지

층으로선정하였으며각층의말뚝특성치(β)가고려

된다층지반특성을반영하여근입깊이를결정하

였다. 각층에두께를반영한기반암근입심도산정

방법은식(2)에 나타나있으며기반암조기출현구

간의해상현장타설말뚝의최소근입비는기반암하

2.0~3.3D로검토되었다.

β1(토사)×L1(토사)+β2(풍화암)×L2(풍화암)…………………………………………식(2)

+β3(연암)×L3(연암)+β4(경암)×L4(경암)>3

2.2 교량기초 안정성 검토

본과업구간의해상말뚝기초에대한안정성검토

항목은도로교설계기준에의거하여말뚝기초의연

직및수평안정성에대한검토를수행하였다. 지지

층인 기반암은 RQD가 44~100, 일축압축강도

[표 3] 지지력 및 침하량 검토결과

연직지지력

조발대교 둔병대교

•지반반력=23~47MPa＜허용지지력=54~66MPa O.K

연직침하량

조발대교 둔병대교

•발생침하량=1.5~4.8mm＜허용침하량=25mm O.K

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318_제18호

48~270MPa인매우양호한경암으로확인되었다.

지지력및침하량은도로교설계기준및구조물기초

설계기준의제안한식을이용하여산정하였다. 말

뚝기초의 허용지지력은 54~66MPa로 산정되었

고 말뚝의 최대지반반력 47MPa로 허용지지력값

이하로안정한것으로나타났으며, 발생침하량또

한최대4.8mm로미소함을확인하였다(표3).

돌출현장타설말뚝기초의경우지반면위로노

출된부분에대하여수압및파압, 동수압을고려

해야하며하중의작용이 3차원적인특성을갖게

되므로실제교량의구조적특성과중요도를감안

할때 3차원해석이불가능한탄성변위법은적절

치않으며, 3차원 수치해석이나비선형해석등과

같은보다정밀한수준의모델링과해석이필요하

게된다.따라서수심이깊고조류속이빠르며기

반암이 조기출현하는 본 과업구간의 지반특성을

고려하여다층지반의저항력과말뚝변위의비선형

성을고려할수있는p-y해석을수행하여설계지

반면및암반면에서의변위를검토하였으며3차원

수치해석을통해암반면이파괴에도달했을때의

변형율을 기준으로 암반의 허용변위를 산정하고

발생변위를 p-y해석결과와 비교하여 설계 적정

성을확인하였다. 이때 해석상에서상부하중뿐만

아니라말뚝본체에작용하는조류압, 파압, 지진

시동수압등을고려하였으며이하중들에대한산

정식은국내외설계기준서및사례조사를통해적

정성을검토하였다.

[표 4] p-y 비선형해석결과 (수평변위)

조발대교 PY 둔병대교 P3

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화양-적금 3공구 교량기초 설계사례 분석

기반암조기출현의특성을감안할때말뚝의수

평저항력에설계지배인자인암반면의안정성검토

가필수적이다.

하지만현재국내설계기준에는현장타설말뚝의

암반면수평변위에대한허용기준이별도로제시되

어있지않기때문에여러문헌자료들을조사하여

적절한방법으로암반면에대한수평변위및암반

의수평지지력에대한안정성검토를수행하였다.

암반면수평변위검토를위해먼저일축압축강도

시험결과와 Hoek & Brown(1997)에서 제시한

제안값을참조하여암반면파괴시변형율을산정하

였다[표5].

본과업구간암반의일축압축시험결과파괴시최

소변형율은 0.004로 조사되었으며문헌조사결과

Hoek & Brown(1997)에서 intact rock 에대

한응력변형률은0.008, 보통또는양호한암질의

암반에대한파괴시응력변형률을0.0015로제안

하였다.

따라서안전측설계를위해문헌에서제시한변

형률0.0015를파괴시기준변형률로적용하여3

차원 수치해석을 통하여 암반의 파괴시 변형률에

이르는변위를암반의허용변위로선정하였다.

[표 5] 암반면의 파괴시 변형률 산정

파괴시 변형률 산정 (일축압축강도 시험)

파괴시 응력변형률 곡선(Hoek & Brown, 1997) 일축압축시험 결과 파괴 변형률

•변형률 0.0015에서 파괴 •안전측으로 문헌치 ε=0.0015 적용

수치해석에의한암반면수평변위검토결과암

반면상단에서의발생변위는0.4~3.4mm로기준

변위6.5~8.5mm 이하로안전한것으로판단된다.

또 p-y 해석에의한암반면수평변위결과를비교

한결과수치해석에비하여p-y해석에의한수평

변위가크게나타났으나기준변위를만족함을확인

하였다(표6).

토사층이 매우 얇고 기반암이 조기에 출현함에

따라 말뚝의 수평거동에 지배적인 영향을 미치는

암반의수평지지력을평가하여말뚝설계신뢰성을

확보하였다.

Zhang et al(2000) 등이제안한암반의수평

지지력 산정식을 적용하여 암반의 특성이 고려된

허용수평지지력을산정하였다.

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320_제18호

암반수평지지력 검토결과 최대수평반력이

14.4MN로허용수평지지력18.1MN 이내로검토

되어안전성을확인하였다(표7, 8).

[표 6] 암반면 수평변위 검토 결과

조발대교 주탑기초(PY)

변형률 수평변위 기준값

•ε=3.1×10-6＜0.0015(O.K)

암반면 수평변위

•경암상부 수평변위 0.60mm 발생 •파괴시 수평변위 12.0mm(기준값)

조발대교 P4

변형률 수평변위 기준값

•ε=5.6×10-4＜0.0015(O.K)

암반면 수평변위

•경암상부 수평변위 3.40mm발생 •파괴시 수평변위 8.5mm(기준값)

주) 둔병대교 구간은 토사층 및 풍화암층이 깊게 분포하여 암반면에서의 파괴시 변위검토는 생략하였다.

[표 7] 암반허용수평지지력 산정방법

개념도 암반의 수평지지력(Zhang et al, 2000)

Hult =∫(PL+τmax)Bdz

여기서, PL = γ'z+σc(mb +s)a

τmax : 최대주면마찰력 (kPa)

σc : 암의 일축압축강도 (kPa)

mb, s, a : 암반 정수

γ: 암반의 단위중량 (kN/m2)

B : 말뚝 폭(m)

z : 암반 근입깊이 (m)

L

O

γ'zσc

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화양-적금 3공구 교량기초 설계사례 분석

3. 현장타설말뚝의시공법검토

3.1 교량기초 시공법

해상현장타설말뚝기초의시공을위해서는희생

강관을거치한후바이브로해머를이용하여풍화

암층상단까지타입한후강관내부의토사를굴착

하고RCD 장비를이용하여기반암을소요심도까

지굴착한후케이싱내부에철근망을근입하고콘

크리트를타설함으로써기초를형성하는순서로시

공이이루어진다.

하지만, 화양적금 3공구의경우기반암이조기

에출현하고기반암이경사진지형이존재하여희

생강관 거치가 용이하지 않고 상대적으로 기반암

굴착심도가깊어필요근입심도까지굴착하기위해

서는상당한기간이소요될것으로예상된다.

따라서현장타설말뚝의연직성과굴착시공성을

확보하기위하여상부가이드프레임을일반적인가

이드프레임높이보다증가시켜상단고정능력을개

선하도록 하였으며, 강관 하부에 수중콘크리트를

타설하여 고정능력을 개선하도록 하였으며 RCD

굴착시확실한고정효과를얻도록계획하였다.

희생강관 상단고정 경사지 말뚝기초 시공방안

[그림 4] 시공성 개선 방안

[표 8] 암반수평지지력 검토결과

암반면 수평지지력

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322_제18호

4. 결론

지금까지화양-적금 3공구교량기초설계에대

해소개하였다. 수심및지층조건을고려하여안정

성과경제성을만족하는최적의기초형식을계획하

였고지형조건에적합한시공법을제안하였다. 이

와비슷한지층조건에서현장타설말뚝을시공한사

례가많지는않지만몇몇교량현장에서적용하였

다. 대구경해상현장타설말뚝의여러가지시공방

법과설계방법을소개하였고설계및시공상중점

을둔사항은다음과같다.

첫번째, 돌출된현장타설말뚝의수평안정성확보

를위한말뚝의최소근입깊이는 βL>3 이상확보해

야한다. 최소근입장이확보가되어야하고수평력에

대한변위와지지력에대한안정성을만족하여야한다.

두번째, 말뚝의수평변위에대하여일반적으로

설계지반면에대한기존의허용변위기준을적용할

경우기반암이조기에출현하기때문에다소적합

하지않다고판단된다. 따라서암반의기준수평변

위값을구하기위하여암반시험결과및수치해석

과문헌을통하여파괴시암반변형률을결정하고이를

통하여기준변위를산정하여설계에적용하였다.

세번째, 지반이경사지고기반암조기출현하는

지형에현장타설말뚝을시공하기위하여희생강관

의하부를고정해야할필요가있는데상부보강된

가이드프레임과하부고정용수중콘크리트타설을

통하여시공성을확보하였다.

잭업 바지+가이드프레임 희생강관 정위치 거치

•강관거치시 확실한 고정

토사층 굴착

•1m 이하 토사 준설 •가이드 프레임상단고정

수중 콘크리트 타설 철근망 건입 및 콘크리트 타설

•희생강관하단 고정

강관 고정후 RCD 굴착

•굴착 시공성 개선 •트레미관으로 밀실타설

[그림 5] 현장타설말뚝 시공순서도

▲⃝유신기술회보 _설계사례

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