Terzaghi Bearing Capacity Theory로 알아보는 기초지지력 계산 원리
건축물이나 교량, 옹벽 등의 구조물을 설치할 때에는 상부 하중을 지반에 안전하게 전달할 수 있는 기초가 필요하다. 이때 기초 하부 지반이 하중을 얼마나 지지할 수 있는지를 평가하는 개념이 지지력(Bearing Capacity)이다.
기초지반의 지지력이 부족하면 하중을 받는 지반에서 전단파괴가 발생하거나 과도한 침하가 나타날 수 있다. 따라서 기초를 설계할 때에는 지반의 강도와 기초의 폭, 근입깊이, 지하수위 등을 종합적으로 검토해야 한다.
지반의 극한지지력을 계산하는 대표적인 고전 이론이 Terzaghi Bearing Capacity Theory(테르자기 지지력이론)이다.
Terzaghi는 흙의 점착력과 내부마찰각, 단위중량 및 기초 형상을 고려하여 지반의 극한지지력을 계산하는 방법을 제시했다. 이 이론은 오늘날에도 얕은기초의 지지력 원리를 이해하는 기본적인 방법으로 활용된다.
이번 글에서는 Terzaghi 지지력이론의 계산 원리와 극한지지력 공식, 지지력계수 Nc·Nq·Nγ의 의미, 연속기초와 독립기초의 차이, 실제 계산 예제 및 적용 시 주의사항을 살펴본다.
1. 기초지지력(Bearing Capacity)이란?
기초지지력은 기초 하부 지반이 상부 구조물의 하중을 지지할 수 있는 능력을 의미한다.
기초에 하중이 작용하면 하부 지반에는 압축응력과 전단응력이 발생한다.
하중이 증가함에 따라 지반이 변형되고, 일정한 한계에 도달하면 전단파괴가 발생할 수 있다.
이때 지반이 지지할 수 있는 한계 압력을 **극한지지력(Ultimate Bearing Capacity)**이라고 한다.
그러나 실제 기초설계에서는 극한지지력을 그대로 허용하중으로 사용하지 않는다.
일반적으로 전단파괴에 대한 안전성을 고려해 허용지지력을 산정하고, 별도로 침하량이 허용 범위에 들어오는지도 검토한다.
즉, 기초의 안전성은 단순히 지반이 무너지지 않는지만으로 판단할 수 없다.
2. 극한지지력과 허용지지력의 차이
기초지지력을 이해할 때에는 극한지지력과 허용지지력을 구분해야 한다.
| 구분 | 의미 |
|---|---|
| 극한지지력 qult | 지반이 전단파괴 한계에 도달하는 압력 |
| 허용지지력 qa | 안전성과 설계기준을 고려하여 허용하는 압력 |
| 작용접지압 qapplied | 실제 기초 하부에 작용하는 압력 |
| 허용침하량 | 구조물의 기능과 안전에 허용되는 침하 한계 |
전단파괴에 대한 단순한 허용지지력 계산에서는 극한지지력을 안전율로 나누는 방식을 사용한다.
허용지지력 = 극한지지력 / 안전율
다만 이 관계는 총지지력과 순지지력의 정의를 일관되게 사용해야 한다.
또한 실제 설계에서는 침하에 의해 허용지지력이 제한될 수 있다.
따라서 전단파괴에 대한 안전율을 만족했다고 해서 기초설계가 완료되는 것은 아니다.
3. Terzaghi 지지력이론이란?
Terzaghi 지지력이론은 얕은기초 아래에서 발생하는 지반의 전단파괴를 바탕으로 극한지지력을 계산하는 방법이다.
기본적인 해석은 다음 조건을 전제로 한다.
- 균질한 지반
- 수평한 지표면
- 연직 중심하중
- 연속기초 또는 띠기초의 평면변형 조건
- 기초 저면의 전단저항을 고려하는 조건
- 전반전단파괴가 발생하는 조건
기초 근입깊이 위쪽 흙의 영향은 기본적으로 기초 저면의 상재압력으로 반영한다.
실제 지반이 층상으로 구성되거나 하중이 편심되거나 경사진 경우에는 추가적인 보정이나 다른 해석방법이 필요하다.
4. Terzaghi 극한지지력 공식
연속기초에 대한 Terzaghi의 기본 극한지지력식은 다음과 같다.
qult = cNc + qNq + 0.5γBNγ
여기서 다음 기호를 사용한다.
| 기호 | 의미 | 단위 |
|---|---|---|
| qult | 극한지지력 | kPa |
| c | 점착력 | kPa |
| Nc | 점착력 관련 지지력계수 | 무차원 |
| q | 기초 저면의 상재압력 | kPa |
| Nq | 상재압력 관련 지지력계수 | 무차원 |
| γ | 기초 하부 흙의 단위중량 | kN/m³ |
| B | 기초 폭 | m |
| Nγ | 흙의 자중 관련 지지력계수 | 무차원 |
지하수의 영향이 없고 기초 저면 위쪽 흙의 단위중량이 일정하다면 다음과 같이 계산할 수 있다.
q = γDf
여기서 Df는 기초의 근입깊이다.
따라서 같은 단위중량을 사용하는 단순 조건에서는 다음 식으로 나타낼 수 있다.
qult = cNc + γDfNq + 0.5γBNγ
이 식은 지반의 극한지지력을 세 가지 성분으로 나누어 계산한다.
5. 극한지지력 공식의 세 가지 항목
Terzaghi 지지력식은 세 개의 항으로 구성된다.
① 점착력에 의한 지지력: cNc
첫 번째 항은 흙의 점착력에 의한 지지력 성분이다.
cNc
점착력이 클수록 이 항의 계산값은 증가한다.
그러나 실제 설계에서 적용할 점착력은 배수 조건과 시험방법, 응력 상태에 따라 적절하게 결정해야 한다.
② 근입깊이와 상재압력에 의한 지지력: qNq
두 번째 항은 기초 저면에 작용하는 상재압력과 관련된다.
qNq
기초가 지표면 아래에 설치되면 기초 저면까지의 흙이 상재압력을 형성한다.
이 상재압력은 극한지지력 계산에 영향을 준다.
③ 기초 하부 흙의 자중에 의한 지지력: 0.5γBNγ
세 번째 항은 기초 하부 지반의 자중과 관련된 성분이다.
0.5γBNγ
기초 폭 B와 흙의 단위중량 γ가 포함되어 있다.
따라서 다른 조건이 동일하다면 기초 폭이 달라질 때 이 항의 크기도 달라진다.
그러나 기초 폭을 크게 하면 지지력만 증가하는 것이 아니라 침하 거동도 달라질 수 있으므로 별도의 검토가 필요하다.
6. 지지력계수 Nc·Nq·Nγ의 의미
Terzaghi 공식에서 Nc, Nq, Nγ는 지반의 전단강도와 관련된 무차원 계수다.
대표적으로 흙의 내부마찰각 φ에 따라 값이 달라진다.
| 지지력계수 | 관련 항목 |
|---|---|
| Nc | 점착력 |
| Nq | 기초 저면 상재압력 |
| Nγ | 기초 하부 흙의 자중 |
일반적으로 내부마찰각이 증가하면 지지력계수도 증가하는 경향이 있다.
특히 Nγ는 내부마찰각의 변화에 민감할 수 있다.
따라서 내부마찰각을 실제보다 크게 평가하면 극한지지력이 과대 산정될 수 있다.
지지력계수는 적용하는 이론과 계산식에 따라 차이가 있다.
Terzaghi, Meyerhof, Hansen, Vesic 등이 제안한 계수나 보정방법을 서로 혼용하지 않도록 주의해야 한다.
7. 내부마찰각이 지지력에 미치는 영향
내부마찰각 φ는 흙이 전단변형에 저항하는 특성을 나타내는 주요 지반정수다.
일반적으로 사질토에서는 입자 사이의 마찰과 맞물림 등이 전단강도에 영향을 준다.
내부마찰각이 증가하면 지지력계수 Nc, Nq, Nγ가 증가할 수 있다.
하지만 내부마찰각은 흙의 종류만으로 확정할 수 없다.
다음과 같은 요소에 영향을 받는다.
- 상대밀도
- 입자 형상
- 유효응력 수준
- 응력 이력
- 배수 조건
- 시험방법
따라서 설계용 내부마찰각은 적절한 현장시험이나 실내시험, 검증된 상관관계 등을 통해 결정해야 한다.
8. Terzaghi 지지력 계산을 위한 가상 조건
다음과 같은 연속기초를 가정하자.
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 기초 형식 | 연속기초 |
| 기초 폭 B | 2.0m |
| 근입깊이 Df | 1.0m |
| 흙의 단위중량 γ | 18kN/m³ |
| 점착력 c | 15kPa |
| 내부마찰각 φ | 20° |
| 지하수위 | 지지력에 영향이 없을 만큼 깊음 |
| 하중 조건 | 연직 중심하중 |
이번 예제에서는 FHWA의 기초 설계자료에 제시된 지지력계수를 사용한다.
내부마찰각 20°에서 다음 값을 적용한다.
| 계수 | 적용값 |
|---|---|
| Nc | 14.8 |
| Nq | 6.4 |
| Nγ | 5.4 |
이 값은 특정 지지력계수 체계를 적용한 것이며, 다른 이론의 계수와 혼용하지 않는다.
9. 극한지지력 계산 예제
Terzaghi의 기본식은 다음과 같다.
qult = cNc + qNq + 0.5γBNγ
① 기초 저면 상재압력 계산
q = γDf
q = 18 × 1.0
q = 18kPa
② 점착력에 의한 지지력 계산
cNc = 15 × 14.8
cNc = 222kPa
③ 상재압력에 의한 지지력 계산
qNq = 18 × 6.4
qNq = 115.2kPa
④ 흙의 자중에 의한 지지력 계산
0.5γBNγ = 0.5 × 18 × 2.0 × 5.4
0.5γBNγ = 97.2kPa
⑤ 극한지지력 계산
qult = 222 + 115.2 + 97.2
qult = 434.4kPa
따라서 주어진 가상 조건에서 계산된 총극한지지력은 434.4kPa다.
이 값은 기초 저면에서 지반이 전단파괴 한계에 도달하는 압력에 해당한다.
실제 허용접지압으로 바로 사용해서는 안 된다.
10. 허용지지력 계산 예제
극한지지력에 안전율을 적용하면 전단파괴에 대한 허용지지력을 산정할 수 있다.
다만 계산 전에 총지지력과 순지지력의 차이를 이해해야 한다.
총극한지지력
기초 저면에서의 전체 압력 기준 극한지지력이다.
앞의 계산에서는 다음과 같다.
qult = 434.4kPa
순극한지지력
기초를 설치하기 전 저면 깊이에 존재하던 상재압력을 제외한 증가분이다.
qnet,ult = qult − q
qnet,ult = 434.4 − 18
qnet,ult = 416.4kPa
순허용지지력
설명 목적으로 안전율 FS=3을 가정하자.
qnet,allow = qnet,ult / FS
qnet,allow = 416.4 / 3
qnet,allow = 138.8kPa
총허용지지력
qgross,allow = qnet,allow + q
qgross,allow = 138.8 + 18
qgross,allow = 156.8kPa
계산 결과를 정리하면 다음과 같다.
| 항목 | 계산값 |
|---|---|
| 총극한지지력 | 434.4kPa |
| 순극한지지력 | 416.4kPa |
| 가정 안전율 | 3.0 |
| 순허용지지력 | 138.8kPa |
| 총허용지지력 | 156.8kPa |
여기서 안전율 3은 계산 원리를 설명하기 위한 가정값이다.
실제 설계에 적용할 안전율과 하중 조합은 해당 설계기준에 따라 결정해야 한다.
또한 기초의 실제 작용접지압과 비교할 때에는 총압력과 순압력의 정의를 일치시켜야 한다.
11. 연속기초·정사각형기초·원형기초의 차이
Terzaghi의 기본식은 연속기초를 대상으로 한다.
그러나 실제 구조물에는 정사각형 독립기초와 원형기초도 사용된다.
기초 형상에 따라 지반의 파괴 영역과 지지력 거동이 달라질 수 있다.
Terzaghi가 제시한 대표적인 형상별 식은 다음과 같다.
| 기초 형상 | 극한지지력식 |
|---|---|
| 연속기초 | qult = cNc + qNq + 0.5γBNγ |
| 정사각형기초 | qult = 1.3cNc + qNq + 0.4γBNγ |
| 원형기초 | qult = 1.3cNc + qNq + 0.3γBNγ |
정사각형기초에서는 B를 기초의 한 변 길이로, 원형기초에서는 기초 지름으로 사용한다.
위 식은 고전적인 Terzaghi의 형상별 표현이다.
실제 설계에서 다른 지지력 공식의 형상계수를 추가로 중복 적용하지 않도록 주의해야 한다.
12. 기초 폭이 커지면 지지력도 증가할까?
Terzaghi 식에는 기초 폭 B가 포함되어 있다.
qult = cNc + qNq + 0.5γBNγ
다른 조건이 일정하다면 기초 폭이 증가할수록 세 번째 항은 증가한다.
그러나 이 사실만으로 기초 폭을 크게 하면 모든 문제가 해결된다고 판단할 수는 없다.
기초 폭이 증가하면 하중이 전달되는 지반의 범위도 달라진다.
특히 하부에 압축성이 큰 연약층이 존재하면 기초 폭이 커지면서 더 깊은 지반층까지 응력이 전달되어 침하 문제가 발생할 수 있다.
따라서 기초 폭은 지지력과 침하량을 함께 검토하여 결정해야 한다.
13. 기초 근입깊이가 지지력에 미치는 영향
기초 근입깊이 Df는 기초 저면에 작용하는 상재압력에 영향을 준다.
단순한 조건에서 상재압력은 다음과 같다.
q = γDf
따라서 근입깊이가 증가하면 qNq 항이 증가할 수 있다.
하지만 실제 설계에서는 다음과 같은 조건도 검토해야 한다.
- 굴착으로 인한 주변 지반의 변화
- 지하수위
- 기초 주변 지반의 안정성
- 동결 깊이
- 인접 구조물의 기초 조건
- 세굴 및 장래 굴착 가능성
기초를 깊게 설치한다고 해서 항상 경제적이거나 안전한 것은 아니다.
14. 지하수위가 지지력에 미치는 영향
지하수위는 지반의 유효응력과 단위중량에 영향을 준다.
특히 지하수가 기초 저면에 가까워지면 Terzaghi 공식의 자중 항에 적용하는 단위중량을 조정해야 할 수 있다.
수중단위중량은 다음과 같다.
γ′ = γsat − γw
- γ′: 수중단위중량
- γsat: 포화단위중량
- γw: 물의 단위중량
지하수위가 기초 저면에 위치하는 단순한 정수압 조건에서는 기초 하부의 자중 항에 수중단위중량을 적용할 수 있다.
지하수위가 기초 저면보다 위에 있으면 기초 저면의 유효상재압력도 함께 검토해야 한다.
따라서 지하수위가 존재할 때에는 상재압력 항과 자중 항에 적용할 단위중량을 각각 구분해야 한다.
15. 지하수위에 따른 극한지지력 변화 예제
앞의 가상 조건을 다시 사용하자.
- c = 15kPa
- Nc = 14.8
- Nq = 6.4
- Nγ = 5.4
- B = 2.0m
- Df = 1.0m
- 기초 저면 상부 단위중량 = 18kN/m³
이번에는 지하수위가 기초 저면에 위치하고, 기초 하부 흙의 수중단위중량을 10kN/m³로 가정한다.
① 점착력 항
cNc = 15 × 14.8
222kPa
② 상재압력 항
qNq = 18 × 1.0 × 6.4
115.2kPa
③ 자중 항
0.5γ′BNγ = 0.5 × 10 × 2.0 × 5.4
54kPa
④ 극한지지력
qult = 222 + 115.2 + 54
qult = 391.2kPa
지하수위가 충분히 깊었던 앞의 조건에서는 극한지지력이 434.4kPa였다.
반면 지하수위가 기초 저면에 위치하는 이번 가상 조건에서는 391.2kPa로 계산되었다.
| 지하수 조건 | 극한지지력 |
|---|---|
| 지하수 영향이 없는 경우 | 434.4kPa |
| 지하수위가 기초 저면에 있는 경우 | 391.2kPa |
이는 지하수위에 따른 유효단위중량 변화가 지지력에 영향을 줄 수 있음을 보여준다.
다만 실제 지하수위 보정은 지반의 포화 상태, 지하수위 위치 및 적용 설계방법에 따라 달라진다.
16. 지반의 전단파괴 형태 3가지
기초지반의 전단파괴는 대표적으로 다음 세 가지 형태로 구분한다.
① 전반전단파괴(General Shear Failure)
전반전단파괴는 비교적 조밀한 사질토나 단단한 점성토 등에서 나타날 수 있다.
기초 아래에서 발달한 파괴면이 지표면까지 이어지고, 하중 증가에 따라 뚜렷한 파괴 거동이 나타날 수 있다.
Terzaghi의 대표적인 극한지지력식은 이러한 전반전단파괴를 기본적으로 가정한다.
② 국부전단파괴(Local Shear Failure)
국부전단파괴는 상대적으로 느슨한 사질토나 중간 정도의 강도를 가진 지반에서 나타날 수 있다.
파괴면이 완전히 발달하지 않거나 지표면까지 뚜렷하게 나타나지 않을 수 있다.
하중과 침하의 관계에서 명확한 극한점을 찾기 어려운 경우도 있다.
③ 관입전단파괴(Punching Shear Failure)
관입전단파괴는 매우 느슨하거나 압축성이 큰 지반에서 발생할 수 있다.
기초가 하부 지반으로 관입하듯 침하하며, 지표면의 융기나 뚜렷한 파괴면이 나타나지 않을 수 있다.
| 구분 | 대표적인 특징 |
|---|---|
| 전반전단파괴 | 뚜렷한 파괴면과 극한하중 |
| 국부전단파괴 | 불완전한 파괴면과 점진적인 변형 |
| 관입전단파괴 | 기초 하부의 관입과 큰 침하 |
실제 파괴 형태는 흙의 종류뿐 아니라 밀도, 응력 상태, 기초 크기 및 하부 지층 구성에도 영향을 받는다.
17. 국부전단파괴에서는 계산 방법이 달라질까?
Terzaghi의 고전적인 접근에서는 국부전단파괴에 대해 강도정수를 감소시켜 지지력을 계산하는 방법이 제시된다.
대표적인 관계는 다음과 같다.
c = (2/3)c*
tanφ = (2/3)tanφ*
감소된 강도정수 c와 φ에 해당하는 지지력계수를 사용해 계산한다.
그러나 이 방법은 고전적인 근사 접근이다.
실제 설계에서는 지반의 파괴 형태와 변형 특성을 검토하고, 적용 설계기준에서 요구하는 방법을 사용해야 한다.
또한 국부전단파괴와 관입전단파괴에서는 전단파괴뿐 아니라 침하가 설계를 지배할 수 있다.
18. 지지력 검토와 침하 검토는 왜 함께 해야 할까?
기초지반이 전단파괴에 대해 충분한 안전율을 확보하더라도 침하가 과도하면 구조물에 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어 기초의 작용접지압이 허용지지력보다 작더라도 압축성이 큰 지반에서는 상당한 침하가 발생할 수 있다.
침하에는 다음과 같은 형태가 있다.
- 즉시침하
- 압밀침하
- 장기적인 크리프 변형
특히 서로 다른 위치의 기초가 다르게 침하하면 부등침하가 발생할 수 있다.
부등침하는 벽체 균열과 바닥 기울어짐, 구조부재의 추가 응력 등을 유발할 수 있다.
따라서 실제 기초설계에서는 전단파괴에 대한 안전성과 허용침하량에 대한 사용성을 각각 검토해야 한다.
19. Terzaghi 이론을 그대로 적용하기 어려운 경우
Terzaghi의 기본식은 얕은기초의 지지력 원리를 이해하는 데 유용하지만, 실제 현장에는 더 복잡한 조건이 존재한다.
대표적으로 다음과 같은 경우에는 추가 검토가 필요하다.
편심하중이 작용하는 경우
하중이 기초 중심에서 벗어나면 기초 저면의 접지압이 불균등하게 분포할 수 있다.
경사하중이 작용하는 경우
하중에 수평성분이 포함되면 지반의 지지력 거동이 달라진다.
지표면이 경사진 경우
사면 가까이에 설치한 기초는 수평 지반의 기초와 파괴 형태가 달라질 수 있다.
층상지반인 경우
상부에 단단한 지층이 있더라도 하부에 연약층이 존재하면 관입전단이나 침하 문제가 발생할 수 있다.
지하수 흐름이 있는 경우
단순한 정수압 조건과 달리 침투력과 유효응력 분포가 변화할 수 있다.
이러한 조건에서는 Meyerhof, Hansen, Vesic 등의 확장된 지지력 이론이나 수치해석 등 적절한 방법을 검토할 수 있다.
20. 실제 기초설계에서 필요한 지반조사 자료
지지력 계산의 정확성은 적용하는 지반정수의 신뢰성에 크게 영향을 받는다.
대표적으로 다음 자료가 필요하다.
| 조사 또는 시험 | 주요 목적 |
|---|---|
| 시추조사 | 지층 구성과 깊이 확인 |
| 표준관입시험(SPT) | 지반의 관입저항 확인 |
| 콘관입시험(CPT) | 연속적인 지반 저항 특성 파악 |
| 삼축압축시험 | 전단강도정수 평가 |
| 직접전단시험 | 전단강도 특성 평가 |
| 압밀시험 | 압축성 및 압밀 특성 평가 |
| 지하수위 관측 | 유효응력 및 배수 조건 검토 |
시험 결과를 이용할 때에는 배수 조건과 응력 상태에 적합한 강도정수를 선택해야 한다.
특히 유효응력 해석에 사용하는 c′와 φ′를 비배수 총응력 해석에 사용하는 강도정수와 혼용하지 않도록 주의해야 한다.
21. 기초지지력 계산에서 자주 발생하는 오류
오류 1. 극한지지력을 그대로 허용지지력으로 사용한다.
극한지지력은 전단파괴 한계에 해당한다. 실제 설계에서는 안전율과 침하 조건을 고려해야 한다.
오류 2. 지지력계수를 서로 다른 이론에서 가져와 혼합한다.
Terzaghi, Meyerhof, Hansen, Vesic 등의 계수와 보정방법은 일관되게 적용해야 한다.
오류 3. 지하수위의 영향을 무시한다.
지하수위가 기초 저면에 가까우면 유효상재압력과 자중 항이 달라질 수 있다.
오류 4. 기초 폭을 증가시키면 무조건 안전하다고 생각한다.
기초 폭은 지지력뿐 아니라 하부 지층에 전달되는 응력과 침하에도 영향을 준다.
오류 5. 총지지력과 순지지력을 혼동한다.
허용지지력을 계산하거나 작용접지압과 비교할 때 기준을 일치시켜야 한다.
오류 6. 전반전단파괴식을 모든 지반에 그대로 적용한다.
느슨하거나 압축성이 큰 지반에서는 국부전단파괴나 관입전단파괴 및 과도한 침하를 검토해야 한다.
22. 자주 묻는 질문
Q1. Terzaghi 지지력이론은 무엇인가요?
얕은기초 아래 지반의 전단파괴를 바탕으로 점착력, 상재압력, 흙의 자중에 의한 지지력 성분을 합산하여 극한지지력을 계산하는 이론이다.
Q2. Terzaghi 극한지지력 공식은 무엇인가요?
연속기초의 기본식은 qult=cNc+qNq+0.5γBNγ이다.
Q3. 지지력계수 Nc, Nq, Nγ는 어떻게 결정하나요?
흙의 내부마찰각과 적용 지지력 이론에 따라 결정한다. 해당 이론에 맞는 표나 식을 사용해야 한다.
Q4. 허용지지력은 극한지지력을 3으로 나누면 되나요?
안전율 3을 사용하는 경우가 있지만 모든 설계에 동일하게 적용되는 것은 아니다. 또한 총지지력과 순지지력의 기준을 일치시키고 침하 조건도 확인해야 한다.
Q5. 지하수위가 상승하면 지지력이 감소하나요?
지하수위가 상승하면 유효응력과 적용 단위중량이 변해 지지력이 감소할 수 있다. 영향의 크기는 지하수위 위치와 지반 조건에 따라 달라진다.
Q6. Terzaghi 공식으로 말뚝기초 지지력도 계산하나요?
Terzaghi의 대표적인 극한지지력식은 얕은기초를 대상으로 한다. 말뚝기초는 선단지지력과 주면마찰력 등 별도의 지지력 평가가 필요하다.
23. 결론: 지지력 공식보다 적용 조건을 이해하는 것이 중요하다
Terzaghi Bearing Capacity Theory는 얕은기초의 극한지지력을 계산하는 대표적인 고전 이론이다.
연속기초의 기본식은 다음과 같다.
qult = cNc + qNq + 0.5γBNγ
이 식은 지반의 점착력, 기초 저면의 상재압력, 기초 하부 흙의 자중에 의한 지지력 성분을 합산한다.
계산 결과를 실제 기초설계에 활용하려면 다음 사항을 확인해야 한다.
- 지반의 전단강도정수가 적절한가?
- 기초 형상과 하중 조건이 이론의 가정에 부합하는가?
- 지하수위의 영향이 반영되었는가?
- 총지지력과 순지지력을 일관되게 사용했는가?
- 전단파괴뿐 아니라 침하에 대한 안전성도 검토했는가?
특히 지반의 극한지지력이 충분하더라도 침하가 과도하면 구조물의 사용성과 안전에 문제가 발생할 수 있다.
따라서 Terzaghi 지지력이론은 기초설계의 출발점으로 이해하고, 실제 설계에서는 지반조사 결과와 침하 검토 및 적용 설계기준을 함께 고려해야 한다.
참고자료 및 출처
1. Federal Highway Administration(FHWA)
Soils and Foundations Reference Manual, FHWA-NHI-06-089, Volume II.
얕은기초의 극한지지력 계산, 지지력계수, 지하수위 보정 및 파괴 형태에 관한 기술자료.
https://www.fhwa.dot.gov/engineering/geotech/pubs/nhi06089.pdf
2. California Department of Transportation(Caltrans)
Foundation Manual, Chapter 4: Footing Foundations.
기초의 극한지지력과 침하, 전반전단파괴 및 관입전단파괴 등에 관한 기술자료.
3. Terzaghi, K. (1943)
Theoretical Soil Mechanics.
얕은기초의 지지력 이론과 지반의 전단파괴에 관한 고전적인 참고문헌.
4. Das, B. M. & Sobhan, K.
Principles of Geotechnical Engineering.
지반의 전단강도와 얕은기초의 지지력 계산에 관한 참고문헌.
※ 본문의 계산 예제는 원리 설명을 위한 가상 조건이다. 실제 기초설계에는 지반조사 결과와 해당 사업의 설계기준을 우선 적용해야 한다.
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