주면마찰력(Skin Friction)이란? (말뚝박기)

주면마찰력(Skin Friction)이란?

주면마찰력(Skin Friction)은 말뚝 표면과 주변 지반 사이에서 발생하는 마찰력을 의미합니다.

1. 주면마찰력의 개념

• 말뚝이 지반에 설치될 때, 말뚝의 측면과 지반이 맞닿아 저항력이 발생합니다.
• 이 저항력은 말뚝이 하중을 견디는 중요한 요소 중 하나이며, **말뚝의 전체 지지력(Q)**을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
• 말뚝의 전체 지지력은 선단지지력(Qp)과 주면마찰력(Qs)의 합으로 표현됩니다.

Q=Qs+QpQ = Q_s + Q_p

• QsQ_s (주면마찰력) : 말뚝의 측면에서 발생하는 마찰력
• QpQ_p (선단지지력) : 말뚝 끝 단에서 발생하는 지지력

 

2. 주면마찰력의 발생 원리

주면마찰력은 다음 두 가지 기작에 의해 발생합니다.

1. 점착력(Cohesion) 기반 마찰
2. 내부 마찰 기반 마찰

 

3. 주면마찰력의 계산 방법

주면마찰력은 말뚝의 표면적과 지반의 전단강도를 고려하여 계산됩니다.

Qs=∑(fs⋅As)Q_s = \sum (f_s \cdot A_s)

• QsQ_s : 주면마찰력 (Skin friction capacity)
• fsf_s : 단위 면적당 주면마찰력 (Unit skin friction)
• AsA_s : 말뚝의 측면 면적 (Surface area of the pile)

(1) 점토 지반에서의 주면마찰력

점토 지반에서는 주면마찰력이 점착력(c)과 관련이 있습니다.

fs=α⋅cf_s = \alpha \cdot c

• α\alpha : 경험적 계수 (보통 0.3~1.0)
• cc : 점토의 점착력 (Cohesion)

(2) 사질토 지반에서의 주면마찰력

사질토에서는 주면마찰력이 유효응력과 내부마찰각(φ)에 의해 결정됩니다.

fs=K⋅σ′⋅tan⁡δf_s = K \cdot \sigma' \cdot \tan \delta

• KK : 측압 계수 (Earth pressure coefficient)
• σ′\sigma' : 유효 수직응력 (Effective vertical stress)
• δ\delta : 말뚝과 지반 사이의 마찰각 (Interface friction angle)

 

4. 주면마찰력과 말뚝의 종류

말뚝의 지지 방식에 따라 주면마찰력이 차지하는 비율이 달라집니다.

말뚝 종류	주면마찰력의 역할
마찰말뚝 (Friction Pile)	주면마찰력이 주요 지지력을 담당 (선단지지력 거의 없음)
지지말뚝 (End-bearing Pile)	주로 선단지지력에 의해 하중을 지지 (주면마찰력은 보조적 역할)
복합말뚝 (Combination Pile)	주면마찰력과 선단지지력이 함께 작용

 

5. 주면마찰력 감소 현상 (Negative Skin Friction)

때때로 주면마찰력이 말뚝을 아래로 끌어내리는 경우가 있습니다. 이를 **"음의 주면마찰력(Negative Skin Friction)"**이라 합니다.

(1) 발생 원인

• 말뚝 주변의 연약한 지반이 추가 침하할 때
• 성토 후 압밀 침하가 진행될 때
• 지하수위 저하로 인한 압밀이 발생할 때

(2) 영향

• 말뚝에 추가 하중을 가해 설계 지지력을 감소시킴
• 보정계수를 적용하여 설계 시 이를 고려해야 함

 

6. 결론

• 주면마찰력은 말뚝의 표면과 지반 사이에서 발생하는 마찰력으로, 말뚝의 전체 지지력에 큰 영향을 줌.
• 말뚝이 점토 지반에 설치되면 점착력(c)이 중요하고, 모래 지반에서는 내부 마찰각(φ)이 중요한 요소.
• 마찰말뚝에서는 주면마찰력이 주요 지지력 역할을 하며, 지지말뚝에서는 보조적 역할.
• 음의 주면마찰력(네거티브 마찰력)을 고려한 설계가 필요할 수도 있음.

실제 설계 시에는 지반조사 데이터를 기반으로 경험적 계수와 실험값을 적용하여 정확한 주면마찰력을 산정해야 합니다.