KR100469525B1 - 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치및 형성방법 - Google Patents

모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치및 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3중관로드로 개량하고자 하는 임의지역까지 천공하여 상향으로 인발하면서 초고압수와 압축공기로 지반을 절삭 이완시켜 지중에 인위적으로 공간을 형성시킨 후 모르타르를 고압으로 분사하여 현지토를 치환함으로써, 새로운 주상형의 고결체를 형성시켜 연약점토층이나 모든 지층에서 동일한 고강도의 지중연속벽이나 기초파일을 형성하도록 한 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치 및 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 대상 연약지반을 소정의 직경으로 천공하여, 상기 천공부위에 3중관로드를 삽입하고, 상기 3중관로드의 상부에는 압축공기주입구, 초고압수주입구, 모르타르주입구가 형성된 스위벨이 설치되고, 상기 스위벨에 각각 연통되도록 압축공기배출구, 초고압수배출구, 모르타르배출구가 모니터에 의해 3중관로드에 장착되며, 상기 압축공기주입구, 초고압수주입구에 초고압수와 압축공기를 함께 분사함과 동시에 상기 압축공기배출구, 초고압수배출구를 통해 배출하면서 회전 분사시켜 지중을 절삭 파쇄시켜 지상으로 슬라임을 배출시킴과 동시에 상기 3중관로드의 하부에 형성된 압축공기배출구와 모르타르배출구를 통하여 아래로 모르타르와 압축공기를 함께 분사시켜, 지중에 주상형 고결체를 형성하는 것이다.
또한, 본 발명은 대상 연약지반을 회전충격식 천공기에 3중관로드를 설치함과 동시에 지중을 3중관로드로 천공하는 단계; 상기 천공부위에 상기 3중관로드의 상단 스위벨에 설치된 압축공기주입구와 초고압수주입구를 통하여 분사후 상기 3중관로드의 모니터에 의해 3중관로드에 장착된 압축공기배출구 및 초고압수배출구를 통하여 초고압수와 압축공기를 회전 분사시켜 지반을 절삭 파쇄시켜 지상으로 슬라임을 배출시킴과 동시에 3중관로드의 하부에 형성된 압축공기배출구 및 모르타르배출구를 통하여 압축공기와 모르타르를 함께 분사시켜 주상형 고결체를 지중에 형성하는 단계로 이루어진다.

Description

모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치 및 형성방법{The replacement type pillar-shaped hardening structure formation equipment and the formation method of leading mortar jet}
본 발명은 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치 및 형성방법에 관한 것으로, 특히 3중관로드로 개량하고자 하는 임의지역까지 천공하여 상향으로 인발하면서 초고압수와 압축공기로 지반을 절삭 이완시켜 지중에 인위적으로 공간을 형성시킨 후 모르타르를 고압으로 분사하여 현지토를 치환함으로써 새로운 주상형의 고결체를 형성시켜 지중연속벽이나 기초(지지)파일을 형성하도록 한 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치 및 형성방법에 관한 것이다.
일반적으로 고압분사 교반공법은 주입로드를 지반 내에서 회전 인발시키면서, 그 선단의 분사노즐로부터 상기 주입로드의 직각방향으로 지반 개량재를 혹은 물 또는 에어와 혼합하여 고압 분사하여, 지반 개량재와 주변 지반토를교반 혼합하여 원주상의 개량체를 형성하는 공법이다.
상기한 바와 같은 종래의 고압분사 교반공법은 토질의 영향을 받기 쉽고, 1회의 시공으로 넓은 범위의 지반을 개량할 수 있으며 개량체 상호의 밀착성이 뛰어난 곳으로부터 토류벽이나 지수벽의 조성에 많이 사용되는 장점이 있다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 고압분사 교반공법은 지반토와 시멘트가 혼합되어 지중에 개량체를 만드는 것으로 연약지반에서 시행할 경우에는 점토입자와 시멘트가 혼합되어 개량체가 형성되므로 강도가 극히 떨어지는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 3중관로드로 개량하고자 하는 임의지역까지 천공하여 상향으로 인발하면서 초고압수와 압축공기로 지반을 절삭 이완시켜 지중에 인위적으로 공간을 형성시킨 후 모르타르를 고압으로 분사하여 현지토를 치환함으로써 새로운 주상형의 고결체를 형성시켜 연약점토층이나 모든 지층에서 동일한 고강도의 지중연속벽이나 기초(지지)파일을 형성하도록 한 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치 및 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치는 대상 연약지반을 소정의 직경으로 천공하여, 상기 천공부위에 3중관로드를 삽입하고, 상기 3중관로드의 상부에는 초고압수주입구, 모르타르주입구, 압축공기주입구가 형성된 스위벨이 설치되고, 상기 스위벨에 각각 연통되도록 초고압수배출구, 모르타르배출구, 압축공기배출구가 모니터에 의해 3중관로드에 장착되며, 상기 초고압수주입구에 초고압수와 압축공기를 함께 분사함과 동시에 상기 압축공기 및 모르타르배출구, 초고압수배출구를 통해 배출하면서 회전 분사시켜 지중을 절삭 파쇄시켜 지상으로 슬라임을 배출시킴과 동시에 상기 모니터에 장착된 압축공기배출구와 모르타르배출구를 통하여 아래로 모르타르와 압축공기를 함께 분사시켜, 지중에 주상형 고결체를 형성함을 특징으로 한다.
도 1(a) 내지 1(e)은 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치를 이용하여 치환식 주상형 고결체를 시공하는 순서를 도시한 공정도,
도 2는 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치의 3중관로드를 도시한 종단면도1,
도 3은 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치의 3중관로드를 도시한 종단면도2,
도 4는 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치의 3중관로드를 도시한 평단면도.
-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-
110 : 스위벨 114 : 초고압수주입구
116 : 모르타르주입구 118 : 압축공기주입구
120 : 3중관로드 122 : 압축공기배출구
124 : 초고압수배출구 126 : 모르타르배출구
128 : 모니터 130 : 체크밸브
132 : 비트 134 : 모르타르이송통로
136 : 초고압수이송통로 138 : 압축공기이송통로
140 : 압축공기배출구 200 : 주상형고결체
H : 천공부위 M : 회전충격식 천공기
P : 모르타르 S : 연약지반
이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치의 3중관로드를 도시한 종단면도1이며, 도 3은 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치의 3중관로드를 도시한 종단면도2이며, 도 4는 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치의 3중관로드를 도시한 평단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치는 대상 연약지반(S)을 소정의 직경으로 천공하여, 상기 천공부위(H)에 3중관로드(120)를 삽입하고, 상기 3중관로드(120)의 상부에는 압축공기주입구(118)와 초고압수주입구(114) 및 모르타르주입구(116)가 형성된 스위벨(110)이 설치되고, 상기 스위벨(110)에 각각 연통되도록 초고압수배출구(124), 모르타르배출구(126), 압축공기배출구(122)가 모니터(128)에 의해 로드에 장착되며, 상기 초고압수배출구(124) 및 압축공기배출구(122)에 초고압수와 압축공기를 함께 회전 분사시켜 지반을 절삭 파쇄시켜 지상으로 슬라임을 배출시킴과 동시에모르타르배출구(126) 및 압축공기배출구(122)를 통하여 모르타르(P)와 압축공기를 함께 분사시켜, 지중에 주상형 고결체(200)를 형성하는 것이다.
또한, 상기 모니터(128)의 내측면 하단부에는 체크밸브(130)가 설치되는 바, 이 체크밸브(130)는 지반 천공시에는 체크밸브(130)가 열린 상태로 굴착용수가 공급되는 역할을 하며, 지반굴착이 완료된 후 고압분사시에는 자동으로 체크밸브(130)가 폐쇄되어 상기 고압분사 노즐로만 고압으로 분사되도록 장착된 구조이다.
또한, 상기 모니터(128)의 최하단에는 지반을 굴착하기 위한 비트(132)가 장착된 구조이다.
즉, 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치는 크게 회전충격식 천공기(M)와 3중관로드(120)로 구성된다.
특히, 상기 3중관로드(120)의 최상단에는 스위벨(110)이 설치되며, 이 스위벨(110)은 압축공기주입구(118)와 초고압수주입구(114) 및 모르타르주입구(116)가 형성된 구조이다.
여기서, 상기 스위벨(110)의 하부와 연결되는 3중관로드(120)는 스위벨(110)과 모니터(128)가 연결된 상태에서 스위벨(110)의 각 압축공기주입구(118)와 초고압수주입구(114) 및 모르타르주입구(116)에 각각 해당되도록 모니터(128)의 압축공기배출구(122)와 초고압수배출구(124) 및 모르타르배출구(126)와 연통된다.
상기 모니터(128)의 모르타르배출구(126)는 그 주위면에 지름방향 외향으로 형성되며, 압축공기배출구(122)는 상기 모르타르배출구(126)의 주위로부터 지름방향 외향으로 고압으로 압축공기를 분사하도록 형성된 구조이다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치의 3중관로드(120)를 도시한 평단면도로서, 3중관로드(120)의 가운데는 모르타르 및 압축공기이송통로(134)가 형성되며, 상기 모르타르 및 압축공기이송통로(134)의 외측으로 초고압수이송통로(136)가 형성되며, 상기 초고압수이송통로(136)의 외측으로는 압축공기통로(138)가 형성된 3중관 구조이다.
한편, 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치에 사용되는 모르타르(P)는 시멘트밀크, 드라이샌드, 모르타르 중 어느 하나를 지하수의 유속이 10-2㎝/sec 이내인 지반에서 사용하며, 지하수의 유속이 10-1㎝/sec 이상에서는 시멘트 40㎏, 모래 60∼120㎏, 물 40∼80ℓ, 벤토나이트 6∼12㎏의 재료에 알루미나실리카 1∼2ℓ와 급결제 5∼10kg로 이루어진 혼화제를 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이하, 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성에 대해 설명한다.
도 1(a) 내지 1(e)은 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치를 이용하여 주상형 고결체를 시공하는 순서를 도시한 공정도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성방법은 대상 연약지반(S)을 회전충격식 천공기(M)에 3중관로드(120)를 설치함과 동시에 지중을 비트(132)로 천공하는 단계;
상기 천공부위(H)에 상기 3중관로드(120)의 상부에 스위벨(110)이 연결되고, 상기 스위벨(110)에 초고압수주입구(114)와 압축공기주입구(118)를 통하여 초고압수와 압축공기를 함께 회전 분사시켜 지반을 절삭 파쇄시켜 지상으로 슬라임을 배출시킴과 동시에 모르타르배출구(126)와 압축공기배출구(122)를 통하여 모르타르(P)와 압축공기를 함께 분사시켜 지중에 주상형 고결체(200)를 형성하는 단계로 이루어진다.
여기서, 상기 모르타르(P)는 시멘트밀크, 드라이샌드, 모르타르, 중 어느 하나로 구성된다.
특히, 상기 모르타르(P)는 유속이 10-1㎝/sec 이상에서는 상기 모르타르(P)에 벤토나이트 10㎏ 및 알루미나실리카 1∼2ℓ와 급결제 8kg로 이루어진 혼화제를 혼합시켜 이루어진 것을 사용한다.
즉, 상기 모르타르(P)는 시멘트 40㎏, 모래 60∼120㎏, 물 40∼80ℓ, 벤토나이트 6∼12㎏로 이루어진 재료에 알루미나실리카 1∼2ℓ와 급결제 5∼10kg로 이루어진 혼화제를 혼합시켜 이루어진다.
여기서, 상기 알루미나실리카(alumina silica)는 용매인 물에 음전기적 전하를 띈 비결정의 실리카 입자가 분사된 형태로서, 통상 구형으로 이루어져 있으며, 입자표면에 -SiOH와 -OH 이온들이 이중층을 형성하고 있어, 같은 음전하에 구조적으로 안전한 형태를 가지고 있으며, 이들 입자들의 전하균형에 따라 응집, 겔화, 고점도화 등이 이루어지는데, 이들을 적절하게 조절함으로써 공업적으로 유용한 알루미나실리카를 얻을 수 있다.
특히, 상기 알루미나실리카를 본 발명의 모르타르로 적용한 이유는 알루미나실리카는 그라우팅 적용요소인 급결과 완결조절 및 압축강도 발현 측면에 있어서 가장 중요한 요소인 산화나트륨의 함량에 따른 다양한 알루미나실리카를 개발할 수 있다.
또한, 산화나트륨의 함량이 높을수록 급결측면에서 유리하고, 압축강도는 떨어지는 경향을 나타내고 있으며, 산화나트륨의 함량이 낮을수록 완결측면과 압축강도 발현에서 유리한 경향을 나타내고 있으므로 그라우팅 공법에 따라 다양하게 알루미나실리카를 적용할 수 있을 뿐만 아니라 알루미나실리카는 미고결에 의한 지반의 오염우려가 없으며 내구성이 우수하고 환경친화적인 특성을 가지고 있기 때문이다.
이하, 상기한 바와 같은 장치와 모르타르를 이용한 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성방법은 개량하고자 하는 대상 연약지반(S)의 임의지역까지 회전충격식 천공기(M)에 3중관로드(120)를 장착한 후, 상기 3중관로드(120)를 임의 연약지반(S)까지 천공한 후 상향으로 3중관로드(120)를 인발하면서 스위벨(110)의 각각의 압축공기주입구(118)와 초고압수주입구(114) 및 모르타르주입구(116)를 통해 초고압수와 압축공기를 분사하면서, 이와 같이 분사된 초고압수와 압축공기는 압축공기배출구(122) 및 초고압수배출구(124)를 통해 분사되어 지반을 절삭 이완시켜 지중에 인위적으로 공간을 형성시킨 후, 3중관로드(120)의 하부에 위치된 모르타르배출구(126)를 통해 고압으로 모르타르(P)를 분사시켜 현지토를 치환함으로써, 새로운 주상형 고결체(200)를 지중에 형성시켜 지중연속벽 이나 기초파일을 형성하는 것이다.
이때, 상기 3중관로드(120)의 하부로는 압축공기배출구(122)와 모르타르배출구(126)를 통하여 모르타르, 시멘트밀크, 드라이샌드 중 어느 하나로 이루어진 모르타르(P)를 압축공기와 함께 병행하여 분사시키도록 한다.
여기서, 상기 모르타르(P)는 유속이 일반적으로 10-2㎝/sec까지는 사용이 가능하나, 유속이 10-1㎝/sec 이상에서는 모르타르(P)의 배합비에 따라 모래와 시멘트를 혼합한 후, 이것에 벤토나이트 및 알루미나실리카와 급결제를 혼합한 혼화제를 혼합하여 사용하여야 한다.
특히, 상기 모르타르(P) 배합비는 시멘트 40㎏, 모래 60∼120㎏, 물 40∼80ℓ, 벤토나이트 6∼12㎏의 재료에 알루미나실리카 1∼2, 급결제 5∼10kg(일명 : WGS-CS)로 이루어진 혼화제로 한다.
즉, 상기 3중관로드(120)는 모니터(128)에 의해 3중관로드(120)에 장착된 두 개의 압축공기배출구(122)와 초고압수배출구(124)를 통하여 초고압수를 압축공기와 함께 회전 분사시켜 지중을 절삭 파쇄시킨 후, 압축공기와 모르타르(P)에 의하여 지중에 위치된 연약지반(S)의 현지토는 치환함과 동시에 지중에 새로운 주상형 고결체(200)를 형성되며, 이와 같이 형성된 주상형 고결체(200)는 지중연속벽이나 기초파일로 다양하게 사용할 수 있음을 밝혀두는 바이다.
한편, 상기한 바와 같이, 초고압수 및 압축공기에 의해 지중이 절삭 파쇄됨에 따라 슬라임이 발생되고, 이러한 슬라임은 3중관로드(120)의 외측을 통해 지상으로 배출된다.
이와 같이, 상부에 유출된 슬라임은 물과 현지토가 대부분이며, 이것을 압착탈수기(미도시)를 사용하여 물은 재사용토록 하고, 물이 빠진 슬라임인 케익은 별도로 사토한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성장치 및 형성방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 지반절삭과 모르타르고압분사가 단일공정으로 시행되어, 시공성이 양호하고 경제적인 이점이 있다.
둘째, 본 발명은 대공극 지층 및 지하수 유속이 빠른 지층에서도 겔 타임 조절이 용이하여 모르타르, 시멘트밀크, 드라이샌드 등의 재료를 사용하기 때문에 개량범위를 이탈할 염려가 없고, 개량강도가 모든 토질에서도 균일하게 적용할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 본 발명은 타 연약지반 처리공법에 비해 시멘트를 사용하지 않으므로 환경에 무해하며, 또한 배출된 슬라임은 단시간 내에 압착 탈수되므로 신속한 처리가 가능한 이점이 있다.
넷째, 본 발명은 모든 지층에서 주상형 고결체의 형성이 가능하며, 완성된 주상형 고결체의 강도는 지반의 특성과 관계없이 일정할 뿐만 아니라 주상형 고결체와 다른 가설물과의 밀착성이 양호하며, 지반개량 목적에 따라 모르타르를 변경하여 적용이 가능함과 동시에 주상형 고결체의 직경을 Φ800㎜ - Φ2,000㎜까지 자유롭게 조절하여 시공할 수 있으며, 개량강도 조절은 배합비에 따라 임의조절이 가능하며, 개량강도는 지상강도의 90% 이상까지 가능한 이점이 있다.
다섯째, 본 발명은 현장치기 말뚝(Cast In Place Pile)의 대용시에는 현장치기 말뚝 배면에 별도의 차수벽을 설치하지 않아도 되므로(토류판 설치도 불필요함) 경제적이고 압축공기를 단축시킬 수 있으며, 또한 널말뚝 설치가 불가능한 지질에서는 널말뚝 대용으로 설치가 가능하며, 특히 기존의 널말뚝 설치시 문제가 되는 하단부 침투수를 완벽하게 차수할 수 있는 이점이 있다.
여섯째, 본 발명은 고강도로서(파일개념 적용) 전단력을 받으므로 측방유동에 대해 저항력을 발휘할 수 있고, 또한 장기침하의 우려가 적어 모래다짐말뚝공법(Sand Compaction Pile)을 대체하여 적용이 가능한 이점이 있다.

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  4. 대상 연약지반(S)을 회전충격식 천공기(M)에 3중관로드(120)를 설치함과 동시에 지중을 비트(132)로 천공하는 단계; 상기 천공부위(H)에 상기 3중관로드(120)의 상단 스위벨(110)에 설치된 압축공기주입구(118)와 초고압수주입구(114) 및 모르타르주입구(116)를 통하여 분사후 상기 3중관로드(120)의 모니터(128)에 의해 3중관로드(120)에 장착된 압축공기배출구(122) 및 초고압수배출구(124)를 통하여 초고압수와 압축공기를 회전분사시켜 지반을 절삭 파쇄시켜 지상으로 슬라임을 배출시킴과 동시에 모니터(128)에 장착된 압축공기배출구(122) 및 모르타르배출구(126)를 통하여 압축공기와 시멘트밀크, 드라이샌드 중 어느 하나로 이루어진 모르타르(P)를 함께 분사시켜 주상형 고결체(200)를 지중에 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 모르타르(P)는 지하수의 유속이 10-2㎝/sec 이내에서 사용함을 특징으로 하는 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 모르타르(P)는 시멘트 40㎏, 모래 60∼120㎏, 물 40∼80ℓ, 벤토나이트 6∼12㎏로 이루어진 재료에 알루미나실리카 1∼2ℓ와 급결제 5∼10kg로 이루어진 혼화제를 혼합시켜 이루어짐을 특징으로 하는 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 모르타르(P)는 지하수의 유속이 10-1㎝/sec 이상에서 사용함을 특징으로 하는 모르타르 고압분사를 통한 치환식 주상형 고결체 형성방법.
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