KR100540396B1 - 자천공 소일 네일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지반 천공과 동시에 네일 보강의 역할을 수행할 수 있도록 크롬, 망간, 실리콘 및 황 등의 물질을 첨가하고 고주파 열처리하여 강관보강재를 제작함으로써, 지반 천공 시 인장, 압축, 전단 및 비틀림 등의 기계적 성질을 충분히 만족하면서도 경량으로 만들어 취급이 쉽고 재료비가 적게 들어가며 강관보강재 외주면에 요철을 형성하지 않는 대신 강관보강재와 강관보강재를 연결하는 연결부를 다각형으로 처리하여 그라우트와의 부착력을 보완하므로 강관보강재를 제작할 때 추가 공정 없이 파이프 형태로 쉽게 제작할 수 있어서 생산성이 향상되는 지반 보강용 자천공 소일 네일에 관한 것이다.

본 발명의 강관보강재는 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.18 ∼ 0.22중량%, 크롬(Cr) 0.1 ∼ 0.3중량%, 망간(Mn) 1.0 ∼ 1.5중량%, 실리콘(Si) 0.15 ∼ 0.4중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.01중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.01 ∼ 0.04중량% 및 붕소(B) 0.001 ∼ 0.003중량%가 함유되어 조성된 특징이 있다.

크롬, 합금, 고주파열처리

Description

자천공 소일 네일 {Self Drilled Soil Nail}

도 1은 본 발명 지반 보강용 네일의 설치상태 단면도

도 2는 본 발명 네일의 연결부 확대도

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

1 : 강관보강재 2 : 나사부

3 : 연결부 4 : 나사부

5 : 비트 6 : 1차숏크리트부

7 : 와이어매쉬 8 : 지압판

9 : 너트 10 : 2차숏크리트부

본 발명은 지반 보강용 자천공 소일 네일에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지반 천공과 동시에 지반 보강재의 역할을 수행하는 자천공 소일 네일(SDSN : Self Drilled Soil Nailing)공법에 사용되는 강관보강재의 기계적 성질 및 구조적 형상을 개선하여 제작이 쉽고 제작 단가를 낮출 수 있으면서 가벼워 취급이 편리한 지반보강용 자천공 소일 네일에 관한 것이다.

일반적으로 터파기, 흙막이, 지하구조물 및 터널 등과 같은 토목 관련 건축물의 축조에 필요한 굴착 또는 기존 옹벽의 보수 및 옹벽을 설치하는 공사에서 그 굴착면이 붕괴되는 것을 방지하기 위해 보강공법이 적용되는바, 흙막이 공사 중 어스앵커(earth anchor) 및 소일 네일(soil nail) 공법이 주로 이용되고 있다.

이중에서 소일 네일링(soil-nailing) 공법은 경사면이나 건물의 지하굴착 시 단계별 굴착과 함께 보강재로서 이형철근인 네일과 전면판(bearing plate 및 shotcrete 또는 concrete facing)으로만 굴착사면을 보강하여 흙막이시설을 하는 방식으로 비교적 소형장비를 사용하므로 저소음, 저진동으로 굴착공사를 수행할 수 있다.

소일 네일링 공법 중 천공용 로드 및 천공 후 보강재의 역할을 수행하는 에스디에스엔(Self Drilled Soil Nailing)공법은 인장강도, 비틀림 등의 기계적 성질을 고려하여 탄소강 파이프인 강관보강재를 사용하고 있다.

종래의 강관보강재는 제조 공법상 길이 3000mm, 외경 32 ~ 38mm 및 내경 26 ~ 32mm의 탄소강 파이프였다.

그러나 종래의 셀프 드릴링 네일의 강관보강재는 합금처리 되지 않은 단순 탄소강이므로 지반 천공 시 인장, 압축, 전단 및 비틀림 등의 기계적 성질을 견딜 수 있도록 내,외경차가 6mm로 두꺼웠다. 따라서 강관보강재가 무거워 취급이 어렵고 재료비가 많이 들어가는 단점이 있었으며, 그라우팅시 강관보강재 표면과의 부착력을 높이기 위하여 파이프 외주면을 나선형으로 너어링하여 요철을 형성하는 후 가공을 하였으므로 가공비가 많이 들어가는 등의 단점이 있었다.

본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로써, 본 발명의 목적은 지반 천공과 네일의 역할을 동시에 수행하도록 크롬, 망간, 실리콘 및 황 등의 물질을 첨가하고 고주파 열처리하여 강관보강재를 제작함으로써, 지반 천공 시 인장, 압축, 전단 및 비틀림 등의 기계적 성질을 충분히 견디면서도 경량으로 만들어 취급이 쉽고 재료비가 적게 들어가며 강관보강재의 외주면에 요철을 형성하지 않는 대신 이들을 연결하는 연결부를 다각형으로 처리하여 그라우트와의 부착력을 보완하므로 강관보강재를 제작할 때 추가 공정 없이 파이프 형태로 쉽게 제작할 수 있어서 생산성이 향상되는 지반 보강용 자천공 소일 네일을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 네일용 강관보강재는 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.18 ∼ 0.22중량%, 크롬(Cr) 0.1 ∼ 0.3중량%, 망간(Mn) 1.0 ∼ 1.5중량%, 실리콘(Si) 0.15 ∼ 0.4중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.01중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.01 ∼ 0.04중량% 및 붕소(B) 0.001 ∼ 0.003중량%가 함유되어 조성된 특징이 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 네일용 강관보강재의 화학 조성은 아래 표 1과 같다.

[표 1]

화학성분(중량%)
C	Cr	Mn	Si	P	S	Al	B	Fe
0.18 ~ 0.22	0.1 ~ 0.3	1.0 ~ 1.5	0.15 ~ 0.4	0.025이하	0.01 이하	0.01 ~ 0.04	0.001 ~ 0.003	나머지

탄소(C) 0.18 ∼ 0.22중량% ;

상기 탄소는 화학성분 중 가장 강력한 침입형 기지강화 원소로 첨가되는 것으로서, 탄소량이 높을수록 강도는 상승하지만 인성이 저하되는 현상이 발생하므로, 일반적으로 열처리를 실시하는 기존 합금강의 탄소량은 0.35 ∼ 0.55중량%로 제한되어 있다. 본 발명은 인성, 비틀림 및 가공성 저하현상을 억제하는 범위내에서 탄소량을 0.18 ∼ 0.22중량%로 억제하였고, 강도 보상을 위하여 기타 합금성분의 첨가량을 조절하였다.

크롬(Cr) 0.1 ∼ 0.3중량% ;

크롬은 소입성향상 원소로 본 발명 네일의 강도 및 지반 드릴링 시의 비틀림을 고려하였으며 함량이 0.1중량% 아래일 경우 첨가효과가 없으므로 소입성효과가 비슷하면서 원가를 고려하여 최대량을 0.3중량%로 제한하였다.

망간(Mn) 1.0 ∼ 1.5중량% ;

망간은 기지 안에 고용되어 굽힘 피로강도의 향상을 도모하고자 첨가되었으며 본 발명에서는 탄소의 첨가량을 낮추는 대신에 망간의 함량을 1.0 ∼ 1.5중량%로 상향 조정하였다.

실리콘(Si) 0.15 ∼ 0.4중량% ;

실리콘은 재질 내에 총 탄소당량을 조정해 주는 원소이고, 위 범위는 탄소 강, 합금강의 일반적인 조성범위이다.

인(P) 0.025중량% 이하 ;

인은 불순물 개념으로 없으면 좋지만 제강기술상의 문제점 때문에 일반적으로 상한치만 규제하게 된다.

황(S) 0.01중량% 이하 ;

황은 함량이 0.01중량% 이상일 경우에는 망간계 비금속개재물(MnS)의 함량이 높아져 강도를 저하시키므로 위의 함량이 본 발명 강관보강재에 좋다.

실시예 1

표 1의 화학 성분을 갖는 조성물을 길이 2000mm, 폭 99.85mm 및 두께2.6mm의 판으로 제강한 뒤 이를 원호형으로 밴딩하여 맞닿은 부분을 용접함으로써 파이프형 강관보강재로 만들고, 이 강관보강재의 양단에 나사부를 형성한 뒤 고주파 열처리하고 이후 외주면을 아연도금 처리하여 네일용 강관보강재를 완성하였다.

위 실시예 1의 강관보강재에 대하여 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하였으며 그 결과는 다음 표 2와 같다.

표 2 홍익대학교 토목공학과 구조연구실 2005. 03

	인장강도	항복강도	연신율
열처리 후	1500 ∼ 1800MPa	1000 ∼ 1400MPa	8%
열처리 전	620MPa	442MPa	25%

위 표 2에서와 같이 열처리 전의 인장강도, 항복강도 및 연신율이 열처리후 크게 개선됨을 알 수 있다. 위의 방법으로 만들어진 고주파 열처리 합금 강관보강재는 30톤의 인장력에 견디는 것으로 나타났다.

위의 방법으로 만들어진 본 발명의 에스디에스엔 공법을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

에스디에스엔 공법은 굴토 또는 절토 과정을 통하여 일련의 보강작업이 이루어지는 것으로 비탈면이나 터파기 굴착면을 자립할 수 있는 안정높이로 굴착함과 동시에 숏크리트(shotcrete)로 표면을 보호하고 굴착면을 본 발명의 네일로 천공한 후 이를 그라우팅 처리하여 네일 앵커체를 조성하는 공법이다.

본 발명은 강관보강재(1)가 1.5 ~ 2m 단위의 중공상 파이프로 제작되므로 이를 연결부(coupler)(2)로 연결하여 필요한 길이를 확보해야 된다. 이를 실현하기 위하여 본 발명은 강관보강재와 강관보강재를 이어주는 중공상의 연결부(3)가 구비된다.

도 2는 연결부를 확대 도시한 것으로 내주면 양쪽에는 강관보강재(1)의 외주면 단부에 형성된 나사부(2)와 치합되는 나사부(4)가 형성되며 중앙은 강관보강재의 체결 깊이를 제한하는 걸림턱(3a)이 형성된다. 나사부(2)(4)는 쐐기처럼 테이퍼 형태로 경사져서 체결력이 증가되도록 구성되며, 연결부(3)의 양단 내주면은 나사부를 형성하지 않은 보강면(3b)으로 구성하여 강관보강재(1)와의 체결시 그 양단의 전단강도에 견디는 힘이 보완되도록 구성된다. 보강면(3b)은 나사부(2)가 형성되지 않으므로 나사부의 산과 골이 형성되지 않아 균일한 내경을 가지며 따라서 강관보강재(1)와 체결된 연결부(3)에 전단력이 발생되어 보강면(3b)에 집중되더라도 파손의 위험성이 줄어들고 전단강도에 견디는 힘이 보완되는 것이다.

본 발명의 강관보강재(1)는 외주면에 나선이 형성되지 않은 직선형 파이프 이므로 제작이 쉬운 반면에 그라우트와의 부착력이 약화될 수 있다. 이를 보완하기 위하여 연결부(3)는 외주면이 육각형태로 구성되며 그라우팅시 그라우트와의 부착 력 및 강관보강재 인발시 주변 마찰력을 증가시켜주는 서포터의 역할을 해준다.

본 발명 강관보강재(1)의 선단에는 지반을 천공하기 위한 비트(5)가 결합된다. 다수개의 강관보강재(1)들이 연결부(3)를 통하여 하나의 조립체로 구성된 네일을 천공 장비에 결합시킨 뒤 네일을 회전시키면서 지반으로 전진 시키면 비트(5)에 의해 지반이 천공되면서 강관보강재(1)들이 박힌다. 강관보강재를 박기 전에 지반 절취면을 1차 보강하기 위하여 1차숏크리트부(6)를 형성할 수 있다.

강관보강재를 지반에 박으면서 그라우트 주입을 병행하며 이후 천공이 완료되면 천공 장비를 강관보강재 조립체에서 분리시키고 그라우트를 가압 주입한다. 이때 강관보강재 조립체는 파이프 형태이므로 그라우트는 강관보강재의 내부를 채우고 나머지는 외부로 흘러들어 지반의 천공부를 메운다.

그라우트 주입 후 와이어 매쉬(7)를 깔고 지압판(8)과 너트(9)를 강관보강재(1)의 선단에 체결한 뒤 2차솟크리트부(10)를 형성하면 지반의 보강작업이 완료된다. 이후 단계별로 굴착하면서 위의 작업을 반복하면 된다.

본 발명 강관보강재는 연결부(3)로 연결되므로 지반의 천공 깊이에 따라 다수개 연결 사용할 수 있으며 연결부(3)는 다각형으로 형성되므로 천공된 지반으로 그라우트가 채워지면 연결부의 각 면에 달라붙어 그라우트와 강관보강재의 부착력을 높여주고 인발시 마찰력을 증가시켜 빠짐을 방지하는 서포터의 역할을 해준다.

본 발명 강관보강재는 크롬 탄소강 합금이며 고주파 열처리되므로 지반 천공 시 인장, 압축, 전단 및 비틀림 등의 기계적 성질이 우수하여 이를 경량으로 제작할 수 있다. 따라서 재료비를 절감할 수 있는 특징이 있으며, 외주면 전체에 나사 산의 요철이 형성되지 않고 양단이 연결부를 통하여 연결되는 특징으로 인하여 강관보강재의 제작이 쉽고 제작단가를 낮춰 공사비를 줄일 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 셀프 드릴링 그라우팅 공법에 사용되는 강관보강재를 제작함에 있어서, 크롬 탄소강으로 합금처리하고 이를 고주파 열처리하여 인장, 압축, 전단 및 비틀림 등의 기계적 성질이 우수한 강관보강재를 제작함으로써, 강관보강재 조립체인 네일 파이프의 두께를 얇게 하더라도 지반을 비트로 천공하는데 무리가 없으며 경량이므로 취급이 쉽고 재료비가 절감되며 네일 파이프의 외주면 전체에 나사산이 형성되지 않으므로 제작단가를 낮춰 공사비를 절감할 수 있는 등의 우수한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.18 ∼ 0.22중량%, 크롬(Cr) 0.1 ∼ 0.3중량%, 망간(Mn) 1.0 ∼ 1.5중량%, 실리콘(Si) 0.15 ∼ 0.4중량%, 인(P) 0.025중량% 이하, 황(S) 0.01중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.01 ∼ 0.04중량% 및 붕소(B) 0.001 ∼ 0.003중량%가 함유되어 조성된 것을 특징으로 하는 자천공 소일 네일.
2. 제 1 항에 있어서,

   네일은 양단 외주면에 테이퍼형 나사부를 갖는 다수개의 강관보강재로 구성되며,

   강관보강재들은 내주면 양쪽에 테이퍼형 나사부를 갖는 연결부로 체결 연결되고,

   연결부에는 강관보강재의 나사부가 없는 외주면과 접하여 전단강도를 보완하는 보강면이 구비되며,

   연결부의 외주면은 그라우트와의 부착력 및 인발저항 마찰력을 고려하여 다각형으로 구성함을 특징으로 하는 자천공 소일 네일.
3. 삭제

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