KR100778936B1 - 지열파이프 일체형 지반보강공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열파이프를 설치할 경우 지반이 취약해지는 것을 막고, 지열에너지로 인한 대체에너지의 사용과 구조물의 안정성을 모두 확보할 수 있는 파일앵커를 지열파이프와 일체로 설치함으로써 공사비의 절감효과를 얻을 수 있는 지열파이프 일체형 지반보강공법에 관한 것으로, 케이싱을 연약층과 암반층의 경계까지 삽입하는 단계; 상기 케이싱 내로 지면으로부터 연약층을 지나 암반층까지 천공하여 천공홀을 형성하는 단계; 상기 천공홀 내의 바닥부까지 지열파이프를 설치하는 단계; 상기 천공홀의 바닥부로부터 일부에 열전달그라우팅액을 충진하여 경화시켜 열전달그라우팅을 형성하는 단계; 상기 열전달그라우팅 위로 앵커파일을 삽입하는 단계; 상기 앵커파일의 하단부와 상기 열전달그라우팅의 상면 사이에 패커를 설치하는 단계; 상기 패커에 시멘트 그라우팅액을 공급하고 경화시키는 단계; 상기 패커 위로 시멘트 그라우팅액을 지반까지 공급하고 경화시키는 단계; 및 상기 지반 위로 노출된 앵커파일의 상단부에 헤드플레이트를 고정설치하는 단계를 포함하고 있다.

앵커, 지반보강, 열펌프, 힛펌프, 지열

Description

지열파이프 일체형 지반보강공법{Ground reinforcement method integrating geothermal pipe for heat pump}

도 1은 본 발명의 실시예1의 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 앵커파일 110: 헤드플레이트

121,122: 고정너트 130: 패커

140: 지열파이프 200: 케이싱

210: 시멘트 그라우팅 220: 열전달 그라우팅

본 발명은 지열파이프 일체형 지반보강공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열파이프를 설치할 경우 지반이 취약해지는 것을 막고, 지열에너지로 인한 대체에너지의 사용과 구조물의 안정성을 모두 확보할 수 있는 파일앵커를 지열파이프와 일체로 설치함으로써 공사비의 절감효과를 얻을 수 있는 지열파이프 일체형 지반보강공법에 관한 것이다.

우리나라는 일반적으로 도시가스나 지역난방으로 냉,난방 시스템을 갖추고 있으며, 주에너지원으로는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하고 있다.

그러나 이들 화석연료들은 재생이 불가능하고 매장량이 한정되어 있으며 환경오염의 원인물질이다.

이런 이유로 화석연료의 의존도를 줄이며, 환경에 영향을 미치지 않는 새로운 에너지인 풍력, 태양열, 지열 등의 대체에너지의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

이 중 넓은 면적을 필요로 하고 단위면적당 에너지 생산효율이 작으며 낮은 경제성과 많은 유지관리비용이 소요되는 풍력과 태양에너지에 반하여 공기의 오염, 기후의 변화, 경제성, 안정성에서 뛰어난 지열에너지의 개발이 적합하여 지열시스템의 적용이 절실히 요구되고 있다.

기존의 지열시스템은 지반 천공 후 열펌프용 지열파이프를 설치하게 되는데 이 때, 설치후 지열파이프와 천공홀은 그라우팅액으로 채워지는데 이때 그라우팅의 재료로는 벤토나이트 등이 사용된다.

지열을 흡수하기 위해서 사용되는 벤토나이트 등은 건축물의 자중의 침하와 부력을 확보하여 줄 수 없으므로 추가적인 파일과 앵커의 설치를 필요로 하는데 이 때 공사비가 이중으로 발생하여 비효율적인 공법이다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 지열파이프를 설치할 경우 지반이 취약해지는 것을 막고, 구조물의 안정과 더불어 공사비를 절감할 수 있는 파일앵커를 설치하여 차세대 에너지의 도입을 활성화할 수 있도록 하는 지열파이프 일체형 지반보강공법을 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 케이싱을 연약층과 암반층의 경계까지 삽입하는 단계; 상기 케이싱 내로 지면으로부터 연약층을 지나 암반층까지 천공하여 천공홀을 형성하는 단계; 상기 천공홀 내의 바닥부까지 지열파이프를 설치하는 단계; 상기 천공홀의 바닥부로부터 일부에 열전달그라우팅액을 충진하여 경화시켜 열전달그라우팅을 형성하는 단계; 상기 열전달그라우팅 위로 앵커파일을 삽입하는 단계; 상기 앵커파일의 하단부와 상기 열전달그라우팅의 상면 사이에 패커를 설치하는 단계; 상기 패커에 시멘트 그라우팅액을 공급하고 경화시키는 단계; 상기 패커 위로 시멘트 그라우팅액을 지반까지 공급하고 경화시키는 단계; 및 상기 지반 위로 노출된 앵커파일의 상단부에 헤드플레이트를 고정설치하는 단계를 포함하는 지열파이프 일체형 지반보강공법이다.

상기 천공홀의 깊이는 암반층까지의 깊이, 암반층에서의 주면마찰력에 따른 하중을 지지할 수 있는 길이, 및 열전달을 위한 길이를 합한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 지열파이프는 PE 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 지열파이프는 열접촉면적을 크게 하기 위하여 천공홀 내에서 절곡되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 케이싱의 주면에는 시멘트 그라우팅액의 유출을 위한 유출홀이 다수개 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 통하여 상세히 설명한다.

본 발명은 천공홀 내부를 2가지의 다른 그라우팅액을 충진하여 경화시켜, 2층의 구조를 가지는 지반보강구조물을 제작한다.

상기 지반보강구조물은, 지면으로부터 연약층과 암반층 사이의 경계까지의 연결부, 상기 연결부와 일체로 주면마찰력에 의한 전단력(剪斷力)으로 하중을 지지하는 지지부, 및 상기 지지부 아래에서 열절달을 목적으로 설치되는 열전달부를 포함하는 총 3개의 구간으로 구별된다.

상기 연결부는 상기 지반보강구조물의 상부에 있는 건축물 등에 의한 하중을 상기 지지부에 전달하는 역할을 한다.

그리고, 상기 지지부는 실질적으로 상기 하중을 지지하고, 또한 지하수의 유입등으로 인해 건축물 등이 받을 부력을 저지하는 역할을 한다.

또, 상기 열전달부는 하중의 지지와는 관계없이, 깊은 지하에서 열을 공급받거나, 반대로 지하에 열을 버리는 역할을 한다.

즉, 상기 열전달부는 공지의 힛펌프(heat pump)와 연결되어 사용될 수 있다.

상기 힛펌프를 이용한 냉난방 시스템은 온도가 10~20℃인 지중의 열 에너지를 이용하는 기술로써, 압축기, 4포트 밸브, 실외 열교환기, 팽창밸브 및 실내기를 연속되게 구비한 채, 사방 변 밸브에 의해 냉난방을 선택적으로 전환하고, 이에 따라, 실외 열교환기 및 실내기에서 냉매를 선택적으로 응축 또는 증발시키는 과정을 통해, 실내기에서의 증발열 또는 응축열로 실내를 냉방 또는 난방시키는 장치이다.

상기 지지부와 연결부는 하중을 지지할 수 있는 시멘트그랑우팅이 이루어지며, 상기 열전달부는 열전달효과가 좋은 벤토나이트 등에 의한 열전달그라우팅이 이루어진다.

상기와 같은 지반보강구조물을 제작하기 위한 지반보강공법은 다음과 같다.

먼저, 케이싱(200)을 연약층과 암반층의 경계까지 삽입한다.

상기 케이싱(200)은 삽입은 연약층(또는 토사층)의 붕괴를 방지하기 위하여 일정심도까지, 즉 암반층에 도달할 수 있을 깊이까지 삽입하여야 한다.

또, 상기 케이싱(200)의 내부공간을 통해 하기(下記)의 천공작업을 실시하므로, 상기 케이싱(200)의 단면적 및 개수는 제작될 지반보강구조물이 받아야 할 하중 및 설치면적 등을 고려하여 결정될 수 있다.

또, 상기 케이싱(200)의 외주면에 수개의 유출홈(도시생략)을 마련하여, 시멘트 그라우팅액을 주입하면 상기의 유출홈(도시생략)을 통해 그라우팅액이 상기 케이싱(200) 외부로 빠져나가 연약층이 추가적으로 보완됨으로써 지반과의 일체를 더욱 강화시킬 수 있어 바람직하다.

그리고, 상기 케이싱(200) 내의 공간을 통해 지면으로부터 연약층을 지나 암 반층까지 천공하여 천공홀을 형성한다.

상기 천공홀의 형성은 공지 기술의 유압드릴이나 각종 천공기를 이용하여 실시한다.

상기 천공홀의 깊이(l)는 상기 연결부의 깊이(a), 상기 지지부의 깊이(b), 및 상기 열전달부의 각각의 깊이(c)를 합하여 결정한다.

먼저, 상기 연결부의 깊이(a)는 지면으로부터 연약층과 암반층 사이의 경계까지의 깊이를 가지게 되므로, 사전 조사 등에 의해 정해지는 길이이다.

그리고, 상기 지지부의 깊이(b)는 다음과 같은 방법으로 결정한다.

시멘트 그라우팅에 의한 지반보강구조물에서, 암반층과 상기 시멘트 그라우팅 사이의 전단응력을 P라 하고, 상기 천공홀의 단면적을 D라 하며, 상기 지반보강구조물이 지지해야할 하중이 W라고 하면 다음과 같은 식이 성립한다.

상기에서 k는 안전계수로써, 10이하의 범위에서 지반의 특성 등을 고려하여 선택된다. 또, 상기 식에서는 앵커파일(100)과 시멘트 그라우팅 사이의 마찰력은 제외하였고, 모든 하중은 상기 시멘트 그라우팅 사이의 전단력으로만 지지한다고 가정하였다.

그리고, 상기 열전달부의 길이(c)는 제한은 없으나, 열전달 효율과 천공깊이에 따른 비용을 고려하여 결정되며, 일반적으로 10~20m이다.

그리고, 열전달 효율을 상승시키기 위해 삽입되는 지열파이프(140)를 절곡시 켜 설치할 수 있다.

또, 지열파이프(140)와 열전달그라우팅액 사이의 열전달 효율과, 열전달그라우팅액과 지반 사이의 열전달 효율을 높이기 위한 재료 역시 상기 열전달부의 길이(c)에 영향을 미칠 수 있다.

다음으로, 상기 천공된 천공홀의 바닥부까지 지열파이프(140)를 설치한다. 본 발명의 실시예에서 사용된 지열파이프(140)는 대략 U자형상을 가진다.

상기 지열파이프(140)는 열전달효율이 좋고, 내구성이 뛰어난 PE 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

그 후, 상기 천공홀의 바닥부로부터 상기 열전달부의 높이까지 열전달그라우팅액을 충진하고 경화시켜 열전달 그라우팅을 완성한다.

상기 경화된 열전달 그라우팅 위로 앵커파일(100)을 삽입한다.

즉, 상기 앵커파일(100)의 길이는 상기 연결부의 길이(a)와 상기 지지부(b)의 길이에 지면 위로 돌출되어 건축물 등에 고정될 수 있도록 하는 추가길이를 합하여 결정된다.

상기 앵커파일(100)의 외주면에는 나사선이 형성되어, 상기 시멘트 그라우팅의 부착을 용이하게 하고, 보강지지구조물 위에 건축물 등을 연결할 수 있도록 헤드플레이트(110)와 고정너트(121,122)의 설치를 가능하게 한다.

그리고, 상기 앵커파일(100)의 하단부와 상기 열전달그라우팅의 상면 사이에 패커(130)를 설치하고, 상기 패커(130)에 시멘트 그라우팅액을 공급하고 경화시킨다.

상기 패커(130)는 플라스틱, 특히 우레탄 등으로 제조된 메시구조의 부재로써, 보수를 위해 틈 등에 그라우팅액을 정착하기 위해 사용되는 것이다.

본 발명에서는 상기 열전달 그라우팅과 시멘트 그라우팅의 경계를 분명히 하고, 상기 시멘트 그라우팅을 견고히 하기 위해 상기 패커(130)를 사용하였다.

그리고, 상기 시멘트 그라우팅으로 경화된 패커(130) 위로 시멘트 그라우팅액을 지반까지 공급하고 경화시킨다.

마지막으로 상기 지반 위로 노출된 앵커파일(100)의 상단부에 헤드플레이트(110)를 고정너트(121,122)를 이용하여 고정설치한다.

그리고, 도시되지 않았지만, 상기 헤드플레이트(110) 위로 건축물과의 결합을 위한 보강철근(미도시)가 더 설치될 수 있다.

상기 지열파이프(140)는 도시되지 않은 힛펌프 시스템과 같은 지열시스템과 연결된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명을 통하여, 세계적으로 대체에너지 개발에 힘쓰고 있는 바, 그 중에 서도 공기의 오염, 기후의 변화, 경제성, 안정성에서 뛰어난 지열에너지의 개발에 집중될 것이다.

본 발명은 단독으로 설치되는 지열시스템의 취약점을 개선한 지열시스템과 앵커파일의 복합공법으로써, 구조물의 안정성과 공사비의 절감효과를 얻을 수 있으므로, 지열에너지의 개발에 큰 기여를 하게 될 것이다.

Claims (5)

1. 케이싱을 연약층과 암반층의 경계까지 삽입하는 단계;

   상기 케이싱 내로 지면으로부터 연약층을 지나 암반층까지 천공하여 천공홀을 형성하는 단계;

   상기 천공홀 내의 바닥부까지 지열파이프를 설치하는 단계;

   상기 천공홀의 바닥부로부터 일부에 열전달그라우팅액을 충진하여 경화시켜 열전달그라우팅을 형성하는 단계;

   상기 열전달그라우팅 위로 앵커파일을 삽입하는 단계;

   상기 앵커파일의 하단부와 상기 열전달그라우팅의 상면 사이에 패커를 설치하는 단계;

   상기 패커에 시멘트 그라우팅액을 공급하고 경화시키는 단계;

   상기 패커 위로 시멘트 그라우팅액을 지반까지 공급하고 경화시키는 단계;

   상기 지반 위로 노출된 앵커파일의 상단부에 헤드플레이트를 고정설치하는 단계를 포함하는 지열파이프 일체형 지반보강공법.
2. 제1항에 있어서, 상기 천공홀의 깊이는 암반층까지의 깊이, 암반층에서의 주면마찰력에 따른 하중을 지지할 수 있는 길이, 및 열전달을 위한 길이를 합한 것을 특징으로 하는 지열파이프 일체형 지반보강공법.
3. 제1항에 있어서, 상기 지열파이프는 PE 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 지열파이프 일체형 지반보강공법.
4. 제1항에 있어서, 상기 지열파이프는 열접촉면적을 크게 하기 위하여 천공홀 내에서 절곡되어 형성되는 것을 특징으로 하는 지열파이프 일체형 지반보강공법.
5. 제1항에 있어서, 상기 케이싱의 주면에는 시멘트 그라우팅액의 유출을 위한 유출홀이 다수개 형성되는 것을 특징으로 하는 지열파이프 일체형 지반보강공법.

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