KR100792130B1 - 압입강관말뚝 공법(PPP Pile 공법) - Google Patents

Abstract

기초공사를 선행하고 상부 골조공사를 시행하는 동안 말뚝공사를 하는 공기 단축형 상하 동시 공법을 제시한다. 이는 별도 재하시험 없이도 시공 과정에서 말뚝 지지력을 알 수 있고 연약지반에서도 말뚝 선단부위에 모르터 덩어리를 추가하여 말뚝길이를 줄일 수 있다. 한편 기존 건물의 기초를 보강할 때도 협소한 공간에서 말뚝을 추가할 수 있다.

기존 마이크로파일은 지반에 보링한 구멍에 강관을 삽입하고 강관 내부에 강봉을 이어서 넣고 강관과 강봉 사이에 모르터를 주입하고 재하시험을 하는 번거로운 공법이다. 최근 발표된 강관압입공법은 말뚝머리를 직접 재래식유압잭으로 눌러 관입하는 것으로 유압잭 스트로크(stroke)의 한계(20∼40cm) 때문에 유압잭 2개를 직렬로 연결하고 길이 보정용 버팀재를 갈아 끼워도 말뚝 단위 길이가 2m 정도로 제한되어 이음개소가 많은 것이 흠이다. 따라서 특수 유압잭을 사용하여 말뚝을 무진동 무소음으로 관입시키면서도 말뚝 이음 개소를 줄이고, 연약지반에서도 짧은 말뚝이 가능하게 하는 기술이 필요하다. 또한 기존건물 기초를 보강할 때도 쉽게 활용할 수 있는 말뚝공법이 기술적 과제이다. 예를 들어 굵기 200mm 강관말뚝, 단기허용지지력 100∼120ton일 경우에 적합한 표준형 압입강관말뚝 공법을 설명하면 아래와 같다.

신축건물일 때는 말뚝을 박을 위치의 기초 콘크리트에 도 1a와 같이 전단연결재를 용착한 강관슬리브(내경 230mm)를 묻어서 216.3mm 굵기의 강관말뚝을 삽입할 수 있게 하고 도 1d와 같이 말뚝구멍 주변에 앵커볼트를 배치한다. 한편 기존 건물 기초일 때는 도 1b와 같이 기초 콘크리트에 230mm 굵기의 말뚝구멍과 75mm∼50mm 굵기의 앵커볼트구멍을 보링한다. 기존 기초일 때 도 1c와 같이 29mm 굵기의 앵커볼트를 위 앵커볼트구멍에 삽입하고 충전재를 주입후 양생시킨다.

커플러를 이용하여 고강도 강봉(29mm)을 앵커볼트(4)에 조립하고 4개의 강봉(11) 중 서로 마주보는 2개의 강봉에 각각 후진유압잭(50kg 내외의 소형)을 끼운 후 4개의 강봉에 전진유압잭(24)을 끼우고 4개의 그립(15)이 이루는 원형 구멍을 통해 강관말뚝을 말뚝구멍에 끼운다. 전진유압잭세트(25)는 도 2와 같이 4각형의 누름판(13)에 4개의 30ton 용량의 전진유압잭(24)과 2개의 후진유압잭(23)을 부착한 것이고 누름판 중앙에는 외경 216.3mm의 강관말뚝을 물고 아래로 움직이는 1/4원통형 그립 및 그 상단에는 원통형 걸침턱을 부착하고 누름판 하부 그립 외부에는 그립을 조여주고 풀어주는 조임강관(14)을 부착한다. 전진유압잭에 유압을 가하면 누름판을 아래로 밀어줘서 지반에 강관말뚝(5)을 관입시킨다. 그립이 기초 상단에 도달하면 전진유압잭의 유압을 풀고 후진유압잭에 유압을 가하여 전진유압잭세트(25)를 상부로 이동시키는 작업을 반복한다. 말뚝 관입시 유압잭 게이지가 소정의 값을 보이면 관입을 마치고 전진유압잭(24)과 후진유압잭(23) 및 강봉(11)을 해체하고 기초 상단에서 강관말뚝을 절단하여 도 1d와 같이 베어링플레이트(6)를 앵커볼트(4)에 끼워 맞춘 후 베어링플레이트와 강관말뚝을 용접하고 앵커볼트의 너트를 본 조립 한다.

지반이 양호하면 강관말뚝 선단에 선단슈(17)를 용접하여 관입하고 강관말뚝 상단 주입구를 통해 모르터(21)를 주입한다. 만약 지반이 연약하면 도 3b와 같이 강관말뚝 선단 부위에는 선단 배출구(22)를 사전에 가공하고 선단슈에 슈 가이드(18)를 부착하여 강관말뚝 선단에 끼운 상태에서 관입한다. 이 때 주입호스를 통해 모르터를 고압으로 주입하면 선단 배출구 및 선단슈가 이탈된 말뚝선단으로 모르터가 배출되어 덩어리가 형성된다. 주입은 컴팩션 파일그라우팅공법에서 사용하는 모르터 펌프나 일반 콘크리트펌프를 전용한다.

Description

압입강관말뚝 공법(PPP Pile 공법){construction method of Pressure Penetrating Pipe Pile}

연약지반에는 기초공사 이전에 말뚝지정 공사를 선행하는 것이 일반적이다. 또한 도심지에서는 말뚝을 타입하지 못하고 사전에 천공해서 삽입하는 공법을 사용하므로 말뚝공사 후 말뚝 내력시험(정재하시험 또는 동재하시험)이 필수적인 경우가 많다. 한편 연약지반에 천공 및 말뚝 타입장비로 작업하는 과정에서 기초지반이 흐트러지면 이를 복구 또는 정리하는데 많은 시간과 노력이 필요하다. 한편 기존 건물의 기초를 보강하거나 신축공사라도 철로 위에 짓는 민자역사 등 작업 공간이 협소하거나 기초 상부에 구조물이 있어 키 높은 장비의 진입이 불가능할 때는 가느다란 강봉을 토막 내서 이어 박는 마이크로파일을 많이 활용하고 있다.

마이크로파일은 지반에 150mm 정도 굵기의 보링을 하고 그 구멍에 두께가 얇은 강관을 삽입한 후 강관 내부에 가느다란 고강도 강봉(직경 50∼75mm)을 이어서 넣고 강관과 강봉 사이 빈 공간에 모르터를 주입하는 공법이다. 그러므로 천공작업과 배출되는 잔토처리, 강관과 강봉 삽입 및 모르터 주입 등 여러 절차를 거치고 나서 주입 모르터가 양생돼야 재하시험으로 내력을 확인 후 기초공사를 진행할 수 있다. 또한 위 모든 공사는 비가 오거나 너무 추우면 공사가 불가능하므로 공사비 상승과 아울러 공기 지연이 불가피하다.

최근 유압잭을 이용하여 강관을 압입하는 공법이 발표되었다. 이는 말뚝머리를 직접 유압잭으로 눌러 관입하는 무소음 무진동 방법이지만 재래식 일반 유압잭 스트로크(stroke)의 한계 때문에 유압잭 2개를 직렬로 연결하고 유압잭 스트로크에 따라 길이를 보정하는 버팀재를 수시로 갈아 끼운다 해도 말뚝 단위 길이가 2m 정도로 제한되므로 말뚝 관입이 번거롭고 느리며 이음개소가 많은 것이 흠이다.

특수유압잭을 활용하여 말뚝을 무진동 무소음으로 관입시키면서도 말뚝이 이음 개소를 최소화 하는 것과, 지반이 연약해도 말뚝 길이가 지나치게 길어지지 않도록 하는 기술이 필요하다. 또한 신축공사가 아닌 기존건물 기초를 보강할 경우에도 쉽게 활용할 수 있는 말뚝 시공 방법을 모색하는 것이 기술적 과제이다.

아래 각 부품의 규격은 굵기 216.3mm 강관말뚝, 단기허용지지력 100∼120ton(장기허용지지력은 단기값의 1/3∼1/2 임)일 경우에 적합한 표준형의 것이며 그 이외의 경우는 규격을 달리할 수 있다.

건물을 신축할 경우는 말뚝을 박고자 하는 위치의 기초 콘크리트에 도 1a에서 보는 바와 같이 전단연결재(shear connector)를 용착한 강관슬리브(내경 230mm)를 묻어서 후에 216.3mm 굵기의 강관말뚝(5)을 삽입할 구멍으로 사용하고 동시에 도 1d와 같이 말뚝구멍 주변에 4개의 앵커볼트(4)를 배치한다. 한편 기존 건물 기초를 보강할 경우는 도 1b와 같이 기초 콘크리트(1)에 230mm 굵기의 말뚝구멍과 75mm(기초가 고강도 콘크리트일 경우는 50mm도 가능함) 굵기의 앵커볼트구멍(3) 4개를 보링한다. 기존 건물의 기초일 경우는 도 1c와 같이 4개의 앵커볼트구멍에 각각29mm 굵기의 앵커볼트를 삽입하고 충전재(7)를 주입하여 양생시킨다.

앵커볼트에 커플러(10)를 끼워 고강도 강봉(29mm)을 조립하고 서로 마주보는 2개의 강봉(11)에 각각 250kg 용량의 소형 후진유압잭(23)을 끼우고, 4개의 강봉에 전진유압잭(24)을 끼운 후 4개의 1/4원추 대형 그립이 이루는 원형 구멍을 통해 강관말뚝을 말뚝구멍에 끼운다. 전진유압잭세트(25)는 도 2와 같이 4각형 누름판의 구석에 각각 30ton 내력의 전진유압잭(24)과 후진유압잭(23)을 부착한 것이고 누름판(13) 중앙에는 외경 216.3mm의 강관말뚝을 물고 아래로 힘을 가하여 말뚝을 지반에 관입시키고 상향으로는 쉽게 미끄러질 수 있는 그립(외부가 원추대형인 강관 내면에 이빨을 가공하고 4조각으로 분할한 고강도 강재) 상단에는 원통형 걸침턱(16)을 부착하고 누름판 하부에는 그립 주변을 아래로 미끄러져 내려갈 때는 그립을 조여주고 위로 올라갈 때는 조임을 풀어주도록 내경을 조절한 조임강관(14)을 그립 외부에서 누름판 중앙의 원형 구멍 움직임에 따라 상·하로 미끄러지도록 끼운다. 전진유압잭에 유압을 가하면 누름판을 아래로 밀어주고 누름판에 부착된 조임강관이 그립을 조여준 상태에서 유압을 계속 공급하면 강관말뚝(5)이 그립에 물려 지하로 관입된다. 그립 하단이 기초 상단 가까이에 도달하면 위 유압공급구의 유압을 빼는 대신 아래의 후진유압잭 유압을 가한다. 그러면 누름판이 상부로 이동하다가 걸침턱(16)에 걸리면 그립이 풀려 전진유압잭세트(25)가 강관말뚝 주변을 미끄러지며 위로 올라간다. 이 단계를 계속하는 것이 말뚝 관입 방법이다.

강관말뚝을 관입하는 과정에서 유압잭의 게이지가 소정의 값을 보이면 관입을 마치고 전진유압잭세트(25)를 해체하고 커플러에서 강봉을 돌려 회수하고 기초 상단에서 강관말뚝을 절단하고 필요하면 말뚝구멍과 강관말뚝 사이 빈 공간에 충전재(7)를 주입한다. 그 후 도 1d와 같이 앵커볼트에 끼워 맞춘 베어링플레이트(6)를 가조립하고 베어링플레이트 중앙에 뚫은 구멍 주변과 강관말뚝을 용접하고 앵커볼트의 너트를 본조립한다.

지반이 양호한 경우는 강관말뚝 선단에 선단슈(17)를 용접하여 관입하고 강관말뚝 상단 에 용접한 주입구(19)를 통해 모르터(21)를 주입한다. 만약 지반이 연약하면 강관말뚝을 관입하는 과정에서 소정의 내력을 확보하지 못할 것이므로 강관말뚝의 선단슈를 말뚝 선단에 용접하는 대신 도 3b와 같이 선단슈에 슈 가이드(18)를 부착하여 강관말뚝 선단에 끼운 상태에서 관입한다. 이 때 강관말뚝 선단 부위에는 선단 배출구(22)를 사전에 가공한다. 말뚝상단에는 주입구를 용접한 원형강판을 용접하고 주입구(19)에 주입호스(20)를 끼워 모르터를 고압으로 주입하면 말뚝선단의 선단슈를 이탈시키면서 모르터가 배출되어 덩어리가 형성된다. 이 때 선단 배출구를 통해서도 모르터가 배출되어 모르터 덩어리의 크기를 키워준다. 모르터 주입 압력은 40∼60기압이며 이는 시중에서 활용하는 컴팩션 파일그라우팅 펌프나 콘크리트펌프를 전용한다.

전진유압잭(24)과 후진유압잭(23)은 유압잭 내부의 그립(15)이 강봉(11)을 물고 1방향으로만 이동하며 후진할 때는 그립이 미끄러지는 것으로 일반 유압잭과는 달리 강봉이 연속되어 있으면 스트로크의 제한 없이 계속 전진하는 것이 특징이다. 전진유압잭과 후진유압잭을 동일 몸체로 제작할 수도 있으나 본 용도에서 후진유압잭은 별도의 작업 없이 전진유압잭세트 자중 및 그립과 조임강관의 물림을 풀어서 후진시키는 소형의 것, 그것도 2개만 있으면 되므로 전·후진 유압잭을 별도 제작한다.

말뚝의 이음 개소를 최소한으로 줄이면서도 왕복유압잭세트를 활용하여 긴 말뚝을 무소음 무진동 공법으로 박을 수 있고, 별도 재하시험을 거치지 않아도 시공 과정에서 말뚝지지력을 확인하는 효과가 있다.

연약지반에서는 말뚝 길이가 지나치게 길어지는 어려움이 있으나 본 공법에서는 말뚝 선단에 모르터 덩어리를 부착할 수 있어서 연약지반에서도 길지 않은 말뚝박기가 가능하다. 한편 일반적으로는 말뚝박기를 마치고 재하시험을 거친 후라야 기초공사를 진행하는 것이 정상적인 공사순서인데 본 공법에서는 기초공사를 선행하고 상부 골조공사를 진행하는 과정에서 눈비와 추위에 노출되지 않고도 여유롭게 말뚝공사를 시행할 수 있는 장점이 있으며, 따라서 공사비와 공기가 절감되는 효과가 있다.

도 1a는 기존 기초에 말뚝구멍을 뚫거나 강관슬리브를 묻어 콘크리트를 친 기초의 평면도와 단면도,

도 1b는 기초콘크리트에 말뚝구멍과 앵커볼트구멍을 뚫은 평면도와 단면도,

도 1c는 앵커볼트구멍에 앵커볼트를 끼우고 그라우팅을 한 평면도와 단면도,

도 1d는 기초콘크리트 말뚝구멍에 강관말뚝을 박아 앵커볼트와 베어링플레이트를 조립하고 강관말뚝과 베어링플레이트를 용접한 평면도와 단면도,

도 2a는 앵커볼트와 강봉을 커플러로 조립하여 2개의 후진유압잭을 끼우고 그립, 조임강관과 전진유압잭이 붙은 누름판으로 구성되는 전진유압잭세트를 끼우고 강관말뚝을 그립으로 물어 말뚝구멍에 끼워 관입한 평면도와 단면도,

도 2b는 강관말뚝을 삽입하는 형상의 사시도,

도 3a는 강관말뚝 선단에 선단슈를 용접하여 모르터를 주입한 강관말뚝,

도 3b는 강관말뚝 선단에 슈 가이드가 부착된 선단슈를 끼워 넣고 모르터를 주입하여 말뚝선단에 모르터 덩어리가 조성된 연약지반의 강관말뚝,

도 4는 베어링플레이트 상세이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

1 ; 기초 콘크리트 2 ; 말뚝구멍

2a ; 강관슬리브 3 ; 앵커볼트구멍

4 ; 앵커볼트 5 ; 강관말뚝

6 ; 베어링플레이트(bearing plate) 7 ; 충전재

8 ; 너트 9 ; 용접

10; 커플러(coupler) 11; 강봉

12; 왕복 유압잭 13; 누름판

14; 조임강관 15; 그립(grip)

16; 걸침턱 17; 선단슈(shoe)

18; 슈 가이드 19; 주입구

20; 주입호스 21; 모르터(mortar)

22; 선단 배출구 23; 후진유압잭

24; 전진유압잭 25; 전진유압잭세트

Claims (4)

1. 기초 콘크리트(1)에 강관말뚝(5)을 삽입할 수 있는 말뚝구멍(2)과 그 주변에 4개의 앵커볼트구멍(3)을 설치하는 단계 ;

   앵커볼트구멍에 앵커볼트(4)를 끼우고 충전재(7)를 주입하여 양생하는 단계 ;

   앵커볼트에 커플러(10)를 끼워 강봉(11)을 조립하고 강봉에 전진유압잭세트(25)를 끼운 후 4개의 그립(15)이 이루는 원형 구멍을 통해 강관말뚝을 말뚝구멍에 끼우는 단계 ;

   전진유압잭세트의 전진유압잭(24)에 유압을 가하여 그립이 강관말뚝을 표면을 물고 하향으로 밀어 넣고 그립이 기초 상단에 도달하면 전진유압잭(24)의 유압을 풀고 후진유압잭(23)에 유압을 가하여 그립이 미끄러지면서 후퇴하는 작업을 거듭하는 방법으로 강관말뚝을 관입시키는 단계 ;

   강관말뚝을 관입하는 과정에서 유압잭의 게이지가 소정의 값을 보이면 관입을 마치고 전진유압잭세트(25)를 해체하고 강봉(11)을 회수한 후 기초 상단에서 강관말뚝을 절단하여 앵커볼트에 베어링플레이트(6)를 가조립하고 베어링플레이트 중앙에 뚫은 강관말뚝 구멍 주변과 강관말뚝을 용접한 후 앵커볼트의 너트를 본조립 하는 단계 ;

   를 특징으로 하는 압입강관말뚝 공법.
2. 제 1항에 있어서,

   전진유압잭세트(25)는 4각형 누름판(13) 상단의 구석에 각각 4개의 전진유압잭(24)과 누름판 하단 대각방향으로 2개의 후진유압잭(23)으로 구성되며 ;

   상기 누름판 중앙에는 강관말뚝(5)을 물고 아래로 힘을 가하여 말뚝을 지반에 관입시키고 상향으로는 힘없이 미끄러질 수 있는 그립(15)과 모서리에는 4개의 강봉(11)이 관통되도록 하며 ;

   상기 그립은 외부가 원추대형인 강관 내부에 이빨을 가공하고 4등분한 강재로 제작하며, 상단에는 원통형 걸침턱(16)을 부착하고 누름판 하부에는 그립 주변을 아래로 미끄러져 내려갈 때는 그립을 조여주고 위로 올라갈 때는 조임을 풀어주도록 내경을 조절한 조임강관(14)을 그립 외부에 부착하여 강관말뚝(5) 주변을 상·하로 움직여 말뚝을 관입하도록 하는 것을 특징으로 하는 압입강관말뚝 공법.
3. 제 1항에 있어서,

   기초 콘크리트(1)에 강관말뚝(5)을 삽입시 지반이 소정의 내력을 확보하면 강관말뚝(5) 선단에 선단슈(17)를 용접하여 관입하도록 하며 ;

   상기 강관말뚝 상단의 주입구(19)로 모르터(21)를 주입하여 강관말뚝을 기초지정으로 활용하는 것을 특징으로 하는 압입강관말뚝 공법.
4. 제 1항에 있어서,

   기초 콘크리트(1)에 강관말뚝(5)을 삽입시 지반이 소정의 내력을 확보하지 못하면, 선단슈(17)에 슈 가이드(18)를 부착하여 강관말뚝 선단에 끼운 상태에서 관입하며 ;

   상기 강관말뚝의 선단에는 선단 배출구(22)를 사전에 가공하도록 하며 말뚝 상단에는 주입구를 설치하여 주입구(19)에 주입호스(20)를 끼워 모르터(21)를 고압으로 주입하면 말뚝선단의 선단슈(17)를 이탈시키면서 모르터가 배출되어 덩어리가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 압입강관말뚝 공법.