KR100833901B1 - 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법 및 그 방법으로시공한 확장 구근을 갖는 지중 파일 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 파일 중간부 또는 하단에 확장 구근이 형성된 지반 강화용 지중 파일 시공 방법에 관한 것으로, 지중에 천공된 구멍에 양생되지 않은 그라우트(grout)를 충전하고, 그라우트가 양생 되기 이전에 그라우트 내부에 금속분말과 금속염을 혼합한 급팽창금속혼합물을 삽입한 후 기폭하여, 부분 확공과 동시에 확공된 부분에 그라우트를 충전시키는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의하면, 파일 주위의 흙 다짐과 동시에 파일 하단 또는 중간 부위에 외측으로 돌출된 확장 구근을 형성할 수 있고, 확장 구근을 갖는 파일의 시공 기간 및 시공 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 일직선형 파일보다 파일 길이, 파일 직경 및 파일의 갯수를 줄이면서도 더 큰 지지력을 갖는 지중 파일을 제공할 수 있는 효과가 있다.
파일, 연약지반, 급팽창금속혼합물
Description
도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법을 단계별로 도시한 시공도이다.
도 2는 본 발명에 따른 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법에 사용되는 급팽창금속혼합물 캡슐의 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 오거 3 : 구멍
5 : 지반 7 : 그라우트
9 : 지중 파일 11 : 확장 구근
100 : 급팽창금속혼합물 캡슐 101 : 급팽창금속혼합물
103 : 카트리지 105 : 압력용기 몸체
107a, 107b : 압력용기 캡 109 : 저항선
111 : 전원공급선 113 : 촉발장치
본 발명은 지반 강화용 지중 파일 시공 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 파일 중간부 또는 하단에 확장 구근(擴張 球根)이 형성된 지반 강화용 지중 파일을 시공하는 방법에 관한 것이다.
연약지반 위에 건축물, 철도 레일, 교각 등 구조물을 축조함에 있어서는 구조물의 침하를 방지하고, 구조물에 대한 지지력을 확보하기 위하여 파일(pile) 기초를 많이 이용한다.
파일 기초를 시공함에 있어서는 미리 만들어진 콘크리트 파일 등을 항타(driving) 또는 매입하는 방법과, 현장에서 지반에 구멍을 뚫고 모르타르, 콘크리트, 용융유리, 아스팔트 등의 그라우트(grout)를 충전하여 지중 파일을 형성하는 방법이 사용된다. 본원 발명은 이 가운데 특히 현장에서 지반에 구멍을 뚫고 모르타르 등의 그라우트(grout)를 충전하여 지중 파일을 성형하는 방법에 관한 것이다.
본원 출원인은 한국 특허 등록 제10-0213577호와 한국 공개특허공보 공개번호 특2003-6083호에서 산화제인 금속염과, 상기 금속염에 의해 산화되면서 발열 반 응으로 부피가 증가되는 금속 분말과, 상기 금속 염과 금속 분말의 산화 반응을 촉진시키는 반응 촉진제로 이루어 진 급팽창금속혼합물을 개시하였다. 상기 금속염으로는 금속질산염, 금속산화염, 금속수산염, 금속탄산염, 금속황산염 등을 사용할 수 있고, 상기 금속 분말로는 알루미늄, 망간, 마그네슘 및 기타 환원제로 사용가능한 금속을 사용할 수 있다. 또한, 출원인은 한국 공개특허공보 공개번호 특2003-37707호에서 금속염과 금속분말이 함유된 급팽창금속혼합물에 오일 또는 무기방부제를 첨가한 상온에서의 산화 방지 처리된 급팽창금속혼합물을 개시하였다.
본원 발명에서 급팽창금속혼합물은 상기 한국 특허 등록 제10-0213577호 발명, 한국 공개특허공보 공개번호 특2003-6083호 발명 또는 한국 공개특허공보 공개번호 특2003-37707호 발명에 기재된 급팽창금속혼합물을 의미한다.
상기 급팽창금속혼합물은 밀폐된 공간 내에서 고온의 불꽃(스파크) 또는 쇼크열로 촉발시키면 순식간에 초고온의 산화, 환원 반응이 연쇄적으로 일어나 초고압의 금속 및 금속산화물 증기를 형성하여 급팽창하고, 급팽창후 팽창 부피와 팽창압이 일정수준에 도달하면 팽창 에너지를 잃고 즉시 액상 또는 고상의 금속 또는 금속산화물로 수축한다. 이 것은 팽창계가 적으므로 좁은 공간 내에서만 위력을 발휘하기 때문이다. 이러한 급팽창금속혼합물의 성질을 이용하면, 무소음, 무진동, 무비산의 파암(破岩) 작업이 가능한 것이다.
본원 출원인은 상기 급팽창금속혼합물의 반응 촉발 방법 및 그 장치를 개발하여 한국 특허 등록 제10-283505호 및 제10-442551호로 특허를 받았다. 한국 특허 등록 제10-283505호 및 제10-442551호 발명은 급팽창금속혼합물에 함몰된 도선(저항선)에 고전압을 인가하여 도선이 급열하면서 불꽃(스파크)을 일으키게 하고, 이 불꽃(스파크)에 의하여 급팽창금속혼합물을 점화시키는 것이다.
출원인은 지금까지 상기 급팽창금속혼합물 및 그 촉발 장치를 이용하여 국내 및 해외에서 많은 파암 작업을 실시해 왔다. 본원 발명은 상술한 급팽창금속혼합물의 새로운 이용 발명이다.
도 1a 내지 도 1c는 종래 지중 파일 시공에 사용된 전형적인 방법을 도시한 것이다. 종래의 종래 지중 파일 시공 방법에 따르면, 우선 오거(1)에 의하여 천공을 하여 목표 심도에 이르는 일직선형 구멍(3)을 형성하고 유압펌프 등을 이용하여 모르타르, 콘크리트, 용융유리, 아스팔트 등의 그라우트(grout)를 충전한 후 양생한다. 이렇게 형성된 지중 파일은 일직선형 형태를 가지므로, 구조물 지지력이 매우 떨어진다. 따라서, 일직선형 구멍을 암반에 도달할 때까지 천공하거나 많은 수의 구멍을 천공하는 방법을 선택한다. 구멍의 깊이가 깊거나 구멍의 수가 많아 지면 그 만큼 그 구멍에 채워져야 하는 그라우트의 량도 많아져서 비경제적임은 자명하다. 뿐만 아니라, 오거(1)에 의한 천공은 일직선형 구멍(3) 만을 형성할 뿐만 주위 토지에 대한 흙다짐 효과가 없다. 따라서, 지중 파일이 형성된 후에도 지중 파 일의 주변 지반은 연약한 상태를 그대로 유지하는 단점이 있다.
상술한 종래 기술을 개선하고자 안출된 본 발명은 파일 주위의 흙 다짐과 동시에 파일 하단 또는 중간 부위에 외측으로 돌출된 확장 구근을 형성할 수 있는 지중 파일 시공 방법 및 그 방법으로 시공한 확장 구근을 갖는 지중 파일을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 적은 비용으로 짧은 시간에 지지력이 큰 지중 파일을 시공하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 일직선형 파일보다 파일 길이, 더 파일 직경 및 파일의 갯수를 줄이면서도 더 큰 지지력을 얻을 수 있는 확장 구근을 갖는 지중 파일을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명에 따른 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법은 지중에 천공된 구멍에 양생되지 않은 그라우트(grout)를 충전하고, 그라우트가 양생 되기 이전에 그라우트 내부에 금속분말과 금속염을 혼합한 급팽창금속혼합물을 삽입한 후 기폭하여, 부분 확공(擴孔)과 동시에 확공된 부분에 그라우 트를 충전시키는 것을 특징으로 한다.
상기 급팽창금속혼합물은 강철재 압력용기, 섬유강화 프라스틱 압력용기 또는 폴리카보네이트 압력용기 내부에 수용되어 상기 그라우트 내부에 삽입되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명에 따른 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법을 단계별로 도시한 시공도를, 도 2는 본 발명에 따른 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법에 사용되는 급팽창금속혼합물 캡슐의 단면도를 각각 나타낸다.
우선 도 2를 참조하여, 본 발명에 사용되는 급팽창금속혼합물(101) 및 그 급팽창금속혼합물이 수용된 캡슐(100)을 설명한다.
상기 급팽창금속혼합물(101)은 금속 분말과, 상기 금속 분말을 자신이 가지고 있는 산소 원자에 의하여 고온에서 산화시키는 금속염을 질량비 0.1:99.9 - 99.9:.1의 비율로 혼합한 혼합물이다. 상기 금속염은 금속질산염, 금속과염소산염, 금속과산화염, 금속산화염, 금속수산염, 금속탄산염, 금속황산염 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다. 또한, 상기 금속 분말은 알루미늄(A1), 나트륨(Na), 칼륨(K) 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 망간(Mn), 바륨(Ba), 크롬(Cr), 규소(Si) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 급팽창금속혼합물(101)은 PVC(폴리염화비닐) 등 일반 합성수지 등으로 제작된 카트리지(103)에 함입된 후, 다시 밀폐된 강철재 압력용기(105, 107a, 107b), 섬유강화 프라스틱 압력용기 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 압력용기 내부에 수용되어 캡슐(100) 형태로 만들어 지는 것이 바람직하다. 상기 섬유강화 프라스틱으로는 탄소섬유강화 프라스틱과 유리섬유강화 프라스틱을 예시적으로 들 수 있다. 강도면에서 강철재 압력용기와 큰 차이가 없으면서 성형성이 좋은 고강도 프리스틱인 탄소섬유강화 프라스틱이나 유리섬유강화 프라스틱 또는 폴리카보네이트를 강철재 대신 사용할 수 있는 것이다. 상기 급팽창금속혼합물(101)이 산화, 환원 반응하기 위해서는 고온의 산화 촉발 온도 뿐만 아니라 어느 정도 압력이 유지된 밀폐 공간이 필요하기 때문에 상기한 고강도 재질의 압력용기를 사용하는 것이다. 도 2에는 상기 압력용기를 관체(管體))의 압력용기 몸체(105)와, 상기 압력용기 몸체(105)의 양단을 폐색하는 압력용기 캡(107a, 107b)으로 구성한 실시 예를 도시하고 있으나, 상기 압력용기 구조가 이에 한정되는 것은 아니며, 내압 밀폐(耐壓 密閉) 구조 이면 어떤 구조이든지 무방하다.
상기 급팽창금속혼합물(101) 내에는 산화반응을 촉발할 수 있는 전기 스파크를 발생하는 저항선(109)이 함몰되며, 상기 저항선(109)은 전원공급선(111)에 연결되고, 상기 전원공급선(111)은 상기 캡슐(100)의 카트리지(103) 및 압력용기(107a, 107b)를 관통하여 외부로 인출된 후 고압의 순간 전압을 발생하는 촉발장치(113)에 연결된다. 상기 촉발장치(113)에 의하여 상기 저항선(109)에 고전압을 인가하면 급열 및 용해되면서 대전류의 방전을 야기하고, 이 방전에 의하여 불꽃(스파크)이 발생하게 되어 급팽창금속혼합물이 기폭하게 된다.
이하에서는 도 1a 내지 도 1g를 참조하면서, 상술한 구성 및 작용을 갖는 급팽창금속혼합물 캡슐(100)을 이용하여 확장 구근을 갖는 지중 파일을 시공하는 방법을 상세히 설명한다.
도 1a은 오거(1)에 의하여 지반(5)에 구멍(3)을 천공하는 공정을 나타내고, 도 1b는 천공된 구멍(3)에 모르타르, 콘크리트, 용융유리, 아스팔트 등 그라우트(grout)를 충전하는 공정을 나타낸다. 도 1b에는 개략적으로 도시하였지만, 상기 그라우트(7)는 펌프에 의하여 가압하면서 호스에 의하여 구멍(3)에 충전하는 것은 공지의 사항이다.
도 1c에 도시된 바와 같이 그라우트(7)가 지면 부근까지 충전되면, 도 1d에 도시된 바와 같이 상기 급팽창금속혼합물 캡슐(100)을 필요한 갯수 만큼 전원공급선(111)으로 연결하여 그라우트(7) 내부에 확장 구근을 형성하고자 하는 높이까지 투하한다. 상기 급팽창금속혼합물 캡슐(100)의 압력용기(105, 107a, 107b)를 강철재로 성형할 경우 자중에 의하여 액체화된 그라우트(7) 내부로 쉽게 삽입되나, 압력용기가 섬유강화프라스틱 또는 폴리카보네이트인 경우에는 긴 장대 등의 도구를 사용하여 삽입할 수 있다. 파일에 높이를 달리하여 2개 이상의 확장 구근을 형성하고자 할 경우에는 그 수만큼의 급팽창금속혼합물 캡슐(100)을 높이를 달리하여 삽입한다.
상기 그라우트(7)에 내부에 급팽창금속혼합물 캡슐(100)의 삽입이 완료되면, 도 1e에 도시된 바와 같이 전원공급선(111)에 촉발장치(113)를 연결하여 고압(3,000V 이상)의 전원을 투입하면, 상기 급팽창금속혼합물 및 그 것을 수용한 캡슐(100)이 기폭 및 팽창하여, 도 1f에 도시된 바와 같이, 급팽창금속혼합물 캡슐(100) 주위의 지반(5)이 확공되면서 그 확공된 부분에 그라우트(7)가 순식간에 충전된다. 이 과정에서 확공된 부분의 주변 지반이 견고하게 다져진다. 또한, 구멍(3) 상부에는 확공된 부분에 충전된 그라우트(7)의 부피만큼 빈 공간이 발생한다. 화약 등 다른 기폭제를 사용할 경우에는 폭파 압력에 의하여 상기 그라우트(7)의 대부분이 구멍 밖으로 비산하여 토출되어 버리나, 본 발명에 따른 급팽창금속혼합물(101)을 사용할 경우 급팽창금속혼합물(101)이 일정한 부피까지 급팽창 후 즉시 수축하므로, 그라우트(7)가 외부로 전혀 토출되지 않고 확공 부분을 충전하게 되는 것이다.
도 1g에 도시된 바와 같이, 구멍(3) 상부에 발생한 공간을 그라우트(7)로 채운 후 양생하면, 하단 또는 중간부위에 확장 구근이 형성된 지중 파일을 얻게 된다.
상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 파일 주위의 흙 다짐과 동시에 파일 하단 또는 중간 부위에 외측으로 돌출된 확장 구근을 형성할 수 있고, 확장 구근을 갖는 파일의 시공 기간 및 시공 비용을 획기적으로 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 일직선형 파일보다 파일 길이, 파일 직경 및 파일의 갯수를 줄이면서도 더 큰 지지력을 갖는 지중 파일을 제공할 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명을 첨부한 도면에 도시된 실시 예에 의하여 설명하였으나, 본 발명의 보호 범위를 이에 한정하고자 하는 것은 아니며, 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 기재된 사항 및 이에 균등한 모든 실시 예에 미친다고 해석하여야 한다.
Claims (6)
- 지중에 천공된 구멍에 양생 되지 않은 그라우트(grout)를 충전하고, 그라우트가 양생 되기 이전에 그라우트 내부에, 금속분말과 금속염을 혼합한 급팽창금속혼합물을 기폭하여 부분 확공과 동시에 확공된 부분에 그라우트를 충전시킴에 있어서,상기 급팽창금속혼합물은 일반합성수지 카트리지(103)에 함입한 후, 급팽창금속혼합물의 기폭에 필요한 초기 압력 조건을 만들어 주기 위하여 이를 다시 밀폐된 강철재 압력용기(105, 107a, 107b), 섬유강화 프라스틱 압력용기 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 압력용기에서 선택된 내압(耐壓) 밀폐 압력용기 내에 삽입한 것을 특징으로 하는 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 급팽창금속혼합물은 금속 분말과, 상기 금속 분말을 자신이 가지고 있는 산소 원자에 의하여 고온에서 산화시키는 금속염을 질량비 0.1:99.9 - 99.9:.1의 비율로 혼합한 혼합물인 것을 특징으로 하는 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속염은 금속질산염, 금속과염소산염, 금속과산화염, 금속산화염, 금속수산염, 금속탄산염, 금속황산염 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 금속 분말은 알루미늄(A1), 나트륨(Na), 칼륨(K) 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 망간(Mn), 바륨(Ba), 크롬(Cr), 규소(Si) 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 확장 구근을 갖는 지중 파일 시공 방법.
- 제 1 항 또는 제3항 내지 제 5 항 중 어느 1항의 시공 방법에 의하여 시공된 확장 구근을 갖는 지중 파일.
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