KR100857890B1

KR100857890B1 - 지반보강공법

Info

Publication number: KR100857890B1
Application number: KR1020070005008A
Authority: KR
Inventors: 정규점; 신병우; 정윤진; 강금식; 박영준; 박재만; 김철영; 윤성일; 어평경; 이화용
Original assignee: 박재만; 김철영; 박영준
Priority date: 2007-01-17
Filing date: 2007-01-17
Publication date: 2008-09-10
Also published as: KR20080067732A; WO2008088172A1

Abstract

본 발명은 지반을 보강하기 위한 지반보강공법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 지반보강공법은, 구조물이 축조될 지반을 하방향으로 천공하여 천공홀을 형성하는 천공단계와, 천공홀에 그라우팅재를 충전시키는 충전단계와, 금속산화물과 금속분말로 이루어진 금속혼합물에 에너지를 전달하여 테르밋 반응을 일으키며, 이 테르밋 반응에 따른 팽창력에 의하여 상기 천공홀의 하단부를 확장시키는 확공단계 및 천공홀에 충전된 그라우팅재가 경화되는 양생단계를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

테르밋, 그라우팅재, 천공홀

Description

지반보강공법{Method of reinforcing ground}

도 1은 종래의 지반보강공법을 설명하기 위한 개략적 도면이다.

도 2는 종래의 펄스방전 말뚝공법을 설명하기 위한 개략적 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지반보강공법에 대한 개략적 흐름도이다.

도 4는 도 3에 도시된 지반보강공법을 설명하기 위한 개략적 구성도이다.

도 5는 도 4에 도시된 전극봉을 설명하기 위한 일부 절개 정면도이다.

도 6은 도 4에 도시된 펄스전원공급장치의 개략적 구성도이다.

도 7은 펄스방전에 의한 천공홀의 다짐작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략적 흐름도이다.

도 9는 도 8에 도시된 다른 실시예를 설명하기 위한 개략적 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,200 ... 지반보강공법 10 ... 천공단계

20 ... 충전단계 30 ... 장치삽입단계

40 ... 확공단계 50 ... 천공홀 다짐단계

60 ... 지지력 보강단계 65 ... 앵커설치단계

70 ... 양생단계 80 ... 긴장정착단계

190 ... 전극봉 199 ... 펄스전원공급장치

311 ... 앵커본체 312 ... 인장재

e ... 지반 g ... 그라우팅재

h ... 천공홀 m ... 금속혼합물

s ... 지지력 보강부재

본 발명은 구조물이 축조될 지반을 강화하기 위한 지반보강공법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지반에 대구경의 천공홀을 형성하여 그라우팅재를 충전 및 경화시켜 지반의 지지력을 강화시키는 공법에 관한 것이다.

1990년대 이후 말뚝기초의 항타로 인한 지반진동 및 소음 등 민원발생사례가 급증하면서 선굴착에 의한 저소음, 저진동공법, 특히 SIP(soil cement injected precast pile)공법의 적용이 보편화 되었다. 이러한 SIP공법이 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 상기 SIP공법은 말뚝직경보다 100mm 정도 큰 직경을 갖는 연속 날개 또는 교반용 날개를 부착한 오거(Auger)로 지반을 선 굴착한 후 굴착공내에 시멘트 밀크(cement milk)를 주입하고 오거 날개를 상하로 회전시켜 굴착공 내의 토사와 교반한 후 말뚝을 삽입하고 드롭(drop) 또는 하이드로릭 해머(hydraulic hammer)로 최종 경타방식으로 말뚝을 시공하는 방식이다. 위 SIP공법은 종래의 직항타 공법에 비하여는 상대적으로 덜 하지만 말뚝을 최종적으로 경 타함으로써 지반진동이 발생한다는 문제점이 있었다. 또한, 선단지지력과 주면마찰력이 우수하지 못해 천공홀을 깊이 형성해야 되는 문제점이 있엇다. 즉, SIP공법에서는 이른바 N치가 50 이상이 되는 풍화암층까지 천공하여야 한다. 이에 따라 근입깊이가 매우 깊게 되므로 비경제적이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 출원인에 의하여 발명된 펄스방전말뚝공법이 도 2에 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 종래의 펄스방전말뚝공법은 오거스크류와 케이싱스크류를 이용하여 지반에 천공홀을 형성한 후, 이 천공홀에 몰탈을 충전한다. 이후, 펄스전원공급장치와 전극봉으로 이루어진 펄스방전장치에 전원을 인가하여 펄스방전을 행하고, 펄스방전에 의한 팽창력은 천공홀의 내주면을 압밀하여 천공홀을 확장(확공)시킨다. 펄스방전에 의한 확공은 천공홀의 하단부에서만 진행하는 것이 아니라 심도를 달리하여 복수의 지점에서 행한다. 이후, 복수의 철근을 삽입시키고, 소정의 시간이 경과하면 몰탈이 양생된다. 상기한 바와 같은 방식으로 형성된 말뚝에는 그 외주면에 볼록한 구근이 만들어짐으로써 주면마찰력이 증대된다.

그러나, 종래의 펄스방전말뚝공법은 천공홀의 직경이 일정 길이 이하, 대략 200mm ~ 300mm인 경우에 효과적으로 사용할 수 있는 방법이며, 천공홀의 직경이 대략 400mm 이상 되는 경우 경제적이지 못하다는 문제점이 있다. 즉, 종래의 펄스방전말뚝공법은 펄스방전에 의하여 천공홀을 확장함으로써 구근을 형성해야 하는데, 천공홀의 직경이 큰 경우 구근을 형성하기 위해서는 종래에 비하여 훨씬 많은 양의 전기에너지가 소요되어 비경제적이라는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 대구경의 천공홀을 형성하여 말뚝을 형성하는 경우에도 선단지지력과 주면마찰력을 높게 확보할 수 있으며, 소음 및 진동을 저감할 수 있도록 구조가 개선된 지반보강공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기한 바와 같은 지반보강공법에 앵커가 채용할 수 있는 공법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지반보강공법은, 구조물이 축조될 지반을 하방향으로 천공하여 천공홀을 형성하는 천공단계와, 천공홀에 그라우팅재를 충전시키는 충전단계와, 금속산화물과 금속분말로 이루어진 금속혼합물에 에너지를 전달하여 테르밋 반응을 일으킴으로써 상기 천공홀의 하단부를 확장시키는 확공단계 및 상기 천공홀에 충전된 그라우팅재가 경화되는 양생단계를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 확공단계에서는, 상호 이격되어 있는 양전극과 음전극을 구비하는 펄스방전장치에 상기 금속혼합물을 부착시키고, 상기 펄스방전장치에 펄스전원을 공급하여 펄스방전이 이루어지게 함으로써 이 펄스방전에 의한 에너지가 상기 금속혼합물에 에너지를 전달하여 테르밋 반응을 일으키는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따르면, 상호 이격되어 있는 양전극과 음전극을 구비하는 펄 스방전장치를 상기 천공홀에 삽입한 후 상기 펄스방전장치를 상기 천공홀의 높이 방향으로 따라 소정 간격으로 상승시키면서 펄스방전을 수행하여, 이 펄스방전에 의한 팽창력이 상기 천공홀의 내주면을 외측으로 가압함으로써 펄스방전이 행해진 영역에서의 천공홀의 내주면을 공고하게 다지는 천공홀 다짐단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 일방향으로 길게 형성되어 있는 지지력 보강부재를 상기 천공홀에 삽입시켜 지반의 지지력을 강화시키는 지지력 보강단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 지반보강공법은, 구조물이 축조될 지반을 하방향으로 천공하여 천공홀을 형성하는 천공단계와, 상기 천공홀에 그라우팅재를 충전시키는 충전단계와, 금속산화물과 금속분말로 이루어진 금속혼합물에 에너지를 전달하여 테르밋 반응을 일으킴으로써 상기 천공홀의 하단부를 확장시키는 확공단계와, 앵커본체와, 일단이 상기 앵커본체에 결합된 인장재를 구비하는 앵커를 상기 천공홀에 삽입시키는 앵커설치단계와, 상기 천공홀에 충전된 그라우팅재가 경화되는 양생단계 및 상기 그라우팅재가 경화된 후 상기 앵커의 인장재를 소정의 하중으로 긴장시켜 정착시키는 인장정착단계를 포함하여 이루어진 것에 특징이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지반보강공법(100)을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지반보강공법에 대한 개략적 흐름 도이며, 도 4는 도 3에 도시된 지반보강공법을 설명하기 위한 개략적 구성도이고, 도 5는 도 4에 도시된 전극봉을 설명하기 위한 일부 절개 정면도이며, 도 6은 도 4에 도시된 펄스전원공급장치의 개략적 구성도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지반보강공법(100)은 천공단계(10), 충전단계(20), 확공단계(40)를 구비한다.

상기 천공단계(10)는 건물 등 구조물이 축조될 지반(e)을 하방향으로 천공하여 천공홀(h)을 형성하는 단계이다. 천공홀(h)의 직경은 대략 500mm로 형성한다. 상기 천공홀(h)은 다양한 장비에 의하여 형성시킬 수 있지만, 오거스크류(미도시)와 오거스크류의 외측에 결합되는 케이싱 스크류(미도시)를 사용한다. 직경이 작은 천공홀을 굴착하는 경우에는 오거스크류만으로 충분하지만, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 그 직경이 대략 500mm이므로 오거스크류와 케이싱 스크류를 함께 사용한다. 또한, 지반의 토질에 따라 굴착, 배토시 천공홀이 붕괴될 수 있는바 케이싱 스크류를 사용하는 것이 바람직하다. 오거스크류(미도시)와 케이싱 스크류(미도시)는 상호 다른 방향으로 회전 즉, 역회전하면서 지반을 굴진하며, 굴진과 동시에 오거스크류의 스크류부를 통해 굴착된 토사가 지상으로 배출됨으로써 천공홀(h)이 형성된다.

한편, 천공홀(h)은 후술할 지지력 보강부재(s)가 무엇이 채용되는가에 따라 그 방향이 설정된다. 기성말뚝이 지지력 보강부재로 채용되는 경우 천공홀(h)을 수직한 방향으로 형성하지만, 앵커가 채용되는 경우 경사지게 형성하는 것이 일반적이다. 여기서 수직한 방향이라고 함은 천공홀(h)의 수직도가 1/75 이내인 경우 즉, 밑변이 1일 때 높이가 75 이상인 경우를 포함하는 의미이다. 천공깊이는 축조될 구조물의 하중, 지반의 종류 등에 의하여 달라지지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지반보강공법에서는 천공깊이를 SIP공법 등 기존의 선굴착공법에 의한 천공깊이보다 낮게 할 수 있어 경제적이라는 장점이 있다. 예컨대, 기존의 선굴착후 기성말뚝을 매입하는 공법이 이른바 표준관입시험에 의한 N치 50을 기준으로 천공깊이를 설정한다면, 본 발명에 따른 실시예에서는 N치가 50 미만으로 천공깊이를 설정할 수 있다. 이렇게 천공깊이를 낮게 설정할 수 있는 이유는, 후에 상술하겠지만, 천공홀(h)의 하단부가 넓게 확공됨으로써 주면마찰력과 선단지지력을 향상시킬 수 있기 때문이다.

상기 충전단계(20)에서는 천공단계(10)에서 형성된 천공홀(h)에 그라우팅재(g)를 충전시킨다. 상기 그라우팅재(g)로는 시멘트 페이스트, 몰탈, 시멘트 밀크, 콘크리트 등 다양한 것이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 몰탈(g)이 사용된다. 본 실시예에서, 천공 후 오거스크류 및 케이싱 스크류가 인발되면서, 몰탈(g)을 충전시킨다. 즉, 오거스크류(미도시)와 케이싱 스크류(미도시)가 인발되면서, 오거스크류의 내측에 마련되어 있는 파이프를 통해 몰탈(g)을 주입한다. 도 4에는 이해를 용이하게 하기 위하여 레미콘 차량(c)에 의하여 몰탈(g)을 주입하는 것으로 도시하였으며, 오거스크류를 통해 몰탈을 주입하지 않고 레미콘 차량(c) 등에 의하여 주입하는 것도 물론 가능하다.

본 실시예에서, 상기 몰탈(g)은 모래와 시멘트와 응력혼화재와 유동화제를 구비하는 드라이 몰탈과 물을 혼합하여 이루어져 있다. 상기 드라이 몰탈의 조성 비는 상기 모래 100 중량부에 대하여 시멘트 60 ~ 66.66 중량부, 상기 모래 100 중량부에 대하여 응력혼화재 5 ~ 6.66 중량부, 상기 모래 100 중량부에 대하여 유동화제 0.4 ~ 0.46 중량부로 되어 있다. 또한, 상기 물은 상기 드라이 몰탈 100 중량부에 대하여 16 ~ 22 중량부로 혼합한다. 본 실시예에서는 상기 드라이 몰탈의 조성비는 상기 모래 100 중량부에 대하여 시멘트 61.66 중량부, 상기 모래 100 중량부에 대하여 응력혼화재 5 중량부, 상기 모래 100 중량부에 대하여 유동화제 0.46 중량부이며, 상기 물은 상기 드라이 몰탈 100 중량부에 대하여 물 18 ~ 20 중량부로 혼합하여 사용한다. 상기 응력혼화재는 Al₂O₃와 SiO₂와 Fe₂O₃와 CaO와 MgO 및 SO₃로 이루어져 있다. 상기한 조성비로 혼합되어 있는 몰탈(g)은 양생시 450Kg/Cm²의 압축강도를 가진다.

충전단계(20)가 완료되면 펄스방전장치를 천공홀(h)에 삽입시키는 장치삽입단계(30)를 행한다. 상기 장치삽입단계(30)는 후술할 펄스방전장치를 천공홀(h)에 삽입하는 단계이다. 보다 상세하게 설명하면, 펄스방전장치는 펄스전원을 공급하기 위한 펄스전원공급장치(199)와 이 펄스전원공급장치(199)에 도선(l)에 의하여 전기적으로 연결되어 있는 전극봉(190)으로 이루어지는데, 장치삽입단계(30)에서는 펄스전원공급장치(199)의 부하인 전극봉(190)을 상기 몰탈(g)이 충전된 천공홀(h)의 하단부로 삽입시킨다. 물론 펄스전원공급장치(199)는 천공홀(h)의 외부에 배치시킨다. 상기 전극봉(190)은 내부전극(191), 절연부재(192) 및 외부전극(193)을 구비한다. 상기 내부전극(191)은 일방향으로 길게 배치되어 펄스전원공급장치(199)의 양전극과 전기적으로 연결되어 있다. 이 내부전극(191)의 외주면은 절연부재(192)에 의하여 감싸진다. 다만, 첨예한 형상으로 이루어진 내부전극(191)의 선단부(191a)는 절연부재(192)에 의하여 감싸지지 않고 외부로 노출된다. 상기 외부전극(193)은 절연부재(192)의 외주면을 감싸며 결합되며, 펄스전원공급장치(199)의 음전극과 전기적으로 연결되어 있다. 이 외부전극(193)의 선단부(193a)와 내부전극(191)의 선단부(191a)는 소정 간격으로 서로 이격되어 있다. 후술하겠지만 외부전극과 내부전극 사이에서 플라즈마 방전이 일어날 때, 전극봉(190)의 내부전극(191)은 양전극으로 작용하며 외부전극(193)은 음전극으로 작용한다.

한편, 장치삽입단계(30)에서는 상기 전극봉(190)의 선단부에 금속혼합물(m)을 부착시킨다. 이 금속혼합물(m)은 비닐 등 방수가 가능한 수용부재(p)에 수용되어 전극봉(190)에 부착됨으로써 완전히 밀봉된다. 이에 따라, 상기 몰탈(g) 등이 금속혼합물(m)의 내부로 침투할 수 없다. 상기 금속혼합물(m)의 조성 등 자세한 사항은 후술할 확공단계(40)에서 설명하기로 한다.

상기 확공단계(40)에서는 상기 금속혼합물(m)에 에너지를 전달하여 이 금속혼합물(m)에 테르밋 반응(thermite reaction)을 일으킴으로써 천공홀(h)의 하단부를 확장시킨다.

우선 금속혼합물(m)에 대하여 설명한다. 상기 금속혼합물(m)은 금속산화물과 금속분말로 이루어진다. 금속산화물로는 제1산화구리(CuO), 제2산화구리(Cu₂O), 산화철(FeO), 삼산화이철(Fe₂O₃), 사산화삼철(Fe₃O₄), 이산화망간(MnO₂), 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 등이 사용될 수 있다. 또한, 금속분말로는 알카리금속, 알카리토금속, 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 구리(Cu) 등 다양한 종류의 금속이 사용가능 하다. 본 실시예에서, 금속분말로는 단위질량당 반응열이 상대적으로 우수한 알루미늄(Al)이 채용되며, 금속산화물로는 상대적으로 경제적인 제1산화구리(CuO)가 채용된다. 그 혼합비는 알루미늄 1g 당 제1산화구리 4g ~ 5g으로 혼합한다.

또한, 상기한 금속혼합물(m) 이외에 다른 기능성 물질이 첨가될 수 있다. 예컨대, 테르밋 반응의 반응속도를 증가시키고 완전반응을 유도하기 위하여 이산화규소(SiO2), 삼산화알루미늄(Al2O3), 삼산화이철(Fe2O3), 산화칼슘 등과 같은 저비중, 초경량의 미소입자를 주성분으로 하여 발열량이 높은 알루미늄 분말이 혼합되어 있는 반응속도 증강제가 첨가될 수 있다.

또한, 소음감소 및 불완전 반응시 발생되는 화염으로 인한 유폭현상을 방지하고 공발현상을 억제하도록 알카리 금속 또는 알카리토금속의 할로겐화물, 산소산염 등과 염화나트륨을 물에 용해한 전해유체물질이 첨가될 수도 있다. 상기 전극봉(190)에 부착되는 금속혼합물(m)의 전체 양은 천공홀(h)의 직경과 앵커확장체(30)의 재질 및 두께에 따라 달라질 수 있으며 대략 수십g ~ 수백g 정도이다.

상기한 바와 같은 금속혼합물(m)에 의하여 발생되는 테르밋 반응이란 금속산화물이 알루미늄과 같은 금속분말에 의하여 산소를 빼앗기는 반응을 총칭하는 것으로, 금속산화물과 알루미늄 분말의 혼합물로 실용화되어 있는 것을 테르밋 제라 한다. 금속산화물과 금속분말로 된 테르밋 제 금속혼합물(m)을 점화하는 등 에너지를 가하게 되면, 매우 강한 화학 작용으로서 알루미늄은 제1산화구리를 환원하여 유리시키고 알루미나가 된다. 이 과정에서 매우 짧은 시간(수십 μsec)에 대략 3000℃ 의 고반응열과 금속증기압이 발생하며, 1207kJ의 에너지가 발생된다. 테르밋 반응식은 이하와 같다.

2Al + 3CuO + ΔE → Al₂O₃ +1207kJ

상기 ΔE는 테르밋 반응을 유도하기 위한 에너지로서, 대략 알루미늄 1g당 10kJ 정도가 필요하다. 위 테르밋 반응을 유도하기 위한 에너지는 후술할 전원공급장치(41)에 의하여 전기적으로 부여되거나 화약과 같은 비전기적 방식에 의하여 부여될 수도 있다. ΔE의 에너지가 한 번 부여되면, 상기 금속혼합물(m)은 이른바 자체 유지 반응(self sustain reaction)을 통해 연쇄적으로 테르밋 반응을 수행하게 된다.

상기한 바와 같이, 테르밋 반응이 연쇄적으로 발생하면 이에 따른 팽창력이 발생하게 되는데, 이 팽창력은 천공홀(h)의 내주면을 압밀시킴으로써 천공홀(h)의 하단부는 확장된다. 이에 따라, 테르밋 반응이 발생된 하단부는 천공홀(h)의 다른 부분에 비하여 그 직경이 훨씬 크게 형성된다. 또한, 천공홀(h)이 확장되면 이 확장된 부분으로 몰탈(g)이 유입된다.

한편, 상기한 바와 같이 테르밋 반응을 발생시키기 위해서는 금속혼합물(m)에 ΔE의 에너지를 부여하여야 하는데, 상기 펄스방전장치가 이를 수행한다. 즉, 상기 펄스전원공급장치(199)에 전원이 인가되면 전극봉(190)의 내부전극(191)의 선단부(191a)와 외부전극(193)의 선단부(193a) 사이에는 펄스방전이 행해지고, 이 펄스방전에 의한 에너지가 테르밋 반응을 일으키는 ΔE의 에너지로 작용한다. 펄스전원공급장치(199)의 구성 및 작용과 펄스방전에 대해서는 후술할 천공홀 다짐단계(50)에서 상세하게 설명하기로 한다.

천골홀 다짐단계(50)는 확공단계(40) 후에 행해지는 것으로서, 펄스방전에 의하여 천공홀(h) 내주면을 가압하여 공고하게 다진다. 즉, 상기 펄스전원공급장치(199)에 전원을 인가하여 전극봉(190)의 선단부에 펄스방전이 일어나게 한다. 이 펄스방전에 의한 팽창력은 천골홀(h)의 내주면을 외측으로 가압한다. 펄스방전에 의한 팽창력은 천공홀(h)의 직경을 확장시킬 수는 없지만 천공홀(h)의 내주면을 공고하게 다지는 작용을 수행하게 된다. 한편, 천공홀 다짐단계(50)에서는 그 다짐작용이 천공홀(h)의 하단부에서만 이루어지는 것이 아니라, 천공홀(h) 전체에 걸쳐 이루어진다. 즉, 상기 전극봉(190)을 천공홀(h)의 하단부로부터 점차 상승시켜가면서, 즉 심도를 달리하여 펄스방전을 행한다. 이에 따라, 천공홀(h) 내주면 전체가 공고히 다져지게 된다.

이하, 펄스전원공급장치(199)와 펄스방전에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 펄스전원공급장치는 배전부(110), 충전부(120), 에너지저장부(130), 덤프부(140), 충전레벨측정부(150), 제어부(160), 스위치부(170) 및 송전부(180)를 구비한다.

상기 충전부(120)는 배전부(110)로부터 입력되는 교류입력전원을 승압한 후 정류한다. 상기 에너지저장부(130)는 충전부(120)로부터 제공된 전원을 인가받아 고압으로 충전한다. 이를 위해 에너지저장부(130)에는 캐패시터(미도시)가 구비된다. 캐패시터의 용량은 펄스파워시스템(100)의 충전전압과 출력에너지의 크기에 따라 결정되며, 복수의 캐패시터가 연결된 캐패시터 뱅크의 형태로 구현될 수 있다. E=½CV²이므로, 충전전압이 10kV일 때 60kJ의 출력에너지를 얻기 위해서는 캐패시터의 용량은 1.2mF으로 결정된다. 에너지저장부(130)에 충전된 전압은 용도에 따라 다르나 대개 수십 kV 정도이며, 이 전압은 스위치부(170)의 스위칭동작에 의해 짧은 시간(예를 들면, 1ms) 동안 펄스전원공급장치에 연결되어 있는 부하인 전극봉(190)에 인가되어 고압의 펄스를 전극봉(190)에 공급한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지반보강공법(100)에서는 대략 충전전압을 10kV로 하며, 60kJ의 출력에너지를 송출한다. 덤프부(140)는 에너지저장부(130)에 구비된 커패시터와 병렬로 설치되며, 서로 직렬연결된 덤프릴레이(미도시)와 덤프저항(미도시)로 구성된다. 상기 덤프릴레이는 제어부의 제어신호에 의해 단속 및 개방되며, 시스템의 안전을 위하여 작동 전후 에너지저장부(130)에 구비된 커패시터에 잔류하는 전하를 덤프(dump) 방전시킨다. 덤프저항은 방전전류를 제한하는 역할을 한다. 상기 충전레벨측정부(150)는 에너지저장부(130)에 구비된 캐패시터에 충전된 전압을 측정한다. 상기 제어부(160)는 트리거신호를 출력하여 스위치부(170)의 스위칭동작을 제어한다. 충전전압이 10kV일 때 1ms의 폭을 갖는 펄스에 의해 부하에 60kJ의 에너지를 전달하기 위해서는 적어도 6초의 충전시간이 필요하다. 따라서 스위치부(170)의 동작주기는 6초보다 크게 설정(예를 들면, 7초)되어야 한다. 스위치부(170)는 제어부(160)의 트리거신호에 대응하여 입력되는 구동전원에 의해 단속되어 짧은 시간동안 에너지저장부(130)에 저장되어 있는 에너지를 전극봉(190)에 제공한다. 송전부(180)는 스위치부(170)의 스위칭 동작에 의해 전달된 고전압·고전류의 펄스를 부하에 전달한다. 송전부(180)를 통해 고전압·고전류의 펄스가 인가되면 상기 전극봉(190)의 내부전극(191)과 외부전극(193) 사이에 펄스 방전이 이루어진다.

펄스전원공급장치(199)에 의하여 발생되는 펄스파워(Pulse power)란 전기방전 현상을 이용한 에너지 압축 기술로서, 단위시간당의 에너지 변화량을 나타내는 물리량(dE/dt, 여기서 E와 t는 각각 에너지 및 시간)으로 그 크기는 주어진 에너지를 어느 만큼의 짧은 시간 내에 부하로 방출하느냐에 의해 결정된다. 1J(joule)의 에너지를 1초 동안에 방출하면 1W(watt)의 파워가 되지만 1㎲ (10^-6초)의 짧은 시간에 방출하면 단위 시간당의 에너지 변화량이 아주 큰 1MW(10⁶Watt)에 이르는 큰 파워를 가지게 된다. 즉 펄스파워 기술은 일정한 에너지를 매우 짧은 시간에 순간적으로 발산함으로써 매우 큰 힘을 발생하는 기술로서, 기본적으로는 에너지 보존 법칙의 원리에 근거하고 있으며 에너지저장 장치를 통하여 전력변환 혹은 에너지 압축을 이용하는 기술이다.

몰탈(g)내에서의 펄스방전 작용을 설명한다. 펄스전원공급장치(199)에서 스위치부(170)를 켬과 동시에 충전부(120)에 축적된 고전압이 몰탈(g) 내에 들어있는 전극봉(190)의 내부전극(191)에 인가된다. 전압 인가 후 내부전극(191)과 외부전극(193) 사이에서 전기 방전이 시작되고 전극봉(190) 주위에는 작은 공간(버블)이 형성된다. 이 버블은 높은 온도와 압력에 의해 팽창하려고 하는 반면 버블의 외측에서는 이러한 팽창을 억제하려고 함에 따라 그 경계에서 큰 압력차가 발생하여 이 압력차는 충격파로 변환된다. 이때 형성되는 충격파는 유체역학적 작용을 하여 몰탈(g)을 통해 천공홀(h)의 내주면으로 전해지게 된다. 이에 따라, 천공홀(h)의 내주면은 외측으로 가압되고 공고하게 다져진다. 천공홀(h)의 직경이 200mm ~ 300mm 정도로 작다면 이 충격파에 의하여 외측으로 압밀되어 확장되겠지만, 본 발명에서는 천공홀(h)의 직경이 대략 500mm인 경우이므로 확장이 일어나지는 않으며 천공홀(h)의 내주면을 공고히 다지는 작용만을 하게 된다. 일반적으로, 펄스충격파의 영향범위는 중심으로부터 반경 1.2m로 한정되는데, 그 중심부에서는 매우 크지만 중심부로부터 멀어짐에 따라 급격하게 감소함으로써 상기한 현상이 발생하게 된다. 즉, 중심부에서는 그 힘이 10⁸Pa 이며, 반경 0.20m 범위에서는 10⁷Pa이며, 반경 1.0m 범위에서는 3.56⁶Pa이고, 반경 1.2미터에선 1.32⁶Pa이 된다.

상기한 바와 같이 펄스파워가 중심부로부터 멀어짐에 따라 힘이 급격하게 감소한다고 함은 다른 의미로 말하면, 상기 천공홀(h)에 근접된 주변부를 제외하고는, 천공홀(h)로부터 약간이라도 떨어져 있는 다른 건물이나 시설 및 지반에는 상기 펄스파의 영향력이 없다는 것을 말한다. 즉, 펄스파워에 의한 소음, 진동 등 에 따른 민원이 발생할 우려가 없으며 주변의 지반구조를 취약하게 하지도 않는다는 것을 의미한다.

한편, 몰탈(g) 내에서 전기방전이 일어날 경우 펄스파는 유체역학적 작용으로 혼합된 시멘트입자를 100㎛에서 2~10㎛의 크기로 잘게 부수게 된다. 이렇게 시멘트입자가 고와지게 되면 그 밀도가 증가하여 시멘트의 강도가 증가(20~25%)하게 된다. 또한, 전기 방전시 몰탈(g) 내 물분자의 수소와 산소결합이 파괴되어 이온화현상이 일어난다(전기 방전이 일어나면 100℃의 온도에서 가열할 때 볼 수 있는 현상인 물분자의 70% 이상의 수소분리현상이 나타난다). H⁺와 OH^- 이온이 물보다 작은 크기와 그 운동성 때문에 화학적 분산을 통해 시멘트 혼합물 속으로 쉽게 들어 갈 수 있고 대부분의 시멘트에 매우 빠른 수화작용을 일으켜 몰탈의 강도는 높아지고(20~25%) 모세관 성질은 더욱 강해진다. 이렇게 펄스방전에 의하여 시멘트의 강도가 증가되고 모세관 성질이 강화되면, 이후 몰탈이 양생되어 형성되는 말뚝의 강도가 증가하여 높은 지지력을 발휘할 수 있게 된다는 장점이 있다.

상기 지지력보강단계(60)는 천공홀 다짐단계(50) 후에 행해지는 것으로서, 상기 천공홀(h)에 충전된 몰탈(g)이 양생됨으로써 형성되는 말뚝의 지지력을 향상시켜 지반(e)의 지지력을 증가시키기 위한 것이다. 즉, 상기 천공홀(h)의 높이방향을 따라 길게 형성되어 있는 지지력 보강부재(s)를 몰탈(g)이 채워진 천공홀(h)에 삽입시킨다. 이 지지력 보강부재(s)는 다양하게 채용될 수 있다. 즉, 지지력보강부재(s)는 기성말뚝, I형강(I빔), H형강(H빔)이 될 수 있다. 또한, 기성말뚝으로는 축방향 하중과 휨모멘트에 대해서 설계되어 있는 기성 철근콘크리트말뚝(precast reinforced concrete pile), 40Kg/cm² ~ 80Kg/cm² 의 유효 프리스트레스트가 적용되는 PC말뚝(prestressed concrete pile) 또는 콘크리트 압축 고강도가 800Kg/cm²이상까지도 생산되고 있는 프리텐션 방식에 의한 PHC말뚝(pretensioned spun high strength concrete pile) 이 될 수 있다. 또한, 이 지지력보강부재는 마이크로 파일 및 복수의 철근을 구비하는 철근망 유니트 등이 될 수 있다. 여기서 설명한 지지력보강부재들 외에 다른 부재들도 본 발명에 따른 실시예에서는 시공조건에 따라 채용할 수 있음은 자명하다. 앵커가 지지력 보강부재로 사용될 수 있으며 이는 후술하기로 한다.

상기 지지력보강단계(60)가 완료되면 양생단계(70)로 넘어간다. 양생단계(70)에서 일정 시간이 경과하면 상기 천공홀(h)에 충전되어 있는 몰탈(g)이 경화되어 말뚝이 형성된다. 몰탈이 양생되어 형성된 말뚝의 하단부 외주면에는 볼록하게 돌출된 구근(r)이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 상기한 바와 같이 몰탈이 양생되어 형성된 말뚝은 상기 구근(r)으로 인해 선단지지력은 물론 주면마찰력이 증대된다.

이하, 지지력 보강부재(s)로서 앵커가 사용된 경우를 설명한다. 첨부된 도면을 참조하여, 기성말뚝을 사용하는 경우와 비교하여 차이가 나는 부분을 중심으로 본 발명의 다른 실시예를 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개략적 흐름도이며, 도 9는 도 8에 도시된 다른 실시예를 설명하기 위한 개략적 구성도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 지반보강공법(200)에서는, 천공단계(10)에서는 일반적으로 천공홀(h)을 수직하게 형성하지 않고 경사지게 형성한다. 이후, 충전단계(20,) 장치삽입단계(30), 확공단계(40), 천공홀 다짐단계(50)가 행해지며, 이 단계들은 기성말뚝을 지지력 보강부재로 사용하는 경우와 동일한 구성으로 이루어진다. 상기한 단계들이 행해진 후 앵커설치단계(65)을 수행한다. 앵커설치단계(65)에서는 앵커를 몰탈(g)이 충전된 천공홀(h)의 하단부로 삽입시킨다. 상기 앵커는 앵커본체(311)와 이 앵커본체(311)에 일단이 결합되어 있는 인장재(312)를 구비한다. 일단이 인장재(312)에 결합되어 있는 상태로 앵커본체(311)를 삽입시킴으로써 앵커설치단계(65)가 완료된다. 이후, 충전된 그라우팅재(g)가 양생되는 양생단계(70)를 거친 후, 기성말뚝을 사용하는 경우와 달리, 본 실시예에서는 상기 인장재에 소정의 하중을 가하여 앵커를 긴장시키고 천공홀(h)의 외부에 배치된 앵커헤드(313)에 정착시키는 인장정착단계(80)를 수행한다. 이후, 상기 인장재(312)는 제거할 수 있다. 앵커를 이용한 경우에도, 기성말뚝과 마찬가지로 천공홀(h) 하단부에 구근이 형성됨으로써 지반의 지지력이 강화된다는 장점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 지반보강공법에서는 테르밋 반응을 이용하여 대구경의 천공홀 하단부에 구근을 형성하여 지지층이 형성되고 지지단면이 확장됨으로써 선단지지력이 증가된다는 장점이 있다.

또한, 천공홀의 내주면을 펄스방전에 의하여 다짐함으로써 주면마찰력이 향상되는바 지반의 지지력이 강화된다는 장점이 있다.

Claims

구조물이 축조될 지반을 하방향으로 천공하여 천공홀을 형성하는 천공단계;

상기 천공홀에 그라우팅재를 충전시키는 충전단계;

금속산화물과 금속분말로 이루어진 금속혼합물에 에너지를 전달하여 테르밋 반응을 일으키며, 이 테르밋 반응에 따른 팽창력은 상기 천공홀의 하단부를 확장시키는 확공단계; 및

상기 천공홀에 충전된 그라우팅재가 경화되는 양생단계;를 포함하여 이루어지며,

상기 확공단계에서는 상호 이격되어 있는 양전극과 음전극을 구비하는 펄스방전장치에 상기 금속혼합물을 부착시키고, 상기 펄스방전장치에 펄스전원을 공급하여 펄스방전이 이루어지게 함으로써 이 펄스방전에 의한 에너지가 상기 금속혼합물에 에너지를 전달하여 테르밋 반응을 일으키고,

상기 펄스방전장치는, 상기 천공홀의 외부에 배치되는 펄스전원공급장치와, 상기 펄스전원공급장치와 전기적으로 연결되며 일방향으로 길게 배치되는 내부전극과, 상기 내부전극의 선단부가 외부로 노출된 상태로 이 내부전극을 감싸며 결합하는 절연부재와, 상기 내부전극의 선단부와 소정 간격 이격된 상태로 상기 절연부재의 외주면을 감싸며 결합하고 상기 펄스전원공급장치와 전기적으로 연결된 외부전극을 포함하는 전극봉을 구비하는 것을 특징으로 하는 지반보강공법.
삭제
제1항에 있어서,

상호 이격되어 있는 양전극과 음전극을 구비하는 펄스방전장치를 상기 천공홀에 삽입한 후 상기 펄스방전장치를 상기 천공홀의 높이 방향으로 따라 소정 간격 으로 상승시키면서 펄스방전을 수행하여, 이 펄스방전에 의한 팽창력이 상기 천공홀의 내주면을 외측으로 가압함으로써 펄스방전이 행해진 영역에서의 천공홀의 내주면을 공고하게 다지는 천공홀 다짐단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 지반보강공법.
삭제
제1항에 있어서,

상기 금속혼합물은 밀봉하여 상기 펄스방전장치에 부착하는 것을 특징으로 하는 지반보강공법.
제1항에 있어서,

일방향으로 길게 형성되어 있는 지지력 보강부재를 상기 천공홀에 삽입시켜 지반의 지지력을 강화시키는 지지력 보강단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지반보강공법.
제6항에 있어서,

상기 지지력 보강부재는 기성말뚝, I형강, H형강, 마이크로 파일 및 복수의 철근 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 지반보강공법.
삭제
구조물이 축조될 지반을 하방향으로 천공하여 천공홀을 형성하는 천공단계;

상기 천공홀에 그라우팅재를 충전시키는 충전단계;

금속산화물과 금속분말로 이루어진 금속혼합물에 에너지를 전달하여 테르밋 반응을 일으킴으로써 상기 천공홀의 하단부를 확장시키는 확공단계;

앵커본체와, 일단이 상기 앵커본체에 결합된 인장재를 구비하는 앵커를 상기 천공홀에 삽입시키는 앵커설치단계;

상기 천공홀에 충전된 그라우팅재가 경화되는 양생단계; 및

상기 그라우팅재가 경화된 후 상기 앵커의 인장재를 소정의 하중으로 긴장시켜 정착시키는 인장정착단계;를 포함하여 이루어지며,

상기 확공단계에서는 상호 이격되어 있는 양전극과 음전극을 구비하는 펄스방전장치에 상기 금속혼합물을 부착시키고, 상기 펄스방전장치에 펄스전원을 공급하여 펄스방전이 이루어지게 함으로써 이 펄스방전에 의한 에너지가 상기 금속혼합물에 에너지를 전달하여 테르밋 반응을 일으키고,

상기 펄스방전장치는, 상기 천공홀의 외부에 배치되는 펄스전원공급장치와, 상기 펄스전원공급장치와 전기적으로 연결되며 일방향으로 길게 배치되는 내부전극과, 상기 내부전극의 선단부가 외부로 노출된 상태로 이 내부전극을 감싸며 결합하는 절연부재와, 상기 내부전극의 선단부와 소정 간격 이격된 상태로 상기 절연부재의 외주면을 감싸며 결합하고 상기 펄스전원공급장치와 전기적으로 연결된 외부전극을 포함하는 전극봉을 구비하는 것을 특징으로 하는 지반보강공법.