KR100868180B1 - 소구경 나선강관 지반보강재 및 소구경 나선강관지반보강재와 오거형 중공 팩커를 이용한 지반보강방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소구경 나선강관 지반보강재 및 소구경 나선강관 지반보강재와 오거형 중공 팩커를 이용한 지반보강방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 소구경 나선강관 지반보강재는 외면에 나선형 돌기가 형성된 소구경 나선강관과, 상기 소구경 나선강관의 선단에 결합되며 상기 소구경 나선강관과 나사결합할 수 있도록 내면에 나사산이 가공된 소켓부와 회전력에 의해 지반을 굴착하는 비트부로 구성되어 있고 상기 비트부에는 상기 소켓부와 연통되는 관통공이 형성된 굴착비트와, 상기 소구경 나선강관의 두부에 결합되며 외면에는 나선형 날개가 형성되어 있고 내면에는 상기 나선강관과 나사결합을 위한 나사산이 가공되어 있으며 두부는 각이 져 있는 오거형 중공 팩커를 포함하는 것을 특징으로 한다.

지반보강재, 나선강관, 전조, 굴착비트, 팩커

Description

소구경 나선강관 지반보강재 및 소구경 나선강관 지반보강재와 오거형 중공 팩커를 이용한 지반보강방법{Ground reinforcing device of small diameter steel pipe of spiral shape and ground reinforcing method using the same}

본 발명은 비탈면 보강이나 터널굴착시 지보재로 사용되는 소구경 나선강관 지반보강재 및 소구경 나선강관 지반보강재와 오거형 중공 팩커를 이용한 지반보강방법에 관한 것이다.

쏘일네일링 공법이란 NATM(New Austrian Tunneling Method)과 유사한 원위치(in-situ) 지반보강공법으로서 굴착면에 대한 유연한 지보체계의 제공 또는 사면의 안정 등을 목적으로 사용된다. 이 공법은 기본적으로 인장응력, 전단응력 및 휨모멘트에 저항할 수 있는 보강재(보강재로는 주로 철근을 사용하며 네일이라 부른다)를 프리스트레싱 없이 비교적 촘촘한 간격으로 삽입하여 원지반의 전체적인 전단강도 증대 및 발생변위를 가능한 억제하고 또한 굴착공사 도중 및 완료 후에 예상되는 이완을 제한하는 공법이다.

이 공법에서는 보강재를 지중에 삽입하기 위해 점보드릴, 크롤러 드릴 또는 오거장비 등을 이용하여 지반을 천공하게 되는데 공벽 유지가 어려운 경우에는 케 이싱을 삽입하여 공벽을 유지시키면서 내부를 속파기 형식으로 천공하게 된다. 그러나 케이싱을 이용한 천공작업의 경우 시공이 어렵고 토사배출이 과다하며 전석층의 경우 케이싱 삽입이 어려운 문제가 있다. 또한 보강재를 천공 내부에 삽입하고 주변을 시멘트 그라우팅하면서 케이싱을 인발하여 제거해야 하기 때문에 시공이 어렵고 공기가 지연되는 문제가 발생된다.

한편, 시멘트 그라우팅을 실시하는 과정에서 가압 그라우팅을 하기 위해서는 보강재 두부에 토목섬유로 된 팩커를 설치하고 내부에 우레탄계 약액이나 시멘트계 약액 등을 충전하여 팽창시켜 천공면과 보강재 사이를 밀착시켜야 한다. 그러나 이 과정에서 팩커 내부에 약액을 주입하고 경화되기까지 일정기간 방치해야 하기 때문에 공기지연 및 공사비 증가 문제가 발생되며, 고분자 계열의 약액을 사용할 경우 팩커가 영구히 방치됨에 따라 지하수 오염 및 토양 오염 등 지반환경에 영향을 줄 우려가 있다.

그리고 천공 내부에 시멘트 그라우팅을 실시하기 위해 별도로 주입호스를 보강재 선단까지 설치하여야 하는 등 공정이 복잡하여 공기지연 요소가 많은 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 시공이 쉽고 공정이 단순하여 공기단축 효과가 우수한 소구경 나선강관 지반보강재와 오거형 중공 팩커를 이용한 지반보강방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일측면에 따르면 외면에 나선형 돌기가 형성된 소구경 나선강관과, 상기 소구경 나선강관의 선단에 결합되며 상기 소구경 나선강관과 나사결합할 수 있도록 내면에 나사산이 가공된 소켓부와 회전력에 의해 지반을 굴착하는 비트부로 구성되어 있고 상기 비트부에는 상기 소켓부와 연통되는 관통공이 형성된 굴착비트와, 상기 소구경 나선강관의 두부에 결합되며 외면에는 나선형 날개가 형성되어 있고 내면에는 상기 소구경 나선강관과 나사결합을 위한 나사산이 가공되어 있으며 두부는 각이 져 있는 오거형 중공 팩커를 포함하는 것을 특징으로 하는 소구경 나선강관 지반보강재가 제공된다.

이때, 상기 나선강관은 회전하는 2개의 롤러형 다이에 강관을 놓고 전조하여 외면에 나선형 돌기를 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오거형 중공 팩커의 나선형 날개는 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 형성거나, 단일이나 2중으로 단속적으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오거형 중공 팩커는 상기 소구경 나선강관의 두부에서 멀어질수록 직경이 커지는 원추형 또는 전체길이에 걸쳐 일정한 직경을 가지는 원통형으로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 소구경 나선강관의 선단에 굴착비트를 체결하고 두부는 천공장비에 체결하여 소정의 깊이까지 천공하는 단계와, 소구경 나선강관의 두부에 오거형 중공 팩커를 결합시켜 천공홀을 밀폐시키는 단계와, 소구경 나선강관 내부에 그라우트를 가압 주입하여 천공홀 내부에 그라우팅을 실시하는 단계와, 오거형 중공 팩커를 삽입방향과 반대방향으로 회전시켜 제거한 후 오거형 중공 팩커가 제거된 빈 공간에 시멘트 모르터를 채워넣는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소구경 나선강관을 이용한 지반보강방법이 제공된다.

본 발명은 천공과 동시에 지반보강재인 소구경 나선강관이 삽입되므로 케이싱의 설치가 필요 없고 별도의 주입호스를 설치하지 않고 소구경 나선강관 자체가 주입호스 역할을 하여 소구경 나선강관 두부에 주입호스를 연결하여 선단까지 시멘트 그라우팅 되므로 공정이 단순하여 공기단축 효과가 우수하다.

또한 본 발명은 종래의 제거가 불가능한 팩커방식과는 달리 오거형 팩커를 사용함으로써 팩커의 설치와 제거가 오거의 회전력으로 원활히 이루어질 수 있기 때문에 천공작업이 완료된 후 방치기간 없이 팩커 설치와 가압 그라우팅이 순차적으로 이루어질 수 있어 공기단축 효과가 있으며, 가압 그라우팅 완료 후 팩커를 제거하여 재사용할 수 있어 재료적 손실 및 지반환경 오염을 최소화할 수 있다.

또한 본 발명에서는 재료적 특성의 변화가 심하지 않고 롤러형다이 표면에 형성된 나사산의 각도 및 나선의 모양을 변화시켜 다양한 형상으로 제작한 나선강 관을 지반보강재로 사용함으로써 일반강관에 비해 나선돌기의 영향으로 휨강성이 우수하며 천공 내부에 채워지는 시멘트 그라우트와의 부착성이 우수한 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 소구경 나선강관 지반보강재(10)는 소구경 나선강관(11)과, 소구경 나선강관(11)의 선단에 결합되는 굴착비트(12)와, 소구경 나선강관(11)의 두부에 결합되는 오거형 중공 팩커(13)로 구성된다.

소구경 나선강관(11)은 외면에 나선형 돌기가 형성된 직경 70mm 이하의 강관으로 종래 보강재로 사용되던 철근을 대신한 것이다. 이와 같이 보강재로 소구경 나선강관을 사용함에 따라 공벽 유지를 위한 케이싱 및 그라우팅을 위한 주입호스를 별도로 설치할 필요가 없게 된다.

그리고 나선형 돌기는 보강재인 소구경 나선강관(11)의 휨 강성을 증대시키고 천공 내부에 채워지는 그라우트와의 부착성을 크게 향상시킨다. 즉, 나선형 돌기가 없는 소구경 강관의 경우 인장 또는 휨 발생시 강관과 그라우트와의 부착력은 강관 표면과 그라우트 사이의 마찰력에 좌우되나 나선형 돌기가 있는 소구경 나선강관의 경우 인장 또는 휨 발생시 나선강관과 그라우트와의 부착력은 나산강관 표면과 그라우트 사이의 마찰력뿐만 아니라 나선형 돌기 사이의 그라우트의 전단저항력이 추가로 발생하여 소구경 나선강관과 그라우트와의 부착력을 크게 증가시키게 된다.

본 발명에서는 70mm 이하의 일반 소구경 강관을 회전하는 2개의 롤러형 다이 사이로 통과시켜, 즉 전조방식으로 나선강관으로 제작한다. 이와 같이 본 발명에 따른 소구경 나선강관(11)은 전조방식으로 제작되므로, 소성변형은 국부에 제한되므로 비교적 작은 가공력으로 성형을 할 수 있고, 소재의 솟아오름에 의해 형상이 형성되므로 절삭에서와 같이 소재의 1차 가공(압출이나 인발)때 얻게 된 축방향으로 배열된 결정조직이 중단되는 일이 없이 연속된 섬유상의 조직을 얻을 수 있으며, 소성변형량이 크면 재료는 가공 경화하고 결정이 미세화하여 경한 조직이 되므로 정적강도나 충격강도 및 피로강도가 증대된다.

본 발명에 따른 소구경 나선강관을 이형철근(D29)와 비교하면 아래 표와 같다.

아래의 표 1은 나선강관과 이형철근의 제원표이고, 표 2는 실내인장시험 결과표이다.

Type	외경(mm)	내경(mm)	단면적(㎠)	마디폭(mm)	마디간격(mm)	마디높이(mm)
나선강관	38.1	25.9	6.132	3.0	4.0	2.0
이형철근	28.6		6.424	5.0	20	1.4~2.8

Type	항복인장강도 (ty, kgf/㎠)	단면2차모멘트 (I, mm4)	탄성계수 (E, kgf/㎟)	강성계수 (EI, kgf·㎟)
나선강관	4,400	81,346	20,400	1.6x109
이형철근	4,000	32,842	20,400	0.67x109

표 2의 실내인장실험 결과로부터 확인되듯이, 본 발명에 따른 나선강관은 이형철근(D29)에 비해 항복인장강도는 11% 정도 우수하고, 강성계수의 250% 정도 우수한 것으로 나타났다.

본 발명에서는 이상과 같이 제조된 나선강관의 선단에 굴착비트(12)를 결합하여 나선강관(11)을 회전시킴에 따라 굴착비트(12)가 보강대상 지반을 천공하면서 나선강관이 삽입되도록 하였다. 즉, 종래와 달리 보강재 삽입용 구멍을 천공하기 위한 별도의 천공장비가 필요하지 않게 된다.

굴착비트(12)는 소구경 나선강관(11)과 나사결합할 수 있도록 내면에 나사산이 가공된 소켓부(121)와 회전력에 의해 지반을 굴착하는 비트부(122)로 구성되어 있고 비트부(122)에는 소켓부 중공과 연통되는 관통공(123)이 형성되어 있다. 이 관통공(123)은 굴착시 압축공기가 분사되는 통로가 되고 가압 그라우팅시 그라우트가 분출되는 통로가 된다.

그리고 소구경 나선강관(11)의 두부에는 소구경 강관의 두부를 천공 주변 지반에 밀착시켜 가압 그라우팅시 발생하는 반발력에 저항할 수 있도록 소구경 나선강관과 일체가 되어 지반에 밀착되게 체결하고 가압 그라우팅이 완료된 후 회수가 가능하도록 고안된 오거형 중공 팩커(13)를 결합하였다.

오거형 중공 팩커(13)는 회전식 천공장비의 오거(auger)와 마찬가지로 외면에 나선형 날개(131)가 형성되어 있고 내면에는 소구경 나선강관과 나사결합을 위한 나사산이 가공되어 있으며 두부(132)는 렌치 등의 장비를 이용해 오거형 중공 팩커(13)를 회전시킬 수 있도록 볼트 두부와 같이 사각 또는 육각 등으로 각이 져 있다.

이때, 나선형 날개(131)는, 도 2a 및 도 3a에 보인 바와 같이, 팩커(13)의 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 형성될 수도 있고, 단일(도 2c 및 도 3c 참조)이나 2중(도 2b 및 도 3b 참조)으로 단속적으로 형성될 수도 있다. 또한 전체적인 형상은 소구경 나선강관(11)의 두부에서 멀어질수록 직경이 커지는 원추형(도 2a 내지 도 2c 참조) 또는 전체길이에 걸쳐 일정한 직경을 가지는 원통형(도 3a 내지 도 3c 참조)으로 구성될 수 있다.

오거형 중공 팩커(13)는 그라우팅시 가압의 크기와 정착지반의 종류에 따라 연속형 또는 단속형으로 구분하여 사용되며, 또한 정착지반이 약한 경우에는 원통형으로 하고 정착지반이 견고한 경우에는 원추형을 적용한다.

본 발명에 따른 오거형 중공 팩커(13)는 종래의 제거가 불가능한 팩커방식과는 달리 팩커의 설치와 제거가 나선형 날개의 회전력으로 원활히 이루어질 수 있기 때문에 천공작업이 완료된 후 방치기간 없이 팩커 설치와 가압 그라우팅이 순차적으로 이루어질 수 있어 공기단축 효과가 있으며, 가압 그라우팅 완료 후 팩커를 제거하여 재사용할 수 있어 재료적 손실 및 지반환경 오염을 최소화할 수 있다.

소구경 나선강관(11)의 두부에 팩커(13)를 설치하는 이유는 다음과 같다.

압력분사 그라우팅은 현장조건과 상황에 따라 그라우팅체의 직경을 가능한 크게 하여 주면마찰력에 의한 저항력을 보다 증대시킬 필요가 있을 때 사용하는 방법으로 그라우팅체의 강성이 커짐으로써 설계에서 고려하는 인장력 외에도 전단력 및 휨모멘트 등에 의한 추가 저항효과를 기대할 수 있는 장점이 있으므로 도심지 특수한 여건의 쏘일네일링 공법이나 락볼트 시공에 적용되고 있는데 이때 그라우트의 가압시공이 되도록 나사강관의 두부에 팩커(packer)를 설치한다.

다시 말해 가압 그라우팅의 목적은 나선강관과 천공 주변의 원지반과를 일체화시키고 천공주변 원지반의 불연속면이나 틈새를 가압 그라우팅함으로써 밀실하게 채워주기 위해 실시한다.

가압 그라우팅시 사용되는 그라우트는 시멘트 밀크 또는 시멘트 모르터이다. 가압 그라우팅시 압력은 천공 주변지반의 융기 또는 시공시 안정성에 이상이 없는 범위에서 정하며 10기압 이내의 저압으로 주입한다.

한편, 보강할 길이가 현장으로 운반 가능한 나선강관(11) 길이보다 길어서 나선강관(11)을 이어야 할 경우에는 내면에 나사산이 가공된 커플러(14)를 사용하여 나선강관(11)을 서로 연결한다.

이상과 구성된 본 발명에 따른 지반보강재를 이용하여 지반을 보강하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 도 4의 <a>에 도시된 바와 같이, 소구경 나선강관(11)의 선단에 굴착비트(12)를 체결하고 두부는 천공장비에 체결하여 소정의 깊이까지 천공한다. 천공장비의 가이드 길이에 따라 소구경 나선강관(11)의 길이가 3-6m로 제한되어 천공되므로 긴 길이로 천공할 경우에는 소구경 나선강관(11)을 커플러(14)로 연결하여 천공을 실시한다.

다음으로, <b>에 도시된 바와 같이, 소구경 나선강관(11)의 두부에 오거형 중공 팩커(13)를 결합시켜 천공홀(h)을 밀폐시킨 후 소구경 나선강관(11) 내부에 그라우트(20)를 가압 주입하여 천공홀(h) 내부에 그라우팅을 실시한다. 나선강관(11)을 사용함으로써 종래기술과는 달리 주입호스의 삽입과정이 필요 없으며 나선형 돌기로 인해 그라우트와 보강재인 나선강관 사이의 부착력이 크게 향상된다.

다음으로, <c>에 나타낸 바와 같이, 오거형 중공 팩커(13)를 삽입방향과 반대방향으로 회전시켜 제거한다. 이와 같이 팩커를 오거형식으로 만들어 설치와 제거가 용이하며 회수된 팩커는 재사용하여 재료의 손실을 최소화할 수 있다.

마지막으로, <d>에 나타낸 바와 같이, 오거형 중공 팩커(13)가 제거된 천공홀의 빈 공간에 시멘트 모르터를 채워넣고 소구경 나선강관(11)의 두부에 정착판(30)을 삽입한 후 너트(40)를 체결하여 마무리한다.

도 1은 본 발명에 따른 지반보강재의 일부 분해사시도이다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 팩커의 다양한 실시예를 보인 것이다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 팩커의 다른 다양한 실시예를 보인 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 지반보강재를 이용하여 지반을 보강하는 과정을 개략적으로 보여주는 단면도이다.

Claims (5)

1. 외면에 나선형 돌기가 형성된 소구경 나선강관과,

   상기 소구경 나선강관의 선단에 결합되며 상기 소구경 나선강관과 나사결합할 수 있도록 내면에 나사산이 가공된 소켓부와 회전력에 의해 지반을 굴착하는 비트부로 구성되어 있고 상기 비트부에는 상기 소켓부와 연통되는 관통공이 형성된 굴착비트와,

   상기 소구경 나선강관의 두부에 결합되며 외면에는 나선형 날개가 형성되어 있고 내면에는 상기 소구경 나선강관과 나사결합을 위한 나사산이 가공되어 있으며 두부는 각이 져 있는 오거형 중공 팩커를 포함하는 것을 특징으로 하는 소구경 나선강관 지반보강재.
2. 제1항에 있어서,

   상기 나선강관은 회전하는 2개의 롤러형 다이에 강관을 놓고 전조하여 외면에 나선형 돌기를 형성한 것을 특징으로 하는 소구경 나선강관 지반보강재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 오거형 중공 팩커의 나선형 날개는 전체 길이에 걸쳐 연속적으로 형성거나, 단일이나 2중으로 단속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 소구경 나선강관 지반보강재.
4. 제3항에 있어서,

   상기 오거형 중공 팩커는 상기 소구경 나선강관의 두부에서 멀어질수록 직경이 커지는 원추형 또는 전체길이에 걸쳐 일정한 직경을 가지는 원통형으로 구성된 것을 특징으로 하는 소구경 나선강관 지반보강재.
5. 소구경 나선강관의 선단에 굴착비트를 체결하고 두부는 천공장비에 체결하여 소정의 깊이까지 천공하는 단계와,

   소구경 나선강관의 두부에 오거형 중공 팩커를 결합시켜 천공홀을 밀폐시키는 단계와,

   소구경 나선강관 내부에 그라우트를 가압 주입하여 천공홀 내부에 그라우팅을 실시하는 단계와,

   오거형 중공 팩커를 삽입방향과 반대방향으로 회전시켜 제거한 후 오거형 중공 팩커가 제거된 빈 공간에 시멘트 모르터를 채워넣는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소구경 나선강관을 이용한 지반보강방법.

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