KR100881944B1

KR100881944B1 - 연약지반의 지지력 강화 방법 및 말뚝 두부에 설치된토목섬유를 포함하는 연약지반 지지력 강화장치

Info

Publication number: KR100881944B1
Application number: KR1020060035529A
Authority: KR
Inventors: 이창수
Original assignee: (주)다이크; 이창수; 양해술
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2009-02-04
Also published as: KR20070103655A

Abstract

본 발명은 연약지반의 지지력 강화 방법 및 말뚝 두부에 설치된 토목섬유를 포함하는 연약지반 지지력 강화장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 말뚝의 상부에 토목섬유를 설치하여 축방향의 하중은 물론 측방 유동압이나 횡방향의 하중을 지지할 수 있도록 연약지반의 지지력을 강화시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 연약지반의 지지력 강화방법은, 연약지반의 상부에 제1 샌드매트층을 포설하는 단계와, 말뚝의 선단이 상기 샌드매트층 및 연약지반층을 관통하여 지지층에 닿도록 복수의 말뚝을 설치하는 단계와, 하중을 전달하기 위한 토목섬유를 상기 복수의 말뚝의 상부에 포설하여 상기 복수의 말뚝의 두부를 토목섬유로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 말뚝으로는 기성 말뚝(RC, PC, PHC)을 사용하는 것이 바람직하나, 현장 타설 말뚝을 사용할 수도 있다.

연약지반, 말뚝, 토목섬유, 지지플레이트, 샌드매트층

Description

연약지반의 지지력 강화 방법 및 말뚝 두부에 설치된 토목섬유를 포함하는 연약지반 지지력 강화장치{METHOD FOR FORTIFYING SUPPORTING FORCE OF WEAK LAND AND DEVICE FOR FORTIFYING SUPPORTING FORCE OF WEAK LAND HAVING GEOTEXTILE INSTALLED ON PILES}

도 1은 종래의 토목섬유 팩과 다짐말뚝을 이용한 연약지반의 지지력 강화 방법에 의하여 시공된 상태의 설명도

도 2는 본 발명에 의한 연약지반 강화 방법에 의하여 시공된 상태의 설명도

도 3은 본 발명에 따른 연약지반 지지력 강화 장치가 설치되어 하중을 분산하는 상태를 설명하는 도

도 4는 본 발명에 따른 연약지반 지지력 강화 장치가 설치된 상태에서 말뚝에 하중이 전달되는 상태를 나타내는 설명도

도 5(a) 내지 도 5(e)는 본 발명에 따른 연약지반의 지지력 강화방법을 설명하는 시공 순서도

도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명에 따른 연약지반의 지지력 강화장치에 있어서 말뚝 두부와 지지플레이트의 고정형태에 대한 실시예

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 연약지반 2 토목섬유 팩

3 충진재 4 상부 매트보강재

5 성토 10 연약지반

11 지지층 20 말뚝

21 지지플레이트 30 제1 샌드매트층

40 토목섬유 50 제2 샌드매트층

60 성토 70 구조물

등록실용신안공보 등록번호 20-292926호, 토목섬유 팩으로 강화된 다짐말뚝을 이용한 연약지반의 지지력 증대 시스템

일반적으로 연약지반을 개량하는 방법으로 PBD, 샌드드레인, 팩드레인 등의 연직 배수재가 설치된 지반에 성토하중을 가하여 압밀을 촉진시켜 지반의 강도를 증진시키는 공법과, 스톤컬럼이나 모래다짐말뚝을 이용하여 지반을 치환하는 공법이 알려져 있다. 모래 다짐말뚝은 연직 배수공법으로도 사용되며, 해안 항만 시설 물의 기초부에 치환 공법으로도 사용되고 있다.

지금까지 연약지반을 개량하는 방법으로 대부분 압밀 배수를 촉진하기 위해서 연직배수재를 설치한 지반에 성토 재하(Preloading) 시키는 공법이 일반적으로 사용되어 왔다. 그러나, 연약지반의 강도를 증가시키더라도, 장기적인 압밀침하 나 2차 압축으로 인한 구조물의 손상 및 기초의 부마찰력 발생을 완전히 피할 수는 없다. 압밀 배수공법으로 지반의 강도를 증가시키더라도 성토하중이나 구조물의 하중이 클 경우, 지반의 파괴를 막기 위한 기초 시스템이 도입되어야 한다.

치환공법으로 사용되는 모래다짐말뚝은 이미 널리 사용되고 있다. 대한민국 등록실용신안 제20-292926호에는 연약지반 치환공법으로 토목섬유 팩으로 강화된 다짐말뚝을 이용한 연약지반의 지지력을 증대하기 위한 공법이 공개되어 있다. 도 1은 상기 문헌에 공개된 공법에 의해서 시공된 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 먼저 강관을 연약지반(1)에 압입한 후 고강도 지오그리드로 강화시킨 팩(Pack)(2)에 자갈, 모래, 쇄석 등의 충진재(3)를 충진하여 지중에 기둥(Column)을 만든다. 이 후 모래를 포설하고 일정한 면으로 포설된 매트 보강재(4)를 설치한다. 상기 문헌에 공개된 연약지반 내 성토하중(5)을 지오텍스타일로 감싸진 기둥으로 지지하는 GCC (Geotextile Coated column)공법의 일환이다. 이 공법은 연약지반 내 일부를 모래, 자갈의 기둥을 만들어 치환함으로써, 전단강도가 증가된 복합지반을 구성하는 것이다. 보다 효율적인 지반 치환을 위해서는 대구경 스톤컬럼의 단면 확대(Burlging) 및 축소(Necking) 파괴를 막아야 한다. 상기 문헌에 공개된 공법은 고강도 토목섬유(2)로 주머니(pack)을 만들어서 모래, 자갈등을 충진함으로써 스톤 컬럼의 품질을 높였다.

그러나, 상기 문헌에 공개된 공법에 의하여 형성된 토목섬유(2) 및 충진재(3)로 이루어진 스톤컬럼에 의하여 보강된 지반의 지지 매카니즘을 명확히 규명할 수 없다는 문제점이 있다. 스톤컬럼이 구조물의 하중을 지지하기 위하여 사용될 경우, 연직방향에 대한 지지력은 스톤컬럼과 비보강된 연약지반을 혼합된 지반으로 가정하여야 한다. 그리고 실제 지지력을 검증하기 위하여는 스톤컬럼 다수와 연약지반을 포함하는 면적에 대하여 대형의 평판재하시험을 실시해야 한다. 또한, 고강도 토목섬유로 보강된 스톤컬럼은 연속체(Continum Element)가 아니기 때문에 명확한 공학적 물성을 파악할 수 없다. 즉, 연속체 물체가 갖는 재료의 균일성(Homogeneous)와 공학적 방향성(Isotropic or anisotropic)을 명확하게 규명할 수 없다.

또한, 스톤컬럼이 횡 방향의 하중을 받게 될 경우, 재료가 개별적(discrete)이기 때문에, 횡방향의 지지 거동이 어떻게 될지 예측하기 힘들며, 공학적으로도 휨강성을 계산할 수 없다. 따라서, 성토하중과 같은 연직 하중에 대해서는 혼합 지반의 강도를 증진하여 지지할 수 있으나, 측방 유동압이나, 구조물의 횡방향 하중에 대해서는 지지 메카니즘을 설계에 반영하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 연약지반의 지지력을 보강하고자 할 경우 연직 하중뿐 아니라, 측방유동압이나 횡방향 하중에 대하여도 지지 매카니즘을 예측할 수 있는 연약지반의 지지력 보강 방법 및 보강 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 연약지반의 지지력 강화방법은 연약지반 상에 시공되는 큰 면적의 성토하중이나 구조물의 하중을 말뚝과 토목섬유를 이용하여 경제적이며 효과적으로 연약지반의 지지력을 보강하는 것이다.

일반적으로 말뚝을 통하여 하중을 지지하기 위해서는 말뚝과 말뚝 간을 연결하는 슬래브(slab), 캡(cap) 혹은 푸팅(footing) 등이 필요하게 된다. 슬래브가 말뚝의 두부와 연결되면, 슬래브 자중과 성토하중 혹은 구조물의 하중에 의하여 처짐이 발생하게 된다. 이러한 처짐에 의하여 발생된 모멘트는 부재를 파손시키게 되므로, 슬래브는 휨모멘트와 전단에 저항할 수 있는 부재력을 갖춰야 한다. 따라서, 성토하중이나 구조물의 하중을 지지하는 말뚝의 간격이 넓어질수록 처짐은 더욱 크게 발생하고 부재력을 견디기 위한 슬래브의 두께도 두꺼워지게 된다.

본 발명에 의한 연약지반의 지지력을 강화하는 방법은 성토하중이나 구조물의 하중을 말뚝으로 전달하는 매개를 콘크리트 슬래브가 아닌, 고강도 토목섬유를 이용한다. 말뚝으로 지지되지 못하는 연약지반에는 상부하중에 의하여 침하가 발생하게 된다. 토목섬유를 말뚝의 상부에 포설하여 각각의 말뚝의 두부를 토목섬유로 연결하게 되면, 말뚝 사이에 작용하는 상부하중은 토목섬유로 전달되고, 토목섬유의 인장 강도로 상부하중을 지지하게 된다. 토목섬유에 걸리는 인장력은 말뚝두부에 전달되므로 말뚝의 지지력이 확보되는 한, 성토 및 구조물의 하중은 말뚝을 통하여 완벽하게 지지 된다.

본 발명의 일측면에 의하면, 연약지반의 지지력을 강화하는 방법이 제공된 다. 본 발명에 의한 연약지반의 지지력 강화방법은, 연약지반의 상부에 제1 샌드매트층을 포설하는 단계와, 말뚝의 선단이 상기 샌드매트층 및 연약지반층을 관통하여 지지층에 닿도록 복수의 말뚝을 설치하는 단계와, 하중을 전달하기 위한 토목섬유를 상기 복수의 말뚝의 상부에 포설하여 상기 복수의 말뚝의 두부를 토목섬유로 연결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 말뚝으로는 기성 말뚝(RC, PC, PHC)을 사용하는 것이 바람직하나, 현장 타설 말뚝을 사용할 수도 있다.

본 발명에 있어서, 복수의 말뚝을 설치하는 단계와 복수의 말뚝의 두부를 토목섬유로 연결하는 단계 사이에, 상기 복수의 말뚝 중 적어도 하나의 말뚝의 두부에 토목섬유와의 접촉면적 확대를 위하여 말뚝의 두부보다 큰 면적을 갖는 지지플레이트를 설치하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 말뚝의 두부를 토목섬유로 연결하고 토목섬유의 상부에 구조물의 슬래브를 직접 시공하거나 성토를 할 수도 있으나, 토목섬유의 상부에 제2 샌드매트층을 포설한 후에 슬래브를 시공하거나 성토할 수도 있다.

이때 지지플레이트를 말뚝의 두부에 볼트로 고정하거나, 말뚝의 두부에 다각형 홈을 형성하고, 지지플레이트의 하부면에 다각형 돌기를 형성하여 지지플레이트의 돌기를 홈에 삽입하여 고정하거나, 접착제를 사용하여 접착고정할 수도 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 말뚝과 토목섬유를 포함하는 연약지반의 지지력 강화장치가 제공된다. 본 발명에 의한 연약지반의 지지력 강화장치는, 연약지반의 상부에 포설된 제1 샌드매트층과 연약지반을 관통하여 지지층에 선단이 닿도록 설치된 복수의 말뚝과, 상기 복수의 말뚝에 하중을 골고루 전달하기 위하여 상기 복수의 말뚝의 상부에 포설된 토목섬유를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 토목섬유와 접촉면적을 확대하기 위하여 상기 복수의 말뚝 중 적어도 하나의 말뚝의 두부에 고정된 말뚝의 두부보다 큰 면적을 갖는 지지플레이트를 고정설치하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 5(a) 내지 도 5(e)는 본 발명에 따른 연약지반의 지지력 강화방법을 설명하는 시공 순서도이다. 먼저, 연약지반(10)의 상부에 제1 샌드매트층(30)을 포설하고, 말뚝(20)의 선단이 샌드매트층(30) 및 연약지반층(10)을 관통하여 지지층(11)에 닿도록 복수의 말뚝을 말뚝시공장비(100)를 이용하여 설치한다(도 5(a) 및 도 5(b)). 말뚝(20)으로는 기성말뚝인 RC, PC, PHC 그리고 복합소재 말뚝을 사용하거나, 현장에서 타설한 말뚝을 사용할 수 있다. 또한 말뚝의 용도로 사용될 그라우팅 기둥(Jet-grouting column)도 유효 직경이 크므로 사용이 가능하다. 말뚝의 설치시 말뚝(20)의 선단을 지지층(11)까지 관입하여 성토하중을 지지할 지지력을 확보한다. 다음으로 각각의 말뚝(20)의 두부에 토목섬유(40)와의 접촉면적이 확대되도록 말뚝의 두부보다 큰 면적을 갖는 지지플레이트(21)를 설치한다(도 5(c)). 다음으로, 하중을 말뚝에 전달하기 위한 토목섬유(40)를 복수의 말뚝(20)의 상부에 포설하여 상기 복수의 말뚝의 두부를 토목섬유로 연결한다(도 5(d)). 고강도 토목섬유는 상부하중의 크기에 따라 강도를 달리해야 하며, 말뚝 간격을 고려하여 상부하중을 지지할 수 있도록 설계한다. 다음으로, 토목섬유(40)의 상부에 제2 샌드매트층(50)을 포설하고, 제2 샌드매트층(50)의 상부에 성토한다(도 5(e)).본 실시예에서는 토목섬유(40) 상부에 제2 샌드매트층(50)을 포설하고, 성토(60)를 실시하였으나, 구조물(70)의 바닥 슬래브를 직접 시공할 수도 있다.

도 2는 내지 도 4를 참조하면, 토목섬유(40)의 상부에 적하된 성토(60)나 구조물(70)의 하중에 의하여 말뚝(20)에 의하여 지지되지 않는 연약지반(10)은 침하된다. 그러나, 토목섬유 상부에 적재된 성토(60)나 구조물(70)의 하중(F)은 고인장 강도를 갖는 토목섬유(geotextile)에 의하여 지지된다. 또한, 토목섬유에 걸리는 인장력(T)은 말뚝(20)의 두부에 설치된 지지플레이트(21)를 통하여 말뚝으로 전달되고, 말뚝의 선단은 지지층(11)에 의하여 지지되어 있으므로 연약지반(10)이 침하되더라도 토목섬유에 의하여 상부의 성토층(60)이나 구조물(70)이 지지된다. 말뚝(20)은 연속체이므로, 연직 하중뿐만 아니라 횡하중이나 유동압에 대한 알려진 물적특성을 설계에 반영하여 저렴하고 효과적으로 연약지반의 지지력 강화에 이용할 수 있다. 또한, 고 인장 강도를 갖는 토목섬유(40)를 사용하여 연약지반이 침하할 경우 성토층(60)이나 구조물(70)에 걸리는 하중을 말뚝(20)으로 전달할 수 있으므로 연약지반의 침하에 의하여 성토층(60)이나 구조물(70)이 붕괴되는 것을 방지한다.

도 6에는 말뚝(20)의 두부와 지지플레이트의 고정 결합구조가 도시되어 있다. 도 6(a)에를 참조하면, 말뚝의 두부에는 사각형의 단면을 갖는 홈(23)을 형성되어 있고, 지지플레이트(21)의 하부면에는 사각형의 단면을 갖는 돌기(22)가 형성되어 있다. 지지플레이트(21)의 돌기(22)를 홈(23)에 삽입하면 지지플레이트는 상 부에 포설된 토목섬유에 걸리는 장력은 상부에서 하부로만 작용하도록 되어 있으므로 플레이트가 회전하거나 이탈되지 않는다. 도 6(b)를 참조하면, 지지플레이트를 말뚝의 두부에 볼트로 체결하여 고정한 것이다. 도시하지는 않았으나, 말뚝의 두부 단부면에는 말뚝의 타설시 볼트체결을 위한 인서트가 삽입되어 있다.

본 발명에 의하면, 연약지반의 지지력을 보강하고자 할 경우 연직 하중뿐만 아니라, 측방 유동압이나 횡 방향 하중에 대하여도 지지 매카니즘을 예측할 수 있는 연약지반의 지지력 보강 방법 및 보강 장치를 제공한다.

본 발명에 의한 연약지반의 지지력 강화 방법은 다음과 같은 산업상 유용한 효과가 있다.

첫째, 샌드매트층 위에 시공된 말뚝 혹은 그라우팅 컬럼을 통하여 성토하중을 안정적으로 지지할 수 있다. 말뚝이나 그라우팅 컬럼은 재료가 균일하고, 연속적이기 때문에 공학적 물성을 쉽게 알 수 있으며, 이를 통하여 보강된 연약지방의 연직 하중, 횡하중, 모멘트에 대한 기초의 거동을 공학적으로 손쉽게 계산할 수 있다.

둘째, 말뚝 간의 간격을 넓게 하더라도, 성토하중이나 구조물 하중이 토목 섬유로 전달되고, 전달된 하중이 토목 섬유의 인장 강도 이내라면 상부하중을 안정적으로 지탱할 수 있다.

셋째, 말뚝 간의 연결이 콘크리트 슬래브가 아닌 고강도 토목섬유로 되어 있기 때문에 슬래브의 자중이나 상부하중에 따른 처짐으로 인하여 발생하는 모멘트에 대한 부재력 보강이 필요하지 않다.

넷째, 고강도 토목섬유에 상부하중이 작용하여 일정 정도 처짐이 발생하게 되면, 토목섬유의 인장력은 말뚝의 두부로 전달되어, 연직 하중의 형태로 말뚝에 힘을 가하게 된다. 따라서, 말뚝 간의 간격이 넓어도 토목섬유의 인장 강도와 말뚝의 강도를 충분하게 설계하면, 경제적이며 안정적으로 성토하중과 구조물의 하중을 지지할 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims

삭제
연약지반의 상부에 제1 샌드매트층을 포설하는 단계와,

말뚝의 선단이 상기 샌드매트층 및 연약지반층을 관통하여 지지층에 닿도록 복수의 말뚝을 설치하는 단계와,

하중을 전달하기 위한 토목섬유를 상기 복수의 말뚝의 상부에 포설하여 상기 복수의 말뚝의 두부를 토목섬유로 연결하는 단계를 포함하고,

복수의 말뚝을 설치하는 단계와 복수의 말뚝의 두부를 토목섬유로 연결하는 단계 사이에, 상기 복수의 말뚝 중 적어도 하나의 말뚝의 두부에 토목섬유와의 접촉면적 확대를 위하여 말뚝의 두부보다 큰 면적을 갖는 지지플레이트를 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반의 지지력 강화 방법.
제2항에 있어서,

상기 지지플레이트는 상기 복수의 말뚝의 두부에 볼트로 고정된 것을 특징으로 하는 연약지반의 지지력 강화 방법.
제2항에 있어서,

상기 말뚝의 두부에는 홈이 형성되어 있으며, 상기 지지플레이트의 하부면에는 돌기가 형성되어, 상기 지지플레이트는 하부면에 형성된 돌기가 상기 말뚝의 두부에 형성된 홈에 삽입되어 고정된 것을 특징으로 하는 연약지반의 지지력 강화 방법.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

말뚝의 두부를 토목섬유로 연결한 후에, 토목섬유의 상부에 제2 샌드매트층을 포설하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반의 지지력 강화 방법.
삭제
연약지반의 상부에 포설된 제1 샌드매트층과 연약지반을 관통하여 지지층에 선단이 닿도록 설치된 복수의 말뚝과,

상기 복수의 말뚝에 하중을 골고루 전달하기 위하여 상기 복수의 말뚝의 상부에 포설된 토목섬유를 포함하고,

토목섬유와 접촉면적을 확대하기 위하여 상기 복수의 말뚝 중 적어도 하나의 말뚝의 두부에 고정된 말뚝의 두부보다 큰 면적을 갖는 지지플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반의 지지력 강화장치.
제7항에 있어서,

상기 지지플레이트는 상기 복수의 말뚝의 두부에 볼트로 고정된 것을 특징으로 하는 연약지반의 지지력 강화장치.
제7항에 있어서,

상기 말뚝의 두부에는 홈이 형성되어 있으며, 상기 지지플레이트의 하부면에는 돌기가 형성되어, 상기 지지플레이트는 하부면에 형성된 돌기가 상기 말뚝의 두부에 형성된 홈에 삽입되어 고정된 것을 특징으로 하는 연약지반의 지지력 강화장치.