KR100888166B1 - 현장타설 쏘일콘크리트파일의 시공방법 및쏘일콘크리트파일 - Google Patents

현장타설 쏘일콘크리트파일의 시공방법 및쏘일콘크리트파일 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토목공사용 자재인 파일에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 미리 제작된 파일을 지반에 박아 넣는 대신 지반에 직접 파일을 형성하는 현장 타설 쏘일콘크리트 파일에 관한 것이다.
본 발명은 지반드릴로 지반을 천공하면서 물과 시멘트를 배합한 시멘트 페이스트(Cement Paste)를 주입하여 천공부위의 토사를 시멘트와 함께 교반하여 쏘일콘크리트를 형성하고, 이와 같이 형성된 쏘일콘트리트에 중심보강재와 외부보강재를 압입하여 쏘일콘크리트를 형성하는 방법으로 쏘일콘크리트파일을 형성하는 방법을 취하였다. 중심보강재와 외부보강재에는 쏘일콘크리트와의 접촉면에서 전단저항을 크게 하여 쏘일콘크리트와 보강재 사이의 접착력을 증대시키기 위하여 특별한 형태의 전단연결재(Shear Connector)를 부착하였다.
본 발명인 쏘일콘크리트파일의 시공방법은 파일의 운반에 따른 불편함과 비용이 경감되고, 콘크리트 파일의 형성에 필요한 모래, 자갈 등의 골재가 별도로 소요되지 않는다. 본 발명인 쏘일콘크리트파일의 시공방법은 항타와 같은 큰 소음과 진동을 유발하는 공정이 없으므로 소음과 진동의 발생이 적다.
Figure R1020080006500
파일, 현장타설, 쏘일콘크리트, 보강재, 전단연결재, 소음, 진동

Description

현장타설 쏘일콘크리트파일의 시공방법 및 쏘일콘크리트파일{Construction Method of Site Direct Forming Soil Concrete Pile and the Soil Concrete Pile}
본 발명은 토목공사용 자재인 파일(Pile, "말뚝"이라고도 함)에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 미리 제작된 파일을 지반에 박아 넣는 대신 지반에 직접 파일을 형성하는 현장 타설 쏘일콘크리트 파일에 관한 것이다.
건물 또는 구조물을 건축할 때, 그 중량을 지지하기 위하여 지반에 다수의 파일을 박고, 그 위에 건물을 짓는다. 통상적으로는 지반에 파일을 박을 때, 파일의 끝이 암반에 닿을 때까지 파일을 계속 연결하여 박아, 파일 위에 가해지는 모든 하중을 파일의 끝단에서 암반에 지지되도록 하는 것이 일반적이다.
통상의 파일은 콘크리트, 강관 등으로 제작되는데, 몸통의 하단에 지반을 쉽게 파고들어갈 수 있는 캡을 부착하거나(콘크리트 파일의 경우), 형성하여(강관 파일의 경우) 제작하고, 파일의 상단을 항타기로 때려서 지반에 박는다. 파일을 깊게 박아야 할 경우, 캡 대신에 연결부재를 이용하여 파일을 계속 연결하여 파일의 하단이 암반에 닿을 때까지 박는다.
상기와 같은 통상의 파일은 항타시 소음과 진동이 크게 발생하여 건설현장의 주요 민원요인이 되어 문제가 된다. 그리고 직경이 크고 길이가 긴 파일을 공장에서 제작하여 현장으로 수송하는 것은 아주 번거롭고, 비용이 많이 소요된다. 그리고 이러한 대형 파일을 지반에 박기 위해서는 대형 항타기가 동원되어야 하는 문제점이 있다.
상기와 같은 항타방식으로 파일을 직접 지반에 때려 박는 대신, 오거드릴로 파일이 들어갈 수 있는 구멍을 뚫고 이 구멍에 파일을 밀어 넣는 공법이 사용되기도 하는데, 이러한 오거방법은 항타시 발생하는 소음과 진동을 상당히 저감할 수는 있지만, 대형파일을 수송하고 구멍에 밀어 넣어야 하는 시공상의 문제점은 해결되지 않는다.
최근에는 상기와 같이 미리 제작된 파일을 지반에 박는 대신, 지반에 수직으로 파일이 형성될 구멍을 굴착하고, 이 구멍에 콘크리트와 보강재료를 투입하여 파일을 형성하는 현장타설 콘크리트파일이 시도되고 있다. 국내 등록특허 10-0553478호는 지반에 파일이 형성될 구멍을 뚫고, 이 구멍 속에 콘크리트를 충진하고, 보강재 역할을 하는 다공관을 삽입하여 콘크리트가 양생되면 파일이 형성되는 현장타설 콘크리트파일 시공방법을 제시하고 있다. 그러나 이와 같은 현장타설 콘크리트파일도 종래의 완성된 파일을 지반에 박는 방법보다 소음과 진동의 발생이 적고 파일의 수송이 다소 용이하기는 하지만, 다공관을 제작하는 것이 용이하지 않고, 대형 다공관을 현장으로 수송하고 이를 구멍에 삽입하는데 따르는 문제점이 남는다.
국내 등록특허 10-0759303호는 특수한 형태의 천공케이싱을 사용하여 별도의 모래, 자갈 등의 골재의 공급 없이 시멘트 밀크를 주입하여 이를 지반의 토사와 교 반하여 쏘일콘크리트를 만들고, 천공케이싱의 중심부로 보강재를 십입하고, 천공케이싱을 제거하여 파일을 형성하는 쏘일콘크리트 방식의 파일을 제시하고 있다. 그러나 이와 같은 방식의 쏘일콘크리트 파일은 특수한 장비가 소요되고, 보강재가 파일의 중심에 배치될 수밖에 없어서 횡하중에 취약하므로 큰 횡하중을 받는 경우에는 사용할 수 없는 문제점이 있다.
상기한 바와 같이 통상의 구조물 기초용 파일은 항타시 큰 소음과 진동이 발생하여 문제가 될 뿐만 아니라, 대형 파일을 현장으로 수송하는 것도 용이하지 않다. 그리고 최근에 시도되고 있는 현장타설 콘크리트 파일도 종래의 파일의 문제점인 시공상의 불편함을 완전히 해소하지 못하였고, 가장 최근에 개발된 현장타설 쏘일콘크리트파일은 특수한 시공장비가 요구될 뿐만 아니라 파일이 횡하중에 취약하다는 문제점이 있다.
따라서 모래, 자갈 등의 골재가 소요되지 않고, 특별한 시공장비가 소요되지 않아 시공이 용이하고, 수직하중 뿐만 아니라 횡하중에 대한 강도가 충분한 고강도 현장타설 쏘일콘크리트파일이 요구된다.
특히, 비교적 큰 횡하중이 작용하는 곳에 사용되는 것으로서 별도의 자갈과 모래를 사용하지 않고 지반의 토사를 골재로 사용하는 쏘일콘크리트의 경우, 쏘일콘트리트 자체의 강도와 철근 등의 보강재와의 부착력이 정선된 골재인 자갈과 모래를 사용하는 통상의 콘크리트에 비하여 낮으므로, 충분한 정도로 보강재를 구비하여야 하고, 이러한 보강재와 쏘일콘크리트 사이에 큰 전단력이 작용하여 쏘일콘크리트와 골재가 분리되지 않아야 한다.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결한 쏘일콘크리트 파일의 시공방법과 이 시공방법으로 형성된 쏘일콘크리트파일에 관한 것이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 오거드릴로 지반을 천공하면서 물과 시멘트를 배합한 시멘트 페이스트(Cement Paste)를 주입하여 천공부위의 토사를 시멘트와 함께 교반하여 쏘일콘크리트를 형성하는단계, 형성하고자 하는 파일의 깊이로 천공을 한 후에 오거드릴을 역회전시키면서 오거드릴을 제거하는 단계, 형성된 쏘일콘트리트의 중심부에 중심보강재를 압입하는 단계, 형성된 쏘일 콘크리트의 상단에 일정길이의 외부보강재를 압입하는 단계, 그리고 쏘일콘크리트를 양생하는 단계를 순차적으로 수행하여 쏘일콘크리트파일을 형성하는 방법을 취하였다.
그리고 중심보강재와 외부보강재에는 쏘일콘크리트와의 접촉면에서 전단저항을 크게 하여 쏘일콘크리트와 보강재 사이의 접착력을 증대시키기 위하여 특별한 형태의 전단연결재(Shear Connector)를 부착하였다.
본 발명인 쏘일콘크리트파일의 시공방법은 쏘일콘크리트와 보강재가 일체화되어 있어서 쏘일콘크리트의 지름을 유효경으로 하여 지반의 수직 및 수평저항을 산정할 수 있다. 따라서 지반의 지지력은 쏘일콘크리트가 받게 하고, 파일의 응력은 고강도의 강재 보강재가 부담하는 방식으로 합리적인 파일의 설계가 가능하다.
본 발명인 시공방법으로 형성된 쏘일콘크리트파일은 중심보강재와 외부보강재를 사용하여, 강도 특히 인장강도가 상대적으로 낮은 쏘일콘크리트의 강도를 충분한 정도로 보강할 수 있다. 그리고 각 보강재에는 특별히 고안된 전단키를 형성하여 콘크리트와 보강재의 접착력을 아주 크게 하였다. 이와 같은 고강도 쏘일콘크 리트파일은 횡하중을 받는 곳에 시공하는 파일로 특히 유용하다.
본 발명인 쏘일콘크리트파일의 시공방법은 지반을 천공함과 동시에 지반의 천공구멍 내에 슬러시화 된 쏘일콘크리트가 충진되므로, 천공구멍의 벽이 붕괴될 염려가 없고, 주변지반 또는 선단지반을 약하게 할 염려가 없고, 또한 슬라임의 발생이 없으므로 신뢰성 높은 지지력특성을 발휘할 수 있다.
본 발명인 쏘일콘크리트파일의 시공에는 고성능의 굴착교반기계를 사용하므로, 파일작업의 공기가 크게 단축된다.
본 발명인 쏘일콘크리트파일의 시공방법은 친환경적인 건설공법으로서, 항타와 같은 큰 소음과 진동을 유발하는 공정이 없으므로 소음과 진동의 발생이 적다. 그리고 원 지반의 흙을 이용하여 쏘일콘크리트를 조성하므로, 파일을 시공할 부위를 굴착해내는 과정에서 생성되는 건설발생토가 거의 없어, 잔토 운반에 소요되는 비용과 잔토 운반차량에서 발생하는 소음, 분진, 안전사고 등의 위험을 줄일 수 있다. 또한 선행굴착을 통하여 외부에서 추가로 주입되는 물과 시멘트가 가지는 부피를 미리 확보해 둠으로써, 시멘트가 혼합된 배토의 발생을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명인 쏘일콘크리트파일의 시공방법은, 장대한 파일을 시공현장으로 수송할 필요가 없으므로 파일의 운반에 따른 불편함과 비용이 경감된다. 그리고 콘크리트 파일의 형성에 필요한 모래, 자갈 등의 골재가 별도로 소요되지 않아, 이에 따른 비용이 절감된다.
본 발명인 쏘일콘크리트파일(Soil Concrete File)의 시공방법은 다음과 같다.
제1단계로, 파일을 시공할 지반의 상층부를 오거드릴로 굴착하여 토사를 제거하는 선행굴착을 한다. 선행굴착의 깊이는 형성될 파일의 길이에 따라 투입되는 물과 시멘트의 혼합물인 시멘트 페이스트(Cement Paste)의 총 부피와 같게 하고, 직경은 형성하고자 하는 파일의 직경과 같게 하면 된다.
제2단계로, 하단에 교반기가 부착된 지반드릴로 선행굴착이 된 부위에 생성하고자 하는 쏘일콘크리트파일의 길이만큼의 깊이로 굴착하면서 시멘트와 물이 혼합된 시멘트 페이스트를 주입하여, 굴착된 지반의 토사를 시멘트 페이스트와 교반하여 쏘일콘크리트(1, Soil Concrete)를 생성한다.
이 단계에 사용되는 지반드릴(10)은 통상의 지반드릴과 같으나 그 선단이 도 1에 도시한 바와 같은데, 축(11)이 중공축으로 되어 있어서 이 중공을 통하여 시멘트 페이스트를 지반드릴의 하단 굴삭부위에 있는 분출공(12)으로 계속 공급할 수 있다. 그리고 지반드릴의 선단 외부에는 교반날개(13)가 부착되어 있어서 지반드릴(10)의 분출공(12)으로 공급된 시멘트 페이스트가 지반에서 굴착된 토사와 잘 교반되게 한다.
제3단계로, 쏘일콘크리트파일의 길이만큼의 깊이로 굴착되면, 굴착을 중단하고 지반드릴을 수직으로 뽑아 올려 제거한다. 이와 같이 하면 굴착부위에 쏘일콘크리트(1)가 생성되어 상기 선행굴착부위까지 가득 차게 된다.
제4단계로, 상기 제3단계에서 생성된 쏘일콘크리트의 중심부위에 중심보강 재(2)를 압입한다. 이 단계에서 시공되는 중심보강재(2)는 양생된 쏘일콘크리트(1)과 함께 수직하중을 주로 지지하는 역할을 하고, 쏘일콘트리트파일이 최소한의 굽힘모멘트에 견딜 수 있게 한다. 중심보강재의 길이는 쏘일콘트리트파일의 전체길이와 같게 한다.
중심보강재(2)로는 원통관, 사각관 등의 강관, 단면이 H자 형태인 H빔, 통상의 철근콘크리트 구조에서 보강재로 사용되는 이형철근 등이 사용될 수 있다. 중심보강재로 단면이 큰 것을 사용하면 구조강도 측면에서는 우수하나, 자재비용과 취급 및 수송의 편이를 감안하여 적절한 크기의 것을 사용한다. 중심보강재로 원통관 또는 사각관을 이용할 경우 원통관의 직경 또는 사각관의 한변의 길이를 쏘일콘트리트파일의 직경의 5 내지 30% 정도로 하면 적당하다. 그리고 수평하중을 크게 받지 않는 곳에 시공되는 파일의 경우 이형철근이나 소구경 원통관 또는 소형 각관을 사용할 수 있다.
중심보강재(2)의 외부에는 도 2에 도시한 바와 같이, 전단연결재(22)를 부착하여 중심보강재와 쏘일콘크리트 사이의 접착력을 증대시킬 수 있다. 이 전단연결재(22)는 철골-콘크리트 구조에 통상적으로 사용되는 전단연결재와 같이 앵커볼트 또는 철근토막, ㄱ-앵글, T-형강, ㄷ-채널, Z-형강 등의 형강 토막을 중심보강재에 용접 등의 방법으로 부착하여 사용할 수 있다. 그러나 접착력을 더욱 증대시키기 위해서는 도 2에 도시한 바와 같이, 구멍이 형성된 구멍형 전단연결재(22-1), 판의 끝단을 좌우로 번갈아가며 절곡한 날개형 전단연결재(22-2), 또는 벽에 다수 개의 구멍이 형성된 원추형 전단연결재(22-3)를 사용할 수 있다. 원추형 전단연결재(22- 3)는 중심보강재(2)의 둘레를 두르고 있는 형상으로 부착되며, 원추형으로 하여 압입이 용이하고, 구멍을 형성하여 콘크리트와의 접착력을 증대시킨 것이다.
중심보강재(2)로 원형관을 사용할 경우, 관의 외부 또는 내부에 나선형상 또는 고리형상의 날개를 부착하여 보강재와 콘크리트의 접착력을 증대시킬 수 있다.
횡하중을 받지 않는 현장의 경우, 상기와 같이 중심보강재(2)가 압입된 쏘일콘크리트를 그대로 양생시켜 쏘일콘크리트파일을 형성할 수 있다.
제5단계는 상기 제4단계에서 중심부위에 중심보강재(2)가 압입된 쏘일콘크리트의 상단에 외부보강재(3)를 압입한다. 이 단계에서 시공되는 외부보강재(3)는 파일에 작용하는 횡하중에 의한 굽힘모멘트에 의하여 파일이 파손되는 것을 억제한다.
외부보강재(3)로는 상기 원통형 중심보강재(2)와 동일한 형상이나, 길이가 짧고, 직경이 큰 원통형 관을 사용하는 것이 가장 편리하고, 그 직경은 최대한 크게 하여, 쏘일콘크리트(1)에서 이탈되지 않을 정도로 하는데, 통상적으로 철골 콘크리트 구조에서는 보강재 외부에 피복되는 콘크리트 두께를 보강재 두께의 2 내지 3배가 되게 한다.
외부보강재(3)의 내부 또는 외부에도 상기 중심보강재(2)와 같은 구성의 전단연결재 또는 날개를 부착하여 콘크리트와 보강재의 접착력을 증대시키는 것이 좋다.
외부보강재(3)로는 상기와 같은 원형관 대신, 철근을 원통관 형태로 형성하여 사용할 수도 있다. 이 경우 전단연결재(31)는 철근에 용접으로 부착하는 방법으 로 구비할 수 있다.
외부보강재(3)의 길이는 파일에 일정크기 이상의 굽힘모멘트가 작용하는 부위를 커버할 수 있는 길이로 한다. 지반에 매설된 파일은 그 길이를 따라 횡하중에 의하여 도 3에 도시한 바와 같은 굽힘모멘트가 분포하는데, 이 도면에서와 같이 주로 파일의 상부에 큰 굽힘모멘트가 발생한다. 따라서 외부보강재(3)의 길이는 내부보강재(2)와 쏘일콘크리트(1) 만으로 구성된 파일이 지지하지 못할 정도로의 굽힘모멘트가 발생하는 부위까지의 길이로 하면 된다.
지반에 박혀 있는 파일에 횡하중이 작용할 때 발생하는 굽힘모멘트의 분포는 지반구조의 수직분포, 파일의 길이를 따라 작용하는 횡하중의 크기 분포 등에 따라 달라지는데, 이와 같은 굽힘모멘트의 분포는 유한요소법(Finite Element Method)을 이용한 구조해석용 컴퓨터프로그램을 통한 구조해석 등의 해석적 방법으로 도출해 낼 수 있다. 이와 같이 도출된 굽힘모멘트의 분포에 따라, 특정 현장에 시공되는 쏘일콘크리트파일에 사용되는 외부보강재(3)의 최적 길이를 도출할 수 있다.
상기 중심보강재(2)와 외부보강재(3)는 쏘일콘크리트(1)가 생성된 직후, 콘크리트가 경화되기 전에 바로 압입을 하여야 쏘일콘크리트의 양생 후 강도가 저하되지 않는다.
제6단계는 양생단계로서, 상기 모든 단계를 거쳐 형성된 쏘일콘크리트파일이 충분히 양생되어 원하는 강도의 파일이 만들어질 때까지 쏘일콘크리트를 일정시간 동안 양생시킨다.
상기와 같은 단계를 순차적으로 그쳐 생성된 쏘일콘크리트파일은, 쏘일콘크 리트(1)와 중심보강재(2)가 파일 고유의 기능인 수직하중을 지탱하고, 외부보강재(3)가 횡하중에 의하여 발생하는 굽힘모멘트를 지탱하여, 전체적으로 모든 방향의 하중에 대하여 안전한 고강도 쏘일콘크리트파일이 된다.
상기한 쏘일콘크리트파일의 전체 시공 순서는 도 4에 도시한 바와 같다.
본 발명인 현장타설 쏘일콘크리트파일은 토목공사중의 하나인 연약지반을 강화하는데, 특히 횡하중이 작용하는 지반의 강화에 효과적으로 이용될 수 있다.
도 1은 지반드릴로 쏘일콘크리트를 형성하는 상태이다.
도 2는 전단연결재가 부착된 중심보강재이다.
도 3은 외부보강재가 구비된 쏘일콘크리트파일과, 파일에 걸리는 굽힘모멘트의 분포이다.
도 4는 본 발명인 쏘일콘크리트파일의 시공 순서도이다.
※ 중요 구성품 번호
1 : 쏘일콘크리트, 2 : 중심보강재. 3 : 외부보강재
11 : 중공 드릴축, 12 : 분출공, 13 : 교반날개
21 : 구멍, 22 : 전단연결재

Claims (9)

  1. 다음의 각 단계를 순차적으로 수행하여, 쏘일콘크리트파일을 시공하는 방법.
    쏘일콘크리트파일을 시공할 자리에 일정 깊이로 굴착을 하는, 선행굴착단계;
    하단에 교반기가 부착된 지반드릴로 선행굴착이 된 부위에 생성하고자 하는 쏘일콘크리트파일의 길이만큼의 깊이로 굴착하면서 시멘트와 물이 혼합된 시멘트 페이스트를 주입하고 굴착된 지반의 토사를 시멘트 페이스트와 교반하여 쏘일콘크리트(1, Soil Concrete)를 생성하는, 쏘일콘크리트생성단계;
    쏘일콘크리트파일의 길이만큼의 깊이로 지반이 굴착되면, 굴착을 중단하고 지반드릴을 수직으로 뽑아 올려 제거하는, 드릴제거단계;
    상기 단계를 거쳐 생성된 쏘일콘크리트의 중심부위에 파일의 전체 길이에 해당하는 길이의 중심보강재(2)를 압입하는, 중심보강재압입단계;
    중심보강재(2)가 압입된 쏘일콘크리트(1)의 상단 일부분에만 중심보강재(2)의 외부에 외부보강재(3)를 압입하는, 외부보강재압입단계.
    그리고, 상기 전 단계를 거쳐 형성된 쏘일콘크리트파일을 양생하는, 양생단계.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 파일을 형성할 자리를 굴착하는 과정에서 발생한 토사에 물과 시멘트를 혼합한 시멘트 페이스트를 주입하고 혼합하여 생성된 쏘일콘크리트(1);
    상기 쏘일콘크리트(1)의 중심부에 압입되는 것으로서, 파일의 전체 길이에 해당하는 길이의 중심보강재(2);
    그리고, 상기 중심보강재(2)의 외부에 구비되는 것으로서, 원통형 관으로 제작되거나 철근을 원통형으로 배근하여 제작되고, 상기 쏘일콘크리트(1)의 상단 일부에만 일정깊이로 압입하여 설치하는 외부보강재(3);
    를 포함하여 구성되는, 쏘일콘크리트파일.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 중심보강재(2) 또는 외부보강재(3)는,
    보강재의 벽에 전단연결재(22)를 다수 부착하여, 양생 후 쏘일콘크리트와 보강재 사이의 접착력을 크게 한 것을 특징으로 하는, 쏘일콘크리트파일.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전단연결재(22)는,
    평판에 구멍이 다수 개가 형성된 구멍형 전단연결재(22-1), 평판의 끝단을 좌우로 번갈아가며 절곡한 날개형 전단연결재(22-2), 그리고 면에 다수 개의 구멍이 형성된 원추형 전단연결재(22-3) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 쏘일콘크리트파일.
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