KR100910884B1 - 다단 콘 기초 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단 콘 기초에 관한 것이다.

본 발명의 본 발명의 다단 콘 기초는, 내부가 빈 관 형상을 가지며, 측벽 양측을 관통하여 돌출된 관통봉이 설치되어 있는 기둥과; 기둥의 하부에 설치되어 있고, 상부가 기둥 직경보다 큰 직경을 가지며 하부로 가면서 점차 직경이 감소되는 콘 형태로 형성되어 있고 내부에 그라우트재나 콘크리트가 수용되도록 수용부를 갖추어 수용부에 그라우트재나 콘크리트가 채워져 있고, 하부 외주면을 따라 점차적으로 곡선 반경이 작아지는 클로소이드 곡선 형태로 스크류날개가 설치되어 있는 하부기초부와; 기둥의 중간에 포대가 설치되어 있고, 포대의 상부와 하부가 기둥에 밀착되어 있고, 포대의 중간 부분은 내주면과 기둥 사이에 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀이 충진되어 형성되어 있으며, 포대 내측의 상부와 하부에는 결속부재가 기둥에 고정되어 있고, 결속부재의 일측은 기둥 외측으로 돌출되어 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀과 일체화되어 형성된 중간기초부와; 일측에 홈이 형성된 'ㄷ'자 형태로 형성되어 홈에 상기 기둥의 관통봉 설치 부위 아랫 부분이 끼워지는 고정판과, 상기 고정판이 안착되는 격자 형태의 지지프레임과, 상기 지지프레임 내부 공간에 채워지는 골재 또는 콘크리트로 구성되어 있고, 상부의 구조물을 직접 지지하도록 구성된 상부기초부;를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의해, 지반을 인위적으로 굴착하고 콘크리트를 타설하여 확대기초를 설치한 후 되메우는 종래의 방법으로는 필요한 기초의 지지력을 확보하기 어려 운 경우 기초의 지지력을 확보하기 위해서는 기초의 단면적을 크게 하여야 하거나, 이러한 방법이 불가능한 경우 양질 지반까지 말뚝기초 등에 의해 상부하중을 전달시켜야 하는데, 기초의 단면적을 횡방향으로 확대시키지 않고 기초 하단부의 지반내에 다단의 상태로 종방향으로 확대시킴으로써 양질지반까지 말뚝기초를 설치할 필요도 없이 용이하게 지지력을 확보할 수 있게 된다.

이때 다단의 콘기초는 직접 자천공으로 지반을 굴착하여 소정의 깊이로 위치시킨 다음 시멘트 모르타르와 같은 그라우트재나 콘크리트를 콘 형태의 기초 내부에 채우거나, 그라우트재나 콘크리트를 이용하여 미리 콘기초를 콘과 기둥 형태로 형성하여 삽입시키고 이를 박스형태의 기초와 결속시킴으로써, 용이하게 필요한 지지력을 확보하고 결과적으로 보다 강화된 기초를 종래의 방법보다 훨씬 용이하게 설치하게 하여 굴착 확대로 인해 인근 지반이나 구조물의 이완 또는 변위 발생을 방지하고, 추가적인 굴착 및 되메움의 공정이 생략되어 경제적이고 시공이 용이한 기초가 제공된다.

보다 구체적으로, 본 발명은 확대기초와 말뚝기초를 합성시킨 것으로 구조물이 위치해야 하는 소정의 지반에 기초를 2단 또는 다수 단으로 설치한 다음 철근이나 철골 또는 파이프와 같은 강성체로 박스형태로 만들어 콘기초의 상부와 연결시키고 그 내부를 콘크리트나 골재로 채워서 상부기초부를 형성함으로써 상부기초부와 하부기초부가 일체화된 기초를 형성한 다음 여기에 구조물을 시공하게 되므로, 정확한 선단지지력 확보를 확보하기 위해 지반의 토질 조건을 고려하여 구조물의 하부에 설치되는 박스 형태의 확대기초 단면과 콘 기초 수와 설치 단을 계산하여 시공하게 되므로 일반적인 확대기초와 같이 기초 단면을 확대하기 위하여 과도하게 지반을 굴착할 필요도 없고 양질 지반에 기초를 설치하기 위해 깊게 굴착할 필요도 없게 되는 것이다.

또한, 말뚝기초의 경우 기초 단면을 확대하기 위해 단면이 큰 기초를 설치하거나 말뚝 수를 많게 하여야 하나 본 발명은 상부기초부와 말뚝기둥 단면에 비해 기초부분의 단면적이 큰 하부기초부가 일체로 작용하고 있어 결과적으로 말뚝 수를 현저히 감소시킬 수 있어 경제적인 효과가 크며, 설치 방법도 단순하여 용이하게 기초의 지지력을 확실하게 확보할 수 있게 된다.

스크류, 콘기초, 말뚝, 그라우트, 다단

Description

다단 콘 기초{MULTISTAGED CONE FOUNDATION}

산업발달과 더불어 각종 산업시설과 주거시설 뿐만 아니라 이에 관련된 각종 시설물 및 구조물들이 필요하게 되었으며, 이에 따라 이들 구조물들을 안전하게 지지하기 위한 다양한 형태의 기초가 필요하게 되었다.

최근에 들어서는 양질의 지반뿐만 아니라 연약한 세립토로 구성된 하천 충적층과 바닷가의 갯벌과 같은 연약한 토층 위에 구조물을 설치하여야 하는 경우도 많아 이러한 연약한 토층에 안전하게 기초를 설치하기 위한 다양한 공법이 요구되고 있다.

일반적으로 기초는 양질의 지반이 비교적 지표 부근에 위치하고 있어 기초 단면을 확대시켜 지지력을 증대시키는 가장 단순하고 보편적인 확대기초가 있고 양질의 지반이 지표 부근에 위치하고 있지 않아 지반 내의 양질지반까지 말뚝을 통하여 하중을 전달시키는 말뚝기초가 있다.

본 발명은 이러한 두 가지의 기초에 사용할 수 있는 기초에 관한 것으로, 지지력을 증대시키기 위해 일반적으로 행하는 방식인 기초단면을 횡방향으로 확대하지 않고 말뚝의 단면적보다 큰 확대된 단부의 단면을 갖는 콘기초를 이용하여 종방 향으로 기초를 설치하여 선단지지력을 획기적으로 증대시킨 것으로, 지반내에 2열 또는 다수의 열로 기초 깊이를 달리하는, 다단 콘 기초에 관한 것이다.

대부분의 각종 구조물들은 양질의 지반 위에 위치하고 있다.

양질의 지반위에 위치시키기 위해서는 구조물 하부에 기초를 설치하고 있으며, 이러한 기초는 구조물이 안전하게 유지할 수 있도록 계획되어 진다.

이러한 기초는 구조물을 버틸 수 있는 양질의 지반이 구조물의 하부에 근접하여 위치하는가의 여부에 따라 얕은기초(shallow foundation)와 깊은기초(deep foundation)로 나눌 수 있다.

얕은기초는 구조물의 하중을 직접 양질의 지반에 전달시키는 공법으로 대표적인 공법으로 확대기초가 있다.

확대기초는 양질의 지반에 구조물의 하부를 직접 맞닿게 하되 맞닿은 기초면을 확대시켜 단위면적당 하중을 감소시키고 지지력을 증대시키는 방법으로 가장 대중적으로 많이 사용하고 있는 공법이다.

깊은기초는 양질의 지반이 비교적 구조물의 하부에서 깊게 위치하여 구조물의 하중을 양질의 지반에 전달시키기 위해 말뚝과 같은 다른 기초구조물을 설치하고 이러한 기초구조물을 통하여 하중을 전달시키는 기초 공법으로 대표적인 공법으로 말뚝기초가 있다.

깊은기초는 통상적으로 얕은기초와 구분하기 위해 대략 구조물의 하부로부터 양질 지반이 기초폭의 4 ∼ 5배 정도 이상의 깊이에 위치하게 되는 경우를 말하다.

기초를 확대기초와 깊은기초로 구분하는 것은 근본적으로 기초의 지지력을 구하는 방식에 차이가 있기 때문으로, 확대기초는 구조물 기초가 직접 양질 지반에 위치함에 따라 지지력의 대부분이 직접 기초가 지반과 맞닿아 있음으로 인해 기초 바닥면에서의 단지지력으로 주로 나타나는게 되므로 일반적으로 기초의 크기가 중요하나, 깊은기초는 상부하중을 직접 지반에 전달시키지 못함으로 인해 말뚝과 같은 강성 물질을 통하여 하중을 양질 지반에 전달시킴으로 인해 지지력이 구조물의 바닥을 이용하는 직접기초와 달리 말뚝 바닥에서의 단지지력과 말뚝주면에서의 마찰지지력이의 합으로 이루어지는데, 이때 말뚝의 단지지력은 직접기초와 같이 말뚝 단면의 크기에 좌우된다.

기초는 상부구조물을 안전하게 지지하기 위해서는 충분한 지지력을 확보해야 하는데, 이를 위해서 근본적으로 기초의 단면적을 확보하는 것이 무엇보다 필요하다.

확대기초는 지표면으로부터 기초가 위치하는 지점까지 굴착을 한 다음 기초단면에 거푸집을 대고 철근과 같은 보강체로 보강을 한 다음 콘크리트를 타설하여 양생을 한 후 되메우기를 하여 완성을 하게 되는 것으로 구조물의 하중을 전달하는 기둥단면에 비해 기초단면이 커서 단위면적당 하중, 즉 구조물이 기초지반에 가해지는 압력을 줄일 수 있고, 지지력 상에서도 유리한 반면, 기초가 위치하려는 양질지반의 기초 위치까지 굴착을 하고 여기에 거푸집 제작, 그리고 콘크리트 타설, 양생 및 거푸집 제거, 되메우기 등의 일련의 작업과정이 요구된다.

특히, 양질지반이 지표면 근처에 위치하지 않는 경우에는 소정의 지지력을 확보하기 위해 기초의 단면적으로 확대시키거나 양질지반에 기초를 위치시키기 위해 깊은 깊이까지 굴착을 해야 하는 문제점이 있다.

또한, 연약지반을 관통하여 확대기초를 설치하게 되는 경우 지반 굴착시 굴착면이 쉽게 붕괴가 발생하게 되므로 별도의 가시설을 설치하거나 붕괴가 되지 않도록 완만한 경사로 지반을 굴착하여야 하므로 굴착에 요구되는 부지가 커야 되고 별도의 비용이 추가되며 시공과정이 복잡하게 되는 문제점이 있다.

한편으로 확대기초의 경우 지지력을 증대시키고, 작용압력을 감소시키기 위해서 확대기초의 단면적을 확대시켜야 하는데, 기초의 단면적을 크게 확대시키기 위해서는 우선적으로 굴착단면이 크게 되어야 하므로 기초를 설치하기위한 용지가 크게 필요하게 되고 굴착시 굴착토량이 크게 되며, 또한 되메우기 공사가 크게 될 수 밖에 없어 결과적으로 공사비가 과대하게 되어 불경제적이 되거나 기초단면을 확대하기 위한 용지 확보가 어려운 경우 시공이 불가능하게 될 수 있다.

그러므로 양질 지반이 구조물 기초부 근처에 위치하지 않는 경우 구조물 하부에서 양질 지반까지 구조물의 하중을 전달시키는 기초를 설치하게 되는데, 이때 주로 이용하는 말뚝기초는 양질지반까지 미리 제작된 말뚝을 타격을 가하여 설치하는 방법과 오거 등에 의해 천공을 한 다음 천공홀 속에 미리 제작된 말뚝을 설치하거나 현장에서 직접 콘크리트와 강재를 타설하여 말뚝을 제작하는 방식으로 나눌 수 있다.

이러한 말뚝기초는 말뚝 끝단의 선단지지력과 말뚝 주변의 마찰지지력의 합 으로 기초의 지지력을 구하고 있는데, 확대기초와는 달리 기초단면을 크게 하기가 어렵고 단면이 크면 설치가 곤란하여 일반적으로 적은 단면을 가진 말뚝을 여러 개 설치하여야 하므로 이를 설치하기 위해 항타를 하는 경우 소음과 진동이 문제가 되며, 천공 후 말뚝을 설치하는 경우 천공비와 더불어 지지력이 감소되어 항타식으로 말뚝을 설치하는 경우에 비해 말뚝 설치 개수가 증가하므로 결과적으로 확대기초에 비해 비용이 크게 증가하는 등의 문제점이 있다.

항타를 할 수 없는 경우 일반적으로 오거 등의 천공기로 천공을 행하고 여기에 말뚝을 설치하는 천공식 말뚝기초공법을 사용하게 되는데, 이 경우 미리 천공을 한 후 천공홀보다 적은 단면의 말뚝을 설치하게 됨에 따라 항타식에 비해 마찰지지력이 작게 되고 한편으로 천공홀 하부에 슬라임이 쌓이게 되어 단지지력이 감소되는 등의 문제점을 갖고 있어 이를 개선하는 방법으로 말뚝의 직경보다 작은 천공홀을 굴착한 다음 스크류가 달린 말뚝을 회전 압입시키거나(한국특허공보 제 10-0396393호의 '원추형 선단이 형성된 스크류의 말뚝공법'), 부분적으로 부착단면을 확대시켜 마찰저항 단면을 증대시키는 공법(한국특허공보 제 10-0690014호 '나선판을 갖는 강재 구조')이 있다.

이 경우 근원적으로 스크류가 달린 말뚝을 설치함으로써 기존의 천공식에 비해 마찰지지력의 감소를 억제할 수 있어 효과적이나 연약지반의 경우 마찰지지력보다는 말뚝 끝단에서 나타나는 선단지지력이 주로 지지력의 크기를 좌우하고 있음을 감안하여 볼 때 지지력을 증대시키기 위해서는 말뚝의 선단면적을 증대시켜야 하므로 이에 대해서는 한계가 있으며, 부분적으로 부착단면을 확대시켜 마찰저항 단면 을 증대시키는 공법은 설치시 지반을 교란시킴에 따라 이로 인해 단위면적당 마찰저항력이 감소되어 부착단면이 확대되었다 하더라도 결과적으로 그 효과에 대해서는 설계상 고려하기가 제한적인 한계를 갖고 있다.

지반이 약한 경우 말뚝기초를 하지 않고 확대기초부를 강화시키는 공법으로 팽이형 파일을 이용한 복합기초(한국특허공보 제10-0483350호 ‘현장타설 및 조립식 팽이형 파일과 이를 이용한 복합기초공법’)가 있는데, 이는 기초부를 강화시키는 방법의 일환으로 팽이말뚝과 쇄석을 이용하여 강화된 기초부를 형성시켜 상부하중을 분산시키고 지지력을 강화시키는 공법이다.

이 경우 양질지반까지 하중을 전달시키지 않고 기초부를 강화시키고 지반내에 하중을 분산시켜 무처리에 비해 보다 지지력을 증대시키고 침하를 억제시키는 효과가 있는 반면 기초가 설치되는 위치가 통상적인 확대기초와 같이 구조물 하단부에 접하여져 있어 기초면적에 반비례하여 단위하중이 작아지고 지지력이 증가되기 때문에 기초 설치 면적이 어느 정도 유지하여야 효과적이며, 또한 기초 하부에 접한 지반에 큰 하중이 작용하기 때문에 지반이 아주 연약한 경우 적용에 한계가 있는 문제점이 있다.

본 발명의 다단 콘 기초는 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 기초를 설치하여야 하는 굴착면적을 최소한으로 하고 상부 구조물의 하중을, 구조물 하부에 접하여 있는 상부기초부와, 이에 연결되어 있으면서 지반 내 소정의 깊이에 다단으로 설치되어 있는 콘기초에 분산시켜 부담시킴으로써 결과적으로 구조물에 접하여 있는 기초단면을 크게 한 것과 같은 효과를 갖게 하려는 것이다.

즉, 기초에 작용하는 상부 구조물에 의한 압력을 줄이고 지지력을 증대시키기 위해서는 기초의 단면적을 확대시켜야 하며, 이를 위해 횡방향으로 기초의 면적을 크게 확대하지 않고 종방향으로 기초면적을 확대시키려는 것이다.

또한, 구조물 하부에 접한 지반이 연약한 경우 연약층 내에 설치하거나 또는 말뚝기초와 같이 연약층을 지나 양질의 지반에 콘기초를 위치시킴으로써 하중을 분산시키고 지지력을 증대시켜 보다 안정된 기초를 형성하려는 것으로, 이때 콘기초는 소정의 위치에 설치한 다음 결과적으로 기초를 종래의 방법보다 훨씬 용이하게 설치하게 하여 굴착으로 인해 인근 지반이나 구조물의 이완 또는 변위 발생을 방지하고, 굴착 및 되메움의 공정이 생략되어 경제적이고 시공이 용이한 콘기초를 제공하려는 것이다.

결국, 본 발명은 하부의 하부기초부와, 중간의 중간기초부, 상부의 상부기초부의 3단으로 구성된 다단 기초를 제공함으로써 협소한 지역에서 우수한 지지력을 갖는 기초를 제공하려는 것이다.

아울러, 중간기초부는 하부기초부 설치시 이완되는 지반 특성을 이용하여 하부기초부 상단 직경 이내의 범위의 직경을 갖는 포대 내부에 시멘트 풀이나 시멘트 몰탈을 주입, 팽창시켜 형성함으로써 용이하게 형성하려는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다단 콘 기초는, 내부가 빈 관 형상을 가지며, 측벽 양측을 관통하여 돌출된 관통봉이 설치되어 있는 기둥과; 기둥의 하부에 설치되어 있고, 상부가 기둥 직경보다 큰 직경을 가지며 하부로 가면서 점차 직경이 감소되는 콘 형태로 형성되어 있고 내부에 그라우트재나 콘크리트가 수용되도록 수용부를 갖추어 수용부에 그라우트재나 콘크리트가 채워져 있고, 하부 외주면을 따라 점차적으로 곡선 반경이 작아지는 클로소이드 곡선 형태로 스크류날개가 설치되어 있는 하부기초부와; 기둥의 중간에 포대가 설치되어 있고, 포대의 상부와 하부가 기둥에 밀착되어 있고, 포대의 중간 부분은 내주면과 기둥 사이에 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀이 충진되어 형성되어 있으며, 포대 내측의 상부와 하부에는 결속부재가 기둥에 고정되어 있고, 결속부재의 일측은 기둥 외측으로 돌출되어 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀과 일체화되어 형성된 중간기초부와; 일측에 홈이 형성된 'ㄷ'자 형태로 형성되어 홈에 상기 기둥의 관통봉 설치 부위 아랫 부분이 끼워지는 고정판과, 상기 고정판이 안착되는 격자 형태의 지지프레임과, 상기 지지프레임 내부 공간에 채워지는 골재 또는 콘크리트로 구성되어 있고, 상부의 구조물을 직접 지지하도록 구성된 상부기초부;를 포함하여 구성된다.

이때, 중간기초부와 하부기초부가 연결된 기둥이 하나의 상부기초부에 다수 개 연결되어 설치되되, 각 기둥을 관통하는 관통봉을 연결하는 연결부재가 더 설치되어 각각의 기둥이 일체화되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 각각의 기둥에 연결된 중간기초부와 하부기초부는 그 높이가 서로 다르게 설치된 것을 특징으로 한다.

또, 상부기초부의 지지프레임과 직각 방향으로 구성되며 격자 형태로 된 프레임으로 구성된 기초연결부가 더 구비되어 기초연결부에 다수의 상부기초부가 연결되어 구성된 것을 특징으로 한다.

이때, 기초연결부는 육면체 형태로 형성되어 있고, 격자 프레임 내부에 콘크리트 또는 골재가 채워져 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해, 지반을 인위적으로 굴착하고 콘크리트를 타설하여 확대기초를 설치한 후 되메우는 종래의 방법으로는 필요한 기초의 지지력을 확보하기 어려운 경우 기초의 지지력을 확보하기 위해서는 기초의 단면적을 크게 하여야 하거나, 이러한 방법이 불가능한 경우 양질 지반까지 말뚝기초 등에 의해 상부하중을 전달시켜야 하는데, 기초의 단면적을 횡방향으로 확대시키지 않고 기초 하단부의 지반내에 다단의 상태로 종방향으로 확대시킴으로써 양질지반까지 말뚝기초를 설치할 필요도 없이 용이하게 지지력을 확보할 수 있게 된다.

이때 다단의 콘기초는 직접 자천공으로 지반을 굴착하여 소정의 깊이로 위치 시킨 다음 시멘트 모르타르와 같은 그라우트재나 콘크리트를 콘 형태의 기초 내부에 채우거나, 그라우트재나 콘크리트를 이용하여 미리 콘기초를 콘과 기둥 형태로 형성하여 삽입시키고 이를 박스형태의 기초와 결속시킴으로써, 용이하게 필요한 지지력을 확보하고 결과적으로 보다 강화된 기초를 종래의 방법보다 훨씬 용이하게 설치하게 하여 굴착 확대로 인해 인근 지반이나 구조물의 이완 또는 변위 발생을 방지하고, 추가적인 굴착 및 되메움의 공정이 생략되어 경제적이고 시공이 용이한 기초가 제공된다.

보다 구체적으로, 본 발명은 확대기초와 말뚝기초를 합성시킨 것으로 구조물이 위치해야 하는 소정의 지반에 하부기초부를 1단 또는 다수 단으로 설치한 다음 철근이나 철골 또는 파이프와 같은 강성체로 박스형태로 만들어 콘기초의 상부와 연결시키고 그 내부를 콘크리트나 골재로 채워서 상부기초부를 형성함으로써 상부기초부와 하부기초부가 일체화된 기초를 형성한 다음 여기에 구조물을 시공하게 되므로, 정확한 선단지지력 확보를 위해 지반의 토질 조건을 고려하여 구조물의 하부에 설치되는 박스 형태의 확대기초 단면과 콘 기초 수와 설치 단을 계산하여 시공하게 되므로 일반적인 확대기초와 같이 기초 단면을 확대하기 위하여 과도하게 지반을 굴착할 필요도 없고 양질 지반에 기초를 설치하기 위해 깊게 굴착할 필요도 없게 되는 것이다.

또한, 말뚝기초의 경우 기초 단면을 확대하기 위해 단면이 큰 기초를 설치하거나 말뚝 수를 많게 하여야 하나 본 발명은 상부기초부와 말뚝기둥 단면에 비해 기초부분의 단면적이 큰 하부기초부가 일체로 작용하고 있어 결과적으로 말뚝 수 를 현저히 감소시킬 수 있어 경제적인 효과가 크며, 설치 방법도 단순하여 용이하게 기초의 지지력을 확실하게 확보할 수 있게 된다.

아울러, 중간기초부는 하부기초부 설치시 이완되는 지반 특성을 이용하여 하부기초부 상단 직경 이내의 범위의 직경을 갖는 포대 내부에 시멘트 풀이나 시멘트 몰탈을 주입, 팽창시켜 형성함으로써 용이하게 형성된다.

도 1은 일반적인 확대기초의 개략도로써 도 1의 (A)는 사각형 확대기초이고, 도 1의 (B)는 원형 확대기초를 나타내고 있으며, 도 2는 일반적인 말뚝기초의 개략도로써 도 2의 (A)는 강재(steel) 또는 철근콘크리트로 미리 제작된 말뚝을 시공한 사시도이고, 도 2의 (B)는 소정의 깊이까지 굴착을 행한 다음 굴착부 내에 콘크리트를 타설하여 현장에서 설치하는 현장말뚝의 시공 단면도이다.

한편, 도 3은 본 발명의 다단 콘 기초에서 기둥(100)에 하부기초부(200)와 중간기초부(300)가 설치된 상태를 나타낸 사시도를 나타낸 것이다.

도면을 통해 알 수 있듯이, 하부기초부(200)는 기둥(100)의 하부에 설치되어 있고, 상부가 기둥(100) 직경보다 큰 직경을 가지며 하부로 가면서 점차 직경이 감소되는 콘 형태로 형성되어 있다.

아울러, 하부기초부(200)는 내부에 그라우트재나 콘크리트(240)가 수용되도록 수용부(210)를 갖추어 수용부(210)에 그라우트재나 콘크리트(240)가 채워져 구성되며, 하부 외주면을 따라 점차적으로 곡선 반경이 작아지는 클로소이드 곡선 형 태로 스크류날개(220)가 설치되어 있다.

중간기초부(300)는 기둥(100)의 중간 지점에 위치하는데, 도시된 것처럼 기둥(100)의 중간에 포대(310)가 설치되어 있고, 포대(310)의 상부와 하부가 기둥(100)에 밀착되어 있고, 포대(310)의 중간 부분은 내주면과 기둥(100) 사이에 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀이 충진되어 형성되어 있으며, 포대(310) 내측의 상부와 하부에는 결속부재(320)가 기둥(100)에 고정되어 있고, 결속부재(320)의 일측은 기둥(100) 외측으로 돌출되어 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀과 일체화되어 형성되어 있다.

한편, 도 3에서 회전 및 압입에 의해 소정의 깊이까지 하부기초부(200)를 설치하기 위해서 기둥(100)의 상부에는 기둥(100)에 직각으로 2개의 관통홀이 형성되어 있으며, 관통홀을 지나 기둥(100) 양측으로 돌출되어 기둥(100)과 'T'자 형태를 이루는 관통봉(110)이 설치된다.

도 4는 중간기초부(300)를 형성하는 과정을 도시한 것으로, 도 4의 좌측에 도시된 것처럼 그라우팅 주입호스(330)가 한쪽 끝단은 포대(310) 내부로, 다른 쪽 끝단은 기둥(100) 상단부에 여유 있게 나와 있는 형태를 취한다.

한편, 포대(310) 내부에는 결속부재(320)를 설치하되, 결속부재(320)는 일측이 기둥(100)에 고정되어 있고, 타측은 기둥(100) 밖으로 돌출되어 있어 포대(310) 내부로 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀 등을 압력을 가해 주입시키게 되면 결과적으로 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀과, 기둥(100)에 견고하게 고정되어 압력에 의하여 포대(310)가 기둥(100)을 따라 상, 하로 이동하는 것을 방지하도록 되어 있다.

여기서, 포대(310)를 사용하는 이유는 하부기초부(200)와 기둥(100)을 지중에 삽입할 때 삽입이 용이하도록 한 것이며, 삽입되는 과정에서 하부기초부(200)가 지중을 교반시키게 됨으로 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀을 가압 주입하게 되면 부풀어 오르게 되는 것이다.

이와 같이 형성된 중간기초부(300)는 결과적으로 기둥(100)보다 큰 단면적을 갖게 되어 지지력 향상에 도움을 주게 된다.

이러한 구성에서 포대(310)는 상부와 하부가 개방된 두꺼은 천이나 부직포, 고무막 등으로 제조하여 도 4에 도시된 것처럼 기둥(100)에 쉽게 끼워 설치하고, 설치하고자 하는 위치에 포대(310)의 상부와 하부를 고무밴드나 클램프 등의 고정부재(340)를 이용하여 기둥(100)에 고정시키면 된다.

이때, 결속부재(320)는 포대(310)를 삽입, 고정하기 전에 미리 설치 위치에 기둥(100)에 고정시켜 놓는 것이 바람직하다.

한편, 포대(310) 내부에 시멘트 풀이나 시멘트 몰탈이 주입되어 팽창한 상태에서의 포대(310) 직경은 하부기초부(200)를 삽입하면서 교란되는 지반을 이용하게 되고, 이를 위해 포대(310)의 직경은 하부기초부(200) 상단의 직경 이내의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명에서 기둥(100) 상부에 상부기초부(400) 형성을 위한 고정판(410) 및 지지프레임(420)이 설치된 상태를 도시한 사시도로써 하부기초부(200)가 고정된 기둥(100)을 회전 압입시키기 위한 관통봉(110)이 설치되어 있는 것을 알 수 있다.

이때, 관통봉(110)의 하부에 설치된 고정판(410)은 일측에 홈이 형성된 'ㄷ'자 형태로 형성되어 홈에 상기 기둥(100)의 관통봉(110) 설치 부위 아랫 부분이 끼워지는 것을 알 수 있다.

아울러, 고정판(410)의 하부는 격자 형태로 형성된 지지프레임(420)의 가로부재 상부에 안착되는 구조를 갖는다.

고정판(410)을 지지프레임(420)의 하부측 가로부재와 관통봉(110) 사이에 설치하는 이유는 상부 구조물의 하중으로 인해 기둥(100)에 부착된 중간기초부(300) 및 하부기초부(200)가 상부기초부(400)와 일체로 작용하도록 하기 위한 것으로 하중이 하부기초부(200)에 집중되는 경우에도 상부기초부(400)로부터 이완되지 않도록 하려는 것이다.

한편, 도 6은 하부기초부(200)와 중간기초부(300)가 설치된 기둥(100) 다수개가 하나의 상부기초부(400)에 결합되어 있는 예를 나타낸 사시도로써, 관로 기초의 경우에는 관의 연결부에만 설치되는 구조가 될 수도 있고, 수로 박스와 같은 구조물이 길게 설치되는 경우에는 도 5에 도시된 것과 같이 기초연결부(500)를 더 구비하여 전체 기초가 용이하게 일체화 되게 할 수 있다.

이 경우 기초연결부(500)의 구성은 도 5에 도시된 것과 같이 상부기초부(400)의 지지프레임(420)과 직각 방향으로 구성되며 격자 형태로 된 프레임으로 구성할 수 있다.

아울러, 이와 같은 경우에서 도시되지는 않았으나 기초연결부(500)를 상부기초부(400)와 같이 육면체 형태의 격자 프레임으로 형성하고, 기초연결부(500)의 격 자 프레임 내부에 콘크리트 또는 골재를 채워 구성할 수도 있다.

한편, 도 6과 같이 복수 개의 기둥(100)을 하나의 상부기초부(400)에 설치할 때, 각 기둥(100)을 관통하는 관통봉(110)을 연결하는 연결부재(111)를 더 구비하여 각각의 기둥(100)이 일체화될 수 있게 구성할 수 있다.

즉, 도면에서와 같이 강관과 같이 구성된 연결부재(111)에 각 기둥(100)의 관통봉(110) 일측을 끼워 구성할 수 있다.

이와 같은 구성은 일측 기둥(100)에 삽입되어 있는 관통봉(110)을 일측으로 이동시킨 다음에 강관을 대고 그 안으로 다시 관통봉(110)을 밀어 넣는 방식으로 작업하면 된다.

도 7은 관로기초에 본 발명의 다단 콘 기초를 설치한 단면도로써 상부기초에서 q₁의 지지력이 발휘되고 있으며, 하부기초인 콘기초에서 q₂의 지지력이 발휘되고 있고, 중간기초부인 포대에서 q₃의 지지력이 발휘되고 있어 결과적으로 전체 지지력은 q= q₁ +q₂ + q₃의 조건이 형성되는 것이다.

도 8은 수로 박스와 같이 길게 설치되는 구조물에 대한 본 발명의 다단기초가 설치되어 있는 단면도, 도 9는 다단계로 콘기초를 설치한 실시예로, 이 경우에도 전체 지지력은 q= q₁ +q₂ +q₃ 의 조건이 형성된다.

여기서, 좁은 면적에 보다 높은 지지력을 얻기 위해서는 각각의 기둥(100)에 연결된 중간기초부(300)와 하부기초부(200)는 도 9와 같이 그 높이가 서로 다르게 설치할 수 있는데, 일반적인 확대기초를 시공하는 경우 q₁이 전부이지만 본 발명의 다단 기초를 사용하면 q = q₁ + q₂ + q₃가 되므로 상부하중을 부담시키는 기초면적이 획기적으로 증가되고 또한 그만큼 지지력도 증가되는 것이다.

더욱이, 각각의 기둥(100)마다 중간기초부(300)가 형성되어 그 만큼 접촉 단면적을 증가시키게 되므로 상기와 같은 식에 더하여 보다 더 지지력이 증가되는 것이다.

한편, 상기와 같은 구성을 갖추게 되면 다음과 같이 지지력을 증대시키는 효과를 갖는다.

예를 들어 기둥(100)이나 말뚝 선단 단면적을 확대하면 선단지지력이 증대되므로 이를 확인하기 위해 우선 직접기초의 확대기초에 대해 일반적인 단위면적당 허용지지력공식을 보면,

로써 통상 양질지반에 기초가 위치한다면 단위면적당 허용지지력은 기초폭 B의 크기에 비례하여 증가하므로 폭 B가 클수록 유리하며, 또한 상부하중 P에 의한 단위면적당 하중, 즉 작용압력 p = P/A 이므로 기초의 단면적 A가 클수록 작용압력 p가 작아져서 결과적으로 기초는 단위면적당 허용지지력과 작용압력과의 관계는 q_a > p 의 조건을 만족해야 하므로 기초단면의 확대는 안전한 기초를 성립하는데 필수 적으로 필요한 사항이다.

한편, 말뚝기초의 경우 극한지지력 Q_u는 선단지지력 Q_p와 마찰지지력 Q_s의 합이고 허용지지력 Q_a는 극한지지력 Q_u를 안전율 F_s로 나눈 것으로써,

여기서 선단지지력 Q_p = q_u A_p는 단위면적당 선단지지력 q_u와 선단면적 A_p의 곱이므로 말뚝의 선단면적 A_p가 증가할수록 말뚝의 지지력은 크게 되는 것이다.

상기와 같은 검토 결과 하부기초부(200)의 상부 직경은 기둥(100)의 직경보다 2 ~ 5 배 크게 형성하여 충분한 단면을 확보할 수 있도록 구성하는 것이 가장 바람직하다.

아울러, 인근 구조물이나 지반 이완이 문제가 되는 곳의 경우 종래의 방법으로는 확대기초를 설치하기 어려웠으나, 본 발명에 의해 지반 굴착이나 되메우기의 작업을 하지 않고 용이하게 확대기초를 설치할 수 있고, 연약지반의 경우 하중을 부담하는 기초의 면적이 증대됨에 따라 단위면적당 하중, 즉 기초에 작용하는 압력을 크게 줄여 줄 수 있어 단단한 지층까지 기초를 확대하지 않고도 용이하게 구조물을 지지할 수 있는 기초를 만들 수 있을 것이다.

말뚝기초의 경우 단단한 지반과 만나는 선단면적을 확대시켜 말뚝의 선단지 지력을 증대시킴에 따라 기존의 방법으로 설치되는 말뚝기초 수를 줄여서 경제적인 시공이 되게 할 수 있을 뿐 아니라 구조적으로도 확실한 선단지지력을 확보함에 따라 설계시 보다 확실하게 지지력을 확보할 수 있을 것이다.

상기와 같은 구성에서 하부기초부(200)는 상부가 기둥(100) 직경보다 큰 직경을 가지며 하부로 가면서 점차 직경이 감소되는 콘 형태로 형성되어 있고 내부에 그라우트재나 콘크리트(240)가 수용되도록 수용부(210)를 갖추어 수용부(210)에 그라우트재나 콘크리트(240)가 채워져 있고, 하부 외주면을 따라 점차적으로 곡선 반경이 작아지는 클로소이드 곡선 형태로 스크류날개(220)가 설치되어 있는데, 그 예가 도 10에 도시되어 있다.

먼저, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 기둥(100) 하부에 연결관(230)을 설치하고, 연결관(230)의 양측 끝단을 수용부(210)를 갖는 콘 형태의 콘부재에 용접 등의 방법으로 고정시키고, 연결관(230) 외주면에 홀(231)을 타공하였다.

이러한 구성은 기둥(100) 내부로 그라우트재나 콘크리트가 공급되게 된다.

이 경우에 콘부재의 상부를 평행하게 확장시켜 수용부(210) 내부에 수용되는 콘크리트(240)나 그라우트재의 양을 증가시킬 수 있다.

한편, 도시하지는 않았으나, 별도의 주입호스를 준비하여 그라우트재나 콘크리트(240)를 수용부(210)에 직접 공급하여 시공할 수도 있다.

아울러, 스크류날개(220)는 도 11의 A,B에 도시되어 있는 바와 같이 철판이나 수지를 이용하여 곡선 반경이 점차 작아지는 형태로 구부려서 클로소이드 곡선 형태로 왜곡된 클로소이드 원 형태로 절삭한 다음 중앙부는 보다 곡선 반경이 작은 외곽부와 동일한 형태인 클로소이드 원 형태로 제거하여 한쪽을 절개한 후 상하로 이완시켜 제작된 철판형 스크류날개(220), 도 11의 C,D에 도시된 것처럼 와이어로프를 콘부재의 외부에 콘 끝부분에 결속시킨 후 콘 상부를 향해 적절히 감아 만든 와이어로프형 스크류날개(220) 등으로 구성할 수 있으며, 도시하지는 않았으나, 파이프 또는 강봉을 달팽이 모양으로 점차 직경이 큰 형태로 구부려서 이를 콘의 외부에 설치하는 강 달팽이형 스크류날개(220) 등으로 구성할 수 있다.

이들 스크류날개(220)는 콘 끝단으로부터 콘의 상부를 향하여 점차 직경이 증대되는 성질을 이용하여 별다른 결속수단 없이 용이하게 설치할 수 있으며, 기초 설치를 위해 지반 굴착시 자연스럽게 콘의 외부에 결속되어 스크류날개(220)가 형성되는 특성이 있다.

아울러, 본 발명에서 기둥(100) 내부에는 그라우트재나 콘크리트가 채워져 구성될 수도 있다 할 것이다.

이때, 하부기초부(200) 형성을 위한 그라우트시 콘부재가 설치된 기둥(100)을 회전시키면서 상승과 하강을 반복하여 지반을 이완시키면서 그라우트를 실시하여 수용부(210)의 상부 일부에도 그라우트재나 콘크리트를 채워 기초를 완성하게 되면, 도 10과 같이 그라우트재나 콘크리트와 흙이 혼합 교반된 혼합교반부(250)가 추가로 형성되는데, 이처럼 혼합교반부(250)를 형성하게 되면 기초와 지중의 흙의 접촉 면적이 보다 증가하여 보다 견고한 기초를 형성할 수 있다.

이는 기둥(100)을 상승과 하강을 반복시키게 되면, 수용부(210)가 빈 공간으 로 되어 있어 수용부(210) 상부의 지반이 수용부(210) 내부로 부분적으로 붕괴되므로 용이하게 지반을 이완시키면서 그라우트재나 콘크리트가 수용부(210) 및 그 상부의 이완된 흙 속에 침투하게 되는 것이다.

상기와 같이 하부기초부(200)를 형성함에 있어서, 그라우트재나 콘크리트를 이용하여 사전에 콘 형태로 제작하여 미리 지중에 삽입하여 본 발명의 하부기초부(200)를 형성할 수도 있다.

지반을 인위적으로 굴착하고 콘크리트를 타설하여 확대기초를 설치한 후 되메우는 종래의 방법으로는 필요한 기초의 지지력을 확보하기 어려운 경우에 기초의 지지력을 확보하기 위해서는 기초의 단면적을 크게 하여야 하거나, 이러한 방법이 불가능한 경우 양질 지반까지 말뚝기초 등에 의해 상부하중을 전달시켜야 하는데, 상기와 같이 구성된 본 발명의 다단 콘 기초는 기초의 단면적을 횡방향으로 확대시키지 않고 기초 하단부의 지반내에 다단의 상태로 종방향으로 확대시킴으로써 양질지반까지 말뚝기초를 설치할 필요도 없이 용이하게 지지력을 확보할 수 있게 된다.

이때 다단 콘 기초는 직접 자천공으로 지반을 굴착하여 소정의 깊이로 위치시킨 다음 시멘트 모르타르와 같은 그라우트재나 콘크리트를 하부기초부의 수용부에 채우거나, 그라우트재나 콘크리트를 수용부에 미리 충진시키는 방법으로 하부기초부를 형성하면서 기둥에 고정시킨 다음 지중에 삽입시키고 이를 박스형태의 기초와 결속시킬 수도 있다.

이와 같은 방법에 의해 용이하게 필요한 지지력을 확보하고 결과적으로 종래 의 기초보다 강화된 기초를 훨씬 용이하게 설치하게 하여 굴착 확대로 인해 인근 지반이나 구조물의 이완 또는 변위 발생을 방지하고, 추가적인 굴착 및 되메움의 공정이 생략되어 경제적이고 시공이 용이해진다.

보다 구체적으로, 본 발명은 확대기초와 말뚝기초를 합성시킨 것으로 구조물이 위치해야 하는 소정의 지반에 하부기초부를 1단 또는 다수 단으로 설치한 다음 철근이나 철골 또는 파이프와 같은 강성체로 박스형태로 만들어 기둥의 상부와 연결시키고 그 내부를 콘크리트나 골재로 채워서 상부기초부를 형성함으로써 상부기초부와 하부기초부가 일체화된 기초를 형성한 다음 여기에 구조물을 시공하게 되므로, 정확한 선단지지력 확보를 확보하기 위해 지반의 토질 조건을 고려하여 구조물의 하부에 설치되는 박스 형태의 확대기초 단면과 콘 기초 수와 설치 단을 계산하여 시공하게 되므로 일반적인 확대기초와 같이 기초 단면을 확대하기 위하여 과도하게 지반을 굴착할 필요도 없고 양질 지반에 기초를 설치하기 위해 깊게 굴착할 필요도 없게 되는 것이다.

또한, 말뚝기초의 경우 기초 단면을 확대하기 위해 단면이 큰 기초를 설치하거나 말뚝 수를 많게 하여야 하나 본 발명은 상부기초부와, 기둥 단면에 비해 기초부분의 단면적이 큰 하부기초부가 일체로 작용하고 있어 결과적으로 말뚝 수를 현저히 감소시킬 수 있어 경제적인 효과가 크며, 설치 방법도 단순하여 용이하게 기초의 지지력을 확실하게 확보할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 확대기초의 개략도.

(A) : 사각형 확대기초의 개략도.

(B) : 원형 확대기초의 개략도.

도 2는 종래의 말뚝기초의 모습을 나타낸 단면 개략도.

(A) : 기성 제품의 말뚝기초의 단면을 나타낸 단면 개략도.

(B) : 현장 치기 말뚝기초의 단면을 나타낸 개략도.

도 3은 본 발명에서 기둥에 하부기초부와 중간기초부를 형성한 상태를 도시한 사시도.

도 4는 본 발명에서 중간기초부를 형성하는 과정을 나타낸 개략도.

도 5는 본 발명에서 기둥에 상부기초부를 형성하기 위하여 고정판과 지지프레임을 설치한 상태를 나타낸 사시도.

도 6은 본 발명에서 하나의 상부기초부에 다수 개의 기둥을 설치하기 위한 상태를 나타낸 사시도.

도 7은 본 발명의 다단 콘 기초가 관로기초에 사용된 실시예를 나타낸 단면 개략도.

도 8은 본 발명의 다단 콘 기초가 박스기초에 사용된 실시예를 나타낸 단면 개략도.

도 9는 본 발명의 다단 콘 기초가 박스기초에 다단계로 사용된 실시예를 나타낸 단면 개략도.

도 10은 본 발명에서 하부기초부의 시공 예를 나타낸 사시도.

도 11은 본 발명에서 하부기초부에 설치되는 스크류날개의 예를 나타낸 사시도.

<도면의 주요 부호에 대한 상세한 설명>

100 : 기둥 110 : 관통봉

111 : 연결부재 200 : 하부기초부

210 : 수용부 220 : 스크류날개

230 : 연결관 231 : 홀

240 : 콘크리트 250 : 혼합교반부

300 : 중간기초부 310 : 포대

320 : 결속부재 330 : 주입호스

340 : 고정부재 400 : 상부기초부

410 : 고정판 420 : 지지프레임

500 : 기초연결부

Claims (5)

1. 콘기초에 있어서,

   내부가 빈 관 형상을 가지며, 측벽 양측을 관통하여 돌출된 관통봉(110)이 설치되어 있는 기둥(100)과;

   상기 기둥(100)의 하부에 설치되어 있고, 상부가 기둥(100) 직경보다 큰 직경을 가지며 하부로 가면서 점차 직경이 감소되는 콘 형태로 형성되어 있고 내부에 그라우트재나 콘크리트(240)가 수용되도록 수용부(210)를 갖추어 수용부(210)에 그라우트재나 콘크리트(240)가 채워져 있고, 하부 외주면을 따라 점차적으로 곡선 반경이 작아지는 클로소이드 곡선 형태로 스크류날개(220)가 설치되어 있는 하부기초부(200)와;

   상기 기둥(100)의 중간에 포대(310)가 설치되어 있고, 포대(310)의 상부와 하부가 기둥(100)에 밀착되어 있고, 포대(310)의 중간 부분은 내주면과 기둥(100) 사이에 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀이 충진되어 형성되어 있으며, 포대(310) 내측의 상부와 하부에는 결속부재(320)가 기둥(100)에 고정되어 있고, 결속부재(320)의 일측은 기둥(100) 외측으로 돌출되어 시멘트 몰탈 또는 시멘트 풀과 일체화되어 형성된 중간기초부(300)와;

   일측에 홈이 형성된 'ㄷ'자 형태로 형성되어 홈에 상기 기둥(100)의 관통봉(110) 설치 부위 아랫 부분이 끼워지는 고정판(410)과, 상기 고정판(410)이 안착되는 격자 형태의 지지프레임(420)과, 상기 지지프레임(420) 내부 공간에 채워지는 골재 또는 콘크리트로 구성되어 있고, 상부의 구조물을 직접 지지하도록 구성된 상부기초부(400);를 포함하여 구성된,

   다단 콘 기초.
2. 제 1항에 있어서,

   중간기초부(300)와 하부기초부(200)가 연결된 기둥(100)이 하나의 상부기초부(400)에 다수 개 연결되어 설치되되, 각 기둥(100)을 관통하는 관통봉(110)을 연결하는 연결부재(111)가 더 설치되어 각각의 기둥(100)이 일체화되는 것을 특징으로 하는,

   다단 콘 기초.
3. 제 2항에 있어서,

   각각의 기둥(100)에 연결된 중간기초부(300)와 하부기초부(200)는 그 높이가 서로 다르게 설치된 것을 특징으로 하는,

   다단 콘 기초.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 상부기초부(400)의 지지프레임(420)과 직각 방향으로 구성되며 격자 형태로 된 프레임으로 구성된 기초연결부(500)가 더 구비되어 기초연결부(500)에 다수의 상부기초부(400)가 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는,

   다단 콘 기초.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 기초연결부(500)는 육면체 형태로 형성되어 있고, 격자 프레임 내부에 콘크리트 또는 골재가 채워져 구성된 것을 특징으로 하는,

   다단 콘 기초.

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