KR100964796B1

KR100964796B1 - 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법 및 말뚝 구조물

Info

Publication number: KR100964796B1
Application number: KR1020100017805A
Authority: KR
Inventors: 송기용; 송근석
Original assignee: 송기용; 송근석
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2010-06-21
Anticipated expiration: 2030-02-26
Also published as: WO2011105703A2; WO2011105703A3

Abstract

본 발명은 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법 및 말뚝 구조물에 관한 것이다. 본 발명은, 외부 케이싱을 지반 토사층에 압입하는 공정(S110); 외부 케이싱의 내부를 굴착하면서 외부 케이싱을 토사층 아래의 암반층 상면까지 관입하여 지지하는 공정(S120); 외부 케이싱 내부에 암반천공공구를 삽입하여 외부 케이싱 내측 하부의 암반층을 설계 심도까지 천공하여 암반 천공홀을 형성하는 공정(S130); 외부 케이싱보다 작은 지름의 매립용 강관을 구비하고, 상기 매립용 강관의 외주에 콘크리트가 밀려 올라오는 것을 막기 위한 차단부재가 매립용 강관의 하단으로부터 암반 천공홀의 깊이만큼 축방향으로 떨어진 지점에 설치되며, 상기 차단부재 아래쪽의 매립용 강관에는 내부 주입 콘크리트를 암반 천공홀로 배출하기 위한 복수의 배출공이 형성된 매립용 강관 조립체를 외부 케이싱 안으로 관입하여 암반 천공홀의 바닥에 지지시키는 공정(S140); 암반 천공홀에 지지된 매립용 강관 내부에 콘크리트를 주입함과 동시에, 매립용 강관의 배출공으로 콘크리트가 빠져나가 암반 천공홀에 채워지도록 하여 매립용 강관 조립체를 암반층과 일체화시키는 공정(S150); 및 외부 케이싱을 인발하여 제거하는 공정(S160)을 포함한다. 본 발명에 의하면, 강관을 암반층 내에 매립하고 암반층과 구조적으로 일체화시켜 선단 지지력 및 내진강도를 극대화한 말뚝 구조물이 구현된다.

Description

암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법 및 말뚝 구조물{Method for Constructing the Steel Pipe-Concrete Composite Pile Structurized of Burying and Unifying Into the Bedrock, and a Pile Construction}

본 발명은 강관을 말뚝 구조물의 일부로 영구적으로 매립하는 말뚝 시공방법에 관한 것으로서, 특히 토사층 하부의 지하 암반 내부까지 강관을 진입시켜 지하 암반과 강관을 구조적으로 일체화시켜 매립함으로써 종래의 말뚝보다 현저하고도 크게 증진된 선단 지지력 및 수평 지지력을 확보하여 지진 등에 대해 구조적으로 한층 안정된 현장 말뚝을 제공하고, 이와 더불어 강관의 매립 작업 및 암반 일체화 작업을 매우 간단한 공정에 의해 완성할 수 있으며, 말뚝 구조물의 주면 마찰력을 극대화함과 더불어 차수 성능을 향상시켜 염해나 토양에 의한 부식을 방지할 수 있도록 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법 및 그에 의해 시공된 말뚝 구조물에 관한 것이다.

일반적으로 대부분의 현장타설말뚝은 철근망, I-형강, H-형강 등과 콘크리트의 구조물로 이루어진다. 근래에는, 건축 시설물이나 해상 교량 또는 구조물 등의 의 규모가 대형화되는 한편 특히 내진설계의 필요성과 규제가 강화되고 있어 시설물의 기초를 세우는 공법이 매우 중요한 부분을 차지한다.

이러한 상황 하에서 많이 사용하는 기존의 현장타설말뚝 공법으로서는 공벽 보호수단으로서 케이싱을 이용하는 공법이 알려져 있다. 케이싱을 이용하는 현장타설말뚝 공법은, 강관 케이싱을 희생강관으로 삼아 말뚝기초를 세우고 마지막 공정에서 강관 케이싱을 인발하는 인발형 공법과, 강관 케이싱을 영구부재로 삼아 강관 케이싱을 지지층(암반층 상면)까지 안착시킨 다음 강관 케이싱 내부에 콘크리트를 타설하여 강관 케이싱을 그대로 보존하는 매립형 공법이 알려져 있다.

상기한 인발형 공법은 굴착 시 공벽 보호수단으로서 강관 케이싱을 토사층에 압입시켜 풍화암층(암반층의 가장 위층) 표면에 안착시키고, 풍화암층 표면에 안착된 강관 케이싱의 내부에 해머 비트를 삽입시켜 풍화암층 내부까지 굴착하며, 이어서 강관 케이싱 내부에 철근 케이지를 삽입해 두고 콘크리트를 타설하면서 굴착공 바닥으로부터 콘크리트가 순차적으로 채워지는 것에 대응하여 강관 케이싱을 서서히 인발해 내는 공법이다(예; 공개특허공보 공개번호 10-2009-0099937호 등).

이러한 인발형 공법에 의한 현장타설말뚝은 콘크리트의 하단이 풍화암층에 일체로 매립되기는 하나 케이싱 인발과정에서 공벽의 토사가 밀려들어 붕괴하는 공벽붕괴(necking)가 발생하는 단점이 있다. 이러한 공벽붕괴를 막기 위해서는 슬러리를 이용한 별도의 공벽보호공정이 필요하다는 단점도 있다. 또한, 공벽보호공정은 벤토나이트 등의 유출로 인해 수질오염을 초래할 뿐만 아니라 세부공정이 많아 시공상의 불편을 초래한다. 또한, 해상교량이나 해상 구조물의 하부 구조물에 적용될 경우 철근이 염해에 의해 부식될 가능성도 있다.

특히, 이러한 인발형 공법에 의한 현장타설말뚝은 선단부가 풍화암층에 매립되기는 하나 철근콘크리트만으로는 충분한 선단 지지력과 수평 지지력을 확보하기 어렵다.

한편, 케이싱을 영구부재로서 보존하는 현장 타설 말뚝 공법으로서는 외부 케이싱과 내부 케이싱을 활용하여 굴착한 후 내부 케이싱을 보존하는 공법이 알려져 있다(예; 공개특허공보 공개번호 10-2006-01057521호 등). 이는 강관 케이싱(외부 케이싱)을 해머를 이용해 타격하여 삽입하고, 강관 케이싱 내부를 굴착하며, 강관 케이싱 내측의 굴착공에 이너 케이싱(inner casing)을 삽입하여 풍화암층(지지층) 상면에 안착시킨 다음, 이너 케이싱의 내부에 철근망을 근입한 후, 콘크리트를 타설하면서 강관 케이싱은 인발하고 이너 케이싱은 보존하는 공법이다.

이러한 매립형 공법에 의한 현장타설말뚝은, 이너 케이싱의 사용에 의해 공정을 줄이고 건설비용을 절감하며 단면 균일성을 확보한다는 측면에서는 많은 장점이 있다. 그러나 이너 케이싱의 보존이 곧 말뚝 구조물의 지지력 또는 내하력 향상이나 내구성 향상이라는 결과를 가져오는 것은 아니어서 지지력과 내구성 등의 구조적 안정성을 보장하기 어렵다.

요컨대, 매립형 공법에서는 이너 케이싱이 말뚝 구조물의 일부로서 영구적으로 남기는 하나, 철근콘크리트만이 풍화암층 내부에 매립될 뿐, 정작 이너 케이싱은 풍화암층 내부에 매립하지 못하고 풍화암층 상면에 단순히 안착시키기만 하기 때문에 선단 지지력과 수평 지지력을 확보하기 어렵고, 그에 따라 내하력과 내진성이 부족하다. 이너 케이싱을 풍화암층에 형성된 굴착공에 완전하게 삽입하면 이너 케이싱과 굴착공 내벽 사이의 공간에 콘크리트를 타설할 수 없고, 타설한다고 하더라도 이너 케이싱을 삽입하기 전에 먼저 굴착공 안에 콘크리트를 주입하고, 그 콘크리트가 경화되기 전에 이너 케이싱을 넣어 경화되지 않은 콘크리트 사이를 파고들어가는 방식으로 삽입하여야 하므로 공정이 복잡하고 설계 심도가 깊은 곳에서는 적용하기 매우 어렵다.

또한, 이너 케이싱의 둘레면이 토사층(흙, 점토, 모래, 자갈 등으로 이루어짐)과 직접 접촉하여 강관과 토사층의 마찰이 이루어지므로 콘크리트와 토사층의 마찰에 비해 마찰 지지력이 약해 말뚝 구조물의 주면(周面) 마찰력이 저하되는 단점이 있다.

또한, 말뚝 구조물의 외부가 이너 케이싱으로 이루어져서 토사층과 직접 접촉하기 때문에, 토사층으로부터의 철재 노출로 인한 부식으로 강도가 저하되는 단점이 있다.

더 나아가서, 종래의 매립형 공법에서는, 철근콘크리트만이 암반층에 매립되어 충분한 지지력을 확보하기도 어렵지만, 철근콘크리트라도 깊게 매립하기는 어렵다. 매립 깊이를 깊게 하기 위해서는 암반층 내부로 깊은 굴착공을 천공하여야 하는데 이를 원활하게 수행할 방안이 없어 굴착 기간과 비용이 지나치게 많이 소요된다.

지반은 상부 표토층 및 그 하부의 점토, 모래, 자갈, 풍화토 등으로 이루어지는 토사층과, 토사층 아래에 존재하는 암반층으로 분포되고, 암반층은 다시 표면으로부터 아래쪽으로 풍화암, 연암, 경암의 순으로 세분되는 것이 일반적이다. 풍화암은 연암이 풍화작용에 의하여 비교적 연약하게 된 상태를 말한다. 암반층이 풍화암이든지 연암이든지 간에 이를 굴착하기 위해서는 드릴 비트를 사용하여 회전과 함께 상하 방향으로 충격을 가해 천공하여야 하므로 시간이 많이 걸리게 된다. 특히, 일본지역과 같이 암반층의 강도가 약한 지역에서도 천공이 어렵고 시간이 많이 걸리지만, 우리나라나 베트남과 같은 지역의 암반층은 그보다 더욱 단단하여 암반층을 깊이 천공하기 위해서는 비트의 마모가 심하고 빈번히 교체하여야 하며 시간이 지나치게 많이 소요되므로 암반층 깊숙이 천공하기에는 현실적인 제약이 많이 따르기 때문에 암반층 내의 천공 심도를 낮게 유지할 수밖에 없다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제를 해결하기 위하여 개발한 것으로서, 본 발명의 첫 번째 목적은, 강관을 암반층 내에 깊이 매립함과 더불어 암반층과 구조적으로 일체화시키고 말뚝 구조물의 선단 지지력 및 내진강도를 극대화하여 구조적으로 극히 안정적인 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공방법 및 그에 의한 말뚝 구조물을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 두 번째 목적은 강관과 암반층의 일체화를 매우 용이하게 수행할 수 있고 시공비용과 시간을 절감할 수 있도록 하는 것에 있다.

본 발명의 세 번째 목적은, 암반층 및 토사층에 매립된 강관의 내부로 지하수나 해수의 침투를 차단하고, 매립 강관의 외부도 보호함으로써, 해수나 토사의 침투에 의한 강관 내의 (철근)콘크리트 구조물의 부식과 및 그에 의한 강도저하를 방지하도록 하는 것에 있다.

본 발명의 네 번째 목적은, 토사층에 매립된 부분의 주면 마찰력을 향상시켜 말뚝의 구조적 안정성을 극대화시키며, 그러한 작업을 매우 쉽게 할 수 있도록 하는 것에 있다.

본 발명의 다섯 번째 목적은, 암반층의 강도가 크더라도 천공을 신속하고 용이하게 할 수 있어 우리나라나 베트남과 같이 암반층의 강도가 매우 큰 지역에서도 쉽게 적용할 수 있고 시공비용과 기간도 단축할 수 있도록 하는 것에 있다.

본 발명의 여섯 번째 목적은, 상기한 구조적 안정성에 더하여 강관 선단부의 주면마찰력도 더욱 보강할 수 있도록 하는 데에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일측면에 따른 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법은, 천공 위치를 측량하고 외부 케이싱을 지반 토사층에 압입하는 공정(S110); 외부 케이싱의 내부를 굴착하면서 외부 케이싱을 토사층 아래의 암반층 상면까지 관입하여 지지하는 공정(S120); 외부 케이싱 내부에 암반천공공구를 삽입하여 외부 케이싱 내측 하부의 암반층을 설계 심도까지 천공하여 암반 천공홀을 형성하는 공정(S130); 외부 케이싱보다 작은 지름의 매립용 강관을 구비하고, 상기 매립용 강관의 외주에는 외부 케이싱의 내주면에 밀착하여 암반 천공홀에 주입된 콘크리트가 밀려 올라오는 것을 막기 위한 차단부재가 매립용 강관의 하단으로부터 암반 천공홀의 깊이만큼 축방향으로 떨어진 지점에 설치되며, 상기 차단부재 아래쪽의 매립용 강관에는 내부에 주입된 콘크리트를 암반 천공홀로 배출하기 위한 복수의 배출공이 형성되어 있는 형태의 매립용 강관 조립체를 외부 케이싱 안으로 관입하여 암반 천공홀의 바닥에 지지시키는 공정(S140); 암반 천공홀에 지지된 매립용 강관 내부에 콘크리트를 주입하여 채움과 동시에, 매립용 강관의 배출공으로 콘크리트가 빠져나가 매립용 강관의 외주와 암반 천공홀 내벽 사이의 공간에 채워지도록 하여 매립용 강관 조립체를 암반 천공홀 내부에 매립 및 암반층과 일체화시키는 공정(S150); 및 외부 케이싱을 인발하여 제거하는 공정(S160)을 포함하여 이루어진다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 시공 방법에 있어서, 상기 공정(S130)은, 상, 하 방향으로 서로 이격되어 배치되어 외부 케이싱의 내경에 접하는 상태로 외부 케이싱의 내부에 삽입되는 복수의 가이드 판과, 상기 가이드 판에 수직으로 관통하는 상태로 고정되는 복수의 소구경의 수직 안내관을 구비하는 안내 구조체를 상기 외부 케이싱 내부에 삽입하여 설치하고 상기 안내 구조체의 복수의 소구경의 수직 안내관에 차례로 소구경의 암반천공공구를 진입시켜 외부 케이싱 내부 바닥의 암반층의 여러 지점을 미리 파쇄하고 굴착하여 1차적으로 복수의 소구경의 천공홀을 형성하는 공정(S132); 및 상기 외부 케이싱으로부터 상기 안내 구조체를 제거한 후 상기 외부 케이싱 의 내경에 맞는 대구경의 암반천공공구를 삽입하여 상기 소구경의 암반천공공구에 의해 미리 복수의 지점에 소구경의 천공홀을 형성한 암반층을 2차적으로 천공하는 공정(S133)을 설계 심도에 이르기까지 반복수행하여 구성하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 시공 방법에 있어서, 상기 공정(S132) 전에, 암반층 상면까지 관입된 외부 케이싱의 둘레에, 중간에 삽입공이 형성되어 있는 데크 및 상기 데크를 지지하는 복수의 보강파일을 구비하는 좌대 구조물을 마련하여 상기 삽입공에 외부 케이싱을 삽입한 상태로 설치하는 공정(S131)을 수행하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 시공 방법에 있어서, 상기 공정(S150)에서 콘크리트를 주입하기 전에, 상기 매립용 강관의 내부에 철근망을 먼저 근입하는 공정(S145)을 수행한 후 콘크리트를 주입함으로써, 상기 암반 천공홀 안에서 철근망 및 매립용 강관 조립체가 암반층과 일체화되도록 하여도 좋다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 시공 방법에 있어서, 상기 외부 케이싱을 인발하여 제거하는 공정(S160) 전에, 상기 차단부재 위쪽의 매립용 강관의 외주와 상기 외부 케이싱의 내주 사이에 그라우팅용 토사를 충전하는 공정(S155)을 먼저 수행하고, 외부 케이싱을 인발한 이후에, 상기 매립용 강관의 외주에 있는 그라우팅용 토사에 그라우트재를 주입하여 매립용 강관의 외주면과 토사층을 그라우팅에 의해 일체화시키는 공정(S165)을 수행하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 시공 방법에 있어서, 상기 공정(S155) 및 공정(S165)에 사용되는 매립용 강관 조립체는, 그라우트재를 주입하기 위한 토출공들이 형성된 복수의 그라우트 주입호스를 차단부재 상부에 설치한 것을 사용한다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 시공 방법에 있어서, 상기 매립용 강관 조립체의 차단부재 아래쪽의 매립용 강관 외주에는, 주면 마찰력의 보강을 위해 복수의 전단 키를 방사상으로 돌출 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 한 측면에 따른 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 구조물은, 지반 토사층으로부터 암반층의 내부까지 천공한 암반 천공홀이 형성되고; 상기 암반 천공홀보다 작은 지름으로 이루어져 암반 천공홀과 반경방향으로 간격을 유지하는 매립용 강관과, 상기 매립용 강관의 외주에 설치되어 상기 암반 천공홀의 상부를 막는 차단부재와, 상기 차단부재 아래쪽의 매립용 강관에 콘크리트를 배출하기 위해 형성되는 복수의 배출공을 포함하는 매립용 강관 조립체가 상기 암반 천공홀의 내부까지 관입된 상태로 배치되며; 상기 매립용 강관 조립체의 내부에 콘크리트를 주입하여 채우고 상기 배출공을 통해 콘크리트가 빠져나가 매립용 강관의 외주와 암반 천공홀 사이의 공간을 채우는 것에 의해 상기 차단부재 하부의 횡단면 형태가, 반경방향 중앙부에 내부 콘크리트 층과, 내부 콘크리트 층 외측에 매립용 강관 층과, 매립용 강관 층 외측에서 내부 콘크리트 층과 배출공으로 연결되는 외부 콘크리트 층과, 외부 콘크리트 층 외측에 외부 콘크리트 층과 일체화를 이루는 암반층이 존재하는 구조로 이루어진다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 구조물에 있어서, 상기 차단부재 위쪽의 매립용 강관의 외주에 그라우팅용 토사가 충전되고, 상기 그라우팅용 토사에 그라우트재가 주입되는 것에 의해, 상기 차단부재 위쪽의 말뚝 구조물의 횡단면 구조가, 반경방향 중앙부에 내부 콘크리트 층과, 내부 콘크리트 층 외측에 매립용 강관 층과, 매립용 강관 층 외측에서 외부의 토사층과 일체화를 이루는 그라우트 층이 존재하도록 하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 구조물에 있어서, 상기 매립용 강관 조립체의 내부에는 상기 암반 천공홀 바닥에 이르기까지 철근망을 추가로 삽입하여 상기 콘크리트에 의해 일체화시킴으로써 보강하여도 좋다.

상기한 본 발명의 복합 말뚝 구조물에 있어서, 상기 매립용 강관 조립체의 차단부재 아래쪽의 매립용 강관 외주에는 주면 마찰력의 보강을 위해 복수의 전단 키를 방사상으로 돌출형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공방법 및 말뚝 구조물에 의하면, 암반층 깊숙이 암반 천공홀을 형성하고, 해당 암반 천공홀에 기존의 콘크리트 구조물뿐만 아니라 매립용 강관 조립체를 새롭게 더 매립하여 콘크리트를 통해 암반과 구조적으로 일체화시킴으로써, 종래와 달리 매립용 강관 조립체에 선단 지지력과 수평 지지력이 새롭게 부여되고, 새롭게 부여된 선단 지지력과 수평 지지력은 극도로 크기 때문에 상부 구조물의 하중을 지탱하거나 지진에 대해 더욱 안정적인 말뚝 구조물이 구현된다.

또한, 본 발명에 의하면, 매립용 강관 조립체를 암반 천공홀 바닥까지 삽입하더라도, 매립용 강관에 복수의 배출공을 통해 매립용 강관 조립체와 암반 천공홀 사이의 공간에 콘크리트의 주입이 가능하고, 또, 암반 천공홀에 주입되는 콘크리트가 차단부재에 의해 외부 케이싱까지 도달되는 것이 방지되도록 한 구조를 갖춤으로써, 매립용 강관과 암반층의 일체화가 매우 용이하며, 암반 천공홀에 콘크리트를 채우는 작업이 쉽고, 암반 천공홀에 콘크리트를 채우더라도 외부 케이싱의 인발이 가능하고도 쉽다. 또, 이러한 장점에 의해 시공비용과 시간을 감축할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 매립용 강관에 배출공이 형성되어 있더라도, 매립용 강관의 외주와 암반 천공홀 사이의 공간에 콘크리트가 둘러싸게 됨으로써, 종래처럼 강관의 하단부와 암반층 상면 사이의 틈새를 통해 강관 내부로 지하수나 해수가 침투하지 못함으로써 매립용 강관 내부의 (철근)콘크리트 구조물의 부식을 억제하고 암반층에 매립된 강관의 외부도 보호할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 암반층에 매립된 매립용 강관의 외주에는 콘크리트층을 형성하는 것에 더하여, 토사층에 매립된 매립용 강관의 외주에 그라우팅 층을 형성함으로써, 토사층에 매립된 부분의 주면 마찰력도 향상시켜 말뚝의 구조적 안정성을 극대화시킬 수 있다. 또한, 이러한 그라우팅 작업을 매립용 강관 조립체에 미리 그라우트 주입호스를 설치하고 매립용 강관과 외부 케이싱 사이에 그라우팅용 토사를 채운 후 외부 케이싱을 인발한 후 그라우크재를 주입하는 새로운 공정에 의해 매우 용이하게 달성할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 암반층을 천공할 때 안내 구조체 및 소구경의 암반천공공구를 사용하여, 암반층에 미리 복수의 소구경의 천공홀을 형성하고, 그 다음에 대구경의 암반 천공을 형성하는 공법에 의해 우리나라와 같이 암반층의 강도가 큰 지층에서도 암반 천공작업을 신속하고 용이하게 수행할 수 있고, 암반 천공 비용과 기간도 단축할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 차단부재 하부의 매립용 강관 외주에 전단 키를 형성하여 암반 천공홀에 주입된 콘크리트와 일체화시킴으로써 강관 선단부의 주면마찰력 및 수평 지지력을 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 종래의 방대한 규모의 플랫폼에 비해 구조가 간단하면서도 설치가 쉬운 좌대 구조물을 설치하여 굴착 및 천공 장비를 올려놓고 수행함으로써, 해양에서도 쉽고 간편하게 작업할 수 있고, 바지선 위에서 작업하는 것에 비해 작업을 정밀하고 안정적으로 수행할 수 있다.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명의 일 측면에 따른 복합 말뚝 시공 방법을 설명하기 위한 시공 단계별 공정도이다.
도 2a 내지 도 2f는 도 1c의 외부 케이싱 내 굴착 공정에서의 바람직한 세부 공정들 및 각 공정에 사용되는 장치를 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 측면에 따라, 각각 도 1d 및 도 1e의 공정에서 사용되는 매립용 강관 조립체의 상세 사시도 및 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 매립용 강관 조립체의 상세 사시도이다.
도 5는 도 1d의 공정에서 매립용 강관 조립체를 외부 케이싱을 통해 암반층 내부에 삽입한 상태를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 상태에서 매립용 강관 조립체 내부에 콘크리트를 주입하는 상태 및 매립용 강관 조립체를 암반층 내부에 일체화시킨 도 1e의 공정을 더욱 상세하게 나타내는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 측면에 따라 도 1e의 공정 이전에 매립용 강관 조립체 내부에 철근망을 먼저 삽입하는 공정 및 그 후 콘크리트를 주입하여 암반층과 일체화시킨 상태를 상세하게 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7b의 A-A 선에 따른 단면도로서, 암반 천공홀에 일체화된 말뚝 구조물의 횡단면 구조를 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 9c는 도 1f의 공정의 바람직한 세부 공정으로서, 토사층과 매립용 강관 조립체의 일체화 및 차수 공정을 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9c의 B-B 단면도로서, 그라우팅에 의해 토사층과 일체화된 말뚝 구조물의 횡단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법을 일목요연하게 보여주는 흐름도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

이하의 설명 및 첨부 도면들에서는, 복합 말뚝을 해상에 시공하는 것을 일례로 들어 설명하지만, 육상에 시공하는 것도 마찬가지이다. 다만, 해상에서는 굴착 장비와 같은 각종의 장비를 바지선이나 후술하는 좌대 구조물에 올려놓고 작업을 수행하지만, 육상에서는 각종의 장비를 지표면에 세워놓고 작업을 수행하게 된다.

또한, 이하의 설명 및 첨부 도면에서, '토사층'이란, 상부 표토층 및 그 하부의 점토, 모래, 자갈, 풍화토 등으로 이루어지는 지반층을 말하고, '암반층'이란 상술한 토사층 아래에 존재하는 풍화암, 연암, 경암 등으로 이루어지는 암층을 포괄한다.

도 1a 내지 도 1f에는 본 발명의 일 측면에 따른 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝의 시공 과정이 순차적으로 도시되어 있다.

이하, 도 11의 공정 흐름도를 병행 참조하여 설명하며, 도 11의 공정들은 시공 도면과 병행하여 설명하는 것으로 갈음하고 도 11을 따로 설명하지는 않는다.

<<공정 S110>>

도 1a는 공정 S110을 설명하기 위한 도면이다.

우선적으로, 복합 말뚝 구조물을 설치하고자 하는 현장을 측량하여 복합 말뚝을 설치할 여러 지점을 선정하고 각 지점의 지반 구조를 측량한다.

이어서, 바이브로 해머(Vibro Hammer) 등의 관입 장비(1)를 구축하고, 외부 케이싱(10)을 토사층의 소정 깊이까지 압입한다.

관입 장비(1)는, 도면에 도시된 것처럼 해상일 경우에는 바지선, 해양 플랫폼, 또는 간단한 좌대 구조물 위에 올려놓고 작업을 수행할 수 있다.

<<공정 S120>>

도 1b는 공정 S120을 설명하기 위한 도면이다.

외부 케이싱(10)을 토사층에 압입한 다음에는, 해머 그랩(Hammer Grab), 또는 역전드릴(RCD; Reverse Circulation Drill)이나 오거 드릴(Auger Drill, Auger Screw) 등의 굴착(천공) 공구(2)를 사용 또는 병용하여 외부 케이싱(10)의 공내 굴착을 진행하고, 굴착과 병행하여 외부 케이싱(10)을 계속하여 관입한다.

이렇게 하여 외부 케이싱(10)의 하단부를 암반층 상면(21)까지 관입시켜 암반층 상면에 지지시킨다.

외부 케이싱(10)이 암반층 상면(21)까지 관입되면, 외부 케이싱(10)이 공벽을 보호해 주기 때문에 별도의 공벽보호공정이 필요 없으며, 공내에 해수나 지하수의 유입을 차단하는 차수(遮水) 기능도 수행하게 된다.

<<공정 S130>>

도 1c는 공정 S130을 설명하기 위한 도면이다.

외부 케이싱(10)을 암반층 상면에 지지시킨 이후에는, 외부 케이싱(10)의 내경에 알맞은 천공 공구(3)를 외부 케이싱(10) 안에 넣고, 외부 케이싱(10) 하부의 암반층을 설계 심도까지 천공하여 암반층 깊숙이 암반 천공홀(20)을 형성한다.

암반 천공홀(20)의 내경은 외부 케이싱(10)의 내경과 거의 같다.

도 1c에서 참조 부호 '40'은 '좌대 구조물'이다. 이는 천공 장비를 해상에 안정적으로 설치하기 위해 본 발명의 일 측면에 따른 좌대 구조물(40)을 사용할 수 있음을 보여준다. 좌대 구조물(40)은, 일반적으로 규모가 방대한 플랫폼에 비하면 간단한 구조로 설치하여 사용할 수 있는 장점이 있고, 바지선에 비하면 장비를 안정적으로 유지할 수 있는 장점이 있다. 이의 좌대 구조물(40)에 대해서는 추후 자세하게 설명한다.

<<공정 S140>>

도 1d는 공정 S140을 설명하기 위한 도면이다.

암반층 내에 암반 천공홀(20)을 형성한 다음에는, 매립용 강관 조립체(30a)를 외부 케이싱(10)의 내부에 삽입한다. 이때, 매립용 강관 조립체(30a)는 그의 하단부가 암반 천공홀(20)의 바닥면(22)에 닿을 때까지 진입시킨다.

상기 매립용 강관 조립체(30a)는, 추후 상세히 설명하겠지만, 외부 케이싱(10) 및 암반 천공홀(20)보다 작은 지름으로 이루어지는 매립용 강관(30)과, 이의 매립용 강관(30)의 외주에 설치되는 차단부재(31)를 포함한다. 차단부재(31)는, 외부 케이싱(10)의 내주면에 밀착하여 암반 천공홀(20)에 주입된 콘크리트가 밀려 올라와 외부 케이싱(10)에 차오르는 것을 막는다.

또한, 상기 차단부재(31) 아래쪽의 매립용 강관(30)에는 복수의 배출공(32)이 형성된다. 본 발명에 따르면, 매립용 강관(30)의 하단부는 암반 천공홀(20)의 바닥면(22)까지 삽입되어 있어 콘크리트를 암반 천공홀(20)로 배출할 수가 없다. 이에 대비하여, 매립용 강관(30)의 둘레에 여러 개의 배출공(32)을 형성함으로써 매립용 강관(30) 내부에 주입한 콘크리트가 바깥쪽으로 흘러나가 암반 천공홀(20)을 채울 수 있도록 한 것이다. 바꾸어 말하면, 매립용 강관(30)에 배출공(32)을 형성하는 것에 의해, 매립용 강관(30)을 암반 천공홀(20) 바닥까지 진입시키더라도 암반 천공홀(20)과의 구조적 일체화가 가능해지도록 한 것이다.

<<공정 S150>>

도 1e는 공정 S150을 설명하기 위한 도면이다.

외부 케이싱(10)의 내부를 통과하여 암반 천공홀(20) 안에 매립용 강관 조립체(30a)를 진입시킨 다음에는, 매립용 강관(30)의 내부에 콘크리트(Ready Mixed Concrete)를 주입한다.

콘크리트(C)를 주입하기 위한 트레미관(11)을 매립용 강관(30)의 안에 진입시켜 암반 천공홀(20)의 바닥면(22)으로부터 토출시키고, 매립용 강관(30)의 아래에서부터 콘크리트(C)가 채워지는 것에 대응하여 트레미관(11)을 서서히 위로 빼면서 계속하여 주입하게 된다.

매립용 강관(30)의 내부에 주입된 콘크리트(C)는, 배출공(32)을 통해 밖으로 배출되어 매립용 강관(30)의 외주의 암반 천공홀(20)에 채워짐으로써 매립용 강관 조립체(30a)와 암반층을 일체화하게 된다.

계속하여 콘크리트를 공급함에 따라, 매립용 강관(30)의 외주와 암반 천공홀(20) 사이의 콘크리트의 수위가 높아진다. 이렇게 하여 콘크리트가 암반층의 상면(21) 부분에 이르게 되면 차단부재(31)에 의해 막히게 됨으로써, 콘크리트가 외부 케이싱(10)으로 올라오는 것이 차단된다. 따라서 추후 외부 케이싱(10)의 인발에 문제가 없게 된다.

이와 같이, 본 발명에 의하면 암반층 깊숙이 형성된 암반 천공홀(20) 바닥까지 관입된 매립용 강관 조립체(30a)와 암반 천공홀(20)을 콘크리트로 일체화시키기 용이하고, 그러면서도 외부 케이싱(10)에는 콘크리트가 올라가지 않도록 함으로써 외부 케이싱(10)의 인발이 가능해지고 쉬워지는 것이다.

이러한 본 발명에 의하면, 매립용 강관 조립체(30a)가 암반 천공홀(20) 바닥면(22)까지 깊숙이 진입하여 암반층과 일체화됨으로써, 매립용 강관 조립체(30a)에 선단 지지력(수직 지지력)이 부여되는 한편, 그 선단 지지력은 매우 크게 된다. 따라서 콘크리트와 함께 매립용 강관 조립체(30a) 자체가 상부 구조물의 하중을 지탱하는 역할까지 하게 된다.

또한, 강재인 매립용 강관 조립체(30a)와 암반 사이에 콘크리트가 채워져서 일체화됨으로써, 말뚝의 주면 마찰력 및 수평 지지력이 한층 강화된다.

이와 같이, 본 발명에 의하면, 말뚝의 선단 지지력과 주면 마찰력의 새로운 역할 담당 및 크나큰 증대로 인해 기초를 튼튼히 함으로써 지진이나 하중에 더욱 안전한 건축 시설물을 제공할 수 있게 된다.

또한, 암반층에 매립된 부분의 매립용 강관 조립체(30a)의 외주에는 콘크리트가 채워져 있기 때문에, 해수나 지하수가 침투하여 배출공(32)을 통해 매립용 강관 내부로 들어가는 것이 방지되며, 매립용 강관 조립체(30a) 내부의 철근 등의 부식을 방지할 수 있다.

한편, 도 1e에서, 참조 부호 '33'은 매립용 강관(30)의 외주에 설치된 '전단 키(Shear Key)'이다. 이러한 전단 키(33)는 콘크리트(C) 내부에 매립되어 강재인 매립용 강관(30)과 암반 사이의 일체화를 보강함으로써, 주면 마찰력 및 내진 성능을 극대화하게 된다.

<<공정 S160>>

도 1f는 공정 S160을 설명하기 위한 도면이다.

매립용 강관(30)과 암반 천공홀(20)에 콘크리트(C)를 주입한 후 경화된 이후에는 외부 케이싱(10)을 인발하여 제거하고, 두부를 정리한다.

그러면, 암반층에 매립된 매립용 강관 조립체(30a)의 하부 부분은 전술한 바와 같이 콘크리트(C)를 통해 암반 천공홀(20) 즉, 암반층에 일체화된 상태를 그대로 유지하게 되고, 차단부재(31) 상부 부분에는 모래, 자갈, 흙, 점토 등으로 이루어진 토사층에 매립됨으로써, 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝이 완성된다.

<<공정 S130의 바람직한 세부 공정: 공정 S131 ~ S133>>

도 2a 내지 도 2f에는 외부 케이싱 내 굴착 공정(S130)에서의 바람직한 세부 공정들 및 각 공정에 사용되는 장치들이 도시되어 있다.

(가) 공정 S131 및 그에 사용되는 좌대 구조물

도 2a 및 도 2b는 천공 장비를 올려놓기 위한 좌대 구조물(40)을 설치하는 공정(S131)을 설명하기 위한 도면이다.

외부 케이싱(10)의 하부 암반층을 천공하기 위해서는 천공 장비를 설치하여야 하는데, 천공 장비를 바지선 위에 실어 작업하는 경우에는 천공의 수직도를 유지하기 어렵다. 이를 방지하기 위해서 종래처럼 이른바 '플랫폼' 등과 같은 대규모의 시설물(또는 가시설물)을 구축한다면 비용이 지나치게 많이 든다.

본 실시예에서는, 간단한 구조의 좌대 구조물(40)을 구축하여 천공 장비를 포함한 항타 장비, 콘크리트 타설 장비 등을 올려놓고 작업할 수 있도록 하고 있다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 좌대 구조물(40)은, 외부 케이싱(10)의 둘레에 배치되는 데크(41)와, 데크(41)에 일체화된 상태로 암반층 상면(21)에 지지되는 보강파일(43)을 포함한다.

상기 데크(41)에는 외부 케이싱(10)을 삽입하기 위한 삽입공(42)이 형성된다. 또한, 데크(41)에는 외부 케이싱(10)을 유압이나 공압 또는 기계적으로 고정하기 위한 고정장치(44)를 더 구비할 수 있다.

이와 같은 좌대 구조물(40)을 설치하면 간단한 구조에 의해 천공 장비 등을 올려놓을 수 있으므로, 정확하고 안정적인 작업이 가능해지고 작업 시설물의 설치 비용과 기간을 감축할 수 있다.

이러한 좌대 구조물(40)은 본 공정(S130)에서 뿐만 아니라, 외주 케이싱(10)을 설치하는 공정(S110, S120)에서 미리 설치하여 사용할 수도 있을 뿐만 아니라, 본 공정(S130) 이후의 모든 공정에서 사용할 수 있다. 이하 설명되는 도면에서 좌대 구조물(40) 대신에 바지선을 도시한 형태도 있으나, 바지선 대신에 본 실시예의 좌대 구조물(40)을 계속하여 사용할 수 있음은 당연하다.

(나) 공정 S132, S133 및 그에 사용되는 안내 구조체

도 2c 내지 도 2f는 암반을 천공하기에 바람직한 안내 구조체(50) 및 그를 사용한 천공 공정(S132)(S133)을 보여준다.

안내 구조체(50)를 천공 공정에 사용하는 것은, 암반층을 미리 소구경의 천공공구로 여러 지점을 천공한 다음 대구경의 천공공구로 천공하도록 함으로써, 대구경의 천공공구만을 사용하여 천공하는 것에 비해 암반층의 천공을 쉽게 수행하기 위함이다. 앞에서 이미 설명한 바와 같이, 우리나라나 베트남과 같이 암반층이 단단한 지형에서 대구경의 천공공구만으로 천공하다 보면, 공구(예; 비트)의 마모가 심하여 교체를 빈번히 해주어야 하고 진행 속도도 매우 느리다. 따라서 암반층의 여러 지점을 미리 소구경의 천공공구로 파쇄 및 천공해 둔 다음, 대구경의 천공공구로 천공하게 되면 천공 작업이 쉽고 시간도 단축된다.

안내 구조체(50)는, 소구경의 암반 천공공구를 암반층의 여러 지점에 수직도를 유지하여 정확한 지점으로 안내하기 위한 보조 장치이다.

도 2c에 도시된 바와 같이, 안내 구조체(50)는, 상, 하 방향으로 서로 이격되어 배치되어 외부 케이싱(10, 도 2d 참조)의 내경에 접하는 상태로 외부 케이싱(10)의 내부에 삽입되는 복수의 가이드 판(51)과, 상기 가이드 판(51)에 수직으로 관통하는 상태로 고정 설치되는 복수의 소구경의 수직 안내관(52)을 구비한다. 수직 안내관(52)의 개수와 위치에는 어떠한 제한이 없다.

도 2d 내지 도 2f는 상기한 안내 구조체(50)를 사용하여 암반층을 1차 및 2차에 걸쳐 천공하는 공정(S132)(S133)을 설명하기 위한 도면이다.

도 2d 및 도 2e에 도시된 바와 같이, 외부 케이싱(10) 하부의 암반층을 천공하는 공정(S130)에 임하여, 가이드 판(51)을 이용하여 안내 구조체(50)를 외부 케이싱(10) 내부에 삽입하여 설치하고, 이어서 안내 구조체(50)에 구비된 복수의 소구경의 수직 안내관(52)에 소구경의 암반천공공구(3a)를 진입시켜 외부 케이싱(10) 내측 하부의 암반층의 여러 지점을 파쇄하고 굴착하여 1차적으로 복수의 소구경의 천공홀(20a)을 형성한다(공정 S132).

이어서, 도 2f에 도시된 바와 같이, 외부 케이싱(10)으로부터 안내 구조체(50)를 제거한 후, 외부 케이싱(10)의 내경에 맞는 대구경의 암반천공공구(3b)를 삽입하여 상기 소구경의 암반천공공구(3a)에 의해 미리 복수의 지점에 소구경의 천공홀(20a)을 형성한 암반층을 2차적으로 천공하여 대구경의 암반 천공홀(20b)을 형성한다. 이러한 공정 S132 및 공정 S133은 설계 심도에 이르기까지 반복 수행한다.

이와 같이 안내 구조체(50)를 이용하여 소구경의 암반천공공구(3a)로 암반층의 여러 지점을 2차적으로 천공한 다음 대구경의 암반천공공구(3b)로 천공하면 설계 심도까지 힘들이지 않고 천공할 수가 있다.

<<매립용 강관 조립체의 바람직한 일 실시예>>

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 측면에 따른 매립용 강관 조립체(30a)의 상세 구조를 보여준다.

앞의 공정 S140에서 간략하게 설명한 바와 같이, 매립용 강관 조립체(30a)는 암반층에 매립하여 일체화시킨 다음 존속시킴으로써 영구적으로 말뚝 구조물의 일부를 이루는 구조물이다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 매립용 강관 조립체(30)는, 외부 케이싱(10) 및 암반 천공홀(20)보다 작은 지름으로 이루어지는 매립용 강관(30)과, 이의 매립용 강관(30)의 외주에 설치되는 차단부재(31)를 포함한다.

또한, 상기 차단부재(31) 아래쪽의 매립용 강관(30)에는 복수의 배출공(32)이 형성된다.

상기 차단부재(31)는, 외부 케이싱(10)의 내주면에 밀착하여 암반 천공홀(20)에 주입된 콘크리트가 밀려 올라와 외부 케이싱(10)까지 차오르는 것을 차단하여 외부 케이싱(10)의 인발을 방해하지 않도록 한다.

차단부재(31)는, 매립용 강관(30)의 하단으로부터 전술한 암반 천공홀(20)의 깊이만큼 축방향으로 떨어진 지점에 설치된다.

이러한 차단부재(31)는, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 매립용 강관(30)의 외주에 탄성 밀착 부재(31a)를 설치한 형태로 구성할 수 있다. 탄성 밀착 부재(31a)는, 탄성 고무나 펠트(felt) 등으로 다양하게 선택할 수 있다. 탄성 밀착 부재(31a)를 공기를 주입하면 부풀어 오르는 팽창 튜브로 구성할 수도 있으나, 이 경우에는 별도의 공기 주입 시설과 장비를 갖추어야 하고, 나중에 팽창 튜브가 매립되어 강도 저하의 원인이 될 수 있으므로, 도면에 도시된 예와 같은 탄성 밀착 부재(31a)가 더욱 바람직하다.

탄성 밀착 부재(31a)는, 그의 외주 일부분을 남기고 상, 하부의 고정 플레이트(31b)로 고정하여 강도를 유지할 수 있다. 상, 하부의 고정 플레이트(31b)로부터 돌출된 외측 단부가 외부 케이싱(10)의 내벽에 밀착하여 콘크리트가 올라오는 것을 차단하게 된다. 또한, 상, 하부의 고정 플레이트(31b)를 보강하기 위해 상, 하부 고정관(31c)을 설치할 수 있다. 상, 하부 고정관(31c)은 매립용 강관(30)에 본딩이나 용접 등의 방법으로 일체화한다.

상술한 배출공(32)은, 이러한 차단부재(31)의 아래쪽에 형성된다.

배출공(32)은, 앞에서 이미 자세하게 설명하였지만, 매립용 강관(30) 내부에 주입한 콘크리트를 바깥쪽으로 배출시켜 암반 천공홀(20)을 채움으로써 암반 천공홀(20) 바닥까지 진입된 매립용 강관 조립체(30a)를 암반 천공홀(20)과 구조적으로 일체화시킬 수 있도록 한다.

한편, 상기 차단부재(31) 아래쪽의 매립용 강관(30)의 외주에는 복수의 전단 키(Shear Key)(33)를 더 설치할 수 있다. 이러한 전단 키(33)는 추후 콘크리트 내부에 매립되어 강재인 매립용 강관(30)과 암반 사이의 일체화를 보강하여 매립용 강관(30)의 주면 마찰력을 극대화시킨다. 전단 키(33)는 방사상으로 설치되는데, 그의 설치 위치와 개수에는 제한이 없다.

<<매립용 강관 조립체의 다른 실시예>>

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매립용 강관 조립체(30b)를 나타낸다.

본 실시예에 따른 매립용 강관 조립체(30a)는, 전술한 실시예의 매립용 강관 조립체(30a)에서 복수의 그라우트 주입호스(30)를 더 구비한 형태이다.

그라우트 주입호스(30)는, 차단부재(31) 상부에 설치되어 외부로부터 토사층에 그라우트재를 주입하기 위한 것으로서, 차단부재(31) 상부에 미리 고정해 둔다.

또한, 그라우트 주입호스(30)에는 복수의 토출공(35)이 형성된다. 그라우트 주입호스(30)에 주입관을 삽입하여 그라우트재를 주입하면, 고강도의 그라우트재가 토출공(35)을 통해 배출되어 토사층에 스며들어 토사층을 단단하게 함으로써, 매립용 강관(30)과 토사층이 구조적으로 강고하게 일체화하고 주면 마찰력을 크게 증대시킨다.

따라서 상기한 토출공(35)들은 매립용 강관 조립체(30b)를 암반 천공홀(20)에 관입하였을 때, 토사층 표면보다 아래쪽에 배치되어야 그라우팅 작업 시 해수의 유입을 방지할 수 있다.

이러한 그라우트 주입호스(30)는, 추후의 공정에서, 내부에 그라우트재가 충전되므로, 말뚝을 구축한 후에도 그대로 지중에 남겨두어도 무방하고, 분리하여 제거할 수도 있다.

그라우트 주입 호스(30)의 분리제거를 용이하기 위한 방책으로는, 차단부재(31)에 미리 스터드(Stud)를 결합해 두고, 주입 호스(30)의 하단부에는 스터드에 체결하기 위한 암나사를 삽입해 두거나 직접 암나사를 형성하여, 그라우트 주입 호스(30)를 스터드에 나사 결합시켜 둔다. 그리고 그라우트재의 주입을 완료한 후에는 그라우트 주입 호스(30)의 상부에서 돌려 나사를 풀어 제거한다.

본 실시예에 따른 매립용 강관 조립체(30b)는 전술한 실시예의 매립용 강관 조립체(30a)에 비해 그라우트 주입 호스(30)의 구성만이 상이하고 나머지의 구성을 동일하므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

<<매립용 강관 조립체(30a 또는 30b)를 사용한 공정 S140 및 공정 S150에서의 구체적인 암반 일체화 과정>>

도 5는 도 1d를 통해 설명한 공정 S140에서 매립용 강관 조립체(30a 또는 30b)를 암반 천공홀(20)에 관입한 상태를 자세하게 보여준다. 본 도면에서는 매립용 강관 조립체(30a)를 도시하였지만 매립용 강관 조립체(30b)도 마찬가지이다.

암반층 내에 암반 천공홀(20)을 형성한 이후, 매립용 강관 조립체(30a)를 외부 케이싱(10)의 내부를 통해 하단부가 암반 천공홀(20)의 바닥면(22)에 닿을 때까지 진입시키면 도 5와 같은 상태가 된다.

매립용 강관 조립체(30a)의 매립용 강관(30)은 외부 케이싱(10) 및 암반 천공홀(20)보다 작은 지름으로 이루어지므로, 매립용 강관(30)과 암반 천공홀(20)의 내벽 사이에는 일정한 공간이 형성된다.

또한, 매립용 강관(30)의 내부와 암반 천공홀(20)은 복수의 배출공(32)을 통해 연통하고 있다.

또한, 복수의 전단 키(33)는 매립용 강관(30)으로부터 방사상으로 연장되어 암반 천공홀(20)로 돌출되어 있다.

또한, 매립용 강관(30)의 외주에 설치된 차단부재(31)는, 암반층 상면(21)에 지지시킨 외부 케이싱(10)의 하단부에 매우 근접한 위치에서 외부 케이싱(10)의 내주면에 밀착된다.

다음으로, 도 6a 및 도 6b는 매립용 강관 조립체(30a 또는 30b) 내부에 콘크리트를 주입하는 공정(S150) 및 그에 의해 암반층 내부에 일체화된 상태가 자세하게 나타나 있다.

도 6a와 같이, 매립용 강관(30) 내부에 트레미관(11)을 삽입하여 암반 천공홀(20)의 바닥면(22)부터 콘크리트(C)를 주입하고, 매립용 강관(30)의 아래에서부터 콘크리트(C)가 채워지는 것에 대응하여 트레미관(11)을 서서히 위로 빼면서 계속하여 주입한다.

이와 같이 매립용 강관(30)의 내부에 주입되는 콘크리트(C)(시멘트, 모래, 자갈을 포함한다)는, 배출공(32)을 통해 밖으로 배출되어 암반 천공홀(20)에 채워진다.

암반 천공홀(20)에 채워진 콘크리트(C)는, 암반 천공홀(20)을 형성할 때 발생하거나 자연적으로 형성되어 있는 암반 천공홀(20) 내벽의 절리 틈새에도 스며들게 되어 강도를 보강하고 수밀을 유지하게 된다.

도 6b와 같이, 매립용 강관(30) 내부에 계속하여 콘크리트(C)를 주입함에 따라, 암반 천공홀(20)에도 콘크리트(C)가 계속하여 주입되어 차단부재(31)까지 차올라와 가로막히게 된다. 이와 같이 차단부재(31)에 의해 콘크리트가 외부 케이싱(10)으로 계속하여 차올라오는 것이 차단됨으로써 추후 외부 케이싱(10)의 인발 작업을 용이하게 할 수 있다.

이어서 매립용 강관(30)의 내부에 콘크리트(C)를 완전하게 채우고 경화시키면, 매립용 강관 조립체(30a)는 암반 천공홀(20) 바닥면(22)까지 깊숙이 진입한 채 콘크리트(C)에 의해 암반층과 일체화된다.

따라서 도 6b에 도시된 바와 같이, 차단부재(31) 하부, 즉 암반 천공홀(20)의 횡단면의 형태는, 반경방향 중앙부에 내부 콘크리트 층(C1)이 형성되고, 내부 콘크리트 층(C1)의 외측에는 매립용 강관 층(30)이 형성되며, 매립용 강관 층(30) 외부에는 내부 콘크리트 층(C1)과 배출공(32)으로 연결되는 외부 콘크리트 층(C2)이 형성되고, 외부 콘크리트 층(C2) 외측에는 암반층이 일체화된다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 매립용 강관 조립체(30a)가 암반층 내부에 깊숙이 진입하여 암반층과 일체화됨으로써, 말뚝 구조물의 선단 지지력(수직 지지력)이 부여되고, 부여된 선단 지지력은 매우 커서 콘크리트(C)와 함께 매립용 강관 조립체(30a) 자체가 상부 구조물의 하중을 지탱하는 역할까지 하게 된다.

또한, 강재인 매립용 강관 조립체(30a)와 암반층 사이에 콘크리트가 채워져서 일체화되는 것에 의해 말뚝 구조물의 주면 마찰력 및 수평 지지력도 한층 강화되며, 전단 키(33)에 의해 극대화된다.

또한, 암반층에 매립된 부분의 매립용 강관 조립체(30a)의 외주에는 콘크리트(C)가 채워져 있기 때문에 해수나 지하수가 매립용 강관(30) 내부로 침투하여 들어가는 것이 방지된다.

요컨대, 공개특허공보 공개번호 10-2006-01057521호 등과 같은 공법에서는, 이너 케이싱이 암반층 상면에 안착되고, 암반층 내부에는 철근콘크리트만이 매립되기 때문에, 이너 케이싱의 하단부와 암반층 상면 사이의 틈새를 통해 해수나 지하수가 침투하면 곧바로 철근콘크리트에 유입되기 때문에 철근의 부식 문제를 야기한다.

본 발명은, 매립용 강관 조립체(30a 또는 30b)가 암반층 내부의 암반 천공홀(20)에 깊숙이 매립되는 한편, 매립용 강관 조립체(30a 또는 30b)의 외주에 콘크리트(C) 층이 감싸고 있기 때문에 매립용 강관(30) 내부로 해수나 지하수가 침투하는 것이 방지됨으로써 말뚝 구조물의 내구성을 극대화할 수 있다.

<<매립용 강관(30) 내부에 콘크리트를 주입하는 공정(S150) 이전의 철근망 근입 공정(S145)>>

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 측면에 따라 매립용 강관(30) 내부에 콘크리트를 주입하는 공정(S150) 이전에 매립용 강관(30) 내부에 철근망(60)을 먼저 삽입하는 공정 및 그 후 콘크리트를 주입하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.

또한, 도 8에는 암반 천공홀(20)에 일체화된 상태의 횡단면 구조가 도시되어 있다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 상기한 공정(S150)에서 콘크리트를 주입하기 전에, 매립용 강관(30)의 내부에 철근망(60)을 먼저 근입하고(공정(S145)), 이어서 매립용 강관(30)에 콘크리트를 주입하면(공정(S150), 매립용 강관(30) 내부의 콘크리트의 강성을 보강할 수 있다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 철근망(60)은 암반 천공홀(20)의 바닥면(22)까지 근입시킴으로써 철근망(60)과 매립용 강관(30)이 암반층 깊은 곳에서 일체화되도록 한다. 나머지의 구성 및 작용은 도 6b에서 설명한 바와 같다.

도 7b 및 도 8에 도시된 바와 같이, 암반 천공홀(20) 내부의 말뚝 구조물의 횡단면 구조는, 앞의 도 6b에서 이미 설명한 바와 동일하게, 반경방향 중앙부에 내부 콘크리트 층(C1)이 형성되고, 내부 콘크리트 층(C1)의 외측에는 매립용 강관 층(30)이 형성되며, 매립용 강관 층(30) 외부에는 내부 콘크리트 층(C1)과 배출공(32)으로 연결되는 외부 콘크리트 층(C2)이 형성되고, 외부 콘크리트 층(C2) 외측에는 암반층이 일체화된다.

본 실시예와 같이 철근망(60)을 근입한 경우에는, 매립용 강관(30) 내부에서 철근망(60)이 콘크리트(C1)에 더 매립됨으로써, 결국 내부 콘크리트 층(C1), 철근망(60), 매립용 강관 층(30), 외부 콘크리트 층(C2) 및 암반층이 일체화됨으로써, 말뚝 구조물의 강성이 증대되고 선단 지지력이 극대화된다.

<<공정 S155>>

도 9a 내지 도 9c는 외부 케이싱(10)을 인발하여 제거하는 공정(S160)에서 그라우팅을 통해 매립용 강관 조립체(30b)를 토사층과 일체화시키는 공정(S155)(S165)을 나타내고, 도 10은 이때의 토사층 부분의 말뚝 구조물의 횡단면 구조를 나타낸다.

이를 위해, 매립용 강관 구조물은 도 4에서 설명한 매립용 강관 구조물(30b)을 사용한다. 즉, 그라우트재를 주입하기 위한 토출공(35)들이 형성된 복수의 그라우트 주입호스(34)가 설치된 것을 사용한다.

도 9a에 도시된 바와 같이, 매립용 강관(30)과 토사층의 일체화를 위해, 외부 케이싱(10)을 인발하는 공정(S160) 전에, 차단부재(31) 위쪽의 매립용 강관(30)의 외주와 외부 케이싱(10)의 내주 사이에 그라우팅용 토사(S)를 충전한다(공정 S155).

그라우팅용 토사(S)는 모래를 주재료로 하는 것이 바람직하며, 그것에 흙이나 자갈 등을 더 포함시킬 수 있다.

그라우팅용 토사(S)는, 토사층의 상면보다 더 높은 위치까지 미리 채워두어, 인발 시 외부 케이싱(10)이 빠져나간 자리에도 그라우팅용 토사(S)가 채워지도록 하는 것이 바람직하다.

그라우팅용 토사(S)를 충전한 다음에는, 도 9b와 같이 외부 케이싱(10)을 인발한다(공정 S160). 그러면, 매립용 강관(30) 외부에는 소정 두께의 그라우팅용 토사층이 형성되는 한편, 그라우트 주입호스(34)는 그라우팅용 토사에 매립된 상태가 된다.

외부 케이싱(10)을 인발한 후, 그라우트 주입호스(34)에 주입관을 삽입하여 그라우트재를 주입한다(공정 S165). 주입된 그라우트재는 그라우트 주입호스(34)에 형성된 토출공(35)들을 빠져나가 그라우트용 토사(S) 및 토사층으로 스며든다.

따라서 매립용 강관(30) 주변의 토사층은 단단해져서 매립용 강관(30)과 강고하게 일체화되고 주면 마찰력을 증대시키며 매립용 강관(30)에 지하수나 해수가 침입 및 접촉하는 것을 방지하게 된다.

이와 같이 토사층 부분의 매립용 강관(30)의 주변을 그라우팅함으로써, 토사층에서의 말뚝 구조물의 횡단면 구조는, 도 9c 및 도 10에 도시된 바와 같은 형태가 된다. 즉, 반경방향 중앙부에 내부 콘크리트 층(C)이 형성되고, 내부 콘크리트 층(C) 외측에는 매립용 강관 층(30)이 형성되며, 매립용 강관 층(30)의 외측에는 주변의 토사층과 일체화를 이루는 그라우트 층(G)이 존재하게 된다.

이러한 본 발명에 의하면, 매립용 강관 조립체(30a 또는 30b)의 외주 부분은, 암반층 내부에서는 콘크리트에 의해 감싸지고 토사층에서는 그라우팅으로 감싸지기 때문에 선단 지지력 및 주면 마찰력이 극대화되고, 매립용 강관(30) 내부에 지하수나 해수가 침입할 수 없어 내구성이 향상된 말뚝 구조물이 구현된다.

본 발명의 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법은 육상뿐만 아니라 해상 구조물에 쉽게 적용할 수 있고,

1 : 관입 장비 2 : 굴착 공구
3 : 천공공구 3a : 소구경의 암반천공공구
3b : 대구경의 암반천공공구 10 : 외부 케이싱
11 : 트레미 관 20, 20b : (대구경의) 암반 천공홀
20a : 소구경의 암반 천공홀 21 : 암반층 상면
22 : 암반 천공홀 바닥면 30a, 30b : 매립용 강관 조립체
30 : 매립용 강관 31 : 차단부재
31a : 탄성 밀착부재 31b : 고정 플레이트
31c : 고정관 32 : 배출공
33 : 전단 키 34 : 그라우트 주입호스
35 : 토출공 40 : 좌대 구조물
41 : 데크 42 : 삽입공
43 : 보강 파일 44 : 고정구
50 : 안내 구조체 51 : 가이드판
52 : 수직 안내관 60 : 철근망

Claims

천공 위치를 측량하고 외부 케이싱을 지반 토사층에 압입하는 공정(S110);
외부 케이싱의 내부를 굴착하면서 외부 케이싱을 토사층 아래의 암반층 상면까지 관입하여 지지하는 공정(S120);
외부 케이싱 내부에 암반천공공구를 삽입하여 외부 케이싱 내측 하부의 암반층을 설계 심도까지 천공하여 암반 천공홀을 형성하는 공정(S130);
외부 케이싱보다 작은 지름의 매립용 강관을 구비하고, 상기 매립용 강관의 외주에는 외부 케이싱의 내주면에 밀착하여 암반 천공홀에 주입된 콘크리트가 밀려 올라오는 것을 막기 위한 차단부재가 매립용 강관의 하단으로부터 암반 천공홀의 깊이만큼 축방향으로 떨어진 지점에 설치되며, 상기 차단부재 아래쪽의 매립용 강관에는 내부에 주입된 콘크리트를 암반 천공홀로 배출하기 위한 복수의 배출공이 형성되어 있는 형태의 매립용 강관 조립체를 외부 케이싱 안으로 관입하여 암반 천공홀의 바닥에 지지시키는 공정(S140);
암반 천공홀에 지지된 매립용 강관 내부에 콘크리트를 주입하여 채움과 동시에, 매립용 강관의 배출공으로 콘크리트가 빠져나가 매립용 강관의 외주와 암반 천공홀 내벽 사이의 공간에 채워지도록 하여 매립용 강관 조립체를 암반 천공홀 내부에 매립 및 암반층과 일체화시키는 공정(S150); 및
외부 케이싱을 인발하여 제거하는 공정(S160)을 포함하는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법.
제1항에 있어서,
상기 공정(S130)은,
상, 하 방향으로 서로 이격되어 배치되어 외부 케이싱의 내경에 접하는 상태로 외부 케이싱의 내부에 삽입되는 복수의 가이드 판과, 상기 가이드 판에 수직으로 관통하는 상태로 고정되는 복수의 소구경의 수직 안내관을 구비하는 안내 구조체를 상기 외부 케이싱 내부에 삽입하여 설치하고 상기 안내 구조체의 복수의 소구경의 수직 안내관에 차례로 소구경의 암반천공공구를 진입시켜 외부 케이싱 내부 바닥의 암반층의 여러 지점을 미리 파쇄하고 굴착하여 1차적으로 복수의 소구경의 천공홀을 형성하는 공정(S132); 및
상기 외부 케이싱으로부터 상기 안내 구조체를 제거한 후 상기 외부 케이싱의 내경에 맞는 대구경의 암반천공공구를 삽입하여 상기 소구경의 암반천공공구에 의해 미리 복수의 지점에 소구경의 천공홀을 형성한 암반층을 2차적으로 천공하는 공정(S133)을 설계 심도에 이르기까지 반복수행하는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법.
제2항에 있어서,
상기 공정(S132) 전에, 암반층 상면까지 관입된 외부 케이싱의 둘레에, 중간에 삽입공이 형성되어 있는 데크 및 상기 데크를 지지하는 복수의 보강파일을 구비하는 좌대 구조물을 마련하여 상기 삽입공에 외부 케이싱을 삽입한 상태로 설치하는 공정(S131)을 수행하는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법.
제1항에 있어서,
상기 공정(S150)에서 콘크리트를 주입하기 전에, 상기 매립용 강관의 내부에 철근망을 먼저 근입하는 공정(S145)을 수행한 후 콘크리트를 주입함으로써, 상기 암반 천공홀 안에서 철근망 및 매립용 강관 조립체가 암반층과 일체화되도록 하는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법.
제1항에 있어서,
상기 외부 케이싱을 인발하여 제거하는 공정(S160) 전에, 상기 차단부재 위쪽의 매립용 강관의 외주와 상기 외부 케이싱의 내주 사이에 그라우팅용 토사를 충전하는 공정(S155)을 먼저 수행하고,
외부 케이싱을 인발한 이후에, 상기 매립용 강관의 외주에 있는 그라우팅용 토사에 그라우트재를 주입하여 매립용 강관의 외주면과 토사층을 그라우팅에 의해 일체화시키는 공정(S165)을 수행하는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법.
제5항에 있어서,
상기 공정(S155) 및 공정(S165)에 사용되는 매립용 강관 조립체는, 그라우트재를 주입하기 위한 토출공들이 형성된 복수의 그라우트 주입호스를 차단부재 상부에 설치한 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법.
제1항에 있어서,
상기 매립용 강관 조립체의 차단부재 아래쪽의 매립용 강관 외주에는, 주면 마찰력의 보강을 위해 복수의 전단 키가 방사상으로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 시공 방법.
지반 토사층으로부터 암반층의 내부까지 천공한 암반 천공홀이 형성되고,
상기 암반 천공홀보다 작은 지름으로 이루어져 암반 천공홀과 반경방향으로 간격을 유지하는 매립용 강관과, 상기 매립용 강관의 외주에 설치되어 상기 암반 천공홀의 상부를 막는 차단부재와, 상기 차단부재 아래쪽의 매립용 강관에 콘크리트를 배출하기 위해 형성되는 복수의 배출공을 포함하는 매립용 강관 조립체가 상기 암반 천공홀의 내부까지 관입된 상태로 배치되며,
상기 매립용 강관 조립체의 내부에 콘크리트를 주입하여 채우고 상기 배출공을 통해 콘크리트가 빠져나가 매립용 강관의 외주와 암반 천공홀 사이의 공간을 채우는 것에 의해 상기 차단부재 하부의 횡단면 형태가, 반경방향 중앙부에 내부 콘크리트 층과, 내부 콘크리트 층 외측에 매립용 강관 층과, 매립용 강관 층 외측에서 내부 콘크리트 층과 배출공으로 연결되는 외부 콘크리트 층과, 외부 콘크리트 층 외측에 외부 콘크리트 층과 일체화를 이루는 암반층이 존재하는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 구조물.
제8항에 있어서,
상기 차단부재 위쪽의 매립용 강관의 외주에 그라우팅용 토사가 충전되고, 상기 그라우팅용 토사에 그라우트재가 주입되는 것에 의해, 상기 차단부재 위쪽의 말뚝 구조물의 횡단면 구조가, 반경방향 중앙부에 내부 콘크리트 층과, 내부 콘크리트 층 외측에 매립용 강관 층과, 매립용 강관 층 외측에서 외부의 토사층과 일체화를 이루는 그라우트 층이 존재하는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 구조물.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 매립용 강관 조립체의 내부에는 상기 암반 천공홀 바닥에 이르기까지 철근망이 추가로 삽입되어 상기 콘크리트에 의해 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 구조물.
제8항에 있어서,
상기 매립용 강관 조립체의 차단부재 아래쪽의 매립용 강관 외주에는 주면 마찰력의 보강을 위해 복수의 전단 키가 방사상으로 돌출형성되어 있는 것을 특징으로 하는 암반 매립 일체화 구조의 강관-콘크리트 복합 말뚝 구조물.