KR101051428B1 - 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서, 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 구성하고, 작동로드(24)의 둘레면에 힌지 연결되며 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)들을 구비한 구성으로서, 본 발명의 보강 구조물(16)을 타설된 후 아직 굳지 않은 확대 콘크리트물(14) 내에 삽입후 작동로드(24)의 수직 작동으로 수평 확장보강근(26)들이 수평으로 활짝 펼쳐져서 존재하므로 기존보다 상대적으로 적은 본 수나 짧은 길이의 말뚝 또는 인장부재라도 충분한 지지력이나 인발 저항력을 확보할 수 있다.

Description

건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강구조물{REINFORCEMENT STRUCTURE FOR PILE FOOTING AND FIXED ANCHORAGE ZONE OF TENSION MEMBERS}

본 발명은 건설분야의 구조물 기초 시공에 관한 것으로, 특히 건설분야의 기초공사에 널리 쓰이는 말뚝의 구조성능 개선을 위해 말뚝 선단부에 마련한 확대 콘크리트물을 효율적으로 보강하는 보강구조물에 관한 것이다.

일반적으로 건설분야에서 구조물의 기초에 사용되는 말뚝(기성말뚝, 현장타설말뚝, 기둥과 일체인 단일말뚝 등) 시공시 주로 지반천공 드릴을 이용하여 천공길이 전체를 같은 직경으로 천공하고 있다.

이렇게 같은 직경으로 천공하면 천공작업은 단순하고 쉬우나 대부분 구조부재의 확실한 지지가 가능한 기반암까지 깊숙이 천공해야 한다. 또 이뿐 아니라 특히 압축력을 받는 말뚝의 경우에는 기반암까지 깊숙이 천공하더라도 천공 선단부의 면적이 좁은 관계로 말뚝재료는 충분히 외력을 견디더라도 이를 지지하는 지반이 먼저 항복(허용지지력 초과)을 해버리는 경우가 많다.

또한 인장말뚝과 같은 인장부재의 경우에는 이미 뚫린 구멍에 인장부재가 삽입되어 있는 형태이므로 말뚝에 공용 중의 하중이 작용 되면 인발에 저항할 수 있는 인발저항력이 너무 작아 큰 인장력이 작용하거나 압축과 인장을 동시에 받는 말뚝에는 적용이 곤란하다.

이러한 문제점을 해결할 수 있도록 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴 등과 같은 확장도구를 이용하여 기초공사용 말뚝의 선단부에 미리 설계가 가능하도록 일정한 규격을 가지는 확대기초(압축말뚝의 경우)나 고정정착부(인장말뚝의 경우) 콘크리트를 타설할 경우, 그 말뚝 선단부 내부에 보강재를 효과적으로 배치할 수 있다면 보강재와 확대 콘크리트물은 일체화되어 큰 지지면적으로 큰 외력에도 효과적으로 저항할 수 있으므로 건설분야 관계자들이나 이에 관련된 많은 사용자들로부터 큰 호응을 얻을 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 지중에 미리 뚫어 놓은 천공홀의 일부(주로 천공 선단부)를 확장하고 확공부의 형상이 유지되는 상태에서 압축말뚝 지지용 확대기초용 콘크리트를 타설하는 경우 말뚝의 허용지지력을 개선하기 위해서 그 확대 콘크리트물 내부에 보강구조물을 효율적으로 배치하는 확대 콘크리트물의 보강 구조물을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 지중에 미리 뚫어 놓은 천공홀의 일부(주로 천공 선단부)를 확장하고 확공부의 형상이 유지되는 상태에서 인장부재 지지용 고정정착부용 콘크리트를 타설하는 경우 인장부재의 인발저항력을 개선하기 위해서 그 확대 콘크리트물 내부에 보강 구조물을 효율적으로 배치하는 확대 콘크리트물의 보강구조물을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 말뚝 선단의 확공부라는 작은 규모의 보강만으로도 건설공사에서 압축말뚝의 허용지지력과 인장말뚝의 인발 저항력을 획기적으로 개선함과 동시에 경제성이 우수하고 자원절약과 함께 지중환경에 대한 오염을 최소화시키는 확대 콘크리트물의 보강 구조물을 제공함에 있다.

상기한 목적에 따라 본 발명은, 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서, 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 구성하고, 작동로드(24)의 둘레면에 힌지 연결되며 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)들을 구비함을 특징으로 한다.

상기의 작동로드(24)에는 하나 이상의 지지판(28)이 장착되고, 각 지지판(28)에는 다수 수평 확장보강근(26)들이 힌지 연결되게 구성함을 특징으로 한다.

또 본 발명에서는, 선단보강판(22)의 외곽저면을 따르는 다수 수직근(30)들이 배열 장착됨을 특징으로 한다.

또 본 발명에서는, 다수의 수직 근(30)들을 빙두르는 띠근(32)이 고정형성되고, 수평 확장보강근(26)이 통과되는 띠근(32)의 통과링(34)이 레버축 역할을 담당하게 구성함을 특징으로 한다.

또 본 발명에서는, 선단보강판(22) 또는 지지판(28)에 장탈 가능케 설치된 진동기(36)를 더 구비함을 특징으로 한다.

또 본 발명의 작동로드(24)에는 작동로드(24)의 상하 이동거리를 규정하는 스토퍼(24a)가 설치됨을 특징으로 한다.

또 본 발명에서는, 방사상으로 최대 펼쳐진 수평 확장보강근(26)들의 양단간 거리가 천공홀(2) 직경의 1~5배로 구성함을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서, 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 스토퍼(24a)를 갖는 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 구성하고, 선단보강판(22)의 외곽저면을 따라가며 다수의 수직근(30)들이 배열 장착되며, 작동로드(24)의 둘레면에 힌지 연결되며 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)들을 구비함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서, 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 구성하고, 작동로드(24)에는 둘 이상의 지지판(28)이 장착되고 각 지지판(28)에는 방사상으로 뻗은 다수 수평 확장보강근(26)들이 힌지 연결되며, 서로 다른 지지판(28)에 각각 힌지 연결된 상하의 수평 확장보강근(26)들 끼리 접철 가능케 연결 구성함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서, 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 외곽저면을 따라가며 다수의 수직근(30)들이 배열 장착되게 구성하고, 선단보강판(22)에는 선단보강판(22)에 장탈가능케 설치된 진동기(36)를 구비하고 수직근(30)들에 부착된 저항성 보강재를 구비함을 특징으로 한다.

상기의 저항성 보강재는 각 수직근(30)들에 체결된 와서형 소판재(44)들로 구성함을 특징으로 한다.

상기의 다른 저항성 보강재는 수직근(30)들을 빙 두르며 설치된 링판재(42)임을 특징으로 한다.

상기의 또 다른 저항성 보강재는 수직근(30)들을 빙 두르며 설치된 띠근(40)임을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 콘크리트 시공방법에 있어서, 지반을 깊이방향으로 천공하여서 천공홀을 형성한 후 상기 천공홀의 선단을 확공하여 미리 설계한 규격으로 확공부를 형성하는 제1 단계와, 천공홀 선단의 확공부에 콘크리트를 타설하여 미리 설계한 규격의 확대 콘크리트물을 형성하는 제2 단계와, 말뚝이나 인장부재를 근입하되 말뚝이나 인장부재의 선단에 고정된 선단보강판에 설치된 다수 수직근과 상기 수직근과 함께하는 보강재로 된 보강구조물을 확대 콘크리트물 내에 설치하는 제3 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

또 상기의 제3 단계에서는 보강구조물의 작동로드를 수직으로 이동시킴과 함께 진동기로 진동시켜서 작동로드에 힌지 연결된 수평 확장보강근이 확대 콘크리트물 내에서 수평 방사상으로 펼쳐지게 함을 특징으로 한다.

본 발명의 확대 콘크리트물의 보강 시공방법을 압축말뚝 선단의 확대기초에 적용하면 인장이나 충격에 취약한 콘크리트 내에 뼈대구조가 형성되어 철근콘크리트와 같은 신뢰성 있는 일체형의 튼튼한 확대기초를 말뚝 선단부에 형성함으로써 말뚝의 선단 지지력을 획기적으로 개선하는 장점이 있다. 압축말뚝의 경우 선단 지지면적의 증가(수직천공면적의 1.5~3.0배 증가시키는 것이 바람직함)로 말뚝 본 수를 줄일 수 있고 필요시 말뚝을 기반암까지 근입하지 않아도 충분한 지지력이 확보되도록 계획할 수 있어 말뚝길이와 천공길이가 짧아져 매우 경제적이며 공기단축도 가능하다.

또 본 발명의 보강방법을 인장말뚝 또는 압축과 인장을 동시에 받는 말뚝의 선단부에 적용하면 인장이나 충격에 취약한 콘크리트 내에 인발력에 저항할 수 있는 철근콘크리트와 같은 신뢰성 있는 뼈대구조가 형성되어 일체형의 튼튼한 고정정착부를 말뚝 선단부에 형성함으로써 말뚝의 인발저항력을 획기적으로 개선하는 장점이 있다. 인장말뚝이나 압축과 인장을 동시에 받는 말뚝의 경우 선단지지면적의 증가(일반적으로 수직천공면적의 1.5~3.0배가 바람직하나 말뚝의 강성과 선단부의 지반특성을 고려하여 그 이상도 가능함)로 설계에 인장말뚝 개념을 제대로 도입할 수 있어 기초규격을 줄이거나 말뚝 본 수를 줄일 수 있고, 말뚝을 기반암까지 근입하지 않아도 충분한 지지력과 인발저항력이 확보되도록 계획할 수 있어 말뚝길이와 천공길이가 짧아져 매우 경제적이며 공기단축도 가능하다.

본 발명의 보강방법은 압축력을 받거나 인장력을 받는 건설분야의 기초공사용 기성말뚝 즉 강관말뚝, PHC(Pretensioned spun High-strength Concrete)말뚝, 복합말뚝(HCP, Hybrid Composite Pile)등과 같은 말뚝뿐만 아니라 현장 타설말뚝, 기둥과 일체인 단일말뚝 등에도 사용이 가능하다.

또 본 발명의 보강방법은 일반적인 건설공사뿐만 아니라 해상 및 육상의 풍력발전기 기초나 해양구조물, 조선소 구조물 등을 지지하는 말뚝에도 유용하게 쓰일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 건설기초공사용 말뚝의 시공 절차를 설명하는 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 확대 콘크리트물 내에 설치하기 위한 보강구조물의 사시도,
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 보강구조물의 단면도,
도 4는 도 2의 보강구조물을 확대 콘크리트물 내에 설치하는 상태도,
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따라 확대 콘크리트물 내에 설치하기 위한 보강 구조물의 사시도,
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 보강구조물의 단면도,
도 7은 도 5의 보강구조물을 확대 콘크리트물 내에 설치하는 상태도,
도 8 내지 도 16은 본 발명에 따른 다양한 실시 형태의 보강 구조물을 설명하기 위한 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

건설 기초공사의 말뚝이나 인장부재 시공시 말뚝재료가 제 성능을 제대로 발휘하는 데 있어 중요한 것 중의 하나는 말뚝이나 인장부재의 선단 지지면적이나 인장 지지면적이 증가되게 하는 것이고, 또 중요한 다른 하나는 말뚝이나 인장부재에 의해서 지반이 먼저 항복(허용지지력 또는 허용인발력 초과)하는 일이 없도록 해야 한다는 것이다.

이를 위해서 본 발명의 실시 예에서는 건설 기초공사의 말뚝이나 인장부재 시공시 말뚝이나 인장부재를 삽입하기 위한 천공홀을 뚫고, 천공홀의 일부 위치 바람직하게는 천공홀의 선단 위치에 천공경 확장드릴과 같은 확공도구를 위치시켜 확공부를 형성하고 그 확공부에 콘크리트를 타설한다. 또 본 발명의 실시 예에서는 이렇게 콘크리트 타설에 의해서 형성된 확대 콘크리트물이 충격과 인장 하중에 취약할 수 있으므로 콘크리트물 내부에 뼈대 역할이 가능한 보강구조물로 보강하도록 구현하는 것이다.

먼저 본 발명의 말뚝이나 인장부재 선단에 확공부를 형성하고, 그 확공부에 콘크리트를 타설하여서 확대 콘크리트물 형성과 보강 구조물을 형성하는 시공절차를 도 1을 참조하여 개략적으로 설명하면 하기와 같다.

우선 도 1의 (a)와 같이 지반을 천공하고 필요 시에는 천공홀(2)에 관형 케이싱(4)을 설치하는 것이다.

지반을 깊이방향으로 해머드릴 등을 이용해서 천공하되 지반 내 단단한 토사층이나 필요시 암반층(8)까지 천공을 하여 천공홀(2)을 형성한다. 이 경우 지반의 깊이방향은 지면의 연직 방향이 대부분이며 경사방향도 포함될 수 있고, 천공홀(2)의 깊이는 통상 수 미터에서 수십 미터까지 형성된다.

천공홀(2)을 형성함과 동시에 천공홀(2) 공벽의 무너짐을 방지하기 위해 관형 케이싱(4)을 천공홀(2)에 설치한다. 관형 케이싱(4)의 대표적인 일 예로는 강관케이싱이 있다. 관형 케이싱(4)은 모래층이나 자갈층, 약한 토사층 등과 같이 천공 공벽이 무너질 우려가 있는 지층구간에 설치되며, 지층이 단단할 경우에는 그 설치가 생략될 수 있다.

그 다음에는 도 1의 (b)에서와 같이, 공벽확장용 도구 중의 하나로서 천공경 확장드릴(10)을 천공홀(2)의 최하단 즉 천공홀(2)의 선단부(6)에 위치시키고, 도 1의 (c)(d)에서와 같이 천공경 확장드릴(10)을 작동시켜서 천공경 확장드릴(10)의 확장 회전으로 천공홀 선단부(6)의 공벽을 확장 절삭하여서 천공홀 선단부(6)에 확공부(12)를 형성한다. 즉 천공경 확장드릴(10)을 확장 작동과 함께 회전시켜 주므로 공벽이 지름 확장 절삭이 이루어지게 함과 아울러 천공경 확장드릴(10)을 상하방으로 이동시키며 절삭 작업을 수행하여서 확대부 콘크리트 타설에 필요한 만큼의 높이를 갖는 확공부(12)가 마련되게 하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따라 확공부(12)는 천공홀(2) 직경의 1.2~3배 직경과 0.3~2미터의 높이를 갖는 것이, 미리 설계한 규격으로서 말뚝선단의 확대 기초나 인장부재의 고정정착에 요구되는 확대 콘크리트물 형성에 바람직하다.

확공부(12)를 마련하기 위해 이용되는 천공경 확장드릴(10)은 드릴 회전체에 다수 접동날개들이 원주를 따라 설치되며, 각 접동날개들 상면에 절삭비트들이 체결 고정된 형태로 구성할 수 있다.

공벽확장용 도구인 천공경 확장드릴(10)을 이용해서 천공홀 선단부(6)에 확공부(12)를 마련시, 천공경 확장드릴(10)이 확공작업을 함과 동시에 확공부(12)의 상부 원지반을 받침지지 되게 할 수 있으며, 또 천공경 확장드릴(10)로 확공부(12)를 형성 후 바로 별도의 상부지반 지지수단을 이용해서 확공부(12)의 상부 원지반을 받침지지 되게 할 수도 있다. 또 천공경 확장드릴(10)로 천공홀 선단부(6)의 상측 일부를 예비 확공하여서 별도의 상부지반 지지수단으로 상부 원지반을 받침 지지한 다음 그 아래를 추가 확공하여서 온전한 확공부(12)를 마련할 수도 있다. 또 다른 방법으로는 천공경 확장드릴(10)로 확공부(12)를 마련하고 거푸집 겸용 공벽유지용 발룬을 부피 팽창시켜서 확공부(12)의 상부 원지반을 받침지지 되게 함과 동시에 그 발룬 내에 콘크리트를 주입하는 콘크리트 거푸집 역할도 할 수 있게 한다.

이렇게 천공홀 선단부(6)에 마련되는 확공부(12)의 상부 원지반을 다양한 방법으로 받침 지지를 하게 되면 천공홀(2)보다 큰 확공부(12)가 그 선단 등에 형성되더라도 확공부(12) 주위의 공벽이 무너지지 않게 된다.

도 1의 (d)에서는 천공경 확장드릴(10)로 확공부(12)를 형성함과 동시에 천공경 확장드릴(10)의 접동날개들로 확공부(12)의 상측 부분을 받쳐주어서 상부 원지반이 무너져 내리지 않게 하는 것을 일 예로 보여주고 있다. 접동날개는 가동부재(도우넛형 팽축발룬이나 액츄에이터에 링크 연결된 연결아암 등)의 구동에 의해 접동이 이루어진다.

확공부(12)가 형성되는 도중에 도 1의 (d)에서와 같이 굳지 않은 반죽상태의 콘크리트(C)가 천공경 확장드릴(10)의 하방으로 즉각 투입되는 것이 바람직하며, 그에 따라 콘크리트(C)가 확공부(12)에 채워진다.

천공경 확장드릴(10)에 의해서 확공부(12)가 온전히 형성되고 또 그 확공부(12)에 콘크리트(C)가 완전히 채워지면서 도 1의 (e)에서와 같이 천공경확장드릴(10)은 축소되어 외부로 회수되고, 천공홀 선단 확공부(12)에는 도 1의 (f)와 같이 미리 설계한 규격의 확대 콘크리트물(14)이 형성된다.

확대 콘크리트물(14)을 형성한 후 도 1의 (g)와 같이 말뚝이나 인장부재(18)를 천공홀(2)에 근입하며, 그 근입 작업이 완료되면 관형 케이싱(4)도 제거한다.

이때 말뚝이나 인장부재(18)의 선단부가 천공홀 선단의 확공부(12)에 타설된 확대 콘크리트물(14) 상에 정치될 수 있도록 본 발명의 일 예에서는 도 1의 (g)에서와 같이 말뚝이나 인장부재(18)의 하단에 스페이서(20a)를 장착하거나 도 1의 (g')와 같이 말뚝이나 인장부재(18)의 두부에 스토퍼(20b)를 갖도록 형성할 수 있다.

또 말뚝이나 인장부재(18)를 위한 확대 콘크리트물(14)을 형성함에 있어, 말뚝이나 인장부재(18)의 선단부에 체결된 보강 구조물(16)을 굳지 않은 콘크리트 내에 필요에 따라 설치한다.

일반적으로 건설 기초공사용 말뚝의 경우, 말뚝의 두부 근처에는 휨 모멘트와 전단력 및 축력 등이 작용을 하나 말뚝의 선단부에는 축력(압축력 또는 인장력) 위주로 작용을 한다. 콘크리트는 그 특성상 인장에는 취약하고 압축에는 매우 강하다. 그러므로 콘크리트물의 허용지압응력은 매우 크므로(암반의 허용지지력 보다 크게 산정함) 압축말뚝의 선단부 확대기초 콘크리트물은 이론적으로는 보강재 없는 무근으로도 가능하다.

그런데, 짧은 말뚝의 선단부 등으로 휨모멘트와 전단력 및 축력이 동시에 작용하는 경우와 지중에서의 시공 변동성을 대비하여 압축말뚝의 선단부 확대기초에도 보강철근 등의 보강구조물을 배치하는 것이 바람직할 수 있다.

인장부재의 일 예인 인장말뚝 또는 압축과 인장을 동시에 받는 말뚝의 경우 본 발명에서는, 도 1의 (g)(g')에 도시된 바와 같이 압축말뚝의 확대기초 역할이나 인장말뚝의 고정정착부 역할이 모두 가능하도록 확대 콘크리트물(14) 내에 보강구조물(16)을 배치한다.

확대 콘크리트물(14) 내에 설치할 수 있는 보강구조물(16)의 일 예로는 철근, 강판, 강관, 볼트, 너트, FRP(Fiberglass Reinforced Plastics)막대 등이 있으며, 기타 콘크리트의 취약점을 보완할 수 있는 다른 자재로도 가능한 것이다. 보강구조물(16)이 인장재로서 이용될 때 철근은 콘크리트와의 일체화와 철근-콘크리트간 부착을 통해 인발 저항에 크게 기여하고, 인발저항용 강판이나 너트 등은 인발력 작용시 직접 저항하여 확대 콘크리트물(14)의 안전성을 확보하는 역할을 하게 된다.

이렇게 타설되어진 확대 콘크리트물(14) 내부에 뼈대 역할이 가능한 보강구조물(16)로 보강하도록 하는 다양한 실시 예들을 도 2 내지 도 16을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 2 및 도 5는 본 발명의 제1,제2 실시 예에 따라 확대 콘크리트물(14) 내에 설치하기 위한 보강구조물(16)의 사시도이고, 도 8 내지 도 16은 본 발명에 따른 다양한 형태의 보강 구조물(16)을 설명하기 위한 도면들이다.

먼저 도 2 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1,제2 실시 예에 따른 보강 구조물(16)의 구성에 대해서 설명한다.

도 2의 (a)(b)는 본 발명의 제1 실시 예에 따라 확대 콘크리트물(14) 내에 설치하기 위해 사용하는 보강구조물(16)의 사시도이고, 도 3a 및 도 3b는 제1 실시 예에 따른 도 2의 (a)(b)에 도시된 보강구조물(16)의 단면도이고, 도 4는 도 2의 보강구조물(16)을 확대 콘크리트물(14) 내에 설치하는 상태도이다.

그리고, 도 5의 (a)(b)는 본 발명의 제2 실시 예에 따라 확대 콘크리트물(14) 내에 설치하기 위해 사용하는 보강구조물(16)의 사시도이고, 도 6a 및 도 6b는 제2 실시 예에 따른 도 5의 (a)(b)에 도시된 보강구조물(16)의 단면도이고, 도 7은 도 5의 보강구조물(16)을 확대 콘크리트물(14) 내에 설치하는 상태도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 보강 구조물(16)과 도 5 내지 도 7에 도시된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 보강 구조물(16)은 모두 상하방으로 이동 가능한 작동로드(24)의 수직운동에 의해서 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)들이 수평으로 펼쳐질 수 있는 구조라는 공통점이 있다.

또 본 발명의 제1 실시 예에 따른 보강구조물(16)은 작동로드(24)를 하방으로 밀어줌에 따라서 수평 확장보강근(26)들이 수평으로 펼쳐질 수 있는데 반해 본 발명의 제2 실시 예에 따른 보강구조물(16)은 작동로드(24)를 상방으로 당겨줌에 따라서 수평 확장보강근(26)들이 수평으로 펼쳐질 수 있다는 구조라는 것이 서로 차별되는 점이다. 작동로드(24)는 지상 외부까지 연장된 연결대와 체결되며, 연결대는 작업완료시 작동로드(24)로부터 탈거되어 회수할 수 있도록 작동로드(24)와 체결된다.

도 2 내지 도 7을 함께 참조하면, 본 발명의 제1,제2 실시 예에 따른 보강 구조물(16)은 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 용접 등을 통해서 고정되는 선단보강판(22)을 구비한다.

말뚝이나 인장부재(18)에 고정되는 선단보강판(22)에는 심공과 함께 진동기 체결공에 형성되어 있는바, 선단보강판(22)의 심공을 통해서는 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 설치되고, 선단보강판(22)의 진동기 체결공에는 진동기(36)가 장착된다. 바람직한 일 예로서 선단보강판(22)의 진동기 체결공 상방에는 진동기(36)가 면접삽입되는 삽입관(35)이 용접되고 그 삽입관(35) 원주면에는 고정핀이 형성되게 하고, 또 하방에 출입구를 갖는 "ㄱ"자 절곡형 슬롯을 진동기(36)의 캡형 두부에 형성한다. 그래서, 진동기(36)의 두부 캡이 상기 삽입관(35)에 삽입이나 탈출 됨에 따라 삽입관(35)의 고정핀이 진동기(36)의 두부 캡에 있는 절곡형 슬롯으로 삽입되거나 그 절곡형 슬롯으로부터 탈출될 수 있게 되며, 이렇게 함으로써 진동기(36)가 작업자의 필요에 따라 보강구조물(16)의 선단보강판(22)에 장착되게 하거나 탈착되게 할 수 있다.

선단보강판(22)의 심공을 통해 수직으로 이동가능한 작동로드(24)에는 하나 이상의 지지판(28)이 너트쌍 체결 등으로 고정설치된다.

진동기(36)는 선단보강판(22)에 장탈 가능케 설치된 것을 일 예로 설명하였지만, 변형 일 예로서 이동가능한 지지판(28)들에 장탈 가능케 설치할 수도 있음을 유의해야 한다.

도 2 내지 도 7에는 이격된 두 개의 지지판(28)이 중심부 작동로드(24)에 체결 설치된 구성을 보여주고 있다.

지지판(28)은 원판체로서 방사상으로 뻗은 각 수평 확장보강근(26)들의 일단이 작동로드(24)에 힌지 연결되도록 하는 이음부재 역할과 동시에 인장부재의 인발이나 말뚝의 압축에 대한 저항재 역할을 담당한다.

더욱 중요하게도 상기 지지판(28)의 일면 상에는 동심을 따라가며 수평 확장보강근(26)들의 일단이 힌지 연결되어서 수평 확장보강근(26)이 방사상으로 뻗은 형상을 갖음과 동시에 접철될 수 있는 기능을 갖게 된다.

수평 확장보강근(26)은 천공홀 선단에 형성된 확대 콘크리트물(14) 내에서 보강 역할을 충분히 할 수 있어야 되기에, 도 2의 (b) 및 도 5의 (b)나 도 3b, 도 6b에 도시된 바와 같이 수평 확장보강근(26)이 수평의 방사상으로 최대 펼쳐진 수평 확장보강근(26)들의 양단간 거리가 천공홀(2) 직경의 1~5배 길이를 가지는 것이 바람직하다.

또 지지판(28)에는 진동기(36)가 통과될 수 있는 통과공과 아울러 보강구조물(16)이 타설된 확대 콘크리트물(14) 내에 보다 쉽게 매설될 수 있도록 저항 감소공(28a)들이 다수 형성된다.

첨부 도면들에는 지지판(28)이 설치된 일 예로 설명하였지만 대체 예로서 지지판(28)이 없이 작동로드(24)의 둘레면 또는 돌출 형성된 둘레부에 수평 확장보강근(26)이 바로 힌지 연결될 수도 있음을 이해하여야 한다.

또 보강구조물(16)을 구성하는 선단보강판(22)의 외곽저면을 따라가며 다수의 수직근(30)들이 배열형성된다. 수직근(30)들은 미리 규격설계가 가능케 지지하는 것으로 선단보강판(22)의 외주면에 너트쌍 등으로 체결고정되며, 또 필요에 따라서는 다수의 수직근(30)들을 빙 두르는 띠근(32)이 수직근(30)들에 결속선이나 용접으로 고정된다. 띠근(32)은 수직근(30)들을 제대로 직립하게 잡아주는 역할도 하지만 인장이나 전단에 저항하는 저항 보강재로서의 역할도 할 수 있다.

또 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 작동로드(24)에 수평 확장보강근(26)들이 방사상으로 힌지 연결되어 있는 경우에는 띠근(32)이 수평 확장보강근(26)의 레버축 역할 및 가변축 홀더(holder)역할도 할 수 있게 구성한다. 이를 위해서 띠근(32)을 수직근(30)들에 용접고정하되 작동로드(24)가 수평 확장보강근(26)을 완전히 수평으로 펼칠 때의 지지판(28) 승강 위치와 같은 수직근(30)의 높이지점에 띠근(32)을 용접고정한다. 또 그와 함께 수평 확장보강근(26)과 띠근(32)이 교차되는 띠근(32)의 교차 지점에 통과링(34)들을 용접형성하여 주는 것이 바람직하다. 이 때 띠근(32)에 용접되는 통과링(34)은 수평 확장보강근(26)이 도 3a, 도 6a와 같이 접혀 있는 상태나 도 3b, 도 6b와 같이 수평으로 펼쳐 있는 상태에도 수평 확장보강근(26)의 방사상 이동이 용이하도록 구멍형태나 구멍 각도가 정해져야 한다.

이렇게 하면 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)이 기 타설된 확대 콘크리트물(14) 내에서 수평으로 펼치면서 받은 콘크리트 저항에 의해서 임의로 휘어지거나 방향이 틀어지는 현상을 방지할 수 있다.

상기한 보강 구조물(16)의 수평 확장보강근(26), 수직근(30) 및 띠근(32)은 모두 철근으로 형성하는 것이 바람직하며, 다른 예시로서 FRP(Fiberglass Reinforced Plastics)막대 등을 이용할 수도 있다.

본 발명의 제1 실시 예와 같은 보강 구조물(16)의 경우는 도 4에 도시된 바와 같이 설치한다.

먼저 도 4의 (a)에서와 같이 말뚝이나 인장부재(18)의 선단부에 체결된 보강 구조물(16)을 천공홀 선단의 확공부(12)에 타설된 확대 콘크리트물(14) 내부에 밀어넣되, 진동기(36)를 작동시켜서 굳지 않은 확대 콘크리트물(14) 내에 보다 쉽게 들어가도록 한다. 그 후, 도 4의 (b)에서와 같이 작동로드(24)를 하방으로 밀어주어서 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)들이 수평으로 펼쳐지게 한다. 이때에도 진동기(36)를 계속 진동시켜준다. 작동로드(24)를 하방으로 밀어주어 작동로드(24)의 스토퍼(24a)가 선단보강판(22)에 걸려 더 이상 내려가지 못하게 되면 수평 확장보강근(26)들이 수평방향으로 완전히 펼쳐진 상태가 된다.

이렇게 말뚝이나 인장부재(18)의 선단부에 체결된 보강 구조물(16)을 굳지 않은 확대 콘크리트물(14) 내부에 설치한 후에는 진동기(36)를 보강 구조물(16)의 선단보강판(22)으로부터 탈거시켜서 회수한다. 또 작동로드(24)에 체결된 연결대도 탈거시켜서 회수하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 실시 예와 같은 보강 구조물(16)의 경우는 도 7의 (a)(b)에 도시된 바와 같이 설치한다. 도 7에 도시된 작업과정은 도 4에 도시된 제1 실시 예의 작업과정과 거의 유사하며, 다만 작동로드(24)를 상방으로 당겨서 수평 확장보강근(26)들이 수평으로 펼쳐지게 한다는 점에도 다른 것이다. 그러므로 도 7에 따른 작업과정의 설명은 생략한다.

도 8 내지 도 16은 본 발명에 따른 다양한 실시 형태의 보강 구조물(16)을 설명하기 위한 도면들이다.

도 8 내지 도 12에 도시된 보강 구조물(16)은 도 2 내지 도 7에 도시된 제1,제2 실시 예와는 다르게 작동로드(24)와 수평 확장보강근(26)이 없는 구조이다.

도 8 내지 도 12에 도시된 보강 구조물(16)은, 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물(14)의 보강을 위한 것으로서, 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 외곽저면을 따라가며 다수의 수직근(30)들이 배열 장착되게 구성하고, 선단보강판(22)에는 선단보강판(22)에 장탈가능케 설치된 진동기(36)를 구비하고 수직근(30)들에는 수평 확장보강근(26)과 유사한 기능의 저항성 보강재를 장착한 것이다.

도 8의 경우, 상기 수직근(30)들에 장착된 저항성 보강재는 띠근(40)으로서 다수 개의 띠근(40)들이 수직근(30)들을 빙 두르며 수직근(30)들 각각에 결속선이나 용접으로 고정된 것이다.

도 9의 경우, 상기 수직근(30)들에 부착된 저항성 보강재는 띠근(40)과 함께 수직근(30)의 저단부에 체결고정된 링판재(42)이다. 띠근(40)은 도 8과 같이 다수개가 수직근(30)들을 빙 두르며 수직근(30)들 각각에 결속선이나 용접으로 고정되어 있고, 링판재(42)는 내부가 넓게 절개된 원판으로서 수직근(30)들의 각 저단부에 끼워진 후 너트로 나사 체결되는 등에 의해 고정된 것이다.

도 10의 경우는, 수직근(30)들에 장착된 저항성 보강재는 도 9의 저항성 보강재와 흡사하며 단지 링판재(42a)의 형상이 도 9의 링판재(42)와는 다소 다른 것이다.

도 11의 경우, 상기 수직근(30)들에 장착된 저항성 보강재는 띠근(40)과 함께 각 수직근(30)들의 저단부에 각각 체결된 와셔형 소판재(44)이다.

도 12의 경우, 상기 수직근(30)들에 부착된 저항성 보강재는 띠근(40)과 함께 각 수직근(30)들의 저단부에 체결되며 내부에 다수 소공(46a)들이 형성된 대판재(46)이다.

도 13 내지 도 15에 도시된 보강 구조물(16)은 도 2 내지 도 7에 도시된 제1,제2 실시 예와는 유사하게 작동로드(24)와 수평 확장보강근(26)을 그대로 다 가지고 있으며, 그 상태에서 수직근(30)들에 장착된 저항성 보강재를 추가로 더 구비한 구조이다.

도 13의 경우, 본 발명 제1,제2 실시 예의 구성에서 수직근(30)들에 추가로 더 구비한 저항성 보강재는 띠근(40)과 함께 수직근(30)의 저단부에 체결고정된 링판재(42)이다.

도 14의 경우, 본 발명 제1,제2 실시 예의 구성에서 수직근(30)들에 추가로 더 구비한 저항성 보강재는 띠근(40)과 함께 각 수직근(30)들의 저단부에 각각 체결된 와셔형 소판재(44)이다.

도 15의 경우, 본 발명 제1,제2 실시 예의 구성에서 수직근(30)들에 추가로 더 구비한 저항성 보강재는 띠근(40)과 함께 각 수직근(30)들의 저단부에 체결되며 내부에 다수 소공(46a)들이 형성된 대판재(46)이다.

도 16은 도 2 내지 도 7에 도시된 본 발명의 제1,제2 실시 예에서 변형된 실시 예로서, 상하의 수평 확장보강근(26)이 접철가능케 연결된 구조이다.

도 16에 도시된 보강 구조물(16)은 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 것으로서, 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 구성하고, 작동로드(24)에는 둘 이상의 지지판(28)이 장착되고 각 지지판(28)에는 방사상으로 뻗은 다수 수평 확장보강근(26)들이 힌지 연결되며, 서로 다른 지지판(28)에 각각 힌지 연결된 상하의 수평 확장보강근(26)들 끼리 접철 가능케 연결 구성이며, 또 필요에 따라서 내부에 다수 소공(46a)들이 형성된 대판재(46)가 각 수직근(30)들의 저단부에 체결 고정된 구성이다. 이 경우에는 띠근(32)에 의한 결속은 필요 없다.

도 16에서, 도 16의 (a)는 서로 다른 지지판(28)에 각각 힌지 연결된 상하의 수평 확장보강근(26)들끼리 접철가능케 연결 구성된 수평 확장보강근(26)이 접혀져 있는 상태이고, 도 16의 (b)는 수평 확장보강근(26)이 완전히 펼쳐져 있는 상태이다.

상기와 같은 보강 구조물(16)을 이용한 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 콘크리트 시공방법의 바람직한 실시 예로서, 지반을 깊이방향으로 천공하여서 천공홀(2)을 형성한 후 천공홀(2)의 선단을 확공하여 미리 설계한 규격으로 확공부(12)를 형성하는 제1 단계와, 천공홀 선단의 확공부(12)에 콘크리트(C)를 타설하여 미리 설계한 규격의 확대 콘크리트물(14)를 형성하는 제2 단계와, 말뚝이나 인장부재(18)를 근입하되 말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)에 설치된 다수 수직근(30)과 그 수직근(30)에 함께하는 다른 보강재로 된 보강구조물(16)을 확대 콘크리트물(14) 내에 설치하는 제3 단계로 이루어지게 하여서, 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물에 보강 시공이 완성되게 하는 것이다.

이러한 시공방법에서 더욱 바람직하게는, 상기 제3 단계에서 보강구조물(16)의 작동로드(24)를 상하방으로 이동시키고 진동기(36)로 진동시켜서 작동로드(24)에 힌지 연결된 수평 확장보강근(26)이 확대 콘크리트물(14) 내에서 수평의 방사상으로 펼쳐지게 한다.

본 발명의 실시 예에서는 천공홀의 선단부에 확공부(12)를 형성하고 콘크리트 타설로 보강구조물(16)를 갖는 인발저항용 고정정착부나 압축말뚝 선단의 확대 기초부를 형성하였는데, 그 확공부(12)가 원통형 형상이나 원통형과 그 상부에 원추형으로 된 형상으로 형성할 수 있으며, 천공홀 선단부에 하나만 형성된 일 예로 설명하였지만 천공홀 선단부 외에 천공홀의 다른 위치에 추가 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명과 같이 천공경 확장드릴 등을 사용하여 천공홀의 일부에 바람직하게는 선단부에 공벽을 확장하여 미리 설계한 규격에 맞는 확공부를 형성한 후 콘크리트 주입하여 확대 콘크리트물을 형성하고 그와 아울러 보강구조물을 확대 콘크리트물에 내설하여 확대기초부나 인발저항용 고정정착부를 형성하게 되면 하기와 같은 작용효과가 있다.

첫째, 압축말뚝의 경우 천공홀 선단부 확장에 의해 말뚝선단부에 일종의 확대기초부를 형성하므로(접지면적을 충분히 확보하여 말뚝본체가 재료적인 면에서 허용하중을 초과하여 항복할 때까지 지반의 지지력이나 침하 문제가 발생하지 않도록 함) 말뚝의 허용지지력을 크게 개선하여 사용 말뚝의 본 수를 줄일 수 있고 필요에 따라 말뚝선단부를 풍화암이나 연암 이상의 기반암이 아닌 단단한 토사층 정도까지만 시공할 수도 있어 공사비를 대폭 절감할 수 있다.

둘째, 인장말뚝의 경우 천공홀 선단부 확장에 의해 확공부 상부지반의 원지반 전단저항력을 기대할 수 있어 인장말뚝의 인발저항력이 획기적으로 개선되므로 교량이나 건물 및 기타 건설구조물의 기초설계시 인장말뚝 개념을 도입하여 기초규격이나 말뚝 본 수를 크게 줄일 수도 있으며, 인장과 압축을 동시에 받아야 하는 말뚝에 특히 효과적으로 적용할 수 있다.

또한 일반적인 건설공사뿐만 아니라 해상 및 육상의 풍력발전기 기초나 해양구조물, 조선소 구조물 등을 지지하는 말뚝에도 유용하게 쓰일 수 있다.

(2)-- 천공홀 (4)-- 관형 케이싱
(6)-- 천공홀 선단부 (8)-- 암반층
(10)-- 천공경 확장드릴 (12)-- 확공부
(14)-- 확대 콘크리트물 (16)-- 보강 구조물
(18)-- 말뚝이나 인장부재 (20a)-- 스페이서
(20b)(24a)-- 스토퍼 (22)-- 선단보강판
(24)-- 작동로드 (26)-- 수평 확장보강근
(28)-- 지지판 (30)-- 수직근
(32)(40)-- 띠근 (34)-- 통과링
(36)-- 진동기 (42)-- 링판재
(44)-- 와셔형 소판재 (46)-- 대판재
(46a)-- 소공

Claims (15)

1. 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서,
   말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 구성하고, 작동로드(24)에는 작동로드(24)의 상하 이동거리를 규정하는 스토퍼(24a)를 설치하며, 작동로드(24)의 둘레면에 힌지 연결되며 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)들을 구비함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
   
2. 제1항에 있어서, 작동로드(24)에는 하나 이상의 지지판(28)이 장착되고, 각 지지판(28)에는 다수 수평 확장보강근(26)들이 힌지 연결되게 구성함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
   
3. 제2항에 있어서, 선단보강판(22)의 외곽저면을 따르는 다수 수직근(30)들이 배열 장착됨을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
   
4. 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서,
   말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 구성하고, 선단보강판(22)에 선단보강판(22)의 외곽저면을 따르는 다수 수직근(30)들을 배열 장착하며 다수 수직근(30)들을 빙두르는 띠근(32)이 고정되게 구성하며, 작동로드(24)의 둘레면에 힌지 연결되며 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)들을 구비하며, 수평 확장보강근(26)이 통과되는 띠근(32)의 통과링(34)이 방사상으로 펼쳐지는 확장보강근(26)의 레버축 역할을 담당하게 구성함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
   
5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 선단보강판(22)에 장탈 가능케 설치된 진동기(36)를 더 구비함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
   
6. 삭제
7. 제1항 또는 제4항에 있어서, 방사상으로 최대 펼쳐진 수평 확장보강근(26)들의 양단간 거리가 천공홀(2) 직경의 1~5배로 구성함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
   
8. 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서,
   말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능케 구성하고, 작동로드(24)에는 작동로드(24)의 상하 이동거리를 규정하는 스토퍼(24a)를 설치하며, 선단보강판(22)의 외곽저면을 따라가며 다수의 수직근(30)들이 배열 장착되며, 작동로드(24)의 둘레면에 힌지 연결되며 방사상으로 뻗은 수평 확장보강근(26)들을 구비함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
   
9. 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서,
   말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 심공을 통해 작동로드(24)가 상하방으로 이동 가능함과 동시에 상하 이동거리를 규정 가능케 구성하고, 작동로드(24)에는 둘 이상의 지지판(28)이 장착되고 각 지지판(28)에는 방사상으로 뻗은 다수 수평 확장보강근(26)들이 힌지 연결되며, 서로 다른 각 지지판(28)들에 힌지 연결된 상하의 수평 확장보강근(26)들끼리 접철가능케 연결 구성함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
   
10. 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강구조물에 있어서,
    말뚝이나 인장부재(18)의 선단에 고정된 선단보강판(22)의 외곽저면을 따라가며 미리 규격설계가 가능케 지지하는 다수의 수직근(30)들이 배열 장착되게 구성하고, 선단보강판(22)에는 선단보강판(22)에 장탈 가능하고 굳지 않은 확대콘크리트물 내로 보강구조물이 쉽게 들어갈 수 있도록 진동작동하도록 설치된 진동기(36)를 구비하고 수직근(30)들에 부착된 저항성 보강재를 구비함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 저항성 보강재는 각 수직근(30)들에 체결된 와셔형 소판재(44)들로 구성함을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
    
    
12. 제10항에 있어서, 상기 저항성 보강재는 상기 배열된 수직근(30)들을 두르며 설치된 링판재(42)임을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
    
13. 제10항에 있어서, 상기 저항성 보강재는 상기 배열된 수직근(30)들을 빙 두르며 설치된 띠근(40)임을 특징으로 하는 건설공사용 말뚝 및 인장부재를 위한 천공 확대 콘크리트물의 보강을 위한 보강 구조물.
    
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