KR101077960B1 - 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴 및 그를 이용한 건설공사용 말뚝 및 인장부재 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 건설 공사를 위해 지반에 뚫린 천공홀의 일부에 공벽 확장하기 위해 사용하는 천공경 확장드릴에 있어서, 회전체의 축부에 상단이 힌지연결되며 상호 접철 가능한 접동날개들로 된 접동날개 어셈블리를 구비하고, 상기 접동날개들 각각에는 상면에 공벽절삭용 절삭비트들이 고정되며, 접동날개의 펼쳐올림과 접어내림을 제어하는 가동부재도 구비함으로써 천공홀의 일부에 지중 확공을 수행함과 동시에 지중 확공부의 형상을 그대로 유지할 수 있도록 해주어, 그 확공부에 콘크리트를 타설하여 압축말뚝 선단의 확대 기초부를 형성하거나 앵커나 인장말뚝의 고정 정착부를 형성할 수 있게 한다.

Description

지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴 및 그를 이용한 건설공사용 말뚝 및 인장부재 시공방법{HOLE ENLARGEMENT DRILLS FOR MAINTAINING DRILLED HOLE SHAPE UNDERGROUND, AND CONSTRUCTION METHOD OF PILES AND TENTION MEMBERS USING THEM}

본 발명은 건설공사에서 압축부재나 인장부재를 시공하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 지반과 관련하여 건설분야에 널리 쓰이는 말뚝이나 앵커의 구조성능을 개선할 수 있는 기반을 마련하는 천공경 확장드릴과 아울러 그를 이용하여 말뚝과 앵커를 효율적으로 시공하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 건설분야에서는 구조물의 기초에 사용되는 말뚝 등의 압축부재나 부력방지앵커, 사면안정 및 기타 지반 관련 구조물에 사용되는 앵커와 같은 인장부재의 시공을 위해 다양한 형상의 드릴을 사용하고 있으며 이들은 주로 천공길이 전체를 같은 직경으로 천공하고 있다.

이렇게 드릴을 사용하여 같은 직경으로 천공하면 천공작업은 단순하고 쉬우나 대부분 구조부재의 확실한 지지가 가능한 풍화암이나 연암과 같은 견고한 지반까지 깊이 천공해야 한다. 특히, 말뚝(기성말뚝, 현장타설말뚝, 기둥과 일체인 단일말뚝)과 같은 압축부재의 경우 견고한 지반까지 깊이 천공하더라도 천공 선단부의 면적이 작아 구조부재는 충분히 외력을 견디더라도 이를 지지하는 지반이 먼저 항복(허용지지력 초과)하게 된다.

또 앵커 또는 인장말뚝과 같은 인장부재의 경우에는 이미 뚫린 구멍에 인장부재가 삽입되어 있는 형태이므로 앵커에 공용 중의 하중이 작용되면 인발에 저항할 수 있는 인발저항력이 너무 작아 대부분 앵커체를 견고한 암반층까지 천공 및 삽입한 다음 공내에 2중 3중으로 시멘트 그라우트 등의 주입재를 주입하고 양생함으로써 마찰저항이나 부착저항력을 증가시켜 인발저항력을 확보하게 된다.

주로 천공홀의 작은 직경 내에서 필요한 만큼의 인발저항력을 확보하여야 하므로 천공길이가 길어지고 앵커체의 구조와 시공순서가 복잡하며 주입재의 양이 과다해 공사비가 커지고 지중의 자연환경 훼손도 많아지며 특히 주입재에 포함된 환경오염성분이 지하수를 타고 주변 일대 수백 미터 내지 그 이상의 범위까지 오염시키게 되는 문제가 있었다.

최근까지 이들의 성능개선을 위해 지반에 천공된 직경을 확장하는 다양한 종류의 도구들이 개발되어 있으며, 그를 이용한 천공된 직경을 확장하는 방법의 일 예는 다음과 같다.

1) 지중의 필요한 위치에 펄스를 가하여 공간을 넓히는 방법. 이러한 방법의 일예로는 국내공개특허공보 제10-2007-0079197호 "기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법"에 개시되어 있고, 첨부 도면들 중 도 4가 그 대표적인 도면이다.

2) 1차 천공 후 천공홀의 일부를 불규칙하게 확장하여 콘크리트 등의 구근을 천공 선단부에 마련하는 방법. 이러한 방법을 보여주는 일 예로서는 국내특허등록공보 제10-0951632호 "선단 그라우트 주입장치를 이용한 입상재 지반 압밀주입공법"에 개시되어 있고, 첨부 도면들 중 5가 그 대표적인 도면이다.

3) 1차 천공 후 천공홀의 일부를 일정한 형상으로 확장하는 방법. 이러한 방법을 보여주는 일 예로는 국내공개특허공보 특1985-0008512호 "분할 버킷형 회전 굴착 장치"에 개시되어 있고, 첨부 도면들 중 도 3이 천공홀 선단부를 확장한 상태를 보여주는 대표적인 도면이다.

상기 3가지 경우는 나름 대로의 장점이 있으나 하기와 같은 문제점들도 안고 있다.

첫째, 육안으로 확인이 곤란한 지중에 일정한 규격의 콘크리트 타설의 보장이 어렵다.

둘째, 천공홀의 일부(주로 천공 선단부)를 확장하는 동안 확공부의 형상유지가 보장되지 않는다. 보다 구체적으로 설명하면, 도 1의 (a)에서와 같이, 지중에 미리 뚫려 있는 천공홀(24)의 일부(주로 천공 선단부(26))를 별도의 공벽유지장치 없이 확공하게 되면 비어 있는 확공부(24a)에는 공기와 함께 천공드릴 냉각을 위한 주입수가 유입되고 때로는 다량의 지하수가 유입되므로 확공부(24a)의 상부 원지반이 느슨해 지면서, 도 1의 (b)에서와 같이 확공부(24a) 근처의 공벽이 무너지는 문제가 야기되기 때문이다.

셋째, 공벽이 확장된 부분에 대해서 설계에 의한 정확한 규격의 콘크리트와 보강재의 설치가 어렵다. 즉 도 1의 (b)에서와 같이, 붕괴물 잔해(28)가 천공홀 선단부(26)의 확장공간에 쌓이게 되고, 이는 말뚝 기초부의 형성이나 인장부재 고정정착부의 형성을 위한 정확한 규격의 콘크리트와 보강재의 설치를 어렵게 한다.

넷째, 절삭도구의 구조적 특성상, 주로 확공 대상 지반이 단단한 토사층 정도까지는 절삭 확공할 수는 있지만 그보다 훨씬 더 단단한 암반층의 확공은 사실상 어렵다.

그러므로 이러한 문제들을 해결할 수 있도록 하는 드릴이 구현된다면 많은 사용자들이나 건설분야 관계자들로부터 큰 호응을 얻을 수 있을 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 지중에 미리 뚫어 놓은 천공홀의 일부(주로 천공 선단부)를 확장하는 동안 확공부의 형상유지가 보장되도록 하는 천공경 확장드릴을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 육안으로 확인이 곤란한 천공홀 뚫린 지중임에도 일정한 규격의 콘크리트 타설이 보장되며 공벽이 확장된 부분에 대해서 설계에 의한 정확한 규격의 콘크리트와 보강재의 설치가 용이하도록 정밀한 확대 천공을 할 수 있는 천공경 확장드릴을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 미리 뚫어 놓은 천공홀의 일부를 확공 함에 있어 단단한 토사층은 물론이고 훨씬 단단한 암반층까지도 절삭할 수 있는 천공경 확장드릴을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 천공경 확장드릴을 이용하여 말뚝과 같은 압축부재의 선단부에는 신뢰성 있는 확대기초부를 형성하여 말뚝의 허용지지력을 개선케 하고, 앵커와 같은 인장부재의 경우에는 확장부에 신뢰성 있는 고정정착부를 형성하여서 인발저항력을 획기적으로 개선할 수 있도록 해주는 건설공사용 말뚝 및 인장부재 시공방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 건설공사에서 말뚝의 허용지지력과 인장부재의 인발 저항력을 획기적으로 개선함과 동시에 경제성이 우수하고 지중환경에 대한 오염을 최소화시키는 건설공사용 말뚝 및 인장부재 시공방법을 제공함에 있다.

상기한 목적에 따라 본 발명은, 건설 공사를 위해 지반에 뚫린 천공홀의 일부에 공벽 확장하기 위해 사용하는 천공경 확장드릴에 있어서, 회전체의 축부에 상단이 힌지연결되며 상호 접철 가능한 접동날개들로 된 접동날개 어셈블리를 구비하고, 상기 접동날개들 각각에는 상면에 공벽절삭용 절삭비트들이 고정되며, 상기 접동날개의 펼쳐올림과 접어내림을 제어하는 가동부재를 구비함을 특징으로 한다.

또 상기의 접동날개는 천공홀 직경의 1.5~3배에 상당하는 공벽 확장이 가능한 길이를 가짐을 특징으로 한다.

또 상기의 접동날개 어셈블리는 0°~90°의 들림각도범위를 가짐을 특징으로 한다.

또 상기의 회전체는 연결대의 선단에 회전가능케 축설치되며, 상기 연결대는, 천공경 확장드릴의 구동을 제어하기 위한 전선과 반죽상태의 콘크리트를 천공경 확장드릴 측으로 주입하기 위한 콘크리트 주입관을 내장 구성함을 특징으로 한다.

또 본 발명의 천공경 확장드릴이, 상기 회전체를 구동시키는 회전체 구동부와, 상기 회전체를 승강시키는 승강구동부를 더 구비함을 특징으로 한다.

또 상기의 접동날개 어셈블리의 일 형태로는 각 접동날개가 직사각형의 판체이고 좌우측 반부가 계단 형성된 구조로서 좌우측 반부의 중앙 상단에는 힌지축편이 일체 형성되고 좌우측 반부의 계단 상층부 면상에 상기 절삭비트들이 배열되어 체결고정됨을 특징으로 한다.

또 상기의 접동날개 어셈블리의 다른 형태로는 직사각형 판체의 접동날개들이 서로 어긋나게 복겹 형성된 구조로서 복겹된 상층부 접동날개의 상면 전체에는 절삭비트들이 체결 고정되게 구성함을 특징으로 한다.

또 상기의 접동날개 어셈블리의 또 다른 형태로는 각 접동날개가 사다리꼴 판체이고 접동날개내 계단상층부를 형성하는 평행사변형 존에는 상기 절삭비트들이 배열되어 체결고정됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 건설공사용 말뚝 시공방법에 있어서, 지반을 깊이방향으로 천공한 후 절삭비트들을 갖는 접동날개들이 회전체에 힌지 연결되고 접동날개들이 가동부재에 의해 접동 가능한 천공경 확장드릴을 천공홀 선단부에 위치시키는 제1 단계와, 천공경 확장드릴을 구동시켜서 천공홀 선단부를 확공함과 동시에 상기 천공경 확장드릴의 접동날개들로 확공부의 상부 원지반을 받침지지하는 제2 단계와, 기초용 콘크리트를 상기 천공경 확장드릴을 통과시켜 확공상태의 천공홀 선단부의 공간에 타설로 채워주는 제3 단계와, 상기 천공경 확장드릴을 점차 축소시킴과 동시에 축소에 따라 생기는 공간에 기초용 콘크리트 타설로 채워주어 말뚝 선단에 확대 기초부를 형성하는 제4 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 건설공사용 인장부재 시공방법에 있어서, 지반을 깊이방향으로 천공한 후 절삭비트들을 갖는 접동날개들이 회전체에 힌지 연결되고 접동날개들이 가동부재에 의해 접동 가능한 천공경 확장드릴을 천공홀 선단부에 위치시키는 제1 단계와, 상기 천공경 확장드릴을 구동시켜서 천공홀 선단부를 확공함과 동시에 상기 천공경 확장드릴의 접동날개들로 확공부의 상부 원지반을 받침지지하는 제2 단계와, 고정정착용 콘크리트를 천공경 확장드릴을 통해 통과시켜 확공상태의 천공홀 선단부의 공간에 타설로 채워주는 제3 단계와, 상기 천공경 확장드릴을 점차 축소시킴과 동시에 축소에 따라 생기는 공간에 고정정착용 콘크리트 타설로 채워주어 인장부재 선단에 인발저항용 고정정착부를 형성하는 제4 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 천공경 확장드릴은 지중에 미리 뚫어 둔 천공홀의 선단부 또는 일부구간을 확공하는 동안 확공부 상부지반의 무너짐 없이 확장공간의 형상을 계속 유지하면서 소원하는 천공홀 규격대로 확장을 가능케 하는 장점이 있다.

또 본 발명의 천공경 확장드릴을 사용할 경우 지중 내 원하는 위치에 일정한 강도와 규격을 가지는 신뢰성 있는 구조체(예로서 철근콘크리트 확대기초)를 형성할 수 있어 압축부재중 말뚝의 경우에는 선단부에 확대기초 형성이 가능하여 선단지지력을 개선할 수 있고 또 압축력과 인장력을 동시에 받을 수 있는 말뚝의 설계가 가능해지며, 인장부재인 앵커의 경우에는 선단부에 확대된 고정정착부를 형성함으로써 뚫린 구멍 내에서의 마찰력이 아닌 확공부 외경 둘레의 상부토층 전체 높이에 대한 원지반 전단저항력을 인발에 대한 저항력으로 기대할 수가 있어 그 인발저항력을 획기적으로 개선하는 것이다.

도 1은 지중에 미리 뚫어 놓은 천공홀의 선단부에 별도의 공벽 유지장치 없이 확공함에 따른 문제를 설명하기 위한 도면,
도 2는 일반적인 구조물 기초지지를 위한 말뚝 시공을 완료한 상태도
도 3은 일반적인 건축물의 부력방지를 위한 앵커 시공을 완료한 상태도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 천공경 확장드릴의 단면도,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 천공경 확장드릴의 단면도,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 천공경 확장드릴에서 변형된 예시의 상태 단면도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 천공경 확장드릴에서 변형된 예시의 상태 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 절삭비트를 체결한 접동날개들이 접혀지고 펴지는 상태를 보여주는 사시도,
도 9는 본 발명에 따라 축부에 힌지 연결되는 접동날개들의 일부 분해 사시도,
도 10은 도 8 및 도 9의 접동날개들을 펼친 접동날개 어셈블리의 평면도,
도 11 및 도 12는 접동날개들을 펼친 접동날개 어셈블리의 변형 예시를 보여주는 평면도,
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 천공경 확장드릴의 사용 상태도,
도 14는 본 발명의 천공경 확장드릴을 이용하여 말뚝 선단에 확대 기초부 형성을 위한 시공 절차를 설명하기 위한 개략도,
도 15는 본 발명의 천공경 확장드릴을 이용하여 인장부재중 인장말뚝의 고정정착부 형성을 위한 시공절차를 설명하는 개략도,
도 16은 본 발명의 천공경 확장드릴을 이용하여 인장부재중 앵커의 고정정착부 형성을 위한 시공절차를 설명하는 개략도,
도 17는 본 발명에 따른 천공경 확장드릴로 공벽확장부에 콘크리트 주입하여 압축말뚝 선단의 확대 기초부나 인장부재의 고정정착부를 형성하는 확대 단면도,
도 18 내지 도 20은 본 발명에 따라 지중에 미리 뚫은 천공홀에 다양한 형상과 개수의 공벽확장부를 형성할 수 있음을 부력 방지용 앵커로 시공한 일 예에 적용하여 보여주는 도면.

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

본 발명에서는 지중에 미리 뚫어 둔 천공홀의 선단부 또는 일부구간을 확공하는 동안 확공부 상부지반의 무너짐 없이 확장공간의 형상을 계속 유지하면서 천공홀 규격의 확장이 가능한 드릴을 구현하는 것이다.

건설공사 분야에서 지중에 미리 뚫은 천공홀의 선단부 또는 일부 구간에 확공을 해야 하는 대표적인 일 예들로는 구조물 기초지지를 위한 말뚝시공이 있으며, 또 사면안정을 위한 앵커 시공, 건축물의 부력방지를 위한 앵커 시공, 흙막이 가시설을 위한 앵커 시공, 영구앵커 옹벽 시공, 현수교나 사장교의 앵커리지 시공, 해양구조물의 앵커리지 시공 등이 있다.

구조물 기초지지를 위한 말뚝 시공은 도 2에 도시된 일 예와 같이 말뚝 선단에 확대 기초부 형성을 위한 것으로, 주로 압축 말뚝에 적용되는 방법이다. 도 2에 도시된 여러 가지의 압축말뚝 중에서 도 2의 (a)는 강관말뚝(2)으로 시공한 시공 상태도이고, 도 2의 (b)는 PHC(Pretensioned spun High-strength Concrete)말뚝(4)으로 시공한 시공 상태도이며, 도 2의 (c)는 현장타설 말뚝(6)으로 시공한 시공 상태도이다. 그리고, 도 2의 (d)는 기초와 기둥이 일체화된 단일말뚝(7)으로 시공한 시공상태도이다.

또 사면안정을 위한 앵커 시공, 건축물의 부력방지를 위한 앵커 시공, 흙막이 가시설을 위한 앵커 시공, 영구앵커 옹벽 시공, 현수교나 사장교의 앵커리지 시공 등은 인장부재의 선단에 고정정착부 형성을 위한 것이다.

도 3에서는 인장부재의 선단에 정착부 형성을 위한 대표적인 일 예로서 건축물(14)의 부력에 대한 안정화를 위해 앵커(12)의 선단에 확공부를 통해 정착부(22)를 형성한 것을 보여주고 있다. 여기서 언급한 '인장부재'는 건설공사에 사용되는 인장용 부재로서, 인장말뚝 및 각종 앵커들 즉 건축물의 부력방지를 위한 앵커, 사면안정을 위한 앵커, 흙막이 가시설용 앵커, 영구앵커옹벽용 앵커, 소일네일(soil nail) 등을 포함한다. 인장용 부재 중 앵커의 소재의 일 예로는 철근, 강선, 강봉, 강관, FRP인장재, 특수섬유 등이 있다.

앵커 시공의 경우에는 앵커(12)의 둘레와 기천공된 길이의 곱으로 표현되는 면적에 대한 인발 저항력을 기대할 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 예들의 시공에 적용하되 지중에 미리 뚫어 둔 천공홀의 선단부 또는 일부 구간을 확공하는 동안 확공부 상부지반의 무너짐 없이 확장공간의 형상을 계속 유지하면서 천공홀 규격의 확장이 가능한 드릴을 구현한다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 천공경 확장드릴의 단면도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 천공경 확장드릴의 단면도이다.

그리고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 천공경 확장드릴에서 변형된 예시의 상태 단면도이고, 도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 천공경 확장드릴에서 변형된 예시의 상태 단면도이다.

도 4a 내지 도 7b에 도시된 본 발명의 실시 예들에 따른 천공경 확장드릴(30)은 공벽 절삭을 위한 절삭비트(44)들과 절삭비트(44)들이 체결된 접동날개(54)들을 공통적으로 구비한다. 상기 접동날개(54)들은 천공홀(24)의 일부를 확공시 절삭비트(44)를 이용한 공벽 절삭과 더불어 그 확공부로 인한 상부 원지반의 무너짐이 없도록 상부 원지반을 지지하는 역할을 도모한다.

본 발명에 따른 접동날개(54)들 각각은, 주입관(40)이나 관형 연결대(34)에 축회전 가능케 설치된 축부(46)에 방사상으로 향하며 그 상단부가 힌지 연결된다. 접동날개(54)들은 상호 접철 형태로 중첩된 접동날개 어셈블리(55)를 구성하여서 접동날개들(54)들이 완전히 펼쳐졌을 때에 코스모스 꽃잎 배열형태처럼 빈틈없이 조밀하게 펼쳐진 받침면을 형성한다. 그러므로 확공부 상부 원지반을 안전하게 받침지지할 수 있다.

절삭비트(44)들이 상면에 체결된 접동날개(54)들은 천공홀(24) 직경의 1.5~3배, 바람직하게는 1.5~2.5배까지 확공할 수 있을 만큼의 길이를 가지며, 접동날개(54)들로 된 접동날개 어셈블리(55)의 들림각도범위는 0°~90°가 바람직하다.

본 발명의 천공경 확장드릴(30)에서 접동날개(54)의 길이를 상기와 같이 규정함에 있어, 본 발명에서 미리 설계한 규격이 맞는 말뚝의 확대 기초부나 앵커의 고정정착부 형성을 위한 확공부 마련을 하는 데에 천공홀(24) 직경의 3배 초과하는 천공이 불필요한 것이며, 천공홀(24) 직경의 1.5배 미만의 확공 형성은 말뚝의 확대기초부나 앵커의 고정정착부가 제 역할을 하는데에 충분하지 않다는 데에 기인한다.

또한 본 발명에서는 상기와 같이 축부(46)에 접동날개(54)들이 힌지 연결된 접동날개 어셈블리(55)가 펼쳐올리거나 접어 내릴 수 있도록 하는 가동부재를 구비한다. 가동부재는 첨부된 도 4a 내지 도 7b과 함께 설명될 것인데, 외부 유체제어로 팽창과 수축이 가능한 팽축발룬(42)이 그 일 예가 된다(도 4a,b, 도 5a,b 관련).

가동부재의 다른 예로는, 공기압식, 유압식, 전기식 중 하나의 외부 동력 전달로 구동하는 상하 이동하는 액츄에이터(96)와 그 액츄에이터(96)와 접동날개(54)의 배면에 링크연결된 연결아암(43)으로 구현할 수 있다(도 6a,b, 도 7a,b).

본 발명의 천공경 확장드릴(30)의 본체는 천공홀(24)에 삽입되는 관형 연결대(34)의 선단에 회전가능케 축설치된다. 관형 연결대(34)는 금속재 등의 강성 관체가 바람직하며, 천공경 확장드릴(30)의 축대역할을 할 수 있는 것이 좋다. 천공경 확장드릴(30)과 연결된 관형 연결대(34)의 후미부는 천공홀(24)을 통해서 지상으로 연장된다. 또 관형 연결대(34)에는 천공홀(24) 내에 연결대(34)가 안정되게 지지될 수 있도록 관체 원통면에 일정 간격으로 지지구(미도시함)가 설치되는 것이 바람직하다. 지지구는 필요에 따라서 푸쉬풀(push-pull) 작동될 수 있는 구조로 구현할 수 있다.

연결대(34)는 도 4a,도 4b 및 도 5a,도 5b에 도시된 바와 같이 관체 내부에 공기와 같은 유체(A)의 압력을 전달하는 압력호스(36)와 천공경 확장드릴(30)의 축회전 동력전달이나 승강 구동과 같은 드릴의 각종 제어를 위한 전선(38)과 굳지 않은 즉 반죽상태의 기초용 콘크리트(C)나 고정정착용 콘크리트(C)를 주입하기 위한 주입관(40), 드릴비트(44)를 냉각시키는 냉각수(W)가 주입되는 냉각수 주입관(41)을 구비한다. 냉각수 주입관(41)은 필요에 따라 설치되는 선택사항이다.

도 6a,도 6b 및 도 7a,도 7b에서는 도 4a,도 4b 및 도 5a,도 5b의 압력호스(36) 대신에 액츄에이터(96)를 구동하기 위한 공기압식, 유압식, 전기식 중 하나의 외부 동력을 전달하는 동력공급로(98)가 관형 연결대(34)내에 구비된다.

도 4a 내지 도 5b에 도시된 천공경 확장드릴(30)은 드릴 자체가 팽창작용과 상승작용을 동시에 수행하면서 천공홀(24)의 선단부(26)나 천공홀(24)의 기타 일부의 공벽을 절삭하여 확장하는 것이다.

도 4a, 도 4b에 도시된 본 발명의 일실시 예에 따른 천공경 확장드릴(30)은 연결대(34)를 이용해 지상에서 천공경 확장드릴(30)을 잡아당기는 방식으로 천공경 확장드릴(30)을 상승시키는 방식이며, 도 5a, 도 5b에 도시된 본 발명의 다른 실시 예에서는 확장드릴(30) 자체에 장치된 승강구동부(56)에 의해서 천공경 확장드릴(30)을 상승시키는 방식이다.

본 발명의 천공경 확장드릴(30)은, 크게 연결대(34)의 선단을 축으로 회전하며 절삭비트(44)들을 장착한 회전체(50)와, 회전체(50)를 구동시키는 회전체 구동부(52)를 공통적으로 구비하며, 도 5a, 도 5b에 도시된 본 발명의 다른 실시 예의 경우에는 회전체(50)를 승강시키는 승강구동부(56)를 포함하여 구성한다.

도 4a, 도 4b의 경우, 상기 회전체(50)는 관체형 연결대(34)의 내경에 축베어링(B)을 통해 회전가능케 축결합되며 하부로 돌출된 축부(46)를 구비하며, 축부(46)에는 축부(46)의 원통 외면을 빙둘러 감싸면서 결합되거나 축부(46)의 하단부에 결합 또는 위치된 팽축 발룬(42)과 함께 축부(46)의 원통 외면에 원주를 따라가며 마치 코스모스 잎들이 꽃술을 둘러싼 것처럼 다수 접동날개(54)들이 둘러싸며 힌지 연결됨과 동시에 팽축 발룬(42)에 받침되어서 팽축 발룬(42)의 팽창과 수축작용에 의해서 그 접동날개(54)들을 도 4b에서와 같이 올리면서 펴거나 도 4a에서와 같이 내리면서 접는 구조를 갖는다.

팽축 발룬(42)은 연결대(34)에 내재된 압력호스(36)를 통해 유입되는 유체압에 의해서 팽창 및 수축이 가능하며, 각 접동날개(54)의 외면에는 천공홀(24)의 공벽을 절삭하여 확장시키기 위한 다수의 절삭비트(44)들이 체결 고정된다.

도 4a, 도 4b의 구조에서 연결대(34)에 내재된 콘크리트 주입관(40)은 축부(46)의 내부를 통과하고 하방으로 연장된 후 저방으로 그 콘크리트 토출구(40a)가 형성되도록 구성한다. 따라서 외부에서 주입되는 굳지 않은 콘크리트는 주입관(40)을 통해 천공경 확장드릴(30) 하방으로의 토출이 이루어진다.

상기와 같은 회전체(50)를 회전되게 구동시키는 회전체 구동부(52)는 연결대(34)의 관체 내에 고정설치된 하나 또는 두개의 구동모터(M)를 구비한다. 구동모터(M)는 모터 본체에 감속기어들이 설치된 감속모터가 바람직하며, 전기모터나 유압모터로 구현될 수 있다.

구동모터(M)의 축봉에 고정된 구동축기어(82)는 축부(46)의 관체 내에 고정 설치된 링기어(84)와 내접 기어 맞물림되므로, 구동모터(M)의 회전에 의해서 회전체(50)의 축부(46)가 회전할 수 있다.

한편 도 5a, 도 5b와 같은 경우, 회전체(50)는 관체형 연결대(34)의 하부가 천공홀 선단부(26)의 바닥을 지지하는 하부받침(49)을 구비한다. 관체형 연결대(34)의 하단부 좌우측에는 주입관(40)과 연통된 콘크리트 토출구(40a)가 형성되어서 연결대(34)내 콘크리트 주입관(40)을 통해 주입된 굳지 않은 반죽상태의 콘크리트(C)가 관체형 연결대(34)의 하단부 좌우측의 콘크리트 토출구(40a)를 통해서 천공경 확장 드릴(30)의 하방으로 토출되는 것이다.

도 5a, 도 5b에 도시된 천공경 확장드릴(30)은 회전체(50)가 회전과 함께 자체에 구비된 승강구동부(56)에 의해서 상승 이동될 수 있는 방식이다. 즉 천공홀 선단부(26)의 바닥을 지지하는 연결대(34)의 하부받침(49)이 천공홀 선단부(26)의 바닥에 지지된 상태에서 회전체(50)만을 상승이동시키는 방식이다.

도 5a, 도 5b와 같이 회전체(50)를 회전되게 구동시키는 회전체 구동부(52)는 연결대(34)의 관체 내에서 승강 가능케 장치된 하나 또는 두 개의 구동모터(M)를 구비한다. 즉 연결대(34)의 관체에는 상하방으로 길게 절개된 슬롯이 형성되고 구동모터(M)의 지지봉이 회전체(50)가 회전시 레일을 제공하는 원형레일궤도부재(88)에 용접고정되게 함으로써, 회전체(50)가 승강시 구동모터(M)가 연결대(34)의 슬롯을 따라 함께 승강하게 된다. 구동모터(M)는 도 4a 및 도 4b와 마찬가지로 감속모터가 바람직하며, 전기모터나 유압모터로 구현될 수 있다.

도 5a, 도 5b의 구성에서 축부(46)는 축베어링(B)을 통해 연결대(34)의 외주면에 회전가능케 축결합되고 하부로 돌출되게 구성된다. 또 축부(46)에는 축부(46)의 하단부에 결합된 팽축 발룬(42)과 함께 축부(46)의 원통 외면에 원주를 따라가며 마치 코스모스 잎들처럼 둘러싼 것처럼 다수 접동날개(54)들이 힌지 연결됨과 동시에 팽축 발룬(42)에 받침되어서 팽축 발룬(42)의 팽창과 수축작용에 의해서 그 접동날개(54)들을 도 5b에서와 같이 올리며 펴거나 도 5a에서와 같이 내리면서 접는 구조를 갖는다.

도 5a, 도 5b의 구성도 도 4a, 도 4b와 마찬가지로 팽축 발룬(42)은 연결대(34)에 내재된 압력호스(36)를 통해 유입되는 유체압에 의해서 팽창 및 수축이 가능하며, 각 접동날개(54)의 외면에는 천공홀(24)의 공벽을 절삭하여 확장시키기 위한 다수의 절삭비트(44)들이 체결 고정된다.

도 5a, 도 5b의 구성에서 회전체(50)를 승강시키는 승강구동부(56)는 연결대(34)의 하부받침(49)이 천공홀 선단부(26)의 바닥에 고정된 상태에서 회전체(50)를 상승 및 하강 이동시키는 작동체로서, 축부(46)의 상단에 형성된 걸림형 슬라이더(86)가 원형 레일궤도부재(88)에 걸림되어서 그 레일궤도를 따라 슬라이딩되도록 구성되며, 원형 레일궤도부재(88)가 연결대(34)에 링크 연결된 작동실린더(90)의 작동로드(90a)에 연결되게 구성할 수 있다.

이러한 승강구동부(56)는 외부로부터 흙과 같은 이물질이 침투하지 않도록 도 5a, 도 5b에 도시된 일 예와 같이 벨로즈 커버(92)로 덮어 보호하는 것이 바람직하며, 승강구동부(56)에 채용된 작동실린더(90)는 공압 또는 유압식으로 구현할 수 있다.

또 회전체(50)를 당겨 올리거나 밀어 내려주는 승강구동부(56)는 예시로서 작동실린더 구조로 설명하였지만 래크와 피니언구조의 기어구조, 액츄에이터 구조 등이나 이와 균등한 것들로 구현할 수도 있음이 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하여질 것이다.

본 발명의 천공경 확장드릴(30)에 대해 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 천공경 확장드릴(30)은, 연결대(34)를 축으로 하여 회전하는 회전체(50)를 공통적으로 구비한다. 또 회전체(50)의 구성요소중 하나인 팽축 발룬(42)은 절삭비트(44)들을 갖는 접동날개(54)가 회전과 함께 서서히 펴지면서 천공홀 선단부(26)를 절삭 확공함과 아울러 비어 있는 확공부(24a)의 상부 원지반을 받침지지할 수 있도록 접동날개(54)를 밀어주는 역할을 한다. 또 확공부(24a)에 콘크리트(C)의 주입이 다 되면 펴진 접동날개(54)를 다시 접어주는 역할도 한다.

팽축 발룬(42)은 낙하산줄이나 방탄복 등에 사용되는 아라미드섬유사와 같은 특수한 보강용 섬유를 방사상 방향으로 늘어날 수 있도록 주름형성 및 벌키성을 갖도록 형성하며, 보강용 섬유층 내에는 탄력 팽축이 가능한 고무층이 접착 형성된 복합소재로 구성된다.

팽축 발룬(42)은 팽창된 상태에서 대체로 도우넛 형상이며, 팽축 발룬(42)의 일면과 결합된 축부(46)에는 공기와 같은 유체(A)의 주입이 가능하도록 동심원 방향(또는 원주방향)을 따라가며 레일홈이 형성되며 레일홈의 바닥면에는 주입 장공(59)들이 배열형성된다. 압력호스(36)는 축부(46)의 동심 레일홈에 기밀 가능케 삽입되며 주입관(40)이나 연결대(34)에 고정된 원형 에어룸부(58)와 연통되게 연결된다. 그러므로 압력호스(36)를 통해서 주입된 유체(A)인 압축공기는 원형 에어룸부(58)와 축부(46)의 동심원 레일홈 바닥에 형성된 주입장공(59)을 통해서 팽축 발룬(42) 내에 주입될 수 있다.

공기와 같은 유체주입으로 팽축 발룬(42)의 부피가 팽창하게 되면 그 직경이 부피 축소된 드릴 초기 직경의 2~3배까지도 늘어날 수 있다. 팽축 발룬(42)에 가해지는 압력은 7~25 kgf/㎠이 바람직하며, 이때 천공홀 선단부(26)의 확공부(24a) 상면에 대해 지지할 수 있는 힘은 천공경 600mm을 1000mm으로 확공시 30톤 이상이 된다. 이러한 팽축 발룬(42)의 지지력은 천공홀 선단부(26)의 확공부(24a) 상부의 원지반이 이완되어 떨어지는 1톤 이내의 이완지반 중량물을 지지할 수 있는 것이다.

팽축 발룬(42)은 압축공기와 같은 유체를 외부로 빼냄에 따라 즉 유체압을 감소시킴에 따라 부피 축소되며, 바람직하게는 거의 연결대(34)의 직경 크기까지 줄어들 수 있다.

또 본 발명에서는 천공홀(24)의 공벽을 절삭하여 확장되도록 하는 절삭비트(44)들은 고강도 특수강 재질로 구성되며, 접동날개(54)의 외면에 장착된다. 접동날개(54)의 외면에 장착시 교체가 가능하도록 조립식으로 체결되는 것이 바람직하며, 이러한 조립체결은 절삭비트(44)가 마모될 때 그 교체를 용이하게 해준다.

본 발명에 따라 그 외면에 절삭비트(44)들을 체결한 접동날개(54)들 각각은 방사상으로 펼치거나 접을 수 있게 축부(46)의 원통 외주면에 힌지 연결된다. 접동날개(54)들로 된 접동날개 어셈블리(55)의 들림각도범위는 0°~90°가 바람직하다.

한편 도 6a, 도 6b 및 도 7a, 도 7b에서는 도 4a, 도 4b 및 도 5a, 도 5b에서 접동날개(54)들을 밀어 올려주거나 당겨 내려 접어주는 팽축 발룬(42)을 대신하여서 접동날개(54)의 배면에 일단이 링크 연결된 연결아암(43)들을 장치한 것이다.

상기 연결아암(43)들의 타단은 콘크리트 주입관(40)이나 연결대(34)에 회전가능하게 축설치된 플랜지관(94)의 외주벽 내에서 상하 이동하는 액츄에이터(96)와 링크 연결된다. 액츄에이터(96)는 공기압식, 유압식, 전기식 등으로 구현할 수 있다.

도 6a 및 도 6b에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 4a, 도 4b의 천공경 확장드릴에서 변형된 예시의 상태 단면도를 보여주고 있고, 도 7a 및 도 7b에서는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 도 5a, 도 5b의 천공경 확장드릴에서 변형된 예시의 상태 단면도를 보여주고 있다.

도 6a 내지 도 7b에서는 팽축발룬(42)을 대신하여 연결아암(43), 플랜지관(94), 액츄에이터(96)를 구비한 구성이고, 도 6a 내지 도 7b의 참조부호 "98"은 액츄에이터(94)에 외부 동력을 공급하기 위한 동력공급로이다. 액츄에이터(96)가 공기압식이나 유압식으로 구현되면 동력공급로(98)는 압축공기관이나 유압관이 될 것이고, 액츄에이터(96)가 전기식으로 구현된다면 동력공급로(98)는 전기배선로가 될 것이다.

도 8은 본 발명에 따라 그 상면에 절삭비트(44)를 체결하며 접철 가능한 구조를 갖는 접동날개(54)들이 접혀지고 펴지는 상태를 보여주는 사시도이고, 도 9는 축부(46)에 힌지 연결되는 접동날개(54)의 일부 분해 사시도이다.

도 8 및 도 9에 도시된 접동날개(54)는 직사각형의 판체이고 좌우측 반부가 계단 형성된 구조이며, 좌우측 반부(54a)(54b)의 중앙 상단에는 힌지축편(54c)이 일체 형성된 구조이다. 좌우반부중 계단상층부(54a) 면상에는 절삭비트(44)들이 배열 형성하되 체결구조로 고정되며 계단하층부(54b)는 인접 접동날개(54)의 계단상층부(54a)의 저면과 중첩될 수 있는 매끈한 접면을 가진다.

상기와 같은 구조의 접동날개(54)들로 조립된 접동날개 어셈블리(55)는 접동날개(54)들을 내려서 접게 되면 접동날개(54)의 계단하층부(54b)와 그에 인접한 접동날개(54)의 계단상층부(54a)가 완전히 포개져서 축부(46)의 축선과 거의 나란할 만큼 직립할 수 있게 된다. 반면 접동날개(54)들을 밀어올리게 되면 접동날개(54)가 절삭비트(44)들을 상면에 갖는 접동날개(54)의 계단상층부(54a)는 마치 부채의 부채살이 펼쳐지듯이 펼치게 된다.

도 10에서는 도 8 및 도 9에 도시된 접동날개(54)들이 날개를 펼친 접동날개 어셈블리(55)의 평면도를 보여주고 있다.

도 11 및 도 12는 접동날개(54)를 펼친 접동날개 어셈블리(55)의 변형 예시를 보여주는 평면도이다.

도 11에 도시된 접동날개 어셈블리(55)는 접동날개(54)들이 서로 어긋나게 복겹 형성된 구조로서, 접동날개(54)는 직사각형의 판체이며 복겹구조의 접동날개(54)들중 상층부 접동날개(54-1)의 상면 전체에는 절삭비트(44)들이 체결 고정된 구조이다. 복겹된 하층부 접동날개(54-2)의 상면에는 도 11에서와 같이 절삭비트(44)의 설치가 없이 구현할 수 있고, 필요에 따라서는 날개 상면의 단부에 삼각 존(zone) 형태로 절삭비트(44)들을 체결 고정할 수도 있다.

도 11과 같은 접동날개 어셈블리(55)의 구조는 접동날개(54)가 완전히 펴졌을 때 그 펼친 날개상면 전체에 절삭비트(44)들이 배열 형성되므로 공벽의 절삭효율을 높일 수 있다.

다음으로 도 12에 도시된 접동날개 어셈블리(55)는 계단 형성된 사다리꼴 사각판체로서, 계단상층부(54a)를 형성하는 평행사변형 존에는 절삭비트(44)들이 배열 형성되고 계단하층부(54b)를 형성하는 나머지 삼각형 존에는 인접 접동날개(54)의 계단상층부(54a)의 저면과 중첩될 수 있는 매끈한 접면을 가진다.

도 13은 본 발명에 따른 천공경 확장드릴(30)의 사용 상태도로서, 도 8 내지 도 12와 같은 접동날개(54)들을 갖는 접동날개 어셈블리(55)가 축부(46)에 힌지 연결되며, 그 축부(46)의 아래로 연결대(34)가 연장 형성되어서 천공홀 선단부(26)의 바닥을 지지하는 하부받침(49)을 구비하여서 연결대(34)의 하부받침(49)이 천공홀 선단부(26)의 바닥에 지지된 상태에서 회전체(50)만을 상승이동시켜서 공벽을 절삭확장하고, 절삭으로 비어진 회전체(50) 아래의 공간부에는 연결대(34)에 형성된 콘크리트 토출구(40a)로부터 토출되어진 콘크리트가 즉각 채워지는 것이다.

도 14는 본 발명의 천공경 확장드릴을 이용하여 말뚝 선단에 확대 기초부 형성을 위한 시공 절차를 설명하기 위한 개략도이고, 도 15는 본 발명의 천공경 확장드릴을 이용하여 인장말뚝의 고정정착부 형성을 위한 시공절차를 설명하는 개략도이며, 도 16은 본 발명의 천공경 확장드릴을 이용하여 앵커의 고정정착부 형성을 위한 시공절차를 설명하는 개략도이다.

먼저 도 14를 참조하여 본 발명의 천공경 확장드릴(30)을 이용하여 말뚝 선단에 미리 설계한 규격에 맞는 확대 기초부 형성을 위한 시공 절차를 상세히 설명한다.

우선 도 14의 (a)와 같이 지반을 천공하고 천공홀(24)에 관형 케이싱(32)을 설치하는 것이다.

지반을 깊이방향으로 해머드릴 등을 이용해서 천공하되 지반 내 단단한 토사층이나 필요시 암반층(8)까지 천공을 하여 천공홀(24)을 형성한다. 이 경우 지반의 깊이방향은 지면의 연직 방향이 대부분이며 경사방향도 포함될 수 있고, 천공홀(24)의 깊이는 통상 수 미터에서 수십 미터까지 형성된다.

천공홀(24)을 형성함과 동시에 천공홀(24) 공벽의 무너짐을 방지하기 위해 관형 케이싱(32)을 천공홀(24)에 설치한다. 관형 케이싱(32)의 대표적인 일 예로는 강관케이싱이 있다. 관형 케이싱(32)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 14의 (b)에서와 같이, 천공경 확장드릴(30)을 천공홀(24)의 선단부(26)에 위치시킨다.

천공경 확장드릴(30)을 작동시키면, 천공경 확장드릴(30)의 회전체(50)가 회전한다. 그에 따라 회전체(50)의 접동날개(54)들에 체결고정된 절삭비트(44)들에 의해서 천공홀 선단부(26)의 공벽이 절삭되면서 확공부(24a)가 형성되기 시작한다. 또 그와 동시에 천공경 확장드릴(30)의 접동날개(54)들이 가동부재(팽축발룬이나 액츄에이터에 링크 연결된 연결아암 등)의 작동으로 점차 펼쳐지면서 확공부(24a)를 제대로 형성해 감과 동시에 형성 중에 있는 확공부의 상측 부분을 받쳐주므로 상부 원지반이 무너져 내리지 않는다. 즉 천공경 확장드릴(30)로 확공 중에 천공홀 선단부(26)의 주위 공벽이 무너지는 것을 방지할 수 있는 것이다.

이때 굳지 않은 반죽상태의 기초용 콘크리트(60)는 천공경 확장드릴(30)에 축설치된 연결대(34)내의 콘크리트 주입관(40)과 천공경 확장드릴(30)의 하방 토출구(40a)를 통해 즉각적으로 토출되어 도 14의 (d)에서와 같이 확공 상태의 천공홀 선단부(26)의 공간 즉 확공부(24a)에 채워진다.

또 천공경 확장드릴(30)은 회전과 동시에 미리 설계한 규격에 맞는 확대 기초부 형성에 필요한 만큼 확공부(24a)를 마련하기 위해 상승 이동하는 것이 바람직하다. 천공경 확장드릴(30)의 상승 이동에 의해, 확공부(24a) 상부의 원지반을 접동날개(54)들의 상부면이 항상 받침 지지하는 구조가 되어 원지반 공벽이 무너지는 것을 방지하면서도 비어있는 확공부(24a)에 타설되는 확대 기초의 좌우폭과 두께(높이)를 충분히 확보할 수 있다.

또 확공부(24a)에 기초용 콘크리트(60)를 계속 주입을 하게 되며, 그에 따라 확대 기초부 마련을 위한 확공부 형성과 아울러 기초용 콘크리트(60)의 주입이 충분히 이루어진다. 그러면 가동부재를 제어하여 접동날개(54)를 접어 내려줌으로써 도 14의 (e)에서와 같이 천공경 확장드릴(30)의 사이즈를 초기상태로 축소시킨다. 천공경 확장드릴(30)의 접동날개(54)들이 완전히 접혀짐에 따른 천공경 확장드릴(30)의 부피 축소로 생기는 공간에는 기초용 콘크리트(60)를 계속 채워줌으로써 말뚝 선단을 지탱하기 위한 확대 기초부(62)를 도 14의 (f)와 같이 형성한다.

기초용 콘크리트(60)를 천공홀 선단부(26)의 확공부(24a)에 천공경 확장드릴(30)을 하방 관통하는 토출구(40a)를 통해 주입시에는(도 14의 (d)(e)), 천공홀(24)에 삽입된 연결대(34) 바깥으로는 천공홀(24)의 무너짐 방지를 위해 필요시 액상 안정재(64)를 주입함을 이해하여야 한다. 액상 안정재(64)는 기초용 콘크리트(60)에 비해서 비중이 상대적으로 낮다.

도 14의 (f)와 같이 부피 축소된 천공경 확장드릴(30)을 천공홀(24)에서 빼내어 지상으로 회수하면 기초용 콘크리트(60)의 타설이 완료된다. 기초용 콘크리트(60)의 타설이 완료됨은 미리 설계한 규격에 맞는 말뚝 선단의 확대 기초부(62) 형성이 완료됨을 의미한다. 도 14의 (f)에서 보듯이 기초용 콘크리트(60)의 타설이 완료시 액상 안정재(64)는 기초용 콘크리트(60)에 비해서 비중이 낮으므로 기초용 콘크리트(60)에 의해서 그 위로 밀려 올라간다.

천공경 확장드릴(30)을 회수한 후, 도 14의 (g)와 같이 압축말뚝(66)을 천공홀(24)에 근입하며 관형 케이싱(32)도 제거한다. 이때 압축말뚝(66)의 선단부가 천공홀 선단부(26)의 확장공간에 타설된 확대 기초부(62) 상에 정치될 수 있도록 본 발명의 일 예에서는 도 14의 (g)에서와 같이 압축 말뚝(66)의 하단에 스페이서(66a)를 장착한다. 또 압축말뚝(66)의 선단부가 천공홀 선단부(26)의 확장공간에 타설된 확대 기초부(62) 상에 정치될 수 있도록 하는 본 발명의 다른 일 예로서는 도 14의 (g')와 같이 말뚝(66)의 두부에 스토퍼(66b)를 갖도록 형성한다. 말뚝(66) 두부에 장치된 스토퍼(66b)는 지면 바닥에 걸림되어서 압축말뚝(66)이 미리 설계한 규격에 맞는 확대 기초부(62)상에 정치되게 해준다.

또 압축말뚝(66)의 확대 기초부(62)를 형성함에 있어, 필요시 굳지 않은 기초용 콘크리트(60) 내에 말뚝의 선단부에 체결된 보강구조물을 설치할 수도 있다. 이 경우 보강구조물의 원활한 삽입을 위해 콘크리트용 진동기를 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로 도 15 및 도 16은 본 발명의 천공경 확장드릴(30)을 이용하여 인장부재의 인발저항용 고정정착부 형성을 위한 시공절차를 설명한다.

도 15는 인장말뚝(70) 시공에 관한 것이고, 도 16은 앵커(80) 시공 예컨대, 건축물의 부력방지를 위한 앵커 시공, 사면안정을 위한 앵커 시공, 흙막이 가시설용 앵커 시공, 영구앵커옹벽용 앵커 시공, 현수교나 사장교의 앵커리지 시공에 관한 것이다.

도 15의 인장말뚝(70)의 시공은 도 14에 도시된 압축말뚝(66)의 시공방식과 거의 유사하며, 마지막 도 15의 (g)에서는 인발 저항용 고정정착부(74)를 천공홀 확공된 선단부에 형성하는 것이 압축말뚝 시공방식의 도 14의 (g)와는 다른 것이다. 인발저항용 고정정착부(74)에는 공용중 인장부재에 작용하는 인발력 등의 하중에 저항할 수 있는 보강구조물(72)을 고정정착용 콘크리트(60) 내에 설치하여야 한다. 이때 보강 철근망, FRP(Fiberglass Reinforced Plastics) 보강재나 보강강판 등과 같은 보강구조물(72)이 내설된 콘크리트(60)는 고정정착 용도로 사용된다. 보강구조물(72)로 이용되는 철근들은 천공홀(24)에 투입시 접어진 우산 살대처럼 있다가 고정정착부(74)에서 방사형으로 펼쳐져서 콘크리트(60) 내에 매립 배근될 수 있다. 보강구조물(72)의 철근중 종철근은 도 15에서와 같이 고정정착부(74) 상에 인장말뚝(70)을 정치하기 위한 스페이서(66a)로 사용될 수 있으며, 종철근을 스페이서로 사용하지 않도록 짧게 형성할 경우에는 인장말뚝(70)의 정치용으로 인장말뚝(70)의 두부에 스토퍼(66b)를 장착할 수 있다. 상기 보강구조물(72)의 철근은 고정장착부(74)에서 인발력 등의 작용하중에 저항 가능한 다른 재료로 대체될 수도 있다.

도 16에 도시된 앵커 시공은 인장부재로서 인장말뚝(70) 대신에 앵커(80)로 대체한 것이며 구체적인 시공방법은 도 16에 도시된 바와 같이 도 15의 인장말뚝(70) 시공과 거의 유사하다. 그러므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 17은 본 발명에 따른 천공경 확장드릴을 이용하며 천공홀의 일부에 바람직하게는 천공홀 선단부에 공벽확장부를 형성하고 그 공벽확장부에 콘크리트를 주입하여 압축말뚝 선단의 확대 기초부나 인장부재 즉 인장말뚝이나 앵커의 고정정착부를 형성한 확대 단면도를 보여주고 있다.

도 17의 (a)에서는 기초물 기초지지를 위해 압축말뚝(66)의 선단부에 확대 기초부(62)를 적용한 단면 상태도이고, 도 17의 (b)는 본 발명에 따라 인장말뚝(70)의 선단부에 인발저항용 고정정착부(74)를 적용한 단면 상태도이다.

그런데 구조물 기초 지지를 위해 압축말뚝(66)의 선단부에 확대기초부(62)를 형성함에 있어 도 17의 (a)에서와 같이 무근확대기초로 적용할 수도 있으며, 또 도 17의 (b)에서와 같이 확대된 고정정착부(74)의 콘크리트(60) 내에 보강구조물(72)이 설치될 수도 있음을 이해하여야 한다.

도 18 내지 도 20에서는 본 발명에 따라 지중에 미리 뚫은 천공홀에 다양한 형상과 개수의 공벽확장부를 형성할 수 있음을 건축물(14)의 부력방지용 앵커(80)로 시공한 일 예에 적용하여 보여주는 도면이다.

본 발명에서는 천공홀의 선단부에 공벽확장하여 보강구조물(72)를 갖는 인발저항용 고정정착부(74)나 압축말뚝 선단의 확대 기초부를 미리 설계한 규격에 맞도록 제대로 형성하되, 그 공벽확장부가 도 18에 예시한 바와 같이 원통형이나 원통형과 상부에 원추형으로 형성하게 할 수 있으며, 도 19에 예시한 바와 같이 두개 이상의 적정 개수로 형성할 수 도 있다. 또한 도 20에 예시한 바와 같이 공벽확장부의 직경을 다르게 형성한 다단 공벽확장부를 형성할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명과 같이 천공경 확장드릴(30)을 사용하여 천공홀의 일부 바람직하게는 선단부에 공벽을 확장하고 콘크리트(60) 주입 및/또는 보강구조물(72)을 내설하여 확대기초부(62)나 인발저항용 고정정착부(74)를 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 본수를 줄일 수 있고 필요에 따라 말뚝선단부를 풍화암이나 연암이상의 기반암이 아닌 단단한 토사층 정도까지만 시공할 수도 있어 공사비를 대폭 절감할 수 있다.

둘째, 인장말뚝의 경우 천공홀 선단부 확장에 의해 확공부 둘레에 대한 전체 천공길이 만큼의 원지반 전단저항력을 기대할 수 있어 인장말뚝의 인발저항력이 획기적으로 개선되므로 교량이나 기타 건설구조물의 기초설계시 인장말뚝 개념을 도입하여 기초규격이나 말뚝 본수를 크게 줄일 수 있으며, 인장과 압축을 동시에 받아야 하는 말뚝에 특히 효과적으로 적용할 수 있다.

셋째, 부력방지를 위한 앵커시공의 경우에도 천공홀 선단부 확장에 의해 전체 천공길이의 확공부 둘레에 대한 확대된 전단저항력과 자중을 활용할 수 있어 천공장과 앵커 길이를 줄일 수 있고 최소한의 앵커체와 보호 그라우트만으로 안정성을 크게 개선할 수 있다.

넷째, 사면안정을 위한 앵커시공의 경우 천공홀 선단부 확장에 의해 전체 천공길이의 확공부 둘레에 대한 확대된 전단저항력(천공홀 부분의 앵커길이에 대한 마찰력이 아닌 확공부에 대한 원지반 전단저항력으로서 매우 큰 인발저항력 확보 가능)을 활용할 수 있어 천공장과 앵커길이를 줄일 수 있고 최소한의 앵커체와 보호그라우트만으로 안정성을 크게 개선할 수 있다.

다섯째, 흙막이 가시설을 위한 앵커시공의 경우에도 천공홀 선단부 확장에 의해 전체 천공길이의 확공부 둘레에 대한 확대된 전단저항력을 활용할 수 있어 천공장과 앵커길이를 줄일 수 있고 최소한의 앵커체와 보호 그라우트만으로 안정성을 크게 개선할 수 있다.

여섯째, 부지경계부 옹벽 등과 같이 기초저판을 최소화할 필요가 있는 경우 기초저판 내에 천공홀 선단부가 확장된 인장말뚝 또는 인장앵커를 적용하여 구조물의 안정성을 쉽게 확보할 수 있으며 영구앵커옹벽의 경우에도 벽체 배면에 천공홀 선단부가 확장된 인장앵커 적용으로 기초저판을 최소화하여 주변환경 훼손을 줄이고 경제적인 시공이 가능하다.

일곱째, 현수교나 사장교와 같은 케이블 지지 교량의 전체적인 안정성 확보를 위한 앵커리지 시공의 경우 케이블 정착용 앵커블록의 규격을 줄이거나 앵커블록 없이 암반에 직집 앵커링할 수 있어서 주변환경 훼손을 줄이고 경제적인 시공도 가능하다.

여덟째, 해양구조물에 사용되는 말뚝이나 앵커, 해상의 시설물에 대한 앵커링에도 주변환경 훼손을 최소화하면서 경제적인 시공이 가능하다.

(2)-- 강관말뚝 (4)-- PHC말뚝
(6)-- 현장타설 말뚝 (7)-- 단일말뚝
(8)-- 암반층 (10)-- 말뚝 선단부
(12)-- 앵커 (14)-- 건축물 또는 토목 구조물
(22)-- 정착부 (24)-- 천공홀
(24a)-- 확공부 (26)-- 천공홀 선단부
(28)-- 붕괴물 잔해 (30)-- 천공경 확장드릴
(32)-- 관형 케이싱 (34)-- 연결대
(36)-- 압력호스 (38)-- 전선
(40)-- 주입관 (40a)-- 토출구
(41)-- 냉각수 주입관 (42)-- 팽축 발룬
(43)-- 연결아암 (44)-- 절삭비트
(46)-- 축부 (49)-- 하부받침
(50)-- 회전체 (52)-- 회전체 구동부
(54)(54a)(54b)(54-1)(54-2)-- 접동날개
(55)-- 접동날개 어셈블리 (56)-- 승강구동부
(58)-- 에어룸부 (59)-- 주입장공
(60)-- 기초용 및 고정정착용 콘크리트 (62)-- 확대 기초부
(64)-- 액상 안정재 (66)-- 압축말뚝
(70)-- 인장말뚝 (72)-- 보강구조물
(74)-- 고정정착부 (80)-- 앵커
(82)-- 구동축기어 (84)-- 링기어
(86)-- 걸림형 슬라이더 (88)-- 원형레일 궤도부재
(90)-- 작동실린더 (92)-- 벨로즈 커버
(94)-- 플랜지관 (96)-- 액츄에이터
(98)-- 동력공급로

Claims (14)

1. 건설 공사를 위해 지반에 뚫린 천공홀의 일부에 공벽 확장하기 위해 사용하는 천공경 확장드릴에 있어서,
   회전체의 축부에 상단이 힌지연결되며 상호 접철 가능한 다수 접동날개로 된 접동날개 어셈블리를 구비하되, 다수 접동날개가 펼쳐졌을 때에 코스모스 꽃잎 배열형태의 상부 받침면이 형성되게 함과 동시에 상기 다수 접동날개 각각에는 상면에 다수 공벽절삭용 절삭비트가 고정되게 구성하며, 상기 접동날개의 펼쳐올림과 접어내림을 제어하는 가동부재를 구비하고, 상기 접동날개의 들림각도가 0°~ 90°범위로 되게 구성함을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 접동날개는 천공홀 직경의 1.5~3배에 상당하는 공벽 확장이 가능한 길이를 가짐을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 회전체는 연결대의 선단에 회전가능케 축설치되며,
   상기 연결대는, 천공경 확장드릴의 구동을 제어하기 위한 전선과 함게 반죽상태의 콘크리트를 천공경 확장드릴 측으로 주입하기 위한 콘크리트 주입관을 내장 구성함을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
   
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
   상기 회전체를 구동시키는 회전체 구동부와,
   상기 회전체를 승강시키는 승강구동부를 더 구비함을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 접동날개 어셈블리는 각 접동날개가 직사각형의 판체이고 좌우측 반부가 계단 형성된 구조로서 좌우측 반부의 중앙 상단에는 힌지축편이 일체 형성되고 좌우측 반부의 계단 상층부 면상에 상기 절삭비트가 배열되어 체결고정됨을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 접동날개 어셈블리는 직사각형 판체의 접동날개가 서로 어긋나게 복겹 형성된 구조로서 복겹된 상층부 접동날개의 상면 전체에는 절삭비트가 체결 고정되게 구성함을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 접동날개 어셈블리는 각 접동날개가 사다리꼴 판체이고 접동날개내 계단상층부를 형성하는 평행사변형 존에는 상기 절삭비트가 배열되어 체결고정됨을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
   
9. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 가동부재는 외부 유체제어로 팽창과 축소가 가능한 팽축 발룬으로 구성함을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
   
10. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 가동부재는 공기압식, 유압식, 전기식중 하나의 외부 동력 전달로 상하 이동되는 액츄에이터와, 상기 액츄에이터와 접동날개 배면에 링크 연결된 연결아암으로 구성함을 특징으로 하는 지중 확공부의 형상유지 기능을 갖는 천공경 확장드릴.
    
11. 삭제
12. 건설공사용 말뚝 시공방법에 있어서,
    지반을 깊이방향으로 천공한 후 각기 다수 절삭비트를 갖는 다수 접동날개가 회전체에 힌지 연결되고 펼쳐졌을 때에 코스모스 꽃잎 배열형태의 받침면이 형성되게 하는 다수 접동날개가 가동부재에 의해 접동 가능한 천공경 확장드릴을 천공홀 선단부에 위치시키는 제1 단계와,
    천공경 확장드릴을 구동시켜서 천공홀 선단부를 확공함과 동시에 펼칠 때에 코스모스 꽃잎배열형태의 받침부가 형성되는 상기 천공경 확장드릴의 다수 접동날개로 확공부의 상부 원지반을 받침지지하는 제2 단계와,
    기초용 콘크리트를 상기 천공경 확장드릴을 통과시켜 확공상태의 천공홀 선단부의 공간에 타설로 채워주는 제3 단계와,
    상기 천공경 확장드릴을 점차 축소시킴과 동시에 축소에 따라 생기는 공간에 기초용 콘크리트 타설로 채워주어 말뚝 선단에 미리 설계한 규격에 맞는 확대 기초부를 형성하는 제4 단계와,
    천공경 확장드릴을 천공홀에서 빼낸 후 확공부에 채워진 기초용 콘크리트에 말뚝과 함께 말뚝 선단부에 체결된 보강구조물을 설치하는 제5 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 천공경 확장드릴을 이용한 건설공사용 말뚝 시공방법.
    
13. 삭제
14. 건설공사용 인장부재 시공방법에 있어서,
    지반을 깊이방향으로 천공한 후 각기 다수 절삭비트를 갖는 다수 접동날개가 회전체에 힌지 연결되고 펼쳐졌을 때에 코스모스 꽃잎 배열형태의 받침면이 형성되게 하는 다수 접동날개가 가동부재에 의해 접동 가능한 천공경 확장드릴을 천공홀 선단부에 위치시키는 제1 단계와,
    상기 천공경 확장드릴을 구동시켜서 천공홀 선단부를 확공함과 동시에 펼칠 때에 코스모스 꽃잎배열형태의 받침부가 형성되는 상기 천공경 확장드릴의 다수 접동날개로 확공부의 상부 원지반을 받침지지하는 제2 단계와,
    고정정착용 콘크리트를 천공경 확장드릴을 통해 통과시켜 확공상태의 천공홀 선단부의 공간에 타설로 채워주는 제3 단계와,
    상기 천공경 확장드릴을 점차 축소시킴과 동시에 축소에 따라 생기는 공간에 고정정착용 콘크리트 타설로 채워주어 인장부재 선단에 미리 설계한 규격에 맞는 인발저항용 고정정착부를 형성하는 제4 단계와,
    천공경 확장드릴을 천공홀에서 빼낸 후 확공부에 채워진 고정정착용 콘크리트 내에 앵커와 함께 앵커 선단부에 체결된 보강구조물을 설치하는 제5 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 천공경 확장드릴을 이용한 건설공사용 인장부재 시공방법.

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