KR101199348B1 - 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일에 관한 것으로, 석션파일(10)의 선단 외부나 내부 둘레에 밀착하여 견고히 결합설치되고, 해저지반의 단단한 토층을 파쇄하기 위해 하단은 톱날(21)의 형태로 이루어진 선단 슈(20)와; 상기 선단 슈(20)의 몸체에 일정개수 천공되어 있는 일정길이의 사선방향 슬라이드공(22), 및 상기 슬라이드공(22)을 통해 석션파일(10) 선단의 일정한 높이에 고정시켜 선단 슈(20)를 석션파일(10) 선단에 결합설치할 수 있도록 하는 체결구(30)를 포함하되, 석션/인발펌프(40)를 이용하여 석션파일(10)의 관입과 인발의 반복에 의한 석션파일(10)의 상하 움직임에 의해, 체결구(30)로 석션파일(10)에 설치되어 있고 사선방향의 슬라이드공(22)이 형성된 선단 슈(20)가 그 자중으로 해저지반에 놓인 상태에서 상기 슬라이드공(22)의 횡변위 범위내에서 좌우로 진동하는 것을 특징으로 함으로써, 시공시 석션펌프와 함께 활용되어 단단한 토층의 해저지반에도 관입이 원활히 이루어질 수 있게 하여 석션파일의 적용성과 시공성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

관입용 선단 슈가 설치된 석션파일 {Suction pile with end shoe for driving}

본 발명은 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석션파일에 설치되고 시공시 석션펌프와 함께 활용되어 단단한 토층의 해저지반에도 관입이 원활히 이루어질 수 있게 하여 석션파일의 적용성과 시공성을 증대시킬 수 있는, 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일에 관한 것이다.

일반적으로 석션파일(Suction Pile)은 파일 내부의 물이나 공가와 같은 유체를 외부로 석션함으로써 발생된 파일 내부와 외부의 압력차를 이용하여 설치되는 파일을 말한다. 즉, 정수압 이하의 수압(석션)을 이용하고 해저지반뿐만 아니라 석션을 발생시킬 수 있는 수면 하의 지반에도 적용이 가능하며, 지반 표층에 자중에 의한 침설 및 관입시킨 기초 내측의 물을 펌프로 강제배수시킴으로써 석션을 발생시킨다. 한편, 석션파일은 버켓파일(Bucket Pile)이라고 불리기도 한다.

이러한 석션파일의 형상은 저판이 없는 원통형(반드시 원통형에 한정되지 않음)의 중공케이슨으로 석션을 가하기 용이하게 상단부는 밀폐되어 있다.

일반적으로 기초의 침설방법으로는 바라스트를 재하하는 방법, 진동?타격을 가하는 방법 및 워터젯을 사용하는 방법 등이 있지만, 석션파일에서는 석션펌프를 사용하여 발생시킨 파일 내외의 수압차를 이용하여 침설시키게 된다.

석션파일의 설치 방법을 간략히 설명하면, 석션파일을 해저면에 안착시키면 파일자중에 의하여 파일 하단부가 해저면에 일정 깊이까지 관입되게 되고, 이 상태에서 파일두부에 설치된 수중펌프와 같은 석션장치를 이용해서 파일 내부의 물을 외부로 배수시킴으로써 파일 내부의 압력이 저하되어 파일 내부와 외부의 압력차가 발생하게 된다. 이 때 석션파일은 구조상 수평방향으로는 힘이 평형 상태를 이루나 상하방향으로는 하부로 누르는 힘이 발생하게 되는데, 이 발생된 힘에 의하여 파일은 관입되게 된다. 파일관입을 방해하는 저항력은 파일 하단부의 선단지지력과 주면마찰력에 의하여 결정되며, 관입력이 저항력보다 크면 파일을 관입하게 된다. 석션파일의 관입 유도력은 파일 외부와 내부의 압력차와 파일 단면적, 즉 직경의 제곱에 비례하지만 저항력은 직경에 비례하므로 파일의 직경이 클수록 작은 압력차로도 설치가 가능하다.

도 1에 도시된 바와 같은 이러한 석션파일의 장점을 정리하면 다음과 같다.

첫째, 수심이 클수록 큰 석션압의 발생이 가능하고 파일의 상판면적이 클수록 큰 관입력을 기대할 수 있다.

둘째, 1함 당 1~2일의 단기간에 시공이 가능하며, 동시에 대규모 기초를 해저지반 속에 침설가능하여 시공성이 우수한 면이 있다.

셋째, 표층이 연약지반이고, 하층이 사질토로 된 토층구성인 경우에 다른 연약지반 개량공법에 비해 유리한 기초구조물이라고 할 수 있다.

넷째, 설치의 반대 개념 즉 물을 파일 내부로 주입하여 파일 내부에 양압력을 가하여 쉽게 인발할 수 있다. 따라서 기 시공된 석션파일을 인발하여 재시공할 수 있기 때문에 한번 만들어진 파일 구조물을 반복해서 사용할 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 석션파일은 연약한 지반에 적용성이 뛰어난 반면, 단점으로는 단단한 토층 또는 자갈층과 같이 투수계수가 큰 지반에는 관입이 어렵다는 점이다. 또한 이로 인해 석션펌프만을 활용할 경우에는 지층이 복잡한 경우에는 적용에 한계가 있었다. 이에 따라 석션파일의 적용성 및 시공성을 증대시키기 위해서는 단단한 토층에 관입되면서도 석션파일의 연직도를 확보할 수 있어야 하므로 이를 위한 석션파일에 장착되고 시공시 석션펌프와 함께 활용되어 석션파일을 관입시킬 수 있는 관입장치 개발이 요구되는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단단한 토층과 같이 투수계수가 큰 지반에의 석션파일의 관입 곤란성을 극복하기 위해 석션파일에 설치되고 시공시 석션펌프와 함께 활용되어 단단한 토층의 해저지반에도 관입이 원활히 이루어질 수 있게 하여 석션파일의 적용성과 시공성을 증대시킬 수 있는 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 석션파일의 선단 외부나 내부 둘레에 밀착하여 견고히 결합설치되고, 해저지반의 단단한 토층을 파쇄하기 위해 하단은 톱날의 형태로 이루어진 선단 슈와; 상기 선단 슈의 몸체에 일정개수 천공되어 있는 일정길이의 사선방향 슬라이드공, 및 상기 슬라이드공을 통해 석션파일 선단의 일정한 높이에 고정시켜 선단 슈를 석션파일 선단에 결합설치할 수 있도록 하는 체결구를 포함하되, 석션/인발펌프를 이용하여 석션파일의 관입과 인발의 반복에 의한 석션파일의 상하 움직임에 의해, 체결구로 석션파일에 설치되어 있고 사선방향의 슬라이드공이 형성된 선단 슈가 그 자중으로 해저지반에 놓인 상태에서 상기 슬라이드공의 횡변위 범위내에서 좌우로 진동하는 것을 그 기본 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 선단 슈를 2개 이상의 세그먼트로 분리 제작하여 석션파일의 선단에 각각의 선단 슈 세그먼트를 결합설치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 체결구와 슬라이드공 하단의 선단 슈에 각각 고리로 연결된 스프링이 추가로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 슬라이드공이 비스듬히 옆으로 누운 에스(S)자 형태일 수도 있고, 석션파일의 회전을 방지하고 반력확보를 위해 석션파일의 외주면의 길이방향으로 돌출 형성되고 석션파일과 일체로 설치되는 일정개수의 보강날개부가 추가로 구성될 수도 있다.

이상에서 살펴본, 본 발명인 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일은 단단한 토층과 같이 투수계수가 큰 지반에의 석션파일의 관입 곤란성을 극복하기 위해 석션파일에 설치되고 시공시 석션펌프와 함께 활용되어 단단한 토층의 해저지반에도 관입이 원활히 이루어질 수 있게 하여 석션파일의 적용성과 시공성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 종래의 석션파일의 관입/인발 메카니즘을 나타낸 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 사시도.
도 3 은 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 단면도.
도 4 는 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 관입과정을 나타낸 도면.
도 5 는 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 다른 실시예의 관입과정을 나타낸 도면.
도 6 은 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 또 다른 실시예의 관입과정을 나타낸 도면.
도 7 은 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 또 다른 실시예의 사시도.

상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 관입과정을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 다른 실시예의 관입과정을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 또 다른 실시예의 관입과정을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 선단 슈가 설치된 석션파일의 또 다른 실시예의 사시도이다.

석션파일의 관입에 있어 단단한 토층에서 석션파일의 관입 성능을 개선하기 위해서 기존에 고려된 방법으로는 석션파일의 직경을 증가시켜 석션압에 의해 가해지는 석션파일의 내부와 외부의 압력차를 크게 하는 방법과 석션파일의 벽체 두께를 줄이거나 선단을 쐐기 모양의 에지로 형성하여 관입시 선단에서의 저항력을 감소시키는 방법이 있으나, 상기 방법에서 전자의 방법은 기초의 지지력이 확보되었음에도 과다하게 기초를 크게 제작해야 하므로 제작비용증가 등의 비경제적 요인이 발생할 수 있으며, 후자의 방법도 관입 효과를 증가시키는 데에는 한계가 있다.

이에 본 발명은 석션파일이 관입중 단단한 토층을 만나더라도 효과적으로 관입할 수 있어 석션파일의 적용성과 시공성을 높일 수 있는 관입장치가 부착되는 것으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 석션파일(10)의 선단에 결합설치되는 슈(20, 이하 '선단 슈'라 함)는 석션파일(10)의 선단 외부나 내부 둘레에 밀착하여 견고히 결합되어야 하므로 그 횡단면의 형상이 석션파일(10)의 횡단면의 형상과 동일하고 해저지반의 단단한 토층을 파쇄하기 위해 선단 슈(20)의 하단은 톱날(21)의 형태로 이루어지며, 그 재질은 강성이 큰 금속재로 제작함이 바람직하다.

이러한 선단 슈(20)는 일체형으로 제작설치될 수도 있으나 제작과 결합의 편의를 위해 선단 슈(20)를 2개 이상의 세그먼트로 분리 제작하여 석션파일(10)의 선단에 각각의 선단 슈(20) 세그먼트를 결합설치할 수도 있다.

또한, 선단 슈(20)의 몸체에는 일정길이의 사선방향 슬라이드공(22)이 일정개수 천공되어 있고, 상기 슬라이드공(22)을 통해 석션파일(10) 선단의 일정한 높이에 머리부(31)가 있는 봉형태의 체결구(30)를 고정시킨다. 이 때, 상기 체결구(30)에 나사산을 형성시키고 석션파일(10) 선단의 일정한 높이에 나사홈을 미리 천공하여 결합시킬 수도 있고 체결구(30)를 직접 석션파일(10) 선단의 일정한 높이에 항타하여 고정시킬 수도 있다.

따라서, 상기 체결구(30)의 머리부(31)는 슬라이드공(22)의 폭보다 더 크게 제작함으로써 상기 체결구(30)가 슬라이드공(22)을 통해 석션파일(10)에 고정되었을 때 선단 슈(20)는 석션파일(10) 선단에 결합설치되게 되는 것이다.

바람직하게는, 본 발명의 석션파일(10)이 해저지반의 단단한 토층에 효과적으로 관입되기 위해 선단 슈(20)의 하단 톱날(21)의 피치수는 슬라이드공(22)의 횡변위 안에 2개 이상이 형성될 수 있도록 선단 슈(20)를 제작한다.

상기와 같은 선단 슈(20)가 설치된 석션파일(10)을 관입함에 있어 석션펌프와 인발펌프(40)를 일정간격의 시차로 교대로 작동시키면, 석션펌프 작동시 파일 내부의 물을 외부로 배수시켜 파일 내부와 외부의 압력차로 인해 석션파일(10)이 관입하게 되고, 인발펌프 작동시 물을 파일 내부로 주입하여 파일 내부에 양압력을 가하여 석션파일(10)을 인발하게 되므로, 석션파일(10)의 회전이나 뒤틀림없이 연직도를 확보하면서 관입과 인발을 반복하게 되면 석션파일(10)의 상하 움직임에 의해, 체결구(30)로 석션파일(10)에 설치되어 있고 사선방향의 슬라이드공(22)이 형성된 선단 슈(20)는 그 자중으로 해저지반에 놓인 상태에서 별도의 동력원없이 석션파일(10)의 관입과 인발의 반복에 의해서만 상기 슬라이드공(22)의 횡변위 범위내에서 좌우로 진동하게 된다.

따라서, 이러한 선단 슈(20)의 좌우 진동을 통해 선단 슈(20)의 톱날(21)이 해저지반의 단단한 토층을 교란 파쇄시켜 단단한 토층의 저항력을 감소시키고 결과적으로 석션파일(10)의 관입이 원활히 이루어질 수 있는 것이다.

여기서 사용되는 석션펌프와 인발펌프(40)는 석션파일(10) 상판의 배수구/주입구(11)에 직접 설치되는 수중 펌프일 수도 있고, 호스를 통해 석션파일 상판의 배수구/주입구(11)와 연결하여 해상의 바지선 등에 설치할 수도 있으며, 상기 석션펌프와 인발펌프(40)는 원심펌프의 임펠러를 정회전 또는 역회전시켜 물을 파일 외부로 석션하거나 파일 내부로 주입하는 기능을 겸하는 하나의 펌프일 수도 있고, 물을 파일 외부로 석션할 때의 석션펌프와 파일 내부로 주입할 때의 인발펌프를 각각 별도로 설치할 수도 있는데, 별도의 펌프를 설치할 때는 석션파일(10) 상판의 배수구와 주입구(11)도 별도로 형성되어 있어야 할 것이다.

한편, 석션펌프와 인발펌프의 설치 및 배수구와 주입구의 구성은 공지되어 있으므로 구체적인 설명은 생략할 뿐만 아니라, 본 발명의 도면에서 석션펌프와 인발펌프(40)의 도면 부호는 하나로 통일하였고, 배수구와 주입구(11)의 도면 부호도 하나로 통일하였다.

더불어, 본 발명에서 선단 슈(20)의 다른 실시예로 도 5에 도시된 바와 같이, 스프링(23)을 체결구(30)와 슬라이드공(22) 하단의 선단 슈(20)에 각각 고리로 연결하여 석션파일(10)의 관입과 인발의 반복과정에서 관입시 스프링(23)은 압축되고 인발시 스프링(23)은 탄성에 의해 복원되면서 선단 슈(20)의 효율적인 좌우 진동이 이루어질 수 있다.

나아가, 본 발명에서 선단 슈(20)의 또 다른 실시예로 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 슬라이드공(24)은 비스듬히 옆으로 누운 에스(S)자 형태일 수도 있는데, 이러한 형태의 슬라이드공(24)이 형성된 선단 슈(20)는 석션파일(10)의 상하 움직임에 의한 선단 슈(20)의 좌우 진동시 비스듬히 옆으로 누운 에스(S)자 양단부의 상대적으로 급격한 경사로 인해 선단 슈(20)의 좌우 진동의 강도가 극대화될 수 있는 효과가 발생한다.

또한, 본 발명에서 선단 슈(20)의 또 다른 실시예로 도 7에 도시된 바와 같이, 석션파일(10)이 해저지반 내로 관입되는 과정에서 뒤틀림현상이 발생될 수 있는데 이를 방지하고, 선단 슈(20)의 좌우 진동을 위한 석션파일(10)의 관입과 인발의 반복과정에서 석션파일(10)의 회전을 방지하고 반력확보를 위해 석션파일(10)의 외주면의 길이방향으로 돌출 형성된 일정개수의 보강날개부(12)를 석션파일(10)과 일체로 등간격으로 설치할 수 있다.

이러한 본 발명인 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일의 관입과정을 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

우선, 석션펌프(40)를 이용해서 석션파일(10) 내부의 물을 외부로 배수시키면 석션파일(10) 내부와 외부의 압력차가 발생하게 되고 이로 인하여 석션파일(10)이 해저지반으로 관입하게 된다. 이 때 석션파일(10) 상판에 크레인과 같은 투입장비(도시하지 않음)와의 연결을 위한 다수의 와이어(13)가 설치되고, 석션파일(10)의 수평상태를 유지시키기 위한 조금구(도시하지 않음)가 사용될 수 있다.

다음으로, 상기와 같은 관입과정 중 석션파일(10)의 선단이 단단한 토층을 만나게 되면 석션펌프와 인발펌프(40)를 일정간격의 시차로 교대로 작동시키게 되는데, 석션펌프 작동시 파일 내부의 물을 외부로 배수시켜 파일 내부와 외부의 압력차로 인해 석션파일(10)이 회전없이 관입하게 되고, 슬라이드공(22)을 통해 석션파일(10)에 고정된 체결구(30)가 사선방향의 슬라이드공(22)의 하단부로 슬라이드됨과 동시에 선단 슈(20)는 좌 또는 우로 진동하면서 해저지반의 단단한 토층을 파쇄시키게 된다.

그 다음으로, 석션펌프 작동 후 일정간격의 시차를 가지고 인발펌프를 작동시키게 되면 물을 파일 내부로 주입하여 파일 내부에 양압력을 가하여 석션파일(10)을 회전없이 인발하게 되므로, 체결구(30)가 사선방향의 슬라이드공(22)의 상단부로 슬라이드됨과 동시에 선단 슈(20)는 상기 석션펌프의 작동시와 반대방향인 우 또는 좌로 진동하면서 해저지반의 단단한 토층을 또한 파쇄시키게 된다.

즉, 석션파일(10)의 회전이나 뒤틀림없이 연직도를 확보하면서 상기 관입과 인발을 반복하게 되면 석션파일(10)의 상하 움직임에 의해, 체결구(30)로 고정되어 있고 사선방향의 슬라이드공(22)이 형성된 선단 슈(20)는 그 자중으로 해저지반에 놓인 상태에서 별도의 동력원없이 석션파일(10)의 관입과 인발의 반복에 의해서만 상기 슬라이드공(22)의 횡변위 범위내에서 좌우로 진동하여 단단한 토층을 파쇄시켜 결과적으로 석션파일(10)이 원활하게 관입하도록 한다.

한편 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기와 동일한 관입과정으로 이루어지되, 스프링(23)을 체결구(30)와 슬라이드공(22) 하단의 선단 슈(20)에 각각 고리로 연결함으로써 석션파일(10)의 관입과 인발의 반복과정에서 관입시 스프링(23)은 압축되고 인발시 스프링(23)은 탄성에 의해 복원되면서 선단 슈(20)의 효율적인 좌우 진동이 이루어질 수 있도록 할 수 있고, 또한 상기 슬라이드공(24)을 비스듬히 옆으로 누운 에스(S)자로 형성시켜 석션파일(10)의 상하 움직임에 의한 선단 슈(20)의 좌우 진동시 비스듬히 옆으로 누운 에스(S)자 양단부의 상대적으로 급격한 경사로 인해 선단 슈(20)의 좌우 진동의 강도가 극대화되게 할 수도 있다.

상기에서는 본 발명에 대한 특정의 바람직한 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 요지를 벗어남이 없이 다양하게 변경시킬 수 있을 것이다.

10: 석션파일 11: 배수구/주입구
12: 보강날개부 13: 와이어
20: 선단 슈 21: 톱날
22,24: 슬라이드공 23: 스프링
30: 체결구 31: 머리부
40: 석션/인발 펌프

Claims (5)

1. 석션파일(10)의 선단 외부나 내부 둘레에 밀착하여 견고히 결합설치되고, 해저지반의 단단한 토층을 파쇄하기 위해 하단은 톱날(21)의 형태로 이루어진 선단 슈(20)와;
   상기 선단 슈(20)의 몸체에 일정개수 천공되어 있는 일정길이의 사선방향 슬라이드공(22), 및
   상기 슬라이드공(22)을 통해 석션파일(10) 선단의 일정한 높이에 고정시켜 선단 슈(20)를 석션파일(10) 선단에 결합설치할 수 있도록 하는 체결구(30)를 포함하되,
   석션/인발펌프(40)를 이용하여 석션파일(10)의 관입과 인발의 반복에 의한 석션파일(10)의 상하 움직임에 의해, 체결구(30)로 석션파일(10)에 설치되어 있고 사선방향의 슬라이드공(22)이 형성된 선단 슈(20)가 그 자중으로 해저지반에 놓인 상태에서 상기 슬라이드공(22)의 횡변위 범위내에서 좌우로 진동하는 것을 특징으로 하는 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 선단 슈(20)를 2개 이상의 세그먼트로 분리 제작하여 석션파일(10)의 선단에 각각의 선단 슈(20) 세그먼트를 결합설치하는 것을 특징으로 하는 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 체결구(30)와 슬라이드공(22) 하단의 선단 슈(20)에 각각 고리로 연결된 스프링(23)이 추가로 구성되어 석션파일(10)의 관입과 인발의 반복과정에서 관입시 스프링(23)은 압축되고 인발시 스프링(23)은 탄성에 의해 복원되면서 선단 슈(20)의 효율적인 좌우 진동을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬라이드공은 비스듬히 옆으로 누운 에스(S)자 형태인 것을 특징으로 하는 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   석션파일(10)의 회전을 방지하고 반력확보를 위해 석션파일(10)의 외주면의 길이방향으로 돌출 형성되고 석션파일(10)과 일체로 설치되는 일정개수의 보강날개부(12)가 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 관입용 선단 슈가 설치된 석션파일.

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