KR101408054B1 - 씌움형 복합말뚝의 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설구조물 기초형식 중 말뚝에 관한 것으로서, 상세하게는 요즘 통용되는 소위 복합말뚝을 보다 개선하기 위한 기술이다.
일반적인 시공방법에 의해 1차말뚝(예: PHC말뚝)을 삽입하여 수직지지력을 확보한 뒤, 부족한 수평력에 대하여는 1차말뚝의 윗 구간을 감쌀 수 있도록 씌움형말뚝(2차말뚝)을 추가로 삽입하는 기술이다.
이렇게 함으로서 1차말뚝이 받는 수평저항력과 상관없이 씌움형말뚝을 통해 필요한 수평저항력을 충분히 얻을 수 있다.

Description

씌움형 복합말뚝의 시공방법{Construction Method of Cover Type Hybrid Pile}

본 발명은 건설구조물 기초형식중 말뚝에 관한 것으로서, 상세하게는 요즘 통용되는 소위 복합말뚝을 보다 개선하기 위한 것이다. 복합말뚝은 수직력에 강한 콘크리트말뚝(예: PHC말뚝)과 수평력에 강한 강관말뚝을 조합하여 만든 말뚝으로 강관대비 경제적이어서 종종 사용되고 있다.

도1은 PHC말뚝과 강관말뚝을 연결시킨 기존의 복합말뚝을 나타낸다.

건설구조물 공사시 기초공사비는 매우 큰 편인데, 이중 기초지반이 연약할 경우 말뚝기초를 사용하게 되며, 이때 사용하는 말뚝 본수에 따라 공사비는 크게 달라진다. 이런 이유로 가격이 상대적으로 저렴한(강관말뚝 대비) PHC말뚝이 많이 사용되고 있다.

하지만, PHC말뚝은 재질이 콘크리트이므로, 수직력에 대한 저항성은 크지만, 수평력이 큰 구조물일 경우 수평저항력에 대한 한계성으로 인하여, 수직력은 충분히 받을수 있는 말뚝임에도 불구하고, 가끔 수평력에 의해 말뚝 본수가 결정되는 경우가 있다.

이럴 경우, 이의 해결방안으로 PHC말뚝 사용본수를 증가시키거나, 말뚝 전체를 가격이 비싼 강관말뚝으로 대체하여 시공하게 된다. 또는 요즘 통용되고 있는 복합말뚝(말뚝의 위쪽은 강관, 아래쪽은 PHC를 사용하여, 수평력이 큰 위쪽은 강관이 저항하고, 수직력 영향만을 받는 아래쪽은 PHC가 저항토록 한 것으로, 보통 강관말뚝과 PHC말뚝을 연결하여 시공하게 된다.

이와같이 기성말뚝은 보통 상기의 세가지가 대표적인데, PHC말뚝은 가격은 저렴하지만 수평저항력이 다소 부족할 수 있고, 강관말뚝은 수평력은 강하나 가격이 비싸다는 단점이 있다.

이런 이유로 강관과 PHC를 적절히 조합하고, 강관대비 가격도 저렴한 복합말뚝이 종종 사용되고 있다.

이상의 배경기술 설명은 그 대비가 쉬운 콘크리트말뚝과 강관말뚝을 비교 설명하였으나, 말뚝에 작용하는 수평력은 어차피 말뚝의 윗부분이 받아줘야 되므로, 결국 수평력이 큰 경우에는 말뚝의 종류와 상관없이 그 배경기술이 본 발명의 배경기술과 같음을 언급한다.

수평력이 큰 경우, PHC말뚝의 단면을 수직력 이상으로 키워 사용하는 경우도 있는데, 이 또한 상기 내용과 그 배경이 같다고 봐야 할 것이다.

상기와 같이 복합말뚝이 가진 장점이 분명히 있지만, 다음의 문제점도 동시에 갖고 있다.

첫째, PHC와 강관의 조립을 위한 연결장치 그리고 일부구간이지만 강관의 사용두께(강재물량) 등으로 PHC대비 여전히 높은 가격이며,

둘째, 같은 기초내에서도 땅속 기반암의 깊이 차이 때문에, 항타 완료 뒤 들쭉날쭉한 말뚝 상단의 높이를 맞추기 위하여 시공자는 강관의 윗부분을 잘라내게 된다. 이렇게 되면 수평력에 저항토록 설계시 검토한 말뚝길이(수평력 저항구간)를 충족치 못하는 문제가 발생할 수 있으며, 잘린 강관은 재사용이 곤란하여 말뚝공사비용의 증가 원인이 된다.

셋째, 또한 이와같이 강관 상단부를 절단하게 되므로 별도의 말뚝두부보강 공정이 필요하다는 단점이 있다.

그리고 부수적으로는 수직력이 다소 부족한 경우에도 본 발명의 씌움형말뚝을 사용하면, 단면둘레 증가로 인한 추가 마찰력이 생기고, 직접적인 지지층은 아니지만 단면적의 증가로 인하여 씌움형말뚝의 선단부에서 추가 지지력의 효과도 기대된다.

기존 복합말뚝(PHC말뚝 + 강관말뚝)의 사용목적 대비 본 발명을 설명하는것이 이해가 쉬우므로, PHC말뚝과 강관말뚝 위주로 본 발명을 설명하고자 한다.

본 발명은 복합말뚝의 목적은 그대로 수용하되, 연결장치를 없애고, 자투리 강관 절단 작업을 없애 꼭 필요한 강재량만 사용하고, 수평력을 받는 구간에만 정확히 강관을 도입하되 기존 기성말뚝대비 받을 수 있는 수평력을 극대화시키고, 기존 기성말뚝대비 현장에서 발생되는 말뚝두부보강 작업을 최소화함으로써, 기성PHC말뚝을 그대로 활용하면서도 시공성 특히, 기존 기성말뚝 대비 경제성을 최대한 향상시켰다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 먼저 1차로 1차말뚝(PHC, 1)을 삽입 완료한 뒤 말뚝두부를 절단한다. 그리고 그 위에 다시 삽입에 용이한 선단슈(13)가 부착되고, 말뚝두부보강판(12)이 장착된 씌움형말뚝(강관, 10)을 2차로 가볍게 타입한다. 그리고 씌움형말뚝(10)과 1차말뚝(1)과의 충분한 합성단면작용을 위하여 씌움형말뚝(10)과 1차말뚝(1)의 틈 사이에 채움재인 무수축몰탈 등을 투입한다. 상기와 같이 1차말뚝과 씌움형말뚝을 일체화시킴으로서 기존 복합말뚝 대비 강관(11)의 두께를 줄일 수 있는 장점이 있다.

상기와 같이 꼭 PHC말뚝과 강관말뚝의 조합이 아닌 경우라도, 즉, 말뚝의 재료 종류와 상관없이 수직력은 받을 수 있으면서도 수평력이 부족한 말뚝의 경우에는 본 발명을 적용할 수 있다.

예를 들면, 수직력 대비 수평저항력이 부족하여 말뚝의 단면을 키워서 사용하고자 할 경우, 그리고 강관말뚝이라도 더욱 큰 수평저항력을 필요로 하는 경우에, 경제적으로 적절한 재료를 선택하여 씌움형말뚝으로 사용할 수 있다.

따라서 본 발명은 다음과 같이 용어를 정의한다.

삽입(또는 항타)은 말뚝을 지반에 집어넣는 의미로 쓰였으므로, 여기서 삽입과 항타의 용어구분은 의미가 없다.

1차말뚝이란 먼저 삽입하는 말뚝으로서 RC말뚝, PC말뚝, PHC말뚝, 강관말뚝 등을 총칭한다.

그리고 씌움형말뚝이란 1차말뚝 삽입 후 추가로 삽입하는 말뚝으로서, 상기 1차말뚝의 재료를 모두 사용할 수 있는데, 여건에 따라 1차말뚝과 씌움형말뚝의 재료는 같은재료 또는 다른재료를 조합하여 사용할 수 있다.

따라서 여기서 나타내는 씌움형(복합)말뚝이란 재료와 상관없이 단면의 크기가 서로 다른 두개의 말뚝을 함께 사용하는 것을 의미한다.

다음은 특수한 경우에 한하여 씌움형말뚝이 사용가능함을 언급한다.

말뚝을 직접 두드려 박지 않고, 장비로 프리보링 후 말뚝을 삽입하는 경우, 상기의 시공순서로도 시공이 가능하지만, 이하의 공법으로도 시공이 가능함을 밝힌다. 즉, 프리보링 후 1차말뚝을 삽입하기 전, 보통은 공벽유지용으로 강관을 집어넣은 뒤, 1차말뚝을 삽입하고 나면 강관을 빼내게 되는데, 이때 강관을 빼내지 말고 그 강관을 씌움형말뚝으로 대체하여 사용할 수도 있다. 물론 이런 경우 씌움형말뚝의 종류는 강관으로 제한된다.

본 발명은 현장에서 말뚝 삽입 뒤, 씌움형말뚝(강관)을 자를 필요가 전혀 없고, 씌움형말뚝(강관)과 1차말뚝(PHC)과와의 일체화로 강관두께를 얇게 할 수 있으므로, 강재 사용량 최소화로 경제성이 높으며, 수평력을 받는 구간에만 정확히 씌움형말뚝(강관)을 도입할 수 있으므로 설계도면대로 시공이 가능하고, 날개 달린 씌움형말뚝(강관)의 경우 수평저항력은 더욱 커지므로, 말뚝 본수를 줄임과 동시에 더욱 경제적인 시공이 가능하다.

또한 상기의 재료조합이 아닐 경우에도 1차말뚝 삽입 뒤, 추가로 씌움형말뚝을 삽입하면, 1차말뚝에 의한 지지력은 확보하면서도 씌움형말뚝에 의해 원하는 수평력을 확보할 수 있으므로, 말뚝의 재료에 상관없이 경제적인 시공이 가능하다.

특히 교대에서와 같이 수평력이 큰 경우에 본 발명은 매우 효과적이다.

도1는 기존 복합말뚝 사시도
도2는 씌움형말뚝(강관) 사시도
도3은 설치된 씌움형말뚝(강관) 상세도
도4는 날개 달린 씌움형말뚝(상관) 사시도
도5는 씌움형말뚝(PHC) 사시도
도6은 설치된 씌움형말뚝(PHC) 상세도
도7은 확대기초 결합용 철근 사시도
도8은 덮개형 강재 두부보강판 사시도
도9는 설치된 씌움형말뚝 전체도
도10은 씌움형말뚝 시공 순서도

구체적인 내용설명은 대표적인 말뚝을 기준으로 설명하고, 나머지 종류의 말뚝은 간단히 설명코자 한다.

먼저 발명의 실시를 위한 대표적인 말뚝으로 1차말뚝은 PHC말뚝을 씌움형말뚝은 강관말뚝을 선정하였으며, 이하 첨부도면을 참조하여 그 실시예를 설명한다.

도9는 본 발명이 제안하는 완성된 전체도면으로, 도9(a)는 씌움형말뚝(10, 20)을 사용한 말뚝이고, 도9(b)는 날개 달린 씌움형말뚝(30)을 사용한 말뚝이다.

도10은 시공순서도이다. (a)~(c) 일반적인 시공방법으로 1차말뚝(1)을 삽입하고, 말뚝두부를 정리한다. (d)~(f) 기 제작된 씌움형말뚝을 거치, 삽입 완료한다. (g)~(h) 확대기초와의 결합 등을 위한 내부 및 외부철근망을 삽입하고, 몰탈 및 콘크리트를 타설한다.

도2는 씌움형말뚝(10)의 삽입 전 사시도이고, 도3은 설치가 끝난 씌움형말뚝의 상세도이다.

말뚝이 주기능인 수직력외에 수평력까지 받기 위해서는, 말뚝위쪽구간에 수평저항력이 큰 강관이 주로 쓰이게 된다. 일반적인 복합말뚝의 경우 말뚝위쪽구간에 있는 강관이 수평력에 저항하게 되는데, 이 강관은 항타시 수직력을 받아줘야 되고 공사완료 뒤에는 상시 수직하중도 받아줘야 되므로, 결국 수평력과 수직력을 동시에 받는 구조가 되어, 강관의 두께가 증가하고 따라서 재료비 증가를 가져온다.

하지만 본 발명은 삽입된 1차말뚝(1)을 말뚝위쪽구간까지 그대로 사용하므로서, 수직력은 1차말뚝(1)이 부담하고, 부족한 수평력은 이후 추가로 삽입한 씌움형말뚝(10)이 1차말뚝(1)과의 합성작용에 의해 수평력에 저항할 수 있는 구조로 되어있다. 특히 씌움형말뚝(10) 타입시에는 1차말뚝(1) 주변의 흙이 이미 흐트러져 있는 상태이므로, 가벼운 항타로도 손쉽게 씌움형말뚝(10)을 삽입할 수 있게 된다.

그리고 씌움형말뚝의 강관(11)의 강재량을 추가로 줄이기 위하여 즉, 더욱 경제적인 시공을 위하여 강관(11)에 변단면을 도입할 수 있다. 다시 말해서 최대수평력이 발생하는 위치를 제외한 구간(즉, 보다 작은 수평력이 작용하는 구간)에는 두께가 서로 다른 강관을 용접하여 이어 붙여서 씌움형말뚝을 제작할 수 있다.

그리고 씌움형말뚝(10) 항타시 1차말뚝(1)과 씌움형말뚝(10) 틈 사이로 유입되는 흙을 막아주고 말뚝의 삽입이 수월할 수 있도록 강관(11) 선단부에 선단슈(13)를 부착하고, 삽입시 씌움형말뚝의 수직도를 유지하기 위하여 강관(11) 안쪽에 다수개의 가이드 부재(14)를 부착하며, 삽입 완료 뒤에는 씌움형말뚝(10)과 1차말뚝(1)의 합성작용을 위하여 틈 사이는 투입구(151)를 통하여 무수축몰탈(50) 등을 채우게 된다.

또한 기존 복합말뚝의 경우, 강관과 PHC말뚝을 연결하기위하여 연결장치를 사용하는데, 본 발명은 기 삽입된 말뚝(1)위에 씌움형말뚝(10)을 씌워주게 되므로, 연결장치가 필요 없는 것이 특징이다.

그리고 기존 기성말뚝의 경우 삽입 완료 뒤, 보이지 않는 땅속 기반암의 높이 차이로 말미암아 지반위에 남은 말뚝상단을 확대기초 하면높이에 맞춰 절단하게 되는데, 이때 두가지 재료를 이어 붙여서 만든 복합말뚝의 경우, 수평력에 저항해야하는 말뚝상단의 강관 일부를 절단해야 하므로, 설계자 의도대로 시공하는 것이 쉽지 않은 면이 있었다.

하지만 본 발명은 먼저 1차말뚝(1)을 기존 시공방법과 동일하게 삽입 완료하여 지지력을 확보한 뒤, 1차로 두부정리를 끝낸다. 여기까지는 기존 말뚝시공방법과 같지만, 그런 연후에 수평력에 대하여 설계자 의도대로 정확히 말뚝위쪽구간 길이만큼 제작된 씌움형말뚝(10)을 현장에서 그대로 삽입만 함으로써, 시공을 완료하는것이 특징이다..

그리고 말뚝두부보강은 씌움형말뚝(10) 제작시 말뚝머리에 두부보강판(12)을 미리 용접 제작함으로서 현장에서는 별도의 두부보강작업이 필요 없도록 하였다.

또한, 씌움형말뚝과 확대기초의 결합부분은 내외부철근으로 구분하여 적용하였는데, 도7에서 내부철근망(60)은 1차말뚝(1) 안에 넣고 속채움콘크리트(51)로 타설하며, 외부철근망(70)은 두부보강판(12)의 삽입구(15)에 끼워 넣고 무수축몰탈(50) 등을 주입하는데, 이 무수축몰탈은 1차말뚝과 씌움형말뚝과의 합성작용에도 기여한다. 도7의 내부철근망(60)은 수직철근(61), 띠철근(62), 스토퍼철근(63) 그리고 속채움콘크리트 막음판(64)으로 구성되며, 외부철근망(70)은 수직철근(71), 띠철근(72), 스토퍼철근(73)으로 구성되는데, 사전에 철근망으로 제작되어 설치되며, 스토퍼철근(63, 73)은 내외부철근망(60, 70)이 각각 아래로 빠지는 것을 막아주기 위한 것이다.

도4의 날개달린 씌움형말뚝(30)은 강관(11)주위에 날개(37)를 용접한 것으로서, 수평저항력을 보다 향상시킨 것이다. 특히 수평력이 크게 작용하는 기초에 그 적용성이 좋으며, 설계시 편토압에 의한 수평력의 방향을 예측할 수 있으므로, 이의 직각방향으로 도4와 같이 일부만 날개(37)를 부착하는것이 좋다.

도8은 앞에서 설명한 것처럼 씌움형말뚝에 두부보강판을 미리 제작하지 않고, 현장에서 간단히 조립만하여 사용할 수 있게 만든 그림이다.

씌움형말뚝은 상단부 측면에 구멍을 내어 제작하고, 덮개형 강재 두부보강판 역시 측면에 구멍을 뚫어 제작한다. 그리고 현장에서는 씌움형말뚝 삽입 완료 뒤, 볼트로 간단히 조립만 함으로서 씌움형말뚝의 두부를 보강할 수 있도록 하였다.

말뚝은 구조물기초공사에서 그 비용이 큰 비중을 차지한다. 말뚝길이 15m를 기준으로 말뚝가격을 상대비교해 본다면, 본당 강관말뚝이 100원이라 가정할 때, 복합말뚝은 약75원, 본 발명은 약50원 이하, PHC말뚝은 약35원으로 추정된다.

다음은 씌움형말뚝의 다른 한 예로서 1차말뚝과 씌움형말뚝이 재료가 같은 경우를 예를 들어 간단히 설명한다.

도5, 도6의 실시예는 1차말뚝(1)으로 PHC말뚝을 그리고 씌움형말뚝(20)으로 역시 PHC말뚝을 나타내고 있다.

부족한 수평력을 보완하기위하여, 재료는 같지만 1차말뚝(1)보다 단면이 큰 씌움형말뚝(20)을 사용하였다.

이 경우 PHC로 된 씌움형말뚝(20)은 공장제작시 그 길이가 구분되어 생산되는 것이 바람직하다.

두부보강판(22)과 선단슈(23)는 PHC 공장제작시 가능한 매입되어 생산되는 것이 바람직하며, 씌움형말뚝(20) 삽입시 수직도 유지를 위한 가이드(24) 역시 상기 공장제작시 사전에 PHC말뚝 내부에 있는 철근과 용접하여 고정시킨 뒤 PHC말뚝(씌움형말뚝)을 제작하는것이 바람직하다.

그 외는 상기에서 설명한 씌움형말뚝(10)과 동일하므로 추가 설명은 생략한다.

이상과 같이 본 발명은 시공성, 특히 경제성에서 우수하므로, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

1 - 1차말뚝(PHC)
10 - 씌움형말뚝(강관)
12 - 말뚝 두부보강판
13 - 선단슈
14 - 가이드
20 - 씌움형말뚝(PHC)

Claims (13)

1. 구조물 기초로 쓰이는 씌움형 복합말뚝의 시공방법으로서,
   1차 말뚝의 지지력이 발현될 때까지 1차 말뚝을 지반에 삽입한 후, 지면위에 남아 있는 1차 말뚝의 두부를 정리하는 단계;
   두부가 정리된 상기 1차 말뚝에서, 상단으로부터 아래로 수평저항을 받는 구간을 고려하여 정해진 길이를 가지며 상기 1차 말뚝의 단면크기보다 중공내부단면이 더 큰 중공형의 씌움형 말뚝을 제작하는 단계; 및
   제작된 상기 씌움형 말뚝이 상기 1차 말뚝을 감쌀 수 있도록, 상기 1차 말뚝 위에서 상기 씌움형 말뚝 내에 상기 1차 말뚝을 삽입하여 상기 씌움형 말뚝을 지반에 관입하는 단계를 포함하며;
   상기 씌움형 말뚝을 제작하는 단계에서는, 확대기초와의 간편하게 결합하게 하며 현장에서 추가적인 두부보강작업이 필요 없도록 하기 위하여, 상기 씌움형 말뚝 상단에 두부보강판을 미리 추가적으로 설치해놓으며;
   확대기초와 상기 씌움형 말뚝과의 결합을 위하여 상기 두부보강판에 철근도 삽입할 수 있도록 함과 동시에, 상기 1차 말뚝과 상기 씌움형 말뚝과의 단면상 틈새에 채움재가 채워질 수 있도록 하기 위하여, 상기 두부보강판의 가장자리에는 다수개의 구멍이 형성되어 있으며;
   확대기초와 상기 1차 말뚝의 결합을 위하여 상기 두부보강판의 중앙에는 철근 삽입과 속채움 콘크리트의 채움을 위한 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 씌움형 복합말뚝의 시공방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 씌움형 말뚝 내에 상기 1차 말뚝을 삽입하여 상기 씌움형 말뚝을 지반에 관입한 후, 말뚝과 확대기초와의 결합을 위하여, 1차 말뚝의 내부에 내부철근망을 삽입하고 속채움 콘크리트를 타설하고; 상기 1차 말뚝과 상기 씌움형 말뚝과의 틈 사이에 외부철근망을 삽입하고 채움재를 타설하는 것을 특징으로 하는 씌움형 복합말뚝의 시공방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 씌움형 말뚝 내에 상기 1차 말뚝을 삽입하여 상기 씌움형 말뚝을 지반에 관입할 때, 1차 말뚝과 일정한 공간을 유지함과 동시에 수직도를 유지시켜주도록 상기 씌움형 말뚝의 내부에 다수개의 가이드를 설치하는 것을 특징으로 하는 씌움형 복합말뚝의 시공방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 씌움형 말뚝 내에 상기 1차 말뚝을 삽입하여 상기 씌움형 말뚝을 지반에 관입할 때, 상기 1차 말뚝과 상기 씌움형 말뚝의 틈 사이로의 흙의 유입을 막고 씌움형 말뚝의 삽입이 수월하도록, 상기 씌움형 말뚝의 선단부에 선단슈를 부착하는 것을 특징으로 하는 씌움형 복합말뚝의 시공방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   말뚝의 수평저항력을 더욱 키우기 위하여, 상기 씌움형 말뚝을 제작할 때, 씌움형 말뚝의 단면 둘레에 수직으로 날개를 붙는 것을 특징으로 하는 씌움형 복합말뚝의 시공방법.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 씌움형 말뚝은 두께가 서로 다른 강관을 용접하여 이어 붙여 만든 강관으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 씌움형 복합말뚝의 시공방법.
   
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11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 씌움형 말뚝을 제작할 때, 사전에 상기 씌움형 말뚝의 상단부 둘레의 측면에 볼트구멍을 형성하고, 측면에 구멍이 형성되도록 사전에 제작된 덮개형 강재 두부보강판을 상기 씌움형 말뚝의 상단부에 씌워서, 상기 씌움형 말뚝의 상단부 둘레의 측면에 형성된 볼트구멍과 상기 덮개형 강재 두부보강판의 측면에 형성된 구멍에 볼트를 체결하여 결합하는 작업을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 씌움형 복합말뚝의 시공방법.
13. 삭제

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