KR101425879B1 - 좌굴 방지 구조의 헬리컬 파일 및 그 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파일본체의 선단부에 회전날개가 구비되어 있어 파일본체가 회전하게 되면 회전날개의 꼬여있는 형상으로 인하여 선단부가 지반에 관입되어 지중에 설치됨으로써 지상으로부터의 하중을 지지하는 헬리컬 파일(helical pile)에 상재하중이 재하되었을 때, 이러한 상재하중으로 인한 파일본체의 좌굴(buckling)을 방지함과 동시에 헬리컬 파일의 주면마찰력 및 선단지지력을 향상시키는 구성을 가지는 헬리컬 파일과 그 시공방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 선단부가 지중을 향하도록 헬리컬 파일을 연직하게 배치하는 단계; 모터에 의해 파일본체를 회전시켜, 파일본체와, 그 외부에 구비된 외부케이싱이 함께 회전하도록 함으로써, 상기 선단부가 지반으로 관입되도록 하여 상기 파일본체와 외부케이싱을 지중에 설치하는 단계; 및 외부케이싱과 파일본체 사이의 간격에 콘크리트를 타설하여 좌굴보강체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일의 시공방법이 제공된다.

Description

좌굴 방지 구조의 헬리컬 파일 및 그 시공방법{Helical Pile having Structure for Preventing Buckling, and Constructing Method thereof}

본 발명은 파일본체의 선단부에 회전날개가 구비되어 있어 파일본체가 회전하게 되면 회전날개의 꼬여있는 형상으로 인하여 선단부가 지반에 관입되어 지중에 설치됨으로써 지상의 건축물이나 토목구조물로부터의 하중을 지지하는 헬리컬 파일(helical pile)에 관한 것으로서, 구체적으로는 상재하중 재하로 인한 헬리컬 파일의 좌굴(buckling)을 방지함과 동시에 헬리컬 파일의 주면지지력 및 선단지지력을 향상시키는 구성을 가지는 헬리컬 파일과 그 시공방법에 관한 것이다.

상의 건축물이나 토목구조물로부터의 하중을 지지하는 기초의 시공을 위하여 사용되는 파일(말뚝)로서, 중공형 축부재로 이루어진 파일본체의 선단부에 회전날개가 구비되어 있어서 파일본체가 회전하게 되면 회전날개의 꼬여있는 형상으로 인하여 선단부가 지반에 관입되어 지중에 설치됨으로써 지상의 건축물이나 토목구조물로부터의 하중을 지지하는 헬리컬 파일이 사용된다. 이러한 헬리컬 파일은 지반을 미리 천공하지 않는 비천공/비배토 방식의 말뚝이다. 대한민국 등록특허공보 제10-0388263호(2003. 06. 19. 공고)에는 이러한 헬리컬 파일의 일예가 개시되어 있다.

도 1에는 종래 기술의 헬리컬 파일(100)을 시공하는 방법을 보여주는 개략적인 수직 단면도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼, 종래의 헬리컬 파일(100)은, 연직한 축부재로 이루어진 파일본체(101)와, 판 부재가 꼬여진 형태로 상기 파일본체(101)의 연직 하단 즉, 선단부에 일체로 구비되어 있는 회전날개(102)를 포함하여 구성되는데, 파일본체(101)의 상단부에 결합된 회전모터(M)에 의해, 파일본체(101)가 회전함에 따라 선단부의 회전날개(102)가 지반을 전단시키면서 지반을 파고들어가서 파일본체(101)가 연직하게 지중에 삽입 설치된다. 즉, 회전모터(M)에 의해 회전하여 토오크(T)를 가하게 되면, 파일본체(101) 및 회전날개(102)가 회전하면서 지반에 대해서는 전단력을 발생시킴과 동시에 하향력을 발생시키게 되고, 그에 따라 파일본체(101)가 지중으로 관입되는 것이다.

점토와 같은 연약층으로 이루어진 지반에 헬리컬 파일(100)이 설치되는 경우, 시공 후 헬리컬 파일(100)의 상단부에 상재하중이 재하되었을 때 파일본체(101)에 좌굴로 인한 손상이 발생할 수 있는데, 이러한 파일본체의 좌굴 방지를 위해서는 파일본체(101)의 직경을 증가시키거나, 또는 파일본체(101)의 재료를 고가의 구조용 탄소강과 같은 재료로 변경하여 휨강성을 증가시켜야 하는데, 이 경우 시공성이 저하되거나, 재료비 등의 비용이 과도하게 증가하게 되어 헬리컬 파일이 가지는 장점들을 훼손하게 된다.

따라서 헬리컬 파일에서 파일본체의 직경증가 내지 재료변경에 의한 강성증가 없이도, 파일본체의 좌굴을 방지함으로써, 우수한 경제성과 시공성을 확보하면서도 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-0388263호(2003. 06. 19. 공고) 참조.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점과 단점을 개선하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 파일본체와 회전날개를 포함하여 구성되는 헬리컬 파일을 시공함에 있어서, 파일본체의 직경증가 내지 재료변경에 의한 강성증가 없이도 파일본체의 좌굴을 방지함으로써, 헬리컬 파일을 깊은 심도로 지중에 설치하거나 파일본체의 선단부가 암반 내에 위치할 수 있도록 하여, 높은 설계하중을 가지는 헬리컬 파일을 시공할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 그라우팅 보강에 의한 좌굴방지 구조의 헬리컬 파일 및 그 시공방법이 제공된다.

구체적으로 본 발명에서는 중공의 축부재로 이루어진 파일본체와, 판 부재가 꼬여진 형태로 상기 파일본체의 하단 외면에 감겨져 구비되는 회전날개를 포함하며; 상기 파일본체의 외부에는 파일본체의 외경보다 더 큰 직경을 가지는 통형상의 외부케이싱이 구비되어 있고, 상기 파일본체에는 판부재로 이루어진 케이싱 연결 커플링부재가 일체로 구비되어 있어서, 상기 외부케이싱의 하단은 상기 케이싱 연결 커플링부재와 분리가능한 상태로 결합되며; 상기 파일본체의 선단부가 지중을 향하도록 상기 파일본체가 연직 배치된 상태에서, 모터에 의해 상기 파일본체가 회전되면서 지반으로 관입되며; 상기 선단부가 지반으로 관입될 때, 상기 외부케이싱도 함께 회전하여 지반에 관입되고; 파일본체의 지중 관입설치가 완료된 상태에서 상기 외부케이싱의 내면과 파일본체의 본체부 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 그라우트재가 채워지고, 상기 외부케이싱도 뽑혀서 제거되어 상기 파일본체의 외면으로 그라우트재에 의한 좌굴보강체가 형성되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일이 제공된다.

또한 본 발명에서는, 상기한 구성의 헬리컬 파일을 시공하는 방법으로서, 상기 헬리컬 파일의 선단부가 지중을 향하도록 파일본체를 연직하게 배치하는 단계; 모터에 의해 상기 파일본체를 회전시켜 선단부가 지반으로 관입되도록 하여 상기 파일본체를 지중에 설치하되, 상기 파일본체의 회전에 따라 상기 외부케이싱도 함께 회전하여 파일본체와 외부케이싱이 지반에 관입되어 설치되도록 하는 단계; 및상기 파일본체의 지반 관입 설치가 완료된 후에는, 상기 외부케이싱의 내면과 파일본체의 본체부 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 그라우트재를 주입하여 채우고 상기 외부케이싱도 뽑아서 제거함으로써 상기 파일본체의 외면으로 그라우트재에 의한 좌굴보강체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일의 시공방법이 제공된다.

위와 같은 본 발명의 헬리컬 파일과 그 시공방법에서, 상기 외부 케이싱이 회전할 때 추가적인 관입력이 발생하도록, 상기 외부케이싱의 외면에는 추가적으로 케이싱 회전날개가 감겨진 형태로 더 구비될 수 있다.

본 발명에서는 헬리컬 파일에서 좌굴 발생의 우려가 있는 부분에서 파일본체 주변에 그라우트재로 만들어진 좌굴보강체를 형성함으로써, 파일본체의 좌굴에 대해 큰 보강을 할 수 있게 되며, 따라서 상재하중이 재하되더라도 파일본체에 좌굴이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 되는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 헬리컬 파일을 시공하는 방법을 보여주는 개략적인 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 파일을 보여주는 개략적인 분해사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 파일을 보여주는 개략적인 조립사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 파일을 도 3의 선 B-B에 따라 단면이 보이도록 도시한 개략적인 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 파일이 지반에 관입 설치되는 과정을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 상태에서 외부 케이싱을 인발하는 과정을 보여주는 도 9에 대응되는 개략적인 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 상태에 후속하여 외부 케이싱의 인발이 완료되고 본체부 주위에 좌굴보강체가 더 형성된 상태를 보여주는 개략적인 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 파일을 보여주는 개략적인 분해사시도와 조립사시도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 파일을 도 3의 선 A-A에 따라 단면이 보이도록 도시한 개략적인 단면 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 헬리컬 파일이 지반에 관입 설치되는 과정을 보여주는 개략적인 단면도이다. 도 6은 도 5에 도시된 상태에서 외부 케이싱(71)을 인발하는 과정을 보여주는 도 5에 대응되는 개략적인 단면도이고, 도 7은 외부 케이싱(71)의 인발이 완료되고 본체부(10b) 주위에 좌굴보강체(77)의 형성이 완료된 상태를 보여주는 도 6에 후속한 상태의 개략적인 단면도이다. 도 2 내지 도 4에서는 파일본체를 회전시키는 모터(M)의 도시를 생략하였으며, 도 5에서는 모터(M)를 간략하게 단순화시켜 도시하였다.

도 2 내지 도 5에 도시된 본 발명에 따른 헬리컬 파일(1)은, 중공(中空)의 연직한 축부재로 이루어진 파일본체(10)와, 판 부재가 꼬여진 형태로 상기 파일본체(10)의 연직 하단의 외면에 일체로 구비되어 있는 회전날개(20)를 포함하여 구성된다.

특히, 본 발명에 따른 헬리컬 파일(1)은, 도면에 예시된 것처럼, 파일본체(10)의 좌굴을 방지할 수 있는 구성을 구비하고 있다. 앞서 살펴본 것처럼, 헬리컬 파일에 상재하중이 재하되었을 때, 파일본체(10)에 좌굴이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 헬리컬 파일은, 본체부의 주변으로 그라우트재로 이루어진 좌굴보강체(77)를 형성할 수 있는 구성을 가지고 있는 것이다.

구체적으로 도면에 도시된 것처럼, 파일본체(10)의 외부에는 파일본체(10)의 외경보다 더 큰 직경을 가지는 외부케이싱(71)이 구비되어 있다. 즉, 외부케이싱(71) 내에 상기 파일본체(10)의 일부가 위치하는 것이다. 상기 파일본체(10)에는 판부재로 이루어진 케이싱 연결 커플링부재(72)가 일체로 구비되어 있으며, 상기 외부케이싱(71)의 하단은 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)와 분리가능한 상태로 결합된다. 도면에 도시된 것처럼, 상기 외부케이싱(71)은 원형 통부재로 이루어지고, 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)는 상기 외부케이싱(71)의 직경에 대응되는 크기의 원판형 부재로 이루어져서 상기 파일본체(10)의 외면에 일체로 구비될 수 있다. 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)의 가장자리 상면에 나사결합돌기를 구비하여 상기 나사결합돌기에 상기 외부케이싱(71)의 하단이 나사결합되는 방식으로 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)와 상기 외부케이싱(71)이 분리가능한 상태로 결합될 수 있다. 즉, 후술하는 것처럼, 헬리컬 파일의 관입을 위하여 파일본체(10)가 회전될 때에는 상기 외부케이싱(71)과 상기 케이싱 연결 커플링부재(72) 간의 나사 결합은 견고하게 유지되어 상기 외부케이싱(71)도 상기 파일본체(10)와 함께 회전되지만, 파일본체(10)의 회전 관입이 완료되고 외부케이싱(71)을 인발하여야 할 경우, 상기 외부케이싱(71)만을 관입시와 반대방향으로 돌리게 되면 상기 외부케이싱(71)과 상기 케이싱 연결 커플링부재(72) 간의 나사 결합이 해제되도록 구성될 수 있는 것이다.

이와 같이 상기 외부케이싱(71)과 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)의 결합에 의해 파일본체(10)의 외면에는 통형상의 부재가 구비되고, 상기 통형상의 부재의 내면과 파일본체(10)의 외면 사이에는 공간 즉, 그라우트재가 채워질 수 있는 그라우트재 채움공간이 형성된다. 한편, 필요에 따라서는 상기 그라우트재 채움공간에 채워지는 그라우트재와 파일본체(10)의 외면 사이의 결합력을 증진시키기 위하여, 상기 그라우트재 채움공간 내부에서, 상기 파일본체(10)의 외면에는 결합돌출보강재(19)가 구비될 수 있다. 상기 결합돌출보강재(19)는 판재를 원형 링형태로 제작하여 파일본체(10)의 외면에 일체로 구비되거나 기타 철근 등으로 결합돌출보강재(19)를 제작하여 파일본체(10)의 외면에 일체로 구비될 수 있다.

또한 파일본체(10)가 회전되어 지반에 관입될 때, 상기 외부케이싱(71)도 함께 회전하여 용이하게 지반에 관입할 수 있도록 상기 외부케이싱(71)의 외면에도 케이싱 회전날개(73)가 더 구비될 수 있다. 즉, 파일본체(10)가 회전하게 되면 상기 외부케이싱(71)도 함께 회전하게 되는데, 상기 외부케이싱(71) 외면에 추가적으로 케이싱 회전날개(73)가 감겨져서 구비되어 있으므로, 외부 케이싱(71)이 회전할 때, 상기 케이싱 회전날개(73)도 회전하면서 지반의 흙을 연속적으로 전단(剪斷)시키게 되고, 그에 따라 상기 케이싱 회전날개(73)에 의해 추가적인 관입력이 발생하게 되어 헬리컬 파일(1)의 지반 관입이 더욱 용이하게 된다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 헬리컬 파일의 시공방법을 살펴보면, 회전날개(20)가 부착되어 있는 파일본체(10)의 선단부가 지중을 향하도록 파일본체(10)가 연직하게 배치된 상태에서, 상기 파일본체(10)의 타단부에 결합된 모터(M)에 의해 파일본체(10)를 회전시켜서, 선단부에 구비된 회전날개(20)의 회전 및 관입작용에 의해 파일본체(10)가 지반으로 관입된다.

이 때, 본 발명의 헬리컬 파일(1)에는, 외면에 케이싱 회전날개(73)가 더 구비되어 있는 외부케이싱(71)이 파일본체(10)에 구비되어 있으므로, 파일본체(10)가 회전함에 따라 외부케이싱(71)도 함께 회전하면서 지반에 관입된다. 파일본체(10)의 선단부에 구비된 회전날개(20)가 회전하면서 지반을 무르게 교반해놓은 상태이므로, 외부케이싱(71)의 직경이 파일본체(10)의 회전날개(20) 설치 지점의 직경 이하인 경우, 외부케이싱(71)도 회전하면서 용이하게 지반에 관입된다.

필요한 심도까지 파일본체(10)가 지중에 관입설치되면, 상기 외부케이싱(71)도 지반에 관입된 상태에 있게 되는데, 이와 같이 파일본체(10)의 지중 관입설치가 완료되면, 상기 통형상의 외부케이싱(71)의 내면과 파일본체(10)의 본체부 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 콘크리트 등의 그라우트재를 채워넣게 된다. 그라우트재 채움공간에 채워진 그라우트재가 필요한 정도로 경화되면, 외부케이싱(71)만을 관입 당시와 반대방향으로 회전시켜, 외부케이싱(71)을 케이싱 연결 커플링부재(72)로부터 분리시킨 후, 외부케이싱(71)만을 지상으로 인발하여 제거한다(도 6 참조). 제거되어 회수한 상기 외부케이싱(71)을 또다른 위치의 헬리컬 파일 시공에 재사용한다.

본 발명에서는 이와 같은 과정을 통해서, 파일본체(10)의 외면에 그라우트재의 경화에 의한 좌굴보강체(77)가 형성되는 것이다. 즉, 본 발명에 의한 헬리컬 파일의 경우, 좌굴 발생의 우려가 있는 부분에서 외부케이싱(71)을 이용하여 파일본체(10) 주변에 그라우트재로 만들어진 좌굴보강체(77)를 형성하여 좌굴에 대해 보강을 하게 되므로, 상재하중이 재하되더라도 파일본체(10)에 좌굴이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

상기 좌굴보강체(77)는 위와 같이 파일본체(10)의 좌굴에 대한 보강 기능 이외에도 헬리컬 파일의 직경을 증가시켜 헬리컬 파일과 주변 토사와의 마찰 면적을 증가시키는 기능을 하게 되므로, 그에 따라 헬리컬 파일의 주면마찰력 및 선단지지력을 증가시키게 되는 효과를 가져오게 된다.

1: 헬리컬 파일
10: 파일본체
20: 회전날개

Claims (4)

1. 중공의 축부재로 이루어진 파일본체(10)와, 판 부재가 꼬여진 형태로 상기 파일본체(10)의 하단 외면에 감겨져 구비되는 회전날개(20)를 포함하며;
   상기 파일본체(10)의 외부에는 파일본체(10)의 외경보다 더 큰 직경을 가지며, 회전할 때 추가적인 관입력이 발생하도록 외면에 케이싱 회전날개(73)가 감겨진 형태로 설치되어 있는 원통형상의 외부케이싱(71)이 구비되어 있고, 상기 파일본체(10)에는 상기 외부케이싱(71)의 직경에 대응되는 크기의 원판형 부재로 이루어진 케이싱 연결 커플링부재(72)가 일체로 구비되어 있어서, 상기 외부케이싱(71)의 하단은 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)와 분리가능한 상태로 결합됨으로써, 상기 외부케이싱(71)의 내면과 케이싱 연결 커플링부재(72)와 파일본체(10)의 외면 사이에는 그라우트재 채움공간이 형성되며;
   파일본체(10)에서 상기 외부케이싱(71)이 씌워지는 부분의 외면에는 결합돌출보강재(19)가 돌출된 상태로 구비되어 있어서, 상기 외부케이싱(71)이 파일본체(10)에 씌워져서 외부케이싱(71)의 하단이 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)와 결합되었을 때, 상기 외부케이싱(71)의 내부 공간에 결합돌출보강재(19)가 위치하고;
   상기 파일본체(10)의 선단부가 지중을 향하도록 상기 파일본체(10)가 연직 배치된 상태에서, 모터(M)에 의해 상기 파일본체(10)가 회전되면서 지반으로 관입되며;
   상기 파일본체(10)의 선단부가 지반으로 관입될 때, 상기 외부케이싱(71)도 함께 회전하여 지반에 관입되고;
   파일본체(10)의 지중 관입설치가 완료된 상태에서 상기 외부케이싱(71)의 내면과 파일본체(10)의 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 그라우트재가 채워져 경화된 후, 상기 외부케이싱(71)이 뽑혀서 제거되어, 상기 파일본체(10)의 외면으로 상기 결합돌출보강재(19)가 매립되어 파일본체(10)와 일체화되어 있는 형태의 그라우트재로 이루어진 좌굴보강체(77)가 형성되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일.
   
2. 삭제
3. 중공의 연직한 축부재로 이루어진 파일본체(10)와, 판 부재가 꼬여진 형태로 상기 파일본체(10)의 하단외면에 감겨져 구비되어 있는 회전날개(20)를 포함하는 헬리컬 파일(1)의 시공방법으로서,
   상기 파일본체(10)의 외부에는 파일본체(10)의 외경보다 더 큰 직경을 가지며 회전할 때 추가적인 관입력이 발생하도록 외면에 케이싱 회전날개(73)가 감겨진 형태로 설치되어 있는 원통형상의 외부케이싱(71)이 구비되어 있고, 상기 파일본체(10)에는 상기 외부케이싱(71)의 직경에 대응되는 크기의 원판형 부재로 이루어진 케이싱 연결 커플링부재(72)가 일체로 구비되어 있어서, 상기 외부케이싱(71)의 하단은 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)와 분리가능한 상태로 결합됨으로써, 상기 외부케이싱(71)의 내면과 케이싱 연결 커플링부재(72)와 파일본체(10)의 외면 사이에는 그라우트재 채움공간이 형성되어 있으며; 파일본체(10)에서 상기 외부케이싱(71)이 씌워지는 부분의 외면에는 결합돌출보강재(19)가 돌출된 상태로 구비되어 있어서, 상기 외부케이싱(71)이 파일본체(10)에 씌워져서 외부케이싱(71)의 하단이 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)와 결합되었을 때, 상기 외부케이싱(71)의 내부 공간에 결합돌출보강재(19)가 위치하며;
   상기 헬리컬 파일(1)의 선단부가 지중을 향하도록 파일본체(10)를 연직하게 배치하는 단계;
   모터(M)에 의해 상기 파일본체(10)를 회전시켜 선단부가 지반으로 관입되도록 하여 상기 파일본체(10)를 지중에 설치하되, 상기 파일본체(10)의 회전에 따라 상기 외부케이싱(71)도 함께 회전하여 파일본체(10)와 외부케이싱(71)이 지반에 관입되어 설치되도록 하는 단계; 및
   상기 파일본체(10)의 지반 관입 설치가 완료된 후에는, 상기 외부케이싱(71)의 내면과 파일본체(10)의 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 그라우트재를 주입하여 채워서 경화시킨 다음 상기 외부케이싱(71)도 뽑아서 제거함으로써, 상기 파일본체(10)의 외면으로 상기 결합돌출보강재(19)가 매립되어 파일본체(10)와 일체화되어 있는 형태의 그라우트재로 이루어진 좌굴보강체(77)를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일의 시공방법.
4. 삭제

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