KR101447080B1 - 비틀림 손상 방지 및 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)의 시공 중에 파일본체의 뒤틀림(비틂/torsion) 손상 및 상재하중 재하로 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; 파일본체의 중공으로, 하단에 결합돌기가 구비된 회전구동 동력축이 진입하여 상기 결합돌기가 상기 오목부에 끼워져서 연직방향의 삽입 및 인출은 가능하지만 상대적인 회전이 이루어지지 않는 상태로 결합하는 단계; 모터에 의해 상기 회전구동 동력축을 회전시켜, 결합돌기와 오목부 간의 결합에 의해 파일본체가 회전구동 동력축과 함께 회전하도록 하여 상기 선단부가 지반으로 관입되도록 하여 상기 파일본체를 지중에 설치하는 단계; 및 상기 회전구동 동력축을 상승시켜 상기 결합돌기가 상기 오목부로부터 빠져나오도록 하여 상기 회전구동 동력축을 상기 동력축 결합부재로부터 분리시키고 상기 회전구동 동력축을 인발하여 상기 파일본체로부터 빼내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일의 시공방법이 제공된다.

Description

비틀림 손상 방지 및 좌굴 방지 구조의 헬리컬 파일 및 그 시공방법{Helical Pile having Structure for Preventing Torsion Failure and 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 헬리컬 파일의 시공 중에 파일 본체의 뒤틀림(비틂/torsion) 손상 및 상재하중 재하로 인한 파일 본체의 좌굴(buckling)을 방지함과 동시에 헬리컬 파일의 주면마찰력 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.

헬리컬 파일(100)에 의한 연직 지지력을 증가시키기 위하여, 파일본체(101)의 선단부가 지중의 깊은 위치에 존재하도록 깊은 심도로 헬리컬 파일(100)을 시공하거나, 지반 내의 암반 내에 파일본체(101)의 선단부가 관입되도록 시공하게 된다. 그런데, 이와 같이 헬리컬 파일(100)이 깊은 심도로 지중에 설치되거나 또는 파일본체(101)의 선단부이 암반 내에 위치하는 경우, 시공 중 지반과의 마찰력 및 전단력이 증가되는데 비하여, 파일본체(101)를 회전시키는 동력의 작용점("회전중심점")은 파일본체(101)의 상단부가 되므로, 헬리컬 파일(100)의 시공 과정에서 파일본체(101)에는 상당히 큰 비틀림 모멘트(torsion)가 작용하게 되고, 그에 따라 파일본체(101)의 비틀림 파괴가 발생할 가능성이 매우 높아지는 문제점이 발생한다.

이러한 헬리컬 파일(100)의 시공 중에 발생하는 파일본체(101)의 비틀림 파괴를 방지하려면 파일본체(101)의 직경을 증가시키거나, 또는 파일본체(101)의 재료를 고가의 구조용 탄소강과 같은 재료로 변경하여 비틀림 강성을 증가시켜야 하는데, 이 경우 시공성이 저하되거나, 재료비 등의 비용이 과도하게 증가하게 되어 헬리컬 파일이 가지는 장점들을 훼손하게 된다.

한편, 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 위에서 살펴본 것처럼, 파일본체의 직경 증가 내지 비틀림 강성 증가가 필요하므로 그에 따른 비용 증가 등의 문제점 발생을 피할 수 없게 된다.

따라서 파일본체의 직경증가 내지 재료변경에 의한 비틀림 강성증가 없이도, 파일본체의 비틀림 파괴 및 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 비틀림 강성증가 없이도 파일본체의 비틀림 파괴 및 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, 낮은 회전중심점 위치에 의한 비틀림 손상 방지 및 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 내부에는 동력축 결합부재가 상기 파일본체와 일체를 이루도록 구비되어, 상기 동력축 결합부재를 기준으로 상기 파일본체는 길이 방향으로, 본체부와, 상기 회전날개가 구비되어 있는 선단부로 구분되고; 상기 동력축 결합부재에는 돌기결합 오목부가 형성되어 있고; 상기 선단부가 지중을 향하도록 상기 파일본체가 연직 배치된 상태에서, 상기 파일본체의 중공으로, 하단에 결합돌기가 구비된 회전구동 동력축이 진입하여 상기 결합돌기가 상기 오목부에 끼워져서 상기 회전구동 동력축과 상기 동력축 결합부재 간의 상대적인 회전이 불가능한 상태로 결합되고, 모터에 의해 상기 회전구동 동력축이 회전되면, 상기 결합돌기와 상기 오목부 간의 결합에 의해 상기 파일본체가 함께 회전하여 상기 선단부가 지반으로 관입됨으로써 지중에 설치되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일이 제공된다.

또한 본 발명에서는, 상기한 헬리컬 파일을 시공하는 방법으로서, 선단부가 지중을 향하도록 헬리컬 파일을 연직하게 배치하는 단계; 파일본체의 중공으로, 하단에 결합돌기가 구비된 회전구동 동력축이 진입하여 상기 결합돌기가 상기 오목부에 끼워져서 연직방향의 삽입 및 인출은 가능하지만 상대적인 회전이 이루어지지 않는 상태로 결합하는 단계; 모터에 의해 상기 회전구동 동력축을 회전시켜, 결합돌기와 오목부 간의 결합에 의해 파일본체가 회전구동 동력축과 함께 회전하도록 하여 상기 선단부가 지반으로 관입되도록 하여 상기 파일본체를 지중에 설치하는 단계; 및 상기 회전구동 동력축을 상승시켜 상기 결합돌기가 상기 오목부로부터 빠져나오도록 하여 상기 회전구동 동력축을 상기 동력축 결합부재로부터 분리시키고 상기 회전구동 동력축을 인발하여 상기 파일본체로부터 빼내는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일의 시공방법이 제공된다.

이러한 본 발명의 헬리컬 파일과, 그 시공방법에 있어서, 상기 파일본체의 본체부 외부에는 파일본체의 외경보다 더 큰 직경을 가지는 통형상의 외부케이싱이 구비되어 있고, 상기 파일본체의 본체부에는 판부재로 이루어진 케이싱 연결 커플링부재가 일체로 구비되어 있어서, 상기 외부케이싱의 하단은 상기 케이싱 연결 커플링부재와 분리가능한 상태로 결합되며; 상기 선단부를 지반에 관입하는 단계에서는, 상기 선단부의 회전에 따라 상기 외부케이싱도 함께 지반에 관입되어 설치되며; 상기 파일본체의 지중 설치 단계 및 상기 회전구동 동력축을 뽑아서 제거한 단계가 완료된 후에는, 상기 외부케이싱의 내면과 파일본체의 본체부 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 그라우트재를 주입하여 채우고 상기 외부케이싱도 뽑아서 제거함으로써 상기 본체부의 외면으로 그라우트재에 의한 좌굴보강체를 형성할 수도 있다. 특히, 이러한 경우, 상기 외부케이싱의 외면에는 추가적으로 케이싱 회전날개가 감겨진 형태로 더 구비될 수 있다.

본 발명에서는 헬리컬 파일의 파일본체를 회전시키는 동력의 작용점인 회전중심점이, 파일본체의 상부단부가 아니라, 연직방향으로 볼 때 파일본체의 하부에 위치하여 실질적으로 회전날개가 구비된 선단부에 직접 회전 동력이 작용하는 상태가 되므로, 헬리컬 파일의 선단부가 암반에 박히거나 헬리컬 파일이 깊은 심도로 지중에 설치되더라도, 회전중심점과 파일본체의 최하단 사이의 거리가 짧기 때문에 종래와 같이 헬리컬 파일의 파일본체에 큰 비틀림 모멘트가 작용하게 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 본 발명에 의하면, 파일본체의 비틀림 파괴를 효과적으로 예방할 수 있게 되는 효과가 발휘되며, 큰 구경의 깊은 심도로 헬리컬 파일의 시공이 가능하게 된다는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 파일본체의 본체부에는 비틀림 모멘트가 직접적으로 작용하지 않기 때문에, 비틀림 파괴의 방지를 위하여 파일본체의 재료 변경이나 두께 증가에 의한 비틀림 강성 증가가 필요하지 않게 되며, 따라서 파일본체를 위한 과도한 강재 사용량 증가를 방지할 수 있게 되어 공사비를 절감할 수 있다. 특히, 헬리컬 파일의 관입을 위하여 필요한 회전토오크 보다 파일본체가 견딜수 있는 비틀림 저항 모멘트가 작더라도, 헬리컬 파일이 시공완료후의 연직하중만 충분히 지탱하면 충분하므로, 헬리컬 파일의 설계 및 시공시에 파일본체에 대한 비틀림 저항 모멘트를 고려하지 않아도 되며, 따라서 시공성이 크게 향상된다.

더 나아가, 본 발명에 의하면, 헬리컬 파일의 회전관입에 필요한 회전동력의 크기가 종래 기술보다 월등히 줄어들게 되며, 그에 따라 모터의 규모 등을 줄일 수 있게 되어 시공비용을 크게 절감할 수 있게 되는 효과도 발휘된다.

또한 본 발명에서는 헬리컬 파일에서 좌굴 발생의 우려가 있는 부분에서 파일본체 주변에 그라우트재로 만들어진 좌굴보강체를 형성할 수 있는데, 이러한 구성에 의하면, 파일본체의 좌굴에 대해 큰 보강을 할 수 있게 되므로, 상재하중이 재하되더라도 파일본체에 좌굴이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 되는 장점이 있다.

특히, 위와 같이 좌굴방지 구조를 구비하는 것에 의하면, 추가적으로 헬리컬 파일의 직경이 커지게 되어, 주면 마찰력이 증가하게 되며, 그에 따라 헬리컬 파일의 지지력이 향상됨은 물론이고, 헬리컬 파일의 시공 심도를 줄일 수 있게 되어 공사비의 절감, 공사기간의 단축 등의 추가적인 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 헬리컬 파일을 시공하는 방법을 보여주는 개략적인 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 헬리컬 파일을 보여주는 개략적인 분해사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 헬리컬 파일을 보여주는 개략적인 조립사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 헬리컬 파일을 도 3의 선 A-A에 따라 단면이 보이도록 도시한 개략적인 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 헬리컬 파일이 지반에 관입 설치된 상태를 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일을 보여주는 개략적인 분해사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일을 보여주는 개략적인 조립사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일을 도 7의 선 B-B에 따라 단면이 보이도록 도시한 개략적인 단면 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일이 지반에 관입 설치되는 과정을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 상태에서 외부 케이싱을 인발하는 과정을 보여주는 도 9에 대응되는 개략적인 단면도이다.
도 11은 도 10에 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 제1실시예에 따른 헬리컬 파일을 보여주는 개략적인 분해사시도와 조립사시도이다. 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 헬리컬 파일을 도 3의 선 A-A에 따라 단면이 보이도록 도시한 개략적인 단면 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 헬리컬 파일이 지반에 관입 설치된 상태를 보여주는 개략적인 단면도이다. 도 2 내지 도 4에서는 회전구동 동력축(50)을 회전시키는 모터(M)의 도시를 생략하였으며, 도 5에서는 모터(M)를 간략하게 단순화시켜 도시하였다.

도 2 내지 도 5에 도시된 본 발명의 제1실시예에 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. 본 발명에서 상기 파일본체(10)의 내부에는 중공 단면을 가로질러서 동력축 결합부재(30)가 구비되는데, 상기 동력축 결합부재(30)에 의해 상기 파일본체(10)는 연직한 길이 방향으로 선단부(10a)와 본체부(10b)로 구분된다. 상기 회전날개(20)는 상기 파일본체(10)의 선단부(10a) 외면에 감겨져서 구비된다. 도 2의 분해사시도에서는 선단부(10a)와 본체부(10b)가 분리된 것으로 도시되어 있으나, 이는 동력축 결합부재(30)의 설치 위치 및 형상을 예시하기 위한 것으로서, 상기 선단부(10a)와 상기 본체부(10b)는 동력축 결합부재(30)가 중공 내부에 배치된 상태에서 서로 일체로 되어 있는 것이다.

상기 동력축 결합부재(30)의 상면에는 회전구동 동력축(50)의 결합돌기(51)가 삽입되는 돌기결합 오목부(31)가 형성되어 있다. 상기 오목부(31)는 상기 동력축 결합부재(30)의 두께를 관통할 수도 있고, 도면에 예시된 것처럼 상면에서 일정 깊이로 오목하게 파인 형태로 만들어질 수도 있는데, 그 형상은 후술하는 결합돌기(51)와 대응되어 다각형 또는 기타 회전구동 동력축(50)의 회전력을 파일본체(10)에 전달할 수 있는 형상으로 이루어져 있다.

상기 동력축 결합부재(30)는 전술한 것처럼, 파일본체(10)의 내부에서 중공 단면을 가로질러 위치하며 파일본체(10)와 일체를 이루게 되는데, 도면에 예시된 것처럼, 파일본체(10)를 선단부(10a)와 본체부(10b)의 2개 부재로 분리한 상태로 만든 후, 선단부(10a)의 최상단 위치에서 선단부(10a)의 중공 내측에 동력축 결합부재(30)를 배치하여 선단부(10a)와 동력축 결합부재(30)의 측면을 볼트 등의 체결수단(32)이나 용접 등의 방법으로 일체 결합하고, 상기 본체부(10b)의 하단을 선단부(10a)의 상단과 용접 등에 의해 결합하는 방식으로 동력축 결합부재(30)를 설치할 수 있다. 이러한 경우를 예시하여, 도면에서는 선단부(10a)와 본체부(10b) 사이가 점선으로 구분되어 있다. 즉, 도면에서 선단부(10a)와 본체부(10b) 사이에 그려져 있는 점선은 선단부(10a)와 본체부(10b)를 일체화시킨 용접선을 의미하는 것이다.

그러나 동력축 결합부재(30)를 파일본체(10) 내부에 배치하는 방법은 이에 한정되지 아니한다. 또다른 동력축 결합부재(30)의 설치방법으로는, 예를 들어, 파일본체(10)의 선단부(10a)와 본체부(10b)를 일체로 된 하나의 파이프형 부재로 만들되, 선단부(10a)에서의 중공 내경을 본체부(10b)의 중공 내경보다 더 작게 만들고, 동력축 결합부재(30)를 본체부(10b)의 최상단부터 중공에 삽입하여, 동력축 결합부재(30)가 중공 내경 차이에 의한 단차에 걸쳐지게 한 후, 파일본체(10)를 관통한 체결수단(32)이 동력축 결합부재(30)의 측면에 삽입되도록 하는 방법을 이용할 수 도 있다. 본 발명에서 동력축 결합부재(30)의 설치 방법은 위에서 예시한 방법들에 한정되지 아니하고 다양하게 변형될 수 있다.

한편, 도면에 예시된 것처럼, 파일본체(10)의 선단부에는 한 개 또는 복수개의 그라우트재 분출공(15)이 존재할 수 있다. 후술하는 것처럼, 본 발명에 따른 헬리컬 파일(1)이 지중에 설치된 후에는 파일본체(10)의 중공 내부로 모르타르, 콘크리트, 고결재 등의 그라우트재가 주입될 수 있으며, 이러한 그라우트재는 상기 그라우트재 분출공(15)을 통해서 지반으로 주입된다. 그라우트재를 상기 그라우트재 분출공(15)으로 효율적으로 주입하기 위하여, 상기 파일본체(10)의 중공 내부에는 상기 그라우트재 분출공(15)과 연통된 별도의 주입관이 구비될 수 있다. 상기 주입관은 후술하는 회전구동 동력축(50)의 내부를 연직하게 관통하여 지상에 위치하는 주입장치와 연결된다.

이러한 구성을 가지는 본 발명에 따른 헬리컬 파일(1)은 회전구동 동력축(50)에 의해 회전되어 지반에 관입 설치된다. 구체적으로 본 발명의 헬리컬 파일(1)을 설치하기 위한 회전구동 동력축(50)은 상단의 모터(M)에 의해 회전구동되는 축부재로서, 하단에는 결합돌기(51)가 구비되어 있다. 헬리컬 파일(1)을 지중에 설치하기 위해서, 회전구동 동력축(50)은 도면에 도시된 것처럼 파일본체(10)의 중공으로 삽입되어, 하단의 결합돌기(51)가 상기 동력축 결합부재(30)의 돌기결합용 오목부(31)에 끼워진다. 상기 결합돌기(51)와 상기 오목부(31)는 서로 대응되는 형상을 가지고 있으되, 결합돌기(51)의 연직방향의 하강과 상승에 의해 오목부(31)로의 삽입과 인출은 쉽게 이루어지면서도 상호간의 회전은 이루어지지 아니하는 형상을 가지고 있다. 예를 들어, 결합돌기(51)는 사각형이나 기타 다각형의 형상을 가지고 있고, 상기 오목부(31)도 이와 대응되어 동일한 형상을 가지는 것이다. 따라서 연직하게 삽입되는 결합돌기(51)는 용이하게 오목부(31)에 끼워지게 되고, 후술하는 것처럼 헬리컬 파일(1)의 지중 설치가 완료되어 회전구동 동력축(50)이 지상 방향으로 상승함에 따라 상기 결합돌기(51)는 오목부(31)로부터 쉽게 빠져나오게 되지만, 결합돌기(51)와 오목부(31)의 서로 간에는 상대적인 회전이 전혀 허용되지 않게 되어, 회전구동 동력축(50)이 회전하게 되면, 그 회전력은 결합돌기(51)와 오목부(31) 간의 비회전 결합관계에 의해, 파일본체(10)에 그대로 전달되는 것이다.

본 발명의 헬리컬 파일(1)을 시공하기 위해서는, 우선 선단부(10a)가 지중을 향하도록 파일본체(10)가 연직하게 배치된 상태에서, 상기 파일본체(10)의 중공으로 상기 회전구동 동력축(50)이 진입하게 된다. 상기 회전구동 동력축(50)이 중공 내에서 연직방향으로 하강하여 상기 결합돌기(51)가 상기 오목부(31)에 끼워져서 결합된다. 이와 같이 결합돌기(51)와 오목부(31) 간의 끼움 결합상태에서 회전구동 동력축(50)의 지상 위치 상부에 결합된 회전구동원 즉, 모터(M)에 의해 회전구동 동력축(50)이 회전되면, 그 회전력은 결합돌기(51)와 오목부(31) 간의 결합에 의해 직접적으로 동력축 결합부재(30)를 거쳐 파일본체(10)로 전달되어, 파일본체(10)가 회전구동 동력축(50)과 함께 회전하게 된다. 그에 따라 파일본체(10)의 선단부(10a)에 구비된 회전날개(20)가 회전하면서 지반의 흙을 연속적으로 전단(剪斷)시킴에 따라 파일본체(10)의 선단부(10a)가 지반으로 관입된다.

이와 같이, 본 발명에서는 파일본체(10)를 회전시키는 동력의 작용점 즉, 회전중심점은, 파일본체(10)의 상부단부가 아니라, 연직방향으로 볼 때 파일본체(10)의 하부에 해당하는 파일본체(10)의 선단부(10a)와 본체부(10b) 사이의 경계지점에 위치하게 된다. 앞서 살펴본 것처럼 종래 기술에 의한 헬리컬 파일의 경우, 파일본체의 상단부가 회전중심점이 되므로, 헬리컬 파일의 선단부가 암반에 박히거나 헬리컬 파일이 깊은 심도로 지중에 설치되는 경우, 헬리컬 파일의 시공 과정에서 파일본체에는 상당히 큰 비틀림 모멘트가 작용할 수밖에 없지만, 본 발명의 경우, 회전중심점이 선단부(10a)와 본체부(10b)의 경계에 위치하게 되어, 실질적으로 선단부(10a)에 직접 회전 동력이 작용하는 상태가 되므로, 헬리컬 파일(1)이 깊은 심도로 지중에 설치되거나 선단부(10a)가 암반에 박히더라도 회전중심점과 파일본체(10)의 최하단 사이의 거리가 짧기 때문에 종래와 같이 헬리컬 파일의 파일본체에 큰 비틀림 모멘트가 작용하게 되는 것을 방지할 수 있으며, 그에 따라 파일본체(10)의 비틂 파괴를 효과적으로 예방할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

더 나아가, 종래 기술에서는 위와 같이 회전중심점이 파일본체의 선단부로부터 먼 거리에 위치하고 있으므로, 관입에 필요한 회전동력을 파일본체의 선단부에 가하기 위해서는 회전능력이 큰 모터(M)를 사용하여야 하며, 그에 따라 모터(M)의 규모 및 작동에 소요되는 비용이 많이 소요되는 단점이 있었다. 그러나 본 발명에서는 위에서 살펴본 것처럼, 회전중심점이 파일본체의 선단부(10a)에 근접해있기 때문에, 관입에 필요한 회전동력의 크기가 종래 기술보다 월등히 줄어들게 되며, 그에 따라 모터(M)의 규모 등을 줄일 수 있게 되어 시공비용을 크게 절감할 수 있게 되는 효과도 발휘된다.

파일본체(10)가 계획된 심도로 지중에 관입된 후에는, 회전구동 동력축(50)의 회전을 멈추고 회전구동 동력축(50)을 상승시킨다. 결합돌기(51)는 오목부(31)에 끼워져 있는 상태이므로, 회전구동 동력축(50)을 상승시키게 되면 결합돌기(51)는 쉽게 오목부(31)로부터 빠져나오게 되며, 그에 따라 회전구동 동력축(50)은 파일본체(10)와 분리된다. 회전구동 동력축(50)을 파일본체(10)의 중공으로부터 완전히 빼낸 후에는, 상기 회전구동 동력축(50)은 다른 위치에서 새로운 파일본체(10)의 시공에 재활용된다.

한편, 본 발명의 경우, 파일본체(10)의 선단부에는 한 개 또는 복수개의 그라우트재 분출공(15)이 존재하고 상기 파일본체(10)의 중공 내부에는 상기 그라우트재 분출공(15)과 연통된 별도의 회전구동 동력축(50)의 내부에 연직하게 관통하는 주입관(도시를 생략함)이 존재할 수 있다. 따라서 위에서 설명한 것처럼 파일본체(10)를 계획된 깊이에 설치한 상태에서, 회전구동 동력축(50)을 빼내기 전에, 지상에 위치하는 주입장치를 통해서, 상기 회전구동 동력축(50)을 관통하는 주입관으로 그라우트재를 주입하여 상기 그라우트재 분출공(15)을 통해 파일본체(10)의 선단부 주변의 지반 내로 그라우트재를 주입함으로써, 헬리컬 파일의 선단지지력 및 주면마찰력을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면 파일본체(10)의 비틀림 파괴의 우려 없이, 원하는 정도의 깊은 심도까지 헬리컬 파일(1)을 지중에 관입 설치할 수 있으므로, 필요에 따라서는 회전구동 동력축(50)을 계속 연장해가면서 시공할 수도 있다. 즉, 도면에 예시된 것처럼, 회전구동 동력축(50)을 이루는 소정 길이의 복수개의 축부재를 나사결합 등의 일체 결합을 통해서 헬리컬 파일의 설치 심도에 맞추어서 길게 연장하여 사용할 수 있는 것이다.

다음에서는 도 6 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 대해 설명한다. 다만, 앞서 살펴본 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 위의 설명내용이 적용되므로 간략하게 설명하고, 제1실시예와 차이가 있는 구성을 중심으로 상세히 설명한다.

도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일의 분해 사시도와 조립 사시도이다. 도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일을 도 7의 선 B-B에 따라 단면이 보이도록 도시한 개략적인 단면 사시도이고, 도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일이 지반에 관입 설치되는 과정을 보여주는 개략적인 단면도이다. 도 10은 도 9에 도시된 상태에서 외부 케이싱(71)을 인발하는 과정을 보여주는 도 9에 대응되는 개략적인 단면도이고, 도 11은 외부 케이싱(71)의 인발이 완료되고 본체부(10b) 주위에 좌굴보강체(77)의 형성이 완료된 상태를 보여주는 도 10에 후속한 상태의 개략적인 단면도이다. 도 6 내지 도 8에서는 회전구동 동력축(50)을 회전시키는 모터(M)의 도시를 생략하였으며, 도 9에서는 모터(M)를 간략하게 단순화시켜 도시하였다.

본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일(1)은, 도면에 예시된 것처럼, 파일본체(10)의 좌굴을 방지할 수 있는 구성을 더 구비하고 있다. 앞서 살펴본 것처럼, 헬리컬 파일이 깊은 심도로 지중에 설치되는 경우, 상재하중 재하시에 파일본체에 좌굴이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일은, 본체부의 주변으로 그라우트재로 이루어진 좌굴보강체(77)를 더 형성할 수 있는 구성을 가지고 있다.

구체적으로 도면에 도시된 것처럼, 파일본체(10)의 본체부(10b) 외부에는 파일본체(10)의 외경보다 더 큰 직경을 가지는 외부케이싱(71)이 구비되어 있다. 즉, 외부케이싱(71) 내에 상기 파일본체(10)의 본체부가 위치하는 것이다. 상기 파일본체(10)의 본체부(10b)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 본체부(10b) 외면에는 통형상의 부재가 구비되고, 상기 통형상의 부재의 내면과 파일본체(10)의 본체부(10b) 외면 사이에는 공간 즉, 그라우트재가 채워질 수 있는 그라우트재 채움공간이 형성된다. 한편, 필요에 따라서는 상기 그라우트재 채움공간에 채워지는 그라우트재와 파일본체(10)의 본체부(10b) 외면 사이의 결합력을 증진시키기 위하여, 상기 그라우트재 채움공간 내부에서, 상기 파일본체(10)의 본체부(10b) 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, 이와 같이 상기 외부케이싱(71) 외면에 추가적으로 케이싱 회전날개(73)가 감겨져서 더 구비되어 있는 경우, 외부 케이싱(71)이 회전할 때, 상기 케이싱 회전날개(73)도 회전하면서 지반의 흙을 연속적으로 전단(剪斷)시킴에 따라, 상기 케이싱 회전날개(73)에 의해 추가적인 관입력이 발생하게 되어 헬리컬 파일(1)의 지반 관입이 더욱 용이하게 된다.

위와 같이 외부케이싱(71)은 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)에 의하여 파일본체(10)와 결합되어 있으므로, 헬리컬 파일의 지반 관입 과정에서 파일본체(10)가 회전하게 되면 외부케이싱(71)도 함께 회전하게 되는데, 이러한 외부케이싱(71)의 회전을 더욱 강화시키기 위하여, 외부케이싱(71)을 회전구동 동력축(50)과 직접 연결시키는 구성을 더 구비할 수 있다. 도면에서 부재번호 75번으로 표시된 케이싱-축 연결부재(75)가 바로 위와 같은 부재인데, 원판형상으로 이루어진 케이싱-축 연결부재(75)를 회전구동 동력축(50)이 관통하는 형태로, 상기 외부케이싱(71)의 상단 위치에서 상기 회전구동 동력축(50)에 케이싱-축 연결부재(75)가 결합되어 구비되고, 상기 케이싱-축 연결부재(75)는 다시 상기 외부케이싱(71)과 분리가능한 구조로 결합된다. 즉, 회전구동 동력축(50)에 일체로 결합된 상기 케이싱-축 연결부재(75)가 상기 외부케이싱(71) 상단에서 그라우트재 채움공간의 상부를 덮도록 상기 외부케이싱(71)과 결합되는 것이다. 따라서 후술하는 것처럼, 파일본체(10)의 관입을 위하여 회전구동 동력축(50)이 회전하게 되면, 상기 케이싱-축 연결부재(75)도 함께 회전하면서 상기 외부케이싱(71)에게 직접 회전력을 부여하게 되며, 그에 따라 상기 외부케이싱(71)도 회전구동 동력축(50) 및 파일본체(10)와 일체로 회전하면서 지반에 관입된다.

상기 케이싱-축 연결부재(75)는 위에서 설명한 기능 이외에, 헬리컬 파일이 지반에 관입될 때, 상기 그라우트재 채움공간으로 토사가 유입되는 것을 방지하는 덮개로서도 기능하게 된다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일의 시공방법을 살펴보면, 선단부(10a)가 지중을 향하도록 파일본체(10)가 연직하게 배치된 상태에서, 상기 파일본체(10)의 중공으로 상기 회전구동 동력축(50)을 삽입하여 상기 회전구동 동력축(50)의 결합돌기(51)가 동력축 결합부재(30)의 오목부(31)에 결합된 후, 모터(M)에 의해 회전구동 동력축(50)을 회전시켜 파일본체(10)가 회전하면서 파일본체(10)의 선단부(10a)가 지반으로 관입된다. 이러한 기본적인 헬리컬 파일(1)의 지반 관입 과정은 앞서 살펴본 제1실시예에 의한 헬리컬 파일과 동일하다.

그런데 본 발명의 제2실시예에 따른 헬리컬 파일(1)의 경우, 외면에 케이싱 회전날개(73)가 더 구비되어 있는 외부케이싱(71)이 파일본체(10)의 본체부(10b) 외부에 더 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, 회전구동 동력축(50)을 뽑아서 제거한다. 이 때, 상기 케이싱-축 연결부재(75)와 상기 외부케이싱(71)의 결합도 분리시킴으로써, 회전구동 동력축(50)이 인발되어 제거될 때, 상기 케이싱-축 연결부재(75)도 함께 제거되도록 한다.

회전구동 동력축(50)이 제거된 후에는, 상기 통형상의 외부케이싱(71)의 내면과 파일본체(10)의 본체부 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 그라우트재를 채워넣게 된다. 그라우트재 채움공간에 채워진 그라우트재가 필요한 정도로 경화되면, 외부케이싱(71)만을 관입당시와 반대방향으로 회전시켜, 외부케이싱(71)을 케이싱 연결 커플링부재(72)로부터 분리시킨 후, 외부케이싱(71)만을 지상으로 인발하여 제거한다(도 10참조). 제거되어 회수한 상기 외부케이싱(71)을 또다른 위치의 헬리컬 파일 시공에 재사용한다.

이와 같은 과정을 통해서, 파일본체(10)의 본체부 외면에는 그라우트재의 경화에 의한 좌굴보강체(77)가 형성되는 것이다. 즉, 본 발명의 제2실시예에 의한 헬리컬 파일의 경우, 좌굴 발생의 우려가 있는 부분에서 파일본체(10)의 본체부(10b) 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
10a: 선단부
10b: 본체부
20: 회전날개
30: 동력축 결합부재
50: 회전구동 동력축

Claims (6)

1. 삭제
2. 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 내부에는 동력축 결합부재(30)가 상기 파일본체(10)와 일체를 이루도록 구비되어, 상기 동력축 결합부재(30)를 기준으로 상기 파일본체(10)는 길이 방향으로, 본체부(10b)와, 상기 회전날개(20)가 구비되어 있는 선단부(10a)로 구분되고;
   상기 동력축 결합부재(30)에는 돌기결합 오목부(31)가 형성되어 있고;
   상기 선단부(10a)가 지중을 향하도록 상기 파일본체(10)가 연직 배치된 상태에서, 하단에 결합돌기(51)가 구비된 회전구동 동력축(50)이 상기 파일본체(10)의 중공으로 진입하여, 상기 결합돌기(51)가 상기 오목부(31)에 끼워져서 상기 회전구동 동력축(50)과 상기 동력축 결합부재(30) 간의 상대적인 회전이 불가능한 상태로 결합되고, 모터(M)에 의해 상기 회전구동 동력축(50)이 회전되면, 상기 결합돌기(51)와 상기 오목부(31) 간의 결합에 의해 상기 파일본체(10)가 함께 회전하여 상기 선단부(10a)가 지반으로 관입됨으로써 지중에 설치되는 구성을 가지며;
   상기 파일본체(10)의 본체부(10b) 외부에는 파일본체(10)의 외경보다 더 큰 직경을 가지는 통형상의 외부케이싱(71)이 구비되어 있고, 상기 파일본체(10)의 본체부(10b)에는 판부재로 이루어진 케이싱 연결 커플링부재(72)가 일체로 구비되어 있어서, 상기 외부케이싱(71)의 하단은 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)와 분리가능한 상태로 결합되며;
   상기 선단부(10a)가 지반으로 관입될 때, 상기 외부케이싱(71)도 함께 회전하여 지반에 관입되고;
   파일본체(10)의 지중 관입설치가 완료되고 회전구동 동력축(50)이 뽑혀서 제거된 상태에서 상기 외부케이싱(71)의 내면과 파일본체(10)의 본체부(10b) 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 그라우트재가 채워지고, 상기 외부케이싱(71)도 뽑혀서 제거되어 상기 본체부(10b)의 외면으로 그라우트재에 의한 좌굴보강체(77)가 형성되는 구성을 더 가지는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 외부 케이싱(71)이 회전할 때 추가적인 관입력이 발생하도록, 상기 외부케이싱(71)의 외면에는 추가적으로 케이싱 회전날개(73)가 감겨진 형태로 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일.
   
4. 삭제
5. 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 헬리컬 파일(1)은, 파일본체(10)의 내부에 동력축 결합부재(30)가 구비되어, 상기 동력축 결합부재(30)를 중심으로 상기 파일본체(10)는 길이 방향으로 본체부(10b)와, 상기 회전날개(20)가 구비되어 있는 선단부(10a)로 구분되고, 상기 동력축 결합부재(30)에는 돌기결합 오목부(31)가 형성되어 있는 구성을 가지며;
   상기 선단부(10a)가 지중을 향하도록 파일본체(10)를 연직하게 배치하는 단계;
   상기 파일본체(10)의 중공으로, 하단에 결합돌기(51)가 구비된 회전구동 동력축(50)이 진입하여 상기 결합돌기(51)가 상기 오목부(31)에 끼워져서 연직방향의 삽입 및 인출은 가능하지만 상대적인 회전이 이루어지지 않는 상태로 결합하는 단계;
   모터(M)에 의해 상기 회전구동 동력축(50)을 회전시켜, 결합돌기(51)와 오목부(31) 간의 결합에 의해 파일본체(10)가 회전구동 동력축(50)과 함께 회전하도록 하여 상기 선단부(10a)가 지반으로 관입되도록 하여 상기 파일본체(10)를 지중에 설치하는 단계; 및
   상기 회전구동 동력축(50)을 상승시켜 상기 결합돌기(51)가 상기 오목부(31)로부터 빠져나오도록 하여 상기 회전구동 동력축(50)을 상기 동력축 결합부재(30)로부터 분리시키고 상기 회전구동 동력축(50)을 인발하여 상기 파일본체(10)로부터 빼내는 단계를 포함하며;
   상기 파일본체(10)의 본체부(10b) 외부에는 파일본체(10)의 외경보다 더 큰 직경을 가지는 통형상의 외부케이싱(71)이 구비되어 있고, 상기 파일본체(10)의 본체부(10b)에는 판부재로 이루어진 케이싱 연결 커플링부재(72)가 일체로 구비되어 있어서, 상기 외부케이싱(71)의 하단은 상기 케이싱 연결 커플링부재(72)와 분리가능한 상태로 결합되어 있으며;
   상기 선단부(10a)룰 지반에 관입하는 단계에서는, 상기 선단부(10a)의 회전에 따라 상기 외부케이싱(71)도 함께 회전하여 지반에 관입되어 설치되며;
   상기 파일본체(10)의 지반 관입 설치 단계 및 상기 회전구동 동력축(50)을 뽑아서 제거한 단계가 완료된 후에는, 상기 외부케이싱(71)의 내면과 파일본체(10)의 본체부(10b) 외면 사이에 형성된 그라우트재 채움공간에 그라우트재를 주입하여 채우고 상기 외부케이싱(71)도 뽑아서 제거함으로써 상기 본체부(10b)의 외면으로 그라우트재에 의한 좌굴보강체(77)를 형성하는 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일의 시공방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 외부 케이싱(71)이 회전할 때 추가적인 관입력이 발생하도록, 상기 외부케이싱(71)의 외면에는 추가적으로 케이싱 회전날개(73)가 감겨진 형태로 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 헬리컬 파일의 시공방법.

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