KR101961655B1 - 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물 및 그 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항만에 설치되는 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물 및 그 시공 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 콘크리트로 구성되고 프리캐스트 공법으로 제작되며, 기시공된 기초사석 위에 거치되는 벽체; 기초사석에 기시공된 항타 말뚝이 관입되도록 벽체의 하단에 구성되는 파일홀; 파일홀의 내부 중 적어도 일부를 밀폐하도록 구성되고, 하단에 항타 말뚝의 관입을 위한 개방구를 포함하며, 개방구를 통해 항타 말뚝이 관입되는 경우에 항타 말뚝을 감싸면서 수용하도록 구성되는 파일캡; 및 파일캡의 내부 일측에 구비되고, 내부에 그라우트를 포함하는 그라우트백;이 제공될 수 있다. 이에 따르면, 일반적인 케이슨식 안벽 또는 블록식 안벽에 비해서 항타 말뚝이 추가되므로, 지지력이 향상되어 콘크리트 구조물의 단면 및 중량을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Description

항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물 및 그 시공방법{QUAY WALL AND CONSTRUCTION METHOD USING DRIVEN PILE AND BOX TYPE PRE-CAST CONCRETE STRUCTURE}

본 발명은 항만에 설치되는 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물 및 그 시공 방법에 관한 것이다.

항만은 선박의 출입, 사람의 승하선, 화물의 하역, 보관 및 처리 등을 위한 시설이 구비된 것을 말하며, 이 같은 기능을 수행하기 위해서는 항내의 정온도를 확보해야 한다. 이러한 정온도를 확보하기 위하여 방파제와 같은 시설이 필요하며, 화물의 하역과 사람의 승하선을 위해 선박 접안용 안벽 시설이 필요하다. 이러한 시설들을 항만 시설이라 통칭한다.

도 1은 종래의 방파제를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 방파제는 일반적으로 소파 블록 피복제의 형태로 구성될 수 있다. 방파제는 외양에 면한 파랑 등 자연 조건이 험한 장소에 건설된다. 축조 공사시에는 기상 및 해상 조건을 파악해서 시공계획을 입안하게 되고, 연안 기상 해상 정보 분배 시스템 등을 활용하여 시공 관리하게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이 소파 블록 피복재를 이용하는 방파제는 소파블록, 속채움이 완료된 케이슨, 피복석, 기초사석 마운드 등으로 구성될 수 있다.

안벽은 통상 선박에 접하는 벽면과 그 뒤로 토압에 견딜 수 있는 벽상 구조를 하고 있고, 구조 양식에 따라 중력식, 널말뚝식, 선박식, Cell식, 잔교식, 계선부표식 등으로 구분된다. 도 2는 종래의 중력식 안벽 중 케이슨 안벽을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중력식 안벽 중 케이슨 안벽은 속채움이 완료된 케이슨, 상부 콘크리트, 포장, 기초사석 마운드, 방사판, 뒷채움석, 방사시트, 뒷채움재 등으로 구성될 수 있다.

케이슨 안벽의 일반적인 시공방법은 다음과 같다. 케이슨의 제작은 주로 도크방식이나 사로 방식의 케이슨 야드에서 제작하는 것이 일반적이었다. 최근에는 부유도크(Floating Dock) 방식의 제작이나 호안위 등에서 제장한 케이슨을 대형 기중기를 통해 이동시키는 사례가 많다. 케이슨의 진수는 도크 내를 비운 상태에서 케이슨을 제작하고 완성 후 물을 채워 끌어내는 방식인 도크방식과 육상에서 제작한 케이슨을 대차로 사로의 상단까지 이동시켜 사로 위를 윈치로 제어한 대차에서 실어서 진수시키는 사로방식이 있다. 부유 도크 방식은 케이슨 제작용 바지선의 일종으로, 떠있는 상태에서 케이슨을 제작하고 완성하면 대선 자체를 가라앉혀 케이슨을 진수시키는 방식이다.

진수 및 부상시킨 케이슨은 로프를 이용하여 예인선으로 거치 현장까지 예항하게 된다. 로프 끌기 방식에는 에두름 방식과 예항환 방식으로 구분될 수 있다. 케이슨의 거치는 예인선, 앵커 블록, 와이어 로프, 윈치, 기중기선 등을 사용하여 수행하게 된다.

이후, 케이슨의 안정화를 위해 거치 직후에 내부가 물에 젖은 상태로 가능한 빨리 속채움을 행한다. 일반적으로 모래가 사용되며, 급속 시공이 요구되는 경우에는 소형 백호우를 사용한다. 이후, 덮개 콘크리트를 시공하게 되는데, 높은 파에 의한 속채움 모래의 유출 가능성을 방지하기 위함이다.

특히, 방파제 시공과 안벽 시공의 차이점은 뒤채움재에 있다.

안벽의 지지력과 관련하여, 대부분의 중력식 안벽은 기초의 지지력 파괴가 전체 구조물의 안정성을 지배하는 파괴모드라고 알려져 있다(Target Probability of Failure of Quay Wall Foundation for Reliability-Based Design, KGS Spring National Conference 2010, Gil-Lim Yoon). 안벽구조물의 파괴는 크게 활동, 전도, 마운드 및 지반지지력, 마운드 직선활동과 원호활동 파괴로 구분된다. 이들 파괴는 단독으로 발생되기도 하지만 많은 경우 두 가지 이상의 파괴모드가 복합적(coupled)으로 일어나는 것으로 알려져 있다. 안벽기초의 지지력 파괴는 구조물의 자중 및 그 상부에 작용하는 하중에 의해 기초지반 상에 유발되는 지반반력이 허용지반반력을 초과할 때 발생한다. 중력식 안벽은 자중, 연직토압 및 상재하중 등의 연직력과 수평토압, 잔류수압, 견인력, 관성력 및 동수압 등의 수평력이 동시에 발생하여 편심 및 경사하중을 받는 항만구조물이다. 이러한 경우, 기초의 지지력에 대한 안정성은 당연히 편심 및 경사하중을 고려하여 검토하여야 한다(해양수산부, 2005). 편심 및 경사하중이 작용하는 항만구조물 기초의 안정검토는 간편 Bishop법 또는 하중분산법에 의해 검토하도록 되어있다.

그러나 종래 케이슨으로 방파제 또는 안벽을 쌓는 방법은 케이슨의 자중을 확보하기 위해서 케이슨 자체의 크기를 크게 하여야 하였다. 이에 따라 운반 상의 제약과 거치나 배열을 하기 위한 제작장의 확보가 문제점이었다. 또한, 계획 시설의 규모나 단면형상에 맞는 개별적인 케이슨의 설계가 요구되었다. 게다가, 케이슨의 자중을 확보하기 위해 케이슨 자체의 크기를 크게 하다보면 위에 기재된 바와 같은 지지력 파괴에 의해 지반 침해 또는 세굴 등의 지반 변형이 발생될 가능성이 높다.

따라서 본 발명은 상기 제시된 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다.

본 발명의 목적은, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 이용하여 케이슨의 경량화를 수행하고, 항타 말뚝으로 지지력이 향상된 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물 및 그 시공 방법을 제공하는데에 있다.

이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.

본 발명의 목적은, 콘크리트로 구성되고 프리캐스트 공법으로 제작되며, 기시공된 기초사석 위에 거치되는 벽체; 상기 기초사석에 기시공된 항타 말뚝이 관입되도록 상기 벽체의 하단에 구성되는 파일홀; 상기 파일홀의 내부 중 적어도 일부를 밀폐하도록 구성되고, 하단에 상기 항타 말뚝의 관입을 위한 개방구를 포함하며, 상기 개방구를 통해 상기 항타 말뚝이 관입되는 경우에 상기 항타 말뚝을 감싸면서 수용하도록 구성되는 파일캡; 및 상기 파일캡의 내부 일측에 구비되고, 내부에 그라우트를 포함하는 그라우트백;을 포함하고, 상기 벽체의 거치 시공 시, 상기 벽체의 자중에 의해 관입된 상기 항타 말뚝이 상기 그라우트백을 압박하면서 상기 그라우트백 내부의 상기 그라우트가 누출되어 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 사이 공간이 그라우팅되는 것을 특징으로 하는, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 제공하여 달성될 수 있다.

또한, 상기 파일캡의 내부에 상기 그라우트백과 상기 항타 말뚝의 사이에 구성되고, 상기 항타 말뚝의 전단을 감싸도록 구성되는 그라우팅 가이드;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 벽체의 하단과 상기 기초사석의 사이에 코퍼댐백을 더 포함하여, 상기 벽체의 수직도를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 목적은, 프리캐스트 공법으로 제조되어, 해저 지반에 기시공된 기초사석 위에 거치되는 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물; 및 상기 기초사석에 기시공된 항타 말뚝;을 포함하고, 상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물은, 벽체; 상기 기초사석에 상기 항타 말뚝이 관입되도록 상기 벽체의 하단에 구성되는 파일홀; 상기 파일홀의 내부 중 적어도 일부를 밀폐하도록 구성되고, 하단에 상기 항타 말뚝의 관입을 위한 개방구를 포함하며, 상기 개방구를 통해 상기 항타 말뚝이 관입되는 경우에 상기 항타 말뚝을 감싸면서 수용하도록 구성되는 파일캡; 및 상기 파일캡의 내부 일측에 구비되고, 내부에 그라우트를 포함하는 그라우트백;을 포함하고, 상기 벽체의 거치 시공 시, 상기 벽체의 자중에 의해 관입된 상기 항타 말뚝이 상기 그라우트백을 압박하면서 상기 그라우트백 내부의 상기 그라우트가 누출되어 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 사이 공간이 그라우팅되는 것을 특징으로 하는, 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물을 제공하여 달성될 수 있다.

또한, 상기 파일캡의 내부에 상기 그라우트백과 상기 항타 말뚝의 사이에 구성되고, 상기 항타 말뚝의 전단을 감싸도록 구성되는 그라우팅 가이드;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 벽체의 하단과 상기 기초사석의 사이에 코퍼댐백을 더 포함하여, 상기 벽체의 수직도를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 안벽, 방파제 또는 해상풍력발전장치의 지지구조물인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 다른 목적은, 해저 지반에 기시공된 기초사석에 시공되는 항타 말뚝과 제1항에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 일구성인 파일캡을 정렬하는 위치 정렬 단계; 상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 하강시키는 구조물 하강 단계; 상기 항타 말뚝이 상기 파일캡에 관입되어, 상기 파일캡의 내부에 구성되는 그라우트백을 압박하는 그라우트백 압박 단계; 및 상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 자중에 의해 상기 그라우트백의 내부에 포함된 그라우트가 상기 파일캡과 관입된 상기 항타 말뚝의 사이 공간에 누출되어 그라우팅되는 그라우팅 단계;를 포함하는, 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물의 시공방법을 제공하여 달성될 수 있다.

또한, 상기 그라우팅 단계는, 상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 일구성인 그라우팅 가이드가 상기 항타 말뚝의 전단을 밀폐하여, 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 사이 공간에 누출되는 그라우트가 상기 항타 말뚝의 전단에 유입되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 그라우팅 단계 이후에, 상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 하단과 상기 기초사석의 사이에 코퍼댐백을 구성하여, 상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 수직도를 조절하는 수직도 조절 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 일반적인 케이슨식 안벽 또는 블록식 안벽에 비해서 항타 말뚝이 추가되므로, 지지력이 향상되어 콘크리트 구조물의 단면 및 중량을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 일반적으로 안벽이나 방파제 시공을 위해서는 블록이나 케이슨을 거치시켜 토압을 지지하게 되므로, 이를 위해 중량이 과다한 구조물을 설치해야했다. 이와 같이, 과도한 중량은 공기와 시공비용의 증대를 야기한다.

둘째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 프리파일링(Pre-piling) 이후 항타 말뚝과 프리캐스트(Pre-cast) 벽체를 결합시키고 속채움 콘크리트를 타설하게 되므로, 현장 타설 방식보다 빠른 시공이 가능해지는 효과가 발생된다.

셋째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 박스형 프리캐스트 콘크리트 벽체를 이용하여 경량화가 가능해지므로, 운반이나 설치가 용이하고, 지반 침하나 세굴 방지에 유리해지는 효과가 발생된다.

넷째, 본 발명의 일실시예에 따르면 파일 항타용 지그를 이용한 항타 말뚝 시공으로 말뚝 설치 위치의 정확도를 높일 수 있는 효과가 발생된다.

다섯째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 구조물의 단면을 최소화하면서도 동일한 구조 저항성을 가질 수 있게 해주는 효과가 발생된다.

여섯째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 파일캡에 의해 케이슨 내부에 해수 유입이 없어 부력이 증대되므로, 기종 공법 대비 리프팅 등의 시공 후 컨트롤이 유리해지는 효과가 발생된다.

일곱째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 파일캡에 의해 가물막의 사용이 불필요하고, 구조물과 항타 말뚝을 고정하기 위한 수중 공사가 수행되지 않아도 되는 효과가 있으므로, 시공비용 절감 및 공기 단축의 효과가 발생된다.

여덟째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 파일캡의 그라우트백 및 그라우팅 가이드에 의해 구조물의 자중만으로 파일캡과 항타 말뚝의 그라우팅이 가능해지는 효과가 발생된다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 방파제,
도 2는 종래의 중력식 안벽 중 케이슨 안벽,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽을 도시한 모식도,
도 4는 도 3의 단면 A-A를 도시한 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 평면 단면도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 거치를 도시한 모식도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 항타 파일에 거치하는 경우의 파일캡의 단면 모식도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 하단 연결부를 도시한 단면 모식도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 상단 연결부를 도시한 단면 모식도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 거치 시, 지반에 경사가 있는 경우를 도시한 단면 모식도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)을 코퍼댐백(30) 위에 시공한 경우를 도시한 단면 모식도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽 시공방법을 도시한 흐름도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 구조물 하강 단계를 세분화한 흐름도,
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 방파제,
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 행상풍력발전장치의 지지구조물을 도시한 것,
도 15, 16, 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파일캡을 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 특정 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 특정 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 이하에서 말뚝, 항타 말뚝, 파일, pile은 혼용될 수 있다.

이하에서는 해상 구조물 중 대표적으로 안벽을 기초로 상세한 설명이 기재되었다. 하지만, 본 발명의 범위는 안벽에 한정되지 않으며, 방파제, 해상풍력발전장치의 지지 구조물 등의 해상 구조물을 포함할 수 있다.

항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽을 도시한 모식도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽(1)은 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10), 파일캡(11), 항타 말뚝(20)을 포함할 수 있다.

박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)은 내부에 콘크리트와 같은 속채움재(100)를 포함할 수 있는 중공의 구조물로 구성되고, 하단에 항타 말뚝(20)이 관입되기 위한 파일홀(파일 수용부)이 구비되게 된다. 파일홀(파일 수용부)은 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 하단을 관통하여 속채움재(100)가 채워지는 내부 공간까지 관통되거나, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 하단을 관통하지 않는 홈으로도 구성될 수 있다. 파일홀은 파일캡(11)에 의해 밀폐되는 구조를 갖게 된다.

안벽을 위한 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)에서 해수면에 접하는 면의 반대면에는 뒤채움재(101)가 채워질 수 있다. 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 하단에는 지반보다 지지력이 강한 기초사석(2)이 시공될 수 있고, 기초사석(2)과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 사이에는 피복재(3)가 구비될 수 있다.

파일캡(11)은 파일홀을 밀폐하도록 구성되어, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)이 기초사석(2) 위에 거치될 때 관입되는 항타 말뚝(20)을 감싸도록 구성될 수 있다. 파일캡(11)의 내부에는 그라우트가 충진되어 있는 그라우트백(Grout bag)과 그라우트(13)가 향타 말뚝 내부에 유입되지 않도록 그라우팅 가이드가 구비될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 파일캡(11)은 강관으로 구성되어 구조물의 하중을 충분히 부담할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 파일캡(11)에 의하면 구조물과 파일캡이 일체화되므로, 속채움재가 채워지는 내부 공간에 대한 배수와 차수 작업이 필요하지 않은 효과가 발생된다.

항타 말뚝(20)은 일정한 간격으로 기초사석(2) 위에 항타된 말뚝(pile)인 프리파일링(pre-piling)을 의미할 수 있다. 항타 말뚝(20)을 정해진 위치에 시공하기 위해 정해진 규격의 지그 프레임인 항타 말뚝 템플레이트가 이용될 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면 항타 말뚝 템플레이트를 이용한 말뚝 시공으로 시공 정확도가 향상될 수 있다. 도 4는 도 3의 단면 A-A를 도시한 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 평면 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 항타 말뚝 템플레이트를 이용하면 파일 설치 위치의 정확도를 향상시킬 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)에는 복수개의 항타 말뚝이 두께방향 및 길이방향으로 정밀하게 정렬될 수 있다. 이는 본 발명의 일실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 이용한 안벽의 성능과 사용연한을 증대시키는 효과를 발생시킬 수 있다.

박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 시공 단계 중 거치와 관련하여, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 거치를 도시한 모식도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 기초사석(2)와 피복재(3)가 완성된 이후에 항타 말뚝(20)을 시공완료한 상태에서, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 파일캡(11)에 항타 말뚝(20)이 관입되도록 위치를 정렬하여 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)을 거치하게 된다. 이때, 도 3에 도시된 바와 달리 파일캡(11) 내부 사단에는 시멘트, 점토, 벤토나이트, 아스팔트, 약액 등과 같은 그라우트가 충진된 그라우트백(12)이 구비되어 있는 것을 확인할 수 있다. 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 거치 이후 도 3에 도시된 속채움재와 뒤채움재를 시공하게 된다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 프리 파일링 이후 프리캐스트 벽체를 결합시키고 속채움재를 타설하게 되므로, 현장 타설보다 빠른 시공이 가능해지는 효과가 발생된다.

파일캡(11)에 대해 구체적으로 살펴보면, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 항타 파일에 거치하는 경우의 파일캡의 단면을 도시한 것이다. 도 6의 좌측에 도시된 바와 같이, 파일캡(11) 내부 상단에는 고무 혹은 직물재료로 구성되어 그라우트(13)가 충진된 그라우트백(12)이 구비되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그라우트백(12)의 하단에는 그라우팅 가이드(14)가 구비될 수 있다. 즉, 그라우팅 가이드(14)는 그라우트백(12)과 항타 말뚝(20)의 사이에 구비되게 되는 것이다. 그라우팅 가이드(14)는 쉽게 만곡 혹은 절곡(bending)되지 않도록 HDPE와 같은 고밀도, 고강도 수지 재질로 구성될 수 있고, 항타 말뚝(20)의 직경보다 넓은 직경으로 구성되어 항타 말뚝(20)의 전단을 포함하는 면적을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 그라우팅 가이드(14)는 파일캡(11)의 내부에 그라우트가 퍼질 수 있도록 파일캡(11) 내부단면을 모두 밀폐하지 않고 일부만을 점유하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 일실시예로는 단순히 파일캡(11)의 내부단면 직경보다 작게 그라우팅 가이드(14)의 직경이 구성되는 것을 예로 들 수 있다.

도 6의 우측에 도시된 바와 같이, 파일캡(11) 내부에 항타 말뚝(20)이 완전히 관입되면, 그라우팅 가이드(14)가 압력을 받고 그라우트백(12)에 이 압력이 전달되면서 그라우트백(12)의 일부가 팽창하여 폭발/파손/파열되게 된다. 이때, 그라우트백(12)의 내부에 존재하는 그라우트가 파일캡(11)과 항타 말뚝(20) 사이의 공간에 퍼지게 되면서 자동으로 그라우팅 시공이 되는 효과가 발생되게 된다. 이에 의해 항타 말뚝(20)과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물이 그라우팅 시공으로 일체화되는 효과가 발생된다. 이때, 그라우팅 가이드(14)는 그라우트(13)가 항타 말뚝(20)의 내부로 들어가는 것을 방지해주는 효과를 발생시킨다.

본 발명의 일실시예에 따른 그라우트백(12)과 그라우팅 가이드(14)가 파일캡(11)의 내부 상단에 구비되지 않는다면, 상당한 공기와 자금을 투입하여 파일캡(11) 내부를 그라우팅해야 하는 문제가 발생되는 것이다. 즉, 본 발명의 일실시예에 따른 그라우트백(12)과 그라우팅 가이드(14)에 따르면, 수중 작업이 별도로 필요하지 않은 효과가 발생된다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 하단 연결부를 도시한 단면 모식도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10, 10')은 상호 암수결합부(15)를 통해 강고하게 연결될 수 있다. 또한, 암수결합부(15)는 그라우트(13)로 고정될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 상단 연결부를 도시한 단면 모식도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10, 10')은 상호 ㄱ자 접합부(16)를 통해 연결될 수 있다. 또한, ㄱ자 접합부(16)는 그라우트(13)로 고정될 수 있다.

일반적으로 프리캐스트 부재의 접합은 Wet joint, 용접이나 슬리브 같은 Dry joint, Bar connection sleeve 등을 이용하게 되는데, 본 발명의 일실시예에 따라 암수결합부 또는 ㄱ자 접합부를 이용하게 되면, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)간의 결합이 보다 강고해지는 효과가 발생된다.

본 발명의 다른 실시예와 관련하여, 본 발명의 일실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽은 코퍼댐백(cofferdam bag, 30)을 더 포함할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 거치 시, 지반에 경사가 있는 경우를 도시한 단면 모식도이다. 일반적으로 지반 불균형 등의 원인으로 기초사석에 경사가 발생된 경우에는 안벽이나 방파제의 수직도를 안정적으로 시공하는 것이 상당히 어려운 작업이다. 하지만, 본 발명의 일실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 지반 불균형 등의 원인으로 기초사석(2)과 피복재(3)가 특정 경사를 갖도록 시공된 경우에도 항타 말뚝(20)에 의해 안정적으로 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)을 거치하고 수직도를 유지할 수 있다. 게다가, 코퍼댐백(30)을 활용하면 안벽이나 방파제의 시공에 있어서 보다 향상된 안정성을 보장할 수 있게 되는 효과가 발생된다. 게다가, 시공 이후에 지반 불안정에 의해 지반의 경사가 변화하는 경우가 많이 있는데, 코퍼댐백(30)을 이용하면 시공 이후에도 지반의 경사 변화에 맞게 구조물의 수직도를 조절할 수 있게 되는 효과가 발생된다. 종래에는 크레인을 통해 다시 구조물을 인양하고 기초사석을 보강한 뒤에 다시 구조물을 거치해야했었다. 이와 같은 구조물의 연직 지지력은 주면 지지에 의한 하중 분담이 작고 거의 저면에서 부담하게 된다. 따라서, 지내력이 확보되는 지지층이 매우 중요하고, 사질토나 점토로 구성되는 해양 토질의 특성에 따라 지반 붕괴, 세굴의 가능성이 높다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)을 코퍼댐백(30) 위에 시공한 경우를 도시한 단면 모식도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 거치 시 지반에 경사가 있더라도 안정적으로 안벽을 시공을 완료할 수 있는 효과가 발생된다. 기존에는 지반 불균형 등의 원인으로 지반에 경사가 발생된 경우에는 많은 공기와 자금을 투입하여 기초사석을 수평하게 가져가는데 집중할 수밖에 없었다. 왜냐하면, 본 발명의 일실시예에 따른 코퍼댐백(30)을 이용하는 경우 안벽의 하단에서 슬립(slip)이 발생하여 불안정성이 증대되었기 때문이다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면 기초사석에 투입되던 공기와 자금이 저감되는 효과가 발생되게 된다.

항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽 시공방법

항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽 시공방법과 관련하여, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽 시공방법을 도시한 흐름도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 항타 말뚝 시공단계(S10), 구조물 제작단계(S11), 진수 단계(S12), 항타 말뚝 관입단계(S13), 구조물 하강 단계(S14), 가거치 단계(S15), 속채움 단계(S16)를 포함할 수 있고, 경우에 따라 지반 경사 불균일 판단 단계(S15a), 수직도 조절 단계(S15b)를 더 포함할 수 있다.

항타 말뚝 시공단계(S10)는 기초사석(2)에 항타 말뚝 템플레이트를 이용하여 항타 말뚝(20)을 시공하는 단계이다. 도 3, 4, 5, 9, 10에는 구조물의 두께방향으로 2열, 길이방향으로 복수 행으로 항타 말뚝(20)이 시공된 것이 도시되었으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

구조물 제작단계(S11)는 구조물 제작을 위한 육상의 제작장 또는 부유 도크(Flouting dock) 등에서 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)을 제작하는 단계이다. S11과 S10의 순서는 바뀌거나 동시에 진행될 수 있으며, 이는 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. S11에서는 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)을 제작하기 때문에, 동일한 방법으로 연속으로 빠르게 제작하는 것이 가능해지는 효과가 발생된다.

진수 단계(S12)는 제작된 구조물을 육상 제작장으로부터 외해 쪽으로 예항하여 진수하고, 예인선으로 거치 현장까지 예항하는 단계이다. 부유 도크를 이용하는 경우에는 인근해에서 구조물을 제작하고, 완성되면 바지선 자체를 가라앉혀 진수하게 된다.

구조물-항타 말뚝 위치 정렬단계(S13)는 제작된 구조물을 기초사석(2)이 시공된 거치 장소에서 항타 말뚝(20)과의 위치를 정렬시키는 단계이다.

구조물 하강 단계(S14)는 내부 급수를 통해 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)을 하강시켜 항타 말뚝(20)을 파일캡(11)에 관입시키는 단계이다. 이때, 그라우팅 가이드(14)와 그라우트백(12)에 의해 구조물의 자중만으로 자동으로 파일캡(11)의 내부 그라우팅이 수행된다. 이에 따르면, 그라우팅을 위한 잠수부나 파이프가 필요없는 효과가 있다. 주수 펌프에 의해 1차 주수를 하게 되고, 1차 주수 완료의 목표는 구조물의 저면이 기초사석(2) 위 10cm~20cm가 되는 상태로 할 수 있다. 이후, 위치의 확인 및 미세 조정을 수행한다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 구조물 하강 단계를 세분화한 흐름도를 도시한 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, S14는 세부적으로 그라우트백 압박단계(S14a)와 그라우팅 단계(S14b)를 포함할 수 있다. 그라우트백 압박 단계(S14a)는 항타 말뚝이 파일캡에 관입되어, 파일캡의 내부에 구성되는 그라우트백을 압박하는 단계이다. 그라우팅 단계(S14b)는 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 자중에 의해 그라우트백의 내부에 포함된 그라우트가 파일캡과 관입된 항타 말뚝의 사이 공간에 누출되어 파일캡(11)과 항타 말뚝(20)이 그라우팅되는 단계이다.

가거치 단계(S15)는 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)을 완전히 하강시켜 구조물을 착저시키고, 파일캡(11) 두부에 항타 말뚝(20)을 가거치하는 단계이다.

속채움 단계(S16)는 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 내부 공간을 중량물로 채워 구조물의 착저를 안정화시키는 단계이다. 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물(10)의 거치 직후에는 구조물이 중량이 작고 극히 불안정한 상태이므로 가능한 빨리 속채움이 수행되는 것이 일반적이다. 일반적으로 모래가 사용되고, 급속 시공이 요구되는 경우에는 소형 백호우가 사용된다. 이후 덮개 콘크리트가 시공되어 속채움재의 유출이 방지된다. 이후, 잡석 등으로 구성되는 뒤채움재가 투입되게 된다.

지반 경사 불균일 판단 단계(S15a)는 지반 경사 불균일 여부를 속채움 이전에 판단하여, 코퍼댐백(30)의 설치 및 S15b의 수행 여부를 결정하는 단계이다.

수직도 조절 단계(S15b)는 코퍼댐백(30)을 이용하여 기초사석(2)을 보강하지 않고도 거치 사후적으로 수직도를 조절할 수 있는 단계이다. 이에 따르면 기초사석의 보강에 투입되던 공기와 자금이 저감되는 효과가 발생되게 된다.

실시예

위의 상세한 설명은 안벽을 기준으로 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 결합에 대해 설명하였다. 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 방파제, 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 행상풍력발전장치의 지지구조물을 도시한 것이다. 도 13, 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 결합은 안벽, 방파제, 해상풍력발전장치의 지지구조물, 각종 기초 구조물 등에 이용될 수 있다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파일캡의 구성을 도시한 모식도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파일캡은 파일캡(11)의 상부 내측에 그라우트백(12)의 파괴를 위한 돌기부(110)를 더 포함할 수 있다. 돌기부(110)는 파일(20)의 관입이 어느 정도 이루어진 경우에 그라우트백(12)을 파괴하여 그라우트(13)가 누출될 수 있도록 구성될 수 있다.

도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파일캡의 구성을 도시한 모식도이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파일캡은 파일캡(11)의 내측에 그라우팅 가이드(14)의 진동을 위한 진동가이드부(111)를 더 포함할 수 있다. 진동가이드부(111)와 그라우팅 가이드(14)는 파일(20)이 관입되어 그라우트(13)가 누출된 이후에 그라우트(13)를 지속적으로 교란시키게 된다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파일캡의 구성을 도시한 모식도이다. 도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파일캡은 파일캡(11)의 내측에 그라우트(13)의 교란을 위한 피니언 기어(112)와 래크부(113)를 포함할 수 있다. 피니언 기어(112)는 그라우팅 가이드(14)의 상면에 구성되어 래크부(113)와 접하도록 구성될 수 있고, 래크부(113)는 파일캡(11)의 내측에 구성될 수 있다. 피니언 기어(112)와 래크부(113)에 의하면 그라우팅 가이드(14)가 상승하는 과정에서 피니언 기어(112)가 회전하게 되고, 이에 따라 그라우트(13)가 지속적으로 교란되게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 안벽
2: 기초사석
3: 피복재
10: 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물
11: 파일캡
12: 그라우트백
13: 그라우트
14: 그라우팅 가이드
15: 암수결합부
16: ㄱ자 접합부
20: 항타 말뚝
100: 속채움재
101: 뒤채움재

Claims (10)

1. 프리캐스트 공법으로 제작되고 내부에 속채움재가 시공되는 속채움 공간이 구성되는 박스형의 콘크리트로 구성되며, 기시공된 기초사석 위에 거치되는 벽체;
   상기 벽체의 하단에 구성되고, 상기 기초사석에 프리파일링된 항타 말뚝의 상단이 관입되도록 홈 또는 홀의 형태로 구성되는 파일 수용부;
   상기 파일 수용부의 내부에 상기 파일 수용부의 내벽을 감싸며 고정되도록 구성되고, 상단이 밀폐되어 상기 파일 수용부의 상단을 밀폐하며, 하단에 상기 항타 말뚝의 관입을 위한 개방구를 포함하고, 상기 개방구를 통해 상기 항타 말뚝이 관입되는 경우에 상기 항타 말뚝의 외측과 상단을 감싸면서 상기 항타 말뚝을 수용하도록 구성되는 파일캡; 및
   상기 파일캡의 내부 일측에 구비되고, 내부에 그라우트를 포함하는 그라우트백;
   을 포함하고,
   상기 벽체의 거치 시공 시, 상기 항타 말뚝의 프리파일링 이후 상기 벽체를 상기 항타 말뚝에 결합시키면 상기 벽체의 자중에 의해 관입된 상기 항타 말뚝과 상기 파일캡이 상기 그라우트백을 압박하면서 상기 그라우트백이 파열되고, 상기 그라우트백 내부의 상기 그라우트가 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 사이 공간에 누출되어 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 상기 사이 공간이 그라우팅 되며, 상기 벽체와 상기 항타 말뚝이 일체화 되는 것을 특징으로 하는,
   박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물.
   
2. 프리캐스트 공법으로 제작되고 내부에 속채움재가 시공되는 속채움 공간이 구성되는 박스형의 콘크리트로 구성되며, 기시공된 기초사석 위에 거치되는 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물; 및
   상기 기초사석에 프리파일링된 항타 말뚝;
   을 포함하고,
   상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물은,
   벽체;
   상기 벽체의 하단에 구성되고, 상기 기초사석에 프리파일링된 항타 말뚝의 상단이 관입되도록 홈 또는 홀의 형태로 구성되는 파일 수용부;
   상기 파일 수용부의 내부에 상기 파일 수용부의 내벽을 감싸며 고정되도록 구성되고, 상단이 밀폐되어 상기 파일 수용부의 상단을 밀폐하며, 하단에 상기 항타 말뚝의 관입을 위한 개방구를 포함하고, 상기 개방구를 통해 상기 항타 말뚝이 관입되는 경우에 상기 항타 말뚝의 외측과 상단을 감싸면서 상기 항타 말뚝을 수용하도록 구성되는 파일캡; 및
   상기 파일캡의 내부 일측에 구비되고, 내부에 그라우트를 포함하는 그라우트백;
   을 포함하고,
   상기 벽체의 거치 시공 시, 상기 항타 말뚝의 프리파일링 이후 상기 벽체를 상기 항타 말뚝에 결합시키면 상기 벽체의 자중에 의해 관입된 상기 항타 말뚝과 상기 파일캡이 상기 그라우트백을 압박하면서 상기 그라우트백이 파열되고, 상기 그라우트백 내부의 상기 그라우트가 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 사이 공간에 누출되어 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 상기 사이 공간이 그라우팅 되며, 상기 벽체와 상기 항타 말뚝이 일체화 되는 것을 특징으로 하는,
   항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물은, 안벽, 방파제 또는 해상풍력발전장치의 지지구조물인 것을 특징으로 하는,
   항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물.
   
4. 해저 지반에 기시공된 기초사석에 프리파일링되는 항타 말뚝과 제1항에 따른 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 일구성인 파일캡을 정렬하는 위치 정렬 단계;
   상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 하강시키는 구조물 하강 단계;
   상기 항타 말뚝이 상기 파일캡에 관입되고, 상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 일구성인 벽체의 자중에 의해 상기 항타 말뚝과 상기 파일캡이 상기 파일캡의 내부에 구성되는 상기 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물의 일구성인 그라우트백을 압박하는 그라우트백 압박 단계; 및
   상기 벽체의 자중에 의해 상기 그라우트백이 파열되고, 상기 그라우트백의 내부에 포함된 그라우트가 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 사이 공간에 누출되어 상기 파일캡과 상기 항타 말뚝의 상기 사이 공간이 그라우팅 되며, 상기 벽체와 상기 항타 말뚝이 일체화 되는 그라우팅 단계;
   를 포함하는,
   항타 말뚝과 박스형 프리캐스트 콘크리트 구조물을 결합한 해상 구조물의 시공방법.
   
5. 삭제
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