KR102037274B1 - 지중 관체 부분 변형 장치 및 이를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관체(管體)(10)와 직교하는 방향으로 신축되는 신축체(20)와, 신축체(20)의 단부에 설치되어 신축체(20)가 신축됨에 따라 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동되는 압박체(30)로 구성되는 지중 관체 부분 변형 장치 및 이를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법으로서, 지반에 관입된 관체(10) 내부로 지중 관체 부분 변형 장치를 투입한 후 가동하여 관체(10)에 변형부(11)를 형성하는 것이다.
본 발명을 통하여, 현장타설 합성 말뚝의 외주면에 요철을 형성함으로써 말뚝과 지반간 견고한 결합 구조를 구축할 수 있으며, 이로써 말뚝의 지지력을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

Description

지중 관체 부분 변형 장치 및 이를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법{PARTIAL EXTENSION APPARATUS FOR UNDERGROUND PIPE AND COMPOSITE CAST IN PLACE PILE METHOD USING THE SAME}

본 발명은 관체(管體)(10)와 직교하는 방향으로 신축되는 신축체(20)와, 신축체(20)의 단부에 설치되어 신축체(20)가 신축됨에 따라 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동되는 압박체(30)로 구성되는 지중 관체 부분 변형 장치 및 이를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법으로서, 지반에 관입된 관체(10) 내부로 지중 관체 부분 변형 장치를 투입한 후 가동하여 관체(10)에 변형부(11)를 형성하는 것이다.

현장타설 말뚝은 기성(旣成) 말뚝과 대비되는 말뚝기초의 일종으로서, 도 1에서와 같이, 기 천공된 굴착공 또는 기 관입된 케이싱(19) 내부로 콘크리트를 타설한 후 양생하여 구성하게 되며, 기성 말뚝과는 달리 지반에 완성된 말뚝 구조체를 타입(打入)하는 공정이 불필요하므로, 항타(杭打)과정에서 유발되는 소음이나 진동을 방지할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 말뚝기초는 선단지지력(先端支持力)과 주면마찰력(柱面摩擦力)에 의하여 말뚝 상부 구조물의 하중이나 지하수로 인한 지중구조물의 부압(浮壓)에 저항하게 되므로, 소기의 지지력을 발현하는 암반층 이상의 굴착심도를 확보하거나, 암반층이 지나치게 깊은 경우 소정길이 이상의 근입장(根入長)을 확보하여야 한다.

또한 말뚝은 단순히 상부 하중을 지반에 전달하는 구조체로서 거동하는 것 뿐 아니라 그 자체가 일종의 장주(長柱)형 구조물로서 축방향 압축, 횡방향 휨 및 좌굴응력에 저항하여야 하는 바, 도 1에서와 같이, 통상 콘크리트 본체 내부에 보강재로서 철근(99) 또는 철골을 매입하게 된다.

한편, 이러한 보강재 구성 현장타설 말뚝의 일종으로서 강관(鋼管)을 지반에 관입시킨 후 강관을 존치한 상태에서 콘크리트를 타설 및 양생하는 현장타설 강관 합성 콘크리트 말뚝이 개발된 바 있으며, 관련 종래기술로서 공개특허 제2018-9196호 등을 들 수 있다.

공개특허 제2018-9196호를 비롯한 종래의 현장타설 합성 말뚝은 주 보강재가 말뚝에 매입되는 전통적인 현장타설 말뚝과 달리 보강재인 강관이 말뚝을 피복하는 구조를 가지는 것으로, 지반에 관입된 강관이 타설되는 콘크리트의 거푸집 역할과 보강재 역할을 겸비하게 되며, 매입식 보강재에 비하여 말뚝 구조체 자체의 구조적 강성 확보에는 유리한 것으로 알려져 있다.

전통적인 현장타설 말뚝에서는 도 1에서와 같이, 굴착장비(90)에 장착된 오거 등의 굴진체(91)를 이용하여 지반을 굴착, 천공하되, 굴진체(91)의 굴진과 동반하여 굴착공의 공벽을 유지하는 케이싱(19)이 관입되고, 케이싱(19) 하단이 목표 심도에 도달하면 굴진체(91)를 철수하고 철근(99) 등의 보강재를 케이싱(19) 내부로 투입한 후, 도면상 도시되지는 않았으나 굴착공 내부로 콘크리트를 타설하는 것으로, 이때 케이싱(19)은 콘크리트의 타설 직전에 인발되거나, 콘크리트의 타설과 동시에 인발되거나 또는 콘크리트의 타설이 완료된 직후 인발되는 방식으로 회수된다.

즉, 전통적인 현장타설 말뚝의 시공에 있어서 케이싱(19)은 공벽 유지 목적으로 활용되는 임시 구조물로서 최종 단계에서 회수되어 재사용되는 반면, 현장타설 강관 합성 말뚝에 있어서 강관은 보강재로서 영구 존치되는 차이점이 있는 것이다.

이러한 전통적인 케이싱(19) 회수형 현장타설 말뚝과 현장타설 강관 합성 말뚝은 어느 한쪽이 절대적으로 유리한 공법이라 할 수는 없는 것으로, 각각의 장단점을 감안하여 제반 여건에 따라 적용되는 공법이라 할 수 있다.

우선, 전통적인 케이싱(19) 회수형 현장타설 말뚝은 타설되는 콘크리트와 지반이 직접 접촉되는 구조로서 완성된 말뚝에 있어서 주면마찰력 확보가 용이할 뿐 아니라, 고가 자재인 케이싱(19)의 회수 및 재사용을 통하여 공사비를 절감할 수 있는 반면, 말뚝 구조체 자체의 강성이 상대적으로 취약하고, 케이싱(19)의 인발 및 재사용 공정의 수행 과정에서 시공 속도가 저하되는 문제점이 있다.

반면, 현장타설 강관 합성 말뚝은 전술한 바와 같이 말뚝 구조체 자체의 구조적 강성 확보에 유리한 바, 선단지지력이 충분히 확보되는 지반에서는 말뚝의 단면적을 축소하거나 시공 본수를 감축할 수 있으나, 말뚝과 지반간 접촉면이 강관 표면에 형성되는 바 주면마찰력 확보에 있어서 불리하다.

특히, 현장타설 강관 합성 말뚝의 시공에 있어서, 최초 굴착공 천공시 굴진체(91)와 동반 관입되는 케이싱(19)과 말뚝 보강용 강관이 별도로 구성될 수 있으며, 이 경우 케이싱(19) 내부로 보강용 강관을 투입한 후, 케이싱(19)을 인발, 철수하게 되는데, 이렇듯 굴진용 케이싱(19)과 보강용 강관이 별도로 구성되면 강관과 굴착공 공벽간 공동이 형성되거나, 말뚝 주변 지반에 상당한 교란이 유발될 수 밖에 없는 바, 실질적인 주면마찰력은 기대할 수 없게 된다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 투입되고 관체(10)와 직교하는 방향으로 신축되는 신축체(20)와, 신축체(20)의 단부에 설치되어 신축체(20)가 신축됨에 따라 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동되는 압박체(30)로 구성되어, 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 신축체(20) 및 압박체(30)가 신축체(20)가 수축된 상태로 투입되고, 신축체(20)가 신장됨에 따라 압박체(30)가 관체(10)를 외측으로 압박하여 압박 부위의 관체(10)가 외측으로 확대되면서 돌출된 변형부(11)가 형성됨을 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치이다.

또한, 상기 신축체(20)는 내부에 경사홈(51)이 형성된 한쌍의 활동판(50)과, 내부에 수직홈(41)이 형성되고 한쌍의 활동판(50)이 자유롭게 활동되도록 결합되는 하우징(40)과, 활동판(50)의 하우징(40) 결합부 타측 단부에 설치되는 압박체(30)와, 수직홈(41) 및 경사홈(51)의 중첩부에 결합되는 승강봉(42)과, 하우징(40)에 장착되어 관체(10)와 평행한 방향으로 승강되는 승강구동체(45)와, 승강봉(42) 및 승강구동체(45)를 연결하는 승강판(43)으로 구성되어, 승강구동체(45)에 의하여 승강판(43) 및 승강봉(42)이 승강됨에 따라 승강봉(42)이 경사홈(51)을 압박하고, 활동판(50) 및 압박체(30)가 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동됨을 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치이다.

또한, 상기 신축체(20)는 관체(10)와 평행한 방향으로 상호 근접 및 이격되는 상부구동체(61) 및 하부구동체(62)와, 일단은 상부구동체(61)에 힌지 연결되고 타단은 하부회동판(72)에 힌지 연결되는 상부회동판(71)과, 일단은 하부구동체(62)에 힌지 연결되고 타단은 상부회동판(71)에 힌지 연결되는 하부회동판(72)과, 상부회동판(71) 및 하부회동판(72)간 연결부에 설치되는 압박체(30)로 구성되어, 상부구동체(61) 및 하부구동체(62)가 상호 근접 및 이격됨에 따라 압박체(30)가 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동됨에 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치이다.

또한, 상기 압박체(30)는 신축체(20)와 연결되는 프레임(37)과, 관체(10)와 평행한 회전축으로 자유롭게 회전될 수 있도록 프레임(37)에 설치되는 로울러(38)로 구성됨을 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치이다.

또한, 상기 지중 관체 부분 변형 장치를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법에 있어서, 지반에 관체(10)를 관입시키는 단계와, 관체(10)가 목표 심도에 도달하면 관체(10) 내부로 신축체(20)가 수축된 상태의 지중 관체 부분 변형 장치를 투입하는 단계와, 지중 관체 부분 변형 장치의 신축체(20)를 신장하여 압박체(30)가 관체(10)를 확대 변형시킴으로써 관체(10)에 변형부(11)를 형성하는 단계와, 신축체(20)를 수축한 후 지중 관체 부분 변형 장치를 관체(10) 외부로 철수하는 단계와, 관체(10)에 콘크리트를 타설 및 양생하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법이다.

또한, 상기 지중 관체 부분 변형 장치를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법에 있어서, 지반에 관체(10)를 관입시키는 단계와, 관체(10)가 목표 심도에 도달하면 관체(10) 내부로 신축체(20)가 수축된 상태의 지중 관체 부분 변형 장치를 투입하는 단계와, 지중 관체 부분 변형 장치의 신축체(20)를 신장하여 압박체(30)의 로울러(38)가 관체(10) 내주면을 외측으로 압박함과 동시에 지중 관체 부분 변형 장치를 회전시켜 관체(10)를 확대 변형시킴으로써 관체(10)에 변형부(11)를 형성하는 단계와, 신축체(20)를 수축한 후 지중 관체 부분 변형 장치를 관체(10) 외부로 철수하는 단계와, 관체(10)에 콘크리트를 타설 및 양생하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법이다.

본 발명을 통하여, 현장타설 합성 말뚝의 외주면에 요철을 형성함으로써 말뚝과 지반간 견고한 결합 구조를 구축할 수 있으며, 이로써 말뚝의 지지력을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

특히, 말뚝을 구성하는 관체(10)가 지반에 관입된 상태에서 관체(10)를 부분 돌출 변형시킬 수 있으므로, 관체(10)의 돌출 부위가 주변 지반을 압축하면서 지반 조직이 치밀화될 수 있으며, 치밀화된 지반에 관체(10)의 돌출 부위가 결합됨으로써, 일층 강화된 결속력이 발현될 수 있다.

이로써, 현장타설 합성 말뚝 특유의 구조적 강성을 유지하면서도 주면마찰력 내지 결속력을 획기적으로 향상시킬 수 있어, 말뚝 기초의 성능을 제고하고 상부 구조물의 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 종래의 현장타설 말뚝 시공 과정 설명도
도 2는 본 발명의 시공 과정 설명도
도 3은 본 발명 장치의 작동 방식 설명도
도 4는 본 발명 장치의 사시도
도 5는 본 발명 장치의 단일 신축체 실시예 분해 사시도
도 6은 본 발명 장치의 작동 상태 평면도
도 7은 본 발명 장치의 변형된 실시예 사시도
도 8은 본 발명 장치의 활동판 적용 실시예 사시도
도 9는 도 8 실시예의 분해 사시도
도 10은 도 8 실시예의 작동 방식 설명도
도 11은 본 발명 장치의 회동판 적용 실시예 사시도
도 12는 도 11 실시예의 작동 방식 설명도
도 13은 도 11 실시예의 변형된 실시예 사시도
도 14는 본 발명 장치의 로울러 적용 실시예 사시도
도 15는 도 14 실시예의 작동 방식 설명도

본 발명의 상세한 구성 및 수행 과정을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 2는 본 발명의 시공 과정을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 지반에 관입된 관체(10) 내부로 신축체(20) 및 압박체(30)로 구성된 본 발명의 지중 관체 부분 변형 장치를 투입하여 관체(10)에 변형부(11)를 형성한 후, 관체(10) 내부에 콘크리트를 타설 및 양생함으로써 본 발명이 적용된 현장타설 말뚝이 완성된다.

즉, 본 발명은 사전에 부분 확경(擴徑) 내지 변형된 관체(10)를 지반에 타입하거나, 굴착공을 부분적으로 추가 굴착함으로써 현장타설 말뚝에 요철을 형성하는 것이 아니라, 관체(10)가 지반에 관입된 상태에서 관체(10) 내부로 지중 관체 부분 변형 장치를 투입하여 관체(10)를 내측에서 외측으로 압박함으로써 해당 부위에 변형부(11)를 형성하는 것이다.

따라서, 사전에 요철 가공된 관체(10)를 지반에 관입시키는 경우 불가피한 극심한 관입 저항, 주변 지반의 교란 및 이로 인한 주면마찰력 상실이 본 발명에서는 일체 수반되지 않으며, 관체(10)의 존치 상태에서 현장타설 말뚝에 부분적인 확대부 내지 요철을 형성할 수 있는 바, 종래기술에서는 현장타설 말뚝의 부분 확경이 불가능하였던 연약지반 등의 악조건에서도 적용이 가능하다.

종래의 부분 확경식 현장타설 말뚝은 케이싱(19) 없이도 자력으로 굴착공의 공벽이 유지되는 지반에 한하여 적용 가능한 것으로, 공벽 지반이 노출된 상태의 굴착공에 특수 굴착기를 투입하여 굴착공 일부 구간의 공벽에 대한 측방 추가 굴착을 실시하는 방식으로 진행되었는 바, 사실상 극히 안정적인 암반 지반에 대하여만 적용이 가능하였다.

특히, 굴착공 공벽에 대한 측방 추가 굴착과정에서 발생되는 토사 및 슬라임(slime) 등의 배토가 곤란하여, 이들 토사 및 슬라임이 굴착공 하단에 잔류될 수 밖에 없었으며, 이는 현장타설 말뚝의 구조체 자체의 강도는 물론 선단지지력을 심각하게 훼손하는 요인으로 작용하였을 뿐 아니라, 공벽의 측방 굴착시 상당한 진동 및 충격이 수반될 수 밖에 없는 바, 상부 지반의 붕락이 빈발하는 심각한 문제점이 있었다.

반면, 본 발명에서는 도 2 및 도 3에서와 같이, 관체(10)가 지반에 관입된 상태에서 관체(10) 및 굴착공에 대한 부분 확대가 진행되는 바, 굴착공 공벽 유지 여부 등 지반 조건에 관계 없이 적용이 가능할 뿐 아니라, 배토 및 붕락 관련 문제가 전혀 발생되지 않으며, 동 도면에서와 같이 다수의 변형부(11)를 자유롭게 형성할 수 있다.

이렇듯, 본 발명은 도 3에서와 같이, 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 신축체(20) 및 압박체(30)로 구성되는 지중 관체 부분 변형 장치를 투입하여 압박체(30)가 관체(10)를 내측에서 외측으로 압박하여 강제 변형시킴으로써 단면이 확대된 변형부(11)를 형성하는 것으로, 이러한 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 기본 구성이 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

도 3 및 도 4에서와 같이, 본 발명의 지중 관체 부분 변형 장치는 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 투입되고 관체(10)와 직교하는 방향으로 신축되는 신축체(20)와, 신축체(20)의 단부에 설치되어 신축체(20)가 신축됨에 따라 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동되는 압박체(30)로 구성된다.

도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 있어서 신축체(20)로는 유압실린더 등의 유체압 실린더가 적용되었는데, 이 밖에도 축방향 신축 내지 왕복이 가능한 다양한 방식의 액튜에이터(actuator)가 신축체(20)로서 적용될 수 있다.

이러한 본 발명의 지중 관체 부분 변형 장치는 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 신축체(20) 및 압박체(30)가 투입되되, 도 4의 좌측에서와 같이 신축체(20)가 수축된 상태로 투입되고, 동 도면의 우측에서와 같이 신축체(20)가 신장됨에 따라, 도 3에서와 같이 압박체(30)가 관체(10)를 외측으로 압박하여 압박 부위의 관체(10)가 외측으로 확대되면서 돌출된 변형부(11)가 형성된다.

도 3 및 도 4에 도시된 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 실시예에 있어서 신축체(20)는 좌, 우 한쌍이 구성되어 있으며 각각의 말단에 압박체(30)가 힌지 연결되는데, 압박체(30)는 평면상 완만하게 만곡된 판체이며, 신축체(20)와 압박체(30)를 연결하는 힌지의 회전축은 관체(10)와 평행을 이룬다.

여기서 관체(10)와 평행을 이룬다는 의미는 관체(10)의 중심축과 평행을 이룬다는 의미로서 수직으로 지반에 관입되는 관체(10)의 경우 상기 신축체(20)와 압박체(30)를 연결하는 힌지 역시 수직 회전축을 가지게 된다.

이렇듯, 압박체(30)와 신축체(20)를 관체(10)와 평행한 회전축의 힌지로 연결함으로써 신축체(20)에 대한 축방향 응력 이외의 응력 즉, 휨 또는 비틀림 응력의 형성을 최소화할 수 있는데, 이는 관체(10) 내주면의 곡면을 따라 압박체(30)가 자유롭게 회전 내지 활동(sliding)되면서 압박체(30)에 의한 압박력의 작용 중심선, 신축체(20)의 중심축 및 관체(10)의 평면상 중심이 자연스럽게 일치되기 때문이다.

만일, 압박체(30)와 신축체(20) 말단부가 강결된다면 신축체(20)의 중심축이 관체(10)의 중심에서 이탈될 경우 압박체(30)에 의한 압박력의 작용 중심선과 신축체(20)의 중심선간 경사가 형성되면서 신축체(20)에 휨 및 비틀림 응력이 형성될 수 밖에 없으며, 이는 신축체(20)의 성능 및 내구성을 잠식하는 요소로 작용하게 된다.

특히, 신축체(20)로서 유체압 실린더가 적용되는 경우 상기와 같은 휨 및 비틀림 응력은 장기적으로 유체압 실린더의 피스톤 로드(95)의 변형 및 그에 따른 출력 손실 및 작동유체(作動流體) 누출을 초래하게 되는 바, 전술한 바와 같은 본 발명의 압박체(30) 및 신축체(20)간 힌지 연결 구조를 통하여 지중 관체 부분 변형 장치의 성능 및 내구성을 확보할 수 있게 된다.

한편, 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치에서는 신축체(20)가 로드(95)에 연결되고 있는데, 로드(95)는 지상의 장비와 신축체(20)를 연결하는 연결관으로서, 다수의 단위 로드(95)가 연결되는 방식으로 총 연장이 조절될 수 있으며, 신축체(20)로서 유체압 실린더가 적용되는 경우 유체압 실린더의 작동유체 배관이 로드(95)에 내장될 수도 있다.

즉, 본 발명의 로드(95)는 파일드라이버 또는 크레인 등의 지상 장비와 신축체(20)를 연결하는 구성으로서, 신축체(20)가 유압실린더인 경우 이를 구동하는 작동유체 배관이 내장될 수 있으며, 로드(95)를 통하여 지상으로 연결되는 작동유(作動油) 배관은 도면상 도시되지는 않았으나 작동유를 압송하는 유압 펌프 등과 연결되어 신축체(20)를 구동하게 된다.

다만, 도면상 도시된 연결관 형태의 로드(95) 외에도 강연선(鋼撚線) 또는 체인 등의 선재(線材)를 통하여 지상의 장비와 신축체(20)를 연결할 수도 있으며, 이 경우 작동유체 배관은 선재에 간헐적으로 결속된 상태로 연결될 수 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 실시예에 있어서 신축체(20)는 로드(95)를 기준으로 좌측 및 우측에 각각 별도의 신축체(20)가 대칭으로 장착되는데, 이들 각각의 신축체(20) 말단에 설치된 압박체(30)가 관체(10)와 직교하는 방향으로 관체(10) 내주면을 압박하기 위해서는 로드(95)의 수직도 및 평면상 위치가 정확하게 유지될 필요가 있으며, 이를 위하여 양측 신축체(20)의 신장량을 정밀하게 개별 조절할 필요가 있다.

이에, 본 발명에서는 도 5에서와 같이, 활동공(81)이 형성된 장착판(80)에 단일 신축체(20)가 결합되어 신축체(20)가 장착판(80)의 활동공(81)에 결합된 상태로 자유롭게 활동될 수 있도록 하였으며, 이로써 양측 신축체(20)를 정밀하게 개별 구동하거나 양측 신축체(20)를 정확하게 동조(同調)시키지 않고도 신장량의 편중 없는 신축체(20)의 작동이 가능하게 된다.

도 6은 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 작동 상태를 도시한 평면도로서, 동 도면에서 가상선으로 도시된 바와 같이, 단일 지점에서 지중 관체 부분 변형 장치를 회전시키면서 신축체(20) 및 압박체(30)를 가동하여, 다수의 변형부(11)를 방사상(放射狀)으로 형성할 수 있으며, 이러한 작동을 반복함으로써 관체(10) 평단면이 전체적으로 확경된 형태의 변형부(11)를 형성할 수도 있다.

특히, 도 7에서와 같이, 평면상 등각(等角) 방사상으로 배열되는 다수의 신축체(20) 및 압박체(30)를 증설 구성함으로써 도 6에서와 같은 변형부(11) 형성을 일층 신속하게 수행할 수도 있다.

한편, 도 8 내지 도 13은 다양한 구성의 신축체(20)가 구성된 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 실시예를 도시한 것으로서, 도 8 내지 도 10은 신축체(20)에 활동판(50)이 적용된 실시예를 도시하고 있으며, 도 11 내지 도 13은 신축체(20)에 회동판이 적용된 실시예를 도시하고 있다.

본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 활동판(50) 적용 실시예는 도 8 및 도 9에서와 같이, 상호 중첩되는 한쌍의 활동판(50)이 관체(10)와 직교하는 방향으로 왕복 이동하면서 신축체(20)가 신축되는 것으로, 신축체(20)는 내부에 경사홈(51)이 형성된 한쌍의 활동판(50)과, 내부에 수직홈(41)이 형성되고 한쌍의 활동판(50)이 자유롭게 활동되도록 결합되는 하우징(40)과, 활동판(50)의 하우징(40) 결합부 타측 단부에 설치되는 압박체(30)와, 수직홈(41) 및 경사홈(51)의 중첩부에 결합되는 승강봉(42)과, 하우징(40)에 장착되어 관체(10)와 평행한 방향으로 승강되는 승강구동체(45) 및 승강봉(42) 및 승강구동체(45)를 연결하는 승강판(43)으로 구성된다.

도 9에서와 같이, 한쌍의 활동판(50)이 결합되는 하우징(40)은 양측이 개방된 함체(函體)로서, 함체를 구성하는 수직 판체에 수직홈(41)이 절개 형성되며, 수직홈(41)에는 수직홈(41)에 결합된 상태로 자유롭게 승강 활동되는 승강봉(42)이 결합된다.

하우징(40)의 개방부에는 상호 중첩되는 장방형 판체인 활동판(50) 한쌍이 결합되는데, 하우징(40)의 상부 판체 저면 및 하부 판체 상면이 각각 활동판(50)의 상단 및 하단에 밀착되면서 활동판(50)의 왕복 활동을 유도하게 된다.

또한, 활동판(50)의 내부에는 경사홈(51)이 형성되는데, 상기 하우징(40)의 수직홈(41)과 활동판(50)의 경사홈(51)은 승강봉(42)의 직경과 일치하는 동일한 폭을 가지며, 한쌍의 활동판(50)이 하우징(40)에 결합된 상태에서 각 활동판(50)의 경사홈(51)들과 하우징(40)의 수직홈(41)은 중첩부를 형성하게 되고 이 중첩부에 승강봉(42)이 결합되는 구조가 형성된다.

승강봉(42)과 연결되는 승강판(43)은 U자형 판체로서 승강봉(42)의 양단에 연결되며, 승강판(43)과 하우징(40) 사이에는 승강구동체(45)가 설치되어 승강구동체(45)가 작동함에 따라 승강판(43)이 승강 구동된다.

도시된 실시예에서는 하우징(40)의 하단과 승강판(43) 사이에 유체압 실린더인 승강구동체(45)가 설치되어, 승강구동체(45)가 신장됨에 따라 승강판(43) 및 승강봉(42)이 하강하고 승강구동체(45)가 수축됨에 따라 승강판(43) 및 승강봉(42)이 상승하게 되는데, 이 밖에도 승강판(43) 및 승강구동체(45)가 하우징(40) 상부에 설치될 수도 있으며 이 경우 지중 관체 부분 변형 장치를 지지하는 로드(95)는 하우징(40)이 아닌 승강판(43)에 연결된다.

본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 활동판(50) 적용 실시예에 있어서, 각각의 활동판(50)에 형성되는 경사홈(51)은 도 9 및 도 10에서와 같이, 수직홈(41) 중심선을 축으로 대칭을 이루며, 이로써 승강구동체(45)에 의하여 승강판(43) 및 승강봉(42)이 승강됨에 따라 승강봉(42)이 경사홈(51)을 압박하고, 활동판(50) 및 압박체(30)가 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동하게 된다.

이러한 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치 활동판(50) 적용 실시예의 작동 구조를 통하여, 도 8의 좌측 및 우측에 각각 도시된 신축체(20)의 수축 및 신장 상태가 자유롭게 조절될 수 있으며, 이는 도 10에서와 같이, 승강구동체(45)에 의하여 승강 구동되는 승강판(43) 및 승강봉(42)의 수직 방향 운동이 양측 활동판(50)의 대칭 수평 운동으로 전환됨으로써 달성된다.

도 10의 상부에 도시된 상태는 신축체(20)의 완전 수축 상태로서, 이때 양측 활동판(50)에 각각 형성된 경사홈(51)의 중첩부는 수직홈(41)의 상단에 형성되며, 따라서 승강봉(42) 역시 수직홈(41)의 상단에 위치하게 된다.

도 10의 상부에 도시된 바와 같은 상태에서, 승강봉(42)이 하강하면 승강봉(42)이 경사홈(51)을 압박함에 따라 양측 활동판(50)의 경사홈(51)들 및 수직홈(41)의 중첩부가 점차 하측으로 이동하면서 활동판(50)도 점차 상호 이격되는 방향으로 이동하고, 결국 도 10의 하부에 도시된 바와 같은 신축체(20)의 완전 신장 상태로 변화된다.

이렇듯, 도 8 내지 도 10에 도시된 실시예에서는 승강봉(42)의 상승시 신축체(20)가 수축되고 승강봉(42)의 하강시 신축체(20)가 신장되었으나, 경사홈(51)의 경사가 반대로 형성되는 경우에는 신축체(20)의 신장 및 수축 역시 반대로 진행된다.

한편, 도 11 내지 도 13은 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 신축체(20)에 회동판이 적용된 실시예로서, 신축체(20)는 관체(10)와 평행한 방향으로 상호 근접 및 이격되는 상부구동체(61) 및 하부구동체(62)와, 일단은 상부구동체(61)에 힌지 연결되고 타단은 하부회동판(72)에 힌지 연결되는 상부회동판(71)과, 일단은 하부구동체(62)에 힌지 연결되고 타단은 상부회동판(71)에 힌지 연결되는 하부회동판(72)과, 상부회동판(71) 및 하부회동판(72)간 연결부에 설치되는 압박체(30)로 구성된다.

즉, 도 11 및 도 12에서와 같이, 상부구동체(61) 및 하부구동체(62)와, 상부회동판(71)과, 하부회동판(72)이 3절 링크를 형성하면서 신축체(20)를 구성하는 것으로, 도 12에서와 같이, 상부구동체(61)와 하부구동체(62)가 상호 근접되면 상부회동판(71)과 하부회동판(72)간 사이각이 축소되면서 압박체(30)가 외측으로 이동하고, 상부구동체(61)와 하부구동체(62)가 상호 이격되면 상부회동판(71)과 하부회동판(72)간 사이각이 확대되면서 압박체(30)가 내측으로 이동하는 것이다.

도 11 및 도 12에서와 같이, 상부회동판(71) 및 하부회동판(72)의 연결부에 압박체(30)를 장착함에 있어서는 상부회동판(71)과 하부회동판(72)을 연결하는 힌지와 동축(同軸)으로 연결되는 축교판(73)을 통하여 장착함으로써, 압박체(30)와 신축체(20)가 관체(10)와 평행한 회전축의 힌지로 연결될 수 있다.

즉, 도 11에서와 같이, 신축체(20)를 구성하는 상부회동판(71) 및 하부회동판(72)은 관체(10)와 직교하는 회전축을 가지는 힌지로 연결되는 바, 동일한 방식으로 압박체(30)를 연결할 경우 전술한 도 4의 실시예에서와 같은 휨 또는 비틀림 응력 축소 효과를 기대할 수 없으므로, 양단에 회전축이 구성되되 양측의 회전축이 상호 직교하는 축교판(72)을 통하여, 상부회동판(71) 및 하부회동판(72)으로 구성되는 신축체(20)와 압박체(30)를 연결함으로써, 압박체(30)와 신축체(20)간 연결부에 관체(10)와 평형한 회전축을 형성하는 것이다.

이렇듯, 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 회동판 적용 실시예에서는 상부구동체(61) 및 하부구동체(62)가 상호 근접 및 이격됨에 따라 압박체(30)가 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동되면서 관체(10)를 변형시키게 되는데, 도 13에서와 같이, 단일 상부구동체(61) 및 하부구동체(62)에 다수의 상부회동판(71) 및 하부회동판(72) 연결체를 평면상 방사상으로 구성할 수도 있어, 관체(10)에 변형부(11)를 형성함에 있어서 간소한 구성으로도 일층 효율적인 작동이 가능하다.

전술한 바와 같은 본 발명의 지중 관체 부분 변형 장치를 활용하여 지반에 관입된 상태의 관체(10)에 외측으로 돌출된 변형부(11)를 형성할 수 있으며, 이로써 해당 관체(10)가 피복 보강재로 적용되는 현장타설 합성 말뚝에 있어서, 주면마찰력을 비롯한 지지력을 획기적으로 제고할 수 있는데, 이러한 본 발명의 현장타설 합성 말뚝 공법의 수행 과정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 2의 좌단부에 도시된 바와 같이, 지반에 관체(10)를 관입시키는 단계가 수행된다.

관체(10)의 지반 관입은 다양한 방식으로 수행될 수 있는데, 도 1에 도시된 바와 같이 굴진체(91)와 동반 관입되는 케이싱(19)을 지반에 존치하여 관체(10)로 활용하는 방식은 물론, 케이싱(19) 내부로 별도의 관체(10)를 투입한 후 관체(10)만을 존치한 채 케이싱(19)을 인발하는 방식도 가능하며, 케이싱(19)의 인발 직후 공벽의 일시 또는 장기 유지가 가능한 지반에서는 케이싱(19)을 우선 인발한 후 굴착공 내부로 관체(10)를 투입하는 방식의 적용도 가능하다.

또한, 본 발명에 있어서 적용되는 관체(10)의 소재로는 일반적인 케이싱(19) 또는 지중 압입관에서와 같은 강철은 물론, 전성(展性) 또는 연성(延性)이 풍부한 다양한 금속이 적용될 수 있으며, 이 밖에도 변형부(11)의 형성이 용이하고 공벽 유지가 가능한 합성수지 등의 다양한 소재가 적용될 수도 있다.

관체(10)가 목표 심도에 도달하면 관체(10) 내부로 신축체(20)가 수축된 상태의 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치를 투입하는 단계가 수행되며, 신축체(20)가 수축된 상태에서는 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치의 평면상 최대 폭이 관체(10)의 내경 미만으로 설정되므로 지중 관체 부분 변형 장치의 원활한 관체(10)내 투입이 가능하다.

관체(10)에 투입된 지중 관체 부분 변형 장치가 변형부(11) 형성 계획 지점에 도달하면, 지중 관체 부분 변형 장치의 신축체(20)를 신장하여 압박체(30)가 관체(10)를 확대 변형시킴으로써 관체(10)에 변형부(11)를 형성하는 단계가 수행된다.

일단 1개소의 변형부(11) 형성이 완료된 후에는 신축체(20)를 수축하고 지중 관체 부분 변형 장치를 이동한 후, 신축체(20)를 재차 신장하는 방식으로 도 2의 중앙부에서와 같이 다수의 변형부(11)를 반복 형성할 수 있다.

전체 변형부(11)의 형성이 완료되면 신축체(20)를 수축한 후 지중 관체 부분 변형 장치를 관체(10) 외부로 철수하는 단계가 수행되고, 이어서 관체(10)에 콘크리트를 타설 및 양생하는 단계가 수행됨으로써, 본 발명의 지중 관체 부분 변형 장치를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법이 완료된다.

한편, 도 14 및 도 15는 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치에 있어서 관체(10) 내주면을 압박하는 압박체(30)로서 단순 판체가 아니라 자유롭게 회전하는 로울러(38)를 적용한 실시예로서, 관체(10) 중심축과 직교하는 직선방향 변형 뿐 아니라 관체(10)의 횡단면상 원호(圓弧)를 이루는 방향의 압박이 가능하도록 한 것이다.

즉, 도 14에서와 같이, 지중 관체 부분 변형 장치에 있어서 압박체(30)가 신축체(20)와 연결되는 프레임(37)과, 관체(10)와 평행한 회전축으로 자유롭게 회전될 수 있도록 프레임(37)에 설치되는 로울러(38)로 구성되는 것으로, 도 15에서와 같이, 신축체(20)가 점차 신장됨과 동시에 지중 관체 부분 변형 장치가 관체(10) 중심축을 중심으로 회전되면서 관체(10)의 평단면상 전 지점이 외측으로 압박되어 관체(10)가 평면상 원호형으로 확경되는 방식으로 변형부(11)가 형성된다.

이러한 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치 로울러(38) 적용 실시예의 회전은 신축체(20)와 연결된 로드(95)를 지상의 파일드라이버 등의 장비와 연결하고, 로드(95)를 회전시킴으로써 가능하며, 파일드라이버를 비롯한 통상의 굴착공 천공 장비는 물론 소형 시추 장비에도 로드(95)를 회전시키는 기능이 기본적으로 구비되는 바, 별도의 장비 동원 없이도 도 15에서와 같은 작동이 가능하다.

도 14 및 도 15의 본 발명 지중 관체 부분 변형 장치 로울러(38) 적용 실시예가 적용된 현장타설 합성 말뚝 공법의 수행 과정을 설명하면, 이 역시 전술한 바와 같이, 지반에 관체(10)를 관입시키는 단계로 개시되어, 관체(10)가 목표 심도에 도달하면 관체(10) 내부로 신축체(20)가 수축된 상태의 지중 관체 부분 변형 장치를 투입하는 단계가 수행된다.

이후, 지중 관체 부분 변형 장치의 신축체(20)를 신장하여 압박체(30)의 로울러(38)가 관체(10) 내주면을 외측으로 압박함과 동시에 지중 관체 부분 변형 장치를 회전시켜 관체(10)를 확대 변형시킴으로써 관체(10)에 변형부(11)를 형성하는 단계가 수행되는데, 이로써 도 15에서와 같은 변형부(11)가 형성된다.

이러한 변형부(11) 형성은 관체(10)내 다수의 지점에 대하여 반복 수행될 수 있으며, 전체 변형부(11) 형성이 완료되면, 신축체(20)를 수축한 후 지중 관체 부분 변형 장치를 관체(10) 외부로 철수하는 단계와, 관체(10)에 콘크리트를 타설 및 양생하는 단계가 수행됨으로써, 본 발명의 지중 관체 부분 변형 장치 로울러(38) 적용 실시예를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법이 완료된다.

10 : 관체
11 : 변형부
19 : 케이싱
20 : 신축체
30 : 압박체
37 : 프레임
38 : 로울러
40 : 하우징
41 : 수직홈
42 : 승강봉
43 : 승강판
45 : 승강구동체
50 : 활동판
51 : 경사홈
61 : 상부구동체
62 : 하부구동체
71 : 상부회동판
72 : 하부회동판
73 : 축교판
80 : 장착판
81 : 활동공
90 : 굴착장비
91 : 굴진체
95 : 로드
99 : 철근

Claims (6)

1. 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 투입되고 관체(10)와 직교하는 방향으로 신축되는 신축체(20)와, 신축체(20)의 단부에 설치되어 신축체(20)가 신축됨에 따라 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동되는 압박체(30)로 구성되어, 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 신축체(20) 및 압박체(30)가 신축체(20)가 수축된 상태로 투입되고, 신축체(20)가 신장됨에 따라 압박체(30)가 관체(10)를 외측으로 압박하여 압박 부위의 관체(10)가 외측으로 확대되면서 돌출된 변형부(11)가 형성되는 지중 관체 부분 변형 장치에 있어서,
   신축체(20)는 내부에 경사홈(51)이 형성된 한쌍의 활동판(50)과, 내부에 수직홈(41)이 형성되고 한쌍의 활동판(50)이 자유롭게 활동되도록 결합되는 하우징(40)과, 활동판(50)의 하우징(40) 결합부 타측 단부에 설치되는 압박체(30)와, 수직홈(41) 및 경사홈(51)의 중첩부에 결합되는 승강봉(42)과, 하우징(40)에 장착되어 관체(10)와 평행한 방향으로 승강되는 승강구동체(45)와, 승강봉(42) 및 승강구동체(45)를 연결하는 승강판(43)으로 구성되어;
   승강구동체(45)에 의하여 승강판(43) 및 승강봉(42)이 승강됨에 따라 승강봉(42)이 경사홈(51)을 압박하고, 활동판(50) 및 압박체(30)가 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동됨을 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치.
   
2. 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 투입되고 관체(10)와 직교하는 방향으로 신축되는 신축체(20)와, 신축체(20)의 단부에 설치되어 신축체(20)가 신축됨에 따라 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동되는 압박체(30)로 구성되어, 지반에 관입된 상태의 관체(10) 내부로 신축체(20) 및 압박체(30)가 신축체(20)가 수축된 상태로 투입되고, 신축체(20)가 신장됨에 따라 압박체(30)가 관체(10)를 외측으로 압박하여 압박 부위의 관체(10)가 외측으로 확대되면서 돌출된 변형부(11)가 형성되는 지중 관체 부분 변형 장치에 있어서,
   신축체(20)는 관체(10)와 평행한 방향으로 상호 근접 및 이격되는 상부구동체(61) 및 하부구동체(62)와, 일단은 상부구동체(61)에 힌지 연결되고 타단은 하부회동판(72)에 힌지 연결되는 상부회동판(71)과, 일단은 하부구동체(62)에 힌지 연결되고 타단은 상부회동판(71)에 힌지 연결되는 하부회동판(72)과, 상부회동판(71) 및 하부회동판(72)간 연결부에 설치되는 압박체(30)로 구성되어;
   상부구동체(61) 및 하부구동체(62)가 상호 근접 및 이격됨에 따라 압박체(30)가 관체(10)와 직교하는 방향으로 이동됨에 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   압박체(30)는 신축체(20)와 연결되는 프레임(37)과;
   관체(10)와 평행한 회전축으로 자유롭게 회전될 수 있도록 프레임(37)에 설치되는 로울러(38)로 구성됨을 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치.
   
4. 청구항 3의 지중 관체 부분 변형 장치를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법에 있어서,
   지반에 관체(10)를 관입시키는 단계와;
   관체(10)가 목표 심도에 도달하면 관체(10) 내부로 신축체(20)가 수축된 상태의 지중 관체 부분 변형 장치를 투입하는 단계와;
   지중 관체 부분 변형 장치의 신축체(20)를 신장하여 압박체(30)의 로울러(38)가 관체(10) 내주면을 외측으로 압박함과 동시에 지중 관체 부분 변형 장치를 회전시켜 관체(10)를 확대 변형시킴으로써 관체(10)에 변형부(11)를 형성하는 단계와;
   신축체(20)를 수축한 후 지중 관체 부분 변형 장치를 관체(10) 외부로 철수하는 단계와;
   관체(10)에 콘크리트를 타설 및 양생하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 지중 관체 부분 변형 장치를 이용한 현장타설 합성 말뚝 공법.
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