KR102053231B1 - 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법 - Google Patents

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KR102053231B1
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문현기
최경선
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대한기초엔지니어링(주)
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Abstract

본 발명은 지반 내에 근입된 기성 말뚝의 중공에 연장되는 연장천공홀에 보강 파일을 삽입하고 그라우트재를 그라우팅함으로써, 기 시공된 기성 말뚝을 활용하여 시공이 간단하면서도 경제성 및 보강 효과가 우수한 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법에 대한 것이다.
본 발명 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법은 기 시공되어 지반 내에 근입된 중공의 기성 말뚝을 이용하여 기초를 보강하기 위한 것으로, (a) 상기 기성 말뚝의 중공에 연장되도록 기성 말뚝의 하부 지반을 천공하여 연장천공홀을 형성하는 단계; (b) 상부가 상기 기성 말뚝의 중공 내부에 위치하도록 상기 연장천공홀 내에 보강 파일을 삽입하는 단계; 및 (c) 상기 연장천공홀 및 기성 말뚝의 중공 내부에 그라우트재를 그라우팅하여 보강 파일의 상단을 그라우트재에 의해 기성 말뚝 내부의 하부에 정착하는 한편, 상기 보강 파일을 기성 말뚝 하부의 연장천공홀 내부에 고정하여 주면마찰력에 의해 상부 하중을 지반으로 전달하도록 하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법{Foundation reinforcing method using existing pile}
본 발명은 지반 내에 근입된 기성 말뚝의 중공에 연장되는 연장천공홀에 보강 파일을 삽입하고 그라우트재를 그라우팅함으로써, 기 시공된 기성 말뚝을 활용하여 시공이 간단하면서도 경제성 및 보강 효과가 우수한 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법에 대한 것이다.
기초(foundation)는 건물의 하중을 지반으로 안정적으로 전달하기 위하여 건물 하부에 구축하는 부재로, 구조물의 안정성을 확보하는데 가장 기본적이고 중요한 요소이다.
기초는 지정이나 기초판의 형식 등 다양한 기준에 의해 분류 가능하다. 일반적으로 지반이 단단한 경우에는 확대 기초(footing foundation)나 전면 기초(mat foundation)와 같이 상부 구조의 하중을 직접 지반에 전달시키는 직접 기초(spread foundation)가 사용된다.
그러나 상부 지반이 풍화토 등과 같이 단단하지 않고 양질의 지반층이 깊은 곳에 있는 경우, 직접 기초를 사용하면 침하가 발생하여 구조물에 손상이 발생할 수 있다. 이에 주로 깊은 기초의 일종인 말뚝 기초(pile foundation)가 사용된다.
말뚝 기초는 상부의 연약층을 관통하여 하부의 단단한 지층까지 고강도의 말뚝을 관입하여 구조물 하중을 지지하는 방식으로 구조적으로 안정된 기초 방식의 하나이다.
그러나 시공 오류 등에 의해 말뚝의 심도가 최소 심도까지 이르지 못하여 말뚝의 역할을 할 수 없는 경우, 또는 수직 증축 등 리모델링 공사시 상부 구조물의 중력 하중이 증가하는 경우 등에는 기 시공된 말뚝만으로는 지지력이 부족하여 기존 말뚝을 보강하여야 한다.
이에 기존 말뚝을 보강하기 위한 종래 방법으로 기존 말뚝을 제거하고 새로운 말뚝은 근입하는 방법이 있다.
그러나 상기 방법은 기존 말뚝을 제거하는 작업이 매우 어렵고, 대형 장비가 필요하며, 제거된 파일의 폐기 비용이 추가되어 비경제적이다. 특히, 리모델링 공사는 실내에서 보강 공사가 진행되어야 하므로, 기존 말뚝 제거나 재시공이 불가능한 경우가 많다.
아울러 기존 말뚝을 보강하기 위한 방법으로 말뚝 상부를 직접 기초로 보강하는 방법이 있다.
그러나 상기 방법은 동일한 건물에 서로 상이한 이질의 기초 방식이 병행될 경우, 기초 설계가 매우 복잡해질 뿐 아니라 기초 방식의 차이로 인해 침하량과 침하 속도가 달라지므로 기초의 연결부에 균열 발생 우려가 있다. 뿐만 아니라 추가적인 터파기가 필요해 공기 및 공사비가 증가된다.
또한, 소구경 보강말뚝을 추가 근입하여 기존 말뚝을 보강하는 방법이 있다.
이는 기존 말뚝 주변에 소구경의 보강 파일을 근입하여 지지력을 보강하는 것으로, 주로 많이 사용되는 방법이다(공개특허 제10-2009-0044195호).
그러나 상기 방법은 소구경 보강 파일을 추가 근입하기 위한 공간이 필요하고, 보강 파일 근입시 수직도 유지가 어려운 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 기 시공된 기존 기성 말뚝을 그대로 이용하여 시공이 간단하면서도 경제성 및 보강 효과가 우수한 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법을 제공하고자 한다.
바람직한 실시예에 따른 본 발명은 기 시공되어 지반 내에 근입된 중공의 기성 말뚝을 이용하여 기초를 보강하기 위한 것으로, (a) 상기 기성 말뚝의 중공에 연장되도록 기성 말뚝의 하부 지반을 천공하여 연장천공홀을 형성하는 단계; (b) 상부가 상기 기성 말뚝의 중공 내부에 위치하도록 상기 연장천공홀 내에 보강 파일을 삽입하는 단계; 및 (c) 상기 연장천공홀 및 기성 말뚝의 중공 내부에 그라우트재를 그라우팅하여 보강 파일의 상단을 그라우트재에 의해 기성 말뚝 내부의 하부에 정착하는 한편, 상기 보강 파일을 기성 말뚝 하부의 연장천공홀 내부에 고정하여 주면마찰력에 의해 상부 하중을 지반으로 전달하도록 하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법을 제공한다.
삭제
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 (a) 단계에서, 상기 기성 말뚝의 중공 내부에는 연장천공홀의 상부 일부까지 연장되는 케이싱이 삽입되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법을 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 케이싱에는 복수의 유동공이 형성되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법을 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 케이싱에는 일측이 절개되어 외측으로 절곡된 복수의 날개지지부가 구비되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법을 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 보강 파일의 외부에는 복수의 정착판이 구비되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 지반 내에 근입된 기성 말뚝의 중공에 연장되는 연장천공홀에 보강 파일을 삽입하고 그라우트재를 그라우팅함으로써, 기 시공된 기성 말뚝을 그대로 활용하여 기초를 보강할 수 있다.
따라서 기존 말뚝의 제거 및 폐기 과정이 필요 없어 경제적이다.
아울러 기초 구조가 간단하여 시공성이 우수하고 별도의 터파기 공정이 불필요하여 공기 및 공사비 단축이 가능하다.
또한, 기성 말뚝이 케이싱 역할을 하므로 공벽 보호가 용이하고, 보강 파일 근입시 수직도 유지 및 에어 서징 작업이 용이하다.
뿐만 아니라 기성 말뚝 내부에 중공이 형성되어 기성 말뚝 길이만큼 보강 파일 매입을 위한 천공홀 천공 깊이가 감소하므로, 공기 및 공사비가 절감된다.
나아가 보강 파일로 마이크로 파일을 사용하는 경우, 마찰형 말뚝 사용으로 연약층에서도 우수한 저항력을 발휘할 수 있다.
도 1은 지반에 근입된 기성 말뚝을 도시하는 도면.
도 2는 연장천공홀의 형성 단계를 도시하는 도면.
도 3은 보강 파일의 삽입 단계를 도시하는 도면.
도 4는 그라우트재를 그라우팅하는 단계를 도시하는 도면.
도 5는 도 4의 'A'에 따른 단면도.
도 6은 도 4의 'B'에 따른 단면도.
도 7은 기성 말뚝의 상단까지 연장된 보강 파일을 도시하는 도면.
도 8은 중공 내부에 케이싱이 구비된 상태를 도시하는 도면.
도 9는 유동공이 형성된 케이싱을 도시하는 도면.
도 10은 날개지지부가 구비된 케이싱을 도시하는 도면.
도 11은 정착판이 구비된 보강 파일을 도시하는 사시도.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 지반에 근입된 기성 말뚝을 도시하는 도면이고, 도 2는 연장천공홀의 형성 단계를 도시하는 도면이며, 도 3은 보강 파일의 삽입 단계를 도시하는 도면이다. 그리고 도 4는 그라우트재를 그라우팅하는 단계를 도시하는 도면이고, 도 5와 도 6은 각각 도 4의 'A'와 'B'에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 4 등에 도시된 바와 같이, 본 발명 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법은 기 시공되어 지반(1) 내에 근입된 중공(21)의 기성 말뚝(2)을 이용하여 기초를 보강하기 위한 것으로, (a) 상기 기성 말뚝(2)의 중공(21)에 연장되도록 기성 말뚝(2)의 하부 지반을 천공하여 연장천공홀(13)을 형성하는 단계; (b) 상부가 상기 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부에 위치하도록 상기 연장천공홀(13) 내에 보강 파일(3)을 삽입하는 단계; 및 (c) 상기 연장천공홀(13) 및 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부에 그라우트재(4)를 그라우팅하여 보강 파일(3)의 상단을 그라우트재(4)에 의해 기성 말뚝(2) 내부의 하부에 정착하는 한편, 상기 보강 파일(3)을 기성 말뚝(2) 하부의 연장천공홀(13) 내부에 고정하여 주면마찰력에 의해 상부 하중을 지반으로 전달하도록 하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기 시공된 기존 기성 말뚝(2)을 그대로 이용하여 시공이 간단하면서도 경제적이고 보강 효과가 우수한 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법을 제공하기 위한 것이다.
지반(1) 내에 근입된 기성 말뚝(2)은 단면 중앙에 중공(21)이 형성된 원심 성형 철근콘크리트 말뚝, PHC 파일(pretensioned spun high strength concrete pile), 강광 말뚝 등일 수 있다(도 1).
상기 기성 말뚝(2)은 하부가 연약층(11)을 지나 풍화함(12)까지 연장된다.
본 발명 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법에서는 먼저 (a) 상기 기성 말뚝(2)의 중공(21)에 연장되도록 기성 말뚝(2)의 하부를 천공하여 연장천공홀(13)을 형성한다(도 2).
상기 연장천공홀(13)은 천공 장비를 기성 말뚝(2)의 중공(21)으로 삽입하여 기성 말뚝(2)의 하부를 천공함으로써 형성 가능하다.
상기 연장천공홀(13)은 후에 보강 파일(3)이 삽입되는 공간이다.
상기 기성 말뚝(2)의 중공(21) 상부에 두부 보강 콘크리트가 채워진 경우에는 두부 보강 콘크리트를 먼저 천공한다.
상기 기성 말뚝(2)의 선단에 마밀라 슈 등 선단 슈가 결합된 경우에는 메탈 크라운 비트 등으로 슈를 먼저 천공하여, 연장천공홀(13) 천공시 말뚝 선단에 손상이 발생하지 않도록 한다.
상기 연장천공홀(13)을 천공한 후에는 에어 서징을 통해 천공 과정에서 발생한 잔토 등 이물질을 제거한다.
토사층과 같은 연약층의 경우, 에어가 천공홀 외부로 유출되면서 에어 서징이 제대로 이루어지지 않는 경우가 많다. 그런데 본 발명은 상부 연약층(11)에서 기성 말뚝(2)이 케이싱(5)의 역할을 하므로, 에어가 외부로 새지 않아 에어 서징 작업이 확실하고 수월하게 이루어질 수 있다.
다음으로, (b) 상부가 상기 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부에 위치하도록 상기 연장천공홀(13) 내에 보강 파일(3)을 삽입한다(도 3).
상기 (a) 단계에서 기성 말뚝(2)의 하부에 연장천공홀(13)을 형성한 후에는 연장천공홀(13) 내에 보강 파일(3)을 삽입하는 (b) 단계가 실시된다.
상기 보강 파일(3)은 소구경 강봉으로 지중에 근입되어 주로 마찰력에 의해 큰 지지력이 발휘되는 마이크로 파일(micro pile)로 구성할 수 있다.
상기 마이크로 파일은 연속 나선형 강봉으로 용접 없이 현장에서 커플러(32)에 의해 연결 시공 가능하므로 길이를 자유롭게 조절할 수 있다.
또한, 마이크로 파일은 단위 파일의 길이가 짧아 운반 및 적재가 용이하고 소형 시공 장비에 의해 시공할 수 있다. 따라서 리모델링 공사와 같이 제한된 층고의 실내나 협소하고 접근성이 불량한 지역에서도 시공이 용이하다.
아울러 강봉을 사용하기 때문에 수평력에 대한 저항성이 우수하고, 마찰형 말뚝이기 때문에 연약층(11)이 깊은 지반(1)에서도 우수한 지지력을 발휘할 수 있다.
상기 보강 파일(3)이 연장천공홀(13) 내에서 편심 없이 중앙에 위치할 수 있도록 보강 파일(3)의 외부에는 센트럴라이저(31, centralizer)를 결합할 수 있다.
상기 보강 파일(3)은 커플러(32)에 의해 필요한 길이만큼 연결하여 사용 가능하다.
마지막으로 (c) 상기 연장천공홀(13) 및 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부에 그라우트재(4)를 그라우팅한다(도 4).
상기 그라우트재(4)는 보강 파일(3)의 위치를 고정하고, 보강 파일(3)과 그라우트재(4) 및 그라우트재(4)와 연장천공홀(13) 또는 기성 말뚝(2) 내주면과의 주면마찰력에 의해 상부 하중을 지반(1)으로 전달한다.
도 5와 도 6에는 그라우트재(4)의 그라우팅 완료 후 도 4의 'A'와 'B'에 따른 단면도가 각각 도시된다.
본 발명은 기 시공된 기성 말뚝(2)을 그대로 활용하여 기초를 보강하는 것에 특징이 있다.
따라서 기존 기성 말뚝(2)을 그대로 활용하므로 말뚝을 폐기할 필요가 없다.
아울러 기성 말뚝(2)이 케이싱(5)의 역할을 하므로 공벽 보호가 용이하고, 보강 파일(3) 근입시 수직도 유지가 용이할 뿐 아니라 에어 서징 작업이 용이하다.
또한, 기성 말뚝(2)의 내부에 중공(21)이 형성되어 있으므로, 기성 말뚝(2)의 길이만큼 보강 파일(3) 매입을 위한 천공홀 천공 깊이가 감소한다. 그러므로 공기 및 공사비가 절감되는 효과가 있다.
도 7은 기성 말뚝의 상단까지 연장된 보강 파일을 도시하는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 보강 파일(3)은 기성 말뚝(2)의 내부까지 연장되도록 구성 가능하다.
전술한 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 보강 파일(3)은 상단을 그라우트재(4)에 의해 기성 말뚝(2)의 하부에 정착하기 위해 기성 말뚝(2)의 내부까지 연장할 수 있다.
이 경우 기성 말뚝(2)과 중공(21) 내 충전된 그라우트재(4)의 하중이 보강 파일(3)에 의해 지지된다.
이때, 상기 보강 파일(3)의 상단에는 그라우트재(4) 내에 안정적으로 정착하기 위해 정착구(33)가 구비될 수 있다.
또한, 콘크리트 말뚝은 압축력에는 강하나 인장이나 휨에는 취약한 특징이 있다. 이에 지반(1)의 상부 지층이 매립토로 구성되는 등으로 인해 상부 지층의 거동이 발생되어 수평력 발생이 우려되는 경우, 수평력 지지를 위한 보강이 필요하다.
따라서 도 7과 같이, 상기 보강 파일(3)의 상단을 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부 상단까지 연장하여 수평력에 대한 저항력을 향상하도록 구성할 수도 있다.
도 8은 중공 내부에 케이싱이 구비된 상태를 도시하는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 (a) 단계에서, 상기 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부에는 연장천공홀(13)의 상부 일부까지 연장되는 케이싱(5)이 삽입될 수 있다.
상기 기성 말뚝(2)의 하부 지반(1)이 풍화토 등과 같이 연약층(11)인 경우에는 보강 파일(3)의 삽입이나 그라우팅 과정에서 공벽이 붕괴될 수 있다.
이에 풍화암(12) 정도의 단단한 지반(1)까지 케이싱(5)을 근입하여 공벽을 보호하는 것이 바람직하다.
상기 케이싱(5)은 연장천공홀(13)의 천공과 함께 삽입될 수도 있고, 연장천공홀(13)의 천공 직후 삽입될 수도 있다.
상기 케이싱(5)은 그라우트재(4)의 그라우팅 후 인발하여 제거할 수 있으나 말뚝 지지력 향상을 위해 그대로 영구 매입되도록 존치할 수도 있다.
상기 케이싱(5)을 존치시키는 경우, 기성 말뚝(2) 하단의 단면 감소 부위를 보강하여 응력 집중을 방지할 수 있다. 아울러 상기 기성 말뚝(2)의 내부에서 수평력에 대항 저항 능력을 증가시킬 수 있다.
지중에 삽입된 케이싱(5)의 위치가 고정되도록 케이싱(5)의 외경은 연장천공홀(13)의 지름보다 약간 큰 것을 사용하여 압입에 의해 케이싱(5)을 삽입하는 것이 바람직하다.
도 9는 유동공이 형성된 케이싱을 도시하는 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 케이싱(5)에는 복수의 유동공(51)이 형성될 수 있다.
상기 케이싱(5) 삽입시, 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내에서는 중공(21)의 내주면과 케이싱(5)의 외주면 사이에 일정한 공간이 생기게 된다.
이때, 상기 중공(21) 내부에 그라우트재(4)를 주입하면, 케이싱(5)으로 인해 케이싱(5)의 내부와 외부를 따로 그라우팅해야 하는 번거로움이 있다.
따라서 상기 케이싱(5)에 그라우트재(4)가 통과할 수 있는 복수의 유동공(51)을 형성하여, 그라우팅 작업을 용이하게 진행함과 동시에 케이싱(5)의 내외부에 그라우트재(4)가 밀실하게 충전되도록 할 수 있다.
아울러 상기 유동공(51)에 의해 그라우트재(4)와 케이싱(5)이 견고하게 일체화될 수 있다.
도 10은 날개지지부가 구비된 케이싱을 도시하는 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 케이싱(5)에는 일측이 절개되어 외측으로 절곡된 복수의 날개지지부(52)가 구비될 수 있다.
상기 케이싱(5)과 기성 말뚝(2)의 중공(21) 사이에는 일정한 공간이 존재하므로, 그라우트재(4)가 양생되기 전까지는 케이싱(5)이 중심에서 이탈될 가능성이 있다.
따라서 상기 케이싱(5)의 측면 일측을 ㄷ자 형상 등으로 절개한 후 외측으로 절곡하여 날개지지부(52)를 형성함으로써, 상기 날개지지부(52)가 기성 말뚝(2)의 내주면에 지지되도록 구성할 수 있다.
그러면 상기 날개지지부(52)의 지지에 의해 케이싱(5)이 중공(21)의 중앙에 안정적으로 위치할 수 있게 된다.
상기 케이싱(5)의 삽입시 날개지지부(52)가 간섭되지 않도록 날개지지부(52)는 상향 외측으로 경사지게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 날개지지부(52)는 평면상 적어도 3개 이상을 방사상으로 배치함으로써, 양방향으로 케이싱(5)의 위치를 고정하는 것이 바람직하다.
상기 날개지지부(52)가 절개되어 케이싱(5)에 형성되는 절개공(53)은 그라우트재(4)의 유동을 위한 유동공으로 활용 가능하다.
도 11은 정착판이 구비된 보강 파일을 도시하는 사시도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 보강 파일(3)의 외부에는 복수의 정착판(34)이 구비될 수 있다.
상기 보강 파일(3)의 지지력이 부족하거나 보강 파일(3)의 근입 깊이가 지나치게 길어 공기 및 공사비 증가가 우려되는 경우, 보강 파일(3)의 외주면에 직접 지압에 의해 지지력을 발휘할 수 있는 정착판(34)을 결합할 수 있다.
상기 정착판(34)에는 그라우팅 호스가 삽입되는 삽입공(341)을 형성 가능하다.
1: 지반 11: 연약층
12: 풍화암 13: 연장천공홀
2: 기성 말뚝 21: 중공
3: 보강 파일 31: 센트럴라이저
32: 커플러 33: 정착구
34: 정착판 341: 삽입공
4: 그라우트재 5: 케이싱
51: 유동공 52: 날개지지부
53: 절개공

Claims (6)

  1. 기 시공되어 지반(1) 내에 근입된 중공(21)의 기성 말뚝(2)을 이용하여 기초를 보강하기 위한 것으로,
    (a) 상기 기성 말뚝(2)의 중공(21)에 연장되도록 기성 말뚝(2)의 하부 지반을 천공하여 연장천공홀(13)을 형성하는 단계;
    (b) 상부가 상기 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부에 위치하도록 상기 연장천공홀(13) 내에 보강 파일(3)을 삽입하는 단계; 및
    (c) 상기 연장천공홀(13) 및 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부에 그라우트재(4)를 그라우팅하여 보강 파일(3)의 상단을 그라우트재(4)에 의해 기성 말뚝(2) 내부의 하부에 정착하는 한편, 상기 보강 파일(3)을 기성 말뚝(2) 하부의 연장천공홀(13) 내부에 고정하여 주면마찰력에 의해 상부 하중을 지반으로 전달하도록 하는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 기성 말뚝(2)의 중공(21) 내부에는 연장천공홀(13)의 상부 일부까지 연장되는 케이싱(5)이 삽입되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법.
  4. 제3항에서,
    상기 케이싱(5)에는 복수의 유동공(51)이 형성되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법.
  5. 제3항에서,
    상기 케이싱(5)에는 일측이 절개되어 외측으로 절곡된 복수의 날개지지부(52)가 구비되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 보강 파일(3)의 외부에는 복수의 정착판(34)이 구비되는 것을 특징으로 하는 기존 기성 말뚝을 이용한 기초 보강 방법.
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