KR102070299B1 - 원통형 말뚝 시공장치 및 테이퍼형 말뚝 시공장치와 테이퍼형 말뚝 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천공홀 형성과정에서 발생한 굴착 토사와 고화제를 교반시켜 토사-고화제 혼합 말뚝을 만들기 위한 원통형 말뚝 시공장치 및 테이퍼형 말뚝 시공장치와 테이퍼형 말뚝 시공방법에 관한 것으로, 원통형 말뚝 시공장치 및 테이퍼형 말뚝 시공장치는 봉형상으로 이루어지며, 내부에 고화제가 이동할 수 있는 중공부가 형성되어 있고, 하부에 상기 중공부와 연통되어 있는 제1분사공이 마련되어 있는 로드; 상기 로드 하부에 결합되며, 회전에 의해 지반을 굴착할 수 있는 굴착부; 및 상기 굴착부 상부에서 상기 굴착부와 이격되어 배치되며, 상기 로드 측면에 나선 형태로 결합되어 있는 오거 스크류; 를 포함하며, 상기 오거 스크류는 상기 로드 측면을 따라 연장되되, 직경이 상기 굴착부의 폭보다 작고, 천공홀이 시작되는 지면과 거리를 두고 지면의 하부까지 연장되는 것을 특징으로 하며, 테이퍼형 말뚝 시공장치는, 상기 로드 측면에서부터 돌출되는 교반축과, 상기 교반축 끝단에 마련되며, 블레이드 형상으로 이루어진 교반날개를 포함하여 이루어진 날개부;를 더 포함하며, 상기 날개부는, 상기 로드의 상부에서부터 하부까지 상기 로드를 따라 복수 개가 마련되고, 상기 날개부의 상기 교반축은, 상기 로드의 상부에서부터 하부로 갈수록 길이가 일정 비율로 짧아지는 것을 특징으로 하는 것이며, 테이퍼형 말뚝 시공방법은 테이퍼형 말뚝 시공장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

원통형 말뚝 시공장치 및 테이퍼형 말뚝 시공장치와 테이퍼형 말뚝 시공방법 {Construction apparatus of Cylindrical type pile and Construction apparatus of Taper type pile and Construction method of Taper type pile}

본 발명은 원통형 말뚝 시공장치 및 테이퍼형 말뚝 시공장치와 테이퍼형 말뚝 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선단에 굴착부가 결합된 로드의 측면을 따라 연장되는 오거 스크류를 통해 천공홀 형성과정에서 발생하는 현장 굴착토사와 로드의 중공부를 통해 주입된 고화제를 천공홀내에서 상하 및 좌우방향으로 교반해서 모든 심도에서 강도가 균일한 원통형의 토사-고화제 혼합말뚝을 만들 수 있는 원통형 말뚝 시공장치와, 선단에 굴착부가 결합된 로드의 측면을 따라 연장되는 오거 스크류와 교반축의 길이가 다른 복수 개의 날개부가 부착된 교반장치를 이용하여 천공홀 형성과정에서 발생한 현장 굴착토사와 고화제를 천공홀내에서 상하 및 좌우방향으로 교반해서 모든 심도에서 강도가 균일한 테이퍼형 토사-고화제 혼합말뚝을 만들 수 있는 테이퍼형 말뚝 시공장치와 이를 이용하는 테이퍼형 말뚝 시공방법에 관한 것이다.

강도가 크지 않은 지반에 구조물을 시공할 경우 구조물의 하중을 단단한 지지층에 전달해서 구조물을 안정적으로 지지하기 위해 말뚝을 사용하고 있다. 최근 들어 도심지 개발이 활발하게 진행되면서, 구조물을 지지하기 위해 PHC 말뚝이나 강관말뚝과 같은 기성 말뚝이 시공되고, 이때 발생하는 소음과 진동으로 인해 민원이 빈번하게 발생한다. 그 결과 구조물의 하중이 크지 않은 경우, 기성 말뚝 대신 지반을 천공하는 과정에서 발생한 굴착토사와 고화제를 교반하여 말뚝 구조물을 형성하는 시공방법이 개발되어 건설 현장에서 사용되고 있다.

일반적으로 토사와 고화제를 교반하여 말뚝 구조물을 시공하는 경우, 상부에서 하부까지 직경이 동일한 원통형의 말뚝 구조물을 시공하거나 대한민국 등록특허 제10-1413719호와 같이 직경이 큰 대형 말뚝부의 하단에 하측으로 직경이 작은 소형 말뚝부를 연결한 말뚝 구조물을 시공하여 사용하고 있다. 그러나 이러한 말뚝 구조물은 다음과 같은 문제점이 있다.

말뚝 구조물을 시공하는 경우, 천공홀 내부에 위치하는 현장 굴착토사와 고화제가 교반되는데, 이 때 지표면으로부터의 깊이에 따라 강도가 다른 굴착토사와 고화제가 혼합되기 때문에 말뚝 구조물의 강도가 깊이에 따라 달라져서 말뚝 구조물이 구조적으로 안정하지 못하게 되는 문제점이 발생한다.

구체적으로, 지반은 일반적으로 깊이에 따라 강도가 다른 토사로 구성되어 있어서 굴착토사-고화제 혼합 말뚝 구조물의 시공 시 현장 굴착토사와 고화제를 제대로 교반하더라도, 교반이 동일 심도에서만 이루어지므로 심도에 따라 고화제와 교반되는 굴착토사가 달라져서 말뚝 구조물의 상, 하부에서 강도 차이가 발생하는 문제점이 있다.

또한, 말뚝 구조물 상부에 하향의 압축하중이 작용하면, 말뚝 구조물과 지반 사이에는 하중 작용방향과 반대방향으로 상향의 주면 마찰력이 작용하게 된다. 이러한 주면 마찰력은 말뚝 구조물 상부에서 하부로 갈수록 말뚝을 통해 전달되는 하중을 경감시키기 때문에, 말뚝 구조물을 통해 전달되는 하중은 상부에서 하부로 갈수록 작아지게 된다. 따라서 말뚝 구조물에 전달되는 깊이별 하중 크기를 고려할 때 말뚝은 직경이 동일한 원통형보다 하부로 갈수록 직경이 작아지는 테이퍼형일 때 시공 재료의 최적화 측면에서 유리하게 된다.

그러나 종래의 말뚝 구조물은 상부에서 하부에 이르기까지 직경이 동일한 원통형이거나 직경이 다른 두 개의 원통형 말뚝으로 이루어져 있어 말뚝 상부를 하중에 적합한 단면으로 형성하면 그 아래 깊이의 말뚝은 하중에 비해 큰 단면을 갖게 되어 재료의 낭비가 발생하고, 말뚝 하부를 하중에 적합한 단면으로 형성하면 말뚝 상부가 하중에 비해 단면이 작아 구조적으로 취약하게 되는 문제점이 있다.

또한, 상부가 연약한 점토층으로 구성된 지반에 말뚝 구조물이 시공될 경우, 지반에 추가 하중이 가해지거나 지하수위가 저하되면 연약 점토층이 압밀되면서 지반 침하가 발생하고, 이때 말뚝 구조물의 주면에는 하향으로 작용하는 부주면 마찰력이 발생한다. 이러한 부주면 마찰력은 말뚝에 하중으로 작용해서 말뚝으로 전달되는 하중을 증대시켜 말뚝을 구조적으로 취약하게 한다. 종래의 원통형 말뚝 구조물은 상부에서 하부에 이르기까지 동일한 직경으로 이루어져 있기 때문에 지반 침하 시 부주면 마찰력의 발생을 억제할 수 없어 말뚝의 단면을 더욱 크게 해야 하는 문제점이 있다.

또한, 지진이 발행하면 상부구조물에 작용하는 수평하중이 말뚝에 전달되어 지표면으로부터 일정깊이(일반적으로 말뚝 직경의 10~15배)까지 존재하는 말뚝에 큰 크기의 휨하중과 전단하중이 작용하는데, 기존의 굴착토사-고화제 혼합 말뚝은 내부에 보강재를 전혀 구비하지 않아 휨하중과 전단하중에 취약한 구조를 갖고 있을 뿐만 아니라 말뚝 구조물과 상부 구조물의 기초 사이에 강한 연결도 어려워 지진 시 상부구조물이 수평하중에 대해 구조적으로 불안정하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 선단에 굴착부가 결합된 로드의 측면을 따라 연장되는 오거 스크류를 통해 천공홀 형성과정에서 발생하는 현장 굴착토사와 로드의 중공부를 통해 주입된 고화제를 천공홀내에서 상하 및 좌우방향으로 교반해서 모든 심도에서 강도가 균일한 원통형의 토사-고화제 혼합말뚝을 만들 수 있는 원통형 말뚝 시공장치와, 선단에 굴착부가 결합된 로드의 측면을 따라 연장되는 오거 스크류와 교반축의 길이가 다른 복수 개의 날개부가 부착된 교반장치를 이용하여 천공홀 형성과정에서 발생한 현장 굴착토사와 고화제를 천공홀내에서 상하 및 좌우방향으로 교반해서 모든 심도에서 강도가 균일한 테이퍼형 토사-고화제 혼합말뚝을 만들 수 있는 테이퍼형 말뚝 시공장치와 이를 이용하는 테이퍼형 말뚝 시공방법에 관한 것이다.

상술한 본 발명의 원통형 말뚝 시공장치는, 천공홀 형성과정에서 발생한 굴착 토사와 고화제를 교반시켜 토사-고화제 혼합 말뚝을 만들기 위한 원통형 말뚝 시공장치에 있어서, 봉형상으로 이루어지며, 내부에 고화제가 이동할 수 있는 중공부가 형성되어 있고, 하부에 상기 중공부와 연통되어 있는 제1분사공이 마련되어 있는 로드; 상기 로드 하부에 결합되며, 회전에 의해 지반을 굴착할 수 있는 굴착부; 및 상기 굴착부 상부에서 상기 굴착부와 이격되어 배치되며, 상기 로드 측면에 나선 형태로 결합되어 있는 오거 스크류; 를 포함하며, 상기 오거 스크류는 상기 로드 측면을 따라 연장되되, 직경이 상기 굴착부의 폭보다 작고, 천공홀이 시작되는 지면과 거리를 두고 지면의 하부까지 연장되는 것을 특징으로 하는 것이다.

상술한 본 발명의 원통형 말뚝 시공장치의 상기 오거 스크류는 상기 로드 측면을 따라 연장되되, 상기 오거 스크류 중간에는 상기 오거 스크류가 마련되지 않는 1개 이상의 절단부가 마련되는 것이 바람직하며, 적어도 하나 이상의 상기 절단부를 중심으로 상, 하부에 있는 상기 오거 스크류의 나선 방향이 서로 반대 방향이 되는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 원통형 말뚝 시공장치의 상기 로드 측면에는, 상기 중공부와 연통되며, 상기 고화제를 상기 로드 외부로 분사할 수 있는 제2분사공이 마련되어 있는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 테이퍼형 말뚝 시공장치는, 봉형상으로 이루어지며, 내부에 고화제가 이동할 수 있는 중공부가 형성되어 있고, 하부에 상기 중공부와 연통되어 있는 제1분사공이 마련되어 있는 로드; 상기 로드 하부에 결합되며, 회전에 의해 지반을 굴착할 수 있는 굴착부; 상기 굴착부 상부에서 상기 굴착부와 이격되어 배치되며, 상기 로드 측면에 나선 형태로 결합되어 있는 오거 스크류; 및 상기 로드 측면에서부터 돌출되는 교반축과, 상기 교반축 끝단에 마련되며, 블레이드 형상으로 이루어진 교반날개를 포함하는 날개부;를 포함하며, 상기 오거 스크류는 상기 로드의 측면을 따라 상부에서 하부까지 절단되지 않고 연속적으로 연장되되, 직경이 상기 굴착부의 폭보다 같거나 작고, 천공홀이 시작되는 지면과 거리를 두고 지면의 하부까지 연장되며, 상기 날개부는, 상기 로드의 상부에서부터 하부까지 상기 로드를 따라 연속적으로 연장되는 상기 오거 스크류의 결합구간에 일정간격으로 복수 개가 마련되고, 상기 날개부의 상기 교반축은, 상기 로드의 상부에서부터 하부로 갈수록 길이가 일정 비율로 짧아지는 것을 특징으로 하는 것이다.

상술한 본 발명의 테이퍼형 말뚝 시공장치의 상기 오거 스크류는 상기 로드 측면을 따라 연장되되, 상기 오거 스크류 중간에는 상기 오거 스크류가 마련되지 않는 1개 이상의 절단부가 마련되는 것이 바람직하며, 적어도 하나 이상의 상기 절단부를 중심으로 상, 하부에 있는 상기 오거 스크류의 나선 방향이 서로 반대 방향이 되는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 테이퍼형 말뚝 시공장치의 상기 로드 측면에는, 상기 중공부와 연통되며, 상기 고화제를 상기 로드 외부로 분사할 수 있는 제2분사공이 마련되어 있는 것이 바람직하며, 복수 개의 상기 날개부에 마련되어 있는 복수 개의 상기 교반축은 수평 방향으로 연장되어 있고, 상기 교반날개는, 상기 로드가 연장되는 축에 대하여 동일한 각도로 기울어져 있는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 테이퍼형 말뚝 시공장치의 복수 개의 상기 날개부에 마련되어 있는 복수 개의 상기 교반축은, 수평방향으로부터 하향 경사를 가지며 일정각도 기울어져 있고, 상기 교반날개는 상기 교반축에 수직으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 테이퍼형 말뚝 시공장치의 복수 개의 상기 날개부에 마련되어 있는 복수 개의 상기 교반날개는 곡률이 형성된 원호형 단면을 갖는 블레이드 형상으로 이루어지며, 상기 원호형 단면의 곡률 중심은, 천공홀 내부에 위치하지만 상기 로드 및 상기 교반축 위에는 형성되지 않고, 상기 교반축에서 일정 각도로 회전된 지점에 형성되는 것이 바람직하다.

상술한 본 발명의 테이퍼형 말뚝 시공방법은, 테이퍼형 말뚝 시공장치를 이용하여, 상부에서 하부로 갈수록 깊이에 비례하여 직경이 작아지는 테이퍼 형태의 천공홀을 형성하는 천공 단계; 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치를 통해 상기 천공 단계에서 발생한 굴착 토사에 고화제를 주입하는 고화제 주입 단계; 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치를 통해 상기 굴착 토사와 상기 고화제를 교반하는 교반하는 굴착토사-고화제 교반단계; 상기 굴착토사-고화제 교반단계를 거친 상기 굴착 토사와 상기 고화제를 경화시켜 말뚝을 형성하는 말뚝 형성단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치는, 봉형상으로 이루어지며, 내부에 고화제가 이동할 수 있는 중공부가 형성되어 있고, 하부에 상기 중공부와 연통되어 있는 제1분사공이 마련되어 있는 로드; 상기 로드 하부에 결합되며, 회전에 의해 지반을 굴착할 수 있는 굴착부; 상기 굴착부 상부에서 상기 굴착부와 이격되어 배치되며, 상기 로드 측면에 나선 형태로 결합되어 있는 오거 스크류; 및 상기 로드 측면에서부터 돌출되는 교반축과, 상기 교반축 끝단에 마련되며, 블레이드 형상으로 이루어진 교반날개를 포함하는 날개부;를 포함하며, 상기 오거 스크류는 상기 로드의 측면을 따라 상부에서 하부까지 절단되지 않고 연속적으로 연장되되, 직경이 상기 굴착부의 폭보다 같거나 작고, 천공홀이 시작되는 지면과 거리를 두고 지면의 하부까지 연장되며, 상기 날개부는, 상기 로드의 상부에서부터 하부까지 상기 로드를 따라 연속적으로 연장되는 상기 오거 스크류의 결합구간에 일정간격으로 복수 개가 마련되고, 상기 날개부의 상기 교반축은, 상기 로드의 상부에서부터 하부로 갈수록 길이가 일정 비율로 짧아지는 것을 특징으로 하는 것이다.

상술한 본 발명의 테이퍼형 말뚝 시공방법은 상기 천공 단계 이후 상기 교반날개를 통해 상기 천공홀의 공벽을 다지는 천공홀 공벽 다짐 단계를 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 천공 단계와 상기 고화제 주입 단계는 동시에 진행되며, 상기 천공홀을 형성하면서 동시에 상기 고화제를 주입하는 것이 바람직하다.

본 발명은 오거 스크류를 로드 측면을 따라 연장하되, 천공홀이 시작되는 지면으로부터 일정 깊이 아래까지 연장함으로써, 천공홀 형성 과정에서 발생하는 현장 굴착토사와 고화제가 교반된 혼합물이 천공홀 외부로 배출되지 않고 천공홀 내부에서 깊이 및 반경 방향으로 효과적으로 교반할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 교반축의 길이가 다른 복수 개의 날개부를 이용하여 테이퍼 형상으로 지반을 천공하고, 오거 스크류를 이용하여 천공과정에서 발생한 굴착토사와 고화제를 천공홀의 깊이방향으로 효과적으로 교반함으로써 깊이 방향으로 강도가 균일한 테이퍼 형상의 토사-고화제 혼합 말뚝을 시공할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 주면이 연직에 대해 일정각도 기울어진 테이퍼 형상의 말뚝을 형성함에 따라 큰 하중이 작용하는 상단은 단면적을 크게, 작은 하중이 작용하는 하단은 단면적을 작게 함으로써 말뚝 재료를 최적화해서 사용하면서 동시에 상부 하중에 의해 말뚝이 침하하면서 주변 지반을 외부로 밀어내기 때문에 깊이에 따라 직경이 동일한 원통형 말뚝과 체적이 동일하더라도 원통형 말뚝 대비 향상된 지지력을 발휘하여 구조적으로 안전성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 상부가 연약한 점토층으로 구성된 지반에서 연약 점토층의 압밀로 인한 지반 침하 시 하부로 갈수록 직경이 작아지는 말뚝의 형상으로 인해 지반이 느슨해짐에 따라 지반의 수평응력이 감소해 말뚝 구조물의 주면에 하향의 부주면 마찰력이 발생하는 것을 최소화하여 부주면 마찰력으로 인해 말뚝 단면이 커지는 것을 억제할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 말뚝 시공장치의 사시도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 말뚝 시공장치의 측면도를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 말뚝 시공장치의 오거 스크류에 절단부가 마련된 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 말뚝 시공장치의 절단부를 중심으로 오거 스크류의 나선방향이 반대로 되는 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 테이퍼형 말뚝 시공장치의 사시도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 테이퍼형 말뚝 시공장치의 측면도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 테이퍼형 말뚝 시공장치의 오거 스크류에 절단부가 마련된 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 테이퍼형 말뚝 시공장치의 절단부를 중심으로 오거 스크류의 나선방향이 반대로 되는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 테이퍼형 말뚝 시공장치의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 및 테이퍼형 토사-고화제 혼합 말뚝 시공방법의 공정도이다.

본 발명은 원통형 및 테이퍼형 말뚝 시공장치와 이를 이용한 원통형 및 테이퍼형의 토사-고화제 혼합 말뚝 시공방법에 관한 것으로, 선단에 굴착부가 결합된 로드의 측면을 따라 연장되는 오거 스크류를 이용하여 천공홀을 형성하고 이 과정에서 발생한 현장 굴착토사와 고화제의 혼합물을 상하 및 좌우방향으로 교반해서 모든 심도에서 강도가 균일한 원통형의 토사-고화제 혼합 말뚝을 만들 수 있는 원통형 말뚝 시공장치와, 선단에 굴착비트가 부착된 로드의 측면을 따라 연장되는 오거 스크류와 교반축의 길이가 다른 복수 개의 날개부를 이용하여 천공홀을 형성하고 이 과정에서 발생한 현장 굴착토사와 고화제를 교반한 혼합물을 상하 및 좌우방향으로 교반해서 모든 심도에서 강도가 균일한 테이퍼 형상의 토사-고화제 혼합 말뚝을 만들 수 있는 테이퍼형 말뚝 시공장치에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 원통형 말뚝 시공장치(100)는, 로드(110), 굴착부(120), 오거 스크류(130)를 포함하여 이루어진다.

상기 로드(110)는 봉형상으로 이루어지며, 내부에 고화제가 이동할 수 있는 중공부(111)가 형성되어 있는 것이다. 상기 로드(110) 하부에는 상기 중공부(111)와 연통되어 있으며, 고화제를 천공홀 내부로 분사할 수 있는 제1분사공(112)이 마련되어 있다.

상기 로드(110)는 상기 원통형 말뚝 시공장치(100)의 기본 축이 될 수 있는 것이며, 후술할 상기 굴착부(120), 상기 오거 스크류(130)는 상기 로드(110)를 축으로 회전할 수 있는 것이다.

상기 로드(110)의 측면에는 상기 중공부(111)와 연통되며, 고화제를 상기 로드(110) 외부로 분사할 수 있는 제2분사공(150)이 마련될 수 있다. 상기 제2분사공(150)은 상기 제1분사공(112)과 함께 천공홀 내부에 고화제를 분사하는데 사용될 수 있는 것이다. 즉, 상기 제1분사공(112)은 상기 로드(110)의 하부에서, 상기 제2분사공(150)은 상기 로드(110)의 측면에서 고화제를 분사할 수 있는 것이다. 상기 제2분사공(150)은 필요에 따라서는 복수 개가 형성될 수 있다.

상기 굴착부(120)는 상기 로드(110) 하부에 결합되며, 회전에 의해 지반(G)을 굴착할 수 있는 것이다. 구체적으로 상기 굴착부(120)에는 날개 형상으로 돌출되는 굴착비트(121)가 마련될 수 있다. 상기 굴착부(120)가 회전하면, 상기 굴착비트(121)도 함께 회전하게 되고, 상기 굴착비트(121)가 지면을 파고들면서, 지반을 굴착하여 천공홀을 형성할 수 있게 된다. 상기 굴착부(120)는 상기 로드(110)를 축으로 회전할 수 있다.

상기 오거 스크류(130)는 상기 굴착부(120) 상부에서 상기 굴착부와 이격되어 배치되며, 상기 로드(110) 측면에 나선형태로 결합되는 것이다. 상기 오거 스크류(130)는 나선형상으로 상기 로드(110) 측면을 감싸면서 상기 로드(110) 측면을 따라 연장되되, 직경이 상기 굴착부의 폭보다 작고, 천공홀이 시작되는 지면(S)과 거리를 두고 지면의 하부까지 연장될 수 있는 것이다.

상기 오거 스크류(130)의 직경은 상기 굴착부(120)의 폭보다 작게 하여 상기 오거 스크류(130)에 의해 상, 하부로 이송된 토사-고화제 혼합물이 상기 오거 스크류(130)와 천공홀 내벽 사이 공간을 통해 하, 상부로 순환되어 효과적으로 교반되도록 할 수 있는 것이다.

구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 오거 스크류(130)는 천공홀이 시작되는 지면(S)으로부터 일정 거리 아래까지 상기 로드(110)를 따라 연장되는 것이다. 상기 오거 스크류(130)는 현장토사와 고화제를 상하로 교반할 수 있는 것으로, 고화제가 심도에 따라 다른 종류의 토사와 교반되어 심도별로 강도특성이 다른 토사-고화제 혼합물을 상기 오거 스크류(130)의 나선 방향을 따라 위아래로 상승 또는 하강시킴으로써 강도가 다른 상하부 토사-고화제 혼합물을 상하부로 교반해서 강도가 균일한 토사-고화제 혼합물을 형성할 수 있는 것이다.

여기서, 상기 오거 스크류(130)를 천공홀이 시작되는 지면(S)과 거리를 두는 것은, 토사-고화제 혼합물이 상기 오거 스크류(130)를 따라 상승해서 천공홀 외부로 배출되는 것을 방지하기 위함이다. 가령, 상기 오거 스크류(130)가 천공홀이 시작되는 지면(S) 또는 그 위까지 연장되면, 토사-고화제 혼합물은 상기 오거 스크류(130)를 따라 천공홀 외부로 배출될 수 있게 된다. 이를 방지하기 위해, 상기 오거 스크류(130)는 천공홀이 시작되는 지면(S)으로부터 일정 거리 아래까지 연장되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 오거 스크류(130)의 최상단과 상기 천공홀이 시작되는 지면(S) 사이에는 상기 오거 스크류(130)가 연장되지 않는 종단부(131)가 마련될 수 있는 것이다.

상기 오거 스크류(130)의 최상단과 지면(S) 사이의 거리인 상기 종단부(131)는 상기 오거 스크류(130)에 의해 천공홀 외부로 토사-고화제 혼합물이 배출되지 않을 정도인 거리가 바람직하며, 이는 상기 오거 스크류(130)의 규모에 따라 변경될 수 있다. 구체적으로, 상기 종단부(131)의 거리는, 나선형으로 이루어진 상기 오거 스크류(130)가 2바퀴 내지 5바퀴 정도 더 연장될 수 있는 거리일 수 있다. (다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 오거 스크류(130)의 규모에 따라 상기 종단부(131)의 거리는 변경될 수 있다.)

도 3을 참조하면, 상기 오거 스크류(130)는 상기 로드(110)의 측면을 따라 연장되되, 상기 오거 스크류(130)의 중간에는 상기 오거 스크류(130)가 마련되지 않는 1개 이상의 절단부(132)가 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 절단부(132)는 상기 오거 스크류(130)가 연장되지 않는 부분이다.

상기 오거 스크류(130)에서 상기 절단부(132)를 마련하는 것은, 현장 굴착토사와 고화제의 상하방향 교반 효과를 높이기 위함이다. 상기 오거 스크류(130)에 상기 절단부(132)가 마련되지 않으면, 현장 굴착토사와 고화제 혼합물은 상기 오거 스크류(130)를 따라 계속 상승 또는 하강할 수 있게 된다.

그러나 상기 절단부(132)가 마련되면, 현장 굴착토사와 상기 고화제 혼합물은 상기 오거 스크류(130)가 없는 상기 절단부(132)에서 상승 또는 하강이 중단될 수 있게 된다. 즉, 상기 절단부(132)를 통해 현장 굴착토사와 고화제 혼합물이 가 계속 상승 또는 하강하는 것을 방지할 수 있게 되고, 이를 통해 상기 절단부(132)를 중심으로 구역별로 현장 굴착토사와 고화제 혼합물을 상하방향으로 효과적으로 교반할 수 있게 된다.

도 4를 참조하면, 나선 형상으로 이루어지는 상기 오거 스크류(130)의 나선 방향은 상기 절단부(132)를 중심으로 서로 반대 방향일 수 있다. 구체적으로, 적어도 하나 이상의 상기 절단부(132)를 중심으로 상, 하부에 있는 상기 오거 스크류(130)의 나선 방향이 서로 반대 방향일 수 있는 것이다.

상기 절단부(132)는 복수 개가 마련될 수 있는데, 상기 절단부(132)를 중심으로 상, 하부에 있는 상기 오거 스크류(130)의 나선 방향은 서로 동일할 수도 있는 것이며, 서로 반대 방향일 수도 있는 것이다. 즉, 상기 절단부(132)를 중심으로 상기 오거 스크류(130)의 나선 방향은 필요에 따라 변경될 수 있다. 이와 같이 상기 오거 스크류(130)의 나선 방향을 상기 절단부(132)를 중심으로 변경하면, 현장토사와 고화제의 교반 효과를 높일 수 있는 장점이 있다. (일 방향으로 회전하는 상기 오거 스크류(130)에 비하여, 일 방향과 타 방향으로 동시에 회전하는 상기 오거 스크류(130)는 현장 굴착토사와 고화제 혼합물에 와류를 만들어 교반 효과를 더 높일 수 있게 된다.)

상술한 원통형 말뚝 시공장치(100)는 천공홀의 직경을 길이방향으로 동일하게 천공할 때 사용될 수 있으며, 천공홀을 테이퍼 형상으로 천공하기 위해서는 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)가 사용될 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)는 로드(210), 굴착부(220), 오거 스크류(230), 날개부(240)를 포함하여 이루어진다. 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)의 구성 중 로드(210), 굴착부(220), 오거 스크류(230)는 상술한 원통형 말뚝 시공장치(100)의 로드(110), 굴착부(120), 오거 스크류(130)와 동일한 구성으로 이루어질 수 있는 것이다.

상기 로드(210)는 봉형상으로 이루어지며, 내부에 고화제가 이동할 수 있는 중공부(211)가 형성되어 있는 것이다. 상기 로드(210) 하부에는 상기 중공부(211)와 연통되어 있으며, 고화제를 천공홀(260) 내부로 분사할 수 있는 제1분사공(212)이 마련되어 있다.

상기 로드(210)는 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)의 기본 축이 될 수 있는 것이며, 후술할 상기 굴착부(220), 상기 오거 스크류(230), 상기 날개부(240)는 상기 로드(210)를 축으로 회전할 수 있는 것이다.

상기 로드(210)의 측면에는 상기 중공부(211)와 연통되며, 고화제를 상기 로드(210) 외부로 분사할 수 있는 제2분사공(250)이 마련될 수 있다. 상기 제2분사공(250)은 상기 제1분사공(212)과 함께 천공홀(260) 내부에 고화제를 분사하는데 사용될 수 있는 것이다. 즉, 상기 제1분사공(212)은 상기 로드(210)의 하부에서, 상기 제2분사공(250)은 상기 로드(210)의 측면에서 고화제를 분사할 수 있는 것이다. 상기 제2분사공(250)은 필요에 따라서 복수 개가 형성될 수 있다.

상기 굴착부(220)는 상기 로드(210) 하부에 결합되며, 회전에 의해 지반(G)을 굴착할 수 있는 것이다. 구체적으로 상기 굴착부(220)에는 날개 형상으로 돌출되는 굴착비트(221)가 마련될 수 있다. 상기 굴착부(220)가 회전하면, 상기 굴착비트(221)도 함께 회전하게 되고, 상기 굴착비트(221)가 지면을 파고들면서, 지반을 굴착하여 천공홀(260)을 형성할 수 있게 된다. 상기 굴착부(220)는 상기 로드(210)를 축으로 회전할 수 있다.

상기 오거 스크류(230)는 상기 굴착부(220) 상부에서 상기 굴착부와 이격되어 배치되며, 상기 로드(210) 측면에 나선형태로 결합되는 것이다. 상기 오거 스크류(230)는 나선형상으로 상기 로드(210) 측면을 감싸면서 상기 로드(210) 측면을 따라 연장되되, 직경이 상기 굴착부의 폭보다 같거나 작고, 천공홀이 시작되는 지면(S)과 거리를 두고 지면의 하부까지 연장될 수 있는 것이다.

상기 오거 스크류(230)의 직경은 상기 굴착부(220)의 폭보다 같거나 작게 하여 상기 오거 스크류(230)에 의해 상,하부로 이송된 토사-고화제 혼합물이 상기 오거 스크류(230)와 테이퍼형 천공홀 내벽 사이의 공간을 통해 하, 상부로 순환되어 효과적으로 교반되도록 할 수 있는 것이다.

구체적으로, 도 6을 참조하면, 상기 오거 스크류(230)는 천공홀이 시작되는 지면(S)으로부터 일정 거리 아래까지 상기 로드(210)를 따라 연장되는 것이다. 상기 오거 스크류(230)는 현장토사와 고화제를 상하로 교반할 수 있는 것으로, 고화제가 심도에 따라 다른 종류의 토사와 교반되어 심도별로 강도특성이 다른 토사-고화제 혼합물을 상기 오거 스크류(230)의 나선 방향을 따라 위아래로 상승 또는 하강시킴으로써 강도가 다른 상, 하부 토사-고화제 혼합물을 상, 하부로 교반해서 강동가 균일한 토사-고화제 혼합물을 형성할 수 있는 것이다.

여기서, 상기 오거 스크류(230)를 천공홀이 시작되는 지면(S)과 거리를 두는 것은, 토사-고화제 혼합물이 상기 오거 스크류(230)를 따라 상승해서 천공홀 외부로 배출되는 것을 방지하기 위함이다. 가령, 상기 오거 스크류(230)가 천공홀이 시작되는 지면(S) 또는 그 위까지 연장되면, 토사-고화제 혼합물은 상기 오거 스크류(230)를 따라 천공홀 외부로 배출될 수 있게 된다. 이를 방지하기 위해, 상기 오거 스크류(230)는 천공홀이 시작되는 지면(S)으로부터 일정 거리 아래까지 연장되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 오거 스크류(230)의 최상단과 상기 천공홀이 시작되는 지면(S) 사이에는 상기 오거 스크류(230)가 연장되지 않는 종단부(231)가 마련될 수 있는 것이다.

상기 오거 스크류(230)의 최상단과 지면(S) 사이의 거리인 상기 종단부(231)는 상기 오거 스크류(230)에 의해 천공홀 외부로 토사-고화제 혼합물이 배출되지 않을 정도인 거리가 바람직하며, 이는 상기 오거 스크류(230)의 규모에 따라 변경될 수 있다. 구체적으로, 상기 종단부(231)의 거리는, 나선형으로 이루어진 상기 오거 스크류(230)가 2바퀴 내지 5바퀴 정도 더 연장될 수 있는 거리일 수 있다. (다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 오거 스크류(230)의 규모에 따라 상기 종단부(231)의 거리는 변경될 수 있다.)

도 7을 참조하면, 상기 오거 스크류(230)는 상기 로드(210)의 측면을 따라 연장되되, 상기 오거 스크류(130)의 중간에는 상기 오거 스크류(130)가 마련되지 않는 1개 이상의 절단부(232)가 마련될 수 있다. 구체적으로, 상기 절단부(232)는 상기 오거 스크류(230)가 연장되지 않는 부분이다.

상기 오거 스크류(230)에서 상기 절단부(232)를 마련하는 것은, 현장 굴착토사와 고화제의 상하방향 교반 효과를 높이기 위함이다. 상기 오거 스크류(230)에 상기 절단부(232)가 마련되지 않으면, 현장 굴착토사와 고화제 혼합물은 상기 오거 스크류(230)를 따라 계속 상승 또는 하강할 수 있게 된다.

그러나 상기 절단부(232)가 마련되면, 현장 굴착토사와 고화제 혼합물은 상기 오거 스크류(230)가 없는 상기 절단부(232)에서 상승 또는 하강이 중단될 수 있게 된다. 즉, 상기 절단부(232)를 통해 현장 굴착토사와 고화제 혼합물은 계속 상승 또는 하강하는 것을 방지할 수 있게 되고, 이를 통해 상기 절단부(232)를 중심으로 구역별로 현장 굴착토사와 고화제 혼합물을 상하방향으로 효과적으로 교반할 수 있게 된다.

도 8을 참조하면, 나선 형상으로 이루어지는 상기 오거 스크류(230)의 나선 방향은 상기 절단부(232)를 중심으로 서로 반대 방향일 수 있다. 구체적으로, 적어도 하나 이상의 상기 절단부(232)를 중심으로 상, 하부에 있는 상기 오거 스크류(230)의 나선 방향이 서로 반대 방향일 수 있는 것이다.

상기 절단부(232)는 복수 개가 마련될 수 있는데, 상기 절단부(232)를 중심으로 상, 하부에 있는 상기 오거 스크류(230)의 나선 방향은 서로 동일할 수도 있는 것이며, 서로 반대 방향일 수도 있는 것이다. 즉, 상기 절단부(232)를 중심으로 상기 오거 스크류(230)의 나선 방향은 필요에 따라 변경될 수 있다. 이와 같이 상기 오거 스크류(230)의 나선 방향을 상기 절단부(232)를 중심으로 변경하면, 현장토사와 고화제의 교반 효과를 높일 수 있는 장점이 있다. (일 방향으로 회전하는 상기 오거 스크류(230)에 비하여, 일 방향과 타 방향으로 동시에 회전하는 상기 오거 스크류(230)는 현장 굴착토사와 고화제 혼합물에 와류를 만들어 교반 효과를 더 높일 수 있게 된다.)

상기 날개부(240)는 상기 로드(210) 측면으로부터 돌출되는 교반축(241)과 상기 교반축(241) 끝단에 마련되며, 블레이드 형상으로 이루어진 교반날개(242)를 포함하여 이루어지는 것이다. 구체적으로, 상기 날개부(240)는 상기 로드(210)의 길이 방향을 따라, 상기 로드(210)의 상부에서부터 하부까지 복수 개가 마련될 수 있는 것이다. 복수 개의 상기 날개부(240)는 상기 로드(110)의 측면에 지그재그 방향으로 배치될 수 있는 것으로, 상기 로드(210)를 위에서 바라보았을 때 상기 날개부(240)는 십자 형상으로 배치될 수 있다.

상기 날개부(240)는 상기 로드(210)를 축으로 회전할 수 있는 것으로, 상기 날개부(240)의 회전에 의해 지반(G) 내부를 굴착하면서 테이퍼 형태의 천공홀(260)을 형성하기 위해서 복수 개의 상기 날개부(240)를 구성하는 상기 교반축(241)이 상기 로드(210)의 상부에서 하부로 갈수록 길이가 일정 비율로 짧아지는 것이 바람직하다.

상기 교반축(241)의 길이가 상기 로드(210) 상부에서 하부로 갈수록 일정 비율로 짧아지게 형성됨에 따라 천공홀(260)은 상부에서 하부로 갈수록 깊이에 비례하여 직경이 작아지게 되고, 이를 통해 테이퍼 형태의 천공홀(260)을 형성할 수 있게 된다.

테이퍼 형상의 천공홀(260)을 형성하기 위해 복수 개의 상기 날개부(240)에 형성되어 있는 블레이드 형상의 복수 개의 상기 교반날개(242)는 상기 로드(210)의 연장 축에 대하여 동일한 각도로 기울어지는 것이 바람직하다. 도 6을 참조하면, 상기 로드(210) 축을 중심으로 양쪽에 위치하는 상기 교반날개(242)는 동일한 선상의 천공홀(260) 공벽에 접할 수 있도록 천공홀(260) 공벽과 동일한 각도로 기울어져 있을 수 있다. 이와 같이 복수 개의 상기 교반날개(242)가 동일한 각도로 기울어짐에 따라 테이퍼 형상의 천공홀(260)을 형성할 수 있게 된다. (이 때, 상기 교반축(241)은 수평 방향으로 연장되어 있다.)

복수 개의 상기 교반날개(242)가 상기 로드(210)의 연장 축에 대하여 기울어지는 각도는 필요한 테이퍼 형상에 따라 변경될 수 있다. 테이퍼 형상은 서로 상대하는 양측면이 대칭적으로 경사가 이루어져 있는 것으로(상단에서 하단으로 갈수록 폭이 감소하는 형태로 경사가 형성), 상기 테이퍼형 천공홀(260) 공벽의 경사를 원하는 각도로 변경하기 위해 복수 개의 상기 교반날개(242)가 상기 로드(210)의 연장 축에 대하여 기울어지는 각도를 변경할 수 있다.

복수 개의 상기 날개부(240)의 상기 교반축(241)은 상기 로드(210)의 상부에서 하부로 갈수록 길이가 일정 비율로 짧아지도록 형성하고, 복수 개의 상기 날개부(240)에 형성된 복수 개의 상기 교반날개(242)를 동일한 각도로 기울임에 따라 도 6과 같은 테이퍼 형상의 천공홀(260)을 형성할 수 있게 된다.

다만, 상기 날개부(240)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니며 다른 형상으로도 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수 개의 상기 날개부(240)에 마련되어 있는 복수 개의 상기 교반축(241)은, 수평방향으로부터 하향 경사를 가지며 일정각도로 기울어져 있고, 상기 교반날개(242)는 상기 교반축(241)에 수직으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 테이퍼 형상의 천공홀(260) 공벽의 경사는, 상기 교반축(241)이 수평 방향으로부터 하향 경사를 가지는 일정 각도와 동일하게 형성될 수 있다.

즉, 상기 교반축(241)을 수평방향과 평행하게 하고, 상기 교반날개(242)를 연직에 대해 일정각도로 기울이거나, 상기 교반축(241)을 수평방향으로부터 하향 경사로 일정 각도 기울이고, 상기 교반날개(242)를 상기 교반축(241)과 수직으로 이루어지게 함에 따라 경사를 갖는 테이퍼 형상의 천공홀을 형성할 수 있게 된다.

여기서, 테이퍼 형상의 천공홀(260) 공벽이 기울어진 각도는 0도 내지 5도 일 수 있다. (테이퍼 형상의 천공홀 공벽이 기울어진 각도는, 토사-고화제 혼합 말뚝이 형성되었을 때 주면이 연직에 대해 기울어진 각도와 동일한 것이다. 테이퍼 형상은 서로 상대하는 양측면이 대칭적으로 경사가 이루어져 있는 것이기 때문에, 일정각도가 형성된다.) 테이퍼 형상의 천공홀 공벽이 기울어진 각도가 5도 이상이면 지표면으로부터 일정 깊이 아래에 있는 지지층에서 형성되는 말뚝의 직경이 너무 작아져서 구조적으로 취약할 수 있고, 지지층 깊이에서 말뚝 직경을 일정 크기 이상으로 하면 지표면 위치에 형성되는 말뚝 상부의 직경이 너무 커지기 때문에 상부구조물이 축조되는 제한된 면적에 상부 하중에 적합한 말뚝 수량을 배치하는 것이 어렵게 되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 테이퍼 형상의 천공홀 공벽이 기울어진 각도는 0도 내지 5도인 것이 바람직하다.

상기 날개부(240)는 상기 로드(210)를 축으로 회전하면서 지반(G)을 테이퍼 형상으로 굴착할 수 있으나, 상기 날개부(240)를 통해 지반(G)에 형성된 테이퍼 형상의 공벽을 다짐할 수도 있다. 도 9를 참조하면, 상기 날개부(240)의 상기 교반날개(242)는 곡률이 형성된 원호형 단면을 갖는 블레이드 형상으로 이루어지고, 상기 원호형 단면의 곡률 중심은, 천공홀(260) 내부에 위치하지만 상기 로드(210) 및 상기 교반축(241) 위에는 형성되지 않고, 상기 교반축(241)에서 일정 각도로 회전된 지점에 형성되는 것이다.

이와 같이 상기 교반날개(242)를 형성하면, 상기 교반날개(242)의 원호형 단면 중 일측면은 천공홀(260)의 공벽과 접촉하게 되고, 상기 교반날개(242)의 원호형 단면 중 타측면은 천공홀(260)의 공벽과 접촉하지 않게 된다.

도 9를 참조하면, 상기 날개부(240)가 상기 교반날개(242)의 원호형 단면 중 천공홀(260)의 공벽에 접촉해 있는 일측면 부분 방향으로 회전하게 되면(도 9에서 반시계 방향으로 회전하면) 상기 교반날개(242)가 천공홀(260)의 공벽을 굴착하게 되고, 상기 로드(210)에 압축력을 가하면서 상기 날개부(240)가 상기 교반날개(242)의 원호형 단면 중 천공홀(260)의 공벽에 접촉하지 않은 타측면 부분 방향으로 회전하게 되면(도 9에서 시계 방향으로 회전하면) 상기 교반날개(242)가 천공홀(260)의 공벽을 다질 수 있게 된다.

말뚝을 시공하는 과정에서, 천공홀(260)을 형성하기 위해 지반(G) 내부를 굴착하면 공벽으로부터 가까운 곳에 위치하는 토사는 느슨해져서 강도가 저하되고, 심한 경우 천공홀(260)의 공벽이 무너지게 되는데, 이러한 것을 방지하기 위해 천공홀(260)의 공벽을 다짐해야 할 필요가 있다. 본 발명은 상기 날개부(240)의 회전방향만 바꿈으로써 천공홀(260) 공벽의 굴착과 다짐을 모두 수행할 수 있는 장점이 있다.

상술한 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)를 이용한 테이퍼형 말뚝 시공방법은 다음과 같다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 테이퍼형 말뚝 시공방법은 천공 단계(S100), 천공홀 공벽 다짐 단계(S200), 고화제 주입 단계(S300), 굴착토사와 고화제 교반 단계(S400), 말뚝 형성 단계(S500)를 포함하여 이루어진다.

상기 천공 단계(S100)는 테이퍼형 말뚝 시공장치를 이용하여 상부에서 하부로 갈수록 깊이에 비례하여 직경이 연속적으로 작아지는 테이퍼 형태의 천공홀을 지반(G)에 형성하는 단계이다. 테이퍼 형태의 천공홀은 단단한 풍화토나 풍화암까지 천공될 수 있다.

그리고 테이퍼형 말뚝은, 주면이 연직에 대해 일정각도로 기울어진 말뚝으로, 주면이 연직에 대해 기울어진 각도는 0도 내지 5도인 것이 바람직하다. 주면이 연직에 대해 기울어진 각도가 5도 이상이면 지표면으로부터 일정 깊이 아래에 있는 지지층에서 형성되는 말뚝의 직경이 너무 작아져서 구조적으로 취약할 수 있고, 지지층 깊이에서 말뚝 직경을 일정 크기 이상으로 하면 지표면 위치에 형성되는 말뚝 상단의 직경이 너무 커지기 때문에 상부 구조물이 축조되는 제한된 면적에 상부 하중에 적합한 말뚝 수량을 배치하는 것이 어려울 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 주면이 연직에 대해 기울어진 각도는 0도 내지 5도인 것이 바람직하다.

상기 천공홀 공벽 다짐 단계(S200)는 테이퍼형 말뚝 시공장치에 압축력을 가하면서 천공 단계에서와 반대 방향으로 회전시켜 상기 교반날개(242)가 천공홀의 공벽을 방사방향으로 밀어내서 다지는 단계이다. 상기 천공홀 공벽 다짐 단계(S200)를 통해 테이퍼형 토사-고화제 혼합 말뚝의 주면을 지지하는 지반이 단단해져서 말뚝의 주면마찰력을 증대시킬 수 있는 것이다.

상기 고화제 주입 단계(S300)는 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치를 통해 상기 천공 단계에서 발생한 굴착 토사에 고화제를 주입하는 단계이다. 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치에는 고화제를 주입할 수 있는 홀이 형성되어 있으며, 상기 홀을 통해 상기 천공홀 내부로 고화제가 주입된다. 구체적으로, 상기 천공 단계(S100)에서 테이퍼 형상의 천공홀이 단단한 풍화토나 풍화암까지 천공될 때 발생하는 상기 굴착 토사에 고화제를 주입한다.

상기 고화제 주입 단계(S300)는 상기 천공단계(S100)와 함께 진행될 수도 있다. 구체적으로 테이퍼형 말뚝 시공장치를 이용하여 지반(G)에 테이퍼 형상의 천공홀을 형성하면서 동시에 고화제를 주입할 수 있는 홀을 통해 천공홀 내 굴착토사에 고화제를 주입할 수도 있다.

상기 굴착토사와 고화제 교반 단계(S400)는 상기 천공 단계(S100)에서 발생한 굴착토사와 상기 고화제 주입 단계(S300)에서 천공홀에 주입한 고화제를 상기 굴착부(220)와 상기 오거 스크류(230), 상기 날개부(240)를 이용해서 상하좌우 방향으로 교반하는 단계이다. 구체적으로 상기 굴착부(220)와 날개부(240)는 일정 깊이에서 굴착토사와 고화제를 교반하는 역할을 하며, 상기 오거 스크류(230)는 상기 굴착부(220)와 상기 날개부(240)에 의해 교반된 굴착토사-고화제 혼합물을 상하방향으로 교반해서 토사-고화제 혼합 말뚝의 강도가 길이 방향으로 일정하도록 하는 역할을 하게 된다.

상기 말뚝 형성 단계(S500)는 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치를 통해 상기 굴착 토사와 고화제를 교반한 후 이 혼합물을 경화시켜 말뚝을 형성하는 단계이다. 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치에는 상기 굴착 토사와 고화제를 교반할 수 있는 상기 굴착부(220), 상기 오거 스크류(230), 상기 날개부(240) 등이 마련될 수 있으며, 이를 통해 상기 굴착토사와 고화제를 상하좌우로 교반하여 강도가 균일한 테이퍼 형상의 말뚝을 형성하게 된다.

상기 천공 단계(S100)에서는 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치를 이용하여 상부에서 하부로 갈수록 깊이에 비례하여 직경이 연속적으로 작아지는 테이퍼 형태의 제1천공홀과, 상기 제1천공홀 상부에 마련되며, 동일한 직경으로 형성된 원통형의 제3천공홀과, 상기 제3천공홀 상부에 마련되며, 상부에서 하부로 갈수록 깊이에 비례하여 직경이 연속적으로 작아지는 테이퍼 형태의 제2천공홀로 이루어진 천공홀을 형성할 수 있다.

구체적으로, 하부에서 상부로 가면서 테이퍼 형태의 제1천공홀 - 원통형의 제3천공홀 - 테이퍼 형태의 제2천공홀의 순서로 천공홀을 형성할 수 있다. 이와 같은 형상의 천공홀은 말뚝의 지지층이 깊은 깊이에 있을 때 형성할 수 있다. 말뚝의 지지층의 깊이가 긴 경우, 깊이에 비례하여 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 천공을 하면, 상부와 하부의 천공홀의 직경 차이가 상당히 커지게 된다. 이를 방지하기 위해 테이퍼 형상의 말뚝 사이에 동일한 직경으로 이루어진 원통형의 연결부를 형성할 수 있다.

이와 같이 천공홀을 형성하고 난 후 고화제를 주입하고, 굴착토사와 고화제를 교반하여, 테이퍼 형태의 제1말뚝 - 원통형의 제3말뚝 - 테이퍼 형태의 제2말뚝을 형성할 수 있다.

다만, 천공홀의 형상은 이에 한정되지 않으며, 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 제2천공홀과 상기 제3천공홀이 복수 개가 마련되며, 상기 제3천공홀은 상기 제1천공홀과 상기 제2천공홀 사이에 마련되거나, 복수 개의 상기 제2천공홀 사이에 마련될 수 있다.

즉, 상기 제1천공홀이 최하단에 배치되고, 상기 제1천공홀 상부에 복수 개의 상기 제2천공홀과 상기 제3천공홀이 조합되어 천공홀을 형성할 수 있다. (제1천공홀-제3천공홀-제2천공홀-제3천공홀-제2천공홀, 제1천공홀-제3천공홀-제2천공홀-제2천공홀, 제1천공홀-제2천공홀-제3천공홀-제2천공홀 등과 같이 다양한 형상의 천공홀이 형성될 수 있다.) 천공홀의 형상은 지지층의 심도가 깊은 경우, 중간인 경우, 얕은 경우 등 환경에 따라 그 형상이 변형되어 사용될 수 있다.

천공홀은 상기 제1천공홀과 상기 제2천공홀이 연속적으로 결합되어 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1천공홀 최상단의 직경과, 상기 제2천공홀 최하단의 직경이 동일하여 연속적인 테이퍼 형상이 이루어질 수도 있고, 상기 제1천공홀 최상단의 직경 보다 상기 제2천공홀 최하단의 직경이 크게 형성되어, 연속되지 않은 테이퍼 형상으로도 이루어질 수 있다.

상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)는 복수 개가 마련되어 사용될 수도 있으며, 중간에 원통형 말뚝 시공장치(100)가 연결되어 사용될 수도 있다. 구체적으로, 말뚝을 지지할 수 있는 지지층이 얕은 깊이에 있는 경우, 지지층이 중간 깊이에 있는 경우, 지지층이 깊은 깊이에 있는 경우로 나누어서 사용될 수 있다. 말뚝을 지지할 수 있는 지지층이 얕은 깊이에 있는 경우에는 하나의 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)를 사용하여 시공한다. 말뚝을 지지할 수 있는 지지층이 얕은 깊이에 있는 경우의 시공방법은 상술한 시공방법과 동일하다.

말뚝을 지지할 수 있는 지지층이 중간 깊이에 있는 경우에는 복수 개의 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)를 사용하여 시공할 수 있다. 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)가 복수 개 마련되며, 최하부에 배치되어 있는 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)를 제1테이퍼형 말뚝 시공장치라 하고, 상기 굴착부(220)가 제거된 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)를 제2테이퍼형 말뚝 시공장치라 한다.

상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치는 최하부에 배치되며, 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치는 상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치 상부에 연결되어 결합될 수 있다. 구체적으로 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치의 로드는 상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치의 로드에 연결 결합될 수 있다. 이때, 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치는 상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치와 결합을 위해 상기 굴착부가 제거된 상태이다.

이와 같이 복수 개의 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)를 사용하면, 테이퍼 형태의 천공홀을 더욱 깊게 형성할 수 있으며, 지지층이 중간 깊이에 있는 경우 이와 같이 천공할 수 있다. 상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치와 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치의 로드에는 제2분사공이 마련될 수도 있으며, 이와 같은 상기 제2분사공을 통해 고화제를 용이하게 주입할 수 있다.

말뚝을 지지할 수 있는 지지층이 깊은 깊이에 있는 경우에는 복수 개의 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)와 원통형 말뚝 시공장치(100)를 사용하여 시공할 수 있다. 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)가 복수 개 마련되며, 최하부에 배치되어 있는 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)를 제1테이퍼형 말뚝 시공장치라 하고, 상기 굴착부가 제거된 상기 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)를 제2테이퍼형 말뚝 시공장치라 한다.

상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치는 최하부에 배치되고, 상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치 상부에 상기 원통형 말뚝 시공장치(100)를 배치한다. (여기서, 상기 원통형 말뚝 시공장치(100)는 상술한 원통형 말뚝 시공장치(100)와 동일한 것일 수 있으며, 굴착부(140)가 제거된 것이다.)

상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치, 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치, 상기 원통형 말뚝 시공장치의 배치는, 상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치가 최하부에 배치되고, 상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치 상부에는 원통형 말뚝 시공장치가 배치되고, 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치는 상기 원통형 말뚝 시공장치 상부에 결합되어 배치된다. (구체적으로 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치의 로드는 상기 원통형 말뚝 시공장치의 로드에 연결 결합될 수 있으며, 상기 원통형 말뚝 시공장치의 로드는 상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치의 로드에 연결결합 될 수 있다. 이때, 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치는 상기 원통형 말뚝 시공장치와 결합을 위해 상기 굴착부가 제거된 상태이다.

이와 같이 복수 개의 테이퍼형 말뚝 시공장치와 원통형 말뚝 시공장치가 연결되면, 상기 천공 단계(S100)에서 상부에서 하부로 갈수록 깊이에 비례하여 직경이 연속적으로 작아지는 테이퍼 형태의 제1천공홀과, 상기 제1천공홀 상부에 마련되며, 동일한 직경으로 형성된 원통형의 제3천공홀과, 상기 제3천공홀 상부에 마련되며, 상부에서 하부로 갈수록 깊이에 비례하여 직경이 연속적으로 작아지는 테이퍼 형태의 제2천공홀로 이루어진 천공홀을 형성할 수 있다.

구체적으로, 테이퍼 형태의 제1천공홀 - 원통형의 제3천공홀 - 테이퍼 형태의 제2천공홀의 순서로 천공홀을 형성할 수 있다. 말뚝의 지지층의 깊이가 긴 경우, 깊이에 비례하여 직경이 작아지는 테이퍼 형상으로 천공을 하면, 상부와 하부의 천공홀의 직경 차이가 상당히 커지게 된다. 이를 방지하기 위해 테이퍼 형상의 말뚝 사이에 동일한 직경으로 이루어진 원통형의 연결부를 상기 원통형 말뚝 시공장치를 통해 형성할 수 있다.

이와 같이 천공홀을 형성하고 난 후 고화제를 주입하고, 굴착토사와 고화제를 교반하여, 테이퍼 형태의 제1말뚝 - 원통형의 제3말뚝 - 테이퍼 형태의 제2말뚝을 형성할 수 있다.

(상기 제1테이퍼형 말뚝 시공장치도 상술한 테이퍼형 말뚝 시공장치와 같이 로드, 중공부, 제1분사공, 굴착부, 굴착비트, 오거 스크류, 날개부, 교반축, 교반날개 등이 마련될 수 있으며, 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)의 구성과 동일한 구성이므로 상세한 설명은 생략한다. 상기 제2테이퍼형 말뚝 시공장치도 상술한 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)에서 굴착부를 제거하고, 로드, 중공부, 오거 스크류, 날개부, 교반축, 교반날개 등이 마련될 수 있으며, 굴착부가 제거된 것을 제외하고는 테이퍼형 말뚝 시공장치(200)의 구성과 동일한 구성이므로 상세한 설명은 생략한다.)

상술한 본 발명의 원통형 말뚝 시공장치 및 테이퍼형 말뚝 시공장치는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 오거 스크류는 로드 측면을 따라 연장되되, 천공홀이 시작되는 지면으로부터 일정 거리를 아래까지 연장되고 있다. 이와 같이 오거 스크류가 로드 측면을 따라 연장됨에 따라 현장 굴착토사와 고화제 혼합물을 상항방향으로 교반할 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 천공홀 대부분 길이에 걸쳐 오거 스크류가 배치됨에 따라 굴착부와 날개부에 의해 교반된 현장 굴착토사와 고화제의 혼합물을 상하방향으로 교반시킬 수 있으며, 지면과 오거 스크류의 최상단 사이를 일정 거리 이격시킴에 따라 현장 굴착토사와 고화제 혼합물이 천공홀 외부로 빠져나가는 것을 방지하면서 현장 굴착토사와 고화제의 교반 효과를 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 오거 스크류 중간에 오거 스크류가 연장되지 않는 절단부를 마련함에 따라 현장 굴착토사와 고화제의 교반 효과를 높일 수 있으며, 절단부를 중심으로 상, 하부에 위치한 오거 스크류의 나선 방향을 반대로 함에 따라 현장 굴착토사와 고화제 혼합물에 와류를 일으켜 교반 효과를 더욱 상승시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 교반축의 길이가 다른 복수 개의 날개부를 이용하여 테이퍼 형상으로 지반을 천공하고, 천공과정에서 발생한 현장 굴착토사와 고화제를 교반함으로써 테이퍼 형상의 말뚝을 시공할 수 있는 장점이 있다.

또한, 주면이 연직에 대해 일정각도 기울어진 테이퍼 형상의 토사-고화제 혼합 말뚝을 형성함에 따라 큰 하중이 작용하는 상단은 단면적을 크게, 작은 하중이 작용하는 하단은 단면적을 작게 해서 말뚝 재료를 최적화해 사용함으로써 재료비를 절감할 수 있으면서 동시에 깊이에 따라 직경이 동일한 원통형 말뚝과 체적이 동일하더라도 원통형 말뚝 대비 증가된 지지력을 발휘하여 구조적으로 안전성을 확보하고 경제성을 향상키실 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 테이퍼 형상의 토사-고화제 혼합 말뚝을 형성함에 따라, 종래의 동일한 직경을 갖는 원통형의 토사-고화제 혼합 말뚝에 비해 주변 지반을 조밀하게 다짐하는 효과가 있으며, 종래의 동일한 직경을 갖는 원통형 말뚝에 비해 주면 마찰력이 상승하여 하중 지지능력이 향상되는 효과가 있다.

구체적으로, 종래의 동일한 직경을 갖는 원통형 말뚝은 말뚝 주면이 지반과 수직으로 접촉하기 때문에 연직하중에 의해 말뚝이 침하될 때 주변 지반이 압축되기 어려웠으나, 테이퍼 형상의 말뚝은 주면이 경사져 있기 때문에 연직하중에 의해 말뚝이 침하될 때 테이퍼 경사면에 의해 주변 지반이 압축될 수 있게 된다. 이와 같이 테이퍼 경사면에 의해 지반이 압축되면 말뚝 주변 지반이 방사방향으로 밀려서 조밀하게 다져지는 효과가 있다. 따라서, 테이퍼 경사면에 의해 지반을 압축시키고, 동시에 지반이 압축되어 지반과 말뚝 사이에서 발생하는 주면 마찰력을 상승시킬 수 있게 되고, 이를 통해 하중 지지능력이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 테이퍼 형상의 토사-고화제 혼합 말뚝을 형성함에 따라 연약지반에서 하중으로 작용할 수 있는 부주면 마찰력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 부주면 마찰력은 연약한 지반에서 지반이 침하할 때 발생하는 것으로, 지반이 침하하면서 지반과 말뚝 사이에 하향으로 작용하는 마찰력으로, 말뚝을 하중 방향으로 잡아당기게 되는 것이다.

종래의 일정한 직경을 갖는 원통형 토사-고화제 말뚝은 지반과 말뚝 사이에 비교적 큰 크기의 부주면 마찰력이 발생하는 문제점 있었다. 그러나 본 발명의 테이퍼형 토사-고화제 말뚝은, 주면이 경사져 있기 때문에 지반이 침하할 때 말뚝과 지반 사이에 큰 크기의 마찰력이 작용하기 어렵게 되고, 이를 통해 부주면 마찰력을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

이와 함께, 복수 개의 테이퍼형 말뚝 시공장치를 사용함에 따라 테이퍼 형상의 천공홀 깊이를 손쉽게 조절할 수 있으며, 복수 개의 테이퍼형 말뚝 시공장치와 상기 원통형 말뚝 시공장치를 사용함에 따라 지지층이 깊은 경우에도 테이퍼형의 토사-고화제 혼합 말뚝을 시공하는 것이 가능하게 된다. 이를 통해 말뚝을 지지하는 지지층이 얕은 깊이에 있는 경우, 중간 깊이에 있는 경우, 깊은 깊이에 있는 경우 모두 시공이 가능한 장점이 있다.

상술한 본 발명의 실시 예에 따르면 다음과 같이 변형되어 사용되는 것도 가능하다. 상기 교반축의 상, 하면에는 교반 갈귀가 형성될 수도 있다. 상기 교반 갈귀는 상기 교반축의 상면 또는 하면에 선택적으로 마련되거나, 상기 교반축의 상면 및 하면에 동시에 마련될 수 있는 것으로, 상기 교반축의 상, 하면에서 돌출되는 돌기 형상으로 이루어져 있다. 구체적으로 상기 교반 갈귀는 상기 교반축의 상, 하면에서 복수 개의 돌기가 돌출되는 형상으로, 머리빗 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 교반 갈귀는 천공홀에 주입된 고화재 내부에 존재하는 토사 덩어리를 파쇄하기 위한 것으로, 복수 개의 돌기가 돌출되는 머리빗 형상의 상기 교반 갈귀를 통해 토사 덩어리를 잘게 파쇄할 수 있는 장점이 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100...원통형 말뚝 시공장치 200...테이퍼형 말뚝 시공장치
110,210...로드 111,211...중공부
112,212...제1분사공 120,220...굴착부
121,221...굴착비트 130,230...오거 스크류
131,231...종단부 132,232...절단부
140,240...날개부 141,241...교반축
142,242...교반날개 150,250...제2분사공

Claims (14)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 천공홀 형성과정에서 발생한 굴착 토사와 고화제를 교반시켜 토사-고화제 혼합 말뚝을 만들기 위한 테이퍼형 말뚝 시공장치에 있어서,
   봉형상으로 이루어지며, 내부에 고화제가 이동할 수 있는 중공부가 형성되어 있고, 하부에 상기 중공부와 연통되어 있는 제1분사공이 마련되어 있는 로드;
   상기 로드 하부에 결합되며, 회전에 의해 지반을 굴착할 수 있는 굴착부;
   상기 굴착부 상부에서 상기 굴착부와 이격되어 배치되며, 상기 로드 측면에 나선 형태로 결합되어 있는 오거 스크류; 및
   상기 로드 측면에서부터 돌출되는 교반축과, 상기 교반축 끝단에 마련되며, 블레이드 형상으로 이루어진 교반날개를 포함하는 날개부;를 포함하며,
   상기 오거 스크류는 상기 로드의 측면을 따라 상부에서 하부까지 절단되지 않고 연속적으로 연장되되, 직경이 상기 굴착부의 폭보다 같거나 작고, 천공홀이 시작되는 지면과 거리를 두고 지면의 하부까지 연장되며,
   상기 날개부는, 상기 로드의 상부에서부터 하부까지 상기 로드를 따라 연속적으로 연장되는 상기 오거 스크류의 결합구간에 일정간격으로 복수 개가 마련되고, 상기 날개부의 상기 교반축은, 상기 로드의 상부에서부터 하부로 갈수록 길이가 일정 비율로 짧아지는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 말뚝 시공장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제5항에 있어서,
   상기 로드 측면에는,
   상기 중공부와 연통되며, 상기 고화제를 상기 로드 외부로 분사할 수 있는 제2분사공이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 말뚝 시공장치.
9. 제5항에 있어서,
   복수 개의 상기 날개부에 마련되어 있는 복수 개의 상기 교반축은 수평 방향으로 연장되어 있고,
   상기 교반날개는, 상기 로드가 연장되는 축에 대하여 동일한 각도로 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 말뚝 시공장치.
10. 제5항에 있어서,
    복수 개의 상기 날개부에 마련되어 있는 복수 개의 상기 교반축은, 수평방향으로부터 하향 경사를 가지며 일정각도 기울어져 있고,
    상기 교반날개는 상기 교반축에 수직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 말뚝 시공장치.
11. 제5항에 있어서,
    상기 교반날개는,
    곡률이 형성된 원호형 단면을 갖는 블레이드 형상으로 이루어지며,
    상기 원호형 단면의 곡률 중심은, 천공홀 내부에 위치하지만 상기 로드 및 상기 교반축 위에는 형성되지 않고, 상기 교반축에서 일정 각도로 회전된 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 말뚝 시공장치.
12. 천공홀 형성과정에서 발생한 굴착 토사와 고화제를 교반시켜 토사-고화제 혼합 말뚝을 만들기 위한 테이퍼형 말뚝 시공방법에 있어서,
    테이퍼형 말뚝 시공장치를 이용하여, 상부에서 하부로 갈수록 깊이에 비례하여 직경이 작아지는 테이퍼 형태의 천공홀을 형성하는 천공 단계;
    상기 테이퍼형 말뚝 시공장치를 통해 상기 천공 단계에서 발생한 굴착 토사에 고화제를 주입하는 고화제 주입 단계;
    상기 테이퍼형 말뚝 시공장치를 통해 상기 굴착 토사와 상기 고화제를 교반하는 교반하는 굴착토사-고화제 교반단계;
    상기 굴착토사-고화제 교반단계를 거친 상기 굴착 토사와 상기 고화제를 경화시켜 말뚝을 형성하는 말뚝 형성단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 테이퍼형 말뚝 시공장치는,
    봉형상으로 이루어지며, 내부에 고화제가 이동할 수 있는 중공부가 형성되어 있고, 하부에 상기 중공부와 연통되어 있는 제1분사공이 마련되어 있는 로드;
    상기 로드 하부에 결합되며, 회전에 의해 지반을 굴착할 수 있는 굴착부;
    상기 굴착부 상부에서 상기 굴착부와 이격되어 배치되며, 상기 로드 측면에 나선 형태로 결합되어 있는 오거 스크류; 및
    상기 로드 측면에서부터 돌출되는 교반축과, 상기 교반축 끝단에 마련되며, 블레이드 형상으로 이루어진 교반날개를 포함하는 날개부;를 포함하며,
    상기 오거 스크류는 상기 로드의 측면을 따라 상부에서 하부까지 절단되지 않고 연속적으로 연장되되, 직경이 상기 굴착부의 폭보다 같거나 작고, 천공홀이 시작되는 지면과 거리를 두고 지면의 하부까지 연장되며,
    상기 날개부는, 상기 로드의 상부에서부터 하부까지 상기 로드를 따라 연속적으로 연장되는 상기 오거 스크류의 결합구간에 일정간격으로 복수 개가 마련되고, 상기 날개부의 상기 교반축은, 상기 로드의 상부에서부터 하부로 갈수록 길이가 일정 비율로 짧아지는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 말뚝 시공방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 천공 단계 이후 상기 교반날개를 통해 상기 천공홀의 공벽을 다지는 천공홀 공벽 다짐 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 말뚝 시공방법.
14. 제12항에 있어서,
    상기 천공 단계와 상기 고화제 주입 단계는 동시에 진행되며,
    상기 천공홀을 형성하면서 동시에 상기 고화제를 주입하는 것을 특징으로 하는 테이퍼형 말뚝 시공방법.

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