KR102082495B1 - 선단부 현장타설 복합 말뚝 공법 - Google Patents

선단부 현장타설 복합 말뚝 공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 구조물의 기초로 활용되는 현장타설 말뚝에 관한 것으로, 현장타설 말뚝의 보강재(20)와 상부 구조물의 수직재인 지주(30)를 상호 연결하여 굴착공 케이싱(10) 내부로 투입하되, 보강재(20) 상부 및 지주(30) 하부에 각각 연결봉(21) 및 수직 장공(32)이 형성된 연결판(31)을 설치하여, 콘크리트 타설 직후 지주(30)의 위치를 정밀하게 조정할 수 있도록 한 것이다.
본 발명을 통하여, 하부의 현장타설 말뚝 본체와 상부 구조물 지주(30)간의 긴밀하고 견고한 접합이 가능하여, 말뚝기초와 구조물 수직재간 완벽한 구조적 일체화가 가능하며, 특히 말뚝과 지주(30)간 접합부가 지하 심부에 위치하는 경우에도 무리없는 시공이 가능하다.

Description

선단부 현장타설 복합 말뚝 공법{LOW PART CAST IN PLACE PILE CONSTRUCTION METHOD}
본 발명은 각종 구조물의 기초로 활용되는 현장타설 말뚝에 관한 것으로, 현장타설 말뚝의 보강재(20)와 상부 구조물의 수직재인 지주(30)를 상호 연결하여 굴착공 케이싱(10) 내부로 투입하되, 보강재(20) 상부 및 지주(30) 하부에 각각 연결봉(21) 및 수직 장공(32)이 형성된 연결판(31)을 설치하여, 콘크리트 타설 직후 지주(30)의 위치를 정밀하게 조정할 수 있도록 한 것이다.
현장타설 말뚝은 기성(旣成) 말뚝을 지반에 타입(打入)하는 전통적인 말뚝 시공 기법을 탈피하여, 지반에 수직 굴착공을 천공한 후, 굴착공에 콘크리트를 타설 및 양생하여 말뚝 기초를 구축하는 것으로, 대구경 말뚝의 효율적인 시공이 가능할 뿐 아니라, 타입식에 비하여 소음 및 진동이 저감되는 장점을 가진다.
현장타설 말뚝의 일반적인 시공과정은 굴착간 공벽(孔壁)을 유지하는 케이싱(10)의 하단부 지반을 굴착하여 굴착공의 천공 및 케이싱(10)의 지반 관입을 동시에 수행하고, 케이싱(10)이 목표 심도에 도달하면 케이싱(10) 내부에 철근망 등의 보강재(20)를 투입한 후, 콘크리트를 타설 및 양생함으로써 말뚝 본체를 완성하는 과정으로 진행되는데, 지반에 관입되는 케이싱(10)으로는 고가의 대구경 강관(鋼管)이 적용되는 바, 콘크리트 타설 후 인발하여 회수하는 것이 공사비 절감에 유리하다.
이러한 현장타설 말뚝은 전체 구간을 일시에 타설하여 말뚝의 총 연장내 불연속면을 형성하지 않는 기본 방식 뿐 아니라, 일단 하부를 우선 타설한 후, 상부를 추가 타설하는 방식도 가능하며, 관련 종래기술로는 특허 제970440호 등을 들 수 있다.
특허 제970440호를 비롯한 종래의 다단 타설식 현장타설 말뚝 공법은 말뚝 하단부를 우선 성형하여 선단지지력을 개선할 수 있는 반면, 선행 타설되는 말뚝 하부에 보강재(20)를 매입할 수 없는 심각한 문제점을 가진다.
특히, 현장타설 말뚝과 상부 구조물의 수직부재인 지주(30)가 긴밀하게 복합되어 일체화된 장주형 구조물로서 거동하여야 하는 경우 적용이 근본적으로 불가능한 한계가 있었다.
즉, 건물 등 상부 구조물의 수직부재인 지주(30)의 하단이 현장타설 말뚝 본체 상단부에 매입되되, 지주(30)와 말뚝 본체간 접합부가 지하에 위치하는 경우, 다단 타설 여부를 막론하고 종래의 현장타설 말뚝 공법으로는 시공이 불가능하였는 바, 타입식 말뚝을 적용하거나, 구조물의 지하층을 수용할 수 있는 터파기를 우선 실시한 후 현장타설 말뚝을 시공하여야 하는 문제가 있었던 것이다.
특히, 도시의 과밀화 및 도시계획상 건물의 고도 제한 등으로 인하여 지하 공간에 대한 수요가 증대되고 있는 바, 지하에 구축되는 구조물의 수직재와 현장타설 말뚝간 긴밀한 접합에 대한 중요성이 대두되고 있으나, 종래의 현장타설 말뚝 공법은 이를 충족하지 못하는 문제점이 있으며, 터파기 및 토류벽 구축 등에 막대한 공사비가 소요되는 심각한 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 현장타설 말뚝 공법에 있어서, 케이싱(10)으로 공벽을 유지하며 굴착공을 형성하는 굴착단계(S11)와, 현장타설 말뚝 본체에 매입되는 보강재(20)와 보강재(20) 상부와 연결된 수직 부재인 지주(30)를 굴착공으로 투입하되, 지주(30)의 하부에는 중심부에 수직 장공(32)이 형성된 연결판(31)이 부착되고, 보강재(20)의 상부에는 연결봉(21)이 접합되어, 연결봉(21)이 장공(32)에 결합됨에 따라 보강재(20)와 지주(30)가 연결되는 건입단계(S12)와, 굴착공 내부에 콘크리트를 타설하고 케이싱(10)을 부분 인발하여 케이싱(10)의 하단부가 콘크리트 상단부에 위치하도록 하는 타설단계(S21)와, 타설된 콘크리트의 양생 이전에 지주(30)의 위치를 조정하는 조정단계(S22)와, 지주(30) 상단부를 케이싱(10) 상단에 고정한 상태에서 콘크리트를 양생하는 양생단계(S30)와, 콘크리트의 양생이 완료되면 케이싱(10)을 완전히 인발하는 철수단계(S41)로 이루어짐을 특징으로 하는 선단부 현장타설 복합 말뚝 공법이다.
또한, 상기 연결판(31)의 장공(32) 상단에는 연결봉(21)의 두부(22)가 통과할 수 있는 확공부(33)가 형성되고, 하단에는 연결봉(21)의 직경과 내경이 일치하는 축공부(34)가 형성됨을 특징으로 하는 선단부 현장타설 복합 말뚝 공법이며, 상기 보강재(20)의 상단부에는 케이싱(10)의 내경과 외경이 일치하는 격리관(25)이 설치되어, 타설단계(S21) 내지 양생단계(S30)의 수행시 케이싱(10) 하단부 내주면과 콘크리트간 접촉이 차단됨을 특징으로 하는 선단부 현장타설 복합 말뚝 공법이다.
본 발명을 통하여, 하부의 현장타설 말뚝 본체와 상부 구조물 지주(30)간의 긴밀하고 견고한 접합이 가능하여, 말뚝기초와 구조물 수직재간 완벽한 구조적 일체화가 가능하며, 특히 말뚝과 지주(30)간 접합부가 지하 심부에 위치하는 경우에도 무리없는 시공이 가능하다.
또한, 말뚝 본체에 대한 콘크리트 타설후 말뚝의 보강재(20)와 상부 구조물 지주(30)의 연결 위치를 조정할 수 있어 정밀한 시공이 가능하며, 이로써, 기초 상부 구조물의 수직재 뿐 아니라 수직재와 연결되는 수평재 등 지하층 구성 부재의 정밀하고 안정적인 시공이 가능하다.
도 1은 본 발명의 단계별 대표 단면도
도 2는 본 발명의 장비 사용상태 예시도
도 3은 본 발명의 보강재 및 지주 발췌 사시도
도 4는 본 발명의 지주 요부 발췌 사시도
도 5는 본 발명의 케이싱간 연결부 예시도
도 6은 격리관이 적용된 본 발명의 보강재 발췌 사시도
도 7은 도 6의 보강재가 적용된 타설단계 대표 단면도
도 8은 본 발명의 케이싱 및 지주 고정방식 예시도
본 발명의 상세한 구성 및 수행과정을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
우선 도 1은 본 발명의 전반적인 과정을 모식화하여 정리한 대표 단면도로서, 동 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 케이싱(10)으로 공벽을 유지하면서 케이싱(10) 내부 및 하측 지반을 굴착하여 굴착공을 형성하는 굴착단계(S11)로 개시된다.
도시된 실시예에서는 토사층과 암층으로 구성된 지반이 예시되어 있으며, 도 1의 좌단에서와 같이, 자력으로 공벽 유지가 불가능한 토사층에는 굴진과 동시에 케이싱(10)이 관입되어 공벽이 유지되고, 자력으로 공벽 유지가 가능한 암층에서는 케이싱(10)의 관입 없이도 굴착공의 형성이 가능하게 된다.
즉, 도 2의 좌단부에서와 같이 토사층의 굴착시에는 파일드라이버 등의 굴착 장비에 케이싱(10)을 결합한 상태에서 오거(91)를 장착하여 지반 굴착과 케이싱(10)의 관입을 동시에 수행하게 되며, 이후 굴착공 자력 유지가 가능한 암층에 도달하면 도 2의 중앙부에서와 같이 기 관입된 케이싱(10)은 존치한 상태에서 오거(91)를 철수하고 암반 파쇄용 비트(92)를 장착하여 굴착공을 추가 굴착하는 것이다.
첨부된 도면에 도시되지는 않았으나, 굴착단계(S11)에서는 굴착공의 천공 후, 굴착공 하단부를 정리하고, 슬라임 등 불순물을 제거하는 등의 공정이 동반 수행된다.
굴착단계(S11)가 완료되어 케이싱(10)으로 전체 또는 일부 공벽이 유지되는 굴착공이 완성되면, 도 1 및 도 2의 우단부에서와 같이, 현장타설 말뚝 본체에 매입되는 철근망 등의 보강재(20)와 보강재(20) 상부와 연결된 수직 부재인 지주(30)를 굴착공으로 투입하는 건입단계(S12)가 수행된다.
건입단계(S12)에 있어서, 상호 연결된 상태로 굴착공에 투입되는 지주(30) 및 보강재(20)는 각각에 구성된 연결판(31) 및 연결봉(21)을 통하여, 하강시에는 긴밀한 결속력을 발현하되, 보강재(20) 하단이 굴착공 하단에 안착된 후에는 지주(30)에 대한 일정 범위 내에서의 원활한 승강 및 요동이 보장된다.
즉, 도 3에서와 같이, 지주(30)의 하부에는 중심부에 수직 장공(32)이 형성된 연결판(31)이 부착되고, 보강재(20)의 상부에는 내측으로 돌출된 연결봉(21)이 접합되어, 연결봉(21)이 장공(32)에 결합됨에 따라 보강재(20)와 지주(30)가 연결되는 것으로, 연결봉(21) 말단이 연결판(31)의 장공(32)에 결합된 상태에서, 도 2의 우단부에서와 같이, 지주(30)를 크레인 등의 장비와 결속하여 굴착공으로 투입하게 되면, 보강재(20)의 자중으로 인하여 연결봉(21)의 말단 또는 두부(22)가 장공(32)의 하단에 밀착되면서 지주(30)와 보강재(20)간의 안정적인 연결 상태가 유지되며, 이후 보강재(20)의 하단이 굴착공 하단에 안착되면, 보강재(20)가 자중으로 굴착공 내부에 고정되고 연결판(31)과 연결봉(21)간 구속은 자연히 해제되므로, 장공(32)의 상하 길이 범위 내에서 지주(30)의 승강이 가능함과 동시에, 장공(32)의 좌우 유격(裕隔)을 통하여 지주(30)의 좌우 이동 내지 요동이 허용되는 것이다.
전술한 바와 같이, 철근망 등의 보강재(20)는 현장타설 말뚝 본체에 매입되어 말뚝 본체를 보강하게 되고, 지주(30)는 상부 구조물의 수직 부재로서 도 3에서와 같이 다수의 브래킷(39) 등의 부착물이 설치되어, 도 1의 우단에서와 같이, 기초공사 완료후 지하층 구조체의 수평 부재 등이 결속되는 바, 본 구조물 구축을 위한 후속 공정의 수행을 위해서는 지주(30)의 정확한 위치 확보가 필수적이다.
반면, 실제 지반 여건이 당초 설계시 추정치와 정확하게 일치할 수는 없으므로, 굴착공의 실제 굴착 심도와 설계 심도간의 오차가 발생될 수 밖에 없으며, 따라서 보강재(20)의 위치 역시 소폭의 변동은 불가피한 바, 보강재(20)와 지주(30)간 강결시 지주(30)의 위치 및 자세를 정확하게 설정할 수 없다.
이에, 본 발명에서는 도 3에서와 같이, 장공(32)이 형성된 연결판(31)과, 장공(32)에 결합되는 연결봉(21)을 각각 지주(30) 하단부 및 보강재(20) 상단부에 설치함으로써, 건입단계(S12)의 수행에 있어서 지주(30)와 보강재(20)의 안정적인 동반 투입은 보장하면서도, 보강재(20)의 안착 후에는 지주(30)에 대한 위치 및 자세 조정이 가능하도록 한 것이다.
이러한 본 발명의 연결판(31)은 중심부에 수직 방향으로 길게 절개된 장공(32)이 형성된 판체로서, 판체의 양 측단은 직각으로 절곡되어 지주(30) 하단부 표면에 부착되는 바, 연결판(31)과 지주(30) 표면 사이에 이격된 공간이 형성되며, 연결봉(21)은 철근망 등 보강재(20)의 내측으로 돌출되도록 접합된 봉체로서, 연결봉(21)의 보강재(20) 중심측 말단에는 직경이 확대된 두부(頭部)(22)가 형성되어 연결봉(21)과 연결판(31)간 결합상태에서 두부(22)가 상기 이격 공간 내부에 수용됨으로써, 연결봉(21)의 장공(32)내 원활한 활동은 보장되면서도 연결봉(21)의 연결판(31) 이탈은 억제된다.
한편, 도시된 실시예에서는 지주(30)로서 평면상 장방형의 형강이 적용되었으나, 이 밖에도 H형강, I형강 또는 강관 등 다양한 형식의 지주(30) 적용이 가능하며, 도시된 실시에에서는 평면상 대칭을 이루는 한쌍의 연결판(31)이 부착되었으나, 3개 이상의 연결판(31)이 평면상 방사상(放射狀)으로 부착되는 등 다양한 변형이 가능하다.
또한, 도 4에서와 같이, 연결판(31)의 장공(32) 상단에는 연결봉(21)의 두부(22)가 통과할 수 있는 확공부(33)를 형성하고, 하단에는 연결봉(21)의 직경과 내경이 일치하는 축공부(34)를 형성함으로써, 지주(30)와 보강재(20)간 최초 결속시에는 확공부(33)를 통하여 간편한 결속이 가능하도록 하고, 건입단계(S12)에서 지주(30)와 보강재(20)의 동반 하강시에는 축공부(34)에 연결봉(21)이 긴밀하게 결합되도록 함으로써, 일층 안정적인 결속이 가능하도록 할 수도 있다.
건입단계(S12)가 완료되면, 트레미(tremie) 등을 굴착공에 투입하여 굴착공 내부에 콘크리트를 타설하고, 케이싱(10)을 부분 인발하여 케이싱(10)의 하단부가 콘크리트 상단부에 위치하도록 하는 타설단계(S21)가 수행된다.
지상으로 인발된 부분의 케이싱(10)은 절단 또는 분리되어 제거되는데, 도 5에서와 같이, 단위 케이싱(10)간 연결 부위를 착탈형으로 구성함으로써, 용접 등 복잡한 작업 없이도 간편한 단위 케이싱(10)간 접합 및 분리가 가능하게 된다.
타설단계(S21)에 있어서, 콘크리트 타설 및 케이싱(10)의 부분 인발은 동시에 수행하거나, 또는 약간의 시차를 두고 수행할 수도 있는데, 콘크리트와 케이싱(10) 하단부 내주면이 상호 접촉된 상태로 장시간 방치되면, 케이싱(10)과 콘크리트간 부착력이 발생되어 후술할 철수단계(S41) 수행시 케이싱(10)의 원활한 인발이 어려울 뿐 아니라, 현장타설 말뚝 본체 콘크리트 상단부가 파손되는 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 타설단계(S21)의 수행에 있어서 케이싱(10)의 공벽 유지 기능은 최대한 보장하되 타설된 콘크리트의 상단부와 케이싱(10) 하단부간 중첩 부분이 최소한으로 형성될 수 있도록 케이싱(10) 인발 속도를 기민하게 조절할 필요가 있는데, 이 과정에서 고도의 품질관리 및 숙련도가 요구된다.
이에, 본 발명에서는 도 6 및 도 7에서와 같이, 보강재(20)의 상단부에 케이싱(10)의 내경과 외경이 일치하는 격리관(25)을 설치하여, 타설단계(S21) 내지 후술할 양생단계(S30)의 수행시 케이싱(10) 하단부 내주면과 콘크리트간 접촉을 근본적으로 차단할 수 있도록 하였다.
즉, 도 7에서와 같이, 콘크리트의 타설과 케이싱(10)의 부분 인발을 동시에 수행하는 타설단계(S21)의 종료시, 인발되던 케이싱(10)이 정지되고 케이싱(10) 하단부에 콘크리트의 상단면이 형성되는 상황에서, 유동 상태 콘크리트의 상단면이 격리관(25) 내부에 형성되도록 함으로써, 타설단계(S21) 종료 직전 내지 후술할 양생단계(S30)의 수행시 양생전 콘크리트가 케이싱(10) 내주면과 직접 접촉함으로 인하여, 케이싱(10)과 말뚝 본체 콘크리트가 부착되는 현상을 근본적으로 방지할 수 있도록 한 것이다.
따라서, 전술한 케이싱(10)의 과도한 인발 저항 형성 및 말뚝 본체 콘크리트의 파손 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
타설단계(S21)가 완료되면, 도 1에서와 같이, 타설된 콘크리트의 양생 이전에 지주(30)의 위치를 조정하는 조정단계(S22)가 수행되는데, 전술한 바와 같이, 크레인 등의 장비와 지주(30)를 결속하여 지주(30)를 승강 또는 요동시키면 연결봉(21)과 연결된 연결판(31)에 활동되면서 지주(30)의 위치 및 자세가 조정될 수 있다.
조정단계(S22)가 완료되면, 지주(30) 상단부를 케이싱(10) 상단에 고정한 상태에서 콘크리트를 양생하는 양생단계(S30)가 수행되는데, 말뚝 본체 콘크리트의 양생 이전에 케이싱(10)의 자중 또는 기타 외부 충격에 의하여 하강하거나 위치가 변동되는 현상을 방지하기 위하여 케이싱(10)을 지면에 견고하게 고정하는 케이싱고정구(41)를 케이싱(10) 상단에 설치하며, 또한 지주(30)의 이동을 방지하기 위하여 케이싱(10) 상단에 지주(30) 상단을 고정하는 지주고정구(42)를 설치한다.
도 1에 예시된 바와 같이, 케이싱고정구(41)는 양생단계(S30) 뿐 아니라, 연약지반 등 케이싱(10)의 주면마찰이 부족한 지반의 경우 조정단계(S22)에서도 설치될 수 있는데, 이러한 케이싱고정구(41)의 설치 시점은 지반 여건 등을 고려하여 선택될 수 있다.
도 8은 본 발명의 케이싱고정구(41) 및 지주고정구(42)를 예시한 사시도로서, 동 도면에서와 같이, 케이싱고정구(41)는 케이싱(10) 외주면과 부착되어 케이싱(10)의 자중을 지면에 분산하는 구조를 가지며, 지주고정구(42) 역시 지주(30) 상단에 부착되어 지주(30) 상단과 케이싱(10) 상단을 상호 결속하게 된다.
이렇듯, 케이싱(10) 및 지주(30)가 견고하게 고정된 상태에서, 콘크리트의 양생이 완료되면, 케이싱고정구(41) 및 지주고정구(42)를 해체하고 케이싱(10)을 지상으로 완전히 인발하여 제거하는 철수단계(S41)가 수행됨으로써, 본 발명이 적용된 현장타설 말뚝이 완성되는데, 도 1에 예시된 바와 같이, 철수단계(S41)에서는 케이싱(10)의 인발과 동시에 굴착공 내부로 토사를 투입하는 일종의 되메우기 공정을 실시함으로써, 도 1의 우단에서와 같이, 지주(30)의 브래킷(39)과 수평재 등을 연결하는 본 구조물의 시공에 앞서, 공벽의 붕괴로 인하여 주변 지반이 함몰되는 현상을 방지하게 된다.
10 : 케이싱
20 : 보강재
21 : 연결봉
22 : 두부
25 : 격리관
30 : 지주
31 : 연결판
32 : 장공
33 : 확공부
34 : 축공부
39 : 브래킷
41 : 케이싱고정구
42 : 지주고정구
91 : 오거
92 : 비트
S11 : 굴착단계
S12 : 건입단계
S21 : 타설단계
S22 : 조정단계
S30 : 양생단계
S41 : 철수단계

Claims (3)

  1. 현장타설 말뚝 공법으로서, 케이싱(10)으로 공벽을 유지하며 굴착공을 형성하는 굴착단계(S11)와, 현장타설 말뚝 본체에 매입되는 보강재(20)와 보강재(20) 상부와 연결된 수직 부재인 지주(30)를 굴착공으로 투입하되, 지주(30)의 하부에는 중심부에 수직 장공(32)이 형성된 연결판(31)이 부착되고, 보강재(20)의 상부에는 연결봉(21)이 접합되어, 연결봉(21)이 장공(32)에 결합됨에 따라 보강재(20)와 지주(30)가 연결되는 건입단계(S12)와, 굴착공 내부에 콘크리트를 타설하고 케이싱(10)을 부분 인발하여 케이싱(10)의 하단부가 콘크리트 상단부에 위치하도록 하는 타설단계(S21)와, 타설된 콘크리트의 양생 이전에 지주(30)의 위치를 조정하는 조정단계(S22)와, 지주(30) 상단부를 케이싱(10) 상단에 고정한 상태에서 콘크리트를 양생하는 양생단계(S30)와, 콘크리트의 양생이 완료되면 케이싱(10)을 완전히 인발하는 철수단계(S41)로 이루어지는 선단부 현장타설 복합 말뚝 공법에 있어서,
    보강재(20)의 상단부에는 케이싱(10)의 내경과 외경이 일치하는 격리관(25)이 설치되어, 콘크리트의 타설과 케이싱(10)의 부분 인발을 동시에 수행하는 타설단계(S21)의 종료시, 인발되던 케이싱(10)이 정지되고 케이싱(10) 하단부에 콘크리트의 상단면이 형성되는 상황에서, 유동 상태 콘크리트의 상단면이 격리관(25) 내부에 형성됨으로써 타설단계(S21) 내지 양생단계(S30)의 수행시 케이싱(10) 하단부 내주면과 콘크리트간 접촉이 차단됨을 특징으로 하는 선단부 현장타설 복합 말뚝 공법.
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