KR102193922B1 - 수평측정 및 수평제어가 용이한 양방향재하시험기기 및 이를 이용한 시험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타설되는 말뚝의 연직지지력 검사방법의 하나인 양방향재하시험기기에 관한 것으로서, 말뚝 골조를 이루는 철근망에 용접되는 양방향재하시험기기에 고정피스톤을 포함한 고정실린더 및 수평조절용유압잭을 설치함으로써 철근망 말뚝에 콘크리트 타설하기 직전에 양방향재하시험기기 수평 상태를 확인하고 제어하는 기술이다.

Description

수평측정 및 수평제어가 용이한 양방향재하시험기기 및 이를 이용한 시험방법{BI-DIRECTIONAL PILE LOAD TEST DEVICE SPECIALIZED IN HORIZONTAL LEVEL EASY CHECK AND CONTROL, AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 타설되는 말뚝의 연직지지력 검사방법의 하나인 양방향재하시험기기에 관한 것으로서, 특히 말뚝 하단의 철근망에 용접되는 양방향재하시험기기에 고정피스톤을 포함한 고정실린더 및, 수평조절용 유압잭을 고정 설치하여 시험기기의 수평을 유지하도록 지원함으로써 철근망 말뚝 재하시험을 신속하고 정확하게 지원할 수 있는 시험에 관한 기술이다.

토목건축 현장에서는 다양한 구조물의 안전성을 검사하는데, 대표적 구조물인 말뚝도 연직지지력을 검사하여 안전성을 평가하게 된다.

말뚝 안전성을 시험하는 대표적방법으로는 동재하시험과 정재하시험이 알려져 있고, 동재하시험이란 항타시 말뚝 몸체에서 발생하는 응력과 속도를 분석하여 말뚝 지지력을 결정하는 방법으로 시험용추가 일정한 무게 이상이어야 시험할 수 있다는 불편함이 알려져 있다.

이에 비해 정재하시험은 타입된 말뚝에 실제하중을 재하시험하는 것으로 구체적으로 압축재하시험, 인발시험, 수평재하시험 등으로 구분되며, 이는 말뚝 거동을 파악하는 가장 확실한 방법으로 국내에서는 2016년말 ks규격이 제정된 바 있다.

그 중 압축정재하시험은 크게 두가지 방법이 알려져있는데, 그 하나는 도1과 같이 말뚝 머리에 하중을 재하하는 특수제작 유압잭을 설치한 후 그 유압잭 상부에는 수백톤 내지 수천톤의 콘크리트블록이나 철판을 상재하여 압축시키는 하중이용 방법이고, 다른 하나는 도2의 지반에 어스앵커를 설치하여 어스앵커의 반력을 하중으로 이용하는 방법이다.

그런데 이 두가지는 모두 시험하중을 가하기 위한 작업 준비와 압축하중의 부여가 매우 까다로워 측정 준비 및 시험자체가 어려워 시행착오를 많이 거쳐야했고 그에 수반되는 비용도 매우 크다는 점이 문제로 지적되어 왔다.

종래 압축정재하시험의 상기 문제점을 개선하고자 최근에는 말뚝의 선단부 등 임의 위치에 시험기기를 설치하여 상판과 하판에 각각 축방향 하중을 가하여 변형량을 측정하는 양방향재하시험이 개발되었는데, 도3과 같이 말뚝 하단에 압력을 가하는 재하판과 특수제작 유압잭을 부착한 후 말뚝 중량과 말뚝과 주변 지반간의 마찰력을 재하 하중으로 작용시키고 지지층 변위를 측정해 시험한다. 도3의 양방향재하시험은 별도의 반력시스템을 설치할 필요가 없고, 수중말뚝에도 적용 가능할 정도의 기술이며, 말뚝의 수량을 저감할 수 있어 공사비를 절감할 수 있다는 점이 가장큰 장점으로 꼽힌다.

또다른 도4의 양방향재하시험 장치는 시험기기가 말뚝에 작용하는 하중을 미리 고려하여 시험하중재하용 유압잭 용량과 사용수량을 미리 결정하여 특수 제작하여 준비하고, 준비된 유압잭의 상부와 하부에 두 개의 재하판을 각각 설치하고 서로 연결하여 시험기기를 준비한 뒤 철근망을 조립하여 만들어진 말뚝 철근망의 철근 하단에 용접하여 시험하는 방법인데, 이 경우 말뚝 허용하중 측정은 재하판의 다수 지점으로부터 측정한 침하량을 평균하고 작용 시험하중을 측정하여 시험하중과 침하량의 관계로 판단한다.

그러나 상기 방법은 실제 시험하는 과정에서 도5 및 도6과 같이 철근망을 조립하여 이루어지는 철근망 골조의 말뚝이 철근이나 매듭부 유동으로 또는 말뚝 바닥면에 돌멩이 등 이물질 등으로 인하여 용접된 시험기기가 틀어지는 경우가 많고 이 때문에 철근 하단에 용접된 시험기기의 상부 및 하부 재하판은 수평이 아닌, 경사진 상태로 설치되어야 하는 경우가 많았고, 시험기기가 수평상태가 아닌 경우 시험자는 측정 자체를 실시할 수 없어 말뚝과 시험기기를 다시 준비하는 문제가 발생하기도 하고, 이 경우 측정을 하더라도 초기 침하량에 대한 신뢰도가 크게 떨어져 목적하는 말뚝 허용하중은 신뢰할 수 없었다.

즉 알려진 종래의 양방향재하시험들은 모두 말뚝에 용접된 양방향재하시험기기의 수평 상태를 확인하거나 제어할 마땅한 방법이 없어 시간, 기술 및 시험비용 면에서 문제가 많았다.

본 발명은 말뚝의 연직지지력 시험시 양방향재하시험기기의 수평을 효과적으로 확인하고 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 철근망으로 이루어진 말뚝에 고정하여 사용되는 양방향재하시험기기에 있어서 상기 양방향재하시험기기는 상부재하판, 하부재하판 및 상기 상부재하판과 하부재하판 사이에 고정되는 하중재하유압잭을 포함하며,상기 상부재하판의 상부에는 고정피스톤을 포함한 고정실린더와 수평계가 설치되고, 상기 하부재하판의 하부에는 높이조절 가능한 수평조절용유압잭이 설치되며, 상기 수평계는 수평측정기에 연결되고 수평조절용유압잭은 유압펌프제어장치에 연결되어 수평 측정 및 제어가 용이한 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명은 양방향재하시험기기의 고정실린더를 말뚝 하단 철근망에 용접하여 고정한 것을 특징으로 하는 양방향재하시험기기 이용 방법으로 제공할 수 있다.

본 발명은 말뚝에 고정되는 양방향재하시험기기의 수평상태 확인 및 제어가 가능하여 신속하고 정확한 시험을 지원하고 이를 통해 구조물 안전성을 담보할 수 있다.

또한 본 발명은 시험현장에서의 시행착오를 크게 줄일 수 있어 말뚝 양방향재하시험의 시험비용을 크게 절감할 수 있다.

도1은 압축정재하시험 중 말뚝 머리에 하중재하유압잭을 설치한 후 유압잭 상부에 수백 내지 수천톤의 콘크리트블록이나 철판을 상재, 압축시키는 하중을 이용하는 일반적 시험방법이다.
도2는 압축정재하시험 중 지반에 어스앵커를 설치하여 어스앵커의 반력을 하중으로 이용하는 시험방법이다.
도3은 양방향재하시험의 일반적 방법으로 말뚝 하단에 압력을 가하는 상부 및 하부재하판과 하중재하유압잭(200)을 고정 설치하고, 말뚝 중량과 말뚝과 주변 지반간의 마찰력을 재하 하중으로 작용시키고, 지지층 변위를 측정하는 방법을 도시한 것이다.
도4는 종래 양방향재하시험기기에 유압잭 상부와 하부에 두 개의 재하판을 각각 설치하되 상호연결시켜 제작후 말뚝 철근망 하단에서 용접한 것을 도시한 것이다.
도5 및 도6은 양방향재하시험기기가 철근 매듭이 풀리거나 철근이 유동하여 말뚝 형태가 변형되거나, 말뚝이 설치될 바닥면에 돌멩이 등 이물질이 있을 경우 육안확인이 불가능하고, 특수하게 설계한 유동성 없는 하중재하유압잭과 상하부에서 고정하는 재하판(100)이 수평이 아닌 경사진 상태로 변형되는 작용을 도시한 것이다.
도7은 고정피스톤을 포함하는 고정실린더 및 수평조절용 유압잭을 포함한 양방향재하시험기기와 말뚝 철근망의 하단부를 용접하여 부착한 상태도로서, 본발명의 일 실시방법으로 도시한 것이다.
도8은 본발명 양방향재하시험기기를 확대한 것으로, 상하부 재하판 사이에서 고정되는 하중재하유압잭이 상하로 유동성없이 높이 고정된 상태를 보여준다.
도9는 말뚝의 하단 철근망에 설치하기 위해 준비한 양방향재하시험기기로, 양방향재하시험기기 상부재하판의 상부에 말뚝철근망과 용접되는 고정실린더와 수평계가 각각 2이상 설치되어 정확한 수평 확인이 가능한 상태를 도시하였다.
도10은 하부재하판의 하부에 수평조절용유압잭을 2이상 고정하여 설치한 것으로 수평계, 고정피스톤을 포함한 고정실린더 및 하중재하유압잭과 수평조절용유압잭이 모두 설치된 양방향재하시험기기의 일예를 도시한 것이다.
도11은 양방향재하시험기기가 말뚝 철근망에 용접된 상태를 도시한 것으로서, 시험기기의 고정실린더를 말뚝 철근망에 접한 상태에서 용접 처리한 것이다.
도12는 또다른 실시예로서, 양방향재하시험기기에 수평을 벗어난 경사가 발생할 경우 하중재하유압잭이 경사에 따라 회전하여 수평유지 가능하도록 구좌면을 갖는 하중재하유압잭을 사용한 것을 도시한 것이다. 즉, 말뚝 철근망의 하단에 용접으로 고정되는 양방향재하시험기기의 상부재하판 및 하부재하판 사이에 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)을 2이상 이용하여 고정 설치한 상태도로, 말뚝이 틀어지는 경우 하중재하유압잭이 스스로 수평을 유지하게 지원하며, 매설되기 직전 지상 유압펌프제어장치와 연결함으로써 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)의 제어를 가능하게 함으로써 시험기기의 수평을 능동적으로 제어할 수 있다.
도13은 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)을 하나만 이용한 실시예로서, 상부재하판 및 하부재하판을 모두 생략하고 유압잭만 말뚝 철근망 하단에 용접 사용하는 상태를 도시한 것이다.
도14는 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)을 2개이상 이용하여 상부재하판과 하부재하판에 고정 설치하는 실시예로서, 설치 유압잭끼리 서로 동일한 간격을 유지하여 대칭적으로 균형을 맞추어 설치함으로써 더욱 정밀하게 수평 제어가능한 것을 도시한 것이다.
도15는 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)을 하나만 적용한 실시예로, 상부재하판과 하부재하판이 없이 고정 설치한 상태도이다. 말뚝 폭이 작은 경우 복잡한 구성을 생략하여 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201) 하나만으로도 시험기기 수평을 달성할 수 있다.
도16은 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)을 2이상 여러개 사용된 실시예에서 말뚝의 철근망이 틀어지는 경우 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)이 각각 어떻게 하부재하판 수평을 유지하는지 보여주는 상태도이다.

본 발명에서 말뚝 철근망에 고정 설치되는 양방향재하시험기기(이하 “시험기기”(1000)이라 합니다.)를 이용한 수평 제어방식은 두 가지 방식으로 제공된다.

즉 본 발명은 고정피스톤(301)을 포함한 고정실린더(300) 및 수평조절용유압잭(500)을 양방향시험기기 상부재하판과 하부재하판의 상부와 하부에 고정하여 양방향재하 시험기기의 수평을 유지하는 방법과, 구좌면을 갖는 유압잭을 이용하여 양방향재하 시험기기의 수평을 유지하는 방법이 있다.

먼저 고정피스톤을 포함한 고정실린더 및 높이조절 수평조절용유압잭(500)을 이용한 양방향재하시험기기 기술에 대하여 설명한다.

본 발명은 철근망으로 이루어진 말뚝에 고정하여 사용되는 양방향재하시험기기에 있어서 상기 양방향재하시험기기는 상부재하판, 하부재하판 및 상기 상부재하판과 하부재하판 사이에 고정되는 하중재하유압잭을 포함하며,상기 상부재하판의 상부에는 고정피스톤을 포함한 고정실린더와 수평계가 설치되고, 상기 하부재하판의 하부에는 높이조절 가능한 수평조절용유압잭이 설치되며, 상기 수평계는 수평측정기에 연결되고 수평조절용유압잭은 유압펌프제어장치에 연결되어 수평 측정 및 제어가 용이한 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명은 양방향재하시험기기의 고정실린더를 말뚝 하단 철근망에 용접하여 고정한 것을 특징으로 하는 양방향재하시험기기 이용 방법으로 제공할 수 있다.

시험기기(1000)는 상부재하판(101)과 하부재하판(102)으로 이루어지는 재하판(100)과, 상부재하판과 하부재하판 사이에 고정 설치되는 하중재하유압잭(200)을 포함한 것이 기본 구조이다.

또 상기 상부재하판 및 하부재하판은 상부와 하부에서 서로 대응되는 형상과 크기로 준비한다.

상기 재하판(100)의 재질은 높은 압축하중을 견딜수 있도록 소정 두께의 단단한 소재가 바람직하며, 일예로 철재소재의 강판을 도우넛 모양으로 절단하여 준비할 수 있으나, 형태를 말뚝 형태에 따라 동일하게 대응하여 제공할 수 있다.

또한 하중재하유압잭(200)은 상부재하판(101)및 하부재하판(102) 사이에 고정 설치하되, 목적한 시험의 하중을 고려하여 유압용량을 특수하게 설정하여 제작하고, 시험기기에 필요한 수량만큼 준비할 수 있다.

또 도8과 같이 2이상 복수의 하중재하유압잭을 사용하는 경우 유압잭은 직립하중을 고르게 측정할 수 있도록 상부재하판 및 하부재하판 사이에 동일 간격으로 균형적으로 설치하는 것이 바람직하며, 정밀한 제어를 위해 2이상 복수개 설치하는 것이 바람직하고, 설치안정성 고려시 3이상 복수개 설치하는 것이 더욱 바람직하다.

또 하중재하유압잭이 고정설치된 시험기기는 도7 내지 도11에 도시된 바와 같이 상부재하판(101)의 상부에 고정피스톤을 포함한 고정실린더(300) 및 수평계(400)를 설치한다.

고정실린더는 도10과 같이 복수개를 동일 간격으로 균형적으로 설치하는 것이 바람직한데 왜냐하면 외부로부터 가해진 압력에 대하여 고정피스톤이 고정실린더 내에서 유동할 수 있기 때문에 시험기기 완충기능을 정밀하게 제공할 수 있다.

또 수평계(400)는 2이상 복수개 설치하여 시험기기의 수평여부를 더욱 정밀하게 확인할 수 있게 지원한다.

상기 수평계는 일반적으로 알려진 방법을 모두 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 디지털 센서를 이용하여 확인할 수 있다.

상기 수평계는 도9의 (2)에 도시된 바와 같이 고정실린더의 고정피스톤이 재하판에 고정된 위치와 겹치지않도록 배치하면서 수평계간에는 동일 간격으로 설치하는 것이 바람직하다. 이를 통해 재하판의 수평 여부를 크로스체크하여 정확하게 확인할 수 있다.

또 수평계는 시험현장에 매설되는 지하에 위치하기 때문에 수평계(400) 상태는 지상의 수평측정기(401)와 유선 또는 무선으로 연결하여 확인할 수 있다. 유선 또는 무선으로 연결하는 방법은 공지의 방법을 이용할 수 있다.

본 발명은 도10과 같이 본발명 양방향재하시험기기는 하부재하판의 하부에 높이를 조절할 수 있도록 상하 회동되는 수평조절용 유압잭(500)이 하나 또는 2이상 복수개 설치된다.

상부재하판과 하부재하판 사이에 고정되며 높이 조절기능이 없는 하중재하유압잭(200)과 달리 수평조절용 유압잭(500)은 높이조절이 가능하여 설치 후 시험기기의 필요 부위 높이를 선별적으로 제어하여 시험기기 수평을 유지할 수 있도록 지원한다. 일예로서 하부재하판에 고정된 수평조절용 유압잭(500)은 도7과 같이 지상에 위치하는 유압펌프제어장치(501)와 유선 또는 무선 연결하여 제어할 수 있다.

이하에서는 고정피스톤을 포함한 고정실린더 및 수평조절용 유압잭(500)을 이용하는 양방향재하시험기기 조립 방법에 대하여 설명한다.

먼저 도8과같이 상부재하판(101)과 하부재하판(102)을 준비한 후, 하중재하유압잭(200)을 그 사이에 고정 설치한다.

이후 도9와같이 고정실린더(300)의 고정피스톤 하부와 수평계(400)를 상부재하판(101)의 상부에 설치한다.

상기 고정실린더는 철근망과 용접을 통해 고정되므로 일예로서 도넛형 상하부 재하판을 사용한 경우에는 재하판 상에 동일 간격으로 배설하되, 재하판 중심점으로부터 동일한 거리에 대칭되게 균형적으로 설치하는 것이 바람직하다. 이를 통해 상부로부터 가해지는 압력이 동일한 정도로 상부재하판에 전달되게 한다.

이후 도10과 같이 수평조절용 유압잭(500)을 하부재하판(102)의 하부에 설치하며, 2이상 복수의 유압잭(500)은 가압 하중을 고르게 받을 수 있도록 하부재하판(102)의 하부에 동일 간격으로 배설하되, 도넛형 하부재하판인 경우에는 중심점으로부터 동일한 거리에 대칭되게 균형적으로 설치하는 것이 바람직하다. 이를 통해 상부와 하부로부터 가해지는 압력이 동일한 정도로 하부재하판에 전달되게 지원한다.

상기 과정을 통해 준비된 양방향재하시험기기는 고정실린더를 도11과 같이 말뚝 하단부의 철근망에 용접하여 고정 설치한다.

고정실린더를 용접하여 고정설치된 양방향재하시험기기는 고정실린더가 철근망과 용접된 상태이나 고정실린더에 포함된 고정피스톤이 상하로 유동할 수 있는 상태가 된다. 용접을 통해 말뚝에 전해지는 압축 하중은 그대로 시험기기에 전달된다. 또한 말뚝이 수평을 유지하지 않은 것으로 확인될 경우 하부재하판(102)에 고정된 수평조절용 유압잭(500)이 지상에 위치한 유압펌프제어장치(501)로부터 적절하게 제어될 수 있고, 이를 통해 콘크리트 타설 직전에 시험기기 수평 상태를 확인, 제어하도록 지원하게 된다.

이하에서는 또다른 수평유지 방법으로 특히 구좌면을 갖는 유압잭(201)을 이용하여 양방향재하 시험기기의 수평을 유지하는 방법을 설명한다.

도12 내지 도16과 같이 본 발명은 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)을 설치한 시험기기일 수 있다.

즉 도12와 같이 말뚝 철근망의 하단에 용접으로 고정되는 양방향재하시험기기는 상부재하판 및 하부재하판 사이에 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)을 고정 설치하여 제공함으로써 말뚝이 틀어지는 경우에 스스로 수평을 유지하도록 지원한다. 구좌면(ROLL POINT)이란 도16과 같이 상부요소와 하부요소가 구형태 면으로 이루어진 것으로 가압 하중이 어떤 방향으로 가해지더라도 상부요소와 하부요소가 자연스럽게 적응하여 수평을 유지하는 기술 수단을 말한다.

또한 본 발명의 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)은 구좌면과 함께 소정의 유압을 이용해 상하 높이조절되도록 제어할 수 있는데, 유압을 제어하는 유압펌프 제어장치를 통해 연결된 유압잭 압력을 능동적으로 제어하여 시험기기를 수평하게 지원할 수 있다.

또한 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)은 2이상 복수가 아닌 도13과 같이 하나의 하중재하유압잭 만으로도 사용할 수 있는 장점이 있다. 즉 도13은 양방향재하시험기기가 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201) 하나와 용접된 것으로서, 특히 시험기기의 상부재하판과 하부재하판을 생략하여 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)의 크기는 대응하는 말뚝 두께와 동일하거나 유사하게 제작하여 제공할 수 있다.

또한 양방향재하시험기기에 설치되는 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)은 도14 및 도15와 같이 말뚝의 압축 하중을 고르게 전달받을 수 있도록 말뚝에 고정되는 것이 바람직하다. 이를 위해 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)이 2이상 복수개 사용되는 도12 및 도14와같이 상부재하판(101)과 하부재하판(102)의 사이 내측에 동일 간격으로 균형적 배설할 수 있다. 또한 도13 및 도15와 같이 말뚝 철근망의 하부에 유압잭 상부를 고르게 용접 설치하는 것이 바람직하다. 이를 통해 유압잭에 가해지는 압력이 한쪽으로 편향되지 않도록하여 시험 신뢰성을 더욱 높일수 있다.

또한 도15와같이 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)이 1개 사용된 경우 시험기기에 일반적으로 사용해 온 상부재하판과 하부재하판을 모두 생략하여 그 기능을 수행할 수도 있다.

도12 및 도17은 구좌면을 갖는 하중재하유압잭(201)을 2개이상 사용한 일 실시예로서 말뚝이 틀어진 경우 구좌면과 유압이 작용하여 하부재하판이 수평을 유지하도록 기능하는 상태를 도시한 것이다.

1000: 양방향재하시험기기 100 : 재하판
101 : 상부재하판 102 : 하부재하판
200 : 하중재하유압잭 201: 구좌면을 갖는 하중재하유압잭
300 : 고정실린더 301 : 고정피스톤
400 : 수평계 401 : 수평측정기
500 : 수평조절용유압잭 501 : 유압펌프 제어장치

Claims (2)

1. 철근망으로 이루어진 말뚝에 고정하여 사용되는 양방향재하시험기기에 있어서 상기 양방향재하시험기기는
   상부재하판, 하부재하판 및 상기 상부재하판과 하부재하판 사이에 고정되는 하중재하유압잭을 포함하며,
   상기 상부재하판의 상부에는 고정피스톤을 포함한 고정실린더와 수평계가 설치되고,
   상기 하부재하판의 하부에는 높이조절 가능한 수평조절용유압잭이 설치되며,
   상기 수평계는 수평측정기에 연결되고 수평조절용유압잭은 유압펌프제어장치에 연결되어 수평 측정 및 제어가 용이한 것을 특징으로 하는 양방향재하시험기기
2. 제1항에 있어서,
   상기 양방향재하시험기기의 고정실린더는 말뚝 하단 철근망에 용접하여 고정한 것을 특징으로 하는 양방향재하시험기기

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