KR102198481B1 - 경질지반 대단면(hg) dcm 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경질지반에 대단면 지중구조체를 형성하기 위한 심층혼합처리장비와 심층혼합처리공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, N-값이 0~30 미만인 연약지반과 N-값이 30 이상인 경질지반을 포함하는 복합지층에서 1000㎜ 이상의 대단면의 지중구조체를 형성할 때 천공수와 함께 압축공기를 함께 토출되도록 하여 경질지반의 굴착이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 균일하고 연속적인 고강도의 지중구조체를 형성하여 시공품질을 증대시킴은 물론 시공기간을 단축시켜 시공효율을 향상시킬 수 있는 경질지반 대단면 DCM 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법에 관한 기술분야이다.

Description

경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법{Deep Cement Mixing construction device for large section and hard ground and construction method using the construction device}

본 발명은 경질지반에 대단면 지중구조체를 형성하기 위한 심층혼합처리장비와 심층혼합처리공법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, N-값이 0~30 미만인 연약지반과 N-값이 30 이상인 경질지반을 포함하는 복합지층에서 1000㎜ 이상의 대단면의 지중구조체를 형성할 때 천공수와 함께 압축공기를 함께 토출되도록 하여 경질지반의 굴착이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 균일하고 연속적인 고강도의 지중구조체를 형성하여 시공품질을 증대시킴은 물론 시공기간을 단축시켜 시공효율을 향상시킬 수 있는 경질지반 대단면 DCM 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법에 관한 기술분야이다.

또한, 본 발명은 상하부 토출 기능을 갖는 심층혼합처리장비를 이용하여 설계 심도에 슬러리를 상부 또는 하부로 토출시킴으로써, 연속적인 고강도의 지중구조체의 시공 및 공사기간 단축 등의 시공효율을 극대화할 수 있고, 상기 심층혼합처리장비의 구동수단에 구비되는 스위벨에 공기주입부를 설치함으로써, 연약지반과 경질지반을 포함하는 복합지층에 대단면의 지중구조체를 원활하게 시공할 수 있는 경질지반 대단면 DCM 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법에 관한 기술분야이다.

일반적으로, 심층혼합처리(Deep Cement Mixing:DCM)공법은 시멘트와 물을 주성분으로 하는 슬러리를 연약지반(점성토, 사질토, 유기질토) 또는 투수 계수가 높은 지반(모래자갈층, 풍화토)에 상부와 하부 토출방식과 일정한 압력으로 주입하면서 교반 혼합하여 화학적으로 고체화시켜 연약지반을 개량하기 위한 것으로, 특히 연약지반(해수)과 슬러리가 혼합하면서 발생하는 수화반응을 통해서 물리적 화학적으로 고형화된 지중구조체(파일)를 시공하게 되고, 상기와 같은 지중구조체에 의해 연약지반을 강화시키게 된다.

이러한 심층혼합처리공법은 1976년부터 일본 운수성 항만 기술연구소에 의해서 개발연구가 추진되어 1970년대 이후부터 석회석, 시멘트 등의 안정제를 이용한 공법이 실용화되어 현재 국내에서 연약지반을 개량하기 위한 공법으로 널리 시공되고 있으며, 이와 같은 심층혼합처리공법은 로드를 지중에 관입하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 로드를 역회전시켜 상부방향으로 인발하는 공정과, 상기 로드의 인발과 동시에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정으로 이루어진다.

이때 심층혼합처리공법은 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이 육상 또는 해상 전용장비(10)(20)에 수직방향으로 설치되는 리더(11,21)와, 상기 리더(11,21)를 따라서 승하강하면서 지중으로 관입 및 인발하되 상부에 형성된 구동수단(12,22)에 의해서 회전하되 내부에는 지중으로 슬러리를 분사할 수 있도록 주입통로를 구비하는 로드(13,23)로 구성되는 심층혼합처리장비를 사용하게 된다.

그러나 종래의 심층혼합처리공법은 연약지반의 특성을 감안하지 않고 단지 일률적인 회전속도를 갖는 로드를 이용하여 관입 및 인발공정을 시행하고 있으나, 이는 초기기동시 공급전압의 약 80%에 달하는 높은 기동전류를 필요하게 되므로 순간적으로 과도전류를 발생시켜 구동수단(12,22)의 기계적인 무리가 발생하게 되어 파손 및 고장의 원인을 제공하게 되었다.

또한, 종래의 심층혼합처리공법은 연약지반의 초기 관입과정에서 발생하는 기동부하는 물론 회전하는 로드(13,23)와 지중의 깊이에 따라서 변화하는 토질과의 마찰에 대한 과부하를 감안하지 않고 단순히 초기기동시 일률적인 회전속도를 갖도록 구동수단(12,22)을 기동시켜야 하므로, 이로 인해 시공효율이 저하되어 부실시공의 원인을 제공하게 되는 심각한 폐단을 갖게 되었다.

아울러 연약지반은 지중깊이에 따라서 연경도의 특성이 다양한 지질층이 분포되어 있으나, 종래의 심층혼합처리공법은 단순히 일률적인 회전속도를 갖는 로드를 이용하여 관입 및 인발공정을 시행하고 있으므로, 지반상태가 무른 실트질 또는 매립층에서는 로드(13,23)의 회전력에 의해서 슬라임(혼합된 연약지반과 슬러리)이 주변으로 쉽게 비산됨은 물론 지반이 교란되어 시공품질을 저하시키는 원인을 제공할 뿐만 아니라 경도가 높은 지반층에서는 로드(13,23)의 관입효율이 제한되어 균일하고 연속적인 지중구조체를 시공할 수 없으므로 시공품질을 저하시키는 단점을 갖게 되었다.

특히, 종래의 심층혼합처리공법은 연약지반의 연경도에 따라서 효과적인 대응이 곤란하여 작업능률 저하 및 시공불량에 따른 재시공은 물론 시공기간의 연장으로 인한 경제적인 손실이 발생하게 되는 심각한 문제점을 갖게 되었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래기술로서, 대한민국 등록특허 제0820844호에는 "시공품질이 우수한 심층혼합처리공법"을 제시하고 있고, 상기 종래기술 대한민국 등록특허 제0820844호는 구동수단의 회전속도를 조절하는 방식이나, 모터 또는 감속기의 규격(감속비율)에 따라서 속도가 변화되므로 일정한 회전속도를 유지할 수 없는 기능상의 한계를 갖게 되었다.

아울러, 상기 종래기술 대한민국 등록특허 제0820844호는 연약지반의 N-값이 낮을 경우에는 회전속도를 낮추고 연약지반의 N-값이 높을 경우에는 회전속도를 높이는 방식이므로, 결과적으로 연약지반의 시공효율이 좋은 상태에서는 시공시간이 지연되고 시공효율이 나쁜 연약지반의 상태에서는 과도하게 로드를 회전시켜 과부하로 인한 설비의 내구성 및 사용수명을 단축시키는 문제점을 갖게 되었다.

상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 다른 종래기술로서, 대한민국 등록특허 제0923336호에는 "고품질 시공을 위한 심층혼합처리공법"을 제시하고 있고, 상기 종래기술 대한민국 등록특허 제0923336호는 연약지반의 N-값을 기준으로 지반상태가 좋은 경우에는 로드의 회전속도를 높이고 지반상태가 나쁠 경우에는 로드의 회전속도를 낮추도록 조절하면서 관입 또는 인발효율을 증대시켜 지중구조체의 시공품질을 극대화할 수 있도록 하고 있으나, N-값이 30이상인 경질지반에서는 여전히 로드의 과부하로 인한 설비의 내구성 및 사용수명을 단축시키는 문제점이 있었다.

그러나, 상기 종래기술 대한민국 등록특허 제0923336호는 N-값이 30이상인 경질지반의 굴착시 도 4의 심층혼합처리공법의 기록지에 도시된 바와 같이, 로드의 낮은 회전속도에도 불구하고 굴착의 실패가 지속적으로 이루어질 뿐만 아니라 N-값이 30이상인 경질지반의 굴착이 요구되는 심도까지 이루어지지 않고, 결과적으로 고형화된 지중구조체가 견고하게 지지되지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 종래기술들은 N-값이 30이상인 경질지반의 굴착시 원활한 굴착을 위해 천공수의 수압과 유량을 증가시킬 수 있으나, 천공수의 양이 많아지면 슬라임의 함수비가 높아져 고형화되는 지중구조체의 강도가 저하되므로 연약지반의 경도에 따른 천공수의 수압과 유량이 규격화되어 있어 경질지반의 천공시 천공수의 수압을 높이거나 천공수의 양을 증가시키는 것에 한계가 있고, 이에 따라 지중구조체의 형성이 더욱 어려워지는 문제가 있으며, 특히, 대단면의 지중구조체를 시공하는 경우 시공효율이 더욱 저하되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0820844호(2008.04.02.) 대한민국 등록특허 제10-0923336호(2009.10.16.) 대한민국 등록특허 제10-1950192호(2019.02.14.)

본 발명은 상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하고자 안출된 기술로서, 종래의 심층혼합처리공법은 N-값이 0~30미만 연약지반과 N-값이 30이상인 경질지반을 포함하는 복합지층의 굴착시 상기 경질지반의 요구되는 심도까지 굴착이 어렵고 특히 대단면의 지중구조체 시공시 시공효율이 저하되는 문제가 발생하여, 이에 대한 해결점을 굴착시 토출되는 천공수와 함께 압축공기가 함께 토출되도록 하여 경질지반의 굴착이 원활하게 이루어지도록 하고, 상하부 토출 기능을 갖는 심층혼합처리장비를 이용하여 설계 심도에 슬러리를 상부 또는 하부로 토출시킴으로서, 연속적인 고강도의 지중구조체의 시공 및 공사기간 단축 등의 시공효율을 극대화할 수 있는 경질지반 대단면 DCM 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법의 제공을 주된 목적으로 하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 소기의 목적을 실현하고자, 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더(11,21);와 상기 리더(11,21)를 따라서 승하강하는 구동수단(12,22);과 상기 구동수단(12,22)에 의해 회전하면서 지중으로 관입 및 인발하며 내부에는 지중으로 천공수 또는 천공수와 압축공기 또는 슬러리를 분사할 수 있도록 공급통로가 형성된 로드(110); 및 상기 구동수단(12,22)의 상부에 설치되어 상기 로드(110)와 연결되어 외부로부터 천공수 또는 천공수와 압축공기 또는 슬러리를 공급받아 상기 로드(110)의 공급통로로 공급하는 스위벨(50);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치를 제공한다.

또한 본 발명의 상기 스위벨(50)은 외주연 상부 일측에 돌출되고, 컴프레셔와 연결되는 공기주입부(60);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 공기주입부(60)는 상기 스위벨(50)의 상부방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치를 이용한 경질지반 대단면(HG) DCM 시공방법에 있어서, N-값이 30 미만인 연약지반(30)을 천공수만 분사하여 굴착하는 제1굴착공정(S100);과 N-값이 30 이상인 경질지반(40)을 천공수와 압축공기가 함께 분사하여 굴착하는 제2굴착공정(S200);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 경질지반 대단면(HG) DCM 시공방법을 제공한다.

또한 본 발명의 상기 제2굴착공정(S200)의 로드(110)의 회전속도가 상기 제1굴착공정(S100)의 로드(110)의 회전속도보다 느린 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 상기 제2굴착공정(S200)에서 분사되는 천공수의 양이 상기 제1굴착공정(S100)에서 분사되는 천공수의 양보다 많은 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 제시된 본 발명에 의한 경질지반 대단면 DCM 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법은 N-값이 30이상인 경질지반을 포함하는 복합지층의 굴착시 천공수와 함께 압축공기가 토출되도록 함으로써, 연질지반은 물론 경질지반의 굴착이 원활하게 이루어져 연속적인 고강도의 지중구조체의 시공 및 공사기간 단축 등의 시공효율을 극대화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 복합지층의 굴착시 천공수와 함께 압축공기가 토출되도록 함으로써, 1000㎜ 이상의 대단면 지중구조체의 시공 또한 원활하게 이루어지도록 하고, 상하부 토출 기능을 갖는 경질지반 대단면 DCM 시공장치를 이용하여 설계심도에 슬러리를 상부 또는 하부로 토출시킴으로써, 시공품질을 증대시킴은 물론 공사기간 단축 및 이에 따른 시공비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 기존의 심층혼합처리장비의 구동수단에 구비되는 스위벨에 공기주입부를 설치하여 압축공기가 천공수와 함께 토출되도록 함으로써, 현재 시공중인 심층혼합처리장비에 적용할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 경질지반 대단면 DCM 시공장치의 구동수단에 구비되는 스위벨에 설치되는 공기주입부를 상부방향으로 즉, 천공수의 공급방향으로 경사지게 설치함으로써, 천공수의 역류 방지 및 압축공기의 공급이 원활하게 이루어져 시공효율을 극대화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 일반적인 육상 심층혼합처리장비를 나타낸 측면도.
도 2는 일반적인 해상 심층혼합처리장비를 나타낸 측면도.
도 3은 종래의 심층혼합처리공법을 나타낸 개략도.
도 4는 종래의 심층혼합처리장비를 이용하여 천공수만으로 굴착을 실시한 심층혼합처리공법의 기록지의 일예를 나타낸 보고서.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 경질지반 대단면 DCM 시공장치를 이용한 시공방법을 개략적으로 나타낸 시공모식도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 천공수와 압축공기를 이용하여 굴착을 실시한 경질지반 대단면 DCM 시공장치를 이용한 시공방법의 기록지를 나타낸 보고서.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 구동수단을 나타낸 부분 사시도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 스위벨을 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 상부 및 하부 토출기능을 갖는 경질지반 대단면 DCM 시공장치를 나타낸 개략도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 의한 상부 및 하부 토출기능을 갖는 경질지반 대단면 DCM 시공장치를 나타낸 개략도.

본 발명은 경질지반에 대단면 지중구조체를 형성하기 위한 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면, N-값이 30 이상인 경질지반(40)을 포함하는 복합지층에서 지중구조체를 시공하여 형성할 때 천공수와 함께 압축공기를 함께 토출되도록 하여 N-값이 30 미만인 연약지반은 물론 경질지반의 굴착이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 균일하고 연속적인 고강도의 지중구조체를 시공하여 시공품질을 증대시키고, 공사기간 단축 등의 시공효율을 향상시킬 수 있는 경질지반 대단면 DCM 시공장치 및 그 시공장치를 이용한 시공방법에 관한 기술이다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 복합지층의 굴착시 천공수와 함께 압축공기가 로드(110)의 하단부에 토출되도록 함으로써, 1000㎜ 이상의 대단면 지중구조체의 시공 또한 원활하게 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상하부 토출 기능을 갖는 경질지반 대단면 DCM 시공장치를 이용하여 설계 심도에 슬러리를 상부 또는 하부로 토출시킴으로써, 시공품질을 증대시킴은 물론 공사기간 단축 및 이에 따른 시공비용을 절감할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 기존의 심층혼합처리장비의 구동수단(12,22)에 구비되는 스위벨(50)에 공기주입부(60)를 설치하여 굴착시 천공수와 압축공기가 함께 토출되도록 함으로써, 현재 시공중인 심층혼합처리장비에 적용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 경질지반 대단면 DCM 시공장치 또는 심층혼합처리장비의 구동수단(12,22)에 구비되는 스위벨(50)에 설치되는 공기주입부(60)를 천공수의 공급방방향으로 경사지게 즉, 스위벨(50)의 외측방향으로 갈수록 상부방향으로 경사지게 설치함으로써, 천공수의 역류 방지 및 압축공기의 공급이 원활하게 이루어져 시공효율을 극대화할 수 있는 특징이 있다.

상기와 같은 본 발명을 달성하기 위한 구성은 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더(11,21)와, 상기 리더(11,21)를 따라서 승하강하되, 상부에 형성된 구동수단(12,22)에 의해서 회전하면서 지중으로 관입 및 인발하며 내부에는 지중으로 천공수 또는 천공수와 압축공기 또는 슬러리를 분사할 수 있도록 주입통로(141,151)를 구비한 로드(110)로 구성되는 경질지반 대단면 DCM 시공장치를 이용한 시공방법에 있어서, 천공수만 분사되도록 하여 N-값이 30 미만인 연약지반(30)을 굴착하는 제1굴착공정(S100);과 천공수와 압축공기가 함께 분사되도록 하여 N-값이 30 이상인 경질지반(40)을 굴착하는 제2굴착공정(S200);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치의 구동수단(12,22)은 상부에 천공수공급부 또는 슬러리공급부에 연결되고, 하부에 상기 로드(110)가 회전 가능하도록 연결되는 스위벨(50);과 상기 스위벨(50)의 외주연 상부 일측에 돌출되고, 컴프레셔와 연결되는 공기주입부(60);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고, 상기 공기주입부(60)는 상기 스위벨(50)의 외측방향으로 갈수록 상부방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제2굴착공정(S200)의 로드(110)의 굴착속도가 상기 제1굴착공정(S100)의 로드(110)의 굴착속도보다 느리고, 상기 제2굴착공정(S200)에서 분사되는 천공수의 양이 상기 제1굴착공정(S100)에서 분사되는 천공수의 양보다 많은 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도시한 도면 1 내지 10을 참고하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 종래의 심층혼합처리공법을 간략하게 살펴보면 도 1 내지 4에 도시된 바와 같이, 로드(110)를 정회전시켜 복합지층을 천공하면서 소요 지지층까지 관입하는 관입공정과, 상기 로드(110)를 정회전 또는 역회전시킴과 동시에 슬러리를 주입하면서 인발하는 인발공정을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 복합지층은 N-값이 0~30미만인 연약지반과 N-값이 30이상인 경질지반으로 이루어지고, 상기 경질지반은 도 3에서 최하단의 지반에 해당되며, 종래의 심층혼합처리공법은 천공수만을 이용하여 관입공정 즉, 굴착이 이루어지므로 도 4에 도시된 구동수단(12,22)을 작동시키기 위한 전류값(Current), 구동수단(12,22)의 회전속도(RPM), 로드(110)의 관입속도(Speed)에 나타난 바와 같이, 로드(110)의 심도(Level)가 경질지반에 도달한 경우 지속적으로 과부하 발생 및 굴착이 진행되지 않을 뿐만 아니라 요구되는 심도까지 굴착이 되지 않는 문제가 있었다.

특히, 상기와 같은 종래의 심층혼합처리공법은 1000~1500㎜ 이상의 대단면을 갖는 지중구조체의 시공시 과부하 발생 및 굴착의 더디게 진행되어 결과적으로 시공되는 지중구조체의 강도 저하 및 공사기간이 증가되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 상부 및 하부 토출 기능을 갖는 심층혼합처리장비를 이용하는 것을 특징으로 하는데, 이러한 심층혼합처리장비를 이용한 심층혼합처리공법 즉, 경질지반 대단면 DCM 시공방법(이하, 'HG DCM 시공방법'이라 한다.)을 살펴보면 이하와 같다.

로드(110)를 정회전시켜 연약지반(30)과 경질지반(40)을 포함하는 복합지층을 천공하면서 소요 지지층까지 관입 및 일정길이를 인발하는 제1공정과, 상기 로드(110)를 정회전시킴과 동시에 슬러리를 주입하면서 다시 소요 지지층까지 관입하는 제2공정과, 상기 로드(110)가 소요 지지층까지 도달한 후 정회전 또는 역회전하면서 인발 및 관입을 반복하여 W형태로 시공하면서 복합지층을 개량하는 제3공정과, 상기 로드(110)를 역회전시킴과 동시에 상부 토출구로 슬러리를 주입하면서 복합지층의 표층까지 인발하는 제4공정 및 상기 로드(110)를 정회전 또는 역회전하면서 관입 및 인발하여 N형태로 시공하면서 복합지층의 표층을 개량하는 제5공정을 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명은 이후에 자세히 설명될 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치를 이용하고, 상기와 같은 HG DCM 시공방법을 포함하여 구성되며, 상기 시공방법 중 제1공정에서 복합지층을 천공하면서 소요 지지층까지 관입할 때, N-값이 0~30 미만인 연약지반(30)과 N-값이 30 이상인 경질지반(40)을 천공시 토출되는 천공수의 양과 굴착속도 즉, 구동수단(12,22)의 회전속도를 다르게 함은 물론 경질지반(40) 천공시 천공수와 함께 압축공기가 토출되도록 하여 상기 경질지반(40)의 천공이 원활하게 이루어지도록 함으로써, 시공품질 향상과 공사기간 단축의 효과를 실현케 한다.

결과적으로, 본 발명의 HG DCM 시공방법은 상기 제1공정을 세분화하여 연약지반(30)은 물론 경질지반(40)의 원활한 천공에 의한 시공품질 향상 및 공사기간 단축의 이점이 있는 것이다.

한편, 본 발명의 HG DCM 시공방법 즉, 상기 제1공정이 세분화된 HG DCM 시공방법을 설명하기에 앞서, 본 발명의 HG DCM 시공방법에 사용되는 심층혼합처리장비를 살펴보면, 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더(11,21)와, 상기 리더(11,21)를 따라서 승하강하되, 상부에 형성된 구동수단(12,22)에 의해서 회전하면서 지중으로 관입 및 인발하며 내부에는 지중으로 천공수 또는 천공수와 압축공기 또는 슬러리를 분사할 수 있도록 주입통로(141,151)를 구비한 로드(110)로 구성된다.

구체적으로, 본 발명을 달성하기 위한 주요 구성요소인 상부 및 하부 토출 기능을 갖는 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치는 도 9와 도 10에 도시된 바와 같이, 육상 전용장비 또는 해상 전용장비에 설치하여 지중으로 관입 또는 인발할 수 있도록 형성하는 로드(110); 상기 로드(110)의 하단에 형성하여 지중으로 굴착하는 굴착부(120); 상기 굴착부(120)의 상부에 위치하도록 상기 로드(110)의 하부에 형성하여 연약지반과 슬러리를 교반하는 교반부(130); 상기 굴착부(120)의 일측에 형성하여 슬러리를 토출하는 하부 토출부(140); 상기 교반부(130)의 상부에 위치하도록 상기 로드(110)의 일측에 형성하여 슬러리를 토출하는 상부 토출부(150);를 포함한다.

특히 상기 로드(110)는 육상 전용장비(10) 또는 해상 전용장비(20)의 수직방향으로 형성하는 리더(11,21)를 따라서 상하로 이동하는 구동수단(12,22)의 하부에 장착하여 정회전 또는 역회전할 수 있다.

구체적으로, 상기 로드(110)는 상기 구동수단(12,22)에 회전가능하도록 설치되는 연장로드와 상기 연장로드의 하부에 연결되어 설치되고 하단에 형성되어 지중으로 굴착하는 굴착부(120)와 상기 굴착부(120)의 상부에 형성되어 연약지반과 슬러리를 교반하는 교반부(130)를 구비하는 굴착교반로드로 구성된다.

한편, 상기 굴착부(120)는 연약지반의 소요 지지층(설계심도)까지 천공하기 위한 기능을 수행하며 나선형태의 굴착날개와 상기 굴착날개의 하부에 다수개의 천공비트를 구비하여 원활한 천공작업을 진행할 수 있다.

또한, 상기 교반부(130)는 회전과 동시에 슬러리와 연약지반을 교반시켜 지중에 견고한 구조체(파일)를 시공할 수 있다.

이때 상기 교반부(130)는 상기 로드(110)를 평면상태에서 보았을 때 수평방향으로 적어도 두 개 이상의 교반날개를 형성하여 회전과 동시에 슬러리와 교반작업을 진행할 수 있다.

본 발명에서 상기 하부 토출부(140)는 상기 굴착부(120)의 일측에 형성하여 소요 지지층으로 슬러리를 공급할 수 있음은 물론 상기 로드(110)의 관입 또는 인발에 따라서 슬러리를 주입할 수 있다.

그리고 상기 상부 토출부(150)는 상기 교반부(130)의 상부에 위치하여 관입 또는 인발과정에서 상기 하부 토출부(140)와 함께 슬러리를 주입할 수 있다.

이때 상기 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150)의 입구에는 지중의 이토가 내부로 유입되지 않도록 차단하고 슬러리는 외부로 배출할 수 있도록 개폐하는 차단막을 형성한다.

아울러, 상기 로드(110)는 내부에 천공수 및 압축공기 또는 슬러리가 공급되는 공급통로가 형성되고, 슬러리를 주입하면서 교반하는 관입 또는 인발 공정시에는 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150)를 통해 슬러리가 토출되는 한편, 굴착 공정시에는 하부 토출부(150)로만 천공수와 압축공기가 토출된다.

부가하여, 관입 또는 인발 공정시 슬러리가 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150)로 토출되는 것을 설명하면, 일예로, 정회전시 즉, 관입 공정시 하부 토출부(140)만 슬러리가 토출되고, 역회전시 즉, 인발 공정시 상부 토출부(150)로만 슬러리가 토출되도록 함으로써, 관입 또는 인발 공정시에 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150)를 이용하여 슬러리가 토출되도록 한다.

이때, 회전방향에 따라 슬러리가 선택적으로 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150)로 토출되기 위해 상기 하부 토출부(140)는 정회전방향으로 돌출되어 형성되고, 상기 상부 토출부(150)는 역회전방향으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는데, 이는 회전방향에 따라 하부 토출부(140) 또는 상부 토출부(150) 중 어느 하나의 토출부는 폐쇄되고, 다른 어느 하나의 토출부가 개방되도록 함으로써, 상기와 같이 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150) 모두를 이용하여 슬러리를 토출하여 주입할 수 있다. 반대의 경우로 상기 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150)가 돌출되어 형성되는 경우 또한 회전방향에 따라 선택적으로 슬러리가 토출된다.

또한, 굴착 공정시에는 로드(110)의 하부에 형성되는 굴착부(120)에 천공수가 공급되어야 하므로 상기 하부 토출부(140)로만 천공수와 압축공기가 토출될 수 있도록 상기 하부 토출부(140)가 돌출되어 형성된 방향으로 로드(110)가 회전되도록 함으로써, 굴착 공정이 원활하게 이루어지도록 하는 것이 바람직함은 자명할 것이다.

즉, 본 발명의 HG DCM 시공방법은 상기와 같은 상부 및 하부 토출 기능을 갖는 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치를 이용함으로써, 종래에 비해 보다 원활한 시공이 이루어지도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

상기와 연관하여, 본 발명의 HG DCM 시공방법 즉, 앞서 설명된 제1공정이 세분화된 HG DCM 시공방법은 천공수만 분사되도록 하여 N-값이 30미만인 연약지반(30)을 굴착하는 제1굴착공정(S100);과, 천공수와 압축공기가 함께 분사되도록 하여 N-값이 30 이상인 경질지반(40)을 굴착하는 제2굴착공정(S200)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 달성하기 위한 HG DCM 시공방법의 주요 구성요소인 상기 제1굴착공정(S100)은 앞서 설명된 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치의 로드(110)가 회전되면서 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150)를 통해 천공수만 분사되도록 하여 N-값이 30 미만인 연약지반(30)을 굴착하는 것으로서, 상기 천공수는 50~80 ℓ/min 범위의 유량이 분사되고, 굴착속도 즉, 로드(110)의 굴착속도는 0.5~1.0 m/min 범위로 하강하는 것을 특징으로 한다.

이때, 일반적으로 연질지반이라 함은 N-값이 0~5인 지반을 의미하지만 본 발명에서는 경질지반(40)의 N-값을 30 이상으로 한정하고 있으므로 본 발명에서 의미하는 연약지반(30)의 N-값은 30 미만이라 정의한다.

즉, 상기 제1굴착공정(S100)은 N-값이 30 미만인 원지반에 포화된 상태의 연약지반(30)에 천공수 사용을 최소화해서 원지반에 시멘트 슬러리의 교반이 최적화될 수 있는 굴착속도를 유지하도록 한다.

본 발명을 달성하기 위한 HG DCM 시공방법의 주요 구성요소인 상기 제2굴착공정(S200)은 앞서 설명된 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치의 로드(110)가 회전되면서 하부 토출부(140)와 상부 토출부(150)를 통해 천공수와 압축공기가 함께 분사되도록 하여 N-값이 30 이상인 경질지반(40)을 굴착하는 것으로서, 상기 천공수는 120~150 ℓ/min 범위의 유량이 분사되고, 굴착속도는 0.1~0.4 m/min 범위로 하강하며, 상기 압축공기는 5~15 bar의 압력으로 천공수와 함께 분사되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 압축공기는 5~15 bar의 압력 범위로 천공수와 함께 분사되는 것이 바람직한데, 이는 5 bar 미만의 압력을 가지는 경우 공기압이나 천공수의 수압이 경질지반(40)을 굴착하기 위한 충분한 압력을 가지지 못해 굴착이 원활하게 이루어지지 않으므로, 10 bar의 압력으로 천공수와 함께 분사되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 제2굴착공정(S200)은 앞서 설명된 제1굴착공정(S100)에서 연약지반(30)을 굴착한 후 경질지반(40)에 도달하면 굴착속도를 낮추고 약 10 bar의 공기압을 추가하여 천공수의 수압을 증가시켜 주변지반 즉, 경질지반(40)에 물을 빠르게 침투시켜 지반을 절삭하여 구동수단의 부하를 줄임과 동시에 굴착을 용이하게 하는 효과를 실현케 한다.

이때, 상기 제2굴착공정(S200)에서 천공수와 압축공기를 함께 분사되도록 하기 위한 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치의 구성을 살펴보면, 구동수단(12,22)은 상부에 천공수공급부 또는 슬러리공급부에 연결되고, 하부에 상기 로드(110)가 회전가능하도록 연결되는 스위벨(50)과, 상기 스위벨(50)의 외주연 상부 일측에 돌출되고, 컴프레셔와 연결되는 공기주입부(60)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 스위벨(50)은 앞서 본 발명의 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치에서 설명된 구동수단(12,22)의 상부에 설치되어 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치의 외측에 구비된 천공수공급부 또는 슬러리공급부에 연결됨으로서, 슬러리 또는 천공수 및 압축공기가 로드(110)에 공급되도록 하고, 앞서 설명된 로드(110) 즉, 연장로드가 하부에 연결되는 것을 일예로 설명한다.

즉, 상기 제2굴착공정(S200)은 천공수를 공급받는 스위벨(50)의 외주연에 돌출형성되는 공기주입부(60)를 통해 압축공기를 공급받아 굴착시 상기 천공수와 함께 분사되도록 함으로써, 경질지반(40)의 굴착이 용이하게 이루어지도록 하는 효과를 실현케 한다.

부가하여 설명하면, 상기 공기주입부(60)를 통해 공급되는 압축공기는 스위벨(50)을 통해 공급되는 천공수와 혼합되어 상기 천공수의 수압을 증가시키고, 이는 제2굴착공정(S200)에서 압축공기에 의한 공압은 물론 천공수의 수압에 의해서도 경질지반(40)의 굴착이 이루어지도록 함으로써, 시공효율을 극대화하는 효과를 실현케 한다.

아울러, 상기 공기주입부(60)는 상기 스위벨(50)의 외측방향으로 갈수록 상부방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는데, 이는 스위벨(50)의 상부로 공급되는 천공수의 공급이 원활하게 이루어지도록 하고, 천공수와 함께 압축공기가 원활하게 공급될 수 있도록 하는 것으로서 스위벨(50)의 수직방향에서 30~60도의 각도로 공기주입부(60)가 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 공기주입부(60)의 형성각도는 30~60도의 범위로 형성되는 것이 바람직한데, 60도를 초과하여 형성되는 경우 스위벨(50)을 통해 공급되는 천공수의 방향과 이루는 각이 커져 상기 천공수의 흐름을 방해하여 역류되거나 충분한 양의 천공수가 공급되지 못하는 문제가 발생할 수 있고, 30도 미만으로 형성되는 경우 스위벨(50)을 통해 공급되는 천공수의 방향과 이루는 각이 너무 작아 상기 천공수의 역류나 공급은 문제가 없지만 상기 천공수의 수압에 의해 혼합되는 압축공기가 충분하게 공급되지 못하는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기와 같은 범위의 각도로 형성되는 것이 바람직하고, 약 45도로 형성되는 것이 시공효율을 고려하였을 때 가장 바람직하다.

부가하여, 상기 공기주입부(60)는 체브밸브 또는 솔레노이드밸브 등과 같이 천공수의 역유입을 방지하고 필요한 시점에서 압축공기를 공급할 수 있도록 하는 차단밸브를 포함하여 구성될 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 HG DCM 시공방법은 상기 제2굴착공정(S200)의 로드(110)의 회전속도가 상기 제1굴착공정(S100)의 로드(110)의 굴착속도보다 느리고, 상기 제2굴착공정(S200)에서 분사되는 천공수의 양이 상기 제1굴착공정(S100)에서 분사되는 천공수의 양보다 많으며, 상기 제2굴착공정(S200)의 천공수의 수압이 함께 분사되는 압축공기에 의해 상기 제1굴착공정(S100)의 천공수의 수압보다 큰 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 HG DCM 시공방법은 N-값이 30 이상인 경질지반(40)의 천공시 굴착비트의 과부하를 줄이기 위해 분사되는 천공수의 유량을 증가시키고, 로드(110)의 굴착속도를 감소시키되, 압축공기를 천공수와 함께 분사되도록 함으로써, 공기압과 수압에 의해 더욱더 원활하게 경질지반(40)이 천공되는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

이를 모식도를 통하여 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이, ①의 구간에서는 시공위치에서 장비를 세팅하고, ②의 구간에서는 공삭공(성토층) 구간 즉, 장비를 세팅하기 위한 자갈 및 모래로 이루어진 매트층을 굴착하고, ③의 구간에서는 앞서 설명된 조건으로 N-값이 30 미만인 연약지반(30)을 굴착며, ④의 구간에서는 앞서 설명된 조건으로 N-값이 30 이상인 경질지반(40)을 굴착하되, 경질지반에 도착하기 약 2m 전부터 로드의 회전속도를 줄이고 압축공기를 공급함은 물론 천공수의 유량도 증가시키고, ⑤ 내지 ⑨ 의 구간에서는 ④의 구간에서 설계 심도까지 굴착이 완료되면 인발 및 관입을 반복하며 슬러리를 주입함과 동시에 교반하여 지중구조체를 형성하며, ⑩과 ⑪의 구간에서는 상부 토출부가 항두부위에 도달한 후 인발속도를 줄여 개량효과를 극대화시킨 후 시공을 마무리한다.

이러한 시공모식도와 함께, 천공수와 압축공기를 이용한 심층혼합처리공법의 기록지를 살펴보면 도 6에 도시된 바와 같이, 심도의 그래프가 도 5의 시공모식도와 유사하게 나타난 것을 확인할 수 있고, 도 4의 천공수만을 이용하여 굴착을 실시한 심층혼합처리공법의 기록지와 비교되는 바와 같이, 굴착되는 심도의 깊이가 더욱 깊어 요구되는 심도가지 굴착이 가능하고 과부하의 발생이 최소화되는 것을 확인할 수 있다.

이러한 본 발명의 HG DCM 시공방법은 특히 1000mm 이상의 대단면 지중구조체, 더욱 구체적으로는 1300mm의 대단면 지중구조체를 형성할 때 더욱 유리하고, 경질지반(40)이 포함된 복합지층의 지중구조체 시공시 공사시간 단축 및 이에 따른 시공원가 절감 등의 효과를 얻을 수 있는 것이다.

상기는 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 설명하였으며, 상기의 실시예에 한정되지 아니하고, 상기의 실시예를 통해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경으로 실시할 수 있는 것이다.

10 : 육상 전용장비 11, 21 : 리더
12, 22 : 구동수단 20 : 해상 전용장비
30 : 연질지반 40 : 경질지반
50 : 스위벨 60 : 공기주입부
110: 로드 120: 굴착부
130: 교반부 140: 하부 토출부
150: 상부 토출부

Claims (6)

1. 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더(11,21);와
   상기 리더(11,21)를 따라서 승하강하는 구동수단(12,22);과
   상기 구동수단(12,22)에 의해 회전하면서 지중으로 관입 및 인발하며 내부에는 지중으로 천공수 또는 천공수와 압축공기 또는 슬러리를 분사할 수 있도록 공급통로가 형성된 로드(110); 및
   상기 구동수단(12,22)의 상부에 설치되어 상기 로드(110)와 연결되어 외부로부터 천공수 또는 천공수와 압축공기 또는 슬러리를 공급받아 상기 로드(110)의 공급통로로 공급하는 스위벨(50);을 포함하고,
   상기 스위벨(50)은 외주연 상부 일측에 돌출되고, 컴프레셔와 연결되는 공기주입부(60);를 포함하고,
   상기 공기주입부(60)는 압축공기를 N-값이 30 이상인 경질지반(40)일 경우에 분사하고,
   상기 공기주입부(60)는 상기 스위벨(50)의 상부방향으로 경사지게 형성되어 구성되는 것을 특징으로 하는 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항의 경질지반 대단면(HG) DCM 시공장치를 이용한 경질지반 대단면(HG) DCM 시공방법에 있어서,
   N-값이 30 미만인 연약지반(30)을 천공수만 분사하여 굴착하는 제1굴착공정(S100);과
   N-값이 30 이상인 경질지반(40)을 천공수와 압축공기가 함께 분사하여 굴착하는 제2굴착공정(S200);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 경질지반 대단면(HG) DCM 시공방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2굴착공정(S200)의 로드(110)의 회전속도가 상기 제1굴착공정(S100)의 로드(110)의 회전속도보다 느린 것을 특징으로 하는 경질지반 대단면(HG) DCM 시공방법.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 제2굴착공정(S200)에서 분사되는 천공수의 양이 상기 제1굴착공정(S100)에서 분사되는 천공수의 양보다 많은 것을 특징으로 하는 경질지반 대단면(HG) DCM 시공방법.
   

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