KR102259937B1 - 관입성 향상 헬리컬 파일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파일 샤프트의 외주면에 결합되는 헬릭스의 상하 간격을 조절함으로써, 헬리컬 파일의 회전 관입성을 향상시켜 설계 심도까지 용이하게 회전 관입하여 안정적인 지지력을 확보할 수 있고, 시공 시간의 단축이 가능한 관입성 향상 헬리컬 파일에 대한 것이다.
본 발명 관입성 향상 헬리컬 파일은 중공의 파일 샤프트 및 적어도 2 이상이 상하로 이격되도록 상기 파일 샤프트의 외주면에 나사형으로 결합되는 헬릭스로 구성되되, 상하부 헬릭스 사이의 간격은 하부 헬릭스의 회전 관입에 따라 지중에 형성된 통로를 상부 헬릭스가 관통하도록 결정되고, 각 헬릭스는 하부 시작단의 평면각이 평면상 대칭을 이루도록 서로 상이하게 구성되며, 상기 헬릭스는 단면상 외측으로 갈수록 두께가 얇아지고, 하부에는 하단면이 평탄면으로 절삭되어 시작단으로 갈수록 두께가 얇아지고, 하단은 호 형상을 이루는 쐐기 형상으로 형성되며, 상기 헬릭스가 파일 샤프트에 결합되는 내측 단부의 하부에는 용접홈이 형성되고, 상기 파일 샤프트에는 헬릭스 통과 후 헬릭스에 의해 형성된 통로의 공벽을 유지하도록 그라우트재를 주입하기 위해 헬릭스의 상단 후방 위치에 그라우트 주입홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

관입성 향상 헬리컬 파일{Helical pile}

본 발명은 파일 샤프트의 외주면에 결합되는 헬릭스의 상하 간격을 조절함으로써, 헬리컬 파일의 회전 관입성을 향상시켜 설계 심도까지 용이하게 회전 관입하여 안정적인 지지력을 확보할 수 있고, 시공 시간의 단축이 가능한 관입성 향상 헬리컬 파일에 대한 것이다.

헬리컬 파일(helical pile)은 소형 강관인 중공의 파일 샤프트(10)에 나선형 날개인 헬릭스(20, helix)를 부착한 소구경 강관 파일로, 헬릭스 상하면의 지압 및 파일 샤프트의 주면 마찰력에 의해 압축 또는 인장력에 대해 지지력을 발휘한다(도 1).

이러한 헬리컬 파일은 회전에 의해 지반 내에 관입되는데, 비배토로 지반 교란이 적고 소음·진동이 적으며 시공 속도가 빠르다. 이에 최근 기존 기초 보강, 태양광 시설 지지 등을 위하여 국내에서도 많이 사용되고 있다.

헬리컬 파일을 구성하는 헬릭스가 전 회전 길이에 걸쳐 동일한 곡률의 나선형으로 형성되어 모든 단면에서 헬릭스 면이 수평을 이루도록 형성되는 경우, 헬리컬 파일의 회전 관입시 헬릭스 하단 날부에 의해 지반 내에 형성된 길(path)을 후방 부분이 연속적으로 지나가면서 하향 연속으로 지반을 파고들어가 회전 관입 저항을 최소화할 수 있다.

그러나 통상적으로 헬릭스는 중앙에 샤프트가 결합될 수 있도록 구멍이 뚫린 도넛 형상의 원형으로 플레이트를 절단하고, 플레이트의 일측을 내외로 절단한 후 절단된 좌우 플레이트를 상하로 벌려 나선형이 되도록 제작한다.

상기와 같이 플레이트의 절단면을 상하로 벌려 헬릭스를 제조할 경우, 헬릭스의 좌우가 경사지게 휘면서 위치에 따라 헬릭스의 곡률이 서로 불일치하게 된다.

이와 같이 헬릭스의 단면이 경사지게 형성되고 각 단면마다 곡률이 불일치하면, 헬리컬 파일의 지반 관입시 헬릭스의 면 저항이 커질 뿐 아니라 지반 교란이 발생하여 지지력 저하의 원인이 된다.

또한, 파일 샤프트의 외주면에 헬릭스가 복수 개 구비되는 경우, 하부의 헬릭스가 상부 헬릭스에서 작용하는 하중에 중복으로 영향을 받는 그림자 효과(shadow effect)를 방지하기 위해 상하 헬릭스는 통상 헬릭스 외경의 3배 이상이 되도록 상호 이격시켜 배치한다. 이러한 헬릭스 간 간격은 그림자 효과만을 고려하여 결정되므로, 각 헬릭스는 서로 독립적으로 지반에 회전 관입된다.

이에 따라 헬릭스의 개수가 증가할수록 관입 저항이 커지는 문제가 있다.

한편, 헬리컬 파일은 회전 관입시 관입 장비의 토크치에 의해 충분히 단단한 지반까지 근입되었는지 여부를 판단하여 파일 관입을 완료한다. 그런데 위와 같이 헬릭스 자체의 관입 저항으로 인해 토크치가 올라갈 경우, 파일이 설계 심도까지 근입된 것으로 착오를 일으켜 파일 근입 작업을 완료하는 경우가 발생할 수 있다.

이 경우 헬리컬 파일이 근입된 지반의 N치가 부족하여 설계만큼 지지력을 발휘하지 못하게 된다.

KR 10-1191286 B1

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 헬리컬 파일의 회전 관입성을 향상시켜 설계 심도까지 용이하게 회전 관입이 가능하도록 함으로써 안정적인 지지력을 확보할 수 있고, 시공 시간을 단축할 수 있는 관입성 향상 헬리컬 파일을 제공하고자 한다.

바람직한 실시예에 따른 본 발명은 중공의 파일 샤프트 및 적어도 2 이상이 상하로 이격되도록 상기 파일 샤프트의 외주면에 나사형으로 결합되는 헬릭스로 구성되되, 상하부 헬릭스 사이의 간격은 하부 헬릭스의 회전 관입에 따라 지중에 형성된 통로를 상부 헬릭스가 관통하도록 결정되고, 각 헬릭스는 하부 시작단의 평면각이 평면상 대칭을 이루도록 서로 상이하게 구성되며, 상기 헬릭스는 단면상 외측으로 갈수록 두께가 얇아지고, 하부에는 하단면이 평탄면으로 절삭되어 시작단으로 갈수록 두께가 얇아지고, 하단은 호 형상을 이루는 쐐기 형상으로 형성되며, 상기 헬릭스가 파일 샤프트에 결합되는 내측 단부의 하부에는 용접홈이 형성되고, 상기 파일 샤프트에는 헬릭스 통과 후 헬릭스에 의해 형성된 통로의 공벽을 유지하도록 그라우트재를 주입하기 위해 헬릭스의 상단 후방 위치에 그라우트 주입홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 관입성 향상 헬리컬 파일을 제공한다.

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다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 파일 샤프트의 하단에는 중앙 하단이 뾰족한 가이드구가 구비되는 것을 특징으로 하는 관입성 향상 헬리컬 파일을 제공한다.

본 발명에 따르면 파일 샤프트의 외주면에 결합되는 복수 개의 헬릭스 간 상하 간격은 하부 헬릭스의 회전 관입에 따라 지중에 형성된 통로를 상부 헬릭스가 관통하도록 결정한다.

이에 따라 헬리컬 파일의 회전 관입성을 향상시켜 설계 심도까지 용이하게 회전 관입이 가능하도록 함으로써 안정적인 지지력을 확보할 수 있고, 시공 시간을 단축시킬 수 있는 관입성 향상 헬리컬 파일을 제공 가능하다.

도 1은 종래 헬리컬 파일을 도시하는 정면도.
도 2는 본 발명 관입성 향상 헬리컬 파일을 도시하는 사시도.
도 3은 헬릭스 간 간격과 피치와의 관계를 도시하는 도면.
도 4는 상하 헬릭스의 배치 상태를 나타내는 단면도.
도 5는 그라우트 주입홀의 위치를 도시하는 사시도.
도 6은 헬릭스의 실시예를 도시하는 사시도.
도 7은 도 6에 도시된 헬릭스의 일부를 도시하는 단면 사시도.
도 8은 헬릭스의 다른 실시예를 도시하는 정면도.
도 9는 도 8에 도시된 헬릭스의 저면 사시도.
도 10은 헬릭스 하부 시작단의 단면을 나타내는 단면 사시도.
도 11은 헬릭스와 파일 샤프트의 결합 상세를 도시하는 단면도.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명 관입성 향상 헬리컬 파일을 도시하는 사시도이고, 도 3은 헬릭스 간 간격과 피치와의 관계를 도시하는 도면이다.

도 2, 도 3 등에 도시된 바와 같이, 본 발명 관입성 향상 헬리컬 파일은 중공의 파일 샤프트(1) 및 적어도 2 이상이 상하로 이격되도록 상기 파일 샤프트(1)의 외주면에 나사형으로 결합되는 헬릭스(2)로 구성되되, 상하부 헬릭스(2) 사이의 간격(d)은 하부 헬릭스(2)의 회전 관입에 따라 지중에 형성된 통로(4)를 상부 헬릭스(2)가 관통하도록 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 헬리컬 파일의 회전 관입성을 향상시켜 설계 심도까지 용이하게 회전 관입이 가능하도록 함으로써 안정적인 지지력을 확보할 수 있고, 시공 시간을 단축시킬 수 있는 관입성 향상 헬리컬 파일을 제공하기 위한 것이다.

상기 파일 샤프트(1)는 주면 마찰력에 의해 지지력을 발휘하는 것으로, 내부에 중공이 형성된 고강도 강관 등으로 구성 가능하다.

상기 파일 샤프트(1)의 외주면에는 나선형으로 헬릭스(2)가 용접 부착된다.

상기 헬릭스(2)는 하면 또는 상면의 지압에 의해 압축 또는 인장 하중에 저항한다.

상기 헬릭스(2)는 투영 면적상 폐쇄된 링 형상으로 형성되어 지반의 하중을 지지할 수 있도록 360° 이상 파일 샤프트(1)를 회전하게 구성할 수 있다.

상기 헬릭스(2)는 헬릭스(2)의 나선 회전 전체 길이에 걸쳐 수평이 되도록, 즉 파일 샤프트(1)와 직교되는 단면을 이루고 곡률이 일정하도록 구성된다. 이에 따라 헬릭스(2)의 하단이 지반을 절삭하면서 회전 관입된 후 헬릭스(2)의 후방 부분은 하단에서 절삭된 공간을 따라 관입되므로 관입 저항을 최소화할 수 있다.

상기 헬릭스(2)는 각 단면마다 동일한 곡률을 형성할 수 있도록 주조에 의해 제조하는 것이 바람직하다.

상기 헬릭스(2)는 용접에 의해 파일 샤프트(1)에 부착되므로 용접 가능한 주강을 사용할 수 있다.

상기 파일 샤프트(1)의 외주면에 결합되는 복수 개의 헬릭스(2)는 서로 동일한 회전 방향으로 구비하도록 한다.

상기 헬릭스(2)는 파일 샤프트(1)에 복수 개가 서로 이격되도록 상하로 결합되는데, 본 발명에서는 하부의 헬릭스(2)가 회전 관입되면서 지중에 형성된 통로(4)를 따라 상부 헬릭스(2)가 지중에 진입할 수 있도록 상하부 헬릭스(2)의 간격을 결정한다.

예를 들면, 도 3과 같이 상하부 헬릭스(2)의 평면상 위상(位相, phase)이 동일한 경우, 즉 헬릭스(2)의 하단 시작점이 동일한 경우에는 상하부 헬릭스(2) 사이의 간격(d)은 헬릭스(2)의 피치(p, 헬릭스의 1회 나선 회전시 수직 거리)의 n배가 되도록 구성한다.

이에 따라 헬릭스(2)의 수가 증가하더라도 관입 저항을 최소화할 수 있다.

도 2, 도 3 등에 도시된 바와 같이, 상기 파일 샤프트(1)의 하단에는 중앙 하단이 뾰족한 가이드구(3)가 구비될 수 있다.

도 1에서와 같이, 종래 헬리컬 파일은 샤프트의 하단을 경사 절단하여 뾰족하게 형성한다.

그러나 이렇게 형성되는 선단은 지반에 닿아 관입되는 부분이 파일 중심에서 벗어나므로, 헬리컬 파일 회전시 편심이 발생하여 헬리컬 파일에 유동을 발생시킨다.

따라서 이러한 유동을 방지하기 위해 상기 파일 샤프트(1)의 하단에는 중앙 하단이 뾰족한 가이드구(3)를 장착할 수 있다.

도 4는 상하 헬릭스의 배치 상태를 나타내는 단면도이다.

도 2, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 각 헬릭스(2)는 하부 시작단의 평면각이 평면상 대칭을 이루도록 서로 상이하게 구성될 수 있다.

상부의 헬릭스(2)가 하부의 헬릭스(2)에 의해 지중에 형성된 통로(4)를 공유하여 관입된다 하더라도 상하부 헬릭스(2)는 서로 이격되어 있기 때문에 통로(4)의 공벽이 완벽하게 유지되기 어렵다. 이에 따라 상부 헬릭스(2) 관입시 헬릭스(2) 하단이 지반을 절삭하면서 발생하는 관입 저항 증가가 불가피하다.

그러나 일반적으로 헬리컬 파일은 상하부 헬릭스(2)를 동일한 위상, 즉 상하부 헬릭스(2)의 하부 시작단(헬릭스 하단의 지반 절삭 부분)이 평면상 동일한 각도로 결합된다.

그러므로 항상 헬릭스(2) 하부의 시작단 측에 가장 큰 저항력이 작용하고, 이러한 저항력은 헬리컬 파일을 기준으로 일측에 편심되어 작용한다. 때문에 헬리컬 파일의 제자리 회전을 저해하여 헬리컬 파일의 관입 작업이 용이하지 않고, 지반 교란이 증가하는 문제가 있다.

따라서 본 발명에서는 상하부 헬릭스(2)를 서로 다른 위상으로 배치함으로써, 회전 관입시 저항력이 헬리컬 파일에 편심 작용하는 것을 방지하도록 하였다.

이에 따라 헬리컬 파일이 제자리 회전하여 회전 관입이 용이하고, 헬리컬 파일의 진동 및 지반 교란을 최소화할 수 있다.

일례로 상하부 헬릭스(2)의 하부 시작단 위치는 평면상 대칭을 이루도록 구성할 수 있다.

즉, 도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상부와 하부의 헬릭스(2)는 서로 180°의 위상차를 갖도록 함으로써, 헬릭스(2)의 하부 시작단이 파일 샤프트(1)의 좌우에서 번갈아가며 형성되도록 할 수 있다.

또한, 헬릭스(2)가 3개인 경우, 서로 120°의 위상차를 갖도록 하여, 관입 저항으로 인한 편심을 최소화하도록 구성할 수도 있다(미도시).

이때, 상하부 헬릭스(2)의 위상 차가 180°인 경우 상부와 하부의 헬릭스(2) 간 간격은 헬릭스(2) 피치의 (n+1/2)배로 유지하여, 하부 헬릭스(2)에 의해 형성된 지중 통로(4)를 상부의 헬릭스(2)가 공유하도록 할 수 있다.

도 5는 그라우트 주입홀의 위치를 도시하는 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 파일 샤프트(1)에는 헬릭스(2) 통과 후 헬릭스(2)에 의해 형성된 통로(4)의 공벽을 유지하도록 그라우트재를 주입하기 위해 헬릭스(2)의 상단 후방 위치에 그라우트 주입홀(11)이 형성될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 하부의 헬릭스(2) 통과 후 하부의 헬릭스(2)에 의해 형성된 지중 통로(4)는 상부 지반의 하중, 주변 지반의 유입 교란 등으로 인해 좁아지거나 폐쇄될 수 있다.

이를 방지하기 위하여 상기 헬릭스(2)의 상단 후방 위치의 파일 샤프트(1)에 그라우트 주입홀(11)을 형성할 수 있다.

이에 따라 파일 회전 관입시, 헬릭스(2) 통과 후 헬릭스(2)의 직후방에서 헬릭스(2)에 의해 형성된 통로(4)에 그라우트재를 주입할 수 있으므로, 통로(4)의 공벽 유지가 가능하다.

아울러 결과적으로 상부의 헬릭스(2)가 용이하게 진입할 수 있어 회전 관입 저항을 최소화할 수 있다.

도 6은 헬릭스의 실시예를 도시하는 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시된 헬릭스의 일부를 도시하는 단면 사시도이다.

도 6, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 헬릭스(2)는 단면상 외측으로 갈수록 두께가 얇아지게 구성 가능하다.

종래 헬릭스는 플레이트를 절단하여 제작되므로, 헬릭스의 내측 및 외측의 두께가 동일한 직사각형 형태로 구성됨이 일반적이었다.

그러나 이러한 직사각형 형상의 단면은 파일 회전시 토크 저항이 크다.

또한, 상기 헬릭스(2)는 단면상 파일 샤프트(1)의 측면에 일단이 결합되는 캔틸레버 구조로 결합된다. 이에 따라 상기 헬릭스(2) 면에 하중 작용시, 파일 샤프트(1) 측은 모멘트가 크고 외측으로 갈수록 모멘트가 작아진다.

그러므로 헬릭스(2)는 전 단면에 걸쳐 동일한 두께로 단면을 형성할 필요가 없다.

따라서 본 발명에서는 상기 헬릭스(2)를 단면상 외측으로 갈수록 두께가 얇아지도록 구성함으로써, 토크 저항을 줄임과 동시에 강재량을 절약하도록 제작 가능하다.

도 8은 헬릭스의 다른 실시예를 도시하는 정면도이고, 도 9는 도 8에 도시된 헬릭스의 저면 사시도이며, 도 10은 헬릭스 하부 시작단의 단면을 나타내는 단면 사시도이다.

도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 헬릭스(2)는 하부에는 하단면이 평탄면(21)으로 절삭되어 시작단으로 갈수록 두께가 얇아지고, 하단은 호 형상을 이루는 쐐기 형상으로 형성된다.

헬리컬 파일의 회전 관입시, 헬릭스(2) 하부의 시작단 전방에 큰 돌이 존재하는 경우에는 헬릭스(2)의 하단 전방 면이 돌에 걸려 회전 관입이 곤란할 수 있다.

따라서 상기 헬릭스(2)의 하단 전방에 큰 돌 등 장애물이 존재하는 경우, 상기 헬릭스(2)의 회전에 의해 장애물을 상부 또는 하부로 밀어낼 수 있도록 헬릭스(2) 하부의 시작단을 쐐기 형상으로 형성 가능하다.

이를 위하여 상기 헬릭스(2)의 하단면을 평탄면(21)으로 절삭하여 쐐기 형상으로 형성할 수 있다(도 9, 도 10).

이 경우 상기 헬릭스(2)의 곡률에 의해 하단은 호 형상을 이루게 된다.

이에 상기 헬릭스(2)의 상단은 하단의 호 형상에 대응되도록 내측으로 오목한 호 형상으로 형성함으로써, 평면상 폐쇄된 링 형상을 이루도록 구성하는 것이 바람직하다.

도 11은 헬릭스와 파일 샤프트의 결합 상세를 도시하는 단면도이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 상기 헬릭스(2)가 파일 샤프트(1)에 결합되는 내측 단부의 하부에는 용접홈(22)이 형성될 수 있다.

종래 헬리컬 파일에서는 파일 샤프트에 헬릭스를 결합할 때, 파일 샤프트에 헬릭스를 T자형으로 맞댄 상태에서 파일 샤프트와 헬릭스 면 사이를 필렛 용접(fillet welding)으로 결합하였다.

그러나 필렛 용접은 용접 비드를 충분히 확보한다 하더라도 모재인 파일 샤프트 두께 이상의 휨 성능을 보장할 수 없어 휨 저항에 한계가 있다.

이에 본 발명에서는 사용 중 헬릭스에 상향으로 작용하는 하중에 대해 안정적인 휨 성능을 확보하기 위해, 상기 헬릭스(2) 내측 단부의 하부에 용접홈(22)을 형성하여 용입 용접이 가능하도록 구성할 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 사용 중 휨모멘트에 의해 인장 응력이 크게 작용하는 하부에는 용접홈(22)에 용접비드를 채워 용입 용접할 수 있다.

그리고 주로 압축력이 작용하는 상부에는 별도의 용접홈 없이 필렛 용접으로 용접(W)할 수 있다.

1: 파일 샤프트
11: 그라우트 주입홀
2: 헬릭스
21: 평탄면
22: 용접홈
3: 가이드구
4: 통로
W: 용접

Claims (7)

1. 중공의 파일 샤프트(1) 및 적어도 2 이상이 상하로 이격되도록 상기 파일 샤프트(1)의 외주면에 나사형으로 결합되는 헬릭스(2)로 구성되되,
   상하부 헬릭스(2) 사이의 간격(d)은 하부 헬릭스(2)의 회전 관입에 따라 지중에 형성된 통로(4)를 상부 헬릭스(2)가 관통하도록 결정되고, 각 헬릭스(2)는 하부 시작단의 평면각이 평면상 대칭을 이루도록 서로 상이하게 구성되며,
   상기 헬릭스(2)는 단면상 외측으로 갈수록 두께가 얇아지고, 하부에는 하단면이 평탄면(21)으로 절삭되어 시작단으로 갈수록 두께가 얇아지고, 하단은 호 형상을 이루는 쐐기 형상으로 형성되며, 상기 헬릭스(2)가 파일 샤프트(1)에 결합되는 내측 단부의 하부에는 용접홈(22)이 형성되고,
   상기 파일 샤프트(1)에는 헬릭스(2) 통과 후 헬릭스(2)에 의해 형성된 통로(4)의 공벽을 유지하도록 그라우트재를 주입하기 위해 헬릭스(2)의 상단 후방 위치에 그라우트 주입홀(11)이 형성되는 것을 특징으로 하는 관입성 향상 헬리컬 파일.
   
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3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에서
   상기 파일 샤프트(1)의 하단에는 중앙 하단이 뾰족한 가이드구(3)가 구비되는 것을 특징으로 하는 관입성 향상 헬리컬 파일.

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