KR102277470B1 - 흙막이 지하 합성벽 및 그 시공 방법 - Google Patents

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허병욱
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한국건설기술연구원
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Abstract

본 발명은 흙막이를 영구벽체로 활용할 수 있도록 함으로써 지하공간의 활용성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 흙막이 지하 합성벽 및 그 시공 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 흙막이 지하 합성벽은, 하단부가 지반에 천공된 홀에 매립되어 고정되는 복수의 PHC 말뚝; 상기 복수의 PHC 말뚝의 사이사이에 배치되어 하단부가 지반에 천공된 홀에 매립되어 고정되면서 상기 복수의 PHC 말뚝과 함께 흙막이 주열벽을 형성하며, 콘크리트 기둥 내부에 H형강이 매립된 구조로서 H형강의 일측 플랜지가 외부로 노출되도록 형성된 복수의 엄지말뚝; 상기 복수의 엄지말뚝의 외부로 노출된 H형강의 일측 플랜지에 결합되는 복수의 전단연결재; 및, 상기 복수의 전단연결재 상에 안착되어 고정되면서 상기 복수의 PHC 말뚝과 복수의 엄지말뚝을 가로지르도록 설치되는 띠장(wale);을 포함할 수 있다.

Description

흙막이 지하 합성벽 및 그 시공 방법{Basement Composite Wall Using Retaing Wall And Method for Constructing the Same}
본 발명은 흙막이 지하 합성벽에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PHC 말뚝(PRETENSIONED SPUN HIGH STRENGTH CONCRETE PILES) 및 PC로 제작한 어미말뚝을 이용하여 흙막이 주열벽을 구성하며, 전단연결재를 이용하여 지하외벽과의 합성 및 띠장을 설치할 수 있는 흙막이 지하 합성벽 및 그 시공 방법에 관한 것이다.
일반적으로 흙막이 공법은 지중에 엄지 말뚝(H형강, 레일 강)을 타입하거나 미리 천공한 구멍에 삽입한 후 터파기를 진행하면서 토류판을 설치하는 토류판 공법, 천공된 홀에 철근을 삽입한 후 콘크리트를 타설하여 현장 타설 말뚝을 시공하는 CIP 공법, 굴착 이전에 소일 시멘트(Soil Cement) 말뚝을 연결 설치한 뒤 벽체를 형성하는 SCW 공법, 자체 몰드를 이용해서 흙막이 주열벽을 시공하는 PHC-W 공법 등이 알려져 있다.
기존의 흙막이는 공사 중 토압 등의 외력에 저항할 수 있는 가시설로 사용되고 있다. 이 후 지하외벽을 설치하고, 가시설인 흙막이는 제거하게 된다. 최근 제정된 건축물 내진설계 기준에서는 지하구조물의 내진설계를 의무화하고 있으며, 지하구조체 자체만으로 외력에 저항해야 하기 때문에 두께가 증가하여 지하공간을 감소시키는 등 구조벽체의 비효율성이 증가하고 있다.
이러한 문제를 해소하기 위하여 가설 흙막이를 지하외벽과 합성하는 연구가 진행되고 있다. 예를 들어 현장에서 흙막이 주열벽을 천공한 후 콘크리트를 타설하여 구축하는 공법이 연구되고 있는데, 이 공법은 내부의 H 형강의 플랜지를 노출시키고 지하외벽과 만나는 면을 일정하게 하기 위해 면정리를 해야하는 등의 번거로움이 있고, 일체성을 확보하기 위하여 스터드 볼트 및 전단연결재를 용접 및 천공을 통한 후시공을 해야 하는 추가 공정이 필요하다.
또한 국내 등록특허 제10-1696916호에는 복수의 PHC 말뚝을 배열하여 흙막이 주열벽을 구축하고, PHC 말뚝에 홀을 시공하여 스터드 볼트를 이용한 합성벽 기술이 개발되었다. 그러나 스터드 볼트의 경우 주열벽과 건물 외벽의 공간(일반적으로 건축선 후퇴에 따른 합성길이의 증가)으로 인해 길이가 증가할 수 있으며, 이에 따른 강성의 저하로 지하외벽과의 합성력이 감소하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-2087083호(2020.03.04. 등록) 대한민국 등록특허 제10-1696916호(2017.01.10. 등록)
본 발명은 흙막이를 영구벽체로 활용할 수 있도록 함으로써 지하공간의 활용성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 흙막이 지하 합성벽 및 그 시공 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 흙막이 지하 합성벽은, 하단부가 지반에 천공된 홀에 매립되어 고정되는 복수의 PHC 말뚝; 상기 복수의 PHC 말뚝의 사이사이에 배치되어 하단부가 지반에 천공된 홀에 매립되어 고정되면서 상기 복수의 PHC 말뚝과 함께 흙막이 주열벽을 형성하며, 콘크리트 기둥 내부에 H형강이 매립된 구조로서 H형강의 일측 플랜지가 외부로 노출되도록 형성된 복수의 엄지말뚝; 상기 복수의 엄지말뚝의 외부로 노출된 H형강의 일측 플랜지에 결합되는 복수의 전단연결재; 및, 상기 복수의 전단연결재 상에 안착되어 고정되면서 상기 복수의 PHC 말뚝과 복수의 엄지말뚝을 가로지르도록 설치되는 띠장(wale);을 포함할 수 있다.
본 발명의 한 형태에 따르면, 상기 전단연결재는 후단부가 상기 H형강의 플랜지에 결합되는 'ㄷ'형 단면을 갖는 브라켓과, 지면(地面)에 대해 수평한 띠장지지부와 상기 띠장지지부의 후단부에 하측으로 연장되게 형성되어 상기 브라켓의 상단부를 통해 삽입되어 고정되는 브라켓연결부로 이루어진 'ㄱ'자 형의 서포트부재를 포함하여, 상기 서포트부재의 띠장지지부에 띠장의 하단부가 안착되어 고정될 수 있다.
본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 상기 전단연결재는 후단부가 상기 H형강의 플랜지에 결합되는 'ㄷ'형 단면을 갖는 브라켓을 포함하며, 상기 브라켓의 양측 후단부 상부는 상기 H형강의 플랜지와 일정 거리 이격되어 띠장의 후단부 하단이 삽입되는 공간부를 형성할 수 있다.
상기 전단연결재는, 상기 브라켓의 전단부 중간에 힌지축을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 후단부가 상기 공간부 내측에 배치되어 상기 띠장의 후단부 하단이 상기 공간부 내측으로 삽입될 때 띠장의 후단부 하단과 접촉하면서 상기 힌지축을 중심으로 상측으로 회전하며, 전단부가 상측으로 연장되어 상기 띠장의 전단부 하단을 지지하도록 된 클램핑브라켓을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 클램핑브라켓의 전단부는 후방으로 상향 경사지게 형성되어 띠장의 전단부 하단에 탄력적으로 밀착되면서 지지력을 제공할 수 있다.
상기 브라켓에는 상기 복수의 PHC 말뚝과 복수의 엄지말뚝을 지하외벽과 합성하기 위한 철근이 통과하면서 연결되는 복수의 철근연결공이 관통되게 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 흙막이 지하 합성벽을 시공하는 방법은,
(S1) 지반에 복수의 홀을 일렬로 천공하는 단계;
(S2) 상기 홀에 복수의 PHC 말뚝의 하단부를 삽입하여 매립한 후 그 일측 홀에 엄지말뚝의 하단부를 삽입하여 매립하는 방식으로 복수의 PHC 말뚝과 엄지말뚝을 일렬로 시공하여 흙막이 주열벽을 구축하는 단계;
(S3) 복수의 엄지말뚝의 H형강의 일측 플랜지 각각에 복수의 전단연결재를 결합하는 단계; 및,
(S4) 복수의 전단연결재 상에 띠장을 안착하여 고정하는 단계;
를 포함할 수 있다.
상기 (S4) 단계 이전 또는 이후에 상기 전단연결재의 브라켓에 형성되어 있는 철근연결공을 통해 철근을 배근하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 흙막이 지하 합성벽은 기존의 현장 콘크리트 타설을 통한 간이 흙막이 공사를 건식화하고, 띠장 설치를 위한 전단연결재를 이용하여 지하외벽과의 합성을 위한 철근을 배근할 수 있도록 함으로써 흙막이 주열벽을 지하외벽과 용이하게 합성할 수 있다.
또한 상기 전단연결재는 기존의 흙막이 구조물에 적용되는 띠장 설치용 브라켓이나 전단연결재에 비하여 그 구성 및 크기가 단순화되어 흙막이의 전체 두께를 감소시키고, 시공성 및 경제성을 향상시키는 이점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 흙막이 지하 합성벽의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흙막이 지하 합성벽의 주요 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 흙막이 지하 합성벽을 구성하는 전단연결재의 일 실시예를 나타낸 요부 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 전단연결재에 띠장이 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시한 전단연결재에 띠장이 설치된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 흙막이 지하 합성벽을 구성하는 전단연결재의 다른 실시예를 나타낸 요부 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시한 전단연결재에 띠장이 설치된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 6에 도시한 전단연결재에 띠장이 설치된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 6에 도시한 전단연결재의 변형례를 나타낸 단면도이다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 흙막이 지하 합성벽 및 그 시공 방법을 후술된 실시 예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흙막이 지하 합성벽은 지반에 매립되는 복수의 PHC 말뚝(10)과 복수의 엄지말뚝(20)이 일렬로 배열되어 구축된 흙막이 주열벽과, 엄지말뚝(20)의 외부로 노출된 H형강(22)의 일측 플랜지(22a)에 결합되는 복수의 전단연결재(40), 복수의 전단연결재(40) 상에 안착되어 고정되면서 상기 흙막이 주열벽을 가로지르도록 설치되는 띠장(wale)(30)을 포함한다.
흙막이 주열벽은 복수의 PHC 말뚝(10) 사이사이마다 엄지말뚝(20)이 나란하게 배치된 구조를 갖는데, 이 실시예에서는 3개의 PHC 말뚝(10) 사이마다 1개의 엄지말뚝(20)이 배치된다. 이와 같이 복수의 PHC 말뚝(10)과 복수의 엄지말뚝(20)이 일렬로 배열된 흙막이 주열은 지하외벽(1)과 합성되어 영구벽체를 이루게 된다.
PHC 말뚝(10)(PRETENSIONED SPUN HIGH STRENGTH CONCRETE PILES)은 원심성형법에 의해 생산된 프리스트레스가 도입된 고강도 콘크리트 말뚝으로서, 하단부가 지반에 천공된 홀(H) 내측에 소정의 깊이로 매립되어 고정된다.
엄지말뚝(20)은 복수의 PHC 말뚝(10)의 사이사이에 배치되어 하단부가 지반에 천공된 홀에 매립되어 고정된다. 엄지말뚝(20)은 콘크리트 기둥(21) 내부에 H형강(22)이 매립된 구조로서 H형강(22)의 일측 플랜지(22a)가 외부로 노출되도록 형성된다. 엄지말뚝(20)의 H형강(22)의 일측 플랜지(22a)가 외부로 노출된 상태를 유지하며, 흙막이 주열벽의 전체 두께를 줄일 수 있도록 하기 위하여 엄지말뚝(20)은 상기 H형강(22)의 일측 플랜지(22a)가 배치된 부분이 면취된 형태를 갖는다. 즉, 엄지말뚝(20)은 상기 띠장(30)이 설치되는 전면부가 편평하게 면취된 기둥 형태를 갖는다.
띠장(30)은 상기 복수의 PHC 말뚝(10)과 복수의 엄지말뚝(20)을 가로지르도록 설치되어 흙막이 주열벽을 시공한 후에 토압 등의 측압에 저항하고 일체성을 확보하는 작용을 한다. 띠장(30)은 H형강을 적용하여 구성할 수 있으며, 엄지말뚝(20)의 H형강(22)의 일측 플랜지(22a)에 결합되는 전단연결재(40)에 안착되어 고정된다.
전단연결재(40)는 엄지말뚝(20)에 띠장(30)을 연결하기 위한 것으로, 엄지말뚝(20)의 외부로 노출된 H형강(22)의 일측 플랜지(22a)에 결합된다. 도 3 내지 도 4에 도시한 실시예와 같이 전단연결재(40)는 후단부가 상기 H형강(22)의 플랜지(22a)에 결합되는 브라켓(41)과, 상기 브라켓(41)의 상단에 결합되어 띠장(30)의 하단부를 지지하는 서포트부재(50)를 포함한다.
상기 브라켓(41)은 위에서 보았을 때 대략 'ㄷ'형 단면을 갖는 금속 철물로 이루어지며, 양측면 후단부가 직각으로 절곡되어 엄지말뚝(20)의 H형강(22)의 일측 플랜지(22a)에 용접되거나 또는 볼트로 고정된다. 상기 브라켓(41)에는 콘크리트의 충전과 흙막이 주열벽을 지하외벽(1)과 합성하기 위한 철근이 통과하면서 연결되는 복수의 철근연결공(42)이 관통되게 형성되어 있다.
상기 서포트부재(50)는 브라켓(41)의 상단부에서 띠장(30)을 안정적으로 지탱할 수 있도록 하기 위한 'ㄱ'자 형의 부속철물로서, 지면(地面)에 대해 수평한 띠장지지부(51)와 상기 띠장지지부(51)의 후단부에 하측으로 연장되게 형성되어 상기 브라켓(41)의 개방된 상단부를 통해 삽입되어 고정되는 브라켓연결부(52)로 이루어진다. 상기 브라켓연결부(52)는 브라켓(41)의 상단부에 삽입된 후 용접되거나 볼트 등으로 고정될 수 있다.
도 6 내지 도 7은 전단연결재(40)의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 이 실시예의 전단연결재(40)는 후단부가 상기 엄지말뚝(20)의 H형강(22)의 플랜지(22a)에 결합되는 'ㄷ'형 단면을 갖는 브라켓(41)을 포함하며, 상기 브라켓(41)의 양측 후단부 상부는 상기 H형강(22)의 플랜지(22a)와 일정 거리 이격되어 띠장(30)의 후단부 하단 플랜지가 삽입되는 공간부(43)를 형성한다. 즉, 이 실시예의 전단연결재(40)는 브라켓(41)의 양측 후단부 상부와 H형강(22)의 플랜지(22a) 사이에 띠장(30)의 플랜지 두께와 대응하는 크기의 공간부(43)가 형성되어 띠장(30)의 후단부 하단 플랜지가 상기 공간부(43) 내측으로 삽입됨으로써 띠장(30)이 브라켓(41)의 상단에 안정적으로 지지될 수 있도록 된 것이다. 이 때 띠장(30)의 웨브 부분은 브라켓(41)의 상단부에 안착되어 지지된다.
이러한 구조의 전단연결재(40)로 띠장(30)을 지지할 때 전단연결재(40)가 띠장(30)을 더욱 안정적으로 지지할 수 있도록 하기 위하여, 도 9a 및 도 9b에 또 다른 실시예로 나타낸 것과 같이, 전단연결재(40)의 브라켓(41)의 전단부 중간에 클램핑브라켓(45)을 상하로 회전 가능하게 설치하고, 띠장(30)이 브라켓(41) 상단에 설치될 때 클램핑브라켓(45)이 띠장(30)에 의해 회전하면서 클램핑브라켓(45)의 전단부가 띠장(30)의 전단부 하부를 지지하게 할 수 있다. 상기 클램핑브라켓(45)은 브라켓(41)의 중간부에 힌지축(46)을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 후단부가 상기 공간부(43) 내측에 배치되어 상기 띠장(30)의 후단부 하단이 상기 공간부(43) 내측으로 삽입될 때 띠장(30)의 후단부 하단과 접촉하면서 힌지축(46)을 중심으로 상측으로 회전하게 된다. 이 때 클램핑브라켓(45)의 전단부는 상측으로 연장되어 상기 띠장(30)의 전단부 하단을 지지한다.
상기 클램핑브라켓(45)의 전단부가 띠장(30)의 전단부 하단을 더욱 견고하게 지지할 수 있도록 하기 위하여 클램핑브라켓(45)의 전단부는 후방으로 상향 경사지게 형성되어 띠장(30)의 전단부 하단에 탄력적으로 밀착되면서 지지력을 제공한다.
상기한 실시예들의 전단연결재(40)는 기존의 흙막이 구조물에 적용되는 띠장 설치용 브라켓이나 전단연결재에 비하여 그 구성 및 크기가 단순화되어 흙막이의 전체 두께를 감소시키고, 시공성 및 경제성을 향상시키는 이점을 제공한다.
이러한 구성을 갖는 흙막이 지하 합성벽의 시공 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저 지하의 지반에 소정의 깊이로 복수의 홀(H)을 일렬로 천공한다. 그리고 상기 홀에 복수의 PHC 말뚝(10)의 하단부를 삽입하여 매립한 후 그 일측 홀에 엄지말뚝(20)의 하단부를 근입하여 매립하는 방식으로 복수의 PHC 말뚝(10)과 엄지말뚝(20)을 일렬로 시공하여 흙막이 주열벽을 구축한다. 이 때 PHC 말뚝(10)과 엄지말뚝(20)의 근입 작업은 크레인을 이용하고, 선단지지력을 얻기 위해 유압 압입이나 항타 작업이 이루어질 수 있다.
복수의 PHC 말뚝(10)과 엄지말뚝(20)을 지반에 시공하여 흙막이 주열벽을 구축하면, 복수의 엄지말뚝(20)에 마련된 H형강(22)의 일측 플랜지(22a) 각각에 복수의 전단연결재(40)를 용접하거나 볼트로 결합한다.
엄지말뚝(20)에 전단연결재(40)를 모두 결합하면, 전단연결재(40) 상에 띠장(30)을 안착하여 고정한다.
상기 전단연결재(40) 상에 띠장(30)을 설치하기 전 또는 후에 상기 전단연결재(40)의 브라켓(41)에 형성되어 있는 철근연결공(42)을 통해 철근(미도시)을 배근할 수 있다.
상술한 것과 같은 흙막이 지하 합성벽은 기존의 현장 콘크리트 타설을 통한 간이 흙막이 공사를 건식화하고, 띠장(30) 설치를 위한 전단연결재(40)를 이용하여 지하외벽(1)과의 합성을 위한 철근을 배근할 수 있도록 함으로써 흙막이 주열벽과 지하외벽(1)과의 합성이 용이한 이점을 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명은 실시 예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
H : 홀 1 : 지하외벽
10 : PHC 말뚝 20 : 엄지말뚝
21 : 콘크리트 기둥 22 : H형강
22a : 플랜지 30 : 띠장(wale)
40 : 전단연결재 41 : 브라켓
42 : 철근연결공 43 : 공간부
45 : 클램핑브라켓 46 : 힌지축
50 : 서포트부재 51 : 띠장지지부
52 : 브라켓연결부

Claims (8)

  1. 하단부가 지반에 천공된 홀에 매립되어 고정되는 복수의 PHC 말뚝;
    상기 복수의 PHC 말뚝의 사이사이에 배치되어 하단부가 지반에 천공된 홀에 매립되어 고정되면서 상기 복수의 PHC 말뚝과 함께 흙막이 주열벽을 형성하며, 콘크리트 기둥 내부에 H형강이 매립된 구조로서 H형강의 일측 플랜지가 외부로 노출되도록 형성된 복수의 엄지말뚝;
    상기 복수의 엄지말뚝의 외부로 노출된 H형강의 일측 플랜지에 결합되는 복수의 전단연결재; 및,
    상기 복수의 전단연결재 상에 안착되어 고정되면서 상기 복수의 PHC 말뚝과 복수의 엄지말뚝을 가로지르도록 설치되는 띠장(wale);
    을 포함하며,
    상기 전단연결재는 후단부가 상기 H형강의 플랜지에 결합되는 'ㄷ'형 단면을 갖는 브라켓을 포함하며, 상기 브라켓의 양측 후단부 상부는 상기 H형강의 플랜지와 일정 거리 이격되어 띠장의 후단부 하단이 삽입되는 공간부를 형성하고,
    상기 전단연결재는, 상기 브라켓의 전단부 중간에 힌지축을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 후단부가 상기 공간부 내측에 배치되어 상기 띠장의 후단부 하단이 상기 공간부 내측으로 삽입될 때 띠장의 후단부 하단과 접촉하면서 상기 힌지축을 중심으로 상측으로 회전하며, 전단부가 상측으로 연장되어 상기 띠장의 전단부 하단을 지지하도록 된 클램핑브라켓을 더 포함하는 흙막이 지하 합성벽.
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  5. 제1항에 있어서, 상기 클램핑브라켓의 전단부는 후방으로 상향 경사지게 형성되어 띠장의 전단부 하단에 탄력적으로 밀착되면서 지지력을 제공하는 흙막이 지하 합성벽.
  6. 제1항에 있어서, 상기 브라켓에는 상기 복수의 PHC 말뚝과 복수의 엄지말뚝을 지하외벽과 합성하기 위한 철근이 통과하면서 연결되는 복수의 철근연결공이 관통되게 형성된 흙막이 지하 합성벽.
  7. 제1항 및 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 흙막이 지하 합성벽의 시공 방법으로서,
    (S1) 지반에 복수의 홀을 일렬로 천공하는 단계;
    (S2) 상기 홀에 복수의 PHC 말뚝의 하단부를 삽입하여 매립한 후 그 일측 홀에 엄지말뚝의 하단부를 삽입하여 매립하는 방식으로 복수의 PHC 말뚝과 엄지말뚝을 일렬로 시공하여 흙막이 주열벽을 구축하는 단계;
    (S3) 복수의 엄지말뚝의 H형강의 일측 플랜지 각각에 복수의 전단연결재를 결합하는 단계; 및,
    (S4) 복수의 전단연결재 상에 띠장을 안착하여 고정하는 단계;
    를 포함하는 흙막이 지하 합성벽의 시공 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 (S4) 단계 이전 또는 이후에 상기 전단연결재의 브라켓에 형성되어 있는 철근연결공을 통해 철근을 배근하는 단계를 수행하는 흙막이 지하 합성벽의 시공 방법.
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