KR20010102022A - 짧은 골재 피어 기술 - Google Patents

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KR20010102022A KR1020017010092A KR20017010092A KR20010102022A KR 20010102022 A KR20010102022 A KR 20010102022A KR 1020017010092 A KR1020017010092 A KR 1020017010092A KR 20017010092 A KR20017010092 A KR 20017010092A KR 20010102022 A KR20010102022 A KR 20010102022A
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Abstract

내하 특성의 증가, 실행가능성의 확장 및 짧은 골재 피어의 건설의 증진을 위한 방법은 사전 재하(100) 단계와, 화학적 첨가물을 첨가하는 단계와, 매트릭스 토양에 메쉬 보강재(802,805)를 이용하는 단계를 포함하며, 골재의 분급(502,504,506,508,510,512)의 이용, 라이너(610)의 이용, 골재 드레인(714)의 이용, 비충격 힘의 이용과 피어 건설에서 근원을 둔 재료의 이용; 가변되는 직경의 리프트의 이용, 재활용된 재료의 연결의 이용, 임시 케이싱(930)의 이용과 피어 건설내에서 로드 센서(999)의 이용을 포함한다. 짧은 골재 피어 건설 기술은 횡방향 재하 안정화 및 융기 앵커를 이용한다. 장치는 한쌍의 하프 쉘(102A,102B)를 포함하며 쉘은 피어 공동 월(101)로 사전 재하력이 인가되도록 외측으로 힘을 받는다.

Description

짧은 골재 피어 기술{SHORT AGGREGATE PIER TECHNIQUES}
미국 특허 제 5,249,892에 개시된 것과 같은 짧은 골재 피어의 형태에 의하여 불충분한 내하력의 강화에 대하여 주지되었다. 일반적으로, 짧은 골재 피어는 토양에 형성된 공동(cavity) 내에서 일련의 골재의 얇은 리프트나 레이어를 개별적으로 콤팩트화하므로써 원위치에서 건설된다. 각각의 리프트가 콤팩트화될 때, 수직 콤팩션 힘(vertical compaction force)은 골재를 통해 주변 토양에 대하여 수직과 횡방향 외측으로 전달된다. 각각 다음 리프트가 형성되기 전에 콤팩트화되며 밀착되지 않은 골재 요소를 포함하는 리프트의 수직 "적층(stack)"의 결과인 피어는상대적으로 큰 재하 일부를 외측을 향하면서 횡방향의 주변으로, 토양에 압축응력을 전달하는 능력을 특징으로 한다. 짧은 골재 피어는, 적절한 재정을 값비싸게 하거나 가능성이 없는 건설이 되게 하는 경향이 있는 토양 환경에 증진된 내하력을 부분적으로 제공하기 때문에 토목공학 분야에서 혁신적인 것으로 인식되어왔다.
짧은 골재 피어는 비교적 근래에 개발되었기 때문에, 최근에는 실행가능성의 증진, 단가의 감소 및 사용영역의 확장과 건설의 개선을 위해 많은 노력들이 들여져왔다. 본 발명은 새로운 방법과 새로운 장치를 포함하는 몇가지 특이하며 새로운 기술을 제공하여 짧은 골재 피어의 실행가능성을 증진하며, 단가를 감소하고, 사용 영역의 확대 및/또는 건설의 개선에 대한 잇점을 제공한다.
특정한 토양 환경에서 짧은 골재 피어의 실행가능성은 매트릭스 토양의 내하특성에 의해 제한된다. 이러한 특성들은 토양 전단 강도(soil shear strength), 압축 특성, 콤팩트성(compactibility), 밀도와 물에 대한 침투성 또는 친화성을 포함한다. 예를 들어, 특별히 푸석푸석하거나 또는 부드러운 토양 환경에서, 바람직하지 못한 정도의 침하는 주지된 기술에 따라 구성된 짧은 골재 피어에 지지되는 하중이 인가될 때 일어날 수 있다는 것이 인식되어 왔다. 또한 주지된 짧은 골재 피어 건설에서, 매우 부드러운 하층토(subsoils)가 구조의 탬핑(tamping)이나 콤팩트화 단계동안 예컨데, 짧은 골재 피어의 저면 공모양 부분(bulb)으로 골재 석재의 상당량이 흡수된 결과 재료 구성의 단가가 과다하게 초래될 것으로 인식되어 왔다. 이러한 결점은 주지된 짧은 골재 피어 기술을 제한하는 경향이 있다. 그리하여, 매트릭스 토양 및/또는 짧은 골재 피어와 조합된 매트릭스 토양의 내하 특성에 유리하게 영향을 미치거나 개선하는 기술을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 또한, 폭넓은 범위의 토양 조성에 걸쳐 짧은 골재 피어의 실행가능성을 확장하는 짧은 골재 피어에 대한 건설 기술에 대해 제공하는 것이 바람직할 것이다.
지금까지 주지된 짧은 골재 피어 기술의 개발로 인해 인식된 다른 문제는 "플라스틱(plastic)" 또는 "히빙(heaving)" 토양 환경에 관련된다. 이러한 유형의 토양 매트릭스는 물 흡수로 인한 높은 체적 변화의 잠재성에 의해 특징된다. 이러한 토양 조성은 짧은 골재 피어와 주변 매트릭스 토양상에서 바람직스럽지 못한 잠재적인 융기력(uplift force)을 생성하는 경향이 있다. 기초, 매트, 비임 및 슬라브(slab)와 같은 지지된 구조적 부재가 위로 움직이게 되는 경향을 가지게 되어 구조적 피로 및/또는 외면상 손상을 일으키기 때문에 융기력은 바람직하지 못하다. 그리하여 플라스틱 또는 히빙의 토양 환경에서 융기력에 대한 잠재성을 감소하는 짧은 골재 기술을 제공하는 것이 바람직하다. 주지된 짧은 골재 피어 기술의 실행가능성의 또 다른 제한은 용해가능한 토양 환경(즉, 충분한 역학적 응력을 가했을 때 용해되는 경향이 있는 토양)이다. 통상적으로, 공학적 규약에서는 용해가능한 토양 환경에 형성된 구조의 특별한 골재 드레인 분급(aggregate drain gradiation)을 요구할 것이다. 현재의 골재 드레인 구조는 얇은 리프트내에서 구성되지 않았고, 그 결과 각각의 리프트(짧은 골재 피어 기술)의 콤팩트를 가지고 사용되는 주지된 짧은 골재 기술을 제공할 수 있을 정도로 침하 제어 또는 토양 용해 제어를 효과적으로 제공하지 못했다. 그리하여 골재 드레인 분급의 요구에 부합하는 능력을 제공하는 짧은 골재 피어 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
주지된 짧은 골재 피어 구조 기술에서 인식되는 다른 문제는 부드럽거나 불안정안 토양 환경에서, 피어 공동(pier cavity)은 왜곡되며, 함몰되거나 원위치에서 형성된 피어만큼 손상되어지는 경향이 있을 수 있다. 그리하여 피어 구성중 피어 공동에 손상을 주는 잠재성을 감소하는 짧은 골재 피어 구조 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
주지된 짧은 골재 피어 기술에서 인식되는 또다른 문제는 충격식 재하가 통상적으로 짧은 골재 피어의 구성중 각각의 리프트에 콤팩트를 인가하여 민감한 구조(즉, 낡은 빌딩) 또는 파이프, 배수거(culverts) 또는 도관과 같은 매립 대상물과 매우 근접한 영역에서 문제시 될 수 있다는 것이다. 그리하여, 민감한 구조물 근처를 손상하는 위험이 나타나지 않는 짧은 골재 피어 건설 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
짧은 골재 피어가 부분적으로는 경제성이 있기 때문에, 주지된 건설 기술과 비교하여 단가가 절감된 짧은 골재 피어의 건설 기술을 제공하는 것이 바람직하다. 또한 건설중 손상에 민감할 수 있는 매트릭스 토양의 순도를 유지하는 건설 기술을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 주지된 짧은 골재 피어 기술에서 인지되는 장점들로 인하여, 예를 들어 전반적인 안정화, 횡방향 재하 저항성, 지반 슬라이드 제어 및 상승 제어를 포함하는 지반 공학 영역에 짧은 골재 피어의 사용 영역을 확장하는 것이 바람직하다. 그리하여, 응력 분산과 건설되어온 짧은 골재 피어로부터의 다른 데이터를 얻기 위한 방법과 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 지반공학(earth engineering)에 관한 것으로, 특히 짧은 골재 피어(short aggregate pier) 구현에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 짧은 골재 피어의 실행가능성(feasibility)을 증진하고, 짧은 골재 주변의 토양 매트릭스(soil matrix)의 강도 및 내하 특성(loading bearing characteristic)을 개선하며, 짧은 골재 피어의 건설비용을 절감하고, 짧은 골재 피어의 건설을 개선하며, 침하 제어, 내하력의 개선, 횡방향 재하의 저항성, 지반슬라이드 제어(landslide conrol) 및 융기 앵커링(uplift anchoring)을 수반하는 공학적 적용에서 짧은 골재 피어를 사용하는 방법과 장치에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1b는 각각 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 사전 재하 장치의 정면, 평면, 횡방향 및 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예의 공정에 따른 사전 재하 짧은 골재 피어의 공정 단계를 나타낸다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에따른 외부 사전 재하의 공정을 나타낸다.
4a 내지 도 4d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어 구성의 골재에 화학적 첨가물을 공급하는 공정을 나타낸다.
5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 골재의 분급 제공의 방법을 나타낸다.
6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어 구성의 마찰을 감소하기 위한 장치와 방법을 나타낸다.
7는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라 용해 제어를 위한 짧은 골재 피어 방법을 나타낸다.
8a 및 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어와 매트릭스 토양의 강성에 인서트되는 메쉬를 사용하기 위한 장치와 방법을 나타낸다.
9a 및 도 9b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 가변되는 직경의 리프트를사용하는 장치와 짧은 골재 피어 건설의 가변되는 직경의 리프트를 제공하는 방법을 나타낸다.
10a 내지 도 10d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 임시 케이싱을 사용한 짧은 골재 피어 건설의 방법을 나타낸다.
11a 내지 도 11d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어의 재활용된 콘크리트 골재를 사용하는 방법을 나타낸다.
12a 내지 도 12d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어 실행에서 재활용된 콘크리트 골재를 사용하는 방법을 나타낸다.
13a 내지 도 13d는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어 실행의 리프트에서 모래, "로울러 콘크리트" 또는 다른 재료를 사용하는 방법을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어를 사용하는 횡방향 재하 저항성을 제공하기 위한 장치 및 방법을 나타낸다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어를 사용하는 지반 슬라이드 제어를 제공하기 위한 장치 및 방법을 나타낸다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어를 사용하는 융기 제어를 제공하기 위한 장치 및 방법을 나타낸다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어 내의 로드 셀, 압력 셀 또는 응력 검출 센서를 이용하기 위한 장치 및 방법을 나타낸다.
도 18a 및 18b는 짧은 골재 피어의 특성을 측정하기 위한 기술을 나타낸다.
도 19는 골재를 콤팩트하기 위해 사용될 수 있는 탬핑 메카니즘의 정면도이다.
도 20은 도 19의 탬핑 장치를 선 20-20을 따라 취한 단면도이다.
전술한 문제와 바람직한 장점들은 본 발명에 의하여 실현되며, 짧은 골재 피어의 실행가능성을 증진하며, 짧은 골재 피어 주변의 토양 매트릭스의 강도와 내하특성을 개선하며, 짧은 골재 피어의 건설비용을 절감하며, 짧은 골재 피어의 건설을 개선하고, 침하 제어, 지지 능력 개선, 횡방향 재하 저항성, 지반 슬라이드 제어와 융기 앵커를 수반한 짧은 골재 피어를 공학적으로 적용하는 몇몇 새롭고 유일한 방법과 장치를 제공한다.
A. 토양 특성을 개선하기 위한 짧은 골재 피어 건설 기술.
본 발명의 한가지 관점은 토양의 내하특성을 개선하여 짧은 골재 피어를 건설하기 위한 방법에 관한 것으로 이러한 방법으로써 짧은 골재 피어를 건설한다. 이러한 기술은 다음과 같은 것을 포함한다. 1) 토양과 짧은 골재 피어를 사전 재하하기 위한 방법과 장치, 2) 짧은 골재 피어 건설을 위한 화학적 첨가물을 제공하는 방법, 및 3) 짧은 골재 피어 건설에서 메쉬 보강재를 사용하기 위한 방법과 그 방법에 의해 건설된 짧은 골재 피어. 이러한 기술은 문제성의 토양 환경에서 짧은 골재 피어 실행을 더욱 가능하게 만든다.
1. 사전 재하(preloading) 또는 사전 변형(prestraining)을 이용한 건설 기술.
a) 짧은 골재 피어의 사전 변형 또는 사전 재하
짧은 골재 피어는 압축성이다. 하중이 인가될 때, 짧은 골재 피어는 점진적으로 팽창하는 경향이 있으며, 골재 치밀성에 따라 골재내에서 수직적으로 압축된다. 여기에는 또한 재하 저항에 대하여 수직적 전단 저항성을 통해 횡방향 마찰이융통되도록 하는 주변 매트릭스 토양의 변형에 따른 수직적 변형이 있다. "사전 변형(prestraining)"에 의해 짧은 골재 피어는, 발생된 많은 변형이 철회될 수 없고, 영구적으로 제거되지 않는다. 이는 짧은 골재 피어 자체내에서의 탄력없는 변형(골재의 치밀성)과 짧은 골재 피어 주변과 하부의 매트릭스 토양의 탄력없는 사전 변형때문이다. 새로운 결과는 피어를 "강성화(stiffening)"시키는 것이므로, 우선 '사전 왜곡(prestrained)'에 따라 일어나도록 하는 동일한 변형에 대하여 큰 하중이 인가될 수 있다. 바꾸어 말하면, 두번째에 짧고 동일한 하중의 인가는 이러한 사전 변형 또는 사전 재하 및 피어의 경화때문에 변형을 덜 초래한다.
실제 스케일의 짧은 골재 피어를 가진 실험이 증명되어 왔다. 많은 재하 테스트는 최대 요구 하중이 인가된후에, 이는 제거되며 제 2재하가 이전의 최대 재하와 동일한 크기로 인가되었던 곳의 피어상에서 실행되어 왔다. 몇가지 경우에서 제 2재하는 제 1재하 후에 연속하여 즉시 인가되었다. 다른 경우에서, 제 2재하 적용은 제 1재하후에 하루에서 며칠씩 인가되어 왔다. 변형은 모든 재하 증가, 두가지 원래 주기 및 제 2 또는 사전 변형 주기에 대하여 측정되었다. 통상적으로, 전체 변형의 약 50%는 제 2재하가 인가될 때 제거되었다. 제 1 최대 재하 인가로부터 발생된 짧고 동일한 변형을 일으키는 부차적인 재하는 제 1 최대 재하의 크기만큼 큰 150%정도였다.
이와 유사하게, 사전 변형은 수압 잭(hydraulic jack) 또는 다른 장치 및 피어 중장비, 중 차량, 또는 재화중량과 같은 육중한 반응에 대해 잭킹의 사용에 의해 인가될 수 있다. 이는 또한 짧은 골재 피어 공동에 삽입되는 특정한 장치에 의해 인가될 수 있다. 이러한 장치는 공동 주변의 매트릭스 토양과 긴밀하게 접촉하는 필요 반응력과, 토양에 접촉된 한 세트의 전단판(shear plates)을 제공하는 동안 공동 월(cavity wall)로 인가되는 횡방향 힘(lateral force)을 얻는다. 이는 제어된 폭팔과 같은 역학적 힘 또는 낙하 무게에 의해 인가될 수도 있다.
b) 파일, 드릴된 피어(케이슨;caissons), "석재 컬럼(Stone Columns )" 및 다른 기초 요소의 사전 응력(prestressing)과 사전 변형.
재하의 동등한 제 2의 또는 다중적 재-적용은 매트릭스 토양의 사전 변형과 기초 요소-매트릭스 토양 시스템의 사전 재하을 일으키는 것과 유사할 것이다. 스틸과 콘크리트와 같은 상대적으로 비압축성의 재질에 대하여, 요소 자체에서 상당히 탄력없는 영구적인 변형은 일어나지 않을 것이다. 그러나, 주변의 매트릭스 토양과 하부의 매트릭스 토양 내측에서 사전 재하과 같은 것은 탄력없는 변형과 사전 변형을 일으킬 것이고, 이는 동일한 하중하에서의 다른 변형을 감소하거나 혹은 원래 발생된 정도의 짧은 변형 크기를 가져오도록 인가되는 허용 증가 재하중 한가지를 일으킨다.
파일, 드릴된 피어 및 다른 비압축성 기초 요소에 대하여 상기에서 논의된 이렇나 사전 응력과 사전 변형 관계는 "텔-테일스(tell-tales)"가 장착된 많은 특정 종류의 골재 피어 재하 테스트에서 증명되었다. 상기 "텔-테일스"(#14 이하 참조)는 스틸 플레이트와 로드 장치(rod devices)이며, 피어 바닥 이하에서 발생하는 편향의 크기를 결정하도록 테스트되는 피어의 바닥에 위치한다. 피어 바닥에서의 편향 크기와 피어 상부에서의 편향 크기간의 차이는 재하된 피어내측의 압축과 동일하다. 재활용 테스트동안 이는 피어 차제의 압축(짧은 골재 피어 상부에서 측정된 편향의 크기에서 측정된 크기를 뺀)에 의해 일어나는 피어 압축 변형의 크기를 초과하는 전체 편향(짧은 골재 피어 상부에서 측정된 편향)의 크기로 나타날 수 있다. 재활용 테스트에서 측정된 전체 편향과 피어 압축 변형간의 차이는 짧은 골재 피어가 본래 콘크리트와 스틸(토양과 비교하여)과 같은 비압축성이었을 경우에 발생되어져야 하는 감소된 편향을 나타낸다. 이는 사전 변형되며 사전 재하된 다른 기초 시스템이 제 2재하가 인가되었을 때의 짧은 동일한 재하하에서 수직 편향 발생을 덜 발생할 것에 대한 것과, 혹은 제 2재하 인가에 대한 편향의 동일한 양을 생성하도록 더욱 재하를 가용할 수 있다는 것을 나타낸다. 사전 변형된 적용은 중량 반응에 대한 잭킹에 의하거나 상기 (a)에서 전술한 두가지의 특정한 장치에 의해 인가될 것이다.
2. 화학적 첨가물을 이용한 건설 기술.
화학적 첨가물이 짧은 골재 피어내의 골재에 첨가될 수 있는데, 골재와 혼합되므로, 또는 골재 리프트 사이의 리프트내에 위치되므로, 또는 골재의 주변의 공동내에 위치되므로써 첨가될 수 있다. 화학적 첨가물은 골재와 주변 매트릭스 토양 두가지와 반응하여 조합될 것이다. 토양과의 화학적 반응은 일반적으로 대부분의 화학적 첨가물이 세멘트(cement), 수화 석회(hydrated lime), 생석회(quick lime), 플라이 애쉬(flyash)를 포함하는 방법에 사용되어지는 것을 이해한다. 예를 들어, 생석회는 주변 매트릭스 토양의 전단강도와 압축률 특성을 증진하도록 골재 피어에 첨가될 것이다. 최종 결과는 토양 강도와 화학적으로 촉진된 짧은 골재 피어 시스템의 보강효과의 개선이다.
3. 메쉬(Mesh) 또는 지오패브릭(Geofabric)을 사용한 짧은 골재 피어 건설 기술.
지오그리드(Geogrids) 및 합성 또는 메탈 메쉬(metal mesh) 또는 지오패브릭은 짧은 골재 피어 강성이 증가하도록 골재 리프트 사이에 수평으로 놓여질 것이며, 또는 매우 부드럽고, 압축성의 매트릭스 토양 재료의 피어의 부풀림을 감소하도록 짧은 골재 피어의 주위 내측에 수직으로 놓일 것이다.
짧은 골재 피어 내측의 지오그리드 또는 합성 또는 메탈 메쉬 또는 지오패브릭 원료의 사용은 효과적이며 유효한 텐션 저항을 일으킬 것이며 횡방향 전단 저항과 피어 강성의 유효한 증가를 가져온다. 지오그리드는 실험적인 짧은 골재 피어 계수 재하 테스트에 사용되어 왔다. 그 결과는 부풀림의 억제와 피어가 짧은 골재 피어의 주변을 따라 수직으로 위치한 지오그리드로 덮여질 때 피어의 횡방향 변위를 나타낸다.
B. 짧은 골재 피어의 실행가능성 확장을 위한 짧은 골재 피어 건설 기술.
본 발명의 다른 관점은 짧은 골재 피어 건설의 실행가능성을 확장하도록 짧은 골재 피어의 건설을 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 기술은 다음과 같은 것을 포함한다. 1) 골재의 선택적 분급을 이용한 짧은 골재 피어 건설 기술, 2) 마찰감소를 위한 짧은 골재 피어 건설 기술, 3) 토양의 용해 조절을 위한 짧은 골재 피어 건설 기술, 4) 비충격(non-impact) 짧은 골재 피어 건설 기술, 및 5) 모래, 토양, 낮은 슬럼프(slump) 또는 노슬럼프(no slump), "로울러 콘크리트(rollerconcrete)", 또는 짧은 골재 피어 건설의 다른 자생 원료의 사용이다. 이러한 기술은 종래 기술보다 토양 환경의 범주를 넓게 하도록 짧은 골재 피어의 실행가능성을 확장하는 짧은 골재 피어 실행을 이용한다.
1. 골재의 선택적 분급을 이용한 짧은 골재 피어 건설 기술.
본 발명은 본 발명의 발명자에 의하여 발견된 토양 보강 요소가 요구하는 골재의 상이한 두가지 분급의 사용 즉 지하수위(water table) 이하의 사용과 짧은 골재 피어의 일부인 바닥 공모양 부분의 건설에 따라 짧은 골재 피어가 건설하는 최대화된 유효성에 의존한다. 제거되어 왔거나 작은 백분율로 제한되어 왔던 미세 모래, 실트(silt) 및 진흙(clay) 파편에서 1인치로부터 1.5인치까지의 최대 크기 분급의 석재와 같은 "세척(washed)"되거나 "세정(cleaned)"된 석재는 통상적으로 "바닥 공모양 부분(bottom bulb)"을 형성하는 바닥 리프트(bottom lift) 건설에 사용된다. 바닥 공모양 부분을 생성하기 위하여 종래 기술에서 사용되어온 1인치로부터 1.5인치까지의 세척된 석재와 같이 하부 토양이 매우 부드러운 경우에는 공모양 부분이 매우 깊어지는 결과를 가져오는데 이는 매우 부드러운 토양의 지지 능력에 관한 탬퍼(tamper)의 과도한 에너지 때문이다. 이러한 상태에서는, 3인치나 4인치 이하의 석재와 같은 큰 석재가 1인치에서 1.5인치 직경의 석재를 대체한다. 그 결과는 큰 석재에 의해 짧아지는 공모양 부분과 탬핑 에너지의 완충이다. 사용될 수 있는 다른 기술은 둘 이상의 분급을 가진 석재를 원하는 분급의 석재로 생성하도록 서로 혼합하는 것이다. 실례로는 #57 석재(1인치에서 1.5인치 최대 크기, 세척된 석재)를 #68 석재와 혼합하는 것이다. 또다른 기술로는 상이한 분급의 석재위에 서로 레이어하는 것이다. 처음에는 3인치 또는 4(또는 6)인치 직경의 석재를 기초로 한다. 이러한 석재가 하나 또는 그 이상의 리프트 후에, 1인치 내지 1.5인치 직경의 세척된 석재가 부가될 수 있다. 이러한 석재가 하나 또는 그 이상의 리프트후에 하이웨이 웰 그레이드 베이스 코스 석재(highway well-graded base course stone)가 부가될 수 있다.
2. 횡방향 마찰을 감소하기 위한 짧은 골재 피어 건설 기술.
보통은, 짧은 골재 피어는 수직의 압축성 힘 또는 수직의 융기 전단력에 저항하는 것을 보조하도록 가능한 주변 매트릭스 토양만큼 많은 횡방향 마찰을 생성하려는 것이다. 그러나, 토양이 높은 체적 변화 잠재성("플라스틱"이나 "히빙"토양로 알려진)을 가질 때, 토양의 활발한 상부 영역은, 체적이 변하는 영역인데 이는 수분 변화 때문이며, 골재 피어를 끌어 올리거나 리프트하는 경향이 있다. 피어의 이러한 부분(기초가 아닌, 피어의 낮은 부분)은, 짧은 골재 피어와 매트릭스 토양간의 횡방향 마찰을 감소하는 잇점이 있다. 이는, 본 발명에 따라, 스페이스-에이지 폴리머(space-age polymer)의 이용, 또는 벤토나이드(BENTONITE) 또는 다른 윤활 원료로 달성할 수 있다. 본 발명은 또한 활성화된 영역내의 횡방향 마찰을 감소하도록 카드보드(cardboard)로 만들어진 라이너(liners), 또는 플라스틱, 또는 금속의 사용을 고려하고 있다.
3. 용해 조절을 위한 짧은 골재 피어 건설 기술.
짧은 골재 피어는 골재 드레인 분급 요구에 부합되도록 건설될 수 있다. 이들은 용해가능한 토양내의 짧은 골재 피어의 일부가 되도록 건설될 수 있으므로,토양의 주변인 다른 부분이 용해될 수 없어, 이러한 분급 요구에 부합하지 않는 반면에 골재 드레인 분급 요구에 부합한다. 이러한 골재 드레인의 유형을 유일하게 하는 것은 짧은 골재 피어 "골재 드레인(aggregate drain)"이고, 그리하여 공동내에 건설되는, 얇은 리프트내에 위치되어 과립성 재질로 건설되는, 리프트를 치밀하도록 하거나 주변과 기초 토양을 사전 변형 및 사전 응력하도록 탬핑하므로써 건설되는 짧은 골재 피어의 모든 요구사항에 부합한다. 용해 조절을 생성하도록 하는 특정한 분급의 사용은 용해 조절의 주지된 방법이다. 그러나, 현재까지, 아무도 골재 드레인 분급 요구사항에 부합하면서 각각의 리프트상의 콤팩트화된 골재의 얇은 리프트를 가진 짧은 골재 피어를 건설하지 않았다. 이러한 골재 드레인 짧은 골재 피어는 더 큰 강도를 가질 것이며, 매트릭스 토양의 강도를 더 크게 할 것이며, 그리고 전혀 콤팩트화되지 않거나 혹은 단지 얇은 리프트(일반적으로 6피트로부터 10피트 두께 또는 그 이상)만이 콤팩트화되는 보통의 골재 드레인보다 덜 압축성일 것이다. 이는 더욱 효과적인 골재 드레인을 가져오는 증가된 골재 드레인 치밀성을 나타내었다. 이는 골재 드레인 분급에 병합된 짧은 골재 피어로서 제공될 것이다.
4. 비충격(Non-impact) 짧은 골재 피어 건설 기술.
짧은 골재 피어를 만드는 주지된 기술은 충격 래밍(impact ramming) 작용에 의해 발생하는 동적 충격력을 사용한다. 매설 도관, 매설 배수거 또는 파이프, 낡은 빌딩 등과 같은 민감한 구조물 또는 대상물이 지하에 있거나, 일부가 지하에 있으면서 짧은 골재 피어의 주변에 있을때에는, 정적 피어(static pier)가 건설될 것이며, 또는 진동 탬퍼를 가진 정적 피어가 건설될 수 있다. 그리하여, 짧은 골재피어는 일반적으로 조절된 침하 또는 조절된 융기 또는 횡방향 힘의 견지에서 충격 건설된 짧은 골재 피어와 동일한 직경과 샤프트 강도(shaft strength)만큼은 효과적이지 못하게 건설된다. 그러나, 이렇게 변형된 기술은 짧은 골재 피어 건설 위치의 주변에 있는 민감한 대상물을 보호할 것이다. 시스템의 전체적인 능력은, 평면적의 단위 면적 피트를 적게 할 지라도 충격식 짧은 골재 푸트 시스템에 필적하게 만들 수 있다. 이는 이하의 것들에 의해 달성될 수 있다. 1) 동일 구조물을 지지하는 피어 갯수의 증가, 2) 각각의 피어의 평균 직경의 증가, 3) 피어 리프트의 두께 감소, 4) 지오그리드 또는 메쉬의 사용, 또는 5) 이러한 방법들의 조합.
정적 재하 인가 탬퍼 또는 탬퍼 샤프트에서 진동원의 진폭 제한을 적용하는 것은 일반적으로 정적 재하만을 가질 때보다 짧은 골재 피어를 더욱 경화시킬 것이지만, 동적 충격력과 래밍 작용을 가지는 것 만큼은 경화시키지 못할 것이다. 주변의 민감한 구조물이 손상되지 않고 제대로 되도록 하는 동적 충격 재하로부터 생성된 응력과 비교하여 주변의 민감한 구조물을 손상할 수 있는 응력이 되도록 하는 방식으로 리프트는 수행될 수 있다.
5. 짧은 골재 피어 건설에서 모래, 토양, "로울러 콘크리트" 및 다른 원산 재질의 사용.
석재에 골재, 모래, 토양, 화학적으로 처리된 토양 또는 "로울러 콘크리트"의 첨가는 짧은 골재 피어를 위한 건설 재료로 사용되어질 것이다. 모래 또는 다른 토양은 상업적인 소스로부터 수입되어질 것이며, 또는 건설 장소 또는 인접한 영역에서 원산채취될 것이다. "로울러 콘크리트"는 일정 장소에서 제조될 것이며 또는믹싱 플랜트로부터 가져올 것이다. 짧은 골재 피어를 만들고, 공동을 형성하며, 공동의 바닥에 있는 토양을 치밀화하여 사전 변형/사전 응력하며, 재료를 얇은 리프트내에 위치시키고 치밀화시키므로써 짧은 골재 피어 샤프트를 쌓아올리는 기본적 단계는 여전히 존재한다. 차이점은 재료가 석재 골재될 필요가 없다는 것이다. 실험실 및 작은 스케일 분야의 실험은 모래, 화학적-처리된 토양(실트와 진흙), 및 토양내에 혼합되거나 레이어내에 위치된 합성 함유물을 가진 토양이 짧은 골재 피어 건설 재료로서 효과적으로 사용될 수 있다는 것을 보여준다. 대부분의 실험에 자주 사용되어지며 짧은 골재 피어의 생산을 위해 가장 실용적이 되게 고려되는 화학품은 시멘트, 수화석회, 생석회 및 플라이 애쉬가다. 적은 수분을 함유하며, 낮은 슬럼프이거나 슬럼프 콘크리트가 없는 "로울러 콘크리트"는 토양과 유사한 방식으로 반응하며, 얇은 리프트에 위치되거나 콤팩트화될 것이다.
C. 짧은 골재 피어의 단가를 절감하기 위한 짧은 골재 피어 기술.
본 발명의 또 다른 관점은 짧은 골재 피어의 단가를 절감하거나 그 건설을 개선하기 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 기술은 다음과 같은 것을 포함한다. 1) 가변되는 직경의 리프트를 이용한 짧은 골재 피어 건설 기술, 2) 재활용을 이용하며, 콘크리트 골재를 상호 연결하는 짧은 골재 피어 건설 기술, 3) 피어 공동을 보호하기 위한 케이싱을 사용하는 짧은 골재 건설 기술, 및 4) 재하 센서, 로드셀, 또는 짧은 골재 피어 구조물 주변이나 그 이하내의 압력 셀을 사용하는 짧은 골재 건설 기술. 이러한 기술은 단가를 감소하거나 또는 그렇지 않으면 짧은 골재 피어의 건설을 개선한다.
1 . 가변할 수 있는 직경의 리프트를 이용한 짧은 골재 피어 건설 기술.
주지된 짧은 골재 피어는 단일한 직경을 갖거나 직사각 단면과 유사하게 만들어져 왔다. 두개 혹은 그 이상의 직경, 또는 두개 혹은 그 이상의 직사각 단면적, 피어의 하부 내측에 있는 것보다 작은 직경 혹은 단면적, 그리고 피어 상부보다 더 큰 직경 또는 단면적을 가진 피어의 설계와 건설에 의하여, 석재의 용도와 탬핑 에너지를 더욱 효과적으로 할 수 있을 것이다. 구조적 재하으로 인한 응력은 짧은 골재 피어 요소 내측의 깊이를 분산하거나 적게 하는 것이 주지되었다. 하부에서 작은 직경(또는 작아진 직사각 단면적)을 가지는 짧은 골재 피어의 생성에 의하여, 응력의 양이 작아지며 시간이 절약되고, (1)짧은 골재 재료,(2)드릴링 및 (3)요구되는 콤팩트화 효과와 관련된 단가들을 절감하는 장점을 가질 수 있다.
2. 재활용되거나 또는 상호 결합된 콘크리트 골재를 사용하는 짧은 골재 피어 건설 기술.
상업상 실용적으로 대체되는, 짧은 골재 피어 건설에서 분급된 골재는 재활용되며, 재분쇄되어 분급된 콘크리트를 사용한다. 이것의 장점은 다음과 같은 것을 포함한다. 1) 재활용된 콘크리트의 단가는 통상적으로 상업적으로 분급되어 처리되는 골재보다 재료의 톤당 단가에서 상당히 적은 비용이다, 2) 재활용된 콘크리트의 엣지는 종종 날카로우며, 상업적으로 분급된 골재의 엣지에 상응하는 것보다 더 날카롭다. 이는 특히 상업적 골재 소스가 다소 라운드된 표면을 가진 빙퇴성(glacial) 또는 충적성(alluvial) 석재일 때 정확하다. 날카로워진 엣지는 커지는 마찰 전단력을 가져오며 입자간의 연결을 더욱 효과적이게 한다. 또한, 이는 짧은 골재 피어를 강하게 한다, 3) 본 발명에 의해 인식되는 다른 장점은 통상적으로 포틀랜드 시멘트와 석회를 포함하는 원래의 콘크리트내에 함유된 화학물질이 콘크리트가 사용되는 수많은 해가 지난 후에도 여전히 부분적으로 활성화된다는 것이다. 이러한 화학물질은 접합재를 형성하거나 골재 자체에서 굳히는 작용에 의하여, 그리고 화학적으로 주변 토양과 조합되므로써 골재를 개선한다.
3. 피어 공동을 보호하는 케이싱을 사용하는 짧은 골재 피어 건설 기술.
임시 케이싱은 짧은 골재 피어의 건설중에 짧은 골재 피어 공동들의 개방을 유지하는데 사용될 것이다. 케이싱을 사용하는데 있어서의 유일한 요구사항은 케이싱이 위치되는 골재의 리프트 두께와 실질적으로 동일한 짧은 수직적 증량으로 리프트되어야 한다는 것이다. 이는 각각의 리프트가 콤팩트화되는 동안 횡방향 토양의 사전 응력, 사전 변형 및 치밀성이 되게 할 수 있다. 이러한 횡방향 사전 응력과 사전 변형은 각각의 리프트가 콤팩트화되는 동안 라이너가 리프트되지 않는 경우에는 불가능할 것이다. 또한, 라이너의 리프팅은 라이너가 임시 케이싱 내에서 골재가 콤팩트화되는 경우에 일어나는 치밀화된 골재 "플러그(plugs)"를 함유하지 못하게 한다. 이러한 "플러그"는 제거될 수 없거나 제거되기 매우 어려운데, 이는 라이너상의 높은 횡방향 힘과 골재와 라이너간의 높은 마찰계수 때문이다. 케이싱은 크레인, 포크리프트(forklift), 굴착기(excavator) 또는 다른 일부의 건설 장비와 같은 특정한 리프팅 장치에 의해 리프트될 것이다.
4. 피어내의 로드 센서 또는 압력 셀을 사용하는 짧은 골재 피어 건설 기술.
본 발명에 따라, 로드 셀 또는 로드 센서는 짧은 골재 피어의 상이한 깊이내의 응력 레벨을 결정하도록 짧은 골재 파일내에 위치될 것이다. 이러한 데이터는 짧은 골재 피어 내의 응력 분배를 평가하는데 사용될 수 있고, 짧은 골재 피어가 어떻게 작업되는지를 잘 이해하는데 이용된 후 피어 공동들의 적절한 설계에 이용될 수 있다. 또한, 압력 셀은 짧은 골재 피어의 일부내에 설치될 것이다. 이러한 압력 셀은 활성화될 것이며, 동시에 압력은 셀의 확장을 초래하며 짧은 골재 피어의 일부상에서 상측과 하측으로 누르게 된다. 이는 짧은 골재 피어의 이동이나 변형의 원인일 것이다. 이러한 이동의 측정은 피어의 강성과 관계된 정보 및 피어의 설계에 사용될 수 있는 피어의 공동에 관계된 정보를 제공한다. 수직 부재에 고정된 바닥 부재를 포함하는, 텔-테일스는 재하 테스트동안 또는 실제 구조적 재하동안에 텔 테일스 이하에서 발생하는 변위 또는 변형을 측정하도록 짧은 골재 피어내에서 설치될 수 있다. 이는 더 낳은 평가에 사용될 수 있으며 짧은 골재 피어의 재하-변형 특성을 이해하는데 사용될 수 있다.
5. 짧은 골재 피어의 테스팅 특성에 대한 기술.
본 발명에 따라, 짧은 골재 피어의 강성, 또한 "지오피어(GEOPIER)"로서 주지된 것과 같은 테스팅 특성에 대한 기술이 제공된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 재하 전달 요소(통상은 탬퍼 어셈블리)가 인가되는 재하의 크기를 결정하도록 피어상에 캘리브레이트된 압력 또는 재하 측정 장치를 직렬식으로 구비하여 제공된다. 변형 측정 장치는 재하 전달 요소 또는 짧은 골재 피어의 상부와 일체인 다른 기준 위치상에 제공된다. 재하가 재하 전달 요소를 통해 피어의 상부로 인가될 때, 재하는 재하 측정 장치로 측정되며 피어의 하측 방향 편향은 편향 측정 장치로 측정된다. 피어 강성은 측정된 재하과 편향으로부터 연산될 것이다.
본 발명의 이러한 특징의 유일한 관점은, 원위치에서, 강성 계수와 같은 특성과 짧은 골재 피어의 검증에 대하여 제공한다. 본 발명은 건설직후의 짧은 골재 피어의 계수를 검증하도록 재하 또는 압력 측정 데이터를 가진 편향 측정 데이터를 조합하는 능력을 제공한다. 불충분하거나 용인되지 않는 강성의 경우에는, 일부 가능한 피어의 재 드릴링과 재 건축을 포함하는 치밀화 에너지의 재 적용에 의해 증가될 수 있다. 선택적으로, 불충분한 피어 강성은 설계를 고려하여야 하며, 피어는 원래 설계된 것보다 적은 능력을 가진 것으로서 남겨질 것이다.
D. 횡방향 재하 저항성과 융기 앵커로서 짧은 골재 피어의 사용.
본 발명의 또 다른 관점에 따라, 짧은 골재 피어는 전반적인 토양의 안정화, 횡방향 재하 저항성 및 지반 제어의 응용과 융기 앵커로서 사용되어진다.
1. 전반적인 안정화, 횡방향 재하 저항성 및 지반 제어.
짧은 골재 피어내에서 전체 스케일 영역 전단 테스트는 짧은 골재 피어내에서 유효한 전단 강도는 마찰각이 하이웨이 베이스 코스 석재(highway base course stone)에서는 50도 이상이며, 1인치에서 1.5인치 직경의 세척된 석재에 대하여는 48도로 현저히 높다는 것을 보여준다. 이는 매우 높은 전단 강도가 횡방향 힘에 저항하며 전단력에 대해 저항하는 짧은 골재 피어의 능력을 제공한다. 그 결과, 짧은 골재 피어는 전반적 또는 본질적인 전단 파괴에 저항하는 전반적인 안정화를 제공하는데 매우 효과적이다. 짧은 골재 피어는 짧은 골재 피어가 횡방향으로 재하되어지므로써 기반이 지지될 때와 같은 지반 슬라이드와 횡방항 재하 억제에 대한 저항성을 제공하는데에도 효과적이다. 이러한 후자의 경우에서의 마찰 계수는 골재 피어 자체의 마찰각의 탄젠트와 본질적으로 동일하다. 짧은 골재 피어에 의해 제공되는 횡방향 재하 저항성과 전반적인 안정화에 공헌하는 다른 요소는 피어내에서 발생되는 응력 집중이다.
2. 융기 앵커(Uplift Anchors)
피어 바닥으로부터 융기력을 받는 구조체까지 재하를 전달하는 장치 또는 "하네스(harness)"가 구비되었을 때, 짧은 골재 피어는 매우 효과적인 융기 앵커로서 작용한다. 장비 또는 하네스는 기본적으로 바닥 플레이트 또는 일련의 바닥으로 구성되며, 수직 바아 또는 튜브에 고정되므로 힘을 융기 저항이 필요한 기초(footing), 슬라브(slab), 또는 비임(beam)으로 전달한다. 짧은 골재 피어와 매트릭스 토양간에 높은 마찰계수를 가지는 짧은 골재 피어는 예외적으로 푸트의 깊이당 효과적인 융기 앵커를 제공한다. 짧은 골재 피어의 효과적인 융기력 저항성에 공헌하는 다른 요소는 짧은 골재 피어 설치동안 발생되는 횡방향 토양 응력의 적층이다. 이러한 앵커는 용도에 따라 영구적 또는 일시적일 것이다. 응력 전달 메카니즘이 설치된 짧은 골재 피어 시스템에 의해 제공되는 높은 융기 능력을 확인하는 많은 실험적인 융기 재하 테스트가 수행되어 왔다.
본 발명의 다른 장점과 신규한 특성 및 확장된 적용성의 범주는 이후의 상세한 설명과 첨부된 도면의 참조에서 나타나고, 일부는 본 기술분야의 당업자간에 후술의 검증에서 명백해질 것이고, 또는 본 발명의 실제에 의해 지도될 것이다. 본발명의 장점은 특별히 지적된 청구범위의 조합과 방편으로서 실현되며 얻어지 것이다.
상세한 설명의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 도시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 것을 돕는다. 도면은 단지 본 발명의 바람직한 실시예를 도시할 뿐이며 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다. 도면에서, 동일한 부품에 대하여는 전체를 통해 동일한 번호를 부여한다.
도 1a 내지 1d는 짧은 골재 피어 공동 내의 매트릭스 토양을 사전 재하 및 사전 응력하기 위한 장치를 나타낸다. 도 1a는 평면도이다. 사전 재하 장치(100)는 일반적으로 한 쌍의 하프 쉘(102a 및 102b)로 이루어지는데, 이들 하프 쉘은 서로에 대해 이동 가능하게 결합되어 짧은 골재 피어 공동(101)의 벽에 대해 안쪽 및 바깥쪽 이동을 제공한다. 하프 쉘(102a, 102b)은 동일하며, 따라서 본 명세서에서는 하나만이 설명되나, 마주하는 하프 쉘도 동등한 부품을 가진다. 하프 쉘(102a)은 보통 외측 실린더 벽(103a)으로 이루어지며, 이에는 일련의 거의 수평인 돌출 리브 요소(rib elements, 120)가 설치된다. 리브 요소(120)의 목적은 공동 벽(101)에 부여되는 전단 저항을 개선하는 것이다. 실린더 벽(103a)은 일련의 수평 및 수직 플랜지의 매트릭스에 의해 보강된다. 상부 플랜지(104a)에는 대체로 원형인 주변부(periphery)가 제공되며, 이 주변부는 실린더 벽(103a)의 내측에 맞는 형상으로 되어 있다. 상부 플랜지(104a)는 용접 패스너 또는 나사식 패스너와 같은 종래의 수단을 사용하여 외측 실린더 벽(103)에 결합된다. 도 1b에서, 하부 플랜지(106a)는 상부 플랜지(104a)와 비슷한 방식으로 외측 실린더 벽(103a)의 하부에 고정된다. 상부 플랜지(104a) 및 하부 플랜지(106)는 각각 외측 실린더 벽을 강화시키며, 이하 설명되는 바와 같이, 하프 쉘(102a 및 102b)의 짧은 골재 피어 공동로 삽입될 때의 이동을 안내하고 안정시키기 위한 텔레스코핑 부재가 부착될 수 있는 면을 제공한다.
상부 가이드 부재(108a)는 상부 플랜지(104a)의 하부면에, 용접 브래킷이나 나사식 패스너 등의 적절한 수단에 의해 고정된다. 유사하게, 하부 가이드 튜브(110a)는 하부 플랜지(106a)의 상부면에 고정된다. 각 가이드 튜브는 그 안에 놓이거나 그 안에서의 움직임을 텔레스코핑하는 가이드 로드와 협동한다. 도 1b에서 볼 수 있는 바와 같이, 각 가이드 로드(112)는 대향 가이드 튜브(108a, 108b) 내로 삽입되는 단부를 가진다. 예시된 실시예에서, 4개의 가이드 로드 및 4쌍의 가이드 튜브가 배열되어 외측 실린더 벽(103a)의 이동을 안내하고 안정화시킨다. 도 1b에서 볼 수 있는 바와 같이, 가이드 로드(112)의 단부는 스프링이나 탄성 재료(elastic material)와 같은 탄성 수단(resilient means)이 접하고 있는데, 탄성 수단은 실린더 벽 하프 쉘(102a, 102b)이 서로에 대해 안쪽 및 바깥쪽으로 이동함에 따라 가이드 튜브에 대한 가이드 로드의 움직임을 안정화하는 기능을 가진다.
하프 쉘(102a, 102b) 사이에는 수평 지지판(bearing plate; 118)이 배열되며, 이는 하프 쉘(102a, 102b)의 각각 위에서 채널 부재(116a, 116b)와 협동한다.채널 부재는 각각 직사각형 박스로서 형성될 수 있으며, 이 박스는 지지판(118)이 미끄럼 가능하게 안에 수용될 수 있는 내부 규격의 하프 쉘(102a, 102b)에 결합된다. 탄성 부재는 지지판 채널 부재(116a, 116b) 내에 배열되며, 지지판(118)의 단부와 인접하여 그 안에서의 움직임을 안정화시키기에 적당하다. 탄성 부재(122)의 기능은, 하프 쉘(102a, 102b)이 서로로부터 바깥쪽으로 힘을 받을 때 채널(116) 내에서 지지판의 "스티킹(sticking)"을 방지하는 것이다. 당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 지지판(118)은 지지면(124)을 제공하는데, 이 면 위에는 유압 램, 잭 피스톤 또는 다른 연장부재와 같은 액츄에이터(126)가 제공되어 외측 방향 힘을 제공할 수 있고, 이 힘에 의해 하프 쉘(102a, 102b)은 서로에 대해 또는 함께 이동하고 따라서 짧은 골재 피어 공동(101)의 벽 이에 사전 응력의 힘을 제공한다.
작동시, 상술한 장치는 우선 하프 쉘(102a 및 102b) 사이의 거리가 최소로 되고 액츄에이터(126)의 길이가 최소로 되도록 맞추어진다. 이후 사전 재하 장치(100)는, 크레인이나 붐과 같은 종래 수단을 사용하여 짧은 골재 피어 공동(101)로 하강된다. 도 2a에서, 일단 사전 재하 장치(100)가 제 위치에 삽입되면 수직 응력 및 측방향 응력 모두가 GEOPIER에 작용된다. 측방향 응력은 사전 재하기 장치(100)에 의해, 액츄에이터(126)를 활성화시켜 하프 쉘(102a 및 102b) 사이에서 외측 방향의 상대 운동을 발생시킴으로써 작용된다. 동시에, 수직 로드는 강판에 작용하는데, 강판은 완결된 짧은 골재 피어의 상부에 임시로 놓인다. 적절한 로드가 수직 및 측방향 모두에 작용된 뒤, 사전 재하기 장치는 잭 피스톤(126)을 역으로 작동시킴으로써 후퇴된다. 사전 재하기 장치 및 임시 강판은 이후 제거되며, 도 2b에서, 사전 응력을 받는 공동은 기초(footing)와 같은 구조부재를 지지할 준비가 되어 있다. 도 2c에서 구조 기초(130)는 피어의 상부면에 작용한다. 이후 구조는 풋터(footer) 위에 형성되어 피어를 통한 기초(footing)에 의해 구조 로드를 인가한다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외부 사전 재하 방법을 나타낸다. 도 3a에서, 완결된 피어의 피어 최상부 리프트(부호 302로 나타남)에의 사전 재하는 강판(304)을 사용함으로써 이루어지는데, 강판은 평면 부재(306)의 위에 위치하여 피어 형성 이후의 설치된 피어에의 사전 재하를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 공정은 아래와 같이 진행된다: 우선 각 리프트를 이루는 골재 재료가 짧은 골재 피어 공동(101) 내에 놓여 조밀하게 된다. 이후 부재(306) 및 강판(304)이 골재의 상부에 놓인다. 다음으로 유압 램과 같은 종래의 재하 장치에 의해 하방력이 피어에 작용되거나, 큰 기계를 GEOPIER의 상부에 놓음으로써 강판(304) 위에 하방력이 집중된다. 피어에 대해 사전 재하가 이루어진 뒤, 부재(306) 내의 강판이 제거된다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 풋터(308)의 배치는 이후 피어 위에서 이루어진다. 이러한 방식으로, 구조 로드는 기초(footing)를 통해 피어 위에 가해진다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어 구조 내의 골재에 화학 첨가물을 제공하는 방법을 나타낸다. 도 4a에 나타난 바와 같이, 화학 첨가물은 골재에 첨가되어 GEOPIER의 리프트 각각을 형성한다. 적절한 화학 첨가제에는 시멘트, 수화 석회(hydrated lime), 생석회(quicklime), 플라이 애쉬 등이 포함된다. 도 4b에서, 결과로서 생기는 피어에는 리프트가 포함되며, 이는 각각 적절한 토양 강화 및 안정화 특성에 도달하기 위한 화학 첨가제와 골재의 적절한 혼합물을 포함한다. 도 4c 및 4d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 피어 공동에 화학 첨가물을 제공하는 다른 공정을 나타낸다. 도 4c에서 골재가 피어 공동(101) 내에 삽입되기 전에, 피어 공동(101)는 적절한 화학 첨가물로 채워지며, 이후 리프트(402)는 종래 기술에 의해 형성된다. 밑에서 두 번째의 리프트에 골재를 도입하기 위해, 적절한 화학 첨가제가 다시 첨가되어, 다음 리프트를 형성하기 위한 골재를 도입하기 전에 공동을 채운다. 이 공정이 GEOPIEA가 적절한 높이로 형성될 때까지 계속되어, 도 4d에 나타난 구조로 되는데, 이 구조에서는 화학 첨가물이 둘레 층으로서 제공되고 이 층은 각 리프트의 형성을 둘러싼다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 골재의 분급(gradation)을 제공하는 방법을 나타낸다. 도 5a에 강성이 높거나(stiff) 밀도가 높은 토양에 특히 유리한 짧은 골재 피어 구조가 도시되어 있다. 베이스 리프트(502)는 #57 골재와 같이 깨끗하거나 세정된 골재로부터 형성된다. 이 바닥 공모양 부분은 충돌 에너지 콤팩션(impact energy compaction)으로부터 형성된다. 세척되거나 깨끗한 골재를 사용하는 장점은, 하부 매트릭스 토양으로의 응력 전달이 보다 효과적이라는 점인데, 이는 그레인 대 그레인 접촉 및 그에 따른 바닥 공모양 부분이 더욱 안정적으로 되기 때문이다. 다음으로 진행되는 리프트(504)는 분급된 베이스 코스 골재가 제공되는 콤팩트화하게 된 리프트이며, 이는 공모양 부분(502)에 사용된 것과 유사한 힘을 사용하여 형성된다. 분급된 베이스 코스 골재를 사용하는 장점은, 세척된 골재 또는 깨끗한 골재에 비해 공극률이 낮고, 밀도가 높으며, 강성이 크다는 점이다. 콤팩트화된 리프트(504)의 위에는, 푸석푸석한 리프트(loose lift; 506)가 있는데, 이는 콤팩트화된 리프트(504)에 사용된 것과 유사한 힘을 사용하여 콤팩트하게 되어 있다. 이러한 방식으로, 골재의 분급은 강성이 높거나 밀도가 높은 토양 내에서 피어를 지지하기 위해 바람직한 특성을 가지게 되도록 선택될 수 있다. 도 b에는 부드럽거나 푸석푸석한 토양에 유리한 피어 구조가 나타나 있다. 이 실시예에서 3인치 ±골재와 같이 큰 분급의 골재가 피어 공모양 부분(508)에 제공된다. 큰 공모양 부분의 상부에는 콤팩트화되어 형성된 리프트가 있는데, 이는 #57 골재와 같은 골재를 사용하며, #57 골재는 적절한 힘과 종래 기술을 사용하여 콤팩트화하게 된다. 콤팩트화하여 형성된 리프트(510) 위에는 푸석푸석한 리프트(512)가 있는데, 이는 분급된 베이스 코스 골재로 이루어진다. 이러한 구조는 부드럽거나 푸석푸석한 토양에 유리한데, 이는 콤팩트화하게 하는 힘으로부터의 에너지가 일부 감쇄되고 그에 따른 바닥 공모양 부분 부피가 감소되기 때문이다.
도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에서 짧은 골재 피어 구조 내의 마찰을 감소시키기 위한 장치 및 공정을 나타낸다. 토양 매트릭스(602) 내에 표시된 점선(604)은 토양 및 활성 영역 내의 비활성 영역을 나타내는데, 비활성 영역(606)은 활성 영역(608) 내에 위치한다. 본 발명에 따라, 화학 윤활제(610)가 피어 공동의 외주부에 제공된다. 윤활제 층(610)의 이점은, 활성 영역 내의 토양이 팽창할 때 피어(600) 상부에서 작용하는 전단력이 감소되는 점이다. 이러한 상방전단력은 토양 팽창시 피어를 위로 움직임으로써, 압축력 및 부착력에 기인한 불안정을 발생시키는 불리한 점이 있다. 도 6b는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 나타내는데, 여기서 윤활제 층(610)은 마찰 감소를 위한 화학 코팅이 제공될 수 있는 플라스틱 또는 판지 라이너로서 제공된다. 도 6a에 나타난 실시예는 피어 공동 내에 피어 리프트를 형성하기 전에 피어 공동의 벽을 따라 화학 윤활제 층을 제공함으로써 형성된다. 도 6b에서, 플라스틱 또는 판지 라이너는 그것이 둘러싸는 피어 리프트가 콤팩트하게 되기 전에 삽입된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 용해 제어 방법을 나타낸다. 여기서 기준선 702는 용해 불가능한 토양(704) 및 용해 가능한 토양(706) 사이의 경계를 나타낸다. 선 708은 용해 가능한 토양 영역(706)과 용해 불가능한 토양(710) 사이의 경계이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 피어 공모양 부분(712)은 일반적인 형태로 제공된다. 그러나 용해 가능한 토양 내에 제공된 리프트(714)는 골재로 형성되는데, 이 골재는, 예를 들어 미국 캘리포니아 주립대학 버클리 분교(University of California, Berkley)에서 1976년 4월에 발행한 Dr. H. Bolton Seed. Seed, H. B. 및 Booker, J. R.의 EERC 76-10에 명시된 골재 드레인 분급 규격을 만족시키도록 설계된다. 용해 불가능한 토양(710) 내에서 경계선 708 위의 리프트는 보통의 방식으로 형성될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 짧은 골재 피어 및 매트릭스 토양에 강성을 부여하기 위한 메쉬 인서트(mesh inserts)를 채용하기 위한 장치 및 공정을 나타낸다. 도 8a는 일련의 수평으로 가해지는 GEORID의디스크(802) 또는 메시 구조를 나타낸다. 디스크는 GEORID(TENSAR GEORID 또는 MIRAFI GEORID), MIRAFI 또는 AMOCO와 같은 지오패브릭(geofabric) 또는 와이어 메쉬(wire mesh)와 같은 재료를 포함한다. 수평으로 가해지는 디스크에 의해 제공되는 이점은, 이들 인장 강화 부재에 의해 밀도가 더 높아지게 되어, 짧은 골재 피어의 강성이 높아지는 점이다. 도 8b를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에서, GEOGRID 또는 메쉬(805)는 피어의 주변부의 수직 둘레를 따라 제공된다. 이 실시예에 따른 피어의 형성에는, 리프트 부재(804)의 형성 전에 짧은 골재 피어를 라이닝함으로써 메쉬 또는 지오그리드를 제공하는 단계가 포함된다. GEOGRID, GEOFABRIC 또는 와이어 메시에 의한 수직 강화를 제공하는 이점은, 토탄(peat)과 같이 상당히 취약한 토양 내에서의 측방향 벌징을 제한하는 점이다.
도 9a 및 도 9b는 짧은 골재 피어 건설에서 가변 직경(variable diameter)의 리프트를 제공하기 위한 공정 및 장치를 도시하고 있다. 도 9a는 가변 직경의 짧은 골재 피어 공동을 굴착하기 위한 장치를 도시하고 있다. 이 장치는 제 1 깊이(D1)를 드릴링하는데 사용되는 제 1 소직경 오우거 비트(902)를 포함하고 있다. 상기 장치는 또한 "지오피어(GEOPIER)" 공동의 일부분을 깊이(D2)까지 드릴링하는데 사용되며 상기 제 1오우거(Auger: 902) 보다 큰 직경을 가진 제 2 오우거(904)를 포함한다. 상기 제 2 오우거(904)의 직경은 상기 제 1 오우거(902)의 직경 보다 크다. 도 9b를 참조하면, 리프트의 소직경 부분 내에서의 제 1 건설 리프트에 의해 건설된 가변 직경의 "지오피어(GEOPIERs)"가 도면 부호 906으로 나타나 있다. 그런 다음, 대직경 리프트(908)가 "지오피어" 공동의 대직경부 내에 건설된다. 드릴링 대신에 백-호우(Backhoe) 굴착에 의해 만들어지는 "지오피어"의 경우에는, 작은 사각형 영역이 피어의 하부 영역에 건설되고, 보다 큰 사각형 영역이 피어 상부 영역 내에 건설된다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 임시 케이싱(temporary casing)을 사용한 짧은 골재 피어를 건설하는 공정을 도시하고 있다. 이들 케이싱은 매우 연약하고 "지오피어" 공동을 드릴링하는 동안에 안정된 상태로 남아 있을 수 없는 경향을 가진 붕락성 토양(caving soil) 인근에서 "지오피어" 공동을 드릴링할 때 특히 바람직하다. 도 10a를 참조하면, 케이싱(930)이 크레인 또는 기타 다른 장치에 의해 지지되는 호이스트 케이블(932)에 매달려 있다. 케이싱(930)의 내부로부터 지반을 드릴링해내기에 적당한 직경을 가진 오우거(934)가 상기 케이싱(930) 내부에 배치되게 된다. 오우거(934)를 이용한 지반의 드릴링이 진행됨에 따라서, 상기 케이싱(930)은 더욱 아래로 내려가고 그리고 나아가서 공동 형태를 형성한다. 도 10b를 참조하면, 케이싱(930)은 상기 리프트(936)의 탬핑 스테이지(tamping stage) 동안에 그 자리에 남아 있다. 탬핑 스테이지 동안에 공모양 부분(bulb)이 부풀어 나갈 수 있도록 케이싱(930)의 바닥은 리프트 또는 공모양 부분(936)의 단부로부터 약간 수직방향으로 이격되어 있는 것이 바람직하다. 공모양 부분(bulb)이 형성된 후에, 케이싱이 약간 들어올려 지고, 그런 다음에 다음 리프트를 형성하기 위해 골재(aggregate)가 공동 내로 유입된다. 상기 케이싱(930)은 탬핑 스테이지 동안에 각각의 리프트 요소가 부풀어 나가는 것을 허용하도록 적절한 깊이로 뽑아진다.
도 10c 및 도 10d는 안정된 토양층에 의해 한정될 수 있는 붕락성 토양으로 구성된 환경 내에서 케이싱을 사용하는 방법 및 장치를 도시하고 있다. 라인(940)은 비-붕락 영역과 붕락 영역(942) 사이의 하부 경계를 나타낸다. 본 발명에 따르면, 붕락 토양이 비-붕락 영역으로 이동하는 것을 방지하기에 적절하게 케이싱이 자리잡을 수 있도록 공동(944)의 하단부는 붕락 영역(942) 내의 직경 보다 약간 좁은 작은 직경으로써 드릴링된다. 도 10d를 참조하면, 상기 피어의 하부(946)는 케이싱(930)이 그 자리에 남아 있는 정상적인 방법으로 건설된다. 피어(946)의 높이가 케이싱(930)의 바닥에 다다르면, 리프트 요소가 붕락 영역으로 부풀어져 나가는 것이 가능할 정도로 케이싱(930)을 추출하면서 리프트 요소의 계속적인 형성이 수행된다. 일단 붕락 영역(942)을 지나서 "지오피어"가 건설되면, 상부의 비-붕락 영역의 안정을 유지하기 위하여 그 자리에 둘 수도 있으며 또는 이를 추출할 수도 있다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 비충격식으로 밀도를 높이며 짧은 골재 피어를 건설하는 공정을 도시하고 있다. 도 11a를 참조하면, 상기 공정은 적당한 오우거 비트(952)를 사용하여 공동(950)을 형성하는 것으로부터 시작된다. 다음으로, 도 11b에 도시된 바와 같이, 세정되거나 깨끗한 석재 또는 적절한 골재가 공동(950)의 바닥에 놓여진다. 도 11c를 참조하면, 리프트 요소(954)의 밀도를 높이는 것은 탬핑 요소(946)상에 비충격식 힘(F)을 인가함에 의해 진행된다. 본 발명에 따르면, 탬핑 힘(F)은 예컨대 기계 및 건설 장비의 큰부품에 재킹하던가 또는 탬퍼에 부착된 굴착기에 의해 탬퍼를 의지시키는 등의 비충격식 수단에 의해 제공된다. 즉, 비충격식의 에너지 또는 제한된 시간 영역에 걸쳐서 제공될 수 있는 정적인 힘(static force)이 사용된다. 다른 실시예에서는, 임의 선택적이고 제한된 진동이 상기 힘(F)과 함께 또는 이를 대체하여 인가될 수 있다. 도 11d의 결과적인 피어는 비충격식 에너지를 사용하여 형성된 것이다.
도 12a 내지 도 12d는 짧은 골재 피어의 구현에서 재활용 콘크리트 골재(recycled concrete aggregate)를 사용한 공정을 도시하고 있다. 도 12a 내지 도 12d를 참조하면, 짧은 골재 피어의 형성은 공동을 형성하기 위해 오우거 비트를 지반 내로 도입하고, 세정되거나 깨끗한 석재가 공동의 바닥에 도입되고, 이어서 바닥의 공모양 부분을 형성하기 위해 도 12c에 도시된 바와 같이 탬핑함에 의해 진행된다. 본 발명에 따르면, 세정된 석재가 재활용 콘크리트와 혼합되어 사용될 수 있으며, 또는 적절한 크기를 가진 재활용 콘크리트만이 세정된 석재를 대신하여 바닥의 공모양 부분을 형성하는데 사용될 수 있다. 짧은 골재 피어의 후속하는 리프트들도 분급된 골재 대신에 재활용 콘크리트를 사용하여 만들어질 수 있다. 재활용 콘크리트를 사용함에 있어서 본 발명의 장점은 밀집화될 때 상호간에 더욱 안정된 맞물림 경계면을 형성하는 경향이 있는 톱니 모양의 조각들을 사용한다는 점이다.
도 13a 내지 도 13d를 참조하면, 다른 관점에서 본 발명에 따른 공정이, 피어 리프트를 건설하기 위해 세정된 석재(washed stone) 또는 분급된 베이스 코스 석재(graded base course stone) 대신에 모래 또는 가타 다른 재료의 사용을 통합할 수 있다. 사용 가능한 재료의 유형은 모래(sands), 모래 실트 점토를 포함한 영역에 근원을 둔 토양(soils indigenous to the area including sands, silts, and clays), 화학적으로 처리된 모래, 실트(silts), 및 점토(clays)를 포함한다. 사용 가능한 다른 재료는 "노슬럼프 콘크리트(noslump concrete)"로 불리우는 "로울러 콘크리트(roller concrete)"이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 짧은 골재 피어를 사용하여 횡방향 하중 저항성(lateral load resistance)을 제공하기 위한 방법 및 장치를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 콘크리트 기초(960)는 횡방향 하중(L)을 받을 수 있고, 상기 기초는 매트릭스 토양(matrix soil; 962)과 일체화된다. 피어 건설에 따르면, 화살표(964) 및 "N"으로 나타낸 수직방향의 높은 응력이 피어 요소의 상부에 존재하고 그리고 높은 횡방향 힘 저항성에 기여할 수 있는 높은 법선 응력(normal stress)을 생성하는 수직방향의 응력 집중을 나타낸다. 높은 법선 응력이 콘크리트 기초의 저면에 작용할 것이다. 횡방향 힘(L)에 대항하는 전단력(S)이 다음의 기본 식: S=N tangentΦ에 의해 제공될 것이다. Φ는 짧은 골재 피어의 상부와 기초의 바닥 사이의 마찰각이다. 통상적으로 Φ는 짧은 골재 피어의 내부 마찰각과 동일한 것으로 가정되고, 치밀한 석재 골재의 경우에는 48도 내지 52도가 된다. 이 방법의 경우, 짧은 골재 피어에 의해 생성되는 큰 수직방향의 응력 집중과 함께 상당한 정도의 횡방향 하중 저항성을 제공하는데 피어 요소가 유용할 수 있다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 짧은 골재 피어를 사용하여 지반 슬라이딩 제어(landslide control)를 제공하기 위한 방법 및 장치를 도시하고 있다. 구릉의 사면(hillside) 또는 기타 다른 지형 구조물이 될 수 있는 지반매스(land mass: 970)는 경사(slope: 972)를 가지고 그 상부에 재하된 하중(surcharged load: 974)을 가진다. 원형의 원호 또는 다른 잠재적인 전단 표면(976)이 토양 매스의 자중, 토양 매스의 지형, 중력 하중 및 기타 재하 하중의 결과로서 토양 매스(soil mass)내에서 나타날 수 있다. 이들 전단력에 대한 저항이 인터셉트 토양(intercepted soil)의 고유 전단 저항에 의해 제공된다. 짧은 골재 피어 요소들은 기존의 토양이 제공하고 있던 전단 저항을 다음의 세 가지 방향에서 증가시킨다. - (1) 매우 높은 고유 전단 저항을 가진 요소를 제공함, (2) 매트릭스 토양의 강성(stiffness)과 비교되는 짧은 골재 피어 요소의 강성의 결과로서 짧은 골재 피어 요소 내에서 발생하는 응력 집중을 유발시킴, 및 (3) 짧은 골재 피어의 밀도가 매트릭스 토양의 밀도 보다 크기 때문에, 짧은 골재 피어-강화 토양 매스의 저항부에 추가적인 사하중을 부가시킴에 의해 증가시킨다.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 짧은 골재 피어를 사용하여 융기 제어(uplift control)를 제공하기 위한 방법 및 장치를 도시하고 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, "지오피어" 요소(990)가 스틸 로드, 바아, 또는 튜브로 구성되는 일련의 융기 링크(uplift links: 992)와 함께 건설된다. 이들 스틸 로드, 바아, 또는 튜브는 바닥 플레이트(988)에 연결된다. 기초상의 융기 하중은 상기 융기 링크에 의해 바닥 플레이트로 전달된다. 바닥 플레이트 상의 융기력(uplift force)은 짧은 골재 피어-매트릭스 토양의 파상의 경계면에 의해 제공되고 짧은 골재 피어를 설치하는 동안에 증가되는 횡방향 토양 스트레스(994)에 의해 강화되는 주변부 전단 저항(perimeter shear resistance: 996)에 의해 저항을 받게 된다. 이러한 방법으로, 상기 피어는 융기 재하(uplift loading)에 저항하도록 구성될 수 있으며, 이에 따라서 기초 또는 다른 구조물 요소들을 주변 토양에 앵커링할 수 있게 된다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 짧은 골재 피어 내에 로드 셀(load cells), 응력 센서(stress sensors), 또는 압력 셀(pressure cells)을 사용하는 방법 및 장치를 도시하고 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 일련의 로드 셀, 응력 센서, 또는 압력 셀 요소(999)들이 피어의 리프트 요소들 사이에 배치된다. 이들 하중 센싱 요소들은, 짧은 골재 피어의 재하(loading) 동안 피어 요소의 리프트들 사이의 로드 셀 내에 존재하는 응력의 크기를 결정하고 그리고 전 하중이 피어에 인가된 후에는 피어 내부의 응력 집중 및 응력 분포를 결정하기 위하여, 통상의 센싱 장치에 전기적으로 연결될 수 있다. 덧붙여서, 피어의 리프트 요소들 사이에 배치되는 압력 셀에 압력이 인가될 수 있으며 그리고 인가된 응력으로부터 기인하는 변형이 측정될 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명에 따라 짧은 골재 피어의 강성과 같은 특성을 테스트하기 위한 기술을 도시하고 있다. 도 18a를 참조하면, 인가된 하중의 크기를 결정하기 위하여, 탬퍼 어셈블리(tamper assembly)와 같은 하중 전달 요소(180)에 상기 피어 상의 캘리브레이션된 압력 또는 하중 측정 장치(184)가 제공된다. 편향 측정 장치(deflection measuring device: 182)도 또한 하중 전달 요소(180)상에 제공된다. 하중 측정 장치(184)가 하중 전달 요소(180) 또는 탬퍼 어셈블리의 샤프트상의 하중을 결정하기 위하여 스트레인 게이지 또는 기타 다른 구현수단을 포함할수 있음은 본 기술 분야의 당업자들에게 용이하게 이해될 것이다. 편향 측정 장치(182)는 하중 전달 요소(180)의 변위 및, 그에 따른 주위 지반에 대한 짧은 골재 피어의 상대적인 변위를 측정한다. 상기 편향 측정 장치가 상대적인 편향을 측정하기 위하여 레이저 측정 장치를 포함할 수 있다는 점을 본 기술 분야의 당업자들은 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 이와 달리 선택적으로, 하중 전달 요소(180)에 의해 유발되는 지반의 편향을 방지하기 위하여, 편향 측정 장치(182)가 하중 전달 요소(180)에 고정된 제 1 마노미터 요소 및 지반 상에 상기 피어(190)로부터 충분히 이격되어 고정된 제 2 마노미터 요소를 포함할 수 있다. 상기 마노미터 장치는 상대적인 편향(relative deflection)을 측정할 것이다. 편향 측정은 또한 레벨 서베이 장치(level survey apparatus)또는 다른 수단을 포함할 수 있다. 도 18b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기에서는 상기 하중 측정 장치가 탬퍼 어셈블리(180)와 짧은 골재 피어(190) 사이에 배치되는 하중 또는 압력 셀(190)로서 제공된다.
상기 피어 강성은 측정된 하중 및 편향으로부터 계산될 수 있다. 검증 계수(verification modulus)가 하중 및 편향 측정치로부터 다음의 식에 따라 계산될 수 있다.
Kv= P/A y (1)
여기에서, Kv는 검증 계수를 나타내고, P는 인가된 하중을 나타내고, A는 짧은 골재 피어의 상부 면적을 나타내고, 그리고 y는 피어의 하방 수직 편향을 나타낸다. 이와 같이 결정된 검증 계수는, 피어 모듈러스 하중 테스트에서 발생하는 것과 동일한 응력 강도 하에서 측정된 피어 강성 계수 값과의 비교 및 외삽법(extrapolation)에 의한 피어 프로젝트 설계 응력에 대응하는 피어 강성 계수(pier stiffness modulus)의 지시자(indicator)로서 사용된다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 추가적인 특징 및 다른 선택적인 실시예들을 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 공동(200)이 토양 내에 형성된다. 통상적으로, 상기 공동(200)은 예를 들어서 드릴링 기술에 의해 형성된다. 이리하여, 상기 공동(200)은 통상적으로 토양을 향하여 하방으로 연장된 원통형의 수직방향 통로를 포함하게 된다. 일반적으로, 드릴링하는 동안에, 개착물(cuttins) 또는 드릴링 버럭(drilling spoils)은 표면으로 이송되어 제거된다. 그러나, 토양이 오염된 경우라면, 제거가 적절하지 않을 수 있다. 예컨대, 지표면 하부로부터 이송되어온 오염된 토양의 제거에 대한 규제가 있을 수 있다. 만일 제거가 허용되는 경우라 할지라도, 개선이 사이트 밖에서 또는 승인된 방법으로 필요하게 될 수 있다. 이는 상당한 비용을 초래한다.
이러한 문제를 극복하기 위하여, 특별히 큰 직경의 드릴이 사용될 수 있으며, 이는 개착물 또는 드릴링 버럭을 공동(200)에 인접한 측면 벽(202)으로 횡방향으로 밀어낸다. 이와 같은 드릴은 개착물을 토양 표면으로 올려 보내지 않고, 오히려 개착물을 측면벽 쪽으로 횡방향으로 콤팩트화시킬 것이다. 정보에 따르면 이러한 일반적인 속성의 드릴이 깊은 콘크리트 파일용으로 개발된 바 있다.
어떠한 경우라도, 공동(200)을 형성한 후에 골재가 그 공동 내부에 위치하게 되고 그리고 그 골재는 전술한 방법으로 적절히 다져지거나 또는 컴팩트화(tamped or compacted)된다. 그러나, 컴팩화시키는 것은 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같은 탬핑 장치(다짐 장치) 또는 매커니즘에 의해 영향을 받는다. 이와 같은 탬핑 장치는 다양한 수단에 의해 왕복동식으로 구동되거나 진동되는 수직방향의 드라이브 샤프트(204)를 포함한다. 상기 드라이브 샤프트(204)는 또한 거기에 부착된 하부 컴팩팅 푸트(lower compacting foot: 206)를 가지고 있다. 상기 푸트(206)는 이를 관통하여 연장하는 일련의 수직방향의 통로(208, 210, 212, 214)를 포함하고 있다. 상기 수직방향 통로(208, 210, 212, 214)는 골재(216)들이 상기 푸트(206)의 상부로부터 상기 푸트(206)의 저면으로 유동할 수 있도록 하는 경로를 형성한다. 그리하여 상기 샤프트(204)는 골재의 유동을 허용하면서 왕복하고 그리고 동시에 예컨대 도 19 및 도 20의 화살표로 표시된 바와 같이 회전될 수 도 있다. 이와 같은 방법으로, 골재가 상기 통로(208, 210, 212, 214)를 통하여 공급되며 그리고 피어를 형성하도록 전술한 방법으로 컴팩트화되거나 치밀하게 다져진다. 골재(216)의 공급과 컴팩션은 연속적으로 또는 단속적으로 영향을 받을 수 있다. 만일 동작이 단속적이면, 상기 푸트(206)는 골재의 상기 통로(208, 210, 212, 214)를 통한 통과를 허용하도록 하는 증분 거리로 들어 올려지고, 그 이후에 골재 재료를 다지거나 또는 콤팩트화하기 위하여 상기 샤프트(204)가 왕복동식으로 구동되고 회전된다. 그런 다음, 이 공정이 다음의 증분 단계에서 반복된다.
이와 달리, 상기 샤프트(204)는 아주 작은 증분 단계로 상승되고, 그리고 골재가 상기 통로(208, 210, 212, 214)를 통하여 떨어지고 이를 통하여 이동되는 동안 골재(216)를 콤팩트화시키기 위하여 상기 샤프트(204)는 연속적으로 또는 단속적으로 회전될 수 있다. 상기 통로의 숫자, 그 구성 및 배열은 다양한 타입의 골재 재료를 수용할 수 있도록 가변적이다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자라면 상기 바람직한 실시예들이 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 바에 따른 본 발명의 기술 사상 범위를 벗어나지 않고서도 개조 또는 수정될 수 있음을 당연히 인식하고 있을 것이다.

Claims (37)

  1. 토양 상의 구조물을 지지하기 위한 짧은 골재 피어를 건설하는 방법으로서,
    a) 상기 짧은 골재 피어를 수용하기 위하여 토양 내부에 공동을 형성하는 단계와,
    b) 골재의 일련의 리프트를 건설함으로써 상기 공동 내에 짧은 골재 피어를 형성하는 단계와, 그리고
    c) 상기 짧은 골재 피어의 내하 특성을 증대시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 내하 특성을 증대시키는 단계는
    토양을 사전 재하하는 단계,
    토양에 화학적 첨가제를 첨가하는 단계,
    골재에 화학적 첨가제를 첨가하는 단계,
    메쉬 패브릭(mesh fabric)을 사용하여 토양을 강화시키는 단계, 및
    메쉬 패브릭을 사용하여 짧은 골재 피어를 강화시키는 단계로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 내하 특성을 증대시키는 단계는
    토양을 사전 재하하는 단계를 포함하고,
    상기 공동의 벽에 힘을 인가하기 위한 장치를 사용하는 단계를 더 포함하고,
    상기 장치는 공동 내부에서 외측으로 확장될 때 힘을 공동 벽에 대하여 인가시키기 위한 확장 부재와 협동하는 한 쌍의 실질적으로 반-원통형인 쉘을 포함하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 내하 특성을 증대시키는 단계는 공동 내부에 상기 짧은 골재 피어를 형성하기 이전에 토양에 화학적 첨가제를 첨가하여 토양을 강화시키는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 화학적 첨가제는 시멘트, 수화 석회, 생석회, 및 플라이 애쉬로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 내하 특성을 증대시키는 단계는 골재로부터 리프트를 형성하기 이전에 골재에 화학적 첨가제를 첨가하여 골재를 강화시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 화학적 첨가제는 시멘트, 수화 석회, 생석회, 및 플라이 애쉬로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 내하 특성을 증대시키는 단계는 공동 벽에 메쉬 패브릭을 제공함으로써 메쉬 패브릭을 이용하여 토양을 강화시키는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 메쉬 패브릭이 금속제 메쉬, 합성수지제 메쉬, 지오그리드(geogrid) 및 지오패브릭(geofabric)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 내하 특성을 증대시키는 단계는, 짧은 골재 피어의 강성을 증대시키기 위하여 짧은 골재 피어의 리프트들 사이에 메쉬 패브릭을 제공함으로써 메쉬 패브릭을 이용하여 짧은 골재 피어를 강화시키는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 메쉬 패브릭이 금속제 메쉬, 합성수지제 메쉬, 지오그리드(geogrid) 및 지오패브릭(geofabric)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  12. 토양 상의 구조물을 지지하기 위한 짧은 골재 피어를 건설하는 방법으로서,
    a) 상기 짧은 골재 피어를 수용하기 위하여 토양 내부에 공동을 형성하는 단계와,
    b) 골재의 일련의 리프트를 건설함으로써 상기 공동 내에 짧은 골재 피어를 형성하는 단계와, 그리고
    c) 상기 짧은 골재 피어의 가능성(feasibility)을 확장시키는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 가능성을 확장시키는 단계는 짧은 골재 피어를 건설하기 위하여,
    골재의 선택적인 분급을 이용하는 단계,
    피어와 공동 벽 사이의 측면 마찰을 감소시키는 단계,
    피어 내부에 골재 드레인을 건설하는 단계,
    비-충격식 힘으로써 리프트를 컴팩트화시키는 단계, 및
    석재 골재 이외의 재료를 사용하는 단계로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 가능성을 확장시키는 단계는 리프트 내의 골재의 선택적인 분급을 이용하는 단계를 포함하고, 리프트를 형성하기 위하여 골재의 2 또는 그 이상의 상이한 분급을 혼합하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 가능성을 확장시키는 단계는 피어와 공동 벽 사이의 측면 마찰을 감소시키는 단계를 포함하고, 짧은 골재 피어 및 공동 벽 사이에 마찰 감소 재료를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 마찰 감소 재료는 카드보드 라이너, 플라스틱 라이너, 금속제 라이너, 폴리머, 및 벤토나이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  17. 제 12항에 있어서, 상기 가능성을 확장시키는 단계는 리프트 내에 입자성 재료를 제공하고 얇은 리프트를 제공함으로써 짧은 골재 피어 내부에 골재 드레인을 건설하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 12항에 있어서, 상기 가능성을 확장시키는 단계는 비-충격식 힘을 사용하여 리프트를 컴팩트화시키는 단계를 포함하고, 상기 짧은 골재 피어를 건설하는 동안에 각각의 리프트에 정적인 하중을 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제 13항에 있어서, 상기 짧은 골재 피어를 건설하는 동안에 각각의 리프트에 제한된 진폭의 진동하는 힘을 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제 12항에 있어서, 상기 가능성을 확장시키는 단계는 리프트를 건설하기 위하여 지역 원산 재료를 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 토양 상의 구조물을 지지하기 위한 짧은 골재 피어를 건설하는 방법으로서,
    a) 상기 짧은 골재 피어를 수용하기 위하여 토양 내부에 공동을 형성하는 단계와,
    b) 골재의 일련의 리프트를 건설함으로써 상기 공동 내에 짧은 골재 피어를 형성하는 단계와, 그리고
    c) 상기 짧은 골재 피어의 건설을 증대시키는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 짧은 골재 피어의 건설을 증대시키는 단계는
    가변 치수의 리프트로써 짧은 골재 피어를 건설하는 단계,
    재활용된 서로 맞물리는 콘크리트 골재를 사용하는 단계,
    피어 공동을 보호하기 위하여 케이싱을 제공하는 단계, 및
    피어 구조물 내에 하중 센스를 사용하는 단계로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  23. 제 21항에 있어서, 상기 짧은 골재 피어의 건설을 증대시키는 단계는 가변 치수의 리프트로써 상기 피어를 건설하는 단계를 포함하고, 상기 공동을 형성하는 단계는
    i) 제 1 횡방향 치수를 가진 제 1 공동을 토양 내에 형성하는 단계 및
    ii) 상기 제 1 횡방향 치수 보다 큰 제 1 횡방향 치수를 가진 제 2 공동을 토양 내에 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 보다 작은 횡방향 치수가 상기 짧은 골재 피어의 건설에 소요되는 재료 비용을 감소시키는 방법.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 짧은 골재 피어의 건설을 증대시키는 단계는 리프트 건설을 위하여 재활용된 서로 맞물리는 콘크리트 골재를 사용하는 단계를 포함하고, 상기 서로 맞물리는 콘크리트는 재활용 콘크리트인 방법.
  25. 제 21항에 있어서, 상기 짧은 골재 피어의 건설을 증대시키는 단계는 공동을 보호하기 위하여 케이싱을 제공하는 단계를 포함하고, 각각의 리프트의 치밀화 이전에, 상기 짧은 골재 피어를 건설하는 동안 리프트의 두께와 실질적으로 대응하는 짧은 수직방향의 증분으로 케이싱을 들어 올리는 단계를 더 포함하는 방법.
  26. 제 21항에 있어서, 상기 짧은 골재 피어의 건설을 증대시키는 단계는 피어 구조물 내부에 하중 센서 또는 압력 셀을 사용하는 단계를 포함하고, 상기 짧은 골재 피어를 건설하는 동안 상기 짧은 골재 피어의 리프트들 사이에 하중 센서를 위치시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 횡방향 하중 제한 시스템으로서,
    a) 하중 내하 표면과 하중 내하 표면으로부터 실질적으로 수직하게 연장하는 지지 표면을 가진 횡방향 하중 내하 부재, 및
    b) 상기 횡방향 하중 내하 부재 아래의 지반 내에 형성되고 상기 지지 표면과 맞물리는 적어도 하나의 짧은 골재 피어를 포함하고,
    상기 짧은 골재 피어는 인접한 토양 매트릭스에 대한 강성에 따른 상기 짧은 골재 피어 상의 수직 응력 집중에 기인한 높은 마찰 전단 저항을 제공하는 시스템.
  28. 불안정한 토양 매스를 제한하기 위한 횡방향 하중 제한 시스템으로서,
    a) 하중 내하 표면과 하중 내하 표면으로부터 실질적으로 수직하게 연장하는 지지 표면을 가진 횡방향 하중 내하 부재, 및
    b) 지반 및 불안정한 토양 매스의 일부 내부에 형성된 적어도 하나의 짧은 골재 피어로서, 전단 응력을 받고 있거나 향후 전단 응력을 받게될 짧은 골재 피어를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 짧은 골재 피어 내부에서 제공되는 높은 마찰 전단 저항이 상기 불안정한 토양 매스의 운동에 저항하는 시스템.
  29. 수직방향의 융기력을 받을 수 있는 기초, 매트, 또는 그레이드 비임과 같은 상부 구조물의 상방 운동을 제한하기 위한 융기 부하 제한 시스템으로서,
    a) 지반 내부에 형성되고 일련의 리프트를 포함하고 종방향 크기를 가진 짧은 골재 피어,
    b) 상기 짧은 골재 피어의 종방향 크기와 실질적으로 평행하게 연장하고 상기 상부 구조물에 작동가능하게 연결될 수 있도록 형성된 적어도 하나의 융기 부하 전달 부재, 및
    c) 상기 짧은 골재 피어의 바닥 영역에 배치되고 상기 융기 부하 전달 부재튜브 또는 나사가공된 바아와 상기 짧은 골재 피어를 통하여 또는 인접하여 거기에 연결되어 작동가능하게 연결되는 바닥 부재를 포함하고,
    상기 바닥 부재는 융기 부하를 짧은 골재 피어에 전달하고 상기 짧은 골재 피어와 주변의 토양 사이의 마찰 전단 저항이 상기 융기 부하에 저항하는 시스템.
  30. 토양에 사전 부하를 인가하는 장치로서,
    한 쌍의 반쪽 쉘로서 각각이 토양 내에 형성된 공도으이 벽면과 맞물리는 외측 표면을 가진 한 쌍의 반쪽 쉘, 및
    외측 방향으로 힘을 인가시키기 위하여 상기 반쪽 쉘과 함께 작동하는 액츄에이터를 포함하고,
    상기 반쪽 쉘이 상기 장치를 토양 내에 삽입하는 것으로 허용하도록 서로에 대하여 후퇴된 위치로 이동될 수 있으며, 그리고는 공동 벽에 사전에 재하되는 힘을 인가시키기 위하여 상호 외측으로 이동되는 장치.
  31. 제 30항에 있어서, 상기 반쪽 쉘이 가이드 로드와 협동하는 적어도 하나의 가이드 튜브를 통하여 서로에 대하여 이동가능하게 연결되는 장치.
  32. 제 30항에 있어서, 상기 반쪽 쉘을 강화하기 위하여 일련의 플랜지를 더 포함하는 장치.
  33. 제 30항에 있어서, 사전 응력을 받는 동안에 매트릭스 토양내에서 형성되는 전단력에 저항하기 위하여 외측 표면 상에 일련의 리브를 더 포함하는 장치.
  34. 제 30항에 있어서, 상기 액츄에이터를 지지하기 위하여 상기 반쪽 쉘 상에 이동 가능하게 장착되는 수평방향의 베어링 플레이트를 더 포함하는 장치.
  35. 구조물을 지지하기 위하여 토양 내에 짧은 골재 피어를 건설하는 방법으로서,
    a) 상기 피어를 수용하기 위하여 토양 내에 대체로 수직한 공동을 형성하는 단계,
    b) 탬핑 장치로써 골재를 컴팩트화시킴으로써 공동 내에 피어를 형성하는 단계로서, 상기 탬핑 장치는 탬핑 장치가 공동 내부에 배치되어 있는 동안 골재를 공동 내부로 공급하기 위한 통로를 가진 단계,
    c) 탬핑에 의해 피어의 내하 특성을 증대시키는 단계, 및
    d) 증대를 위해 공동으로 상기 통로를 통하여 골재가 유동하도록 골재를 공동에 추가시키는 단계를 포함하는 방법.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 탬핑 장치는 왕복동식 샤프트를 구비한 탬퍼와, 골재의 통과를 위한 적어도 하나의 주변부 통로를 구비한 탬퍼 푸트를 포함하는 방법.
  37. 제 1항, 제 12항, 또는 제 35항에 있어서, 상기 공동을 형성하는 단계는 토양을 횡방향으로 변위시키고 드릴 개착물을 드릴링하는 동안 형성된 공동의 측면 벽쪽으로 밀어낸는 유형의 드릴을 사용하여 드릴링하는 단계를 포함하는 방법.
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