KR20050093721A - 헤드 확장형 파일 - Google Patents

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KR20050093721A
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윤 용 송
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이엑스티 유한회사
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    • E02D5/34Concrete or concrete-like piles cast in position ; Apparatus for making same
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Abstract

본 발명은 구조물의 하중을 지지하는 헤드 확장형 파일에 관한 것으로, 파일의 매입측 선단부에 파일의 직경보다 큰 직경을 갖는 보강부를 구비하여 파일의 선단 지지력을 증가시키는 헤드 확장형 파일과 이 헤드 확장형 파일을 이용한 파일 시공시 파일내력에 대한 안정성, 시공성 및 경제성을 확보할 수 있는 시공방법을 제공하고자 하는 것이다.

Description

헤드 확장형 파일{Pile with an Extended Head}
본 발명은 헤드 확장형 파일에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물의 하중을 지지하는 파일로 구조물의 하중을 지지하는 파일의 지지력을 향상시킨 파일의 구조를 제공하면서 파일시공시 파일내력에 대한 안정성, 시공성 및 경제성을 확보할 수 있는 파일 시공공법을 제공하기 위한 헤드 확장형 파일에 관한 것이다.
일반적으로 건물이나 구조물이 세워지는 경우, 지반의 조건이나 구조물의 하중에 따라 상부의 구조물을 지지하기 위하여 지반을 보강하는 기초공사가 행해진다. 구조물의 하중 등의 여러 조건에 따라 얕은 기초나 깊은 기초가 행해지는 데, 근입폭비가 1이하의 경우를 얕은 기초라 하고, 근입폭비가 1 이상인 경우를 깊은 기초로 정의하고 있다. 얕은 기초의 경우에는 파일 등을 사용하지 않고 구조물을 지반에 직접 지지시키고, 구조물 아래의 지반이 상부 구조물의 하중을 지지할 수 없을 경우에는 파일 등을 사용하여 지반의 지지력을 보강하고 있다.
파일 기초는 설치된 파일이 두부를 구조물에 연결시키는 기초공법으로, 파일을 재질에 따라 분류하면, 강 파일, 콘크리트 파일, 합성 파일 등으로 구분할 수 있고, 시공법에 따라 분류하면 타입공법, 매입공법, 현장타설공법 등으로 나눌 수 있다.
타입공법은 파일을 세운 다음 위에서 파일을 타격하여 파일을 지반에 강제로 근입시키는 것으로, 항타 에너지에 의하여 강제로 지반에 삽입될 때 파일축이 주변의 흙을 밀어 밀착시키며 근입되므로 파일의 외부 지지력이 좋고 시공이 간편하다.
그러나, 타입공법은 깊게 파일을 설치하고자 할 때에는 수직 근입에 어려움이 있고, 진동과 소음이 과도하게 발생하여 도심에서의 시공이 제한되고 있다.
한편, 매입 공법은 미리 지반에 구멍을 형성하고, 접착제를 구멍의 반쯤 주입한 다음 파일을 구멍에 삽입 고정하는 것으로, 타입 공법의 여러 문제점을 해결하고 있다. 그 결과, 현재 도심에서의 파일 기초는 매입 공법이 주로 이용되고 있다.
그리고 건축공사에서 기초공사가 차지하는 비중은 매우크며, 파일시공의 경우 현장마다 지층 조건 및 여건이 다른 이유라든지, 항타 장비에 대한 정확한 이해부족 및 시공자의 경험에 의한 공사등으로 여러가지 파일시공공법이 사용되고 있으며, 매번 어려움을 느끼고 있다.
도1은 파일의 자체 내력과 시공된 파일의 시공 내력의 관계를 보여주는 파일 내력의 개념도이다. 도1에 도시된 바와같이, 구조물(11)의 하중(PF)는 구조물(11)의 하부에 근입된 다수의 파일(12)의 시공 내력에 의하여 지지된다. 근입된 파일(12)의 시공 내력은 파일 선단의 선단지지력(TP)과 파일 측면의 주변마찰력(SF)의 합으로 이루어진다. 그런데, 대부분 파일 자체의 내력은 높지만 시공성 등으로 파일의 시공 내력을 낮아진다.
예를들어, Φ400의 고강도 콘크리트 말뚝(PHC, 이하 PHC라 함)의 경우, 파일 자체 내력은 112 tf 이지만 시공 내력은 60∼80 tf 정도이어서, 결과적으로 파일 내력 중 32∼52 tf가 낭비된다. 특히, 매입 공법의 경우, 지반을 파일의 직경보다 크게 천공한 후, 제작된 파일을 천공에 근입설치하고, 파일과 지반 사이에 충진재(cement paste)를 주입하여 주변 마찰력을 높여 주기는 하지만, 시공 후의 테스트는 주변마찰력이 아주 미미하고 대부분의 시공 내력이 선단지지력에 의존하고 있음을 보여 주었다. 따라서, 매입 공법에서, 시공 내력이 파일 자체 내력에 가깝게 하여, 파일의 사용 효율성을 높일 필요가 있었다.
종래 공지된 기술로서 일본 공개실용신안공보 소55-50142호가 개시된 바 이는 강관의 선단에 관통공이 뚫린 선단강판을 부착하고, 강관과 선단강판과의 사이에 보강리브를 덧대어 형성한 선단 지지강관 말뚝에 대하여 기재되어 있다.
상기 공지된 기술 내용은 노출 지면상이나 굴삭한 구멍에 말뚝을 삽입한 후 단순히 지반에 안착시켜 매립하는 방식으로 구성되어 있으나 경제적 파급효과도 없을 뿐만 아니라, 시멘트의 주입 없이 흙을 채우는 방식이기 때문에 주변 마찰력이 없으며, 내력 낭비도 크고, 보강 난이도(중앙보강)에 있어서는 매우 곤란하고 비용도 과다하게 발생하는 결함이 있다.
한편, 일본 공개특허공보 특개소 2003-138561호가 유사기술로 공지되어 있으나, 이는 연속지하벽을 개선하기 위하여 제안된 다단확경항(막음벽)을 이 개시하고 있다. 상기 문헌에는 현장에서 직접 길이방향 연속 굴착장비를 이용하여 일반적인 콘크리트 현장 타설 방법으로서 시공 난이도가 크고 비용도 또한 과다하게 소요되는 문제점이 있다. 그리고 상기 연속지하벽 형태의 다단확경항(막음벽)은 땅을 굴착하는 형태이므로 현실적으로 사용되고 있는 않는 기술이며, 그 까닭은 콘크리트 양생차와 철근을 병용 이용하여야 하는 불편이 있기 때문이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 이루어지는 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 ,
본 발명의 목적은 매입 공법에 사용되는 파일의 무게나 부피에 영향을 주지 않으면서 파일의 시공 내력을 높여, 파일의 사용 효율성 및 경제성을 높이도록 한 구조물의 하중을 지지하는 파일로 구조물의 하중을 지지하는 파일의 지지력을 향상시킨 파일의 구조를 제공하면서 파일시공시 파일내력에 대한 안정성, 시공성 및 경제성을 확보할 수 있는 파일 시공공법을 제공하기 위해 적합한 헤드 확장형 파일을 제공하는데 있다.
다른 목적은 매입공법에 그대로 적용할수 있는 동시에 매입공법후 항타를 하여 보다 높은 파일의 시공내력을 증가시킬수 있는 헤드 확장형 파일 및 그 시공방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 파일의 선단 지지력을 증가시키기 위하여 파일의 선단부에 파일의 직경보다 큰 보강부를 일정두께로 부착하거나 일체로 형성한 파일을 제공한다.
그리고 상기 보강부는 파일의 일측 단부에만 형성할 수 있고, 파일의 양측 단부에 형성할 수도 있다.
이와같은 본 발명의 상기 목적은 구조물의 하중을 지지하는 파일에 있어서,
파일 매입후 항타되는 면을 가지는 후 항타면 (c)과, 상기 파일의 직경보다 확대되게 설정된 직경(D) 및 설정된 두께(T)로 형성하여 이루어지는 상,하부보강대와, 상기 상,하부보강대를 형성하기 위하여 파일의 외주면으로부터 1:1∼10 의 범위 내에서 설정된 돌출부폭(a)과 경사부폭(b)으로 형성하여 이루어지는 상,하부원추대로 상,하부 보강부가 이루어 지게 하여 달성될 수 있다.
또한 상기 파일은 하부보강대, 하부원추대로 형성된 하부보강부나 상부보강대, 상부원추대로 형성된 상부보강부 중 어느 보강부를 매입측과 지상측 중 적어도 어느 일측 선단에 형성하여 이루어지게 한것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도2는 일측 단부에 보강부를 갖는 보강 파일의 구조를 보여주는 단면도이다. 도2에 도시된 바와같이, 헤드 확장형 파일(2)은 원통형 파일부(12)와 하부 보강부(20)로 구성되고, 하부 보강부(20)는 하부 보강대(21)와 하부 원추대(22)로 구성된다.
그리고 상부에는 파일 매입시공후 항타되는 후 항타면 (c)을 가지고 있으며, 원통형 파일부(12)은 350, 400, 450, 500, 600 mm 등의 직경을 갖는 콘크리트 파일, PHC, 강관, H형강 그 밖의 합성관 및 나무관등 이다.
하부 보강대(21)는 원통형 파일부(12)의 아래측 단부에 원통형 파일부(12)와 일체로 성형되거나 접합수단에 의하여 결합되는 소정 두께의 판형 구조물이다. 하부 원추대(22)는 원통형 파일부(12)와 하부 보강대(21)의 외주연 측면 사이에서 일정한 경사각을 갖는 경사부가 형성되어 있다.
표1은 파일의 치수 및 역학 관계를 예시하고 있다.
[표 1]
파일의 종류 Φ350 PHC Φ400 PHC Φ450 PHC Φ500 PHC
파일 자체 내력(tf) 89 112 137 173
주변 마찰력(tf) 30.37 38.13 46.76 59.04
선단 지지력(tf) 58.63 73.87 90.24 113.96
기존 파일의 직경(mm) 350 400 450 500
기존 파일 단면적(㎠) 961.625 1256 1590 1963
보강부 적정직경(mm) 473 531 587 660
보강부 단면적(㎠) 1759 2216 2707 3419
표1에서 Φ350 PHC의 경우를 보면, 89 tf의 파일 자체 내력을 얻기 위해서는 선단 지지력이 58 tf가 되어야 한다. 그런데, 350 mm의 직경을 가진 기존 파일의 단면적 961.625 ㎠ 에 의해서는 58 tf의 선단 지지력을 얻을 수 없다. 따라서, 선단 지지력 58 tf을 얻기 위해서는 파일의 선단부 단면적이 1759 ㎠가 되어야 하다. 즉, 보강부의 직경이 473mm로 확장될 필요가 있다.
표1에서 Φ400, Φ450, Φ500 PHC의 경우, 각 파일의 직경에 상응하는 파일 자체 내력을 모두 활용하기 위해서는 선단부의 단면적이 각각 2216, 2707, 3419 ㎠로 확장되어야 하고, 이를 위하여 각 파일의 보강부 직경이 531, 587, 660mm 로 확장될 필요가 있다.
한편, 하부 보강대(21)의 직경(D)과 두께(T)는 동일한 크기를 갖는 것이 바람직하고, 원추대(22)의 경사비는 돌출폭(a)과 경사폭(b)의 비가 1:1∼10 의 범위 내에서 선택하고, 바람직하게는 돌출부폭(a)과 경사부폭(b)의 비를 1:6으로 한다.
도3은 파일의 양측 단부에 보강부를 갖는 파일의 구조를 보여주는 단면도이다. 도3에 도시된 바와같이, 양측 보강 파일은 원통형 파일부(12)의 아래측 단부에 형성되는 하부 보강부(20)와 원통형 파일부(12)의 상부측 단부에 형성되는 상부 보강부(30)로 구성된다. 상부 보강부(30)는 도2의 하부 보강부(20)와 마찬가지로 상부 보강대(31)와 상부 원추대(32)로 구성된다. 또한, 상부 보강부(30)는 하부 보강부(20)의 구조와 동일한 형태 및 치수를 갖는다.
상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명에서 헤드 확장형 파일(2)의 시공방법중 천공시 붕괴되지 않는 토질이 있는 경우의 시공방법을 설명하면,
먼저, 파일의 선정과 항타 준비 및 확인, 장애물 처리등의 준비작업(S200)을 하게 되고, 작업지반의 확인과 지반의 보강후 항타기를 설치(S210)하게 된다.
그리고 정면과 측면에서 스크류오거(62)와 리더(64)의 수직도를 확인하는 스크류오거(62) 위치를 고정(S220)시키고, 굴착과 지질 조사서, 오거모터의 사용 전류에 의하거나 배출토사, 시항타등의 확인으로 항타 가능한 토층의 확인한 후 스크류오거(62)에 의한 굴착(S230)하게 된다.
즉, 파일의 선정과 항타 준비 및 확인, 장애물 처리등의 준비작업 단계(S200)와, 작업지반의 확인과 지반의 보강후 항타기 설치를 준비하는 단계(S210)와, 정면과 측면에서 스크류오거와 리더의 수직도를 확인하는 스크류오거 위치고정 단계(S220)로 준비공정을 완료한다.
단계 (S200)에서 파일은 선단지지에 유리한 본 발명의 헤드확장형 파일을 선정하고, 지상 또는 지중의 장애물을 확인하여 제거한다.
항타기 설치를 준비하는 단계 (S210)에서는 지반에 따른 항타장비 및 설비 등을 점검하고 이상여부를 확인후, 항타장비의 작업지반에 대한 안정성을 확인한다. 이는 오거의 근입시 수직도 및 파일의 항타시 영향을 미칠수 있으며, 시공시 안전사고를 미연에 방지할 수 있다.
스크류 오거 위치고정단계 (S220)에서는 오거의 정면과 직각방향의 2점에서 수직도를 확인하고 경사 또는 이동될 우려가 있는 경우 복공판 및 잡석을 깔아서 보강한다.
그리고 굴착과 지질 조사서, 오거모터의 사용 전류에 의하거나 배출토사, 시항타등의 확인으로 항타 가능한 토층의 확인한 후 스크류오거에 의한 굴착단계(S230)를 시행한다(도 9의 ①).
굴착시에는 스크류 오거를 관입시킨후 스크류 오거를 정회전시켜 서서히 굴착을 시행한다 (도 9의 ②).
굴착속도는 가능한 늦을수록 좋은 결과를 얻을 수 있으며, 굴착도중 오거를 역회전하면, 공내로 토사가 들어가 선단 지지력에 악영향을 미치므로 주의하여야 한다. 굴착하여 경타 가능한 토층 상단까지 천공이 완료되면 (도9의 ③), 약간 들고서 제자리에서 고압공기를 분사하면서 오거를 공회전시켜 슬라임(Slime)을 완전히 제거한다 (도9의 ④).
이 공회전은 중요한 과정중에 하나로 굴착시 오거내에 쌓인 슬라임을 모두 배출하기 때문에 나중에 시멘트 페이스트 주입시 슬라임과 혼합되는 양을 줄일수 있어 강도가 저하되는 것을 방지한다.
다음에 전용믹서기를 이용 물, 시멘트 순서로 시멘트 페이스트를 혼합하는 단계(S240)를 수행하면서, 스크류오거(62) 인발(S250)하면서 고압으로 시멘트 페이스트(66)를 주입(S260)한다 (도 9의 ⑤).
선단부는 후항타에 의하여 관입되므로 천공부분은 시멘트 : 물 = 1 : 1 등으로 혼합하여 (시멘트 사용량은 40Kg/m 정도) 사용하며, 스크류 오거의 인발은 가능한한 서서히 인발하면서 고압으로 시멘트 페이스트를 주입한다.
다음에 헤드 확장형 파일(2)을 수직이 되도록 세운뒤 자중으로 시멘트 페이스트(66)가 흘러 넘치는 것을 방지하기 위하여 서서히 관입(S280)시킨다 (도 9의 ⑥,⑦).
이때 스크류오거의 재관입은 선택적으로 사용할수 있는 것으로 슬라임이 없는 경우에는 이 과정을 사용할 필요가 없으나, 슬라임이 존재하는 경우에는 재관입을 시킨다. 여기에서 스크류오거 (62)를 재관입하는 이유는 시멘트 페이스트와 주변 흙을 교반하여 주변 마찰력 향상을 유도한다.
상기 헤드 확장형 파일(2)의 선단에 도시생략한 충격완화재를 두고 관입시키기 위하여 최종경타는 2M높이에서 항타를 실시하여 최종 침하량을 발생하게 경타(S290)한다 (도 9의 ⑧).
항타결과 예상 지지층에 도달(1회 타입당 관입량이 5~10mm 정도) 한 것으로 판단되면 항타를 잠시 중단하고 침하량 기록장치를 설치한 후 항타를 실시하여 관입량 및 리바운드량을 측정하여 최종 침하량을 측정(S300)하여 확인한다.
한편, 항타시 파일의 수직도, 흔들림, 선단부의 파괴등에 유의하여야 하며, 항타시 수직도가 어긋나는 경우 파일이 파괴되는 경우가 발생하며, 파일내력에 영향을 미치므로 파일의 중심과 RAM의 중심을 일치시킨다.
이와같이 파일 관입단계 (S280)까지 매입방식을 사용하여 파일의 관입시키는 경우 하부 보강부에 의하여 선단 지지력이 향상됨을 알수 있으며, 상기 표 1에 나타난 바와같은 선단 지지력을 얻을 수 있다.
이와같이 파일 관입단계 (S280)까지 매입방식을 사용하여 파일의 관입시키는 경우 하부 보강부에 의하여 선단 지지력이 향상됨을 알수 있으며, 상기 표 1에 나타난 바와같은 선단 지지력을 얻을 수 있다.
다음에 파일관입후 파일 경타단계 (S290)를 수행하여 후 항타를 하는 것으로 후 항타면 (c)을 장비 (RAM)에 의한 항타에 의하여 하부보강부가 관입하면서 파일 지지력을 향상키어 파일자체의 내력에 보다 근접한 지지력을 얻을 수 있게 된다.
그리고 천공시 붕괴되는 토질이 있는 경우에 있어서는 내력에 알맞는 헤드 확장형 파일(2)을 선정하며, 상기한 바와 같이 파일의 선정과 항타 준비 및 확인, 장애물 처리등의 준비작업를 한후 상기 도 4의 공정을 그대로 수행하나,
다만, 항타기 설치단계 (S210)후 케이싱 설치단계가 포함되고, 파일 경타단계 (S120)전에 케이싱 인발단계를 포함하고 있는 것으로 현장의 지반이 풍화대 상부가 붕괴되는 토층을 가지는 경우의 천공시 케이싱을 사용하여 공벽 붕괴를 막고 항타기의 항타 가능 토층의 상단까지 천공후 지지층까지는 후항타를 실시하게 된다.
이때 공벽보호와 분출구의 막힘을 방지하기 위하여, 케이싱내에 스크류 오거를 관입하고, 스크류오거는 정회전, 케이싱은 역회전하는 방식으로 굴착하고, 스크류오거가 케이싱에 비해 선단이 선 굴착되어 슬림(SLIME)은 스크류오거 선단에 설치된 고압공기로 배토한다.
이상 설명한바와 같은 시공방법과 동일하거나 유사한 어떠한 시공방법에 있어서도 본 발명 헤드확장형 파일을 사용하는 모든 시공법은 당업자간에 본 발명의 권리범위에 속하는 것이며, 따라서 본 발명의 권리를 침해하는 것이다.
예컨대, 실제적으로 헤드 확장형 파일을 직타하여 관입하는 시공법, 굴착후 헤드확장형 파일을 인입하여 직타하거나 또는 그대로 안착시키는 시공법, 헤드확장형 파일을 강관, 콘크리트관, 합성수지관, 목관등에 삽입하여 직접 관입하는 시공법, 그 밖에 헤드확장형 파일을 유압, 공기압, 화학적수단에 의한 압력에 의하여 관입하는 시공법을 들 수 있다.
본 발명에 의하면, 매입 공법에 사용되는 파일의 무게나 부피에 영향을 주지 않으면서도 파일의 시공 내력을 파일 자체 내력까지 끌어 올림으로써 시공에서 사용되는 파일의 수를 줄일 수 있으므로, 파일의 사용 효율성 및 경제성을 크게 높일 수 있다. 또한, 기존 파일에 보강부 또는 보강판을 결합하여 사용함으로써, 기존 파일의 활용도를 크게 높일 수 있다.
또, 파일업체에서 시공되는 파일 내력에 비해 지반이나 시공성에 의해 결정되는 파일 내력중 크기가 작은 쪽으로 설계내력이 결정되어 파일 내력중 30~40%의 손실(LOSS)이 발생하나 헤드확장형 파일을 사용할 경우 현재의 시공방법으로 100%의 내력을 발휘할 수 있는 효과적인 공법이며, 이 공법을 이용하여 설계를 파일내력으로 한다.
이에 따라 설계상의 파일내력을 높여 파일의 개수를 줄여 원가절감 및 공기의 단축을 유도할 수 있는 효과가 있다.
또한 적은 내력으로 설계가 완료된 경우 파일의 길이가 줄어드는 효과를 기대할 수 있다.
그리고 당초 현장에서 계획한 파일공사와 비교하여 기존과 동일한 방법으로 헤드 확장형 파일을 설치하여 적용하고 경타를 실시한 경우 50/20~10 정도에서 파일공사를 종료한 결과 설계 소요지지력을 충분히 할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라 기존공법과 비교하여 경제성, 안전성, 시공성을 확보할 수 있는 공법이다.
또, 설계내력이 시공성을 감안하여 낮은 경우 파일을 약 20~40% 줄일 수 있어 시공비등의 절감을 가져오는 효과가 있다.
그 결과, 설계시 헤드 확장형 파일을 사용하여 설계내력을 높이는 경우 파일 개수를 약 30~40% 절감할 수 있는 엄청난 효과가 있다.
아울러 설계시 파일캡이 작아져서 콘크리트 시멘트량 및 철근량을 약 10%~20% 정도 줄일 수 있는 효과가 있고, 이밖에도 파일 갯수가 절감된 만큼 공기를 현저히 단축할 수 있으며, 아울러 그에 따른 노동력과 인건비, 경상비, 금융비도 현저히 절감할 수 있는 뛰어난 효과가 있으므로 토목,건설 산업상 매우 유용한 발명이다.
도1은 파일의 자체 내력과 시공된 파일의 시공 내력의 관계를 보여주는 파일 내력의 개념도,
도2는 일측 단부에 보강부를 갖는 보강 파일의 구조를 보여주는 단면도,
도3은 파일의 양측 단부에 보강부를 갖는 파일의 구조를 보여주는 단면도,
도4는 본 발명의 헤드 확장형 파일의 시공방법을 순차적으로 도시한 블럭도.
도5은 본 발명의 헤드 확장형 파일의 시공방법에 따라 완성되는 과정을 도시한 개요도이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
2:헤드 확장형 파일 11: 구조물
12: 원통형 파일부 20: 하부 보강부
21: 하부 보강대 22: 하부 원추대
30: 상부 보강부 31: 상부 보강대
32: 상부 원추대

Claims (2)

  1. 구조물의 하중을 지지하는 파일에 있어서,
    파일 매입후 항타되는 면을 가지는 후 항타면 (c)과,
    상기 파일의 직경보다 확대되게 설정된 직경(D) 및 설정된 두께(T)로 형성하여 이루어지는 상,하부보강대와,
    상기 상,하부보강대를 형성하기 위하여 파일의 외주면으로부터 1:1∼10 의 범위 내에서 설정된 돌출부폭(a)과 경사부폭(b)으로 형성하여 이루어지는 상,하부원추대로 상,하부 보강부가 이루어 지는 것을 특징으로하는 헤드 확장형 파일.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파일은 하부보강대, 하부원추대로 형성된 하부보강부나 상부보강대, 상부원추대로 형성된 상부보강부 중 어느 보강부를 매입측과 지상측 중 적어도 어느 일측 선단에 형성하여 이루어질 수 있음을 특징으로 하는 헤드 확장형 파일.
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