KR20050108993A - 헤드 확장형 파일의 보강부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물의 하중을 지지하게 하는 파일 시공시 파일내력에 대한 안정성, 시공성 및 경제성을 확보할 수 있게 개선한 헤드 확장형 파일의 보강부재에 관한 것으로, 파일의 매입측 선단부에 파일의 직경보다 큰 직경을 갖는 보강부재를 다양한 형태로 구비하여 파일의 선단 지지력을 증가시키는 헤드 확장형 파일을 제공하는 매우 뛰어난 효과가 있다.

Description

헤드 확장형 파일의 보강부재{ Reinforcing Member of Pile with an Extended Head }

본 발명은 헤드 확장형 파일의 보강부재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물의 하중을 지지하게 하는 파일 시공시 파일내력에 대한 안정성, 시공성 및 경제성을 확보할 수 있게 파일의 매입측 선단부 파일의 직경보다 파일의 헤드를 확장시킴으로서큰 직경을 갖는 보강부재를 다양한 형태로 구비하여 파일의 선단 지지력을 증가시키는 헤드 확장형 파일의 보강부재에 관한 것이다.

일반적으로 건물이나 구조물을 세우는 경우, 지반의 조건이나 구조물의 하중에 따라 상부의 구조물을 지지하기 위하여 지반을 보강하는 기초공사를 하고 있다.

이에 따라 구조물의 하중 등 여러 조건에 따라 얕은 기초나 깊은 기초가 행해지는 데, 근입폭비가 1이하의 경우를 얕은 기초라 하고, 근입폭비가 1 이상인 경우를 깊은 기초로 정의하고 있다.

상기한 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.

상기한 바와 같이 지반공사에 따른 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.

그리고 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.

다시말해 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 파일시공 공법이 사용되고 있으며, 매번 어려움을 느끼고 있다.

도1은 파일의 자체 내력과 시공된 파일의 시공 내력의 관계를 보여주는 파일 내력의 개념도이다. 도1에 도시된 바와같이, 파일(2)은 구조물(4)의 하중(PF)은 구조물(4)의 하부에 근입된 다수의 파일(2) 시공 내력에 의하여 지지된다.

상기 근입된 파일(2)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 내력이 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 있다.

상기한 바와 같이 이루어지는 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 구조물의 하중을 지지하게 하는 파일 시공시 파일내력에 대한 안정성, 시공성 및 경제성을 확보할 수 있게 파일의 매입측 선단부 파일의 직경보다 파일의 헤드를 확장시킴으로서큰 직경을 갖는 보강부재를 다양한 형태로 구비하여 파일의 선단 지지력을 증가시키는 헤드 확장형 파일의 보강부재를 제공하는데 있다.

이를 실현하기 위한 본 발명은

파일의 일측단에 조립되게 일정 깊이로 형성한 보강관부와, 이 보강관부의 저면에 부착되어 굴착된 파일공의 바닥과 공벽의 토사응력에 대해 파일내력을 유지하게 파일직경보다 큰 일정 직경의 면적으로 형성된 보강판으로 구성된 헤드확장형 파일의 보강부재에 있어서,

상기 보강부재는 보강판의 가장자리 둘레에 일정 면적을 다양한 형태로 갖는 선단측면보강수단을 형성하여 이루어지는 헤드 확장형 파일의 보강부재를 제공하는데 있다.

상기한 선단측면보강수단은 보강판의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 상향보강측벽부를 형성하여 이루어지는 헤드확장형 파일의 보강부재를 제공하는데 있다.

상기한 선단측면보강수단은 보강판의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 하향보강측벽부를 형성하여 이루어지는 헤드확장형 파일의 보강부재를 제공하는데 있다.

상기 상,하향보강측벽부는 보강관부와 일정 간격을 두고 연결 부착되어 파일내력을 보조하여 지지하게 격벽을 형성하여 이루어지는 헤드확장형 파일의 보강부재를 제공하는데 있다.

상기한 선단측면보강수단은 보강판의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 치홈과 치돌기를 반복 형성한 치형보강부를 형성하여 이루어지는 헤드확장형 파일의 보강부재를 제공하는데 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부한 도면에 의하여 더욱 상세하게 설명한다.

도2는 본 발명으로 헤드확장형 파일에 적용되는 보강부재의 일실시예를 도시한 사시도이고, 도3은 본 발명으로 헤드확장형 파일에 적용되는 보강부재를 도시한 측단면도이다.

그리고 도4는 본 발명으로 헤드확장형 파일에 적용되는 보강부재의 다른 실시예를 도시한 사시도이고, 도5는 도4의 측단면도이다.

또, 도6은 본 발명으로 헤드확장형 파일에 적용되는 보강부재의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이고, 도7은 도6의 측단면도이며, 도8은 본 발명으로 헤드확장형 파일의 보강부재에 격벽이 적용됨을 예시한 사시도이다.

헤드확장형 파일의 보강부재(12)는 헤드확장형파일(14)의 일측단에 조립되게 일정 깊이로 형성한 보강관부(16)와, 이 보강관부(16)의 저면에 부착되어 굴착된 파일공(18)의 바닥(20)과 공벽(22)의 토사응력에 대해 파일내력을 유지하게 파일직경보다 큰 일정 직경의 면적으로 형성된 보강판(24)으로 구성된 보강부재(12)로 이루어지는 헤드확장형 파일에 있어서,

상기 보강부재(12)의 보강판(24) 가장자리 둘레에 일정 면적을 다양한 형태로 선단지지력을 갖게 선단측면보강수단을 형성하여 이루어지고 있다.

상기한 선단측면보강수단에 작용되는 선단지지력은 파일공(18)의 바닥(20)이나 공벽(22)으로 부터 작용되는 응력에 대한 파일의 내력으로 작용하게 되어 있다.

이러한 상기 선단측면보강수단은 보강판(24)의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 상향보강측벽부(26)를 형성하여 이루어지고 있다. (도 2참조)

상기 상향보강측벽부(26)가 파일공의 바닥으로부터 보강판(24)이 받는 지반 내력 뿐만 아니라 공벽으로부터 받는 측력에 대해서도 헤드확장형파일(14)의 선단지지력을 발휘하게 되어 있다.

그리고 선단측면보강수단은 보강판(24)의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 하향보강측벽부(28)를 형성하여 이루어지고 있다.(도3 참조)

상기 하향보강측벽부(28)는 파일공 바닥 지반에 박혀 바닥의 토사를 가두게 되어 내부의 토사 응축을 증대시켜 지반 내력을 향상하므로서 파일의 선단지지력도 향상하게 되어 있다.

또, 상기한 상향보강측벽부(26)는 보강관부(16)와 일정 간격을 두고 연결 부착되어 파일내력을 보조하여 지지하게 격벽을 형성함도 가능하다.

상기 하향보강측벽부(28)에도 내주면에 부착되어 내부공간을 분할하여 선단지지력을 증대하게 격벽을 형성하고 있다.

그리고 상기한 선단측면보강수단은 보강판(24)의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 치홈(30)과 치돌기(32)를 반복 형성한 치형보강부(34)를 형성하여 이루어지고 있다. (도4 참조)

상기 치형보강측벽부(34)는 파일공내 공벽의 토사가 치돌기(32)사이의 치홈(30)마다에 진입하여 면접촉력을 증대시킴에 따라 파일의 선단지지력을 극대화하게 이루어지고 있다.

상기 제시된 선단측면보강수단은 제공되는 350, 400, 450, 500, 600 mm 등의 직경을 갖는 콘크리트 파일, PHC, 강관, H형강 그 밖의 합성관 및 나무관등의 파일에 적용되고 있다.

상기한 보강부재(12)의 보강판(24)은 헤드확장형파일(14)의 아래측 단부에 파일과 일체로 성형되거나 접합수단에 의하여 결합되는 소정 두께의 판형 구조물이다.

여기서, 접합수단은 파일이 강관일 경우에는 일반적인 용접에 의하여 파일과 보강판을 접합할 수 있다.

한편, 파일이 콘크리트 파일이나 PHC 등의 경우에는 파일 하단부를 감싸는 보강관부(16)을 더 구비하고, 보강관부(16)와 보강판(24)을 용접하여 파일과 보강판(24)을 부착한다.

상기한 선단측면보강수단인 상,하형측벽보강부(26)(28)나 치형보강부(34)를 보강판(24)의 가장자리에 형성하게 되면 헤드확장형파일(14)의 하단에서 외측으로 연장되는 보강판(24)의 돌출길이가 길거나, 보강판(24)의 두께(t)가 작아도 보강판(24)의 가장자리 외주연부가 상향으로 휘어짐 등이 방지되는 등 내구성이 향상된다.

참고적으로

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.

표2는 파일과 보강판의 치수 및 역학 관계를 예시하고 있다.

[표 2]

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
보강판 적정직경(mm)	473	531	587	660
보강판 단면적(㎠)	1759	2216	2707	3419
보강판 직경(mm)	123	131	137	160
압축응력(σc:tf/㎠)	0.10	0.10	0.10	0.10
보강판의 두께(mm)	10.8	11.1	11.3	12.2
보강판의 돌출길이(a:mm)	62	66	69	80

여기서, σc=3×선단 지지력/보강판 단면.

표2에서 Φ350 PHC의 경우를 보면, 89 tf의 파일 자체 내력을 얻기 위해서는 선단 지지력이 58 tf을 필요로 하는 데, 350 mm의 직경을 가진 기존 파일의 단면적 961.625 ㎠ 에 의해서는 58 tf의 선단 지지력을 얻을 수 없다. 따라서, 선단 지지력 58 tf을 얻기 위하여 파일의 선단부 단면적을 넓혀야 한다. 표2에서, 보강판의 단면적이 1759 ㎠, 직경이 473mm 로 되어 있고, 보강판의 두께(t)는 10.8mm로 선택되어 있다.

표2에서 Φ400, Φ450, Φ500 PHC의 경우, 각 파일의 직경에 상응하는 파일 자체 내력을 모두 활용하기 위해서, 보강판의 단면적이 각각 2216, 2707, 3419 ㎠로 확장되어 있고, 각 경우의 보강판 직경은 531, 587, 660mm 로 확장되어 있다. 표2에서 알 수 있듯이, 보강판의 두께는 보강판의 돌출길이가 커질수록 두껍게 형성된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 작용을 파일공에 매입된 헤드확장형파일(14)의 보강부재(12)인 선단측면보강수단의 작용을 설명하면,

상향보강측벽부(26)는 파일공(18)내에서 보강판(24)의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 용접등으로 부착되어 보강판(24) 둘레의 공벽(22)으로부터 가해지는 지반내력에 대해 선단지지력을 확복하게 된다. (도 2참조)

또, 하향보강측벽부(28)는 보강판(24)의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 된다. (도3 참조)

즉, 하향보강측벽부(28)는 파일공(18) 바닥 지반의 일정면적에 대해 박히게 되면서 지반의 토사를 가두게 되는 작용을 하므로서 토사의 응축 압력을 증대시켜 지반내력을 향상시키고 이에 대한 파일의 선단지지력도 향상하게 된다.

그리고 상기 상,하향보강측벽부(26)(28)내에 격벽(36)을 적용하므로서 보강부재(12)의 내구성 뿐 만아니라 선단측면보강수단의 보강력도 향상되어 결과적으로 파일의 내력을 향상하게 된다.

상기한 격벽(36)의 형태나 배치는 어느 한 형태에 국한되지 않고 변경 적용될 수 있음은 당연하다 할 것이다.

또, 상기한 치형보강부(34)는 치홈(30)과 치돌기(32)를 형성하여 이루어짐에 따라 지반의 바닥이나 공벽의 토사와 접촉면적으로 증대하므로서 지반내력과 파일내력을 향상하게 된다.

즉, 상기 치형보강부(34)의 치돌기(32)사이의 치홈(30)마다 토사와 맞물리게 되어 접촉 응력을 증대하여 파일의 선단지지력을 향상하게 된다.

상기 본 발명인 헤드확장형 파일을 사용하는 모든 강관, 콘크리트관, 합성수지관, 목관등 적용될 수 있는 선단측면보강수단의 기술적 사상 범위내에서 변형이나 변경은 본 발명의 권리범위에 속하는 것이며, 따라서 본 발명의 권리를 침해하는 것이다.

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 있는 보강부재에 선단측면보강수단을 부가하므로 파일의 사용 효율성 및 경제성을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 기존 파일에 보강부 또는 보강판을 결합하여 사용함으로써, 기존 파일의 활용도를 크게 높일 수 있는 효과가 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 선단측면보강수단이 적용된 보강부재를 구비한 헤드확장형 파일을 사용할 경우 현재의 시공방법으로 100%의 내력을 발휘할 수 있는 효과적인 공법이며, 이 공법을 이용하여 설계를 파일내력으로 한다.

이에 따라 선단측면보강수단을 적용 설계하여 파일내력을 높힘으로서 파일의 개수를 줄여 원가절감 및 공기의 단축을 유도할 수 있으면서 적은 내력으로도 설계를 완료할 수 있어 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 일반적인 파일의 자체 내력과 시공된 파일의 시공 내력의 관계를 보여주는 파일 내력의 개념도,

도2는 본 발명으로 헤드확장형 파일에 적용되는 보강부재의 일실시예를 도시한 사시도.

도3은 본 발명으로 헤드확장형 파일에 적용되는 보강부재를 도시한 측단면도.

도4는 본 발명으로 헤드확장형 파일에 적용되는 보강부재의 다른 실시예를 도시한 사시도.

도5는 도4의 측단면도.

도6은 본 발명으로 헤드확장형 파일에 적용되는 보강부재의 또 다른 실시예를 도시한 사시도.

도7은 도6의 측단면도.

도8은 본 발명으로 헤드확장형 파일의 보강부재에 격벽이 적용됨을 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

12:보강부재

14:헤드확장형파일

16:보강관부

18:파일공

24:보강판

26:상향보강측벽부

28:하향보강측벽부

30:치홈

32:치돌기

34:치형보강부

36:격벽

Claims (6)

1. 파일의 일측단에 조립되게 일정 깊이로 형성한 보강관부와, 이 보강관부의 저면에 부착되어 굴착된 파일공의 바닥과 공벽의 토사응력에 대해 파일내력을 유지하게 파일직경보다 큰 일정 직경의 면적으로 형성된 보강판으로 구성된 헤드확장형 파일의 보강부재에 있어서,

   상기 보강부재는 보강판의 가장자리 둘레에 파일공 바닥과 공벽에 대해 선단지지력을 발휘하게 일정 면적을 다양한 형태를 갖는 선단측면보강수단을 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 헤드 확장형 파일의 보강부재.
2. 제1항에 있어서,

   상기한 선단측면보강수단은 보강판의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 상향보강측벽부를 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 헤드확장형 파일의 보강부재.
3. 제1항에 있어서,

   상기한 선단측면보강수단은 보강판의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 하향보강측벽부를 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 헤드확장형 파일의 보강부재.
4. 제1항에 있어서, 상기 상,하향보강측벽부는 보강관부와 일정 간격을 두고 연결 부착되어 파일내력을 보조하여 지지하게 격벽을 형성하여 이루어질 수 있음을 특징으로 하는 헤드확장형 파일의 보강부재.
5. 제1항에 있어서, 상기 선단측면보강수단은 보강판의 가장자리 둘레상에 일정 높이로 선단 측면에서 선단지지력을 향상하게 치홈과 치돌기를 반복 형성한 치형보강부를 형성하여 이루어짐을 특징으로 하는 헤드확장형 파일의 보강부재.
6. 제1항에 있어서, 상기 선단측면보강수단은 강관, 콘크리트관, 합성수지관, 목관중 어느 하나로 형성되는 헤드확장형 파일의 보강부재에 적용됨을 특징으로 하는 헤드 확장형 파일의 보강부재.