KR20060093081A - 매입말뚝의 선단 지지력 향상을 위한 폐쇄형 선단슈와선단 지반 헴머다짐 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 말뚝 선단에 장착하는 폐쇄형 선단슈와 지반을 천공한 후 폐쇄형 선단슈가 부착된 강관말뚝을 천공한 구멍에 넣고 강관 내부에서 헴머의 자유낙하로 선단슈를 경타(輕打) 하거나 천공케이싱 속에서 선단슈 없이 선단 지반을 헴머 다짐하여 선단 지지력을 향상시키는 선단 지반 헴머다짐 공법이다.

본 발명으로 항타 소음 때문에 지반 천공 후 천공구멍에 기성말뚝을 넣어 시공하는 매입말뚝공법에서 강관 혹은 케이싱 내부 지중 경타(輕打)로 소음을 감소할 수 있다.

본 발명으로 강관말뚝 내부나 천공케이싱 내부에서 선단 지반을 헴머 다짐하므로 말뚝 본체의 응력이 생기지 않고 큰 다짐에너지로 시공할 수 있다. 이로 인하여 선단 지지력이 최대가 되어 말뚝 시공길이를 줄일 수 있다.

본 발명인 폐쇄형 선단슈를 개단 강관말뚝의 선단에 부착 시 개단 강관말뚝 선단의 지반 속 관입량에 따라 발생하는 선단 폐색 정도와 이에 따른 선단 지지력의 변화에 대한 문제를 해결할 수 있다.

강관말뚝, 선단 지지력, 폐쇄형 선단슈, 선단 폐색효과, 매입공법, 항타공법, 다짐에너지, 헴머효율, PHC말뚝, 현장타설말뚝

Description

매입말뚝의 선단 지지력 향상을 위한 폐쇄형 선단슈와 선단 지반 헴머다짐 공법 {pile toe shoe and hammer soil compaction method under pile toe in drilled hole to upgrade pile end bearing capacity}

도 1은 폐쇄형 선단슈와 강관 내부 선단 지반 헴머다짐 공법의 단면도이다.

도 2는 원추형 선단슈의 단면도이다.

도 3은 십자 보강형 선단슈의 단면도이다.

도 4는 콘크리트 말뚝용 선단슈의 단면도이다.

도 5는 종래의 개방형 강관말뚝의 지지력도이다.

도 6은 본 발명에 의한 폐쇄형 강관말뚝의 지지력도이다.

도 7은 천공 케이싱 없이 콘크리트말뚝 시공 단면도이다.

도 8은 천공 케이싱 속에서 선단슈 없이 선단 지반 헴머다짐 단면도이다.

도 9는 말뚝과 헴머의 평면도이다.

도 10은 헴머, 헴머가이드와 강관의 평면도이다.

도 11은 보조말뚝 시공 단면도이다.

도 12는 유압잭과 헴머 바 장치 단면도이다.

도 13은 천공지반 내부에서 유압헴머로 선단 지반 다짐 단면도이다.

도 14는 선단슈가 없는 경우 선단 다짐 전후의 다짐깊이 측정방법이다.

도 15는 강관말뚝 내부 지중 타격 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 식별번호의 설명*

1 지반 2 강관말뚝 3 용접부분 4 선단슈 5 큐션 재(흙) 6 헴머 7 선단슈의 중앙하부 단면증가 8 선단슈의 중앙상부 단면 9 콘크리트 말뚝용 선단슈의 긴 보강링 10 하중 11 선단 지지력 12 주면마찰력 13 지반을 천공한 구멍 14 콘크리트 말뚝용 선단슈의 분리용 공간 15 콘크리트 말뚝용 선단슈의 분리용 부분 용접 16 콘크리트 말뚝 17 콘크리트 말뚝용 천공 케이싱 18 보조말뚝 19 보조말뚝 인양바 20 보조말뚝의 구멍 21 헴머 바 22 유압잭 장치 23 고정 빔 24 고정 케이블 25 유압헴머 26 다짐판 27 다짐판 인양 케이블 28 헴머외경 29 말뚝내경 30 헴머가이드 31 헴머가이드 단면두께 32 선단 다짐 깊이 측정 33 타격판 34 지하수위 35 두께 36 원형 선단슈

본 발명은 말뚝기초의 매입말뚝에 관한 기술로서 개단(開端) 강관말뚝에 폐쇄형 선단슈를 부착하고 지반을 천공한 후 강관말뚝을 천공 구멍에 넣고 강관 내부에서 헴머의 자유낙하로 선단슈를 경타(輕打) 하거나 천공 케이싱 속에서 선단 지반을 헴머다짐하여 강관말뚝의 근입 깊이를 증가시키지 않으면서 선단 지지력을 개선할 수 있는 폐쇄형 선단슈와 선단 지반 헴머다짐 공법이다.

말뚝 두부를 항타 기계에 의해 말뚝을 지반 속에 관입하는 항타 공법은 소음과 진동문제로 시공이 불가능한 경우, 지반을 천공한 후 공장에서 제작된 기성말뚝을 천공한 구멍 속에 넣고 말뚝 두부 경타(輕打)와 시멘트 고정액을 말뚝주변에 주입하는 매입말뚝 공법을 적용한다.

매입말뚝인 경우 천공 후 오거 인발 시 오거의 날개에 남아 있던 흙이 선단에 느슨한 상태로 떨어져 선단 지지력을 떨어뜨린다. 느슨한 흙을 다짐하기 위해 말뚝 두부에서 약간 경타(輕打)한다. 강관말뚝의 매입공법인 경우 강관말뚝선단의 지반 관입 정도에 따른 말뚝 선단 폐색 정도, 경타에 의한 선단 하부지반의 다짐정도, 선단 지반 시멘트 고정액의 시공품질, 지반조건에 따라 지지력이 저하될 수 있다.

도 5는 강관말뚝 선단부가 완전 개방된 종래의 방법, 도 6은 말뚝 선단부가 완전 폐쇄된 본 발명에 해당하는 방법에 따른 지지력의 형태이다. 말뚝의 지지력은 주면 마찰력과 선단 지지력의 합이다. 개단 강관말뚝의 선단 지지력의 크기는 헴머의 항타로 말뚝선단부가 지반 속에 관입 되며 말뚝 선단부에 지반의 유입으로 인한 선단폐색(막힘) 정도, 경타에 의한 선단 지반의 다짐 정도에 따라 결정(도 5)된다.

강관말뚝의 선단 폐색은 항타로 인하여 지반이 말뚝 선단 내부로 유입되는 지반의 체적, 흙과 말뚝의 마찰력에 의존한다(도 5). 개단(開端) 강관말뚝은 말뚝직경의 4배 이상 흙 속에 관입시켜야 선단폐색 효과가 발생한다. 따라서 항타기계로 항타 해야 말뚝 직경의 4배 이상을 관입할 수 있다. 매입 콘크리트말뚝은 선단이 폐쇄되었으므로 선단 지지력의 크기는 헴머 다짐에너지에 따라 결정된다.

말뚝의 지지력은 헴머의 무게, 헴머 낙하고, 헴머효율, 타격효율에 비례하고 관입량에 반비례한다. 시공관리에서 헴머의 낙하고, 헴머의효율, 관입량의 관리가 중요하고 매 말뚝마다 일정하게 해야 지지력을 일정하게 유지할 수 있다. 항타 시공시 말뚝의 지지력은 수학식 1과 같다.

극한지지력,

헴머의 무게,

헴머의 낙하고,

타격당 관입량,

말뚝쿠션을 포함한 말뚝의 탄성 침하량,

타격효율,

f 헴머효율

본 발명은 강관이나 케이싱 속에서 원형 헴머의 자유낙하로 선단슈나 선단 지반을 지중 경타하므로 말뚝 두부 경타 보다 소음을 감소시킨다.

경타에 의한 선단 지반 다짐 정도는 헴머의 낙하고, 헴머무게, 다짐회수(다짐에너지)에 의존한다. 말뚝 두부 경타 시 헴머의 낙하고를 증가하면 낙하속도가 증가 되고 이는 말뚝에 응력이 과대하게 발생시켜 말뚝이 파손될 수 있다. 작은 다짐에너지로 경타하면 선단다짐이 작아 말뚝 선단 지지력이 작아진다. 따라서 매입공법에 의한 말뚝 선단 지지력은 말뚝 두부 항타 공법보다 선단 지지력이 저하된다.

말뚝 내부 타격으로 말뚝의 탄성 침하량이 없으므로 말뚝의 지지력은 수학식 2와 같다.

말뚝 내부 선단 다짐 시 극한지지력

선단지반 헴머다짐 공법은 큰 낙하고로 경타해도 말뚝에 파손의 영향이 없다. 따라서 선단 헴머다짐 공법은 큰 에너지로 다짐할 수 있어 에너지의 크기에 비례한 선단 지지력이 생긴다. 개단 강관말뚝의 선단에 용접된 폐쇄형 선단슈는 개단 강관말뚝의 강관선단속의 지반 속 관입량에 따라 발생하는 선단 폐색 정도와 이에 따른 선단 지지력의 변화에 대한 문제를 해결할 수 있다.

말뚝 내부 헴머의 직경과 길이는 헴머의 무게를 좌우하는 요인이다. 헴머의 직경이 말뚝 내부 말뚝 내부 직경에 가까우면 헴머의 낙하속도에 의하여 헴머하부에 공기압력이 증가하여 헴머 낙하효율이 감소된다. 헴머의 직경이 작고 헴머의 길이를 길게 해야 헴머의 무게를 증가시킬 수 있다.

헴머 자유낙하시 헴머와 말뚝사이 공기속도의 증가로 헴머 하부에 공기압이 증가한다. 공기속도와 말뚝 내부 직경과 헴머 외경과의 비는 수학식 3과 같다.

헴머와 말뚝사이 공기속도,

중력가속도,

헴머 낙하고,

말뚝 내부 직경,

헴머의 외경

낙하고 3m일 때 헴머비와 공기속도

말뚝 내경 48cm, 헴머외경43cm 일 때 헴머 낙하고에 따른 공기속도

헴머 낙하고가 증가하면 낙하속도가 증가하고 헴머 하부에 공기압이 증가하여 헴머효율이 감소 된다. 말뚝 내경과 헴머 외경과의 비와 낙하고가 작아야 헴머효율이 증가된다.

선단슈의 외경

말뚝의 선단 지지력은 지반의 지지력과 말뚝 선단 면적의 크기에 비례한다. 선단슈의 외경이 크면 선단 지지력이 증가하나 천공직경과 동일하면 말뚝을 천공구멍에 매입하면서 천공구멍의 공벽이 붕괴하여 선단 지반다짐을 증가해야 된다. 따라서 선단슈의 외경은 천공구멍의 내경 보다 작아 공벽이 붕괴하지 않은 크기에서 결정해야 한다.

응력에 의한 원형 선단슈의 두께 산정방법은 수학식 5와 같다.

: 원형 선단슈의 두께(cm),

: 원형 선단슈 중앙의 최대응력(ton/cm²),

: 설계 선단 지지력의 1.5배(ton)

두께(

)에 의한 선단슈 중앙 변위 산정방법은 수학식 6과 같다.

: 원형 선단슈의 중앙최대 변위(cm),

: 설계 선단 지지력의 1.5배(ton),

: 원형 선단슈의 직경(cm),

: 원형 선단슈의 탄성계수(ton/cm²),

: 원형 선단슈의 두께(cm)

선단슈의 응력과 설계 선단 지지력으로 원형슈의 두께(35)를 산정하고(수학식 5) 산정된 두께(

)를 수학식 6에 대입하여 원형슈의 최대 중앙변위량을 산정하고 중앙변형량이 허용범위 내에 있어야 한다. 원형 선단슈에 십자보강(7)이나 원추형으로 원형슈의 중앙 단면을 증가시켜 원형 선단슈의 두께(35)를 작게 할 수 있 다.

보조말뚝(도 11)

지하수위 아래에서 투수계수가 큰 지반일 경우 천공 중 천공구멍 내로 물이 들어와 선단 지반의 다짐이 어려울 경우 지하수위보다 높은 곳까지 보조말뚝을 설치하고 보조말뚝 상부를 타격한다. 보조말뚝의 하부와 상부 구멍(20)은 물과 공기가 들어가게 하여 지하수위 아래에서 부력을 방지하게 하고 보조말뚝을 상부로 올릴 때 보조말뚝 아래 지반에 부압이 걸리지 않게 하여 선단지반의 느슨함을 없게 한다.

4개의 헴머 가이드(도 10)

헴머의 타격효율을 개선하기 위하여 헴머의 외부에 4개의 가이드를 만들어 헴머가 말뚝에 평행하게 낙하시킨다. 헴머가이드의 단면적이 크면 헴머 하부의 공기배출을 어렵게 하므로 단면적을 최대한 작게하여 헴머효율을 증가시킨다.

헴머낙하고,선단 다짐깊이와 다짐횟수 측정

헴머낙하고,다짐깊이와 다짐횟수는 시공관리와 선단 지지력 산정에서 중요하다. 선단슈가 부착된 경우 지면에서 말뚝의 관입 길이와 타격횟수를 측정하여 1회 타격당 관입량을 측정한다. 선단슈가 없는 경우 다짐량은 다짐 전과 후의 말뚝 내부 헴머의 다짐깊이 깊이, 헴머 낙하고와 다짐횟수를 측정한다(도 14).

유압헴머에 의한 말뚝 내부 선단 다짐(도 13)

현장타설말뚝은 천공 직경이 크다. 말뚝 내경이나 천공 케이싱의 내경보다 유압헴머의 외경이 작은 경우, 말뚝 내부나 천공케이싱 속에 유압헴머를 넣고 말뚝 선단 이나 선단지반을 유압헴머로 다짐하여 선단 지지력을 증가시킨다. 선단 다짐으로 지지력이 증가하면 말뚝길이를 감소시켜 시공비를 감소시킬 수 있다.

헴머효율을 증대하기 위한 유압잭과 헴머 바(도 12).

헴머의 낙하시 와이어로프를 감은 와이어 드럼이 회전하여 낙하효율을 감소시킨다.

헴머의 낙하고를 증가시킨 후 헴머 상단에 부착된 헴머 바(21)를 유압잭으로 잡은 후 와이어 드럼에 감긴 와이어를 헴머의 낙하고 이상으로 풀어 놓는다. 유압잭을 풀면 헴머는 와이어 드럼의 회전에 방해 없이 자유낙하가 되어 헴머효율이 증가되고 일정해진다. 유압잭(22)과 고정빔(23)은 천공 케이싱이나 강관말뚝 위에 설치하고 헴머 하중이 전달되도록 한다.

본 발명은 폐쇄형 선단슈(4)와 이 선단 슈를 강관말뚝(2)의 선단에 부착하여 지반이 말뚝 내부로 유입되지 못하게 하고 강관말뚝 내부에서나, 천공 케이싱 내부에서 헴머의 자유낙하에 의해 선단 지반을 다짐하는 선단 헴머 다짐 공법이다.

폐쇄형 선단슈(4)의 하단은 선단 지지력(11)으로 인하여 원형 슈 중앙에서 응력이 최대가 발생되므로 원형 선단슈 중앙에서 재료 단면이 최대(7)가 되게 하기 위하여 원추형이나 십자형으로 만든다. 선단슈 상단은 원형 헴머의 경타 응력이 원형 선단슈에 균등하게 전달되고 선단슈가 변형이 작도록 평평하게(8) 한다. 말뚝의 직경이 큰 경우 선단 지지력에 의한 선단슈 중앙에 응력집중이 증가하므로 선단슈 두께를 증가하고 중앙의 재료 단면(7)을 크게 하기 위하여 원추형 선단슈 각도를 더 뾰족하게 하거나 보강 십자형 철판을 추가한다.

원추형 선단슈(도 2)는 자갈이 포함된 지반에서 자갈과 선단슈의 마찰을 적게 하기 위한 선단슈이다. 보강십자형 선단슈(도 3)의 보강십자 형상은 중앙 쪽 재료 단면(7)이 크고 원주 쪽의 재료 단면을 작게 한다. 부력이 우려되는 경우, 강관말뚝 내부로 물이 들어가도록 선단슈 일부분을 용접(3)하지 않고 남겨 둔다.

콘크리트 말뚝에 사용될 분리 가능한 선단 슈(도 4)는 긴보강 링(9)을 만들어 지중 다짐 후 선단슈가 케이싱과 쉽게 분리되도록 선단슈 분리용 공간 (14)과 부분 용접(15)을 한다.

헴머(6)가 약간 기울어 자유낙하 시 선단슈의 일부분에 응력이 집중되어 선단 슈가 변형되므로 응력집중을 작게 발생하도록 큐션 재(5)를 넣는다. 큐션 재는 흙을 사용할 수 있으며 흙의 두께는 헴머의 무게,말뚝 내부 직경과 헴머 외경과의 차이, 말뚝의 직경을 고려하여 선단슈에 채운다.

선단지반 헴머 다짐 공법

강관매입말뚝 시공 (도 1)인 경우, 지상에서 폐쇄형 선단슈를 강관말뚝의 선단에 용접(3)한다. 천공한 구멍(4)에 선단슈가 용접된 강관말뚝을 넣고 헴머(6)를 말뚝내부에 넣어 자유 낙하시켜 선단지반을 다짐하여 선단지지력(11)을 개선한다.

케이싱 없이 천공한 콘크리트 말뚝 시공 (도 7)인 경우, 케이싱과 분리 가능한 선단슈는 지상에서 약간의 타격으로 지중에서 쉽게 분리 되도록 분리형 선단슈에 공간(14)을 두고 부분용접 (15)한다. 케이싱을 천공구멍에 넣고, 선단 헴머 다짐 한 후 케이싱두부 타격으로 케이싱과 선단슈를 분리시키고, 케이싱 인발 시 천공 공벽 붕괴에 의하여 선단에 잔류토가 쌓이므로 공장 제작된 콘크리트 말뚝을 케 이싱내부에 넣고 선단슈를 선단에 남기고 마지막으로 케이싱을 인발 한다.

천공 케이싱과 함께 천공한 콘크리트 말뚝 시공(도 8)인 경우, 케이싱과 함께 천공한 경우 공벽의 붕괴를 방지하기 위해 케이싱만 남기고 오거를 인발한다. 이때 오거 날개에 있던 흙이 선단에 쌓이므로 케이싱을 선단에 쌓인 두께만큼 케이싱을 인발한 후 케이싱 속에서 선단슈 없이 선단헴머 다짐한다. 다짐 후 다짐심도를 측정하기 위해 다짐 전과 후의 심도를 측정한다. 콘크리트 말뚝을 먼저 넣고 케이싱을 마지막으로 인발한다. 현장타설말뚝은 콘크리트를 시공하며 케이싱을 인발한다.

강관말뚝 내부 지중타격공법(도 15)

지하수위가 높고 강관 말뚝의 길이가 크면 보조말뚝이나 선단지반 다짐이 어려울 경우 지반을 천공한 후 지상에서 두개의 강관 말뚝사이에 타격판을 용접한다.타격판을 용접한 강관말뚝을 천공구멍에 넣는다. 타격판은 말뚝선단에서 6배 이상 상부나 지하수위 상부에 위치한다. 강관 말뚝의 선단은 개방하여 강관 말뚝직경의 4배 정도 지반에 관입해야 폐색효과를 낼 수 있다. 타격판은 헴머의 타격에 안전하게 말뚝과 말뚝사이에 용접한다. 강관말뚝 내부에서 헴머의 자유낙하로 타격판을 타격하여 말뚝을 관입시킨다. 타격에 의한 관입이 말뚝 직경의 4배 이상이 어려운 경우 강관말뚝 선단에 폐쇄형 선단슈를 부착하고 헴머의 자유낙하로 타격판을 타격한다. 낙하고는 말뚝의 응력을 고려하여 결정한다.

다짐 정도는 헴머의 무게, 헴머 낙하고, 다짐 횟수에 비례하고 선단 지지력의 크기는 다짐 정도에 비례한다. 헴머의 무게, 낙하고, 다짐 회수는 설계지지력, 말뚝재하 시험, 총 다짐 심도에 따라 결정한다. 다짐 관리기준은 헴머 무게가 결정되면 예비다짐과 말뚝 재하시험을 통하여 헴머 낙하고 총 다짐 심도를 결정한다. 원형 헴머의 무게가 무거울수록 에너지가 커 선단 지지력을 크게 할 수 있지만 설계 지지력과 시공성을 고려하여 적당한 무게를 선택한다.

D : 헴머의 직경(m), L : 헴머의 길이(m)

강관말뚝 내부나 천공케이싱 내부에서 지중 경타하므로 경타에 의한 소음이 감소된다. 본 발명은 항타 소음 때문에 말뚝두부 항타가 어려워 천공 후 강관말뚝을 천공구멍에 넣은 후 경타하는 매입말뚝공법 현장에 적합하다.

강관말뚝의 폐쇄형 선단슈로 선단 유효단면적이 최대가 되고 개단 강관말뚝의 선단이 지반 속 관입량에 따라 발생하는 선단폐색 정도와 이에 따른 선단 지지력변화에 대한 문제를 해결할 수 있다.

말뚝두부 경타 시 낙하고가 증가하면 말뚝의 응력이 증가하고 낙하고를 감소하면 다짐에너지가 감소한다. 에너지를 크게 하기 위해 헴머 무게를 증가하면 시공성이 떨어진다. 선단지반 햄머 다짐 공법은 헴머의 무게와 낙하고에 따라 다짐에너지가 증가하므로 말뚝을 손상시키지 않고 큰 선단 지지력을 얻을 수 있다.

본 발명으로 헴머의 효율을 증대시키고 일정하게 하여 지지력을 일정하게 유지하므로 설계 안전율을 작게 할 수 있어 공사비를 감소시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 말뚝선단 지지력을 크게 하기 위하여 개단 강관말뚝과 콘크리트말뚝 선단에 장착하는 원추형(도 2), 십자보강형(도 3), 콘크리트말뚝 용(도 4) 폐쇄형 선단슈.
2. 강관말뚝(2)의 내부에서 헴머(6)의 자유낙하에 의하여 선단슈를 경타(도 1)하거나 천공 케이싱 속에서 선단슈 없이 선단 지반을 다짐(도 8)하여 선단 지지력을 개선하는 선단지반 헴머다짐 공법.
3. 말뚝내부나 천공 케이싱 내부에서 말뚝 선단 다짐시 헴머의 효율증대를 위해 말뚝의 내경이나 천공케이싱 내경과 헴머 외경과 비율은(수학식 3과 수학식 4) 결정되고 헴머비가 95%이내와 헴머 타격효율을 증가시키기 위한 헴머 가이드(30).
4. 투수성이 크고 지하수위가 높은 지반에서 말뚝 내부에 물이 찬 경우 헴머 다짐을 위한 말뚝 내부의 보조말뚝(18).
5. 헴머의 낙하효율을 증가시키기 위한 유압잭 장치(22).
6. 말뚝 내부나 천공케이싱 내부에서 말뚝 선단 다짐시 헴머무게, 낙하고와 다짐량에 의한 시공관리 방법과 선단 지지력 예측 방법(수학식 2).
7. 천공케이싱 내부에서 선단슈 없이 유압헴머로 선단지반을 다짐하는 방법 (도 13).
8. 타격판을 이용한 강관말뚝의 내부 지중 타격공법(도 15).
9. 원형 선단슈의 두께 산정방법(수학식 5)과 중앙변위 산정방법(수학식 6).

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