KR20070079197A - 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법 - Google Patents

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KR20070079197A
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Abstract

본 발명은 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법은, 구조물이 축조될 지반을 하방향으로 천공하여 천공홀을 형성하는 천공단계; 상기 천공홀에 몰탈 또는 시멘트밀크를 충전시키는 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계; 펄스전원 공급시 상호 이격되어 있는 양전극과 음전극 사이에 펄스방전이 행해지는 방전장치를 상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 충전된 천공홀에 삽입시키는 장치삽입단계; 상기 방전장치에 펄스전원을 공급하여 펄스방전을 수행하여, 상기 펄스방전이 행해진 영역에서의 상기 천공홀 둘레의 천공벽을 바깥쪽으로 다짐시킴으로써 상기 천공홀을 확장시키는 확공단계; 상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생됨으로써 형성되는 말뚝의 지내력이 향상되도록, 기성말뚝을 상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 충전되어 있는 천공홀에 삽입시키는 기성말뚝삽입단계; 및 상기 충전된 몰탈 또는 시멘트밀크가 경화되는 양생단계;를 포함하여 이루어져, 상기 기성말뚝을 내포한 형태로 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생됨으로써 형성되는 말뚝에는, 상기 펄스방전이 행해진 부분에 볼록하게 돌출된 구근이 형성되는 것에 특징이 있다.
펄스 방전

Description

기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법{Pulse discharged pile method using precast pile}
도 1은 종래의 SIP공법에 대한 개략적 구성도이다.
도 2는 종래의 DRA공법에 대한 개략적 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에 관한 개략적 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법을 설명하기 위한 개략적 구성도이다.
도 5는 확공단계에 사용되는 펄스파워시스템의 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 펄스파워시스템에서 발생되는 힘을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 펄스방전에 의한 확공을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도3에 도시된 장치삽입단계와 확공단계를 설명하기 위한 개략적 구성도이다.
도 9는 도 3에 도시된 두부정리단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 3에 도시된 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에 의해 형성된 말뚝을 인발한 상태의 사진이다.
도 11은 조립토층에서 대표적인 N치에 대하여 펄스방전 횟수를 변경했을 경우에 대한 확공계수를 나타낸 그래프이다.
도 12는 조립토층에서 N치와 확공계수에 대한 관계를 나타낸 그래프이다.
도 13은 점성토지반에서 펄스방전 횟수와 확공계수에 대한 관계를 나타낸 그래프이다.
도 14는 펄스방전횟수에 따른 토질별 평균 확공계수를 나타낸 도표이다.
도 15 및 도 16은 도 3에 도시된 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에서 발생되는 소음의 정도를 나타낸 그래프이다.
도 17은 도 3에 도시된 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에서 발생되는 진동의 정도를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 ... 천공단계 20 ... 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계
30 ... 장치삽입단계 40 ... 확공단계
50 ... 재충전단계 60 ... 기성말뚝삽입단계
70 ... 양생단계 80 ... 두부정리단계
본 발명은 매입말뚝공법에 관한 것으로서, 특히 펄스방전에 의하여 말뚝에 볼록한 구근을 다수 형성하여 선단지내력 뿐만 아니라 주면마찰력을 향상시킴으로 써, 천공깊이를 상대적으로 낮게 할 수 있으며 이에 따라 시공의 경제성이 확보될 수 있도록 구조가 개선된 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에 관한 것이다.
1990년대 이후 말뚝기초의 항타로 인한 지반진동 및 소음 등 민원발생사례가 급증하면서 선굴착에 의한 저소음, 저진동공법, 특히 SIP(soil cement injected precast pile)공법의 적용이 보편화 되었다. 이러한 SIP공법이 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 상기 SIP공법은 말뚝직경보다 100mm 정도 큰 직경을 갖는 연속 날개 또는 교반용 날개를 부착한 오거(Auger)로 지반을 선 굴착한 후 굴착공내에 시멘트 밀크(cement milk)를 주입하고 오거 날개를 상하로 회전시켜 굴착공 내의 토사와 교반한 후 말뚝을 삽입하고 드롭(drop) 또는 하이드로릭 해머(hydraulic hammer)로 최종 경타방식으로 말뚝을 시공하는 방식이다.
상기 SIP공법과 같은 매입말뚝공법은 다음과 같은 문제가 있다. 첫째, 오거스크류를 통해 굴착배토시에 발생하는 지반교란과 응력이완으로 인하여, 매입말뚝 의 주면마찰력은 직항타에 의한 타입말뚝의 주면마찰력에 비하여 약 60%로 상당히 작게 나타난다. 둘째, 선단근고액을 충분히 재주입하여 교반해 주지 않으면, 천공시 발생하는 슬라임의 처리가 완전하지 못하여 굴착공 저면에 슬라임이 잔존하게 되어 말뚝의 선단부가 슬라임 위에 놓이게 됨으로써 말뚝의 선단지지력이 매우 취약하게 될 뿐만 아니라 상당히 큰 변위가 발생하게 된다. 따라서 말뚝의 지내력 증대를 위해서는, 상기한 바와 같이, 최종적으로 경타를 해야 하는데, 일반 항타말뚝을 경타할 경우 보다는 작지만 상당한 크기의 소음과 진동이 발생하기 때문에 완전한 저소음, 저진동 공법이라 할 수 없을 뿐만 아니라 최종 항타시 말뚝재료의 파 손 등의 문제점이 발생한다. 즉, 기존의 배토굴착에 의한 선 굴착공법은 필연적으로 지반교란을 수반하게 됨에 따라, 시멘트 밀크에 의해 주면 마찰력을 기대할 수 있더라도 그 효과는 불확실하며 이를 보완하기 위해 최종 항타를 통해 선단지내력을 증대시킬 필요가 있을 뿐만 아니라, 이 과정에서 추가로 말뚝의 파손 가능성이 있으며 최종 경타가 반드시 수반되어야 하므로 문제이다.
이러한 단점을 보완하기 위해서 여러 가지 방안들이 시도되었는데, 그 중 대표적인 것이 SAIP(Special Auger & soil-cement Injected Precast pile)공법과 DRA(Double Rod Auger)공법 및 SDA(Separated Dounught Auger) 등을 들 수 있다. 상기 DRA공법이 도 2에 도시되어 있다. 특히 SDA공법은 케이싱을 사용하여 천공으로 인한 공벽의 붕괴 및 지반의 응력이완을 최소화 하였다.
그러나, 이들 공법 또한 상기 SIP공법이 지니고 있는 한계 즉, 케이싱 인발후 굴착공의 함몰로 인한 주면마찰력 저하 문제와 굴착공 저면의 슬라임 처리 문제로 인한 선단지지력 저하 문제를 지니고 있다.
따라서 상기 공법들의 말뚝 지내력(地耐力, bearing capacityof soil)을 증대시키기 위해서는, 말뚝길이를 충분히 증가시켜 주면마찰력을 확보하여야 할 뿐만 아니라, 굴착공 저면의 슬라임이 없는 양질의 선단지지층까지 말뚝을 근입시켜야 하는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 공법들도 최종적으로 말뚝을 경타하기 때문에 말뚝의 파손은 물론 소음과 진동이 발생된다는 문제점이 있었다.
이러한 이유들로 인해 상기 공법들은 과도한 공사비와 공기지연의 문제, 소음진동 등 환경문제에 봉착하게 된다. 따라서, 천공깊이를 낮게 하면서도 충분한 주면마찰력과 선단지지력이 확보될 뿐만 아니라 지반조건에 따른 적용성이 탁월하면서도 경제적인 새로운 말뚝공법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 말뚝에 물리적인 경타를 가하지 않음으로써 저소음, 저진동으로 시공가능하며, 말뚝의 선단면적과 주면면적이 증가되어 연약한 지반에서도 말뚝길이를 감소시킬 수 있어 매우 경제적이며, 지반조건에 따른 적용성이 탁월할 뿐만 아니라, 몰탈만이 충전된 형태의 현장타설말뚝의 한계로 지적되는 안정성을 해결하기 위하여 기성말뚝을 매입시킴으로써 안정성을 확보한 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법은, 구조물이 축조될 지반을 하방향으로 천공하여 천공홀을 형성하는 천공단계; 상기 천공홀에 몰탈 또는 시멘트밀크를 충전시키는 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계; 펄스전원 공급시 상호 이격되어 있는 양전극과 음전극 사이에 펄스방전이 행해지는 방전장치를 상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 충전된 천공홀에 삽입시키는 장치삽입단계; 상기 방전장치에 펄스전원을 공급하여 펄스방전을 수행하여, 상기 펄스방전이 행해진 영역에서의 상기 천공홀 둘레의 천공벽을 바깥쪽으로 다짐시킴으로써 상기 천공홀을 확장시키는 확공단계; 상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생됨으로써 형성되는 말뚝의 지내력이 향상되도록, 기성말뚝을 상기 몰탈이 충전되어 있는 천공홀에 삽입시키는 기성말뚝삽입단계; 및 상기 충전된 몰탈 또는 시멘트밀크가 경화되는 양생단계;를 포함하여 이루어져, 상기 기성말뚝을 내포한 형태로 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생됨으로써 형성되는 말뚝에는, 상기 펄스방전이 행해진 부분에 볼록하게 돌출된 구근이 형성되는 것에 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 상기 기성말뚝은 기성 철근콘크리트말뚝, 원심력 PC말뚝, 고강도 PHC말뚝 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 펄스방전에 의하여 확장된 영역에 몰탈 또는 시멘트밀크가 채워짐으로써 상기 천공홀에 충전된 몰탈 또는 시멘트밀크의 수위가 낮아진 것을 보충할 수 있도록, 몰탈 또는 시멘트밀크를 상기 천공홀에 재충전하는 재충전단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 확공단계는 상기 천공홀의 높이방향을 따라 그 심도를 달리하여 적어도 두 군데의 지점에서 상기 펄스방전을 수행하는 것을 포함하여 이루어져 상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생됨으로써 형성되는 말뚝에는 상기 펄스방전이 행해진 적어도 두 군데 이상의 부분에 볼록하게 돌출된 구근들이 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 천공홀이 넓게 확장될 수 있도록, 상기 천공홀 내의 동일 심도에서 상기 펄스방전을 복수회 반복하여 시행하되, 상기 천공홀에 충전된 몰탈 또는 시멘트밀크의 수위가 상기 펄스방전의 전후에 동일하게 유지될 때까지 동일 심도에서 상기 펄스방전을 계속적으로 행하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법을 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에 관한 개략적 흐름도이며, 도 4는 도 3에 도시된 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법을 설명하기 위한 개략적 구성도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법은 천공단계(10), 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계(20), 장치삽입단계(30), 확공단계(40), 재충전단계(50), 기성말뚝삽입단계(60) 및 양생단계(70)를 포함하여 이루어진다.
상기 천공단계(10)는 건물 등 구조물이 축조될 지반(g)을 하방향으로 천공하여 천공홀(11)을 형성하는 단계이다. 상기 천공홀(11)은 다양한 장비에 의하여 형성시킬 수 있지만, 오거스크류(12, auger screw)를 사용하거나, 오거스크류(12)의 외측에 케이싱 스크류(13,casing screw)를 함께 사용할 수 있다. 직경이 작은 천공홀(11)을 굴착하는 경우에는 상기 오거스크류(12)로 충분하다. 다만, 천공되는 지반의 토질에 따라 굴착, 배토시 천공홀이 붕괴할 우려가 있는 경우에는 천공홀이 무너지는 것을 방지할 수 있도록 외측에 케이싱 스크류(13)를 함께 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 오거스크류(12)와 케이싱 스크류(13,casing screw)를 함께 사용한다. 내측 오거스크류(12)와 외측 케이싱 스크류(13)가 상호 다른 방향으로 회전 즉, 역회전하면서 지반을 굴진하며, 굴진과 동시에 오거스크류(12)의 스크류부를 통해 굴착된 토사가 지상으로 배출된다. 상기 외측 케이싱 스크류(13)의 선단에는 지반을 굴착할 수 있는 비트(미도시)가 형성되어 있다. 한편, 이 오거스크류(12)의 내측에는 후술할 몰탈 또는 시멘트밀크를 유출시킬 수 있는 파이 프가 마련되어 있다. 상기 천공작업을 수행할 때는 천공홀(11)이 수직하게 형성되는지 여부를 알 수 있도록 공지의 수평기와 내림추를 사용하며, 천공작업 동안 지속적으로 체크하여야 한다. 본 실시예에서, 상기 천공홀(11)은 수직하게 형성되는 것이 바람직하지만, 천공홀(11)의 수직도가 1/75 이내인 경우 즉, 밑변이 1일 때 높이가 75 이상인 경우는 허용된다. 상기 천공홀(11)의 직경은 다양할 수 있으나, 본 실시예에서는 200mm ~ 400mm로 천공한다. 천공깊이는 축조될 구조물의 하중, 지반의 종류 등에 의하여 달라지지만, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에서는 천공깊이를 SIP공법 등 기존의 선굴착공법에 의한 천공깊이보다 낮게 할 수 있어 경제적이라는 장점이 있다. 예컨대, 기존의 선굴착후 기성말뚝을 매입하는 공법이 이른바 표준관입시험에 의한 N치 50을 기준으로 천공깊이를 설정한다면, 본 발명에 따른 실시예에서는 N치가 50 미만으로 천공깊이를 설정할 수 있다. 본 실시예에서 천공깊이를 낮게 할 수 있는 이유는 추후에 설명하기로 한다. 원하는 심도까지 천공을 행한 후에는 상기 외측 케이싱 스크류(13)와 오거스크류(12)를 인발시킨다.
상기 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계(20)는 천공단계(10)에서 형성된 천공홀(11)에 소정의 조성비로 이루어진 몰탈(21,mortar) 또는 시멘트밀크(21,cement milk)를 충전하는 단계이다. 상기 오거스크류(12)와 케이싱 스크류(13)를 완전히 인발시킨 후 몰탈 또는 시멘트밀크를 충전할 수도 있지만, 케이싱 스크류(13)가 인발됨으로써 천공홀(11)이 붕괴될 우려가 있으므로 오거스크류(12) 및 케이싱 스크류(13)의 인발과 함께 몰탈(21) 또는 시멘트밀크를 충전시키는 것이 바람직하다. 즉, 상기 오거스크류(12)와 케이싱 스크류(13)가 인발되면서, 오거스크류(12)의 내측에 마련되어 있는 파이프를 통해 몰탈 또는 시멘트밀크(21)를 주입한다. 이에 따라, 오거스크류(12)이 인발과 동시에 몰탈 또는 시멘트밀크(21)가 충전된다.
상기 몰탈(21)은 모래와, 시멘트와, 자기응력혼화재와, 유동화제로 이루어진 드라이 몰탈과 물을 혼합하여 이루어진다.
상기 드라이 몰탈의 조성비는 상기 모래 100 중량부에 대하여 시멘트 61.66 중량부, 상기 모래 100 중량부에 대하여 자기응력혼화재 5 중량부, 상기 모래 100 중량부에 대하여 유동화제 0.46 중량부이며, 상기 물은 상기 드라이 몰탈 100 중량부에 대하여 물 16 ~ 20 중량부로 혼합하여 사용한다. 즉, 상기 몰탈(21)은 1m3 당 모래 1200Kg, 시멘트 740Kg, 물 400Kg, 자기응력혼화재 60Kg, 유동화제 5.6Kg을 혼합하여 사용한다. 상기한 조성으로 된 몰탈은 양생이 된 후 고강도를 나타낸다. 또한, 상기 자기응력혼화재는 Al2O3와 SiO2와 Fe2O3와 CaO와 MgO 및 SO3로 이루어지며, 그 조성비는 Al2O3 6.32 중량부와, SiO2 23.22 중량부와, Fe2O3 3.32 중량부와 CaO 57.70 중량부와 MgO 2.82 중량부 및 SO3 4.38 중량부로 되어 있다. 상기한 조성비로 혼합되어 있는 몰탈(21)은 양생시 450Kg/Cm2의 압축강도를 가진다. 상기 유동화제는 분말타입의 나프탈렌계 유동화제를 사용함으로써 작업성이 용이하다. 본 실시예에서, 상기 물의 중량부는 상기 드라이 몰탈 100 중량부에 대하여 20 중량부로 설정되었지만, 지반의 조건에 따라 다르게 적용될 수 있다. 즉, 대수층이 형성 된 곳에서는 물혼합율을 16 중량부로 적용하며, 공벽유지가 어렵고 지하수가 흐르는 층에서는 물혼합율을 18 중량부로 적용하며, 공벽유지가 용이하고 지하수가 흐르지 않는 층에서는 물혼합율을 20 중량부로 적용한다.
한편, 본 공법에서는 몰탈 대신 시멘트밀크(21)를 충전하는 것이 보다 일반적인데 이 때 상기 시멘트밀크(21) 물과 시멘트를 혼합하여 제조되며, 시멘트 100 중량부에 대하여 물 35 ~ 70 중량부로 혼합하는 것이 바람직하다.
상기 장치삽입단계(30)는 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계(20) 후에 행해지는 것으로서, 후술할 펄스파워시스템의 부하인 방전장치(31)를 상기 몰탈 또는 시멘트밀크(21)가 충전된 천공홀(11)에 삽입시키는 단계이며, 상기 확공단계(40)는 장치삽입단계(30) 후에 행해지는 것으로서 상기 방전장치(31)에 펄스전원을 공급하여 이 방전장치(31)에서 펄스방전이 이루어지게 하여 천공홀(11) 둘레의 천공벽(14)을 다짐 및 확장시키는 단계이다. 이하, 장치삽입단계(30)와 확공단계(40)를 함께 설명하기로 하며, 우선 펄스파워시스템(100)과 이 펄스파워시스템(100)의 부하인 방전장치(31)에 의하여 이루어지는 펄스방전에 대하여 살펴보기로 한다.
상기 방전장치(31)는 후술할 펄스파워시스템의 부하로서 상기 몰탈 또는 시멘트밀크(21)내에서 펄스방전을 행하여 천공홀(11)을 확장시키기 위한 것이다. 상기 펄스파워시스템(100)과 방전장치(31)의 구성 및 작용을 설명하기 위한 도면이 도 5 내지 도 7에 도시되어 있다. 도 5는 펄스파워시스템의 구성도이며, 도 6은 펄스파워시스템에서 발생되는 힘을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 펄스방전에 의한 확공을 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 도3에 도시된 장치삽입단계와 확공단계를 설명하기 위한 개략적 구성도이다.
우선, 도 5 및 도 8을 참조하면, 상기 펄스파워시스템(100)은 배전부(110), 충전부(120), 에너지저장부(130), 덤프부(140), 충전레벨측정부(150), 제어부(160), 스위치부(170) 및 송전부(180)를 구비하며, 상기 방전장치(31)는 양전극(32)과 음전극(33)과 절연체(34)를 구비한다.
상기 충전부(120)는 배전부(110)로부터 입력되는 교류입력전원을 승압한 후 정류한다. 상기 에너지저장부(130)는 충전부(120)로부터 제공된 전원을 인가받아 고압으로 충전한다. 이를 위해 에너지저장부(130)에는 캐패시터(미도시)가 구비된다. 캐패시터의 용량은 펄스파워시스템(100)의 충전전압과 출력에너지의 크기에 따라 결정되며, 복수의 캐패시터가 연결된 캐패시터 뱅크의 형태로 구현될 수 있다. E=½CV2이므로, 충전전압이 10kV일 때 60kJ의 출력에너지를 얻기 위해서는 캐패시터의 용량은 1.2mF으로 결정된다. 에너지저장부(130)에 충전된 전압은 용도에 따라 다르나 대개 수십 kV 정도이며, 이 전압은 스위치부(170)의 스위칭동작에 의해 짧은 시간(예를 들면, 1ms) 동안 펄스파워시스템(100)에 연결되어 있는 부하인 상기 방전장치(31)에 인가되어 고압의 펄스를 부하(방전장치,31)에 공급한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에서는 대략 충전전압을 10kV로 하며, 60kJ의 출력에너지를 송출한다. 덤프부(140)는 에너지저장부(130)에 구비된 커패시터와 병렬로 설치되며, 서로 직렬연결된 덤프릴레이(미도시)와 덤프저항(미도시)로 구성된다. 상기 덤프릴레이는 제어부의 제어신호에 의해 단 속 및 개방되며, 시스템의 안전을 위하여 작동 전후 에너지저장부(130)에 구비된 커패시터에 잔류하는 전하를 덤프(dump) 방전시킨다. 덤프저항은 방전전류를 제한하는 역할을 한다. 상기 충전레벨측정부(150)는 에너지저장부(130)에 구비된 캐패시터에 충전된 전압을 측정한다. 상기 제어부(160)는 트리거신호를 출력하여 스위치부(170)의 스위칭동작을 제어한다. 충전전압이 10kV일 때 1ms의 폭을 갖는 펄스에 의해 부하에 60kJ의 에너지를 전달하기 위해서는 적어도 6초의 충전시간이 필요하다. 따라서 스위치부(170)의 동작주기는 6초보다 크게 설정(예를 들면, 7초)되어야 한다. 스위치부(170)는 제어부(160)의 트리거신호에 대응하여 입력되는 구동전원에 의해 단속되어 짧은 시간동안 에너지저장부(130)에 저장되어 있는 에너지를 부하(방전장치,31)에 제공한다. 송전부(180)는 스위치부(170)의 스위칭 동작에 의해 전달된 고전압·고전류의 펄스를 부하에 전달한다. 펄스파워시스템(100)에서 부하는 일정간격 이격된 양전극(32)과 음전극(33)을 갖는 방전장치로, 봉형상으로 이루어져 있다. 이 봉형상의 방전장치(31)의 선단은 첨예한 형상으로 양전극(32)이 마련되어 있으며, 봉형상의 방전장치(31)의 외주면은 음전극(32)으로 형성되며, 양전극(32)과 음전극(33) 사이에는 절연체(34)가 마련되어 있다. 송전부(180)를 통해 고전압·고전류의 펄스가 인가되면 상기 방전장치(31)의 양전극(32)과 음전극(33) 사이에 펄스 방전이 이루어진다.
펄스파워(Pulse power)란 전기방전 현상을 이용한 에너지 압축 기술로서 단위시간당의 에너지 변화량을 나타내는 물리량(dE/dt, 여기서 E와 t는 각각 에너지 및 시간)으로 그 크기는 주어진 에너지를 어느 만큼의 짧은 시간 내에 부하로 방출 하느냐에 의해 결정된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 1J(joule)의 에너지를 1초 동안에 방출하면 1W(watt)의 파워가 되지만 1㎲ (10-6초)의 짧은 시간에 방출하면 단위 시간당의 에너지 변화량이 아주 큰 1MW(106Watt)에 이르는 큰 파워를 가지게 된다. 즉 펄스파워 기술은 일정한 에너지를 매우 짧은 시간에 순간적으로 발산함으로써 매우 큰 힘을 발생하는 기술로서, 기본적으로는 에너지 보존 법칙의 원리에 근거하고 있으며 에너지저장 장치를 통하여 전력변환 혹은 에너지 압축을 이용하는 기술이다.
도 5, 도 7 및 도 8 참조하여 몰탈 또는 시멘트밀크(21) 내에서의 펄스방전 작용을 설명한다. 펄스파워시스템(100)에서 스위치부(170)를 켬과 동시에 충전부(120)에 축적된 고전압이 몰탈 또는 시멘트밀크(21) 내에 들어있는 방전장치(21)의 양전극(32)에 인가된다. 전압인가 후 두 개의 전극(32,33) 사이에서 전기 방전이 시작되고 방전장치(31) 주위에는 작은 공간(버블)이 형성된다. 이 버블은 높은 온도와 압력에 의해 팽창하려고 하는 반면 버블의 외측에서는 이러한 팽창을 억제하려고 함에 따라 그 경계에서 큰 압력차가 발생하여 이 압력차는 충격파로 변환된다. 이때 형성되는 충격파는 유체역학적 작용을 하여 몰탈 또는 시멘트밀크(21)를 통해 천공벽(13, 지반)으로 전해지게 되며 몰탈 또는 시멘트밀크(21)를 매질로 하는 천공벽(14)에 충격파가 접속되면 천공벽(14)과 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 임피던스가 현저히 다르기 때문에 이 경계면에서는 반사가 일어나게 되고 이 반사에 의해 충격파가 닿은 면에 있는 천공벽(14)은 순간적으로 압축되고 곧 팽창되기 때 문에 이 천공벽(14)에는 다짐 현상이 일어나게 되어 천공홀(11)이 확장되게 된다. 그와 동시에 이미 팽창된 공간(버블) 내부의 압력이 주위 매질 즉 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 압력보다 낮아지게 되어 상기 천공홀(11)에서 펄스방전에 의하여 확장된 공간은 몰탈 또는 시멘트밀크(21)로 채워지게 된다. 즉, 펄스파워시스템(100)이 작동되면, 상기 몰탈 또는 시멘트밀크(21)가 충전된 천공홀(11)에 삽입되어 이 펄스파워시스템(100)의 부하로 작용하는 방전장치(31)의 양전극(32)과 음전극(33) 사이에 방전이 일어나게 되고, 이에 따라 천공홀(11) 중 상기 방전장치(31)가 위치되어 있는 심도에서는 방전에 의하여 천공홀(11)이 확장된다.
펄스충격파는 상기 천공홀(11)을 확장시키에 충분한 힘을 발휘하는데, 예컨대 10-4-10-5초의 시간에 1kj의 에너지는 펄스파워로 환산하면 0.2~0.834g 무게의 다이너마이트가 폭발할 때 생기는 힘과 동일한 수준이 된다. 그러나, 상기 펄스충격파의 영향범위는 중심으로부터 반경 1.2m로 한정됨으로써 주변에는 1.2m 지점 밖에서는 영향을 미치지 않는다. 뿐만 아니라, 펄스충격파의 힘은 폭발중심부에서 매우 크지만 폭발중심부에서 멀어짐에 따라 급격하게 감소된다. 즉, 폭발중심부에서는 그 힘이 107MPa 이며, 반경 0.20m 범위에서는 100MPa이며, 반경 1.0m 범위에서는 3.56MPa이고, 반경 1.2미터에선 1.32MPa이 된다. 이에 따라, 상기 천공홀(11)에 근접된 주변부를 제외하고는, 천공홀(11)로부터 약간이라도 떨어져 있는 다른 건물이나 시설 및 지반에는 상기 펄스파의 영향력이 없으므로, 소음, 진동 등 민원이 발생할 우려가 없으며 주변의 지반구조를 취약하게 하지도 않는다는 장점이 있 다. 한편, 몰탈 또는 시멘트밀크(21) 내에서 전기방전이 일어날 경우 펄스파는 유체역학적 작용으로 혼합된 시멘트입자를 100㎛에서 2~10㎛의 크기로 잘게 부수게 된다. 이렇게 시멘트입자가 고와지게 되면 그 밀도가 증가하여 시멘트의 강도가 증가(20~25%)하게 된다. 또한, 전기 방전시 몰탈 또는 시멘트밀크(21) 내 물분자의 수소와 산소결합이 파괴되어 이온화현상이 일어난다(전기 방전이 일어나면 100℃의 온도에서 가열할 때 볼 수 있는 현상인 물분자의 70% 이상의 수소분리현상이 나타난다). H+와 OH- 이온이 물보다 작은 크기와 그 운동성 때문에 화학적 분산을 통해 시멘트 혼합물 속으로 쉽게 들어 갈 수 있고 대부분의 시멘트에 매우 빠른 수화작용을 일으켜 몰탈 또는 시멘트밀크의 강도는 높아지고(20~25%) 모세관 성질은 더욱 강해진다. 이렇게 펄스방전에 의하여 시멘트의 강도가 증가되고 모세관 성질이 강화되면, 이후 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생되어 형성되는 말뚝의 강도가 증가하여 높은 지내력을 발휘할 수 있게 된다는 장점이 있다.
상기한 바와 같이 펄스방전에 의하여 천공홀(11)을 부분적으로 확장시키기 위하여, 우선 장치삽입단계(30)에서는, 도 8의 첫 번째 도면에 도시된 바와 같이, 방전장치(31)를 몰탈 또는 시멘트밀크(21)가 충전되어 있는 천공홀(11)에 삽입시킨다. 삽입심도는 말뚝의 설계에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로는 천공홀(11)의 하부에 삽입시킨다. 상기 방전장치(31)는 케이블(35)을 통해 펄스파워시스템(100)과 연결되어 있으므로, 케이블(35)을 잡고 이 방전장치(31)를 하강시킨다. 방전장치(31)가 천공홀(11)에서 원하는 심도에 배치되면 확공단계(40)로 진입하여, 도 8의 두 번째 도면에 도시된 바와 같이, 펄스파워시스템(100)에 전원을 인가함으로써 이 방전장치(31)로부터 펄스방전이 이루어지게 한다. 동일 심도에서 몇 번의 방전을 행할 것인가는 지반의 성질과 축조될 구조물의 하중 등을 고려하여 설정한다. 펄스방전에 따른 확공율은 뒤에서 상술하겠지만, 펄스방전의 횟수가 증가하면 일정 횟수까지는 천공홀(11)이 확장되는 경향을 보이며 이에 따라 말뚝의 지내력도 향상된다. 그러나, 수차례의 방전으로 천공홀(11)이 확장되면 방전중심부로부터 천공벽(14)까지의 거리가 멀어질 뿐만 아니라 방전에 의하여 천공벽(14)이 다짐되므로, 방전에 의하여 더 이상 천공홀(11)이 확장되지 않게 된다. 이에 따라, 본 실시예에서는, 천공홀(11)이 넓게 확장될 수 있도록 상기 방전장치(31)를 천공홀(11)의 동일심도에 배치한 상태에서 펄스방전을 복수 회 반복하여 시행한다. 이 펄스방전에 의하여 천공홀(11)이 확장되면, 천공홀(11)에 채워져 있는 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 수위가 낮아지게 된다. 즉, 기존의 천공홀(11)에서 확장된 영역만큼 몰탈 또는 시멘트밀크(21)가 채워져 들어가기 때문에 천공홀(11) 내에서의 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 수위는 낮아지게 된다. 그러나, 펄스방전에 의하여 더 이상 천공홀(11)이 확장되지 않는다면, 펄스방전의 전후에 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 수위가 일정하게 유지될 것이다. 본 실시예에서는, 상기한 바와 같이 동일심도에서 펄스방전을 복수회 행하지만, 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 수위를 통해 천공홀(11)의 확공여부를 확인하여 더 이상의 확공이 진행되지 않는 경우 그 심도에서의 펄스방전을 완료한다. 펄스방전이 행해진 영역에서의 천공홀(11)은 외측으로 볼록한 형상으로 된다. 이렇게, 천공홀(11)의 일정 심도에서 펄스방전이 완료 되면, 상기 방전장치(31)를 천공홀(11)의 높이방향을 따라 이동시켜 방전장치(31)가 배치된 심도를 다르게 한다. 일반적으로 천공홀(11)의 하부에서부터 1m ~ 2m 간격 정도 이격시키며, 본 실시예에서는 1m 간격으로 심도를 달리하여 방전을 행한다. 천공홀(11)의 전체 높이에 걸쳐 펄스방전을 완료하면 상기 확공단계(40)는 완료된다. 상기 확공단계(40)가 완료되면 상기 천공홀(11)은 올록볼록한 형상으로 형성된다.
상기한 바와 같이, 확공단계(40)에서 천공홀(11)이 확장되면 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계(10)에서 천공홀(11)에 완전히 충전되었던 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 수위가 낮아지게 된다. 이에 따라, 천공홀(11) 전체에 몰탈 또는 시멘트밀크(21)를 채우기 위해서는 몰탈 또는 시멘트밀크(21)를 보충해주어야 하며, 이러한 단계가 상기 재충전단계(50)이다. 이 재충전단계(50)에서는 상기 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계(10)에서 충전시킨 몰탈 또는 시멘트밀크와 동일한 몰탈 또는 시멘트밀크를 천공홀(11)에 주입함으로써 완료된다. 재충전단계(50)는 확공단계(40)의 완료후에 행해질 수도 있지만, 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 수위를 육안으로 정확하게 확인하기 위해서는, 확공단계(40)에서 방전에 의하여 몰탈 또는 시멘트밀크(21)의 수위가 낮아질 때마다 몰탈 또는 시멘트밀크(21)를 재충전하는 것이 바람직하다.
상기 기성말뚝삽입단계(60)는 확공단계(40) 후에 행해지는 것으로서, 상기 천공홀(11)에 충전된 몰탈 또는 시멘트밀크(21)가 양생됨으로써 형성되는 말뚝의 지내력을 향상시키기 위한 것이다. 즉, 기성말뚝을 상기 몰탈 또는 시멘트밀크 (21)가 채워진 천공홀(11)에 삽입시킨다. 이 기성말뚝은 철근콘크리트말뚝(precast reinforced concrete pile), PC말뚝(prestressed concrete pile) 또는 PHC말뚝(pretensioned spun high strength concrete pile) 등이 채용될 수 있다.
상기 철근콘크리트말뚝은 비교적 큰 지내력을 필요로 하는 경우이든가 지하 수위가 깊은 곳에 널리 사용되는 말뚝으로서 말뚝의 최소 철근비는 1% 이상이며, 콘크리트 강도는 400Kg/cm2 정도이다. 이러한 기성 철근콘크리트말뚝 중 원심력 철근콘크리트말뚝(centrifugal reinforced concrete pile)은 중공형의 말뚝으로 콘크리트 밀도와 강도가 비교적 높은 편이다. 이 원심력 철근콘크리트말뚝은 재질이 균일하고 강도가 크다는 장점이 있다.
상기 PC말뚝은 피아노선(steel wire)을 미리 인장하여 그 주위에 콘크리트를 쳐서 경화한 후 인장력을 주는 프리텐션(pretension) 방식과 콘크리트가 경화한 후 구멍속에 PC강선 또는 강봉을 넣고 인장을 주는 포스트텐션(posttension) 방식이 있다. 상기 PC말뚝은 균열이 생기지 않으므로 강제부식이 없어 내구성이 크다는 장점이 있다.
상기 PHC말뚝은 PC말뚝의 콘크리트 압축강도 500Kg/cm2보다 PC선을 더 인장한 후 특수 배합의 콘크리트를 압력솥(autoclave) 양생에 의해서 압축 고강도가 800Kg/cm2이상까지도 생산되고 있는 말뚝을 말한다. 이 PHC말뚝은 허용압축응력이 상당히 크므로 축방향 하중에도 잘 견디며 휨 내력이 크고 균열이 없다는 장점이 있다.
상기한 기성말뚝들은 별도의 공장에서 안정적으로 제조되므로 내구성 등 말뚝의 품질이 보장된다. 이에 따라, 상기 천공홀(11)에 삽입되어 몰탈 또는 시멘트밀크(21)와 함께 본 발명에 따른 말뚝을 형성하게 되면, 매우 높은 강도와 지내력을 가지게 된다는 장점이 있다.
상기 기성말뚝삽입단계(60)가 완료되면 양생단계(70)로 넘어간다. 양생단계(70)에서 일정 시간이 경과하면 상기 천공홀(11)에 충전되어 있는 몰탈 또는 시멘트밀크(21)가 경화되어 본 발명의 바람직한 실시예에 말뚝이 형성된다. 이 말뚝에 대한 사진이 도 10에 도시되어 있다. 도 10은 도 3에 도시된 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에 의해 형성된 말뚝을 인발한 상태의 사진으로서, 후술할 두부정리단계를 거치지 않은 형태이다. 도 10을 참조하면, 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생되어 형성된 말뚝의 외주면에 볼록하게 돌출된 구근이 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 구근이 형성된 지점이 방전이 행해진 영역이며, 도 10에서는 천공홀의 높이방향을 따라 복수회 방전이 행해졌다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 몰탈 또는 심멘트밀크가 경화되면 도 9에 도시된 바와 같이 지반(g)위로 돌출되어 있는 말뚝의 상부(85)에 주름관(81) 등을 끼워 말뚝의 두부를 정리한다.
이하, 상기한 구성으로 이루어진 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법의 시험 실시예를 설명하며 본 발명의 작용과 효과를 설명하기로 한다.
우선 펄스방전에 따른 천공홀의 확공율에 대하여 알아본다.
지층별 확공률을 알아보기 위해서 여러 지반조건 에서 시험시공을 하였다. 정확한 측정을 위해서 우선 지층을 크게 조립토지반 구간과 세립토지반 구간으로 나누었으며 각 구간에 대해서도 표준관입 시험타격 횟수에 따라 다시 N치가 0~10, 11~20, 그리고 21~40이상인 층으로 나누었다. 여기서 조립토와 세립토의 구분은 일반적인 통일분류법(Unified Soil Classification System)을 따랐다. 일반적으로 조립토는 자갈질 모래, 모래, 모래자갈, 씰트질 모래등을 포함하며, 세립토는 씰트와 점토를 의미한다. 일단 지층별 분류가 끝나면 같은 길이의 말뚝을 여러개를 타설하여 각 구간에 대해서 펄스 파워방전 회수를 바꾸어 가면서 몰탈 또는 시멘트밀크의 하강 깊이를 측정하였다. 펄스 파워방전은 선단에서 부터 평균 1.0m 간격으로 주었으며, 각각의 경우에 대한 정확한 몰탈 또는 시멘트밀크의 하강깊이를 측정하기 위해서 매번 계획된 펄스파워를 방전한 후 작업을 멈추고 몰탈 또는 시멘트밀크의 하강깊이를 측정하였다. 측정한 후에는 다시 몰탈 또는 시멘트밀크를 초기 위치까지 채운 다음 위 작업을 반복하였다. 현장에서 측정한 데이타는 아래의 확공률과 확공계수를 계산하는데 이용되었다.
Figure 112006007690901-PAT00001
여기서, ER = 확공률, Vfinal = 확공된 구의 체적,
V0 = 초기 구의 체적(확공되기 전의 천공홀의 직경으로 형성되는 구)
ΔV = 체적증가량, do = 초기 구의 직경(천공홀의 직경),
Δh = 몰탈 또는 시멘트밀크의 하강깊이
상기 식으로부터 몰탈 또는 시멘트밀크의 하강 깊이를 알면 확공률을 계산할 수 있다. 한편, 확공계수는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112006007690901-PAT00002
실험데이터와 연산결과는 도 11 내지 도 14에 도시되어 있다. 도 11은 조립토층에서 대표적인 N치에 대하여 펄스방전 횟수를 변경했을 경우에 대한 확공계수를 나타낸 그래프이며, 도 12는 조립토층에서 N치와 확공계수에 대한 관계를 나타낸 그래프이고, 도 13은 점성토지반에서 펄스방전 횟수와 확공계수에 대한 관계를 나타낸 그래프이며, 도 14는 펄스방전횟수에 따른 토질별 평균 확공계수를 나타낸 도표이다. 도 11 이하의 도면에서 SPT로 표시된 것은 표준관입시험에 의한 N치를 나타낸다.
도 11은 조립토층에서 대표적인 N치에 대해 펄스 방전 횟수를 변경했을 경우에 대한 확공계수를 보여준다. 그림에서 보다시피, 확공계수는 펄스 파워방전 횟수를 증가 시키면 따라서 증가하고 있음을 보여주고 있다. 이러한 경향은 각각의 층별로 비슷함을 알 수 있다. 다만 표준관입 타격회수 N치(SPT), 이 10이하인 구간에서는 확공이 펄스 파워방전에 거의 선형의 관계가 있음을 보여주고 있으나, 그 이상의 지층에서는 약간 다른 경향을 보여주고 있다. 즉, 펄스 파워방전 횟수가 20 이하에서는 세개의 지층 모두 거의 선형의 관계를 보여주고 있으나 펄스 파워방전 회수가 20이상에 되면 표준관입 타격횟수 20 이상인 지층에서는 접선의 기울기가 점점 감소하고 있음을 알 수 있다. 이는, 다시 말하면, 펄스 파워방전이 일정 횟수 이상이 되면 더 이상 지반의 확장에 영향을 주지 못한다고 말 할 수 있다.
도 12는 같은 조립토층에 대한 펄스 파워방전 회수를 각각 10회, 20회 그리고 40회 주었을 때의 확공계수를 표준관입 시험 타격횟수 N치(SPT)에 대해 나타낸 것이다. 그림에서 보면, 펄스 파워방전 횟수가 낮을수록 확공이 되는 효율이 적게 나타나고 횟수가 증가 할수록 효율이 커짐을 알 수 있다. 또한 각 지층 모두 전반적으로 N치가 증가할수록 확공되는 효율이 줄어드는 경향을 보여주고 있다. 특이한 점은, 펄스 파워방전 횟수가 10에서는 확공계수가 전반적으로 낮은 값을 나타내고 감소율도 완만한 곡선을 나타내는 반면 펼스 파워방전 횟수가 20회 이상이 될 경우는 확공계수가 대체적으로 큰 값을 나타내며 기울기도 좀 더 가파른 것으로 나타났다. 하지만 좀 더 자세히 살펴보면 데이터의 분산이 크게 나타남을 알 수 있다. 다시 말하면, 똑같은 N치(SPT)를 갖는 지반에 대해서 똑같은 횟수의 펄스를 방전 했음에도 불구하고 확공계수가 작게는 약 3%에서는 크게는 10%이상 차이를 보이고 있음을 볼 수 있다. 이러한 차이는 깊이의 차이에서 오는 것으로 판단된다. 즉 깊이가 얕은 곳에서는 상재하중이 낮기 때문에 그 만큼 구속압이 작아져 펄스 에너지의 손실이 큰 반면 깊은 곳에서는 상대적으로 상재압력이 크기 때문에 펄스 에너지의 손실을 줄일 수 있어 그 만큼 효율적으로 지반을 확장시키기 때문인 것으로 판단된다. 결과적으로 지반의 확장은 지반의 조건 및 펄스 방전 횟수와 더불어 깊이에 따라서도 영향을 있음을 알 수 있다.
도 13은 세립토층에서 대표적인 N치(SPT)에 대해 펄스 파워방전 횟수를 변경했을 경우에 대한 확공률을 보여준다. 그림에서는 점토층의 평균 N치가 하나의 대표치에 대한 값을 보여주고 있는 이는 시험 시공현자의 점토층이 그리 두텁지 못했 기 때문이다. 그림을 보면, 조립토층과는 다르게 펄스 파워방전 횟수가 증가 하더라도 확공계수에는 큰 변화가 나타나지 않는다. 뿐만 아니라 확공계수도 조립토층 지반에 비해 현저하게 떨어짐을 알 수 있다. 즉 펄스 파워방전의 효과가 세립토층 지반에서는 크게 발휘되지 않고 있음을 알 수 있는데, 이는 흙 입자가 너무 작기 때문인 것으로 판단된다. 다시 말하면, 조립토층 지반에서는 펄스 파워방전시 생기는 높은 압력이 상대적으로 투수계수가 큰 지반의 벽을 밀때 공극을 채우고 있던 간극수가 배수가 되면서 순간적으로 압축이 일어나면서 확공이 이루어 지는 것으로 판단되지만, 세립토 지반의 경우 투수계수가 매우 낮기 때문에 간극수가 배수되기에는 너무 순간적이 압력이 가해지므로 조립토 지반에 비해 압축이 덜 생기는 것으로 판단된다. 결과적으로 펄스 파워방전에 의한 확공효과는 입자가 큰 지반에서 가장 큰 효과가 있음을 알 수 있다.
상기 결과를 정리해보면, 펄스방전에 의한 확공효과는 표준관입시험에 의한N치가 낮고 펄스방전 횟수가 높을수록, 그리고 심도가 깊고 입자가 클수록 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.
도 14에는 상기의 분석을 토대로 퇴적토 지반의 각 토질별 평균 확공률 및 확공계수를 보여주고 있다. 도 14를 참조하면, 확공률은 지반의 N치가 낮을수록, 방전회수가 많을수록 증대되는 것을 알 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에서 발생되는 소음과 진동의 정도를 알아보는 시험을 시행하였으며, 그 결과가 도 15 내지 도 17에 나타나 있다. 도 15 및 도 16은 도 3에 도시된 기성말뚝 매입식 펄스 방전 말뚝공법에서 발생되는 소음의 정도를 나타낸 그래프이다.
소음 측정은 소음진동 공정시험방법에 의하여 실시하였다. 측정위치는 천공위치로 부터 이격거리별로 선정하였으며, 소음측정은 소음계를 지면으로부터 1.5m 높이에 설치하고 소음계의 마이크로폰을 소음원의 방향으로 설치하고 소음계의 동특성은 패스트(Fast)반응으로 공정하여 측정하였다. 또 소음계의 청감보정회로는 A특성에 의해 보정된 측정치를 사용하여 파일의 시작부터 마지막 작업시까지의 값 중에서 최대값을 소음레벨의 측정값으로 하였다. 여기서 말하는 소음레벨은 대상의 소음의 레벨을 의미한다. 좀더 자세히 살펴보면 소음에는 크게 배경소음과 대상소음이 있는데, 배경 소음이란 측정하고자 하는 장비가 멈춘 상태의 주위의 장비소음을 의미하고 대상소음이란 주위 장비소음에 측정하고자 하는 장비의 소음을 더한 소음을 의미한다. 일반적으로 건설현장에서 건설소음은 건설기계를 사용할 때 발생하는데 건설장비는 그 종류가 다양할 뿐만 아니라 발생소음이 같은 기계라도 사용목적 및 운전조건에 따라 상이하며 공사현장의 주변상황이나 배경소음에 크게 영향을 받는다. 따라서 배경소음이 대상소음과 크게 차이가 나지 않으면 측정된 대상소음은 배경소음에 따라 보정을 해 주어야 한다.
도 15는 시험시공시 거리별로 측정한 각각의 배경소음, 대상소음, 그리고 최대값을 보여준다. 도면에서 나타난 각 소음은 등가 소음으로 표시되는데 등가소음이란 임의의 측정시간동안 발생한 변동소음의 총 에너지를 같은 시간내의 정상소음의 에너지로 등가하여 얻어진 소음을 의미한다. 도 16은 시험에서 측정된 대상 등가소음을 소음원의 위치에서 부터 이격거리별로 나타낸 것이다. 도면에서 보다시 피 대부분의 측정값들이 소음 규제 기준인 70dB 아래에 분포하고 있어 소음에 의한 주위 영향은 크지 않음을 알 수 있다. 하지만 소음원에서 거리가 멀어질수록 소음레벨이 떨어지는 양상을 보이는 2차 측정과는 달리 1차 측정에서는 이격거리와는 상관없이 거의 일정한 값들을 보여주고 있다. 이는 측정당시에 주위에 많은 본 공법과 상관없는 건설 장비들이 가동되고 있어 대상장비의 정확한 측정이 힘들었기 때문일 것으로 판단된다. 결과적으로 대상 소음과 배경소음이 차이가 크지 않다는 것은 그만큼 측정된 값의 대부분이 배경소음에 해당된다고 볼 수 있으며 이는 실질적으로 본 공법에 의해 발생하는 소음은 상대적으로 매우 낮다고 판단할 수 있다.
도 17은 도 3에 도시된 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법에서 발생되는 진동의 정도를 나타낸 그래프이다. 진동 측정은 소음측정과 마찬가지로 소음진동 공정시험방법에 의하여 실시하였다. 진동측정은 진동측정기(Vibration Level Meter) VM-52라는 장비를 이용해서 측정하였다. 또한 진동 측정도 콘크리트 파일의 시작부터 마지막 작업시까지의 값 중에서 진동에너지의 최대값을 측정값으로 하였다. 도 18에는 깊이별로 측정한 진동레벨이 나타나 있다. 도면을 보면 지표면에서 - 4m를 기점으로 그 위쪽으로는 진동규제 기준치인 65dB 를 약간 상회하는 것을 알 수 있다. 하지만 그 상회폭도 매우 작을 뿐만 아니라 말뚝의 상부에서는 펄스방전에 의한 확공효과가 경감하는 이유로 방전을 거의 하지 않기 때문에 이 정도는 충분히 무시할 수 있을 정도라 판단된다. 결론적으로 말하면, 전반적으로 측정값들이 기준치 아래에 분포하고 있어 규제 조건을 만족한다고 보여지며 이는 펄스 방전에 의해 발생하는 진동역시 주위에 별다른 영향을 주지 않는다고 판단할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법은 저소음과 저진동으로 모든 건설환경에서 적응할 수 있으며, 구근의 형성으로 인해 주면마찰력이 크게 증대되어 천공깊이를 낮게할 수 있어 경제적일 뿐만 아니라, 연약지반이 깊게 형성되어 있는 지층에서도 말뚝의 지내력을 보장할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 기성말뚝을 매입함으로써 지내력을 안정적으로 확보할 수 있고 안전성이 보장될 수 있다는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 구조물이 축조될 지반을 하방향으로 천공하여 천공홀을 형성하는 천공단계;
    상기 천공홀에 몰탈 또는 시멘트밀크를 충전시키는 몰탈 또는 시멘트밀크 충전단계;
    펄스전원 공급시 상호 이격되어 있는 양전극과 음전극 사이에 펄스방전이 행해지는 방전장치를 상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 충전된 천공홀에 삽입시키는 장치삽입단계;
    상기 방전장치에 펄스전원을 공급하여 펄스방전을 수행하여, 상기 펄스방전이 행해진 영역에서의 상기 천공홀 둘레의 천공벽을 바깥쪽으로 다짐시킴으로써 상기 천공홀을 확장시키는 확공단계;
    상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생됨으로써 형성되는 말뚝의 지내력이 향상되도록, 기성말뚝을 상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 충전되어 있는 천공홀에 삽입시키는 기성말뚝삽입단계; 및
    상기 충전된 몰탈 또는 시멘트밀크가 경화되는 양생단계;를 포함하여 이루어져,
    상기 기성말뚝을 내포한 형태로 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생됨으로써 형성되는 말뚝에는, 상기 펄스방전이 행해진 부분에 볼록하게 돌출된 구근이 형성되는 것을 특징으로 하는 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기성말뚝은 기성 철근콘크리트말뚝, 원심력 PC말뚝, 고강도 PHC말뚝, 강관말뚝 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄스방전에 의하여 확장된 영역에 몰탈 또는 시멘트밀크가 채워짐으로써 상기 천공홀에 충전된 몰탈 또는 시멘트밀크의 수위가 낮아진 것을 보충할 수 있도록, 몰탈 또는 시멘트밀크를 상기 천공홀에 재충전하는 재충전단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 확공단계는 상기 천공홀의 높이방향을 따라 그 심도를 달리하여 적어도 두 군데의 지점에서 상기 펄스방전을 수행하는 것을 포함하여 이루어져,
    상기 몰탈 또는 시멘트밀크가 양생됨으로써 형성되는 말뚝에는, 상기 펄스방전이 행해진 적어도 두 군데 이상의 부분에 볼록하게 돌출된 구근들이 형성되는 것을 특징으로 하는 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 천공홀이 넓게 확장될 수 있도록, 상기 천공홀 내의 동일 심도에서 상기 펄스방전을 복수회 반복하여 시행하되, 상기 천공홀에 충전된 몰탈 또는 시멘트 밀크의 수위가 상기 펄스방전의 전후에 동일하게 유지될 때까지 동일 심도에서 상기 펄스방전을 계속적으로 행하는 것을 특징으로 하는 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 천공홀의 직경은 200mm ~ 400mm이며, 상기 천공홀은 오거스크류와 케이싱스크류 또는 오거스크류를 이용하여 굴착하며, 상기 펄스방전은 상기 천공홀의 깊이방향을 따라 1m ~ 2m 간격으로 행하며, 상기 몰탈 또는 시멘트밀크의 충전은 오거스크류가 천공홀을 굴착 후 인발되면서 함께 행하되 그 충전속도는 분당 200리터 ~ 300리터인 것을 특징으로 하는 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 몰탈은 모래와, 시멘트와, 자기응력혼화재와, 유동화제로 이루어진 드라이 몰탈과 물을 혼합하여 이루어지며,
    상기 드라이 몰탈의 조성비는 상기 모래 100 중량부에 대하여 시멘트 61.66 중량부, 상기 모래 100 중량부에 대하여 자기응력혼화재 5 중량부, 상기 모래 100 중량부에 대하여 유동화제 0.46 중량부이며,
    상기 물은 상기 드라이 몰탈 100 중량부에 대하여 물 16 ~ 20 중량부로 혼합하는 것을 특징으로 하는 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 시멘트밀크는 시멘트와 물을 혼합하여 이루어지며,
    그 조성비는 시멘트 100 중량부에 대하여 물 35 ~ 70 중량부인 것을 특징으로 하는 기성말뚝 매입식 펄스방전 말뚝공법.
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