KR20070101638A

KR20070101638A - 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법 및 그장치

Info

Publication number: KR20070101638A
Application number: KR1020060032895A
Authority: KR
Inventors: 김형남
Original assignee: 김형남
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-17

Abstract

본 발명은 각종 토목 및 건축물을 시공시 기초공사의 하나로 기초지반에 시공되는 콘크리트 말뚝, 강관말뚝, 현장타설말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 미리 측정하여 말뚝의 실제적인 지지력 및 침하량을 추정하도록 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 말뚝이 시공되는 원위치에 소형의 측정장치를 직접 설치함으로써 기초지반의 지층구조는 물론 지층별 강도 및 변형특성 등을 간편하고도 손쉽게 측정할 수 있도록 함과 동시에 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 정확하게 측정토록 하는 것이다.

이의 방법은 말뚝이 시공되는 원위치에서 전용타입장비를 이용해서 시험말뚝을 지중으로 관입하여 말뚝재하시험에 대한 시추조사를 실시하는 지반조사단계와 시험장비를 현장의 원위치로 이동하여 시험에 적합하도록 지상에서 셋팅토록 하는 시험장비 셋팅단계와 지반의 조건에 따라 유압잭을 이용한 압입의 방법이나 항타기를 이용한 타입방법을 선택하여서 설정된 목표심도까지 시험말뚝을 설치토록 하는 시험말뚝 설치단계와; 시험말뚝의 머리부에 하중을 재하시켜 가압하는 힘을 제1로드셀(L/C1)과 제2로드셀(L/C2)로서 시험말뚝의 침하량에 따른 선단지지력 및 주면마찰력을 측정토록 하는 하중재하시험 실시단계와; 시험말뚝을 인발하면서 인발되는 연직변위를 단계별로 측정하여 각 지층별로 각각의 주면마찰력을 측정토록 하는 지층별 주면마찰력 시험단계:로 구성된 것이다.

말뚝, 선단지지력, 주면마찰력, 하중재하시험

Description

원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법 및 그 장치{Originally position a pile of vertical support force and pillar side frictional force measurement method and the device}

도 1은 본 발명의 측정방법에 따른 공정도

도 2는 본 발명의 측정장치를 개략적으로 보인 구성도

도 3은 본 발명 측정장치의 작동도

도 4는 본 발명 시험말뚝의 주요부를 보인 구성도

도 5는 본 발명 인발부의 구성도

도 6은 본 발명 측정에 따른 설명도

도 7 및 도8은 본 발명 작동에 따른 설명도

도 9는 본 발명의 다른 실시도

도 10은 본 발명 도9의 요부구성도

도 11은 본 발명의 또다른 실시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:몸체부 11:프레임

12:바퀴 13:유압실린더

14:고정판 15:인발변위계

20:고정부 21:고정앵커

22:스크류 23:유압모터

30:시험부 31:시험말뚝

32:제2로드셀 33:제1로드셀

34:커버 35:스트레인 게이지

36:콘 40:관입부

41:밀판 42:유압실린더

43:항타기 50:인발부

51:지지판 52:유압잭

53:피스톤 54:인발변위계

60:측압측정수단 61:스트레인 게이지

62:홀더 63:마찰슬리브

64:연결롯드 70:수압잭크식 측정수단

71:실린더 72:압력실

73:상부피스톤 74:하부피스톤

75:수압배관 76:선단가이더

77:와이어 78:공기배출구

79:상향변위계 80:펌프

81:압력계 82:게이지

83:변환레버

본 발명은 각종 토목 및 건축물을 시공시 기초공사의 하나로 기초지반에 시공되는 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 미리 측정하여 말뚝의 실제적인 지지력 및 침하량을 측정하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 말뚝이 시공되는 원위치에 소형의 측정장치를 직접 설치함으로써 기초지반의 지층구조는 물론 지층별 강도 및 변형특성 등을 간편하고도 손쉽게 측정할 수 있도록 함과 동시에 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 정확하게 측정토록 하는 시험방법 및 그 장치이다.

일반적으로 각종 교량, 지하철 및 대형 건축구조물 등을 시공할 때는 지상으로 구축되는 건축물의 하중이나 여러 가지 자연재해 등에 대응하기 위하여 반드시 기초지반의 안정성 등을 확인토록 하는 것이 요구되고 있다.

이러한 기초지반의 안정성은 토목 및 건축구조물 시공에 따른 기초지반의 파괴 및 과도침하에 대한 안정성 유무 및 정도 등을 확인토록 하는 것이며, 이는 토목 및 건축구조물이 시공되는 기초공사의 중요한 자료가 되는 것이다.

실제로 시공될 구조물이 지반에 안정되게 유지되기 위해서는 견고한 지반에 설치되어야 하는 것이 요구되는 것이나, 기초지반이 연약한 점성토로 이루어져 있거나 느슨한 사질토로 이루어져 있는 등의 경우에는 시공될 구조물을 충분히 지탱할 수가 없는 문제점이 있다.

이러한 경우 직경에 비해 길이가 긴 파일과 같은 구조체를 지반에 설치하여 상부구조물의 하중을 암반과 같은 비교적 안정된 지반에 연결되도록 설계 및 시공하는 통상의 기초설계를 실시하는 것이다.

이같이 지중에 설치되는 각각의 파일들은 말뚝주면에서 발현되는 주면마찰력과 말뚝선단에서 발현되는 선단지지력에 의해서 상부하중을 지탱하게 된다.

따라서 상부하중의 크기가 결정되면 말뚝이 시공될 지반에 대해서 말뚝이 시공후 발현될 수 있는 주면마찰력과 선단지지력을 예측토록 하고 있으나, 이같은 지지력을 예측하는데 있어 지금까지는 대부분 국내,외를 포함하여 다음과 같은 방법들을 시행하고 있다.

이러한 방법을 살펴보면 먼저, 해당되는 위치의 지반조사를 시행하게 되는데, 지반조사는 표준관입시험(SPT)과 같은 시추조사를 행하여 지층의 층서 등에 따른 구조나 암반의 종류 암석이 크기 등의 여러 가지 형태를 확인함과 동시에, 대략적인 강도추이 등을 확인하고, 또한 보다 정밀한 시험을 위하여 시료를 추출한다.

이어서 추출된 시료를 가지고 실내에서 토질 및 암석시험을 실시하게 되는데, 이는 채취된 흙 및 암석시료에 대하여 실내의 실험실에서 그에 따른 물성과 역학적인 특성 등을 시험하게 된다.

그러나, 상기와 같은 통상적인 지반조사의 방법에 있어서는 시추작업과 동시 에 표준관입시험을 교차로 행하여야만 함으로써 작업성이 현저히 저하되는 문제점이 있다.

즉, 시추기를 이용하여 일정한 깊이만큼(대략 1.5m까지) 시추작업을 시행한 후에 인발하고, 이어서 시추장비를 표준관입시험에 따른 장비로 교체한 다음 시험을 행하는 방법을 연속적으로 병행하여야 함으로써 작업성 및 시험결과의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 시료를 추출하기 위하여 흙을 지상으로 인출할 경우 채취 전의 응력과 채취 후의 응력이 달라지기 때문에 즉, 흙의 응력이 해방되어 교란이 일어나게 됨으로써 시료에 대한 물질적 성질을 정확히 측정하는데 한계가 있을 뿐만 아니라 그나마도 역학적 특성은 알 수가 없는 단점이 있다.

이와 더불어 채취된 시료의 이동과정에서도 시료의 파손이나 조직의 교란이 발생될 수 있을 뿐만 아니라 시험자 및 시험기기 등의 오류가 발생될 소지도 충분히 있는 것이었다.

상기와 같이 시험이 완료되면 시험된 데이터를 가지고 말뚝을 설계하게 되는데, 이때 말뚝의 주면마찰력 및 선단지지력 등은 지금까지 제안된 여러 가지 이론과 더불어 경험식 등을 적용하여서 말뚝을 설계하게 된다.

그러나 상기의 절차에서 말뚝의 주면마찰력 및 선단지지력의 예측에 따른 방식이 너무도 다양함에 따라서 그 값이 천차만별인 문제점이 있고, 설사 이러한 이론방식을 적용한다 하더라도 실내시험에 의한 결과에 의존하기 때문에 전 지층의 모두에 대하여 시료를 채취한다는 것은 불가능한 것이다.

따라서 지층의 전심도에 대한 지지력 예측이 불가능한 것이 현실이기 때문에 현재 사용되고 있는 이론식은 신뢰성이 부족한 것이고, 이로 인하여 통상적으로 현장에서는 3배의 안전율을 적용하는 것이 관례이며 이는 과다한 시공비를 유발시킨다.

발명은 상기와 같은 여러 가지 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 말뚝 설계 및 시공 중에서 예상되는 모든 문제를 원위치에서 사전 시험을 통하여 확인할 수 있도록 하여 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력의 예측 정확도를 획기적으로 향상시키도록 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 소형의 시험장비를 이용하여 간편하고도 손쉽고 측정할 수 있도록 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 뿐만 아니라 각 지층별의 주면마찰력까지도 정확하게 측정토록 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 말뚝 설계를 위한 전용의 원위치 말뚝 재하시스템과 이의 시스템을 이용하여 말뚝의 극한 지지력 및 주면 마찰력을 측정토록 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법을 제공함에 있다.

즉, 본 발명의 재하시스템은 말뚝설계에 필요한 모든 시험을 지반조사 단계부터 실시토록 하여 설계에 필요한 설계자료 등을 말뚝이 시공될 현 위치에서 소구경의 시험말뚝을 원하는 지지층(견고한 지층)까지 유압장비에 의한 압입 및 항타에 의한 설치를 완료하고, 이어서 소형의 시추장비 또는 전용시험말뚝 설치 유압장비 등을 이용하여 지상에서 하중을 로딩과 언로딩(Loading & unloading)을 실시함으로써 이때 발생되는 작용하중과 시험말뚝의 침하량을 측정하여 시험말뚝에서 발현되는 주면마찰력 및 선단지지력 등을 측정토록 하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이하에서 본 발명에 따른 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법 및 그 장치를 첨부된 도면에 준하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면의 도 1은 본 발명에 관한 측정방법의 블럭도로서 각 공정을 단계별로 나타내고 있고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 관한 전체적인 측정장치의 구조를 상세히 나타내고 있으며, 도 4 이하에서는 측정장치의 구조와 다른 실시예들을 상세히 나타내고 있다.

본 발명에 따른 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법은 말뚝을 설치할 원위치에서 전용의 시험장비를 이용하여 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 정확히 측정토록 하는 것으로, 이의 측정과정을 각 단계별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1단계(지반조사단계)

본 발명에 의한 시험을 하기에 앞서 말뚝이 시공되는 원위치에서 지반조사를 시행한다.

이러한 지반조사는 말뚝이 시공되는 원위치에서 말뚝재하시험에 대한 시추조사를 실시하는 것으로, 통상에서와 같은 방법으로 시추장비를 지중으로 드릴링하여 각 층서는 물론이고 선단지지층의 심도 등을 확인하고, 또한 예상 주면마찰력 및 선단지지력을 예측함으로써 타입말뚝이나 매입말뚝 또는 현장 타설말뚝 등 설계방향을 설정하게 된다.

또한, 시공하고자 하는 공사의 특성 등에 따라서 극한 지지력의 측정, 심도별 마찰력의 측정, 관입중 발생되는 간극수압의 측정, 하중전이시험, 지층별 측압의 측정, 수평재하시험 등의 시험항목을 설정하고, 본 발명의 시험장치를 차량이나 또는 기타 이동수단을 통하여 현장에 이동하여 준비를 완료한다.

제2단계(시험장비 셋팅단계)

본 발명에 따른 시험장비를 현장의 위치로 이동한 후 시험에 적합하도록 지상에 셋팅한다.

이는 본체(100)를 프레임(11) 하부에 설치된 무한궤도식 바퀴(12)를 이용하여 설정된 위치까지 이동할 수 있으며, 이동후에는 고정부(20)를 이용하여 반력시스템(self anchoring)를 구축하게 된다.

즉, 프레임(11)에 설치된 고정부(20)의 유압실린더(22)를 작동시켜 고정앵커(21)를 땅속에 막은 후, 미도시된 각종 게이지를 이용하여 본체의 수평은 물론 시험말뚝(31) 등의 연직도 등을 정확히 유지하도록 고정 설치한다.

이때, 고정앵커(21)의 설치수량 및 깊이를 설정함은 물론 일측에는 고정앵커(21)의 인발변위측정용 변위센서인 인발변위계(13)를 부착하여서 고정앵커(21)의 인발저항력을 확인하게 된다.

제3단계(시험말뚝의 설치단계)

시험말뚝(31)을 설치하는 단계로 지반의 조건에 따라 유압잭을 이용한 압입의 방법이나 또는 항타기를 이용한 타입방법을 선택하여서 설정된 목표심도까지 시험말뚝을 설치한다.

예컨데, 지반이 점토층과 같이 비교적 무른 경우에는 유압실린더(42)를 이용한 압입방법으로 시험말뚝(31)을 설치하게 되는데, 즉 유압실린더(42)를 작동시키게 되면 이 유압실린더(42)에 의해 밀판(41)이 하강하면서 시험말뚝(31)을 지층으로 압입하여 설치하게 된다.

또한, 지반이 비교적 딱딱한 경우에는 항타기(43)를 이용하여 시험말뚝(31)의 상단부를 항타하는 타입방법으로 시험말뚝(31)을 지층으로 설치하게 되는 것이며, 이러한 시험말뚝(31)의 설치방법은 그 어느 하나를 선택하여 사용하거나 또는 교차로 병행하여 행할 수도 있을 것이다.

제4단계(하중재하시험 실시단계)

전술한 단계에서와 같이 유압의 힘으로 지상에서 시험말뚝(31)의 머리부에 하중을 재하시켜 이때의 가압하는 힘을 로드셀(L/C1:33)로 측정한다. 가압하는 힘에 따라 지반에 설치된 시험말뚝(31)은 침하를 일으키며 이때, 연직침하량을 선형변위계(LVDT)로 침하량(δ)을 측정한다.

이와 동시에 상기 시험말뚝(31)의 선단에 설치된 로드셀(L/C2:32)은 시험말뚝의 선단지지력을 직접 측정하게 되고, 이에 따라 주면마찰력 Fs는 L/C1-L/C2 로 계산된다.

즉, 상기 로드셀(L/C1:33)에서 측정된 하중은 지반에 설치된 시험말뚝(31)의 주면마찰력과 말뚝의 선단에서 작용하는 선단지지력을 합한 전체적인 하중인 것임으로써 주면마찰력은 Fs는 L/C1-L/C2로 측정할 수 있음과 동시에 선단지지력은 L/C2로 직접 측정이 가능한 것이다.

따라서, 지상에서 시험말뚝(31)을 압입하는 압입하중 및 그때의 변위측정은 첨부도면의 도7 에서와 같은 하중 침하곡선이 발현될 때까지 연속적으로 측정하게 된다.

상기 시험말뚝의 압입시험은 시험결과가 상기 도면에서 탄성영역과 항복영역을 거쳐 파괴영역을 막 벗어나는 시점에 도달했을 때 종료하게 되고, 종료후에는 일정한 시간(대략 30분 정도)을 기다린 다음 계산된 주면마찰력(Fs=L/C1-L/c2)을 확인하는 것이 바람직하다.

제5단계(지층별 주면마찰력 시험단계)

전술한 압입시험이 종료되면, 시험말뚝 인발용 유압잭을 이용하여 시험말뚝(31)을 인발하면서 이때의 인발되는 선형변위계의 변위를 측정함으로써 지층별로 각각의 주면마찰력을 측정한다.

상기 인발시에는 인발부(50)의 유압잭(52)에 의한 상승작동으로 시험말뚝(31)이 지상으로 인발되는 것이고, 이때 일정한 인발변위를 설정 후 인발하중의 크기를 증대시켜 가면서 인발을 실시하므로 인발하중에 대한 그때의 인발변위를 연속적으로 측정할 수 있다.

여기서 측정된 인발하중이 극한 주면마찰력이 되며 인발시에는 선단지지력이 관여하지 않기 때문에 순수한 극한 주면마찰력만이 측정이 가능하며, 각 지층별로의 순수한 주면마찰력을 정확히 측정하는 것이 가능하다.

지반은 여러 종류의 지층으로 구성되기 때문에 각 지층별로 주면마찰력을 측정하기 위해서는 다음과 같은 방법을 이용하여 측정할 수가 있다.

즉, 첨부된 도면의 도6 에서 보듯이 사전의 제1단계 지반조사에 의해 지층구조가 지상으로부터 매립층(A), 모래층(B), 점토층(C), 풍화토(D), 풍화암(E)으로 이루어져 있다는 것이 확인되었다고 가정하고, 이들 각 지층별의 주면마찰력을 측정하고자 한다면 다음과 같은 방법으로 측정이 가능한 것이다.

먼저, 시험말뚝(31)을 첫번째와 같이 지중에 설치한 후 전술한 방법으로 주면마찰력을 측정하였더니 그 측정값이 40ton으로 측정되었다면, 이는 전체적인 주면마찰력이 될 것이다.

이러한 상태에서 상기 풍화암층(E)에서의 주면마찰력을 측정하고자 한다면, 인발부(50)를 이용하여 시험말뚝(31)의 위치를 두번째 위치까지 인발하고, 인발후에는 일정시간(약 30분)동안 기다려 교란된 지층이 원위치로 회복되도록 하였다가 인발시험을 다시 실시하였더니 주면마찰력은 35ton으로 측정되었다.

따라서 상기와 같은 경우 풍화암층(E)에서의 주면마찰력을 첫번째 위치에서 측정된 값에서 두번째 위치에서 측정된 값을 빼면, 즉 40t-35t=5t이 되므로 풍화암 층에서의 주면마찰력은 5ton으로 측정할 수가 있는 것이다.

이러한 경우 지상으로부터 풍화암(E)까지의 전체적인 주면마찰력은 40t임을 알수 있음과 동시에 풍화암층만의 주면마찰력이 5t임을 알 수 있고, 또한 지상으로부터 풍화토층(D)까지의 주면마찰력도 35t임을 알 수 있다.

이러한 방법을 순차적으로 행함으로써 지상으로부터 각 지층까지의 주면마찰력은 물론이고, 풍화토, 점토층, 모래층, 매립층 등과 같은 각 지층별로의 주면마찰력까지도 정확하고도 손쉽게 측정할 수가 있는 것이다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로서 시험장비의 구조를 달리함으로써 각 지층별의 주면마찰력을 한꺼번에 측정할 수 있는 것으로, 이의 측정방법은 시험말뚝에 별도의 스트레인 게이지를 이용한 측정센서수단을 장착함으로써 각 지층별의 주면마찰력을 한번에 측정할 수 있다.

첨부된 도면의 도9 및 도10 에서 보듯이 시험말뚝의 표면에 스트레인 게이지(60)를 복수개로 설치하여서 각 지층별의 주면마찰력을 동시에 측정토록 하기 위한 것으로, 설치위치 및 수량 등은 사전에 조사된 시추주상도에 따라 결정하게 된다.

본 발명에 따른 측정장치의 구성은 첨부된 도면의 도2 이하에서 보듯이 본체는 전체적인 골격을 유지토록 하는 몸체부(10)와; 상기 몸체부(10)의 프레임(11) 소정위치에 설치되어 본체(100)를 지상에 고정하는 고정부(20)와; 프레임(11)의 중심부에 수직으로 설치되면서 지중으로 매입되어 시험토록 하는 시험부(30)와; 상기 프레임(11)의 상단에 설치되어 시험부(30)의 시험말뚝을 지상으로 막는 관입부(40) 와; 상기 프레임(11)의 하부에 설치되어 지하로 관입된 시험말뚝을 인발토록 하는 인발부(50);로 구성된다.

상기 몸체부(10)는 본체(100)의 전체적인 골격을 이루는 프레임(11)을 갖추어 구성되고, 이의 프레임(11)은 대체적으로 평판체로 구성되면서 하부에는 이동을 용이하게 하도록 하는 무한궤도식 바퀴(12)가 설치된다.

또 프레임(11)의 사방에는 각각 수직방향으로 유압실린더(13)가 설치되어 진퇴작동되는 고정판(14)에 의해 본체(100)를 지상에 안정된 상태 즉, 수평도를 유지시킨 상태에서 셋팅이 가능토록 구성된다.

또한, 본체를 고정토록 하는 고정부(20)는 프레임(11)의 양측 소정위치에 각각 수직으로 설치되는 고정앵커(21)를 갖추어 구성되고, 이 고정앵커(21)의 하단에는 땅속으로 박히는 스크류(22)가 설치됨과 동시에 상단에는 고정앵커(21)를 회전구동 시키도록 하는 유압모터(23)가 설치된다.

즉, 상기 고정앵커(21)는 프레임(11)에 지지된 채로 수직 설치되면서 상부에 설치된 유압모터(23)의 진퇴작동에 의해 스크류(22)가 땅속으로 막히게 됨으로써 본체를 전체적으로 유동없이 고정하는 기능을 수행하게 된다.

또, 상기 프레임(11)의 소정위치에는 인발변위계(LVDT:15)를 설치하여 고정 앵크(21)의 인발변위를 측정토록 구성함으로써 본체(100)의 규모나 인발저항력 등에 따라 고정앵커(21)의 설치 수량 및 깊이 등을 설정할 수가 있다.

즉, 상기 고정부(20)는 본체(100)의 규모에 따라 프레임(11)의 양측면에 한 쌍으로 설치되는 것이나 이는 하나의 실시예에 지나지 않는 것이며, 상기 인발변위 계(15)의 측정값에 따라 사방향의 모서리부분 등에 각각 설치하여 그 고정력을 배가시킬 수 있는 것이다.

또한, 시험부(30)는 상기 몸체부(10)의 중심부에 설치되면서 흙속으로 막혀서 선단지지력이나 주면마찰력 등을 시험토록 하는 것으로, 스테인레스 등의 금속재질로 이루어지는 고강도 파이프형의 시험말뚝(31)을 갖추어 구성되고, 이의 선단은 뽀족한 형태로 구성되면서 제2로드셀(Load Cell=L/C2)(32)이 설치됨과 동시에 상단에는 제1로드셀(L/C1)(33)이 설치된다.

이때, 상기 시험말뚝(31)은 일정길이를 가지는 것을 기본으로 하는 것이나, 시험하고자 하는 땅속의 깊이 등에 따라 그 길이를 가변할 수 있는 것으로, 즉 일정한 길이를 가지는 단위부재를 여러 개 연속적으로 연결할 수 있다.

또, 상기 제1로드셀(33)과 제2로드셀(32)은 시험말뚝(31)의 재하 하중을 측정하는 각 센서로서, 시험말뚝(31)의 선단에 설치되는 제2로드셀(32)은 시험말뚝(31)의 선단지지력을 측정하는 것이고, 이와 동시에 제1로드셀(33)은 시험말뚝(31)의 전체에 따른 재하하중을 측정하는 것이다.

따라서 시험말뚝(31)의 선단지지력은 제2로드셀(32)이 직접 측정하게 됨과 동시에, 주면마찰력(fs)은 제1로드셀(33)에서 측정된 측정값에서 제2로드셀(32)에 측정한 값을 빼면, 즉 다음과 같은 식에 의해서 주면마찰력을 측정할 수 있다.

* fs(주면마찰력)=L/C1-L/C2

상기 제1로드셀(33)과 제2로드셀(32)은 대략 동일한 구조를 가지는 공지된 것으로서, 이는 첨부된 도면의 도4 에서 보는 바와 같이 제2로드셀(32)은 시험말 뚝(31)의 선단에 나사 결합되고 커버(34)에 의해 보호되면서 외부의 콘트롤박스와 연결되는 스트레인 게이지(strain gauge:35)가 설치되며, 저면에는 땅속으로 진입을 용이하게 하도록 하는 뽀족한 콘(36)이 역시 나사결합된다.

또한, 상기 관입부(40)는 프레임(11)의 상단에 설치되어 시험부(30)의 시험말뚝(31)을 지상으로 막는 기능을 제공하는 것으로, 시험말뚝(31)의 상단에는 밀판(41)이 설치되고, 이 밀판(41)과 프레임(11) 사이에는 유압관입장비가 설치됨과 동시에, 밀판(41)의 상부에는 항타장비가 설치된다.

즉, 상기 유압관입장비나 또는 항타장비는 시험말뚝(31)을 지중으로 막아 넣는 기능을 제공하는 것으로, 시험말뚝(31)의 지반의 구조나 형태 등의 조건에 따라 선택적으로 사용하게 된다.

상기 유압관입장비는 시험말뚝(31)을 중심으로 적어도 양측이나 또는 삼방향, 사방향 등에는 유압실린더(42)가 수직으로 다수개 설치되어 밀판(41)을 진퇴작동시킴으로써 시험말뚝(31)을 지중으로 관입시키는 기능을 제공하게 된다.

이의 유압관입장비는 주로 지반이 연약한 곳에서 유용하게 사용할 수 있다. 이와 반면에 밀판(41)의 상단에는 통상의 항타장비인 항타기(43)가 설치되며, 이 항타기(43)는 시험말뚝(31)을 지속적으로 항타시켜 지중으로 관입시키게 되는 것이며, 비교적 지반이 견고한 곳에 유용하게 사용할 수 있을 것이다.

또한, 상기 프레임(11)의 하부에는 땅속으로 관입된 시험말뚝(31)을 지상으로 인발토록 하는 인발부(50)가 설치된다.

상기 인발부(50)는 프레임(11)상에 설치되는 다수의 유압실린더(52)에 의해 작동되는 것으로, 시험말뚝(31)에는 지지대(51)가 수평방향으로 고정설치됨과 동시에 프레임(11)과 지지대(51)의 사이에 다수개의 유압실린더(52)이 수직으로 설치된다.

즉, 상기 유압실린더(52)은 그 하단이 프레임(11)상에 고정됨과 동시에 피스톤의 끝단은 지지대(51)와 이격되는 상태로 설치됨으로써 유압실린더(52)의 진퇴작동에 의해 시험말뚝(31)이 승강 작동되는 것이다.

이때, 상기 유압실린더(52)은 양측으로 한쌍으로 설치되거나 또는 그 이상으로 설치될 수 있을 뿐만 아니라 이와는 달리 시험말뚝(31)을 감싸는 형태의 고리형으로 형성될 수도 있을 것이다.

또, 상기 유압실린더(52)의 상부와 프레임(11)의 사이에는 유압실린더(52)의 진퇴작동에 따른 변위량 즉, 시험말뚝(31)의 인발에 따른 변위량을 측정하는 인발변위계(53)가 설치되는 것이다.

한편, 첨부된 도면의 도9 내지 도10 에서는 본 발명의 다른 실시예를 나타내고 있으며, 이는 상기 도면에서 보듯이 전술한 시험말뚝(31)의 표면에 측압을 측정토록 하는 측압측정수단(60)을 별도로 설치하여 사용할 수 있다.

상기 측압측정수단(60)은 도면에서도 확인되는 바와 같이 시험말뚝(31)의 선단에 설치하여 각 지층별의 주면마찰력을 직접 측정토록 하기 위한 것으로, 일정한 간격으로 다수의 스트레인 게이지(strain gauge:61)가 설치된다.

상기 스트레인 게이지(61)는 시험말뚝(31)의 외표면을 감싸아 체결토록 하는 홀더(62)의 내경에 설치되고, 이 홀더(62)는 마찰슬리브(63)와 연결롯드(64)에 의 해 설치된다.

이러한 스트레인 게이지(61)는 지층구조의 층서에 따라 활용한 위치에 임의대로 설치할 수 있으며, 각 해당 층서에는 표준치만을 측정함으로써 단위면적당 마찰력을 산출할 수가 있다.

즉, 하나의 층서의 간격을 스트레인 게이지(61)가 측정할 수 있는 폭을 초과하는 긴 간격이라 할지라도 일정한 간격만큼의 마찰력을 측정함으로써 전체 층서의 마찰력을 측정할 수가 있는 것이다.

첨부된 도면의 도11에서는 본 발명의 또다른 실시예를 나타내고 있다.

이는 상기 도면에서 보듯이 시험부(30)의 구조를 개선함으로써 선단지지력과 주면마찰력을 측정할 수 있도록 하는 것으로, 즉 시험말뚝(31)의 하단부에 수압잭크식의 측정수단을 갖춤으로써 새로운 측정방법이 가능하다.

상기 시험부의 수압잭크식 측정수단(70)은 시험말뚝(31)의 선단에 실린더(71)가 설치되고, 이 실린더(71)의 내부에는 압력실(72)이 형성됨과 동시에 상,하부에는 각각 슬라이드 승강작동되는 상,하피스톤(73)(74)이 설치된다.

또 상부피스톤(73)은 시험말뚝(31)의 하단부와 나사결합되어 연결됨과 동시에 중심부에는 수압배관(75)이 시험말뚝(31)의 내부를 통하여 외부에 설치된 펌프와 연결된다.

또 하부피스톤(74)은 그 하단에 뽀족한 선단콘(76)과 나사결합됨으로써 하부피스톤(74)의 승강작동에 의해 승강작동되고, 상기 실린더(71)의 상,하단부는 각각 시험말뚝(31) 및 선단콘(76)과 와이어(77)로 연결되며, 일측면에는 압력실(72)내의 공기배출을 위한 공기배출구(78)가 개폐가능토록 설치된다.

이때, 와이어(77)는 시험말뚝(31)을 인발시에 실린더(71)를 포함하여 선단콘(76)등을 한꺼번에 안전하게 인발하기 위한 것이며, 상,하부피스톤(73)(74)의 승강작동시 이를 수용하기 위하여 일정한 길이의 여유를 갖도록 구성된다.

또 상기 수압배관(75)과 연결되어 수압을 펌핑토록 하는 펌프(80)는 지상에 설치되면서도 압력계(81), 게이지(82), 변환레버(83) 등이 설치되어 수압을 압력실(72)내로 펌핑하거나 또는 회수하게 된다.

또한 상기 상부피스톤(73)의 상부에는 지상으로 연결되는 상향변위계(79)가 설치되어 수압잭크식 측정수단(70)의 잭킹시 주면마찰력을 직접 측정하게 되는 것이다.

상기와 같은 구성에 대한 측정방법을 살펴보면 다음과 같다.

이는 전술한 바와 같이 시험말뚝(31)을 측정하고자 하는 지층까지 박은 후 펌프(80)를 작동시키게 되면, 펌핑되는 수압은 수압배관(75)을 통하여 압력실(72)내로 작용하게 되므로 상,하피스톤(73)(74)을 각각 승,하강시키게 된다.

따라서, 선단콘(76)의 선단지지력은 상부피스톤(73)에 설치된 상향변위계(79)를 통하여 간접 측정할 수가 있는 것이고, 이때 구조적인 특성상 주면마찰력은 직접측정되며 선단지지력은 아래와 같은 방법에 따라 선단지지력을 측정한다.

이러한 경우 상기 주면마찰력은 압력실(72)의 체적은

* V(체적)=A(단면적)×L(거리)

임에 따라, 수압에 의해 압력실내의 변화된 체적은

*ΔV(변화된 체적)=A×ΔL(변화된 거리)이고,

이에 따라 구하고자 하는 압력실(72)내의 변화된 거리는

*ΔL(변화된 거리)=ΔV(변화된 체적)/A

임으로써 압력실(72)의 수압에 의해 변화된 거리(ΔL)에 지상에서 측정된 상향변위를 뺀 변위가 하향변위이므로 선단지지력을 측정할 수 있다. 그러므로 상기와 같은 수압잭크식 측정수단(70)에서는 수압에 의해 작동되는 상,하부피스톤(73)(74)의 승강작동에 따라 주면마찰력은 상향변위계(79)로서 직접 측정하는 것이고, 또한 선단지지력은 압력실(72)내에 변화되는 수압으로서 손쉽게 측정할 수가 있는 것이다.

이와 같이 시험이 종료되면 시험말뚝(31)을 회수하기 위하여 인발하여야만 하는데, 이 경우 이미 전술한 바와도 같이 인발부(50)의 작동으로 시험말뚝(31)의 그 전체를 지상으로 인발하게 된다.

이때, 상기 유압펌프(80)에 장착된 압력방향 변환레버(83)를 이용하여 유압의 토출방향을 전환함으로써 지중의 시험말뚝 선단에 설치되는 실린더(71)내의 수압을 빨아내어 압력실(72)내의 압력을 부의(nagative)압력으로 변환시켜 시험말뚝의 인발을 용이하게 하는 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같은 본 발명은 말뚝이 타설되는 원위치에서 직접 기초지반의 지층구조는 물론이고 각 지층별 강도 및 변형특성 등을 정확히 측정할 수 있는 효과를 가지게 되고, 또한 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력을 정확하게 측정할 수 있는 효과를 가지게 된다.

특히, 본 발명은 상기 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 뿐만아니라 각 지층별로의 주면마찰력도 정확히 측정할 수 있는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 경량이면서도 소형의 장비만을 이용하여 짧은 시간내에 간편하고 손쉽게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 이동이 간편하고, 구성이 간단하며, 재사용이 가능한 등의 장점을 가지게 되는 것이다.

Claims

말뚝이 타설되는 원위치에서 시추장비를 지층의 구조상태를 파악하는 지반 조사 단계와;

시험장비를 현장의 원위치로 이동하여 시험에 적합하도록 지상에서 셋팅토록 하는 시험장비 셋팅단계와;

지반의 조건에 따라 유압실린더을 이용한 압입의 방법이나 또는 항타기를 이용한 타입방법을 선택하여서 설정된 목표심도까지 시험말뚝을 설치토록 하는 시험말뚝 설치단계와;

시험말뚝의 머리부에 하중을 재하시켜 가압하는 힘을 제1로드셀(L/C1)과 제2로드셀(L/C2)로서 시험말뚝의 침하량에 따른 선단지지력 및 주면마찰력을 측정토록 하는 하중재하시험 실시단계와;

시험말뚝을 인발하면서 인발되는 선형변위계의 변위를 단계별로 측정하여 각 지층별로 각각의 주면마찰력을 측정토록 하는 지층별 주면마찰력 시험단계:로 구성됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정방법.
전체적인 골격을 유지토록 하는 몸체부(10)와;

상기 몸체부(10)의 프레임(11) 소정위치에 설치되어 본체(100)를 지상에 고정하는 고정부(20)와;

프레임(11)의 중심부에 수직으로 설치되면서 지중으로 매입되어 시험토록 하 는 시험부(30)와;

상기 프레임(11)의 상단에 설치되어 시험부(30)의 시험말뚝을 지상으로 막는 관입부(40)와;

상기 프레임(11)의 하부에 설치되어 지하로 관입된 시험말뚝을 인발토록 하는 인발부(50);로 구성됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제2항에 있어서,

상기 몸체부(10)는 프레임(11)에 무한궤도식 바퀴(12)가 설치되고, 외주연부에는 수직방향으로 유압실린더(13)에 의해 진퇴작동되는 고정판(14)이 설치됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제2항에 있어서,

상기 고정부(20)는 프레임(11)의 소정위치에 각각 수직으로 설치되는 고정앵커(21)를 갖추어 구성되고, 이 고정앵커(21)의 하단에는 땅속으로 박히는 스크류(22)가 설치됨과 동시에 상단에는 고정앵커(21)를 회전구동시키도록 하는 유압모터(23)가 설치됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제2항에 있어서,

상기 시험부(30)는 본체에 수직으로 설치되면서 스테인레스 등의 금속재질로 이루어지는 고강도 파이프형의 시험말뚝(31)을 갖추어 구성되고, 이 시험말뚝의 선단에는 제2로드셀(Load Cell=L/C2)(32) 및 뽀족한 선단콘이 설치됨과 동시에 상단에는 제1로드셀(L/C1)(33)이 설치됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제2항에 있어서,

상기 관입부(40)는 프레임(11)의 상부에 수평방향으로 설치되는 밀판(41)과, 밀판(41)과 프레임(11) 사이에 적어도 시험말뚝을 중심으로 양측으로 두 개이상 설치되는 유압실린더(42)와, 상기 밀판(41)의 상부에 설치되고 시험말뚝을 상단부에서 항타시켜 지중으로 삽입하도록 하는 항타기(43)를 갖춤을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제2항에 있어서,

상기 인발부(50)는 시험말뚝(31)에 수평방향으로 고정설치되는 지지대(51)와, 상기 지지대(51)와 프레임(11)의 사이에 다수 개의 수직으로 설치되는 유압실린더(52)과, 상기 유압실린더(52)의 상부와 프레임(11)의 사이에 설치되어 유압실린더(52)의 진퇴작동에 따른 변위량을 측정토록 하는 인발변위계(53)를 갖추어 구성됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제2항에 있어서,

상기 시험말뚝의 외주연상에는 일전한 간격으로 각 지층별의 주면마찰력을 직접 측정토록 하는 측압측정수단(60)이 설치됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제8항에 있어서,

상기 측압측정수단(60)은 시험말뚝(31)의 외표면을 둘러 감싸서 체결토록 하는 홀더(62)의 내경에 스트레인 게이지(strain gauge:61)가 설치되고, 홀더(62)는 마찰슬리브(63)와 연결롯드(64)에 의해 일정한 간격으로 설치됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제2항에 있어서,

상기 시험부는 시험말뚝을 수압에 의해 잭킹되도록 구성하여 선단지지력과 주면마찰력을 측정토록 하는 수압잭크식 측정수단(70)을 갖추어 구성됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제10항에 있어서,

상기 수압잭크식 측정수단(70)은 시험말뚝(31)의 선단에 실린더(71)가 설치되고, 이 실린더(71)의 내부에는 압력실(72)이 형성됨과 동시에 상,하부에는 각각 슬라이드 승강작동되는 상,하피스톤(73)(74)이 설치되며, 상부피스톤(73)은 시험말 뚝(31)의 하단부와 나사결합됨과 아울러 중심부에는 수압배관(75)이 유압펌프(80)와 연결되고, 하부피스톤(74)은 하단부에 뽀족한 선단콘(76)이 나사결합됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제11항에 있어서,

상기 실린더(71)는 시험말뚝(31) 및 선단콘(76)과 다수의 와이어(77)로서 느슨하게 연결됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제11항에 있어서,

상기 상부피스톤(73)에는 시험말뚝(31)의 내경을 통하여 지상에 설치되는 상향변위계(79)가 연결구성됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.
제11항에 있어서,

상기 펌프(80)의 수압배관(75)상에는 압력계(81), 게이지(82), 변환레버(83) 등이 설치됨을 특징으로 하는 원위치 말뚝의 선단지지력 및 주면마찰력 측정장치.