KR20090132231A - 지반 천공용 돌기 형성기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지반 천공용 돌기 형성기에 관한 것으로서,
피스톤(62)이 양측으로 구비되고, 피스톤(62)의 외곽측에는 돌기 형성용 가압판(64)이 연결수단(66)에 의해서 연결되며, 상하로 연결바아(72)에 의해서 다수개 연결되는 유압 실린더(60)와, 최상부에 있는 유압실린더(60) 상부에 장착되는 보강 프레임(55)과, 상기 보강 프레임(55) 상부에 구비된 하우징(42)과, 상기 유압실린더(60)를 수평 회전시키는 수평 회전 장치와, 상기 유압실린더(60)를 수직 승하강시키는 수직 작동 장치와, 상기 유압실린더(60)의 피스톤(62)을 수축 및 팽창시키기 위한 유압 제어 장치로 구성된다.
지반, 천공, 시추공,형성기, 돌기

Description

지반 천공용 돌기 형성기{PROTRUSION FORMING MACHINE FOR GROUND BORING}
본 발명은 지반 천공용 돌기 형성기에 관한 것으로서, 보다 상세히는 지반 천공시 천공 둘레에 돌기를 형성하도록 하는 천공용 돌기 형성기에 관한 것이다.
모든 토목 및 건축 구조물 등은 지반위에 시공되며, 그에 따른 구조물의 중량에 비하여 기초 지반이 연약한 지반에 시공되면 지지력 부족으로 과도한 부등 침하등이 발생하여 시공된 구조물의 안전을 위협한다. 이와 같은 경우에 지반에 말뚝을 설치하여 상부 구조물의 하중을 단단한 지층 또는 말뚝과 인접 지반에서 발현되는 마찰력을 이용해서 상부 구조물의 하중을 지탱하도록 설계 및 시공을 한다. 이와 같은 말뚝 시공법 중에 구조물의 하중이 클 경우에는 공장에서 제작된 말뚝을 사용하지 않고 현장에서 직접 지지층까지의 천공 → 보강재의 삽입 → 콘크리트의 타설 →양생의 과정을 통해서 말뚝을 시공한다.
현장 타설 시공 말뚝은 비교적 큰 하중을 받는 구조물에 적용되기 때문에 시공비가 비싼 편이다. 구조물의 대형화 및 중량화가 급속히 진행됨에 따라 한 개의 말뚝이 감당할 지지력의 크기도 증대되고 있는 실정이다. 따라서 강관 말뚝이나 콘크리트 말뚝과 같이 공장에서 제작하는 본당 지지력이 작은 기성 말뚝의 사용은 억제되고 있으며, 현장에서 직접 제작하는 지지력 발현이 큰 현장 타설 말뚝 시공이 증가되고 있는 실정이다. 현장 타설 콘크리트 말뚝은 현장에서 직접 대형 굴착장비로 깊은 심도까지 원형 또는 직사각형 형태의 굴착이 가능하며, 통상 시공되는 말뚝의 직경은 통상 35~350cm까지 다양하게 시공되고 있다. 일반적으로 현장 타설 말뚝의 시공법은 다음과 같다.
* 시공될 말뚝과 동일한 케이싱을 지중에 압입 또는 회전 삽입
* 케이싱 내부에 있는 토사의 굴착 또는 특수 비트에 의한 천공
* 굴착이 완료되면 슬라임(암석부스레기) 제거
* 철근망 또는 강관, H-Beam등 철재 보강재의 삽입
* 콘크리트 또는 시멘트 페이스트 타설
* 콘크리트 양생
* 시공 완료
이와 같은 기존의 현장 타설 말뚝은 현장에서 직접 말뚝을 시공하기 때문에 타설 콘크리트의 불량, 콘크리트의 재료 분리, 말뚝 선단부의 슬라임 제거의 부실등에 따라 계획된 지지력이 발현되지 않는 경우가 발생된다. 또한 중소 구경의 현장 타설 말뚝(직경:350~800mm)은 상기의 과정을 통해 발현되는 지지력이 충분치 않아 비교적 큰 하중에 적용하기에는 곤란한 실정이다. 통상 설계시 적용되는 말뚝 시공법은 아래 표와 같다.
시공법 시공개요 말뚝 재료 통상 본 당지지 력(ton) 구경 (mm) 장/단점
장점 단점
항타 말뚝 -말뚝의 머리를 해머로 항타하여 말뚝을 직접 땅속에 관입 강관 또는 고강도 콘크리트 50 ~150 350 ~800 -타격에너지가 커서 말뚝관입이 용이 -소음진동이 커서 도심지에는 적용곤란 -무리한 항타시 말뚝에 손상
매입 말뚝 -지반을 먼저 오거 또는 T-4로 굴착후 스크류를 통하여 시멘트밀크를 주입후 강관 또는 콘크리트파일을 삽입후 최종 경타 실시 기성 말뚝+ 시멘트밀크 80 ~150 350 ~600 -시공중소음, 진동이 없음 -시공과정에 따라 선단 및 주면마찰력 발현에 문제발생 가능성 높음 -따라서 시공상 품질관리가 어려움
현장타설말뚝 중구경 현장타설말뚝 -지반을 오거 또는 T-4로 굴착하고 굴착된 공내에 레미콘을 타설하고 철근망,H형강,다공강관등을 삽입후 양생 콘크리트+H형강 또는 철근망, 콘크리트말뚝 50 ~250 400 ~800 -소음진동이 없음 -소구경의 매입말뚝보다 지지력이 큼 -매입말뚝시 공장비 이용가능 -시공상태에 따라 지지력발현량이 기복이 심함 -따라서 시공관리가 어려움 -직경에 비해 지지력이 크지 않음
대구경 현장타설말뚝 -드릴로드 끝에 특수한 드릴비트를 장착하여 회전시켜 암반을 굴착후 파쇄된 암석은 드릴로드파이프를 통해 배출하며, 배출된 순환수는 집전지를 통해 다시 굴착공내로 투입 철근망+콘크리트 1000~5000 1000~3500 -연속작업과 깊은 심도까지 작업 가능 -저소음,저진동, 빠른 굴착속도 -용이한 수상작업 -드릴비트보다 큰 호박돌은 굴착불가능 -말뚝선단 및 주변지반교란에 따른 지지력 결함 유발가능성 큼 -굴착토의 배수처리가 곤란
<표 1>에서 제시된바와 같이 매입말뚝과 현장타설말뚝은 현장의 지반조건과 시공상태에 따라 같은 규격의 말뚝을 시공하더라도 다양한 지지력이 발현되는 실정이다. 또한 매입말뚝보다 10~20% 큰 직경의 말뚝을 적용하는 중구경 현장 타설 말뚝의 지지력 발현이 현장 지반 및 시공 상황에 따라 뚜렷한 지지력이 발현되지 않는 경우가 빈번히 발생된다. 따라서 말뚝 한 본이 감당할수 있는 허용지지력은 통상 타입말뚝은 50~120ton 범위에서 설계를 하고 있으며, 매입말뚝의 경우 80~180ton범주에서 시공되고 있으며, 현재 시공되는 중구경 현장 타설 말뚝은 매입말뚝보다는 큰 구경을 사용함에도 경우에 따라서는 매입말뚝과 비슷한 지지력을 발휘하거나 약 30%증가된 지지력을 발휘되는 것으로 보고되고 있다. 따라서 중구경 현장 타설말뚝은 대략 허용지지력이 100~250ton의 범주에서 적용이 가능하다. 또한 대구경 현장타설말뚝은 기본적으로 허용지지력이 1000ton 이상 필요한 지반에 적용되고 있는 실정이다. 국내에서는 현장타설말뚝의 지지력 예측에 기술적 한계로 인해서 과도한 안전율을 적용하여 그 불확실성을 해소하고 있으나 이러한 상황속에서도 시공된 말뚝의 대략 30%정도 설계지지력을 만족 못하는 말뚝이 발생되고 있다. 따라서 과도한 안전율 적용에 따른 불필요한 공사비를 낭비하고 있으며, 그럼에도 불구하고 일부 시공된 말뚝에서는 불량인 말뚝을 시공하는 실정이다. 따라서 동일한 시공조건 즉 같은 크기의 직경 및 말뚝의 시공 심도에서 주면마찰력 및 선단지지력을 극대화 시켜 시공된 말뚝의 안전율을 높이며, 필요시 말뚝의 부피를 축소시켜 말뚝시공비를 경감시킬수 있는 공법개발이 필요한 실정이다.
<표 1>에서 보는 바와 같이 현장 제작 시공 말뚝등은 지반 조건 및 시공상태에 따라 지지력 발현이 불확실하기 때문에, 시공법 개선을 통해 구조물이 안전하게 지탱할 수 있는 말뚝이 형성될 수 있도록 해야한다.
또한 매입말뚝 또는 현장타설말뚝의 경우 본당 설계지지력 300~800 ton정도 발휘될 수 있는 전용 현장 제작 말뚝 시공법이 없기 때문에, 현재 국내외적으로 매입 또는 중구경 말뚝 공법을 적용하여 말뚝 수량을 증가시키거나 대구경 현장 타설 말뚝 시공 장비를 이용하여 본설계 지지력을 발휘토록 함으로써 비경제적인 시공이 이루어지고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 별도의 케이싱 삽입이 필요없는 자립형 토사 및 약한 강도의 암반층에서 시추공인 천공에 돌기를 형성하여 말뚝에 돌기를 형성시킴으로써, 말뚝과 지반과의 사이에 발휘되는 주면 마찰력과 말뚝 선단면적에서 발휘되는 선단지지력을 향상시키는 지반 천공용 돌기 형성기를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 지반 천공용 돌기 형성기의 일예로서,
피스톤이 양측으로 구비되고, 피스톤의 외곽측에는 돌기 형성용 가압판이 연결수단에 의해서 연결되며, 상하로 연결바아에 의해서 다수개 연결되는 유압 실린더 세트와,
상기 유압실린더 세트를 수평 회전시키는 수평 회전 장치와,
상기 유압실린더 세트를 수직 승하강시키는 수직 작동 장치와,
상기 유압실린더 세트의 각각의 피스톤을 수축 및 팽창시키고, 상기 수평 회전 장치를 회전시키기 위한 유압 제어 장치
로 구성된다.
상기 수평 회전 장치는
하우징 내에서 외주에 기어가 구비된 베어링 카바가 구비되고, 상기 하우징 의 상부에는 유압 모터가 장착되고, 상기 유압 모터의 모터 샤프트에는 기어가 구비되어 상기 베어링 카바의 기어와 맞물려서 보강 프레임을 회전시키고, 이에따라 유압 실린더 세트가 회전하게 된다.
상기 수직 작동 장치는
베어링 카바 내에서 연결 로드의 헤드부가 내장되고 상기 헤드부와 베어링 카바 사이에는 베어링이 장착되고, 상기 연결 로드는 여러개가 연결되며, 상기 연결 로드는 공지의 연결 로드 연결 장치 및 지지 및 상하 이동 장치에 의해서 제어 및 작동되며, 지반 천공의 깊이에 따라 연결 로드의 연결 수가 결정되며, 천공의 원하는 높이에서 돌기를 형성하도록 제어한다.
유압 구동 펌프는 엔진에 의해서 구동되며, 유압 모터용 유압 케이블, 유압 실린더용 팽창 유압 케이블 및 수축 유압 케이블이 연결되며, 유압 모터용 유압 케이블에는 구동 레버, 유압 실린더용 팽창 유압 케이블에는 팽창 레버 및 수축 유압 케이블에는 수축 레버가 구비되며, 유압 실린더 간에는 수축 유압 케이블 및 팽창 유압 케이블이 연결된다.
말뚝의 지지력은 말뚝과 지반과의 사이에서 발휘되는 주면 마찰력과 말뚝선단면적에서 발휘되는 선단지지력에 의해서 발현된다. 따라서 당초 계획된 말뚝에 비교적 간단히 말뚝선단면적 확장 및 말뚝내 돌기 등을 형성하면 선단 및 주면마찰력이 크게 증가된다. 따라서 기수행되고 있는 말뚝의 시공법을 변경하지 않고서도 말뚝의 지지력을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 기존말뚝의 지지력을 증가시킴으로써 시공 말뚝의 안정성을 높이고 말뚝의 시공 수량을 크게 줄일 수 있기 때문에 공사비를 크게 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 지반 천공용 돌기 형성기를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 본 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
유압 실린더(60) 내에는 피스톤(62)이 양측으로 구비되고, 피스톤(62)의 외곽측에는 돌기 형성용 가압판(64)이 연결수단(66)에 의해서 연결된다. 그러므로 피스톤(62)의 왕복운동으로 인하여 가압판(64)도 함께 왕복 운동을 하게 된다.
상기와 같은 유압 실린더(60)는 상하로 연결바아(72)에 의해서 연결된다.
최상부에 있는 유압실린더(60) 상부에는 보강 프레임(55)이 장착되고, 상기 보강 프레임(55) 상부에는 하우징(42)이 구비된다.
상기 하우징(42) 내에는 외주에 기어(51)가 구비된 베어링 카바(49)가 구비된다.
상기 하우징(42)의 상부에는 유압 모터(40)가 장착되고, 상기 유압 모터(40) 의 모터 샤프트에는 기어(51)가 구비되어 상기 베어링 카바(49)의 기어(51)와 맞물려서 보강 프레임(55)을 회전시키고, 이에따라 유압 실린더(60)들이 회전하게 된다.
상기 베어링 카바(49) 내에는 연결 로드(28)의 헤드부(29)가 내장되고 상기 헤드부(29)와 베어링 카바(49) 사이에는 베어링(47)이 장착된다. 상기 연결 로드(28)는 여러개가 연결된다.
유압 구동 펌프(12)는 엔진(10)에 의해서 구동되며, 유압 모터(40)용 유압 케이블(22), 유압 실린더(60)용 팽창 유압 케이블(24) 및 수축 유압 케이블(32)이 연결되며, 유압 모터(40)용 유압 케이블(22)에는 구동 레버(20), 유압 실린더(60)용 팽창 유압 케이블(24)에는 팽창 레버(14) 및 수축 유압 케이블(32)에는 수축 레버(16)가 구비된다.
유압 실린더(60) 간에는 수축 유압 케이블(32) 및 팽창 유압 케이블(24)이 연결된다.
상기 연결 로드(28)는 공지의 연결 로드 연결 장치 및 지지 및 상하 이동 장치에 의해서 제어 및 작동된다. 지반 천공의 깊이에 따라 연결 로드(28)의 연결 수가 결정되며, 천공의 원하는 높이에서 돌기를 형성하도록 제어한다.
이하, 본 발명에 따른 지반 천공용 돌기 형성기에 의해 천공에 돌기를 형성하는 과정을 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 대략 원형의 천공(100)이 형성되고, 상기 천공(100) 내에 본 발명의 지반 천공용 돌기 형성기를 삽입하여 원하는 높이에서 정지한다.
피스톤(62)의 스트로크는 천공(100)의 크기 및 형성될 돌기의 크기에 따라 결정된다.
또한, 돌기 형성용 가압판(64)은 지반의 종류에 따라 크기 및 형태를 달리 적용한다.
엔진(10) 및 펌프(12)가 구동되고, 유압 모터(40)를 구동시켜 실린더(60)를 원하는 방향으로 수평 회전시키고, 팽창 레버(14)를 온시켜, 피스톤(62)이 천공 벽 쪽으로 이동하게 하여 벽을 가압한다.
피스톤(62)에 연결된 돌기 형성용 가압판(64)이 벽을 밀면서 돌기(102)가 형성된다. 돌기(102)가 완전히 형성되면, 수축 레버(16)를 온시켜 피스톤(62)을 원래 위치로 복귀시킨다. 예를들어 동.서쪽 방향에서 팽창이 완료되면 돌기 주위 부분이 압축됨으로써 그 강도가 증가하는 효과가 있게 된다. 복귀가 완료되면 유압 모우터(40)의 구동력으로 실린더(60)를 90도 회전시켜 동서방향에서 남북방향으로 변경하고 동서방향에서의 돌기 형성 과정과 동일하게 작동시켜 돌기를 형성한다.
임의 깊이에서 돌기가 완성되면 연결 로드(28)를 상승시켜 다시 위의 작업을 반복한다. 동.서.남.북 방향으로의 돌기가 완료되면, 돌기 내로 콘크리트가 침투하여 말뚝의 돌기가 형성된다.
돌기 형성에 따라 증가된 말뚝 체적만큼 콘크리트양이 줄어들기 때문에 시공이 완료된 즉시 레미콘등을 이용하여 콘크리트 또는 시멘트 페이스트를 보충한다. 보충이 완료된 후 보강재(105)를 삽입하고 양생을 실시하면 돌기가 형성된 말뚝이 완성된다.
도 1은 본 발명에 따른 지반 천공용 돌기 형성기의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 지반 천공용 돌기 형성기의 작동 전의 평단면도
도 3은 본 발명에 따른 지반 천공용 돌기 형성기의 작동 후의 평단면도
도 4는 본 발명에 따른 지반 천공용 돌기 형성기에 형성된 천공의 단면도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 엔진 12 : 유압 구동 펌프
14 : 팽창 레버 16 : 수축 레버
20 : 구동 레버 22 : 유압 모터용 유압 케이블
24 : 유압 실린더용 팽창 유압 케이블
28 : 연결 로드 29 : 헤드부
32 : 수축 유압 케이블 40 : 유압 모터
42 : 하우징 47 : 베어링
49 : 베어링 카바 51 : 기어
55 : 보강 프레임 60 : 유압 실린더
62 : 피스톤 64 : 가압판
66 : 연결수단 72 : 연결바아

Claims (4)

  1. 피스톤이 양측으로 구비되고, 피스톤의 외곽측에는 돌기 형성용 가압판이 연결수단에 의해서 연결되며, 상하로 연결바아에 의해서 다수개 연결되는 유압 실린더 세트와,
    상기 유압실린더 세트를 수평 회전시키는 수평 회전 장치와,
    상기 유압실린더 세트를 수직 승하강시키는 수직 작동 장치와,
    상기 유압실린더 세트의 각각의 피스톤을 수축 및 팽창시키고, 상기 수평 회전 장치를 회전시키기 위한 유압 제어 장치
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 지반 천공용 돌기 형성기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수평 회전 장치는
    하우징 내에서 외주에 기어가 구비된 베어링 카바가 구비되고, 상기 하우징의 상부에는 유압 모터가 장착되고, 상기 유압 모터의 모터 샤프트에는 기어가 구비되어 상기 베어링 카바의 기어와 맞물려서 보강 프레임을 회전시키고, 이에따라 유압 실린더 세트가 회전하게 되는 것을 특징으로 하는 지반 천공용 돌기 형성기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수직 작동 장치는
    베어링 카바 내에서 연결 로드의 헤드부가 내장되고 상기 헤드부와 베어링 카바 사이에는 베어링이 장착되고, 상기 연결 로드는 여러개가 연결되며, 상기 연결 로드는 공지의 연결 로드 연결 장치 및 지지 및 상하 이동 장치에 의해서 제어 및 작동되며, 지반 천공의 깊이에 따라 연결 로드의 연결 수가 결정되며, 천공의 원하는 높이에서 돌기를 형성하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 지반 천공용 돌기 형성기.
  4. 제3항에 있어서,
    유압 구동 펌프는 엔진에 의해서 구동되며, 유압 모터용 유압 케이블, 유압 실린더용 팽창 유압 케이블 및 수축 유압 케이블이 연결되며, 유압 모터용 유압 케이블에는 구동 레버, 유압 실린더용 팽창 유압 케이블에는 팽창 레버 및 수축 유압 케이블에는 수축 레버가 구비되며, 유압 실린더 간에는 수축 유압 케이블 및 팽창 유압 케이블이 연결되는 것을 특징으로 하는 지반 천공용 돌기 형성기.
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