KR20120056521A - 온도제어형 기초 보강 구조물 및 그 공법 - Google Patents

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KR20120056521A
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강재모
배규진
이장근
김영석
김학승
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한국건설기술연구원
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Abstract

기존의 파일(Pile)을 이용한 지반보강 공법에 온도제어 장치인 열사이펀을 적용함으로써, 지반의 열적 안정화를 유지하면서 동시에 중요 구조물의 지반을 효율적으로 보강할 수 있고, 구조물 하부에 요구되는 지지력을 용이하게 확보할 수 있으며, 영구동토지대에서 활동층의 융해 침하에도 안전성을 확보할 수 있는, 온도제어형 기초 보강 구조물 및 그 공법이 제공된다. 온도제어형 기초 보강 구조물은, 구조물 기초의 지지력을 확보하기 위해서 지반에 형성된 굴착공 내에 삽입되는 파일(Pile); 작동유체를 응축시켜 액화시키는 발열부 및 작동유체를 증발시키는 증발부를 구비하고, 발열부에서 액화된 작동유체가 중력에 의해 증발부로 귀환하도록 2상 변화하며, 증발부가 파일 내에 삽입되는 열사이펀; 및 열사이펀이 삽입된 파일 내부를 충진하는 공극 모래를 포함한다. 여기서, 열사이펀은 지반의 열적 안정화를 유지하면서 동시에 지반을 보강하도록 파일 내에 일체형으로 삽입된다.

Description

온도제어형 기초 보강 구조물 및 그 공법 {Temperature-controlled base reinforcement structure, and constructing method for the same}
본 발명은 기초 보강 구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 파일(Pile)을 이용한 지반보강 공법에 있어서, 온도제어 장치인 열사이펀(Thermosyphon)을 적용한 온도제어형 기초 보강 구조물 및 그 공법에 관한 것이다.
파일(Pile), 즉, 말뚝은 땅 속에 박아 넣는 기둥을 말하며, 지지용 파일과 마찰용 파일로 구분된다. 지지용 파일은 파일의 선단이 단단한 지반까지 도달하여 지지되는 것을 말하며, 마찰용 파일은 주위의 지반과 파일과 마찰력에 의해서 하중을 지탱하는 것으로, 연약한 지층이 깊이 계속되어 파일을 굳은 지반까지 도달시킬 수 없을 때 사용한다.
예를 들면, 상반부가 지반 위에 노출된 파일은 구조물을 파일에 연결하게 되는데, 보통 교량과 같은 구조물이나 수중에서의 잔교의 교각의 일부로서도 이용된다. 지반 내에 전부가 박히는 기초 파일은 기초지반이 약한 경우에 이용되는 일종의 기초공사에 속하며, 파일을 연약한 지반에 박음으로써 기초지반의 강도를 높이고, 그 상부에 실리는 무거운 하중을 견딜 수 있다.
한편, 선행 기술로서, 대한민국 공개특허번호 제2010-0052433호에는 "연약지반 보강용 강관파일"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 연약지반 보강용 강관파일을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 연약지반 보강용 강관파일(10)은, 일측 끝단이 뾰족하게 형성된 원추형의 삽입구(11); 삽입구(11)의 타측 끝단에서 파형을 이루며 소정의 길이로 연설되며, 내측에는 콘크리트 삽입공(14)이 형성되는 포스트(12); 포스트(12)의 벽에 관통 형성되는 적어도 하나 이상의 관통공(15); 포스트(12)의 끝단 외주면에서 삽입구(11)의 측면까지 소정의 간격마다 일체로 견고히 접합되는 연결대(13)를 포함할 수 있다.
종래의 기술에 따른 연약지반 보강용 강관파일은, 연약한 지반을 보강하기 위해 압입하여 매설함으로써, 주변의 지반을 견고하게 보강하는 강관파일을 주변 지반과 보다 견고하게 지지되어 보강력을 강화하게 된다.
한편, 극한지 또는 극지는 보통 년평균 기온이 0℃ 이하인 지역을 말하며, 이 지역은 기온이 낮고 강수량이 적으며 얼음 안개(Ice Fog), 빙영(Ice Blink), 기온 도착(Temperature Inversion), 대기 비동(Atmospheric Boil), 극지 백명(Arctic White-out), 낮은 일사량, 백야와 극야 등의 기후적 특징을 가지며, 영구동토(Permafrost)라는 지질적 특징을 갖는다. 여기서, 영구동토는 최소한 연속 2~3년간 0℃ 이하의 온도를 갖는 지반 상태를 말한다.
이러한 영구동토 지대의 지반은 상부 구조물에서 발생하는 열이나 공사 중 발생하는 지반 교란이나 열적 변형에 따라 지반 침하가 발생할 수 있다. 따라서 기존에 흔히 활용되는 얕은 기초나 깊은 기초 공법을 적용할 경우, 예상치 못한 구조물 피해를 초래하는 경우가 있으며, 이에 대한 대책으로 지반의 열적 평형을 유지할 수 있는 방안을 마련해야 한다.
이러한 영구동토 지대에서 지반의 열적 안정을 유지하기 위해 흔히 사용하는 방법으로는 지반을 열전도율이 낮은 물질로 치환하는 방법, 또는 구조물에서 발생하는 열이 지반에 직접적으로 전달되지 않도록 구조물 아래에 환기구를 설치하는 방법 등이 활용되고 있다. 그런데 이러한 지반 치환 공법의 경우, 공사비 증가로 경제성이 떨어지는 문제점이 있고, 또한, 구조물 아래에 환기구를 설치할 경우, 구조물의 활용성이 떨어지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 열사이펀(Thermosyphon)을 이용하여 지중의 열을 효과적으로 지상으로 배출하여 지반의 안정화를 기대하는 공법이 영구동토 지대의 특수한 구조물이나 지반에 적용되는 사례가 증가하고 있다. 여기서, 열사이펀은 파이프 본체에 들어 있는 기체 및 액체의 상(Phase) 변화에 의해 열을 수송하는 작동유체를 이용하여 효과적으로 지중의 열을 공기중으로 배출할 수 있는 장치이다. 이러한 열사이펀은 영구동토 지대에서 구조물을 시공하거나 사용하는 도중 발생할 수 있는 열적 변형을 효과적으로 방지해서 구조물 전체의 안정성을 유지하는 장치로 활용된다. 예를 들면, 열사이펀은 알라스카나 시베리아 지역과 같은 극한지에서 도로 또는 파이프라인(Pipe line) 등 중요 구조물의 안정성을 확보하기 위해서 활용된다.
그러나 이러한 열사이펀의 경우, 지반의 보강에는 효과가 없으며, 단순히 열적 평형을 유지하여 지반을 안정화시키게 된다.
1) 대한민국 공개특허번호 제2010-0052433호(공개일: 2010년 05월 19일), 발명의 명칭: "연약지반 보강용 강관파일" 2) 대한민국 공개특허번호 제2010-0090179호(공개일: 2010년 08월 13일), 발명의 명칭: "팽이파일을 이용한 연약지반 보강방법" 3) 대한민국 공개특허번호 제2009-0036103호(공개일:2009년 04월 13일), 발명의 명칭: "마이크로 파일의 구조" 4) 미국 공개특허번호 제2006-0191229호(공개일:2006년 08월 31일), 발명의 명칭: "Repair and reinforcement system of existing structure using reaction force of pressurizing means and method thereof"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기존의 파일(Pile)을 이용한 지반보강 공법에 온도제어 장치인 열사이펀을 적용함으로써, 지반의 열적 안정화를 유지하면서 동시에 중요 구조물의 지반을 효율적으로 보강할 수 있는, 온도제어형 기초 보강 구조물 및 그 공법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 구조물 하부에 요구되는 지지력을 용이하게 확보할 수 있으며, 영구동토지대에서 활동층(Active layer)의 융해 침하에도 안전성을 확보할 수 있는, 온도제어형 기초 보강 구조물 및 그 공법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 온도제어형 기초 보강 구조물은, 구조물 기초의 지지력을 확보하기 위해서 지반에 형성된 굴착공 내에 삽입되는 파일(Pile); 작동유체를 응축시켜 액화시키는 발열부(응축부) 및 상기 작동유체를 증발시키는 증발부를 구비하고, 상기 발열부에서 액화된 작동유체가 중력에 의해 상기 증발부로 귀환하도록 2상 변화(Two Phase Flow)하며, 상기 증발부가 상기 파일 내에 삽입되는 열사이펀; 및 상기 열사이펀이 삽입된 파일 내부를 충진하는 공극 모래를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 열사이펀은 상기 지반의 열적 안정화를 유지하면서 상기 지반을 보강하도록 상기 파일 내에 일체형으로 삽입될 수 있다.
본 발명에 따른 온도제어형 기초 보강 구조물은, 상기 열사이펀의 증발부 측면에 부착되어 상기 파일 및 열사이펀이 일체화되도록 각각의 중심을 맞추는 중심 가이드(Centerizing Guide)를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 중심 가이드는 상기 열사이펀의 외주면을 따라 동일 간격으로 적어도 하나 이상 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 중심 가이드는 상기 열사이펀의 수직 방향으로 층을 지어 배치될 수 있다.
여기서, 상기 공극 모래는 상기 중심 가이드에 의해 상기 파일 및 열사이펀의 중심을 맞춘 후에 충진될 수 있다.
본 발명에 따른 온도제어형 기초 보강 구조물은, 상기 열사이펀의 증발부 및 상기 파일의 상부를 실링(Sealing)하는 커버 플레이트(Cover Plate)를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열사이펀의 발열부는 상기 파일 상부를 실링하는 커버 플레이트 상부에 노출될 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 온도제어형 기초 보강 공법은, a) 굴착기를 사용하여 지반에 굴착공을 형성하는 단계; b) 상기 굴착공 내에 파일을 삽입하는 단계; c) 상기 파일 내에 열사이펀을 삽입하는 단계; d) 상기 파일 내부에 공극 모래를 충진하는 단계; 및 e) 상기 파일의 상측 단부를 커버 플레이트로 실링(Sealing)하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 c) 단계의 열사이펀은, 작동유체를 응축시켜 액화시키는 발열부 및 상기 작동유체를 증발시키는 증발부를 구비하고, 상기 발열부에서 액화된 작동유체가 중력에 의해 상기 증발부로 귀환하도록 2상 변화하며, 상기 지반의 열적 안정화를 유지하면서 상기 지반을 보강하도록 상기 파일 내에 일체형으로 삽입될 수 있다.
여기서, 상기 c) 단계는 중심 가이드로 상기 파일과 열사이펀이 일체가 되도록 중심을 맞추는 단계를 추가로 포함할 수 있고, 상기 중심 가이드는 상기 열사이펀의 증발부 측면에 부착되어 상기 파일 및 열사이펀이 일체화되도록 각각의 중심을 맞출 수 있다.
여기서, 상기 열사이펀의 발열부는 상기 파일 상부를 실링하는 커버 플레이트 상부에 노출될 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 파일을 이용한 지반보강 공법에 온도제어 장치인 열사이펀을 적용함으로써, 지반의 열적 안정화를 유지하면서 동시에 중요 구조물의 지반을 효율적으로 보강할 수 있다.
본 발명에 따르면, 구조물 하부에 요구되는 지지력을 용이하게 확보할 수 있으며, 영구동토지대인 경우, 활동층의 융해 침하에도 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존의 치환 공법에 비해 경제적으로 훨씬 작은 비용으로 원하는 효과를 얻을 수 있으며, 구조물 하부에 별도의 환기구를 설치하지 않아도 됨으로써 구조물의 효율적인 공간 활용이 가능하다.
도 1은 종래의 기술에 따른 연약지반 보강용 강관파일을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 구조물의 수직단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 기초 보강 구조물의 평면도이다.
도 4는 도 2의 A-A' 라인을 절개선으로 하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 공법에 적용되는 열사이펀의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험 과정을 예시하는 사진들이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험에 의해 구해진 열사이펀으로부터 75cm 떨어진 지점의 깊이별 온도분포를 예시하는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험에 의해 구해진 표면으로부터 깊이 70cm 지점의 수평방향 온도분포를 예시하는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 공법의 동작흐름도이다.
도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 각각의 시공 과정을 예시하는 도면들이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 구조물의 수직단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 기초 보강 구조물의 평면도이며, 도 4는 도 2의 A-A' 라인을 절개선으로 하는 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 구조물(100)은, 환형 파일(Circular Pile: 110), 열사이펀(120), 중심 가이드(Centerizing Guide: 130), 커버 플레이트(Cover plate: 150) 홀더(Holder: 160) 및 공극 모래(Slurry Sand Backfill: 170)를 포함하며,
환형 파일(Circular Pile: 110)은 지반, 예를 들면, 활동층(Seasonal Active Layer: 210 ) 및 영구동토(Permafrost: 220)로 이루어진 지반에 형성된 굴착공 내에 구조물 기초의 지지력을 확보하기 위해서 삽입된다.
열사이펀(120)은 작동유체를 응축시켜 액화시키는 발열부(응축부) 및 상기 작동유체를 증발시키는 증발부를 구비하고, 상기 발열부에서 액화된 작동유체가 중력에 의해 상기 증발부로 귀환하도록 2상 변화(Two Phase Flow)하며, 상기 증발부가 상기 환형 파일(110) 내에 삽입된다. 즉, 상기 열사이펀(120)은 상기 지반의 열적 안정화를 유지하면서 상기 지반을 보강하도록 상기 환형 파일(110) 내에 일체형으로 삽입된다. 이때, 기존의 파일 공법의 설계 방법에 따라 구조물 기초의 지지력을 확보하고, 활동층(Active layer: 210)의 상태와 대상 지역의 계절에 따른 온도 분포를 확인하여 열사이펀(120)의 작동유체와 그 규모를 결정한다.
중심 가이드(Centerizing Guide: 130)는 상기 열사이펀(120)의 증발부 측면에 부착되어 상기 환형 파일(110) 및 열사이펀(120)이 일체화되도록 각각의 중심을 맞춘다. 이때, 상기 중심 가이드(130)는 상기 열사이펀(120)의 외주면을 따라 동일 간격으로 적어도 하나 이상 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 중심 가이드(130)는 상기 열사이펀(120)의 수직 방향으로 층을 지어 배치된다.
커버 플레이트(Cover plate: 150)는 상기 열사이펀(120)의 증발부 및 상기 환형 파일(110)의 상부를 실링(Sealing)한다. 이때, 상기 열사이펀(120)의 발열부는 상기 환형 파일(110) 상부를 실링하는 커버 플레이트(150) 상부에 노출될 수 있다.
공극 모래(Slurry Sand Backfill: 170)는 상기 열사이펀(120)이 삽입된 환형 파일(110) 내부를 충진한다. 이때, 상기 공극 모래(170)는 상기 중심 가이드(130)에 의해 상기 환형 파일(110) 및 열사이펀(120)의 중심을 맞춘 후에 충진된다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 가이드 면(Guide Surface: 140)이 상기 환형 파일(110)의 외부에 형성되고, 홀더(Holder: 160)는 상기 열사이펀(120)의 단부를 실링한다.
본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 구조물에 따르면, 기존의 지반보강 공법인 환형 파일(110)의 내부에 열사이펀(120)을 지반 조건에 맞게 삽입하여, 환형 파일(110) 주변 지반에 전달되는 열을 효과적으로 지중으로 배출할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 공법에 적용되는 열사이펀의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 열사이펀(120)이란 중력이 작용하는 곳에서 2상 변화(Two Phase Flow)하는 장치를 말하며, 즉, 작동유체는 액체 상태의 작동유체 및 기체 상태의 작동유체가 2상 변화한다. 여기서, 2상 변화란 보통 액체에서 기체로 바뀌는 현상을 말한다. 열사이펀(120)은 발열부(122), 즉, 응축부에서 응축된 작동유체(123)가 중력의 힘으로 증발부(121), 즉, 가열부로 귀환하기 때문에, 반드시 증발부(121)가 발열부(122)의 밑에 위치하여야 하며, 열 이동은 대류에 의해서 작용한다.
구체적으로, 열사이펀(120)은 일정한 진공도를 유지한 밀폐된 용기 내에 비교적 휘발성이 높은 상(Phase) 변화 물질을 충진시킨 구조로 되어 있다. 열사이펀(120)이 열원으로부터 증발부(121)에 열을 받으면 액체 상태의 작동유체(123)가 증발되어 기체 상태의 작동유체(123)로 변화되고, 열사이폰(120) 내의 증발부(121) 압력이 높아짐으로써 기체 상태의 작동유체(123)는 압력이 낮은 발열부(122)로 이동하게 되고, 기체 상태의 작동유체(123)는 증기 형태로 증발잠열을 저온 측으로 이동하게 된다. 이후, 저온 측에 도달한 기체 상태의 작동유체(123)는 응축되어 액체 상태의 작동유체(123)로 변화되면서 응축잠열을 방출하고, 응축된 액체 상태의 작동유체(123)는 다시 고온 측으로 환원되는 작용을 반복 순환하게 된다.
열사이펀(120)은 작동유체(123)를 응축시켜 액화시키는 발열부(응축부)(122) 및 상기 작동유체(123)를 증발시키는 증발부(121)를 구비하며, 상기 발열부(122)에서 액화된 작동유체(123)가 중력에 의해 상기 증발부(121)로 귀환하도록 2상 변화(Two Phase Flow)한다.
한편, 전술한 열사이펀(120)이 지중에 매설되었을 때 지중 온도 저감 효과가 어떻게 나타나는지 확인할 수 있는 실내모형 실험 방법은 다음과 같다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험 과정을 예시하는 사진들이다.
도 6a는 실내모형 토조(310) 내에 열사이펀(120)을 설치하는 것을 나타내며, 도 6b는 실내모형 토조(310) 내에 수직방향 온도센서(320)를 설치하는 것을 나타내고, 도 6c는 실내모형 토조(310) 내에 수평방향 온도센서(330) 설치하는 것을 각각 나타낸다.
또한, 도 6d는 실내모형 토조(310)의 다짐 작업 완료된 상태(340)를 나타내며, 도 6e는 모형 토조(310)를 냉동챔버(400)에 설치한 것을 나타낸다.
즉, 실내모형 토조(310) 내에 열사이펀(120)을 설치하고, 수직방향과 수평방향에 온도센서(320, 330)를 10cm 간격으로 설치한 후, 예를 들면, 함수비 18.5%, 최대 건조단위중량 1.62g/㎤의 흙을 채운 다음에, 최대 건조단위중량의 80
Figure pat00001
90%로 다짐하여 실내모형 토조(310)를 냉동챔버(400)에서 -15℃로 270시간 냉동시켰다.
이에 따라 수직방향과 수평방향에 온도센서(320, 330)에 의해서 상기 실내모형 토조(310) 내의 온도를 확인함으로써, 상기 열사이펀(120)이 지중에 매설되었을 때 지중 온도 저감 효과가 어떻게 나타나는지 확인할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험 모식도로서, 실내 모형토조(310) 내에 1m의 열사이펀(120)을 70㎝ 매설하고, 상기 열사이펀(120)으로부터 15㎝ 및 75㎝ 떨어진 위치에 각각 10개의 수직 온도센서(320a~320j)가 10㎝ 간격으로 설치되며, 또한, 실내 모형토조(310) 지면의 20㎝ 및 70㎝ 떨어진 위치에 각각 수평 온도센서(330a~330c)가 15㎝ 간격으로 설치된 것을 나타낸다. 이러한 실내 모형실험 모식도는 단지 예시적인 것으로 이에 국한되지 않는다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험에 의해 구해진 열사이펀으로부터 75㎝ 떨어진 지점의 깊이별 온도분포를 예시하는 그래프로서, 실험 결과에 따르면 10개의 수직 온도센서(320a~320j) 중에서 깊이가 깊어질수록 열사이펀과 가까운 지점의 온도가 더 낮게 분포되는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 실내 모형실험에 의해 구해진 표면으로부터 깊이 70㎝ 지점의 수평방향 온도분포를 예시하는 그래프로서, 수평 온도센서(330a~330c) 중에서 같은 깊이에서 수평 방향에 따라 열사이펀과 가까울수록 온도저하 효과가 더 큰 것으로 나타났다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에서 열사이펀(120)에 의해 지반의 열적 안정화를 유지할 수 있고, 동시에 전술한 바와 같이 중요 구조물의 지반을 효율적으로 보강할 수 있는 것을 알 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 공법의 동작흐름도이고, 도 11a 내지 도 11e는 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강공법에 대한 각각의 시공 과정을 예시하는 도면들이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초 보강 공법은, 먼저, 굴착기를 사용하여 지반에 굴착공을 형성한다(S110). 여기서, 도 11a는 굴착기(500)를 사용하여 지반(200)에 도면부호 A로 도시된 바와 같은 굴착공을 형성한 것을 나타낸다.
다음으로, 굴착공 내에 파일을 삽입한다(S120). 여기서, 도 11b는 굴착공 내에 파일(110)을 삽입한 것을 나타낸다.
다음으로, 상기 파일 내에 열사이펀을 삽입하고(S130), 중심 가이드로 상기 파일과 열사이펀이 일체가 되도록 중심을 맞춘다(S140). 여기서, 상기 열사이펀은, 작동유체를 응축시켜 액화시키는 발열부 및 상기 작동유체를 증발시키는 증발부를 구비하고, 상기 발열부에서 액화된 작동유체가 중력에 의해 상기 증발부로 귀환하도록 2상 변화(Two Phase Flow)하며, 상기 지반의 열적 안정화를 유지하면서 상기 지반을 보강하도록 상기 파일 내에 일체형으로 삽입될 수 있다. 여기서, 도 11c는 파일(110) 내에 열사이펀(120)을 삽입하고, 중심 가이드(130)로 상기 파일(110)과 열사이펀(120)이 일체가 되도록 중심을 맞춘 것을 나타낸다. 이때, 상기 중심 가이드(130)는 상기 열사이펀(120)의 증발부 측면에 부착되어 상기 파일(110) 및 열사이펀(120)이 일체화되도록 각각의 중심을 맞출 수 있다.
다음으로, 상기 파일 내부에 공극 모래를 충진한다(S150). 여기서, 도 11d는 파일(110) 내부에 공극 모래(170)를 충진한 것을 나타낸다.
다음으로, 상기 파일 단부를 커버 플레이트로 실링(Sealing)함으로써 기초 보강 공법을 완료한다(S160). 여기서, 도 11e는 파일(110) 단부를 커버 플레이트(150)로 실링함으로써 기초 보강 공법이 완료되는 것을 나타낸다. 이때, 상기 열사이펀의 발열부(122)는 상기 파일(110) 상부를 실링하는 커버 플레이트(150) 상부에 노출될 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초보강 공법을 적용할 경우, 구조물 하부에 요구되는 지지력을 용이하게 확보할 수 있으며, 영구동토지대인 경우 활동층(Active layer)의 융해 침하에도 안전성을 확보할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초보강 구조물 및 그 공법에 따르면, 예를 들면, 연약지반에 고층 건물 등의 하중이 많이 작용하는 구조물이나 파이프라인(Pipe line)과 같이 안전성이 요구되는 중요 구조물의 경우, 파일(110)을 이용하여 지반을 보강할 수 있으며, 동시에 파일(110) 내부에 설치된 열사이펀(120)을 통해 지중의 열과 구조물에서 발생하는 열을 효과적으로 배출함으로써 열적 변화에 따른 기초 피해를 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 온도제어형 기초보강 구조물 및 그 공법에 따르면, 기존의 치환 공법에 비해 경제적으로 훨씬 작은 비용으로 원하는 효과를 얻을 수 있으며, 구조물 하부에 별도의 환기구를 설치하지 않아도 됨으로써 구조물의 효율적인 공간 활용이 가능하다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 온도제어형 기초 보강 구조물
110: 환형 파일(Circular Pile)
120: 열사이펀
121: 증발부
122: 발열부(응축부)
123: 작동유체
130: 중심 가이드(Centerizing Guide)
140: 가이드 면(Guide Surface)
150: 커버 플레이트(Cover plate)
160: 홀더(Holder)
170: 공극 모래(Slurry Sand Backfill)
200: 지반
210: 활동층(Seasonal Active Layer)
220: 영구동토(Permafrost)
310: 실내 모형토조
320: 수직 온도센서
330: 수평 온도센서

Claims (12)

  1. 구조물 기초의 지지력을 확보하기 위해서 지반에 형성된 굴착공 내에 삽입되는 파일(Pile);
    작동유체를 응축시켜 액화시키는 발열부(응축부) 및 상기 작동유체를 증발시키는 증발부를 구비하고, 상기 발열부에서 액화된 작동유체가 중력에 의해 상기 증발부로 귀환하도록 2상 변화(Two Phase Flow)하며, 상기 증발부가 상기 파일 내에 삽입되는 열사이펀; 및
    상기 열사이펀이 삽입된 파일 내부를 충진하는 공극 모래
    를 포함하는 온도제어형 기초 보강 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열사이펀은 상기 지반의 열적 안정화를 유지하면서 상기 지반을 보강하도록 상기 파일 내에 일체형으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 온도제어형 기초 보강 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열사이펀의 증발부 측면에 부착되어 상기 파일 및 열사이펀이 일체화되도록 각각의 중심을 맞추는 중심 가이드(Centerizing Guide)를 추가로 포함하는 온도제어형 기초 보강 구조물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 중심 가이드는 상기 열사이펀의 외주면을 따라 동일 간격으로 적어도 하나 이상 배치되고, 상기 적어도 하나 이상의 중심 가이드는 상기 열사이펀의 수직 방향으로 층을 지어 배치되는 것을 특징으로 하는 온도제어형 기초 보강 구조물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공극 모래는 상기 중심 가이드에 의해 상기 파일 및 열사이펀의 중심을 맞춘 후에 충진되는 것을 특징으로 하는 온도제어형 기초 보강 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열사이펀의 증발부 및 상기 파일의 상부를 실링(Sealing)하는 커버 플레이트(Cover Plate)를 추가로 포함하는 온도제어형 기초 보강 구조물.
  7. 제8항에 있어서,
    상기 열사이펀의 발열부는 상기 파일 상부를 실링하는 커버 플레이트 상부에 노출되는 것을 특징으로 하는 온도제어형 기초 보강 구조물.
  8. a) 굴착기를 사용하여 지반에 굴착공을 형성하는 단계;
    b) 상기 굴착공 내에 파일을 삽입하는 단계;
    c) 상기 파일 내에 열사이펀을 삽입하는 단계;
    d) 상기 파일 내부에 공극 모래를 충진하는 단계; 및
    e) 상기 파일의 상측 단부를 커버 플레이트로 실링(Sealing)하는 단계
    를 포함하는 온도제어형 기초 보강 공법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 c) 단계의 열사이펀은, 작동유체를 응축시켜 액화시키는 발열부 및 상기 작동유체를 증발시키는 증발부를 구비하고, 상기 발열부에서 액화된 작동유체가 중력에 의해 상기 증발부로 귀환하도록 2상 변화(Two Phase Flow)하며, 상기 지반의 열적 안정화를 유지하면서 상기 지반을 보강하도록 상기 파일 내에 일체형으로 삽입되는 것을 특징으로 하는 온도제어형 기초 보강 공법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 c) 단계는 중심 가이드로 상기 파일과 열사이펀이 일체가 되도록 중심을 맞추는 단계를 추가로 포함하는 온도제어형 기초 보강 공법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 중심 가이드는 상기 열사이펀의 증발부 측면에 부착되어 상기 파일 및 열사이펀이 일체화되도록 각각의 중심을 맞추는 것을 특징으로 하는 온도제어형 기초 보강 공법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 열사이펀의 발열부는 상기 파일 상부를 실링하는 커버 플레이트 상부에 노출되는 것을 특징으로 하는 온도제어형 기초 보강 공법.
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