KR20120114798A - 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일 및 그 시공 방법 - Google Patents

지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일 및 그 시공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조물을 안정되게 지지하기 위해 말뚝으로 사용되는 마이크로 강관 파일에 관한 것으로, 특히 관입 후 이완이 발생되는 것을 방지하면서 지지력 및 수평저항능력을 증대시킬 수 있도록 한 마이크로 강관 파일 및 그 시공 방법에 관한 것이다.
본 발명의 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일의 적절한 실시 형태에 따르면, 하단부 일정 구간에 일정 간격마다 복수 개 이상의 선회나사가 형성되고, 하단면이 폐쇄되어 있는 강관 파일 몸체가 구비되고, 강관 파일 몸체에는 상기 이웃한 선회나사의 사이에 위치되어 강관 파일 몸체에 관통되어 있는 충진재 토출공이 형성되고, 상기 강관 파일 몸체의 회전 관입시 충진재 토출공으로 토출되는 충진재를 교반시키는 교반수단이 충진재 토출공의 주변에 위치되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일 및 그 시공 방법{Micro steel pipe pile for increasing load carrying capacity and construction method thereof}
본 발명은 구조물을 안정되게 지지하기 위해 말뚝으로 사용되는 마이크로 강관 파일에 관한 것으로, 특히 관입 후 이완이 발생되는 것을 방지하면서 지지력 및 수평저항력을 증대시킬 수 있도록 한 마이크로 강관 파일 및 그 시공 방법에 관한 것이다.
일반적으로 건물은 기초 지반이 그 건물을 지지하기 위한 충분한 지지력을 가져야 한다. 기초 지반에 대한 지지력을 확보하기 위한 말뚝 시공의 한 방법으로 마이크로 파일 공법이 사용된다.
마이크로 파일 공법은 PHC파일 또는 강관파일 공법에 비해 상대적으로 구경이 300mm 이하로 작은 마이크로 파일을 사용하는 공법이다. 따라서 이 공법은 협소한 장소나 제한적인 지역에서의 시공이 가능하고, 언더피닝(Under Pinning), 기초보강, 압축 및 인장력이 동시에 작용하는 타워, 굴뚝, 송전탑의 기초파일, 소음규제 지역의 구조물 기포파일 공사 등 여러 목적으로 사용된다.
한편, 마이크로 파일은 다른 파일에 비해 상대적으로 구경이 작으므로 수직방향으로 작용하는 압축 및 인장하중에는 우수한 저항능력을 갖고 있으나 수평 전단면이 작아 수평 방향의 하중에는 매우 취약한 구조적 특성을 지니고 있다.
특히, 외부케이싱이 불필요한 나선형 마이크로파일의 경우 샤프트의 직경으로만 수평하중을 전달하여야 함으로 수평하중의 저항능력이 매우 취약하다. 그럼에도 불구하고 나선형파일은 1920년경 미국에서 시작되어 지금까지 꾸준하게 사용되어온 것은 시공의 편의성과 빠른 시공 속도 그리고 다양한 적용성 때문이다.
다른 한편, 마이크로 강관 파일의 경우 위에서 언급한 바와 같이 직경이 작아 관입 후 이완이 발생된다. 특히 관입 심도가 깊을수록 이완 현상은 더욱 크게 나타난다. 이러한 이완 발생은 지반과의 주면 마찰력을 감소시켜 말뚝 지지력을 약하게 하는 원인으로 작용하게 되어 기초 지반의 안정성을 저하시킨다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 창안된 것으로, 충진재의 주입 및 토출이 가능하도록 함과 동시에 토출된 충진재가 파일 몸체의 둘레에서 용이하게 교반되도록 하여 마이크로 강관 파일의 둘레에 그라우팅층이 형성되어 관입 후 이완을 없애고, 기초지반의 지지력 및 수평저항력을 한층 증대시킬 수 있도록 한 관입 후 이완 발생을 방지하기 위한 마이크로 강관 파일 및 그 시공방법을 제공함에 있다.
본 발명의 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일의 적절한 실시 형태에 따르면,
하단부 일정 구간에 일정 간격마다 복수 개 이상의 선회나사가 형성되고, 하단면이 폐쇄되어 있는 강관 파일 몸체가 구비되고,
상기 선회나사에 가까이 위치되어 강관 파일 몸체에 관통되어 있는 하나 이상의 충진재 토출공이 형성되고,
상기 강관 파일 몸체의 회전 관입시 충진재 토출공으로 토출되는 충진재를 교반시키는 교반수단이 충진재 토출공의 주변에 위치되어 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 교반수단은,
상기 충진재 토출공을 에워싸서 하방이 폐쇄되어 있고 상방으로 개구가 형성되어 있어 상향으로 충진재를 분출 유도시키는 콘형의 충진재 분출캡과;
상기 충진재 분출캡의 내주면과 강관 파일 몸체의 외주면의 사이에 위치되어 원주방향으로 일정 간격마다 설치되어 있는 교반날개로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이때 충진재 분출캡은 하방에서 상방으로 복수 개가 설치되되 상대적으로 상측에 설치된 것으로 올라갈수록 개구의 최대 직경이 증가되어져 구성되고, 그 최대 직경은 선회나사의 직경과 같거나 작게 구성됨이 바람직하다.
또한 교반수단은,
이웃한 선회나사의 사이에 각기 높이와 원주상으로 위치를 달리하여 강관 파일 몸체의 외주면에 돌출형으로 부착되어 있는 교반용 비트로 구성될 수 있다.
또한 교반용 비트는 사각 블록 형태로 이루어질 수 있다.
또한 교반용 비트는 다수 개가 강관 파일 몸체의 외주면에 나선 방향을 따라 배열될 수 있다.
또한 강관 파일 몸체의 하단은 예각 또는 원추형 단부로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일의 시공 방법에 따르면,
마이크로 강관 파일을 구비하는 단계와;
마이크로 강관 파일의 상단부를 회전구동기에 연결시켜 회전 관입시키는 단계와;
지반내로 일정 깊이까지 마이크로 강관 파일이 관입될 때 충진재의 주입을 시작하여 최종 관입 심도까지 강관 파일 몸체측 충진재 토출공으로 충진재를 토출시키는 단계와;
충진재의 토출 과정시 강관 파일 몸체측 교반수단에 의해 토출된 충진재에 교반을 동시에 일으키는 단계가 포함되어 시공되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일에 의하면, 강관 파일 몸체내로 충진재의 주입 및 토출이 가능하고. 토출된 충진재가 파일 몸체의 둘레에서 교반수단에 의해 용이하게 교반되어 그라우팅층이 형성된다.
따라서 마이크로 강관 파일의 관입 후에는 마이크로 강관 파일의 둘레에 그라우팅층이 형성되어 관입 후 이완을 없애고 지지력 및 수평저항력을 한층 증대시킬 수 있어 기초 지반을 더욱 안정되게 지지할 수 있으며, 관입 깊이의 증대에 따른 이완 문제가 발생되지 않는다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 강관 파일의 정면도.
도 2a는 도 1에서 하측의 교반수단이 설치된 부분의 사시도.
도 2b는 도 2a에 나타난 교반수단의 평단면도.
도 2c는 도 1에서 상측의 교반수단이 설치된 부분의 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 강관 파일의 시공상태도.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 강관 파일의 정면도.
도 5a는 본 발명의 제2 실시 예에 적용되는 교반용 비트측 요부 확대도.
도 5b는 도 5a의 X-X선에서 본 단면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 강관 파일의 시공상태도.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 마이크로 강관 파일의 정면도를 나타낸다.
도 1에서와 같이 마이크로 강관 파일(10)은 길이 방향으로 중공 형태를 갖는 강관 파일 몸체(12)가 구비된다. 강관 파일 몸체(12)는 상단이 개방되어 충진재 주입구(10a)를 갖고 하단이 원뿔형 단부(11)로 막혀 있다. 강관 파일 몸체(12)는 하단에서 상부로 소정 구간 내에 일정 간격마다 복수 개 이상의 선회나사(12a)가 형성되어 있다. 따라서 강관 파일(10)은 도 3과 같이 회전구동기(5)에 연결되어 선회나사(12a)에 의해 지중으로 용이하게 회전 관입된다. 이때 원뿔형 단부(11)에 의해 강관 파일 몸체(12)의 지중 관입이 보다 용이해진다. 본 실시 예에서는 강관 파일 몸체(12)의 단부를 원뿔형으로 구성하였으나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 예각으로 폐쇄된 경사 단부로 구성하여도 좋다.
선회나사(12a)에 가까이 하여 하나 이상의 충진재 토출공(14)이 위치되어 있고, 이 충진재 토출공(14)은 강관 파일 몸체(12)에 관통되어 있다. 본 실시 예에서 2개 또는 3개의 선회나사(12a)가 형성되어 있고 충진재 토출공(14)은 2개가 구비되어 있으나 이러한 개수에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
따라서 강관 파일 몸체(12)는 중공부가 충진재 주입구(10a)로부터 충진재 토출공(14)까지 도 2와 같이 하나의 충진재 주입통로(10b)를 형성하게 되고, 충진재 주입구(10a)를 통해 그라우팅에 필요한 충진재를 주입하게 되면, 충진재 주입통로(10b)를 경유하여 충진재 토출공(14)으로 충진재가 분출된다.
마이크로 강관 파일(10)은 강관 파일 몸체(12)의 회전 관입시 충진재 토출공(14)으로 토출되는 충진재를 교반시키기 위해 교반수단이 구비된다.
일 실시 예에 따른 교반수단은, 도 2a 내지 도 2c에 도시되어 있다. 도 2a는 하부측에 위치한 교반수단을 도 2c는 상부측에 위치한 교반수단을 나타내고 있고, 도 2b는 도 2a의 B-B선에서 본 단면도를 나타내고 있다. 여기서 상,하부측의 교반수단은 동일한 구조를 갖는다.
따라서 일 실시 예에 따른 어느 하나의 교반수단은 도 2a 및 도 2b와 같이 상기 충진재 토출공(14)을 에워싸서 하방이 폐쇄되어 있고 상방으로 개방된 개구(20a)를 형성하고 있어 상향으로 충진재를 분출 유도시키는 콘형의 충진재 분출캡(20)과, 충진재 분출캡(20)의 내주면과 강관 파일 몸체(12)의 외주면의 사이에 위치되어 원주방향으로 일정 간격마다 설치되어 있는 교반날개(22)로 구성되어 있다.
이때 충진재 분출캡(20)은 그의 하단측 내경이 강관 파일 몸체(12)의 외경과 동일하게 구성되어 용접으로 강관 파일 몸체(12)에 접합되어 폐쇄되어 있고, 그의 상단측 내경은 하단측 내경보다 크게 구성되어 있다. 따라서 충진재 토출공(14)을 통해서 토출되는 충진재는 강관 파일의 관입시 충진재 분출캡(20)에 의해 상방으로 분출이 유도된다. 이와 동시에 교반날개(22)는 강관 파일의 회전 관입에 따라 충진재를 교반시킨다. 또한 교반날개(22)는 충진재 분출캡(20)의 콘형 구조를 보강시키는 역할도 수행한다.
한편, 상부측에 설치된 교반수단은 위와 같이 하부측의 교반수단과 동일한 구조를 갖지만 상부측의 충진재 분출캡(20)은 상대적으로 길이가 더 길고 개구(20a)의 직경이 더 크게 형성되어 있는 것이 다르다. 이때 최상부측에 설치된 충진재 분출캡(20)의 개구(20a)의 최대 직경은 선회나사(12a)의 직경과 같거나 작게 구성된다. 이는 강관 파일 몸체(12)의 선회 관입시 방해를 주지 않게 하기 위함이다.
따라서 제1 실시 예에 따르면 강관 파일의 관입시 하부측에 위치한 충진재 분출캡(20)에서 분출되는 충진재가 1차로 그라우팅을 이루게 되고 상부측에 위치한 충진재 분출캡(20)에서 분출되는 충진재가 1차 그라우팅의 둘레로 2차 그라우팅을 형성하게 된다. 이로 인해 관입된 강관 파일의 상부로 올라갈 수록 점증적으로 두꺼워지는 그라우팅층을 형성하여 관입된 강관 파일의 이완 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.
다른 실시 예의 교반수단으로 도 4 내지 도 5b와 같이 구성할 수 있다. 도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 마이크로 강관 파일의 정면도이고, 도 5a는 본 발명의 제2 실시 예에 적용되는 교반용 비트측 요부 확대도이고, 도 5b는 도 5a의 A-A선에서 본 단면도를 나타낸다.
도 4 내지 도 5b와 같이 이웃한 선회나사(12a,12a)의 사이에 각기 높이와 원주상으로 위치를 달리하여 강관 파일 몸체(12)의 외주면에 돌출형으로 부착되어 있는 교반용 비트(120)로 구성될 수 있다. 교반용 비트(120)는 예로 사각 블록 형태로 제작될 수 있다. 또한 교반용 비트(120)는 다수 개가 강관 파일 몸체(12)의 외주면에 나선 방향을 따라 배열될 수 있다.
따라서 교반용 비트(120)가 지중에서 강관 파일 몸체(12)와 일체로 회전하게 되면, 다수 개의 교반용 비트(120)가 그 주변의 토사를 훑어내어 충진재 토출공(14)으로부터 충진재의 토출이 이루어지도록 하며 동시에 토출되는 충진재를 회전 교반시키게 된다.
미설명 부호 '6'은 회전구동기(5)에 연결된 '연결소켓'이고, '2'는 '소켓 연결핀'이다.
이와 같이 구성된 마이크로 강관 파일(10)의 시공 방법 및 작용을 설명한다.
먼저, 마이크로 강관 파일(10)의 상단부를 회전구동기(5)측 소켓(6)에 연결하고 강관 파일 몸체(12)의 내부로 그라우팅에 필요한 충진재를 주입하기 위한 주입호스(미도시)가 연결된다. 이때 주입호스는 주지의 로테이팅 조인트 수단을 통해 마이크로 강관 파일(10)에 연결된다.
이 상태에서 강관 파일 몸체(12)의 하단부를 설정된 위치의 지표면에 갖다 데고 회전 관입이 실시된다. 이때 선회 나사(12a)에 의해 마이크로 강관 파일(10)의 지중 관입이 용이하게 이루어진다.
이같이 하여 마이크로 강관 파일(10)의 지중 관입이 어느 정도 깊이로 이루어지면 충진재를 주입한다. 충진재는 시멘트 페이스트, 시멘트 모르타르 등 연약지반을 보강하기 위해 이 분야에 공지된 임의의 충진재가 사용될 수 있다. 주입된 충진재는 강관 파일 몸체(12)의 충진재 주입통로(10b)를 따라 주입되어 충진재 토출공(14)으로 분출된다. 이때 충진재 토출공(14)의 주변으로는 마이크로 강관 파일(10)과 일체화된 충진재 분출캡(20) 또는 교반용 비트(120)의 회전에 의해 분출되는 충진재의 교반이 이루어진다.
이같이 충진재를 계속적으로 주입하면서 마이크로 강관 파일(10)의 관입이 필요한 심도에 도달되면 마이크로 강관 파일(10)의 회전 구동이 정지되고, 마이크로 강관 파일(10)을 빠져나온 충진재가 충진 시작단에서부터 정지 순간까지의 높이 구간에 걸쳐 강관 파일 몸체(12)의 둘레에 채워지게 된다.(도 3 및 도 6 참조)
이후 충진재는 응결되어 마이크로 강관 파일(10)의 하단에서 일정 높이까지의 둘레에 그라우팅층(30)을 형성하게 된다. 이 그라우팅층(30)은 지반과 결속되어 마이크로 강관 파일(10)의 이완 발생을 없애게 된다. 또한 그라우팅층(30)은 강관파일 몸체(12)의 주면 마찰력을 높여 말뚝의 지지력 및 수평저항능력을 더욱 높이게 된다.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으면 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
12: 강관 파일 몸체
12a: 선회나사
14: 충진재 토출공
20: 충진재 분출캡
22: 교반날개
120: 교반용 비트

Claims (8)

  1. 하단부 일정 구간에 일정 간격마다 복수 개 이상의 선회나사(12a)가 형성되고, 하단면이 폐쇄되어 있는 강관 파일 몸체(12)가 구비되고,
    상기 선회나사(12a)에 가까이 위치되어 강관 파일 몸체(12)에 관통되어 있는 하나 이상의 충진재 토출공(14)이 형성되고,
    상기 강관 파일 몸체(12)의 회전 관입시 충진재 토출공(14)으로 토출되는 충진재를 교반시키는 교반수단이 충진재 토출공(14)의 주변에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 교반수단은,
    상기 충진재 토출공(14)을 에워싸서 하방이 폐쇄되어 있고 상방으로 개구(20a)가 형성되어 있어 상향으로 충진재를 분출 유도시키는 콘형의 충진재 분출캡(20)과;
    상기 충진재 분출캡(20)의 내주면과 강관 파일 몸체(12)의 외주면의 사이에 위치되어 원주방향으로 일정 간격마다 설치되어 있는 교반날개(22)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 충진재 분출캡(20)은 하방에서 상방으로 복수 개가 설치되되 상대적으로 상측에 설치된 것으로 올라갈수록 개구의 최대 직경이 증가되어져 구성되고, 그 최대 직경은 선회나사(12a)의 직경과 같거나 작게 구성된 것을 특징으로 하는 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 교반수단은,
    이웃한 선회나사(12a,12a)의 사이에 각기 높이와 원주상으로 위치를 달리하여 강관 파일 몸체(12)의 외주면에 돌출형으로 부착되어 있는 교반용 비트(120)로 구성된 것을 특징으로 하는 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 교반용 비트(120)는 사각 블록 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 교반용 비트(120)는 다수 개가 강관 파일 몸체(12)의 외주면에 나선 방향을 따라 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 강관 파일 몸체(12)의 하단은 예각 또는 원추형 단부(11)를 형성하는 것을 특징으로 하는 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7에서 택일된 마이크로 강관 파일(10)을 구비하는 단계와;
    마이크로 강관 파일(10)의 상단부를 회전구동기(5)에 연결시켜 회전 관입시키는 단계와;
    지반 내로 일정 깊이까지 마이크로 강관 파일(10)이 관입될 때 충진재의 가압 주입을 시작하여 최종 관입 심도까지 강관 파일 몸체(12)측 충진재 토출공(14)으로 충진재를 토출시키는 단계와;
    충진재의 토출 과정시 강관 파일 몸체(12)측 교반수단에 의해 토출된 충진재에 교반을 동시에 일으키는 단계가 포함되어 시공되는 것을 특징으로 하는 지지력 증대를 위한 마이크로 강관 파일의 시공방법.
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