KR20150111897A - 복합 기초구조물 및 그 시공방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지중에 상하방향으로 형성되는 기초구조물에 관한 것으로서, 상하방향을 따라 지중에 형성된 상부 지지층(10); 상부 지지층(10)의 폭에 비해 작은 폭을 갖도록, 상부 지지층(10)에서 하측으로 연장형성된 하부 지지층(20);을 포함하고, 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)은 토사와 토양 고화제를 혼합주입에 의한 고화토에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 구조를 제시함으로써, 효율적이면서도, 천공장비의 과부하를 방지할 수 있도록 한다.

Description

복합 기초구조물 및 그 시공방법{COMPLEX FOUNDATION STRUCTURE AND CONSTRUCTION METHOD THEREOF}
본 발명은 토목 분야에 관한 것으로서, 상세하게는 기초구조물에 관한 것이다.
구조물이 시공되는 지반의 지내력을 확보하기 위하여, 강관 파일, PHC 파일 등의 직선형 파일이 일반적으로 시공된다.
그런데, 이러한 종래의 파일은 다음과 같은 문제가 있었다.
첫째, 지반은 전체적으로 일정한 지내력을 갖도록 형성되는 것이 아니라, 깊이에 따라 지내력이 서로 다른 층(연약층, 암반 등의 지지층)이 존재하는데, 이에 불구하고, 깊이와 관계없이 모두 동일한 단면을 가지므로 효율적이지 못하다는 점이다.
둘째, 고심도에서도 동일한 직경의 천공 홀을 형성하여야 하므로, 천공장비의 과부하가 발생한다는 점이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 연약지반의 보강 및 지반의 침하 방지에 효율적이고, 천공장비의 과부하를 방지할 수 있도록 하는 복합 기초구조물 및 그 시공방법을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 지중에 상하방향으로 형성되는 기초구조물에 있어서, 상하방향을 따라 지중에 형성된 상부 지지층(10); 상기 상부 지지층(10)의 폭에 비해 작은 폭을 갖도록, 상기 상부 지지층(10)에서 하측으로 연장형성된 하부 지지층(20);을 포함하고, 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)은 토사와 토양 고화제를 혼합주입에 의한 고화토에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물을 제시한다.
상기 상부 지지층(10)의 깊이에 비해 상기 하부 지지층(20)의 깊이가 크게 형성된 것이 바람직하다.
상기 상부 지지층(10)은 상부의 폭에 비해 하부의 폭이 좁게 형성된 것이 바람직하다.
상기 상부 지지층(10)은 원추형 구조로 형성되고, 상기 하부 지지층(20)은 상기 상부 지지층(10)의 하단에서 하측으로 연장형성된 것이 바람직하다.
상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)은 원통형 구조로 형성되고, 상기 상부 지지층(10)의 하단에는 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 변단면 구조의 변단면 지지층(11)이 형성된 것이 바람직하다.
지반이 하측을 향하여 연약층(a), 지지층(b)의 순서로 형성되는 경우, 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 경계부는 상기 연약층(a)의 하부 또는 상기 지지층(b)의 상부에 위치하도록 형성되고, 상기 하부 지지층(20)은 상기 지지층(b)에 위치하도록 형성된 것이 바람직하다.
지반이 하측을 향하여 제1 연약층(a1), 제1 지지층(b1), 제2 연약층(a2), 제2 지지층(b2)의 순서로 형성되는 경우, 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 경계부는 상기 제1 연약층(a1)의 하부 또는 상기 제1 지지층(b1)의 상부에 위치하도록 형성되고, 상기 하부 지지층(20)의 하단은 상기 제2 연약층(a2)의 하부 또는 상기 제2 지지층(b2)의 상부에 위치하도록 형성된 것이 바람직하다.
상기 하부 지지층(20)에는 강재 또는 콘크리트 재질의 심체(21)가 삽입된 것이 바람직하다.
상기 심체(21)는 상부가 상기 상부 지지층(10)의 중앙부를 관통하도록 매설된 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 복합 기초구조물의 시공방법으로서, 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 지반에 천공 홀(1)을 형성함과 동시에, 상기 천공 홀(1)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법을 함께 제시한다.
본 발명은 상기 복합 기초구조물의 시공방법으로서, 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 지반에 천공 홀(1)을 형성하는 천공단계; 상기 천공 홀(1)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성하는 기초 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법을 함께 제시한다.
상기 천공단계 및 기초 형성단계는, 상기 하부 지지층(20)의 형성을 위한 소형 천공홀(22)을 형성하는 단계; 상기 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 상기 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계; 상기 소형 천공홀(22) 및 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 상부 지지층(10)을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 천공단계 및 기초 형성단계는, 상기 하부 지지층(20)의 형성을 위한 소형 천공홀(22)을 형성하는 단계; 상기 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 하부 지지층(20)을 형성하는 단계; 상기 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 상기 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계; 상기 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 상부 지지층(10)을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 천공단계 및 기초 형성단계는, 다수의 상기 하부 지지층(20)의 형성을 위한 다수의 소형 천공홀(22)을 형성하는 단계; 다수의 상기 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 상기 하부 지지층(20)을 형성하는 단계; 다수의 상기 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 다수의 상기 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계; 다수의 상기 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 상기 상부 지지층(10)을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 천공단계 및 기초 형성단계는, 다수의 상기 상부 지지층(10)의 형성을 위한 다수의 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계; 다수의 상기 대형 천공홀(12)의 하부를 굴착하여, 다수의 상기 하부 지지층(20)의 형성을 위한 다수의 소형 천공홀(22)을 형성하는 단계; 다수의 상기 대형 천공홀(12) 및 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 복합 기초구조물의 시공방법으로서, 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 지반에 천공 홀(1)을 형성하는 천공단계; 상기 천공 홀(1)에 상기 심체(21)를 근입하여 상기 하부 지지층(20)을 형성하는 단계; 상기 천공 홀(1)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법을 함께 제시한다.
상기 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계에서는 서로 이웃하는 상기 대형 천공홀(12)이 중첩되도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 토사는 상기 천공단계에서 발생하는 부상토인 것이 바람직하다.
상기 토사는 상기 천공단계에서 발생하는 부상토와 골재의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기 천공단계 및 기초 형성단계는, 상기 천공단계에서 발생하는 부상토의 일부를 배토하고, 잔여 부상토와 상기 골재 및 상기 토양 고화제를 혼합주입하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 기초 구조물은 지반의 깊이에 따라 상이한 지지층을 확보함으로써 높은 지지력을 구현할 수 있고, 이에 따라 지반의 보강이나 지반의 침하 억제에 효과적이다.
또한, 고화토를 사용함으로써 고함수비의 토양에서도 빠른 고화 효과를 나타내며, 현장 발생토를 사용하기 때문에 비용면에서도 효과적이다.
또한, 고심도에서는 상대적으로 작은 직경의 천공 홀을 형성하고 있으므로, 기초 구조물 형성에 필요한 재료의 투입량을 감소시킬 수 있고, 천공장비의 과부하를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 7은 본 발명에 의한 기초구조물의 실시예를 도시한 것으로서,
도 1은 제1 실시예의 단면도.
도 2a는 제2 실시예의 단면도.
도 2b는 제3 실시예의 단면도.
도 3은 제4 실시예의 단면도.
도 4는 제5 실시예의 단면도.
도 5는 제6 실시예의 단면도.
도 6은 제7 실시예의 단면도.
도 7 이하는 본 발명에 의한 기초구조물의 시공방법의 실시예를 도시한 것으로서,
도 7,8은 제1 실시예의 공정도.
도 9,10은 제2 실시예의 공정도.
도 11 내지 13은 제3 실시예의 공정도.
도 14,15는 제4 실시예의 공정도.
도 16은 제5 실시예의 공정도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1 이하에 도시된 바와 같이, 본 발명은 지중에 상하방향으로 형성되는 기초구조물에 관한 것으로서, 상하방향을 따라 지중에 형성된 상부 지지층(10); 상부 지지층(10)의 폭에 비해 작은 폭을 갖도록, 상부 지지층(10)에서 하측으로 연장형성된 하부 지지층(20);을 포함하여 구성된다.
여기서, 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)은 토사와 토양 고화제를 혼합주입에 의한 고화토에 의해 형성된다.
즉, 단면의 크기가 서로 상이한 상부 지지층(10), 하부 지지층(20)을 상하방향으로 배치한 복합 기초구조물에 관한 것으로서, 종래와 같이 기초구조물을 전체적으로 동일한 단면구조로 형성하는 것이 아니라, 지반의 여건, 현장의 상황을 고려하여 맞춤형으로 적용될 수 있도록 전체적으로 변단면 구조로 형성한 것이다.
나아가, 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 토사와 토양 고화제를 혼합주입한 고화토에 의해 형성하는데, 이는 프리캐스트 파일의 운반 및 근입작업이나, 현장타설에 의한 파일 형성작업을 생략하고, 간편하게 기초층을 형성할 수 있다는 장점이 있다.
상부 지지층(10)은 다양한 구조를 취할 수 있는데, 하부 지지층(20)의 폭에 비해 전체적으로 넓은 단면을 가지며, 상부의 폭에 비해 하부의 폭이 좁게 형성된 구조가 바람직하다.
구체적인 예로서, 도 2a나 2b와 같은 원추형 구조로 상부 지지층(10)을 형성할 수 있다.
이러한 구조에 의하면, 상부 지지층(10)의 주면마찰력 증대로 인하여, 전체적으로 기초구조물의 깊이를 줄일 수 있다는 효과가 있다(도 2).
이는 지반의 지내력이 비교적 우수한 경우 효율적으로 사용될 수 있다.
상부 지지층(10)의 깊이에 비해 하부 지지층(20)의 깊이가 크게 형성되는 경우, 위 효과를 더욱 크게 얻을 수 있다.
한편, 상부 지지층(10)은 지반의 표층부에 배치되고, 하부 지지층(20)은 지반의 중층부 또는 심층부에 배치되는 것이 바람직하며, 이에 따라 상부 지지층(10)과 하부 지지층(20)의 길이가 각각 결정될 수 있다.
이 경우 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)이 원통형 구조를 취하는 것이 천공 홀 형성작업의 편의성 측면에서 바람직하다.
상기한 본 발명의 실시예에 의하면 다음과 같은 효과를 얻도록 한다.
첫째, 지반은 전체적으로 일정한 지내력을 갖도록 형성되는 것이 아니라, 깊이에 따라 지내력이 서로 다른 층(연약층, 암반 등의 지지층)이 존재하는데, 이에 맞추어 단면의 크기가 서로 상이한 기초층을 배치할 수 있으므로, 효율적인 구조를 얻을 수 있다.
둘째, 고심도에서는 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 저심도의 경우(상부 지지층)에 비해 작은 직경의 천공 홀을 형성하면 족하므로, 재료의 투입량을 감소시킬 수 있고, 천공장비의 과부하를 방지할 수 있다.
셋째, 상부 지지층(10)와 하부 지지층(20)의 사이(상부 지지층(10)의 하단)에 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 변단면 구조의 변단면 지지층(11)이 형성되는 경우, 단면의 급격한 변화에 의한 응력집중을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
지반이 하측을 향하여 연약층(a), 지지층(b)의 순서로 형성되는 경우에는, 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 경계부(변단면 지지층(11))가 연약층(a)의 하부 또는 지지층(b)의 상부에 위치하도록 형성하고, 하부 지지층(20)은 지지층(b)에 위치하도록 형성하는 것이 바람직하다(도 3).
도 3,4에서 X축은 지내력을 의미한다.
이 경우, 지지층(b)에 형성된 하부 지지층(20)은 상부 지지층(10)에 의한 지내력을 보강, 보충하는 역할을 하므로, 하부 지지층(20)이 없는 경우에 비해 상부 지지층(10)의 단면을 축소할 수 있다는 효과가 있다.
또한 강도가 높은 고심도의 지지층(b)에 대한 천공작업 시 천공 홀의 직경을 작게 할 수 있으므로, 천공장비의 과부하를 방지할 수 있다.
여기서, 연약층, 지지층이란, 지반 위에 시공되는 구조물의 성격 기타 현장 여건에 따라 정해질 수 있는 상대적인 개념으로서, 일반적으로 풍화토, 풍화암 등의 지층은 지지층에 해당하고, 이보다 지내력이 약한 지층은 연약층에 해당한다고 볼 것이다.
지반이 하측을 향하여 제1 연약층(a1), 제1 지지층(b1), 제2 연약층(a2), 제2 지지층(b2)의 순서로 형성되는 경우에는, 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 경계부(변단면 지지층(11))는 제1 연약층(a1)의 하부 또는 제1 지지층(b1)의 상부에 위치하도록 형성되고, 하부 지지층(20)의 하단은 제2 연약층(a2)의 하부 또는 제2 지지층(b2)의 상부에 위치하도록 형성된 구성을 취하는 것이 바람직하다(도 4).
이 경우, 만약 하부 지지층(20)이 없다면, 제2 연약층(a2)으로 인하여 상부 지지층(10)의 안정적인 지내력을 기대할 수 없을 것이나, 본 발명에 의한 공법의 경우에는 하부 지지층(20)이 제2 연약층(a2)을 지나 제2 지지층(b2)에 의해 지지되는 구조를 취하므로, 전체적으로 우수한 구조적 안정성을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 기초 구조물은 고화제의 종류 및 사용량에 따라 그 강도가 정해지며, 통상 0.1~10MPa의 지내력을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 기초 구조물은 설계 하중에 따라 그 크기가 정해지며, 통상 상부 지지층(10)의 상면의 폭은 0.5~3m, 상부 지지층(10)의 깊이는 0.5~10m, 하부 지지층(20)의 폭은 0.1~1.0m, 하부 지지층(20)의 깊이는 1.0~60m 정도로 하는 것이 바람직하다.
한편, 하부 지지층(20)에 강재 또는 콘크리트 재질의 심체(21)가 추가로 삽입된 구조를 취하는 경우, 전체 기초구조물의 구조적 안정성 및 시공성 측면에서 더욱 바람직하다(도 5,6).
여기서 심체(21)는 강봉, 강관, H 파일, PHC 파일 등의 구조를 적용할 수 있다.
이러한 심체(21)는 상단이 고화토에 의한 상부 지지층(10)의 중앙부를 관통하도록 매설된 구조를 취하는 것이, 구조적 안정성 측면에서 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 복합 기초구조물의 시공방법에 관하여 설명한다.
기본적으로, 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 지반에 천공 홀(1)을 형성함과 동시에, 천공 홀(1)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성할 수 있다.
또는, 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 지반에 천공 홀을 형성하는 천공단계; 천공 홀에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성하는 기초 형성단계;에 의해 시공될 수도 있다.
위 시공방법은 구체적으로 다음과 같은 실시예에 의해 구현될 수 있다.
첫째, 하부 지지층(20)의 형성을 위한 소형 천공홀(22)을 형성하고(도 7), 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성한 후(도 8), 소형 천공홀(22) 및 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 동시에 형성할 수 있다(도 1).
둘째, 하부 지지층(20)의 형성을 위한 소형 천공홀(22)을 형성하고(도 7), 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 먼저 하부 지지층(20)을 형성한 후(도 9), 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성하고(도 10), 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상부 지지층(10)을 형성할 수 있다(도 1).
셋째, 다수의 하부 지지층(20)의 형성을 위한 다수의 소형 천공홀(22)을 형성하고(도 11), 다수의 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 하부 지지층(20)을 먼저 형성한 후(도 12), 다수의 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 다수의 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성하고(도 13), 다수의 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 상기 상부 지지층(10)을 형성할 수 있다(도 1).
넷째, 다수의 상부 지지층(10)의 형성을 위한 다수의 대형 천공홀(12)을 형성하고(도 14), 다수의 대형 천공홀(12)의 하부를 굴착하여, 다수의 하부 지지층(20)의 형성을 위한 다수의 소형 천공홀(22)을 형성한 후(도 15), 다수의 대형 천공홀(12) 및 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성할 수 있다.
상기 다수의 대형 천공홀(12)은 도 14에서와 같이 상호 간격을 두고 형성할 수도 있고, 도 16에서와 같이 서로 이웃하는 대형 천공홀(12)이 중첩되도록 형성할 수도 있다.
위 실시예들은 각각의 장단점이 있는 것이므로, 현장 여건, 장비 상황 등을 고려하여 적절한 방법을 채택하면 된다.
한편, 하부 지지층(20)을 별도의 심체(21)에 의해 형성하는 경우에는 다음과 같은 공정에 의해 이루어진다(도 5,6).
상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 지반에 천공 홀을 형성하고, 천공 홀에 심체(21)를 근입한다.
천공 홀에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성한다.
이와 반대로, 먼저 천공 홀에 토사와 토양 고화제를 혼합주입한 후, 그 경화 전, 심체(21)를 근입하는 방식을 취할 수도 있다.
토양 고화제와 혼합하는 토사는 현장발생토를 적용하면 충분하고, 위 천공단계에서 발생하는 부상토를 사용하여 천공과 동시에 혼합할 수도 있다.
다만 부상토의 강도가 약한 경우에는, 골재(모래 또는 자갈)를 혼합하여 적용하는 것이 바람직한데, 이때에는 천공단계에서 발생하는 부상토의 일부를 배토하고, 잔여 부상토와 골재 및 토양 고화제를 혼합주입한다.
이하, 본 발명에 의한 공법에 사용될 수 있는 토양 고화제의 일례에 대하여 설명한다.
토양 고화제는 기본적으로, 염화칼슘 22.4~35.7 중량부, 염화암모늄 12~28 중량부, 염화마그네슘 21.42~34.68 중량부, 황산마그네슘 1.2~7 중량부, 알민산 소다 8~13 중량부, 리그린 설폰산염 4~10 중량부, 스테아린산 마그네슘 2.5~3.5 중량부, 황산철과 같은 2가 철 화합물 1~2 중량부를 포함하여 구성된다.
첫번째 예로서 양질토의 경우에는, 토양 1㎥에 대하여, 위 토양 고화제 1~2kg, 시멘트를 포함하는 바인더 70~100kg을 혼입하여 고화시키는 것만으로도 20kgf/㎠ 이상의 압축강도 및 우수한 동결융해성, 불투수성을 얻을 수 있다.
이때, 알민산 소다는 8~11 중량부, 리그린 설폰산염은 4~7 중량부를 적용하면 충분하다.
여기서, 토양 고화제는 수용액의 형태로, 토양 1㎥에 대하여 30~35ℓ를 혼입하는 것이 시공성, 구조적 안정성을 위하여 바람직하다.
바인더로는 시멘트만을 적용할 수도 있으나, 시멘트 30~40 중량부, 슬래그 또는 플라이애쉬 50~60 중량부, 석고 5~15 중량부를 포함하는 구성을 취하는 경우 더욱 우수한 물성을 얻을 수 있고, 이들은 위 토양 고화제와 혼입하여 프리믹스(pre-mix) 형태로 제공될 수 있다.
두번째 예로서 부산물 폐토류(연약 점성토, 폐 미세 토사, 마사토, 슬러지, 오니 등)가 다량 혼입된 토양의 경우에는, 토양 1㎥에 대하여, 위 토양 고화제 0.7~1.5kg, 바인더 100~200kg, 플라이애쉬(Fly ash) 또는 석분 20~25 중량부를 혼입하여 고화시키는 것이 바람직하다.
플라이애쉬 또는 석분은 토계 골재인 무기 재료로서 토양에 혼입되어 보강재의 역할을 하므로, 부산물 폐토류가 다량 존재하는 경우 고화제와 함께 토양에 혼입되어, 압축강도, 인장강도, 내마모성 내하중성, 동결융해성이 우수한 입상화물을 제공하는 역할을 한다.
이와 더불어 토양 1㎥에 대하여, 액상 규산나트륨 60~90ℓ를 추가로 혼입하는 경우, 더욱 우수한 고화 효과를 얻을 수 있다.
액상 규산나트륨(Na2O-nSiO2-xH2O)에 함유된 알칼리 성분(Na2O)은 포졸란에 함유된 실리카 성분을 활성화함과 아울러, 실리카 또는 음이온 부분을 칼슘 실리케이트 화합물로 형성한다.
이는 토양과 시멘트 및 규산나트륨 간에 Gel 시간을 단축시켜 급결재의 특성도 함께 갖도록 한다.
특히 규산나트륨을 변성시킨 액상 규산나트륨(3초 급결성)은 저몰비(2.0~2.5)의 강알칼리성 수용액에 해당하므로, 규산나트륨의 내수성의 물성을 얻을 수 있고, 품위변화를 요구하는 토계 골재의 주성분인 SiO2, Al2O3, Fl2O3, CaO 등에 의해 조성되므로, 강고하게 결합한 경화체에 의한 영구 구조체를 얻을 수 있다.
이에 따라, 액상 규산나트륨은 포졸란 반응성을 높이므로, 조기강도 발현, 경화촉진, 우수한 내구성 등의 효과를 얻도록 한다.
항 목 3종 (3호)
비중(20℃) 1.380 이상
이산화 규소(SiO2) (%) 28~30
산화나트륨(Na2O) (%) 9~10
철(Fe) (%) 0.03 이하
몰 비 2.0~2.5
표 1은 액상 규산나트륨(KS M 1415)의 물성을 나타낸 것이다.
바인더로는 시멘트만을 적용할 수도 있으나, 시멘트 30~40 중량부, 슬래그 또는 플라이애쉬 50~60 중량부, 석고 5~15 중량부를 포함하는 구성을 취하는 경우 더욱 우수한 물성을 얻을 수 있고, 이들은 위 토양 고화제와 혼입하여 프리믹스(pre-mix) 형태로 제공될 수 있다.
세번째 예로서 연약지반의 경우에는, 토양 1㎥에 대하여, 위 토양 고화제 1~2kg, 시멘트를 포함하는 바인더 70~100kg을 혼입하여 고화시키는 것만으로 10~50kgf/㎠ 이상의 압축강도 및 우수한 동결융해성, 불투수성(투수계수 1 × 10-7 cm/sec)을 얻을 수 있다.
연약점성토 및 저니 점결토의 경우, 함수비가 높고 유기물(Humic산)에 분산 생성된 고분자 화합물 등이 토립자 주위의 부착수에 용해되어 있으므로, 이에 시멘트가 포함된 고화제를 주입하는 경우, 시멘트 Paste층이 칼슘이온과 반응하여 시멘트 수화물 표면에 불투수막을 형성한다는 문제가 있다.
토양 고화제는 알민산 소다 11.1~13 중량부, 리그린 설폰산염 7.1~10 중량부를 사용하는데, 이들 성분은 연약한 토립자 간에 고른 분산과 연약토의 접결성을 높이고 안정적인 수화반응을 유도한다는 특징이 있다.
여기서, 토양 고화제는 수용액의 형태로, 토양 1㎥에 대하여 30~35ℓ를 혼입하는 것이 시공성, 구조적 안정성을 위하여 바람직하다.
바인더로는 시멘트만을 적용할 수도 있으나, 시멘트 30~40 중량부, 슬래그 또는 플라이애쉬 50~60 중량부, 석고 5~15 중량부를 포함하는 구성을 취하는 경우 더욱 우수한 물성을 얻을 수 있고, 이들은 위 토양 고화제와 혼입하여 프리믹스(pre-mix) 형태로 제공될 수 있다.
위 토양 고화제와 함께, 메타크릴수지와 실리카계 고화제를 혼합한 에멀젼 용액 3~5 중량부 수용액 1~5ℓ를 더 첨가하는 경우, 토립자 간의 화학 결합에 의해 3차원 망상구조가 이루어져 가교 경화 반응이 더욱 촉진된다는 장점이 추가된다.
이와 같이, 기초 구조물을 현장발생토와 토양 고화제(시멘트 및 바인더스 조성물)의 혼합에 의해 형성하는 경우, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 토양 고화제로서 시멘트뿐만 아니라 각종 물질의 혼합에 의한 바인더스 조성물을 혼합하여 적용하므로, 치밀성, 조기강도 발현, 강도증진의 효과를 얻을 수 있다.
둘째, 시멘트와 바인더스 조성물 성분들의 공유 결합에 의해 강력한 경화 촉진효과를 얻을 수 있다.
셋째, 현장발생토가 연약성 점성토류, 준설폐토, 유기질 함유니토와 같은 불량토질인 경우에도, 바인더스 조성물의 개량효과로 인하여, 안정적인 강도를 얻을 수 있다.
넷째, 기초지반보강뿐만 아니라, 연약지반개량, 표층고화, 심층고화 등의 효과를 추가로 얻을 수 있다.
다섯째, 침투수 지연효과, 지반지지력 증진, 침하방지 등 토양고화효과를 증대할 수 있다.
여섯째, 원지반과 고화토의 경계면이 없다.
일곱째, 비액상화로 인하여 토양고화 후 재슬러리화가 발생하지 않는다.
여덟째, 각 용도에 맞도록 맞춤식 토양고화가 가능하다.
아홉째, 조기강도의 발현에 의한 빠른 고화효과를 기대할 수 있다.
열째, 현장발생토를 모두 활용할 수 있고, 비환경적인 콘크리트 구조물을 대체시공할 수 있으며, 건설폐기물을 현장발생토에 혼합하여 사용할 있으므로, 친환경적이다.
*이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
1 : 천공 홀 10 : 상부 지지층
11 : 변단면 지지층 12 : 대형 천공홀
20 : 하부 지지층 21 : 심체
22 : 소형 천공홀 a,a1,a2 : 연약층
b,b1,b2 : 지지층

Claims (15)

  1. 지중에 상하방향으로 형성되는 기초구조물에 있어서,
    상하방향을 따라 지중에 형성된 상부 지지층(10);
    상기 상부 지지층(10)의 폭에 비해 작은 폭을 갖도록, 상기 상부 지지층(10)에서 하측으로 연장형성된 하부 지지층(20);을 포함하고,
    상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)은 토사와 토양 고화제를 혼합주입에 의한 고화토에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 지지층(10)의 깊이에 비해 상기 하부 지지층(20)의 깊이가 크게 형성된 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 지지층(10)은 상부의 폭에 비해 하부의 폭이 좁게 형성된 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부 지지층(10)은 원추형 구조로 형성되고, 상기 하부 지지층(20)은 상기 상부 지지층(10)의 하단에서 하측으로 연장형성된 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 복합 기초구조물의 시공방법으로서,
    상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 지반에 천공 홀(1)을 형성함과 동시에, 상기 천공 홀(1)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 복합 기초구조물의 시공방법으로서,
    상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)의 형성을 위하여, 지반에 천공 홀(1)을 형성하는 천공단계;
    상기 천공 홀(1)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성하는 기초 형성단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 천공단계 및 기초 형성단계는,
    상기 하부 지지층(20)의 형성을 위한 소형 천공홀(22)을 형성하는 단계;
    상기 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 상기 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계;
    상기 소형 천공홀(22) 및 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 상부 지지층(10)을 형성하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 천공단계 및 기초 형성단계는,
    상기 하부 지지층(20)의 형성을 위한 소형 천공홀(22)을 형성하는 단계;
    상기 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 하부 지지층(20)을 형성하는 단계;
    상기 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 상기 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계;
    상기 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 상기 상부 지지층(10)을 형성하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 천공단계 및 기초 형성단계는,
    다수의 상기 하부 지지층(20)의 형성을 위한 다수의 소형 천공홀(22)을 상호 간격을 두고 형성하는 단계;
    다수의 상기 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 상기 하부 지지층(20)을 형성하는 단계;
    다수의 상기 소형 천공홀(22)의 상부를 확대하여, 다수의 상기 상부 지지층(10)의 형성을 위한 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계;
    다수의 상기 대형 천공홀(12)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 상기 상부 지지층(10)을 형성하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 천공단계 및 기초 형성단계는,
    다수의 상기 상부 지지층(10)의 형성을 위한 다수의 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계;
    다수의 상기 대형 천공홀(12)의 하부를 굴착하여, 다수의 상기 하부 지지층(20)의 형성을 위한 다수의 소형 천공홀(22)을 형성하는 단계;
    다수의 상기 대형 천공홀(12) 및 소형 천공홀(22)에 토사와 토양 고화제를 혼합주입하여 다수의 상기 상부 지지층(10) 및 하부 지지층(20)을 형성하는 단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계에서는
    서로 이웃하는 상기 대형 천공홀(12)이 중첩되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 대형 천공홀(12)을 형성하는 단계에서는
    서로 이웃하는 상기 대형 천공홀(12)이 중첩되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 토사는 상기 천공단계에서 발생하는 부상토인 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 토사는 상기 천공단계에서 발생하는 부상토와 골재의 혼합물인 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 천공단계 및 기초 형성단계는,
    상기 천공단계에서 발생하는 부상토의 일부를 배토하고, 잔여 부상토와 상기 골재 및 상기 토양 고화제를 혼합주입하는 것을 특징으로 하는 복합 기초구조물의 시공방법.
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