KR20160018634A - 석션 파일을 관통하여 설치되는 내부말뚝을 갖춘 복합말뚝 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석션 파일을 관통하여 설치되는 내부말뚝을 갖춘 복합말뚝 시공방법에 관한 것으로서, 상세하게는 석션 파일 상부에 설치된 외부 케이싱 내부의 수위를 하강시켜 석션 파일을 지중에 관입시키고, 각각의 외부 케이싱 내부에 수위 높이를 다르게 함으로써 시공 중 구조물의 기울기를 보정하고, 석션 파일의 지중 관입 후 석션 파일을 반력 체로 유압 압입부를 이용하여 내부 말뚝을 기반암까지 압입시켜 구조물의 침하를 예방하는 석션 파일 내부를 관통하는 복합 말뚝 시공 방법에 관한 것이다.

Description

석션 파일을 관통하여 설치되는 내부말뚝을 갖춘 복합말뚝 시공방법{A Construction method for the compound pile with the inner pile installed through the suction pile}

본 발명은 석션 파일 내부를 관통하는 복합말뚝에 관한 것으로, 석션체와 연결된 외부 케이싱 내의 수위 높이를 조정함으로써 수중부 지반에 석션 파일의 설치를 용이하게 하고 외부 케이싱과 석션 파일의 내부를 관통하는 내부 말뚝을 시공함으로써 구조물을 안정적으로 지지하는 석션 파일을 관통하여 설치되는 내부말뚝을 갖춘 복합말뚝 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 석션 파일은 하부가 개방되고 상부가 밀폐된 구조를 갖는데, 시공 방법은 다음과 같은 공정으로 이루워진다.

일단 구조물의 석션 파일의 하부가 수중부 지반에 안착되면, 구조물의 자중에 의해 석션 파일의 일부가 지중에 관입된다. 자중 관입이 멈추면 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이 석션 파일의 상부에 설치된 석션 펌프를 작동하여 석션 파일 내부의 물을 배출한다. 석션 파일 내부의 물이 배출되면서 석션 파일 내, 외부간에 압력차가 발생하고, 이 압력차에 의해 파일이 지중에 박히게 된다.

그러나 종래의 석션 파일 압입 방법은 파일 내부의 물을 배출하게 되면 파일 내부가 진공 상태가 되면서 파일 내, 외부의 압력차가 급격히 발생하는데, 이렇게 크게 발생되는 순간 압력차는 파일의 관입 제어가 어려울 뿐 아니라, 파일이 관입되는 게 아니라 지반이 연약할 경우 석션 파일 내부의 지반이 떡 시루처럼 통째로 올라오는 문제가 발생하기도 한다.

또한, 석션 파일의 직경은 보통 6~12 m에 이르게 설계를 하는데, 일단 파일이 지중에 관입 되면 수평 저항력과 인발 저항력은 크지만, 파일의 하단이 기반암보다 높은 위치에 설치되기 때문에 장기적인 침하에 대한 저항력이 부족한 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 공개 특허 10-2012-0074047호의 '급속 시공을 위한 석션파일'과 등록 특허 10-1342445호의 '해상 풍력 발전기의 하이브리드 지지구조'와 등록 특허 10-0719300호의 '버킷 파일의 기초 시공구조물 및 그 시공방법'에 개시 된 바와 같이 석션 파일 구조물의 침하를 예방하기 위해 석션 파일 바깥 쪽에 추가로 '외부 기초 파일'을 시공하는 공법을 개발하였다.

상기 '외부 기초 파일' 공법의 공통점은 상기 언급된 석션 파일의 상면에 펌프를 설치하여 석션 파일을 관입시키고 석션 파일의 외부에서 기반암까지 '외부 기초 파일'을 시공하여 석션 파일과 결합시키는 방법을 공통적으로 채택하고 있다.

그러나 상기의 방법은 석션 파일과 외부 기초 파일의 결합이 수중에서 이루워지기 때문에 결합부의 품질이 저하되는 문제점과, 석션 파일에 설치되어 있는 펌프를 해체하기 위해선 다이버가 깊은 수심까지 내려 가야하고, 추가적인 '외부 기초 파일' 구조로 인해 구조물이 복잡해지고 공사비가 올라가는 공통적인 문제점이 있다. 특히 '해상 풍력 발전기의 하이브리드 지지구조'에서는 '외부 기초 파일'과 결합하는 구조부가 석션 파일 하단보다 낮게 설치되어 있다. 이는 초기에 석션 파일의 자중 근입시 자중 근입을 방해하는 것과, 수직력을 감당하는 소구경 파일의 길이가 길어져 경제성과 시공성이 떨어지는 문제점이 있다.

KR 10-2012-0074047 A KR 10-1342445 B1 KR 10-0719300 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외부 케이싱 내부의 수위를 조정함으로써 석션 파일의 지중 관입량 컨트롤을 쉽게 하고, 기존 석션 펌프를 없애 다이버 작업을 생략하는 데 목적이 있다. 그리고 지중에 관입된 석션 파일을 인발 저항체로 이용하여 내부 말뚝을 석션 파일 내부로 압입시켜 결합시킴으로써 구조물의 침하를 예방하고 구조물을 전체적으로 단순하게 하여 경제적 시공과 공사비 절감에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

하부가 개방된 적어도 한 개 이상의 석션 파일에 대해서, 상기 석션 파일의 상부에 적어도 한 곳 이상의 일부가 개방된 개구부와 상기 개구부를 연결하는 외부 케이싱이 수면 밖으로 연장된 상기 석션 파일을 수중 지반에 안착시켜 자중으로 관입 시키는 공정과; 상기 외부 케이싱 내부의 수위를 저하 시켜 상기 석션 파일 내부의 수압을 조절하고, 이때 발생하는 상기 석션 파일 내, 외부의 수압차를 이용하여 상기 석션 파일을 지중에 관입시키는 공정과; 상기 석션 파일의 지중 관입이 마무리된 후 상기 외부 케이싱의 안쪽을 관통하는 상기 내부 말뚝을 상기 석션 파일 내의 지면까지 내려놓는 공정과; 상기 외부 케이싱을 반력단으로 유압 압입부를 이용하여 상기 내부 말뚝을 기반암까지 압입시키는 공정; 및 상기 내부 말뚝이 기반암에 도달한 후 상기 내부 말뚝과 상기 외부 케이싱을 시멘트 성분의 결합재료를 이용하여 결합시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 석션 파일은 석션 파일의 상부 면에서 수면 위로 연장된 확장 벽체부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 석션 파일은 석션 파일 벽체부에 의해 형성된 내부 공간을 구획하는 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석션 파일을 관통하여 설치되는 내부말뚝을 갖춘 복합말뚝 시공방법.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 석션 파일 내부를 관통하는 복합 말뚝 시공 방법에 따르면, 석션 파일의 상부의 개구부와 연결된 외부 케이싱 내부의 수위를 조절하여 석션 파일의 내, 외부 수압 차를 유도함으로써, 석션 파일 내부의 수압 조정을 쉽게 할 수 있다. 그 결과로 지중에 관입되는 석션 파일의 관입 속도를 조절하기가 쉽고 석션 파일의 외부에 설치되는 석션 펌프를 생략하여 다이버 작업을 생략할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 석션 파일의 지중 관입이 끝나면 장기 침하 예방을 위하여 석션 파일의 외부 케이싱을 관통하는 내부 말뚝을 유압 압입부를 이용하여 기반암까지 압입을 한다. 내부 말뚝의 압입은 지중에 박힌 석션 파일과 외부 케이싱을 반력체로 이용할 수 있어 내부 말뚝 시공을 위한 대규모 해상 항타 장비의 사용을 생략하고 현장의 기상 조건의 영향을 덜 받고 신속하고 용이하게 내부 말뚝을 관입할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 지중에 관입된 석션 파일의 석션압을 이용하여 내부 말뚝을 압입하므로, 내부 말뚝이 지지층인 기반암에 도달 시 말뚝의 지지력을 확인하는 재하 시험을 할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 시멘트 계열의 결합재료를 이용하여 내부 말뚝과 외부 케이싱을 결합할 때, 외부 케이싱 내부의 물을 제거한 상태에서 시공이 가능하므로 결합부의 품질을 양호하게 유지할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 내부 말뚝이 외부 케이싱과 결합재를 이용하여 결합을 하게 되므로 내부 말뚝의 길이가 짧아져 시공성이 좋아지고 재료비의 절감이 가능하게 된다.

도 1a 내지 1c는 기존 방법에 의한 석션 파일 내, 외부의 수압 차이 개념도.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 외부 케이싱 내의 수위를 조정할 때 발생되는 수압 발생 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 석션 파일 지중 관입 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 석션 파일 수직도 조정 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 외부 케이싱을 관통하는 내부 말뚝 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 유압 압입부를 이용하여 내부 말뚝을 지중에 압입하는 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 결합재료가 설치된 공정과 내부 말뚝 압입 공정을 동시에 실시하는 예시도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 작업 공정 완료 예시도.
도 9a 내지 도 9b는 본 발명에 따른 확장 벽체부 또는 격벽을 더 포함하는 석션 파일 예시도.

이하, 본 발명에 따른 석션 파일을 관통하여 설치되는 내부말뚝을 갖춘 복합말뚝 시공방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명에 예시된 물의 밀도는 수심에 관계없이 일정하게 가정되었다.

도 1a 내지 1c는 기존 방법에 의해서 석션 펌프를 석션 파일 외부에 설치해서 석션 내부의 물을 배출할 때 나타나는 수압의 변화와 이에 따른 석션 파일(10)의 관입을 도시하고 있다.

석션 파일 외부의 수압 분포(1)는 수면의 대기압을 시작점으로 하여 수심이 깊어질수록 선형적으로 증가한다. 석션 파일(10)이 수중 지반에 안된 후 도 1b에서와 같이 석션 파일 외부에 설치된 석션 펌프부(11)를 가동하여 물을 배출시키면 물이 배출된 공간에 순간적인 진공 상태가 발생된다. 석션 파일 내부 수압 분포(2)는 외부 수압과 차단되어 독립적인 수압이 형성된다. 이때 발생되는 석션 파일 내, 외부의 수압 차이(3)가 석션 파일의 상부(5)에 작용을 하여 석션파일의 벽체부(6)을 지중에 관입시키고 지속적으로 물의 배출함에 따라 석션 파일(10)에 작용하는 외부 수압(P)에 의해 석션 파일(10)은 관입이 멈출 때까지 지중에 관입되어 설치된다.

도 2a 내지 2c는 본 발명에 따른 석션 파일 내, 외부의 수압차(3)를 기존 방법과 다르게 발생시키고, 발생된 수압차(3)을 이용해 석션 파일(10)을 지중에 관입하는 공정을 도시한 도면이다.

석션 파일의 상부(5)에는 적어도 한 곳 이상 일부가 개방된 개구부와 상기 개구부를 연결하는 외부 케이싱(12)이 수면 위로 연장되어 있다. 석션 펌프부(11)는 외부 케이싱(12)의 안쪽으로 설치된다. 도 2a에 도시된 바와 같이 외부 케이싱(12) 내의 수위가 석션 파일(10) 외부의 수위와 같을 경우 석션 파일(10) 내, 외부의 수압 차는 없다. 석션 펌프부(11)를 작동시켜 외부 케이싱(12) 내의 수위를 낮추면 석션 파일 상부(5)에 작용하는 외부의 수압(P)와 내부의 수압(p) 사이에는 압력 차(3)가 발생한다. 석션 파일(10)은 내, 외부의 압력차(3)에 의해서 지중에 관입이 되며, 외부 케이싱(12) 내의 수위가 낮아질수록 압력차(3)는 더욱 커지게 된다.

도 3내지 도 8은 본 발명에 따른 바람직한 실시 예에 따른 작업도이다.

복수의 석션 파일의 외부 케이싱(12)을 브레이싱(13)으로 연결할 경우 풍력 타워의 기초 구조물과 해상 시설물의 기초 구조물로 사용할 수 있다.

도 3에서는 본 발명의 방법에 따라 해상 기초 구조물을 지반에 안착시킨 후 외부케이싱(12) 내부의 수위를 낮춰서 석션 파일(10)을 지중 관입을 도시하고 있다. 시공 중 석션 파일(10) 구조물의 기울기 조정은 도 4에 예시된 것처럼 외부 케이싱(12) 내부의 수위를 조정하여 석션 파일(10)의 관입 속도를 조정하는 것이 바람직하다.

도 5는 석션 파일(10)의 하단이 기반암에 도달하지 못해 발생할 수 있는 장기 침하의 단점을 보완하기 위한 예시로, 침하 방지용 내부 말뚝(14)을 외부 케이싱(12) 안쪽 면을 따라 석션 파일(10) 내부의 지반에 도달시키는 공종을 도시하고 있다.

도 6에 예시된 공종은 외부 케이싱(12)을 반력체로 하는 유압 압입부(15)를 내부말뚝(14) 상단에 설치하는 작업이다. 석션 파일(10)의 외부 케이싱(12)을 내부 말뚝(14) 압입시 반력체로 사용하기 위해서는 외부 케이싱(12)내부의 수위를 계속 낮게 유지하여 외부 수압(P)을 높게 유지하는 것이 바람직하다.

도 7은 내부 말뚝(14)을 기반암까지 압입 후 외부 케이싱(12)과 시멘트를 주재료로 하는 결합재료(16)를 이용하여 결합시키는 공종을 도시하고 있고, 다른 쪽에서는 내부 말뚝을 추가 압입하는 공종을 도시하는 바람직한 실시 예이다. 본 발명의 실시 예에 따라 유압 압입부(15)를 이용하여 내부말뚝(14)을 압입할 경우 시공중에 유압 장비(미도시)의 계기판을 통해 내부 말뚝의 지지력을 확인할 수 있어 정밀한 시공이 가능하다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 내부 말뚝(14)이 기반암까지 압입되고 결합재료(16)를 이용하여 내부말뚝(14)과 외부 케이싱(12)이 결합되어 있는 상태를 도시한다. 결합 재료(16)를 사용함으로써 내부 말뚝의 길이를 짧게 할 수 있고 석션 파일(10)의 장점인 수평 하중에 대한 저항력을 최대한 이용할 수 있는 게 가능하다.

또한, 도 9내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 석션 파일(10)에 확장 벽체부(7)과 격벽(8)를 더 포함하는 특징을 도시한다. 확장 벽체부(7)는 석션 파일 상부(5)에서 수면위로 연장되며, 내부 말뚝(14)의 수직지지력과 석션 파일(10)의 수평지지력의 범위 내에서 안벽이나 방파제 등의 해양 구조물의 용도로 사용될 수 있다. 도 10에 도시된 격벽(8)은 석션 파일의 벽체부(6)에 의해 형성된 공간을 구획하여 구조적 보강을 한다. 석션파일(10)의 지중 관입 중에는 도 4에 예시된 것처럼 각 공간의 내부 수압을 조절하여 구조물의 수직도를 보정하는 용도로 사용될 수 있다.

1: 석션 파일 외부의 수압 분포
2: 석션 파일 내부의 수압 분포
3: 석션 파일 내부, 외부의 수압차
10: 석션 파일(5: 상부 6: 벽체부 7: 확장 벽체부 8: 격벽)
11: 석션 펌프부
12: 외부 케이싱
13: 브레이싱
14: 내부 말뚝
15: 유압 압입부
16: 결합재료
P: 석션 파일 상부에 작용하는 외부 수압
p: 석션 파일 상부에 작용하는 내부 수압

Claims (3)

1. 하부가 개방된 적어도 한 개 이상의 석션 파일에 대해서,
   상기 석션 파일의 상부에 적어도 한 곳 이상의 일부가 개방된 개구부와 상기 개구부를 연결하는 외부 케이싱이 수면 밖으로 연장된 상기 석션 파일을 수중 지반에 안착시켜 자중으로 근입시키는 공정과;
   상기 외부 케이싱 내부의 수위를 저하 시켜 상기 석션 파일 내부의 수압을 조절하고, 이때 발생하는 상기 석션 파일 내, 외부의 수압차를 이용하여 석션 파일을 지중에 근입시키는 공정과;
   상기 석션 파일이 지중에 관입된 후 상기 외부 케이싱 안쪽으로 내부 말뚝을 상기 석션 파일 내의 지면까지 내려놓는 공정과;
   상기 외부 케이싱을 반력단으로 유압 압입부를 이용하여 상기 내부 말뚝을 기반암까지 압입시키는 공정; 및
   상기 내부 말뚝이 기반암에 도달한 후 상기 내부 말뚝과 상기 외부 케이싱을 시멘트 성분의 결합재를 이용하여 결합시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 석션 파일 내부를 관통하는 복합 말뚝 시공 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 석션 파일은,
   상기 석션 파일의 상부에서 수면 위로 연장된 확장 벽체부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석션 파일 내부를 관통하는 복합 말뚝 시공 방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 석션 파일은,
   상기 석션 파일의 벽체부에 의해 형성된 내부 공간을 구획하는 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석션 파일 내부를 관통하는 복합 말뚝 시공 방법.

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