KR20240022965A - 쇄석 기둥 기초 시공 방법 및 쇄석 기둥 기초 구조체 - Google Patents

쇄석 기둥 기초 시공 방법 및 쇄석 기둥 기초 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 기초 형성 영역의 필요 개소 지반을 천공(boring) 또는 오픈 컷(open cut)하는 단계와; 상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부에, 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백과 상기 스톤 백에 투입되며 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 형성되는 쇄석 기둥을 형성하는 단계와; 상기 쇄석 기둥 상부에 기초판을 형성하는 단계를 포함하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법이 제공된다.

Description

쇄석 기둥 기초 시공 방법 및 쇄석 기둥 기초 구조체{Construction method of crushed stone column foundation structure and crushed stone column foundation structure}
본 발명은 쇄석 기둥 기초 시공 방법 및 쇄석 기둥 기초 구조체에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 토목섬유로 형성되는 스톤 백으로 지반 내의 쇄석 기둥체의 외주를 감싸 쇄석 기둥체를 수평으로 구속함으로써 기초 형성 영역의 지반을 보강할 수 있는 쇄석 기둥 기초 시공 방법 및 쇄석 기둥 기초 구조체에 관한 것이다.
건물 등의 구조물을 지반 상에 축조하는 경우, 구조물의 중량과 구조물에 가해진 하중을 안정적으로 지반에 전달하고, 허용치 이상의 침하, 경사, 이동, 변형, 진동 등의 장애가 발생하지 않도록 하기 위해 기초를 형성하게 된다.
기초의 형식은, 지반이 구조물의 하중을 충분히 지지할 수 있는 경우, 말뚝 등을 사용하지 않고 기초판으로 직접 지반에 전달하는 직접 기초(또는 얕은 기초)와, 지반의 지지력이 충분하지 못하거나 침하가 과도하게 일어날 수 있는 경우, 말뚝, 피어, 케이슨 등을 이용하여 지지력이 충분히 큰 하부지반에 구조물의 하중을 전달하는 깊은 기초로 대별할 수 있다.
한편, 충분한 지지력을 가지고 있지 않은 연약 지반의 경우에는 이를 개량하여야 하는데, 개량 공법으로 양질의 토사로 연약 지반을 치환하는 공법이 있다.
단순히 양질의 토사로 연약 지반을 치환하는 경우 많은 토사를 필요로 하고 경우에 따라서는 토사만으로 충분한 지지력을 확보하기 어려운 경우가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2021-0007553호(2021.01.20 공개)
본 발명은 토목섬유로 형성되는 스톤 백으로 지반 내의 쇄석 기둥체의 외주를 감싸 쇄석 기둥체를 수평으로 구속함으로써 기초 형성 영역의 지반을 보강할 수 있는 쇄석 기둥 기초 시공 방법 및 쇄석 기둥 기초 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기초 형성 영역의 필요 개소 지반을 천공(boring) 또는 오픈 컷(open cut)하는 단계와; 상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부에, 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백과 상기 스톤 백에 투입되며 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 형성되는 쇄석 기둥을 형성하는 단계와; 상기 쇄석 기둥 상부에 기초판을 형성하는 단계를 포함하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법이 제공된다.
상기 천공(boring) 또는 오픈 컷(open cut)하는 단계는, 형성하고자 하는 상기 쇄석 기둥의 직경(D)보다 큰 단면으로 상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 쇄석 기둥을 형성하는 단계는, 상기 쇄석 기둥 주변을 감싸도록 상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부를 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 채워 마찰유도층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 쇄석 기둥을 형성하는 단계는, 상기 쇄석 기둥의 형성 높이와 상기 마찰유도층의 쇄석의 채움 높이를 맞추면서 높이 방향으로 상기 쇄석 기둥을 형성함으로써 수행될 수 있다.
상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부의 단면은 원형이며, 이 경우, 상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부의 직경(Db)은, 아래의 [식]을 만족한다.
[식]
여기서,
상기 쇄석 기둥의 내부는 상기 스톤 백에 의해 구속 조건 영역을 형성할 수 있으며, 이 경우, 상기 구속 조건 영역의 깊이(H)는, 다음의 [식]과 같이, 상기 구속 조건 영역을 깊이 방향을 따라 일정 간격으로 분할하는 단위 절편의 높이(hi)와 단위 절편의 개수(N)를 곱한 값으로 결정될 수 있다.
[식]
상기 원통 형의 쇄석 기둥의 직경을 D라 할 때, 상기 단위 절편의 높이(hi)는 다음 식에 의해 결정될 수 있다.
[식]
상기 단위 절편의 개수(N)은, 다음 식에 의해 결정될 수 있다.
[식]
여기서,
상기 기초 형성 지반 내부에 직립으로 매입되는 쇄석 기둥의 높이(Hc)는, 다음의 식을 만족하도록 결정될 수 있다.
[식]
상기 원통 형의 쇄석 기둥의 직경을 D라 할 때, 상기 스톤 백의 횡방향 인장강도(T)는 다음의 식을 만족하도록 결정될 수 있다.
[식]
여기서,
본 발명의 다른 측면에 따르면, 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백과, 상기 스톤 백에 투입되며 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 형성되며, 기초 형성 지반 내부에 직립으로 매입되는 복수의 쇄석 기둥과; 상기 복수의 쇄석 기둥 상부에 횡방향으로 형성되는 기초판을 포함하는, 쇄석 기둥 기초 구조체가 제공된다.
상기 쇄석 기둥 기초 구조체는, 상기 쇄석 기둥 주변을 감싸도록 상기 쇄석 기둥의 직경(D)보다 큰 단면으로 형성되고 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 형성되는 마찰유도층을 더 포함할 수 있다.
상기 마찰유도층은 원형으로 형성되며, 이 경우, 상기 마찰유도층의 직경(Db)는, 아래의 [식]을 만족한다.
[식]
여기서,
상기 쇄석 기둥의 내부는 상기 스톤 백에 의해 구속 조건 영역을 형성할 수 있으며, 이 경우, 상기 구속 조건 영역의 깊이(H)는, 다음의 [식]과 같이, 상기 구속 조건 영역을 깊이 방향을 따라 일정 간격으로 분할하는 단위 절편의 높이(hi)와 단위 절편의 개수(N)를 곱한 값으로 결정될 수 있다.
[식]
상기 원통 형의 쇄석 기둥의 직경을 D라 할 때, 상기 단위 절편의 높이(hi)는 다음 식에 의해 결정될 수 있다.
[식]
상기 단위 절편의 개수(N)은, 다음 식에 의해 결정될 수 있다.
[식]
여기서,
상기 기초 형성 지반 내부에 직립으로 매입되는 쇄석 기둥의 높이(Hc)는, 다음의 식을 만족하도록 결정될 수 있다.
[식]
상기 원통 형의 쇄석 기둥의 직경을 D라 할 때, 상기 스톤 백의 횡방향 인장강도(T)는 다음의 식을 만족하도록 결정될 수 있다.
[식]
여기서,
본 발명의 실시예에 따르면, 토목섬유로 형성되는 스톤 백으로 지반 내의 쇄석 기둥체의 외주를 감싸 쇄석 기둥체를 수평으로 구속함으로써 기초 형성 영역의 지반을 보강할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법의 순서도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법의 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법의 변형예.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥 기초 구조체를 도시한 도면.
도 5는 도 4의 쇄석 기둥 기초 구조체를 위에서 바라본 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥의 단위 절편의 자유 물체도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥의 각 단위 절편 별 하중을 표시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥의 스톤 백의 자유 물체도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초체를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 적층 기초 구조체 시공 방법 및 적층 기초 구조체의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법의 흐름이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법의 변형예이다.
도 1 내지 도 3에는, 기초 형성 영역(12), 천공부(14), 스톤 백(16), 쇄석(18), 마찰유도층(19), 기초판(20), 쇄석 기둥(22), 오픈 커팅부(24)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법은, 기초 형성 영역(12)의 필요 개소 지반을 천공(boring) 또는 오픈 컷(open cut)하는 단계와; 천공부(14) 또는 오픈 커팅부(24)에, 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백(stone bag)(16)과 스톤 백(16)에 투입되며 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석(18)으로 형성되는 쇄석 기둥(22)을 형성하는 단계와; 쇄석 기둥(22) 상부에 기초판(20)을 형성하는 단계를 포함한다.
본 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 구조체를 시공하기 이전에 쇄석 기둥 기초의 기초 형성 영역(12) 및 그 주변을 정지(整地)한다. 정지 작업 중에 지반 상부에 쇄석 및 사질토 중 하나 이상을 포함하는 기반재를 포설하고 다짐하여 상면을 평탄화할 수 있다. 지반 강도가 양호한 사질토 지반의 경우 원 지반 상부를 평탄하게 정지 작업을 수행할 수 있고, 지반 강도가 낮은 연약 지반이나 점성토 지반의 경우 지반 상부를 평탄하고 고르게 정리한 후 정지된 지반 상부에 쇄석 및 사질토 중 하나 이상을 포함하는 기반재를 포설하고 다짐하여 상면을 평탄화할 수 있다.
토목섬유(geotextile)는 각종 건설구조물에 필터, 분리, 배수, 차수, 보강, 침식제어 기능 등으로 다양하게 사용되고 있다. 본 실시예에 있어서는 토목섬유의 다양한 기능 중 보강 기능을 주로 활용한 것으로써, 토목섬유의 인장강도가 특히 중요하다. 토목섬유에는 편물, 직물, 부직포 등이 있으나 필요한 인장강도를 확보할 수 있으면 어느 것이나 무방하다.
본 실시예에서는 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백(16)에 쇄석(18)을 다져 넣어 쇄석 기둥(22)을 형성하고 이를 기초의 일부로서 사용한다.
이하에서는 도 2를 참고하여 본 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 대해 설명한다.
먼저, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 기초 형성 영역(12)의 필요 개소 지반을 천공(boring) 또는 오픈 컷(open cut)한다(S100).
형성하고자 하는 쇄석 기둥(22)의 위치에 따라 천공이나 오픈 컷 여부를 개별적으로 선택할 수 있으나, 본 실시예에서는 전체 쇄석 기둥(22)에 대하여 기초 형성 영역(12)의 필요 개소 지반을 천공하는 것을 중심으로 설명한다.
도 2의 (a)를 참조하면, 형성하고자 하는 쇄석 기둥(22)의 개수에 맞게 기초 형성 영역(12)의 필요 개소 지반을 천공한다. 천공부(14)의 깊이는 후술하는 형성하고자 하는 쇄석 기둥(22)의 높이에 상응하여 결정될 수 있다.
이때, 천공부(14)의 직경(오픈 컷하는 경우 오픈 커팅부(24))는 형성하고자 하는 쇄석 기둥(22)의 직경(D)보다 큰 단면으로 형성할 수 있다. 천공부(14)의 단면을 쇄석 기둥(22)의 직경(D)보다 크게 형성하는 이유는 쇄석 기둥(22)의 주변에 쇄석(18)을 채워 마찰유도층(19)을 형성하기 위함이다.
보다 자세히, 천공부(14)를 원형으로 형성하는 경우, 천공부(14)의 직경(Db)(오픈 컷하는 경우 오픈 커팅부(24))은 다음의 [식 1]을 만족하도록 결정될 수 있다.
[식 1]
여기서,
상기 [식 1]은, 천공부(14) 또는 오픈 커팅부의 직경(Db)은, 형성하고자 하는 쇄석 기둥(22)의 직경(D)과, 쇄석(18)의 입경 가적 곡선 상에서 누적통과율 50%에 해당되는 입경(D50)의 10배(10D50)인 마찰영역의 두께(tf = 10D50)의 2배(2tf)를 더한 값 이상인 것을 의미한다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
다음에, 도 2의 (b), (c)에 도시된 바와 같이, 천공부(14) 또는 오픈 커팅부에, 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백(16)과 스톤 백(16)에 투입되며 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석(18)으로 형성되는 쇄석 기둥(22)을 형성한다(S200).
본 실시예에서는 지반에 천공을 수행하므로 천공부(14)에 쇄석 기둥(22)을 형성한다.
스톤 백(16)은 토목섬유의 인장강도를 고려하여 원통 형으로 제작될 수 있는데, 본 실시예에서는 스톤 백(16)의 하부가 폐합된 형태를 제시하고 있으나, 스톤 백(16)의 하부가 오픈되어도 무방하다. 스톤 백(16)의 필요한 인장 강도에 대해서는 아래에서 설명하기로 한다.
천공부(14)에 쇄석 기둥(22)을 형성하는 방법은, 천공부(14)의 외부에서 스톤 백(16)에 미리 쇄석(18)을 다져 쇄석 기둥(22)를 형성하고, 쇄석 기둥(22)을 기중기 등을 이용하여 천공부(14)에 삽입하여 설치하거나, 천공부(14)을 스톤 백(16)을 먼저 집어넣은 후 스톤 백(16)에 쇄석(18)을 다지면서 투입하여 쇄석 기둥(22)을 형성하는 것도 가능하다.
그리고, 아래에서 설명하는 바와 같이 쇄석 기둥(22)의 주변에 마찰유도층(19)을 형성하는 경우, 도 2의 (b)의 우측에 도시된 바와 같이, 천공부(14)에 스톤 백(16)을 집어넣은 후 스톤 백(16)에 쇄석(18)을 채우면서 쇄석 기둥(22)의 형성 높이와 마찰유도층(19)의 쇄석(18)의 채움 높이를 맞추면서 높이 방향으로 쇄석 기둥(22)과 마찰유도층(19)을 동시에 형성하는 것도 가능하다.
스톤 백(16)의 내부에 투입되는 쇄석(18)은 후술할 방법에 따라 상부 재하 하중을 지지하게 되므로, 일정한 범위의 내부마찰각이 형성되도록 스톤 백(16)에 쇄석(18)이 다져지면서 채워진다. 이상의 방법으로 필요 개소의 지반에 복수의 쇄석 기둥(22)을 각각 형성한다.
스톤 백(16)은 쇄석 기둥(22) 형성 후 내부의 쇄석(18)을 수평 방향으로 구속하여 일정 범위의 내부마찰각을 갖는 스톤 백(16) 내부는 '구속 조건 영역'을 형성하게 된다. 이와 같은 '구속 조건 영역'의 형성에 따라 쇄석 기둥(22)이 지지력을 발휘하기 위해서는 쇄석 기둥(22) 주변과의 마찰력이 중요하다.
쇄석 기둥(22) 주변의 기존 지반과 쇄석 기둥(22)간의 마찰력이 부족하다고 판단되는 경우, 본 단계에서 쇄석 기둥(22) 주변에 큰 마찰력을 유도하기 위해 쇄석 기둥(22) 주변에 마찰유도층(19)을 형성할 수 있다.
상기의 S100의 천공부(14) 또는 오픈 커팅부(24)의 형성 단계에서 천공부(14)를 형성하고자 하는 쇄석 기둥(22)의 직경(D) 보다 크게 형성하고, 쇄석 기둥(22)을 형성하는 과정에서 쇄석 기둥(22) 주변의 천공부(14) 공간에 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석(18)을 채워 마찰유도층(19)을 형성하는 것이다.
이때 마찰유도층(19)의 두께는 상기의 [식 1]의 마찰영역의 두께 tf 이상으로 형성될 수 있다.
알려진 바에 따르면, 지반 내에서 한 점의 마찰영역의 두께는 해당 지반의 입경 가적 곡선 상에서 누적통과율 50%에 해당되는 입경 즉 평균 입경(D50)의 10배(10D50)까지로 알려져 있으며, 이에 따라 본 실시예에서는 천공부(14)의 직경(Db)을 상기 [식 1]을 만족하도록 형성하고, 쇄석 기둥(22) 주변의 천공부(14)에 쇄석 기둥의 쇄석(18)과 동일한 쇄석을 채워 쇄석 기둥(22) 주변에 마찰영역을 형성하는 마찰유도층(19)을 형성한다.
다음에, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 복수의 쇄석 기둥(22) 상부에 기초판(20)을 형성한다(S300). 기초판(20)은 기초판(20) 상부에 구축되는 상부 구조물의 하중을 아래의 복수의 쇄석 기둥(22)으로 분배하여 전달하는 역할을 한다. 기초판(20)으로는 콘크리트 기초판이 시공될 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법의 변형예를 설명하기 위한 도면으로서, 쇄석 기둥(22)을 형성하고자 하는 필요 개소의 지반 상태에 따라 오픈 컷을 형성하여 쇄석 기둥(22)을 형성하는 형태이다.
도 3을 참조하면, 지반 상태에 따라 쇄석 기둥(22)의 높이를 고려하여 오픈 컷을 형성한 형태로서, 지반의 토사가 무너지지 않을 정도로 지반을 굴착하고 오픈 컷을 형성한다. 다음에, 오픈 커팅부(24) 내부에 스톤 백(16)을 크레인 등에 의해 투입하고, 바로 쇄석(18)을 넣어 진동을 주면서 다짐하여 쇄석 기둥(22)을 형성한다. 쇄석 기둥(22) 형성된 이후 쇄석 기둥(22) 주변에 되메우기를 인근 지반 높이까지 실시한다. 되메우기 이후 쇄석 기둥(22)의 상단을 다짐하여 쇄석 기둥(22)의 내부마찰각을 증가시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 쇄석 기둥(22) 주변에 마찰유도층을 형성하는 경우, 오픈 컷의 가장 작은 단면(바닥면)을 상기 [식 1]을 만족하도록 형성하고, 쇄석 기둥(22) 주변에 쇄석(18)을 채워 마찰유도층(19)을 형성할 수 있다.
이 경우, 오픈 커팅부(24)에 스톤 백(16)을 집어넣은 후 스톤 백(16)에 쇄석(18)을 채우면서 쇄석 기둥(22)의 형성 높이와 마찰유도층(19)의 쇄석(18)의 채움 높이를 맞추면서 높이 방향으로 쇄석 기둥(22)과 마찰유도층(19)을 동시에 형성하는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥 기초 구조체를 도시한 도면이고, 도 5는 도 4의 쇄석 기둥 기초 구조체를 위에서 바라본 도면이다. 그리고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥을 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥의 단위 절편의 자유 물체도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥의 각 단위 절편 별 하중을 표시한 도면이다. 그리고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥의 스톤 백의 자유 물체도이다.
도 4 내지 도 9에는, 스톤 백(16), 쇄석(18), 마찰유도층(19), 기초판(20), 쇄석 기둥(22), 오픈 커팅부(24), 단위 절편(25), 구속면(28)이 도시되어 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 9을 참고하여, 본 실시예에 따른 쇄석 기둥(22)의 지반 거동 및 역학 관계를 살펴본다.
도 4 및 도 5는 상술한 방법에 따라 시공된 쇄석 기둥 기초를 도시하고 있는데, 총 9개의 쇄석 기둥(22)이 시공되고 그 위에 기초판(20)이 형성된 상태를 도시하고 있다. 기초판(20)의 상부에는 상부 구조물이 축조될 수 있으며, 기초판(20) 또는 상부구조물에 의해 쇄석 기둥(22) 각각에는 등분포하중(q1)이 재하되는 것으로 가정한다.
본 실시예에서는 기초판(20)이 시공되어 등분포하중(q1)으로 재하되는 것으로 가정하였으나, 쇄석 기둥 기초 설계 시 기초판(20) 및 상부구조물 등의 전체 하중을 등가 등분포하중으로 변환하여 재하되는 것으로 설계가 이루어질 수 있다. 또한, 상부 구조물에 의해 상부 재하하중이 분포가 다른 경우 각 쇄석 기둥(22) 별로 상부 재하하중이 다른 것으로 설계하는 것도 가능하다.
도 6은 도 4의 쇄석 기둥 기초 중 하나의 쇄석 기둥(22)을 도식적 도시한 도면으로서, 스톤 백(16) 내부의 쇄석(18)은 스톤 백(16)에 의해 수평 방향으로 구속되어 쇄석(18)의 외주에 '구속 조건 영역'이 형성되고, 이로 인해 하나의 큰 쇄석 덩어리인 쇄석 기둥(22)을 형성한다.
이때, 이러한 구속 조건 영역의 깊이(H)는, 다음의 [식 2]와 같이 깊이 방향을 따라 일정 간격으로 분할하는 단위 절편(25)의 높이(hi)와 단위 절편(25)의 개수(N)를 곱한 값으로 결정될 수 있다.
[식 2]
단위 절편(25)은 스톤 백(16)이 구속하는 쇄석 기둥(22)의 지반 거동을 미시적으로 해석하기 위해 도입한 개념이다. 도 7에는 단위 절편(25) 중 깊이 방향의 i 번째 단위 절편(25)의 자유물체도가 도시되어 있다.
스톤 백(16)에 채워지는 쇄석(18)에는 내부마찰각(φ)이 존재하고 있어 쇄석(18)에는 마찰저항력이 존재하고, 이러한 쇄석(18)의 마찰저항력은 상부 재하하중의 상호작용으로 발생한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 스톤 백(16)이 형성하는 가상의 구속면(28)에서의 마찰계수 kf와 수평토압계수 Ko 및 마찰저항계수 f는 각각 다음과 같다. 여기서, 가상의 구속면(28)은 스톤 백(16)의 내부가 형성하는 구속 조건 영역의 외주면을 의미한다.
도 7에서, qi는 i번째 단위 절편(25)의 상부에 작용하는 하중(등분포하중임)을 의미하고, qi+1은 qi에서 구속된 저항면의 마찰저항력 만큼 줄어든 하중을 의미한다.
qhi는 i번째 단위 절편(25)의 구속면(28)에 가해지는 수평 토압으로 다음과 같다.
그리고, τf는 i번째 단위 절편(25)의 둘레에 발생하는 마찰응력으로 다음과 같다.
이상의 관계에서, i번째 단위 절편(25)에 작용하는 총 상부하중(Afqi)에 의해 발생되는 단위 절편(25)의 둘레에 작용하는 마찰작용력(fi)는 다음과 같다.
여기서,
그리고, 스톤 백(16)으로 구속된 i번째 단위 절편(25)의 둘레에서 발휘되는 마찰저항력(fRi)는 다음과 같다.
단위 절편(25)의 둘레를 중심으로 단위 절편(25)에 작용하는 마찰작용력 fi 와 마찰저항력 fRi이 같게 되는 두께가 마찰거동의 단위가 되는 단위 절편(25)의 두께(hi)가 된다.
즉, 다음의 관계식에
위의 수식들을 대입하면 다음의 [식 3]이 도출된다.
[식 3]
[식 3]에 의해 도출된 hi는 개별 단위 절편의 높이로서, 여기에 단위 절편의 개수 N를 곱하여 구조 조건 영역의 높이 H를 산출할 수 있다.
한편, 도 7를 참조하며, 단위 절편(25)에 작용하는 힘의 균형 방정식은 다음과 같다.
이를 정리하면, 다음의 [식 4]와 같다.
[식 4]
위 [식 4]을 살펴보면, 상부 재하하중 qi가 마찰저항계수(f)만큼 저항으로 줄어들어서 qi+1가 됨을 알 수 있다.
따라서, 단위 절편(25)이 hi=D/4 만큼씩 추가되면서 마찰저항계수(f)의 비율로 하중이 줄어들게 되는데 이를 나타내면 다음의 [식 5]와 같다.
[식 5]
[식 5]를 적용하여 지중 방향으로 추가되는 각 단위 절편(25)에 작용하는 하중을 나타내면 다음과 같다(도8 참조).
쇄석 기둥(22)의 상단에 작용하는 하중 q0가 스톤 백(16)의 구속 효과로 인하여 응력이 저감되어 깊이 H에서의 응력 qN이 원지반의 허용지지력 qa와 같거나 작을 때 쇄석 기둥(22)의 최소 높이 H가 결정될 수 있다.
즉, 다음의 관계식에서
다음과 같이 [식 6]와 같이 단위 절편(25)의 개수 N을 산출할 수 있고,
[식 6]
[식 6]를 [식 2]에 대입하면, 쇄석 기둥(22)의 스톤 백(16)에 의한 구속 조건 영역의 깊이(H)가 다음의 [식 7]와 같이 산출된다.
[식 7]
위 [식 7]에서 산출된 구속 조건 영역의 깊이(H)로부터 형성하고자 하는 쇄석 기둥(22)의 높이(Hc)는 다음의 [식 8]이 만족하도록 결정될 수 있다.
[식 8]
도 9는 본 실시예에 따른 쇄석 기둥 기초 시공 방법에 따라 형성된 쇄석 기둥(22)의 스톤 백(16)의 자유 물체도를 도시한 도면으로서, 이하에서는 도 9를 참조하여 쇄석 기둥(22)을 안정적으로 형성하기 위한 스톤 백(16)의 필요한 인장강도(T)를 산출하는 방법을 살펴본다.
스톤 백(16)의 내부에서는 도 9의 (a)와 같이 중심에서 방사상으로 수평토압(qh0)이 작용하는데, 이러한 수평토압을 견딜 수 있도록 스톤 백(16)의 인장강도를 결정한다.
도 9의 (b)를 참조하면, 힘의 균형 방정식은 다음과 같고,
이를 정리하면, 다음과 같다.
따라서, 토목섬유로 형성되는 스톤 백(16)의 수평방향의 인장강도는 안전율을 고려하여 다음의 [식 9]를 만족하도록 결정된다.
[식 9]
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 쇄석 기둥 구조체를 도시한 도면이다. 도 10에는, 스톤 백(16), 쇄석(18), 마찰유도층(19) 기초판(20), 쇄석 기둥(22)이 도시되어 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 쇄석 기둥 구조체(22)는, 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백(16)과, 스톤 백(16)에 투입되며 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석(18)으로 형성되며, 기초 형성 지반 내부에 직립으로 매입되는 복수의 쇄석 기둥(22)과; 상기 복수의 쇄석 기둥(22) 상부에 횡방향으로 형성되는 기초판(20)을 포함한다.
그리고, 쇄석 기둥(22) 주변을 감싸도록 쇄석 기둥(22)의 직경(D)보다 큰 단면으로 형성되고 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 형성되는 마찰유도층(19)을 더 포함할 수 있다.
스톤 백(16)은 토목섬유의 인장강도를 고려하여 원통 형으로 제작되는데, 본 실시예에서는 스톤 백(16)의 하부가 폐합된 형태를 제시하고 있으나, 스톤 백(16)의 하부가 오픈되어도 무방하다. 스톤 백의 필요한 인장 강도에 대해서는 아래에서 설명하기로 한다.
스톤 백(16)의 내부에 투입되는 쇄석(18)은 상부 재하 하중을 지지하게 되므로, 일정한 범위의 내부마찰각이 형성되도록 스톤 백(16)에 쇄석(18)이 다지면서 투입된다. 스톤 백(16)의 상단까지 채워지면 하나의 쇄석 기둥(22)을 형성하게 되고, 동일한 방법으로 필요 개소의 지반에 복수의 쇄석 기둥(22)을 각각 형성한다.
상술한 바와 같이, 상기 쇄석 기둥(22)의 내부는 상기 스톤 백(16)에 의해 구속 조건 영역을 형성하며, 이러한 구속 조건 영역의 깊이(H)는, 상기 [식 1]과 같이 깊이 방향을 따라 일정 간격으로 분할하는 단위 절편의 높이(hi)와 단위 절편의 개수(N)를 곱한 값으로 결정될 수 있다.
스톤 백(16) 내부의 쇄석(18)은 스톤 백(16)에 의해 수평 방향으로 구속되어 쇄석(18)의 외주에 '구속 조건 영역'이 형성되고, 이로 인해 하나의 큰 쇄석 덩어리인 쇄석 기둥(22)을 형성한다.
이때, 이러한 구속 조건 영역의 깊이(H)는, 상기 [식 2]과 같이 깊이 방향을 따라 일정 간격으로 분할하는 단위 절편의 높이(hi)와 단위 절편의 개수(N)를 곱한 값으로 결정될 수 있다. 단위 절편은 스톤 백(16)이 구속하는 쇄석 기둥(22)의 지반 거동을 미시적으로 해석하기 위해 도입한 개념이다.
그리고, 원통 형의 쇄석 기둥(22)의 직경을 D라 할 때, 단위 절편의 높이(hi)는 상기 [식 3]에 의해 결정될 수 있고, 단위 절편의 개수(N)은, 상기 [식 6]에 의해 결정될 수 있다.
상기 [식 3]에 의해 도출된 hi는 개별 단위 절편의 높이로서, 여기에 단위 절편의 개수 N를 곱하여 구조 조건 영역의 높이 H를 산출할 수 있다.
그리고, 기초 형성 지반 내부에 직립으로 매입되는 쇄석 기둥(22)의 높이(Hc)는, 상기 [식 8]을 만족하도록 결정될 수 있다.
그리고, 원통 형의 쇄석 기둥(22)의 직경을 D라 할 때, 스톤 백(16)의 횡방향 인장강도(T)는 상기 [식 9]을 만족하도록 결정될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
12: 기초 형성 영역 14: 천공부
16: 스톤 백 18: 쇄석
19: 마찰유도층 20: 기초판
22: 쇄석 기둥 24: 오픈 커팅부
25: 단위 절편 28: 구속면

Claims (17)

  1. 기초 형성 영역의 필요 개소 지반을 천공(boring) 또는 오픈 컷(open cut)하는 단계와;
    상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부에, 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백과 상기 스톤 백에 투입되며 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 형성되는 쇄석 기둥을 형성하는 단계와;
    상기 쇄석 기둥 상부에 기초판을 형성하는 단계를 포함하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 천공(boring) 또는 오픈 컷(open cut)하는 단계는,
    형성하고자 하는 상기 쇄석 기둥의 직경(D)보다 큰 단면으로 상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 쇄석 기둥을 형성하는 단계는,
    상기 쇄석 기둥 주변을 감싸도록 상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부를 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 채워 마찰유도층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 쇄석 기둥을 형성하는 단계는,
    상기 쇄석 기둥의 형성 높이와 상기 마찰유도층의 쇄석의 채움 높이를 맞추면서 높이 방향으로 상기 쇄석 기둥을 형성함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부의 단면은 원형이며,
    상기 천공부 또는 상기 오픈 커팅부의 직경(Db)은, 아래의 [식]을 만족하는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.

    [식]

    여기서,



  5. 제1항에 있어서,
    상기 쇄석 기둥의 내부는 상기 스톤 백에 의해 구속 조건 영역을 형성하며,
    상기 구속 조건 영역의 깊이(H)는, 다음의 [식]과 같이,
    상기 구속 조건 영역을 깊이 방향을 따라 일정 간격으로 분할하는 단위 절편의 높이(hi)와 단위 절편의 개수(N)를 곱한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.

    [식]

  6. 제5항에 있어서,
    상기 원통 형의 쇄석 기둥의 직경을 D라 할 때,
    상기 단위 절편의 높이(hi)는 다음 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.

    [식]

  7. 제6항에 있어서,
    상기 단위 절편의 개수(N)은, 다음 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.

    [식]


    여기서,




  8. 제7항에 있어서,
    상기 기초 형성 지반 내부에 직립으로 매입되는 쇄석 기둥의 높이(Hc)는,
    다음의 식을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.

    [식]

  9. 제1항에 있어서,
    상기 원통 형의 쇄석 기둥의 직경을 D라 할 때,
    상기 스톤 백의 횡방향 인장강도(T)는 다음의 식을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.

    [식]


    여기서,


  10. 토목섬유로 형성된 원통 형의 스톤 백과, 상기 스톤 백에 투입되며 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 형성되며, 기초 형성 지반 내부에 직립으로 매입되는 복수의 쇄석 기둥과;
    상기 복수의 쇄석 기둥 상부에 형성되는 기초판을 포함하는, 쇄석 기둥 기초 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 쇄석 기둥 주변을 감싸도록 상기 쇄석 기둥의 직경(D)보다 큰 단면으로 형성되고 일정 범위의 내부마찰각으로 다져지는 쇄석으로 형성되는 마찰유도층을 더 포함하는, 쇄석 기둥 기초 구조체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 마찰유도층은 원형으로 형성되며,
    상기 마찰유도층의 직경(Db)는, 아래의 [식]을 만족하는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 시공 방법.

    [식]

    여기서,



  13. 제10항에 있어서,
    상기 쇄석 기둥의 내부는 상기 스톤 백에 의해 구속 조건 영역을 형성하며,
    상기 구속 조건 영역의 깊이(H)는, 다음의 [식]과 같이,
    상기 구속 조건 영역을 깊이 방향을 따라 일정 간격으로 분할하는 단위 절편의 높이(hi)와 단위 절편의 개수(N)를 곱한 값으로 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 구조체.

    [식]

  14. 제13항에 있어서,
    상기 원통 형의 쇄석 기둥의 직경을 D라 할 때,
    상기 단위 절편의 높이(hi)는 다음 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 구조체.

    [식]

  15. 제14항에 있어서,
    상기 단위 절편의 개수(N)은, 다음 식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 구조체.

    [식]


    여기서,




  16. 제15항에 있어서,
    상기 기초 형성 지반 내부에 직립으로 매입되는 쇄석 기둥의 높이(Hc)는,
    다음의 식을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 구조체.

    [식]

  17. 제10항에 있어서,
    상기 원통 형의 쇄석 기둥의 직경을 D라 할 때,
    상기 스톤 백의 횡방향 인장강도(T)는 다음의 식을 만족하도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 쇄석 기둥 기초 구조체.

    [식]


    여기서,

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