WO2018030805A1

WO2018030805A1 - 마이크로 파일의 파형 그라우팅 구근 및 이를 형성하는 방법

Info

Publication number: WO2018030805A1
Application number: PCT/KR2017/008672
Authority: WO
Inventors: 한진태; 장영은
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2017-08-10
Publication date: 2018-02-15
Also published as: JP6679757B2; US20190153692A1; JP2019522129A; US10501905B2; CN109072575A

Abstract

본 발명에 따르면, 마이크로 파일(10)의 지중 지지력 확보를 위한 파형 그라우팅 구근(100)에 있어서, 하향 연장되는 원통형의 기둥부(110)의 길이 방향을 따라 일정한 최대 직경(D1)을 갖는 돌출부(120)가 복수로 형성되며, 이웃하는 상기 돌출부(120)는 소정의 형성간격(s)만큼 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근이 제공된다. 본 발명에 따르면 마이크로 파일과 일체화된 그라우팅 구근의 주면마찰력과 압축 및 인발에 대한 저항력을 향상시켜 마이크로 파일체의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

마이크로 파일의 파형 그라우팅 구근 및 이를 형성하는 방법

본 발명은 토목분야에 관한 것으로서, 상세하게는 마이크로 파일과 일체화된 그라우팅 구근의 주면마찰력과 압축 및 인발에 대한 저항력(이하 "지지력"이라 한다)을 향상시킬 수 있는 마이크로 파일의 파형 그라우팅 구근 및 이를 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 모든 건물은 기초 지반이 그 건물을 지지하기 위한 충분한 지지력을 가져야 하며, 그렇지 않으면 기초 지반의 최상부 또는 심층부에서 침하가 발생되어 상부에 세워진 건물의 안정성을 저해시키게 된다.

그러므로 건물을 세우기 전에는 반드시 지질학적 조사 및 토질조사와 같은 적합한 제반조사를 통해서 지반의 지지력이 건물에 의해 지반에 작용하는 중량 또는 하중을 충분히 견딜 수 있는지를 조사할 필요가 있으며, 매립지, 압밀되지 않은 지반, 유기질층을 분해시키는 지반, 토탄지, 습지, 수분함량에 상당한 변화가 있는 지반, 공극이 많이 있거나 불균일한 지반 등의 경우에는 기초 지반의 지지력이 충분하지 않으므로 기초 지반에 더 큰 지지력이 요구된다.

또한, 지상 구조물의 기초를 튼튼히 하기 위해 연약지반에 다수의 파일(Pile)을 박는다거나 폭넓고 깊게 흙을 파내고 철근 콘크리트로 기초를 만든 후 그 위에 구조물을 시공하게 되는데, 작업장 주변에 다양한 구조물과 시설이 들어서 있는 경우에는 상기 기초를 튼튼히 하기 위한 여건이 형성되지 못하는 경우가 많으며, 지하 매설물의 위치 등을 정확히 알지 못하면서 폭넓게 기초를 팔 경우 전기나 가스배관과 같은 시설물의 파손을 초래하기도 한다.

이에, 상기와 같은 점들을 고려하여 기초 지반에 대한 지지력을 확보하기 위한 방법으로 말뚝 기초 보강법을 이용하고 있음은 주지의 사실이고, 이와 더불어 기초 지반에 유압드릴이나 각종 천공기의 로드(Rod) 및 비트(Bit)를 이용하여 천공작업을 수행하고, 그 천공된 홀에 철근과 같은 강관을 삽입한 후, 보강액(그라우팅액)을 주입하는 그라우팅 공법 등을 비롯한 다양한 공법들이 제안되었으며, 그 중에서도 마이크로 파일(Micro pile)이 대표적이라 할 수 있다.

마이크로 파일은 50년대 이탈리아에서 시작하여 전 세계적으로 지반보강과 파일(Pile)의 대용으로 시공되어 왔으며, 나라별 적용목적과 범위에 따라 Mini pile, Micro pile, Root pile, Needle pile, 그리고 Gewi pile 등으로 불리워지고 있다.

종래의 마이크로 파일의 시공방법은 크게 천공단계, 강봉 삽입, 설치단계, 그라우팅 단계 및 두부정리 단계로 나누어진다.

먼저, 천공은 직경이 76mm, 80mm, 90mm, 105mm, 115mm, 152mm, 165mm 등 다양한 직경을 갖는 비트를 사용하여 이루어지며, 특수하게는 200mm 이상의 비트를 사용하기도 한다. 또한 불안정 지반에서는 천공홀의 내벽이 붕괴되지 않는 심도까지 케이싱을 설치하고 그 내부를 비트로 천공하여 천공홀을 형성하기도 한다.

천공작업이 완료되면, 한 개의 철근 또는 3개나 그 이상의 철근으로 조합된 강봉을 삽입하여 설치한다.

강봉이 천공홀내에 삽입되어 설치되면 그라우팅재를 주입한다. 즉, 파일체가 천공홀에 설치된 직후 중력 그라우팅을 실시한다. 이때 그라우트재의 수축현상을 보완하기 위해서 그라우팅을 3 ~ 6회 정도 반복하여 실시한다.

그라우팅이 완료되면, 상부에 스틸 플레이트(Steel plate)를 너트로 고정시키거나 용접을 실시하는 등의 두부정리 단계를 실시한다.

그러나, 종래의 마이크로 파일 시공방법에 따르면, 기초 지반이 암반인 경우에만 시공이 가능하며, 토사층만이 존재하는 지반에 마이크로 파일을 시공하는 경우에는 높은 지지력을 얻는 것이 불가능한 문제가 있다.

또한, 마이크로 파일을 구성하는 강봉은 그 길이에 비하여 직경이 작기 때문에 말뚝의 선단면적이 근입된 주변면적에 비하여 너무 작아 마이크로 파일의 선단지지력은 일반적으로 설계에서 고려되지 않는 문제점이 있었다.

또한, 그라우팅을 함에 있어서, 튜브를 통해서 그라우팅재를 천공홀의 밑바닥부터 채우기 시작하여 천공홀의 입구로 유출될 때까지 주입을 하며, 고결시간이 길고 수축현상을 보완하기 위해서 3~6회 정도의 그라우팅을 반복하여 수행하게 되므로 시공성이 저하되는 문제점이 있고, 공사기간이 길어질 뿐만 아니라, 주입압력을 일정하게 유지할 수 없어 그라우팅재의 충진된 상태의 확인이 어렵고 품질관리가 용이하지 못하다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상술된 종래의 마이크로 파일이 갖는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 마이크로 파일과 일체화된 그라우팅 구근의 주면마찰력과 압축 및 인발에 대한 저항력을 향상시켜 마이크로 파일체의 구조적 안정성을 향상시키는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 마이크로 파일의 강봉이 삽입되는 토사층에 제트그라우팅으로 형성된 그라우팅 구근을 미리 형성시켜 암석층이 존재하지 않는 토사층에서도 높은 지지력을 갖는 마이크로 파일을 시공할 수 있도록 하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 암석층에 시공되는 마이크로 파일에 있어서도, 암석층 상부에 존재하는 토사층에 제트그라우팅으로 형성된 그라우팅 구근을 미리 형성시켜, 마이크로 파일의 구조적 안전성을 향상시키는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 파일의 구조적 안전성을 향상시킬 수 있는 그라우팅 구근을 용이하게 형성시킬 수 있도록 하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 단면이 파형으로 형성되는 마이크로 파일의 최대의 극한지지력을 확보할 수 있는 수치를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 마이크로 파일(10)의 지중 지지력 확보를 위한 파형 그라우팅 구근(100)에 있어서, 하향 연장되는 원통형의 기둥부(110)의 길이 방향을 따라 일정한 최대 직경(D1)을 갖는 돌출부(120)가 복수로 형성되며, 이웃하는 상기 돌출부(120)는 소정의 형성간격(s)만큼 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근이 제공된다.

이 경우, 상기 그라우팅 구근(100)의 종단면은 파형(Waveform)을 형성하는 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근일 수 있다.

또한, 상기 마이크로 파일(10)은 상기 기둥부(110)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근일 수 있다.

또한, 상기 돌출부(120)의 길이(L)은 상기 최대 직경(D1)인 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근일 수 있다.

또한, 상기 형성간격(s)은 상기 최대 직경(D1)의 두 배인 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근일 수 있다.

또한, 상기 돌출부(120)의 길이(L)은 상기 최대 직경(D1)의 두 배인 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면 파형 그라우팅 구근을 형성하는 방법에 있어서, 지중(1)을 천공하여 천공홀(2)을 형성시키는 천공기(230), 그라우트재를 분사하는 그라우트재 분사구(220) 및 상기 그라우트재 분사구(220)에 상기 그라우트재를 공급하는 그라우트재 이동관(210)을 포함하는 제트그라우팅 장치(200)를 이용하여, 상기 천공홀(2)을 형성함과 동시에, 상기 그라우트재 분사구(220)로부터 상기 그라우트재를 상기 천공홀(2) 내부에 고압으로 분사시켜 상기 그라우팅 구근을 형성시키는 제1 단계(A100); 상기 제트그라우팅 장치(200)를 상기 천공홀(2) 외부로 인출함과 동시에, 상기 천공홀 내부에 상기 그라우트재 분사구로부터 상기 그라우트재(3)를 상기 천공홀(2) 내부에 분사시켜 상기 기둥부(110)를 형성시키는 제2 단계(A200); 및 상기 기둥부(110)에 상기 마이크로 파일(10)을 삽입하는 제3 단계(A300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제트그라우팅을 이용한 마이크로 파일의 시공방법이 제공된다.

본 발명에 따르면 마이크로 파일과 일체화된 그라우팅 구근의 주면마찰력과 압축 및 인발에 대한 저항력을 향상시켜 마이크로 파일체의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 마이크로 파일이 삽입되는 토사층에 제트그라우팅으로 형성된 그라우팅 구근을 미리 형성시켜 암석층이 존재하지 않는 토사층에서도 높은 지지력을 갖는 마이크로 파일을 시공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 암석층에 시공되는 마이크로 파일에 있어서도, 암석층 상부에 존재하는 토사층에 제트그라우팅으로 형성된 그라우팅 구근을 미리 형성시켜, 마이크로 파일의 구조적 안전성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 마이크로 파일의 구조적 안전성을 향상시킬 수 있는 그라우팅 구근을 용이하게 형성시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따르면 기존의 마이크로 파일보다 짧은 마이크로 파일을 사용하더라도 동일한 지지력을 얻는 것이 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따르면 최대 극한 지지력을 갖는 마이크로 파일을 시공하는 것이 가능하다.

도 1은 일반적인 종래의 파형 단면이 적용된 마이크로 파일의 단면을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 파일의 단면을 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 파일이 삽입되는 그라우팅 구근의 사시도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파형 그라우팅 구근을 형성하는 방법을 나타내는 도면.

도 5는 돌출부의 길이가 그라우팅 구근의 최대 직경인 경우에 최대 극한 지지력을 확보하기 위해 실험된 다양한 그라우팅 구근의 형상을 나타내는 도면.

도 6은 돌출부의 길이가 그라우팅 구근의 최대 직경인 경우에 최대 극한 지지력을 확보하기 위해 실험된 다양한 그라우팅 구근의 극한 지지력을 나타내는 도면.

도 7은 돌출부의 길이가 그라우팅 구근의 최대 직경의 두배인 경우에 최대 극한 지지력을 확보하기 위해 실험된 다양한 그라우팅 구근의 형상을 나타내는 도면.

도 8은 돌출부의 길이가 그라우팅 구근의 최대 직경의 두배인 경우에 최대 극한 지지력을 확보하기 위해 실험된 다양한 그라우팅 구근의 극한 지지력을 나타내는 도면.

본 발명에 따른 마이크로 파일의 파형 그라우팅 구근 및 이를 형성하는 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.

또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.

도 1은 종래의 파형 단면의 그라우팅 구근이 적용된 마이크로 파일의 시공상태를 나타내는 도면이다.

종래의 그라우팅 구근의 파형 단면은 파형을 이루는 복수의 돌출부(120)가 연속적으로 이어지는 형상을 취하였다.

또한, 돌출부(120)의 형상 및 크기가 일정하지 않아 돌출부(120)의 특정 부위에서 집중 응력이 발생되는 현상이 있어, 마이크로 파일의 안정적인 지지력 확보가 어려운 문제점이 있어 왔다.

이에 따라 본 발명은 돌출부(120)의 길이(L), 및 형성간격(s)을 제시함으로써, 마이크로 파일(10)이 최대 극한 지지력을 갖도록 하는 파형 그라우팅 구근의 형상을 제시하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파형 그라우팅 구근은 하향 연장되는 원통형의 기둥부(110)의 길이 방향을 따라 일정한 최대 직경(D1)을 갖는 돌출부(120)가 복수로 형성되며, 이웃하는 돌출부(120)는 소정의 형성간격(s)만큼 이격되어 형성된 것을 특징으로 한다(도 2).

이에 따라 본 발명에 따른 라우팅 구근(100)의 종단면은 파형(Waveform)을 형성한다.

마이크로 파일(10)은 일반적으로, 지반에 삽입된 강봉(11) 및 지반 상부로 노출된 강봉(11) 상부와 결합되어 강봉(11)이 지반 내부로 인입되는 것을 방지하는 두부(12)를 포함한다(도 1).

마이크로 파일(10)의 강봉(11)은 기둥부(110)에 삽입되어 고정된다.

강봉(11)은 기둥부(110)를 형성하는 그라우트재가 경화되기 전에 기둥부(110)에 삽입되어, 기둥부(110)가 경화됨에 따라 그라우팅 구근(100)과 마이크로 파일(10)이 일체화될 수 있다.

종래의 파형 그라우팅 구근의 돌출부(120)는 이웃하는 돌출부(120)끼리 연속하여 형성되었음과 비교하여, 본 발명에 따른 파형 그라우팅 구근은 이웃하는 돌출부(120) 사이를 소정의 형성간격(s)만큼 이격하여 형성시킴으로써 더 높은 극한 지지력을 확보할 수 있다.

이러한 효과는 도 5 및 도 6 참조하면 확인할 수 있다.

도 5는 돌출부의 길이가 그라우팅 구근의 최대 직경인 경우에 최대 극한 지지력을 확보하기 위해 실험된 다양한 그라우팅 구근의 형상을 나타내는 도면이다.

도 6은 도 5에 도시된 그라우팅 구근에 대응하는 마이크로 파일의 극한 지지력에 관한 데이터를 나타내는 도면이다.

도 6의 데이터를 참조하면 형성간격(s)이 0으로 형성된 종래의 그라우팅 구근(WM1)의 극한 지지력은 723(kN)임과 비교하여, 형성간격(s)만큼 이격하여 돌출부(110)를 형성한 본 발명의 일 실시예에 따른 그라우팅 구근(WM2, WM3)은 종래의 그라우팅 구근 보다 더 적은 수의 돌출부(110)를 포함하고 있음에도 불구하고 더 높은 극한 지지력이 발휘됨을 확인할 수 있다.

돌출부(120)의 길이(L)가 최대 직경(D1)인 경우에는, 형성간격(s)은 최대 직경(D1)의 두 배인 것이 최대 극한 지지력을 확보할 수 있다(도 6).

또한, 돌출부(120)의 길이(L)가 최대 직경(D1)의 두 배인 경우에는, 형성간격(s)은 최대 직경(D1)의 두 배인 것이 최대 극한 지지력을 확보할 수 있다(도 8).

돌출부(120)의 길이(L)가 최대 직경(D1) 이하인 경우에는 돌출부(120)의 간격이 너무 가까워지므로 현장에서 그라우팅 구근을 형성하는 것이 곤란하다.

돌출부(120)의 길이(L)가 최대 직경(D2)의 두 배인 경우에는 그라우트 물량의 증대로 인한 공사비용의 상승 및 과시공의 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 현장 시공성과 경제성을 고려하여 돌출부(120)의 길이(L)가 최대 직경(D1) 또는 최대 직경(D1)의 두 배인 범위 내에서 실험을 수행하였다.

도 6 및 도 8의 데이터를 참조하면, WM1 보다 WM3의 최대 극한 지지력이 더 높음을 확인할 수 있다.

즉, 연속적으로 돌출부(100)를 형성하지 아니하고도 최대 극한 지지력을 확보하는 것이 가능하므로, 시공 난이도를 낮출 수 있고 그라우트재를 절약하여 공사비를 감축할 수 있을 뿐만 아니라, 무엇보다 높은 지지력을 확보하여 마이크로 파일을 기초로 하는 구조물의 구조적 안전성을 확보할 수 있다.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 파형 그라우팅 구근을 형성하는 방법에 대하여 설명한다.

파형 그라우팅 구근의 형성방법은 지중(1)을 천공하여 천공홀(2)을 형성시키는 천공기(230), 그라우트재를 분사하는 그라우트재 분사구(220) 및 그라우트재 분사구(220)에 그라우트재를 공급하는 그라우트재 이동관(210)을 포함하는 제트그라우팅 장치(200)를 이용하여, 천공홀(2)을 형성함과 동시에 그라우트재 분사구(220)로부터 그라우트재를 상기 천공홀(2) 내부에 고압으로 분사시켜 상기 그라우팅 구근을 형성시키는 제1 단계(A100)가 수행된다.

제1 단계(A100) 이후에 제트그라우팅 장치(200)를 천공홀(2) 외부로 인출함과 동시에, 천공홀 내부에 그라우트재 분사구로부터 그라우트재(3)를 천공홀(2) 내부에 분사시켜 기둥부(110)를 형성시키는 제2 단계(A200)가 수행된다.

이에 더하여 제2 단계(A200) 이후에 기둥부(110)에 마이크로 파일(10)을 삽입하는 제3 단계(A300)가 수행된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 그라우트재(3)는, 돌출부(120)를 형성하는 제1 그라우트재(3a) 및 기둥부(110)를 형성하는 제2 그라우트재(3b)를 포함한다.

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.

Claims

마이크로 파일(10)의 지중 지지력 확보를 위한 파형 그라우팅 구근(100)에 있어서,

하향 연장되는 원통형의 기둥부(110)의 길이 방향을 따라 일정한 최대 직경(D1)을 갖는 돌출부(120)가 복수로 형성되며,

이웃하는 상기 돌출부(120)는 소정의 형성간격(s)만큼 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근.
제1항에 있어서,

상기 그라우팅 구근(100)의 종단면은 파형(Waveform)을 형성하는 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근.
제2항에 있어서,

상기 마이크로 파일(10)은 상기 기둥부(110)에 삽입되는 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근.
제3항에 있어서,

상기 돌출부(120)의 길이(L)은 상기 최대 직경(D1)인 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근.
제4항에 있어서,

상기 형성간격(s)은 상기 최대 직경(D1)의 두 배인 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근.
제3항에 있어서,

상기 돌출부(120)의 길이(L)은 상기 최대 직경(D1)의 두 배인 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근.
제6항에 있어서,

상기 형성간격(s)은 상기 최대 직경(D1)의 두 배인 것을 특징으로 하는 파형 그라우팅 구근.
제1항 내지 제7항의 파형 그라우팅 구근을 형성하는 방법에 있어서,

지중(1)을 천공하여 천공홀(2)을 형성시키는 천공기(230), 그라우트재를 분사하는 그라우트재 분사구(220) 및 상기 그라우트재 분사구(220)에 상기 그라우트재를 공급하는 그라우트재 이동관(210)을 포함하는 제트그라우팅 장치(200)를 이용하여, 상기 천공홀(2)을 형성함과 동시에, 상기 그라우트재 분사구(220)로부터 상기 그라우트재를 상기 천공홀(2) 내부에 고압으로 분사시켜 상기 그라우팅 구근을 형성시키는 제1 단계(A100);

상기 제트그라우팅 장치(200)를 상기 천공홀(2) 외부로 인출함과 동시에, 상기 천공홀 내부에 상기 그라우트재 분사구로부터 상기 그라우트재(3)를 상기 천공홀(2) 내부에 분사시켜 상기 기둥부(110)를 형성시키는 제2 단계(A200); 및

상기 기둥부(110)에 상기 마이크로 파일(10)을 삽입하는 제3 단계(A300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 제트그라우팅을 이용한 마이크로 파일의 시공방법.