KR200364617Y1 - 매입 말뚝 지지력 증대 기구 - Google Patents

Abstract

본 고안은 매입 말뚝로 이용되는 강관 말뚝 및 PHC 말뚝의 선단 지지력과 충진재(cement paste)와의 마찰력의 증대를 이룰 수 있도록 한 매입 말뚝 지지력 증대 기구에 관한 것이다.

특히, 매입 말뚝의 외주연에 체결이 용이하도록 절첩가능한 2조 1쌍의 원형기구물로 형성되어 있되, 정중앙은 상하로 관통 형성되어 있고, 상부 외주연에는 등간격을 띄는 구멍이 형성되어 있으며, 하부는 외측으로 하향경사진 경사돌기가 형성된 주면 링 플레이트와; 매입 말뚝의 선단에 연결이 용이하도록 상부 정중앙에는 안치홈이 형성되어 있고, 상부 외주연에는 상기 주면 링 플레이트와 같이 구멍이 등간격으로 형성되어 있으며, 하부 역시 외측으로 하향경사진 경사돌기가 형성된 선단 지지구를 일체로 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 고안에 따르면 상기 선단 지지구와 주면 링 플레이트를 앙카볼트를 통해 매입 말뚝의 선단과 외주연에 신속 용이하게 연결 설치하여 매입되는 말뚝의 상부 하중에 대한 선단 지지력과 충진재(cement paste)와의 마찰력을 증대하여 매입 공법시의 취약한 문제점을 보완할 수 있도록 한 장점이 있다.

Description

매입 말뚝 지지력 증대 기구{BEARING POWER INCREASE APPARATUS OF PLANT FILE}

본 고안은 매입 말뚝로 이용되는 강관 말뚝 및 PHC 말뚝의 선단 지지력과 충진재(cement paste)와의 마찰력의 증대를 이룰 수 있도록 한 매입 말뚝 지지력 증대 기구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 매입 말뚝로 이용되는 강관 말뚝 및 PHC말뚝의 선단과 외주연에 신속 용이하게 연결 설치하여 매입되는 말뚝의 상부 하중에 대한 선단 지지력과 충진재(cement paste)와의 마찰력을 증대하여 매입 공법시의 취약한 문제점을 보완할 수 있도록 한 매입 말뚝 지지력 증대 기구에 관한 것이다.

일반적으로 토목기초학상 건물이나 구조물이 세워지는 경우 지반 조건 및 지상 구조물 크기(하중) 등에 따라 상부 구조물을 지지하기 위하여 연약지반을 보강하기 위한 기초 공사가 선행되게 된다.

여기서 구조물의 하중 등 여러 고려사항에 따라 얕은 기초(shallow foundation) 또는 깊은 기초(deep foundation)가 이루어지게 되는데 이는 종래 Terzaghi의 얕은 기초에 대응하는 지지력 이론이 적용될 수 있는가 여부로 구별하는 의의로 사용된 것으로 근입폭비가 대체적으로 1이하의 기초를 얕은 기초라 하고 1보다 큰 기초를 깊은 기초라 정의하고 있다.

그러나 이 정의는 근래에 얕은 기초는 말뚝 등을 사용하지 않고 직접 지반에 지지시키는 직접 기초를 의미하고, 구조물 바로 아래에 있는 흙이 연약하여 상부 구조물에서 오는 하중을 기대할 수 없을 때에는 깊은 기초를 사용하며 깊은 기초로서 일반적으로 사용하는 것이 말뚝 또는 피어(pier)이다.

말뚝 기초는 설치된 말뚝의 두부를 구조물과 연결시킴으로써 일체가 된 탄성체의 기초로서 시공법에 의해 분류하면 타입공법, 매입공법, 현장타설공법으로 나눌 수 있고 재질에 따라서는 강말뚝, 콘크리트 말뚝, 합성 말뚝 등으로 구분할 수 있다.

참고로, 상기 타입공법은 말뚝을 세운 다음 위에서 타격하여 말뚝을 강제로 지반에 근입시키는 것으로 항타 에너지에 의해 강제로 지반에 삽입될 때 말뚝 축이 주변의 흙을 밀어 밀착시키며 근입되기 때문에 말뚝의 외부지지력이 양호하게 되며 간편하게 시공될 수 있는 장점이 있으나 깊은 심도로 말뚝을 설치할 때에는 수직 근입에 어려움이 있고, 말뚝을 상하 복수 개로 연결해야하는 어려움을 갖고 있었으며, 항타 에너지에 의해 말뚝의 두부가 손상됨은 물론이고 진동 및 소음이 과도하게 발생하여 도심에서의 사용은 크게 제한을 받고 있다.

이에 반하여 매입공법은 미리 지반에 구멍을 형성하고 접착제를 구멍의 반쯤 주입한 다음 말뚝을 구멍에 삽입 고정토록 한 것으로 타입공법의 단점인 소음 및 진동 등의 공해가 발생되지 않고 말뚝 두부 및 축에 손상이 가해지지 않는 장점이 있으나 접착제에 의해 말뚝 측과 주변 흙을 강력히 밀착시킬 수 없어 타입공법과 같은 강한 지지력을 얻을 수 없는 단점이 있다.

특히, 매입공법의 경우 말뚝직경보다 약 5cm 정도 크게 천공하여 이에 말뚝을 근입 설치하고 말뚝과 지반 사이를 충진재(cement paste)를 주입하여 주변 마찰을 높여준다고 하지만 시공후 수행된 하중 테스트 결과를 보면 주변 마찰에 의해 형성되는 힘은 아주 미미하여 대부분의 지지력이 선단 반력에 의해 형성됨을 알 수 있다.

여기서 참고로 이러한 매입공법에 이용되는 말뚝의 지지력은

다음의 수학식과 같이 표현할 수 있다.

말뚝지지력 = 선단 지지력 + 주면 마찰력

그러므로 현재 시공되는 공법이나 말뚝로는 이상적인 시공이 불가능한 실정이다.

이에 따라 상기와 같은 실정을 감안하여 대한민국 실용신안 제 93-2069호에서는 통상의 PC 또는 PHC 말뚝의 주면에 소정의 간격을 두고 돌출테를 형성하여 주면 마찰력을 높인 돌출테를 가진 콘크리트제 말뚝을 제안하였다.

이는 일반적인 원통형 말뚝 주위에 돌출테를 형성하여 주변 마찰력을 보다 보완함으로서 매입공법의 단점을 개선하고자 하였다.

그러나 상기 말뚝은 역학적으로는 주변 마찰력을 증가시킬 수 있는 장점은 있으나 돌출부의 형상이 실제 시공시에는 매우 중요한데 상기 고안은 이에 대한 제안이 없는 문제점이 있었다.

즉, 돌출테의 구체적인 시공과정과 이러한 돌출부에 의한 구체적인 작용관계를 설명하지 못하고 있기 때문이다.

그리고, 상술한 문제점을 개선하고자 최근 제안된 기술(출원번호 20-2003-0026649)은 상술한 문제점을 보완하기 위해 타입공법과 매입공법의 장점만을 구비할 수 있도록 말뚝의 주변에 나선을 형성시킨 것이다.

그러나, 이 기술은 여러 가지의 문제점을 수반하였다 이를 순서에 의거하여 구체적으로 나열 설명하면 다음과 같다.

첫째, 제작비가 많이 소요되므로 공사를 행하는 측의 공비를 가중시키는 비경제적인 문제점이 있었다.

즉, 기존의 말뚝과는 전혀 다른 새로운 말뚝을 제작하여야 하는 문제점이 있기 때이다.

둘째, 이 기술을 적용시킬 수 있는 말뚝에 매우 제한이 따르는 한계가 있었다.

즉, 강관 말뚝일 경우 외주면에 나선 제작이 손쉬울지 모르지만 PHC 말뚝은 사실 접목이 어려운 문제점이 있었기 때문이다.

셋째, 말뚝 선단의 지반을 보강하고자 취하는 최종 그라우팅 작업이 용이하지 못한 문제점이 있었다.

즉, 이미 매우 강한 압력으로 근입된 말뚝 선단에 그라우팅재를 투입하기란 그리 쉽지 않기 때문이다.

본 고안은 상술한 종래의 문제점들을 개선하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 매입 말뚝로 이용되는 강관 말뚝 및 PHC 말뚝의 선단과 외주연에 신속 용이하게 연결 설치하여 매입되는 말뚝의 상부 하중에 대한 선단 지지력과 충진재(cement paste)와의 마찰력을 증대하여 매입 공법시의 취약한 문제점을 보완할 수 있도록 한 매입 말뚝 지지력 증대 기구를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적은 매입 말뚝의 외주연에 체결이 용이하도록 절첩가능한 2조 1쌍의 원형기구물로 형성되어 있되, 정중앙은 상하로 관통 형성되어 있고, 상부 외주연에는 등간격을 띄는 구멍이 형성되어 있으며, 하부는 외측으로 하향경사진 경사돌기가 형성된 주면 링 플레이트와;

매입 말뚝의 선단에 연결이 용이하도록 상부 정중앙에는 안치홈이 형성되어있고, 상부 외주연에는 상기 주면 링 플레이트와 같이 구멍이 등간격으로 형성되어 있으며, 하부 역시 외측으로 하향경사진 경사돌기가 형성된 선단 지지구를 일체로 포함하는 것을 그 기술적 구성상 특징으로 한다.

도 1은 본 고안에 따른 매입 말뚝 지지력 증대 기구를 도시한 사시도.

도 2는 본 고안에 따른 매입 말뚝 지지력 증대 기구의 측면도.

도 3은 본 고안에 따른 매입 말뚝 지지력 증대 기구의 실사용 상태도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 매입 말뚝 2 : 지반

4 : 천공 6 : 충진재

10 : 선단 지지구 12 : 주면 링 플레이트

14a,14b : 구멍 16a,16b : 경사돌기

18 : 안치홈 20 : 앙카볼트

이하, 첨부도면을 참조하여 본 고안에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안에 따른 매입 말뚝 지지력 증대 기구를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 고안에 따른 매입 말뚝 지지력 증대 기구의 측면도이다.

도시된 바와 같이 본 고안은 매입 말뚝(1)의 외주면에 체결이 용이하도록 절첩가능한 2조 1쌍의 원형기구물로 형성되어 있되, 정중앙은 상하로 관통 형성되어 있고, 상부 외주연에는 등간격을 띄는 구멍(14b)이 형성되어 있으며, 하부는 외측으로 하향 경사진 경사돌기(16b)가 형성된 주면 링 플레이트(12)와, 매입 말뚝(1)의 선단에 연결이 용이하도록 상부 정중앙에는 안치홈(18)이 형성되어 있고, 상기 안치홈(18)을 형성하고 있는 상부 외주연에는 상기 주면 링 플레이트(12)와 같이 구멍(14a)이 등간격으로 형성되어 있으며, 하부 역시 외측으로 하향 경사진 경사돌기(16a)가 형성된 선단 지지구(10)로 구성되어 있다.

이와 같이 구성되어 있는 본 고안을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 고안에 따른 매입 말뚝 지지력 증대 기구의 실사용 상태도이다.

이는 도시된 바와 같이 매입 말뚝(1)로 이용되는 강관 말뚝 및 PHC 말뚝의 선단과 외주연에 선단 지지구(10)와 주면 링 플레이트(12)를 앙카볼트(20)를 통해 연결 설치한 후 지반에 형성시킨 천공(4)에 근입시키면 된다.

그러면 상기 선단 지지구(10)는 하부에 확장 형성된 경사돌기(16a)에 의해 말뚝(1)의 선단 지지력을 증대시키고, 주면 링 플레이트(12)는 후에 충진되는 충진재(cement paste;(6))와의 마찰력을 증대하여 말뚝(1)의 안정적인 매입 시공상태를 유지할 수 있게 된다.

참고로 상기 말뚝(1)과 선단 지지구(10)와의 연결 설치는 다음과 같이 이루어진다.

먼저, 선단 지지구(10)의 경우에는 매입되는 말뚝(1)의 선단에 안치홈(18)을 이용하여 끼운 후 상부 외주연에 형성되어 있는 구멍(14a)에 외측으로부터 수개의 앙카볼트(20)를 박아 말뚝(1)과의 연결을 이룰 수 있게 된다.

그리고, 주면 링 플레이트(12)는 결합된 상태를 해제한 후 말뚝(1)의 일측으로 부터 삽입한 후 상술한 선단 지지구(10)와 마찬가지로 상부 외주연에 형성되어 있는 구멍(14b)에 외측으로부터 수개의 앙카볼트(10)를 박아 말뚝(1)과의 연결을 이룰 수 있게 된다.

참고로 여기서 이러한 주면 링 플레이트(12)는 시공측의 원하는 주면 마찰력 값의 향상을 위해 설치 개수의 조절이 가능하다.

또한, 이와 같은 매입 말뚝 지지력 증대 기구는 상술한 바와 같이 앙카볼트(20)를 이용하여 체결을 이룰 수 있는 구조로 제작되어 있어 모든 종류의 말뚝(1)에 적용을 손쉽게 이룰 수 있다.

이를 더욱 구체적으로 설명하면 말뚝으로 이용되는 깊은기초의 말뚝의 지지력을 역학적으로 분석하면 말뚝의 지지 메커니즘은 상부구조의 하중이 기초에서 말뚝에 전달되며 상부하중은 말뚝 주변과 선단에서 지지되고, 이러한 지지 메커니즘은마찰지지와 선단지지로 대별되는데 통상의 말뚝에서는 그 분담률이 다르긴 하나 두 지지의 협동으로 상부 구조물의 하중을 지지한다.

이는 다음의 지지력 산정공식과 같이 표현할 수 있다.

(지지력 산정공식)

지지력 산정공식을 통해 말뚝의 극한지지력을 추정할 경우 지지력은 다음과 같이 계산된다.

Ru =qd · A+U ℓ i · fi

제1항 제2항

여기서, Ru : 지반조건에 의해서 결정되는 말뚝의 극한지지력 (tonf)

A : 말뚝의 선단면적(m²,A =, D:말뚝직경)

q_d: 30N (N: 선단지지 지반의 표준관입시험치)

U : 말뚝의 둘레길이(m)

ℓ_i: 주면 마찰력을 고려하는 층의 두께 (m)

fi : 주면마찰력을 고려하는 층의 최대 주면마찰력 (tonf/m2)

상기 지지력 공식에서 타입공법에 의해 말뚝박기가 시공되는 경우 지반과 말뚝이 밀착되어 제2항의 주면마찰력을 충분히 기대할 수 있으나 매입말뚝의 경우 말뚝직경보다 큰 직경이상을 굴착하고 말뚝을 매입후 말뚝과 굴착공 사이에 충진재를채우나, 이 경우 주면 마찰력의 발현을 크게 기대할 수 없어 설계단계에서는 안정상 제2항의 주면마찰력을 고려하지 않고 제1항의 선단지지력만 고려하므로써 비 경제적 설계가 된다.

또한 제1항 선단지지력의 경우에도 큰 지지력을 기대하기 위해서는 큰 직경의 말뚝을 선정하여야 하나 이 경우 시공성 불량, 기초규모 증대등이 유발되어 결국 말뚝단면적(A)에 지반특성치(30N)을 곱한 값 이상을 기대할 수 없게 된다.

따라서 본 고안에서는 제1항의 선단지지력 증대를 위해 말뚝선단에 본래의 직경보다 큰 확대된 선단장치를 부착하므로써 단면적(A)를 크게하여 선단지지력을 증가시키고 말뚝주변에 하향경사돌기를 장착하여 매입말뚝에서는 기대할 수 없었던 주면마찰력의 증대를 도모할 수 있다.

선단지지력의 증가치를 수식적으로 표현하면 말뚝선단의 확대직경을 원래의 말뚝직경(D) + 4Cm로 제작하면 결국 원래의 말뚝 단면적 A =이나 확대장치에 의한 말뚝 확대 단면적 A₁=(D × 0.04)²이 되어 결국 원래의 말뚝 단면적보다 증대되며 선단지지력은 증가되게 된다.

예로 강관 말뚝 D = 500mm이고 표준관입시험치가 N = 30으로 가정하면 원래 말뚝의 선단지지력 Ru = 30 × 30 ×= 176tonf이나 선단확대장치를 장착시 Ru = 30 × 30 ×(0.54)²= 206tonf이므로 약 17%의 지지력 증가를 보인다.

또한 매입말뚝에서는 기대할 수 없었던 주면마찰력도 증가되나 증가량은 실제 재하시험결과에 의해 규명될 것이다.

주면마찰력의 증가 메카니즘은 다음과 같다.

(주면마찰력 증가 메카니즘)

실제 재하실험결과를 예측한다면 이와같은 장치를 부착시 매입말뚝에서는 주면링에 의해 지반이 압축되면서 말뚝과 지반사이의 상대변위에 의해 주면마찰력이 크게 향상되게 될 것이다.

현재 시중에서 사용되는 PHC 말뚝을 예로 들어 설명하면 지름 400mm(t=65mm)를 기준으로 말뚝 자체의 단면이 지지할 수 있는 지지력은 Pa = 109톤 까지로 지반이 견고한 층까지 말뚝선단을 도달시켜 109톤 정도를 적재할 수 있도록 고안된 말뚝이나 현재 일반적으로 적용 지지력을 45∼50톤 정도로 설계하여 지반 선단지지력이 약 45∼50톤 정도가 형성되는 심도까지 시공되고 있다.

이러한 이유는 여러면으로 해석할 수 있겠으나 말뚝자체의 허용 지지력보다 적게 나오는 지반 상태가 훨씬 흔하다는 것이고 매입말뚝 시공공법에서는 말뚝 주변의 주면마찰력이나 선단의 지반 지지력이 말뚝자체가 지지할 수 있는 지지력보다 적다는 것을 의미한다.

현재 소음 및 진동 규제에 의해 항타 말뚝보다 매입 말뚝의 비중이 증가하면서 이러한 현상은 더욱 두드러지고 있다.

본 고안은 상기 말뚝(1)에 추가로 체결되는 선단 지지구(10)와 주면 링 플레이트(12)의 확장면적에서 발생되는 지지력이 말뚝(1)의 선단과 주면에 발생될 수 있다.

즉, 말뚝의 지반압축면적과 말뚝의 단면적 값을 기존의 말뚝보다 크게 하여 전체적인 매입 공법시의 취약한 문제점인 지지력 증대를 기할 수 있게 된다.

참고적으로, 이상에서는 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 이는 단지 예로 들기 위한 기본 형태를 나타낸 것이므로, 본 고안과 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다.

본 고안은 상기 실시 예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다.

따라서 상기 기재 내용은 하기 실용신안등록청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 고안의 범위를 한정하는 것이 아니다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 고안은 매입 말뚝로 이용되는 강관 말뚝 및 PHC 말뚝의 선단과 외주연에 신속 용이하게 연결 설치할 수 있는 선단 지지구와 주면 링 플레이트로 이루어진 매입 말뚝 지지력 증대 기구를 제작하여 주어 매입되는 말뚝의 상부 하중에 대한 선단 지지력과 충진재(cement paste)와의 마찰력을 증대하여 매입 공법시의 취약한 문제점을 보완할 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 지지력이 보강된 매입 말뚝에 있어서,

   상기 매입 말뚝(1)의 외주연에 체결이 용이하도록 절첩가능한 2조 1쌍의 원형기구물로 형성되어 있되, 정중앙은 상하로 관통 형성되어 있고, 상부 외주연에는 등간격을 띄는 구멍(14b)이 형성되어 있으며, 하부는 외측으로 하향 경사진 경사돌기(16b)가 형성된 주면 링 플레이트(12)와;

   매입 말뚝(1)의 선단에 연결이 용이하도록 상부 정중앙에는 안치홈(18)이 형성되어 있고, 상부 외주연에는 상기 주면 링 플레이트(12)와 같이 구멍(14a)이 등간격으로 형성되어 있으며, 하부 역시 외측으로 하향 경사진 경사돌기(16a)가 형성된 선단 지지구(10)를 일체로 포함하여 구성된 매입 말뚝 지지력 증대 기구.