KR101057487B1

KR101057487B1 - 기초보강 확공압밀 인발주입공법

Info

Publication number: KR101057487B1
Application number: KR1020100101937A
Authority: KR
Inventors: 문동춘
Original assignee: 문동춘
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-08-17
Also published as: KR20100122068A

Abstract

본 발명은 기초보강 확공압밀 인발주입장치 및 이를 이용한 확공압밀 인발주입공법에 관한 것으로 가동부의 외주면에 굴삭날개가 형성된 인발주입장치로 지반을 굴삭하고 인발주입장치 외주면의 분사구를 통하여 시멘트페이스트를 고압분사함으로서, 하단의 주입구를 통해 주입되는 주입재가 고화되어 형성되는 파일이 보강체로서의 균인할 기본직경을 갖도록 형성할 수 있는 기초보강 확공압밀 인발주입장치 및 이를 이용한 확공압밀 인발주입공법에 관한 것이다.
지층의 연약정도에 따라 적절하게 오거, 햄머 또는 비트가 형성된 가동부를 교체하여 사용할 수 있으므로 지층을 원하는 깊이까지 용이하게 천공할 수 있는 효과가 있다.
아울러 지반의 연약정도에 따라 제2분사구를 통해 시멘트페이스트를 임의심도에서 수평방향으로 고압분사시켜 미리 확공시키게 됨에 따라, 제1주입구를 통해 압밀주입되는 주입재에 의해 형성되는 파일의 직경을 동일하게 유지시킬 수 있으므로 파일의 지지력이 증대되고, 지반에 의한 수직압력과 횡방향으로의 전단력에 보다 잘 견딜 수 있는 효과가 있다.

Description

기초보강 확공압밀 인발주입공법 {Grouting Method Using Enlarged Concrete Consolidation Grouting Apparatus}

본 발명은 기초보강 확공압밀 인발주입장치를 이용한 기초보강 확공압밀 인발주입공법에 관한 것으로 가동부의 외주면에 굴삭날개가 형성된 인발주입장치로 지반을 굴삭하고 인발주입장치 외주면의 분사구를 통하여 시멘트페이스트를 고압분사함으로서, 하단의 주입구를 통해 주입되는 주입재가 고화되어 형성되는 파일이 보강체로서의 균일할 기본직경을 갖도록 형성할 수 있는 기초보강 확공압밀 인발주입장치를 이용한 기초보강 확공압밀 인발주입공법에 관한 것이다.

종래의 지중 개량 및 차수벽 형성 기술로서, 대한민국 등록특허공보 등록번호 특0155195호에 기재된 바와 같이, "개량하고자 하는 지중 부분을 천공하고, 주입관을 통하여 고압으로 그라우트를 주입하는 콤팩션 그라우팅(CGS) 기술"이 알려져 있었으나, 위와 같은 콤팩션 그라우팅 기술은 그라우트의 고압 주입에 의하여 지반의 종류에 따라 지반에 미세 크랙이 발생하는 등 지반의 조직 구조를 무리하게 파괴할 우려가 있고, 또한 조밀한 자갈층 또는 화강암질 지반의 경우 그라우트의 압밀 주입이 곤란하므로 지반의 종류에 따라 시공에 제한을 받으며, 특히 차수 목적으로 시공할 경우에는 형성되는 파일의 단면 형상이 불규칙하여 차수가 되지 않는 미 충전부가 발생할 수 있으며, 또 위와 같은 누수 현상을 방지하기 위해서는 차수벽의 중복도를 높여 2열 이상으로 시공해야 하는 경제적인 문제점도 있었다.

그리고, 개량하고자 하는 지반의 계획심도까지 천공수를 이용하여 천공한 후 자동인발장치의 주입관을 삽입하여 저유동성의 모르타르(mortar) 또는 콘트리트(concrete)를 고압으로 압밀주입하여 지중에 원기둥형상의 콘크리트 말뚝(100)을 형성하는 C.G.S(conpaction grouting system)공법과 C.C.G(concrete consolidation grouting)공법에 의한 시공예가 도 1에 개시되어 있다. 그러나 이와 같은 공법은 지반의 단단한 정도에 따라 고압으로 주입된 콘크리트가 주변지반을 충분히 압밀시키지 못하므로, 지층의 단단함 정도에 따라 직경이 다른 콘크리트 말뚝(100)이 형성되어 축하중 및 주변 지반에 의한 전단력에 취약한 문제점이 있었다.

아울러 천공수를 이용하여 지반을 천공하며 동시에 주입관(110)을 설치하거나, 천공을 완료한 후 주입관(110)을 삽입하기 때문에 주입관(110)의 직경보다 천공된 구멍의 직경이 커, 모르타르 또는 콘크리트의 압밀주입 시 주입재가 주입관(110)과 천공된 구멍 사이의 틈으로 유출되므로 주입재의 압력손실로 인해 충분한 압밀 효과를 갖지 못하거나 단단한 지층(112)에서는 주입재에 의한 압밀이 거의 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.

또한 지표 부근에서의 모르타르 또는 콘트리트의 압밀주입은 지표주변을 융기시키는(114) 문제점이 있으며, 지표가 융기함으로서 지반이 수평방향으로 충분히 압밀되지 못하여(116) 형성되는 콘크리트 말뚝이 직경이 작아져 기초로서의 역할을 하지 못하고 별도의 두부 형성이 필요한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은 외주면의 굴삭날개와 하단의 오거, 햄머 또는 비트를 이용하여 지반을 굴삭한 후 하단의 제1주입구를 통해 주입재를 압밀주입하여 파일을 형성하며, 동시에 지반의 연약정도에 따라 제2분사구를 통해 시멘트페이스트를 고압분사하여 주위 지반을 파쇄시켜 일정한 직경을 갖는 파일을 지중에 형성할 수 있는 기초보강 확공압밀 인발주입장치를 이용한 기초보강 확공압밀 인발주입공법을 제공함에 있다.

본 발명의 기초보강 확공압밀 인발주입장치는, 지중으로 주입재를 인발주입하는 기초보강 확공압밀 인발주입장치에 있어서, 상기 인발주입장치는 원기둥형상으로 내부에 길이방향을 따라 하단의 제1주입구와 연결되는 주입로와, 외주면의 제2분사구와 연결되는 보조 주입로가 형성되는 가동부; 상기 가동부의 상부에 구비되어 상기 가동부를 회전시키며, 상기 주입로 및 보조 주입로와 연통되는 각각의 주입구가 형성되는 구동부; 및 상기 구동부의 각각의 주입구를 통해 주입되는 주입재의 주입량 및 주입시기를 제어하는 제어수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 인발주입장치는 상기 주입로와 연통되는 공기유입로가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1주입구는 상기 가동부의 하부에 형성되고, 상기 제2분사부는 상기 가동부의 외주면에 적어도 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 인발주입장치는 가동부의 외주면에 길이방향을 따라 나선형의 굴삭날개가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 인발주입장치는 지반의 천공을 위해 가동부의 하단에 방사상으로 오거(auger)가 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 인발주입장치는 단단한 지층의 천공을 위해 가동부의 하단에 지반에 충격을 가하는 햄머(hammer)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 인발주입장치는 지표의 천공을 위해 가동부의 하단에 비트(bit)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기의 기초보강 확공압밀 인발주입장치를 이용한 기초보강 확공압밀 인발주입공법으로서, a) 확공압밀 인발주입공법을 시행할 지반의 지질층을 파악하기 위한 지질조사를 하는 단계; b) 지질조사가 끝난 지반에 상기 구동부(20)의 구동에 의하여 상기 가동부(10)가 회전됨에 따라 지표면으로부터 소정 깊이로 천공하는 단계; c) 상기 제어수단에 의해 콘크리트 고압펌프가 작동하여 상기 구동부(20)의 주입구(22)를 통해 주입된 주입재가 주입로(12)를 지나 상기 가동부(10) 하단의 제1주입구(12a)로 배출되는 단계; 및 d) 상기 가동부(10)가 천공된 구멍의 하단으로부터 지표까지 상승함에 따라 지속적으로 상기 제1주입구(12a)를 통해 주입재가 주입되어 천공된 구멍이 메워지며 주변 지반이 압밀되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 주입재는 주입재의 특성을 변화시키는 혼화제와 차수(遮水)를 용이하게 하는 지수특성제 중에서 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 b)단계는 상기 제어수단에 의해 상기 가동부 외주면의 제2분사구가 통과하는 지반에 따라 선택적으로 상기 제2분사구를 통해 시멘트페이스트(cement paste)가 주위지반으로 고압분사되는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 c)단계는 상기 제어수단에 의해 상기 가동부 외주면의 제2분사구가 통과하는 지반에 따라 선택적으로 상기 제2분사구를 통해 시멘트페이스트가 주위지반으로 고압분사되는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 또 다른 기초보강 확공압밀 인발주입장치는, 원기둥형상으로 내부에 길이방향을 따라 하단의 제1주입구와 연결되는 주입로가 형성되는는 가동부; 상기 가동부의 상부에 구비되어 상기 가동부를 회전시키며, 상기 주입로와 연통되는 주입구가 형성되는 구동부; 상기 구동부의 상부에서 상기 가동부의 주입로 내부로 삽입되어 가동부의 길이방향을 따라 이동가능하며, 외주면에는 제2분사구가 형성되는 분사관; 및 상기 구동부의 주입구와 상기 분사관을 통해 주입되는 주입재의 주입량 및 주입시기를 제어하는 제어수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 가동부의 외주면에는 나선형의 굴삭날개가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기의 기초보강 확공압밀 인발주입장치를 이용한 기초보강 확공압밀 인발주입공법으로서, a) 확공압밀 인발주입공법을 시행할 지반의 지질층을 파악하기 위한 지질조사를 하는 단계; b) 지질조사가 끝난 지반에 상기 구동부의 구동에 의하여 상기 가동부가 회전됨에 따라 지표면으로부터 소정 깊이로 천공하는 단계; c) 상기 제어수단에 의해 콘크리트 고압펌프가 작동하여 상기 구동부의 주입구를 통해 주입된 주입재가 주입로를 지나 상기 가동부 하단의 제1주입구로 배출되는 단계; d) 상기 가동부의 주입로 내부에 삽입된 분사관은 고정된 상태에서 상기 가동부가 천공된 구멍의 하단으로부터 지표까지 상승함에 따라 지속적으로 상기 제1주입구를 통해 주입재가 주입되어 천공된 구멍이 메워지며 주변 지반이 압밀되는 단계; e) 상기 가동부가 지표로 상승하여 주입재의 주입이 완료되면 가동부의 주입로를 통해 삽입된 분사관이 지표부근에서 절단되어 인발기에 고정되는 단계; 및 f) 상기 인발기의 구동에 의해 상기 분사관이 상승하며, 상기 제어수단에 의해 상기 분사관의 제2분사구가 지나는 지반에 따라 선택적으로 상기 제2분사구를 통해 시멘트페이스트(cement paste)가 주위지반으로 고압분사되는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 d)단계는 상기 가동부가 지표로 상승함에 따라 상기 가동부의 주입로 내부로 삽입된 분사관의 상단에 별도의 분사관이 더 결합되어 상기 가동부가 지표까지 상승하여도 상기 가동부의 주입로 내부에 상기 분사관이 삽입된 상태가 유지되는 것을 특징으로 한다.

상기 주입재는 시멘트와 물을 포함하며, 석분, 모래, 세립토, 석회 또는 플라이애쉬(fly ash) 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 주입재는 주입재의 특성을 변화시키는 혼화제와 차수(遮水)를 용이하게 하는 지수특성제 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성으로 지층의 연약정도에 따라 적절하게 오거, 햄머 또는 비트가 형성된 가동부를 교체하여 사용할 수 있으므로 지층을 원하는 깊이까지 용이하게 천공할 수 있는 효과가 있다.

또한 가동부 외주면의 굴삭날개의 직경(300~550mm)만큼 지반이 굴삭된 후 주입재의 주입에 의한 주변 지반의 압밀이 이루어져 보다 큰 직경을 갖는 파일을 지중에 형성할 수 있는 효과가 있다.

아울러 지반의 연약정도에 따라 제2분사구를 통해 시멘트페이스트를 임의심도에서 수평방향으로 고압분사시켜 미리 확공시키게 됨에 따라, 제1주입구를 통해 압밀주입되는 주입재에 의해 형성되는 파일의 직경을 동일하게 유지시킬 수 있으므로 파일의 지지력이 증대되고, 지반에 의한 수직압력과 횡방향으로의 전단력에 보다 잘 견딜 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 인발주입방법에 의해 형성된 파일의 단면도.
도 2는 본 발명의 인발주입장치의 제1실시예 정면도.
도 3은 본 발명의 인발주입장치의 제2실시예 정면도.
도 4는 도 2의 인발주입장치에 의한 인발주입공법의 실시예 단면도.
도 5는 도 3의 인발주입장치에 의한 인발주입공법의 실시예 단면도.
도 6은 본 발명의 인발주입공법에 의해 형성된 파일의 단면도.

이하 본 발명의 기초보강 확공압밀 인발주입장치 및 이를 이용한 기초보강 확공압밀 인발주입공법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 인발주입장치의 제1실시예 정면도이고, 도 3은 본 발명의 인발주입장치의 제2실시예 정면도이며, 도 4는 도 2의 인발주입장치에 의한 인발주입공법의 실시예 단면도이고, 도 5는 도 3의 인발주입장치에 의한 인발주입공법의 실시예 단면도이며, 도 6은 본 발명의 인발주입공법에 의해 형성된 콘크리트 파일의 단면도이다.

본 발명의 기초보강 확공압밀 인발주입장치는 도 2와 같이, 원기둥형상으로 내부에 길이방향을 따라 하단의 제1주입구(12a)와 연결되는 주입로(12)와, 외주면의 제2분사구(14a)와 연결되는 보조 주입로(14)가 형성되는 가동부(10); 상기 가동부(10)의 상부에 구비되어 상기 가동부(10)를 회전시키며, 상기 주입로(12) 및 보조 주입로(14)와 연통되는 각각의 주입구(22, 24)가 형성되는 구동부(20); 및 상기 구동부(20)의 각각의 주입구(22, 24)를 통해 주입되는 주입재의 주입량 및 주입시기를 제어하는 제어수단(미도시); 로 이루어진다.

도 2(a)는 본 발명의 제1실시예로서, 가동부(10)의 외주면에는 굴삭날개(16)가, 가동부(10)의 하단에는 오거(auger, 18)가 구비되는 것을 나타낸다. 상기 가동부(10)는 원기둥형상으로 외주면에 가동부의 길이방향을 따라 나선형의 굴삭날개(16)가 형성된다. 상기 굴삭날개(16)의 피치나 높이는 실시예에 따라 다양하게 실시 가능하다. 상기 가동부(10)의 길이방향을 따라 중앙부에는 주입로(12)가 형성된다. 상기 주입로(12)는 상기 가동부(10) 하단면에 형성된 제1주입구(12a)와 연통된다. 상기 주입로(12)의 둘레로는 보조 주입로(14)가 형성되어 상기 가동부(10)의 외주면에 형성된 제2분사구(14a)와 연통된다. 상기 제2분사구(14a)는 상기 가동부(10)의 둘레를 따라 적어도 하나 이상 형성되며, 고압으로 주변 지반을 균일하게 파쇄시킬 수 있도록 방사상으로 다수개가 형성되는 것이 좋다.

상기 가동부(10) 외주면의 굴삭날개(16)만으로는 수직하방으로의 천공에 어려움이 있으므로 상기 가동부(10)의 하단에는 지반의 용이한 천공을 위하여 오거(auger, 18)가 형성된다. 상기 오거(18)는 방사상으로 다수개 형성되며, 그 크기 및 날의 개수 등은 실시예에 따라 다양하게 적용 가능하다.

상기 가동부(10)의 상단에는 상기 가동부(10)를 회전시키는 구동부(20)가 구비된다. 상기 구동부(20)에는 상기 가동부(10)의 주입로(12) 및 보조 주입로(14)와 연통되는 주입구(22, 24)가 각각 형성된다. 상기 주입로(12)와 연통되는 주입구(22)에는 주입재를 공급하는 콘크리트 고압펌프(미도시)가 구비되며, 상기 보조 주입로(14)와 연통되는 주입구(24)에는 시멘트페이스트를 공급하는 고압펌프(미도시)가 구비된다. 아울러 상기 주입로(12)와 연통되는 주입구(22)에는 에어펌프(미도시)에 의해 고압의 공기를 공급하는 공기유입로(26)가 밸브(26a)를 통해 연통된다. 상기에서 상기 구동부(20)를 상승 또는 하강시키거나, 가동부(10) 구동력을 전달하여 회전시키는 방안은 종래의 건설기계 등에 널리 쓰이는 공지의 것을 사용한다.

도 2(b)는 본 발명의 다른 실시예로서 가동부(10)의 하단에 오거 대신 햄머(18a)가 구비되는 것을 나타낸다. 제1실시예와 같이 가동부(10)의 하단에 오거(18)가 형성된 경우 일반적인 토양지반일 경우에는 천공이 용이하나, 단단한 지층, 즉 암반층, 자갈층 또는 호박돌층을 만나게 되면 천공이 불가능해진다. 이를 위해 가동부(10)의 하단에 햄머(hammer, 18a)가 구비된다. 지반의 천공 중 단단한 지층을 만나게 되면 하단에 햄머(18a)가 구비된 가동부로 교체하여 유압, 공압 또는 기계적인 구동에 의해 상기 햄머(18a)를 상측으로 상승시켰다가 하측으로 큰 힘으로 충격을 가함으로써 단단한 지층을 파쇄하여 천공이 가능하게 된다.

도 2(c)는 본 발명의 또 다른 실시예로서 가동부(10)의 하단에 드릴날과 같은 형상의 비트(bit, 18b)가 형성되는 것을 나타낸다. 상기와 같은 제1 및 2실시예의 경우는 지중으로 보다 깊은 깊이로 천공을 하게 될 경우 필요한 구성이나, 천공된 구멍의 확공, 경질토사층을 얕은 깊이로 천공하거나, 천공이 이루어지는 장소의 협소함 또는 소규모의 공사 시에는 굴삭날개(16)나 오거(18) 또는 햄머(18a) 등이 필요치 않으므로 가동부(10) 외주면의 굴삭날개(16)를 삭제하고, 가동부(10)의 하단을 드릴날과 같은 형상의 비트(bit, 18b)로 형성하는 것이 바람직하다. 일반적인 건설현장에서는 굴삭 시 다양한 지층을 굴삭하게 되므로, 효율성을 향상시키기 위하여 오거(18), 햄머(18a) 또는 비트가 형성된 가동부를 모두 사용할 수 있도록 가동부의 교체가 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 확공압밀 인발주입장치의 제2실시예이다. 상기 도 2의 제1실시예와 다른점에 대해 설명한다. 상기 인발주입장치(1)는, 원기둥형상으로 내부에 길이방향을 따라 하단의 제1주입구(12a)와 연결되는 주입로(12)가 형성되는 가동부(10); 상기 가동부(10)의 상부에 구비되어 상기 가동부(10)를 회전시키며, 상기 주입로(12)와 연통되는 주입구(22)가 형성되는 구동부(20); 및 상기 구동부(20)의 상부에서 상기 가동부(10)의 주입로(12) 내부로 삽입되어 가동부(10)의 길이방향을 따라 이동가능하며, 외주면에는 제2분사구(32)가 형성되는 분사관(30); 으로 이루어진다. 상기 가동부(10)의 주입로(12) 직경보다 작은 직경을 갖는 분사관(30)이 상기 구동부(20)의 상부를 통해 가동부(10)의 주입로(12) 내부로 가동부(10)의 길이방향을 따라 삽입된다. 상기 분사관(30)은 일단이 폐쇄된 관형상으로 하측 외주면에 제2분사구(32)가 형성된다. 상기 분사관(30)은 상기 가동부(10)의 주입로(12) 내부에 삽입되어 상기 가동부(10)의 길이방향을 따라 이동가능하며, 상단에는 별도의 분사관이 더 결합되어 길이변화가 가능하게 된다. 상기 가동부(10)의 외주면에는 지반의 용이한 천공을 위한 굴삭날개(16)가, 하부에는 오거(auger, 18), 햄머(hammer, 18a) 또는 비트(bit, 18b)가 형성된다. 상기에서 상기 구동부(20)를 상승 또는 하강시키거나, 가동부(10)에 구동력을 전달하여 회전시키는 방안 및 상기 구동부(20)와 가동부(10)의 내부로 삽입되는 분사관(30)의 삽입방법은 종래의 건설기계 등에 널리 쓰이는 공지의 것을 사용한다.

상기의 제1 및 2실시예와 같은 인발주입장치를 통한 주입재의 주입량 및 주입시기를 제어하는 제어수단(미도시)이 더 구비된다. 상기 제어수단은 지질조사를 통한 각 지층의 단단함 정도 및 각 지층의 순서와 두께 정보가 입력되며, 각 지층에 대한 정보를 바탕으로 각각의 지층에 따라 상기 제1주입구(12a)를 통해 주입되는 주입재의 주입량 및 주입시간을 제어하게 된다. 또한 상기 제1주입구(12a)를 통해 주입되는 주입재의 양과 지층의 단단함 정도에 따라 상기 제2분사구(14a, 32)를 통해 고압분사되는 시멘트페이스트의 분사량 및 분사시기를 제어하게 된다. 상기 제어수단은 상기와 같은 기능을 발현하는데 있어 구성 또는 구조 등에 제한이 없음은 물론이다.

도 2와 같은 구성의 인발주입장치를 이용한 확공압밀 인발주입공법에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

우선 확공압밀 인발주입공법을 시행할 지층의 구성을 알아보기 위한 지질조사를 실시한다. 지질조사는 일반적으로 널리 쓰는 공지의 방법을 사용한다. 지질조사를 통해 지반의 구성 및 각 지층의 높이를 파악하고, 시공할 파일의 깊이 및 직경을 결정한다. 아울러 각각의 지층에 대한 정보와 사용되는 인발주입장치의 가동부의 직경 및 길이에 대한 정보 등이 제어수단으로 입력된다. 시공계획이 모두 확정되면 지반에 구멍을 천공하게 된다. 상기 구동부(20)의 구동력에 의하여 하부의 가동부(10)가 회전하게 되고, 상기 가동부(10) 하단의 오거(18)가 회전하며 천공이 이루어지고, 가동부(10) 외주면의 굴삭날개(16)로 인해 보다 큰 직경으로 천공이 가능해지며, 지중의 흙이 굴삭날개(16)를 따라 외부로 배출되므로 재밍(jamming)을 방지하여 천공이 보다 용이해진다. 천공 시 단단한 중간 호박돌층을 만나게 되면, 하단에 햄머(18a)가 구비된 가동부(10)로 교체하여 천공이 이루어진다. 상기와 같이 천공된 구멍은 가동부(10)의 굴삭날개(16)의 직경과 동일하게 형성되므로, 압밀주입되는 주입재의 압력이 계속 유지되어 주변 지반을 용이하게 압밀시키는 효과가 있다. 가동부(10)의 회전에 의한 구멍의 천공 시 상기 밸브(26a)를 선택적으로 개폐시켜 에어펌프에 의해 고압의 공기를 상기 주입로(12)를 통해 제1주입구(12a)로 공급하여 천공이 보다 용이해지도록 하는 것이 좋다. 아울러 천공이 끝난 후 주입재의 주입 전에 미리 상기 공기주입로(26)를 통해 공기를 공급하여 지반의 천공 중에 상기 제1주입구(12a)를 통해 주입로(12) 내부로 일부 유입된 흙을 제거하여 주입재의 주입이 보다 용이해지도록 하는 것이 좋다. 또한 주입재의 주입이 모두 완료된 후에는 잔여 주입재의 제거가 가능해지고, 공기주입로(26)를 통해 세척제 또는 물 등을 주입하여 주입로(12)의 세척이 가능해 진다.

계획된 깊이까지의 천공이 완료되면, 상기 제어수단에 의해 콘크리트 고압펌프가 작동되어 상기 구동부(20)의 주입구(22)를 통해 주입재가 주입된다. 상기 주입재는 기본적으로 시멘트와 물로 이루어지며, 지반조건, 지반의 보강목적(고강도와 균일한 강도가 주목적인 경우, 낮은 강도로 균일한 복합지반을 형성하는 경우, 해수에서의 고강도와 치밀한 차수가 목적인 경우, 낮은 강도를 가지며 고슬럼프치를 갖는 주입재의 공동(空洞) 주입목적인 경우, 기타 구조물 특성을 고려한 보강목적인 경우), 구조물 특성, 현장에서의 주입재의 취득 용이성 또는 재료비 등의 제반여건에 따라 설계시공목적에 적합하도록, 석분, 모래, 세립토, 석회(생석회, 소석회) 또는 플라이애쉬(fly ash)중에서 적어도 어느 하나 이상이 더 포함되며, 꼭 이에 국한되는 것은 아니며 일반적으로 건설분야에서 널리 쓰이는 토목용 지반보강재 또한 사용 가능함은 물론이다.

따라서 본 발명의 확공압밀 인발주입장치에 사용되는 주입재는 시멘트+모래+석분+물, 시멘트+모래+세립토(점토, 일반토사)+물, 시멘트+석분+세립토(점토, 일반토사)+물, 시멘트+석분+모래+세립토(점토, 일반토사)+물 또는 시멘트+세립토+석회(생석회, 소석회)+물 등과 같이 다양한 주입재료를 비율에 맞게 혼합하여 사용가능하다. 주입재로 사용가능한 토목용 지반보강재는 얼마든지 있을 수 있을 뿐만 아니라, 이들 간의 조합과 비율도 사전배합시험에 의해 얼마든지 강도, 주입성 또는 지반과의 관계 등 조건에 맞게 사용가능범위가 폭넓게 적용된다. 즉, 재료에 대하여 상세히 설명하면 지반조건, 보강목적, 구조물특성, 현장에서의 재료취득성(그 지역의 특성), 재료비등을 고려한 주입재료의 조합이 다음과 같이 다양한 조건에 따라 적용될 수 있다.

고강도 압축력 및 전단력이 필요한 지반에서의 파일기능이 주역할인 보강목적일 경우에는 모래+석분(세립토배제)+시멘트+물 이 배합된 주입재를 이용한다.

연약점성토지반에 압밀촉진과 탈수배수촉진으로 주변지반과 유사한 강도발현의 복합지반 형성의 보강목적일 경우에는 시멘트+석회+물 또는 시멘트+석회+흙(세립토)+물 이 배합된 주입재를 이용한다.

사면활동방지의 경우 고강도가 필요한 보강목적 시에는 모래+석분+시멘트+물 이 배합된 주입재를 이용한다.

유속이 있는 사석층 내의 차수 보강목적시 고강도 발현일 경우에는 모래+석분+시멘트+물+조강제+벤토나이트+혼화제(저슬럼프치)가 배합된 주입재를 이용하고, 저강도 발현일 경우에는 석분+흙+시멘트+물+조강제+벤토나이트+혼화제(저슬럼프치)가 배합된 주입재를 이용한다.

지하수위가 없고, 수평인 공동채움과 강도가 필요하지 않을 때의 보강목적인 경우에는 시멘트+흙(세립토)+물(고슬럼프치) 이 배합된 주입재를 사용하고, 경사진 공동에 부분적으로 보강(강도 필요하지 않을 경우) 시에는 시멘트+흙(세립토)+물(저슬럼프치) 이 배합된 주입재를 사용한다.

지하수위가 있는 공동 보강 시에는 시멘트+흙(세립토)+물(저슬럼프치) 이 배합된 주입재를 사용한다.

폐광 공동내 지주 보강 시에는 시멘트+모래+석분+물+(고강도제)(저슬럼프치) 이 배합된 주입재를 사용한다.

구조물의 특성을 고려하여 측방유동을 방지하며 파일로서의 기능 시에는, 주입으로 인한 지층유동이 큰 토질인 경우 직경이 작고 고강도의 파일로서 유동을 방지하게 되는데 이때에는 시멘트+석분+모래+물 이 배합된 주입재를 사용한다.

건설현장에서의 세립토 취득이 용이하지 않을 경우에는 세립토 대신에 석분을 사용하게 된다. 예를 들어 사막(沙漠)의 경우 세립토 취득이 불가능하며, 국내의 포항지역 또한 세립토 취득이 어려운 지역으로서, 세립토 대신 모래나 석분을 사용한다. 그러나 주입재로 인한 주입관 내의 마찰이 커지므로 플라이애쉬나 기타 혼화제를 배합하여 주입이 용이하도록 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 주입재에 주입재의 특성을 변화시키는 혼화제와 차수(遮水)를 용이하게 하는 지수특성제 중에서 적어도 어느 하나 이상을 더 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이다. 상기에서 혼화제는 콘크리트의 경화 및 작업성(타설)을 개선하기 위해서 물, 시멘트, 골재 이외에 첨가하는 부재료로서 그 사용량이 콘크리트의 용적 계산에 영향을 미치지 않을 정도로 사용되는 것으로 보통 시멘트량의 1%전후가 사용된다. 그 종류로는 건설분야에서 널리 쓰이는 경화촉진제, 경화지연제, 방수제, 팽창제, 발포제, 착색제, 고강도제, 조강제 등이 있으며, 이 외에도 다양한 재료를 혼화제로서 사용가능함은 물론이다. 상기 고강도제는 콘크리트의 강도를 증진할 목적으로 첨가하여 사용하는 부재료이고, 상기 조강제는 강도를 조기에 발현시키기 위해서 사용하는 재료로서 고로슬래그 미분말 등이 있다. 상기 지수특성제는 차수(遮水)를 급히 할 목적이거나, 차수 후에 사용된 재료가 장기적으로 차수기능을 발휘하도록 하는 재료로서, 급결지수제로는 물유리가 차수기능의 증진을 위해서는 벤토나이트, 기타 급결, 중결, 완결 재료등이 첨가되어 사용된다.

상기와 같이 지반보강용 재료는 지반보강목적에 적합하도록 모든 조건을 사전에 조사하여 각각의 재료들 중에서 어느 한 가지 이상을 조합하여 주입재로서 사용 가능한 것이며, 또한 꼭 이에 국한되는 것은 아니다. 다만, 사전에 지반에 따른 주입배합비를 미리 설정하여 최적의 주입재를 배합하여 사용하는 것이 바람직하다.

이때 지반압밀이 주목적이라면 주입재는 슬럼프치가 작은 고점도의 주입재(슬럼프(slump)치 7cm 이하)를 사용하여 주변 지반의 압밀을 보다 용이하게 하는 것이 좋다. 제어수단에 의해 콘크리트 고압펌프가 가동되어 고압(70kg/cm² 전후)으로 주입재가 상기 주입구(22)를 통해 주입로(12)로 공급되므로 주입되는 주입재에 강한 압력이 가해져, 주입재가 가동부(10) 하단의 제1주입구(12a)를 통해 주입되며 주위 지반에 압력을 가해 지반을 압밀시키며 설계상의 직경으로 주입된다. 천공된 구멍의 하단에서부터 고압으로 제1주입구(12a)를 통해 주입되는 주입재가 채워짐에 따라 상기 제어수단에 의해 상기 구동부(20)가 상측으로 서서히 상승되며 천공된 구멍의 하단에서부터 주입재가 주위 지반을 압밀시키며 채워지게 된다.

그러나 상기와 같이 제1주입구(12a)를 통해 주입재를 고압으로 주입하게 되는 경우에는 지층의 단단함 정도에 따라 지반이 압밀되어 확장되는 직경이 다르므로, 주입재가 고화되어 형성되는 파일(2)의 직경이 지층에 따라 달라져 전단력에 취약해지고, 기초로서의 능력을 상실하는 문제점이 발생한다.

따라서 구멍의 천공 중에 미리 파악된 단단한 지층 및 제1주입구(12a)를 통한 주입재의 주입 중 특정 심도에서의 주입량의 차이에 따라 제어수단을 통해 확공된 직경을 파악할 수 있게 된다. 상기 가동부(10)의 제2분사구(14a)가 원하는 직경으로의 확공이 이루어지지 못한 지층을 통과하게 되면, 제어수단이 이를 감지하여 공급펌프(미도시)를 작동시켜 상기 구동부(20)의 주입구(24)를 통해 시멘트와 물이 혼합된 시멘트페이스트(cement paste)를 고압(200~400kg/cm²)으로 주입한다. 주입된 시멘트페이스트가 공급펌프(미도시)의 구동에 의해 가동부(10)의 길이방향과 수직방향을 따라 방사상으로 고압으로 분사되며, 단단한 주위 지반을 파쇄시켜 시공자가 원하는 직경으로의 확공이 이루어진다. 상기와 같이 시멘트페이스트를 이용한 확공은 지질조사를 통한 단단한 지층에 대한 정보를 바탕으로 제어수단에 의해 공급펌프가 작동함에 따라 도 4(a)와 같이 가동부(10)의 회전에 의한 구멍의 천공 중에 이루어져도 좋으며, 도 4(b)와 같이 구멍의 천공이 완료된 후 천공된 구멍에 주입재를 주입하면서 가동부(10)가 상측으로 이동하는 과정 중에 이루어져도 좋다.

상기와 같이 주입재의 주입 전에 미리 시멘트페이스트의 고압분사로 단단한 지층을 원하는 직경으로 미리 확공시키게 됨에 따라, 제1주입구(12a)를 통해 주입되는 주입재의 압력에 따라 주위 지반이 압밀되며 확공되는 직경과 미리 시멘트페이스트의 고압분사로 확공이 이루어진 지층을 지나면서 제1주입구(12a)를 통해 주입되는 주입재에 의해 소량 압밀되어 더 확장되는 직경을 동일하게 유지시킬 수 있으므로 하단에서 상단까지 동일한 직경을 갖는 파일(2)을 형성할 수 있게 된다.

상기에서 제어수단의 제어에 의해 제2분사구(14a)를 통해 지표부근의 지반이 시멘트페이스트의 고압분사에 의해 원하는 직경으로 확공되고, 지표부근에서 주입재가 콘크리트 고압펌프에 의해 고압압송되어 주입이 완료된다. 이때 제1주입구(12a)를 통해 지표상단까지의 주입이 완료되고, 제2분사구(14a)를 통해 지표부근의 미주입구간에 시멘트페이스트가 분사되어, 지표면과 동일한 높이의 마감면을 갖는 파일(2)의 형성이 가능해지고 주변 지반의 융기를 방지하는 효과가 있다.

주입작업이 모두 완료된 후에는 상기 공기유입로를(26)를 통해 상기 주입로(12) 내부로 공기를 분사하여 주입로(12) 내부에 남아있는 주입재를 제거할 수 있으므로, 주입재가 주입로(12) 내부에서 경화되는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 3의 확공압밀 인발주입장치를 이용한 기초보강 확공압밀 인발주입공법을 도 5를 참조하여 설명한다. 상기 제1실시에의 인발주입공법과 같이 지질조사와 천공은 동일한 방법으로 이루어진다. 지질조사를 통해 지반의 구성 및 각 지층의 높이를 파악하고, 시공할 파일의 깊이 및 직경을 결정한다. 아울러 각각의 지층에 대한 정보와 사용되는 인발주입장치의 가동부의 직경 및 길이에 대한 정보 등이 제어수단으로 입력된다. 계획된 깊이까지의 천공이 완료되면, 상기 제어수단에 의해 콘크리트 고압펌프가 작동되어 상기 구동부(20)의 주입구(22)로 주입되는 주입재가 주입로(12)를 지나 가동부(10) 하단의 제1주입구(12a)로 주입이 이루어진다. 제1주입구(12a)를 통해 주입재가 천공된 구멍에 고압(70kg/cm²)으로 압밀주입됨에 따라 주변 지반의 공극이 감소하며 확공되게 되고, 상기 제어수단에 의해 상기 가동부(10)가 지표로 서서히 상승하며 계속적으로 주입재의 압밀주입이 이루어진다. 이때 상기 가동부(10)의 주입로(12) 내부로 삽입된 분사관(30)은 하단이 상기 천공된 구멍의 하단에 접촉한 상태로 유지된다. 이를 위해 상기 인발주입장치(1)가 적당한 높이로 상승하게 되면 상기 분사관(30)의 상부에 별도의 분사관을 더 결합시킴으로서 상기 분사관(30)이 상기 가동부(10)의 주입로(12)내부에 삽입된 상태로 주입재의 주입이 가능해진다. 상기 분사관(30)의 상단에 별도의 분사관을 더 결합하여 상기 분사관(30)이 상기 인발주입장치(1)의 내부에 유지된 상태로 주입재의 주입이 완료되면 지표부근에서 상기 분사관(30)이 절단된 후 상기 인발기(40)에 결합된다. 상기 인발기는 건설현장에서 널리 쓰이는 공지의 것을 사용한다. 상기 분사관(30)의 끝단에 공급펌프(미도시)가 결합되고 상기 제어수단에 의해 상기 인발기(40)가 작동하여 상기 분사관(30)이 상승하게 된다. 상승하던 분사관(30)은 확공이 완전하게 이루어지지 못한 지층에 도달하게 되면 상기 제어수단에 의해 공급펌프가 작동되어 상기 제2분사구(32)를 통해 고압(200~400kg/cm²)의 시멘트페이스트(cement paste)가 주변 지반으로 고압분사되어 상기 과정에서 주입재의 압밀주입에 의해 확공된 직경과 동일한 직경으로 주변 지반을 확공시키게 된다. 상기와 같은 과정에 의해 상기 분사관(30) 외주면의 제2분사구(32)를 통한 시멘트페이스트의 고압분사에 의해 단단한 지층의 확공이 가능해진다.

상기와 같은 과정에 의해 주입재의 압밀주입만으로는 확공되지 않는 단단한 지층의 경우, 시멘트페이스트의 고압분사에 의한 주변 지반의 파쇄로 인하여 주입재의 압밀주입에 의하여 확공된 지반의 직경과 동일한 직경으로 확공시킬 수 있으므로, 상, 하부가 동일한 직경을 갖는 파일(2)을 지중에 형성시킬 수 있게 된다.

주입재의 압축강도는 시멘트의 종류와 물과 시멘트와의 배합비율에 따라 결정되므로, 상기 제2분사구(32)를 통해 고압분사되는 시멘트페이스트의 물과 시멘트의 비율을 미리 압밀주입된 주입재의 비율과 동일하게 함으로서 지중에 형성되는 파일(2)의 압축강도는 동일하게 유지시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 제1주입구(12a)를 통한 주입재의 주입과 제2분사구(14a, 32)를 통한 시멘트페이스트의 고압분사에 따라 도 6과 같이 일정한 직경을 갖는 파일(2)을 지중에 형성시킬 수 있으며, 파일의 형성 중에 주위 지반이 압밀되므로 지반을 개량하는 효과가 있다. 따라서, 개량된 지반 중에 파일이 형성되어 보다 단단한 기초를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 제어수단에 의해 제2분사구(14a, 32)를 통한 시멘트페이스트의 고압분사에 의하여 특정심도에서의 확공이 가능하므로 지지력이 약한 연약지반층에서는 시멘트페이스트의 고압분사를 통해 보다 큰 직경으로 확공시킨 후 주입재를 주입하여, 지중에 형성되는 파일의 지지력을 향상시키도록 하는 것이 가능하다.

상기와 같은 확공압밀 인발주입공법은 방파제 또는 사석마운드 기초처리 공사 시 사석기초 하부 지반보강 목적, 사석침하방지 또는 사석층 하중에 의한 연약지반 측방유동방지, 구조물의 기초 형성, 성토체에 의한 지반 측방유동방지, 광범위한 연약지반 보강, 발진구 보강, 및 갱도 또는 석회동굴 지하공동부 채움에 의한 지반보강 등에 널리 사용 가능함은 물론이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 만족하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1: 인발주입장치 2: 파일
10: 가동부 12: 주입로
12a: 제1주입구 14: 보조 주입로
14a: 제2분사구 16: 굴삭날개
18: 오거 18a: 햄머
18b: 비트
20: 구동부 22, 24: 주입구
26: 공기유입로
30: 분사관 32: 제2분사구
40: 인발기

Claims

기초보강 확공압밀 인발주입장치를 이용한 기초보강 확공압밀 인발주입공법으로서,
a) 확공압밀 인발주입공법을 시행할 지반의 지질층을 파악하기 위한 지질조사를 하는 단계;
b) 지질조사가 끝난 지반에 구동부(20)의 구동에 의하여 가동부(10)가 회전됨에 따라 지표면으로부터 소정 깊이로 천공하는 단계;
c) 제어수단에 의해 콘크리트 고압펌프가 작동하여 상기 구동부(20)의 주입구(22)를 통해 주입된 주입재가 주입로(12)를 지나 상기 가동부(10) 하단의 제1주입구(12a)로 배출되는 단계;
d) 상기 가동부(10)의 주입로(12) 내부에 삽입된 분사관(30)은 고정된 상태에서 상기 가동부(10)가 천공된 구멍의 하단으로부터 지표까지 상승함에 따라 지속적으로 상기 제1주입구(12a)를 통해 주입재가 주입되어 천공된 구멍이 메워지며 주변 지반이 압밀되는 단계;
e) 상기 가동부(10)가 지표로 상승하여 주입재의 주입이 완료되면 가동부(10)의 주입로(12)를 통해 삽입된 분사관(30)이 지표부근에서 절단되어 인발기(40)에 고정되는 단계; 및
f) 상기 인발기(40)의 구동에 의해 상기 분사관(30)이 상승하며, 상기 제어수단에 의해 상기 분사관(30)의 제2분사구(32)가 지나는 지반에 따라 선택적으로 상기 제2분사구(32)를 통해 시멘트페이스트(cement paste)가 주위지반으로 고압분사되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 기초보강 확공압밀 인발주입방법.
제 1 항에 있어서,
상기 d)단계는 상기 가동부(10)가 지표로 상승함에 따라 상기 가동부(10)의 주입로(12) 내부로 삽입된 분사관(30)의 상단에 별도의 분사관이 더 결합되어 상기 가동부(10)가 지표까지 상승하여도 상기 가동부(10)의 주입로(12) 내부에 상기 분사관(30)이 삽입된 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 기초보강 확공압밀 인발주입방법.
제 2 항에 있어서,
상기 주입재는 시멘트와 물을 포함하며, 석분, 모래, 세립토, 석회 또는 플라이애쉬(fly ash) 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기초보강 확공압밀 인발주입공법.
제 3 항에 있어서,
상기 주입재는 주입재의 특성을 변화시키는 혼화제와 차수(遮水)를 용이하게 하는 지수특성제 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기초보강 확공압밀 인발주입방법.