KR100742117B1 - 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정방법 및 그장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 토목 및 건축물의 기초공사를 수행함에 있어 지반에 타설되는 콘크리트 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 측정하여 말뚝의 실제적인 지지력 및 침하량을 추정하도록 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 콘크리트 말뚝의 소정위치에 주면마찰력을 증대시킬 수 있도록 하는 별도의 주면마찰력 유발수단을 구비함으로써 어떤 형태의 지반 여건하에서도 말뚝의 극한 선단지지력 및 주면마찰력을 충분히 측정할 수 있도록 한 것이다. 이는 지층의 구멍내에 타설된 콘크리트 말뚝의 선단에 설치되고 외부에서 전달되는 수압의 작용에 의해 실린더가 팽창되어 상향력과 하향력을 가하도록 하는 수직팽창부와; 상기 콘크리트 말뚝의 중간부분인 소정위치에 설치되고 수압에 의해 수평실린더의 팽창으로 구멍의 내주면에 외향력을 가하도록 하는 수평팽창부와; 지상에 설치되고 펌프에 의해 수직팽창부와 수평팽창부의 각 실린더에 수압을 공급토록 하는 수압공급부와; 상기 수직팽창부와 수평팽창부의 변위량을 센싱하여 지상의 자동변위계를 통해 측정토록 하는 측정수단;을 갖추어 구성된 것이다.

말뚝, 선단지지력, 주면마찰력, 선단력 측정기, 주면마찰력측정기,지지하중

Description

지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정방법 및 그 장치{Support load measurement way of concrete pail and the installation established on base}

도 1은 종래의 지반 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정장치를 보인 구성도

도 2는 본 발명 측정장치의 구성도

도 3은 본 발명 측정장치를 구멍에 설치한 상태도

도 4는 본 발명 수평팽창부의 구성도

도 5는 본 발명 수직팽창부의 구성도

도 6은 도5의 일부를 보인 사시도

도 7은 도6의 평면구성도

도 8은 본 발명 수평팽창부의 일부사시도

도 9는 도8의 일부확대도

도 10은 도8의 평면구성도

도 11은 본 발명의 다른 실시예를 보인 구성도
도 14는 본 발명 측정방법의 과정을 보인 개략도

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<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:수직팽창부 110,120:상,하판

130:실린더 131,132:피스톤

133:주입구 134:배출구

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140,141:센서

150:공급관 151:공급파이프

160:회수집수관 161:회수파이프

200:수평팽창부 210,220:상,하판

230:수평실린더 231:피스톤

232:주입구 233:배출구

240:가압판 250:공급분배관

251:공급파이프 260:회수집수관

261:회수파이프 270:센서

300:수압공급부 310:빔

320,321:밸브 330:펌프

350:그라우딩탱크 360:배출밸브

400:측정부 410:자동변위계

420:전선

본 발명은 각종 토목 및 건축물의 기초공사를 수행함에 있어 지반에 타설되는 콘크리트 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 측정하여 말뚝의 실제적인 지지력 및 침하량을 측정하도록 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 콘크리트 말뚝의 소정위치에 주면마찰력 및 선단지지력을 증대시킬 수 있도록 하는 별도의 주면마찰력 및 선단지지력의 유발수단을 구비함으로써 어떤 형태의 지반 여건하에서도 말뚝의 극한 선단지지력 및 주면마찰력을 충분히 측정할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 교량, 지하철, 각종 대형 건축물 등을 시공시에는 지상으로 구축되는 건축물의 하중에 대응하기 위하여 최적의 기초공사의 하나로 콘크리트 말뚝이 시공된다.

그 중에서도 건축물이 대형일 경우에는 미리 성형된 소구경의 콘크리트 말뚝은 적합하지 않고, 대형 건축물에 대응하는 비교적 대형의 콘크리트 말뚝을 지반에 직접 타설되는 것이 요구되고 있다.
즉, 근래의 토목 및 건축 구조물들은 시공되는 지반에 구조물 하중의 급속한 증대로 인하여 대구경 현장타설 철근 콘크리트말뚝 시공이 국내 및 국외에서도 많이 시공되고 있는 실정이다.
이와 같은 현장타설 콘크리트말뚝 시공의 증가 요인은 제한된 부지에 비교적 큰 하중을 불량한 지반에 건설하기 위한 것으로, 이는 통상 한 개의 말뚝이 최소 1000ton 이상의 지지력을 발현되도록 설계해야 한다. 이같은 대구경(말뚝의 직경이 1.0~3.5m) 현장타설 말뚝의 시공법으로의 채택은 기본적으로 설계하중이 1,000ton에서 15,000ton까지 시공된다.
따라서 현장에서 시공된 말뚝은 실제 지지력을 측정하는 것이 요구되는 것이고, 이러한 경우 현장에서 말뚝이 설치될 위치에 이를 수용할 수 있는 크기로 구멍을 천공한 다음, 그 내부에는 부하용량을 시험하기 위한 유압 셀(cell) 시험장치를 설치함과 아울러 콘크리트 말뚝을 타설하고, 타설이 완료된 후에는 유압 셀 시험장치를 이용하여 콘크리트 말뚝의 지지력 및 침하량을 측정하게 된다.

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이같이 말뚝의 지지력 및 침하량을 추정하기 위하여 종래에도 여러 가지 측정방법이나 측정장치들이 제안되어 있었으며, 이러한 방법 중에서도 일명 말뚝정재하시험이라는 것이 신뢰도가 가장 높게 나타남으로써 널리 사용되고 있다.

말뚝정재하시험은 말뚝에 실제로 하중을 가함으로써 지지하중을 측정하는 일종의 실물시험인 것이며, 이는 실제로 건축물이 건설되었을 때를 재현하므로 신뢰도가 높다는 장점이 있었으나, 이와 반면에 하중재하를 위한 반력시스템의 종류 및 설치방법, 그리고 시험을 위한 공간 등 여러 가지 현장조건들에 제약이 많은 문제점이 있었다.
즉, 이러한 지지력 측정방법은 정재하시험법과 동재하시험법으로 구분되고, 상기 정재하시험법은 사하중재하법, 반력말뚝이용재하법, 주변앵커시공지지법, 오스터버어그 셀시험법으로 구분되어 사용되고 있다.
그러나 상기와 같은 정재하시험법 중 오스터버어그(O-Cell 시험법)시험법을 제외하고는 시험하중이 1000ton 이상일 경우 시험에 필요한 반력하중을 인위적으로 지상에서 만드는 것이 경제적, 기술적 안정성에 있어 상당히 어려운 문제점이 발생되고 있는 실정이다. 즉, 기존의 정재하시험을 대구경 현장 타설 말뚝에 적용시 발생되는 문제점은 다음과 같다.
먼저, 사하중재하법은 설계하중의 2배의 하중을 말뚝 두부에 재하 해야 하므로 재하대의 변형 및 전도의 위험성이 매우 높고, 현실적으로 재하하중이 2000ton이 넘어가면 본 공법채택이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 반력말뚝이용법은 시험말뚝 주변의 기 시공된 다수 말뚝의 인발저항력을 이용하여 재하하는 공법이나 이는 충분한 주변말뚝이 시공되지 않거나 말뚝이 시공되지 않을 경우에는 적용이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 주변 앵커이용법은 주변에 기 시공된 말뚝이 없을 경우 시험말뚝 주변에 앵커를 시공한 후 앵커의 인발저항력을 반력하중으로 사용하여 재하할 수 있으나, 주변지반이 연약하거나 지지층이 깊은 경우 적용이 불가능한 문제점이 있다.
따라서 근자에는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 오스터버어그 셀 시험법이라는 새로운 측정 장치와 방법이 제안되어 사용되고 있다.
이는 미국특허 제5,576,494호로서, 오스터버어그 셀 시험법은 현장타설 말뚝에만 적용이 가능한 시험법으로 콘크리트말뚝 선단에 유압잭을 장착하여 콘크리트가 굳은 후 지상에 설치된 유압펌프를 이용해서 현장타설 말뚝을 약간 승강시킴으로써 이때 발생되는 선단지지력 및 주면마찰력을 측정하는 시험법으로, 이의 시험법의 구성을 살펴보면 첨부된 도면의 도1 에서 보는 바와 같다.
상기 도면에서 보듯이 지반에는 일정한 크기의 구멍(H)이 통상적인 방법으로 천공되어 그 내부에 콘크리트 말뚝(S)이 타설되고, 말뚝(S)의 선단 즉, 말뚝 밑에는 유압의 작동에 의해 말뚝을 승강작동시키도록 하는 팽창부(A)가 설치됨과 동시에 지상에는 상기 팽창부(A)와 연결되면서 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 측정토록 하는 측정부(B)가 설치되는 구성이다.

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상기 팽창부(A)는 판체형으로 이루어지는 상,하판(10)(11)과, 이 상,하판(10)(11)의 사이에 설치되는 유압잭을 갖추어 구성되고, 유압잭은 상판(10)에 고정설치되는 원통형의 실린더(21)와, 이 실린더(21)에 체결되어 유압에 의해 진퇴작동되면서 하판(11)에 고정되는 피스톤(22)으로 구성된다.

상기 실린더(21)의 일측에는 지상의 유압펌프(P)와 연결호스(23)로 연결되어 유압을 공급토록 하는 유입구(24)가 설치됨과 동시에, 타측에는 회수호스(25)와 연결되어 유입된 유압을 지상으로 배출시키도록 하는 배출구(26)가 설치된다.

또한, 상기 측정부(B)는 지상에 설치되는 빔(30)에 설치되는 것으로, 이의 빔(30)에는 상,하판(10)(11)과 각각 측정봉(31)(32)으로 연결되어 이들의 변위를 측정하기 위한 상,하판 변위계(33)(34)가 각각 설치된다.

즉, 상기 상판변위계(33)는 측정봉(31)으로서 상판(10)과 연결되어 상판(10)의 변위량을 측정하게 되고, 하판변위계(34)는 역시 측정봉(32)으로서 슬리브(35)를 통해 하판(11)과 연결되어 하판(11)의 변위량을 측정하게 된다.

따라서, 도1에서와 같이 구멍(H)내에 콘크리트 말뚝(S)은 물론 오스터버어그 셀이 설치완료되어 유압잭(20)의 실린더(21)내에 유압을 가하게 되면, 피스톤(22)이 전진되어 상,하판(10)(11)이 벌어지면서 상향력과 하향력이 각각 작용하게 된다.

즉, 하판(11)은 하향으로 움직이면서 구멍의 바닥면을 눌러 선단지지력을 발생시키게 됨과 동시에 상판(10)은 상향으로 움직이면서 콘크리트 말뚝(S) 전체를 승강작동시켜 말뚝(S)의 외주면과 지하지층 사이에 주면마찰력을 발생시키게 된다.

이 같은 작동에 따라 상,하판(10)(11)과 측정봉(31)(32)으로서 연결된 상,하판 변위계(33)(34)를 통하여 상향 및 하향 이동을 각각 별도로 측정함으로써 별도의 상항 및 하향 하중변형 곡선을 그릴 수 있거나 기록할 수 있다.

계속된 작동에 의해 하중이 더 이상 증가되지 않는 극한에 도달하거나 또는 유압잭(20)의 용량이 한계에 이르면 시험을 종료하게 되고, 이런 방식으로 각각의 변위에서의 상응하는 하중들을 구하게 되는 것이다,

상기한 오스터버어그 셀 시험은 기존의 재하시험과는 달리 특별한 장치없이도 선단지지력과 주면마찰력을 동시에 측정할 수 있는 특징이 있고, 그 구성이 종래에 비해 비교적 간단할 뿐만 아니라 경사진 장소나 좁은 공간에서도 적용이 가능하며, 큰 구경의 현장타설 말뚝에서 초고하중용량의 시험도 가능한 등 여러 가지 장점을 지니고 있다,

그러나, 오스터버어그 셀 시험방법은 전술한 바와 같이 뛰어난 장점을 가졌음에도 불구하고 여러 가지 단점이 야기되고 있다.

먼저, 이러한 오스터버어그 셀 시험은 근본적으로 시공된 현장타설 콘크리트말뚝 자체의 무게와 주면마찰력 만큼만 하중을 가할 수 있기 때문에 시험에 소요되는 시험하중(설계하중의 최소 2배를 재하토록 규정)을 충분히 재하하지 못하는 경우가 빈발하는 문제점이 있다.
따라서 선단지지력이나 주면마찰력 중에 먼저 한쪽에서 극한에 도달하거나 또는 오스터버어그 셀의 재하 용량을 다하거나 실린더의 스트로크가 다하면 시험이 시험이 종료되는 것으로, 대부분 선단지지력이나 주면마찰력 중 어느 하나라도 극히 작은 하중에서 극한에 도달되면 시험을 종료해야 하는 경우가 발생된다.

따라서 나머지 하나는 극한에 미처 도달되기도 전에 시험이 종료됨으로써 시공된 말뚝의 지지력을 정확히 측정하기가 불가능한 문제점이 발생된다.

이러한 경우 한번 설치된 콘크리트 말뚝과 오스터버어그 셀은 워낙 규모가 클 뿐만 아니라 지하에 매설되는 것임으로써 현실적으로 교체나 보강이 불가능하기 때문에 시험에 의해 원하는 값이 나오지 않는다 하더라도 할수 없이 그 상태로 그대로 부실시공을 시행해야만 하는 중대한 문제점이 있는 것이다.

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또한, 이러한 문제점외에도 상,하판(10)(11)의 변위량을 측정하기 위하여서는 말뚝(S)의 선단부에 설치되는 상,하판(10)(11)과 지상에 설치되는 상,하판 변위계(33)(34)를 측정봉(31)(32)로 연결하여야 하는 구성이기 때문에 구조적으로 매우 복잡한 문제점으로 인한 설치시 불편함이 많이 있을 뿐만 아니라 정확한 작동이 이루어지지 않는 문제점도 있었다.
한편, 상기와 같은 유사한 구성으로서는 미국특허 제 5,127,270 호의 지반특성분석기( GROUND CHARACTERISTICS ANALYZER)를 들 수가 있는데, 이는 현장타설말뚝의 시공을 위하여 기 천공된 구멍에 말뚝이 존치하지 않은 상태에서 지반특성분석기를 천공홀에 삽입하여 공벽에 수평의 유압잭과 수평 가압판을 이용하여 공벽에 수평하중을 함으로써 이때의 작용 하중과 수평변위센서를 이용하여 수평변위를 측정토록 구성한다.
또한 지반특성분석기를 천공홀 바닥까지 내려 연직의 유압잭과 하판을 이용하여 지상까지 연결된 롯드에 반력하중을 지상에서 천공장비를 이용한 하중을 가하여 천공홀 바닥의 하중-변위곡선을 측정한다.
그러나 상기 지반특성 분석기는 실제 시공된 말뚝이 존치하지 않은 상태에서 말뚝이 시공될 천공홀 내에 지반특성분석기를 삽입하여 공벽 및 바닥의 지반강도를 측정하는 지반조사 시험장비로 실제 시공된 말뚝에 실하중을 재하하는 기존의 정재하시험법과는 근본적인 차이가 있으며, 실제 말뚝의 주면마찰력 및 선단지지력을 직접 측정하는 시험장치 및 시험법은 아니다. 또한 기존의 오스터버어그 셀 시험법과는 달리 지반특성분석기는 시험이 끝나면 장비를 회수하여 연속적으로 사용될 수 있다.
따라서 시험결과의 신뢰성에 있어서도 실제 시공된 말뚝에 직접 실하중을 가하여 직접 말뚝의 지지력을 측정하는 시험법과는 엄격한 차이가 있는 것이다.
또한, 다른 형태의 구성으로서는 미국특허 제 4,539,851 호의 흙과 암의 전단시험기( SOIL AND ROCK SHEAR TESTER)가 있는데, 이는 지반조사용 시추장비를 이용하여 전단시험기를 지중에 삽입할 수 있도록 대략 직경 80mm로 천공홀을 형성하고 지반이 연약하거나 지하수의 유입에 따른 공벽이 붕괴되지 않은 층에서 전단시험기를 삽입하고 최상부 수평잭을 이용하여 공벽에 수평력을 가하여 공내부에서 지지앵커역활을 하며, 연직유압잭 하부에 장착된 복수의 수평잭 및 가압판을 이용하여 공벽에 수평력을 가한다. 이후 연직유압잭의 로드가 하향으로 밀면서 가압판이 하향으로 변형을 유발케 하는 연직의 하중을 측정하여 지반의 전단강도(내부마찰각,점착력)를 측정하는 현장조사 시험장비이다.
따라서 본 시험장비 역시 실제 말뚝에 실하중을 가하여 말뚝의 선단 및 주면마찰력을 직접 측정하는 기존의 정재하시험법과는 전혀 다른 지반의 강도를 측정하는 현장조사 시험장비인 것이다.

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본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로 그 목적은 주면마찰력 및 선단지지력을 인위적으로 조절하여 향상시킬 수 있도록 함으로써 어떠한 지반조건하에서도 콘크리트 말뚝의 극한 선단지지력 및 주면마찰력을 측정할 수 있도록 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 그 구성을 간단히 하여 제조성 및 설치성을 향상시키도록 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 새로운 개념의 측정방법과 측정장치를 제공함으로써 달성되는 것으로, 즉 콘크리트 말뚝의 하단부에는 수압실린더에 의해 팽창되어 콘크리트 말뚝을 승강작동시켜 선단지지력과 주면마찰력을 측정토록 하는 수직팽창부를 설치함과 동시에, 역시 수압실린더의 작동에 의해 구멍의 내주면으로 수평력을 가하여 주면마찰력을 증대시키도록 하는 수평팽창부를 선단과 또는 지반조건에 따라 말뚝의 소정위치에 설치토록 함으로써 어떤 지반조건하에서도 콘크리트 말뚝의 극한 선단지지력 및 주면마찰력을 측정할 수 있도록 함을 특징으로 하는 것이다.
즉, 기존의 오스터버어그 셀 시험법과는 달리 연직의 실린더가 단동식 단일 로드형에서 상,하 더블로드형으로 개선하므로서 기존의 상,하향 변위를 측정하기 위한 별도의 측정관이 시공 중 설치되어야 했으나. 더블형 로드의 연직실린더를 사용하므로서 별도의 측정관 없이 선형변위 센서를 유압잭 상단 로드와 하단 로드에 각각 설치하여 지중에서 상향 및 하향변위를 측정토록 하였다.
또한 선단지층이 경암과 같은 아주 단단한 지층에 시공된 말뚝은 선단지층을 항복시켜 정확한 선단지지력을 확인하는 것이 수평으로 잭킹하는 수평팽창부의 도움(주면마찰력 증대)을 받아도 어려움이 예상되는 경우, 선단 지층에 접하는 최 하단의 재하판의 규격을 주면마찰력을 유발하는 최 상단판보다 단면적을 작게하여 같은 하중에 대해서 선단 지층에 작용하는 응력을 크게하여 최대한 선단지지층을 항복을 유도토록 하였다.
예를 들어 첫 번째 말뚝의 직경과 길이가 커서 선단지지력보다 주면마찰력이 클 경우에는 주면마찰력은 항복하지 않은 상태에서 선단지지력이 항복하므로서 시험이 종료되어 시험하중(설계하중의 최소 2배)을 충분히 재하하지 못하는 경우가 발생될 수 있다.
또한, 두 번째로 말뚝의 길이가 짧거나 직경이 작아 선단지지력보다 주면마찰력이 작은 경우에는 주면마찰력이 선단지지력을 확인하기도 전에 항복하므로서 시험하중 재하 이전에 시험이 종료되는 경우가 발생될 수 있다.
따라서 상기의 두 경우에 따라 수평잭킹장치인 수평팽창부의 위치를 연직잭킹장치인 수직팽창부를 중심으로 상부 및 하부의 소정위치에 배치하여 시험하중 재하에 필요한 부족한 주면마찰력 및 선단지지력을 보강토록 함을 특징으로 하는 것이다.

이하에서 본 발명의 상세한 구성을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면의 도2 및 도3 에서는 본 발명의 실시예에 따른 전체적인 측정장치의 구조를 상세히 나타내고 있고, 도4 내지 도11 에서는 본 발명의 부분적인 구조를 상세히 나타내고 있으며, 도14 에서는 본 발명의 측정방법에 따른 블럭도를 나타내고 있다.

본 발명의 측정장치에 따른 구조는 콘크리트 말뚝(S)의 하단부에 설치되면서 수압잭에 의해 말뚝을 승강작동시키도록 하는 수직팽창부(100)를 구성함과 동시에 상기 수직팽창부(100)나 또는 말뚝의 소정위치에 설치되어 수압잭에 의해 구멍의 측면으로 힘을 가하여 주면마찰력을 증대시키도록 하는 수평팽창부(200)를 구성하고, 지상에는 상기 수직 및 수평팽창부(100)(200)에 수압을 제공하는 수압공급부(300)와, 콘크리트 말뚝의 하중 지지력을 측정하는 측정부(400)를 설치하고 있다.

상기 수직팽창부(100)는 콘크리트 말뚝(S)의 최하단 또는 하단부에 설치되는 것으로, 이는 상,하판(110)(120)의 사이에 다수 개의 실린더(130)가 상,하로 작용할 수 있도록 이중형으로 구성되면서도 일측에는 상,하판(110)(120) 변위량을 측정하는 상,하 센서(140)(141)가 각각 설치된다.

상,하판(110)(120)은 금속재질의 통상 원판체로 이루어지면서 그 내부의 다른 관련부품이 설치되지 않는 여유공간에는 다수 개의 관통구(111)들이 천공됨과 동시에, 필요시 하판(120)은 상판(110)에 비하여 그 단면적이 작게 형성됨으로써 선단지층에 접촉 하중을 크게하여 선단지지력이 극한에 쉽게 도달될 수 있다.

즉, 선택에 따라 상,하판(110)(120)을 동일한 크기로 형성할 수도 있고, 또한 필요시에는 상판(110)에 비해 하판(120)의 크기를 작게 형성하여 구멍(H)의 바닥면과 맞닿는 단면적을 줄임으로써 선단지지력의 극한에 용이하게 도달될 수 있도록 할수 있다.

또한, 상기 실린더(130)는 상,하 양측으로 각각 피스톤(131)(132)이 설치되어 수압에 의해 이들을 진퇴작동시키도록 구성되는 것이며, 일측의 소정위치에는 수압이 출입되는 주입구(133) 및 배출구(134)가 각각 연결된다.

상기 실린더(130)의 상부피스톤(131)은 상판(110)의 저면에 고정설치됨과 동시에 하부피스톤(132)은 하판(120)의 상면에 고정설치됨으로써 실린더(130)의 작동에 의해 양측 피스톤(131)(132)이 진퇴되면서 상,하판(110)(120)을 동시에 승강작동시키게 된다.
또한, 상기 상,하판(110)(120) 사이의 중심위치에는 이들에게 수압을 한꺼번에 공급 및 회수토록 하기 위한 공급분배관(150) 및 회수집수관(160)이 각각 설치된다.

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이들 공급분배관(150) 및 회수집수관(160)은 파이프가 원형고리형으로 형성되어 각 실린더(130)의 주입구(133) 및 배출구(134)와 연결됨과 동시에 이들에는 지 지상의 수압공급부(300)와 연결되는 공급파이프(151) 및 회수파이프(161)가 각 각 설치된다.

따라서, 수압공급부(300)로부터 공급파이프(151)를 통하여 공급되는 수압이 공급분배관(150)을 거쳐 각 실린더(130)내로 한꺼번에 공급되는 것이고, 이와는 반대로 회수시에는 각 실린더(130)로부터 회수집수관(160)으로 집수된 후 회수파이프(161)를 통하여 외부로 한꺼번에 회수되는 것이다.

한편, 상기 실린더(130)는 상,하판(110)(120)의 크기에 따라서 그 갯수를 달리 할수 있는 것이며, 발란스 등을 감안하여 복수를 설치하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 센서(140)(141)는 실린더(130)의 일측에서 브라켓트(142)에 의해 상,하부의 피스톤(131)(132)과 연결됨으로써 상,하 승강작동에 따른 변위량을 센싱하여 지상의 설치된 측정부(400)의 전기저항식 자동변위계(410)로 신호를 보내게 된다.

여기서 상기 센서(140)(141)는 이미 공지된 것으로 지상의 자동변위계(410)와 전선(420)으로 연결되고, 상기 자동변위계(410)에서는 측정된 데이터를 자동으로 연산 및 저장하게 되는 것이다.

상기 수평팽창부(200)는 콘크리트 말뚝(S)의 중간 위치 또는 선단부에 설치되어 콘크리트 말뚝(S)의 주면마찰력 및 선단지지력을 증대시키도록 인위적으로 조절할 수가 있다.

이는 역시 금속재의 원판체로 형성되는 상,하판(210)(220)을 갖추어 구성되고, 이 상,하판(210)(220)의 사이에는 다수 개의 수평실린더(230)가 등간격으로 설치된다.
필요시 수평팽창부가 수직팽창부와 같이 붙여 사용될 경우 수평팽창부 하판(220)은 생략되어 수직팽창부 상판(110)으로 대체된다.
상기 수평실린더(230)는 상,하판(210)(220) 사이에서 수평으로 고정설치됨과 동시에 피스톤(231)의 전단에는 원주면을 가지는 가압판(240)이 일체로 고정설치고, 수평실린더(230)의 후단에는 수압을 유입 및 배출시키도록 하는 유입구(232)와 배출구(233)가 각각 설치된다.

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이때, 상기 가압판(240)은 구멍의 내측면에 밀착되어 주면마찰력을 증대시키도록 하는 것으로 구멍의 내주면에 밀착이 용이하도록 대략 원주면과 같은 곡면으로 형성되면서도, 그 표면에는 미끄러짐을 방지하도록 하는 요철면을 갖추어 구성된다.

이러한 요철면은 횡방향으로 다수 개가 형성되는 것이나, 이는 하나의 실시예로서 상,하 수직방향으로 형성할 수도 있을 뿐만 아니라, 점 형태로 외향 돌출되는 돌기형태로 형성하는 등 여러 가지 형태로 형성할 수도 있음은 물론이다.

또한, 상,하판(210(220) 사이의 내부에는 각 수평실린더(230)에 수압을 일괄적으로 공급 및 회수토록 하기 위한 공급분배관(250) 및 회수집수관(260)이 원형으로 형성된다.

상기 공급분배관(250)의 소정위치에는 각 수평실린더(230)의 유입구(232)가 연결됨과 동시에 회수집수관(260)에는 각 수평실린더(230)의 배출구(233)가 연결되며, 상기 공급분배관(250)과 회수집수관(260)의 소정위치에는 지상의 수압공급부(300)와 공급파이프(251) 및 회수파이프(261)에 의해 연결된다.

한편, 상기 수평실린더(230)는 원주방향을 따라 다수 개가 등간격으로 설치되는 것으로, 그 갯수는 한정하는 것이 아니기 때문에 전체적인 크기에 따라 달리 할수 있음은 당연하다 할 것이다 .

또한, 각 수평실린더(230)의 일측면에는 피스톤(231)의 전진작동에 의해 가압되는 가압판(240)의 변위를 측정하기 위한 센서(270)가 설치되는 것으로, 즉 센서(27)는 그 양측이 각각 수평실린더(230)와 가압판(240)에 연결됨과 동시에 전선(420)으로서 지상에 설치된 측정부(400)의 자동변위계(410)와 연결되는 것이다.

상기한 구조에서 수평팽창부(200)의 각 수평실린더(230)로 수압을 유입 및 배출시키도록 하는 공급수단을 수직팽창부(100)과 별도로 연결할 수 있도록 구성된 것이며, 다른 실시예로서 이들을 하나의 배관으로 설치하여 동시에 공급 및 회수토록 할 수도 있을 것이다.

또한, 지상에는 상기한 수직팽창부(100)와 수평팽창부(200)로 수압을 공급 및 회수하기 위한 수압공급부(300)가 설치된다.

상기 수압공급부(300)는 지상에 설치되는 빔(310)에 고정설치되는 것으로, 이는 수직팽창부(100)와 수평팽창부(200)의 공급파이프(151)(251)와 공급배관으로 연결되는 펌프(330)를 갖추어 구성되고, 이의 소정위치에는 밸브(320)(321)가 각각 설치되어 공급을 제어하게 된다.

펌프(330)는 미도시된 물탱크와 연결되어 이의 물을 강력하게 펌핑하여 공급파이프(151)(251)을 통해 각 실린더내로 수압을 공급토록 하는 것으로, 이들 사이에는 조절밸브를 포함한 체크밸브, 그리고 압력계 등이 설치되고, 또한 펌프(330)의 전단에는 그라우딩탱크(350)가 연결되어 콘크리트 액을 선택적으로 공급할 수 있도록 구성된다.

즉, 상기 펌프(330)는 그 전,후단에 설치되는 다수 개의 밸브들에 의해 물탱크내의 물을 강력한 수압으로 공급하거나 또는 그리우딩탱크(350)내의 콘크리트 액을 선택적으로 공급토록 하는 것이다.

또한, 이들의 반대측 소정위치에는 수직팽창부(100)와 수평팽창부(200)의 회수파이프(161)(261)와 연결되는 배출밸브(360)가 설치되어 수압의 배출을 제어하는 기능을 제공하게 된다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명은 다음과 같은 측정방법에 따라 작동되는 것으로, 이를 첨부된 도면의 도14 에서 나타낸 블럭도에 준하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1단계(구멍천공)

본 발명은 통상에서와 같이 콘크리트 말뚝(S)이 매설될 위치에 별도의 굴착기 들을 이용하여 수직으로 구멍(H)을 굴착한다.

이의 구멍(H)은 콘크리트 말뚝(S)이 타설되는 구멍을 제공하는 것으로, 사전에 건축물의 규모 등에 따라 그 크기와 깊이는 물론이고 설치개수 등이 결정되는 것이며, 실제로 콘크리트 말뚝(S)이 타설되는 그 위치에 구멍(H)을 굴착하게 되는 것이다.

제2단계(측정장치 조립)

콘크리트 말뚝(S)의 골격으로 사용되는 철근(R)에 본 발명에 따른 측정장치를 일체형으로 조립한다.

상기 철근(R)은 콘크리트 말뚝(S)을 타설할 시 그 내부에 일체로 타설되어 전체적인 골격을 유지하는 것으로, 즉 철근의 골격은 콘크리트 타설시에는 대부분 설치되는 것으로 상,하 길이방향과 원주방향으로 연결조립되고, 이의 최하단이나 하단부에 본 발명에 따른 수직팽창부(100)가 조립됨과 동시에, 중심부에는 수평팽창부(200)가 일체형으로 조립된다.

이때, 상기 수평팽창부(200)는 중심부의 위치뿐만 아니라 선택에 따라서는 수직팽창부(100)와 복합적으로 조립될 수 있다.

제3단계(측정장치 설치)

상기와 같이 조립되는 측정장치와 철근(R)을 크레인 등과 같은 각종 인양장비를 이용하여 구멍(H)의 내부에 삽입하여 안착시킨다.

본 발명의 측정장치인 수직팽창부(100)와 수평팽창부(200)는 철근이 조립되어 이루어지는 골격에 의해 구멍(H)내의 정확히 안착되는 것으로, 상기 수직팽창부(100)는 구멍(H)의 최하단 또는 하단부에 설치됨과 동시에 수평팽창부(200)는 구멍(H)의 중심위치에 설치된다.

또한, 이같이 콘크리트 말뚝(S)의 골격이 구멍(H)의 내부에 안정되게 안착된 상태에서 지상에서는 수압공급부(300)를 비롯한 측정부(400)를 빔(310) 등을 이용하여 설치하게 된다.

제4단계(콘크리트 말뚝의 타설)

이어서 미도시된 트레미관 등을 이용하여 구멍(H) 내부의 하단부에서 부터 차곡차곡 콘크리트를 주입한 후 양생시킴으로써 콘크리트 말뚝(S)을 타설한다.

이러한 콘크리트 말뚝(S)의 타설 방법은 종래와 동일한 것으로서 이는 건축 하고자 하는 건축물의 기초에 해당되는 것이다.

제5단계(측정장치 구동)

콘크리트 말뚝(S)이 양생되면 본 발명에 따른 측정을 시도하기 위하여 수직 및 수평팽창부(100)(200)에 수압을 공급하여 구동시키게 된다.

먼저, 수직팽창부(100)의 수압공급에 따른 작동모드를 작동시키면, 이에 따른 제어부의 신호에 의해 펌프(330)가 작동되면서 물탱크(340)내의 물이 펌핑되어 공급파이프(151)를 통해 공급분배관(150)내로 공급된 후 주입구(133)를 통해 각 실린더(130)내로 유입되어 작용하게 된다

실린더(130)내로 유입되는 수압에 의해 상,하 피스톤(131)(132)이 전진작동되면서 상,하판(110)(120)을 승강작동시키게 됨으로써 이들에는 상향력과 하향력이 각각 작용하게 된다.

이어서, 수평팽창부(200)도 수압모드로 작동시키게 되면 펌프(330)에 의한 수압이 공급파이프(251)를 통하여 공급분배관(250)으로 공급된 후, 주입구(232)를 거쳐 각 수평실린더(230)로 동시에 주입된다.

이에 따라 수평실린더(230)의 피스톤(231)은 전진되면서 그 전단의 가압판(240)이 구멍의 내주면에 강하게 밀착되면서 콘크리트 말뚝의 지지하중을 증대시키게 된다.

이때, 상기 가압판(240)은 다수 개가 원주방향으로 형성됨에 따라 힘의 작용을 고르게 할 수 있고, 그 전면의 요철면에 의해 구멍의 내주면에 더욱 강하게 밀착될 수 있다.

따라서, 수평팽창부(200)의 밀착력에 의해 주면마찰력은 그만큼 증대됨으로써 콘크리트 말뚝의 요구되는 주면마찰력을 충분히 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 이의 극한도 선단지지력의 극한이 도달된 후 도달될 수 있음으로써 정확한 측정을 기대할 수 있다.

여기서 상기 수평팽창부(200)의 작동은 수직팽창부(100)를 작동한 후, 원하는 주면마찰력의 값이 나오지 않을 경우에 선택적으로 행할 수도 있고, 수직 및 수평팽창부(100)(200)를 동시에 작동시킬 수도 있을 것이다.

제6단계(측정)

수직팽창부(100)의 승강작동에 따라 콘크리트 말뚝(S)의 상향력 및 하향력에 따른 변위량은 상,하 센서(140)(141)가 각각 센싱하여 그 신호를 지상의 측정부(400)인 자동변위계(410)로 보내게 됨으로써 자동변위계(410)에서는 이를 분석하여 선단지지력을 측정하게 된다.

즉, 상,하판(110)(120)의 승강에 따라 하판(120)이 구멍의 바닥면에 저항을 받는 선단지지력은 하부센서(141)에 의해 센싱됨과 동시에 콘크리트 말뚝과 구멍의 사이에서 발생되는 주면마찰력은 상부센서(140)에 의해 센싱되어 그 변위량을 측정하게 된다.

이때, 각 실린더(130)에 수압이 작용할 경우 그 중심을 기준으로 상,하 피스톤(131)(132)이 동시에 승강작동됨으로써 상향력과 하향력이 고르게 전달되어 전단지지력 및 주면마찰력에 따른 극한에 도달될 수 있는 장점이 있다.

계속해서 상,하판(110)(120)이 승강작동되어 말뚝의 하중에 의해 더 이상 증 가되지 않는 극한 하중에 도달되면, 이의 상향 및 하향에 따른 변위량을 측정부(400)의 자동변위계(410)에서 수치로 환산함으로써 전단지지력 및 주면마찰력을 측정할 수가 있다.

상기와 같이 수직팽창부(100)로만 시험할 경우 여러 가지 요인에 의해 콘크리트 말뚝(S)의 지지하중이 요구되는 값으로 나오지 않거나 또는 선단지지력에 앞서 주면마찰력의 극한이 먼저 도달되어 정확한 측정이 되지 않는 사례가 발생될 수 있다.

이와 동시에 수평팽창부(200)의 각 가압판(240)이 구멍(H)의 내주면에 강력하게 밀착되는 것을 센서(270)가 센싱하여 지상의 자동변위계(410)로 신호를 보내게 됨으로써 주면마찰력이 증대는 물론이고 그 값을 측정할 수가 있는 것이다.

특히, 수직팽창부(100)의 작동만으로는 충분한 주면마찰력이 나오지 않을 경우에는 상기 수평팽창부(200)를 선택적으로 행할 수도 있을 뿐만 아니라, 수직 및 수평팽창부(100)(200)를 동시에 작동시킬 수도 있을 것이다.

제7단계(마무리)

상기와 같이 콘크리트 말뚝(S)의 선단지지력과 주면마찰력의 측정이 모두 완료되면, 이러한 시험장치들을 그대로 두면서도 그 내부공간에는 시멘트, 모래, 물 등으로 이루어지는 고강도의 액상주입재(grout)를 주입하여 구조물의 기초로 사용하게 된다.

이러한 경우 액상주입재모드로 전환하면, 수압공급부(300)의 수압공급밸브들이 차단됨과 동시에 액상주입재의 공급밸브와 배출밸브(360)가 개방된 상태에서 펌 프(330)가 작동된다.

펌프(330)의 작동에 의해 수직팽창부(100)와 수평팽창부(200)의 각 실린더를 포함한 각 배관의 내부에 충진되었던 물은 실린더(130)(230)들의 배출구(134)(233)를 거쳐 회수집수관(160)(260)으로 집수된 후 회수파이프(161)(261)를 거쳐 지상으로 전부 배출된다.

이어서, 물이 전부 배출되면 배출밸브(360)를 차단함으로써 액상주입재는 처음에 물이 공급되는 통로를 따라 충분히 공급되어 그 내부의 공간에 전부 충진된 후 양생이 이루어지게 된다.

즉, 펌프(330)의 작동에 의해 공급되는 액상주입재에 의해 물은 밀려나 외부로 배출됨과 아울러 각 통로의 공간내에는 액상주입재가 물 대신 충진되어 양생된다.

이와 더불어 수직 및 수평팽창부의 여러 부재들 사이에 발생된 공간내에도 통상에서와 같은 방법으로 미리 설치되어 있던 트레미관을 통하여 콘크리트를 투입한 후 양생시킴으로써 모든 작업이 완료되는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 과정을 순차적으로 거침으로써 측정을 완료하게 되는 것이다.

한편, 첨부된 도면의 도11 에서는 본 발명 측정장치에 따른 다른 실시예를 나타내고 있다.

이는 수평팽창부(200a)를 콘크리트 말뚝의 설치 길이에 따라서 그 중심뿐만 아니라 소정위치에 두 개 이상 다수 개로 설치할 수도 있을 뿐만 아니라 도면에서 보듯이 수직팽창부(100)상에 복합적으로 설치하여 사용할 수도 있다.

이 경우 수직팽창부(100)의 상,하판(110)(120) 사이에 수평실린더(230a)를 다수 개 설치하되, 이는 각 실린더(130)의 사이에서 피스톤(231a)이 외향 돌출되는 형태로 설치하는 것이며, 상기 피스톤(231a)에는 역시 곡면을 가지는 가압판(240a)이 일체로 설치된다.

또, 수평실린더(230a)의 후면에는 수압이 유입 및 배출되는 유입구(232a)와 배출구(233a)가 각각 설치되어 별도의 공급분배관(250a) 및 회수집수관(260a)과 연결되고, 이들 공급분배관(250a) 및 회수집수관(260a)은 공급파이프 및 회수파이프를 통하여 지상의 수압공급부(300)와 연결된다.

이와 더불어 상기 수평실린더(230a)와 가압판(240a) 사이에는 이들을 연결하는 센서(270a)가 설치되어 전선(420)을 통하여 지상에 설치된 측정부(400)의 자동변위계(410)와 연결되는 것이다.

따라서, 이와 같은 실시예에서는 하나의 상,하판 사이에 수직팽창부(100)와 수평팽창부(200a)를 동시에 설치함으로써 구조성 및 작동성을 향상시키도록 하는 것이며, 상기 수평팽창부(200a)의 작동은 이미 전술한 수평팽창부(200)의 작동과 동일하여 여기서는 생략하기로 한다.

또한, 본 발명의 또다른 실시예로서, 콘크리트 말뚝(S)의 길이가 매우 긴 경우에는 수평팽창부(200)를 다수 개로 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 말뚝의 중심부상에는 설치하지 아니하고, 수직팽창부(100)가 설치되는 하단부만에만 수평팽창부(200)를 복합적으로 설치할 수도 있다.

이러한 경우는 콘크리트 말뚝(S)의 최하단에 본 발명에서 요구되는 시험장치들을 한꺼번에 설치토록 함으로써 구조를 단순화할 수 있는 등 구조성을 향상시키게 되는 효과를 기대할 수 있을 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 콘크리트 말뚝의 선단지지력과 주면마찰력을 측정함에 있어서 이들의 측정에 따른 극한에 항상 도달할 수 있도록 수평팽창부를 지반조건에 따라 수직팽창부와 함께 두고 시험에 소요되는 하중을 확보하기 위해 부족한 주면마찰력 및 선단지지력을 인위적으로 만들어 시공된 말뚝이 발현될 수 있는 최대 지지능력을 측정토록 함으로써 말뚝시공의 정확한 안전성 확인 및 경제적인 시공을 도모할 수 있는 장점이 있는 것이다.

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Claims (23)

1. 콘크리트 말뚝의 부하용량을 측정하는 장치에 있어서,

   지층의 구멍내에 타설된 콘크리트 말뚝의 선단에 설치되는 상,하판과, 이들 사이에 상,하 피스톤이 직접 연결되면서 외부에서 전달되는 수압의 작용에 의해 팽창되는 다수개의 실린더와, 상기 실린더에 설치되어 상,하향 변위량을 측정토록 하는 센서를 가지는 수직팽창부와;

   상기 콘크리트 말뚝의 소정위치에 설치되는 상,하판과, 이들 사이에 다수개가 수평으로 설치되고 전단에 가압판이 형성되면서 외향으로 진퇴되는 피스톤을 가지는 수평실린더와, 상기 수평실린더에 설치되어 가압판의 변위량을 측정하는 센서를 갖추어 시험하중 재하에 필요한 주면마찰력 및 선단지지력을 증대시키도록 하는 수평팽창부와;

   지상에 설치되고 펌프에 의해 수직팽창부와 수평팽창부의 각 실린더에 수압을 공급토록 하는 수압공급부와;

   상기 수직팽창부와 수평팽창부의 변위량을 센싱하여 지상의 자동변위계를 통해 측정토록 하는 측정수단;을 갖추어 구성됨을 특징으로 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정장치.
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4. 제1항에 있어서,

   상기 수직팽창부(100)의 실린더(130)는 상,하판(110)(120)의 사이에 설치되는 공급분배관(150) 및 회수집수관(160)을 통하여 외부로부터 수압을 일괄적으로 공급 및 회수토록 구성됨을 특징으로 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 수직팽창부(100)의 하판(120)은 상판(110)보다는 적어도 작게 형성하여 구멍(H)의 바닥면에 접하는 단면적을 줄여 단단한 선단지층에서도 선단에 작용하는 가압응력을 극대화할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝(S)의 지지하중 측정장치.
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12. 제1항에 있어서,

    상기 수직팽창부(100)의 센서(140)(141)는 그 일측단이 실린더(130)의 외표면에 브라켓트(142)로 상,하 대칭되게 설치됨과 동시에, 타측단은 상,하 피스톤(131)(132)에 각각 연결 구성되어 진퇴작동에 따른 변위량을 측정토록 구성됨을 특징으로 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정장치.
13. 제1항에 있어서,

    상기 수평팽창부(200)의 수평실린더(230)는 상,하판(210)(220)의 사이에 설치되는 공급분배관(250) 및 회수분배관(260)을 통하여 외부로 부터 수압을 일괄적으로 공급 및 회수토록 구성됨을 특징으로 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정장치.
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23. 콘크리트 말뚝(S)이 매설될 수 있도록 수직으로 구멍(H)을 굴착하는 제1단계;

    상기 콘크리트 말뚝(S)의 골격으로 사용되는 철근의 하단부에는 수직팽창부(100)를 조립함과 동시에 중심 및 선단의 소정위치에는 수평팽창부(200)를 일체형으로 조립토록 하는 제2단계;

    상기 측정장치가 조립된 철근골격을 구멍(H)의 내부에 삽입함과 동시에 지상에는 수압공급부(300) 및 측정부(400)를 설치하는 제3단계;

    트레미관 등을 이용하여 구멍(H) 내부에 차곡차곡 콘크리트를 주입한 후 양생시킴으로써 콘크리트 말뚝(S)을 타설토록 하는 제4단계;

    상기 수직 및 수평팽창부(100)(200)에 수압공급부(300)의 작동으로 수압을 공급토록 하는 제5단계;

    상기 수직팽창부(100)의 승강작동과 수평팽창부(200)의 수평작동에 따라 콘크리트 말뚝(S)의 상향력 및 하향력에 따른 변위량을 지상의 측정부(400)에서 측정토록 하는 제6단계;

    상기 측정이 완료된 후 내부의 모든 빈공간에 시멘트, 모래, 물 등으로 혼합된 액상주입재(grout)를 주입하여 그라이딩 처리를 행하는 제7단계:로 구성됨을 특징으로 하는 지반에 타설된 콘크리트 말뚝의 지지하중 측정방법.

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