KR20200092090A - 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체 - Google Patents

부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체 Download PDF

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Abstract

부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체가 개시된다. 본 발명의 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체는, 지반에 박힌 단말뚝; 단말뚝의 상부 외면을 에워싸는 강관케이싱; 및 단말뚝과 강관케이싱 사이에 채워진 채움재를 포함하고, 채움재는 벤토나이트(bentonite) 가루로 이루어진 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 부주면 마찰력에 의한 변형이 방지되면서도, 주면 마찰력의 크기 감소가 억제되도록 이루어지는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체를 제공할 수 있게 된다.

Description

부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체{DOUBLE PILE ASSEMBLY FOR REDUCING NEGATIVE SKIN FRICTION}
본 발명은 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 부주면 마찰력에 의한 변형이 방지되면서도, 주면 마찰력의 크기 감소가 억제되도록 이루어지는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체에 관한 것이다.
말뚝(pile)은 땅속에 박아넣는 기둥을 말하며, 상반부가 지반 위에 노출된 말뚝은 여기에 구조물을 연결하게 되는데 보통 교량(橋梁)과 같은 구조물이나 수중에서의 잔교(棧橋)의 교각(橋脚)의 일부로서도 이용된다.
이와 관련하여 대한민국 등록실용신안공보 제240339호에는 이중관용 스페이서가 게시되어 있다. 등록실용신안공보 제240339호는 작업대상지반에 관입 고정된 말뚝의 주면과, 말뚝의 주변 지반이 침하될 때 말뚝의 주면에 작용하는 부마찰력을 저감시키기 위해 말뚝의 소정관입깊이를 감싸는 강관의 내면과의 사이에 간격을 형성시키는 이중관용 스페이서에 있어서, 일측은 강관의 내면에 설치되고 타측에는 한 쌍의 지지부가 설치된 간격부재, 한 쌍의 지지부 사이에 장착된 롤 및 롤을 지지부에 회전 가능하게 지지시키는 축핀으로 구성된 것을 특징으로 한다.
등록실용신안공보 제240339호는, 롤이 설치된 스페이서를 사용함으로써, 강관의 침하시에도 말뚝의 주면과 구름운동을 하기 때문에, 말뚝에 미치는 마찰력이 줄어서, 말뚝은 상부 구조물을 안정적으로 지지할 수 있는 이점이 있다.
그러나 등록실용신안공보 제240339호에서, 스페이서는 강관의 내면에 일측이 설치되고 타측에는 한 쌍의 지지부가 설치된 간격부재와, 한 쌍의 지지부 사이에 장착된 롤과, 롤을 한 쌍의 지지부에 회전 가능하게 지지시키는 축핀으로 구성됨으로써, 롤을 회전 가능하게 지지하는 축핀에 외력이 집중될 수밖에 없으므로, 축핀이 쉽게 변형되어 스페이서의 기능을 상실하게 되는 문제가 있었다.
대한민국 등록실용신안공보 제240339호 (등록일: 2001.07.18)
본 발명의 목적은, 부주면 마찰력에 의한 변형이 방지되면서도, 주면 마찰력의 크기 감소가 억제되도록 이루어지는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 지반에 박힌 단말뚝; 상기 단말뚝의 상부 외면을 에워싸는 강관케이싱; 및 상기 단말뚝과 상기 강관케이싱 사이에 채워진 채움재를 포함하고, 상기 채움재는 벤토나이트(bentonite) 가루로 이루어진 것을 특징으로 하는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체에 의하여 달성된다.
상기 강관케이싱의 내면은 원주방향을 따라 지그재그(zigzag) 형태를 형성하도록 이루어질 수 있다.
상기 강관케이싱의 하단을 통한 상기 채움재의 누출이 방지되도록, 상기 단말뚝의 외면에는 환형 돌출부가 형성되고, 상기 강관케이싱이 부주면 마찰력에 의해 하강하더라도, 상기 환형 돌출부 아래쪽에서 상기 단말뚝에는 주면 마찰력이 작용하도록 이루어질 수 있다.
상기 환형 돌출부 위쪽에서 상기 단말뚝과 상기 강관케이싱 사이에는 환형 스페이서가 개재되고, 상기 환형 스페이서에는 상기 채움재가 통과하는 통과로가 형성되며, 상기 환형 돌출부와 상기 환형 스페이서는 탄성부재에 의해 간격이 유지되도록 이루어질 수 있다.
상기 환형 스페이서의 위쪽에서 상기 단말뚝과 상기 강관케이싱 사이에는 채움재케이싱이 개재되고, 상기 채움재는 상기 단말뚝과 상기 채움재케이싱 사이에 채워지며, 상기 강관케이싱이 부주면 마찰력에 의해 하강하더라도, 상기 강관케이싱의 상단을 통한 상기 채움재의 누출이 방지되도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 단말뚝과 강관케이싱 사이에 채움재가 채워짐으로써, 부주면 마찰력에 의한 변형이 방지되면서도, 주면 마찰력의 크기 감소가 억제되도록 이루어지는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 설치상태도.
도 2는 도 1의 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 횡단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 설치상태도.
도 4는 도 3의 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 횡단면도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 설치상태도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
본 발명의 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체는, 부주면 마찰력에 의한 변형이 방지되면서도, 주면 마찰력의 크기 감소가 억제되도록 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 설치상태도이고, 도 2는 도 1의 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 횡단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체(10)는, 부주면 마찰력에 의한 변형이 방지되면서도, 주면 마찰력의 크기 감소가 억제되도록 이루어지며, 단말뚝(100), 강관케이싱(200) 및 채움재(300)를 포함하여 구성된다.
단말뚝(100)은 연약 지반 등에서 지반에 박혀 구조물을 지지하는 구성으로서, 주위의 지반과의 마찰력에 의해서 하중을 지탱하는 마찰 말뚝(friction pile)으로 이루어진다. 마찰 말뚝(friction pile)은 기초 말뚝 중 말뚝 끝이 경질 지반(기반)까지 도달하지 않고 연약 지반 속에 멈추어 있어, 지지력의 대부분이 말뚝 주변 마찰력에 의존하는 말뚝을 가리킨다.
침하가 없는 지반의 경우, 말뚝의 지지력은 말뚝 하단에서의 선단 지지력(end bearing capacity)과 말뚝과 지반 사이 마찰력에 의한 주면 마찰력(skin friction force)의 합으로 구성된다.
그러나 말뚝이 Soft clay, Soft silt, Peat 등과 같은 연약하고 압축성이 있는 지반에 타입된 경우, 지반은 말뚝보다 더 침하될 가능성이 존재한다. 지반층의 침하는 지하 수면의 저하, 동토의 융해, 자중에 의한 압밀(흙 입자 사이 간극에 있는 물이 빠져나오면서 발생하는 침하) 등으로 발생할 수 있다. 말뚝 주변의 흙이 침하될 경우, 말뚝 주면을 끌고 내려오게 되어 추가적인 하향력 즉, 부주면 마찰력(negative skin friction force)이 발생한다.
말뚝을 끌고 내려오는 현상이 깊이가 증가하면 멈추게 되는데, 이 깊이를 중립점(neutral point)이라고 부른다. 중립점(N) 상부에서는 말뚝 주면에 하향력이 작용한다. 이러한 추가적인 하향력은 말뚝의 구조적인 파괴 또는 추가적인 침하를 발생시킨다.
즉, 중립점(N)이라 불리는 점은 지반(1)의 침하가 더 일어나지 않는 지점으로, 중립점(N)을 기준으로 위는 말뚝을 끌어내리는 부주면 마찰력이 존재하고, 중립점(N) 아래는 침하가 없는 지반(1)처럼 주면 마찰력이 작용한다. 이때, 지지력은 선단 지지력과 주면 마찰력의 합에서 부주면 마찰력을 뺀 값으로 산정되며, 침하가 없는 지반(1)의 경우와 비교하여 지지력은 낮아지게 된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 강관케이싱(200)은 단말뚝(100) 대신 부주면 마찰력을 받는 구성으로서, 단말뚝(100)의 상부 외면을 에워싸는 형태를 형성한다. 도 1(a), 도 3(a) 및 도 5(a)는 본 발명의 용이한 이해를 위해 강관케이싱(200)의 하단이 중립점(N)과 일치한 일 예를 도시하고 있다.
채움재(300)는 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 간 마찰력 형성을 억제하는 구성으로서, 말뚝 시공시 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 사이에 채워진다. 채움재(300)는 벤토나이트(bentonite) 가루로 이루어진다. 벤토나이트 가루는 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 사이의 마찰계수를 감소시키는 역할을 한다.
도 1(b)는 말뚝 조립체(10) 주변의 흙이 침하된 경우를 나타내고 있다. 이때, 말뚝 조립체(10)의 주면에는 중립점(N) 위쪽에서 하향력 즉, 부주면 마찰력(negative skin friction force)이 발생한다.
상술한 바와 같이, 강관케이싱(200)은 단말뚝(100)의 상부 외면을 에워싸는 형태로 설치된다. 따라서, 부주면 마찰력은 강관케이싱(200)에만 작용하며, 강관케이싱(200)만 주변 지반(1)과 함께 침하하게 된다. 따라서, 단말뚝(100)은 침하가 없는 지반(1)과 마찬가지의 지지력을 유지한다.
시공 완료 후 벤토나이트 가루는 주위 지반(1)의 수분을 흡수하면서 겔(gel) 상태(함수비 2000% 이상)로 변화한다. 따라서, 벤토나이트 가루는 단말뚝(100)과 강관케이싱(200)의 마찰을 줄이는 윤활재 역할을 하게 된다. 즉, 겔(gel) 상태로 변한 벤토나이트 가루는 미끄럽기 때문에 강관케이싱(200)이 침하하더라도 단말뚝(100)에는 영향을 주지 않는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 강관케이싱(200)의 내면은 원주방향을 따라 지그재그(zigzag) 형태를 형성한다. 따라서, 주변 지반(1) 침하시 부분적인 수평력 작용으로 인해 강관케이싱(200)과 단말뚝(100)이 접촉되더라도 강관케이싱(200)의 지그재그(zigzag)형 내면에 의해 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 간 접촉면을 줄여 마찰력 형성을 최소화하게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 설치상태도이고, 도 4는 도 3의 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 횡단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체(20)는, 단말뚝(100)의 외면에 환형 돌출부(110)가 형성될 수 있다. 환형 돌출부(110) 밑에 있는 지반(1)은 환형 돌출부(110)를 위쪽으로 지지하는 추가지지력을 형성하게 된다.
강관케이싱(200)의 하단부에서 환형 돌출부(110)와 강관케이싱(200)의 내면은 미세한 간극을 형성한다. 따라서 강관케이싱(200)의 하단을 통한 채움재(300)의 누출이 방지된다. 도시되지는 않았으나, 환형 돌출부(110)와 강관케이싱(200) 내면 사이에는 실링부재가 개재될 수도 있다.
도 1(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체(10)는, 말뚝 조립체(10) 주변 지반(1)의 침하시 강관케이싱(200)이 하강하여 중립점(N) 아래에서 단말뚝(100)의 주면을 덮는 면적이 증가함에 따라, 단말뚝(100)에 작용하는 주면 마찰력이 강관케이싱(200)이 하강한 거리에 비례하여 감소하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체(20)는, 단말뚝(100)의 외면에 환형 돌출부(110)가 형성됨으로써, 강관케이싱(200)이 부주면 마찰력에 의해 하강하더라도, 환형 돌출부(110) 아래쪽에서 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 사이에 지반(1)이 구비됨에 따라, 환형 돌출부(110) 아래쪽에서 단말뚝(100)에 작용하는 주면 마찰력이 유지되는 것은 물론, 환형 돌출부(110) 아래에 있는 흙이 환형 돌출부(110)를 위쪽으로 지지하는 추가지지력도 그대로 유지된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 환형 돌출부(110) 위쪽에서 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 사이에는 환형 스페이서(400)가 개재된다. 환형 스페이서(400)는 단말뚝(100)과 강관케이싱(200)의 간격을 형성하는 구성으로서, 단말뚝(100) 또는 강관케이싱(200)에 결합된다. 환형 스페이서(400)에는 채움재(300)가 통과하는 통과로(401)가 형성된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체의 설치상태도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체(30)는, 환형 스페이서(400)의 위쪽에서 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 사이에는 채움재케이싱(600)이 개재될 수 있다.
채움재케이싱(600)은 강관케이싱(200)의 상단을 통한 채움재(300)의 누출을 방지하는 구성으로서, 파이프 형태를 형성하여 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 사이에 개재된다. 채움재(300)는 환형 스페이서(400)의 위쪽에서 단말뚝(100)과 채움재케이싱(600) 사이에 채워진다.
환형 돌출부(110)와 환형 스페이서(400)는 탄성부재(500)에 의해 간격이 유지된다. 즉, 환형 스페이서(400)는 단말뚝(100) 및 강관케이싱(200)에 결합되지 않는다. 탄성부재(500)는 압축스프링으로 구비되어 환형 돌출부(110)와 환형 스페이서(400) 사이에 개재될 수 있다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체(20)는, 말뚝 조립체(20) 주변 지반(1)의 침하시 채움재(300)가 (강관케이싱(200)이 하강한 거리에 비례하여) 강관케이싱(200)의 상단을 통해 누출되는 단점이 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체(30)는, 환형 스페이서(400)의 위쪽에서 단말뚝(100)과 강관케이싱(200) 사이에 채움재케이싱(600)이 개재됨으로써, 강관케이싱(200)이 부주면 마찰력에 의해 하강하더라도, 환형 돌출부(110)와 채움재케이싱(600)의 세로방향 간격이 유지됨에 따라, 말뚝 조립체(30) 주변 지반(1)의 침하시 강관케이싱(200)의 상단을 통한 채움재(300)의 누출이 방지(억제)된다.
도 5(b) 및 도 5(c)는 강관케이싱(200) 하강시 강관케이싱(200)과 환형 스페이서(400)의 마찰력에 의해 환형 스페이서(400)가 다소 하강했다가 탄성부재(500)의 회복력에 의해 다시 상승한 상태를 도시하고 있다.
본 발명에 의하면, 단말뚝과 강관케이싱 사이에 채움재가 채워짐으로써, 부주면 마찰력에 의한 변형이 방지되면서도, 주면 마찰력의 크기 감소가 억제되도록 이루어지는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체를 제공할 수 있게 된다.
앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10 : 말뚝 조립체
100 : 단말뚝 400 : 환형 스페이서
110 : 환형 돌출부 401 : 통과로
200 : 강관케이싱 500 : 탄성부재
300 : 채움재 600 : 채움재케이싱
1 : 지반
N : 중립점

Claims (5)

  1. 지반에 박힌 단말뚝;
    상기 단말뚝의 상부 외면을 에워싸는 강관케이싱; 및
    상기 단말뚝과 상기 강관케이싱 사이에 채워진 채움재를 포함하고,
    상기 채움재는 벤토나이트(bentonite) 가루로 이루어진 것을 특징으로 하는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강관케이싱의 내면은 원주방향을 따라 지그재그(zigzag) 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강관케이싱의 하단을 통한 상기 채움재의 누출이 방지되도록, 상기 단말뚝의 외면에는 환형 돌출부가 형성되고,
    상기 강관케이싱이 부주면 마찰력에 의해 하강하더라도, 상기 환형 돌출부 아래쪽에서 상기 단말뚝에는 주면 마찰력이 작용하는 것을 특징으로 하는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 환형 돌출부 위쪽에서 상기 단말뚝과 상기 강관케이싱 사이에는 환형 스페이서가 개재되고,
    상기 환형 스페이서에는 상기 채움재가 통과하는 통과로가 형성되며,
    상기 환형 돌출부와 상기 환형 스페이서는 탄성부재에 의해 간격이 유지되는 것을 특징으로 하는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 환형 스페이서의 위쪽에서 상기 단말뚝과 상기 강관케이싱 사이에는 채움재케이싱이 개재되고,
    상기 채움재는 상기 단말뚝과 상기 채움재케이싱 사이에 채워지며,
    상기 강관케이싱이 부주면 마찰력에 의해 하강하더라도, 상기 강관케이싱의 상단을 통한 상기 채움재의 누출이 방지되는 것을 특징으로 하는 부주면 마찰 저감을 위한 이중관 말뚝 조립체.
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