KR20210148651A - 보강체를 이용한 지반 개량 공법 및 이에 의해 시공된 지반 개량 기초 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지반 내에 형성되는 원기둥 형상의 개량체 내부에 원통 형상의 보강체를 삽입하여 개량체를 감싸도록 함으로써, 보강체가 개량체의 장기적인 열화 현상을 억제함과 동시에 내부 구속 효과를 유발하여 개량체 자체의 지지력을 강화할 수 있는 보강체를 이용한 지반 개량 공법 및 이에 의해 시공된 지반 개량 기초 구조에 대한 것이다.
본 발명 보강체를 이용한 지반 개량 공법은 (a) 지반을 천공하면서 천공 토사와 토양고화재를 원위치에서 교반하여 지반 내에 원기둥 형상의 개량체를 형성하는 단계; (b) 원통 형상의 보강체를 상기 개량체의 내부에 삽입하여 개량체를 감싸도록 하는 단계; 및 (c) 상기 개량체를 경화시키는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

보강체를 이용한 지반 개량 공법 및 이에 의해 시공된 지반 개량 기초 구조{Ground amelioration method using reinforcement body and ground amelioration foundation structure constructed thereby}

본 발명은 지반 내에 형성되는 원기둥 형상의 개량체 내부에 원통 형상의 보강체를 삽입하여 개량체를 감싸도록 함으로써, 보강체가 개량체의 장기적인 열화 현상을 억제함과 동시에 내부 구속 효과를 유발하여 개량체 자체의 지지력을 강화할 수 있는 보강체를 이용한 지반 개량 공법 및 이에 의해 시공된 지반 개량 기초 구조에 대한 것이다.

점토나 실트 등 토질로 된 연약지반은 지하수위가 높고 포화되어 있으며 지지력이 낮아 구조물의 안정성과 침하에 큰 문제를 일으킨다.

이에 연약지반의 공학적 성질을 개선하여 안정성을 증대시키기 위해 연약지반 개량 공법이 많이 사용되고 있다.

대표적인 연약지반 개량 공법으로는 심층혼합처리공법(Deep Cement Mixing method, 이하 'DCM 공법')이 있다. DCM 공법은 시멘트와 물을 혼합한 고화재를 지반 내에 주입하면서 교반 혼합하여 원지반 내에 개량체를 조성하는 공법이다.

상기 DCM 공법은 육상과 해상 등 주로 토목 분야에서 적용되었으나 최근에는 건축 분야에도 활발히 적용되고 있다.

일례로 도 1에 도시된 바와 같이, 건축 분야에서는 기초 하부 지반(1)을 개량체(2)로 개량하는데 사용된다. 도 1의 (a)는 원통형, 도 1의 (b) 및 (c)는 상부 확대형, 도 1의 (d)는 역원뿔대형 개량체(2)가 각각 도시된다.

상기와 같은 개량체에 의한 지반 개량시, 원지반에 대한 치환율 60% 이상의 고치환율로 치환될 경우 개량체 상호 간 보완이 가능하다. 그러나 통상 독립기초는 원지반의 20~50%, 매트기초는 10~30% 정도의 저치환율로 지반 개량이 이루어지고 있는 실정이다.

특히, 개량체는 시간 경과에 따라 시멘트 열화 현상 발생이 불가피한데, 현재 치환율 산정시 교반 직경의 100%를 반영하고 있어 시멘트 열화 현상에 의한 두께 저감이 고려되고 있지 않다. 그뿐만 아니라 저치환율을 적용하고 있는 독립기초 구간은 개량체 일부가 불량 시공되거나 열화 발생시, 지지력 저하로 인해 구조물 안전에 문제가 발생할 수 있다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 50㎜ 지름의 DCM 공법에 의한 공시체를 이용한 시험에 따르면, 700일 기준으로 해수 양생의 경우에는 20.5㎜, 지중 양생의 경우에는 12.0㎜의 열화 현상이 발생한다. 아울러 도 3에 도시된 바와 같이, 일본에서는 실제 시공된 것으로 20년 경과된 DCM 개량체의 열화 두께를 측정한 결과, 열화 두께가 30~50㎜에 이르는 것으로 측정되었다.

따라서 저치환율에 의한 지반 개량 공법 적용시, 장기적인 열화 현상에 따른 치환율 저감에 대한 대책이 필요하다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 지반 개량 공법 적용시 상재하중의 대부분은 개량체의 상부에서 지지된다. 그러므로 도 1의 (b) 내지 (d)에서와 같이 개량체의 상부를 확대하는 등 변단면으로 형성하여 단면 효율을 높일 수 있는데, 이 경우 시공이 번거롭고 까다로운 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 지반 개량 공법에서 간단한 방법으로 원지반 내 개량체의 열화 현상을 억제하여 개량체 자체의 지지력을 강화할 수 있는 보강체를 이용한 지반 개량 공법 및 이에 의해 시공된 지반 개량 기초 구조를 제공하고자 한다.

바람직한 실시예에 따른 본 발명은 (a) 지반을 천공하면서 천공 토사와 토양고화재를 원위치에서 교반하여 지반 내에 원기둥 형상의 개량체를 형성하는 단계; (b) 원통 형상의 보강체를 상기 개량체의 내부에 삽입하여 개량체를 감싸도록 하는 단계; 및 (c) 상기 개량체를 경화시키는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법을 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 (c) 단계에서, 상기 보강체는 개량체의 상부에만 구비되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법을 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 보강체는 토목 섬유로 구성되는 원통 형상의 슬리브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법을 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 슬리브의 상단과 하단에는 각각 가이드링이 구비되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법을 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상하부 가이드링의 사이에는 지지바가 구비되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법을 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 보강체는 파형 강관인 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법을 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 보강체의 내부에는 보강바가 구비되어, 상기 (b) 단계에서 관입 장비를 보강바에 결합하여 보강체를 개량체의 내부에 삽입하는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법을 제공한다.

다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 보강체를 이용한 지반 개량 공법에 의해 시공된 것으로, 지반 내부의 천공 토사와 토양고화재를 교반하여 형성되는 원기둥 형상의 개량체; 상기 개량체의 외부를 감싸는 원통 형상의 보강체; 및 상기 개량체의 상부에 시공되는 기초부; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 지반 개량 기초 구조를 제공한다.

본 발명에 따르면 지반 내에 형성되는 원기둥 형상의 개량체 내부에 원통 형상의 보강체를 삽입하여 개량체를 감싸도록 함으로써, 쉽고 간단한 방법으로 보강체가 원지반 내 개량체의 장기적인 열화 현상을 억제하고 개량체 내부의 구속 효과를 유발하여 개량체의 지지력을 강화할 수 있는 보강체를 이용한 지반 개량 공법 및 이에 의해 시공된 지반 개량 기초 구조를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 지반 개량 공법에 의한 개량체들의 시공 상태를 도시하는 도면.
도 2는 공시체의 열화 두께 실험 결과를 나타내는 그래프.
도 3은 실시공된 개량체의 열화 두께 조사 결과를 나타내는 그래프.
도 4는 심도에 따라 개량체에 작용하는 하중 분포를 도시하는 그래프.
도 5는 본 발명 보강체를 이용한 지반 개량 공법에 의한 지반 보강 상태를 도시하는 도면.
도 6은 보강체를 도시하는 사시도.
도 7은 보강 전 직접 기초의 지지력 계산서.
도 8은 종래 지반 개량 공법 적용시 직접 기초의 지지력 계산서.
도 9는 본 발명 지반 개량 공법 적용시 직접 기초의 지지력 계산서.
도 10은 토목 섬유로 구성되는 보강체를 도시하는 사시도.
도 11은 지지바가 구비된 보강체를 도시하는 사시도.
도 12는 파형 강관인 보강체가 설치된 상태를 도시하는 도면.
도 13은 보강바가 구비된 보강체를 도시하는 저면 사시도.
도 14는 보강체의 삽입 방법을 도시하는 도면.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명 보강체를 이용한 지반 개량 공법에 의한 지반 보강 상태를 도시하는 도면이고, 도 6은 보강체를 도시하는 사시도이다. 그리고 도 7은 보강 전 직접 기초의 지지력 계산서이고, 도 8은 종래 지반 개량 공법 적용시 직접 기초의 지지력 계산서이며, 도 9는 본 발명 지반 개량 공법 적용시 직접 기초의 지지력 계산서이다.

도 5, 도 6 등에 도시된 바와 같이, 본 발명 보강체를 이용한 지반 개량 공법은 (a) 지반(1)을 천공하면서 천공 토사와 토양고화재를 원위치에서 교반하여 지반(1) 내에 원기둥 형상의 개량체(2)를 형성하는 단계; (b) 원통 형상의 보강체(3)를 상기 개량체(2)의 내부에 삽입하여 개량체(2)를 감싸도록 하는 단계; 및 (c) 상기 개량체(2)를 경화시키는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 지반 개량 공법에서 원지반 내 개량체(2)의 장기적인 열화 현상을 억제하고 개량체(2)의 내부 구속 효과를 유발하여, 개량체(2) 자체의 지지력을 강화할 수 있는 보강체를 이용한 지반 개량 공법 및 이에 의해 시공된 지반 개량 기초 구조를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에서는 먼저, (a) 지반(1)을 천공하면서 천공 토사와 토양고화재를 원위치에서 교반하여 지반(1) 내에 원기둥 형상의 개량체(2)를 형성한다.

상기 (a) 단계에서는 교반날개가 부착되어 있는 혼합 장비를 이용하여 시멘트와 물을 혼합한 토양고화재를 저압 주입한다. 그러면서 토양고화재와 천공 토사를 원위치에서 교반함으로써, 원지반 내에 원기둥 형상의 개량체(2)를 형성한다.

상기 혼합 장비는 상하 왕복 이동하면서 토양고화재와 천공 토사를 균등하게 교반한다.

다음으로, (b) 원통 형상의 보강체(3)를 상기 개량체(2)의 내부에 삽입하여 개량체(2)를 감싸도록 한다.

상기 (a) 단계에서 개량체(2)를 시공한 후에는 (b) 단계에서 상기 개량체(2)가 경화되기 전에 원통 형상의 보강체(3)를 개량체(2) 내로 삽입하여 개량체(2)를 감싸도록 설치한다.

상기 개량체(2) 내부로 보강체(3)의 삽입이 가능하도록 하면서도 개량체(2)의 상부 전체 단면을 감쌀 수 있도록 보강체(3)의 외경은 개량체(2)의 외경과 동일한 크기로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 보강체(3)는 개량체(2)의 시간 경과에 따른 열화 현상을 억제하여 단면 손실을 방지함으로써, 지반 개량 치환율을 유지할 수 있도록 한다.

상기 보강체(3)는 파일 시공 전 미리 시공되는 종래 케이싱과 달리, 개량체(2)의 선시공 후 시공된다. 따라서 상기 보강체(3)는 파일 시공시 천공홀 공벽을 보호하기 위해 천공홀 상부에 관입되는 종래 케이싱과는 상이하다.

상기 보강체(3)는 개량체(2)의 열화 현상을 억제할 뿐 아니라 폐단면으로 형성되어 보강체(3) 내부의 개량체(2)를 구속(confinement)함으로써, 개량체(2) 자체의 지지력을 증가시킨다.

상기 보강체(3)는 원형 강관, PVC 파이프 등으로 구성할 수 있다.

상기 보강체(3)는 외부의 공벽 보호용이 아니라 내부의 개량체(2)를 보호하기 위한 것이므로, 두께가 얇은 관을 사용하여도 무방하다.

마지막으로, (c) 상기 개량체(2)를 경화한다.

상기 개량체(2)가 경화된 후에는 표층을 시공하고, 상부에 버림콘크리트(4)를 타설한 후 기초(5)를 시공한다.

도 7 내지 도 9에 도시된 지지력 계산서를 참고하여, 본 발명 적용 전후 지지력 변화에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 7에 도시된 바와 같이, 지반 보강 전 직접 기초의 지지력은 136.2kN/㎡이다. 이에 기초의 지지력은 건물 설계하중 300kN/㎡에 크게 미치지 못한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 종래 지반 개량 공법 적용시 직접 기초의 지지력은 308.6kN/㎡으로, 설계하중을 상회함을 알 수 있다.

그러나 이 값은 개량체(2)의 단면을 100%로 고려한 것으로, 시간 경과에 따른 개량체(2)의 열화 발생이나 시공 불량 등의 경우 설계하중을 충족하지 못할 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명 지반 개량 공법 적용시 직접 기초의 지지력은 323.1kN/㎡임을 알 수 있다. 즉, 설계하중보다 충분히 큰 지지력이 발휘되므로, 개량체(2)의 열화 발생이나 일부 시공 불량시에도 안정적인 지지력 확보가 가능하다.

상기 (c) 단계에서, 상기 보강체(3)는 개량체(2)의 상부에만 구비될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 심도 증가에 따라 상재하중의 영향이 급격히 감소하며, 심도 2m 내외에서는 60% 정도가 감소한다.

상기 개량체(2)의 하부 구간은 하중 지지 역할이 크지 않으나 장기 침하를 억제하는데 큰 역할을 하는 부분으로 큰 단면이 요구되지 않는다.

따라서 상재하중의 영향이 작은 개량체(2)의 하부는 보강체(3)에 의한 보강 효과가 크지 않으므로, 심도가 깊지 않은 상부 구간에만 보강체(3)가 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

이에 따라 하중이 큰 상부 구간에만 보강체(3)를 구비함으로써, 안정적인 지지력 확보가 가능하도록 구성할 수 있다.

상기 보강체(3)에 의해 보강되는 구간은 심도 2m 이상인 것이 바람직하다.

도 10은 토목 섬유로 구성되는 보강체를 도시하는 사시도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 보강체(3)는 토목 섬유로 구성되는 원통 형상의 슬리브(30)를 포함하여 구성될 수 있다.

파일 시공시 사용되는 일반적인 케이싱은 천공홀 공벽을 보호하기 위한 것으로, 외부에서의 측압에 저항하기 위해 압축에 대해 강성이 있는 재료를 사용해야 한다.

이와 달리, 본 발명에 이용되는 보강체(3)는 외부의 천공홀 공벽을 보호하기 위한 것이 아니라 보강체(3) 내부의 개량체(2)를 보호하는 것이다. 그러므로 압축 강성이 필요 없고, 내부 구속 효과를 발휘하기 위해 인장 강성만 발휘될 수 있으면 된다.

따라서 상기 보강체(3)를 토목 섬유인 원통 형상의 슬리브(30)로 구성할 수 있다.

토목 섬유로 구성되는 슬리브(30)는 취급이 용이하고, 현장 여건에 맞게 다양한 지름으로 현장 제작 가능하여 편리하다.

상기 슬리브(30)의 상단과 하단에는 각각 가이드링(31)이 구비될 수 있다.

토목 섬유인 슬리브(30)는 단독으로는 원형 단면을 유지하기 어렵다. 따라서 상기 보강체(3)의 삽입시 및 개량체(2)의 경화 전까지 형상 유지가 가능하도록 슬리브(30)의 상단과 하단에는 각각 가이드링(31)을 구비할 수 있다.

특히, 상기 가이드링(31)이 슬리브(30)의 내측에 구비되는 경우에는 가이드링(31)이 내부의 개량체(2)에 정착된다. 이에 따라 개량체(2)의 경화 전 슬리브(30)가 부상하는 것을 어느 정도 방지할 수 있다.

도 11은 지지바가 구비된 보강체를 도시하는 사시도이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 상하부 가이드링(31)의 사이에는 지지바(32)가 구비될 수 있다.

상기 보강체(3)의 중량이 가벼우면, 개량체(2)가 어느 정도 경화하기 전에 보강체(3)가 부상할 수 있다.

이때, 상기 보강체(3) 자체에 압축 강성이 있는 경우, 지상에서 보강체(3)의 상부에 중량물을 적재하여 보강체(3)의 부상을 방지할 수 있다. 그러나 토목 섬유 슬리브(30)로 보강체(3)가 구성되는 경우에는 슬리브(30)의 상부가 고정된다 하더라도 슬리브(30) 자체가 접히면서 하부가 부상할 수 있다.

따라서 상기 슬리브(30)의 하부가 부상하지 않고 슬리브(30)가 원통 형상을 유지할 수 있도록 상하부 가이드링(31) 사이에 지지바(32)를 구비할 수 있다. 상기 지지바(32)는 상하부 가이드링(31)이 가까워지지 않도록 지지하여, 슬리브(30)의 하부가 부상하는 것을 방지한다.

도 12는 파형 강관인 보강체가 설치된 상태를 도시하는 도면이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 상기 보강체(3)는 파형 강관으로 구성할 수 있다.

파형 강관은 파형 주름이 형성된 얇은 강관 파이프로, 경량이고, 절단 및 연결이 용이하며, 경제적이다.

특히, 주름이 형성되어 개량체(2)와 견고하게 일체화가 가능하고, 개량체(2)의 경화 전에 보강체(3)가 부상하는 것을 방지할 수 있다.

도 13은 보강바가 구비된 보강체를 도시하는 저면 사시도이고, 도 14는 보강체의 삽입 방법을 도시하는 도면이다.

도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 보강체(3)의 내부에는 보강바(33)가 구비되어, 상기 (b) 단계에서 관입 장비(6)를 보강바(33)에 결합하여 보강체(3)를 개량체(2)의 내부에 삽입할 수 있다.

상기 보강바(33)는 보강체(3)를 보강하고, 보강체(3)의 형상 유지에 기여한다.

상기 보강바(33)는 십자형으로 구성할 수 있다.

상기 보강체(3)에 하부 가이드링(31)이 구비되는 경우, 보강바(33)는 가이드링(31)에 고정 가능하다.

상기 보강체(3)는 내부의 개량체(2)를 보호하기 위한 것이므로, 상대적으로 두께가 얇은 관 형태의 부재를 사용 가능하다. 따라서 상기 보강바(33)를 가압하여 보강체(3) 삽입시, 가압력에 의해 보강체(3)의 자체 좌굴이나 변형이 일어나 목표 심도까지 제대로 삽입되지 않는 것을 방지하기 위해 상기 보강바(33)는 보강체(3)의 하부에 위치하는 것이 바람직하다.

도 14에 도시된 바와 같이, 상기 (b) 단계에서 개량체(2) 내부에 보강체(3)를 삽입할 때, 관입 장비(6)에 연결된 관입봉에 보강바(33)를 결합하여 삽입할 수 있다.

본 발명 지반 개량 기초 구조는 전술한 본 발명 보강체를 이용한 지반 개량 공법에 의해 시공된다.

본 발명 지반 개량 기초 구조는 지반(1) 내부의 천공 토사와 토양고화재를 교반하여 형성되는 원기둥 형상의 개량체(2); 상기 개량체(2)의 외부를 감싸는 원통 형상의 보강체(3); 및 상기 개량체(2)의 상부에 시공되는 기초부; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 개량체(2), 보강체(3)의 구체적인 구성 및 역할은 앞서 본 발명 보강체를 이용한 지반 개량 공법에서와 같다.

1: 지반
2: 개량체
3: 보강체
30: 슬리브
31: 가이드링
32: 지지바
33: 보강바
4: 버림콘크리트
5: 기초
6: 관입 장비

Claims (8)

1. (a) 지반(1)을 천공하면서 천공 토사와 토양고화재를 원위치에서 교반하여 지반(1) 내에 원기둥 형상의 개량체(2)를 형성하는 단계;
   (b) 원통 형상의 보강체(3)를 상기 개량체(2)의 내부에 삽입하여 개량체(2)를 감싸도록 하는 단계; 및
   (c) 상기 개량체(2)를 경화시키는 단계; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법.
   
2. 제1항에서,
   상기 (c) 단계에서, 상기 보강체(3)는 개량체(2)의 상부에만 구비되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법.
   
3. 제1항에서,
   상기 보강체(3)는 토목 섬유로 구성되는 원통 형상의 슬리브(30)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법.
   
4. 제3항에서,
   상기 슬리브(30)의 상단과 하단에는 각각 가이드링(31)이 구비되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법.
   
5. 제4항에서,
   상하부 가이드링(31)의 사이에는 지지바(32)가 구비되는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법.
   
6. 제1항에서,
   상기 보강체(3)는 파형 강관인 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법.
   
7. 제1항에서,
   상기 보강체(3)의 내부에는 보강바(33)가 구비되어, 상기 (b) 단계에서 관입 장비(6)를 보강바(33)에 결합하여 보강체(3)를 개량체(2)의 내부에 삽입하는 것을 특징으로 하는 보강체를 이용한 지반 개량 공법.
   
8. 제1항에 의한 보강체를 이용한 지반 개량 공법에 의해 시공된 것으로,
   지반(1) 내부의 천공 토사와 토양고화재를 교반하여 형성되는 원기둥 형상의 개량체(2);
   상기 개량체(2)의 외부를 감싸는 원통 형상의 보강체(3); 및
   상기 개량체(2)의 상부에 시공되는 기초부; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 지반 개량 기초 구조.

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