일체식 천공 심층혼합처리공법{Method deep cement mixing with perforation integral type}
본 발명은 일체식 천공 심층혼합처리공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연약지반의 N-값에 따라서 로드의 회전속도를 선택적으로 조절하여 관입 또는 인발공정을 원활하게 수행할 수 있음은 물론 단단하거나 또는 견고한 연약지반의 천공작업을 진행하여 연속적인 지중구조체를 시공함으로써 시공품질을 극대화시킬 수 있도록 하는 일체식 천공 심층혼합처리공법(NEW Deep Cement Mixing method, 이하 "NEW DCM"이라 함)에 관한 것이다.
일반적으로 심층혼합처리(Deep Cement Mixing,DCM)공법은 석회석, 시멘트 등을 주성분으로 하는 안정제(고화제, 경화제)와 연약지반을 혼합하여 화학적으로 고체화시켜 연약지반을 개량하기 위한 것으로, 특히 연약지반(해수)과 안정제가 혼합하면서 발생하는 수화반응을 통해서 물리적, 화학적으로 고형화된 지중구조체(파일)를 시공하게 된다. 이러한 심층혼합처리공법은 1976년부터 일본 운수성 항만 기술연구소에 의해서 개발연구가 추진되어 1970년대 이후부터 석회석, 시멘트 등의 안정제를 이용한 공법이 실용화되어 현재 국내에서 연약지반을 개량하기 위한 공법으로 널리 시공되고 있으며, 이와 같은 심층혼합처리공법은 로드를 지중에 관입하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 로드를 역회전시켜 상부방향으로 인발하는 공정과, 상기 로드의 인발과 동시에 지반에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정으로 이루어진다. 이때 심층혼합처리공법은 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같이 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더(11,21)와, 상기 리더(11,21)를 따라서 승하강하면서 지중으로 관입 및 인발하되 상부에 형성된 구동수단(12,22)에 의해서 회전하되 내부에는 지중으로 안정제를 분사할 수 있도록 주입통로를 구비하는 로드(13,23)로 구성되는 심층혼합처리장비를 사용하게 된다. 그러나 종래의 심층혼합처리공법은 연약지반의 특성을 감안하지 않고 단지 일률적인 회전속도를 갖는 로드를 이용하여 관입 및 인발공정을 시행하고 있으나, 이는 초기기동시 공급전압의 약 80%에 달하는 높은 기동전류를 필요하게 되므로 순간적으로 과도전류를 발생시켜 구동수단(12,22)의 기계적인 무리가 발생하게 되어 파손 및 고장의 원인을 제공하게 되었다. 또한, 종래의 심층혼합처리공법은 연약지반의 초기 관입과정에서 발생하는 기동부하는 물론 회전하는 로드(13,23)와 지중의 깊이에 따라서 변화하는 토질과의 마찰에 대한 과부하를 감안하지 않고 단순히 초기기동시 일률적인 회전속도를 갖도록 구동수단(12,22)을 기동시켜야 하므로, 이로 인해 시공효율이 저하되어 부실시공의 원인을 제공하게 되는 심각한 폐단을 갖게 되었다. 아울러 연약지반은 지중깊이에 따라서 연경도의 특성이 다양한 수많은 지질층이 분포되어 있으나, 종래의 심층혼합처리공법은 단순히 일률적인 회전속도를 갖는 로드를 이용하여 관입 및 인발공정을 시행하고 있으므로, 도 1에 도시된 바와 같이 지반상태가 무른 실트질 또는 매립층에서는 로드(13,23)의 회전력에 의해서 슬라임(혼합된 연약지반과 안정제)이 주변으로 쉽게 비산됨은 물론 지반이 교란되어 시공품질을 저하시키는 원인을 제공할 뿐만 아니라 경도가 높은 지반층에서는 로드(13,23)의 관입효율이 제한되어 균일하고 연속적인 지중구조체를 시공할 수 없으므로 시공품질을 저하시키는 단점을 갖게 되었다. 특히 종래의 심층혼합처리공법은 연약지반의 연경도에 따라서 효과적인 대응이 곤란하여 작업능률 저하 및 시공불량에 따른 재시공은 물론 시공기간의 연장으로 인한 경제적인 손실이 발생하게 되는 심각한 문제점을 갖게 되었다. 따라서, 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 방안으로 국내특허등록 제0923336호 "고품질 시공을 위한 심층혼합처리공법"을 안출하였다. 그러나 종래의 "고품질 시공을 위한 심층혼합처리공법"은 로드의 회전속도를 조절하여 관입 또는 인발공정을 진행할 수 있으나, 이와 달리 연약지반의 N-값이 20 이상일 경우에는 적용할 수 없는 시공상의 한계를 갖게 되었다. 특히 종래의 "고품질 시공을 위한 심층혼합처리공법"은 N-값이 20 이상일 경우 단단하거나 또는 견고한 연약지반을 원활하게 천공할 수 있는 기능이 부재된 상태이므로 시공효율이 저하되는 문제점을 갖게 되었다. 아울러 종래의 "고품질 시공을 위한 심층혼합처리공법"은 지중의 저항이 증가하는 관입공정과 상대적으로 저항이 감소하는 인발공정이 모두 동일한 회전속도를 유지하므로 원활한 시공을 진행할 수 없을 뿐만 아니라 연약지반의 상태 및 저항에 관계없이 관입 또는 인발공정에서 로드를 동일하게 회전시켜 과부하로 인한 내구성 및 사용수명을 단축시키는 문제점을 갖게 되었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 연약지반의 N-값을 기준으로 로드의 관입 또는 인발의 회전속도를 선택적으로 조절할 수 있는 일체식 천공 심층혼합처리공법을 제공함에 목적이 있다. 또한, 본 발명은 연약지반의 N-값 20 이상의 단단하거나 또는 견고한 연약지반의 천공작업을 가능하게 하는 일체식 천공 심층혼합처리공법을 제공함에 다른 목적이 있다. 특히 본 발명은 관입 또는 인발시 로드의 회전속도를 달리하여 연약지반의 부하 및 저항에 따라서 원활한 시공성을 확보할 수 있는 일체식 천공 심층혼합처리공법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더와, 상기 리더를 따라서 승하강하되 상부에 형성된 구동수단에 의해서 회전하면서 지중으로 관입 및 인발하기 위한 로드와, 상기 로드의 하단에 설치된 천공 어태치먼트로 구성되는 심층혼합처리장비를 이용한 심층혼합처리공법에 있어서, 연약지반의 N-값에 따라서 상기 N-값이 0 내지 9까지는 21 내지 30rpm, 상기 N-값이 10 내지 19까지는 16 내지 20rpm, 상기 N-값이 20 내지 50까지는 1 내지 15rpm으로 상기 로드가 회전되도록 상기 구동수단을 구동시켜 지중으로 관입하는 공정(a)과, 설계 심도까지 관입된 상기 로드를 상기 N-값이 0 내지 9까지는 25 내지 55rpm, 상기 N-값이 10 내지 19까지는 16 내지 24rpm, 상기 N-값이 20 내지 50까지는 1 내지 15rpm으로 상기 로드가 회전되도록 상기 구동수단을 구동시켜 상부방향으로 인발하는 공정(b)과, 상기 로드의 인발과 동시에 지반에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정(c)으로 이루어짐을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더와, 상기 리더를 따라서 승하강하되 상부에 형성된 구동수단에 의해서 회전하면서 지중으로 관입 및 인발하기 위한 로드와, 상기 로드의 하단에 설치된 천공 어태치먼트로 구성되는 심층혼합처리장비를 이용한 심층혼합처리공법에 있어서, 연약지반의 N-값에 따라서 상기 N-값이 0 내지 9까지는 21 내지 30rpm, 상기 N-값이 10 내지 19까지는 16 내지 20rpm, 상기 N-값이 20 내지 50까지는 1 내지 15rpm으로 상기 로드가 회전되도록 상기 구동수단을 구동시켜 지중으로 관입하는 공정(a)과, 상기 로드의 관입과 동시에 지반에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정(b)과, 설계 심도까지 관입된 상기 로드를 상기 N-값이 0 내지 9까지는 25 내지 55rpm, 상기 N-값이 10 내지 19까지는 16 내지 24rpm, 상기 N-값이 20 내지 50까지는 1 내지 15rpm으로 상기 로드가 회전되도록 상기 구동수단을 구동시켜 상부방향으로 인발하는 공정(c)으로 이루어짐을 특징으로 한다. 또 본 발명은 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더와, 상기 리더를 따라서 승하강하되 상부에 형성된 구동수단에 의해서 회전하면서 지중으로 관입 및 인발하기 위한 로드와, 상기 로드의 하단에 설치된 천공 어태치먼트로 구성되는 심층혼합처리장비를 이용한 심층혼합처리공법에 있어서, 연약지반의 N-값에 따라서 상기 N-값이 0 내지 9까지는 21 내지 30rpm, 상기 N-값이 10 내지 19까지는 16 내지 20rpm, 상기 N-값이 20 내지 50까지는 1 내지 15rpm으로 상기 로드가 회전되도록 상기 구동수단을 구동시켜 지중으로 관입하는 공정(a)과, 상기 로드의 관입과 동시에 지반에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정(b)과, 설계 심도까지 관입된 상기 로드를 상기 N-값이 0 내지 9까지는 25 내지 55rpm, 상기 N-값이 10 내지 19까지는 16 내지 24rpm, 상기 N-값이 20 내지 50까지는 1 내지 15rpm으로 상기 로드가 회전되도록 상기 구동수단을 구동시켜 상부방향으로 인발과 동시에 지반에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정(c)으로 이루어짐을 특징으로 한다. 여기서, 상기 천공 어태치먼트는 로드(13,23)의 하단에 탈착할 수 있도록 설치하되 내부에는 외경으로 안정제 분사할 수 있도록 주입공(140)이 형성되고 하단에는 초고압의 액체를 분사하여 천공할 수 있도록 분사공(130)이 각각 형성되는 몸체(110)와; 상기 몸체(110)의 외경에 나선형태로 형성되는 천공스크루(120)로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 몸체(110)는 원추형태로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 천공스크루(120)의 일측에는 힌지축(121)을 중심으로 내측 또는 외측으로 회동할 수 있도록 확경비트(122)가 마련되고, 상기 천공스크루(120)의 일측에는 역회전시 토압 및 지반의 저항을 받아서 상기 확경비트(122)가 펼쳐지도록 유도하기 위한 삽입부(123)가 형성되며, 상기 천공스크루(120)의 일측에는 상기 확경비트(122)가 펼쳐질 경우 맞닿아 더 이상 펼쳐지는 현상을 방지하기 위한 걸림턱(124)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 천공스크루(120)는 오른나사 또는 왼나사 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다. 아울러 상기 천공 어태치먼트는 로드(13,23)의 하단에 탈착할 수 있도록 설치하되 내부에는 외경으로 안정제 분사할 수 있도록 주입공(140)이 형성되고 하단에는 초고압의 액체를 분사하여 천공할 수 있도록 분사공(130)이 각각 형성되는 몸체(110)와; 상기 몸체(110)의 외경에서 하부방향으로 형성되는 굴착비트(120a)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 연약지반의 N-값에 따라서 로드의 회전속도를 조절하면서 관입 및 인발공정을 수행할 수 있으므로 슬라임의 교반효율을 증대시켜 균일하고 연속적인 고강도의 고품질 지중구조체를 시공할 수 있는 효과를 갖는다. 특히 본 발명은 연약지반의 N-값 20 이상의 단단하거나 또는 견고한 연약지반의 천공작업을 가능하게 하여 시공효율을 증대시킴은 물론 시공기간을 획기적으로 단축할 수 있는 효과를 갖는다. 특히 본 발명은 관입 또는 인발시 로드의 회전속도를 달리하여 연약지반의 부하 및 저항에 따라서 원활한 시공성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 일반적인 심층혼합처리공법을 공정별로 나타내기 위한 순서도.
도 2는 일반적인 육상 심층혼합처리장비의 구조를 나타내기 위한 참고도.
도 3은 일반적인 해상 심층혼합처리장비의 구조를 나타내기 위한 참고도.
도 4는 본 발명 일체식 천공 심층혼합처리공법을 공정별로 나타내기 위한 순서도.
도 5 내지 도 9는 본 발명에서 천공 어태치먼트의 구조를 나타내기 위한 참고도.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 공법을 첨부한 도면에 의해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명 일체식 천공 심층혼합처리공법을 공정별로 나타내기 위한 순서도이고, 도 5 내지 도 9는 본 발명에서 천공 어태치먼트의 구조를 나타내기 위한 참고도를 도시한 것이다. 본 발명은 육상 또는 해상 전용장비에 수직방향으로 설치되는 리더와, 상기 리더를 따라서 승하강하되 상부에 형성된 구동수단에 의해서 회전하면서 지중으로 관입 및 인발하기 위한 로드와, 상기 로드의 하단에 설치된 천공 어태치먼트로 구성되는 심층혼합처리장비를 이용한 심층혼합처리공법에 있어서, 연약지반의 N-값에 따라서 상기 N-값이 0 내지 9까지는 16 내지 27rpm, 상기 N-값이 10 내지 19까지는 6 내지 15rpm, 상기 N-값이 20 내지 50까지는 1 내지 5rpm으로 상기 로드가 회전되도록 상기 구동수단을 구동시켜 지중으로 관입하는 공정(a)과, 설계 심도까지 관입된 상기 로드를 상기 N-값이 0 내지 9까지는 27 내지 50rpm, 상기 N-값이 10 내지 19까지는 8 내지 26rpm, 상기 N-값이 20 내지 50까지는 1 내지 7rpm으로 상기 로드가 회전되도록 상기 구동수단을 구동시켜 상부방향으로 인발하는 공정(b)과, 상기 로드의 인발과 동시에 지반에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정(c)으로 이루어진다. 이처럼 본 발명은 연약지반의 N-값(연경도)에 따라서 로드의 회전속도를 조절하여 효율적인 관입 또는 인발공정을 수행할 수 있으므로 주입되는 안정제와 연약지반의 교반효율을 증대시켜 균일하고 연속적인 지중구조체를 시공할 수 있게 된다. 즉, 연약지반이 무른 상태에서 낮은 속도로 로드를 회전시켜 관입공정을 진행하게 되면 시공기간이 지연되는 원인을 제공하게 되고, 반대로 연약지반이 단단한 상태에서 빠른 속도로 로드를 회전시키게 되면 교반효율이 저하됨은 물론 장비의 부하가 발생하여 파손 및 손상되는 문제가 발생하게 된다. 특히 관입공정 및 인발공정에서 회전속도가 동일할 경우 관입공정시 연약지반의 저항 및 부하가 집중되어 시공효율이 저하되고 반대로 인발공정에서는 상대적으로 관입공정 보다 연약지반의 저항 및 부하가 감소하므로 회전속도를 달리하여 시공성을 확보할 수 있다. 전술한 공정을 진행하기 전에 먼저 당업계에서 활용되고 있는 표준관입시험(Standard Penetration Test:SPT)을 적용하여 측정된 연약지반의 연경도에 따라서 구동수단의 회전속도를 설정할 수 있도록 하였다. 전술한 표준관입시험은 연약지반을 대상으로 한국 표준산업규격(KS F 2318)에 규정된 방법에 의하여 지반의 연경도를 측정하는 시험법으로, 내부 지름이 3.81㎝인 시료채취기를 63.5㎏의 해머로 76.2㎝ 높이에서 낙하시켜 지반을 30.5㎝ 굴진하는데 필요한 해머 타격횟수를 측정하게 되는데, 이때 발생하는 타격횟수를 N-값이라고 통칭하여 연경도의 기준으로 널리 이용되고 있다. 따라서 연약지반의 N-값은 하기 표 1 "연약지반의 연경도, 일측 압축강도, N-값과의 관계"에 의해서 확인할 수 있다.
이처럼 본 발명은 상기와 같은 연약지반의 연경도에 따라서 다양한 N-값을 확인할 수 있었으며, 이에 N-값에 따라서 효율적으로 로드의 회전속도를 조절할 수 있도록 하였다. 즉, 본 발명자는 수차례의 시험시공과 다양한 지반의 특성을 감안하여 하기 표 2 "N-값에 따라서 변화하는 로드의 회전속도"를 설정하였다.
따라서 측정된 연약지반의 N-값을 기준으로 상기 표 2에 나타난 바와 같이 로드의 회전속도를 조절할 수 있으므로 시공품질은 물론 로드의 관입 및 인발 효율을 증대시킬 수 있게 된다. 이때 상기 N-값은 시공할 연약지반의 연경도에 따라서 변화되므로, 시공범위 및 설계 시방에 따라서 로드의 회전속도를 조절하여 제어할 수 있음은 당연할 것이다. 본 발명에서 상기 구동수단은 다양한 감속비율을 갖는 감속기는 물론 모터 또는 속도제어가 가능한 인버터모터를 사용할 수 있다. 한편, 본 발명에서 적용되는 육상 심층혼합처리장비(10) 및 해상 심층혼합처리장비(20)의 상세한 내부구조(도면) 및 작동원리는 당업계에서 널리 사용되는 공지된 기술(장비)이므로 본 발명에서 상세한 서술은 생략하기로 한다. 특히 본 발명은 시공효율에 따라서 전술한 공정 중에서 설계 심도까지 관입된 상기 로드를 역회전시켜 상부방향으로 인발하는 공정은 물론 상기 로드의 회전으로 관입과 동시에 지반에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정으로 진행할 수도 있다. 또한, 관입 및 인발 공정에서 지반에 안정제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정을 포함할 수도 있다. 이때 상기 로드(13,23)의 내부에는 안정제 또는 초고압으로 액체를 지반에 균일하게 주입 또는 공급할 수 있도록 하단 및 중간 일측으로 관통되도록 주입공이 형성됨은 당연하다. 특히 상기 로드(13,23)의 일측에는 파쇄날(14,24)이 설치되어 천공 어태치먼트의 회전으로 지반이 교반되면서 일정부피를 갖는 덩어리를 잘게 파쇄하는 역할을 수행한다. 아울러, 본 발명에서는 상기 b~c공정을 반복 실행하여 균일하고 연속적인 고강도의 지중구조체를 형성할 수도 있다. 특히 본 발명에서 안정제라 함은 연약지반을 개량하기 위한 시멘트, 코크스, 생석회, 플라이애시, 무수석고, 골재, 모래, 고로 슬래그, 또는 이들의 혼합물을 통칭한다. 여기서, 상기 천공 어태치먼트는 단단하거나 또는 견고한 지반을 천공하여 시공효율을 극대화하기 위한 수단으로, 이는 도 5에 도시된 바와 같이 로드(13,23)의 하단에 탈착할 수 있도록 설치하되 내부에는 외경으로 안정제 분사할 수 있도록 주입공(140)이 형성되고 하단에는 초고압의 액체를 분사하여 천공할 수 있도록 분사공(130)이 각각 형성되는 몸체(110)와; 상기 몸체(110)의 외경에 나선형태로 형성되는 천공스크루(120)로 구성된다. 따라서 상기 천공스크루(120)의 회전과 동시에 초고압으로 액체를 분사(제트 그라우팅)하여 지반을 천공하여 교반작업을 수행할 수 있다. 이때 상기 몸체(110)는 도 6에 도시된 바와 같이 지반을 원활하게 천공할 수 있도록 원추형태로 형성될 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 천공스크루(120)의 일측에는 힌지축(121)을 중심으로 내측 또는 외측으로 회동할 수 있도록 확경비트(122)가 마련되고, 상기 천공스크루(120)의 일측에는 역회전시 토압 및 지반의 저항을 받아서 상기 확경비트(122)가 펼쳐지도록 유도하기 위한 삽입부(123)가 형성되며, 상기 천공스크루(120)의 일측에는 상기 확경비트(122)가 펼쳐질 경우 맞닿아 더 이상 펼쳐지는 현상을 방지하기 위한 걸림턱(124)을 형성할 수 있는데, 이는 정회전일 경우에는 상기 확경비트(122)가 천공스크루(120)의 내측으로 밀착된 상태로 관입하고 역회전일 경우에는 원심력은 물론 상기 삽입부(123)에 토압 및 지반의 저항이 집중되면서 상기 확경비트(122)가 자연스럽게 외측으로 벌려지면서 교반효율을 향상시킴은 물론 지반에 대구경의 지중구조체를 시공할 수 있다. 이때 상기 천공스크루(120)는 원활한 시공효율은 물론 교반효율을 증대시키기 위해서 오른나사 또는 왼나사 형태로 형성됨이 바람직하다. 특히, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 천공스크루(120)의 외경 표면에는 굴착팁(120b)이 형성되어 견고한 지반을 천공할 수 있도록 보조한다. 아울러, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 천공 어태치먼트는 로드(13,23)의 하단에 탈착할 수 있도록 설치하되 내부에는 외경으로 안정제 분사할 수 있도록 주입공(140)이 형성되고 하단에는 초고압의 액체를 분사하여 천공할 수 있도록 분사공(130)이 각각 형성되는 몸체(110)와; 상기 몸체(110)의 외경에서 하부방향으로 형성되는 굴착비트(120a)로 구성되어 지중에 천공작업을 원활하게 수행할 수 있다. 따라서 본 발명은 연약지반의 N-값에 따라서 로드의 회전속도를 조절하면서 관입 및 인발공정을 수행할 수 있음은 물론 단단하거나 또는 견고한 연약지반의 천공작업을 가능하게 하여 시공효율을 증대시킴은 물론 고품질 지중구조체를 시공할 수 있다. 이처럼 상기와 같이 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 포함되는 것은 당연하다.
10: 육상 심층혼합처리장비
11: 리더(Leader) 12: 구동수단
13: 로드 14: 파쇄날
20: 해상 심층혼합처리장비
21: 리더 22: 구동수단
23: 로드 24: 파쇄날
100: 천공 어태치먼트
110: 몸체 120: 천공스크루
120a: 굴착비트 120b: 굴착팁
121: 힌지축 122: 확경비트
123: 삽입부 124: 걸림턱
130: 분사공 140: 주입공 |
