팽이말뚝기초

지혜로운 선인들이 연약지반에서 목재로 엮은 지지대 위에 옥석을 부설함으로서 하중의 분산효과를 얻었던 옥석기초공법에서 비롯된 것인데, 옥석대신 역학적으로 더욱 특성적인 팽이말뚝을 지내력이 부족한 지반위에 부설하여 지반을 개량 보강함으로서, 안정성은 물론이고 시공성과 경제성에서도 뛰어난 기대효과를 얻을 수 있는 신기초 공법이며, 그 탁월한 특성과 적용용도는 아래와 같습니다.

■ 기초 지반의 지지력을 증대시키면서 구조물의 전체 침하와 부등침하를 억제 하고, ■ 시공장소의 협소와 대형장비의 시설에 구애받지 않으며 건설공해가 없으면서, ■ 기초에 흡진 및 방진효과와 내진성을 고려하여야 하는 경우로, 아래와 같은 다양한 기초에 적용됩니다. 환경시설관련 구조물기초 (매립장·소각장·폐기물처리장) 일반건축시설물과 아파트기초 아파트단지의 지하주차장기초 정화조와 저수조의 탱크기초 매트슬라브 콘크리트의 기초 일반 토목시설물의 기초 가도와 지하차도의 기초 관로와 BOX암거의 기초 전력구와 공동구의 기초 교량과 BOX교량의 기초 일반 옹벽시설물의 기초 정밀기계의 흡진과 방진기초

 

 

이상적인 지반의 가정 사실적인 지반의 현상 * 흙은 균질하고 완전히 포화되어 있다. * 지반의 위치나 깊이에 따라 흙은 비균질이고, 지하수아래 지반이라도 기포가 존재한다. * 흙 입자와 물의 압축성은 무시한다. * 미소한 양의 압축성은 있으나 실용적으로는 비압축성이다. * 흙 속의 물의 이동은 Darcy의 법칙을 따르며, 투수계수는 일정하다. * 하중증가에 따라 감소하며, 지반지층에 따라 투수계수는 일정치 않다. * 압축토층은 횡적으로 변위되지 못하도록 구속 되어 있다. * 정지토압계수 Ko상태는 타당하나, 실제의 기초에서는 2차원, 3차원 침하형태로 발생한 다. * 유효응력이 증가하면 압축토층의 간극비는 유효응력의 증가에 반비례해서 감소한다. * 타당하나 하중의 재하기간에 따라 다르다.

<그림 2.1>은 구조물의 기초지반이 지표면까지 포화되어 있고 연속되어 있는 것으로 가정되었는데, 흙입자 사이의 접촉면 (X-X)에 작용하는 연직방향으로 힘의 평형을 고려해 보면, 구조물로 인하여 재하된 연직하중이 지 중으로 전달될 때, 그 방향이 종잡을 수 없도록 제 각각으로 나타납니다.   <그림 2.2>는 구조물의 기초지반 아래 토층속에서 일어나는 증가 응력 △P를 구하는 Boussinesq의 식인데, 이러한 2:1분포의 응력분산식도 위에서 와 같은 가정에서 유도된 것입니다. 실제로 구조물이 축조되는 쇄석(잡석)기초와 콘크리트매트기초 아래의 지반은 위의 가정과 같은 균등·균질의 이상적인 토질이 아니기 때문에, 어떠한 일관적인 메카니즘이 이루어지기 어렵게 되므로, 기초지반이 국부전단 파괴의 부등침하발생으로 나타나게 됩니다.

 

	<그림 2.3>은 팽이말뚝기초의 시공단면과 역학특성도인데, 지내력이 부족한 지반위의 쇄석층에 팽이말뚝의 원추부가 방석처럼 자리하고, 그 아래 지반지층에 팽이말뚝의 말뚝부가 촘촘히 박혀있는 형태로 되어 있으며, 팽이말뚝의 아래와 위쪽은 철근으로 상호 결속되어 있으므로, 팽이말뚝기초는 유연성이 있는 강성지반구조로 됩니다. 또한 팽이말뚝 원추부의 접지면은 45˚이어서 접지면이 1.4배로 증가하게 되는데, 이는 <그림 2.4>와 같은 습지도저의 트랙과 같은 것이며, 팽이말뚝 원추부의 45˚접지면때문에 연직재하하중이 수평분력(PH)와 수직분력(Pv)의 응력으로 나누어지면서, 수평분력은 서로 상쇄가 됩니다. 이는 곧 팽이말뚝기초에서는, 채움쇄석층과 원추부의 45˚접지면에 의한 응력분산효과와, 채움쇄석층과 말뚝부의 근입저항에 의한 측방유동억제를 기대할 수 있게 되는데,
결국 팽이말뚝기초는, 쇄석이나 잡석기초에서 그 기초층의 구조를 팽이모양으로 형상화하여, 응력분산효과와 측방유동억제라는 소기의 역학특성이 확실하게 이루어지게 함으로서, 지지력증대와 침하량감소의 효과가 나타나도록 한, 이상적인 지반개량공법인 것입니다. <그림 2.5>는 각종 기초에서의 지중강도분포도인데, 콘크리트매트와 쇄석기초층에서는 점착력(c)과 전단저항각(Ø) 을 2/3만 취하는 국부전단파괴의 부등강도선으로, 그리고 팽이말뚝기초에서는 점착력(c)과 전단저항각(Ø)의 전체를 취하는 전반전단파괴의 균등강도선으로 나타나고 있으므로, 이는 곧 팽이말뚝기초가 훨씬 더 안정하다는 것을 뜻합니다. 사실상 팽이말뚝기초는 원지반에 비하여, 지지력에서는 1.5~2.5배로 증가하고 침하량에서는 1/2~1/4로 감소합니다. 팽이말뚝기초에서는, 하중재하가 등분포재하형식으로 그리고 침하형태가 균등침하형식으로 나타날 뿐더러, 응력분산효과에 의하여 지중강도가 감소하므로 재하하중이 전체적인 지반심도까지 영향을 미치지 않게 됩니다.

 

 

	팽이말뚝기초공법은, 팽이말뚝본체의 특징적인 형상과 말뚝사이의 다짐된 채움쇄석이 응력집중을 방지하고, 팽이말뚝의 말뚝부와 지반사이에 마찰저항이 발생하여 말뚝부 주변지반의 측방변형을 구속함으로, 지내력 즉, 지지력이 증대되고 침하량이 억제되는 효과가 발휘됩니다. 무처리기초의 경우에는 중앙의 바로 아래에서만 강도증가가 나타나고 단부에서는 나타나지 않는데, 이는 단부의 지반내에서 측방 유동이 일어난 결과이며, 이로 인하여 큰 침하가 발생하는 원인이 됩니다. 팽이말뚝기초의 경우에는 오히려 기초지반의 단부에서 강도증가가 나타나고 있는데, 이는 기초지반을 구속하는 효과가 일어나고 있다는 것이며, 이로 인하여 지반의 측방유동이 방지되고 침하가 억제되는 것입니다.
1) 극한지지력을 고려하는 경우, 그림에 나타난 팽이기초의 근입깊이에 유의한다. 2) 그림에 나타난 응력분산선에서와 같이, 팽이말뚝의 상단에서부터 응력이 넓게 분산된다. 3) 팽이말뚝의 말뚝부 사이에서 간극수압의 발생이 극히 작다. 4) 팽이말뚝의 말뚝부 부근에서 다이레탄시(전단변형에 따른 체적압축)가 거의 일어나지 않고 표면침하가 억제되어, 일차원적인 침하만을 유도한다.

 

 

지진에 대한 액상화대책공법인 팽이말뚝기초공법 1964년 일본의 신사지진 때에는 대규모의 액상화가 발생하여 큰 피해를 입었으므로, 그 이후 액상화 대책공법이 여러가지로 개발되었으나 비경제적이어서 팽이말뚝기초가 많이 채택되었습니다. 1987년 12월 지바현 풍파지진이나 1995년 1월 고베대지진에서도 광범위한 액상화 때문에 큰 피해가 일어났으나, 팽이말뚝기초를 사용한 주택이나 건축물에서는 거의 피해가 발생하지 않았습니다. 동경대학의 지진연구소에서 시행한 여러가지 조사실험결과, 팽이말뚝기초공법이 액상화대책공법으로 매우 효과적임이 밝혀졌습니다. 진동에 대한 내진대책공법인 팽이말뚝기초공법 구조물의 하중이 지반의 허용지지력보다 더 크고 편심하중으로 작용할때 침하와 변위의 억제기초로서 효과적이며, 액상화가 발생할 수 있는 지반일때 액상화를 방지하고자 하는 보강기초로서 효과적입니다. 일본대학의 주행차량 현장시험에서 나타난 기초의 진동감소율은 아래와 같습니다. 기초형식 진동감소율 쇄석기초 39% 팽이기초 54%

 

* 톱-베이스공법의 기술자료 - 한국지반공학회 회지, 1990. 12 * 팽이말뚝기초공법의 표준품셈 - 건설교통부제정(5-24), 1995. * 팽이형파일공법의 연구보고서 - 서울공대 지반공학연구실, 1995. 9 * 기초공학 : 지반개량 톱-베이스공법 - 한양공대 천병식교수저서 , 1997 * 신공법 팽이기초와 신자재 파형강관 - 농업기반공사 직무교육, 1995~1998 * 톱-베이스공법의 팽이형전면기초 - 건설기술교육원 직무교육, 1996 * 톱-베이스공법의 팽이형말뚝기초 - 한국도로공사 설계심사지, 2001. 5 * 현장타설형 팽이기초의 지반거동 연구 - 단국대학 지반공학연구실, 2003. 12 ※ 위의 검증문헌은 학술연구와 공법실무를 위하여 필요하신 분에게 낱낱자료로 제공될 수 있습니다

 

순서 비 교 구 분 현 장 타 설 형 공 장 제 작 형 1 팽이말뚝의 규격중량 Ø500mm 용기형태, 2㎏/개당 Ø500mm 제품형태, 75㎏/개당 2 팽이말뚝의 채움재료 콘크리트/쇄석/ EPS/ 슬래그 /환경자재 일반콘크리트 3 팽이말뚝의 제조생산 소형공장에서 대량생산 대형공장에서 생산 4 팽이말뚝의 야적장소 소규모 장소 소요 대규모 장소 필요 5 팽이말뚝의 취급운반 경량물로 취급용이하고 대량운반 중량물로 소량운반 6 팽이제품의 안정성 팽이말뚝의 원추부와 말뚝부 접점에서 발생되는 크랙 및 절단을 원천적으로 제거보호 7 팽이기초의 시공성 경량물로 시공용이하며 공장제작형의 60% 공장제작형, 100% 8 팽이기초의 경제성 공장제작형의 70% 공장제작형, 100% 9 소음과 진동의 공해 소형공구로 소음과 진동의 건설공해 없슴 소형장비의 소음과 진동 일부발생 10 대규모현장의 적용성 대량생산과 시공성 및 경제성에서 적합 11 유니트(그룹)시공성 여러개를 유니트판넬 (그룹)화하여 시공가능 낱낱의 팽이말뚝으로 시공 12 설계접지압 저항구조 (팽이말뚝+수지용기)의 합성압축부재 팽이말뚝 단순압축부재 13 팽이기초의 응용성 팽이말뚝부의 근입길이가 연장 가능하며 기초하부지반의 그라우팅 보강도 가능 14 팽이말뚝의 내구성 수지용기의 피복으로 내염·내산에 우수 15 소재의 환경친화성 재활용재의 수지용기로 환경친화성

 

		매입말뚝기초공법		팽이말뚝기초공법
		SIP공법	SDA공법	공장제작형	현장타설형
공 법 개 요		1. Auger 장비로 소요 말뚝보다 직경이 10㎝ 정도 크게 굴진 2. 오거빗트를 통해 Cement Paste와 Bentonite를 배합한 용액을 주입,공벽을 보호하면서 설계 심도까지 굴진 3. 기성말뚝을 압입한 후 햄머로 약1.5m 타격 4. 말뚝내부에 Soil-cement 충진	1. Auger screw 와 Casing screw를 역회전시키면서 굴진 2. Cement milk 또는 Cement mortar을 천공된 선단에서 약3m 주입 3. Auger screw 인발 및 Casing 내부로 말뚝 삽입 4. 말뚝과 Casing 사이에 Cement milk나 Cement mortar 추가 주입	1. 계획지반면을 고른 후 위치철근 을 설치 2. 위치철근의 삼각근 사이에 팽이말뚝을 압입 3. 팽이말뚝의 철근 고리에 연결철근 결속 4. 팽이말뚝사이의 공극을 쇄석으로 진동 충진	1. 계획지반면을 고른 후 위치철근 을 설치 2. 위치철근의 삼각근사이로 팽이용기를 압입한 후 용기내부에 조강콘크리트를 채움 3. 팽이말뚝의 철근 고리에 연결철근 결속 4. 팽이말뚝사이의 공극을 쇄석으로 진동 충진
시 공 성	장 점	* 구조물의 하중을 강성의 콘크리트말뚝을 통하여 하부의 견고한 지반에까지 전달 * 재료와 형상의 선택폭이 매우 넓어 효과적 * 소음 및 진동이 타입말뚝(Driven Pile)보다 적음 * 기성제품으로 재료의 균질성이 좋음		* 구조물의 하중에 대하여 응력분산 효과와 기초지반의 측방변형을 억제함으로써, 지지력의 증가와 침하량의 감소를 도모 * 시공장소의 협소나 대형장비로 인한 진동 소음의 건설공해에 전혀 구애받지 않음 * 시공장비와 공정이 간단하여 공사기간 단축과 공사비가 아주 저렴 * 팽이말뚝은 소형제품이므로 운반과 취급이 편리
	단 점	* 현장접근로가 협소한 도심지에서는 대형 장비와 말뚝 자재반입이 곤란함 * 말뚝의 근입길이와 이음등에서 제한을 받음 * 대형장비로 인한 진동 소음의 건설공해로 민원발생의 우려가 큼		* 기초지반의 지반강도에 비하여 재하 하중이 과다할 때에는 적용이 불가능 * 팽이말뚝기초의 바로 인접지에서 팽이 말뚝기초보다 더 깊이 굴토할 때에는 팽이말뚝기초의 안정에 유의해야함
		* 지반응력의 이완과 굴착 공벽 붕괴에 따른 말뚝지지력 저감 문제 * 선단 지지지반 확인이 불가능 * 항타시공에 따른 소음과 진동 우려	* 원지반에서 장비의 접지(10~20t/m2) 확보 필요 * 굴착 수직도와 말뚝 연직도에서 1/100 이상 정밀도 요함 * 굴착된 토사의 비산 방지 장치 필요	* 현장타설형에 비해 중량이 큼 * 말뚝 하차시 시간이 많이 소요	* 합성수지용기로 열에 약함
경제성		대형장비와 공정이 많아 고가	SIP공법보다 훨씬 고가	소형장비와 공정이 간단 저렴	공장제작형에 비해서도 저렴

[출처] [본문스크랩] 팽이말뚝 기초공법|작성자 탱구리