1. 개요
Micro Pile이란 지반보강과 Pile의 대용으로 시공되는것으로 각 나라별, Mini-Pile, Micro Pile, Root Pile, Needle Pile, 그리고 Gewi Pile등으로 불리워지고 있다.
Micro Pile은 250mm 이하의 직경의 모든 소구경 Pile을 칭하지만 간혹 150mm 이하의 직경을 Micro Pile, 150~250mm 의 직경을 Mini Pile 이라고 한다.
천공 Type Micro-Pile은 Pile의 직경에 비해 큰 하중을 지지할 수 있다. 그 이유는 종래의 Bored Pile에 비해 주변지반의 교란작용이 적고 압력주입에 의해 유효직경이 증가하며, 지반과 Pile 사이의 결합강도가 개선되기 때문이다.
1950년에 이탈리아의 Pile 전문업체인 FONDEDILE사는 Root Pile(Pali Radice)을 개발하여 기존 건물의 보강 및 복원을 위해 사용하였다. 보강 Pile의 설치목적은 구조물의 지지력을 증가시켜 주기위한 목적으로 첫번째 기존 구조물에 피해를 주지 말아야 하며, 둘째로 제한 공간에서 작업이 가능해야 하며, 셋째로 필요한 최소한의 하중을 지지할 있어야 한다.
1960년대 중반에 독일에서는 주로 도로, 지하철 등의 지하 구조물등에서 널리 이용하였다. 이탈리아의 특허권이 만료된 1970년초부터는 소구경의 Pile의 기술들이 전세계적으로 발전하였고 새로운 특허방법들이 개발되었다. 새로운 공법들은 Injection Micro-Pile(IMP Solletanche), Gewi Pile(Dywidag), Tubfix Micro-Pile(Radio), Menard Minipile 등이다.
2. Micro Pile의 적용
Micro Pile은 파일체 구면의 마찰력에 의해 압축력과 인장력을 지지할 수 있는 Pile로서 시공 목적에 따라 구조물 지지 Pile(Bearing Pile), 지반 보강용 파일(Soil Reinforcement Pile), 인장용 Pile(Tension Pile)등의 주요 3분류로 구분할 수 있다. 이 분류법에 대한 적용 방법은 다음과 같다.
1. 구조용 지지 파일(Bearing Pile)
① 도시의 주거지나 소규모의 산업 구조물이 ⅰ) 연약 토사 ⅱ)팽창성 토사 ⅲ)침하성 토사(Shrikable) ⅳ) 신,구조물 사이의 차별적인 침하방지를 위한 Pile
② 구조물의 보강을 위해 조합과 under pinning을 위한 pile
③ 기존구조물 내의 신규 중장비를 설치하기 위한 국부적인 지반 보강용
④ 침하 억제용
2. 지반 보강용 파일(Soil Retaining and Reinforcement)
① 암반 보강용
② 사면 보강용
③ 터널 보강용
④ 지반 개량 및지지용
3. 인장용 Pile (Tension pile)
① 부력 구조물용
② tower element의 하부
③ 수평토압, 지지 구조물용
④ 퐁화암층에 의한 전도방지 구조물요
3. 시 공 방 법
Micro_Pile은 시공방법상 Drilling Method와 Displacement Method로 분류된다.
1) Drilling Method
천공 Micro-Pile의 경우, 초기에 Fondedile사에서는 Casing 75mm ~ 250mm를 사용하여 천공하는 Fondedile System을 개발하여 비점착성(Non-cohesive) 토사층에 시공하였다. 천공은 설계심도까지 Casing을 사용하며 Casing 내부에 청수(Water)나 Bentonite 이수를 보내어 암편(Cutting)들을 Casing과 공벽사이로 배출시킨다. 암편들이 Casing과 공벽사이로 배출되기 때문에 Borehole의 공벽이 불규칙하게 되고, Casing 직경보다 공경이 확대되어 파일체의 주면마찰력이 향상된다.
Borehole 천공후 Cement Paste를 공저에서부터 Tremie Pipe나 Injection Tube를 사용하여 공내에 채운다. 보강용 Cage를 설치하고 Casing을 서서히 회수한다.
Casing 회수중에 Grout재에 압력을 가하여 파일체의 주면 마찰력을 감화시킨다. 큰 하중이 필요한 기초 Pile의 경우 Cor Pile Type을 사용하는데, 파일체 중에 Steel이 차지하는 체적이 큰 Pile 체이다. 공벽의 유지가 불안정한 지반까지 Casing 천공한 후 Bit를 이용하여 설계심도까지 천공한다. 천공작업중 천공용수는 청수를 사용하는 것을 원칙으로 한다. Bentonite 이수는 파일체의 주면마찰력을 감소시킬 수 있으므로 설계하중의 지지력 산정시, 지반과 Pile체의 주면마찰력이 반영되었으면 청수를 사용하여야 한다.
천공을 환료하면, High Sterngth Bar, Gewi Bar, Dywidag Bar, Steel Pile 등을 한개 또는 조합한 Pile체를 Borehole의 공저까지 근입한다. 공저에서부터 시멘트 Paste를 주입하여 공내에 존재하는 지하수나 천공 Slime을 지상으로 배출시킨다. 주입된 시멘트 Paste는 파일체의 부식과 좌굴을 방지하며 보강재에 작용하중을 지지할 수 있도록 한다. 이때 Casing을 서서히 회수한다.
1차 Grouting이 완료된 후 파일체의 하단 부위에서 압력 Grouting을 실시한다. 압력 Grouting을 실시해 지반과 파일체의 부착력을 크게하여 주면마찰력을 증대시켜 허용축하주중을 증대시킬 수 있다.
2)Displacement Method(배토법)
종래의 방법과 유사한 시공법으로 Jacking력을 이용하는 방법과 Mandrel을 아용하여 Pile을 설치하는 방법이 있다. Jacking력을 이용하는 방법은 진동과 소음이 거의 없으며 Pile 시공중 Pile 지지력 값을 알 수 있는 장점이 있다.
Mandrel sytem은 Menard Techiques사에서 고안한 방법으로 끝이 가는 Steel Mandrel을 진동으로 방법으로 최대 시공깊이는 8m이다. 배토법은 천공작업중 토사를 지상으ㅗㄹ 배출시키지 않고 Borehole 주변으로 배토시키므로 주변지반의 수평력을 증대시킨다. 그러므로 파일체 형성시에 마찰력이 증대된다.
이 방법은 공내에 Dry Concrete를 채우고 다시 Mandrel을 삽입하여 Pile체를 팽창시켜 파일체의 표면마찰력을 증대시킨다. 배토법은 큰 하중을 지지할 수 없어 현재에는 거의 사용되지 않고 있다.
4. Micro-Pile의 설계
일반적으로 Pile의 지지력은 외적인 요인(지반에 관련)에 의해 결정되나, Micro-Pile은 내적인 요인(파일체의 성분)에 의해 파일체의 허용하중이 정해지므로 설계시 외적인 요인과 내적인 요인을 동시에 고려하여 설계에 반영해야 한다.
Micro-Pile 설계시에는 비교적 작은 단면적으로 작용하중을 지지하므로 정착구간(Bond Zone)에 대한 지반의 세부적인 조사를 통하여 지반의 압축성, 전단강도, 밀도, 지하수 조건등을 파악함으로써 Grout재와 지반과 결합력, 파일체의 설치방법 등을 고려한 설계가 이루어져야 한다.
1) 내적인 요인(Internal Micro-Pile Design)
.보 강 재(Reinforcement Steel)
Micro-Pile에 하중이 작용하면 일차적으로 보강재가 하중에 저항하므로 보강재의 성질에 따라 허용하중 및 허용탄성 변형특성이 다르게 나타난다.
Pile체의 단면이 작기 때문에 보강재는 작은 단면에 비해 큰 하중 즉, 인장력이나 압축력을 받을 수 있는 재료를 선택해야 한다. 작용하중이 작은 Pile은 일반적으로 보강재의 압축저항력만을 고려한 설계가 이루어진다. 보강재로는 나선형철근 Cage나, 소수의 Strength Bars를 자주 이용하며 만일 Pile에 인장력이 작용할 경우 소수의 Strength Bars를 사용한다. 국내외에서 널리 이용되는 보강재로는 철근 Cage, High Strenth Bar, Steel Pile, Gewi Bar, Dywidag Bar 등이 사용되며 설계목적과 현장상황을 고려하여 적합한 보강재를 선택하여 이용한다.
.Grout 재
보편적으로 이용되는 경화제는 Cement와 물을 배합한 Grout재이다. 사용하는 물은 항상 신선한 청수를 사용해야 하며 보강재의 부식을 방지하기 위해 염화물이온의 포함양이 500mmg/l 이하이어야 한다.
시멘트 Paste의 주입이 이루어지면 공내에 균질하게 채워질 수 있도록 충분한 유동성을 가져야 한다. 시멘트 Grout 재의 성질에 영향을 미치는 요인은 Cement배합비이다. Bleeding, Grout재의 극한강도, Plasticity은 물의 배합량에 따라 달라진다. 과다한 물의 배합은 Bleeding, 강도저하, 수축성 증가, 내구성 저하 등의 원인이 된다. 그러므로 충분한 유동성을 가지며 최대의 강도가 발현할 수 있도록 물배합비를 정해야 한다. 일반적으로 Micro-Pile의 w/c비는 0.45~0.55 이다.
.Grout-Steel Bond
보강재와 Cement Paste의 결합력이 일차적으로 작용하중에 대해 지지할 수 있도록 지내력을 발현할 수 있어야 한다. Micro-pile에 하중이 가해지면 하중 전달은 일차적으로 보강재에 전달되어, 보강재와 Cement Paste의 결합력에 의해 지반에 하주을 전달한다.
보강재와 Grout 재의 결합력은 보강재의 표면의 상태와 밀접한 관계를 가지고 있다. 이형철근이나 Thread Bar는 표면의 거칠기가 크므로 Grout 재의 부착강도가 증가하게 된다. 그러나 강봉이나 Steel Pipe는 표면이 매끄러워 Grout 재 주입시 결합력이 저하되지 않도록 유의해야 한다.
일반적으로 보강재와 Grout재의 결합력은 지반과 Grout재와의 강도보다 상당히 큰 값을 가지므로 Micro-Pile체의 설계는 크게 고려하지 않는다. 약간의 녹은 파일체의 강도에 큰 문제를 일으키지는 않으나 기름 같은 유류물질에 접촉된 보강재는 Grout재의 접착강도를 저하시키므로 오염된 파일체는 사용해서는 안된다.
.Pile 체 작용
MIcro-Pile 이 압축을 받을 때 하중은 파일체의 전단면에 걸쳐 작용한다. 그러므로 작용하중에 대해 Steel과 Grout재가 동시에 공동으로 저항한다. 그러므로 Steel 의 허용압축력과 Grout재의 허용압축력을 설계시에 반영하여 파일체의 지지하중을 설계하면 보강재의 양을 줄일 수 있어 경제적이다. 그러나 이론적 및 실제적으로 파일체(Grout+보강재)는 작용하중에 대해 분담하여 하중을 지지하나, Micro-Pile에서 보강재의 체적이 Grout재의 체적에 50%이상을 차지하므로 HongKong(1976)등의 나라에서는 설계에서 Grout 재의 하중 지지력을 계산에 넣지 않는 것을 규정화 하고 있다. Grout 재는 작용하중을 지지하는 역할보다 보강재가 지내력으 발휘할 수 있도록 하는 역할과 좌굴현상을 방지하는 역할에 더 큰 비중을 차지하고 있다.
2) 외적인 요인(External Micro-Pile Design)
.Grout-Ground Bond
직경 30cm 이하인 소구경 Pile에서는 하중전달은 선단지지보다는 주로 파일체의 주면마찰력에 의해 그 하중이 전달된다. 예를 들어 직경 20cm인 Pile에 5m 길이가 정착되어 있는 파일체의 경우, 횡단면적보다 종단면적이 100배 정도크다. 극한 주면저항이 선단저항보다 훨씬 빨리 발휘되며, 말뚝길이가 길 경우 상당량의 하중까지는 말뚝 주면저항만 부담하게 된다. 일반적으로 주면 마찰력이 발휘되기 위해 필요한 Pile 체의 변위는 선단지지력을 발생시키기 위한 변위보다 20~40배 정도 작다, 그러므로 Pile 선단부분의 지지력을 설계시 고려하지 않는 것이 바람직하다.
Pile의 안정성 측면을 고려할 때 Pile이 토사층에 정착될 경우, 3m 이상으로 설치해야 하고 암반의 경우 1m 이상이 되도록 설치해야 한다.
5. 주요 Micro-Pile 시공법
1)철근 마이크로 파일(Rebar Micro-Pile)
Micro_Pile은 소구경으로 천공하므로 장비가 작고 소음과 진동이 거의 없이 Pile을 시공할 수 있으며, 종래의 공법으로는 시공이 불가능한 도심부의 주거지, 협소한 장소 등에 이용할 수 있다. 또한 Pile체의 직경에 비해 큰 하중을 지지할 수 있어 종래의 말뚝시공 방법과 비교하여 경제적일 수 있으며, 타입말뚝 공법은 전석층이나 지지층이 깊은 곳에 위치할 경우 적용하기에 많은 문제점이 있으나, Micro-Pile 공법은 지반을 천공하여 Pile 체를 형성시켜 지반과 Grout 재의 주면마찰력에 의해 작용하중을 지지하므로 호박돌이 협재된 전석층이나 지지층이 깊은 곳에 위치된 경우에도 큰 문제없이 시공이 가능하다.
<시공방법>
Drilling
일반적으로 많이 사용되는 천공 Bit의 직경은 76, 80, 90, 105, 115, 152, 165mm이다, 특수하게 직경 200mm 이상의 Bit를 사용하기도 한다. 지반이 불안정한 지반은 공벽이 붕괴되지 않는 심도까지 Casing을 설치하고 그 내부를 Bit로 천공한다.
천공작업중 작업용수는 청수를 사용하여 암편이나 Slime을 제거한다. 일반적으로 Bentonite 이수는 지반과의 부착력을 감소시킬 수 있으므로 사용하지 않는다. 천공장비로는 유압천공기(KR804,803,C6, Termait 등), 크로울러 드릴 등이 현재 많이 사용되고 있다. 장비가 작아 기존 건물이나 장애물 등과 근접되어 있어도 시공할 수 있어 종래의 방법으로 시공이 불가능한 곳에서도 작업이 가능하다. 전석층이나 호박돌층이 혼재되었을 경우 Casing 천공이 가능한 유압천공기를 사용한다.
파일체 제작 및 설치
일반적으로 사용되는 파일체의 재료는 High Strength Bar, Gewi Bar,Dywidig Bar 등이 있으며, 재료의 선택은 지반특성과 설계 허용하중에 적합한 재료를 조합하여 파일체로 이용한다. 파일체는 하중을 지지하는 보강재(Rebar)와 공내에 Grout재를 주입할 수 있는 PE Hose로 구성되어 있으며 Steel Wire로 묶어져 있다
파일체 제작시에 대부분 Rebar를 Group으로 사용하므로 Rebar와 Rebar 사이의 공간이 국부적으로 협소하여 Grout재 주입시 공경내를 충만히 채우지 못하고 때때로 Cavity가 형성된다. 이러한 문제가 발생하지 않도록 Spacer를 1.5~2.0m 간격으로 설치하여 Grout 주입시 공경내에 충만히 채워질 수 있도록 한다. Rebar 와 Rebar 의 연결을 Coupler를 이용하며, 파일체 설치는 Cargo Crane, Crane 등을 사용하여 공내에 서서히 공저까지 근입한다.
중력 Grouting
파일체가 공내게 설치되면 Grout 재를 주입한다. 우선 파일체가 공내에 설치된 직후 PE Hose를 통하여 압력을 가하지 않은 중력 Grouting을 실시한다. PE Hose의 끝은 공저에 설치되어 있으므로, Grout재가 주입되면 공내에 잔적하고 있는 지하수, Slime 등을 비중차에 의해서 상부로 배출시킨다.
Casing은 중력 Grouting 중에 서서히 인발한다. 시멘트의 배합은 중량비로 W/C가 0.45~0.55 로 배합하여 사용하며 Grouting 재의 수축성방지, 유동성 증가, Setting Time 감소, Bleeding을 방지하기 위해 적절한 첨가제(팽창제 등)를 소량 포함시켜 배합한다.
압력 Grouting
Micro-Pile은 지반과 파일체의 결합력에 따른 주면마찰력에 의해 작용하중을 지반으로 전달시키는 Pile 이다. 그러므로 결합력을 증대시켜 주는 방법이 보다 안정한 Pile 체를 형성시키는 중요한 요인이다.
중력 Grout재가 Setting 된 후 압력 Grouting을 실시하면 Bond Zone에서는 하중 지지능력이 크게 개선된다. 또한 비교적 느슨한 지반일 경우 공경을 확대시키는 효과를 발휘하여 실제적으로 주면마찰력을 증대시키는 효과를 발휘한다.
압력 Grouting 은 일반적으로 Pile의 하단부분에 설치된 PE Hose를 통하여 압력주입을 실시한다. Grouting 압력은 지반의 Htdrofracturing, Heaving 등의 영향을 고려하여 설정하나 일반적으로 5~10kg/cm2f을 적용한다. 압력이 40 kg/cm2 이상으로 주입하는 것은 실시공상 피한다.
두부정리
파일체의 설치가 완료되면 구조물의 하중이 파일체에 전달되도록 파일체에 적당한 방법을 취해야 한다. 구조물과 Pile과의 연속성을 보장하여 "Clamp" 효과를 발휘할 수 있도록 상부에 Steel Plate를 Nut로 고정시키거나 용접하여 설치한다. Nut로 고정시키는 경우 Rebar에 나사선을 가공한다.
2) 강관 마이크로 파일(Steel Pipe Micro-Pile)
지반이 약간 느슨하거나 좌굴의 문제가 우려될 경우, Steel Pipe를 파일체로 이용한다. 강관 마이크로 파일은 일반적으로 구조물의 Delfection을 최소화하기 위해 큰 수평력에 저항할 수 있는 Pile체로 자주 이용된다. Steel Pipe Micro-Pile로 Rebar Micro-Pile과 비슷한 방법으로 설치한다. Steel Pipe는 표면이 Rebar Micro-Pile 에 비해 매끄러워 지반과 Steel Pipe 사이의 피복두께가 얇은 경우, 주면 마찰력이 제대로 발휘되지 못해 허용지지력이 감소될 수 있다. Steel Pipe 제작시에 5mm 구멍 4개소를 1m 간격으로 뚫어 압력 Grouing을 실시하여 Hole 주변부의 결합력의 증대시켜줘야 한다.
<시공순서>
천공 -> Steel Pipe 근입 -> 중력 Grouting -> Cap Grouting -> 두부정리
<특징>
Rebar 파일체에 비해 좌굴에 대한 저항성이 크다.
Grout 재의 유동성을 저해하는 방해물이 없어 Hole 내에 충만히 채울수 있다.
Pipe 상단에 Cap을 설치하고 Grouting을 실시하면 파일체와 지반과의 부착력을 증가시킬 수 있다.
Steel pipe의 이음부를 용접할 경우 기지력이 감소되지 않도록 주의해야 한다.
3) 압력 주입 마이크로 파일(Injection Micro-Pile)
지반개량과 병행하여 Micro-Pile을 설치할 경우, Pile 체가 설치된 지반이 연약하여 주면마찰력이 작아 충분한 하중지지를 하지 못할 경우, 또는 좌굴의 우려가 예상될 경우에 실시하는 공법으로 Pile체의 중암에 T.A.M Sleev를 설치하여 압력 주입을 실시함으로써 지반을 보강하여 지반 자체의 지지력을 증대시켜 주고 또한 Pile의 지지력을 향상시키는 공법이다.
중력 Grouting 후 Grout 재가 Setting Time이 지나면 T.A.M Grouting을 실시한다.
T.A.M Grouting은 P.V.C Pipe를 통하여 공저에서부터 1m 간격으로 상승시키면서 주입한다. T.A.M Grouting에서 주입은 Single 이나 Double Packer를 사용하여 주입한다. Packer의 끝부분(Single Packer)에서 나온 주입액은 P.V.C Pipe의 구멍을 통하여 Rubber Tube를 밀고 주변지반으로 침투하게 된다. 설계된 주입압이나 주입량에 도달되면 다음 Step으로 이동하여 같은 방식으로 주입한다.
T.A.M Grouting을 실시하므로 하중지지력을 증대시키고 Pile 주변의 느슨한 지층을 보강하여 거동특성을 개선시키고 압축성지층의 경우 부마찰력을 감소시킨다.
Injection Micro-Pile은 지반이 연약하여 주면마찰력이 부족하거나, 부마찰력이 예상되는 지반에서 여타의 공법에 비해 적절한 시공법이다. 또한 사면의 Sliding이나 지반의 수평거동을 억제하는 방법에 적합한 시공법이다.
<시공순서>
천공 -> 파일체 제작 및 근입 -> 중력 Grouting -> T.A.M Grouting -> 두부정리
** 시공 사진**
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마이크로 파일 천공 |
마이크로 파일 근입 |
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마이크로 파일 주입 |
마이크로 파일 완료
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