1. 개    요

장대교의 기초 시공방법 중에 하나인 현장타설 콘크리트 말뚝의 시공형식을 비교하고 또한 시공 및 품질관리에 대한 지침을 제정코자 함.

2. 현장타설말뚝 시공공법

2.1 Benoto 공법(All Casing 공법)

가. 개    요

Benoto 공법이라는 것은 파리의 Benoto Co.가 고안한 Benoto 굴착기를 사용하여 소정의 지지지반까지 구멍을 파서 그 속에 콘크리트를 타설하여 확실한 원형기둥 기초를 만드는 공법이다. 이 공법에서는 끝에 Cutting Edge가 있는 강제의 Casing Tube를 반회전, 요동시키므로서 Tube 외주와 주위의 흙과의 마찰을 절단하고 또 Cutting Edge로 선단지반을 Cut하여 Tube를 지중에 관입시킨다. 이와 병행아여 크램쉘과 같은 작용을 하는 햄머 그래브(무게 약 3,000lb)로 굴착 운반하기 때문에 Tube 주변의 자연지반을 이완시키지 않고 구멍을 굴착하여 콘크리트를 타설하는 공법이다. 콘크리트 타설후는 Tube를 요동시키면서 빼올리기 때문에 Tube내의 콘크리트는 Tube 외주의 지반까지 완전히 퍼지므로 주상콘크리트와 그 외주지반은 완전히 밀착하여 빈틈이 생기지 않는다. 햄머 그래브 끝의 날 형을 바꾸므로써 연약토에서 경질토 및 자갈층까지 능률적으로 굴착할수 있으며 또한 지지지반을 흡인력에 의해서 이완시킬 우려가 없으므로 특히 수중굴착인 경우 Calwelde공법과 같은 기타의 공법에 비해서 우수한다.

나. 공법의 특징

1) 장    점

① 굴착 전깊이에 대해 Casing을 사용하므로 공벽붕괴 위험이 없고 주변지반에 주는 영향이 적어 기존 구조물의 근접 시공이 가능하다.

② 토질에 대한 적용성이 높아 암반을 제외한 모든 토질에 적합하다.

③ 굴착중 배출하는 토사에 의해 지질조사 및 지층을 확인할 수 있다.

④ Con'c 타설시의 붕괴사고가 적고 철근 피복유지가 확실하다.

⑤ 비교적 저소음, 저진동 공법이다.

⑥ 기종에 따라 15°정도의 말뚝 시공이 가능하다.

2) 단    점

① Casing Tube의 요동, 인발 능력이 기종에 따라 한계가 있으며 모래층이 두꺼운 경우에 Casing 인발이 곤란한 경우가 있다. 특히 지하수위 이하에 세사층이 두꺼운 경우에 요동으로 물다짐되어 Casing Tube의 인발이 불가능할 때가 있다.

② 수중 Con'c 타설과 동시에 Casing Tube를 인발할 때 철근이 따라 올라오는 경우가 있다.

③ 기계의 자중이 크며 또한 요동반력이나 Casing Tube를 인발할 때 큰반력이 필요하므로 수상의 잔교상이나 복공에서의 시공이 적합하지 않다.

④ Hammer Grab에 의한 굴착시 낙하 충격에 의해 선단지반이 약화될 우려가 있다.

⑤ 굵은 자갈 또는 호박돌이 섞인 지중에는 Casing Tube의 압입이 어렵다.

다. 시공순서 및 확인사항

시   공    순    서                     확     인     사     항

기 계 확 인			케이싱 튜브의 선단 컷팅 엣지의 직경 확인

기 계 설 치			말뚝 중심 확인

굴착(케이싱튜브 설치)			수직도 확인

철 근 조 립				지지층 및 근입 확인
				굴착심도 확인

슬 라 임 처 리				슬라임량 확인
				처리후 심도 확인

철 근 ․ 조 립			철단천단고 확인

철 근 설 치			이음부 수직도 확인

콘 크 리 트 공				트레미관 및 케이싱 튜브의 인발길이 확인
				콘크리트의 천단고 확인

라. 시공방법

1) 장비설치

현장환경에 따라 작업조건이 변하지만 일반적으로 다음사항에 주의한다.

① 작업장은 균일하게 정지해 놓는다.

② 지중 매설물에 대해서는 이설 또는 방호를 검토한다.

③ 기게를 수평으로 하여 말뚝중심에 설치한다.

④ 구조물이 인접되어 있는 경우 굴착토의 배토방향을 고려하여 기게를 설치한다.

⑤ 지반이 불안정하여 작업중 기계가 기울어져 말뚝이 경사지거나 편심을 받을 우려가 있으며 특히 Casing Tube 인발시 인발반력에 따른 설치지반의 지내력이 부족할 경우에는 북공판 등으로 보강을 필요로 한다.

⑥ 수평 정도와 연직 정도를 위해서는 최기에 기계를 바르게 설치하는 일과 정확한 말뚝중심과 굴착중심을 일치시키는 일이다. 특히 본 공법에서는 Casing Tube등에 의해 중심점을 볼 수 없게되므로 미리 지상에 중심점을 기준으로 Casing Tube의 외주를 그려놓고 참조 말뚝을 설치하여 굴착 작업시 편심의 유무를 확인한다. 연직정도를 깊이에 대한 편심의 비로서 통상 Tan θ로 표시하며 Casing Tube의 연직성은 초기 굴착 5～6㎝ 압입시 결정되므로 유의하여야 한다.

⑦ 희생강관 사용

해상지역에 위치한 대구경 콘크리트 말뚝은 염분에 의한 부식이 예상되어 희생철판 개념의 강관 말뚝(ｔ=12㎜) 방식으로 시공하여야 한다.

2) 굴    착

① N치가 0～4 정도의 연약한 사토질 및 실트질에서는 Casing Tube 주변의 흙이 연약화되어 설계단면 보다 크게 굴착되는 경우가 있으며 특히 Peat층 동 극단적으로 연약한 지반을 굴착할때는 Casing Tube가 자중에 의해 침하 할 우려가 있다.

② 지하수위 이하의 사층 또는 자갈층을 굴착할 경우에는 공내 수위를 유지하여 Boiling 현상과 Casing Tube 주위의 흙을 교란시키는 것을 방지하고 특히 상층의 두께가 5m 이상일 경우에는 요동압입시 Casing Tube 주변이 물다짐 되어 Casing 인발이 곤란하게 되는 수가 많다.

③ 구조물에 근접해서 시공할 경우에는 Pile 주변지반이 연약해지는 것을 방지하기 위해 굴착기가 Casing Tube 선단보다 앞서는 것을 가능한 피해야 한다.

④ 굴착중 지중으로부터 천연가스 분출에 주의해야 한다.

⑤ Casing Tube의 연결상태를 점검하여 요동압입 및 인발시 연결부가 분기되지 않도록 한다.

⑥ 말뚝 선단지반의 연역화

주원인으로는 굴착에 의한 지반응력의 해방과 굴착기의 충격, Boiling 현상등이며 대책으로는 굴착중 공내수위 유지와 단단한 지층을 굴착 할 경우 Hammer-gRAB낙하고를 줄여 시공하고 필요시에는 Base Grouting을 실시하여 말뚝선단 지반을 보강할 수 있다.

⑦ 말뚝 주변지반의 연약화

주원인으로는 Casing Shoe의 외경과 Casing Tube 외경과의 차이에 의한 공극과 Casing 압입보다는 굴착이 선행하여 공벽붕괴에 따른 공극, 굴착기의 충격 및 진동, 느슨한 모래 지반에서 굴착시 간극수압의 상승에 의한 유효응력 감소 등이며 대책으로는 Casing이 굴착보다는 가능한 앞서나가게 하고 굴착중 충격 진동을 최소화하는 방법이다.

⑧ 지지층의 확인과 근입

굴착기로부터 배출되는 토사를 확인할 수 있기 때문에 지지층의 확인은 굴착깊이 및 굴착․속도를 참고하여 굴착토사와 지반조사 자료를 비교하여 확인하기가 용이하며 근입깊이는 설계치와 지지층의 상황에 따라 변동될 수도 있지만 선단지지 말뚝에서는 가능한 1.0m이상 견고한 지반속에 관입시켜야 한다. 현장타설 말뚝 굴착시에 말뚝단부와 지지층 사이에 침전물(Slime)이 발생하며, 이 Slime은 상부구주물의 침하가 발생하는 등의 치명적인 결과를 초래하므로 어떤 방법이든지 제거하여야 하며, Slime이 있는 상태에서의 콘크리트를 타설하게 되면, 말뚝의 지지력이 떨어지고 콘크리트속에 Slime이 혼합되기도 하며, 때로는 철근망을 밀어 올리는등의 폐해가 발생한다. Slime 처리방법은 굴착완료 후 철망으로 삽입하기전에 처리하는 1차처리와 콘크리트 타설직전에 하는 2차 처리로 구분된다. 일반적으로 Slime 처리방법은 다음과 같은 방식으로 한다.

Suction Pume 방식 : 심도가 비교적 얕은 경우

Air Lift     방식 : 심도가 깊고 처리량이 많은 경우

Sand Pump    방식 : 심도가 얕은 경우(15m 이내)

3) 철근망 가공조립 및 설치

철근망 작업시의 주의사항은 다음과 같다.

◦ 철근망의 가공은 설계도면 및 시방에 준해서 가공조립하고 심도가 깊을 경우의 가공조립은 운반 및 건입심도를 고려하여 정하며, 연결은 충분한 이음길이를 가지고 수직성을 유지하여야 하며 결속선으로 결속 및 용접을 시행한다.

◦ 철근망은 전체형상이 곧게 조립되어야 하므로 별도의 조립용 제작대를 만들어 조립한다.

◦ 철근망 운반 및 건입을 위해서는 비틀림이나 중앙부가 조여들지 않도록 한다.

◦ 철근피복유지 및 철근망을 굴착 공중심에 바르게 유지키시기 위해 Spacer를 설치한다.

◦ 철근망이 가벼워 콘크리트 타설시 밀어올리는 힘에 의해 철근망이 뜰 우려가 예상되면 철근망 하부에 철판을 부착하여 시공하면 철근망이 뜨는 것을 방지할 수 있다.

4) 콘크리트 타설

① 수중콘크리트 배합설계

본 지침은 교량기초에 타설하는 현장타설말뚝(수중콘크리트) 배합설계에 적용한다.

◦ 배합기준

설계기준 강 도 (㎏/㎠)	호칭강도 (㎏/㎠)	할증계수	굵은골재 최대치수 (m/m)	단 위 시멘트량 (㎏/㎠)	W/C (%)	공 기 량 (%)	슬 럼 프 Flow (㎝)	사용혼화제
240	300	1.15	25	350 이상	55 이하	3～6	40～45	AE감수제+ 유동화제

◦ 배합설계 방법

- 배합강도

수중콘크리트의 배합강도는 설계기준 강도에 현장조건의 품질변화(변동계수) 및 수중 조건에서의 강도저하를 감안한 호칭강도로 배합한다.

- 슬럼프 Flow 시험

수중 콘크리트는 Self Leveling 이 확보되어야 하므로 컨시스턴시 측정법으로 슬럼프 Flow 시험을 적용하며 다음과 같은 방법에 의한다.

․AE감수제를 첨가한 콘크리트를 믹서에서 배출한후 슬럼프 시험을 실시했을 때 8±1㎝가 되도록 한다.

․유동화제를 첨가한후 3층 25회 다짐하여 슬럼트콘에 채운다.

․슬럼츠콘을 벗겨내고 콘크리트가 충분히 퍼진후 최대지름과 그 직각방향의 지름을 측정한후 2등분하여 결정하며 그 값이 40～45㎝가 되도록 하고 콘크리트 모양이 버섯의 갓모양일 때 이상적인 형태로 본다.

- 잔골재율 결정

수중 콘크리트의 잔골재율은 타설시 재료분리를 고려하여 약간 부배합이 되도록 높여주여야 하며 이것은 철근 피복구간에 충분한 콘크리트 유입을 위해서도 필요하다.

- 물시멘트비 및 단위수량 보정

주요 배합제원에 따른 보정 예(일본토목학회 : 콘크리트 표준시방서 眧55)

기준값에 대한 조건의 변화		수치의 보정
		s/a	단위수량
- 시멘트량 10㎏ 증감시 - 모래의 조립율이 0.1 증감시 - 슬럼프 Flow 1㎝ 증감시		±0.5% ±0.5% 0	0 0 ±1～3㎏
골 재	조골재가 강자갈일 때	0	-5～15㎏
	조골재가 평평하거나 각이 있을 때 (쇄 석)	+3～5%	+9～15㎏
	모래가 부순 모래일 때	+2～3%	+1～3㎏

② 타설시 주의사항

현장타설 말뚝의 콘크리트 타설방법은 트레미관에 의한 수중 콘크리트 타설에 의하며 주의사항은 다음과 같다.

◦ 지시된 배합설계(수중콘크리트 배합설게지침)에 따라 배합하여 품질확보에 주의를 요한다.

◦ 트레미관에 의한 콘크리트 타설에는 밑열림식과 Plunger식이 있으나 현재 대부분의 현장에서는 트레미관 초기 콘크리트 타설은 최대한 빠른 속도로 하며 하부의 일부 Slime을 띄우면서 계속 타설이 되도록 하고 있다. 콘크리트 타설은 완료시까지 계속 타설되어야 하고 트레미관이 콘크리트 속에 2.0m이상 묻혀 있도록 해야 한다.

◦ 트레미관은 일반적으로 내경이 25㎝, 길이는 1～5m의 것을 사용하며, 연결부위에 물이 새는 일이 없도록 애야 한다.

◦ 콘크리트 타설시에는 타설량과 계산상의 타설깊이 및 설계 타설 깊이를 계속적으로 체크하여 문제점에 대처토록하며 특히 Casing Tube 체적만큼 콘크리트면이 내려가므로 주의를 요한다.

◦ 본 공법에서 콘크리트 타설시에 Casing Tube의 인발이 곤란 또는 불가능하여 시공에 막대한 지장을 미치는 경우가 있다. 일반적인 원인으로는 주변마찰력이 기계의 요동 인발력 보다 크게 된 경우와 기계 자체의 Capacity 가 부족할 경우에 한한다.

- 주변 마찰력이 크게 되는 원인

․두꺼운 세사층이 있을 경우 요동에 의한 Casing 주변이 물다짐 되었을 경우

․Casing Tube가 경사져 있을 경우

․굴착방법이 적합하지 않을 경우

․Casing 내부에 콘크리트의 과대한 타설로 부착력이 증대되는 경우

- 기계 자체의 Capacity 부족

․유압장치의 불량 및 마모

․Casing Tube 가 경사져 있을 경우

․기계설치 지반의 불량

③ 말뚝두부 정리 및 되메우기

현장타설 말뚝에서 트레미관에 의한 Con'c를 타설하면 일부 Slime 과 레이탄스가 말뚝두부에 형성된다. 따라서 콘크리트 타설에서는 설계높이보다 50㎝ 정도 높게 타설하고 양생후에 Hand Breaker 등으로 두부정리를 하여야 한다. 아울러 말뚝두부가 지표면보다 낮으므로 이 부분을 방치해 놓으면 추락사고나 주변지반을 이완시키므로 콘크리트 타설후 양생이 어느정도 진행되고 난 후에 되메우기를 해야 한다.

④ 말뚝의 허용오차

◦ 지면에서 잰 중심위치의 변동 : 75m/m 미만

◦ 바닥면 지름 : 0～150m/m

◦ 수직축의 변동 : 1/40 미만

◦ 바닥 표고변동 : ±50㎜ 미만