CFA 말뚝 — 그라우트 압력, 체적 오버런, 그리고 플라이팅

CFA 말뚝(연속 오거 말뚝)은 연속 플라이트 오거로 흙을 뚫고 들어간 뒤, 오거를 뽑으면서 그 중심관으로 그라우트나 콘크리트를 압송해 만드는 말뚝이다. 케이싱도 안정액도 쓰지 않고 굴착과 채움이 한 공정으로 끝나므로 빠르고 경제적이지만, 그 대신 완성된 구멍을 확인할 기회가 없다 — 품질은 시공 중 계측된 압력과 체적으로만 확인된다.

이 글은 FHWA 지반공학 회람 8호 「Design and Construction of Continuous Flight Auger Piles」을 근거로 한다. 원문 단위는 SI와 미국 관용단위를 함께 쓴다.

1. 제원 — 무엇을 만들 수 있는 공법인가

항목값

일반적인 직경0.3~0.9 m (12~36 in)

일반적인 길이최대 30 m (100 ft) — 더 긴 사례도 있다

미국 실무의 중심0.3~0.6 m (12~24 in) — 장비 출력이 제한적이었기 때문 · 최근에는 0.6~0.9 m로 이동

유럽 실무더 큰 직경, 최대 1.5 m (60 in)

철근 배근흔히 상부 10~15 m (33~50 ft)에 한정 — 그 아래로는 휨응력이 작은 경우가 많다

무리말뚝 중심간격통상 최소 말뚝 직경의 3~5배

2. 인발 — 압력과 체적이 동시에 맞아야 한다

오거 선단의 플러그를 제거하기 전, 오거를 들어 올리는 거리에 제한이 있다.

일부 시공자는 오거를 약 300 mm(12 in)까지 들어 올리기도 하지만, 150 mm(6 in)로 제한하는 것이 바람직하다. 들어 올린 거리가 과도하면 오거 아래 공벽의 응력 해방이 커지고, 지지면이 교란되며, 선단에서 그라우트가 느슨한 흙과 섞일 수 있다. — FHWA GEC 8, §2.2.2.2

일부 시공자는 오거를 약 300 mm(12 in)까지 들어 올리기도 하지만, 150 mm(6 in)로 제한하는 것이 바람직하다. 들어 올린 거리가 과도하면 오거 아래 공벽의 응력 해방이 커지고, 지지면이 교란되며, 선단에서 그라우트가 느슨한 흙과 섞일 수 있다. — FHWA GEC 8, §2.2.2.2

인발이 시작되면 두 가지를 동시에 관리한다.

관리 항목기준

그라우팅 압력통상 1.0~1.7 MPa (150~250 psi), 오거 상단에서 측정

압력의 최소 조건측정점과 오거 선단의 표고차를 보정한 뒤, 선단 토피압을 초과할 것

압력의 역할흙이 채워져 있던 오거를 대신하는 공벽의 측방 지지 기구

체적이론 체적 대비 15~20% 오버런을 요구하고 연속적으로 계측

회전회전 없이 또는 굴착 방향으로 아주 느리게

실패 방식도 구체적으로 서술되어 있다.

과회전(over-rotation) — 관입 깊이에 비해 오거를 과하게 돌리면 플라이트가 흙으로 채워지지 않아, 그라우트가 오거 날개를 타고 위로 흘러 지표로 배출된다. 그 순간부터 주변 토피압을 넘는 압력을 유지할 수 없다.

너무 빠른 인발 — 펌프 공급 능력보다 빨리 뽑으면 흙이 안쪽으로 무너져 네킹(neck)이 생긴다.

끊어서 뽑기 — 잠깐 빨리 뽑고 체적이 따라오도록 늦추기를 반복하면, 말뚝은 균일한 단면이 아니라 넥과 벌지가 번갈아 나타나는 형상으로 만들어진다.

그라우트가 지표에 도달하면 압력이 해방되므로, 이후에는 길이 증분마다 정해진 체적을 계속 공급하는 것이 관리 항목이 된다. 이때 오거에 묻은 그라우트가 다시 구멍으로 흘러들면 흙과 섞인 그라우트가 말뚝 상단에 떨어져 제거하기 어려워진다.

3. 지반이 공법을 고른다

유리한 조건은 중밀~조밀한 실트질 모래와 양입도 모래(자갈이 다소 섞여도 무방하며, 지하수위가 말뚝 길이보다 깊으면 특히 좋다), 그리고 견고하거나 고결된 층이 덮고 있는 암반이다. 마지막 조건에는 단서가 붙는다 — 과도한 플라이팅 없이 암반까지 굴착할 수 있을 만큼 상부 지층이 견고해야 한다. 여기서 플라이팅(flighting)은 오거가 회전하면서 아르키메데스 펌프처럼 흙을 들어 올리는 현상이다.

불리한 조건은 다음과 같다.

지반문제

매우 연약한 지반지반 불안정으로 네킹이나 구조적 결함 · 그라우트를 과다 공급해도 연약 구간에서 벌지가 생겨 부주면마찰력이 증가 · 단위 길이당 체적 제어가 어렵다

지하수 아래의 느슨하고 균등한 청정 모래소일 마이닝(soil mining) 가능성이 크다 — 이 조건에서는 주변 지반을 조밀화하는 배토식(DD) 말뚝이 더 신뢰성 있다

공동·물 주머니·연약 렌즈·유수가 있는 지층공벽 붕괴와 관입·주입 속도 제어 불가 — 석회암의 용식 공동이 대표적

연약층·느슨한 사질층 아래의 경질 지층경질층에서 관입이 느려지는 동안 상부 흙이 측면 하중으로 플라이팅되어 지반 이완과 침하가 발생

점토 사이에 낀 모래층모래가 플라이팅되어 지표에서는 보이지 않는 공동·이완·그라우트 과소비로 이어진다

그리고 연약한 재료가 덮고 있는 경암층에는 별도의 품질 문제가 붙는다 — 항타말뚝은 관입저항으로, 현장타설말뚝은 암반 근입(소켓)으로 지지를 확인하지만, CFA 말뚝은 암반에 건전하게 지지되었는지 확인할 방법이 마땅치 않다. 이런 조건에서는 항타말뚝이나 현장타설말뚝이 더 유리하다고 명시한다.

4. 자동 계측이 유일한 눈이다

자동 계측은 권장 사항이 아니라 계약 요건이다. 그래서 계약 문서에 수집·제출할 데이터를 명시해야 하고, 시공계획서에는 계측 장비의 종류와 제조사, 수집 항목, 최신 교정 기록, 데이터 기록 예시가 포함되어야 한다.

단계최소 기록 항목

굴착 중오거 회전수 · 주입점 깊이 · 오거에 전달된 토크 · 크라우드 힘(하향 추력)

그라우팅·콘크리트 타설 중그라우트/콘크리트 체적 · 최대·최소 압력 · 오거 회전(회전하는 경우) · 주입점 깊이

기록 방식에도 요구가 있다 — 모든 계측값은 주입점 깊이에 대해 참조(또는 도시)되어야 한다. 이를 위해 오거 헤드에 회전 위치 지시계, 크레인 와이어나 붐에 전자식 위치 지시계, 그라우트 라인에 전자 유량계와 압력 트랜스듀서, 오거 헤드에 토크·추력 로드셀을 둔다.

5. 정리

CFA 말뚝은 케이싱과 안정액 없이 굴착과 채움을 한 공정으로 끝내는 대신, 구멍을 확인할 기회가 없다.

직경은 0.3~0.9 m, 길이는 최대 30 m가 일반적이고, 무리말뚝 간격은 3~5D다.

철근은 흔히 상부 10~15 m에 한정된다.

플러그 제거 전 오거 들어올림은 150 mm 이하로 제한한다.

그라우팅 압력은 1.0~1.7 MPa이며, 최소한 선단 토피압을 넘어야 한다.

체적 오버런 15~20%를 요구하고 연속 계측한다.

과회전은 압력을 잃게 하고, 급한 인발은 네킹, 끊어 뽑기는 넥-벌지를 만든다.

불리한 지반은 매우 연약한 지반, 지하수 아래 느슨한 청정 모래, 공동·유수 지층, 연약층 아래 경질층이다.

연약층이 덮은 암반 지지는 확인 수단이 마땅치 않아 항타말뚝이나 현장타설말뚝이 더 낫다.

자동 계측은 계약 요건이며, 굴착 4항목과 주입 4항목을 깊이에 대해 기록한다.

CFA 말뚝의 설계도서가 다른 말뚝과 다른 점은 계측 항목이 사양의 일부라는 데 있다. 압력과 체적을 깊이에 대해 기록하지 않으면, 이 공법에는 사후에 품질을 되짚을 방법이 남지 않는다.