KR100264630B1 - 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근 탐지 장치와 탐지 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근탐지 장치 및 방법에 관한 것으로, 그 목적은 파일내에 배근되어 있는 철근의 하부 끝지점 깊이를 용이하게 파악할 수 있는 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근탐지 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 교각이나 대형 구조물의 기초파일에 평행하게 공을 시추하고, 상기 시추공내로 3-축 자기장 측정센서를 삽입하며, 상기 3-축 자기장 측정센서를 탐사 시추공내에서 상하로 이동하여 기초 파일내 철근의 유도 자기장을 측정함과 동시에 상기 3-축 자기장 측정센서의 깊이를 측정하고, 상기 철근의 유도 자기장 측정치와 3-축 자기장 측정센서의 깊이를 컴퓨터에 저장하여 기초파일의 하단 깊이를 측정하는 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근탐지 장치 및 탐지 방법을 제공함에 있다.

Description

시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근 탐지 장치와 탐지 방법

본 발명은 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근탐지 장치 및 방법에 관한 것으로, 대규모 구조물의 콘크리트기초파일에 평행하게 시추한 공 내에서 3-축 자기장 측정을 수행하고 그 자료를 해석함으로써, 파일 내에 배근한 철근의 하부의 끝 지점(기초파일의 하부 끝 지점과 같다)의 깊이를 추출하는 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트기초파일 내의 철근탐지 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 교각이나 대형 구조물의 기초는 철근이 배근된 콘크리트 파일로 이루어져 있으나, 설계도면을 입수할 수 없는 경우, 기초 파일의 깊이를 파악하기 위한 연구가 국내는 물론 전세계적으로도 널리 대두되고 있다.

종래에는 파일의 깊이를 효과적으로 알아내는 방법이 없어서 파일의 깊이를 대략적으로 가정해 왔으며, 특수한 경우에는 주변 지반의 개착으로 해결하였다. 이러한 기초 파일의 깊이 파악을 위한 방법으로는 평행탄성파법(parallel seismics)과 자기경도법이 있다.

상기 평행탄성파법은 기초파일을 구성하고 있는 콘크리트와 지반의 탄성파 속도 차이를 이용하여 파일의 깊이를 측정하도록 되어 있으나, 이 방법이 적용되기 위한 전제조건은 탄성파원으로부터 파일까지 탄성파 에너지가 확실히 전파되어야 한다. 그러나 파일 상부의 기초 슬라브의 형태에 따라 이러한 조건이 항상 성립되지는 않으며, 파일과 탐사 시추공 사이의 거리가 1.5 m 이상이 되면 적용이 어렵다는 문제점이 있다.

상기 자기경도법은 일정한 속도로 움직이는 수직 코일을 이용하여 기초파일 내에 배근되어 있는 철근의 지자기장에 의한 유도 자기장의 시간적 변화량을 측정하여 파일의 선단을 추정하도록 되어 있으나, 상기 방법은 센서를 일정한 속도로 이동시켜야 하며, 정확한 해석이 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 파일내에 배근되어 있는 철근의 하부 끝지점 깊이를 용이하게 파악할 수 있는 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근탐지 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 교각이나 대형 구조물의 기초파일에 평행하게 공을 시추하고, 상기 시추공내로 3-축 자기장 측정센서를 삽입하며, 상기 3-축 자기장 측정센서를 탐사 시추공내에서 상하로 이동하여 기초 파일내 철근의 유도 자기장을 측정함과 동시에 상기 3-축 자기장 측정센서의 깊이를 측정하고, 상기 철근의 유도 자기장 측정치와 3-축 자기장 측정센서의 깊이를 컴퓨터에 저장하여 기초파일의 하단 깊이를 측정하는 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근탐지 장치 및 탐지 방법을 제공함에 있다.

도 1 은 시추공 내 3-축 자기탐사법의 모식도

도 2 는 시추공 내 3-축 자기 탐사 장치(K-BH3DMAG)의 개념도

도 3 은 임의 방향의 자기쌍극자에 의한 유도자기장 계산에 필요한 변수 설명도

도 4 는 수직 자기쌍극자에 의한 유도 자기장의 수직성분의 분포

도 5 는 교각 부근에서의 탐사 결과도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

(1) : 기초파일 (2) : 시추공

(3) : 3-축 자기장 센서 (4) : 유도자기장

(5) : 심도펄스발생기(encoder) (6) : 저역통과 필터

(7) : 신호배선반 (8) : 초정밀 전압계

(9) : 컴퓨터 (11) : 철근

(11`): 수직 자기쌍극자(vertical magnetic dipole)

(91) : 모니터

모든 물질은 지자기장에 대하여 반응하며, 그 유도 자기장의 크기(자화강도)는 대자율에 비례한다. 즉, 지자기장의 강도를 H 라 할 때 자화강도 I 는 I=kH 이다. 여기서 k 는 대자율(magnetic susceptibility)이다. 퇴적층의 평균대자율은 5×10^-5이고, 우리나라의 주된 기반암인 산성 화성암의 평균대자율은 6.5×10^-4이다. 그러나, 기초파일 혹은 구조물(100) 내에 배근되어 있는 철근의 대자율은 최소 10이 넘는 값을 보인다. 즉, 철근의 대자율은 주변 지반이나 암반의 대자율에 비해서 최소 10,000배 이상이 되므로, 단위 부피당 철근에 의한 유도자기장(자화강도)의 크기도 단위 부피당 주변지반이나 암반에 의한 유도자기장의 크기보다 최소 10,000 배 이상이 된다. 즉, 본 발명에서 3-축 자기장측정센서로 측정하는 유도자기장은 대부분 철근에 의한 것으로 생각할 수 있다.

도 1 은 시추공 내 3-축 자기탐사법의 모식도를 도시한 것으로, 본 발명은 기초파일(1)에 평행하게 공(2)을 시추하고, 상기 시추공(2)내에 3-축 자기장 측정 센서(3)를 삽입하여 철근(11)에서 발생되는 유도 자기장(4)을 측정하며, 상기 측정 자료를 이용하여 파일 내에 배근된 철근(11)의 하부 끝지점을 추출하도록 되어 있다.

즉, 기초파일(1)내의 철근(11)은 지자기장에 의해서 유도 자기장(4)을 발생하므로, 지자기장에 의해 발생되는 기초 파일 내 철근(11)의 유도자기장을 기초파일(1)에 평행하게 시추한 공(2) 내에서 3-축 자기장측정센서(2)를 상하로 움직이면서 측정한다. 상기 신호는 컴퓨터에 저장됨과 동시에, 3-축 자기장측정센서(3)의 깊이가 심도펄스 발생기(5)를 통해서 계산·저장되어 기초파일(1) 내에 배근된 철근(11)의 하부 끝지점을 추출하도록 되어 있다.

도 2 는 시추공 내 3-축 자기 탐사 시스템의 개념도를 도시한 것으로, 시추공(2) 내에 방수처리되어 삽입된 3축 자기장 측정센서(3)로부터 나온 x, y, z 3성분의 신호는 먼저 저역통과필터(6)를 거치며, 상기 3 성분 신호는 신호배선반(7)을 통해서 차례대로 초정밀전압계(8)를 통하고 그 값이 컴퓨터(9)에 차례대로 기록된다. 이때 센서(3)가 위치한 깊이는 심도펄스발생기(10)를 통하여 컴퓨터(9)에 기록되므로, 결과적으로 어떤 한 깊이에서의 자료는 깊이(depth), xcomp, ycomp, zcomp 의 형태로 기록된다.

따라서, 한 시추공 내에서의 전체자료는 이러한 자료가 측정한 깊이에 따르는 수열 형태가 되고, 이러한 자료는 측정과 동시에 모니터(91) 상에 그래프의 형태로도 나타나게 되므로, 측정 중에도 지하의 대략적인 상태를 추정할 수 있게 된다.

도 3 은 임의 방향의 자기쌍극자에 의한 유도 자기장 계산에 필요한 변수 설명도를 도시한 것으로, 기초파일(1) 내에 배근되어 있는 철근(11)은 수직 자기쌍극자(11`)로 간주할 수 있다. 수직 자기쌍극자(11`)에 의한 유도자기장은 남북을 잇는 자기경도에 대해 대칭이며, 깊이에 따라서는 수직성분이 수평성분보다 민감하게 반응하므로, 본 장치에서는 수직성분에 대한 이론값만을 고려하였다.

즉, 자기쌍극자(11`)가 임의의 방향으로 존재하는 주변의 자기장에 의해 자화되었을 경우의 유도 자기장 수직성분은 다음의 식으로 나타난다.

[식1]

여기서, Z는 철근과 같은 자기쌍극자에 의한 유도 자기장 수직성분이며, k는 철근의 대자율, S는 기초 파일에 배근되어 있는 철근의 유효단면적, H₀는 지자기장의 수평성분, Z₀는 지자기장의 수직성분이다.

도 4 는 수직 자기쌍극자에 의한 유도 자기장 수직성분의 분포를 도시한 것으로, 상기 식(1)에 의해 구한 이론적인 유도자기장의 수직성분의 분포는 자기쌍극자(기초 파일)의 양단에서 급격한 변화를 보임을 알 수 있다. 즉, 시추공(2)과 자기쌍극자(11`)가 남-북방향으로 배열된 경우, 도 4a와 같이 유도자기장의 양상은 파일의 양단 주변에서 음 혹은 양의 극값을 나타낸다. 또한, 시추공(2)과 자기쌍극자(11`)가 동-서 방향으로 배열된 경우, 도 4b 와 같이 유도자기장의 양상은 파일의 양단 주변에서 각기 음과 양의 극값을 짝으로 나타내고 양단의 위치는 극값의 부호가 바뀌는 지점이 된다. 또한, 시추공(2)과 자기쌍극자(11`)의 거리에 따른 유도자기장의 변화는 거리가 멀어질수록 이상반응의 크기가 감소되고 극값의 폭이 넓어지는 양상을 보인다.

도 5 는 교각 부근에서의 탐사 결과도 즉, 기초파일로 시공된 교량의 성능개선공사를 위한 기초자료를 얻기 위하여 교각 옆에 시추한 공(2) 내에서 얻은 현장측정치(A)와 이론치(B)의 비교도를 도시한 것으로, 아래 부분에는 기초파일(C)을 표시하였다.

상기 이론치(B)에는 기초파일(1) 내에 배근되어 있는 철근(11)에 의한 유도자기장(4)과 교각 및 기초 슬라브에 배근되어 있는 철근(도시없음)에 의한 유도 자기장이 함께 들어 있으며, 시추공(2) 상부에서의 이론치(B)와 현장측정치(A) 사이의 차이는 시추공(2) 하부에서의 이론치(B)와 현장측정치(A)의 차이보다 크다.

즉, 교각과 기초슬라브 내에 배근되어 있는 철근의 공간적인 배치 상황은 기초파일(1) 내에 배근되어 있는 철근(11)의 공간적인 배치 상황보다 훨씬 복잡하므로, 정확한 이론치를 계산하기가 어려우며, 상기 교각과 기초슬라브는 시추공 하부로부터의 거리가 10 m보다 훨씬 크므로 이에 의한 유도 자기장은 기초파일(1)의 하부 끝 근처를 지나는 시추공(2) 내의 지점에까지 영향을 미치지 않는다.

도 5 에 도시된 교각 하부의 설계도 상 깊이는 11.7m(1,170㎝)로, 이 깊이까지 철근(11)이 배근되어 있다. 식 1 에 의해 상기 철근(11)의 유도자기장 수직성분 이론치(B)를 산출하면 상기 이론치(B) 곡선은 깊이 11.7m에서 변곡점(D)을 보인다. 또한, 본 발명의 3-축 자기장 센서(3)에 의해 교각 옆에 시추한 공(2) 내에서 얻은 현장측정치(A) 곡선에서도 동일 깊이에 변곡점(D)이 보임을 알 수 있다. 이러한 변곡점(d)의 위치는 기초파일(1)의 깊이가 얕을수록 교각과 상부 슬라브 내에 배근되어 있는 철근의 유도 자기장이 영향을 미치므로 변곡점의 정확한 위치를 찾아내기가 어려우나, 깊이가 클수록 더욱 뚜렷이 나타나게 된다.

즉, 상기 이론치(B) 곡선과 현장측정치(A) 곡선의 비교도에서 알 수 있듯이, 3-축 자기장 센서(3)에 의해 측정된 현장측정치(A) 곡선의 변곡점(D)이 나타나는 깊이(11.7m)가 기초파일(1) 하단의 깊이가 된다.

미설명 부호 (200)은 지반, (300)은 암반, (400)은 지자장이다.

이와 같이 본 발명은 측정 물리량이 유도자기장 자체이기 때문에 측정센서의 속도를 일정하게 유지할 필요가 없으며, 원하는 속도로 측정할 수 있다.

또한, 본 발명은 자체 생성하는 소스(source)가 없고, 목표물 자체가 생성하는 물리량을 측정하므로 시추공과 파일 사이에 투자율이 높은 철근 등이 없는 어떤 경우에라도 적용할 수 있다.

또한, 측정 물리량인 철근에 의한 유도자기장의 크기는 철근의 전체 부피에 비례하고 파일 내에 배근되어 있는 철근은 굵고 수가 많으므로, 본 발명은 시추공과 파일 사이의 거리가 평행탐사법의 최대 적용거리 1.5 m 보다 큰 경우에도 작동 가능하다.

또한, 철근의 하부의 깊이를 추출하여 파일 내의 철근이 설계도대로 배근되었는지를 확인할 수 있으므로, 시공 후의 감리에 이용될 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (2)

1. 콘크리트 기초파일 내의 철근의 하단 깊이를 탐지하는 철근탐지장치에 있어서;

   상기 철근탐지장치는 기초파일과 평행하게 시추된 탐사 시추공 내로 삽입되어 기초파일 내에 배근된 철근의 유도자기장을 측정하는 3-축 자기장 측정센서;

   상기 3-축 자기장 측정센서에 의해 측정된 신호가 입력되는 저역통과필터;

   상기 저역통과필터를 통과한 신호가 신호배선반을 통해 차례로 입력되는 초정밀전압계;

   상기 탐사 시추공 내로 삽입된 3-축 자기장 측정센서의 깊이를 측정하는 심도펄스발생기;

   상기 초정밀전압계를 거친 신호와 심도펄스발생기의 신호가 기록되는 컴퓨터를 포함하여 구성되어, 기록된 신호로부터 콘크리트 기초파일 내에 배근된 철근의 하단 깊이를 추출하는 것을 특징으로 하는 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근 하단 깊이 탐지 장치.
2. 콘크리트 기초파일 내의 철근 하단 깊이를 탐지하는 철근탐지방법에 있어서;

   상기 철근탐지방법은 교각이나 대형 구조물의 기초파일에 평행하게 공을 시추하는 단계;

   상기 탐사 시추공내로 3-축 자기장 측정센서를 삽입하는 단계;

   상기 3-축 자기장 측정센서를 탐사 시추공 내에서 상하로 이동하여 기초파일내 철근의 유도 자기장을 측정하는 동시에 상기 3-축 자기장 측정센서의 깊이를 측정하는 단계;

   상기 철근의 유도 자기장 측정치와 3-축 자기장 측정센서의 깊이를 컴퓨터에 저장하는 단계를 통해 기록된 신호로부터 콘크리트 기초파일 내에 배근된 철근의 하단 깊이를 추출하는 것을 특징으로 하는 시추공 내 3-축 자기장 측정에 의한 콘크리트 기초 파일 내의 철근 하단 깊이 탐지 방법.