KR101094369B1 - 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기는, 원추 형태의 콘, 임피던스 측정기의 단자 케이블이 연결되는 제1 접점부 및 상기 콘의 직경보다 작은 직경으로 형성되어 선단이 상기 콘의 밑면에 연결되고 후단이 상기 제1 접점부에 연결되는 금속봉으로 이루어진 내부전극; 상기 콘의 직경보다 작은 내경을 지니고 상기 금속봉을 수용하는 중공관 형태의 외부전극; 상기 내부전극 및 상기 외부전극 사이에 형성되어 단락을 방지하는 절연체 층; 및 상기 외부전극을 수용하는 중공관 형태의 관입 로드를 포함하는 것을 특징으로 하여, 측정 결과의 정확성 및 신뢰성을 개선함은 물론, 좌굴에 대한 강인성을 유지하면서 소형화를 가능하게 하는 이점을 제공한다.

Description

지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기{Cone penetrometer for measuring impedance of ground}
본 발명은 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 선단부에서 임피던스를 측정하도록 구성함으로써 측정 결과의 정확성 및 신뢰성을 개선함은 물론, 좌굴에 대한 강인성을 유지하면서 소형화를 가능하게 하는 콘 관입시험기에 관한 것이다.
침식, 풍화 및 퇴적 작용으로 형성된 연약지반은 형성 조건에 따라 다양한 특성과 구조를 가지게 된다. 연약지반의 지층은 점토 이외에도 모래나 실트로 형성된 샌드심(sand seam)과 같은 협재층(thinly layered soil)으로 구성되며 이에 따라 수평 및 수직 방향의 비균질, 비등방성의 특성을 지니고 있다. 이러한 협재층은 비록 두께가 수 mm로 얇다고 하여도 투수 계수의 차이가 크기 때문에 연약지반의 압밀에 상당한 영향을 미친다. 따라서, 연약 지반에 토목 및 건축 구조물을 축조할 경우 대상 지반에 대한 정밀하고 신뢰성 높은 지반 정수의 획득은 매우 중요한 과제이며, 협재층은 합리적인 연약지반 설계를 위해 지반 조사 단계에서 반드시 탐지되어야 한다.
현장 지반 조사란 실제 대상 지반에서 실시하는 조사 기법으로서, 현재 매우 다양한 시험 기법들과 이용 가능한 장치들이 존재하고 있다. 그 중 콘 관입시험법(cone penetration test)은 대표적인 현장 지반 조사 실험으로서 원추 모양의 콘 프로브(cone probe)를 지반에 일정한 속도(표준 2cm/sec)로 관입시킬 때 발생하는 선단저항력(qc), 마찰저항력(fs) 그리고 간극수압(u) 등을 측정하여 대상 지반의 물리적인(mechanical) 특성을 추정하는 방법이다. 이러한 콘 관입시험법은 별도의 시추공 없이 원 지반의 특성을 연속적으로 획득할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 콘 관입시험을 위해 사용되는 기존의 콘 관입시험기(cone penetrometer)는 직경 35.7mm, 단면적 10cm2 를 표준으로 한다. 이러한 기존의 콘 관입시험기를 지중에 관입시킬 경우 주변 지반이 밀려나거나 관입 방향으로 말려 들어가는 교란 현상이 크게 나타나는 문제점이 있다. 이러한 교란 현상은 입자의 전단변형 파괴를 유발하고 원 지반 강도를 감소시켜 대상 지반의 정확한 물리적 특성을 조사하기 어렵게 한다. 또한, 기존의 콘 관입시험기를 현장에 적용할 경우 대형 관입 장치가 필요하고 심도가 깊어질수록 관입 로드를 계속하여 연결하여야 하므로 구성장비가 거대하고 이동이 불편하며 비용 부담이 큰 문제점이 있다. 따라서, 소형 콘 관입시험기에 대한 요구가 급격히 증가하고 있는 추세이다.
한편, 지반 조사 중 전자기파 탐사는, 인위적인 신호를 이용하여 대상 지반 영역을 측정하는 탐사 방법으로서, 해저지형 탐사, 함수비 변화 관측, 지반 오염대 관측 그리고 시설물 관리 등 다양한 분야에 활용되고 있는 탐사 방법이다. 이러한 전자기파 탐사에는 다음과 같이 다양한 종류가 있다.
첫째, 전기비저항 탐사는 직류나 아주 낮은 저주파의 교류를 통해 전류를 보내고 이때 발생하는 전위차를 측정하여 지반의 비저항(고유저항) 및 전도도를 측정하는 방법이다. 이는 지층의 대략적인 구조와 오염 물질의 존재 여부를 파악하기 위해 주로 이용되어 왔으나, 근래에는 특히 지반의 층상구조 및 설계정수를 산정하기 위해 이용되고 있다.
둘째, 유도분극 탐사는 전기비저항 탐사와 유사한 방법으로서, 지표면에 4개의 전극을 설치하고 한 쌍의 전류극에서 전류를 보낸 후 전류를 차단하여 순간적으로 발생하는 전위차를 이용해 금속광산이나 지열조사 등의 특성평가에 많이 활용되고 있다.
셋째, 자연전위 탐사는 지표의 두 점 간에 발생하는 자연적인 전위차를 측정하여 자연전위 이상 곡선을 통해 지열 및 수리지질학적 조사에 사용되는 탐사 방법이다.
넷째, 전자 탐사는 서로 수직한 벡터량인 전기장과 자기장을 이용하여 지반의 특성을 분석하는 방법으로서, 앞서 언급된 방법들과는 달리 비접촉식 측정 기법이므로 항공기, 선박 등에 많이 이용되고 있다. 또한, 측정 대상의 전기전도도를 고려하여 GPR(Ground Penetration Radar) 탐사, VLF(Very Low Frequency) 탐사 등으로 구분되어 다양하게 활용되고 있다.
이러한 전자기파 탐사, 특히 전기비저항 탐사는 다른 조사 기법들보다 민감도가 뛰어나 모래, 점토 그리고 실트 등과 같이 다양한 복합체로 구성되어 있는 지 반 상태를 정확하게 평가할 수 있는 큰 장점이 있다. 이러한 전기비저항은 기본적으로 지반의 임피던스를 측정하여 환산되며, 또한 측정된 임피던스는 전기비저항뿐만 아니라, 전위차, 캐패시턴스, 위상각 그리고 유전률 등으로 환산되어 탐사 목적에 적합하도록 다양한 방법에 활용될 수 있는바, 지반 조사에 있어서 정확하고 신뢰성 있는 임피던스 측정은 매우 중요한 문제에 해당한다. 이에 따라, Archie는 연약지반 설계 정수인 간극비 산정을 위한 경험식을 제안하였으며(Archie,G.E.(1942)."The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics",Transactions of the American Institute of Mining, Metallugical, and Petroleum Engineers, Vol.146, pp.54-62. 참조), 이를 바탕으로 대상 지반의 신뢰성 높은 설계 정수 획득을 위한 연구가 진행되고 있다.
이러한 전기비저항 탐사에 있어서, 기존의 콘 관입시험기의 경우 단면적이 10cm2인 표준 콘을 사용하고 슬리브 상단, 즉 관입용 로드(rod)에 전기 비저항 측정용 전극이 1개(single) 혹은 2개(double) 설치되어 있어 콘 관입에 따른 대상 지반의 특성을 평가하고 있다(Campanella, R.G. and Kokan, M.J.(1993)."A new approach to measuring dilatancy in saturated sands", Geotechnical Testing Journal, ASTM, Vol.16, No.4, pp.485-495. 참조).
그러나, 앞서 설명한 바와 같이, 기존의 표준 콘 관입시험기를 이용한 전기비저항 탐사는 우선 큰 직경 때문에 발생하는 지반 교란으로 인해 민감도가 떨어져 정밀한 층상 구조의 파악이 어렵다는 문제점과, 콘 선단 관입에 의해 이미 교란된 영역으로부터 전기비저항이 측정되어 신뢰성이 낮은 결과를 초래하는 문제점이 있다.
또한, 기존 기술은 전기저항식 스트레인 게이지나 로드셀을 콘 내부에 장착하여 지반의 선단저항력과 주면마찰력을 측정함으로써, 콘 관입시험기의 초소형화가 곤란하다는 문제점이 있으며, 초소형 콘 관입시험기를 제작하기 위해서는 일부 계측센서를 제거해야 하므로 다양한 물성치 측정을 할 수 없다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 선단부에서 임피던스를 측정하도록 구성함으로써 측정 결과의 정확성 및 신뢰성을 개선함은 물론, 좌굴에 대한 강인성을 유지하면서 소형화를 가능하게 하는 콘 관입시험기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 선단부에서 임피던스를 측정하도록 구성하고 광섬유 센서를 이용함으로써 측정 결과의 정확성 및 신뢰성을 개선함은 물론, 좌굴에 대한 강인성을 유지하면서 소형화를 가능하게 하는 콘 관입시험기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 첫 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 원추 형태의 콘, 임피던스 측정기의 단자 케이블이 연결되는 제1 접점부 및 상기 콘의 직경보다 작은 직경으로 형성되어 선단이 상기 콘의 밑면에 연결되고 후단이 상기 제1 접점부에 연결되는 금속봉으로 이루어진 내부전극; 상기 콘의 직경보다 작은 내경을 지니고 상기 금속봉을 수용하는 중공관 형태의 외부전극; 상기 내부전극 및 상기 외부전극 사이에 형성되어 단락을 방지하는 절연체 층; 및 상기 외부전극을 수용하는 중공관 형태의 관입 로드를 포함하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단 부는, 상기 임피던스 측정기의 다른 단자 케이블이 연결되는 제2 접점부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단부는, 상기 콘 관입시험기의 관입 심도를 증가시키는 추가적 로드를 결합하는 결합수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극의 후단부는, 상기 추가적 로드가 나사 결합되도록 하는 나사선부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극은, 외주면에 지반 물성치 측정을 위한 계측 센서가 설치되는 홈을 구비한다.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극은, 외주면에 상기 관입 로드를 지지하는 단차를 구비한다.
일 실시예에 있어서, 상기 콘 측에 위치하는 상기 외부전극의 선단부는, 상기 관입 로드의 관입이 용이하도록 상기 관입 로드로부터 돌출되어 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극은, 상기 외부전극의 선단부에 결합되어 상기 단차를 형성하는 선단 캡을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 선단 캡은, 상기 관입 로드의 관입이 용이하도록 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 관입 로드는, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상 기 관입 로드 후단의 내경보다 작은 내경을 지니는 소내경부를 포함하고, 상기 외부전극은, 상기 콘 관입시험기의 관입시 상기 관입 로드로부터 주면마찰력 및 선단저항력의 합력을 전달받도록 상기 소내경부를 지지하는 지지부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 콘 관입시험기는, 상기 외부전극 및 상기 관입 로드 사이에 상기 콘 관입시험기의 관입시 선단저항력을 측정하는 제1 스트레인 게이지(Strain Gauge) 및 선단저항력과 주면마찰력의 합력을 측정하는 제2 스트레인 게이지를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 스트레인 게이지는, 상기 콘 측에 위치하는 상기 외부전극의 선단 및 상기 지지부 사이에 설치되고, 상기 제2 스트레인 게이지는, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단 및 상기 지지부 사이에 설치된다.
일 실시예에 있어서, 상기 콘 관입시험기는, 상기 관입 로드의 양 단 사이 구간에서 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면 구간을 포함한다.
상기와 같은 두 번째 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 원추 형태의 콘, 상기 콘의 직경보다 작은 외경으로 형성되어 선단이 상기 콘의 밑면에 연결되어 폐색되고 후단이 개구된 중공의 금속관 및 상기 금속관의 개구된 후단에서 연장 형성되고 임피던스 측정기의 단자 케이블이 연결되는 제1 접점부로 이루어진 내부전극; 상기 콘의 직경보다 작은 내경을 지니고 상기 금속관을 수용하는 중공관 형태의 외부전극; 상기 내부전극 및 상기 외부전극 사이에 형성되어 단락을 방지하는 절연체 층; 및 상기 외부전극을 수용하는 중공관 형태의 관입 로드를 포함하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 내부전극의 상기 금속관은, 내부에 지반 물성치 측정을 위한 계측 센서로서 광섬유 센서가 삽입된다.
일 실시예에 있어서, 상기 금속관은, 상기 광섬유 센서와의 사이에 절연체가 충전된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단부는, 상기 임피던스 측정기의 다른 단자 케이블이 연결되는 제2 접점부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단부는, 상기 콘 관입시험기의 관입 심도를 증가시키는 추가적 로드를 결합하는 결합수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극의 후단부는, 상기 추가적 로드가 나사 결합되도록 하는 나사선부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극은, 외주면에 지반 물성치 측정을 위한 계측 센서가 설치되는 홈을 구비한다.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극은, 외주면에 상기 관입 로드를 지지하는 단차를 구비한다.
일 실시예에 있어서, 상기 콘 측에 위치하는 상기 외부전극의 선단부는, 상기 관입 로드의 관입이 용이하도록 상기 관입 로드로부터 돌출되어 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극은, 상기 외부전극의 선단부에 결합되어 상기 단차를 형성하는 선단 캡을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 선단 캡은, 상기 관입 로드의 관입이 용이하도록 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 관입 로드는, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 관입 로드 후단의 내경보다 작은 내경을 지니는 소내경부를 포함하고, 상기 외부전극은, 상기 콘 관입시험기의 관입시 상기 관입 로드로부터 주면마찰력 및 선단저항력의 합력을 전달받도록 상기 소내경부를 지지하는 지지부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 콘 관입시험기는, 상기 외부전극 및 상기 관입 로드 사이에 상기 콘 관입시험기의 관입시 선단저항력을 측정하는 제1 스트레인 게이지(Strain Gauge) 및 선단저항력과 주면마찰력의 합력을 측정하는 제2 스트레인 게이지를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 스트레인 게이지는, 상기 콘 측에 위치하는 상기 외부전극의 선단 및 상기 지지부 사이에 설치되고, 상기 제2 스트레인 게이지는, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단 및 상기 지지부 사이에 설치된다.
일 실시예에 있어서, 상기 콘 관입시험기는, 상기 관입 로드의 양 단 사이 구간에서 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면 구간을 포함한다.
본 발명은, 대상 지반과의 초기 접촉 부분인 선단부에서 임피던스를 측정하 도록 구성하여 측정 결과의 정확성 및 신뢰성을 개선하는 이점을 제공한다.
또한, 다중 관 구조를 형성하여 좌굴에 대한 강인성을 유지하면서 소형화를 가능하게 하고, 나아가 임피던스뿐만 아니라 동시에 다양한 물성치를 측정할 수 있도록 하는 이점을 제공한다.
또한, 계측 센서로서 광섬유 센서를 이용할 수 있도록 구성하여 콘 관입시험기의 초소형화를 가능하게 하고, 그에 따라 관입시 소성 변형 및 교란 영역을 최대한 감소시켜 원 지반의 강도에 가까운 지반 정수를 획득할 수 있도록 하는 이점을 제공한다.
이하, 본 발명의 기술적 과제의 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불명료하게 할 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 콘 관입시험 시스템이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 콘 관입시험 시스템은 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기(100), 추가적 로드(rod; 110) 및 임피던스 측정기(120)를 포함한다.
상기 콘 관입시험기(100)는, 대상 지반과의 초기 접촉 부분인 선단부에서 임피던스를 측정하도록 구성하여 측정 결과의 정확성 및 신뢰성을 개선한다. 즉, 임피던스 측정 센서는 선단 부분에 장착되어 있으며, 직경은 민감도 향상 및 현장 상태에 적합하도록 1mm부터 50mm 까지 적절하게 조절할 수 있다. 주면마찰력 측정을 위한 마찰슬리브(friction sleeve)의 길이는 기존 콘 관입시험기와 마찬가지 비율로 결정될 수 있다(선단부 면적 대 마찰슬리브 면적의 비는 1:15). 또한, 상기 콘 관입시험기(100)는 대상 지반의 물리적인 강도 특성과 전자기적인 특성을 선단부에서 동시 측정할 수 있다. 즉, 대상 지반의 전기적 특성뿐만 아니라, 선단저항력(qc), 주면마찰력(fs), 간극수압(u) 측정이 가능하도록 구성할 수 있다.
상기 추가적 로드(110)는 상기 콘 관입시험기(100)의 관입 심도를 증가시키기 위한 것이며, 상기 콘 관입시험기(100)의 외부전극과 내부전극으로 연결된 케이블은 상기 추가적 로드 상단으로 도출되어 상기 임피던스 측정기(120), 예컨대 LCR 미터로 연결된다. 일 실시예에 있어서, 본 발명은 상기 임피던스 측정기(120)와의 회로 연결 방식으로 2단자쌍(4단자) 회로 연결 방식을 이용할 수 있다. 비록 전극은 내부와 외부의 두 개로만 구성되어 있으나, 안정된 전기적인 신호를 획득하기 위해 각 전극(내·외부전극)과 4단자 전극은 선단부에 연결되도록 할 수 있다. 또한 선단부 근처에서 모든 접지선을 연결시킬 수 있다. 도 1에서 Hc, Hp는 내부전극의 전류 및 전위를 의미하며, Lc, Lp는 외부전극의 전류 및 전위를 나타낸다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기(100)가 단면도로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 콘 관입시험기(100)는 내부전극(200), 절연체 층(300), 외부전극(400) 및 관입 로드(500)를 포함한다.
도 3에는 상기 콘 관입시험기(100)의 내부전극(200)이 단면도로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 상기 내부전극(200)은 원추 형태의 콘(230), 임피던스 측정기의 단자 케이블이 연결되는 제1 접점부(210) 및 상기 콘(230)의 직경보다 작은 직경으로 형성되어 선단이 상기 콘(230)의 밑면에 연결되고 후단이 상기 제1 접점부(210)에 연결되는 금속봉(220)으로 이루어진다. 또한, 상기 내부전극(200)에는 상기 외부전극(400)과의 사이에 형성되어 단락을 방지하는 절연체 층(300)이 접촉되어 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 절연체 층(300)은 에폭시로 이루어질 수 있다.
도 4에는 상기 콘 관입시험기(100)의 외부전극(400)이 단면도로 도시되어 있다.
도 5에는 상기 외부전극(400)을 수용하고 있는 관입 로드(500)가 단면도로 도시되어 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 외부전극(400)은, 상기 콘(230)보다 작은 내경을 지니고 상기 금속봉(220)을 수용하는 중공관 형태로 구성된다. 상기 외부전극(400)은 또한 중공관 형태의 관입 로드(500)의 내주면에 위치하게 된다. 이때, 상기 관입 로드(500)는 상기 외부전극(400)의 외주면에 형성된 단차(420, 440)에 의해 상기 관입 로드(500)의 양 단이 지지되어 상기 외부전극(400)을 수용할 수 있 다. 또한, 상기 관입 로드(500)는, 상기 외부전극(400)의 선단부에 결합되어 단차를 형성하는 선단 캡(440)에 의해 일단이 지지될 수 있다. 즉, 상기 관입 로드(500)의 상기 일단을 지지하는 상기 일측의 단차는 상기 외부전극(400)의 선단부 자체의 외주면에 형성된 것일 수 있고, 또한 상기 외부전극(400)의 선단부에 결합되는 상기 선단 캡(440)일 수 있다. 상기 선단 캡(440)을 사용하는 이유는 상기 콘 관입시험기(100)의 분해 및 조립을 용이하게 하기 위함이다.
일 실시예에 있어서, 상기 외부전극(400)의 선단부 또는 선단 캡(440)은, 상기 관입 로드(500)의 관입이 용이하도록 상기 관입 로드(500)로부터 돌출되어 상기 콘(230) 방향으로 외경이 감소하는 변단면부(430)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 외부전극(400)의 선단부 또는 선단 캡(440)은, 상기 콘(230) 방향으로 외경이 감소하는 변단면부를 포함하여, 상기 관입 로드(500)의 상기 일단을 지지하면서도 상기 관입 로드(500)의 관입을 용이하게 할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 외부전극(400)의 선단부 또는 선단 캡(440)은 상기 콘(230)과 하나의 원추 형태를 이루게 할 수 있다.
한편, 상기 외부전극(400)의 후단부(410)는, 상기 금속봉(220)의 후단 측에 위치하게 된다. 또한, 상기 외부전극(400)의 후단부(410)는, 상기 관입 로드(500) 내에 삽입되었을 때 상기 관입 로드(500)로부터 돌출 형성되고 상기 임피던스 측정기(120)의 다른 단자 케이블이 연결되는 제2 접점부(미도시)를 포함한다. 또한, 상기 외부전극(400)의 후단부(410)는, 상기 콘 관입시험기(100)의 관입 심도를 증가시키는 추가적 로드(110)를 결합하는 결합수단을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있 어서, 상기 후단부(410)는 상기 추가적 로드(110)가 나사 결합되도록 하는 나사선부(414)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 나사선부(414)에 홈(412; 미도시)을 형성하여, 상기 추가적 로드(110)의 결합과 무관하게 상기 임피던스 측정기(120)의 상기 다른 단자 케이블이 연결되도록 할 수 있다.
또한, 상기 외부전극(400)은, 지반 물성치 측정을 위한 계측 센서가 설치되는 홈(430)을 구비할 수 있다. 상기 홈(430)에 설치될 수 있는 계측 센서에는 초소형 변형률계(strain gauge), 간극수압 측정 센서(pore pressure transducer) 등이 포함되며, 이러한 계측 센서들을 통해 대상 지반에 대한 다양한 물성치를 획득할 수 있게 된다. 이 경우, 상기 외부전극(400)의 후단부(410)에 홈(416)을 형성하여 상기 추가적 로드(110)의 결합과 무관하게 상기 계측 센서들의 케이블을 외부로 안전하게 유도할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c에는 도 2의 A-A, B-B 및 C-C 방향의 단면도가 도시되어 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 외부전극(400)의 후단부에는 스트레인 게이지의 등의 선이 지나가는 홈(416)과 상기 제2 접점부로서 상기 임피던스 측정기(120)의 상기 다른 단자 케이블이 연결되는 홈(412)을 형성할 수 있다.
또한, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 단차(420) 부분에는 상기 외부전극(400)의 상기 계측 센서 설치를 위한 홈(430)에서 케이블이 빠져나올 수 있는 홈(422)이 형성될 수 있다.
또한, 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 관입 로드(500) 및 상기 외부전 극(400) 사이에는 대상 지반의 다양한 물성치를 측정하는 계측 센서들을 설치하기 위한 홈(430)이 형성될 수 있다.
도 7에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기가 단면도로 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘 관입시험기(100)는 다른 형태의 내부전극(200)을 사용할 수 있다.
즉, 상기 내부전극(200)은, 원추 형태의 콘, 상기 콘의 직경보다 작은 외경으로 형성되어 선단이 상기 콘의 밑면에 연결되어 폐색되고 후단이 개구된 중공의 금속관(240) 및 상기 금속관(240)의 개구된 후단에서 연장 형성되고 임피던스 측정기의 단자 케이블이 연결되는 제1 접점부(210)로 이루어질 수 있다.
특히, 일 실시예에 있어서, 상기 내부전극(200)의 상기 금속관(240)은, 내부에 지반 물성치 측정을 위한 계측 센서로서 광섬유 센서(700)가 삽입될 수 있다.
광섬유 센서(optical fiber sensor)란, 광섬유를 지나가는 빛의 세기, 광섬유의 굴절률 및 길이, 모드, 그리고 편광상태의 변화 등을 이용하여 피측정량을 추정하는 센서를 말한다. 사용 효과에 따라 세기형, 위상형, 회절 격자형, 모드 변조형, 편광형, 분포 측정형 등으로 구분된다. 측정량으로는 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 회전율, 음향, 가스 농도 등 다양하다.
이러한 광섬유 센서는 초정밀 광대역 측정이 가능하고, 원격 측정이 용이하며, 특히 전자파의 영향를 받지 않는 점에서 본 발명에 따른 소형 콘 관입시험기에 적용할 때 많은 장점들을 제공할 수 있다. 또한, 광섬유 센서에서는 전기를 사용하 지 않으며, 실리카 재질의 뛰어난 내부식성으로 사용 환경에 대한 제약이 거의 없다는 장점도 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 내부전극(200)의 상기 금속관(240)과 상기 광섬유 센서(700) 사이에 절연체, 예컨대 에폭시(710)가 충전될 수 있다.
도 8에는 도 7의 D-D 방향의 단면도가 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 내부전극(200)의 금속관 중심에는 상기 광섬유 센서(700)가 삽입되어 있고, 그 주위에는 절연체, 예컨대 에폭시(710)가 충전되어 있음을 알 수 있다.
도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기(100)가 단면도로 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 도 2 및 도 7의 콘 관입시험기는, 상기 관입 로드(500)의 양 단 사이 구간(910 내지 930)에서 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면 구간(920)을 포함할 수 있다. 이와 같이 변단면 구간을 구성하는 이유는 본 발명에 따른 콘 관입시험기(100)의 외경이 5mm 이하의 초소형으로 구현될 경우, 대심도 지중 관입시 토압에 의한 굴절 및 꺾임 현상이 발생하는 것을 방지하고 좌굴에 대한 강인성을 유지하기 위함이다.
도 7 및 도 9에 도시된 콘 관입시험기는 상기 내부전극 부분을 제외한 다른 구성요소들 관련하여서는 도 2의 콘 관입시험기와 동일한 원리 및 기능으로 설명할 수 있다.
도 10에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입 시험기(100)가 단면도로 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 도 2 및 도 7의 콘 관입시험기(100)의 관입 로드(500)는, 상기 제1 접점부(210) 측에 위치하는 상기 관입 로드(500)의 후단의 내경보다 작은 내경을 지니는 소내경부(502)를 포함할 수 있다.
도 11에는 도 10의 콘 관입시험기(100)의 관입 로드(500)가 단면도로 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 상기 관입 로드(500)는 상기 관입 로드(500)의 양단의 내경보다 작은 내경을 가지도록 구현할 수 있다. 아래에서 다시 설명하겠지만, 상기 외부전극(400) 및 상기 관입 로드(500) 사이에 계측 센서들이 설치될 수 있는 한, 상기 소내경부(502)의 두께, 길이, 내주면의 상태 등은 다양하게 구현될 수 있다.
이 경우, 상기 외부전극(400)은 상기 콘 관입시험기(100)의 관입시 상기 관입 로드(500)로부터 주면마찰력 및 선단저항력의 합력을 전달받도록 상기 소내경부(502)를 지지하는 지지부(432)를 포함한다.
도 12에는 도 10의 콘 관입시험기(100)의 외부전극(400)이 단면도로 도시되어 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상기 외부전극(400)은 상기 단차(420, 440) 사이에 상기 지지부(432)를 포함할 수 있다.
도 13에는 도 10의 콘 관입시험기(100)에서 상기 관입 로드(500)를 제거한 외관이 도시되어 있다.
도 10 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 콘 관입시험기(100)는, 상기 외부전극(400) 및 상기 관입 로드(500) 사이에 지반 물성치 측정을 위한 계측 센서(434, 436)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 콘 관입시험기(100)는, 상기 외부전극(400) 및 상기 관입 로드(500) 사이에 상기 콘 관입시험기(100)의 관입시 선단저항력을 측정하는 제1 스트레인 게이지(Strain Gauge; 434) 및 선단저항력 및 주면마찰력의 합력을 측정하는 제2 스트레인 게이지(436)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 스트레인 게이지(434)는, 상기 콘(230) 측에 위치하는 상기 외부전극(400)의 선단 및 상기 지지부(432) 사이에 설치될 수 있으며, 상기 제2 스트레인 게이지(436)는, 상기 제1 접점부(210) 측에 위치하는 상기 외부전극(400)의 후단 및 상기 지지부(432) 사이에 설치될 수 있다. 상기 제1 스트레인 게이지(434)는, 상기 콘 관입시험기(100)의 관입시, 상기 콘(230) 및 상기 외부전극(400)의 선단부(440)를 통해 감지되는 선단저항력을 측정한다. 또한, 상기 제2 스트레인 게이지(436)는, 상기 콘 관입시험기(100)의 관입시, 상기 관입 로드(500)의 상기 소내경부(502)로부터 상기 지지부(432)를 통해 감지되는 선단저항력 및 주면마찰력을 측정한다.
도 10에 도시된 콘 관입시험기(100)는, 상기 외부전극(400) 및 상기 관입 로드(500) 부분을 제외한 다른 구성요소들 관련하여서는 도 2의 콘 관입시험기와 동일한 원리 및 기능으로 설명할 수 있다.
도 14에는 본 발명에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기의 실제 구현례가 도시되어 있다.
도 14에 도시된 바와 같이, 외관상, 내부전극(200), 외부전극(400)과 그 사이에 형성된 절연체 층(300)을 관찰할 수 있다. 특히, 상기 외부전극(400)의 후단부에 홈을 형성하여 계측 센서들의 케이블(414) 및 임피던스 측정기의 단자 케이블을 안전하게 유도할 수 있음을 알 수 있다. 특히, 실제 사물과 대조함으로써 본 발명에 따른 콘 관입시험기(100)의 소형화 가능성이 매우 높다는 것을 쉽게 예측할 수 있다.
이하, 본 발명의 현저한 효과를 검증한다.
우선, 신뢰성 있는 전기 저항값을 얻기 위해서는 캘리브레이션을 통해 물질의 고유 저항인 비저항 값으로 환산하여 평가하여야 한다. 전기 저항값은 프로브의 전극 길이, 재질, 케이블의 길이 등 기하학적 및 전기적인 형상에 따라 값이 변하기 때문이다. 측정된 전기 저항은 비저항 값과 선형관계를 나타내며 프로브 형상에 따라 다양하게 도출되는 선형 상수(기울기)를 이용하여 대상 지반을 평가한다. 서로 다른 농도의 소금물을 조성한 후 전기 전도도 및 측정 프로브 장비 자체의 저항값을 측정해 수학식 1과 같은 관계식을 도출하였다.
Figure 112009056678690-pat00001
상기 수학식 1에서, R은 저항[Ω], 그리고 ρ는 비저항[Ωcm]이다.
도 15에는 본 발명에 대한 실내 실험 측정 결과가 도시되어 있다.
본 발명의 실내 실험 평가를 위해, 내경이 1.2m이며 높이가 1.8m인 대형 캘리브레이션 챔버를 이용하여 본 발명의 적용성을 평가하였다. 재하 하중에 대한 압 밀이 종료된 시료에 대해, 현장 조건과 유사한 구속압을 조성하기 위하여 실험이 진행 동안에도 100kPa의 구속압을 가압하였으며, 정밀한 관입속도의 유지를 위해 유압 관입기를 이용하였다. 시료는 경계면 구속효과를 고려하여 깊이 60cm까지 관입하였으며, 연속적인 관입을 통해 대상 지반의 특성을 측정하였다. 본 발명에 성능에 대한 관입속도 영향을 평가하기 위해 깊이에 따라 관입 속도를 다르게 조절하였다. 초기 관입 속도는 1mm/sec를 유지하였으며, 심도가 30cm 그리고 50cm 일 때 관입 속도를 5mm/sec 그리고 10mm/sec로 증가시켜 실험을 진행하였다.
도 15에 도시된 바와 같이, 전기 비저항 값은 측정된 전기 저항값과 캘리브레이션 식을 통해 얻은 기울기 값을 이용하여 나타내었으며, 선단저항력과 비슷하게 관입 속도 증가 및 협재층 존재 구역에서 값이 증가 되는 것을 확인할 수 있다. 특히, 협재층이 존재하는 영역에서 전기 비저항 값은 상당히 큰 증가 양상을 보이는 것으로 나타났다.
이와 같은 결과는, 전기 비저항 값의 민감도가 상당히 높음을 보여주며, 선단저항력과의 상호 보완적인 측정을 이용하여 협재층 탐사 및 대상 지반의 강도 특성 파악에 용이함을 보여준다.
도 16에는 본 발명에 대한 현장 실험 측정 결과가 도시되어 있다.
본 발명의 현장 실험 평가를 위해, 독립적으로 측정된 콘 선단 지지력과 전기 비저항의 특성 및 관련성을 평가하였다. 현장 실험은 부산 화전 지구에서 수행되었으며, 심도 약 10m까지 모래층, 약 30m 심도 까지는 실트질 점토층으로 구성되어 있다. 대심도 구간의 관입을 용이하게 하기 위하여 유압식 시추기가 사용되었으 며, LCR meter와 컴퓨터를 이용하여 각각의 측정 데이터를 자동 저장하였다.
도 16에 도시된 바와 같이, 심도가 깊어질수록 선단저항력이 증가하므로 하부 구조가 상부보다 단단한 지층으로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 심도에 따라 측정된 전기 비저항 결과는 Archie (1942)의 연구 결과에 따라 간극비 감소를 나타내며, 이는 표준 콘 관입 실험 결과의 경향과 유사하게 하부로 갈수록 단단한 지층이 있음을 의미한다. 즉, 강도 특성을 나타내주는 선단 지지력과 전기적인 특성인 전기 비저항이 서로 독립적이지 않으며 두 가지 시험 결과를 종합하여 신뢰성 높은 지층 분석이 가능함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명은 선단 부분에 설치된 임피던스 센서를 통해 비교란 영역의 정확한 데이터를 획득하여 주상도를 얻을 수 있다. 이는 지반의 협재층과 같은 불확실성 및 복잡성 평가에 효율적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 선단저항력, 주면마찰력 그리고 간극수압과 동시에 측정되어 데이터의 상호보완이 가능하며, 한 번의 원위치 실험으로 다양한 물성치 확보를 통해 경제적인 지반 조사 방법으로 다양한 수요가 예상된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 대상 지반과의 초기 접촉 부분인 선단부에서 임피던스를 측정하도록 구성하여 측정 결과의 정확성 및 신뢰성을 개선하는 이점을 제공한다. 또한, 다중 관 구조를 형성하여 좌굴에 대한 강인성을 유지하면서 소형화를 가능하게 하고, 나아가 임피던스뿐만 아니라 동시에 다양한 물성치를 측정할 수 있도록 하는 이점을 제공한다. 또한, 계측 센서로서 광섬유 센서를 이용할 수 있도록 구성하여 콘 관입시험기의 초소형화를 가능하게 하고, 그에 따라 관입시 소 성 변형 및 교란 영역을 최대한 감소시켜 원 지반의 강도에 가까운 지반 정수를 획득할 수 있도록 하는 이점을 제공한다.
지금까지 본 발명에 대해 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 콘 관입시험 시스템의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 콘 관입시험기의 내부전극을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 콘 관입시험기의 외부전극을 나타낸 단면도이다.
도 5는 외부전극을 수용하고 있는 관입 로드를 나타낸 단면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 2의 A-A, B-B 및 C-C 방향의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 7의 D-D 방향의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기를 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 10의 콘 관입시험기의 관입 로드를 나타낸 단면도이다.
도 12는 도 10의 콘 관입시험기의 외부전극을 나타낸 단면도이다.
도 13은 도 10의 콘 관입시험기에서 관입 로드를 제거한 외관을 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기의 실제 구현례 를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 대한 실내 실험 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명에 대한 현장 실험 측정 결과를 나타낸 도면이다.

Claims (16)

  1. 원추 형태의 콘, 임피던스 측정기의 단자 케이블이 연결되는 제1 접점부 및 상기 콘의 직경보다 작은 직경으로 형성되어 선단이 상기 콘의 밑면에 연결되고 후단이 상기 제1 접점부에 연결되는 금속봉으로 이루어진 내부전극;
    상기 콘의 직경보다 작은 내경을 지니고 상기 금속봉을 수용하는 중공관 형태의 외부전극;
    상기 내부전극 및 상기 외부전극 사이에 형성되어 단락을 방지하는 절연체 층; 및
    상기 외부전극을 수용하는 중공관 형태의 관입 로드를 포함하되,
    상기 외부전극은
    상기 관입로드와의 사이에 홈을 구비하고, 상기 홈에 초소형 변형률계, 간극수압 측정센서 중 적어도 하나의 지반 물성치 측정을 위한 계측센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  2. 원추 형태의 콘, 상기 콘의 직경보다 작은 외경으로 형성되어 선단이 상기 콘의 밑면에 연결되어 폐색되고 후단이 개구된 중공의 금속관 및 상기 금속관의 개구된 후단에서 연장 형성되고 임피던스 측정기의 단자 케이블이 연결되는 제1 접점부로 이루어진 내부전극;
    상기 콘의 직경보다 작은 내경을 지니고 상기 금속관을 수용하는 중공관 형태의 외부전극;
    상기 내부전극 및 상기 외부전극 사이에 형성되어 단락을 방지하는 절연체 층; 및
    상기 외부전극을 수용하는 중공관 형태의 관입 로드를 포함하되,
    상기 내부전극의 상기 금속관은, 내부에 지반 물성치 측정을 위한 계측 센서로서 광섬유 센서가 삽입되는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 금속관은, 상기 광섬유 센서와의 사이에 절연체가 충전되는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  5. 제1항 내지 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단부는, 상기 임피던스 측정기의 다른 단자 케이블이 연결되는 제2 접점부를 포함하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  6. 제1항 내지 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단부는, 상기 콘 관입시험기의 관입 심도를 증가시키는 추가적 로드를 결합하는 결합수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부전극의 후단부는, 상기 추가적 로드가 나사 결합되도록 하는 나사선부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  8. 제1항 내지 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부전극은, 외주면에 지반 물성치 측정을 위한 계측 센서가 설치되는 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  9. 제1항 내지 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부전극은, 외주면에 상기 관입 로드를 지지하는 단차를 구비하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 콘 측에 위치하는 상기 외부전극의 선단부는, 상기 관입 로드의 관입이 용이하도록 상기 관입 로드로부터 돌출되어 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 외부전극은, 상기 외부전극의 선단부에 결합되어 상기 단차를 형성하는 선단 캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 선단 캡은, 상기 관입 로드의 관입이 용이하도록 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 관입 로드는, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 관입 로드 후단의 내경보다 작은 내경을 지니는 소내경부를 포함하고,
    상기 외부전극은, 상기 콘 관입시험기의 관입시 상기 관입 로드로부터 주면마찰력 및 선단저항력의 합력을 전달받도록 상기 소내경부를 지지하는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 콘 관입시험기는, 상기 외부전극 및 상기 관입 로드 사이에 상기 콘 관입시험기의 관입시 선단저항력을 측정하는 제1 스트레인 게이지(Strain Gauge) 및 선단저항력과 주면마찰력의 합력을 측정하는 제2 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 스트레인 게이지는, 상기 콘 측에 위치하는 상기 외부전극의 선단 및 상기 지지부 사이에 설치되고,
    상기 제2 스트레인 게이지는, 상기 제1 접점부 측에 위치하는 상기 외부전극의 후단 및 상기 지지부 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
  16. 제1항 내지 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘 관입시험기는, 상기 관입 로드의 양 단 사이 구간에서 상기 콘 방향으로 외경이 감소하는 변단면 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 임피던스 측정용 콘 관입시험기.
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