KR20130072460A - 토사의 동결시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토사의 동결에 따른 동상량, 동상압 등의 동상력을 시험할 수 있는 토사의 동결시험장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 동결시험대상 시료(2)가 채워지는 토조(10), 상기 토조(10)의 상측과 하측 중 적어도 어느 한쪽에 설치되어 상기 시료(2)를 동결시키는 동결부(20) 및 상기 동결상태의 토조(10) 내 시료(2)의 동상력을 계측하는 계측부를 포함하며; 상기 계측부는 상기 토조(10)의 상측 또는 하측에 설치되어 신호가 출력되는 송신부(32) 및, 상기 토조(10)의 측면에 설치되어 상기 송신부(32)에서 출력된 신호가 입력되는 수신부(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동결시험장치를 제공한다.

Description

토사의 동결시험장치{MEASURING APPARATUS OF FROST HEAVING PRESSURE FOR EARTH AND SAND}
본 발명은 토사의 동결에 따른 동상량, 동상압 등의 동상력을 시험할 수 있는 토사의 동결시험장치에 관한 것이다.
겨울철만 되면 도로포장이나 구조물이 동상(frost heaving)에 의해 많은 피해를 입는다. 즉, 겨울철에 저온의 기온이 계속되면, 보조기층이나 노상 중 수분이 동결하여 얼음층이 발달하며, 이 얼음층이 주위 수분흡수로 성장하면서 체적이 팽창함에 따라 엄청난 동상력이 작용해 도로포장 등의 지반이 융기하면서 도로포장이나 철도, 상수도관 등의 구조물이 파손되는 것을 동상현상이라 한다.
이러한 동상현상들을 방지하기 위해 동상현상이 발생될 수 있는 조건이 갖춰진 동토지역의 지반 구조물 설계시 설계정수, 안정성 분석 등을 위해, 그 지반을 이루는 토사의 동상력(즉, 동상으로 인한 체적팽창을 억제하고자 하는 힘)을 고려해야된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 동토지역의 지반 구조물 설계시 설계정수, 안정성 분석 등을 위해 그 지반을 이루는 토사의 동상력을 고려할 수 있도록, 토사의 동결상태를 시험할 수 있도록 구성된 토사의 동결시험장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 동결시험대상 시료(2)가 채워지는 토조(10), 상기 토조(10)의 상측과 하측 중 적어도 어느 한쪽에 설치되어 상기 시료(2)를 동결시키는 동결부(20) 및 상기 동결상태의 토조(10) 내 시료(2)의 동상력을 계측하는 계측부를 포함하며; 상기 계측부는 상기 토조(10)의 상측 또는 하측에 설치되어 신호가 출력되는 송신부(32) 및, 상기 토조(10)의 측면에 설치되어 상기 송신부(32)에서 출력된 신호가 입력되는 수신부(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동결시험장치를 제공한다.
상기 수신부(34)는 상기 토조(10)의 측면에 둘레방향을 따라 복수 설치될 수 있다.
상기 수신부(34)는 상기 토조(10)의 측면에 상하방향을 따라 복수 설치될 수 있다.
상기 동결부(20)는 상기 토조(10)의 상측 및 하측에 각각 설치되며, 상호 독립적으로 작동되는 상부 동결부(22), 하부 동결부(24)를 포함하며; 상기 송신부(32)는 상기 상부 동결부(22)에 결합되어 상기 토조(10)의 상측에 설치될 수 있다.
상기 계측부는 상기 토조(10)의 측면에 설치되어 상기 토조(10) 내 시료(2)의 온도를 측정하는 온도계(36)를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 동결 상황에 따른 시료의 물성 변화를 보다 실증적이고 다양하게 연속적으로 계측할 수 있으며, 특히 송신부를 토조의 상측 또는 하측에 설치하고 수신부를 토조의 측면에 설치하여 송신부와 수신부 간 신호 전달이 동결진행방향과 상이한 방향으로 이루어질 수 있도록 함으로써, 계측을 위한 요소를 더 추가하거나 구조를 복잡하게 구성하지 않지 용이하고 간단하게 토사의 동결시험을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 토사의 동결시험장치 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 토사의 동결부 단면도.
도 3은 동결진행방향에 따른 토사의 동결 양상을 보여주는 모식도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1 이하에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 토사의 동결시험장치는 동결시험대상 시료(2)가 채워지는 토조(10)와, 토조(10)의 상측과 하측 중 적어도 어느 한쪽에 설치되어 시료(2)를 동결시키는 동결부(20)와, 동결상태의 토조(10) 내 시료(2)의 동상력을 계측하는 계측부를 포함할 수 있다.
토조(10)는 아크릴 몰드로 제조될 수 있으며, 토조(10)의 상면과 하면이 각각 상부 동결부(22), 하부 동결부(24)에 의해 복개될 수 있도록 개방된 구조를 취할 수 있다.
동결부(20)는 토사의 실증적인 동결시험을 위해, 토조(10)의 상측, 하측에 각각 설치되어 토조(10) 내 시료(2)를 동결시키는 상부 동결부(22), 하부 동결부(24)를 포함하며, 상부 동결부(22)와 하부 동결부(24)가 상호 독립적으로 작동되도록 구성될 수 있다. 즉, 실제 토사의 동결은 동시에 일체로 동결되는 것이 아니라 표면부터 동결이 진행되거나 지중으로부터 동결이 진행되거나 또는 표면과 지중 양 방향에서 동결이 진행된다. 따라서, 다양한 동결 상황을 모의 시험할 수 있도록, 동결부(20)는 상부 동결부(22)와 하부 동결부(24) 중 어느 하나만 작동되거나, 상부 동결부(22)와 하부 동결부(24)가 함께 동시에 작동될 수 있도록 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 상부 동결부(22)와 하부 동결부(24)가 함께 작동되는 경우, 상부 동결부(22)와 하부 동결부(22)에 의한 동결 온도 등의 조건이 서로 같을 수도 있고 서로 다를 수도 있다.
한편, 상부 동결부(22)는 토조(10)의 상면이 선택적으로 개방될 수 있도록, 토조(10)의 상측에 상하방향으로 이동 가능토록 설치될 수 있다.
이러한 동결부(20)는 다양한 구조로 실시될 수 있으며, 예컨대 토조(10) 내 시료(2)와 접촉되는 면이 알루미늄과 같이 열전도율이 우수한 소재로 제조되며 부동액(20a)이 공급되는 내부공간 및 부동액(20a)이 유,출입되는 입,출구(20c,20d)를 갖도록 형성된 케이스(20b)를 포함할 수 있다. 즉, 부동액(20a)이 케이스(20b)의 일측을 통해 케이스(20b)의 내부공간에 유입되고 케이스(20b)의 타측을 통해 케이스(20b)의 내부공간으로부터 배출되면서, 부동액(20a)의 냉기가 토조(10) 내 시료(2)에 전달되어 시료(2)가 동결될 수 있다.
계측부는 토조(10)의 일측에 설치되어 토사의 동결시험을 위한 신호가 시료(2)로 출력되는 송신부(32)와, 토조(10)의 타측에 설치되어 송신부(32)로부터 출력되어 시료(2)를 통과한 신호가 수신되는 수신부(34)를 포함할 수 있다.
특히, 송신부(32)는 동결부(20)에 의해 동결방향에 대응하여 토조(10)의 상측 또는 하측에 설치되며, 수신부(34)는 상하방향을 따라 송신부(32)와 마주보도록 설치되는 것이 아니라 동결부(20)에 의한 동결방향과 수직한 방향에 설치될 수 있도록 토조(10)의 측면에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
송신부(32)는 상부 동결부(22)에 결합됨으로써 토조(10)의 상측에 설치될 수 있다. 이를 위해, 송신부(32)는 동결부(20)의 케이스(20b)의 내부 중앙에 설치된 보호관(40)을 통해 상부 동결부(22)에 결합될 수 있다. 즉, 보호관(40)은 송신부(32)의 상측부가 삽입되어 고정되는 송신부 결합부(42)와, 송신부 결합부(42)의 상측에 형성되어 송신부(32)에 연결된 송신용 케이블(32a)이 배선되는 케이블 배선부(44)로 이루어질 수 있다. 따라서, 송신부(32)가 상부 동결부(22)에 안정적으로 결합될 수 있다.
수신부(34)는 정확한 계측을 위해, 토조(10)의 측면에 둘레방향을 따라 복수 설치될 수 있다.
특히, 수신부(34)는 다양한 동결 상태에 따른 시료(2)의 물성 변화를 연속적으로 측정할 수 있도록, 토조(10)의 측면에 상하방향을 따라 복수 설치될 수 있다.
즉, 토사의 동결이 표면과 지중 중 어느 한 방향으로 진행되든지 표면과 지중 양 방향에서 진행되든지 간에 상관없이, 모든 영역이 동시에 동일하게 동결되는 것이 아니라 도 3에 도시된 바와 같이 동결 방향을 따라 점진적으로 동결 진행된다.
예컨대, 도 3a은 상부 동결부(22)에 의해 상측(즉, 표면)에서 하측(즉, 지중)을 향해 동결이 진행되는 예를 모식한 도면이고, 도 3b는 하부 동결부(24)에 의해 하측(즉, 지중)에서 상측(즉, 표면)을 향해 동결이 진행되는 예를 모식한 도면이고, 도 3c는 상부 동결부(22) 및 하부 동결부(24)에서 상측(즉, 표면)과 하측(즉, 지중)에서 동시에 양방향으로 동결이 진행되는 예를 모식한 도면이다. 도 3에서 도면부호 'I'는 동결된 영역이고, 도면부호 'E'는 동결 전 영역이며, 화살표는 동결 진행방향이다.
따라서, 수신부(34)가 토조(10)의 상측 또는 하측에 설치되어 송신부(32)와 동결 방향을 따라 일렬로 설치된다면, 송신부(32)와 수신부(34) 사이의 시료(2)의 동결 상태는 동결 전,후 2가지만 양상만 계측 가능하여, 특정 시점(즉, 동결 완료 상태)의 동결 상황에 따른 시료(2)의 물성만 계측할 수 있다.
하지만, 본 발명과 같이 수신부(34)가 토조(10)의 측면에 상하방향을 따라 복수 설치됨에 따라, 동결 진행 중에는 동결 진행 상태에 따라 송신부(32)와 복수의 수신부(24) 간 시료(2)의 동결 상태가 각기 다른 양상을 보이기 때문에, 다양한 동결 상태에 따른 시료(2)의 물성 변화를 계측하는 것은 물론 동결 완료된 특정 시점은 물론 동결 진행 중에 연속적 계측이 가능하다.
그러므로, 본 발명은 토사의 동결시험에 대한 보다 실증적이고 다양한 데이터를 제공할 수 있다.
한편, 송신부(32)에는 시료(2)의 동결 상태 계측을 위한 신호 출력을 위해 전단파인 진동을 발생시키는 펑션제너레이터(funnction generator)(31)가 연결되며, 수신부(34)에는 수신부(34)에 입력된 신호를 처리하는 오실로스코프(oscilloscope)(33)가 연결된다. 그리고, 송신부(32)와 수신부(34)는 각각 전기-압력 변환에 의해 진동을 송신,수신할 수 있는 압력소자(piezoelectric element)로 이루어질 수 있다.
아울러, 계측부는 토조(10)의 측면에 설치되어 토조(10) 내 시료(2)의 온도를 측정하는 온도계(36)를 더 포함함으로써, 시료(2)의 동결 상태를 계측할 수 있다. 이때, 온도계(36)는 정확한 계측 및 다양한 동결 상태에 따른 시료(2)의 물성 변화를 연속적으로 계측 가능토록, 토조(10)의 측면에 둘레방향 및 상하방향을 따라 각각 복수개 설치될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
2; 시료 10; 토조
20; 동결부 22; 상부 동결부
24; 하부 동결부 32; 송신부
34; 수신부 36; 온도계

Claims (5)

  1. 동결시험대상 시료(2)가 채워지는 토조(10), 상기 토조(10)의 상측과 하측 중 적어도 어느 한쪽에 설치되어 상기 시료(2)를 동결시키는 동결부(20) 및 상기 동결상태의 토조(10) 내 시료(2)의 동상력을 계측하는 계측부를 포함하며;
    상기 계측부는 상기 토조(10)의 상측 또는 하측에 설치되어 신호가 출력되는 송신부(32) 및, 상기 토조(10)의 측면에 설치되어 상기 송신부(32)에서 출력된 신호가 입력되는 수신부(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동결시험장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신부(34)는 상기 토조(10)의 측면에 둘레방향을 따라 복수 설치되는 것을 특징으로 하는 토사의 동결시험장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수신부(34)는 상기 토조(10)의 측면에 상하방향을 따라 복수 설치되는 것을 특징으로 하는 토사의 동결시험장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 동결부(20)는 상기 토조(10)의 상측 및 하측에 각각 설치되며, 상호 독립적으로 작동되는 상부 동결부(22), 하부 동결부(24)를 포함하며;
    상기 송신부(32)는 상기 상부 동결부(22)에 결합되어 상기 토조(10)의 상측에 설치되는 것을 특징으로 하는 토사의 동결시험장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 계측부는 상기 토조(10)의 측면에 설치되어 상기 토조(10) 내 시료(2)의 온도를 측정하는 온도계(36)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동결시험장치.


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