KR20180082750A - Plastic limit measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 신뢰성 있는 소성한계 측정을 수행할 수 있는 소성한계 측정기에 관한 것이다.The present invention relates to a plasticity limiter capable of performing reliable plasticity limit measurement.
성토의 물리적 특성은 컨시스턴시 한계(Consistency limits)에 의해 결정될 수 있다. 컨시스턴시 한계는 토양의 액성, 소성, 반고체, 고체 영역을 구분하는데 사용된다. 한계는 흙의 수분함량의 관점에 정의되고, 아터버그 한계(Atterberg`s Limits)로 알려져 있다. 컨시스턴시 한계는 공극 안에 수분을 유지하는 능력을 가지는 점성토에만 적용가능하며, 일반적으로 액성한계와 소성한계를 포함한다. 액성한계는 흙이 액체 상태에서 소성 상태로 변하는 함수비를 의미하고, 소성한계는 반고체 상태에서 소성 상태로 변하는 함수비를 의미한다(Sivakumar, V 2009).The physical properties of the embankment can be determined by the consistency limits. The consistency limit is used to distinguish the liquid, fired, semi-solid, and solid areas of the soil. The limit is defined in terms of the moisture content of the soil and is known as Atterberg's Limits. The consistency limit is applicable only to clays having the ability to retain moisture in the pores and generally includes a liquid limit and a plastic limit. The liquid limit means the water content in which the soil changes from the liquid state to the firing state, and the firing limit means the water content which changes from the semi-solid state to the firing state (Sivakumar, V 2009).
지반의 역학적 조사에서 조사의 크기, 종류에 관계없이 재료 특성의 판단은 중요하다. 카사그란데(Casagrande)는 흙의 재료적 특성을 이용하여 처음 분류하였고, 이후 역학적 특성과 재료 특성 사이의 관계를 보다 더 확고하게 구분하는 시도가 몇몇 연구자들에 의해 이루어졌다. 재료 특성은 전단강도, 수축, 팽창과 같은 역학적 특성에 관한 정보를 제공한다. 따라서 액·소성한계 시험은 흙의 기본적인 거동에 대한 통찰력을 얻기에 유용하며, 실트와 점토의 분류하는 효과적인 방법을 제시한다. 하중에 따른 반응이 흙의 종류에 따라 흙의 반응이 다르기 때문에 점토와 실트의 분류는 매우 중요하다. In the epidemiological survey of the ground, it is important to judge the material characteristics irrespective of the size and type of survey. Casagrande was first categorized by using the material properties of soil, and then some researchers made attempts to more firmly distinguish the relationship between mechanical properties and material properties. Material properties provide information on mechanical properties such as shear strength, shrinkage, and expansion. Therefore, the liquid-plastic limit test is useful for gaining insight into the basic behavior of soil and suggests an effective method of classifying silt and clay. Classification of clay and silt is very important because the response of the soil depends on the type of soil and the response of the soil is different.
흙의 액·소성한계 측정은 규정에 의해 표준화되어있다. 현재 국내에는 액성한계 시험법인 카사그란데(Casagrande) 방법(KS F2303)과 소성한계 시험법인 스레드 롤링(Thread Rolling) 방법(KS F2304)으로 규정화되어있다. 액성한계 측정은 액성한계 측정기를 이용한 기계적 시험이 이루어지고 있으며 측정 간 오차의 발생 가능성이 소성한계 시험법인 KS F2304와 비교하였을 때 높은 편은 아니다. The measurement of soil fluidity and plasticity limit is standardized by regulation. In Korea, the Casagrande method (KS F2303) and the plastic rolling limit method (KS F2304) are prescribed by the liquid limit test method. Liquid limit measurement is performed mechanically using a liquid limiter and the possibility of error between measurements is not high when compared with the plasticity limit test KS F2304.
그러나 소성한계 측정방법은 1965년 7월 20일 KS F2304로 제정이 된 이후로 표준시험법으로 이용되었으나 개정과정 이후 2000년 9월 19일에 폐지상태로 고시되어있다(한국표준정보망, Korean Standards Service Network). 소성한계 시험법은 작업자의 숙련도에 의해 크게 영향을 받는다. 이 시험방법은 작업자의 주관적인 판단, 롤링(Rolling) 과정에서의 압력 차이, 롤링(Rolling)이 이루어지는 동안의 속도, 스레드(Thread)의 구조 및 시험절차의 모호성이 주된 단점으로 꼽히며, 스레드 롤링(Thread Rolling) 규정화를 평가 절하하는 요인으로 작용한다.However, the method of measuring the plasticity limit has been used as a standard test method since it was established as KS F2304 on July 20, 1965, but has been annulled on September 19, 2000 after the revision process (Korean Standards Service Network). The plasticity limit test method is greatly influenced by the skill of the operator. This test method is considered to be the main disadvantage of the subjective judgment of the operator, the pressure difference during the rolling process, the speed during the rolling process, the structure of the thread and the ambiguity of the test procedure, Rolling) regulation.
폴-콘(Fall-cone) 시험은 유럽에서 액성한계와 소성한계 결정에 사용되고 있으며(Wroth and Wood, 1978; Budhu, 1985; Zreik, 1995; Feng, 2000), 비배수 전단강도 측정에 사용 될 수 있다(Hansbo, 1957; Houlsby, 1982; Wood, 1985; Simobe, 2000; Koumoto and Houlsby, 2001). 국내에서도 보조수단으로 이용하고 있지만 아직 표준화는 되어있지 않다. BS1377에서는 30°의 선단각의 80g의 콘을 5초간 관입 시 20mm 관입량의 함수비는 액성한계, 2mm관입량의 함수비는 소성한계로 정의하고 있으며, JIS에서는 60°의 선단각의 60g의 콘을 5초간 관입시킬 때의 10mm관입량의 함수비는 액성한계, 1mm관입량의 함수비는 소성한계로 정의하고 있다. The Fall-cone test is used in Europe to determine the liquid limit and plastic limit (Wroth and Wood, 1978; Budhu, 1985; Zreik, 1995; Feng, 2000) (Hansbo, 1957, Houlsby, 1982, Wood, 1985, Simobe, 2000, Koumoto and Houlsby, 2001). Although it is used as an auxiliary means in Korea, it is not yet standardized. In BS1377, the water content of 20mm penetration is defined as the liquid limit, and the water content of 2mm penetration is defined as the plasticity limit when the 80g cone of 30 ° tip angle is penetrated for 5 seconds. In JIS, 60g cone with 60 ° tip angle The water content of 10 mm penetration for 5 seconds is defined as the liquid limit, and the water content of 1 mm penetration is defined as the plastic limit.
또한, 액성한계의 비배수 전단 강도와 소성한계의 비배수 전단 강도는 거의 100배의 차이를 보이고 있고(Wroth & Wood, 1978; Hansbo, 1957), 위의 관계를 이용하여 새로운 폴-콘 시험법을 제시하였다. In addition, the undrained shear strength of the liquid limit and the undrained shear strength of the plasticity limit are almost 100 times different (Wroth & Wood, 1978; Hansbo, 1957) .
위에서 언급한 바와 같이, 재현성, 시험자 숙련도, 독립성의 문제점를 안고 있는 소성한계 측정의 대안 방식에 대한 기술적 요구가 높지만, 아직 이를 위한 해결방안을 제시되어 있지 않은 상황이다.As mentioned above, although there is a high technical demand for an alternative method of plasticity limit measurement, which has problems of reproducibility, tester skill, and independence, there is no solution for this problem yet.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 신뢰성 있는 소성한계 측정을 수행할 수 있는 소성한계 측정기를 제공함에 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a plasticity limiter capable of performing reliable plasticity limit measurement.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 소성한계 측정기는, 토양 샘플을 향해 자유낙하하여 상기 토양 샘플로 관입되며, 30°의 선단각과 727g의 중량을 갖는 원추 형상의 콘(cone); 상기 토양 샘플로부터 소정거리 이격된 높이에서 상기 콘을 홀딩하거나 자유낙하시키기 위한 전자석부를 구비하는 콘 홀딩부; 상기 전자석부로의 전류 공급을 조절하여 상기 콘의 홀딩 및 자유낙하를 선택적으로 제어하는 제어부; 일정한 시간 간격으로 상기 콘이 상기 토양 샘플에 관입되는 관입량을 측정하는 리니어 엔코더(linear encoder); 및 상기 리니어 엔코더에서 획득된 데이터를 수집하는 데이터 로거;를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a plasticity limiter comprising: a cone-shaped cone having free fall toward a soil sample and penetrating into the soil sample, the cone having a tip angle of 30 ° and a weight of 727g; A cone holding part having an electromagnet part for holding or freeing the cone at a height spaced a predetermined distance from the soil sample; A controller for selectively controlling the holding and free-falling of the cone by regulating current supply to the electromagnet portion; A linear encoder for measuring the amount of penetration of the cone into the soil sample at regular time intervals; And a data logger for collecting data obtained from the linear encoder.
그리고, 상기 리니어 엔코더는 상기 콘이 상기 토양 샘플에 관입되는 관입량을 1/200초 간격으로 5초간 측정할 수 있다.The linear encoder can measure the amount of penetration of the cone into the soil sample at intervals of 1/200 seconds for 5 seconds.
또한, 상기 토양 샘플과 상기 콘 사이의 상기 소정거리는 200mm일 수 있다.Further, the predetermined distance between the soil sample and the cone may be 200 mm.
그리고, 상기 전자석부로 공급되는 전력을 공급하기 위한 전력 공급부; 또는 상기 토양 샘플과 상기 콘 사이의 상기 소정거리를 조절하기 위한 높이 조절부;를 더 포함할 수 있다.A power supply unit for supplying power to the electromagnet unit; Or a height adjuster for adjusting the predetermined distance between the soil sample and the cone.
또한, 상기 전자석부로의 전류 공급을 스위칭하는 스위치부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 스위치부를 통하여 입력된 신호에 기초하여 상기 콘의 홀딩 및 자유낙하를 제어할 수 있다.The control unit may control the holding and free fall of the cone based on a signal input through the switch unit.
본 발명에 따른 본 발명은 상기 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 신뢰성 있는 소성한계 측정을 수행할 수 있는 소성한계 측정기를 제공함에 있다. The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a plasticity limiter capable of performing reliable plasticity limit measurement.
도 1은 소성한계 측정을 위한 콘(cone)의 외형을 나타내는 도면이다.
도 2는 Wood & Wroth의 소성한계 측정법을 나타내는 그래프이다.
도 3은 Harison의 소성한계 측정법을 나타내는 그래프이다.
도 4는 폴-콘(Fall cone) WPL와 스레드 롤링(Thread Rolling) WPL의 결과를 비교(Feng, 2000)한 그래프이다.
도 5는 폴-콘(Fall cone) WPL와 m의 비교(Feng, 2000)를 나타내는 그래프이다.
도 6은 폴-콘(Fall cone) WPL와 one point method WPL의 비교(Feng, 2000)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 Sivakumar의 측정 방식에 있어서 (a)액성한계 관입과 (b)소성한계 관입을 도식화한 도면이다.
도 8은 소성한계 측정 뉴 폴-콘 시험기(Sivakumar)를 나타내는 구성도이다.
도 9는 도 8의 Sivakumar가 제안한 폴-콘 시험기의 낙하방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 10i는 소성 지수를 고려하여 헥사메틴인산나트륨과 과산화수소와 혼합하여 비중계 시험을 진행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 11a는 각각 카올린나이트:일라이트 폴-콘 시험결과, 도 11b는 카올린나이트:일라이트 뉴 폴-콘 시험 결과, 도 11c는 벤토나이트:카올린나이트 폴-콘 시험결과, 도 11d는 벤토나이트:카올린나이트 뉴 폴-콘 시험 결과, 도 11e는 벤토나이트:일라이트 폴-콘 시험 결과, 도 11f는 벤토나이트:일라이트 뉴 폴-콘 시험 결과를 나타내며, 각각 가로축은 관입량(cm)을 나타내고, 세로축은 수분함량(%)을 나타내는 그래프이다.
도 12a 내지 12l은 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13a는 일라이트2:카올린나이트8의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이고, 도 13b는 카올린나이트2:벤토나이트8의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이고, 도 13c는 일라이트8:벤토나이트2의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이다.
도 14a는 스레드 롤링과 뉴 폴-콘의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14b는 스레드 롤링과 Harison Method(저소성)의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14c는 스레드 롤링과 Feng Method(저소성)의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14d는 스레드 롤링과 one-point Method(저소성)의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14e는 스레드 롤링과 Harison Method(고소성)의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14f는 스레드 롤링과 Feng Method(고소성)의 소성한계 비교 그래프이며, 도 14g는 스레드 롤링과 one-point Method(고소성)의 소성한계 비교 그래프이다.
도 15a는 Harison 제안 방식에 의하여 카올린나이트의 소성한계를 결정하는 그래프이고, 도 15b는 Harison 제안 방식에 의하여 카올린나이트6:벤토나이트4의 소성한계를 결정하는 그래프이다.
도 16a는 카올린나이트의 소성한계 결정 그래프이고, 도 16b는 카올린나이트6:벤토나이트4의 소성한계 결정 그래프이다.
도 17a는 Harison과 Feng method의 소성한계 비교 그래프이고, 도 17b는 Harison과 one-point method의 소성한계 비교 그래프이다.
도 18은 뉴 폴-콘 방식의 소성한계와 Harison 방식의 소성한계의 차이를 비교하기 위한 그래프이다.
도 19는 뉴 폴-콘 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 20a 내지 20c는 뉴 폴-콘 시험과 기타 시험의 소성한계 비교 그래프이다.
도 21a 내지 21c는 본 발명에 따른 소성한계 측정기의 실제 구현례를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명에 따른 소성한계 측정기의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 23은 본 발명에 따른 소성한계 측정기에서 획득된 콘의 관입량 데이터를 나타내는 도면이다.Fig. 1 is a view showing the outline of a cone for the firing limit measurement.
2 is a graph showing the method of measuring the plasticity limit of Wood & Wroth.
3 is a graph showing Harison's plastic limit measurement.
4 is a graph comparing the results of the fall cone W PL with the thread rolling and PL (Feng, 2000).
5 is a graph showing a comparison of the fall cone W PL and m (Feng, 2000).
6 is a graph showing a comparison between the fall cone W PL and the one point method W PL (Feng, 2000).
FIG. 7 is a diagram showing (a) liquid boundary penetration and (b) plastic boundary penetration in the Sivakumar measurement method.
8 is a block diagram showing a firing limit measurement New Paul-Kon tester (Sivakumar).
9 is a view for explaining a falling method of the pole-cone tester proposed by Sivakumar of FIG.
10A to 10I are graphs showing the results of hydrometry tests in which sodium hexamethine phosphate and hydrogen peroxide were mixed in consideration of the plasticity index.
Fig. 11A shows results of kaolinite: Illightpole-cone test, Fig. 11B shows kaolinite: ilite newpol-con test results, Fig. 11C shows results of bentonite: kaolinite paul-cone test, Fig. 11D shows results of bentonite: kaolinite Fig. 11E shows the results of the bentonite: ilite pole-cone test, Fig. 11F shows the results of the bentonite: ilite new pole-cone test, and the abscissa shows the penetration amount (cm) And the content (%).
Figures 12A-12L are graphs showing the firing limit results of thread rolling (KS F2304).
13A is a firing limit result of the daily rolling 2 (KS F2304) of the rolled mineral (KS F2304) of
FIG. 14A is a graph showing the plasticity limit comparative of thread rolling and New Paul-con, FIG. 14B is a plasticity limit comparative graph of thread rolling and Harison Method (low plasticity) Fig. 14E is a firing limit comparative graph of thread rolling and the Harison Method (high firing), Fig. 14F is a graph showing the firing limit comparison graph of thread rolling and one-point method (low firing) FIG. 14G is a graph showing the firing limit of the Feng Method (high plasticity), and FIG. 14G is a graph showing the plasticity limit of the thread rolling and the one-point Method (high plasticity).
FIG. 15A is a graph for determining the firing limit of kaolinite according to the Harison proposed method, and FIG. 15B is a graph for determining the firing limit of kaolinite 6:
FIG. 16A is a graph of the firing limit determination of kaolinite, and FIG. 16B is a graph of firing limit determination of kaolinite 6:
17A is a graph showing the plasticity limit comparative of the Harison and Feng methods, and FIG. 17B is a graph showing the plasticity limit comparative of the Harison and one-point methods.
18 is a graph for comparing the difference between the firing limit of the New Paul-Con system and the firing limit of the Harison system.
19 is a graph showing the results of the New Paul-Kon test.
20a to 20c are graphs of firing limit comparative of New Paul-Kon test and other tests.
Figs. 21A to 21C are views showing an actual implementation example of the plasticity limit measuring apparatus according to the present invention.
22 is a block diagram showing a configuration of a plasticity limit measuring apparatus according to the present invention.
23 is a view showing penetration amount data of cone obtained in the plasticity limit measuring apparatus according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 반송 로봇에 대해 상세히 설명한다. 아래에서 설명하는 실시예는 본 발명을 이해하기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 구조, 사용, 응용 방식을 한정하려는 의도를 갖지 않는다. 본 발명의 실시예에 대한 설명은 첨부된 도면과 연관되어 이해할 수 있고, 첨부된 도면은 본 발명에 대한 설명의 일부로 간주될 수 있다.Hereinafter, a carrying robot according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are only examples for understanding the present invention and are not intended to limit the structure, use, and application of the present invention. The description of the embodiments of the present invention can be understood in connection with the accompanying drawings, and the attached drawings can be regarded as part of the description of the present invention.
이하의 설명에 있어서 방향이나 지향성에 대한 언급은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 어떠한 방식으로도 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다. 위, 아래, 수평, 수직, 평행, 상측, 하측, 상부, 하부, 상방, 하방 등의 용어는 첨부된 도면에 보이는 방향을 참조하여 이해할 수 있을 것이다. 특히, 상기 용어들은 구체적인 지시가 없는 한 본 발명이 특정 방향으로 구성되거나 동작해야 함을 의미하지 않는다. In the following description, references to directions and orientations are for convenience of description, and do not limit the scope of the present invention in any way. The terms top, bottom, horizontal, vertical, parallel, top, bottom, top, bottom, top, bottom, and the like can be understood with reference to the directions shown in the attached drawings. In particular, the above terms do not imply that the present invention should be constructed or operated in a particular direction unless specifically indicated.
또한, 부착, 연결, 이음, 고정, 체결 등의 용어는, 별도의 언급이 없는 한 직접적으로 서로 연결된 상태를 의미하거나, 별개의 매개체를 통해 직간접적으로 상호 부착, 고정 또는 연결된 상태를 의미한다. In addition, the terms attachment, connection, connection, fastening, fastening, etc., mean directly connected to each other unless otherwise specified, or directly or indirectly mutually attached, fixed or connected via separate media.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 소성한계 측정기에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the plasticity limit measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명에 따른 소성한계 측정기 개발을 위하여 아래와 같은 과정을 통하여 연구를 수행하였다.First, in order to develop a plasticity limiter according to the present invention, the following process was performed.
첫째, 국내 서해안 일대에서 채취한 시료와 카올리나이트(Kaolinite), 일라이트(Illite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite)를 비율별로 혼합하여 소성한계를 KS F2304, BS 1377의 종래 폴-콘(Fall-cone) 시험과 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)를 이용한 뉴 폴-콘(New method Fall-cone test)을 통해 비교하였다. First, the samples taken from the western coast of Korea were mixed with kaolinite, Illite and Montmorillonite in proportions and the firing limit was compared with the conventional fall-cone test of KS F2304 and BS 1377 (New method Fall-cone test) using the
둘째, 뉴 폴-콘(New method Fall-cone) 시험기의 시험자료를 바탕으로 일점법을 제안하였으며, 기존의 선행 연구자들에 의해 연구되어진 소성한계와 비교하여 검토하였다. Second, a one-point method was proposed based on the test data of the New method Fall-cone tester and compared with the plastic limit studied by previous researchers.
특히, 뉴 폴-콘 시험기에 사용되는 전자석은 종래 기술이 갖는 자기장 변환 방식의 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 전자석 온/오프 방식을 이용한다. 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)의 구성을 설명하기에 앞서 소성한계 측정과 관련한 이론적 배경에 대해 먼저 설명하기로 한다.Particularly, in order to solve the problem of the magnetic field conversion method of the prior art, the electromagnet used in the New Paul-Kon tester uses the electromagnet on / off method according to the present invention. Before explaining the construction of the
1. 폴-콘(Fall-cone) 시험1. Fall-cone test
폴-콘 시험은 정적 관입 시험으로, 액성한계를 결정하는 것에서 시작하여 소성한계를 동시에 결정할 수 있는 장치이다. 폴-콘 시험기는 대표적으로 영국식과 스웨덴식으로 나뉘어져 있으며, 국가별로 기준이 다르게 정해져 있다. 영국식 폴-콘 시험인 BS1377은 30°의 선단각과 80g의 콘이고, 스웨덴식 폴-콘 시험인 SIS027120-90은 60°의 선단각과 60g의 콘을 관입시키는 방식으로 이루어진다. 아래 표 1은 각 나라별 기준 폴-콘 시험법의 규정을 나타낸다.The pole-cone test is a static penetration test, which is a device that can determine the firing limit at the same time, starting from determining the liquid limit. The Paul-Con tester is divided into English and Swedish, and standards are set differently for each country. The British pole-cone test, BS1377, has a tip angle of 30 ° and cone of 80 grams. The Swedish pole-cone test, SIS027120-90, is made by penetrating 60 ° of tip angle and 60 grams of cone. Table 1 below shows the provisions of the standard pole-cone test method for each country.
폴-콘 시험은 흙의 아터버그(Atterberg) 한계와 비배수 전단강도 측정에 사용된다. 폴-콘 시험은 특정 무게와 크기를 갖는 금속 재질의 원추가 시료에 자유 낙하하도록 하여 관입 깊이를 측정하는 것으로 구성되며, 1914년부터 1922년 사이에 스웨덴 국영 철도 지반 공학위원회의 존 올슨(John Olsson)에 의해 점토의 전단강도 측정을 위한 수단으로 처음 개발되었다. 올슨(Olsson)은 스칸디나비아 점토를 분류하기 위해 어려운 아터버그 한계와 강도 측정에 보다 나은 방법을 찾길 원했다. 올슨은 점토의 전단 강도가 콘의 무게와 관입 깊이가 정비례한다고 가정하였고, 폴-콘 시험을 수행하여 함수비와, 콘의 무게, 콘의 형상 간의 상호 의존성이 있다는 것을 보였고, 점토의 전단강도 측정과 아터버그 한계 측정에 대한 유효성을 확인하였다.The Paul-Con test is used to measure the Atterberg limit and the undrained shear strength of the soil. The Paul-Kon test consists of measuring the depth of penetration by allowing free fall on a circle of additional material of metal of a certain weight and size. From 1914 to 1922, John Olsson of the Swedish National Railroad Engineering Engineering Committee ) Was developed as a means for measuring the shear strength of clay. Olsson wanted to find a better way to measure the difficult Atterberg limit and strength to classify Scandinavian clay. Olson assumed that the shear strength of the clay was directly proportional to the weight of the cone and the depth of penetration, and showed that there was interdependence between water content, cone weight and cone shape by performing the Paul- The validity of the Atterberg Limit measurement was confirmed.
한스보(Hansbo)(1957)는 최초로 폴-콘 시험에 대해 종합적인 연구를 진행하였다. 아래의 수식1을 통하여 소성 영역의 구성에 대한 아이디를 얻었다.Hansbo (1957) conducted the first comprehensive study of the Paul-Kon test. An identity for the composition of the plastic zone was obtained through the following equation (1).
여기서 a는 관의 내경이고, σ0는 vonMises 파괴영역에 의한 파괴응력을 의미한다. Where a is the inner diameter of the tube and σ 0 is the fracture stress due to the vonMises failure zone.
한스보는 콘이 특수 아크릴수지의 원통형 안에 관입시켜 콘의 관입에 의해 발생되는 모양과 파괴영역을 최초로 제안하였다. 또한, 콘의 모션 분석을 위한 솔루션을 개발하였으며 이를 증명하기 위해서 고속 사진 촬영으로 얻은 시간-변위 데이터를 사용하였다. Hans Bohon cone penetrates into the cylinder of the special acrylic resin to propose the shape and destruction area generated by the penetration of the cone for the first time. We also developed a solution for motion analysis of cone and used time - displacement data obtained from high - speed photography to prove this.
콘의 모션을 공학측정계통으로 나타내면 콘의 수직 모션은 아래의 수식2로 나타난다.If the motion of the cone is represented by an engineering metrology bucket, the vertical motion of the cone is given by
여기서, P는 콘에 작용하는 수직력, Q는 콘의 중량, g는 중력가속도, z는 시간에 따른 관입량
수식2를 이용하여 콘 요소에 작용하는 힘을 고려하면, 전단 응력과 응력은 원추 표면을 따라 다양하게 나타난다. 정확한 수식은 더욱 복잡하지만, 아래의 수식3으로 표현될 수 있다.Considering the force acting on the cone element using Eq. (2), the shear stress and the stress vary widely along the cone surface. The exact formula is more complex, but can be expressed in
T는 점토의 전단 강도 및 콘 각도(β)의 함수이지만, 변형률 및 민감도에 영향을 받는다. 수식2 및 수식3을 이용하면 아래와 같은 수식4 및 수식5를 생성할 수 있다.T is a function of shear strength and cone angle (?) Of the clay, but is affected by strain and sensitivity. Equations (2) and (3) can be used to generate the following equations (4) and (5).
C는 z=0일 때 경계조건 
수식4, 5 및 6에 의하여 아래와 같은 결과(수식7 및 수식8)가 도출될 수 있다.The following results (Eq. 7 and Eq. 8) can be derived by Eqs. 4, 5, and 6.
수식7 및 8에 의하면 최대속도는 
여기서, z는 시간에 따른 관입량을 나타내며, h는 콘의 최대 관입 깊이, g는 중력가속도를 의미한다.Where z is the penetration over time, h is the maximum penetration depth of the cone and g is the gravitational acceleration.
홀스비(Houlby)(1982)는 자중에 의한 콘 관입 시 콘과 흙 표면에 대한 유사 정적 관입량 분석을 연구하였다. 이 분석법은 소성 이론의 하계정리를 사용한다. 즉 해법은 흙의 경계조건, 평형방정식과 항복 규준에 만족해야 한다. 비록 경계정리가 무시할 수 있는 기하학적 변화량에 대해서만 적용되어지고, 콘의 관입량은 기하학적 변화와 관계가 있지만 정적 분석의 경우, 경계 부근에 대한 분석은 콘의 임의 관입량에 대한 하중과 관계가 있고 기하학적 변화의 영향은 고려할 필요가 없다. 폴-콘 시험에 있어 정적 분석법은 두 가지 관점에서 흙의 거동을 이상화한다.Houlby (1982) studied the analysis of similar static intrusions on cone and soil surfaces during cone penetration by self weight. This method uses the summer theorem of plasticity theory. That is, the solution must satisfy the boundary conditions of the soil, equilibrium equations and surrender norms. Although the boundary theorem applies only to negligible geometric changes and cone penetration is related to the geometric change, in the case of static analysis, the analysis of the boundary is related to the load on cone arbitrary intrusions, The impact of change need not be considered. Static analysis in the Paul-Kon test makes the soil behavior ideal in two respects.
첫째, 폴-콘은 흙 속으로 관입하고 결과적으로 콘 주위에 약간의 융기가 발생한다. 따라서 흙의 강도는 흙 표면이 평면이라고 가정하여 계산 결과보다 훨씬 높게 콘 저항력을 발생시킨다. 그러므로 콘의 하중에 대해 계산된 강도는 실제 강도보다 과하게 측정된다. First, the Paul-Con is intruded into the soil, resulting in a slight bump around the cone. Therefore, the strength of the soil is assumed to be flat and the cone resistance is much higher than the calculated result. Therefore, the calculated strength for the cone load is overestimated by the actual strength.
둘째, 모든 동적 효과는 무시되어 진다. 즉, 자유낙하 시키는 콘은 서서히 내려 관입시키는 콘보다 많이 관입하게 되어 있고 따라서, 폴-콘 시험에서 측정되어진 관입량보다 정적 조건하에서의 관입량이 더 작게 나타날 것이다. 정적 조건에서 동적 조건으로의 변화에 대한 효과는 정확하게 분석되어질 수 있다. Second, all dynamic effects are ignored. In other words, the free falling cone is more intrusive than the cone penetrates slowly, and therefore the amount of penetration under static conditions will be smaller than the amount of penetration measured in the Paul-Kon test. The effect on the change from static to dynamic conditions can be analyzed accurately.
콘의 외형은 두 개의 변수인 콘의 선단각 a와 관입량 h에 의해 간단히 묘사될 수 있다(도 1 참조).The outline of the cone can be briefly described by the angle a of the tip of the cone and the amount of penetration h (see Fig. 1).
콘의 수직 방향을 z축으로 갖는 (r,z)좌표의 원통형 좌표 체계를 기준으로 한다. 간단한 차원 분석법에서 콘의 하중은 아래 수식10의 형태로 표현되어져야만 한다.It is based on the cylindrical coordinate system of (r, z) coordinates with the vertical direction of the cone as the z axis. In a simple dimensional analysis, the cone load must be expressed in the form of
여기서, P는 콘의 수직력, cu는 비배수 전단강도, r은 단위중량, au는 콘 표면상의 최대허용전단응력으로 나타나는 점성치(o≤au≤cu)를 의미한다.Where P is the normal force of the cone, c u is the undrained shear strength, r is the unit weight, and a u is the viscous value (o ≤ a u ≤ c u ), expressed as the maximum allowable shear stress on the cone surface.
수식10은 자중을 가지는 점착성 물질의 소성 분석법에서 하나의 이론을 사용하여 단순화시킨다. 압축응력을 (+)로 하고, 다음의 식 
그러므로, γ에 대하여 독립적으로 수정된 콘의 힘을 P'=P-P'라고 정의할 때 차원 분석법은 다음의 수식12로 나타난다.Therefore, when the force of the cone, which is independently modified for?, Is defined as P '= P-P', the dimensional analysis method is expressed by the following equation (12).
Houlsby(1982)는 액성한계에서 강도에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 콘의 거칠기이며, 예측 된 강도가 폴-콘에 의해 얻은 실험 데이터 보다 높았지만 차이를 알 수 없다고 결론을 내렸다. Koumoto 와 Houlsby(2001)는 이 문제를 해결하기 위해 원래의 동적 해석을 수정하여 비배수 전단 강도에 변형률 효과를 포함시키는 것을 시도하였다. 그 결과 특별히 큰 선단각의 콘에 대해 분석적인 결과와 실험 결과 사이에 더욱 일치하는 것을 발견하였다. 한계상태의 토질역학 개념을 사용하여 Koumoto 와 Houlsby는 함수비와 관입 깊이사이의 관계를 다음의 수식13과 같이 제안하였다.Houlsby (1982) concluded that the most important factor influencing the strength at liquid limits is the roughness of the cone, which is higher than the experimental data obtained by Paul-Con, but not the difference. Koumoto and Houlsby (2001) attempted to solve this problem by modifying the original dynamic analysis to include strain effects on undrained shear strength. As a result, we found that there is more agreement between the analytical results and the experimental results for cones of specially large tip angles. Koumoto and Houlsby proposed a relationship between water content and depth of
여기서, Γ는 p'=pa의 비체적이며, λ는 임계압축지수, M은 임계압축지수비, K는 콘 지수, Q는 하중, Gs는 비중, h는 관입깊이를 나타낸다.Where Γ is the specific volume of p '= p a , λ is the critical compression index, M is the critical compression index ratio, K is the cone index, Q is the load, G s is the specific gravity and h is the penetration depth.
폴-콘 시험의 결과값에 영향을 미치는 요소는 아래와 같다.The factors affecting the results of the Paul-Kon test are as follows.
(1) 콘 선단각 a(1) Cone angle angle a
선단각에 있어 허용 오차 ±0.1°는 강도에 대해 ±6%영향을 미친다.For the tip angle, the tolerance ± 0.1 ° has an effect of ± 6% on the strength.
(2) 콘의 모양(2) the shape of the cone
액성한계 시험에 대한 콘 선단각의 규정범위 내에서는 무디게 해도 된다. 그 효과는 저항력을 대략 9.5%까지 증가시킬 수 있다. It may be blunt within the specified range of the cone tip angle for the liquid limit test. The effect can increase the resistance to about 9.5%.
(3) 콘 관입에 의한 융기 현상(3) protrusion due to cone penetration
콘 관입에 의한 융기가 발생하면 F의 값은 증가하고 F∝P'이므로 P'은 9.2% 정도 증가하고 융기 표면의 바닥 길이는 콘 표면의 점착성 au가 증가할수록 증가한다.When the bulge due to cone penetration occurs, the value of F increases and P 'increases by 9.2% because FαP', and the bottom length of the rising surface increases as the tackiness a u of the cone surface increases.
(4) 흙 시료 컵의 크기에 따른 영향(4) Effect of soil sample cup size
콘 주변에 융기가 발생 시 최대 반경은 21.4mm이다. 액성한계와 소성한계 시험을 위한 점토를 담는 시료 컵은 직경이 대략 55mm이고 시료 컵의 중앙 부분에서 시험이 행해진다면 적당하다. The maximum radius when a ridge is formed around the cone is 21.4 mm. A sample cup containing clay for the liquid limit and plasticity limit test is suitable if the diameter is approximately 55 mm and the test is performed at the center of the sample cup.
(5) 흙 시료 컵의 크기에 따른 영향(5) Effect of soil sample cup size
콘 주변에 융기가 발생 시 최대 반경은 21.4mm이다. 액성한계와 소성한계 시험을 위한 점토를 담는 시료 컵은 직경이 대략 55mm이고 시료 컵의 중앙 부분에서 시험이 행해진다면 적당하다. The maximum radius when a ridge is formed around the cone is 21.4 mm. A sample cup containing clay for the liquid limit and plasticity limit test is suitable if the diameter is approximately 55 mm and the test is performed at the center of the sample cup.
(6) 동적효과에 따른 영향(Hansbo, 1957)(6) Effects of dynamic effects (Hansbo, 1957)
2. 스레드 롤링(Thread Rolling) 시험2. Thread rolling test
소성한계 측정을 위해 실시하는 스레드 롤링(Thread Rolling) 시험은 국내에 KS F 2304로 등제되었으며, 표준명 흙의 소성한계 시험 방법(Method of test for Plastic limit of Soils)으로 1965년 07월 20일 제정된 이후 1974에 제정되어 2000년 09월 19일에 폐지 상태로 고시가 되었다. 미국재료실험학회(ASTM)에서는 AST D4318로 명명되어 등록이 되어있으며, 평평한 비 다공성 표면의 판에 흙을 실처럼 굴려 소성한계를 측정한다. 토양이 습기가 있는 곳에서 소성 거동이 있는 경우, 이 실모양 흙은 매우 작은 직경까지 유지가 된다. 증발로 인해 함수비가 떨어지면 실모양 흙이 부스러지기 시작한다. 직경 3.2mm(약 1/8 inch)에서 실이 끊어지는 부분의 함수량을 소성한계라하고, 3.2mm로 굴려지지 않을 경우 이 흙은 비 소성으로 간주한다. 이러한 규정에도 불구하고 Houlsby(1982), Whyte(1982), Brown & Downing(2001) 등 많은 선행 연구자들이 Thread Rolling 시험에 대해 문제점을 제기하였다. 시험자에 판단에 의존하여 매우 주관적인 판단을 내리고 굴리는 동안의 압력의 양이 일정하지 않으며 굴리는 속도 또한 일정하지 않고 실모양 흙의 모양과 실험 진행 간 시료의 오염의 문제성, 손과 흙과 비 다공판 사이의 마찰과 같은 문제로 지적받고 있다.The thread rolling test, which is performed for the plastic limit measurement, was made in Korea as KS F 2304, and it was established on July 20, 1965 as the Method of Test for Plastic Limit of Soils. It was enacted in 1974, and was annulled on September 19, 2000. In the American Society for Testing Materials (ASTM), it is named AST D4318 and its plastic limit is measured by rolling the soil on a flat non-porous surface plate. If there is a plastic behavior in the soil where the soil is moist, this thread-like soil is maintained to a very small diameter. When the water content falls due to evaporation, the thread-shaped soil starts to crumble. The water content of the yarn break at a diameter of 3.2 mm (about 1/8 inch) is called the plastic limit, and the soil is considered non-plastic if it is not rolled to 3.2 mm. Despite these regulations, many previous researchers such as Houlsby (1982), Whyte (1982), and Brown & Downing (2001) have raised questions about thread rolling tests. It was found that the amount of pressure during rolling was not constant, the speed of rolling was not constant, the shape of yarn-shaped soil, the problem of contamination of the sample during the experiment, As well as the friction between the two.
2.3 폴-콘(Fall - cone) 시험을 통한 소성한계 측정2.3 Measurement of plasticity limit by Fall-cone test
많은 연구자들은 시험의 숙련도를 요구하고 반복성이 낮은 스레드 롤링 방식보다 폴-콘 시험법이 앞서 언급한 단점들을 보완하기 때문에 폴-콘을 통한 소성한계 측정을 연구하였다. 현재 폴-콘을 활용한 대안으로 Whyte(1986), Harrison(1988), Stone & Phan(1995), Feng(2000)가 제안한 방안이 있다. Many researchers have studied the plasticity limit measurement through the Paul - Cone because the Paul - Kon test method overcomes the above - mentioned disadvantages than the thread rolling method, which requires test proficiency and low repeatability. There are suggestions proposed by Whyte (1986), Harrison (1988), Stone & Phan (1995) and Feng (2000)
2.3.1 Wood & Wroth(1978)의 방법2.3.1 The method of Wood & Wroth (1978)
Wood & Wroth(1978)은 두 개의 다른 콘을 사용하여 폴-콘 시험을 통해 소성한계를 추정하는 방법을 제안하였다. 소성한계에서 비배수 전단 강도가 액성한계에서 비배수 전단강도보다 100배임을 활용한 소성한계 추정법을 제안하였다. Wood & Wroth(1978)의 소성한계 측정법은 도 2의 그래프 및 아래의 수식14로 설명된다. 도 2의 가로축은 콘의 관입량(penetration depth)이고 세로축은 수분함량(Water Content)을 의미한다.Wood & Wroth (1978) proposed a method of estimating the plastic limit using the Paul-Kon test using two different cones. The proposed plastic limit method is based on the assumption that the undrained shear strength at the plastic limit is 100 times the undrained shear strength at the liquid limit. The plasticity limit measurement method of Wood & Wroth (1978) is illustrated in the graph of FIG. 2 and in
여기서, wL1, wL2는 각 콘 시험 결과에서 같은 관입깊이에서의 함수비이다.Where w L1 , w L2 is the water content at the same penetration depth in each cone test result.
2.3.2 Harison (1988)의 방법2.3.2 The method of Harison (1988)
2mm 관입 깊이의 시료를 준비하는 것은 매우 단단하기 때문에 시료를 준비하는 것에 어려움이 있다. Harison(1988)은 소성한계 결정을 위해 도 3과 같이 관입량 함수비 관계를 제시하였다. 도 3에는 세가지의 중요한 점이 있다. dPL은 소성한계의 관입량, dLL은 액성한계의 관입량, d2SLL은 Hansbo(1957)가 제안한 아래의 수식15를 통해 액성한계의 비배수 전단강도의 값의 2배인 관입깊이이다. It is difficult to prepare a sample because it is very hard to prepare a sample having a penetration depth of 2 mm. Harison (1988) presented the relation of the intrusion volume ratio as shown in Fig. 3 for determining the plasticity limit. There are three important points in FIG. d PL is the penetration depth of the plastic limit, d LL is the penetration depth of the liquid limit, and d 2SLL is the penetration depth twice the value of the undrained shear strength of the liquid limit through Hansbo (1957)
도 3을 참조하면, 상부 라인은 약 14mm에서 25mm 사이의 관입량으로 액성한계를 결정하기 위해 사용된다. 이론적으로 두 선의 교점이 d=14mm에 있다는 가정하에 14mm에서 5mm까지 부가적으로 폴-콘 시험을 수행하면 하단의 선을 그릴 수 있다. 그러나 정확성을 위해서는 d가 약 5mm이고 다른 한 개의 d가 약 10mm인 폴-콘 시험을 두 번 하는 것이 좋다. 하부 라인의 두 점을 이용하여 얻은 기울기로 d = 2mm의 함수량을 얻어 소성한계를 측정할 수 있다. d=14mm을 얻는 이론은 아래와 같다.Referring to Fig. 3, the top line is used to determine the liquid limit at an intrusion between about 14 mm and 25 mm. Theoretically, under the assumption that the intersection of two lines is d = 14mm, additional pole-cone tests from 14mm to 5mm can be drawn at the bottom line. However, for accuracy, it is advisable to double the pole-con test, where d is about 5 mm and the other d is about 10 mm. The plasticity limit can be measured by obtaining the water content of d = 2mm with the slope obtained by using the two points of the lower line. The theory to obtain d = 14mm is as follows.
여기서, Cu는 비배수 전단강도, k는 콘선단계수, d는 관입량, W는 함수비를 의미한다.Where C u is the undrained shear strength, k is the cone modulus, d is the penetration, and W is the water content.
BS규정에서는 액성한계의 관입량이 20mm로 규정되어 있다. 수식11을 사용하여 액성한계에서의 x배의 비배수 전단 강도를 갖는 관입량을 통해 아래 수식16으로 유도가 된다. kx는 관입량 x일 때 수식15에 대입한 결과이다.In the BS regulation, the penetration amount of the liquid limit is specified as 20 mm. Using equation (11), it is derived to the following equation (16) through the amount of penetration with the undrained shear strength x times the liquid limit. k x is the result of substituting in
만일, dLL=20mm이고, 
k값은 콘의 선단각에 영향을 받으며, 이 영향은 k와 kx 관계에서 약간의 차이를 발생시킨다. 이 차이는 
2.3.3 Feng(2000)의 방법2.3.3 Method of Feng (2000)
Feng(2000)은 소성한계 측정을 위해 새로운 시료 컵을 활용한 방식을 제안하였다. 기존의 시료 컵에 10mm정도 높이의 시료 컵에 캡을 씌우면 시료의 준비 과정에서 공극 발생을 감소시켜 시료의 질을 증가시키고 압밀링을 사용하는 것보다 관입량을 증가시키는 장점이 있다. Feng (2000) proposed a new method of measuring the plasticity limit using a new sample cup. If the cap is placed on the sample cup with a height of about 10 mm in the conventional sample cup, it is advantageous to increase the penetration amount by increasing the quality of the sample by reducing the generation of pores in the sample preparation process and using the consolidation ring.
Harison(1988)은 관입량 함수비 관계를 세미로그에서 비선형 모데을 제안하였고, 소성한계를 얻기 위해 2mm 관입 깊이까지 추세선을 사용하였다. 하지만 Feng(2000)은 관입량 함수비 관계는 양대수 눈금을 취할 경우 비선형을 나타내는 경향을 확인하였고, 다음과 같은 수식18 및 19를 제안하였다. Harison (1988) proposed a nonlinear model in the semi-log of the relationship between intrusion and water content ratios, and used a trend line up to 2 mm penetration depth to obtain the plasticity limit. However, Feng (2000) confirmed that the relationship between the intrusion and water content ratios shows a nonlinearity when taking a double scale, and proposed the following equations (18) and (19).
Harison(1988)과 마찬가지로 수식15를 이용하여 수식19를 계산하였다. 또한, 21개의 시료를 수식18 및 19를 통해 얻은 m과 c를 얻은 결과는 아래 표2와 같다.
도 4에 Fall cone WPL - Thread Rolling WPL의 결과를 비교하였다. 하지만, 85% 이하의 액성한계를 갖는 시료에 한하여 실시하였다. Figure 4 compares the results of Fall cone W PL - Thread Rolling W PL . However, it was performed only for samples having a liquid limit of 85% or less.
표 2의 Fall cone WPL과 m을 비교하여 얻은 평균값을 수식19를 활용하여 얻은 아래의 수식20을 통하여 수식21과 같은 일점법을 제안하였다. 도 6에 도시된 바와 같이 수식20의 결과와 수식22를 통해 얻은 결과가 큰 차이를 보이지 않는 것으로 확인되었다.We proposed a one-point method as shown in Eq. (21) through Eq. (20) using Eq. (19), which is the mean value obtained by comparing Fall cone WPL and m in Table 2. As shown in FIG. 6, it was confirmed that the results obtained by the
2.3.4 New Fall cone 방법2.3.4 New Fall Cone Method
기존의 Fall cone 시험 방식을 개선한 방법으로 더 정확하고 일반적으로 유사한 조건에서 반복성을 갖는 장치를 개발을 목적으로 노르웨이에서 개발되었다. 콘이 관입될 때 흙에 소산되는 에너지에 대한 이론을 바탕으로 개발된 장치이다. 흙의 액성한계는 앞서 설명한 것과 같이 30°각도의 80g의 콘이 20mm깊이의 관입량일 때 함수비이다(BS 1377). 시료 안으로 콘이 관입 시 에너지는 시료 안에서 소산된다. It was developed in Norway for the purpose of developing a more accurate and generally repeatable device under similar conditions in a way that improved the existing Fall cone test method. It is a device developed based on the theory of the energy dissipated in the soil when the cone is intruded. The liquid limit of the soil is the water content (BS 1377) as explained above, when the 80g cone at 30 ° angle is the penetration depth of 20mm depth. When the cone penetrates into the sample, the energy dissipates in the sample.
소성한계의 비배수 전단강도는 액성한계의 비배수 전단강도보다 거의 100배의 차이를 보인다. 만약 BS1377규정의 30° 각도의 80g의 콘을 소성한계 측정할 때 20mm의 관입량으로 정의한다면 시료의 변형이 유사할 경우 액성한계로 준비된 시료보다 100배 더 변형될 것이다. 따라서, 20mm의 관입량이 소성한계 측정에 사용하기 위해서는 요구되는 콘 관입 에너지는 액성한계에서 사용되는 에너지의 100배이다. 이 증가된 에너지는 다음과 같은 방법으로 얻을 수 있다.The undrained shear strength of the plastic limit is nearly 100 times greater than the undrained shear strength of the liquid limit. If the BS1377 specified 30 g of cone of 80 g cone is defined as a 20 mm penetration when the plastic limit is measured, the deformation of the sample will be 100 times more deformed than the sample prepared at the liquid limit. Therefore, the cone penetration energy required for 20 mm penetration to be used for the plasticity limit is 100 times the energy used at the liquid limit. This increased energy can be obtained by the following method.
첫째, 30° 각도의 8kg콘으로 무게를 증가시켜 기존의 폴-콘 시험과 유사한 방법으로 시료의 표면에서 낙하시킨다.First, the weight is increased by an 8kg cone at a 30 ° angle and dropped from the surface of the sample in a similar manner to the existing pole-cone test.
둘째, 콘의 무게를 80g으로 유지하고 낙하 거리를 증가시켜 관입시킨다.Second, keep the weight of the cone at 80g and increase the drop distance to penetrate.
셋째, 콘의 무게를 증가시키며, 낙하 거리를 증가시킨다.Third, it increases the cone weight and increases the drop distance.
첫 번째 제안된 방법인 콘의 무게를 8kg으로 증가시키는 것은 실험의 안정성 문제가 발생한다. 두 번째 제안된 방법으로 낙하 거리를 증가시키기 위해서는 2m의 낙하 거리가 필요하다. 2m의 높이에서 준비된 시료 컵의 정중앙에 자유 낙하시키는 것은 실용적이지 않다. 따라서 세 번째 제안된 방법인 콘의 무게와 낙하 거리를 동시에 증가시키는 방식이 적합하다고 판단되어 설계하였다. 세 번째 제안된 방식을 만족하기 위한 구성은 도 7에 나타나 있다. 개발된 방식은 콘의 낙하 거리를 200mm로 허용하고 소성한계의 흙에 콘이 20mm로 관입하기 위한 에너지를 계산하면 약 0.727kg이라는 결론을 얻을 수 있다. 앞서 제시된 방법에 충족된 소성한계 측정 뉴 폴-콘 시험기는 도 8에 도시된 바와 같다.Increasing the weight of the cone, which is the first proposed method, to 8 kg causes the stability problem of the experiment. The second proposed method requires a drop distance of 2 m to increase the drop distance. It is impractical to allow free fall in the middle of a prepared sample cup at a height of 2 m. Therefore, it was devised that the method of increasing cone weight and falling distance at the same time is suitable. The configuration for satisfying the third proposed method is shown in Fig. The developed method allows the cone drop distance to be 200mm and calculate the energy to penetrate the cone 20mm into the plastic limit soil, it can be concluded that it is about 0.727kg. The plastic limit test newpole-cone tester meets the previously proposed method as shown in Fig.
Sivakumar(2011)가 제안한 방식의 뉴 폴-콘 시험기는 다이얼 게이지를 사용하여 관입 측정 오차 발생이 생길 우려가 있으며 5초간 관입량을 측정시 시험자의 숙련도가 요구되는 문제점이 있다. 따라서 선형 엔코더(Linear Encoder)를 이용하여 관입량을 1/200초 간격으로 측정하며, 5초 이후의 데이터는 기록하지 않도록 데이터 로그를 설정하였다. The new pole-cone tester proposed by Sivakumar (2011) has the problem that the penetration measurement error may occur by using the dial gauge, and the skill of the tester is required when measuring the penetration amount for 5 seconds. Therefore, a linear encoder (Linear Encoder) was used to measure the penetration at 1/200 second intervals, and the data log was set not to record data after 5 seconds.
특히, Sivakumar(2011)가 제안한 뉴 폴-콘 시험기는 자기장 변환 방식을 이용하는데, 이는 신뢰성을 저하시킨다는 문제점이 있다. 구체적으로, Sivakumar가 제안한 방식의 경우, 도 9와 같이 자석을 N극과 S극으로 고정시켰다가 극성을 변화시키는데, N극과 N극, 혹은 S극과 S극의 경우 낙하에너지에서 자기력이 더해지기 때문에 초기 설정되어진 낙하 에너지보다 높게 나와 낮은 신뢰성을 나타낸다는 문제점이 있다.In particular, the new pole-cone tester proposed by Sivakumar (2011) uses a magnetic field conversion method, which has a problem of degrading reliability. Specifically, in the case of the method proposed by Sivakumar, the magnet is fixed to the N pole and the S pole as shown in FIG. 9, and the polarity is changed. When the N pole and the N pole, or the S pole and the S pole, It is higher than the drop energy which is set in the beginning, so that it shows low reliability.
본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 이와 같은 문제점을 해소한다. 도 21a 내지 21c는 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)의 실제 구현례를 나타내는 도면이고, 도 22는 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)의 구성을 나타내는 블록도이다.The plasticity
본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 콘(110), 콘 홀딩부(120), 높이 조절부(130), 제어부(150), 리니어 엔코더(162) 및 데이터 로거(164)를 포함한다. The plasticity
콘(110)은 토양 샘플 용기(140)에 수용된 토양 샘플(S)을 향하여 자유낙하하는 낙하체로서, 일정한 선단각을 가진 원추 형상을 갖는다. 콘(110)의 선단각은 30°인 것이 바람직하다. 또한, 콘(110)은 자유낙하하여 토양 샘플(S)에 관입될 수 있도록 적절한 중량을 가져야 하며, 콘(110)의 중량은 727g인 것이 바람직하다. 30°의 선단각과 727g의 중량을 갖는 콘(110)에 의하여 소성한계를 측정할 수 있다. The
종래의 폴-콘 시험에서는 소성한계 측정에 중량 80g의 콘이 시료 표면에 자유낙하할 때, 2mm의 관입량이 요구되었다. 이러한 관입량은 측정이 매우 어렵다는 문제점이 있었다. 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해소하고자 관입량과 함수비(소성한계, 액성한계 포함)를 이용하여, 30°의 선단각과 727g의 중량을 갖는 콘(110)의 경우 낙하높이 200mm에서 관입량 20mm가 소성한계라는 방식을 획득했다.In the conventional pole-cone test, a penetration amount of 2 mm was required when a weight of 80 g of cone dropped freely on the surface of the sample in the firing limit measurement. Such a penetration amount has a problem that it is very difficult to measure. In order to solve this problem, in the case of a
콘 홀딩부(120)는 콘(110)을 토양 샘플(S)로부터 소정거리(L) 이격되도록 홀딩하는 기능을 가진다. 다시 말해, 콘(110)을 토양 샘플(S)의 상공에 정지상태로 유지시켜 자유낙하가 가능한 상태로 만든다. 이때, 소정거리(L)는 200mm일 수 있지만, 이에 한정되지 않고 경우에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 토양 샘플(S)과 콘(110) 사이의 높이를 조절하기 위한 높이 조절부(130)를 더 포함할 수 있고, 이에 의하여 소정거리(L)가 사용자의 의도대로 조절될 수 있다.The
콘 홀딩부(120)는 전자석부(125)를 구비한다. 전자석부(125)는 전류가 흐르면 자기화되고 전류가 끊기면 자기화되지 않은 원래의 상태로 되돌아가는 자석으로, 전자석부(125)에 전류가 공급되면 자석의 성질을 갖게 되고, 전류 공급이 멈추면 자석의 성질을 잃게 된다. 이를 이용하여, 콘 홀딩부(120)는 콘(110)을 토양 샘플(S)로부터 소정거리(L)의 높이에 고정시킨다. 전자석부(125)에 전류가 인가되면 자성체로 이루어진 콘(110)이 소정거리(L) 높이에서 고정되고, 전류가 차단되면 콘(110)이 토양 샘플(S)을 향해 자유낙하하게 된다.The
제어부(150)는 콘 홀딩부(120)에 구비된 전자석부(125)에 대한 전류 공급을 제어하며, 이에 의하여 상기 설명과 같이 콘(110)이 소정거리(L) 높이에 고정되거나, 소정거리(L) 높이에서 자유낙하한다. 이를 위하여, 전자석부(125)로의 전류 공급을 위한 전원공급부(미도시)가 더 포함될 수 있다. The
한편, 콘(110)의 홀딩 및 자유낙하를 조절하기 위한 스위치부(170)가 더 구비될 수 있고, 사용자에 의한 스위치부(170) 조작에 의하여 콘(110)의 자유낙하가 결정될 수 있다. 다시 말해, 스위치부(170)는 전자석부(125)에 공급되는 전류 공급을 온/오프하는 스위치이며, 제어부(150)는 스위치부(170)로부터 수신되는 신호에 기초하여 전자석부(125)에 대한 전류 공급을 제어할 수 있다. 사용자는 원하는 타이밍에 콘(110)을 자유낙하시킬 수 있게 된다. 스위치부(170)는 별도의 하드웨어로 구성될 수도 있지만, 후술할 PC(180)의 프로그램으로 구현될 수도 있다.The
리니어 엔코더(162)는 콘(110)이 토양 샘플(S)에 관입되는 관입량을 소정 시간 간격으로 측정한다. 선형 엔코더(160)는 1/200초 간격으로 5초간 콘(110)의 관입량을 측정하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.The
종래의 폴-콘 시험기는 관입량에 대한 데이터 획득에 다이얼게이지를 이용했왔다. 이는 콘의 낙하시 다이얼 게이지를 손으로 고정할 필요가 있어서 사용자에 불편함을 주었다. 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 스위치부(170)(컴퓨터 프로그램 등으로 구현 가능)와 같은 간단한 버튼조작으로 소성한계를 측정할 수 있고, 리니어 엔코더(162)를 이용하기 때문에 더욱 정확한 관입량 측정이 가능해졌다. Conventional pole-cone testers have used dial gauges to acquire data on intrusions. This made it necessary to fix the dial gauge by hand when dropping the cone, which made the user uncomfortable. The firing
데이터 로거(164)는 리니어 엔코더(162)와 유선으로 연결되어 리니어 엔코더(162)가 측정한 관입량 데이터를 수집하는 기능을 갖는다. The
데이터 로거(164)는 유선으로 연결된 PC(180)에 관입량 데이터를 전달하고, PC(180)의 모니터를 이용하여 관입량 데이터를 디스플레이할 수 있다.The
도 23은 PC(180)의 모니터를 이용하여 디스플레이된 관입량 데이터로서, 세로축은 관입량(mm)을 나타내고, 가로축은 측정시간을 나타낸다. 리니어 엔코더(162)가 시험에 필요한 5초 동안의 관입량만을 측정하는 관계로 5초 이후의 데이터는 존재하지 않는다. Fig. 23 is the penetration amount data displayed using the monitor of the
그 외, 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 데이터 로거(164)와 PC(180)를 연결하기 위한 통신라인(172), 리니어 엔코더(162)와 데이터 로거(164)를 연결하기 위한 데이터획득 라인(174) 및 전자석부(125)에 전력을 공급하기 위한 전력 라인(176)을 더 포함할 수 있다. 또한, 콘(110)의 자유낙하를 위해 고정역할을 하는 가이드 라인(178)을 더 포함할 수 있다.In addition, the plasticity
본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 위에서 설명한 도 9의 Sivakumar 방식이 갖는 문제점을 해소할 수 있다. 다시 말해, 자석을 N극과 S극으로 고정시켰다가 극성을 변화시켜 콘을 떨어뜨리는 종래 방식은 N극과 N극, 혹은 S극과 S극으로 극성이 변하면서 자기력(척력)이 더해지기 때문에 초기 설정된 낙하 에너지보다 더 큰 에너지가 전달된다. 반면, 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 전자석부(125)에 공급되는 전류의 차단만으로 자석의 성질을 잃기 때문에, 별도의 힘(예를 들어, 척력)이 가해지는 일이 없이 콘(110)은 자유낙하할 수 있게 되어, 소성한계 측정의 신뢰성을 향상시킨다. The
이하에서는 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)에 의한 소성한계 측정 효과에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, the effect of the plasticity limit measurement by the
3.1 시험방식3.1 Test method
카올리나이트(Kaolinite), 일라이트(Illite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite)를 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8, 0:10의 비율로 혼합한 시료와 서해안 일대에서 채취한 7군의 시료에 대해 비중 시험과, 비중계 시험을 실시하였고, 폴-콘 시험을 통해 얻은 액성한계와 KS F2304, 뉴 폴-콘(New method Fall - cone) 시험, 기존 폴-콘(Fall-cone) 시험 결과를 Harion(1988)과 Feng(2000)이 제안한 소성한계의 결과를 비교하였다. 선행 연구자들의 다른 방식도 있지만 30°선단의 80g의 시험기만 보유하고 있었기 때문에 Harison(1988)과 Feng(2000)의 소성한계 추정식을 사용하였다. Kaolinite, Illite and Montmorillonite were mixed at a ratio of 10: 0, 8: 2, 6: 4, 4: 6, 2: 8 and 0:10, A 7 - group specimen was subjected to a specific gravity test and a hydrometer test. The liquid limit obtained by the Paul - Kon test and the KS F2304, New method Fall - cone test, the existing Fall - Cone test results were compared with those of Harion (1988) and Feng (2000). Harris (1988) and Feng (2000) used the plasticity limit estimation equation because there were other methods of the previous researchers, but they only had 80 g of tester at 30 ° tip.
(1) 시험장비 - 분무기, 주걱, 헝겊, 함수비 캔, 아크릴판(1) Test equipment - sprayer, spatula, cloth, water-filled cans, acrylic plates
(2) 실험 방법(2) Experimental method
① 40번 체를 통과한 시료 15g을 준비한다.① Prepare 15 g of sample that passed through sieve No. 40.
② 시료를 아크릴 판위에 펼친다.② Spread the sample on the acrylic plate.
③ 증류수가 담긴 분무기를 뿌려 반죽을 한다, 이때 손에 달라붙지 않고 둥글게 뭉쳐질 정도로 물의 양을 조절한다.③ Spray the sprayer with distilled water and knead it, then adjust the amount of water so that it does not stick to your hands and it will be rounded.
④ 둥글게 뭉친 흙덩어리를 아크릴 판위에 놓고, 그림과 같이 손가락으로 적당히 누르면서 굴려 가늘게 국수 모양으로 만든다.④ Place a round block of clay on an acrylic plate, press it with your fingers as shown, and roll it into a thin noodle shape.
⑤ 흙이 국수 모양으로 되지 않을 때에는 시료를 비 소성으로 구분하며, 비소성이라고 기록한다.⑤ When the soil is not in the shape of noodles, the sample is classified as non-plastic and recorded as non-plastic.
⑥ 국수 모양으로 계속 밀어 지름이 3mm 이하가 될 때에는 다시 뭉친다.⑥ Continue pushing in the shape of noodles and when the diameter becomes 3mm or less, it is reunited.
⑦ 다시 뭉친 흙을 굴리는 작업을 반복하여 국수 모양 흙의 지름이 3mm 정도에서 부스러지면, 함수비를 측정한다. 이 때 함수비를 소성한계라 한다. ⑦ Repeat the process of rolling up the clay soil again and measure the water content when the diameter of the noodle soil is 3 mm in diameter. In this case, the water ratio is called the plasticity limit.
⑧ 위의 시험과정 ④ ~ ⑦의 조작을 3회 이상 되풀이한다.⑧ Repeat the
⑨ 시험결과를 정리한다.⑨ The test results are summarized.
3.2 폴-콘 시험(Fall cone test)(BS 1377)3.2 Fall cone test (BS 1377)
(1) 시험 기구(1) Testing instrument
시험에 사용된 Fall cone 시험의 기기와 콘은 종래 폴-콘 시험기와 동일하다.The equipment and cone of the Fall cone test used in the test are the same as the conventional pole-cone tester.
(2) 시험 준비(2) Exam preparation
관입 콘 : 스테인리스강이나 알루미늄합금으로 만들며 표면이 매끈한 것이어야 하고, 콘은 작은 강판에 두께 1.75mm, 지름1.50mm의 구멍 낼 정도로 날카로운 것이어야 한다. 그리고 BS규정을 따르기로 했으므로 콘의 선단 각이 30°, 질량은 80g으로 한다.Penetration cone: made of stainless steel or aluminum alloy, smooth surface, cone should be sharp to small steel plate with a thickness of 1.75mm and diameter of 1.50mm. Since it is decided to comply with the BS regulations, the tip angle of the cone is 30 ° and the mass is 80g.
② 시료 컵 :황동이나 알루미늄 합금으로 만들며 단면이 원형이고 내경 55mm, 깊이40mm 의 컵 형태로 테두리는 편평해야 한다. ② Sample cup: It shall be made of brass or aluminum alloy, rounded in cross section and 55 mm in inner diameter and 40 mm in depth.
③ 시료 링 : 황동이나 알루미늄 합금으로 만들며 시료 켭에서 내경 55mm 높이 15의 컵 테두리를 덮을 수 있어야 한다.③ Sample ring: It is made of brass or aluminum alloy. It should be able to cover the cup edge of
④ 증류수, 믹서, 함수비 캔④ Distilled water, mixer, water can
(3) 시험 방법(3) Test method
① 유리판 위에 준비된 시료를 놓고 증류수를 가하여 믹서를 사용하여 잘 혼합한다.① Place the prepared sample on a glass plate, add distilled water and mix well using a mixer.
② 물과 혼합된 시료를 용기에 담고 용기를 젖은 헝겊으로 밀폐시켜서 24시간 혹은 하룻밤 동안 시원한 장소에 방치하고 점토의 함량이 적은 흙이나 실트질 흙 시료에 대해서는 숙성단계를 생략하고 혼합 후에 즉시 시험한다.② The sample mixed with water is put into the container, the container is sealed with a damp cloth, left in a cool place for 24 hours or overnight, and the dirt or silty soil sample with little clay content is skipped the aging step and tested immediately after mixing .
③ 콘과 수직봉의 무게가 BS 규정에 따라 80±0.05g정도인지 확인하고 콘의 날카로운 정도를 규격판을 이용하여 확인한다. 수직 봉을 깨끗이 닦고 콘이 자유낙하 할 수 있는지 버튼을 확인하고, 시험 기구는 편평한 곳에 위치시킨다.③ Confirm that the weight of cone and vertical bar is 80 ± 0.05g according to BS regulations, and check the degree of sharpness of cone using standard plate. Clean the vertical bar and check that the cone can free fall, and place the test fixture on a flat surface.
④ 시료 숙성 후에도 함수비가 전체시료 내에서 균등하도록 스페츌러를 이용하여 10분 이상 재혼합한다. 점토성분이 많은 흙일수록 오랜 시간 혼합하며, 특별히 혼합시간을 40분 정도로 필요로 하는 것도 있다.④ After aging, rehydrate for more than 10 minutes using a spatulaer so that the water content is uniform throughout the sample. Clay-rich soils are mixed for a long time, and some require a mixing time of about 40 minutes.
⑤ 시료 컵을 헝겊으로 깨끗이 닦아서 남은 흙과 수분을 제거하고 시료를 시료 컵에 담는다. 이 때 빈 공간이 없도록 하고 시료컵의 윗끝까지 담으며 작은 스페츌러로 테두리부분과 표면을 잘 다듬는다. 콘이 수직관에 잘 위치했는지 확인하고, 그 끝이 시료의 표면에 살짝 닿도록 콘의 위치를 조절한다. 시료 컵을 약간 움직여서 표면을 표시해 두고 다이얼 게이지 초기 값을 0.01mm 정도 까지 읽는다. 시료 컵이 콘의 중앙에 오도록 조절한다.⑤ Clean the sample cup with a cloth to remove the remaining soil and moisture, and place the sample in the sample cup. At this time, make sure that there is no empty space, hold it up to the top of the sample cup, and trim the rim and surface with a small spatterer. Make sure that the cone is well positioned in the canal, and adjust the position of the cone so that its tip slightly touches the surface of the sample. Move the sample cup slightly to mark the surface and read the initial value of the dial gauge to about 0.01 mm. Adjust the sample cup to the center of the cone.
⑥ BS규정에 맞춰 버튼을 눌러 콘을 자유낙하 시켜서 시료에 관입시킨다.5초 후 콘의 위치를 0.01mm까지 읽는다.?⑥ Push the button according to the BS regulations and freeze the cone to penetrate the sample. After 5 seconds, read the cone position to 0.01mm.
⑦ 콘을 들어 올리고 깨끗이 닦는다. 시료컵에 시료를 추가하여 표면을 잘 다듬고 ②∼⑦과정을 되풀이한다. 두 번째 콘의 관입량이 처음 것과 차이가 0.5mm 이내이면 평균값을 기록해두고, 다음 함수비 측정으로 넘어간다. 만일 두 번째 관입량이 처음 것과 0.5∼1.0mm의 차이가 나면 세 번째 시험을 실시하고 전체적으로 시험의 관입량 차이가 1.0mm를 넘지 않으면 관입량을 평균하여 기록하고 다음 단계로 넘어간다. 만약 전체적으로 관입량의 차이가 1.0mm를 초과하면 시료를 시료 컵에서 제외하고 시료를 다시 혼합하여 재시험을 실시하고 콘이 관입된 곳에서 10g정도의 시료를 스페츌러로 채취하여 함수비를 측정한다.⑦ Raise the cone and wipe it clean. Add a sample to the sample cup to polish the surface and repeat
⑧ 결과를 정리한다.⑧ Summarize the results.
3.3. 뉴 폴-콘 시험(New Fall cone test)3.3. New Fall cone test
본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)에 의한 뉴 폴-콘 시험(New Fall cone test)은 아래와 같이 진행되었다. 기존의 폴-콘 시험과 같은 방법으로 실험을 진행한다. 다만, 특별히 주의할 사항이 있다. 액성한계 측정을 위해서는 14~25mm 사이의 관입량을 측정하면 되지만 소성한계의 경우 2mm의 관입량을 필요로 한다.The New Fall cone test by the
본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 2mm의 관입량을 측정하기 어려운 기존의 폴-콘 시험기를 개선하여 소성한계의 관입량을 20mm로 변경하였다. The plasticity
변경시 낙하 추의 중량을 80g에서 727g으로 증가시킴과 동시에 낙하 거리를 샘플의 표면으로부터 200mm에서 상공에서 낙하시키는 방식으로 변경하였다. 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)는 수식15에서 관입량과 콘의 중량 간의 관계를 근거로 한다. The weight of the falling weight was changed from 80 g to 727 g, and the dropping distance was changed to drop at a distance of 200 mm from the surface of the sample. The
또한, 시료 준비 과정에서 소성한계에 가까워질수록 시료가 단단하기 때문에 만들기가 힘들다. 따라서 시료를 만들 때 균일 한 단위 중량을 얻기 위해 0.5~1cm의 두께로 직경 25mm인 0.25kg의 황동 막대로 다져야 한다. 단, 0.25kg의 황동 막대가 시료에 가하는 에너지의 영향을 배제해야 한다. 흙이 포화된 경우, 시료를 준비하는 과정에서 황동 막대로 다지는 경우 전달된 추가 에너지는 시료 컵 내의 흙의 단위 중량에 영향을 미치지 않는다. 설정된 다양한 수직 압력을 사용하여 시료 컵을 정적으로 압축하는 실험을 통해 주어진 함수비에서 초기 단위 중량의 변화는 단지 약 ±0.5 % 에 불과하다는 결론을 얻었다. 이 결과는 소성한계에 근접한 경우에만 유효하다. 반죽이 완료되면 칼이나 와이어 톱 또는 절삭 공구를 사용하여 시료 표면을 편평하게 만들어야 한다. In addition, the closer to the firing limit in the sample preparation process, the harder the sample is formed. Therefore, in order to obtain a uniform unit weight when making the sample, a brass rod of 0.25 kg having a diameter of 25 mm should be used with a thickness of 0.5 to 1 cm. However, the influence of the energy applied to the sample by the brass rod of 0.25 kg should be excluded. When the soil is saturated, the additional energy transferred to the brass rod during preparation of the sample does not affect the unit weight of the soil in the sample cup. Experiments with statically compressing the sample cup using various set vertical pressures resulted in only a change of initial unit weight at a given water content of only about ± 0.5%. This result is valid only when the firing limit is approached. Once the dough is complete, the sample surface should be flattened using a knife, wire saw, or cutting tool.
이하에서는 위의 실험에 의한 시험결과를 설명한다.Hereinafter, the test results of the above experiment will be described.
4. 시험결과4. Test results
4.1 연구 대상 지역4.1 Study Area
국내 서해안 일대 7곳을 대상으로 채취한 시료와 실내 시료 Kaolinite, Illite, Bentonite를 각각 10:0, 8:2, 6:4, 4:6, 2:8, 0:10의 비율로 혼합하여 총 22가지의 시료로 시험을 수행하였다. 장소는 해안 지역에 위치한 산악 지대에서 채취하였으며 비중 시험과 비중계 시험을 실시하였다. A total of 7 samples of Kaolinite, Illite and Bentonite were sampled at 7 locations in the west coast of Korea and mixed at a ratio of 10: 0, 8: 2, 6: 4, 4: 6, 2: The test was carried out with 22 samples. The site was collected from the mountainous area in the coastal area and specific gravity test and hydrometer test were conducted.
현재 우리나라에서 소성한계를 구하는 방법은 KS F2034로 규정되어 있었으나, 현재는 폐지되어 있다. 국외에서는 소성한계 시험의 문제점을 인지하고 이미 폴-콘 시험을 활용한 소성한계 측정에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 국내에는 그와 관련된 규정이 존재하지 않고 실험 또한 이루어져 있지 않다.At present, the method of obtaining plastic limit in Korea has been defined as KS F2034, but it is abolished at present. Outside of the country, the problem of plasticity limit test has been recognized and research on plasticity limit measurement using pole - cone test has been actively carried out. At present, there are no regulations related to it in Korea and no experiment is done.
본 발명에서는 국내 시료에 대한 폴-콘 소성한계 측정에 대한 적용성을 검증하기 위해 대표적인 규정인 BS 1377의 30°의 콘을 이용하여 선행 연구자들이 제안한 3가지 방식과 관입량과 관입 에너지를 증가시켜 개발하고, 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)를 이용한 뉴 폴-콘 시험으로 시험을 수행하였다. In the present invention, to verify the applicability to the measurement of the Paul-confinement limit for domestic samples, the three methods proposed by the prior researchers and the intrusion and intrusion energies were increased by using a 30 ° cone of BS 1377, And a test was conducted by a New Paul-Kon test using the
또한, KS F2304의 규정에 따라 여러 번 시험을 실시하여 결과값의 신뢰도를 높이고, 폴-콘 시험결과와 비교하였다. 아래 표 3은 시료별 비중 시험 결과를 나타낸다.In addition, several tests have been carried out in accordance with KS F2304 to improve the reliability of the results and to compare with the results of Paul - Kon test. Table 3 below shows the specific gravity test results for each sample.
도 10a 내지 10i는 소성 지수를 고려하여 헥사메틴인산나트륨과 과산화수소와 혼합하여 비중계 시험을 진행한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 10a는 일라이트 입도 분포 곡선이고, 도 10b는 카올리나이트 입도 분포 곡선이고, 도 10c는 벤토나이트 입도 분포 곡선이고, 도 10d는 김제시 성덕면 입도 분포 곡선이고, 도 10e는 부안군 보안면 입도 분포 곡선이고, 도 10f는 군산시 성산면 입도 분포 곡선이고, 도 10g는 서천군 마서면 입도 분포 곡선이고, 도 10h는 함평군 손불면 입도 분포 곡선이며, 도 10i는 무안군 삼향읍 마서면 입도 분포 곡선이다.10A to 10I are graphs showing the results of hydrometry tests in which sodium hexamethine phosphate and hydrogen peroxide were mixed in consideration of the plasticity index. Fig. 10A is a granite size distribution curve, Fig. 10B is a kaolinite size distribution curve, Fig. 10C is a bentonite particle size distribution curve, Fig. 10D is a granularity distribution curve of Kimje- Fig. 10H is the particle size distribution curve of Seongsan-myeon in Gunsan, Fig. 10G is the particle size distribution curve of Seongsan-myeon in Seocheon, Fig. 10H is the particle size distribution curve of Seongbuk-myeon in Hampyeong and Fig.
아래 표 4는 Thread Rolling(KS F2304)과 폴-콘 시험, 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)를 이용한 뉴 폴-콘 시험을 통해 얻은 소성한계의 결과를 나타내는 표이다. Table 4 below shows the results of the firing limit obtained through the New Paul-Kon test using the Thread Rolling (KS F2304) and the Paul-Kon test and the
도 11a는 각각 카올린나이트:일라이트 폴-콘 시험결과, 도 11b는 카올린나이트:일라이트 뉴 폴-콘 시험 결과, 도 11c는 벤토나이트:카올린나이트 폴-콘 시험결과, 도 11d는 벤토나이트:카올린나이트 뉴 폴-콘 시험 결과, 도 11e는 벤토나이트:일라이트 폴-콘 시험 결과, 도 11f는 벤토나이트:일라이트 뉴 폴-콘 시험 결과를 나타내며, 각각 가로축은 관입량(cm)을 나타내고, 세로축은 수분함량(%)을 나타낸다.Fig. 11A shows results of kaolinite: Illightpole-cone test, Fig. 11B shows kaolinite: ilite newpol-con test results, Fig. 11C shows results of bentonite: kaolinite paul-cone test, Fig. 11D shows results of bentonite: kaolinite Fig. 11E shows the results of the bentonite: ilite pole-cone test, Fig. 11F shows the results of the bentonite: ilite new pole-cone test, and the abscissa shows the penetration amount (cm) And the content (%).
도 12a 내지 12l은 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과를 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 12a는 김제시 성덕면의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이고, 도 12b는 서천군 마서면의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이고, 도 12c는 부안군 보안면의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이고, 도 12d는 부안군 보안면의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이다. 각 그래프에서 가로축은 시험 넘버를 나타내고, 세로축은 소성한계(%)를 나타낸다.Figures 12A-12L are graphs showing the firing limit results of thread rolling (KS F2304). 12A is a firing limit result of thread rolling (KS F2304) of Gimje City, Fig. 12B is a firing limit result of thread rolling (KS F2304) of Moseo Seocheon gun, Fig. 12C is a firing limit result of thread rolling Fig. 12D is the firing limit result of the thread rolling (KS F2304) of the security surface of Buan county. In each graph, the horizontal axis represents the test number, and the vertical axis represents the firing limit (%).
한편, 도 13a는 일라이트2:카올린나이트8의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이고, 도 13b는 카올린나이트2:벤토나이트8의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이고, 도 13c는 일라이트8:벤토나이트2의 스레드 롤링(KS F2304)의 소성한계 결과이다. 각 그래프에서 가로축은 시험 넘버를 나타내고, 세로축은 소성한계(%)를 나타낸다.13A is a firing limit result of the daily rolling 2 (KS F2304) of the thread rolling (KS F2304) of
도 14a는 스레드 롤링과 뉴 폴-콘의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14b는 스레드 롤링과 Harison Method(저소성)의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14c는 스레드 롤링과 Feng Method(저소성)의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14d는 스레드 롤링과 one-point Method(저소성)의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14e는 스레드 롤링과 Harison Method(고소성)의 소성한계 비교 그래프이고, 도 14f는 스레드 롤링과 Feng Method(고소성)의 소성한계 비교 그래프이며, 도 14g는 스레드 롤링과 one-point Method(고소성)의 소성한계 비교 그래프이다.FIG. 14A is a graph showing the plasticity limit comparative of thread rolling and New Paul-con, FIG. 14B is a plasticity limit comparative graph of thread rolling and Harison Method (low plasticity) Fig. 14E is a firing limit comparative graph of thread rolling and the Harison Method (high firing), Fig. 14F is a graph showing the firing limit comparison graph of thread rolling and one-point method (low firing) FIG. 14G is a graph showing the firing limit of the Feng Method (high plasticity), and FIG. 14G is a graph showing the plasticity limit of the thread rolling and the one-point Method (high plasticity).
스레드 롤링(KS F2304)와 비교하였을 때 Harison(1988)과 Feng(2000)의 소성한계는 85%이하의 소성한계를 갖거나 저소성의 시료에서 적용할 경우 각 2.17%, 3.7%의 차이를 보였고, Feng(2000)이 제안한 일점법의 소성한계는 9.36%의 차이를 보였다. 하지만, 고소성 시료에 적용하는 경우 오차의 범위가 각 47.63%, 49.58%, 56.14%를 보였다. 반면, 뉴 폴-콘의 소성한계는 고소성과 저소성에 구애받지 않고 25.86%의 차이를 보였다. 도 14a 내지 14g의 그래프로 스레드 롤링의 소성한계와는 아래 음과 같은 상관관계를 나타낸다.The firing limits of Harison (1988) and Feng (2000) were 2.17% and 3.7%, respectively, when they were applied to samples with a plasticity limit of 85% or less, compared with thread rolling (KS F2304) , And the firing limit of the one-point method proposed by Feng (2000) was 9.36%. However, when applied to high - specimen samples, the error range was 47.63%, 49.58%, and 56.14%, respectively. On the other hand, the firing limit of New Paul - Con was 25.86%, regardless of the degree of plasticity and low plasticity. 14A to 14G show the following relationship with the firing limit of the thread rolling.
4.4.2 Harison, Feng의 소성한계 결과비교4.4.2 Harison and Feng's plastic limit results comparison
Harison(1988)이 제안한 방식은 14 ~ 25mm 사이의 윗 라인 추세선과 5 ~ 14mm 사이의 아래 라인 추세선으로 각각 액성한계와 소성한계를 결정한다. The method proposed by Harison (1988) determines the liquid limit and plastic limit, respectively, with an upper line trend line between 14 and 25 mm and a downline trend line between 5 and 14 mm.
도 15a는 Harison 제안 방식에 의하여 카올린나이트의 소성한계를 결정하는 그래프이고, 도 15b는 Harison 제안 방식에 의하여 카올린나이트6:벤토나이트4의 소성한계를 결정하는 그래프이다.FIG. 15A is a graph for determining the firing limit of kaolinite according to the Harison proposed method, and FIG. 15B is a graph for determining the firing limit of kaolinite 6:
Feng(2000)은 아래의 수식26 및 수식27을 이용하여, 소성한계와 수식28과 같은 일점법의 소성한계를 제안하였다.Feng (2000) proposed the firing limit of the one-point method such as the firing limit and the equation (28) using the following equations (26) and (27)
이에 의한 소성한계 결정 그래프는 도 16a 내지 16d에 도시되어 있다. 구체적으로, 도 16a는 카올린나이트의 소성한계 결정 그래프이고, 도 16b는 카올린나이트6:벤토나이트4의 소성한계 결정 그래프이다.The firing limit determination graph by this is shown in Figs. 16A to 16D. Specifically, FIG. 16A is a graph of firing limit determination of kaolinite, and FIG. 16B is a graph of firing limit determination of kaolinite 6:
한편, 도 17a는 Harison과 Feng method의 소성한계 비교 그래프이고, 도 17b는 Harison과 one-point method의 소성한계 비교 그래프이다.Meanwhile, FIG. 17A is a plasticity limit comparative graph of Harison and Feng method, and FIG. 17B is a plasticity limit comparative graph of Harison and one-point method.
Feng(2000)의 소성한계와 Harison(1988)의 소성한계를 비교한 결과 1.75%의 차이를 보였고, Feng(2000)이 제안한 일점법과는 9.14%의 차이를 보였다. Feng이 제안한 두 가지 방식은 아래 수식29 및 수식30과 같은 상관관계를 나타내며, 아래 표 5는 Harison, Feng method의 R2값을 나타낸다.The firing limit of Feng (2000) and the firing limit of Harison (1988) were 1.75% and 9.14%, respectively, compared with the one point method proposed by Feng (2000). The two methods proposed by Feng show the correlation as shown in the following
한편, 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)를 이용한 뉴 폴-콘 방식의 소성한계와 Harison 방식의 소성한계는 18.61%의 차이를 보였고, 도 18은 그 차이를 비교한 그래프이다. 또한, 이를 통하여 아래의 상관관계를 나타내는 수식31이 도출된다.Meanwhile, the firing limit of the New Paul-Con system and the firing limit of the Harison system using the
4.4.3 뉴 폴-콘(New Fall-cone) 시험의 일점법 제안4.4.3 One-point method of New Fall-cone test
폴-콘 시험에서 소성한계 측정을 위한 시료 준비할 때 소성한계에 근접한 시료의 경우 매우 단단한 특징이 있어 시료 준비에 어려움을 겪게 된다. 실제로 뉴 폴-콘 시험을 준비할 때 20cm이하의 관입 깊이 측정시 시료의 일정한 단위중량을 맞추기 위한 어려움이 발생하였고 이에 따라 20cm 이하에서는 오차가 발생하였다. 보다 높은 정확성을 얻기 위해 다음과 같은 방법으로 일점법에 대한 검증을 실시하였다. 표 6은 뉴 폴-콘 시험 결과를 나타내는 표이고, 도 19는 이를 나타내는 그래프이다.In the case of a sample close to the firing limit when preparing the sample for the plastic limit measurement in the pole-cone test, it is difficult to prepare the sample because of its very hard characteristic. In practice, when preparing the new pole-cone test, it was difficult to adjust the unit weight of the sample when measuring the penetration depth of 20 cm or less. In order to obtain higher accuracy, one-point method was verified by the following method. Table 6 is a table showing the results of the New Paul-Kon test, and FIG. 19 is a graph showing the results.
도 20a 내지 20c는 뉴 폴-콘 시험과 기타 시험의 소성한계 비교 그래프이다. 구체적으로, 도 20a는 새로운 일점법 방식과 뉴 폴-콘의 소성한계 비교 그래프이고, 도 20b는 새로운 일점법 방식과 스레드 롤링의 소성한계 비교 그래프이며, 도 20c는 새로운 일점법 방식과 Feng의 소성한계 비교 그래프이고, 도 20d는 새로운 일점법 방식과 Harison의 소성한계 비교 그래프이다.20a to 20c are graphs of firing limit comparative of New Paul-Kon test and other tests. 20A is a graph showing the firing limit comparison graph of the new one-point method and the new pole-cone, FIG. 20B is a graph showing the firing limit comparison of the new one-point method and the thread rolling, FIG. 20D is a graph of a new one-point method and Harison's plasticity limit comparative graph.
뉴 폴-콘의 소성한계 데이터를 이용하여 아래의 수식32를 유도할 수 있다. Using the plasticity limit data of the New Paul-Con, we can derive the following equation (32).
각 시료별 m값은 표 6에 정리된 것과 같고, 각 m값과 뉴 폴-콘 소성한계 그래프를 도시하여 평균값을 구한 결과 0.0108의 m값을 얻을 수 있었다. 이를 수식32에 대입하면 아래의 수식33이 성립되고, 뉴 폴-콘 소성한계와 계산 결과를 비교했을 때 0.21%의 차이를 보였다.The m values for each sample are the same as those shown in Table 6, and the m value and the new pole-confinement limit graph are shown. As a result, an m value of 0.0108 was obtained. Substituting this into Eq. (32), the following Equation (33) is established, and the New Paul-Concomitant Limit and the calculated result show a difference of 0.21%.
85%이하의 소성한계에서 New method 일점법과 비교하였을 때, Thread Rolling 과는 29.74%의 차이를 보였고, Feng과 Harison의 소성한계와 비교한 결과 각 37.54%와 34.32%의 차이를 보였다. 새로운 방식(New method)의 일점법의 소성한계와 기존의 소성한계와의 상관관계는 수식34 내지 36와 같이 나타났으며 보다 신뢰성이 있는 측정법을 위해서는 차후 더 많은 시료의 실험이 요구된다. Compared with the New method, the difference in the plastic limit of less than 85% was 29.74% compared to that of the thread rolling, and the difference between the plastic limit of Feng and Harison was 37.54% and 34.32%, respectively. Correlation between the firing limit of the one-point method and the existing firing limit of the New method is shown in Eqs. 34 to 36, and further reliable testing is required for further testing.
결국, 본 발명에 따른 소성한계 측정기(100)를 이용한 뉴 폴-콘 시험에 의하면, 85%이상의 고소성의 시료의 소성한계 측정시 기존의 방식보다 상관관계가 크고 오차가 매우 적음을 알 수 있다. 즉, 종래 방식에 비하여 신뢰성 있는 소성한계 측정 결과를 얻을 수 있음이 확인되었다.As a result, according to the New Paul-Kon test using the
상술한 설명과 첨부된 도면은 본 발명의 가능한 실시예를 보여주고 있지만, 본 발명의 권리범위는 오로지 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 즉, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위나 사상으로부터 벗어나지 않는 한 다양한 부가, 변형 및 대체가 이루어질 수 있고, 다른 특정 형태, 구조, 배치, 성분, 크기로 구현되거나, 기타 요소, 물질, 부품과 함께 구현될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 기본적인 원리를 벗어나지 않으면서 특정 환경이나 동작 조건에 적응될 수 있을 것이며, 이는 당업자에 자명할 것이다.While the foregoing description and accompanying drawings illustrate possible embodiments of the invention, the scope of the invention is defined only by the appended claims. That is, various additions, modifications and substitutions may be made without departing from the scope of the present invention as set forth in the appended claims, and may be embodied in other specific forms, structures, arrangements, It can be implemented together. In addition, it will be apparent to those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the basic principles of the invention, which will be apparent to those skilled in the art.
S‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥토양 샘플
100‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥소성한계 측정기
110‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥콘
120‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥콘 홀딩부
122‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥전자석부
130‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥높이 조절부
140‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥토양 샘플 홀더
150‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥제어부
162‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥리니어 엔코더
164‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥데이터 로거
170‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥스위치부
180‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥PCS ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ Soil sample
100 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥
110 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ Con
120 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ ...
122 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥
130 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥
140 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ Soil sample holder
150 .................. Control unit
162 ......... Linear encoder
164 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ Data logger
170 ......... switch part
180 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ PC
Claims (5)
상기 토양 샘플로부터 소정거리 이격된 높이에서 상기 콘을 홀딩하거나 자유낙하시키기 위한 전자석부를 구비하는 콘 홀딩부;
상기 전자석부로의 전류 공급을 조절하여 상기 콘의 홀딩 및 자유낙하를 선택적으로 제어하는 제어부;
일정한 시간 간격으로 상기 콘이 상기 토양 샘플에 관입되는 관입량을 측정하는 리니어 엔코더(linear encoder); 및
상기 리니어 엔코더에서 획득된 데이터를 수집하는 데이터 로거;를 포함하는 소성한계 측정기.A cone cone having free fall towards the soil sample and penetrating into the soil sample, having a tip angle of 30 ° and a weight of 727 g;
A cone holding part having an electromagnet part for holding or freeing the cone at a height spaced a predetermined distance from the soil sample;
A controller for selectively controlling the holding and free-falling of the cone by regulating current supply to the electromagnet portion;
A linear encoder for measuring the amount of penetration of the cone into the soil sample at regular time intervals; And
And a data logger for collecting data obtained from the linear encoder.
상기 리니어 엔코더는 상기 콘이 상기 토양 샘플에 관입되는 관입량을 1/200초 간격으로 5초간 측정하는 소성한계 측정기.The method according to claim 1,
Wherein the linear encoder measures the penetration amount of the cone into the soil sample for 5 seconds at an interval of 1/200 seconds.
상기 토양 샘플과 상기 콘 사이의 상기 소정거리는 200mm인 소성한계 측정기.The method according to claim 1,
Wherein the predetermined distance between the soil sample and the cone is 200 mm.
상기 전자석부로 공급되는 전력을 공급하기 위한 전력 공급부; 또는
상기 토양 샘플과 상기 콘 사이의 상기 소정거리를 조절하기 위한 높이 조절부;를 더 포함하는 소성한계 측정기.The method according to claim 1,
A power supply unit for supplying power to the electromagnet unit; or
And a height adjuster for adjusting the predetermined distance between the soil sample and the cone.
상기 전자석부로의 전류 공급을 스위칭하는 스위치부;를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 스위치부를 통하여 입력된 신호에 기초하여 상기 콘의 홀딩 및 자유낙하를 제어하는 소성한계 측정기.The method according to claim 1,
And a switch unit for switching supply of current to the electromagnet unit,
Wherein the control unit controls holding and free fall of the cone based on a signal input through the switch unit.
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| KR (1) | KR20180082750A (en) |
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