KR100422515B1 - 연약지반 침하 측정 방법과 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연약지반 침하 측정 방법과 그 장치에 관한 것으로, 그 목적은 센서의 응답성을 높이고, 센서내의 공기방울을 제거하여 측정시의 오차를 줄임에 있어 공기방울의 재유입 가능성을 차단하며, 측정된 정보를 간편히 볼 수 있도록 측정하는 방법과 그 장치를 제공함에 있다. 본 발명의 구성은 수조를 사용하여 유체의 수직거리에 따른 수두압을 측정하는 연약지반의 침하측정장치에 있어서, 서로 높이차를 달리하여 설치되고 유체를 저장하고 있는 2개의 수조와; 상기 각각의 수조 하부에 일측이 관통 연결되고, 타측은 지중에 매설된 센서에 연결관통되는 2개의 튜브와; 상기 2개의 튜브가 케이스를 관통 연결한 상기 2개의 튜브로부터 유체가 저장되는 유체저장조와, 이 유체저장조의 하강에 따른 압력을 측정하는 반도체압력 센서와, 상기 반도체 센서와 일측이 연결되고 타측은 LED 디스플레이 장치에 연결되는 신호선으로 구성된 침하측정 센서와; 상기 침하 센서의 신호선으로부터 입력되는 신호처리를 위하여 내부에 장치되어 정보를 자동환산하는 프로그램어블(Programmable) 회로장치와, 이 회로장치의 출력을 표시하는 LED로 구성된 출력장치로 구성된 장치와 이를 이용한 방법을 특징으로 한다.

Description

연약지반 침하 측정 방법과 그 장치{Vertical settlement measuring method and apparatus thereof on soft land}

본 발명은 연약지반 침하측정방법과 그 장치에 관한 것으로, 자세하게는 최초 설치시 센서내의 공기방울을 완전히 제거하여 공기방울 유입시 발생되는 오차값을 원초적으로 차단하여 측정 데이터(Data)의 정밀도를 높이고, 수집된 데이터를 별도의 환산식 없이 LED를 통하여 실시간으로 인식할 수 있도록 침하 측정시 사용되는 센서의 오차를 수조의 높이차를 이용하여 보정하고, 그 사용되는 센서를 반도체 센서를 사용하여 응답성이 높도록 구성하여 침하를 측정하는 방법 및 그 장치에관한 것이다.

토목현장에서는 성토작업으로 발생되는 연약지반을 다음단계의 강성지반으로 바꾸기 위해서 연약지반의 상태를 계측 하여야 한다.

즉, 토목계측의 목적은 연약지반 침하 안정관리를 위한 계측기설치 및 계측관리를 함으로써, 성토 시공시 원지반 점성토층의 거동 특성, 압밀침하에 의한 강도증가 등을 비교 검토함으로써, 현재상태의 안정성을 파악하고 연약지반의 향후 거동과 안정성을 예측하여 다음 단계의 본 공사구간에 반영할 수 있는 정보를 신속하게 제공하며 안전하고 경제적인 공사수행이 가능하도록 하는데 있다. 이러한 계측의 목적을 다음과 같이 몇 가지로 대별할 수 있다.

계 측 항 목	계 측 목 적
지 표 침 하	성토 전 원지반에 설치하여 성토와 같은 상재하중 작용시 발생하는 침하량을 측정하여 연약한 점성토층의 거동과 압밀침하 예측 및 안전도 판단.
층 별 침 하	성토 전 점성토층에 천공 매설하여 성토와 같은 상재하중 작용시 발생하는 연약한 점성토층의 심도별 침하량을 측정하여 압밀침하 예측 및 안전도 판단.

상기와 같은 상태를 계측하는 측정방법 중 종래의 압력센서 및 수조를 사용한 침하측정장치의 실시예도가 도 6에 도시되어 있는데, 이러한 토목계측에 쓰이는 침하 측정장치를 설명하면 다음과 같다.

먼저 종래 장치의 구성은 보충용 유체를 담고 있는 수조(500)와, 일측단이 이 수조에 연결되고, 타측단의 센서에 연결된 2개의 유체 공급용 튜브 2개(501,501)와, 상기 튜브로부터 유체를 공급받고 압력측정용 압전센서(503)가 장치되어 구성된 센서(504)로 구성된다.

상기 장치의 측정 방법은 수조에 들어 있는 액체(보통, 부동액+물)가 튜브(Tube)를 통하여 센서의 하우징(Housing)내부 공간에 충전되어지고, 이 액체의 중력에 의한 압력이 압력센서(압전센서)에 의해 측정된다.

측정된 값은 외부로 노출되어 있는 신호선(505)을 통하여 리드아웃(Read-out)기기(506)로 읽을 수 있고, 센서에 의해 읽혀진 값은 Hz 단위로 암호화 된(측정센서의 특성이 반영되지 않은) 값으로 기록된다.

이 기록값을 다시 센서에 맞춰 환산하고, 이 값들의 변화량에 따라 수직 변화량을 측정하도록 구성된다.

상기와 같이 구성된 종래 장치의 단점으로는 수조~튜브~센서 내부에 공기의 잔류 가능성이 높다는 점과 센서의 주요부를 이루는 센서로 주파수 출력방식의 압전센서를 사용하여 반응속도가 떨어진다는 점과, 측정된 값은 외부로 노출되어 있는 신호선을 통하여 리드아웃(Read-out)기기로 읽을 수 있고, 센서에 의해 읽혀진 값은 Hz 단위로 암호화 된(측정센서의 특성이 반영되지 않은) 값으로 기록후 이 기록값을 다시 센서에 맞춰 환산하고, 이 값들의 변화량에 따라 수직 변화량을 측정하도록 구성되어 그 정확도와 신속함이 결여되어 있다는 점이다.

또한 상기와 같은 주파수방식의 압전센서를 이용한 센서는 센서를 이루는 주요부가 진동현애 의한 센싱으로 연약지반 개량공사시 성토차량 및 장비의 이동으로 인해 발생되는 진동에 의해, 주파수 출력 방식의 센서는 출력 주파수에 간섭을 일으킴으로써 정확한 데이터의 취득에 애로사항이 있다.

도면에서 보는 바와 같이 공기(507)가 센서내에 잔류하게 되면 정확한 데이터(Data)값을 얻을 수 없다는 점이다.

자세히 설명하자면 센서가 데이터 값을 취득할 때의 조건은 장치내에 순수한 액체로만 채워져 있어야 하고, 이때 액체가 센서에 미치는 압력을 측정하여 값을 환산, 수직 침하변위를 계산하는 방식이다. 그러나 장치내에 공기가 유입되면, 액체가 센서에 미치는 압력을 순수하게 전달하지 못하여(공기의 스펀지현상, 액체비중을 가볍게 할 수 있고,) 정확한 데이터를 기대하기 어렵다는 문제점이 발생하게 된다.

또한 수조~튜브~센서 내부에 공기가 잔류하면 외부의 힘이 작용하지 않는 한 제거가 용이치 않다는 것이다.(튜브~센서 내부의 압력작용이 균등하므로 액체의 이동이 없다.)

이러한 잔류공기를 제거하기 위해서는, 전력공급이 수월치 않는 현장에서는 발전기를 이용, 컴프레셔(Compressor)를 작동시켜야 하는 번거로움을 감수해야만 했다.

이러한 방법으로 액체를 강제순환 시키기 위해서는 이때 수조(500)와 튜브(501) 부위를 분리하여 튜브(501)를 컴프레셔(Compressor)의 출력부에 연결하여 압력을 가해 액체를 공급하고 액체의 순환을 이용 센서내에 있던 공기방울을 제거하고, 다시 수조(500)와 튜브(501)를 연결하여 작업을 완료하게 되는데, 이와 같은 연결작업의 문제점으로는 다시 (501)에 공기의 재유입 가능성이 높아 공기방울 제거 작업의 실효성에 문제가 있다는 것과 Compressor의 과압력으로 인한 센서의손괴 우려가 있다는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 센서의 응답성을 높이고, 센서내의 공기방울을 제거하여 측정시의 오차를 줄임에 있어 공기방울의 재유입 가능성을 차단하며, 측정된 정보를 간편히 볼 수 있도록 측정하는 방법과 그 장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 공기방울 제거를 위해 외부의 장치를 통해서 유체를 순환시키지 않고 복수개의 수조를 사용하여 그 높이를 달리하여 수위차에 의한 유체의 자연 순환 공급방식을 사용하고, 사용되는 센서를 응답성이 느린 압전센서가 아닌 반도체 센서를 사용하여 센서의 응답성을 높이며, 측정된 정보를 프로그램화된 내부 환산장치를 통해 LED 화면에 간편하게 디스플레이 해주는 측정방법 및 장치를 제공함으로서 달성된다.

도 1은 본 발명의 한 실시예를 보인 사시도,

도 2는 도 1의 내부구성을 나타낸 사시도,

도 3은 도 2의 정면도를 보인 예시도,

도 4a는 본 발명에 사용되는 반도체압력센서를 사용한 침하측정 센서의 개략적인 내부 구성을 보인 단면도,

도 4b는 본 발명에 사용되는 통상의 반도체압력센서를 사용한 센서의 구조 예시도,

도 4a는 본 발명에 사용되는 반도체 센서의 개략적인 내부 구성을 보인 단면도,

도 4b는 본 발명에 사용되는 통상의 반도체센서의 구조 예시도,

도 5는 본 발명의 수조장치에 기계적 압력장치를 부착한 보습을 보인 단면예시도,

도 6은 종래의 압전센서 및 수조를 사용한 침하측정장치를 도시한 실시예도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1,2) : 수조 (3,4) : 튜브

(5) : 침하측정 센서 (6) : 출력장치

(7) : 가압장치 (51) : 케이스

(52) : 유체저장조 (53) : 반도체압력센서

(54) : 신호선 (61) : 프로그램어블 회로장치

(62) : LED (71) : 케이스

(72) : 고무패킹 (73) : 실린더

(74) : 핸들 (75) : 스크류

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 측정방법은 수조를 사용하여 유체의 수직거리에 따른 수두압을 측정하는 연약지반의 침하측정방법에 있어서,

지중에 매설되는 침하측정장치에 공급되는 유체를 서로 높이차(30 ~ 50cm )를 달리하는 각각의 수조로부터 공급받고 배출하도록 하나의 수조에 하나의 유체이동용 튜브를 설치한 후 각각의 타측을 침하측정센서에 연결하여 자동 순환시킴으로써 침하측정 센서내에 발생되는 공기방울을 제거하고, 침하측정 센서로부터 입력되는 신호를 신호처리회로를 경유 환산하여 디지털 수치를 자동변환하여 LED에 표시토록 하는 방법을 특징으로 한다.

본 발명의 측정장치는 수조를 사용하여 유체의 수직거리에 따른 수두압을 측정하는 연약지반의 침하측정장치에 있어서

서로 높이차를 달리하여 설치되고 유체를 저장하고 있는 2개의 수조와;

상기 각각의 수조 하부에 일측이 관통 연결되고, 타측은 지중에 매설된 센서에 연결관통되는 2개의 튜브와;

상기 2개의 튜브가 케이스를 관통 연결한 상기 2개의 튜브로부터 유체가 저장되는 유체저장조와, 이 유체저장조의 하강에 따른 압력을 측정하는 반도체압력 센서와, 상기 반도체 센서와 일측이 연결되고 타측은 LED 디스플레이 장치에 연결되는 신호선으로 구성된 침하측정 센서와,

상기 침하 센서의 신호선으로부터 입력되는 신호처리를 위하여 내부에 장치되어 정보를 자동환산하는 프로그램어블(Programmable) 회로장치와, 이 회로장치의 출력을 표시하는 LED로 구성된 출력장치로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 높이차를 달리하는 수조 중 높은 쪽 수조 상부에 장치되는 케이스와, 이 케이스의 내부에 설치되고 수조의 내경에 밀착되어 밀봉력을 발휘하는 유체방향에 고무패킹이 형성된 실린더와, 이 실린더에 수직방향 압력을 가하는 일측에 핸들이 형성된 스크류로 구성된 가압장치를 더 포함하여 설치함으로써 과압력 없이 유체의 순환을 빠르게 하도록 구성한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 한 실시예를 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 내부구성을 나타낸 사시도, 도 3은 도 2의 정면도를 보인 예시도를 도시하고 있는데,

본 발명의 구성은 서로 높이차를 달리하여 설치되고 유체를 저장하고 있는 2개의 수조(1,2)와;

상기 각각의 수조 하부에 일측이 관통 연결되고, 타측은 지중에 매설된 센서에 연결관통되는 2개의 튜브(3,4)와;

상기 2개의 튜브가 케이스(51)를 관통 연결한 상기 2개의 튜브로부터 유체가 저장되는 유체저장조(52)와, 이 유체저장조의 하강에 따른 압력을 측정하는 반도체압력 센서(53)와, 상기 반도체 센서와 일측이 연결되고 타측은 LED 디스플레이 장치에 연결되는 신호선(54)으로 구성된 침하측정 센서(5)와,

상기 침하 센서의 신호선으로부터 입력되는 신호처리를 위하여 내부에 장치되어 정보를 자동환산하는 프로그램어블(Programmable) 회로장치(61)와, 이 회로장치의 출력을 표시하는 LED(62)로 구성된 출력장치(6)로 구성된다.

상기 수조 장치는 보통 지반으로부터 일정높이에 세워진 케이스 안에 내장되고, 침하측정센서는 충분한 길이를 가지는 튜브로 연결되어 일정 깊이(보통, 지층변위:약 1m / 층별침하:약 5m단위로 2~3개 설치)의 연약지반 지중에 매설되어 연약지반의 위치변위에 따라 그 높낮이가 같이 변하게 된다.

상기 각각의 높이차를 달리하는 수조의 높이는 수조가 내장된 외부케이스에 받침지지장치를 용접 등의 방법을 사용하여 필요한 높이에 고정 설치한 후 여기에 수조를 얹어 놓으면 된다.

상기 수조를 감싸는 외부케이스 및 LED로 구성된 출력장치는 보통 센서로부터 수평으로 약30~50m 이동 후 지층이 안정된 장소(비 연약지반)에 설치된다.

도 4a는 본 발명에 사용되는 반도체압력센서를 사용한 침하측정 센서의 개략적인 내부 구성을 보인 단면도, 도 4b는 본 발명에 사용되는 통상의 반도체압력센서를 사용한 센서의 구조 예시도를 도시하고 있는데, 이러한 반도체 방식의 침하 측정장치는 반도체압력센서는 통상의 장치를 사용하되, 본 발명에 맞게 그 유체의 흐름을 위한 입출구 위치 및 케이스 내부 설계를 변경한 것이다.

상기와 같은 반도체압력센서를 사용한 액체침하계는 반도체압력센서가 내장된 센서에 수관식 튜브를 연결하여 지반침하 또는 융기가 예상되는 위치에 매설하고 튜브의 한쪽 끝은 액체저수조에 연결하여 향상 고정된 위치를 확보할 수 있는지표면위에 설치한다. 이 경우 센서와 액체저수로간의 수직거리에 비례한 수두압이 센서에 작용하여 이에 따른 전류 출력을 발생한다.

만일 지반침하 또는 융기로 인하여 압력센서부가 최초 설치 위치에서 변경될 경우 이에 따른 수두압의 변화량을 출력한다.

본 발명의 수조는 2개로 분리하고 서로간의 높이차를 30 ~ 50 Cm이상 차이를 둔다. 이렇게 하면 각각의 수조에 미치는 위치에너지가 다르므로 액체는 높은쪽 수조->튜브->침하측정센서->튜브->낮은쪽 수조로 자연 이동하면서, 잔류 공기를 제거할 수 있다.

만약 높은쪽에 설치된 수조의 크기를 더 높이거나 크게 하면 더 큰 힘이 작용하므로 빠른 효과를 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 수조장치에 기계적 압력장치를 부착한 보습을 보인 단면예시도인데, 상기 높이차를 달리하는 수조 중 높은 쪽 수조에는 유체에 가하는 압력을 강제적으로 하기 위한 가압장치(7)가 보조적으로 장치되는데, 그 구성은 수조의 상부에 장치되는 케이스(71)와, 이 케이스의 내부에 설치되고 수조의 내경에 밀착되어 밀봉력을 발휘하는 유체 방향에 고무패킹(72)이 형성된 실린더(73)와, 이 실린더에 수직방향 압력을 가하는 일측에 핸들(74)이 형성된 스크류(75)로 구성된다.

상기 가압장치는 강제순환 장치로서 2개의 수조중 위치가 높은 수조에 연결하여 사용하는데, 두 수조의 위치 차이를 이용하는 것보다 더 빠른 시간에 액체를 순환 시킬 수 있고, 실린더의 강한 힘으로 압력을 가해주면 튜브와 센서내 액체의 유속을 빨리하여 공기 제거가 더 용이하다.

상기 가압장치의 핸들을 이용하여 실린더(Cylinder)를 하강시켜, 액체에 압력을 가한다. 압력을 받은 액체는 침하측정 센서(sensor)를 경유하여, 낮은 위치의 수조로 이동한다.

이때 장치내(Tube, sensor내부)에 잔류하던 공기가 빠져 나올 수 있다.

상기와 같이 기계식 장치를 사용하면 사람이 핸들을 돌리는 속도가 느리므로 센서에 갑자기 과압력이 걸릴 가능성은 없다.

또한 스크류 나사산의 피치를 달리하여 실린더 하강비율의 조정도 가능하다(스크류의 교체).

상기 본 발명의 출력장치는 실시간 데이터 디스플레이(Data Display)장치로서, 데이터 취득과정을 살펴보면 기존의 방식이 별도의 Read-out 기기를 사용하여 센서의 값(mA단위)을 읽어오고 -> 읽은 값은 다시 변환식을 사용하여 -> 길이단위의 변위량으로 계산되는 경로를 갖는데 반해, 이러한 단계를 내부에 내장된 프로그램어블(Programmable) 회로장치를 통하여 침하량을 실시간으로 디스플레이함으로써 침하량을 즉시 알 수 있다.즉, 종래에는 데이터의 취득과정이 일련의 과정을 거쳐 처리됨으로써 압력센서로부터 측정된 값을 길이단위의 데이터로 취득하는데 시차가 생긴다는 문제점을 본 발명에서는 프로그램어블 회로장치를 통하여 실시간으로 자동환산하여 디스플레이함으로써 해결하였는데, 그 과정은 신호처리센서를 구성하는 반도체 압력센서에 가해지는 압력에 따라 출력되는 약한 mV값을 프로그램어블(Programmable) 회로장치가 실시간으로 입력받아 이를 회로장치에서 사용하기 알맞게 전압을 증폭 후 규정된 신호값인 mA값으로 변환시킨 후 아날로그-디지털 변환기능을 가지는 컨버터를 사용하여 연속량을 가지는 측정량을 디지털 수치로 변환하는 과정을 가진다. 이러한 아날로그-디지털 변환에 의해 얻어진 본 발명에서 원하는 길이단위에 맞게 변환된 디지털 값은 LED를 통해 디스플레이 된다.상기와 같은 변환과정에 사용되는 장치구성 요소들은 증폭기, 전압을 전류로 변환하는 회로, 및 아날로그-디지털 변환기와 같은 공지의 회로구성 요소들로 이루어지는데 그러한 회로소자의 구성 자체는 본 발명에서 개발한 것은 아니고, 본 발명의 목적을 이룰 수 있도록 공지의 요소들을 조합하여 사용하거나 그와 같은 일괄 기능을 가진 부품을 구입하여 본 발명을 이루는 다른 구성요소와 유기적으로 결합하여 사용하면 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 서로 다른 수조를 통해 각각의 튜브가 센서에 장치되고, 자동적으로 높이가 높은쪽 일측 수조가 유체를 공급하고 높이가 낮은쪽에 설치된 구조가 수조가 유체를 공급받게 되어 별도의 작업으로 센서내의 공기방울을 제거할 필요가 없으며, 내장되는 센서를 반도체압력센서를 사용함으로서 측정시의 응답성이 향상되고, 실시간 변화량에 따른 실시간 표시가 가능하다는 장점이 있어서 연약지반의 침하 측정에 유용한 발명이다.

Claims (3)

1. 수조를 사용하여 유체의 수직거리에 따른 수두압을 측정하는 연약지반의 침하측정방법에 있어서,

   지중에 매설되는 침하측정장치에 공급되는 유체를 서로 높이차(30 ~ 50cm 이상)를 달리하는 각각의 수조로부터 공급받고 배출하도록 하나의 수조에 하나의 유체이동용 튜브를 설치한 후 각각의 타측을 침하측정센서에 연결하여 자동 순환시킴으로써 침하측정 센서내에 발생되는 공기방울을 제거하고, 침하측정 센서로부터 실시간으로 입력되는 아날로그 신호를 프로그램어블(Programmable) 회로장치에서 디지털수치로 자동환산처리하는 단계를 거쳐 그 값을 실시간으로 LED에 표시토록 하는 방법을 특징으로 하는 연약지반 침하 측정 방법.
2. 수조를 사용하여 유체의 수직거리에 따른 수두압을 측정하는 연약지반의 침하측정장치에 있어서

   서로 높이차를 달리하여 설치되고 유체를 저장하고 있는 2개의 수조와;

   상기 각각의 수조 하부에 일측이 관통 연결되고, 타측은 지중에 매설된 센서에 연결관통되는 2개의 튜브와;

   상기 2개의 튜브가 케이스를 관통 연결한 상기 2개의 튜브로부터 유체가 저장되는 유체저장조와, 이 유체저장조의 하강에 따른 압력을 측정하는 반도체압력 센서와, 상기 반도체 센서와 일측이 연결되고 타측은 LED 디스플레이 장치에 연결되는 신호선으로 구성된 침하측정 센서와,

   상기 침하 센서의 신호선으로부터 입력되는 신호처리를 위하여 내부에 장치되어 정보를 자동환산하는 프로그램어블(Programmable) 회로장치와, 이 회로장치의 출력을 표시하는 LED로 구성된 출력장치로 구성된 것을 특징으로 하는 연약지반 침하 측정 장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 높이차를 달리하는 수조 중 높은 쪽 수조 상부에 장치되는 케이스와, 이 케이스의 내부에 설치되고 수조의 내경에 밀착되어 밀봉력을 발휘하는 유체방향에 고무패킹이 형성된 실린더와, 이 실린더에 수직방향 압력을 가하는 일측에 핸들이 형성된 스크류로 구성된 가압장치를 더 포함하여 설치한 것을 특징으로 하는 연약지반 침하 측정 장치.