KR100536959B1 - 진삼축압축시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진삼축압축시험장치에 관한 것으로, 암반의 시험 조건을 실제 상황처럼 구현하여 암반 시험의 정확성을 높임으로써 시설물의 안전을 도모함을 목적으로 한다.

개시된 본 발명에 따른 진삼축압축시험장치는, 내부에 피시험용 시료(R)가 수납되는 챔버(20)와; 상기 챔버 내부의 시료에 압축력을 가하는 가압수단과; 상기 시료에 걸리는 하중 및 간극수압을 측정하고, 상기 가압수단들을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 시료 가압수단은, 상기 챔버 내부의 상기 시료에 수직방향 압축력을 가하는 연직방향 가압수단(40), 상기 챔버 내부의 상기 시료에 전후방향 압축력을 가하는 전후방향 가압수단(50) 및 상기 챔버 내부에 충진되어 유체를 통해 상기 시료의 좌우 방향에서 압축력을 가하는 한편 시료 내부의 간극수압을 가하는 유체가압수단(60)을 포함하여 구성된다. 상기 연직방향 가압수단과 전후방향 가압수단은, 액추에이터(41,51), 상기 액추에이터에 의해 출몰하는 피스톤(42,52), 상기 피스톤에 연결되어 직선 이동하면서 상기 시료를 가압하는 렘(43,53) 및 상기 피스톤과 렘의 사이에 개재되어 상기 렘에 가해지는 하중을 측정하는 로드셀(44,54)로 구성되며, 상기 유체가압수단은, 유체를 일정압력을 공급하는 유압기구부(61) 및 이 유압기구부와 챔버 내부를 연결하여 유체의 순환을 안내하는 유체순환관(62)으로 구성된다.

Description

진삼축압축시험장치{TRUE TRIAXIAL COMPRESSION TEST SYSTEM}

본 발명은 진삼축압축시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암반을 실제 조건처럼 시험하여 암반의 정확한 특성을 구할 수 있도록 함으로써 암반 내 구축되는 시설물의 안전을 도모할 수 있는 진삼축압축시험장치에 관한 것이다.

일반적으로 암반 내 터널이나 유류비축기지 등의 시설물을 구축할 때 시설물의 설계이전에 암반의 특성 예컨대 강도 등을 측정하고, 이 측정값에 따라 시설물의 설계를 변경하여 시설물의 안전을 도모하고 있다.

암반의 특성을 시험하는 방법으로 암반에 압축력을 가함으로써 압출력에 따른 암반의 역학적 거동을 시험하는 삼축압축시험장치가 일반적이다.

종래 기술에 따른 삼축압축시험장치는, 예컨대, 시료가 그 내부에 수납되는 챔버와, 상기 챔버의 내부에 수직방향을 승강 가능하게 설치되어 상기 챔버에 수납된 시료에 수직방향으로 압축력을 가하는 연직재하수단과, 상기 챔버 내부에 충진되어 상기 시료에 횡압을 가하는 횡압가압수단과, 그리고, 상기 시료에 걸리는 연직하중, 체적변화 등을 측정 및 연직재하수단과 횡압가압수단을 제어하는 컨트롤러를 포함하여 이루어진다.

그러나, 종래 기술에 따른 삼축압축시험장치는 그 구조상 시료에 수직방향에 대한 압축력과 횡방향압축력만 조절할 수 있다. 즉, 중간주응력과 최소주응력이 같은 응력상태이므로 엄밀한 의미의 삼축압축이 아니라 축대칭 시험, 이축압축시험인 것이다. 따라서, 시설물 구축지역의 암반은 그 둘레부의 모든 방향(세 방향)에서 힘을 받게 됨에 따라 암반시험시 암반에 대해 세 방향에서 압축력을 가하여야만 암반의 정확한 특성을 진단함으로써 시설물을 안전하게 구축할 수 있는데, 종래에는 진삼축압축시험이 아니기 때문에 암반의 특성에 맞는 설계를 시행하지 못하여 결과적으로 시설물의 안전도가 떨어지므로 단기간 내에 시설물에 하자가 발생되어 막대한 비용의 보수비용이 소요되고, 안전사고 발생될 위험이 내포되어 있으며, 암반시험장치로서의 신뢰성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 터널, 유류비축기지 등의 시설물을 구축하기 위한 암반을 실제 조건처럼 시험하여 암반의 정확한 특성을 구할 수 있도록 한 진삼축압축시험장치를 제공하려는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 진삼축압축시험장치는, 내부에 피시험용 시료가 수납되는 챔버와; 상기 챔버 내부의 시료에 압축력을 가하는 가압수단과; 상기 시료에 걸리는 하중 및 간극수압을 측정하고, 상기 가압수단들을 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 시료 가압수단은, 상기 챔버 내부의 상기 시료에 기구적으로 접촉되어 수직방향 압축력을 가하는 연직방향 가압수단, 상기 챔버 내부의 상기 시료에 기구적으로 접촉되어 전후방향 압축력을 가하는 전후방향 가압수단 및 상기 챔버 내부에 충진되어 유체를 통해 상기 시료의 좌우 방향에서 압축력을 가하는 한편 시료 내부의 간극수압을 가하는 유체가압수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 연직방향 가압수단과 전후방향 가압수단은, 액추에이터, 상기 액추에이터에 의해 출몰하는 피스톤, 상기 피스톤에 연결되어 직선 이동하면서 상기 시료를 가압하는 렘 및 상기 피스톤과 렘의 사이에 개재되어 상기 렘에 가해지는 하중을 측정하는 로드셀로 구성되며, 상기 유체가압수단은, 유체를 일정압력을 공급하는 유압기구부 및 이 유압기구부와 챔버 내부를 연결하여 유체의 순환을 안내하는 유체순환관으로 구성될 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 진삼축압축시험장치는, 베이스(10)와, 베이스(10)에 분리 가능하게 안착되며 그 내부에 피시험용 시료가 수납되는 챔버(20)와, 챔버(20) 내의 시료에 세 방향에서 압축력을 가하는 가압수단과, 그리고, 상기 가압수단의 작동을 제어하며 상기 가압수단에 의해 상기 시료에 가해지는 압축력을 측정하는 컨트롤러(30)로 구성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(20)는 그 내부에 가해지는 압력에 의해 변형되지 않는 스테인레스강 등으로 이루어지며, 상측과 전방이 개구된 몸체(21) 및 이 몸체(21)의 각각의 개구부에 분리 가능하게 결합되는 커버(22,23)로 이루어져 육면체 구조를 갖추고 있고, 몸체(21)와 커버(22,23)의 이음부에는 누수방지를 위한 패킹(미도시)이 설치된다.

도 3과 도 4에서 보이는 바와 같이, 가압수단은 챔버 내 시료에 대해 세 방향(수직, 전후 및 좌우)에서 압축력을 가함과 아울러, 시료 내부의 간극수압을 가하는 것으로, 시료에 수직방향으로 압축력을 가하는 연직방향 가압수단(40), 시료에 전후 횡방향으로 압축력을 가하는 전후방향 가압수단(50) 및 시료에 좌우 횡방향으로 압축력을 가하는 유체가압수단(60)으로 구성된다.

연직방향 및 전후방향 가압수단(40,50)은 각각 기구물이 시료(R)와 물리적으로 접촉되어 해당 방향에서 시료(R)를 직접 압축하는 것이며, 유체가압수단(60)은, 압축기구부를 통해 유체 예컨대 물, 오일이 시료(R)의 좌우측면을 가압 및 시료 내부의 간극에 침투시켜 가압하도록 하는 것이다.

연직방향 및 전후방향 가압수단(40,50)은 각각 유압을 발생하는 액추에이터(41,51), 액추에이터(41,51) 내부의 압력변화에 따라 출몰되는 피스톤(42,52), 피스톤(42,52)에 연결되어 직선 이동하면서 챔버(20) 내의 시료(R)를 가압하는 렘(ram)(43,53) 및 피스톤(42,52)과 렘(43,53)의 사이에 설치되는 로드셀(44,54)(load cell)을 포함하여 구성된다. 여기서, 연직방향 및 전후방향 가압수단(40,50)의 렘(43,53)은 각각 시료(R)를 중심으로 하여 양측에 대칭으로 배치되거나 어느 일측에만 설치될 수 있고, 양측에 설치되는 경우에는 양측의 렘 모두가 작동되거나 어느 하나는 고정되고 나머지 하나만 작동할 수 있다.

유체가압수단(60)은 유압을 발생하는 유압기구부(61) 및 유압기구부(61)에 의해 유체를 챔버(20)에 순환시키는 유체순환관(62)으로 구성된다. 유체가압수단(60)에 의해 챔버(20)에 공급되는 유체는 시료(R)의 좌우측면과 함께 시료(R) 내부의 간극에 침투하여 압축력을 가하는 것이다.

그리고, 연직방향 및 전후방향 가압수단(40,50)의 렘(43,53)이 접촉된 시료(R)의 상하 전후부를 통해서 유체가 침투할 수 있도록 렘(43,53)의 선단부에는 소결필터(45,55)가 분리 가능하게 조립될 수 있다. 즉, 챔버(20) 내부의 유체는 소결필터(45,55) 내부의 간극을 통해 시료(R) 내부의 간극에 침투한다.

한편, 시료(R)의 시험시 경우에 따라 시료(R)의 간극수압을 시험하지 않을 수 있으며, 이 경우에는 시료(R)의 표면을 코팅하여 유체가 시료(R) 내부에 침투하지 않도록 한다.

본 발명에 따른 진삼축압축시험장치에 따르면, 온도변화에 따른 시료의 특성변화를 시험할 수 있도록 히팅수단이 더 채용될 수 있다. 상기 히팅수단은, 열원(미도시) 및 그 내부에 상기 열원에 의해 발열하는 발열체가 내장되어 챔버(20) 내부를 가열하는 발열봉(70)으로 구성된다. 발열봉(70)은 챔버(20) 내부의 전영역에 걸쳐 온도가 균일하도록 가열할 수 있는 모든 곳에 배치될 수 있으며, 예컨대, 도 4에서 보이는 바와 같이, 그 일단부가 챔버(20)에 고정되어 챔버(20) 내부에 배치될 수 있고, 챔버(20)의 내벽면에 그 둘레를 따라 설치될 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 진삼축압축시험장치의 작용은 다음과 같다.

도 2에서와 같이, 피시험용 시료(R)를 시설물 구축 장소로부터 채석하여 시험을 위한 크기 예컨대, 285*285*285㎜로 제작한 후 챔버 몸체(21) 내의 지지블록(24) 바닥부에 안착시키고, 챔버(20)의 안쪽 벽면에 밀착시킨다.

상부 커버(22)와 전방 커버(23)를 각각 설치하여 챔버(20)를 완성하고, 완성된 시험장비를 도 1처럼 베이스(10)에 설치한다.

이어서, 다음과 같은 방법에 의거하여 최소주응력 방향(좌우방향), 중간주응력 방향(전후방향) 및 최대주응력 방향(연직방향)의 순서대로 압축력을 가한다.

중간주응력 방향과 최소주응력 방향으로 압축력을 가하기 위하여 각각 유압라인을 연결한 후, 최소주응력 방향의 유체가압수단(60)을 먼저 작동시키고, 중간주응력 방향의 전후방향 가압수단(50)을 작동시킨다. 유체가압수단(60)의 유압기구부(61)에 의해 유체가 일정 압력으로 챔버(20) 내부에 공급되어 시료(R)의 좌우측면을 가압하는 동시에 시료(R) 내부의 간극에 침투되어 간극수압을 가한다. 유체는 시료(R)의 좌우측면을 직접 가압하는 동시에, 시료(R)의 좌우측면을 통해 시료(R) 내부에 침투하는 한편, 각 렘(43,53)에 설치된 소결필터(45,55)를 통해 시료(R)의 상부, 전방을 통해서도 시료(R) 내부에 침투한다.

이후, 도4에서와 같이, 액추에이터(51)를 작동시켜 피스톤(52)과 함께 렘(53)을 이동시킴으로써 시료(R)의 전후면을 가압한다. 이때, 중간주응력을 최소주응력보다 높게 가압한다.

이어서, 도 3에서 보이는 바와 같이, 최대주응력 방향의 액추에이터(41)를 작동시켜 렘(43)을 통해 시료(R)의 상하부에 최대주응력을 가한다.

컨트롤러(30)는 연하방향 및 전후방향 가압수단(40,50)의 로드셀(44,54)을 통해 액추에이터(41,51)에 가해지는 하중의 크기를 정밀하게 측정하고, 유체가압수단(60)의 유압기구부(61)에 가해지는 압력의 크기를 측정하며, 이러한 압축력에 따른 시료(R)의 거동을 시험한다.

한편, 암반의 특성 시험시 압축력에 의한 시험과 함께 온도에 따른 특성을 시험할 수 있으며, 그 방법은 다음과 같다.

최소주응력을 가하기 위하여 챔버(20) 내부에 유체를 공급한 상태에서 온도조절기를 조작하여 온도를 셋팅하면, 셋팅된 온도값에 따라 발열봉(70)이 발열하여 챔버(20) 내부의 온도가 상승하게 되며, 이와 같은 방법으로 온도를 조절한 후 온도에 따른 암반의 특성을 시험할 수 있다.

따라서, 렘(43,53)이 각각 연직방향과 전후방향에서 최대주응력 및 중간주응력으로 시료(R)를 가압하는 동시에 유체가 시료(R)의 좌우방향에서 최소주응력으로 가압하며, 이때, 각각의 응력의 크기를 달리함으로써 시료(R)를 실제 암반 구조물과 동일한 환경에서 시험할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 진삼축압축시험장치에 의하면, 피시험용 암반을 터널, 유류비축기지 등의 시설물이 설치되는 실제 장소에서 발생될 수 있는 조건을 테스트환경으로 구현하여 실제 상황에 근접한 암반의 특성을 구할 수 있으므로 시설물의 안전을 도모할 수 있다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 진삼축압축시험장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 진삼축압축시험장치에 적용된 챔버의 분해 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 진삼축압축시험장치의 작동 설명을 위한 정면도.

도 4는 본 발명에 의한 진삼축압축시험장치의 작동 설명을 위한 측면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 베이스, 20 : 챔버

30 : 컨트롤러, 40 : 연직방향 가압수단

41, 51 : 액추에이터, 42, 52 : 피스톤

43, 53 : 렘, 44, 54 : 로드셀

45, 55 : 소결필터, 60 : 유체가압수단

61 : 유압기구부, 62 : 유체순환관

Claims (5)

1. 내부에 피시험용 시료(R)가 수납되는 챔버(20)와; 상기 챔버 내부의 시료에 압축력을 가하는 가압수단과; 그리고, 상기 시료에 걸리는 하중 및 간극수압을 측정하고, 상기 가압수단들을 제어하는 컨트롤러를 포함하여 이루어진 삼축압축시험장치에 있어서,

   상기 시료 가압수단은, 상기 챔버 내부의 상기 시료에 기구적으로 접촉되어 수직방향 압축력을 가하는 연직방향 가압수단(40), 상기 챔버 내부의 상기 시료에 기구적으로 접촉되어 전후방향 압축력을 가하는 전후방향 가압수단(50) 및 상기 챔버 내부에 충진되어 유체를 통해 상기 시료의 좌우 방향에서 압축력을 가하는 한편 시료 내부의 간극수압을 가하는 유체가압수단(60)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진삼축압축시험장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연직방향 가압수단과 전후방향 가압수단은, 액추에이터(41,51), 상기 액추에이터에 의해 출몰하는 피스톤(42,52), 상기 피스톤에 연결되어 직선 이동하면서 상기 시료를 가압하는 렘(43,53) 및 상기 피스톤과 렘의 사이에 개재되어 상기 렘에 가해지는 하중을 측정하는 로드셀(44,54)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 진삼축압축시험장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 연직방향 및 전후방향 가압수단의 렘의 시료측 접촉부에는 유체가 상기 시료 내 간극에 유입되도록 안내하는 소결필터(45,55)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 진삼축압축시험장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 유체가압수단은, 유체를 일정압력을 공급하는 유압기구부(61) 및 이 유압기구부와 챔버 내부를 연결하여 유체의 순환을 안내하는 유체순환관(62)으로 구성된 것을 특징으로 하는 진삼축압축시험장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버의 내부에는 열을 발생하여 상기 챔버 내부를 가열하는 히팅수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 진삼축압축시험장치.