KR100777377B1

KR100777377B1 - 연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정시스템 및 자동측정 방법

Info

Publication number: KR100777377B1
Application number: KR1020050056410A
Authority: KR
Inventors: 김백영
Original assignee: 석정건설주식회사
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2007-11-20
Also published as: KR20070000791A

Abstract

본 발명의 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템은 케이싱 파이프를 관입시킬 때 에너지원으로 사용되는 전기모터의 전류값과 케이싱 파이프의 관입속도를 측정하여, 이들 측정값으로부터 N-값을 계산하고, 이 N-값을 연산장치(Data Acquisition System: DAS) 내에 입력하여, 케이싱 파이프를 항상 관입한계치까지 관입시킬 수 있는 시스템이다. 본 발명의 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템은 관입되는 케이싱 파이프의 관입심도를 측정하여, 관입심도에 따라 말뚝의 직경을 계산하여 표시하는 시공품질을 향상시킬 수 있는 새로운 연약지반 개량방법도 포함한다.

케이싱 파이프, 관입한계치 자동측정, 전류값, 관입속도, N-값, 연약지반 개량

Description

연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템 및 자동측정 방법 {Automatic Control System for Insert Limit of Casing Pipe In Soft Ground Improvement and Method thereof}

제1도는 본 발명에 따른 연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템을 구비한 한 항타 장비의 개략적인 도면이다.

제2도는 본 발명에 따른 연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템의 개략적인 구성도이다.

제3도는 본 발명에 따른 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템에 의하여 표시되는 화면의 한 예를 도시한 도면이다.

제4도는 본 발명에 따른 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템에 의하여 인쇄되는 관입한계치, 말뚝의 경사각, 말뚝의 직경 등의 품질을 나타내는 한 예의 품질기록표이다.

*도면의 주요부호에 대한 간단한 설명*

1 : 케이싱 파이프(casing pipe) 2 : 리더(leader)

3 : 버켓(bucket) 4 : 발전기

5 : SL(샌드레벨: sand level) 조작반 6 : 윈치모터

7 : 와이어 8 : SL 추

10 : 센서 11 : 관입속도 센서

12 : 관입심도 센서 13 : 케이싱내 재료높이 감지센서

14 : 전류센서 15 : 유압센서 51 : 콘트롤러 52 : 신호변환장치

53 : 모니터 54 : 프린터

55 : 키보드 56 : 스위치 박스

57 : 데이터베이스 58 : 테이터 CD 59 : 휴대 메모리칩

발명의 분야

본 발명은 연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치를 자동으로 측정하기 위한 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치를 자동으로 측정하여 불량시공을 사전에 예방할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

발명의 배경

해안, 호수, 습지 등의 지반은 고함수비의 연약한 실트질흙 또는 점성토로 이루어져 있기 때문에 항만, 도로, 공항 등의 산업단지조성을 위한 구조물의 기초로 사용하기 위하여는 연약한 토층을 개량하여 지지력을 높이거나 침하를 촉진시켜서 지반을 개량한 다음에 사용해야 한다. 이 같은 연약지반의 개량을 위해서는 주로 지중에 모래말뚝이나 쇄석말뚝을 타설하거나 플라스틱 드레인 보드(plastic drain board: PBD)를 타입하기도 하며 때로는 시멘트를 여러 가지 형태로 지중에 주입하고 혼합하는 공법이 사용되기도 한다.

연약지반의 개량을 위해서는 조사를 통하여 심도 얼마까지가 연약지반인가를 알아야 하는데, 이러한 조사를 위하여 보편적으로 가장 많이 사용하고 있는 방법이 표준관입시험(standard penetration test: SPT)이다.

표준관입시험은 대상지반을 일정한 간격으로 천공보링을 실시하여 지반의 연경도(軟硬度)를 측정하는 시험법으로, 내부지름이 3.81 ㎝ 짜리 원통분리형 시료채취기를 63.5 ㎏ 무게의 해머로 76.2 ㎝ 높이에서 낙하하여 지반을 30.5 ㎝ 굴진하는데 필요한 해머타격회수를 측정하는 방법이다. 이 타격회수를 N-값이라고 하는데, 이는 지반의 연경도를 측정하고 각종 설계기준으로 사용하고자 할 때 세계적으로 널리 이용되는 시험법이다.

그러나 이 같은 토질조사법은 통상 대상지반의 광범위한 넓이에 비해 대표적인 곳만 몇 군데 실시하기 때문에 천공으로 확인되지 않은 대부분의 구간은 천공된 홀과 홀 사이를 조사결과 값 끼리 연결하여 개량대상 연약지반 깊이로 산정하게 되는데 실제로는 이보다 깊거나 얕은 경우가 대부분이다. 이는 설계를 하는 단계에서는 깊거나 얕은 것이 평균값으로 볼 때는 유사하기 때문에 별문제가 없으나 실제로 현장에서 연약지반 개량공사를 위해서 케이싱 파이프를 관입할 때에는 큰 문제가 되고 있다. 즉 설계된 깊이보다 덜 관입할 경우에는 지반의 지지력이 저하되거나 잔류침하 문제가 발생하여 상부 구조물의 안정을 해치게 되며, 설계된 깊이보다 더 관입하였을 때는 불필요하게 과다 관입하게 되어 공사비용이 증가하게 된다.

지반에 직접 강관 말뚝이나 콘크리트 말뚝을 타입하는 경우에는, 이들 말뚝의 관입이 완료될 즈음에 관입 확인을 위한 기록지를 말뚝에 부착한 후 일정한 무게와 타격높이로 타격을 하여 1회 타격당 관입량의 기준치를 설정하여 관리하기 때문에 말뚝 한본 한본을 정확하게 요구되는 심도까지 관입할 수 있다.

그러나 케이싱 파이프를 관입시켜 연약지반을 개량하는 경우에는, 작업자가 임의대로 관입되는 속도 등을 경험에 의해 주관적으로 판단하여 작업하고 있는 바, 설계목적에 부합되게 관입되지 못하고, 또한 과다 관입으로 인하여 공사비가 불필요하게 증가되거나, 과소 관입으로 인하여 시공상의 하자가 발생되고 있다. 실제로 모래 말뚝이나 쇄석 말뚝, 시멘트계 혼합 말뚝, 또는 플라스틱 보드 드레인을 관입하는 경우에는 강관 파일(pile)이나 콘크리트 파일과는 달리 일일 관입 수량이 많기 때문에 일일이 한본 한본 관입량을 체크한 후 작업을 종료하는 것은 불가능하다. 예를 들어, 플라스틱 보드 드레인의 경우에는 일일 500∼1000 공을 시공하는데, 이들을 일일이 한본 한본 관입량을 체크한 후 작업을 종료하는 한다는 것은 현 실적으로 불가능한 일이다.

본 발명자는 상기와 같이 케이싱 파이프를 이용하여 모래 말뚝이나 쇄석 말뚝, 또는 시멘트계 혼합 말뚝을 시공하거나 플라스틱 보드 드레인을 관입하는 경우에 발생하는 문제점을 해결하여 시공상의 하자가 발생하지 않고 작업자가 용이하게 작업할 수 있는 본 발명의 개선된 연약지반 개량방법 및 그 시스템을 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 케이싱 파이프를 이용하여 연약지반을 개량하는 경우에 케이싱 파이프의 관입한계치를 자동으로 측정할 수 있는 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 케이싱 파이프를 이용하여 연약지반을 개량하는 경우에 케이싱 파이프의 과다 관입이나 과소 관입으로 인한 시공상의 하자를 예방할 수 있는 새로운 연약지반 개량방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 케이싱 파이프를 이용하여 연약지반을 개량하는 경우에 지반의 연경도에 따라 심도를 다르게 할 수 있는 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 케이싱 파이프를 이용하여 연약지반을 개량하는 경우에 작업자가 용이하게 작업할 수 있는 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 케이싱 파이프를 이용하여 말뚝을 시공하는 경우에 말뚝의 직경을 심도에 따라 표시함으로써 시공품질을 향상시킬 수 있는 새로운 연약지반 개량방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

발명의 요약

본 발명의 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템은 케이싱 파이프를 관입시킬 때 에너지원으로 사용되는 전기모터의 전류값과 케이싱 파이프의 관입속도를 측정하여, 이들 측정값으로부터 N-값을 계산하고, 이 N-값을 연산장치(Data Acquisition System: DAS) 내에 입력하여, 케이싱 파이프를 항상 관입한계치까지 관입시킬 수 있는 시스템이다.

본 고안에 따른 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템은 케이싱 파이프의 관입속도를 측정하기 위한 관입속도 센서(11), 케이싱 파이프를 관입시키는 전기모터의 전류값을 측정하기 위한 전류센서(암페어미터)(14), 상기 센서(11, 14)에 의하여 입력된 데이터를 변환하는 신호변환장치(52), 상기 변환된 데이터 및 최초 설정된 기준값을 처리하는 콘트롤러(51), 상기 데이터를 표시하는 모니터(53), 데이터를 입력하는 키보드(55), 콘트롤러 조작을 위한 스위치 박스(56), 및/또는 데이터를 저장하는 데이터베이스(57)로 이루어진다. 상기 전기모터 대신에 유압모 터가 사용될 수 있는데, 이 경우에는 전기센서(14) 대신에 유압센서(유압계)(15)가 사용된다.

상기 콘트롤러(51)는 처리된 데이터를 출력하는 프린터(54), 및 데이터를 저장하는 데이터 CD(58)와 휴대 데이터칩(59)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템은 관입되는 케이싱 파이프의 관입심도를 측정하여, 관입심도에 따라 말뚝의 직경을 계산하여 표시하는 시공품질을 향상시킬 수 있는 새로운 연약지반 개량방법도 포함한다. 관입심도에 따른 말뚝의 직경을 계산하기 위하여 관입심도 센서(12)로 관입심도를 측정하고 케이싱내 재료높이 감지센서(13)로 재료높이를 측정한다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 고안의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

발명의 구체예에 대한 상세한 설명

본 발명은 연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치를 자동으로 측정하여 불량시공을 사전에 예방할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

제1도는 본 발명에 따른 연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템을 구비한 한 항타 장비의 개략적인 도면이고, 제2도는 본 발명에 따른 연약지반 개량시 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템의 개략적인 구성도이다.

제1도에는, 종래의 항타 장비와 같이, 케이싱 파이프(1), 리더(2), 버켓(bucket)(3), 발전기(4) 등이 구비되어 있다. 케이싱 내 재료 상단에 SL(sand level) 추(8)를 작동하기 위한 SL 조작반(5)이 구비되고, 케이싱내 재료높이를 감지하기 위한 센서(13)와 상기 SL 추를 상승 또는 하강시키기 위한 윈치모터(6)가 구비된다. 케이싱 파이프를 관입하기 위한 전기모터의 전류값을 측정하기 위한 전류센서(14)가 구비된다. 전기모터 대신에 유압모터가 사용될 수 있는데, 이 경우에는 전기센서(14) 대신에 유압센서(유압계)(15)가 사용된다.

본 고안에 따른 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템은 케이싱 파이프의 관입속도를 측정하기 위한 관입속도 센서(11), 케이싱 파이프를 관입시키는 전기모터의 전류값을 측정하기 위한 전류센서(암페어미터)(14), 상기 센서(11, 14)에 의하여 입력된 데이터를 변환하는 신호변환장치(52), 상기 변환된 데이터 및 최초 설정된 기준값을 처리하는 콘트롤러(51), 상기 데이터를 표시하는 모니터(53), 데이터를 입력하는 키보드(55), 콘트롤러 조작을 위한 스위치 박스(56), 및/또는 데이터를 저장하는 데이터베이스(57)로 이루어진다.

연약지반 개량을 위한 케이싱 파이프 관입장비는 주요한 관입에너지원으로 전기모터(또는 유압모터)를 사용하게 되는데 전기모터의 회전력으로 편심모멘트를 발생시켜 관입하는 바이브로 해머 타입과 전기모터의 회전력으로 어스오거를 회전시켜 관입하는 타입의 두 가지가 대부분이다.

일반적인 경우 케이싱 파이프가 지중에 관입될 때 단단한 지반을 만나게 되면 전기모터의 전류값(암페어)이 올라가게 되고 관입속도는 반대로 내려가게 된다. 그러나 지중의 토질의 성상 및 역학적 특성은 점착력의 크기나 토립자의 밀도, 입도 함수비 등에 따라 매우 독특한 거동을 하기 때문에 케이싱 파이프 관입 중에 전기모터의 전류값이 올라간다고 해서 꼭 지반이 단단하지는 않을 뿐 아니라 케이싱 파이프의 관입속도가 늦다고 해서 꼭 단단한 지반 또한 아닌 경우가 아주 많다. 그래서 단순히 전기모터의 전류값을 기준으로 지반의 단단함을 나타내는 데는 문제가 있으며 마찬가지로 관입속도가 늦고 빠름을 지반의 단단함을 나타내는 데는 많은 오류가 발생하게 된다.

따라서 본 발명에서는 이 N-값을 실제 지반의 연경도와 아주 근접하게 얻을 수 있는 것이 특징이라 할 수 있다. 실제의 많은 현장에서의 실험적 방법을 통하여 검토한 바로는 전기모터의 전류값과 관입속도를 일정하게 조합하면 실제 지반의 연경도와 아주 근접한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 즉 본 발명에서는 다음 식에 의하여 N-값을 얻는다.

A x 모터전류값 + B x 관입속도 + C = N-값

상기식에서 A는 전압, 주파수, 모터의 크기 및 용량, 효율 등에 따라서 얻어지는 상수이고, B는 케이싱의 직경, 길이, 선단의 형상, 관입형태 등에 따라서 얻어지는 상수이며, C는 표준관입시험을 실시한 곳에 비교 관입하여 얻은 두 자료의 차를 보정해주는 상수로서 점성토지반, 사질토지반 등의 지반조건의 차이를 보정해주는 값이다. 상기 상수 A, B, C는 개량하고자 하는 연약지반에 따라 실험적 방법으로 결정되는 상수들이다.

개량하고자 하는 연약지반에서 실험적 방법으로 상수 A, B, C를 결정한 후, 모터전류값과 관입속도를 정확히 감지하여 연산장치에 보내어 출력하면 표준관입시험에 의하여 얻어지는 N-값과 일치하는 N-값을 얻을 수 있다.

여기서 모터전류값과 관입속도를 측정하기 위하여 모터전류 측정 센서(암페어메터)(14)를 부착하고 케이싱 파이프의 관입속도 측정을 위하여 속도측정용 센서(엔코더)(11)를 제1도 및 제2도와 같이 구비한다. 여기서 측정된 값들은 연산장치로 보내진 후 실시간으로 저장됨은 물론 N-값으로 계산되고 변환되어 모니터를 통하여 출력시키게 되면 케이싱 파이프 선단의 각 심도별 N-값이 실시간으로 나타나게 된다.

연산장치(DAS) 내의 N-값 설정초기화 창을 통하여 대상 연약지반의 한계 N-값를 입력하면 제3도와 같이 기준이 되는 세로줄(S)이 레코더의 기록지에 그려진다. 제3도는 본 발명에 따른 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템에 의하여 표시되는 화면의 한 예를 도시한 도면이다.

관입작업을 시작하면 지표면에서부터 각 심도별로 N-값을 기록지 상에 기록 하게 되는데 소요의 심도 즉 관입저항값에 도달하여 측정되어지고 있는 N-값이 기설정된 관입한계 세로줄(S)과 만나게 되면 그 심도에서 자동으로 『관입한계』라는 문구와 함께 레코더 기록지에 가로줄(P)이 생성되어 순간적으로 그려지게 되며 이 때 운전기사가 케이싱파이프의 관입이 요구되는 단단한 지반에 도달했음을 인지하게 되어 관입을 종료하게 된다.

제3도의 기록지에는 전기모터에 사용되는 전류량(A)이 표시되며, 케이싱 선단의 궤적(B)도 표시되고, 케이싱 내의 쇄석 높이(L)도 그래프로 표시된다. 물론 제3도의 기록지에는 본 발명의 시스템에 의하여 형성되는 말뚝의 직경도 그래프(D)로 표시된다.

제4도는 본 발명에 따른 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템에 의하여 인쇄되는 관입한계치, 말뚝의 경사각, 말뚝의 직경 등의 품질을 나타내는 한 예의 품질기록표이다. 이 품질기록표에는 말뚝의 심도와 심도에 따른 말뚝의 직경이 수치로 표시되기 때문에 철저한 품질관리를 할 수 있다. 또한 경사각에 대한 데이터도 표시되는 되는데 이는 이미 본 출원인이 등록받은 실용신안 제280359호의 기술에 따라 관리되는 데이터이다.

본 발명은 케이싱 파이프를 이용하여 연약지반을 개량하는 경우에 케이싱 파이프의 관입한계치를 자동으로 측정하여 케이싱 파이프의 과다 관입이나 과소 관입으로 인한 시공상의 하자를 예방하고, 작업자가 용이하게 작업할 수 있는 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템을 제공하며, 말뚝의 직경을 심도에 따라 표시함으로써 시공품질을 향상시킬 수 있는 새로운 연약지반 개량방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

케이싱 파이프의 관입속도를 측정하기 위한 관입속도 센서(11);

케이싱 파이프를 관입시키는 전기모터의 전류값을 측정하기 위한 전류센서(암페어미터)(14);

상기 센서(11, 14)에 의하여 입력된 데이터를 변환하는 신호변환장치(52);

상기 변환된 데이터 및 최초 설정된 기준값을 처리하는 콘트롤러(51);

상기 데이터를 표시하는 모니터(53), 데이터를 입력하는 키보드(55);

콘트롤러 조작을 위한 스위치 박스(56); 및

데이터를 저장하는 데이터베이스(57);

로 이루어지고,

상기 센서(11, 14)에 의하여 측정된 수치를 하기의 관계식에 대입하여 케이싱 파이프의 관입한계치를 계산하는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량을 위한 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정시스템:

A×모터전류값 + B×관입속도 + C = N-값

상기식에서 A는 전압, 주파수, 모터의 크기 및 용량, 효율 등에 따라서 얻어지는 상수이고, B는 케이싱의 직경, 길이, 선단의 형상, 관입형태 등에 따라서 얻어지는 상수이며, C는 표준관입시험을 실시한 곳에 비교 관입하여 얻은 두 자료의 차를 보정해주는 상수로서 점성토지반, 사질토지반 등의 지반조건의 차이를 보정해주는 값으로, 상기 상수 A, B, C는 개량하고자 하는 연약지반에 따라 실험적 방법으로 결정되는 상수들이고, 상기 N-값은 연약지반의 심도 측정에 일반적으로 사용되는 표준관입시험에서 연경도를 측정하기 위한 해머타격회수임.
제1항에 있어서, 상기 콘트롤러(51)는 처리된 데이터를 출력하는 프린터(54), 및 데이터를 저장하는 데이터 CD(58)와 휴대 데이터칩(59)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량을 위한 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 관입심도에 따른 말뚝의 직경을 계산하기 위하여 관입심도를 측정하기 위한 관입심도 센서(12)와 케이싱내 재료높이를 측정하기 위한 재료높이 감지센서(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량을 위한 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 시스템.
케이싱 파이프를 관입시킬 때 에너지원으로 사용되는 전기모터의 전류값과 케이싱 파이프의 관입속도를 측정하고;

상기 측정값으로부터 N-값을 계산하고;

상기 N-값을 연산장치(Data Acquisition System: DAS) 내에 입력하고;

상기 입력된 N-값에 따라 케이싱 파이프를 항상 관입한계치까지 관입시키고; 그리고

상기 N-값이 기설정된 관입한계치에 이르면 화면에는 『관입한계』라는 문구와 함께 레코더 기록지에 가로줄(P)이 생성되어 그려지는;

단계로 이루어지고, 상기 N-값은 연약지반의 심도 측정에 일반적으로 사용되는 표준관입시험에서 연경도를 측정하기 위한 해머타격회수인 것을 특징으로 하는 연약지반 개량을 위한 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 방법.
제5항에 있어서, 상기 N-값은 하기식에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량을 위한 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 방법:

A x 모터전류값 + B x 관입속도 + C = N-값

상기식에서 A는 전압, 주파수, 모터의 크기 및 용량, 효율 등에 따라서 얻어지는 상수이고, B는 케이싱의 직경, 길이, 선단의 형상, 관입형태 등에 따라서 얻어지는 상수이며, C는 표준관입시험을 실시한 곳에 비교 관입하여 얻은 두 자료의 차를 보정해주는 상수로서 점성토지반, 사질토지반 등의 지반조건의 차이를 보정해주는 값으로, 상기 상수 A, B, C는 개량하고자 하는 연약지반에 따라 실험적 방법으로 결정되는 상수들임.
제5항에 있어서, 관입되는 케이싱 파이프의 관입심도를 측정하여, 관입심도에 따라 말뚝의 직경을 계산하여 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 개량을 위한 케이싱 파이프의 관입한계치 자동측정 방법.