KR100931546B1

KR100931546B1 - 마이크로 콘 관입 장치

Info

Publication number: KR100931546B1
Application number: KR1020070101227A
Authority: KR
Inventors: 이종섭; 신동현; 이우진
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-12-14
Also published as: KR20090036193A

Abstract

본 발명은, 콘 로드; 대상 토질에 수직하는 수직력을 생성하여 상기 콘 로드에 전달하는 콘 구동부; 및 내관 중공을 구비하는 콘 내관과, 상기 콘 내관의 일단에 장착되는 콘 팁과, 상기 콘 내관이 삽입되어 상기 콘 내관의 외주에 배치되는 콘 외관과, 상기 내관 중공의 내측에 배치되는 콘 변형률계를 포함하고, 상기 콘 로드의 일단에 장착되어 토지에 관입되는 마이크로 콘;을 구비하되, 상기 콘 내관은, 상기 콘 외관과 접촉 가능한 콘 내관 접촉면을 구비하는 콘 내관 접촉부와, 상기 콘 내관 접촉부의 외경보다 작은 값을 구비하는 응력 집중부를 구비하고, 상기 콘 외관은, 상기 콘 내관의 콘 내관 접촉면과 접촉 가능한 콘 외관 접촉면이 형성된 콘 외관 접촉부를 구비하는 마이크로 콘 관입 장치를 제공한다.

Description

마이크로 콘 관입 장치{MICRO-CONE PENETROMETER TESTING DEVICE}

본 발명은 지반 관입 시험 장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 지반 교란을 최소화시키고 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있도록 하는 콘 관입 장치에 관한 것이다.

콘 관입 시험(Cone Penetrometer Test)은 대상 지반에 대하여 소정의 관입력으로 일정한 속도, 예를 들어 2㎝/sec로 지반에 콘을 관입시켜 관입 저항값을 측정하는 시험이다. 콘 관입 시험은 별도의 시추공을 필요로 하지 않고 데이터를 취득할 수 있다는 점에서, 대상 토지(지반)의 공학적 특성을 평가하는데 보편적으로 사용되는 지반 조사 시험 방법 중의 하나이다.

하지만, 콘 관입 시험은 지반 교란에 의하여, 데이터의 정밀도가 다소 떨어진다는 문제점이 수반된다. 즉, 콘이 대상 지반에 관입되는 경우, 콘이 지반으로 관입되면서 지반을 옆으로 밀어내거나, 특히 대상 지반이 점성토인 경우 콘이 관입되면서 콘 관입 방향으로 콘 인근 지반을 끌고 관입됨으로써, 과잉 간극 수압이 생성되거나, 대상 지반의 압축성이 증가하거나, 대상 지반 토질의 입자 구조가 파괴되는 등 주변 지반이 교란되어, 콘 관입 시험을 통하여 얻어지는 데이터가 대상 지 반의 정확한 물성을 나타낸다는 결론을 도출하기 어려웠다. 특히, 종래 기술에 따른 콘 관입 시험 장치의 경우 보다 정확한 지반 데이터 값을 도출하기 위하여 이중관 구조를 취하였으나, 로드셀을 통하여 콘의 선단에 가해지는 전체 저항력을 측정하고 이를 선단 저항력이라 명명하였을 뿐 주면 마찰력의 영향이 완전하게 또는 실질적으로 배제된 선단 저항력을 측정하는 구조의 초소형 콘 관입 시험 장치를 구현하지 못하였다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 간단하면서도 초소형화된 구조로 선단 저항력을 독립적으로 측정할 수 있는 구조의 마이크로 콘 관입 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 콘 로드; 대상 토질에 수직하는 수직력을 생성하여 상기 콘 로드에 전달하는 콘 구동부; 및 내관 중공을 구비하는 콘 내관과, 상기 콘 내관의 일단에 장착되는 콘 팁과, 상기 콘 내관이 삽입되어 상기 콘 내관의 외주에 배치되는 콘 외관과, 상기 내관 중공의 내측에 배치되는 콘 변형률계를 포함하고, 상기 콘 로드의 일단에 장착되어 토지에 관입되는 마이크로 콘;을 구비하되, 상기 콘 내관은, 상기 콘 외관과 접촉 가능한 콘 내관 접촉면을 구비하는 콘 내관 접촉부와, 상기 콘 내관 접촉부의 외경보다 작은 값을 구비하는 응력 집중부를 구비하고, 상기 콘 외관은, 상기 콘 내관의 콘 내관 접촉면과 접촉 가능 한 콘 외관 접촉면이 형성된 콘 외관 접촉부를 구비하는 마이크로 콘 관입 장치를 제공한다.

상기 마이크로 콘 관입 장치에 있어서, 상기 응력 집중부는: 상기 콘 내관의 길이 방향을 따라 상기 콘 팁과 상기 콘 내관 접촉부 사이에 배치되는 제 1 응력 집중부와, 상기 콘 내관 접촉부를 사이에 두고 상기 제 1 응력 집중부와 대응되어 배치되는 제 2 응력 집중부를 구비할 수도 있다.

또한, 상기 마이크로 콘 관입 장치에 있어서, 상기 콘 변형률계는: 상기 내관 중공의 측면으로, 상기 제 1 응력 집중부에 대응하는 위치에 배치되는 제 1 콘 변형률계를 구비할 수도 있고, 상기 콘 변형률계는, 상기 내관 중공의 측면으로, 상기 제 2 응력 집중부에 대응하는 위치에 배치되는 제 2 콘 변형률계를 더 구비할 수도 있다.

상기 마이크로 콘 관입 장치에 있어서, 상기 콘 로드의 외주면에는 로드 추력 나사선이 배치되고, 상기 콘 구동부는: 상기 콘 로드의 외측에 배치되고 상기 콘 로드를 구동하기 위한 회전 구동력을 생성하는 콘 로드 구동기와, 상기 로드 추력 나사선과 맞물리는 로드 추력 베어링과, 상기 콘 로드 구동기의 회전 구동력을 상기 로드 추력 베어링에 전달하는 로드 추력 변환 장치를 구비할 수도 있고, 상기 로드 추력 변환 장치는: 상기 콘 로드 구동기의 구동축에 배치되는 구동 풀리와, 상기 구동 풀리와 상기 로드 추력 베어링의 각각의 외주에 접촉하는 구동 벨트를 구비할 수도 있다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 마이크로 콘 관입 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명에 따른 마이크로 콘 관입 장치는, 간단한 구조의 이중관 구조를 취하되 콘 내관의 길이 방향을 따라 형성되는 응력 집중부, 응력 집중부의 인근에 배치되는 콘 내관 접촉부/콘 외관 접촉부 및 응력 집중부에 대응하여 배치되는 콘 변형률계를 통하여 선단 저항력의 독립된 측정을 가능하게 함으로써, 보다 정확한 지반 물성치를 얻을 수 있다.

둘째, 본 발명에 따른 마이크로 콘 관입 장치는, 콘 내관 접촉부를 사이에 두고 복수 개의 응력 집중부를 구비하여 콘 외관의 외주면에 가해지는 주면 마찰력을 얻음으로써, 보다 정확하고 다양한 지반 물성치를 얻을 수도 있다.

셋째, 본 발명에 따른 마이크로 콘 관입 장치는, 초소형화되는 구조의 마이크로 콘을 구비하고, 일정한 속도의 관입력을 제공할 수 있는 콘 구동부를 구비함으로써 주변 지반의 교란을 최소화하여 보다 정확한 지반 물성치를 얻는 것을 가능하게 할 수도 있다.

넷째, 본 발명에 따른 마이크로 콘 관입 장치는, 제 1 및 제 2 응력 집중부 등을 구비하는 구성을 취함으로써, 1회의 측정으로 선단 저항력과 주면 마찰력에 대한 데이터를 독립적으로 얻어 측정 시험을 단순화시켜 측정 시간을 최소화시킬 수도 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 마이크로 콘 관입 장치의 구체적 내용에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치(10)의 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 2 및 도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치(10)의 개략적인 정면도 및 측면도가 도시되어 있다. 여기서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치(10)는 실내 시험에서 실시되는 경우에 대하여 도시되었으나 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치(10)는 콘 로드(200)와, 콘 구동부(400)와, 마이크로 콘(100)을 구비하는데, 마이크로 콘(100)은 콘 로드(200)의 일단에 배치되고 콘 구동부(400)는 콘 로드(200)에 구동력을 제공하고, 마이크로 콘 관입 장치(10)는 콘 로드 지지부(300)에 의하여 지지되는 구조를 취한다. 하지만, 이는 본 발명에 따른 마이크로 콘 관입 장치의 일예일뿐 본 발명에 따른 콘 로드 지지부의 형태는 다양한 구성을 취할 수도 있다.

콘 로드(200)는 장축의 길이를 구비하는 로드 타입으로 구현되는데, 콘 로드(200)의 일단에는 하기되는 마이크로 콘(100)이 장착된다. 마이크로 콘(100)이 장착되는 콘 로드(200)의 일단의 외주는 나사 가공되어 마이크로 콘(100)이 나사 결합되는 구조를 취할 수도 있고, 양자의 단부가 억지 끼워 맞춤 타입으로 서로 결합되는 구조를 취할 수도 있는 등 다양한 구성이 가능하다. 콘 로드(200)의 타측에는 콘 구동부(400)에 의하여 생성되는 구동력을 전달받아 콘 로드(200)의 장착의 길이 방향으로의 이동이 가능하다. 콘 로드(200)는 중공 타입으로 형성되어 하기 되는 마이크로 콘(100)으로부터의 전기적 신호를 전달하기 위한 배선이 관통 배치되는 구조를 취할 수도 있다.

콘 로드(200)는 콘 로드 지지부(300)에 의하여 지지된다. 콘 로드 지지부(300)는 각각 한 쌍의 콘 로드 지지 플레이트(310) 및 콘 로드 지지 로드(320)를 구비하는데, 한 쌍의 콘 로드 지지 플레이트(310)는 콘 로드(200)의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 배치되고, 한 쌍의 콘 로드 지지 로드(320)는 길이 방향이 콘 로드(200)의 길이 방향과 평행하도록 배치된다. 한 쌍의 콘 로드 지지 로드(320)의 각각의 단부는 서로 평행하게 배치되는 한 쌍의 콘 로드 지지 플레이트(310)의 서로 마주하는 일면에 고정 장착된다. 하지만, 이와 같은 구조는 본 발명의 일예로서, 콘 로드 지지 로드가 콘 로드 지지 플레이트를 관통하여 볼트/너트와 같은 체결 수단에 의하여 체결되는 구조를 취할 수도 있고, 한 쌍 이상의 콘 로드 플레이트가 구비되는 구조를 취할 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.

콘 로드 지지 플레이트(310)에는 콘 로드(200) 관통구가 형성되어 콘 로드(200)가 콘 로드 지지 플레이트(310)가 형성하는 평면에 수직 관통하여 이동하는 것을 허용한다.

콘 구동부(400)는 콘 로드 구동기(430)와, 로드 추력 베어링(410)와, 로드 추력 변환 장치(420)를 구비하고, 콘 로드(200)의 외주면에는 로드 추력 나사선(201)이 형성된다. 로드 추력 베어링(410)에는 콘 로드(200)가 관통하여 삽입되는데, 콘 로드(200)가 관통한 로드 추력 베어링(410)의 내주면은 나사 가공되고 나 사 가공된 로드 추력 베어링(410)의 내주면은 콘 로드(200)의 외주면과 기어 맞물림됨으로써, 로드 추력 베어링(410)의 회전에 의하여 콘 로드(200)는 길이 방향으로 이동 가능하다. 콘 로드 구동기(430)는 전기 모터로 구현되고, 콘 로드 구동기(430)는 콘 로드 지지 플레이트(310)에 부착된 구동부 지지대(440)에 의하여 지지된다. 구동부 지지대(440)의 일면에는 콘 로드 구동기(430)가 장착되고, 콘 로드 구동기(430)의 구동축(431)은 구동부 지지대(440)를 관통하여 구동부 지지대(440)의 타면으로 인출된다. 구동부 지지대(440)의 일측에는 전기 모터로 구현되는 콘 로드 구동기(430)에 전원을 인가하기 위한 구동 전원 스위치(435)가 구비되어 구동 전원 스위치(435)의 작동 상태에 따라 콘 로드 구동기(430)의 작동 여부가 결정된다. 여기서, 콘 로드 구동기(430)의 작동이 구동 전원 스위치(435)의 모드 선택에 의하여 결정되는 구조를 취하였으나, 하기되는 제어부(800)를 통하여 제어 신호가 인가되는 형태로 구현될 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다.

로드 추력 변환 장치(420,433)은 콘 로드 구동기(430)의 회전 구동력을 로드 추력 베어링(410)으로 전달한다. 본 실시예에서 로드 추력 변환 장치(420,433)은 벨트 타입으로 구현되는데, 로드 추력 변환 장치(420,433)는 변환 벨트(420)와 구동 풀리(433)를 구비한다. 구동 풀리(433)는 구동축(431)의 단부에 고정 장착되어 구동축(431)의 회동과 함께 회동하고, 변환 벨트(420)는 구동 풀리(433)와 로드 추력 베어링(410)의 각각의 외주의 적어도 일부와 접촉함으로써 구동 풀리(433)와 로드 추력 베어링(410)을 연결한다. 따라서, 콘 로드 구동기(430)의 회전 구동력은 변환 벨트(420)를 통하여 로드 추력 베어링(410)으로 전달되고, 로드 추력 베어 링(410)의 회전을 통하여 콘 로드(200)는 길이 방향으로의 이동이 가능하다. 여기서, 도시되지는 않았으나, 본 발명에 따른 로드 추력 변환 장치는 콘 로드 구동기의 속도에 대비하여 콘 로드의 적절한 이동 속도가 확보될 수 있도록 감속기를 더 구비하는 구성을 취할 수도 있다. 즉, 변환 벨트는 구동 풀리와 감속기의 일측에 연결되고 감속기의 타측이 로드 추력 베어링과 연결되어, 콘 로드 구동기의 회전 구동력은 구동 풀리, 감속기 및 로드 추력 베어링을 거쳐 콘 로드의 직선 이동력으로 전환된다. 이 경우, 콘 로드 구동기 구동축의 빠른 회전 속도는 감속기를 통하여 감속되어 콘 로드에 전달됨으로써 콘 로드의 적절한 직선 이동 속도를 확보할 수도 있다.

마이크로 콘(100)은 콘 로드(200)의 일단에 배치되는데, 마이크로 콘(100)은 콘 팁(110)과, 콘 내관(120)과, 콘 외관(130)고, 콘 변형률계(140;141,142)를 구비한다. 콘 내관(120)은 내관 중공(122)을 구비하고, 콘 팁(110)은 콘 내관(120)의 일단에 장착되고, 콘 내관(120)은 콘 외관(130)의 내부에 수용되며, 콘 변형률계(140)는 콘 내관(120)에 형성된 내관 중공(122)의 내측면에 장착된다.

콘 팁(110)은 원추 형상으로 구현되는데, 콘 팁(110)의 선단부(111)는 마이크로 콘(100)이 대상 토질, 토질 시료(6)에 용이하게 진입할 수 있도록 소정의 사전 설정된 각도(α), 예를 들어 60°와 같은 진입 각을 형성한다. 콘 팁(110)의 후단부에는 콘 팁 장착부(113)가 형성되는데, 콘 팁 장착부(113)는 콘 내관(120)의 일단 측에 형성되는 콘 팁 수용구(121)에 수용 장착된다. 콘 팁 장착부(113)의 외주면 및 콘 팁 수용구(121)의 내주면은 맞닿도록 압입되고 경우에 따라 에폭시 수 지가 부착되어, 콘 팁 장착부(113)와 콘 팁 수용구(121)가 서로 고정되는 구조를 취할 수 있다.

콘 내관(120)은 콘 외관(130)의 내부에 수용 배치되는데, 콘 내관(120)은 콘 내관 접촉부(125)와 응력 집중부(123,127)을 구비한다. 콘 내관 접촉부(125)는 하기되는 콘 외관(130)의 콘 외관 접촉부(131)와 접촉 가능하다. 응력 집중부(123,127)는 콘 내관 접촉부(125)의 외경보다 작은 외경을 구비하는데, 응력 집중부(123,127)는 제 1 응력 집중부(123)와 제 2 응력 집중부(127)를 구비한다. 제 1 응력 집중부(123)는 콘 내관(120)의 길이 방향을 따라 콘 팁(110)과 콘 내관 접촉부(125) 사이에 배치되고, 제 2 응력 집중부(127)는 콘 내관 접촉부(125)를 사이에 두고 제 1 응력 집중부(123)와 대응되어 배치된다. 콘 내관(120)의 내관 중공(122)은 직경 Di를 구비하고, 제 1 응력 집중부(123) 및 제 2 응력 집중부(127)는 두께 ti의 값을 갖고, 콘 내관 접촉부(125)는 두께 tm의 값을 갖는데, 제 1 응력 집중부(123) 및 제 2 응력 집중부(127)의 두께 ti는, 예를 들어 직경 Di는 2.6㎜의 값을 가지고 응력이 집중될 수 있도록 ti는 0.4㎜ 및 tm은 0.7㎜와 같이, 콘 내관 접촉부(125)의 두께 tm보다 훨씬 작은 값을 갖는다.

여기서, 제 1 응력 집중부(123)와 제 2 응력 집중부(127)는 동일한 두께를 구비하는 것으로 도시되었으나, 콘 내관 접촉부(125)의 두께보다 작은 두께 값을 가지는 범위에서 서로 상이한 값을 구비할 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다. 또한, 여기서 도시되지는 않았으나, 콘 내관의 길이 방향을 따른 콘 내관 접촉부와 응력 집중부의 각각의 길이 비율은 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다. 또한, 본 실시예에서 응력 집중부(123,127)는 제 1 응력 집중부(123)와 제 2 응력 집중부(127)를 구비하는 경우에 대하여 기술하나, 본 발명에 따른 마이크로 콘 관입 장치(10)의 마이크로 콘(100)은 제 1 응력 집중부(123)만을 구비하는 구성을 취할 수도 있는 등 설계 사양에 따라 다양한 변형이 가능하다.

콘 외관(130)은 콘 외관 접촉부(131)과 콘 외관 수용부(133)가 구비되는데, 콘 외관 접촉부(131)는 콘 내관 접촉부(125)의 콘 내관 접촉면(124)과 접촉 가능한 콘 외관 접촉면(132)를 구비한다. 콘 외관(130)은 Dt의 외경을 구비하는데, 콘 외관 수용부(133)는 두께 to의 값을 구비하고, 콘 외관 접촉부(131)는 두께 tn의 값을 구비하는데, 콘 외관 접촉부(131)의 두께 tn은 콘 외관 수용부(133)의 두께 to의 값보다 큰 값을 구비한다. 따라서, 콘 외관(130)의 내부로 콘 내관(120)을 수용하는 내부 중공은 콘 외관 접촉부(131)의 경우 내경 Dt-2tn의 값을 그리고 콘 외관 수용부(133)의 경우 내경 Dt-2to의 값을 갖는다. 콘 외관 수용부(133)의 내경 Dt-2to는 콘 내관(120)의 제 1 응력 집중부(123)의 외경보다 큰 값을 가짐으로써, 콘 내관(120)과 콘 외관(130) 사이에 유격을 유지할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서, 콘 외관(130)의 외경 Dt는 5㎜이고, 콘 외관 수용부(133)의 두께 to는 0.4㎜이고, 콘 외관 접촉부(131)의 두께 tn은 0.7㎜이고, 콘 외관 수용부(133)의 내경 Dt-2to는 4.2㎜이고, 콘 외관 접촉부(131)의 내경 Dt-2tn은 3.6㎜으로 구현되었다.

따라서, 본 실시예에서 콘 내관 접촉면(124)과 콘 외관 접촉면(132)은 내경 이 3.6㎜이고 외경이 4㎜인 링 타입의 접촉 영역을 형성하는 바와 같이, 콘 내관 접촉면(124)과 콘 외관 접촉면(132)은 마이크로 콘(100)의 길이 방향에 수직하게 형성되고 서로 교차되는 영역을 구비함으로써, 콘 외관(130)과 콘 내관(120) 사이의 마이크로 콘(100)의 길이 방향으로의 맞닿음에 의한 힘 전달이 명확해질 수도 있도록 하는 구조를 취할 수도 있다.

이와 같은 구조를 통하여, 노치 타입으로 콘 팁(110)과 콘 내관 접촉부(125) 사이에 배치되는 제 1 응력 집중부(123)는 토질 시료와 직접적인 접촉을 이루어 영향을 받는 콘 내관 접촉부(125) 및 제 2 응력 집중부(127)와 형식 구조적으로 분리됨으로써, 콘 외관과 토질 시료와의 접촉에 의한 주면 마찰력을 배제하고 콘 로드(200)를 통하여 전달되는 외력에 의하여 토질 시료와 콘 팁에 의하여 발생하는 선단 저항력만의 독립적인 측정을 가능하게 한다.

콘 변형률계(140;141,143)는 콘 내관(120)의 내관 중공(122)의 내측에 배치되는데, 본 실시예에 따른 콘 변형률계(140)는 제 1 콘 변형률계(141)와 제 2 콘 변형률계(143)를 구비하고 콘 변형률계(140)는 콘 내관(120)의 길이 방향을 따라 배치된다. 제 1 콘 변형률계(141)는 콘 내관(120)의 내관 중공(122)의 측면으로, 제 1 응력 집중부(123)에 대응하는 위치에 배치되고, 제 2 콘 변형률계(143)는 콘 내관(120)의 내관 중공(122) 측면으로, 제 2 응력 집중부(127)에 대응하는 위치에 배치되는데, 제 1 및 제 2 콘 변형률계(141,143)는 스트레인 게이지 타입으로 형성되어 내관 중공(122)의 내측면에 밀착되어 부착된다. 각각의 제 1 및 제 2 콘 변형률계(141,143)는 내관 중공(122)를 관통하는 도선(미도시)를 통하여 하기되는 휘 트스톤 브릿지(600)와 전기적 소통을 이룬다.

도 5에는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치(10)의 개략적인 구성도가 도시되는데, 설명을 용이하게 하기 위하여 일부 구성 요소에 대한 세부적 도시는 생략되었다. 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치(10)는 상기한, 마이크로 콘(100), 콘 로드(200) 및 콘 구동부(400) 이외에 휘트스톤 브릿지(600), 전압 공급부(500), 전압 계측기(700) 및 제어부(800)를 구비하는데, 제어부(800)는 전압 공급부(500)와 전압 계측기(700)와 전기적 소통을 이룸으로써, 마이크로 콘(100)의 내부에 배치되는 콘 변형률계(140)의 변형에 따른 전압 값을 측정하기 위한 제어 신호를 출력하고 취득된 전압 값을 입력받아 이에 기초하여 전압과 하중 간의 관계를 도출하여 대상 토질의 정확한 지반 물성을 파악할 수 있다. 특히, 제어부(800)는 콘 구동부(400)의 콘 로드 구동기(430)와 전기적 소통을 이룸으로써, 사용자에 의한 구동 전원 스위치(435)의 작동과 더불어 또는 개별적으로 콘 로드(200)의 직선 운동을 제어할 수도 있다.

이하에서는, 도 1, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치(10)의 작동 과정에 대하여 설명하는데, 각각의 구성에 대한 설명은 상기 실시예에서 기술되었으므로 이에 대한 설명은 중복을 피하기 위하여 생략한다. 작업자가 마이크로 콘 관입 장치(10)의 마이크로 콘(100) 측에 토질 시료(6)가 수용되고 정바(4) 상에 배치된 시료 용기(5)를 장치 지지 플레이트(2)와 지지 연결대(3)로 이루어진 장치 지지대(1)에 콘 로드 지지 플레이트(310)가 지지 될 수 있도록 배치하고, 제어부(800)를 통하여 전압 공급부(500)와 콘 구동부(400)의 콘 로드 구동기(430)에 제어 신호를 인가하는 경우, 콘 구동부(400)의 콘 로드 구동기(430)가 회전 구동력을 발생시키고, 풀리-벨트 타입으로 구현되는 로드 추력 변환 장치 및 로드 추력 베어링을 통하여 외주면에 나사선이 형성된 콘 로드(200)로 전달되고 콘 로드(200)의 선단에 배치되는 마이크로 콘(100)이 시료 용기(5)의 토질 시료(6)로 관입된다. 여기서, 시료 용기(5) 및 토질 시료(6)의 크기는 특정되는 것은 아니나, 외란에 의한 영향을 배제하기 위하여 마이크로 콘(100)의 콘 외관의 직경의 20배 이상의 크기를 구비하도록 설정하는 것이 바람직하다.

이와 동시에, 제어부(800)는 전압 공급부(500)에 제어 신호를 인가하여 휘트스톤 브릿지(600)에 전원을 공급하고, 휘트스톤 브릿지(60))와 연결되어 각각의 제 1 콘 변형률계(141) 및 제 2 콘 변형률계(143)와 연결되는 전압 계측기(700)로부터 출력되는 전압 신호를 입력받는다.

마이크로 콘(100)의 콘 팁(110)의 선단부(111)를 통하여 마이크로 콘(100)이 토질 시료(6)에 관입되는 경우, 콘 구동부(40))로부터 생성되어 콘 로드(200)를 거쳐 콘 내관(120)과 토질 시료(6) 사이에 가해지는 외력에 의한 반력 중 콘 팁(110)에 인가되는 선단 저항력은 콘 팁 장착부(113)와 콘 팁 수용구(121) 간의 맞닿음에 의하여 콘 내관(120)에 구비되는 제 1 응력 집중부(123)에 집중된다.

즉, 콘 구동부(400)로부터 생성된 힘은 콘 로드(200)를 통하여 마이크로 콘(100)으로 전달되는데, 마이크로 콘(100)의 선단에 배치되는 콘 팁(110)과 토질 시료(6)에 사이의 반력 중 선단 저항력은 콘 팁(110)과 콘 내관 접촉부(125)의 사 이에 노치(notch) 타입으로 형성되는 제 1 응력 집중부(123)에 집중되어 제 1 응력 집중부(123)에 가해지는 응력 변화를 발생시키고 발생된 응력 변화는 내관 중공(122)의 내측으로 제 1 응력 집중부(123)에 대응하는 위치에 배치되는 제 1 콘 변형률계(141)의 변형을 통한 제 1 콘 변형률계(141)의 저항 변화를 유발한다. 발생된 저항 변화에 따른 출력 전압 값(Vout=Δe)을 전압 계측기(700)를 통하여 취득하고 이를 제어부(800)로 출력한다.

여기서, 제 1 콘 변형률계(141)의 변형률과 저항 변화는 다음과 같은 관계를 이룬다.

이때, ε는 콘 변형률계의 변형량을, L은 콘 변형률계의 길이, ΔL은 콘 변형률계의 길이 변화량, R은 콘 변형률계의 저항, ΔR은 콘 변형률계의 저항 변화량, K는 변형률계 상수를 나타낸다. 제 1 콘 변형률계(141)와 연결되는 휘트스톤 브릿지(600)를 통하여 전압 계측기(700)는 다음과 같은 전압 출력을 측정할 수 있다.

여기서, R1은 콘 변형률계의 저항을, R2, R3, R4는 각각 휘트스톤 브릿지(600)를 구성하는 다른 저항을 나타내고, e는 전압 계측기(700)를 통한 출력 전 압을, E는 전압 공급부(500)를 통한 입력 전압을 나타낸다.

휘트스톤 브릿지(600)의 다른 저항(R2,R3,R4)가 콘 변형률계의 저항값과 동일한 값을 가지고(R=R1=R2=R3=R4), 제 1 콘 변형률계(141)에 변형이 발생하는 경우, 제 1 콘 변형률계의 저항은 R1+ΔR1을 형성하고, 휘트스톤 브릿지(600)는 변형 발생 전 밸런스 상태를 유지하였고 ΔR<<R의 관계를 이루므로, 휘트스톤 브릿지(600)에 대한 전압 계측기(700)를 통한 출력 전압 e+Δe는 다음과 같은 관계를 갖는다.

따라서, 상기 관계식에 기술된 바와 같이, 전압 공급부(500)를 통하여 입력되는 입력 전압(E)이 일정할 때, 전압 계측기(700)를 통하여 얻어지는 출력 전압(Δe)과 변형률(ε) 간에는 선형 관계가 형성된다. 제어부(800)는 저장부(미도시)와 전기적 소통을 이루는데, 저장부(미도시)에는 사전 설정된 전압-하중 관계 데이터(도 6 참조)가 저장되고, 제어부(800)는 사전 설정된 전압-하중 관계 데이터와 출력 전압(Δe)로부터 출력 전압(Δe)에 대응되는 선단 저항력으로서의 하중을 도출한다. 여기서, 사전 설정 저장된 전압-하중 관계는 사전 설정된 실험 조건 하에서 얻어진 데이터로부터 도출된 콘 변형률계에 대한 전압 변화와 하중 변화 간의 관계로서 선형 관계를 이루는데, 선형 관계의 하중 범위는 콘 변형률계의 사양 등 설계 사양에 따라 변동될 수 있으므로 시험 조건에 따라 적절한 사전 설정 데이터가 취해질 수도 있다.

또 한편, 토질 시료에 대한 더욱 정확한 지반 물성을 얻을 수 있도록 제 2 콘 변형률계의 변형에 따른 출력 전압 변화도 사용될 수 있다. 즉, 마이크로 콘(100)의 제 2 콘 변형률계(143)도 제 1 콘 변형률계(141)와 동일한 과정을 거쳐 출력 전압 및 전압-하중 관계 데이터로부터 출력 전압에 대응되는, 주면 마찰력으로서의 하중을 도출할 수도 있는데, 도 5에는 제 1 콘 변형률계(141)와 제 2 콘 변형률계(143)가 구별되어 도시되지 않았으나, 각각이 전압 공급부(500) 및 휘트스톤 브릿지(600)와 연결되는 구조를 취하는 것은 상기 기술로부터 명백하다. 제어부(800), 전압 공급부(500), 휘트스톤 브릿지(600)를 통한 측정은 상기한 제 1 콘 변형률계(141)의 경우와 동일한 바에 이에 대한 별도의 설명은 생략한다.

콘 외관(130)은 토질 시료(6)와의 직접적인 접촉을 통하여 마이크로 콘(100)이 관입되는 방향과 반대되는 방향으로의 주면 마찰력이 가해지는데, 콘 내관 접촉면(124)이 콘 외관 접촉면(132)과 접하는 경우, 콘 구동부(400)로부터 생성되어 콘 로드(200)로 전달된 힘은 콘 외관(130)의 외주에 가해지는 토질 시료(6)에 의한 주면 마찰력을 극복함으로써 마이크로 콘(100)이 토질 시료(6)로 관입되는 것을 허용한다. 이때, 콘 외관(130)은 토질 시료(6)와의 직접적인 접촉에 의한 주면 마찰력도 콘 내관 접촉부(125)를 사이에 두고 제 1 응력 집중부(123)와 대응하여 배치되는 제 2 응력 집중부(127)에 집중된다. 따라서, 제 2 응력 집중부(127)에는 콘 로드(200)를 통하여 콘 팁(100)에 전달되어 콘 팁(100)에 가해지는 선단 저항력과 콘 외관(130)의 외주와 토질 시료(6) 사이의 접촉 마찰에 의하여 발생하는 반력으로서 의 주면 마찰력이 합력으로 작용하여 제 2 응력 집중부(127)에 집중된다. 제 2 응력 집중부(127)의 대응 위치에 부착된 제 2 콘 변형률계(143)의 저항 변화에 의한 출력 전압 변화는 휘트스톤 브릿지(600)와 전압 계측기(700)를 통하여 출력되고, 이는 제어부(800)로 전달된다. 제어부(800)는 전압 계측기(700)로부터 얻어진 출력 전압(Δe)과 사전 설정되어 저장부(미도시)에 저장된 주면 마찰력에 대한 전압-하중 관계 데이터(도 7 참조)로부터 출력 전압(Δe)에 대응되는 주면 마찰력으로서의 하중을 도출할 수 있다. 주면 마찰력에 대한 전압-하중 관계 데이터에 대한 선도는 상기 실시예에서의 선단 저항력에 대한 전압-하중 관계 데이터 선도(도 6 참조)와 마찬가지로, 사전 설정된 실험 조건 하에서 얻어진 데이터로부터 도출된 콘 변형률계에 대한 휘트스톤 브릿지의 출력 전압 변화와 하중 변화 간의 관계로서 이는 선형 관계를 이루는데, 선형 관계의 하중 범위는 콘 변형률계의 사양 등 설계 사양에 따라 변동될 수 있으므로 시험 조건에 따라 적절한 사전 설정 데이터가 취해질 수도 있다.

상기 실시예에서, 주면 마찰력을 도출하기 위하여 제 2 콘 변형률계에 의한 출력 전압(변화)만이 주면 마찰력을 얻기 위하여 사전 설정 저장된 주면 마찰력으로서의 전압-하중 관계 데이터에만 대응되는 것으로 기술되었으나, 경우에 따라서는 주면 마찰력에 대한 전압-하중 관계 데이터가 제 1 콘 변형률계에 대하여 얻어진 출력 전압(변화)와 제 2 콘 변형률계에 대하여 얻어진 출력 전압(변화)가 모두 고려되어 사전 설정되는 구조를 취함으로써, 주면 마찰력을 얻기 위하여 사전 설정된 주면 마찰력에 대한 전압-하중 관계 데이터에, 제 2 콘 변형률계에 대하여 휘트 스톤 브릿지에서 얻어진 출력 전압뿐만 아니라 제 1 콘 변형률계에 대하여 휘트스톤 브릿지에서 얻어진 출력 전압도 사용되는 구조를 취할 수도 있는 등 다양한 변형이 가능하다.

상기 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것으로 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다. 즉, 상기 실시예에서 응력 집중부 및 콘 변형률계는 제 1 응력 집중부 및 제 1 콘 변형률계 만이 구비되는 구성을 취할 수도 있고, 지반 물성을 보다 정확하게 파악할 수 있도록 제 2 응력 집중부 및 제 2 콘 변형률계를 더 구비하여 주면 마찰력에 의한 영향을 더 고려할 수도 있는 등, 독립적인 선단 저항력을 구할 수 있는 응력 집중부 및 콘 변형률계를 구비하는 범위에서 다양한 구성이 가능하다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치에 대한 개략적인 사시도이다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치의 개략적인 정면도 및 측면도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치의 마이크로 콘에 대한 개략적인 부분 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치의 개략적인 장치도이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치의 선단 저항력을 얻기 위하여 사전 설정 저장된 전압-하중 관계 선도이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 콘 관입 장치의 주면 마찰력을 얻기 위하여 사전 설정 저장된 전압-하중 관계 선도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10...마이크로 콘 관입 장치 100...마이크로 콘

110...콘 팁 120...콘 내관

130...콘 외관 140...콘 변형률계

200...콘 로드 300...콘 로드 지지부

400...콘 구동부 500...전압 공급부

600...휘트스톤 브릿지 700...전압 계측부

Claims

콘 로드;

대상 토질에 수직하는 수직력을 생성하여 상기 콘 로드에 전달하는 콘 구동부; 및

내관 중공을 구비하는 콘 내관과, 상기 콘 내관의 일단에 장착되는 콘 팁과, 상기 콘 내관이 삽입되어 상기 콘 내관의 외주에 배치되는 콘 외관과, 상기 내관 중공의 내측에 배치되는 콘 변형률계를 포함하고, 상기 콘 로드의 일단에 장착되어 토지에 관입되는 마이크로 콘;을 구비하되,

상기 콘 내관은, 상기 콘 외관과 접촉 가능한 콘 내관 접촉면을 구비하는 콘 내관 접촉부와, 상기 콘 내관 접촉부의 외경보다 작은 값을 구비하는 응력 집중부를 구비하고, 상기 콘 외관은, 상기 콘 내관의 콘 내관 접촉면과 접촉 가능한 콘 외관 접촉면이 형성된 콘 외관 접촉부를 구비하고,

상기 응력 집중부는:

상기 콘 내관의 길이 방향을 따라 상기 콘 팁과 상기 콘 내관 접촉부 사이에 배치되는 제 1 응력 집중부와, 상기 콘 내관 접촉부를 사이에 두고 상기 제 1 응력 집중부와 대응되어 배치되는 제 2 응력 집중부를 구비하는 마이크로 콘 관입 장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 콘 변형률계는:

상기 내관 중공의 측면으로, 상기 제 1 응력 집중부에 대응하는 위치에 배치되는 제 1 콘 변형률계를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 콘 관입 장치.
제 3항에 있어서,

상기 콘 변형률계는, 상기 내관 중공의 측면으로, 상기 제 2 응력 집중부에 대응하는 위치에 배치되는 제 2 콘 변형률계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 콘 관입 장치.
제 1항에 있어서,

상기 콘 로드의 외주면에는 로드 추력 나사선이 배치되고,

상기 콘 구동부는:

상기 콘 로드의 외측에 배치되고 상기 콘 로드를 구동하기 위한 회전 구동력을 생성하는 콘 로드 구동기와,

상기 로드 추력 나사선과 맞물리는 로드 추력 베어링과,

상기 콘 로드 구동기의 회전 구동력을 상기 로드 추력 베어링에 전달하는 로드 추력 변환 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 콘 관입 장치.
제 5항에 있어서 ,

상기 로드 추력 변환 장치는:

상기 콘 로드 구동기의 구동축에 배치되는 구동 풀리와,

상기 구동 풀리와 상기 로드 추력 베어링의 각각의 외주에 접촉하는 구동 벨트를 구비하는 것을 특징으로 하는 마이크로 콘 관입 장치.