KR100995931B1 - 포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정하이브리드 프로브 - Google Patents

포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정하이브리드 프로브 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신호발생기(22), 오실로스코프(33), 필터 및 증폭기(44)를 포함하는 지상제어장치와 연결되어 함께 사용되는 프로브에 관한 것으로서, 보다 상세히는 축방향으로 중공(110) 형성된 관입봉(100); 상기 관입봉(100)의 하단부에 고정되며, 주걱 형태의 하단부에 쐐기형 단면의 관입날(210)이 구비되는 블레이드몸체(200); 상기 블레이드몸체(200)의 양측 단부에 길이 방향으로 서로 평행하게 부착되는 한 쌍의 관입프레임(300); 상기 관입프레임(300)을 관통하여 서로 대향하도록 설치되어 입력파를 지반으로 전파시키고, 지반을 통과한 탄성파를 수신하는 다수 개의 트랜스듀서(400); 및, 상기 관입날(210) 상부의 상기 블레이드몸체(200) 일측 표면에 설치되어 지반의 비저항을 측정하는 다수 개의 비저항측정프로브(500);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정 하이브리드 프로브에 관한 것이다.
관입봉, 블레이드몸체, 관입날, 관입프레임, 웨브, 플랜지, 트랜스듀서, 비저항측정프로브

Description

포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정 하이브리드 프로브{Fork blade type Field Elastic wave Velocity and Resistivity Hybrid Probe}
본 발명은 신호발생기(22), 오실로스코프(33), 필터 및 증폭기(44)를 포함하는 지상제어장치와 연결되어 함께 사용되는 프로브에 관한 것으로서, 보다 상세히는 축방향으로 중공(110) 형성된 관입봉(100); 상기 관입봉(100)의 하단부에 고정되며, 주걱 형태의 하단부에 쐐기형 단면의 관입날(210)이 구비되는 블레이드몸체(200); 상기 블레이드몸체(200)의 양측 단부에 길이 방향으로 서로 평행하게 부착되는 한 쌍의 관입프레임(300); 상기 관입프레임(300)을 관통하여 서로 대향하도록 설치되어 입력파를 지반으로 전파시키고, 지반을 통과한 탄성파를 수신하는 다수 개의 트랜스듀서(400); 및, 상기 관입날(210) 상부의 상기 블레이드몸체(200) 일측 표면에 설치되어 지반의 비저항을 측정하는 다수 개의 비저항측정프로브(500);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정 하이브리드 프로브에 관한 것이다.
지반 조사는 지반 구조물의 설계 및 공사에서 필수적으로 요구되는 기술로서, 궁극적으로 지반과 이를 기반으로 하는 지반 구조물의 설계 및 해석에 필요한 지반 정보를 제공하는데 목적이 있다.
근래에 들어 설계 및 공사에 있어 단순한 안정성보다는 구조물의 용도나 특성에 따라 좀더 많은 설계 기준이 요구되고 있다. 특히, 첨단 산업을 위한 플랜트(plant) 구조물들은 기초 지반의 미소 변형에도 영향을 받기 때문에, 지반조사 또한 미소 변형에 따른 명확성과 신뢰성을 갖춘 설계요소를 제공할 필요가 있다.
최근 전세계적으로 지진에 대한 구조물의 안정성 확보가 필수적인 만큼 내진설계를 위한 미소 변형의 지반 조사방법들이 확보되어야 한다. 이러한 미소 변형에 대한 지반조사를 위해 수행되는 기존의 물리탐사 시험들은 환경적 요인이나, 시험방법상 국한된 지반 조건에서 시험이 가능하기 때문에 아직까지도 미소 변형에 대한 지반 조사 방법들이 개발되어야 하는 실정인데, 미소 변형률 구간에서 지반의 동적 물성치 및 거동 변화를 측정하기 위해서는 현장에서 직접 실험을 수행하는 방법과 샘플링 시료를 이용하는 실내 시험이 있다.
하지만, 실내 시험의 경우 샘플링 직전의 응력 이력 현상과 운반 및 실험 준비 과정에서 발생하는 교란으로 인하여 실제 값과 차이가 발생하는 문제점이 있다.
현장 실험의 경우는 분석과정이 복잡하고 경제적인 부분의 단점이 있으며, 현재 전자기파를 이용한 현장 실험은 넓은 범위의 평균적인 값만을 도출하여, 얇은 지층 및 각 층의 특성을 파악할 수 없는 단점이 있다.
또한 풍화되어 지층 구조가 복잡하고 유사성이 없을 경우 각각의 실험을 위 해 다른 시추공 사용시 전단파 및 비저항의 측정 데이타를 동시에 얻을 수 없고 시추공에 따라 상이한 값을 도출되기에 이러한 문제를 효율적으로 해결하고 정확한 데이터를 동시에 측정할 수 있도록 전단파와 비저항 측정 장비를 하나로 통합한 실험 장비의 필요성이 절실히 요구되고 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, 탄성파 측정 및 비저항 측정을 하나의 프로브로 동시에 수행할 수 있는 수단을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.
둘째, 소일 플러깅(Soil plugging) 및 지반과의 교란 효과를 최소화할 수 있는 수단을 제공함을 본 발명의 다른 목적으로 한다.
셋째, 예비용 비저항측정프로브가 함께 장착되어 현장에서 쉽게 대체 사용하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
넷째, 트랜스듀서로 연결되는 동축케이블을 보호하는 수단을 제공하는 것을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 신호발생기(22), 오실로스코프(33), 필터 및 증폭기(44)를 포함하는 지상제어장치와 연결되어 함께 사용되며, 축방향으로 중공(110)이 형성된 관입봉(100); 상기 관입봉(100)의 하단부에 고정되며, 주걱 형태의 하단부에 쐐기형 단면의 관입날(210)이 구비되는 블레이드몸체(200); 상부는 상기 블레이드몸체(200)의 양측 단부에 길이 방향으로 서로 평행하게 부착되고 하부는 상기 관입날(210)의 하단부로 돌출되는 한 쌍의 관입프레임(300); 상기 관입날(210)의 하단부로 돌출된 상기 관입프레임(300) 부분을 관통하여 서로 대향하도록 설치되어 입력파를 지반으 로 전파시키고, 지반을 통과한 탄성파를 수신하는 다수 개의 트랜스듀서(400); 및, 상기 관입날(210) 상부의 상기 블레이드몸체(200) 일측 표면에 설치되어 지반의 비저항을 측정하는 다수 개의 비저항측정프로브(500);를 포함하여 구성된다.
본 발명의 구성에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.
첫째, 탄성파 측정 및 비저항 측정을 하나의 프로브로 동시에 수행할 수 있다.
다시 말하면, 탄성파 측정을 위한 트랜스듀서와 비저항 측정을 위한 비저항측정프로브가 하나의 몸체에 모두 구비되어 탄성파 및 비저항을 동시에 측정할 수 있다. 즉, 종래에는 전단파 측정을 위한 관입과 비저항 측정을 위한 관입이 별도로 이루어지게 되어 과도한 관입 비용이 발생되는 문제점이 있었으나, 본 발명의 경우에는 한 번의 관입으로 전단파와 비저항을 동시에 측정할 수 있어 비용을 절감함과 동시에 동일한 위치에서 동시에 측정한 전단파 측정값과 비저항 측정값을 상호 비교하고 보완하여 데이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 소일 플러깅(Soil plugging) 및 지반과의 교란 효과를 최소화할 수 있다.
다시 말하면, 쐐기형 관입날이 구비된 블레이드몸체의 일측 표면에 비저항측정프로브를 설치하고, 블레이드몸체의 양측 단부에 하단부로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형태의 H 빔으로 구성되는 관입프레임을 결합하고, 이러한 관입프레임의 웨브 에 트랜스듀서를 설치하여 관입시 지반과의 접촉 면적을 최소화하고 지반과의 교란 효과를 최소화하여 대심도 대심도 현장 지반의 미소 변형률 구간에 대한 지반 거동 및 특성을 정확하게 파악할 수 있으며, 관입시 발생하는 소일 플러깅 현상도 효과적으로 방지할 수 있다.
셋째, 예비용 비저항측정프로브가 함께 장착되어 현장에서 쉽게 대체 사용할 수 있다.
다시 말하면, 블레이드몸체의 일측 표면 및 타측 표면에 각각 비저항측정프로브가 설치되고 평상시에는 일측 표면에 설치된 비저항측정프로브만을 사용하다가 장애가 발생하는 경우 즉시 타측 표면에 설치된 비저항측정프로브에 동축케이블을 연결하여 대체 사용이 가능하여 고장난 부품의 교체로 인한 작업 지연을 방지할 수 있다.
넷째, 트랜스듀서로 연결되는 동축케이블을 보호할 수 있다.
다시 말하면, 관입프레임에 별도의 동축케이블보호커버를 부착하여 관입시 동축케이블이 지반에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도1은 본 발명의 구체적 실시예의 사시도이고, 도2는 비저항측정프로브가 설치된 부분의 단면도이고, 도3은 관입프레임 및 동축케이블보호커버의 구조를 보여 주는 사시도(부분 단면도 포함)이고, 도4는 지상제어장치와의 연결관계를 도시한다.
본 발명은 도4에 도시된 바와 같이 신호발생기(22), 오실로스코프(33), 필터 및 증폭기(44)를 포함하는 지상제어장치와 연결되어 함께 사용되고 지반으로 관입되는 프로브에 관한 것이다.
관입봉(100)은 대심도 관입을 위한 시추장비의 로드와 연결되는 부분이다.
관입봉(100)에는 그 내부에 길이 방향으로 중공(110)이 형성되어 있으며, 지상제어장치와 연결되는 동축케이블(11)이 중공(110)의 내부를 통과하여 트랜스듀서(400) 및 비저항측정프로브(500)와 연결된다.
블레이드몸체(200)는 관입봉(100)의 하단부에 고정되어 관입봉(100)과 일체를 형성하는데, 블레이드몸체(200)는 전체적으로 주걱 형태를 하고 있으며, 블레이드몸체(200)의 하단부에는 쐐기형 단면의 관입날(210)이 구비되어 관입시 지반 교란을 최소화할 수 있다.
관입프레임(300)의 상부가 블레이드몸체(200)의 양측 단부 각각에 길이 방향으로 서로 평행하게 부착되어 한 쌍을 이루게 되고, 상기 관입날(210)의 하단부로 돌출되는 형태가 된다.
관입프레임(300)은 도3에 도시된 바와 같이 하단으로 갈수록 웨브(310) 길이가 감소하는 테이퍼 형태의 H 빔으로 구성되는데, 관입프레임(300)의 플랜지(320) 부위가 블레이드몸체(200)에 용접되어 일체로 부착된다.
이러한 관입프레임(300)의 하단부에는 첨단부(330)가 구비되어 관입시 지반 과의 교란을 최소화하여 관입이 용이하게 이루어지도록 한다.
트랜스듀서(400)는 관입날(210)의 하단부로 돌출된 관입프레임(300) 부분의 웨브(310)를 관통하여 서로 대향하도록 설치되어 입력파를 지반으로 전파시키고, 지반을 통과한 탄성파를 수신하는 역할을 하게 되는데, 일측 관입프레임(300)에 발신용 트랜스듀서(411)가 설치되고 타측 관입프레임(300)에 수신용 트랜스듀서(412)가 설치되어야 한다.
이러한 트랜스듀서(400)는 도1에 도시된 바와 같이 2개의 발신용 트랜스듀서(411)와 2개의 수신용 트랜스듀서(412)만을 설치할 수도 있고 경우에 따라서는 다수 개의 발신용 트랜스듀서(411)와 다수 개의 수신용 트랜스듀서(412)를 설치할 수도 있다.
지상제어장치와 연결되는 다수 개의 동축케이블(11) 가운데 트랜스듀서(400)와 연결되는 동축케이블(11)은 관입봉(100)의 중공(110)을 통과한 후 블레이드몸체(200)의 외부로 노출되어 관입프레임(300)의 웨브(310)를 따라 진행하다가 트랜스듀서(400)의 단부에 연결된다.
또한 관입프레임(300) 각각의 웨브(310) 외측면에는 길이 방향을 따라 동축케이블보호커버(340)가 볼트결합되어 관입시 동축케이블(11)이 지반에 의하여 손상되는 것을 방지한다.
비저항측정프로브(500)는 관입날(210)의 상부에 위치하는데, 블레이드몸체(200) 일측 표면에 다수 개가 설치되어 지반의 비저항을 측정한다.
본 발명의 경우에는 4개의 채널을 사용하는 Wenner-Array 방식을 사용하기 위하여 4개의 비저항측정프로브(500)가 설치되었으나 반드시 이러한 수치에 한정되는 것은 아니다.
지상제어장치와 연결되는 다수 개의 동축케이블(11) 가운데 비저항측정프로브(500)와 연결되는 동축케이블(11)은 관입봉(100)의 중공(110)을 통과한 후 블레이드몸체(200)의 내부를 통하여 비저항측정프로브(500)의 내측 단부에 연결된다.
도2에 도시된 바에 의하면 비저항측정프로브(500)가 설치되는 블레이드몸체(200)의 표면이 전후로 관통되고, 관통된 일측 표면 및 타측 표면 각각에 카운터보어(counter bore) 가공이 된다.
카운터보어 가공된 일측 표면 및 타측 표면에는 각각 원반 형태의 프로브장착디스크(220)가 삽입되어 부착되는데, 동축케이블(11)이 연결된 비저항측정프로브(500)는 프로브장착디스크(220) 가운데 어느 하나를 관통하여 외부로 노출되도록 설치되어 비저항측정용으로 사용된다.
나머지 하나의 프로브장착디스크(220)에는 동축케이블(11)이 연결되지 않은 비저항측정프로브(500)만 비저항측정프로브(500)를 관통하여 외부로 노출되도록 설치되어 있다.
다시 말하면 블레이드몸체(200)의 일측 표면에 장착된 비저항측정프로브(500)만 동축케이블(11)에 연결되어 비저항 측정에 사용되고, 나머지 타측 표면에 장착된 비저항측정프로브(500)는 예비용으로서 동축케이블(11)이 연결되지 않은 상태이며, 사용하고 있는 비저항측정프로브(500)에 문제(장애)가 발생되는 경우에만 동축케이블(11)을 연결하여 사용하게 된다. 즉, 예비용 비저항측정프로브(500) 를 미리 구비하여 현장에서 즉시 교체 사용이 가능하다.
도4에는 지상제어장치와 본 발명의 연결 관계를 도시하고 있다.
신호발생기(22)에서 발생된 제어신호가 동축케이블(11)을 따라 오실로스코프(33), 발신용 트랜스듀서(411) 및 비저항측정프로브(500)로 각각 전달되고, 수신용 트랜스듀서(412) 및 비저항측정프로브(500)에서 측정한 신호는 동축케이블(11)을 따라 필터 및 증폭기(44)로 전달되고, 필터링과 증폭 과정을 거친 신호가 다시 오실로스코프(33)로 전달된다.
이와 같은 장비를 이용한 개략적인 작업 수행 과정은 다음과 같다.
(1) 시추 관입장비를 이용하여 측정 깊이까지 관입봉(100)을 연결하여 본 발명인 하이브리드 프로브를 관입한다.
(2) 발신 트랜스듀서(400)를 이용하여 입력파를 보낸다.
(3) 수신 트랜스듀서(400)를 이용하여 탄성파를 측정한다.
(4) 탄성파의 속도를 산정한다.
V = L / t
L : 발신 트랜스듀서(400)와 수신 트랜스듀서(400) 사이의 거리
t : 파의 도달시간
(5) Wenner Array 방식을 이용하여 비저항 값을 비저항측정프로브(LCR 미터)를 이용하여 측정하는데, 이에 대한 자세한 언급은 본 발명의 대상과는 직접적인 연관성이 없어 생략한다.
(6) 측정한 비저항 값과 각극수의 도전율을 통해 현장에서 심도별 간극율을 Archie's Law를 이용하여 간극비로 환산하는데, 이에 대한 자세한 언급은 본 발명의 대상과는 직접적인 연관성이 없어 생략한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계 변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치 한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.
도1은 본 발명의 구체적 실시예의 사시도이다.
도2는 비저항측정프로브가 설치된 부분의 단면도이다.
도3은 관입프레임 및 동축케이블보호커버의 구조를 보여주는 사시도(부분 단면도 포함)이다.
도4는 지상제어장치와의 연결관계를 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:관입봉
110:중공
200:블레이드몸체
210:관입날
220:프로브장착디스크
300:관입프레임
310:웨브
320:플랜지
330:첨단부
340:동축케이블보호커버
400:트랜스듀서
411:발신용 트랜스듀서
412:수신용 트랜스듀서
500:비저항측정프로브
11:동축케이블
22:신호발생기
33:오실로스코프
44:필터 및 증폭기

Claims (5)

  1. 신호발생기(22), 오실로스코프(33), 필터 및 증폭기(44)를 포함하는 지상제어장치와 연결되어 함께 사용되는 프로브에 관한 것으로서,
    축방향으로 중공(110)이 형성된 관입봉(100);
    상기 관입봉(100)의 하단부에 고정되며, 주걱 형태의 하단부에 쐐기형 단면의 관입날(210)이 구비되는 블레이드몸체(200);
    상부는 상기 블레이드몸체(200)의 양측 단부에 길이 방향으로 서로 평행하게 부착되고 하부는 상기 관입날(210)의 하단부로 돌출되는 한 쌍의 관입프레임(300);
    상기 관입날(210)의 하단부로 돌출된 상기 관입프레임(300)의 하부를 관통하여 서로 대향하도록 설치되어 입력파를 지반으로 전파시키고, 지반을 통과한 탄성파를 수신하는 다수 개의 트랜스듀서(400); 및,
    상기 관입날(210) 상부의 상기 블레이드몸체(200) 일측 표면에 설치되어 지반의 비저항을 측정하는 다수 개의 비저항측정프로브(500);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 관입프레임(300)은 하단으로 갈수록 웨브(310) 길이가 감소하는 테이퍼 형태의 H 빔으로 구성되고,
    상기 관입프레임(300)의 상부에 있는 플랜지(320)가 상기 블레이드몸체(200)에 용접되어 일체로 부착되고,
    상기 트랜스듀서(400)는 상기 관입날(210)의 하단부로 돌출된 부위에 있는 웨브(310)를 관통하도록 설치되고,
    상기 관입프레임(300)의 하단부에는 첨단부(330)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정 하이브리드 프로브.
  2. 제1항에서,
    지상제어장치와 연결되는 다수 개의 동축케이블(11) 가운데 상기 비저항측정프로브(500)와 연결되는 상기 동축케이블(11)은 상기 중공(110)을 통과한 후 상기 블레이드몸체(200)의 내부를 통하여 상기 비저항측정프로브(500)의 단부에 연결되고, 상기 트랜스듀서(400)와 연결되는 상기 동축케이블(11)은 상기 중공(110)을 통과한 후 상기 블레이드몸체(200)의 외부로 노출되어 상기 관입프레임(300)의 웨브(310)를 따라 진행하다가 상기 트랜스듀서(400)의 단부에 연결되는 것을 특징으로 하는 포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정 하이브리드 프로브.
  3. 제2항에서,
    상기 비저항측정프로브(500)가 설치되는 상기 블레이드몸체(200)의 표면이 관통되고, 관통된 일측 표면 및 타측 표면 각각에 카운터보어(counter bore) 가공이 되고, 상기 카운터보어 가공된 일측 표면 및 타측 표면에 각각 삽입되어 부착되는 2개의 원반 형태의 프로브장착디스크(220)가 구비되고,
    상기 동축케이블(11)이 연결된 상기 비저항측정프로브(500)는 상기 프로브장착디스크(220) 가운데 어느 하나를 관통하여 외부로 노출되도록 설치되어 비저항측정용으로 사용되고, 나머지 하나의 상기 프로브장착디스크(220)에는 상기 동축케이블(11)이 연결되지 않은 비저항측정프로브(500)가 상기 비저항측정프로브(500)를 관통하여 외부로 노출되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정 하이브리드 프로브.
  4. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에서,
    상기 관입프레임(300) 각각의 웨브(310) 외측면에는 길이 방향을 따라 동축케이블보호커버(340);
    가 설치되는 것을 특징으로 하는 포크 블레이드 타입 현장 전단파 및 비저항 측정 하이브리드 프로브.
  5. 삭제
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