KR101067576B1 - 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실내에서 진동다짐장비와 인공지반에 가속도 측정시스템을 구축하여 진동다짐시의 진동다짐기 및 지반의 응답특성을 분석하여 그 실험결과를 토대로 성토다짐 시공현장에서 사용되는 진동롤러와 지반의 진동다짐시 가속도 응답특성을 분석하여 성토지반의 다짐도를 실시간으로 파악하고, 성토지반의 심도별 파 전달속도를 측정하여 성토지반의 다짐도와의 상관성을 찾아냄으로써 이 파 전달속도를 이용한 다짐관리기준을 산정하기 위한 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법에 관한 것으로, 성토재료의 상대밀도에 대한 지반응답치의 상관관계를 파악하기 위해 진동실험을 수행하되 가진장치의 응답 및 지표면다짐에 의하여 심도별 다짐도 및 지중에서의 진동응답을 분석할 수 있도록 가진장치인 진동시험기의 재하판과 성토재료의 소정의 심도에 각각 가속도계를 설치하여 진동도달속도를 측정하는 단계와; 상기 단계에서 측정된 파의 전달속도를 분석하여 성토지반의 종류에 대한 다짐심도에 따른 다짐도의 분포 및 성토지반에 대한 상대밀도를 유추할 수 있는 파의 전달속도를 결정하고, 가진주파수에 대한 특정 상대밀도를 구하기 위한 응답특성치를 결정하는 단계; 로 이루어진다.

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Description

성토재료의 다짐특성 실내 측정방법 및 장치 {Measurement method and device of characteristics of soil compaction in laboratory}

본 발명은 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 상세히는 댐이나 방파제 또는 도로성토 등의 각종 건설현장에서 조립재료를 다져서 토목구조물을 시공하는 현장에서 사용되는 진동롤러와 지반의 진동다짐시 가속도 응답특성을 분석하여 성토지반의 다짐도를 실기간으로 파악하는데 활용할 수 있도록 한 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.

댐이나 방파제 또는 도로공사 등 각종 성토공사에 있어서 축조에 사용되는 재료의 전단강도와 변형특성은 안정설계와 침하량 예측 등에 관한 설계에 있어서 가장 중요한 공학적 성질이기 때문에 양질의 재료를 사용하여 소정의 밀도를 확보하는 것이 가장 바람직하나, 현장 여건에 따라서는 양질의 재료를 확보하기 어려워 불량한 재료를 사용하여야 할 경우가 있는데, 이 경우 설계조건을 만족시키는 방법은 결국 양호한 다짐도를 확보하는 것이 성공적인 성토공사의 관건이 될 수 있다.

특히, 필댐이나 도로의 성토와 같이 쇄석 등의 조립재료가 이용되는 경우에 는 다짐하중을 받아 다짐되는 매커니즘에 대해서는 아직 명확하게 이론적으로 정립되어 있지 않다. 다만, 입자의 강도와 형상, 입도분포, 다짐하중의 형태, 입자의 파쇄여부, 물의 영향 등이 복잡하게 영향을 주고받으며 다짐이 이루어진다고 알려져 있다.

따라서 이들 구조물의 안정을 확보하기 위하여 소요의 강도와 변형성 및 배수성을 갗춰야 하며, 설계시 대개의 경우 제체의 안정성 검토는 원호활동면법이 사용되는데, 이는 축조재료가 소요의 전단강도를 가져야 함을 의미하며, 록필(rock-fill)재료의 경우에도 침하거동 및 배수거동이 적절하여야 하고, 이때 다짐관리는 소요의 전단강도, 변형특성 및 배수특성을 갖도록 조절하는 것이 된다.

이와 같이 다짐에 의한 품질관리는 크게 시험에 의한 방법과 육안확인에 의한 방법의 두 가지가 있다.

먼저, 시험에 의한 방법은 미리 적절한 품질관리기준(다짐도)을 만들어 두고, 그 값을 기준으로 시험을 실시하여 그 시험결과에 따라 관리하는 방법으로 시험결과 각각에 대하여 판정하는 동시에 통계적인 방법에 의해 전체적으로 균질성에 대해서도 판정이 가능하다.

한편, 육안에 의한 방법은 시공이 맞게 이루어지고 있는지, 재료 상태가 어떠한가, 균일성은 확보되고 있는가 등을 주안점으로 삼고 시공상태를 육안으로 판정하는 방법이다. 최근에는 개인오차가 많은 육안에 의한 방법 보다는 IT기술 등을 활용하는 첨단현장 품질관리 기술 등을 주로 채택하는 추세이다.

본 발명의 목적은 실내에서 진동다짐장비와 인공지반에 가속도 측정시스템을 구축하여 진동다짐시의 진동다짐기 및 지반의 응답특성을 분석하여 그 실험결과를 토대로 성토다짐 시공현장에서 사용되는 진동롤러와 지반의 진동다짐시 가속도 응답특성을 분석하여 성토지반의 다짐도를 실시간으로 파악하고, 성토지반의 심도별 파 전달속도를 측정하여 성토지반의 다짐도와의 상관성을 찾아냄으로서 이 파 전달속도를 이용한 다짐관리기준을 산정하고자 하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 응답특성치에 의한 다짐관리를 수행하기 위한 실내실험 방법과 다짐심도별 다짐특성을 파악하기 위한 측정방법을 제공한다.

응답특성치에 의한 다짐관리

진동다짐에 의해서 지반에 설치된 진동가속도계에서 얻어지는 가속도 값은 다짐횟수가 증가함에 따라 변화가 발생한다. 도 1에서 나타내는 것과 같이, 다짐횟수가 작을 경우에는 지반상태의 강성이 작아서 기본주파수와 유사하지만, 다짐이 진행되어 지반강성이 커지면 주파수의 파형이 기본주파수 파형과 다른 형상으로 변화하게 된다. 그 원인으로는 지반의 진동다짐이 진행됨에 따라서 지반내의 강성이 증가하여, 다양한 주파수가 발생하여 기본주파수에 합성되어지기 때문이다.

도 2에 나타낸 것과 같이, 기본 진동주파수를 포함한 몇 가지의 주파수에 대응하도록 되어 있는 BPF(Band-Pass Filter)에 의한 필터링을 한 후에, 각 주파수에 해당하는 진폭을 검출한다.

여기에서 정해진 검출되어진 진폭값에 근거하여 연산처리하는 방법은 다음의 식 (1) ~ (3)에서 제안되어진 식을 이용하여 다짐도(지반의 강도)를 결정한다.

흙의 파 전달속도 분포

흙의 변형(deformation) 또는 변위(displacement)는 일반적으로 그 흙의 강도(strength) 보다는 그 흙의 강성(stiffness)에 좌우된다. 즉, 동일한 강도를 지닌 흙의 경우 강성이 작으면 강성이 큰 흙보다 동일한 외력에 대하여 더 많은 변형 또는 변위가 발생하게 된다. 이때 흙의 강성을 나타내는 공학적 파라메타는 변형계수(modulus)와 포아송비(Poisson's ratio)이다. 이러한 변형계수에는 일반적으로 널리 알려져 있는 Young계수 E와 전단탄성계수(shear modulus) G, 체적변형계 수(volumetric modulus 또는 bulk modulus) K 등이 있다.

일반적으로 파의 전달속도 Vp와 VS는 흙의 탄성계수인 Young계수 E와 전단탄성계수 G로 부터 산정할 수 있다.

위 식으로부터 전단파속도 V_s를 알면 E와 G를 계산할 수 있다. 즉, 실험에서는 그 흙에 가진하여 파를 발생시켜서 파의 발생시간 t0과 도달시간t1,t2,t3들 사이의 시간차를 측정하고 전달거리에 대하여 그 시간으로 나누어 줌(Vp or S=s/(t1-t0))으로써 파의 전달속도를 구할 수 있다.

본 발명은 실내에서 진동다짐장비와 인공지반에 가속도 측정시스템을 구축하여 진동다짐시의 진동다짐기 및 지반의 응답특성을 분석하여 그 실험결과를 토대로 성토다짐 시공현장에서 사용되는 진동롤러와 지반의 진동다짐시 가속도 응답특성을 분석함으로써 성토지반의 다짐도를 실시간으로 파악할 수 있고, 성토지반의 심도별 파 전달속도를 측정하여 성토지반의 다짐도와의 상관성을 찾아냄으로써 이 파 전달속도를 이용한 다짐관리기준을 산정할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실내 다짐특성 측정시스템을 사용하여 진동전달속도를 측정하는 순서를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 진동실험은 상대밀도에 대한 지반응답치의 상관관계를 파악하기 위하여 수행되었으며, 가진 장치의 응답뿐만 아니라 지표면다짐에 의하여 심도별 다짐도 및 지중에서의 진동응답을 분석하기 위하여 도 3과 같이 가진장치인 진동시험기의 재하판과 성토재료의 소정의 심도에 각각 가속도계를 설치하여 실험을 수행하였다.

① 가속도계, 데이터로거 등 실험장비 준비 (도 4 참조)

② 진동파의 반사를 줄이기 위하여 실험 직경 60cm, 높이 60cm인 컨테이너 바닥 및 벽면에 멤브레인 부착 (도 5 참조)

③ 지반(표준사)을 3층으로 나누어 각 층 성토 후, 컨테이너 중앙에 가속도계를 설치 (도 6 참조)

④ 상대밀도를 증가시키기 위하여 지반 전체를 다지기 위하여 두께 10cm의 철판을 설치한 후, (도 7 참조)

⑤ 다짐기로 소정을 높이까지 다짐 (도 8 참조)

⑥ 밀도를 산정하기 위하여 지반의 높이 측정 (도 9 참조)

⑦ 진동도달속도를 측정 (도 10 참조)

⑧ 진동시험용 재하판(15cm와 26cm) 준비 및 진동시험 수행 (도 11 참조)

⑨ 상대밀도별 진동시험을 수행하기 위하여 소정의 횟수만큼 4번에서 8번까지의 순서를 반복수행

⑩ 진동도달속도시험 및 진동시험에서 얻은 결과분석

다음은 본 발명의 실내 다짐특성 측정시스템을 이용하여 측정한 파의 전달속도 및 응답특성치에 대하여 분석하는 순서이다.

파의 전달속도에 대한 분석은 성토지반의 종류에 대한 다짐심도에 따른 다짐도의 분포 및 성토지반에 대한 상대밀도를 유추할 수 있는 파의 전달속도를 결정하기 위하여 수행하고, 응답특성치 분석은 가진주파수에 대한 특정 상대밀도를 구하기 위한 응답특성치를 결정하기 위하여 수행한다.

파의 전달속도 분석

① 컨테이너에 다짐성토된 성토지반의 전체 심도 및 각 가속도계간의 거리를 측정한다.

② 재하판에 타격진동을 가한다.

③ 타격진동 가격시에 각 가속도계에서 발생한 초동시간을 측정한다.(도 12 참조)

④ ①에서 측정한 각 가속도간의 거리를 ③에서 측정한 각 가속도계에서 측정한 초동시간으로 나누어 각 가속도간의 파의 전달속도를 산정한다.

⑤ 성토지반별 상대밀도와 파의 전달속도에 대한 상관성을 산정한다.

⑥ ⑤에서 산정한 상관성을 바탕으로 대상 성토지반의 관리 상대밀도에 해당하는 파의 전달속도를 결정한다.

응답특성치 분석

① 컨테이너에 다짐성토된 성토지반의 전체 심도를 측정하여 상대밀도를 구한다.

② 재하판을 통하여 성토지반에 각 주파수별 가진력을 제공한다.

③ 각 가속도계에서 가진력에 대한 응답을 측정한다.

④ ③에서 측정한 각 가속도계의 응답에서 잡음을 제거하기 위하여 필터링을 수행한 후, FFT분석을 수행한다.(도 14 참조)

⑤ ④에서 얻은 FFT분석결과로부터 각 응답특성치를 산정할 수 있는 주파수대의 파워 스펙트럼을 결정한다.

⑥ ⑤에서 산정한 파워 스펙트럼으로부터 성토현장에 적합한 응답특성치를 결정한다.

도 15에 나타난 파워스펙트럼으로부터 성토현장에 적합한 응답특성치를 계산하는 방법은 다음과 같다.

도 15에서 A1(가진주파수의 1/2배에 해당되는 주파수에서의 스펙트럼값), A2(가진주파수에서의 스펙트럼값), A3(가진주파수의 3/2배에 해당되는 주파수에서 의 스펙트럼값), A4(가진주파수의 2배에 해당되는 주파수에서의 스펙트럼값), A5(가진주파수의 5/2배에 해당되는 주파수에서의 스펙트럼값), A6(가진주파수의 3배에 해당되는 주파수에서의 스펙트럼값)을 측정하여 응답특성치 산정식(식 (1),(2),(3) 참조)에 대입하여 응답특성치를 구하면 다음 표와 같다.

	A1	A2	A3	A4	A5	A6	CCV	PWIR	CMV	비 고
표준사	0.07	0.85	0.25	0.4	0.005	0.001	0.789	0.553	0.471
사력재료	0.25	0.8	0.2	0.5	0.05	0.02	0.971	0.646	0.625
쇄석재료	0.01	0.02	0.006	0.008	0.002	0	0.867	0.456	0.400

상기와 같은 방법으로 상대밀도 혹은 다짐횟수에 대하여 그래프를 그리면 도 16과 같은 결과를 얻을 수 있으며, 이 그래프를 바탕으로 성토의 다짐관리의 기준치를 산정하는데, 예를 들어 상대밀도 60%를 기준으로 다짐관리를 한다고 하면, 다짐횟수를 4회로 하여야 하고 이때의 응답특성치의 기준은 CCV로 계산한 경우에는 140, PWIR로 계산한 경우에는 85, CMV로 계산한 경우에는 90이 되며, 다짐시공관리 시에 현장에서 이들 특성치를 산정하여 이 기준치 이상이 되도록 다짐관리를 한다.

도 1은 성토재료의 다짐횟수 증가에 따른 진동가속도의 변화 그래프,

도 2는 밴드패스필터에 의한 연산처리법을 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명에 의한 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법의 개념도,

도 4는 실험장비의 실물사진,

도 5는 멤브레인의 부착상태를 보인 사진,

도 6은 심도별 지중 가속도계의 설치상태를 보인 사진,

도 7은 다짐용 철판 설치상태를 보인 사진,

도 8은 다짐작업을 보인 사진,

도 9는 지반 높이 측정상태를 보인 사진,

도 10은 진동도달속도의 측정사진,

도 11은 진동시험을 수행하는 상태를 보인 사진,

도 12는 초동시간 측정상태의 그래프,

도 13은 상대밀도와 파의 전달속도에 대한 상관성 산정 그래프,

도 14는 가속도 응답의 필터링 및 FFT분석 결과 그래프,

도 15는 FFT분석 결과로부터 특정 주파수의 파워 스펙트럼을 결정하는 상태를 보인 그래프,

도 16은 상대밀도 혹은 다짐횟수와 파워 스펙트럼결과로부터 산정한 다짐도(응답특성치)의 관계부터 다짐관리기준치를 산정하는 그래프이다.

Claims (4)

1. 성토재료의 상대밀도에 대한 지반응답치의 상관관계를 파악하기 위해 진동실험을 수행하되 가진장치의 응답 및 지표면다짐에 의하여 심도별 다짐도 및 지중에서의 진동응답을 분석할 수 있도록 가진장치인 진동시험기의 재하판과 성토재료의 소정의 심도에 각각 가속도계를 설치하여 진동도달속도를 측정하는 단계;

   상기 단계에서 측정된 파의 전달속도를 분석하여 성토지반의 종류에 대한 다짐심도에 따른 다짐도의 분포 및 성토지반에 대한 상대밀도를 유추할 수 있는 파의 전달속도를 결정하고, 가진주파수에 대한 특정 상대밀도를 구하기 위한 응답특성치를 결정하는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 파의 전달속도 측정은

   ① 컨테이너에 다짐성토된 성토지반의 전체 심도 및 각 가속도계간의 거리를 측정하고,

   ② 재하판에 타격진동을 가하며,

   ③ 타격진동 가격시에 각 가속도계에서 발생한 초동시간을 측정하고,

   ④ ①에서 측정한 각 가속도간의 거리를 ③에서 측정한 각 가속도계에서 측정한 초동시간으로 나누어 각 가속도간의 파의 전달속도를 산정하며,

   ⑤ 성토지반별 상대밀도와 파의 전달속도에 대한 상관성을 산정하고,

   ⑥ ⑤에서 산정한 상관성을 바탕으로 대상 성토지반의 관리 상대밀도에 해당하는 파의 전달속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법.
3. 삭제
4. 청구항 1의 측정방법에 사용되는 장치로,

   성토재료가 채워지는 컨테이너와, 상기 컨테이너에 채워진 성토재료의 소정 심도와 상기 성토재료를 타격하기 위한 진동시험기의 재하판에 설치되는 복수의 가속도계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 성토재료의 다짐특성 실내 측정장치.

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