KR101166522B1 - 밀폐성 및 회전성 강화형 링 전단시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토양 시료의 전단강도를 측정하기 위한 링 전단시험장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 미끄럼 방지기능이 있는 링 전단시험장치는, 토양 시료가 수용될 수 있는 고리형의 제1수용부를 형성하는 상부링과, 상부링의 제1수용부와 상호 대응되어 연통되며 토양 시료가 수용될 수 있는 고리형의 제2수용부를 형성하며 상부링의 하부에 밀착되어 상부링에 대하여 회전가능하게 설치되는 하부링과, 하부링을 상부링에 대하여 회전시키기 위한 회전장치 및 상부링에 결합되어 토양 시료의 전단강도를 측정하기 위한 전단강도 측정센서와, 제1수용부 및 제2수용부에 수용된 토양 시료 또는 물이 외부로 유출되지 않게 하기 위한 것으로서 상기 상부링의 하면에 형성된 그루브에 삽입되어 상기 상부링의 하면과 상기 하부링의 상면 사이에 개재되는 실링부재를 구비하며, 하부링이 회전할 때 토양 시료가 미끄러지는 것을 방지하도록 하부링의 내주면에는 둘레방향을 따라 볼록하게 돌출된 다수의 돌기가 형성되어 있는 것에 특징이 있다.

Description

밀폐성 및 회전성 강화형 링 전단시험장치{Ring shear apparatus for enforcing sealing and rotation control}

본 발명은 산사태와 관련한 자연재해 저감기술에 관한 것으로서, 특히 산사태의 유동성을 평가하는데 있어서 중요한 요소인 토양의 전단강도를 측정할 수 있는 링 전단시험장치에 관한 것이다.

산사태는 지진, 국지성 호우, 해빙 등 외부적인 요인들에 의해 토체(soil mass)가 기반암 상부의 얇은 토양층으로 따라 미끄러지면서 발생하는데, 국내에서는 주로 국지성 호우에 기인하는 경우가 많다.

산사태 발생 사면은 점진적으로 활동파괴면을 형성하고 슬라이딩(사면활동)과 토석류(debris flow) 발생으로 이어진다. 이러한 이유로 인하여, 산사태는 (1) 파괴 전, (2) 파괴 및 (3) 파괴 후 거동으로 나누어 사면의 거동을 해석하게 된다.

활동파괴면을 따라 산사태 발생지역의 토체는 강수량 변화에 기인하여 포화와 불포화 상태를 반복적으로 경험하고 지속적인 변형을 보인다. 자연사면의 안정성은 시간과 변형의 함수로서 강도특성(배수 및 비배수전단강도)에 의해 결정한다. 파괴 전 변형에 따른 전단강도는 사면의 조기경보시스템과 관련되며 사면의 안정성 평가에 반드시 필요한 매개변수이다. 파괴 후 과정에 해당하는 토석류의 발생은 사회기반시설의 피해와 직접적으로 관련된다.

파괴 전 단계에 해당하는 '아주 느리게 움직이는 산사태'는 10^-6 cm/s 이하의 속도로 진행된다. 이때 자연사면의 토체는 진행성 활동을 보이나 사면의 움직임은 육안으로 식별하기 어렵다. 사면이 파괴에 도달한 후 토체의 이동속도는 보통 0.1 cm/s 내외이다. 이보다 빠르게 움직이는 산사태의 거동을 '매우 빠르게 움직이는 산사태'로 명명하며, 진행속도는 일반적으로 5 Cm/s에 달한다. 또한 이렇게 발생한 산사태에서 사질토의 액상화와 같이 토양이 고유의 토질강도를 잃게 되면, 그 결과로 토석류가 발생하게 되고 퇴적물류는 유체처럼 거동하며 최대 속도가 10 m/s에 달한다.

매년 국지성 호우로 인해 발생하는 국내의 크고 작은 산사태는 국민생활 전반에 걸쳐 사회적, 경제적 손실을 동반하고 주거생활권을 약화시키고 있다. 이처럼 예상치 못한 산사태의 사전예측 및 파괴 후 발생될 토석류의 유동성을 평가하기 위한 시험장치의 개발이 요구된다. 특히 산사태에서의 중요한 조건들, 즉 포화와 불포화의 조건, 배수 및 비배수의 조건, 압밀 및 비압밀의 조건을 다양하게 변화시켜 가면서 정량적으로 토양의 전단강도를 측정할 수 있는 시험장치의 개발이 요구된다.

한편 링 전단시험장치의 경우 토양 시료를 수용하는 수용부를 구비하며, 수용부를 형성하는 상부와 하부(예컨대, 링 형태의 경우 상부링과 하부링)가 상대이동할 수 있도록 구성되어, 사면의 활동파괴면을 재현할 수 있도록 제작된다. 즉, 전단시험장치의 상부와 하부가 상대이동 하면, 상부에 수용된 토양과 하부에 수용된 토양도 상대 이동되므로, 이들 사이의 면이 산사태 때의 활동파괴면을 재현한 것이다.

그러나, 종래의 전단시험장치는 아래와 같은 문제점이 있었다.

상부와 하부가 링 형태로 제작되고, 링 내부에 토양을 수용하는 링 전단시험장치를 예로 들어 설명한다. 링 전단시험장치의 경우, 상부링과 하부링을 상대회전시키면서 시험을 수행하는데, 특히 비배수 전단강도를 시험하기 위해서는 상부링과 하부링이 상대회전하면서도 이들 사이가 완전히 밀폐되어 토양이나 물이 외부로 배출되지 않아야 한다. 이에 상부링을 하부링 쪽으로 가압하거나, 하부링을 상부링쪽으로 가압하여 이들 사이를 밀폐시키도록 구성된다.

그런데, 상부링과 하부링을 너무 가압하여 밀착시키면 상부링과 하부링 사이의 회전속도를 제어하기 어려우며 파손의 위험이 있다. 그렇다고 하여 상부링과 하부링을 약하게 가압하는 경우 토양과 물이 유출되는 문제점이 있다. 종래에는 상부링과 하부링 사이에 일반적 형태의 오링을 개재하여 상기한 문제점을 해결하려고 하였으나, 만족할 만한 효과를 얻지 못하였다. 이에 상부링과 하부링 사이의 밀폐 구조를 개선하여 링 전단시험장치의 밀폐성과 회전성을 조절할 필요가 있다.

또한, 종래의 링 전단시험장치에서 상부링과 하부링 내부에 토양 시료가 수용되는데, 상부링과 하부링이 상대회전되면 토양 시료가 상부링과 하부링의 내주면에서 미끄러지는 현상(wall-slip effect)이 발생한다. 이렇게 토양 시료가 상부링과 하부링 사이에서 미끄러지면, 토크에 손실이 발생하여 상부링 또는 하부링에서 전단강도를 측정할 때 오차가 발생하게 된다. 이에 토양 시료가 상부링 또는 하부링의 벽면에서 미끄러지지 않도록 하여 전단강도를 정확하게 측정할 수 있는 시험장치의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 산사태를 사전 예측하거나 산사태로 인한 토석류의 유동성을 평가하는데 있어서 중요한 요소인 토양의 전단강도를 측정함에 있어서, 토양 시료의 벽면 미끄럼 현상이 발생하지 않게 하여 측정의 정확성이 향상되며, 회전성과 밀폐성이 강화된 링 전단시험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 링 전단시험장치는, 토양 시료가 수용될 수 있는 고리형의 제1수용부를 형성하며, 하면에 둘레방향을 따라 오목하게 그루브가 형성되어 있는 상부링, 상기 상부링의 제1수용부와 상호 대응되어 연통되며 토양 시료가 수용될 수 있는 고리형의 제2수용부를 형성하며, 상기 상부링의 하부에 밀착되어 상기 상부링에 대하여 회전가능하게 설치되는 하부링, 상기 하부링을 상기 상부링에 대하여 회전시키기 위한 회전장치, 상기 상부링에 결합되어 상기 토양 시료의 전단강도를 측정하기 위한 전단강도 측정센서 및 상기 제1수용부 및 제2수용부에 수용된 토양 시료 또는 물이 외부로 유출되지 않게 하기 위한 것으로서, 상기 상부링의 하면에 형성된 그루브에 삽입되어 상기 상부링의 하면과 상기 하부링의 상면 사이에 개재되는 실링부재를 구비한다.

본 발명에 따르면, 상기 그루브는 상기 상부링의 하면으로부터 상방으로 절곡되어 평면 형상으로 이루어진 경사부가 형성된다.

특히, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 그루브의 단면 형상은 삼각형이며, 상기 하부링의 상면에는 상기 상부링에 형성된 그루브의 형상에 대응되어 삽입될 수 있도록 삼각 형상의 돌출부가 형성되며, 상기 실링부재는 절곡되게 형성되어 상기 그루브와 돌출부 사이에 개재된다.

또한 다른 실시예에서, 상기 그루브의 단면 형상은 사각형이며, 상기 하부링의 상면에는 상기 상부링에 형성된 그루브의 형상에 대응되어 삽입될 수 있도록 사각 형상의 돌출부가 형성되며, 상기 실링부재는 상기 그루브와 돌출부 사이에 개재된다.

그리고 또 다른 실시예에서, 상기 그루브의 단면 형상은 사각형이며, 상기 하부링의 상면에는 사각 형상으로 오목하게 홈부가 형성되며, 상기 실링부재는 상기 그루브와 홈부에 각각 끼워져 개재된다.

본 발명에서, 상기 그루브는 상기 상부링의 반경 방향을 따라 복수 개 배치될 수 있다.

그리고, 상기 실링부재는 고무 재질로 제조될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 링 전단시함정치에는, 상기 하부링이 회전할 때 토양 시료가 미끄러지는 것을 방지하도록 상기 하부링의 내주면에는 둘레방향을 따라 볼록하게 돌출된 다수의 돌기가 형성된다.

그리고, 원기둥형으로 이루어져 고정되게 설치되는 코어를 구비하며, 상기 상부링은 상기 코어에 끼워져 고정되며, 상기 상부링과 상기 코어에 의하여 제1수용부가 형성되며, 상기 하부링은 상기 코어에 회전가능하게 끼워지며, 상기 하부링과 상기 코어에 의하여 상기 제2수용부가 형성되며, 상기 코어의 외주면에는 둘레방향을 따라 볼록하게 돌출된 다수의 돌기가 형성며, 상기 상부링의 내주면에는 둘레방향을 따라 볼록하게 돌출된 다수의 돌기가 형성된다. 이 돌기는 반원형, 삼각형 및 사각형 중 어느 하나의 단면 형상을 가진다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1수용부와 제2수용부에 수용된 상기 토양 시료에 하중을 가하기 위한 하중재하장치와, 상기 제1수용부와 제2수용부에 수용된 상기 토양 시료에 물을 공급하고, 상기 제1수용부와 제2수용부의 물을 선택적으로 배수 및 비배수하기 위한 급배수유닛과, 상기 상부링의 상부에 착탈가능하게 결합되어 상기 제1수용부를 밀폐시키는 커버를 더 구비한다.

상기 급배수유닛은, 상기 하부링의 하면으로부터 상방으로 이격되게 배치되어 상기 토양 시료를 지지하며, 다수의 구멍이 형성되어 있는 다공성 플레이트와, 상기 다공성 플레이트와 상기 하부링의 하면 사이에 형성되는 하부 유로와, 상기 하부 유로와 연통되도록 상기 하부링을 관통하여 형성되는 하부 출입로와, 상기 상부링의 내면을 따라 고리형으로 형성되는 상부 유로와, 상부 유로와 연통되도록 상기 상부링을 관통하여 형성되는 상부 출입로를 구비한다.

본 발명에 따른 링 전단시험장치에서는 상부링과 하부링의 회전속도를 자유롭게 제어하면서도 상부링과 하부링 사이의 밀폐성이 향상되어 실험의 정확성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 발명에 따른 링 전단시험장치에서는 상부링, 하부링의 내벽면에 볼록한 돌기를 형성하여 상부링과 하부링이 상대회전될 때 토양 시료가 벽면에서 미끄러지는 현상을 방지함으로써, 토양의 전단강도가 매우 정확하게 측정되는 장점이 있다.

또한 포화 및 불포화, 배수 및 비배수, 압밀조건을 자유롭게 조절할 수 있으므로, 다양한 조건을 설정하여 산사태가 발생하는 과정에서 토양의 거동, 특히 전단강도를 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 링 전단시험장치에서 시뮬레이션하는 대상을 설명하기 위한 개략적 도면이다.
도 2는 토질의 전단강도와 전단변형률의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 링 전단시험장치의 개략적 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 링 전단시험장치의 개략적 단면도이다.
도 5는 도 4의 B-B선 개략적 단면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 하부링에 대한 개략적 사시도이다.
도 7은 도 4의 C-C선 개략적 단면도이다.
도 8 및 도 9는 요철부의 형상이 변형된 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 링 전단시험장치의 밀폐구성을 설명하기 위한 것으로서, 도 4의 D 부분 확대도이다.
도 13은 도 4의 A부분 확대도이다.
도 14는 산사태가 발생 및 진행되는 과정에서 전단응력과 전단변형률속도 사이의 상관관계가 나타난 그래프이다.
도 15는 산사태가 발생시 시간에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 16은 산사태가 진행되면서 토석류의 전단응력과 전단변형률속도 사이의 상관관계가 나타난 표이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 링 전단시험장치에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 링 전단시험장치는 주로 산지의 경사면 평가를 통해 산사태에 대한 예방과 대책 등 경보시스템에 필요한 기초적인 데이터를 제공하기 위한 시험장치이다. 특히, 산사태의 발생 우려가 있는 지역(경사면)의 강수량, 경사도, 배수여부, 포화여부 등 다양한 조건에서의 토양의 전단강도(전단저항)를 정량적으로 파악하기 위한 것이다.

도 1에는 본 발명에 따른 링 전단시험장치에서 시뮬레이션하는 대상을 설명하기 위한 개략적 도면이며, 도 2는 토질의 전단강도와 전단변형률의 관계를 나타낸 그래프이다.

산사태는 일반적으로 경사지에서 토체(M)가 기반암과 토층 사이의 경계면(S, 파괴면)을 따라 슬라이딩되면서 발생한다. 도 1에서 A로 표시된 지점을 예로 들면, 일상시에는 토체(M)의 중력에 따른 응력(f)에 대응하여 전단저항력(Tf, 전단강도 또는 전단응력)이 생겨 힘의 평형을 이루게 되는데, 집중호우 등이 발생하여 토체(M)에 빗물 등이 유입되면 경계면(S)을 따라 변위가 발생하고 결과적으로 힘의 평형이 깨짐으로써 토체(M)가 슬라이딩되어 산사태가 발생하게 된다.

즉, 도 2를 참조하면, 빗물 등으로 인하여 경계면에서 서서히 슬라이딩이 일어나면 전단응력이 급격하게 증가하는데, 변형량이 피크점을 초과하면 토체(M)가 더 이상 저항하지 못하고 경계면에서 붕괴가 일어난다.

본 발명은 상기한 산사태의 과정을 시험장치를 통해 재현할 수 있도록 하였다. 즉, 본 발명에 따른 링 전단시험장치는 경계면(파괴면)을 중심으로 상부링과 하부링이 상대회전될 수 있도록 하여 산사태가 발생하는 영역을 재현한 것이다. 즉, 상부링에 수용된 토양 시료가 붕괴되는 토체를, 상부링과 하부링 사이의 경계가 붕괴가 발생되는 파괴면(경계면)을, 하부링에 수용된 토양 시료가 잔류하는 토체(주로 기반암)를 재현한 것이다.

또한 토체의 포화 및 불포화 조건, 배수 및 비배수 조건, 연직응력의 크기, 사면의 경사도 등은 산사태의 발생에 있어 중요한 요인이 되는데, 본 발명에서는 다양한 장치들을 통해 위의 조건들을 실제와 유사하게 재현함으로써 산사태의 과정에서 토체의 거동(특히 전단강도)를 정량적으로 파악할 수 있게 하였다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 링 전단시험장치의 구체적인 구성에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 링 전단시험장치의 개략적 사시도이며, 도 4는 도 5에 도시된 링 전단시험장치의 개략적 단면도이고, 도 5은 도 4의 B-B선 개략적 단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 링 전단시험장치(100)는 본체, 상부링(20), 하부링(30), 하중재하장치(40), 회전장치(50) 및 전단강도 측정센서(60)를 구비한다.

본체는 후술할 상부링(20), 하부링(30) 등의 장치들을 지지하기 위한 것으로서, 베이스 플레이트(11), 지지 플레이트(12), 상부 플레이트(13) 및 프레임(14)을 구비한다. 베이스 플레이트(11), 지지 플레이트(12) 및 상부 플레이트(13)는 높이방향을 따라 서로 이격되어 배치되며, 프레임(14)은 위 3개의 플레이트들(11,12,13)을 상호 연결한다.

상부링(20)과 하부링(30)은 산사태가 발생할 때 파괴면을 따라 토체가 붕괴되는 구성을 재현하기 위한 것으로서 링(고리) 형상으로 형성된다. 즉, 하부링(30)은 하부가 막혀 있으며 상방을 향해 개구되어 있는 제2수용부(31)가 형성되며, 상부링(20)은 상방과 하방이 모두 개구되어 있다. 상부링(20)이 하부링(30) 위에 얹어진 상태에서 제1수용부(21)와 제2수용부(31)는 상호 연통되며, 토양 시료(e)는 제1수용부(21)와 제2수용(31)에 수용된다.

여기서, 상부링(20)과 하부링(30)의 중앙부에는 지지 플레이트(12)에 고정되어 있는 코어(16)가 배치된다. 보다 상세하게 설명하면, 상부링(20)과 하부링(30)의 중앙부에 원기둥 형의 코어(16)가 배치됨으로써, 상부링(20)과 코어(16) 사이에 고리형의 제1수용부(21)가 형성되는 것이며, 마찬가지로 하부링(30)과 코어(16) 사이에 고리형의 제2수용부(31)가 형성되는 것이다. 그리고 하부링(30)과 코어(16) 사이에는 베어링(32)이 개재되어 하부링(30)이 회전가능하게 지지된다.

물론, 다른 실시예에서는 코어(16)를 사용하지 않고 상부링과 하부링이 자체적으로 고리형의 수용부를 형성할 수도 있다.

상부링(20)은 하부링(30) 위에 얹어져서 밀착되게 설치되면, 상부링(20)의 제1수용부(21)와 하부링(30)의 제2수용부(31)가 상호 대응되어 연통된다. 따라서 제1수용부(21)와 제2수용부(31)에 수용된 토양 시료(e)는 하나의 토체를 형성하게 된다. 그리고 상부링(20)의 상부에는 나사(23)에 의하여 커버(22)가 결합되어, 상부링(20)의 제1수용부(21)를 폐쇄시킨다.

또한 상부링(20)과 하부링(30)은 상대회전된다. 이들은 서로 반대방향으로 회전될 수도 있고, 어느 하나의 링만 회전하고 나머지 하나의 링은 정지해 있을 수도 있다. 본 실시예에서는 하부링(30)이 회전하고 상부링(20)은 정지하는 구성을 채택하였다.

종래의 링 전단시험장치에서는 상기한 바와 같이 상부링과 하부링이 상대회전되면 토양 시료가 상부링과 하부링의 내벽에 대하여 미끄러지는 현상(wall-slip effect)이 발생하였다. 예컨대, 이렇게 토양 시료가 벽면에서 미끄러지면 토양의 전단강도가 상부링 또는 하부링에 정확하게 전달되지 않으므로, 상부링 또는 하부링에 설치되는 전단강도 측정센서는 토크가 일부 손실된 값을 측정하게 되므로 측정의 신뢰성이 저하되는 것이다.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하였다. 도 6 및 도 7을 함께 참조하여 본 발명에서 미끄럼 방지기능을 구현한 구성에 대하여 설명한다. 도 6은 도 3에 도시된 하부링에 대한 개략적 사시도이며, 도 7은 도 4의 C-C선 개략적 단면도이다.

본 발명에서는 상부링(20)과 하부링(30)의 각 내주면과, 코어(16)의 외주면에 다수의 돌기(29,39,19)를 형성하여 토양 시료가 각 벽면에 대하여 미끄러지는 현상을 방지하였다. 이 돌기(19,29,39)들은 상부링(20)과 하부링(30)의 각 벽면을 거친면(rough surface)으로 형성하기 위함이다.

각 돌기(29,39,19)는 벽면에 대하여 돌출되게 형성되며, 상부링과 하부링 및 코어의 둘레방향을 따라 서로 이격되어 연속적으로 배치된다. 또한 각 돌기(29,39,19)는 상부링, 하부링 또는 코어의 높이 전체에 걸쳐 상하로 길게 형성되어 제1수용부(21)와 제2수용부(31)에 수용된 토양 시료(e)는 상부링과 하부링이 상대회전하더라도 벽면에서 미끄러지는 현상이 발생하지 않는다.

본 실시예에서 돌기(29,39,19)는 대략 3 mm 이내로 돌출되며, 돌기들 사이의 이격 간격도 대략 3 mm 이내로 형성한다.

이에 토양 시료의 전단강도가 손실되지 않고 상부링 또는 하부링에 전달되므로, 상부링 또는 하부링에 설치된 전단강도 측정센서(60)에서는 정확하게 전단강도를 측정할 수 있다.

또한, 도 6을 참조하면, 하부링(30)의 지지면에는 볼록하게 요철부(38)가 형성된다. 여기서, 지지면이라고 하는 것은 토양 시료가 얹어져서 지지되는 면을 말하는 것으로서, 후술하겠지만 본 실시예에서는 하부링의 바닥면으로부터 상방으로 이격되어 다공성 플레이트(73)가 배치되고, 이 다공성 플레이트가 토양 시료를 지지하는 지지면이 된다. 지지면에 형성된 요철부(38)는 하부링(30)의 중앙부로부터 방사형으로 배치된다. 이러한 요철부는 상부링(20)에서 토양 시료와 접하는 상면에도 형성되어 있다.

이렇게 상부링(20)의 상면과 하부링(30)의 지지면에 각각 요철부(38)가 형성되어 토양 시료가 상부링과 하부링의 내주면은 물론 상부와 하부면에서도 미끄러지지 않게 구성하였다.

상부링(20)과 하부링(30) 및 코어(16)에 각각 형성된 돌기(29,39,19)의 단면 형상은 도 7과 같이 반원형 또는 곡면으로 형성될 수도 있지만, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 삼각형이나 사각형으로 형성될 수도 있다. 즉, 돌기의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.

한편, 상부링(20)과 하부링(30)이 상대회전하는 과정에서 상부링(20)과 하부링(30) 사이에 틈이 발생하지 않도록 상부링(20)은 후술할 가압로드(81)와 구동부(82)에 의하여 하부링(30)쪽으로 가압된다.

그리고, 상부링(20)의 하면과 하부링(30)의 상면 사이에는 고무 재질의 실링부재(28)가 개재되어 밀폐 기능을 수행한다. 상부링(20)과 하부링(30) 사이의 밀폐성은 링 전단시험장치를 통한 실험의 정확성을 보장하는데 있어서 매우 중요한 사항이다. 도 10 내지 도 12에는 본 발명에 따른 링 전단시험장치의 밀폐성을 보장하기 위한 구성이 도시되어 있다.

우선, 도 10은 도 4의 D 부분 확대도로서, 도 10을 참고하면 본 발명에 따른 링 전단시험장치(100)의 상부링(20) 하면에는 상방으로 오목하게 그루브(g)가 형성된다. 그리고 하부링(30)의 상면에는 상부링(20)의 그루브(g)와 대응되는 형상으로 돌출부(i)가 형성되어, 이 돌출부(i)는 그루브(g)에 삽입될 수 있다. 그루브(g)와 돌출부(i)는 각각 상부링(20)과 하부링(30)의 전체 둘레에 걸쳐 고리형으로 연장되어 있다. 또한, 그루브(g)와 돌출부(i)는 곡면이 아니라 평면형태로 형성된다.

그루브(g)와 돌출부(i) 사이에는 실링부재(28)가 개재된다. 본 실시예에서 실링부재(28)도 그루브(g)의 형상에 대응되도록 절곡되게 형성된다. 실링부재(28)는 상부링(20)과 하부링(30) 사이를 밀폐하면서도, 하부링(30)이 상부링(30)에 대하여 회전될 때 마찰을 저감시키도록 고무 소재, 특히 경질의 고무가 사용된다.

상기한 바와 같이, 상부링(20)에는 그루브(g)를, 하부링(30)에는 돌출부(i)를 형성함으로써, 상부링(20)과 하부링(30)이 상대회전하는 속도에 무관하게 제1수용부(21) 및 제2수용부(31)에 수용된 토양과 물이 외부로 유출되지 않을 수 있다.

도 10에 도시된 실시에에서는 그루브(g)와 돌출부(i)의 단면이 삼각 형상으로 이루어진 것으로 설명하였으나, 도 11을 참조하면 그루브(g)와 돌출부(i)의 단면을 사각 형상으로 형성하였다. 도 11에 도시된 실링부재(28)는 돌출부(i)에 접착된다.

그리고 도 12를 참조하면, 상부링(20)에 사각 형상의 그루브(g)가 형성된 점은 도 10 및 도 11의 실시예와 동일하지만, 도 12의 실시예에서는 하부링(30)에 돌출부 대신 홈부(h)가 형성된 점이 상이하다. 실링부재(28)도 사각 형상으로 이루어져 그루브(g)와 홈부(h)에 끼워지게 설치된다.

기존의 링 전단시험장치에서는 상부링과 하부링 사이에 단순히 오링을 개재하고, 상부링에 의하여 오링을 압착시켜 상부링과 하부링 사이를 밀폐시켰는데, 밀폐성을 위해서 상부링에 의한 가압력을 크게 하면 오링이 쉽게 파손되고 회전속도의 제어에도 문제가 있었다. 회전속도의 제어 문제로 인하여 가압력을 작게 하면 오링과 상부링(또는 하부링) 사이를 통해 토양이나 물이 유출되는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명에서와 같이, 상부링(20)의 하면에 상방으로 그루브(g)를 형성하고, 이 그루브(g)에 대응되는 형상으로 돌출부(i) 또는 실링부재(28)를 개재하면, 돌출부(i) 또는 실링부재(28)가 외부로 배출되려는 토양시료(e)의 장애물 또는 걸림턱으로 작용하여 토양의 유출을 막을 수 있다. 이렇게 밀폐성이 향상되면, 상부링(20)이 실링부재(28)를 가압하는 힘을 적게 할 수 있어, 상부링과 하부링 사이의 상대회전 속도 제어가 용이해진다.

또한, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 상부링과 하부링에 반경방향을 따라 복수의 그루브와 돌출부(또는 홈부)을 형성하면, 밀폐성을 더욱 강화할 수 있다.

한편, 하중재하장치(40)는 제1수용부(21)와 제2수용부(31)에 수용되어 있는 토양 시료(e)를 가압하여 압밀시키기 위한 것이다. 토양 시료(e)를 압밀하기 위한 구성은 다양할 수 있으며, 본 실시예에서는 실린더(45)와 가압판(49)이 사용된다.

실린더(45)는 상부 플레이트(13)에 설치되는 공압 또는 유압으로 작동하는 실린더 본체(41)와, 실린더 본체(41)에 공압 또는 유압이 인가됨에 따라 실린더 본체(41)에 대하여 왕복이동(상하방향) 가능하게 결합되는 피스톤(42)을 구비한다. 피스톤(42)의 하부에는 중간판(43)이 결합된다. 중간판(43)의 하면에는 수직한 방향으로 형성된 복수의 샤프트(44)가 마련된다. 복수의 샤프트(44)는 커버(22)에 형성된 구멍(24)을 통해 상부링(20) 내부로 삽입되어 가압판(49)에 결합되어, 피스톤(45)의 압력을 가압판(49)에 전달한다. 본 실시예에서 샤프트(44)는 피스톤(42)의 압력을 가압판(49)에 고르게 전달할 수 있도록 120도 각도 간격으로 3개 마련된다.

가압판(49)은 제1수용부(21)에 대응되도록 고리형으로 형성되어 코어(16)에 끼워진 상태로 상부링(20) 내에 배치된다. 피스톤(42)의 승강에 따라 샤프트(44)에 결합되어 있는 가압판(49)도 함께 승강되며, 하강하는 경우 상부링(20)과 하부링(30)에 수용된 토양 시료(e)를 가압하여 압밀시키고 상승하는 경우 압밀을 해제시킨다. 가압판(49)의 외주면과 내주면에는 각각 오링(48)이 부착되어 상부링(20) 및 코어(16)와의 사이에 틈이 발생하지 않도록 하여, 토양 시료(e)가 수용되어 있는 공간을 밀폐시킨다.

그리고 실린더(45)가 토양 시료(e)를 누르는 압력을 측정하기 위하여 로드셀(46)이 마련된다. 즉, 로드셀(46)은 중간판(43)의 상부에 지지되며, 피스톤(42)의 하단부가 로드셀(46)의 상면에 지지된다. 이에 피스톤(42)이 하방으로 이동하여 토양 시료(e)를 가압하면 로드셀(46)에 의하여 피스톤(42)의 압력이 측정된다.

또한, 도시하지는 않았지만, 피스톤(42)에 의하여 토양 시료(e)가 압밀되는 변위를 측정하기 위한 변위센서가 마련된다. 이 변위센서는 토양 시료(e)의 압밀변위를 직접 측정하는 것이 아니라, 피스톤(42)이 움직이는 거리를 통해 측정한다. 변위센서는 다양한 형태가 사용될 수 있으며, 예컨대 광센서를 통해 광이 수발신되는 시간을 이용하여 피스톤의 변위를 측정할 수 있다.

본 실시예에서 가압판에 의하여 0.01~7.0 Kgf/cm² 의 범위에서 하중이 재하되며 이동변위는 최대 50 mm 까지 측정가능하다.

회전장치(50)는 하부링(30)을 회전시키기 위한 것으로서, 회전륜(51), 구동기어(52) 및 모터(53)를 구비한다. 모터(53)는 베이스 플레이트(11)에 설치되며, 모터(53)의 회전축(54)에는 외주면에 톱니가 형성되어 있는 구동기어(52)가 결합된다.

회전륜(51)은 고리형으로 형성되어 코어(16)어 끼워진 상태로 하부링(30)의 하부에 결합되며, 베어링(55)을 매개로 코어(16)에 회전가능하게 지지된다. 그리고 회전륜(51)의 외주면에는 톱니가 형성되어 구동기어(52)와 기어결합된다. 모터(53)의 회전력은 구동기어(52)와 회전륜(51)을 통해 하부링(30)으로 전달되어 하부링(30)이 상부링(20)에 대하여 회전할 수 있다.

모터(53)는 회전수를 조절할 수 있으므로 토양 시료(e)가 회전하는 속도를 조절할 수 있다. 본 실시예에서는 분당 0.03~10° 의 각속도 범위에서 회전하며, 회전력 재하응력은 최대 10 kN 정도이다.

그리고 토양 시료(e)의 전단강도를 측정하기 위한 전단강도 측정센서(60)는 상부링(20)에 설치되는데, 본 실시예에서는 상부링 상부에 고정된 커버(22)의 양측에 설치된다. 또한 전단강도 측정센서(60)는 프레임(14)에 결합되어 토양 시료(e)의 회전에 따라 발생하는 상부링(20)의 전단강도(전단저항)을 측정한다. 전단변형률 속도는 10^-4~180 cm/sec의 전단속도 범위에서 전단강도를 측정할 수 있다.

한편, 하부링(30)이 회전하면 상부링(20)과의 사이에 틈이 발생할 수 있으므로, 상기한 바와 같이, 상부링(20)을 하부링(30)쪽으로 가압하기 위한 가압로드(81)와 구동부(82)가 마련된다.

가압로드(81)는 머리부는 커버(22)에 걸린 상태로 커버(22)와 코어(16)를 관통하여 지지 플레이트(12)의 하부까지 삽입된다. 가압로드(81)의 하단부는 구동부(82)에 결합된다. 구동부(82)는 동력을 인가하여 가압로드(81)를 하방으로 끌어 당길 수 있다. 이렇게 가압로드(81)를 하방으로 가압하면, 가압로드(81)의 머리부가 커버(22)와 상부링(20)을 하방으로 밀어서 상부링(20)이 하부링(30)에 밀착되도록 한다. 구동부(82)는 실린더가 사용될 수도 있으며, 렉과 피니언을 이용하여 피니언에 가압로드(81)를 결합시켜 왕복운동시킬 수도 있다. 즉, 다양한 형태의 구동부가 사용될 수 있다.

한편, 본 발명에서는 산사태의 과정을 실제와 유사하게 시뮬레이션하기 위하여, 토양 시료(e)에 물을 공급하여 포화시키고, 토양 시료(e)로부터 물을 배수하기 위한 급배수유닛이 마련된다. 이 급배수유닛을 통해 토양 시료(e)를 포화 또는 불포화조건으로 만들거나, 배수 또는 비배수 조건으로 만들 수 있다.

급배수유닛은 하부 출입로(71), 하부 유로(72) 및 다공성 플레이트(73)를 구비한다. 다공성 플레이트(73)는 하부링(30)의 바닥면으로부터 상방으로 약간 이격되게 배치되며, 그 위에 토양 시료(e)가 놓여진다. 다공성 플레이트(73)와 하부링(30) 바닥면 사이에는 유체가 유동할 수 있는 하부 유로(72)가 형성된다. 다공성 플레이트(73)에는 다수의 관통공(미도시)이 형성되어 있으므로 하부 유로(72)로 유입된 유체는 관통공을 통해 토양 시료(e)로 공급될 수 있다. 또는 토양 시료(e)로부터 유체가 하부 유로(72)로 배출될 수 있다. 그리고 하부 출입로(71)는 하부링(30)의 측벽을 관통하여 형성되어 하부 유로(72)와 외부를 연통시킨다. 하부 출입로(71)에는 유체가 공급되거나 배출되는 급배수라인(p)이 연결된다.

또한 급배수유닛은 상부 유로(74)와 상부 출입로(75)를 구비한다. 도 13은 도 4의 A부분 확대도로서, 도 13에는 상부 유로(74)와 상부 출입로(75)가 확대되어 나타나 있다. 도 13을 참조하면, 상부 유로(74)는 상부링(30)의 측벽에 둘레방향을 따라 고리형으로 오목하게 형성된다. 즉, 상부링(30)의 측벽에 둘레방향을 따라 오목하게 홈부가 형성되고, 이 홈부의 개방된 면에 고리형으로 형성된 다공성 밴드(76)가 부착된다. 다공성 밴드(74)와 홈부에 의하여 둘러싸인 공간이 상부 유로(74)를 형성한다. 다공성 밴드(74)에는 다수의 구멍이 형성되어 있어 유체가 유동될 수 있다. 이 다공성 밴드(74)는 메탈 소재로서 물은 통과시키고 토양 입자는 통과시키지 않는 필터 기능을 수행한다. 그리고 상부 출입로(75)는 상부링(20)의 측벽에 형성되어 상부 유로(74)를 외부와 연통시킨다. 하부 출입로와 마찬가지로 상부 출입로(75)에도 급배수라인(p)이 연결된다.

또한 본 발명에서 상부링과 하부링의 중앙부에 배치된 코어(16)에도 중앙 유로(76) 및 연결 유로(77)가 형성된다. 즉, 중앙 유로(76)는 상부 유로와 마찬가지로 코어(16)의 외면을 따라 고리형으로 형성된 홈부에 다공성 밴드(78)가 설치됨으로써 형성된다. 그리고 연결 유로(77)는 코어(16)의 높이 방향을 따라 코어(16)의 내부와 커버(22)를 관통하여 형성되며, 중앙 유로(76)와 외부의 급배수라인(p)을 연결시킨다.

복수의 급배수라인(p)에는 각각 밸브(미도시)가 부착되어 공급 또는 배출되는 유체의 유량을 조절할 수 있다. 그리고 상부 출입로(75) 또는 하부 출입로(71)에 연결된 급배수라인(p) 중 어느 하나에는 간극수압 측정센서(미도시)가 결합된다. 즉, 토양 시료(e)로부터 배출된 유체의 수압을 측정하여, 토양 시료(e) 내의 간극수압을 측정한다.

또한 본 발명에서는 컴퓨터와 같은 콘트롤러(미도시)가 마련된다. 이 콘트롤러에는 각종 계측기가 전기적으로 연결되어 제어될 뿐만 아니라, 각 계측기에서 측정된 데이터가 저장된다. 즉, 실린더(45)의 압력을 측정하기 위한 로드셀(46), 간극수압 측정센서, 모터(53) 등이 연결되어 각각의 데이터들이 전송된다. 이에 따라, 다양한 조건에서 실험을 하는 경우 각 실험의 조건치와 측정된 데이터가 저장되므로 산사태의 과정을 정량적으로 파악하는 데에 유리하다.

이상에서 설명한 구성으로 이루어진 링 전단시험장치(100)를 이용하면 산사태의 과정에서 토양의 전단강도를 측정하는 경우 다양한 조건을 구현할 수 있다.

기본적으로 하중재하장치에서 토양 시료(e)를 압밀한 상태에서, 하부링(30)을 회전시켜 산사태의 과정을 재현할 수 있다. 그리고 하부링(30)이 회전될 때 상부링(20)에 결합되어 있는 전단강도 측정센서(60)에서는 토양 시료(e)의 전단강도를 측정한다. 토양에 가해지는 하중을 조절할 수 있으며, 모터를 통해 하부링의 회전속도를 조절할 수 있다.

급배수라인(p)을 통해 물을 공급하여 토양 시료(e)를 완전히 포화시키거나 부분적으로 포화시킬 수 있다. 또한 토양 시료 내부의 물을 배수 또는 비배수시키는 조건에서 실험을 수행할 수도 있다.

즉, 실제 자연환경에서 벌어지는 압밀(하중) 조건, 포화/불포화 조건, 배수/비배수 조건을 본 링 전단시험장치에서 그대로 구현하여 산사태의 과정에서의 토양의 전단강도를 정량적으로 파악할 수 있다.

이렇게 본 발명에 따른 링 전단시험장치를 사용하여 산사태의 과정에서 토양의 전단강도를 파악함으로써 산사태를 예측하거나 미연에 방지할 수 있는 데이터베이스를 제공할 수 있다.

도 14 내지 도 16에는 본 발명에 따른 링 전단시험장치를 통해 획득된 데이터에 기초한 그래프가 나타나 있다.

도 14는 산사태가 발생 및 진행되는 과정에서 전단응력과 전단변형률속도 사이의 상관관계가 나타난 그래프이며, 도 15는 산사태가 발생시 시간에 따른 전단응력의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 16은 산사태가 진행되면서 토석류의 전단응력과 전단변형률속도 사이의 상관관계가 나타난 표이다.

도 14의 그래프는 산사태의 발생 전으로써, 육안으로 확인할 수 없는 아주 느리게 움직이는 진행성 산사태의 움직임을 전단변형률속도와 전단강도 사이의 관계로 설명할 수 있으며, 원지반의 토층이 파괴요인들로 인해 고유의 저항력을 잃은 후 빠른 재성형(변형)을 통해 액상화하는 과정이 나타나 있다.

전단강도는 사면의 파괴 전까지 아주 작은 변화를 보이게 되고 파괴시점에 가까워질수록 그 변화의 폭이 커진다. 산사태의 발생 시점에 있어 사면의 파괴를 판단하는 기준이 되는 배수 및 비배수 상태의 전단강도와 이에 상응하는 과잉간극수압의 소산 여부에 따라 파괴 단계에 이르게 된다.

도 15에는 일정한 연직응력하에서(도 15의 A) 파괴시점에서의 과잉간극수압의 작용으로 전단강도의 급격한 변화가 나타나 있다(도 15의 B와 C). 이를 통해 산사태의 발생 후, 토석류처럼 빠르게 움직이는 산사태의 유동성 해석에 필요한 강도함수를 제시할 수 있다.

파괴 이후에는 과잉간극수압이 소산되고, 전단저항값이 파괴시점 이후 확연히 감소함을 확인할 수 있다(도 15의 B). 이 시점에서 토체의 변위가 급속도로 진행된다(도 15의 D).

완전히 변형(재성형)되어 액상화된 토체에 대해 유변학적 특성을 분석하여 잔류응력에 해당하는 유체의 항복응력과 점도를 얻을 수 있다(도 16).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 링 전단시험장치(100)는 다양한 조건하에서 토양의 전단강도를 측정하여 정량적으로 파악함으로써, 산사태 과정에서 토체의 거동에 대한 풍부한 데이터를 제공할 수 있다는 이점이 있다.

본 시험장치를 통해 축적된 데이터들을 이용하여 위험 지역에서의 산사태를 예측하거나 경보할 수 있으며, 산사태 예보시스템과 연결하여 산사태에 따른 피해를 사전에 예방할 수 있을 것이다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100 ... 링 전단시험장치 16 ... 코어
19, 29, 39 ... 돌기 20 ... 상부링
28 ... 실링부재 30 ... 하부링
40 ... 하중재하장치 51 ... 하부륜
53 ... 모터 60 ... 전단강도 측정센서
g ... 그루브 i ... 돌출부
h ... 홈부

Claims (13)

1. 토양 시료가 수용될 수 있는 고리형의 제1수용부를 형성하며, 하면에 둘레방향을 따라 오목하게 그루브가 형성되어 있는 상부링;
   상기 상부링의 제1수용부와 상호 대응되어 연통되며 토양 시료가 수용될 수 있는 고리형의 제2수용부를 형성하며, 상기 상부링의 하부에 밀착되어 상기 상부링에 대하여 회전가능하게 설치되는 하부링;
   상기 하부링을 상기 상부링에 대하여 회전시키기 위한 회전장치;
   상기 상부링에 결합되어 상기 토양 시료의 전단강도를 측정하기 위한 전단강도 측정센서; 및
   상기 제1수용부 및 제2수용부에 수용된 토양 시료 또는 물이 외부로 유출되지 않게 하기 위한 것으로서, 상기 상부링의 하면에 형성된 그루브에 삽입되어 상기 상부링의 하면과 상기 하부링의 상면 사이에 개재되는 실링부재;를 구비하며,
   상기 하부링이 회전할 때 토양 시료가 미끄러지는 것을 방지하도록 상기 하부링의 내주면에는 둘레방향을 따라 볼록하게 돌출된 다수의 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 그루브는 상기 상부링의 하면으로부터 상방으로 절곡되어 평면 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 그루브의 단면 형상은 삼각형이며,
   상기 하부링의 상면에는 상기 상부링에 형성된 그루브의 형상에 대응되어 삽입될 수 있도록 삼각 형상의 돌출부가 형성되며,
   상기 실링부재는 절곡되게 형성되어 상기 그루브와 돌출부 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 그루브의 단면 형상은 사각형이며,
   상기 하부링의 상면에는 상기 상부링에 형성된 그루브의 형상에 대응되어 삽입될 수 있도록 사각 형상의 돌출부가 형성되며,
   상기 실링부재는 상기 그루브와 돌출부 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 그루브의 단면 형상은 사각형이며,
   상기 하부링의 상면에는 사각 형상으로 오목하게 홈부가 형성되며,
   상기 실링부재는 상기 그루브와 홈부에 각각 끼워져 개재되는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 그루브는 상기 상부링의 반경 방향을 따라 복수 개 배치되는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 실링부재는 고무 재질인 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
8. 제1항에 있어서,
   원기둥형으로 이루어져 고정되게 설치되는 코어를 구비하며,
   상기 상부링은 상기 코어에 끼워져 고정되며, 상기 상부링과 상기 코어에 의하여 제1수용부가 형성되며,
   상기 하부링은 상기 코어에 회전가능하게 끼워지며, 상기 하부링과 상기 코어에 의하여 상기 제2수용부가 형성되며,
   상기 코어의 외주면에는 둘레방향을 따라 볼록하게 돌출된 다수의 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 상부링의 내주면에는 둘레방향을 따라 볼록하게 돌출된 다수의 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 돌기는 반원형, 삼각형 및 사각형 중 어느 하나의 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
11. 제8항에 있어서,
    상기 하부링에서 상기 토양 시료를 지지하는 지지면 및 상기 상부링의 상면에는 볼록하게 형성되어 방사형으로 배치되는 요철부가 형성되는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 제1수용부와 제2수용부에 수용된 상기 토양 시료에 하중을 가하기 위한 하중재하장치와,
    상기 제1수용부와 제2수용부에 수용된 상기 토양 시료에 물을 공급하고, 상기 제1수용부와 제2수용부의 물을 선택적으로 배수 및 비배수하기 위한 급배수유닛과,
    상기 상부링의 상부에 착탈가능하게 결합되어 상기 제1수용부를 밀폐시키는 커버를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 하중재하장치는,
    실린더본체와, 상기 실린더본체에 승강가능하게 설치되는 피스톤을 구비하는 실린더와,
    상기 피스톤과 연결되며, 상기 커버의 하부에 배치되어 상기 제1수용부에 수용된 토양 시료를 가압하기 위한 고리형의 가압판과,
    상기 피스톤의 하부에 설치되는 중간판과,
    상기 중간판과 피스톤의 하부 사이에 설치되어 상기 피스톤의 하중을 측정하기 위한 로드셀과,
    상기 중간판의 하면으로부터 상기 커버를 관통하여 상기 가압판에 결합되어 상기 피스톤의 하중을 상기 가압판에 전달하며, 동일한 각도 간격으로 상호 이격되어 있는 복수의 샤프트를 구비하는 것을 특징으로 하는 링 전단시험장치.

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