KR101201936B1 - 계측 롯드 및 이를 이용한 관입시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지반을 탐사하는 관입시험장치에 장착되는, 계측 롯드에 관한 것으로서, 원뿔 형상의 콘과 상기 콘의 바닥면에 수직으로 돌출형성된 콘 결합부를 포함하는 관입선단; 일단에 상기 관입선단의 콘 결합부가 결합되고, 타단에는 케이싱결합부가 형성된 내부케이싱; 및 상기 내부케이싱의 일측이 수용되는 외부케이싱을 포함하되, 상기 내부케이싱은 스트레인 게이지가 장착되는 계측부, 상기 외부케이싱의 내주면과 접하며 상기 계측부의 일단 외주면을 따라 돌출형성된 제1가이드와 상기 계측부의 타단 외주면을 따라 돌출형성된 제2가이드를 포함하는 가이드부, 및 외부로 노출되며 상기 제2가이드와 상기 케이싱결합부 사이에 형성되어 상기 외부케이싱의 이동을 제한하는 노출부로 구비되고, 상기 관입선단의 콘 결합부의 내주면에는 가속도계가 장착되는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 계측 롯드를 사용함으로써, 연약지반 뿐만 아니라, 중간토 지반 및 암석 지반의 강성을 측정할 수 있다.

Description

계측 롯드 및 이를 이용한 관입시험장치{MEASURING ROD AND PENETROMETER USING THE SAME}

본 발명은 지반의 강성 및 특성을 계측하기 위한 계측 롯드 및 이를 이용한 관입시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연약 지반뿐만 아니라, 중간토지반 등과 같이 비교적 단단한 지반 및 암반의 특성을 별도의 시료 채취 없이 계측할 수 있는 계측 롯드 및 이를 이용한 관입시험장치에 관한 것이다.

일반적으로 국내외에서 지반 강성을 평가하기 위한 시험법으로 표준관입시험 및 콘 관입시험 등이 널리 보급되어 있다. 하지만 이러한 방법들은 모래지반이나 연약점토지반에 대해서만 적용할 수 있다. 따라서, 중간토 지반이나 암반과 같이, 강성이 높은 지반의 강성을 계측할 때는 암반의 샘플을 시추한 뒤, 그 코어를 측정하여 지반의 강성을 측정해야만 했다. 이러한 지반 샘플은 해머가 장착된 관입시험장치를 통하여 채취하게 되는데, 일반적으로 동적 관입장치의 경우, 지지대에 고정된 권취드럼에 감긴 로프의 단부에 해머를 승강 및 하강 가능하게 설치하였다. 이러한 해머는 가이드 장치를 통해 일정 경로를 승강 및 하강하게 되는데, 가이드 장치의 하부에 샘플러를 결합하여 해머의 가격으로 인해 샘플러가 지반에 관입될 수 있도록 하였다. 그러나 종래의 관입장치는, 작업자가 수동으로 일정 높이에서 해머를 낙하시켜야했기 때문에, 작업자가 아무리 숙련되었다 하더라도, 해머의 낙하 높이가 일정치 않다는 문제점이 있었다. 따라서, 지반의 샘플을 채취하면서 암반의 강성을 구할 때, 지반의 특성을 알아내기 어렵다는 문제점이 있었다.

종래에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 대한민국 등록특허 제0423119호에 개시된 바와 같이, 일정 높이에서 자동으로 해머가 승강 및 하강할 수 있는 장치를 장착하였다. 그러나 이러한 승하강 장치를 관입 장치에 장착하더라도 단단한 지반을 정확하게 계측하기 위해서는 원지반에서 관입장치의 샘플러를 통하여 시추된 지반 시료 샘플에 일축 또는 삼축압축실험을 실시하여 강성특성을 파악해야만 한다는 번거로움이 있었다. 게다가, 연약지반의 특성을 계측하고자 할 경우에는, 별도의 관입시험장치를 장착하여야만 했기 때문에, 관입시험장치의 교체 및 실험을 통한 강성 측정 등으로 인하여, 지반의 특성을 계측하는데 오랜 시간이 소요될 뿐만 아니라, 지반의 특성에 따라 관입시험장치의 계측 방법을 달리하기 때문에, 지반의 특성을 모르는 상태에서 원지반에 적합한 관입시험장치를 선택을 숙련자의 경험 및 자의적 판단에 맡기는 수밖에 없었다. 따라서, 정확한 지반조사가 불가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 과제는, 지반의 강성에 상관없이 원지반에 적용 가능하며, 원지반의 강성을 측정할 때 계측값의 오차를 최소화 할 수 있는 계측 롯드를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두번째 과제는, 시료를 채취하여 별도의 시험을 거치지 않아도, 계측 롯드를 해머로 타격을 가하여 지반의 강성을 원지반에서 직접 계측할 수 있는 관입시험장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 세번째 과제는, 시료를 채취하여 별도의 실험을 수행하지 않아도 계측 롯드에 유압장치로 하중을 가하여 지반의 강성을 원지반에서 직접 계측할 수 있는 관입시험장치를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫번째 과제는, 원뿔 형상의 콘과 상기 콘의 바닥면에 수직으로 돌출형성된 콘 결합부를 포함하는 관입선단;

일단에 상기 관입선단의 콘 결합부가 결합되고, 타단에는 케이싱결합부가 형성된 내부케이싱; 및

상기 내부케이싱의 일측이 수용되는 외부케이싱을 포함하되

상기 내부케이싱은 스트레인 게이지가 장착되는 계측부, 상기 외부케이싱의 내주면과 접하며 상기 계측부의 일단 외주면을 따라 돌출형성된 제1가이드와 상기 계측부의 타단 외주면을 따라 돌출형성된 제2가이드를 포함하는 가이드부, 및 외부 로 노출되며 상기 제2가이드와 상기 케이싱결합부 사이에 형성되어 상기 외부케이싱의 이동을 제한하는 노출부로 구비되고,

상기 관입선단에는 가속도계가 장착되는 것을 특징으로 하는 계측 롯드를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 내부케이싱의 계측부에는 간극수압 트랜스듀서가 장착될 수 있다.

또한, 상기 내부케이싱의 계측부의 외주면에 돌출형성된 돌출부가 더 구비될 수 있다.

이때, 상기 내부케이싱에는 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부가 장착되되, 상기 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부 사이에 상기 돌출부가 위치할 수 있다.

또, 상기 외부케이싱의 내주면에는 상기 내부케이싱의 돌출부에 대응되는 위치에 걸림턱이 돌출 형성될 수 있다.

또한, 상기 외부케이싱의 내주면에는 상기 내부케이싱의 돌출부에 대응되는 위치에 변단면부가 형상되고,

상기 변단면부를 기준으로 상기 외부케이싱의 일단측 내경이 상기 외부케이싱의 타단측 내경보다 작게 형성될 수 있다.

또, 상기 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부는 휘트스톤 브릿지 회로일 수 있다. 이때, 상기 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부는 각각 두 개의 스트레인게이지로 구비될 수 있다. 아울러, 상기 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부는 상기 내부케이싱의 길이방향으로 장착되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 계측 롯드는 상기 외부케이싱의 양 단에 고무 재질의 오링이 더 장착될 수 있다.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여,

상기 계측 롯드;

상기 계측 롯드의 타단 측에 위치하는 두부 롯드;

상기 두부 롯드에 타격을 가하는 해머; 및 상기 두부 롯드와 해머 사이에 결합되는 앤빌을 포함하는 관입시험장치를 제공할 수 있다.

이때, 상기 해머를 관통하는 해머가이드가 상기 앤빌에 연결형성될 수 있다.

또한, 상기 관입시험장치는, 상기 관입시험장치의 두부 롯드와 계측 롯드 사이에 결합되는 길이조절용 롯드를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여,

상기 계측 롯드;

상기 계측 롯드의 타단 측에 위치하는 두부 롯드; 및

상기 두부 롯드에 하중을 가하는 유압장치;를 포함하는 관입시험장치를 제공한다.

이때, 상기 관입시험장치는, 상기 관입시험장치의 두부 롯드와 계측 롯드 사 이에 결합되는 길이조절용 롯드를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 계측 롯드 및 이를 이용한 관입시험장치를 사용함으로써, 관입시험장치를 교체하지 않고 모든 강성의 지반을 계측할 수 있기 때문에 계측하고자 하는 지반에 따라 관입시험장치를 교체할 필요가 없을 뿐만 아니라, 현장에서 직접 지반의 특성을 계측할 수 있기 때문에 지반 계측시간을 단축할 수 있고, 지반조사 비용을 절감할 수 있으며, 롯드의 길이에 상관 없이 지반 조사의 정확성과 신뢰성을 높일 수 있다

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명은, 원뿔 형상의 콘(112)과 상기 콘(112)의 바닥면에 수직으로 돌출형성된 콘 결합부(114)를 포함하는 관입선단(110);

일단에 상기 관입선단(110)의 콘 결합부(114)가 결합되고, 타단에는 케이싱결합부(128)가 형성된 내부케이싱(120); 및

상기 내부케이싱(120)의 일측이 수용되는 외부케이싱(130)을 포함하되,

상기 내부케이싱(120)은 스트레인게이지가 장착되는 계측부(122), 상기 외부케이싱(130)의 내주면과 접하며 상기 계측부(122)의 일단 외주면을 따라 돌출형성된 제1가이드(124a)와 상기 계측부(122)의 타단 외주면을 따라 돌출형성된 제2가이드(124b)를 포함하는 가이드부(124), 및 외부로 노출되며 상기 제2가이드(124b)와 상기 케이싱결합부(128) 사이에 형성되어 상기 외부케이싱(130)의 이동을 제한하는 노출부(126)로 구비되고,

상기 관입선단(110)에는 가속도계(142)가 장착되는 것을 특징으로 하는 계측 롯드(100)에 관한 것이다.

상기 관입선단(110)에 설치된 가속도계(142)는 상기 계측 롯드(100)에 가해진 힘에 의해 상기 관입선단(110)의 콘(112)에 전달된 에너지를 측정할 수 있도록 한다. 즉, 상기 가속도계(142)를 상기 관입선단(110)에 설치함으로써, 지반에 전달되는 충격 에너지를 정확하게 계측할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명에 따른 계측 롯드(100)는 관입시험장치에 결합하여 사용된다.

따라서, 본 발명에 따른 계측 롯드(100)가 장착된 관입시험장치는, 종래의 표준관입시험기 및 콘 관입시험기와 달리, 동적인 시험과 정적인 시험을 동시에 수행할 수 있다. 즉, 종래의 표준관입시험기나 콘 관입시험기의 경우, 지반에 삽입되는 에너지를 두부에서만 계측하였다면, 본 발명에 따른 계측 롯드(100)가 장착된 관입시험장치는 지반의 특성에 따른 반발력까지도 계측할 수 있도록, 상기 계측 롯드(100)의 선단부에 위치한 상기 콘 결합부(114)의 내주면에도 가속도계를 더 장착하였다. 이때, 상기 콘 결합부(114)와 상기 가속도계(142)는 나사결합함으로써 결합할 수 있다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위 가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 계측 롯드의 분해단면도가 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 계측 롯드(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 내부케이싱(120)의 계측부(122)에 간극수압 트랜스듀서(148)가 장착될 수 있다. 상기 간극수압 트랜스듀서(148)를 측정함으로써, 원지반 내에 위치하는 공극수(空隙水)에 작용하는 압력을 측정할 수 있다. 따라서, 간극수압에 따라 원지반에 압밀(壓密)이 작용되는지 여부를 측정할 수 있다.

또한, 상기 내부케이싱(120)의 계측부(122)에 장착되는 스트레인게이지는 그 장착 위치에 따라서, 제1스트레인게이지부(144)와 제2스트레인게이지부(146)로 구분된다. 상기 제1스트레인게이지부(144)는 상기 내부케이싱(120)의 제1가이드(124a) 측에 위치하고, 상기 제2스트레인게이지부(146)는 상기 내부케이싱(120)의 제2가이드(124b) 측에 위치하게 된다.

상기 내부케이싱(120)의 계측부(122) 외주면에는 돌출부(129)가 돌출 형성될 수 있다. 상기 돌출부(129)는 상기 계측 롯드(100)가 원지반에 관입될 때 상기 외부케이싱(130)의 이동을 제한하는 역할을 한다. 이때 상기 외부케이싱(130)의 양단에 위치한 오링(141, 143)은, 상기 외부케이싱(130)과 내부케이싱(120)의 이격된 틈을 막는 역할을 담당한다. 즉, 상기 계측 롯드(100)가 원지반 내에 삽입될 때, 상기 외부케이싱(130)이 지반과의 마찰력에 의하여 이동하게 되는데, 상기 외부케이싱(130)이 이동하면서 상기 내부케이싱(120)과의 이격된 틈 사이를 상기 오링(141, 143)이 막음으로써, 상기 내부케이싱 내로 이물질이 들어가는 것을 방지할 뿐만 아니라, 상기 외부케이싱(130)이 원지반에 관입될 때 외부케이싱(130)에 전달되는 지반 반발력이 완충되는 작용을 한다. 또한, 본 발명에 따른 계측 롯드(100)는, 상기 내부케이싱(120)과 외부케이싱(130)을 분리함으로써, 주면 저항력을 계측할 때 지반 반발력에 대한 영향이 없도록 하였다.

상기 돌출부(129)는 상기 제1스트레인게이지부(144) 및 제2스트레인게이지부(146)가 장착된 위치 사이에 구비될 수 있다. 상기 돌출부(129)에 의해 상기 외부케이싱(130)의 움직임을 제한하는 방법은 여러가지가 있지만, 특히, 상기 내부케이싱(120)의 돌출부(129)와 대응되는 위치에, 도 1a에의 중심선 왼쪽에 도시된 바와 같이, 상기 외부케이싱(130)에 변단면부(132)를 형성하여 상기 변단면부(132)를 중심으로 상기 외부케이싱(130)의 일단측 내경(α)을 상기 외부케이싱(130)의 타단측 내경(β)보다 작게 형성하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 외부케이싱(130)의 일단은 상기 관입선단(110)이 장착된 방향을 말하고, 타단은 그 반대편을 지칭한다.

또한, 상기 외부케이싱(130)의 이동을 제한하기 위하여, 도 1a의 중심선 오른쪽에 도시된 바와 같이, 상기 돌출부(129)와 대응되는 위치에 걸림턱(134)을 형성할 수 있다.

상기 제1스트레인게이지부(144)는 지반의 반발력이 발생하는 관입선단에 근접하기 때문에, 선단저항력을 도출할 수 있다. 또한 제2스트레인게이지부(146)의 경우에는 선단저항력과 주면마찰력의 합력을 측정할 수 있다. 따라서 상기 제1스트레인게이지부(144)와 제2스트레인게이지부(146)를 통해 얻은 값의 차이를 통하여 주면마찰력 값을 구할 수 있다. 상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)를 구성하는 복수개의 스트레인게이지(144a, 144b, 146a, 146b)는 응력측정과 물체 내의 변형 분포를 측정하기 위한 계측 센서로서, 상기 스트레인게이지(144a, 144b, 146a, 146b)는 대상의 변형을 직접 측정할 수 있다. 여기서 측정된 전기적인 신호를 변환하여 측정하고자 하는 물체의 변형율이나 응력변화를 알 수 있다.

상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)는 각각 두 개씩 스트레인게이지(144a, 144b, 146a, 146b)를 구비함으로써, 상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)가 휘트스톤 브릿지를 구성하도록 할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 계측 롯드(100)에 장착되는 스트레인게이지는 총 4개로, 제1스트레인게이지부(144)에 횡방향의 스트레인게이지(144a), 및 종방향의 스트레인게이지(144b)가 장착된다. 이와 마찬가지로, 제2스트레인게이지부(146)에는 횡방향의 스트레인게이지(146b), 및 종방향의 스트레인게이지(146b)가 장착됨으로써, 총 4개의 스트레인게이지(144a, 144b, 146a, 146b)가 상기 계측 롯드(100)에 장착되는 것이다.

상기 휘트스톤 브릿지 회로는 저항의 변화에 따라 대각선 방향으로 전위차가 발생하는 윈리를 이용한 것이다. 여기서 상기 휘트스톤 브릿지 회로에 대한 도면은 생략하고자 한다. 대각선 방향을 마주 보게 되는 점의 전위차가 0 값을 갖기 위해 서는 저항이 어떠한 특정한 저항 값을 갖더라도 서로 마주보는 저항 값의 곱이 항상 같은 값을 갖는 원리로서, 여기서 저항의 역할을 상기 스트레인게이지(144a, 144b, 146a, 146b)가 담당함으로써, 그 변화된 값을 전압의 상태로 바꾸어 그 값을 수치적으로 환산된 값이 물리적인 변형량의 값이 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 계측 롯드(100)의 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)를 구성하는 스트레인게이지(144a, 144b, 146a, 146b)가 휘트스톤 브릿지 회로로 구성됨으로써, 계측 롯드(100)의 변형량을 전압의 상태로 변환하는 것이다.

본 발명에 따른 계측 롯드(100)는 관입시험장치에 장착할 수 있는데, 상기 관입시험장치는 원지반에 여러가지 방법으로 관입될 수 있다. 이러한 관입 방법에 관계없이, 상기 관입시험장치는, 상기 계측 롯드(100)와, 관입구동력을 직접 받는 두부 롯드(200), 및 관입하고자 하는 지반의 깊이에 따라 탈장착이 가능하며 장착시에는 상기 두부 롯드(200)와 계측 롯드(100) 사이에 장착되는 길이조절용 롯드(500)를 포함한다.

도 2에는 해머에 의해 원지반에 삽입되는 관입시험장치의 정면도가 도시되어 있고, 도 3에는 유압장치를 통하여 원지반에 삽입되는 관입시험장치의 정면도가 도시되어 있다.

상기 관입시험장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 계측 롯드(100);

상기 계측 롯드(100)의 타단 측에 위치하는 두부 롯드(200);

상기 두부 롯드(200)에 타격을 가하는 해머(301); 및 상기 두부 롯드(200)와 해머(301) 사이에 결합되는 앤빌(303)을 포함한다.

상기 앤빌(303)은, 상기 두부 롯드(200)에 해머(301)의 힘을 전달함과 동시에 해머(301)에 의해서 두부 롯드(200)가 손상되는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로, 상기 앤빌(303)에는 상기 해머(301)가 낙하되는 방향으로 해머가이드(304)가 돌출형성될 수 있다. 따라서, 상기 해머가이드(304)는 상기 해머(301)를 관통하는 구조로 형성되어 있고, 이로 인하여, 상기 해머(301)가 일정한 경로로 상기 두부 롯드(200)를 상기 앤빌(303)을 타격하도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기와 같이 해머(301)가 일정한 경로로 타격하도록 함으로써, 동일한 에너지를 상기 관입시험장치에 전달했을 때, 관입되는 원지반의 강성 및 기타 특성을 상기 계측 롯드(100)가 정확하게 측정할 수 있게 되는 것이다.

상기 두부 롯드(200)에는 가속도계(242) 및 스트레인게이지(244)가 장착될 수 있는데, 상기와 같이 두부 롯드(200)에 가속도계(242) 및 스트레인게이지(244)를 장착함으로써, 본 발명에 따른 상기 관입시험장치가 앤빌(303)로부터 상기 두부 롯드(200)에 전달되는 해머(301)의 충격에너지와, 상기 관입선단(110)에서 측정된 에너지를 비교할 수 있다. 여기서, 상기 가속도계(242)와 스트레인게이지(244)는 동일한 높이에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 관입시험장치는, 상기 관입시험장치의 두부 롯드(200)와 계측 롯드(100) 사이에 결합되는 길이조절용 롯드(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 길이조절용 롯드(500)는 상기 관입시험장치에 항상 장착되는 것은 아니고, 관입깊이에 따라 상기 길이조절용 롯드(500)가 장착될 수 있는 길이를 선택하거나 상기 길이조절용 롯드(500)의 장착 여부를 선택할 수 있다.

유압장치에 의해 원지반에 관입되는 상기 관입시험장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 계측 롯드(100);

상기 계측 롯드(100)의 타단 측에 위치하는 두부 롯드(200); 및

상기 두부 롯드(200)에 하중을 가하는 유압장치(311);를 포함한다.

여기서 상기 유압장치(311)는 여러가지를 채택할 수 있기 때문에 개략적으로 도시하였다. 상기 유압장치(311)에 의해 상기 두부 롯드(200)가 하중을 받게 되면, 상기 관입시험장치가 원지반에 삽입된다. 상기 관입시험장치의 상기 두부 롯드(200)에는 가속도계(242) 및 스트레인게이지(244)가 장착될 수 있는데, 상기와 같이 두부 롯드(200)에 가속도계(242) 및 스트레인게이지(244)를 장착함으로써, 본 발명에 따른 상기 관입시험장치가 상기 두부 롯드(200) 측에서 상기 유압장치(311)에 의해 받는 하중이나, 상기 관입선단(110)에서 측정된 에너지를 비교할 수 있다. 여기서, 상기 가속도계(242)와 스트레인게이지(244)는 동일한 높이에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 관입시험장치는, 상기 관입시험장치의 두부 롯드(200)와 계측 롯드(100) 사이에 결합되는 길이조절용 롯드(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 길이조절용 롯드(500)는 상기 관입시험장치에 항상 장착되는 것은 아니고, 상기 관입시험장치의 관입깊이에 따라 상기 길이조절용 롯드(500)가 장착될 수 있는 길이를 선 택하거나 상기 길이 조절용 롯드(500)의 장착 여부를 선택할 수 있다.

도 4에는 관입시험장치에 하중을 가했을 때, 제1스트레인게이지부(144)의 신호를 증폭하여 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 5에는 상기 관입시험장치가 원지반에 삽입되는 관입시험장치의 제1 및 제2 스트레인게이지부의 전압을 나타내는 그래프가 도시되어 있다.

여기서, 상기 제1스트레인게이지부(144) 및 제2스트레인게이지부(146)는 상기 계측 롯드(100)의 내부케이싱(120)에 장착되어 있다.

먼저, 상기 관입시험장치에 하중이 가해질 때 제1스트레인게이지부(144)에 나타나는 신호를 측정하는 실험은, 1kg의 추를 자유낙하시켜 제1스트레인게이지부(144)에서 나타나는 반응을 측정하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 추를 낙하시켰을 때, 제1스트레인게이지부(144)에서 반응을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 지반의 강성에 따라 제1스트레인게이지부(144)의 반응이 다르게 나타날 수 있다는 것을 나타내며, 이와 같은 결과는 가속도계(242)를 측정했을 때와 유사하게 나타난다.

또한, 스트레인게이지에 의해 측정된 변위는 오실로스코프를 통해 전압으로 환산된다. 이를 저항력으로 변환하기 위해서는 먼저 각 하중에 따른 스트레인게이지의 전압변화에 대한 눈금보정(calibration)이 수행되어야 한다. 상기와 같이 정적하중이 가해진 상태에서 스트레인게이지 각각의 전압변화를 측정하여 눈금보 정(calibration)을 수행할 때, 스트레인게이지에 정적 하중을 가하여 각 하중 단계별 전압의 변화를 측정함으로써, 스트레인게이지의 눈금보정(calibration)을 수행하게 된다. 즉, 상기 관입시험장치에 장착되는 제1 및 제2스트레인 게이지는 먼저 눈금보정을 통하여, 힘을 가했을 때 상기 계측 롯드(100)에 장착된 제1스트레인게이지부(144) 및 제2스트레인게이지부(146)에 힘이 가해진 상태를 비교해봄으로써, 상기 제1스트레인게이지부(144) 및 제2스트레인게이지부(146)가 정확한 위치에 장착되었는지 여부를 판단할 수 있다. 도 5에 도시된 도면을 살펴보면, 눈금보정(calibration)을 통해 정적하중이 단계별로 가해진 상태에서의 상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)의 전압값(loading)과, 단계별로 가해졌던 하중을 제했을 때의 상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)의 값(unloading)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 하중 단계에서 전압이 선형증가를 보인 것을 알 수 있다. 따라서, 눈금보정(calibration)을 통해 상기 제1 및 제2스트레인게이지(144, 146)의 기능이 제대로 수행된다는 것을 알 수 있다.

도 6에는 본 발명의 일실시예에 따른 관입시험장치의 실제 실시예가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 일실시예에 따른 관입시험장치에 의해 원지반의 강성 및 특성을 계측하는 시스템이 개략적으로 도시되어 있다.

여기서 사용되는 관입시험장치는 해머(301)의 타격에 의해 원지반에 관입되는 관입시험장치를 사용하고 있다. 상기 관입시험장치를 통하여 원지반의 특성을 측정하는 원리는 아래와 같다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 관입시험장치는 상기 해머(301)를 상기 앤빌(303)에 낙하시켜 상기 두부 롯드(200)를 타격하면, 충격 에너지가 상기 두부 롯드(200) 및 계측롯드를 따라 상기 관입선단(110)에 전달된다. 여기서, 길이조절용 롯드는 본 발명을 좀 더 용이하게 설명하기 위하여 생략하였다. 상기 관입시험장치가 측정하고자 하는 지반의 강성에서 따라, 지반에서 반사되어 오는 충격 에너지의 크기가 달라지게 되는데, 반사된 에너지는 상기 관입선단(110)을 따라 상기 계측 롯드(100)로 전달되게 된다.

상기 해머(301)의 타격과 지반의 반발력에 의해 발생되는 상기 계측 롯드(100)의 내부케이싱(120)의 변형과 함께, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 내부케이싱(120)의 상기 계측부(122)에 장착된 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)도 함께 변형을 하게 된다. 이 때, 발생된 변형은 '후크의 법칙'을 통해 응력으로 나타낼 수 있다. 상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)에 변형이 발생되면, 상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)를 구성하는 스트레인게이지의 저항선의 길이도 변화하게 되는데 이 변형된 값은, 오실로스코프나 디지털 멀티미터를 통해 전압으로 환산된다. 즉, 실험 전에 상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)의 눈금보정(calibration)을 거침으로써, 관입실험시 상기 제1 및 제2스트레인게이지(144, 146)의 변형과 전압과의 관계를 파악할 수 있다.

즉, 계측하고자 하는 깊이까지 관입된 상기 관입시험장치는 심도별로 상기 해머(301)를 타격하여 상기 가속도계(142)로 상기 해머(301)에 의한 선단부 전달 에너지를 측정하고 상기 계측부(122)에 설치된 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)로 전압을 측정한다. 또한 상기 간극수압 트랜스듀서(148)로 간극수압을 측정한다. 상기 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146), 간극수압 트랜스듀서(148), 및 가속도계(142)에 의해 측정된 값은 제어부(controller)로 전달되고, 상기 제어부(controller)에서는 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146)로 얻어진 전압을 눈금보정(calibration) 값과 비교하여 환산 하중 값을 얻는다. 상기 환산 하중 값을 상기 콘(112)의 단면적으로 나누어 줌으로써, 심도에 따른 선단 저항력 및 주면 저항력을 도출할 수 있다.

상기와 같이 얻은 심도별 선단 저항력 및 주면 저항력에 대한 그래프를 도시하여 대상 지반의 심도별 강도특성을 파악하고, 이를 통하여 간극 수압계로 심도별 간극 수압을 측정한다. 원지반을 이루는 연약한 점토지반부터 단단한 점토지반, 모래지반, 중간토지반 및 암반 등의 선단 저항력과 주면저항력을 평가함으로써, 본 발명에 따른 관입시험장치는 원지반의 특성을 계측할 수 있다.

본 발명에 따른 관입시험장치는 종래와 달리 상기 계측 롯드(100)에 가속도계(142), 제1 및 제2스트레인게이지부(144, 146) 및 간극수압 트랜스듀서(148)가 장착되어 있을 뿐만 아니라, 두부 롯드(200)에 스트레인게이지(244)와 가속도계(242)가 결합되어 있기 때문에, 연약지반 뿐만 아니라 원지반 조건에서 비교적 단단한 점토지반 및 모래지반, 중간토지반 및 암반의 강성특성을 평가할 수 있다. 따라서, 비교적 단단한 원지반이나 암반의 경우, 별도로 지반을 시추하여 실험실에서 강성을 평가할 필요가 없고, 원지반을 직접 탐사할 수 있어, 지반의 특성을 측정하는 시간을 최대한 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 모든 지반에 사용할 수 있기 때문에 계측하고자 하는 지반의 심도에 따라 관입시험장치를 교체할 필요도 없다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 계측 롯드의 분해단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관입시험장치의 정면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 관입시험장치의 정면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관입시험장치에 하중을 가할 시 제1스트레인게이지부에 나타나는 신호의 그래프이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 관입시험장치의 변형에 따른 제1 및 제2 스트레인게이지부의 전압값의 그래프이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 관입시험장치의 실제 실시예이다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 관입시험장치에 의해 원지반의 강성 및 특성을 계측하는 시스템의 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 계측 롯드 110: 관입선단

112: 콘 114: 콘 결합부

120: 내부케이싱 122: 계측부

124: 가이드부 124a: 제1가이드

124b: 제2가이드 126: 노출부

128: 케이싱결합부 129: 돌출부

130: 외부케이싱 132: 변단면부부

134: 걸림턱 141, 143: 오링

142: 가속도계 144: 제1스트레인게이지부

144a, 144b: 스트레인게이지 146: 제2스트레인게이지부

146a, 146b: 스트레인게이지 148: 간극수압 트랜스듀서

200: 두부 롯드 242: 가속도계

244: 스트레인게이지 301: 해머

303: 앤빌 304: 해머가이드

311: 유압장치 500: 길이조절용 롯드

Claims (15)

1. 원뿔 형상의 콘과 상기 콘의 바닥면에 수직으로 돌출형성된 콘 결합부를 포함하는 관입선단;

   일단에 상기 관입선단의 콘 결합부가 결합되고, 타단에는 케이싱결합부가 형성된 내부케이싱; 및

   상기 내부케이싱의 일측이 수용되는 외부케이싱을 포함하되,

   상기 내부케이싱은 상기 외부케이싱이 방사상 내측에 위치하고 스트레인 게이지가 장착되며 외주면에 돌출부가 돌출형성되는 계측부, 상기 외부케이싱의 내주면과 접하며 상기 계측부의 일단 외주면을 따라 돌출형성된 제1가이드와 상기 계측부의 타단 외주면을 따라 돌출형성된 제2가이드를 포함하는 가이드부, 및 외부로 노출되며 상기 제2가이드와 상기 케이싱결합부 사이에 형성되어 상기 외부케이싱의 이동을 제한하는 노출부로 구비되고,

   상기 관입선단에는 가속도계가 장착되며,

   상기 내부케이싱의 계측부에는 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부가 장착되되, 상기 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부 사이에 상기 돌출부가 위치하고,

   상기 외부케이싱의 내주면에는 상기 외부케이싱의 움직임이 제한되도록 상기 내부케이싱의 돌출부에 대응되는 위치에 걸림턱이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 계측 롯드.
2. 제1항에 있어서,

   상기 내부케이싱의 계측부에는 간극수압 트랜스듀서가 장착된 것을 특징으로 하는 계측 롯드.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,

   상기 외부케이싱의 내주면에는 상기 내부케이싱의 돌출부에 대응되는 위치에 변단면부가 형상되고,

   상기 변단면부를 기준으로 상기 외부케이싱의 일단측 내경이 상기 외부케이싱의 타단측 내경보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 계측 롯드.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부는 휘트스톤 브릿지 회로인 것을 특징으로 하는 계측 롯드.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부는 각각 두 개의 스트레인게이지로 구비되는 것을 특징으로 하는 계측 롯드.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1스트레인게이지부 및 제2스트레인게이지부는 상기 내부케이싱의 길이방향으로 장착된 것을 특징으로 하는 계측 롯드.
10. 제1항에 있어서,

    상기 계측 롯드는 상기 외부케이싱의 양 단에 고무 재질의 오링이 더 장착되는 것을 특징으로 하는 계측 롯드.
11. 제1항 내지 제2항 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 계측 롯드;

    상기 계측 롯드의 타단 측에 위치하는 두부 롯드;

    상기 두부 롯드에 타격을 가하는 해머; 및 상기 두부 롯드와 해머 사이에 결합되는 앤빌을 포함하는 관입시험장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 해머를 관통하는 해머가이드가 상기 앤빌에 연결형성된 것을 특징으로 하는 관입시험장치.
13. 제11항에 있어서,

    상기 관입시험장치는, 상기 관입시험장치의 두부 롯드와 계측 롯드 사이에 결합되는 길이조절용 롯드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관입시험장치.
14. 제1항 내지 제2항 및 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 계측 롯드;

    상기 계측 롯드의 타단 측에 위치하는 두부 롯드; 및

    상기 두부 롯드에 하중을 가하는 유압장치;를 포함하는 관입시험장치.
15. 제14항에 있어서,

    상기 관입시험장치는, 상기 관입시험장치의 두부 롯드와 계측 롯드 사이에 결합되는 길이조절용 롯드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관입시험장치.

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