KR101209911B1 - 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비 - Google Patents

Abstract

토양의 투수 및 강도 측정시 각각 별도의 조사 장비를 사용하지 않도록 일체형으로 제작함으로써, 이동이 간편하고 현장 시험에 용이하게 사용할 수 있고, 하천 관리자 또는 하천 점검자가 하천제방 안정성 평가를 수행할 때 하천제방의 강도 및 투수성을 현장에서 간단히 평가할 수 있는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 제공된다. 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비는, 하천제방 토양의 투수 및 강도 측정을 간이조사 장비에 있어서, 관입 가능한 콘(Cone) 및 상기 콘이 연결되는 복합 파이프를 구비하며, 강도 시험시 로드로 사용되고, 투수 시험시 유공관으로 사용되는 하단 로드부; 하단 로드부에 체결되며, 투수 시험시 수조로 사용되고, 강도 시험시 로드로 사용되는 중단 수조부; 및 중단 수조부에 탈착 가능하게 체결되고, 강도 시험시 그립 역할을 하면서 강도를 측정하고, 투수 시험시 중단 수조부로부터 탈착되는 상단 강도측정부를 포함하되, 하단 로드부 및 중단 수조부가 체결되어 투수 시험기로 사용되고, 하단 로드부, 중단 수조부 및 상단 강도측정부가 체결되어 강도 시험기로 사용된다.

Description

토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비{Multiple-purpose brief surveying equipment for measuring permeability and strength of soil}

본 발명은 투수 및 강도 측정용 시험 장비에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 하천제방(river embankment) 토양(Soil)의 투수(Permeability) 및 강도(Strength) 측정을 위한 복합 간이조사 장비에 관한 것이다.

국내 하천제방의 안정성 평가는 하천 관리자에 의한 육안 점검에 의존하고 있으며, 정밀 안전진단을 수행하는 경우, 육안 점검 이외에 필요시 현장 실험 및 수치해석을 통한 안정성 평가를 수행하고 있다.

기존의 제방 안전성 평가에 사용되는 방법인 육안 점검은 간단한 외관 상태 평가를 통해 개략적인 안정성을 평가할 수 있으나, 제방 노후화에 따른 강도(Strength) 및 투수성(Permeability) 변화 등 정량적인 안정성 변화를 평가할 수 없는 단점이 있다.

또한, 현장 실험의 경우, 많은 시간이 소요되며, 현장 조건에 따라 실험이 어려운 경우가 발생한다는 문제점이 있다.

한편, 하천제방 제체의 안정성 평가를 위해서는 현장 실험을 통해 투수계수 및 강도 특성을 평가한다. 기존의 제체의 투수계수 측정을 위한 간이 현장 투수시험법으로는 겔프식 웰 퍼미아미터법(Guelph well permeameter: GWP법)이라 불리는 간이 현장 투수시험 장치가 사용되고 있다. 이러한 GWP법은 마리오트 사이펀의 원리를 이용하여 급수탱크를 관측공위에 세워 삼각대로 지지한 간단한 구조로 휴대가 용이하도록 개발되어 사용되고 있는 공법이다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 기술에 따른 GWP법 투수시험기를 나타내는 사진들이다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 GWP법 투수시험기(20)는 캐나다 겔프대학에서 마리오트 사이펀 원리를 이용하여 급수탱크를 관측공위에 세우고 삼각대(30)로 지지한 간단한 구조로서, 휴대가 용이하도록 개발한 간이 현장 투수실험 장치이다.

그러나 종래의 기술에 따른 GWP법을 이용한 간이 현장 투수시험 장비의 경우, 현장에서 간편하게 사용하기에는 시험장비의 크기가 너무 커서 이동 및 시험에 어려움이 발생한다. 특히, 제방 제체 투수 시험을 위해서는 많은 시험시간이 소요되며, 안정적인 투수시험을 위해서는 바람 등에 의한 외부 환경에 안정적인 구조가 필요하다.

한편, 일본 국토기술연구센터(JICE)에서는 전술한 GWP법을 이용하여 하천제방 노후화에 의한 투수성 변화를 측정할 수 있는 간이조사 장비를 개발하였다. 이때 상기 간이 현장 강도조사 장비는 기존의 포터블 콘 관입 시험기 원리를 이용하여 간략화시킴으로써 현장에서 사용할 수 있다.

도 2는 종래의 기술에 따른 간이 강도시험기를 예시하는 도면이고, 도 3은 종래의 기술에 따른 간이 투수측정기를 예시하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 간이 강도시험기(40)는, 콘(41), 로드(42: 또는 롯드), 눈금(43, 44), 그립(45) 및 스프링(46) 등을 포함한다. 종래의 기술에 따른 간이 강도시험기(40)는 기존의 포터블 콘 관입 시험기를 더욱 간략화한 것으로, 그립(45)을 잡고 제체로 관입시켜, 관입시 눈금 변화로 관입 저항치를 측정하게 된다.

도 3을 참조하면, 종래의 기술에 따른 간이 투수시험기(50)는, 콘(51), 유공관(52), 무공관(53), 아크릴 파이프(54) 및 눈금(55) 등을 포함한다. 종래의 기술에 따른 간이 투수시험기(50)는 GWP법을 더 간략화한 것으로, 시험관을 지반 내로 관입 후, 측정관을 이어 붙이고, 측정관 내에 주입된 물의 변화 관측을 통해 투수성을 측정한다.

종래의 기술에 따르면, 제방의 안정성 평가를 위해 현장 간이 투수시험 장비와 기존의 간이 현장 강도시험 장비를 이용하여 각각의 시험을 수행함에 따라 장비 사용 및 이동에 따른 많은 시간이 필요하다는 문제점이 있다.

1) 대한민국 등록특허번호 제10-0526015호(출원일: 2004년 11월 15일), 발명의 명칭: "콘 관입형 다짐도 측정기" 2) 대한민국 등록특허번호 제10-0931546호(출원일: 2007년 10월 09일), 발명의 명칭: "마이크로 콘 관입 장치"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 토양의 투수 및 강도 측정시 각각 별도의 조사 장비를 사용하지 않도록 일체형으로 제작함으로써, 이동이 간편하고 현장 시험에 용이하게 사용할 수 있는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 하천 관리자 또는 하천 점검자가 하천제방 안정성 평가를 수행할 때, 하천제방의 강도 및 투수성을 현장에서 간단히 평가할 수 있는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비를 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비는, 하천제방 토양의 투수 및 강도 측정을 간이조사 장비에 있어서, 관입 가능한 콘(Cone) 및 상기 콘이 연결되는 복합 파이프를 구비하며, 강도 시험시 로드로 사용되고, 투수 시험시 유공관으로 사용되는 하단 로드부; 상기 하단 로드부에 체결되며, 투수 시험시 수조로 사용되고, 강도 시험시 로드로 사용되는 중단 수조부; 및 상기 중단 수조부에 탈착 가능하게 체결되고, 강도 시험시 그립 역할을 하면서 강도를 측정하고, 투수 시험시 상기 중단 수조부로부터 탈착되는 상단 강도측정부를 포함하되, 상기 하단 로드부 및 상기 중단 수조부가 체결되어 투수 시험기로 사용되고, 상기 하단 로드부, 상기 중단 수조부 및 상기 상단 강도측정부가 체결되어 강도 시험기로 사용되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 강도 시험기는 상기 그립을 잡고 제체로 관입시킨 후, 관입시의 눈금 변화에 따른 관입 저항치를 측정하여 강도를 측정할 수 있고, 상기 관입 저항치는 디지털 방식 또는 아날로그 방식으로 될 수 있다.

여기서, 상기 투수 시험기는 마리오트 사이펀(Marriott siphon) 원리를 이용하여 GWP(Guelph well permeameter) 투수 방식으로 투수를 측정할 수 있다.

여기서, 상기 하단 로드부는, 지반으로 관입되는 콘(Cone); 및 상기 콘에 체결되는 로드(Rod)로서, 상기 콘에 가까운 부분이 투수 시험시 물이 빠져나가도록 다공질로 형성된 복합 파이프(Composition pipe)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 중단 수조부는, 투수 시험시 수조 역할을 하는 아크릴 파이프(Acrylic pipe); 상기 아크릴 파이프를 보호하기 위한 강재 커버로서, 강도 시험시 상기 상단 강도측정부로부터 전달되는 힘을 지지하는 안전 커버(Safety cover); 및 상기 아크릴 파이프 및 안전 커버를 상기 하단 로드부의 복합 파이프와 연결하는 어댑터(Adapter)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 중단 수조부는, 공기의 유출입을 조절하는 볼 밸브(Ball valve); 및 상기 중단 수조부와 상기 상단 강도측정부를 탈착 또는 부착시키는 하중 커넥터 클램프(Load connector clamp)를 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 상기 중단 수조부는, 투수 시험시 유출량을 측정하도록 상기 아크릴 커버 상에 눈금이 매겨진 눈금 시트(Graduation sheet)를 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 상기 상단 강도측정부는, 강도 측정을 위한 관입 시험시 손잡이 역할을 하는 원통형의 그립(Grip); 토양 강도를 측정하여 외부의 데이터로거에 전달하는 하중계(Loadcell); 상기 하중계가 안착되도록 상기 그립 상부에 형성되는 하중계 고정 블록(Loadcell fixed block); 상기 그립 내부에 삽입되어 상기 하중계와 연결되는 압축 스프링(Compression spring); 및 상기 중단 수조부와 연결되며, 상기 데이터로거와 별도로 강도를 측정하도록 하중 눈금이 매겨져 있는 하중 커넥터(Load connector)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 상단 강도측정부는, 상기 그립을 보호하고, 미끄럼 방지를 위한 격자무늬가 새겨진 커버(Cover)를 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 상기 상단 강도측정부는, 상기 하중 커넥터와 상기 그립 사이에 삽입되어 쿠션 역할을 하는 쿠션 메탈(Cushion metal)을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비는, 투수 시험시 상기 중단 수조부를 지지하도록 체결되는 삼각대를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 토양의 투수 및 강도 측정시 각각 별도의 조사 장비를 사용하지 않도록 일체형으로 제작함으로써, 이동이 간편하고 현장 시험에 용이하게 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 하천 관리자 또는 하천 점검자가 하천제방 안정성 평가를 수행할 때 하천제방의 강도 및 투수성을 현장에서 간단히 평가할 수 있다. 이에 따라 하천제방의 안정성 평가 기법으로 사용되고 있는 기존 육안점검 및 현장 실험의 단점을 보완할 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 기술에 따른 GWP법 투수시험기를 나타내는 사진들이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 간이 강도시험기를 예시하는 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 간이 투수시험기를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 하단 로드부를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 중단 수조부를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 상단 강도측정부를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비 및 기타 필요 장비를 나타내는 사진이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 강도 시험기 및 투수 시험기로 사용되는 것을 예시하는 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 하천제방의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 투수 실험에 사용될 때, 마리오트 사이펀의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 투수 시험기로 사용되는 것을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용시, 횡단실험 수행 현장의 입도분포곡선을 예시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용시, 현장 투수실험 실시위치를 예시하는 도면이다.
도 14a 내지 도 14c는 각각 현장 간이 투수실험 실시 장면을 나타내는 사진들이다.
도 15a 및 도 15b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용시, 현장 투수실험 결과를 예시하는 도면이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용시, 실내실험 시료의 입도분포곡선 및 다짐특성 곡선을 예시하는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비를 나타내는 도면이고, 도 5는 하단 로드부를 구체적으로 나타내는 도면이고, 도 6은 중단 수조부를 구체적으로 나타내는 도면이며, 도 7은 상단 강도측정부를 구체적으로 나타내는 도면이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비(100)는 하천제방 토양의 투수 및 강도 측정을 간이조사 장비로서, 크게 하단 로드부(100a), 중단 수조부(100b) 및 상단 강도측정부(100c)를 포함한다.

하단 로드부(100a)는 지반으로 관입 가능한 콘(Cone: 101) 및 상기 콘(101)이 연결되는 복합 파이프(102)를 구비하며, 강도 시험시 로드로 사용되고, 투수 시험시 유공관으로 사용된다. 이때, 복합 파이프(Composition pipe: 102)는 상기 콘(101)에 체결되는 로드(Rod)로서, 상기 콘(101)에 가까운 부분이 투수 시험시 물이 빠져나가도록 다공질로 형성된다.

또한, 중단 수조부(100b)는 상기 하단 로드부(100a)에 체결되며, 투수 시험시 수조로 사용되고, 강도 시험시 로드로 사용된다.

구체적으로, 상기 중단 수조부(100b)는, 아크릴 파이프(Acrylic pipe: 103), 안전 커버(Safety cover: 104), 어댑터(Adapter: 105), 눈금 시트(Graduation sheet: 111), 볼 밸브(Ball valve: 114) 및 하중 커넥터 클램프(Load connector clamp: 115)를 포함한다.

상기 아크릴 파이프(103)는 투수 시험시 수조 역할을 하며, 상기 안전 커버(104)는 상기 아크릴 파이프(103)를 보호하기 위한 강재 커버로서, 강도 시험시 상기 상단 강도측정부(100c)로부터 전달되는 힘을 지지한다.

상기 어댑터(105)는 상기 아크릴 파이프(103) 및 안전 커버(104)를 상기 하단 로드부(100a)의 복합 파이프(102)와 연결한다.

상기 볼 밸브(114)는 공기의 유출입을 조절하며, 하중 커넥터 클램프(115)는 상기 중단 수조부(100b)와 상기 상단 강도측정부(100c)를 탈착 또는 부착시키는 역할을 한다.

상기 눈금 시트(111)는 투수 시험시 유출량을 측정하도록 상기 아크릴 커버 상에 눈금이 매겨져 있다.

또한, 상단 강도측정부(100c)는 상기 중단 수조부(100b)에 탈착 가능하게 체결되고, 강도 시험시 그립(108) 역할을 하면서 강도를 측정하고, 투수 시험시 상기 중단 수조부(100b)로부터 탈착된다. 이때, 상단 강도측정부(100c)는 데이터로거 또는 그립(108) 하단의 눈금으로부터 관입력을 측정할 수 있다.

구체적으로, 상기 상단 강도측정부(100c)는, 하중 커넥터(Load connector: 106), 쿠션 메탈(Cushion metal: 107), 그립(Grip: 108), 커버(Cover: 109), 하중계 고정 블록(Loadcell fixed block: 110), 하중계(Loadcell: 112) 및 압축 스프링(Compression spring: 113)을 포함한다.

상기 그립(108)은 원통형 형상으로, 강도 측정을 위한 관입 시험시 손잡이 역할을 하며, 상기 커버(109)는 상기 그립(108)을 보호하고, 미끄럼 방지를 위한 격자무늬가 새겨져 있다.

하중계(112)는 토양 강도를 측정하여 외부의 데이터로거에 전달하며, 하중계 고정 블록(110)은 상기 하중계(112)가 안착되도록 상기 그립(108) 상부에 형성된다.

상기 압축 스프링(113)은 상기 그립(108) 내부에 삽입되어 상기 하중계(112)와 연결된다.

상기 하중 커넥터(106)는 상기 중단 수조부(100b)의 하중 커넥터 클램프(115)와 연결되며, 상기 데이터로거와 별도로 강도를 측정하도록 하중 눈금(도시되지 않음)이 매겨져 있고, 상기 쿠션 메탈(107)은 상기 하중 커넥터(106)와 상기 그립(108) 사이에 삽입되어 쿠션 역할을 한다.

본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비(100)는, 상기 하단 로드부(100a) 및 상기 중단 수조부(100b)가 체결되어 투수 시험기로 사용되고, 상기 하단 로드부(100a), 상기 중단 수조부(100b) 및 상기 상단 강도측정부(100c)가 체결되어 강도 시험기로 사용될 수 있다.

이때, 상기 강도 시험기는 기존 포터블 콘 관입 실험기의 원리를 이용하며, 상기 그립(108)을 잡고 제체로 관입시킨 후, 관입시의 눈금 변화에 따른 관입 저항치를 측정하여 강도를 측정할 수 있고, 상기 관입 저항치는 디지털 방식 또는 아날로그 방식으로 될 수 있다.

또한, 상기 투수 시험기는 마리오트 사이펀(Marriott siphon) 원리를 이용하여 GWP(Guelph well permeameter) 투수 방식으로 투수를 측정할 수 있는데, 도 10 및 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비(100)는 기존의 간이 투수시험 장비와 강도시험 장비에 비해 크기와 무게를 줄임으로써, 이동시 현장 측정이 용이하며, 간이 투수시험 장비와 강도시험 장비를 일체화시킴으로써 투수시험과 강도시험이 가능하며, 총 무게는 6kg 이내이고, 특히, 간이 그립 부분은 탈부착이 가능하다.

따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 토양의 투수 및 강도 측정시 각각 별도의 조사 장비를 사용하지 않도록 일체형으로 제작함으로써, 이동이 간편하고 현장 시험에 용이하게 사용할 수 있고, 또한, 하천 관리자 또는 하천 점검자가 하천제방 안정성 평가를 수행할 때 하천제방의 강도 및 투수성을 현장에서 간단히 평가할 수 있다.

한편, 도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비 및 기타 필요 장비를 나타내는 사진이다.

도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비(100) 및 데이터로거(200)를 나타내는 도면으로서, 데이터로거(200)는 강도 측정시 사용하며, 이때, 피크 강도 또는 현재 강도가 표시되며, 예를 들면, 일정 시간 증분에 따라 단계별 강도값을 메모리카드 내에 저장할 수 있다.

구체적으로, 강도 측정시, 상단 강도측정부(100c)의 그립(108) 부분을 잡고 지면에 수직으로 일정 속도(1㎝/sec정도)로 관입한다. 이때, 최대 관입시와 10㎝ 관입시마다 데이터로거(200)의 값을 기록한다. 데이터로거(200)에 표시되는 값의 단위는 kgf이므로, 콘(101)의 단면적으로 나눠서 강도를 계산할 수 있다.

도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비(100)에 필요한 기타 장비로서, 각각 스크류 오거(301), Well prep Brush 또는 긴 사각 철솔(302), 줄자(303), 깔대기(304), 양동이(305), 물조리개(306), 데이터시트(Data sheet: 307), 물(308), 디지털 온도계(309) 및 스톱워치(Stop Watch: 310)를 나타낸다.

한편, 도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 강도 시험기 및 투수 시험기로 사용되는 것을 예시하는 사진이다.

본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비(100)는 도 9a에 도시된 바와 같이 상기 하단 로드부(100a), 상기 중단 수조부(100b) 및 상기 상단 강도측정부(100c)가 체결되어 강도 시험기로 사용되거나, 또는 도 9b에 도시된 바와 같이, 상기 하단 로드부(100a) 및 상기 중단 수조부(100b)가 체결되어 투수 시험기로 사용될 수 있다.

예를 들면, 도 9b를 참조하면, 투수 측정을 위해서, 삼각대(120)를 이용하여 장비를 고정하고, 지반표면에 스크류 오거를 사용하여 실험공을 굴착한다. 이후, 급수탱크 내의 공기관을 조정하여 시험공 내에 소정의 정수위(H)를 부여하고, 이후, 시험공 H 이하의 측벽과 시험공에서 토양 속으로 빠져나가는 침윤량을 측정한다. 일정 시간 경과 이후 침윤량이 일정해지면 정상 침윤량을 측정하게 된다. 이러한 투수 측정에 대한 구체적인 방법은 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.

한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 하천제방의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 투수 실험에 사용될 때, 마리오트 사이펀의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하천제방의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비는 마리오트 사이펀 원리를 이용하여 급수탱크를 관측공위에 세워 삼각대로 지지하는 GWP법이 이용된다. 이때, 마리오트 사이펀 원리는 다음과 같다.

먼저, 시험공(B)의 수위가 안정된 상태를 가정한다. 이때, 탱크(A)에 접속되어 있는 파이프는 a에서 시험공(B)의 수면에 접하고 있다. 이러한 상태에서 지반으로 물이 침투하면 시험공(B)의 수위가 내려간다. 이때, a에서 순간적으로 공기가 유입되어 탱크(A)의 수면을 누르게 되고, 시험공(B)의 수면을 상승시킴으로써 원래 수면상태로 복귀한다.

이렇게 해서 시험공(B)의 수위는 일정하게 유지되며, 어떤 일정시간의 탱크(A)의 수위 저하량으로 유입량을 알 수 있고, 이에 따라 지반의 투수계수를 측정할 수 있다.

한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 투수 시험기로 사용되는 것을 나타내는 도면이다.

전술한 도 8b 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 투수 시험기로 사용하기 위해서, 먼저, 스크류 오거(301)를 이용하여 투수 시험을 하고자 하는 지반을 원통형으로 굴착한다. 이때, 스크류 오거(301)의 크기는 유공관(102a)의 지름보다 충분히 큰 것을 사용한다. 또한, 굴착시에는 지반의 교란을 최소화해야 하고, 굴착한 구멍 바닥은 적어도 지하수면으로부터 20㎝ 이상 떨어져 있어야 한다.

다음으로, 신뢰도 높은 투수계수를 얻기 위해서는 굴착한 구멍의 벽을 긴 솔(302)로 조심스럽게 문질러 울퉁불퉁한 면을 제거한다. 이후, 구멍 지름의 길이를 측정한다.

다음으로, 투수관(102b)을 삼각대(120)에 끼워 넣고 투수관(102b) 끝에 위치한 유공관(102a) 부분을 굴착한 구멍 속으로 잘 맞춰 넣고 삼각대(120)의 위치와 높이를 조정한다. 이후, 조정이 완료되면 흰색 고정링(116)을 나사(117)로 조여 삼각대(120)와 투수관(102b)을 고정시킨다.

다음으로, 삼각대(120)와 고정링(116)의 위치를 잘 조정하여 투수관(102b)의 눈금을 가리지 않게 한다.

다음으로, 공기관(118)을 유공관(102a) 바닥에 닿을 때까지 투수관(102b) 속으로 넣는다. 투수관(102b) 위쪽에 있는 주수밸브(121)에 검은색 원통형 깔대기(304)를 연결하고 물(308)을 채워 넣는다. 이때, 물(308)의 온도는 주위 온도와 같아야 하며, 이것은 디지털 온도계(309)로 확인하며 증류수와 이온이 제거된 물은 사용하지 않는다. 또한, 투수관(102b) 위쪽의 공기밸브(119)를 살짝 열어 주수가 쉽게 이루어지게 한다. 또한, 투수관(102b)의 맨 위 까지 물(308)득 채워 공간이 없게 한다.

다음으로, 물(308)을 다 채우고 나면, 깔때기(304)를 빼고 공기밸브(119)와 주수밸브(201)를 모두 잠근다.

다음으로, 천천히 연속적으로 공기관(118)을 들어 올려 투수 시험을 시작한다. 이때, 공기관(118)을 빨리 들어 올리면 시험공 내의 지반이 교란될 가능성이 있으므로 주의하여야 한다.

다음으로, 공기관(118) 끝에서 기포가 발생하기 시작하면 공기관(118)을 들어 올린 길이 H(㎝)를 측정한다.

다음으로, 투수관(102b) 내의 수위가 일정해졌다 싶으면 주수탱크(103)에 새겨진 눈금을 보고 같은 양의 물이 빠지는데 걸리는 시간을 측정하여 정수위 상태를 확인한다. 이를 데이터시트(Data sheet: 307)에 기록하고, 만약 정수위 상태가 되었다면 시간당 유출량을 5회 측정하여 평균값(

)를 측정한다.

다음으로, 투수계수(

)를 다음의 수학식 1에 의해 계산한다. 단,

는 표 1에 도시된 바와 같다.

여기서,

는 형상계수로서, 다음의 수학식 2와 같이 구하며,

내지

는 토양의 종류에 따라 표 2의 값을 취한다.

이때, 표 1은 토양의 조직/구조 분류에 따른

의 권장치를 나타내며, 표 2는 형상계수 C의 함수를 부여하는 회귀적합계수를 나타낸다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비가 전술한 바와 같이 투수 시험기로 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용성 평가를 위한 현장 및 실내 실험내용 및 방법을 도 12 내지 도 16을 참조하여 설명한다.

먼저, 간이 조사장비의 적용성을 평가하기 위해 표 3과 같이 현장 투수실험을 수행하였으며, 그 결과를 비교 및 분석하였다. 이때, 표 3은 현장실험 실험 변화요소 및 실험 개수를 나타낸다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용시, 횡단실험 수행 현장의 입도분포곡선을 예시하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 횡단실험 수행 현장 지반조건으로서, 화강풍화토 2종, 모래 1종을 사용하되, 화강풍화토 제방(1)은 충청남도 논산시 강경읍 삼거2리의 강경제를 사용하고, 화강풍화토 제방(2)은 경상북도 안동시 풍천면 구담리 구담제를 사용하며, 모래제방은 경상북도 예천군 지보면 지보리 지보제를 각각 사용하였다.

이러한 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 적용성 평가는, 도 13에 도시된 바와 같이, 보듯이 제방 횡단면을 따라 4개소에서 GWP장비와 개발 KICT-Ⅰ형, KICT-Ⅱ형의 결과를 비교 분석하였다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용시, 현장 투수실험 실시위치를 예시하는 도면이고, 도 14a 내지 도 14c는 각각 현장 간이 투수실험 실시 장면을 나타내는 사진들로서, 도 14a는 GWP법에 의한 투수실험 장면이고, 도 14b는 KICT-Ⅰ형에 의한 투수실험 장면이며, 도 14c는 KICT-Ⅱ형에 의한 투수실험 장면이다.

즉, 현장 투수실험은 도 14a 내지 도 14c에 도시된 바와 같이 수행하였으며, 현장실험 방법은 오거를 이용하여 직경 8~14㎝, 깊이 12~19㎝ 이내로 설치공을 굴착한 후, 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비를 설치하여 실험기간 동안의 감소수위 및 시간을 측정하였다.

도 15a 및 도 15b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용시, 현장 투수실험 결과를 예시하는 도면으로서, 도 15a는 강경제(화강풍화토제방)인 경우의 투수계수를 나타내고, 도 15b는 구담제(화강풍화토제방)인 경우의 투수계수를 나타낸다.

투수 실험장비에 따른 투수 특성을 살펴보면, 화강풍화토 제방(강경제 및 구담제)의 경우, GWP법과 KICT-Ⅰ형 투수실험으로부터 얻어진 투수계수의 값이 서로 유사한 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비인 KICT-Ⅱ형은 기존의 장비인 GWP법 투수장비와 유사한 결과를 나타내어 현장 적용성이 우수한 것으로 확인되었다.

한편, 제방 횡단면에 대한 측정위치에 따른 투수특성을 살펴보면 제외지, 뚝마루, 제내지에 따른 위치에 상관없이 비슷한 값을 보이고 있다. 이는 제방 표면이 전체적으로 강우 및 유수에 의한 외력, 동결융해, 건습 등으로 인해 노출되어 측정위치의 특성에 따른 투수계수 편차가 크지 않은 것으로 평가된다.

도 16a 및 도 16b는 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비의 현장 적용시, 실내실험 시료의 입도분포곡선 및 다짐특성 곡선을 예시하는 도면이다.

실내 실험에 사용된 흙 시료는 경기도 고양시 곡릉제의 화강풍화토(SM)로 흙 시료의 공학적 특성은 입도분포곡선과 D다짐에 의한 다짐특성 곡선은 각각 도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같다. 건조측 다짐도 90%에서 투수실험 결과는, 표 4에 도시된 바와 같고, 본 발명의 실시예에 따른 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비를 이용하여 실험한 결과가 기존의 장비에서 측정한 결과와 유사한 값을 보이고 있다. 이때, 표 4는 투수시험 결과(곡릉제, 건조측 다짐도 90% 결과)를 나타낸다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 투수 및 강도 측정용 복합 간이조사 장비
100a: 하단 로드부
100b: 중단 수조부
100c: 상단 강도측정부
101: 콘(Cone)
102: 복합 파이프(Composition pipe)
103: 아크릴 파이프(Acrylic pipe)
104: 안전 커버(Safety cover)
105: 어댑터(Adapter)
106: 하중 커넥터(Load connector)
107: 쿠션 메탈(Cushion metal)
108: 그립(Grip)
109: 커버(Cover)
110: 하중계 고정 블록(Loadcell fixed block)
111: 눈금 시트(Graduation sheet)
112: 하중계(Loadcell)
113: 압축 스프링(Compression spring)
114: 볼 밸브(Ball valve)
115: 하중 커넥터 클램프(Load connector clamp)
200: 데이터로거

Claims (12)

1. 하천제방 토양의 투수 및 강도 측정을 간이조사 장비에 있어서, 관입 가능한 콘(Cone) 및 상기 콘이 연결되는 복합 파이프를 구비하며, 강도 시험시 로드로 사용되고, 투수 시험시 유공관으로 사용되는 하단 로드부; 상기 하단 로드부에 체결되며, 투수 시험시 수조로 사용되고, 강도 시험시 로드로 사용되는 중단 수조부; 및 상기 중단 수조부에 탈착 가능하게 체결되고, 강도 시험시 그립 역할을 하면서 강도를 측정하고, 투수 시험시 상기 중단 수조부로부터 탈착되는 상단 강도측정부를 포함하되, 상기 하단 로드부 및 상기 중단 수조부가 체결되어 투수 시험기로 사용되고, 상기 하단 로드부, 상기 중단 수조부 및 상기 상단 강도측정부가 체결되어 강도 시험기로 사용되며,
   상기 중단 수조부는, 투수 시험시 수조 역할을 하는 아크릴 파이프(Acrylic pipe); 상기 아크릴 파이프를 보호하기 위한 강재 커버로서, 강도 시험시 상기 상단 강도측정부로부터 전달되는 힘을 지지하는 안전 커버(Safety cover); 및 상기 아크릴 파이프 및 안전 커버를 상기 하단 로드부의 복합 파이프와 연결하는 어댑터(Adapter)를 포함하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
2. 제1항에 있어서,
   상기 강도 시험기는 상기 그립을 잡고 제체로 관입시킨 후, 관입시의 눈금 변화에 따른 관입 저항치를 측정하여 강도를 측정하는 것을 특징으로 하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
3. 제2항에 있어서,
   상기 관입 저항치는 디지털 방식 또는 아날로그 방식으로 측정되는 것을 특징으로 하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
4. 제1항에 있어서,
   상기 투수 시험기는 마리오트 사이펀(Marriott siphon) 원리를 이용하여 GWP(Guelph well permeameter) 투수 방식으로 투수를 측정하는 것을 특징으로 하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
5. 제1항에 있어서, 상기 하단 로드부는,
   지반으로 관입되는 콘(Cone); 및
   상기 콘에 체결되는 로드(Rod)로서, 상기 콘에 가까운 부분이 투수 시험시 물이 빠져나가도록 다공질로 형성된 복합 파이프(Composition pipe)
   를 포함하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 중단 수조부는,
   공기의 유출입을 조절하는 볼 밸브(Ball valve); 및
   상기 중단 수조부와 상기 상단 강도측정부를 탈착 또는 부착시키는 하중 커넥터 클램프(Load connector clamp)
   를 추가로 포함하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
8. 제1항에 있어서, 상기 중단 수조부는,
   투수 시험시 유출량을 측정하도록 상기 아크릴 커버 상에 눈금이 매겨진 눈금 시트(Graduation sheet)를 추가로 포함하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
9. 제1항에 있어서, 상기 상단 강도측정부는,
   강도 측정을 위한 관입 시험시 손잡이 역할을 하는 원통형의 그립(Grip);
   토양 강도를 측정하여 외부의 데이터로거에 전달하는 하중계(Loadcell);
   상기 하중계가 안착되도록 상기 그립 상부에 형성되는 하중계 고정 블록(Loadcell fixed block);
   상기 그립 내부에 삽입되어 상기 하중계와 연결되는 압축 스프링(Compression spring); 및
   상기 중단 수조부와 연결되며, 상기 데이터로거와 별도로 강도를 측정하도록 하중 눈금이 매겨져 있는 하중 커넥터(Load connector)
   를 포함하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
10. 제9항에 있어서, 상기 상단 강도측정부는,
    상기 그립을 보호하고, 미끄럼 방지를 위한 격자무늬가 새겨진 커버(Cover)를 추가로 포함하는 하천제방의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
11. 제9항에 있어서, 상기 상단 강도측정부는,
    상기 하중 커넥터와 상기 그립 사이에 삽입되어 쿠션 역할을 하는 쿠션 메탈(Cushion metal)을 추가로 포함하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.
12. 제1항에 있어서,
    투수 시험시 상기 중단 수조부를 지지하도록 체결되는 삼각대를 추가로 포함하는 토양의 투수 및 강도 측정을 위한 복합 간이조사 장비.

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