KR101252268B1 - 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치에 관한 것으로서, 지반의 특성 및 강성을 계측하는 데 있어 수평 저항력을 정확하게 예측할 수 있도록 하는 본 발명의 실시예에 따르면, 일단이 관입장치와 결합되어 하중이 가해지는 메인로드와; 상기 메인로드의 타단 중앙부에서 수직 방향으로 돌출 형성된 원기둥 형상의 수직로드와; 상기 수직로드의 끝단부에 결합되어 지반에 관입되는 원뿔 형상의 콘 관입선단와; 상기 수직로드를 수용하되 상기 콘 관입선단과 소정 간격 이격되게 배치되며, 외주면을 따라 환형의 돌기가 형성된 중공관 형태의 내부실린더와; 상기 내부실린더를 수용하는 중공관 형태의 외부실린더; 및 상기 내부실린더의 표면에 장착되어 지반의 수평 저항력에 대한 변형률을 측정하는 수평저항력 계측부를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 따른 본 발명에 의하면, 이중 중공관 구조를 통해 내부실린더가 콘 관입선단과 이격되게 배치되므로 지반의 수평 저항력 계측시 상기 콘 관입선단으로부터 전달되는 수직 저항력에 대한 간섭을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 내부실린더에 장착된 스트레인 게이지는 수직 저항력에 대한 간섭을 받지 않고 순수하게 외부실린더에 가해지는 수평 저항력을 보다 정확하게 계측할 수 있으므로 지반의 수평 저항과 관련된 특성을 신뢰성 있게 예측할 수 있는 효과가 있다.

Description

이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치{CONE PENETRATION APPARATUS WITH DOUBLE-PIPE STRUCTURE TO MEASURE HORIZONTAL SOIL REACTION}

본 발명은 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지반의 특성 및 강성을 계측하는 데 있어 원통형 강체의 수평 이동시 발생하는 수평 저항력을 계측할 수 있게 하는 고립된 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치에 관한 것이다.

현장 지반 조사란 지반의 공학적 특성을 파악하기 위하여 실제 구조물을 시공할 대상 지반에서 실시하는 조사 기법으로서, 현재 매우 다양한 시험 기법들과 이용 가능한 장치들이 존재하고 있다. 그 중 콘 관입시험법(cone penetration test)은 대표적인 현장 지반 조사 시험 중 하나로, 시험방법에 따라 크게 일정한 속도로 압입하는 유사정적시험과 타격으로 관입하는 동적시험 등으로 나눌 수 있다. 이 중, 유사정적시험은 원추 모양의 콘 프로브(probe)를 지반에 일정한 속도(표준 2cm/sec)로 관입시킬 때 발생하는 선단저항력 및 마찰저항력을 측정하여 대상 지반의 물리적인 특성을 추정하는 방법이다. 필요에 따라 프로브 상의 적절한 위치에서 과잉간극수압을 측정하기도 한다. 이러한 콘 관입시험법은 별도의 시추공을 필요로 하지 않고 데이터를 취득할 수 있다는 점에서 장점을 가지며, 대상 지반의 공학적 특성을 평가하는데 보편적으로 사용되는 지반 조사 시험 방법 중의 하나이다.

일반적으로 유사정적시험을 통한 콘 관입시험기는 현장에서 차량에 연결된 관입장치를 이용하여 차량의 반력을 이용해 지반에 일정한 속도로 수직 관입을 시키며, 이때 지반의 선단저항력은 콘 프로브를 통해, 마찰저항력은 실린더를 통해 전달되어 측정된다. 기존의 콘 관입시험기의 계측부는 콘 프로브와 홑겹의 실린더, 그리고 내부의 수직로드로 구성되며, 지반의 선단저항력과 마찰저항력은 각각 콘 프로브와 실린더를 통해 수직로드에 장착된 스트레인 게이지로 전달이 되며, 본 스트레인 게이지의 변형을 통해 선단저항력과 마찰저항력을 계측할 수 있게 된다.

이와 같이 기존의 콘 관입시험기는 연직방향으로 프로브를 관입하고 이때 발생하는 연직방향의 저항력으로부터 지반의 물리적 특성을 파악하게 된다. 이러한 콘 관입시험기의 거동은 수직하중을 받는 말뚝의 거동과 유사하므로, 기존의 콘 관입시험기를 통해 계측 및 산정된 지반의 특성은 물리적 거동이 유사한 수직하중을 받는 말뚝의 거동 및 안정성의 예측에 효과적으로 사용될 수 있다. 실제로 육상에서 건설되는 말뚝 기초의 많은 경우는 수직방향의 거동 및 안정성이 중요한 설계 요소이기 때문에 기존의 콘 관입시험기는 효과적으로 적용되어 왔다.

하지만, 해상 구조물의 기초에는 수직하중뿐 아니라 수평하중이 기초의 거동에 큰 영향을 미치는 경우가 많으며, 그 예로 해상 구조물의 기초를 들 수 있다. 예를 들어, 근래에 이르러 신재생에너지에 대한 수요의 증가로 해상 풍력발전기에 대한 연구 및 시공이 지속적으로 이루어지고 있다. 해상 풍력발전기는 발전기를 해상의 지반에 고정시키는 고정식과 심해에 적용이 유리하도록 발전기를 부유체로 만드는 부유식이 있다. 고정식과 부유식 해상 풍력발전기는 많은 경우 각각 말뚝형 혹은 앵커형의 기초를 통해 해상 지반에 고정된다. 바람, 해류 등의 해상에서 극심한 외부환경에 의해 말뚝형 및 앵커형 기초에 모두 수평하중에 의한 거동이 매우 중요한 설계 요소가 될 수 있다.

앞서 언급한 대로, 기존의 콘 관입시험기는 수직 관입에 의해 선단저항력과 마찰저항력을 측정하며, 이렇게 얻어진 지반의 특성은 수직 콘 관입과 물리적 거동이 유사한 수직하중 하의 말뚝 및 앵커의 거동 예측에 효과적이지만, 수평 방향의 하중을 반복적으로 받는 해상 풍력발전기 등의 기초 거동을 예측하는데에는 적절치 못한 문제점이 있다.

KR 10-2013-0008382 A KR 10-0931546 B1 KR 10-1094369 B1 KR 10-1201936 B1

앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 수평 방향의 하중을 반복적으로 받는 구조물의 말뚝 및 앵커의 거동을 예측하기 위해 지반의 수평 저항과 관련된 특성을 정확하게 측정할 수 있도록 하는 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 일단이 관입장치와 결합되어 하중이 가해지는 메인로드와; 상기 메인로드의 타단 중앙부에서 수직 방향으로 돌출 형성된 원기둥 형상의 수직로드와; 상기 수직로드의 끝단부에 결합되어 지반에 관입되는 원뿔 형상의 콘 관입선단과; 상기 수직로드를 수용하되 상기 콘 관입선단과 소정 간격 이격되게 배치되며, 외주면을 따라 환형의 돌기가 형성된 중공관 형태의 내부실린더와; 상기 내부실린더를 수용하는 중공관 형태의 외부실린더; 및 상기 내부실린더의 표면에 장착되어 지반의 수평 저항력에 대한 변형률을 측정하는 수평저항력 계측부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 수평 저항 측정용 콘 관입 시험장치에 의해 달성된다.

여기서, 상기 수평저항력 계측부는 복수개의 스트레인 게이지가 서로 이격되어 상호 대향하게 배치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 수직로드의 표면에 장착되어 지반의 수직 저항력에 대한 변형률을 측정하는 수직저항력 계측부를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 외부실린더와 상기 메인로드 사이의 간극 및 상기 외부실린더와 상기 콘 관입선단 사이의 간극에는 방수 패킹이 밀착 고정되는 것이, 콘 관입 시험장치가 수중의 지반에서 사용되는 데에 바람직하다.

상기한 바에 따른 본 발명의 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치에 의하면, 내부실린더가 콘 관입선단과 이격되게 배치되므로 지반의 수평 저항력 계측시 상기 콘 관입선단으로부터 전달되는 수직 저항에 대한 간섭을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 수직 저항에 대한 간섭을 방지하여 외부실린더에 가해지는 수평 저항력을 보다 정확하게 계측할 수 있으므로 지반의 수평 저항력과 관련된 특성을 신뢰성 있게 예측할 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치의 단면을 도시하는 개념도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에 따른 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치는, 도1에 도시된 바와 같이, 일단이 관입장치와 결합되어 하중이 가해지는 메인로드(10)와, 상기 메인로드(10)의 타단 중앙부에서 수직 방향으로 돌출 형성된 원기둥 형상의 수직로드(20)와, 상기 수직로드(20)의 끝단부에 결합되어 지반에 관입되는 원뿔 형상의 콘 관입선단(30)과, 상기 수직로드(20)를 수용하되 상기 콘 관입선단(30)과 소정 간격 이격되게 배치되며, 외주면을 따라 환형의 돌기(42)가 형성된 중공관 형태의 내부실린더(40)와, 상기 내부실린더(40)를 수용하는 중공관 형태의 외부실린더(50)와, 상기 내부실린더(40)의 표면에 장착되어 지반의 수평 저항에 대한 변형률을 측정하는 수평저항력 계측부(60)를 포함한다.

상기 메인로드(10)는 관입장치에 의해 지반에 수직 삽입되며, 상기 관입장치는 다양하게 채택될 수 있기 때문에 도시하지 않고 생략하였다. 상기 관입장치에 의해 상기 메인로드(10)가 하중을 받게 되면 콘 관입 시험장치가 지반에 삽입된다. 이러한 메인로드(10)의 상단부는 지반 위에 노출되어 있어 관입장치로부터 수평변형을 후술할 내부실린더(40)로 전달하게 된다. 한편, 도시하고 있지는 않으나 상기 메인로드(10)는 길이조절용 로드를 더 포함할 수 있는데, 이러한 길이조절용 로드는 본 발명의 콘 관입 시험장치에 항상 장착되는 것은 아니고, 상기 콘 관입 시험장치의 관입 깊이에 따라 장착여부를 선택할 수 있다.

상기 내부실린더(40)는 상기 수직로드(20)를 수용하는 중공관 형태로서, 상기 콘 관입선단(30)과는 접하지 않고 일정 간격 이격되게 배치된다. 이에 따라, 상기 콘 관입선단(30)과는 독립되어 수직 저항에 대한 간섭이 방지되고, 대신에 외주면을 따라 형성된 환형의 돌기(42)가 외부실린더(50)와 접촉하면서 지반의 수평 저항을 측정하게 된다. 상기 내부실린더(40)의 환형 돌기(42)는 필요에 따라 상기 내부실린더(40)의 적절한 위치에, 예를 들어 상기 내부실린더(40)의 중단부나 하단부에 배치될 수 있다.

수평 저항이 측정되는 원리를 더 상세히 이해하기 위해 도1에 도시된 단면을 참조하여 설명할 수 있다. 먼저 바람이나 해류에 의한 수평하중을 모사하기 위해 관입장치로 상기 메인로드(10)를 우측에서 좌측 방향으로 이동시키면, 지반의 저항력은 상기 도1의 단면상에서 외부실린더(50)의 좌측에서 우측방향으로 발생한다. 이렇게 발생한 저항력에 의해 상기 외부실린더(50)는 좌측에서 우측방향으로의 변형력이 발생하게 되고, 이러한 변형력에 따라 상기 외부실린더(50)의 왼쪽 부분이 상기 내부실린더(40)에 형성된 돌기(42a)와 접촉하여 밀게 된다. 이에 따라, 수평 저항력에 따른 변형률이 상기 내부실린더(40)의 좌측에 장착된 수평저항력 계측부(60a)에 인장으로 전달되어 측정되고, 상기 내부실린더(40)의 우측에 장착된 수평저항력 계측부(60b)는 압축으로 전달되어 측정된다.

이때, 상기 내부실린더(40)는 수직 저항력을 받는 상기 콘 관입선단(30)과는 이격되어 있기 때문에 수직 저항에 대한 간섭이 방지된 상태에서 수평 저항력을 전달받는다. 따라서, 수평 방향으로 발생하는 저항력을 보다 정확하게 측정할 수 있으므로 지반의 수평 저항력과 관련된 특성을 신뢰성 있게 예측할 수 있게 된다. 여기서, 상기 수평저항력 계측부(60)는 도1에 도시된 바와 같이 복수개의 스트레인 게이지가 서로 이격되어 상호 대향하게 배치되는 것이 계측의 신뢰성을 향상시키는 것이 바람직하며, 적절한 스트레인 게이지의 개수와 배수의 선정을 통해 더욱 정확한 계측이 가능하다.

한편, 상기 수직로드(20)는 콘 관입 시험장치가 지반에 삽입될 때 수직 저항력에 따른 힘이 가해지므로, 상술한 수평 저항력과 관련된 지반 특성뿐만 아니라 수직 저항력과 관련된 지반 특성, 즉 선단저항력도 계측할 수 있다.

상기 수직로드(20)에 가해지는 수직 방향의 힘은 상기 수직로드(20)의 표면에 장착되는 수직저항력 계측부(70)에 의해 측정될 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이 복수개의 스트레인 게이지는 응력측정과 물체 내의 변형 분포를 측정하기 위한 계측 센서로서, 이러한 복수개의 스트레인 게이지는 대상의 변형을 직접 측정할 수 있다. 여기서 측정된 전기적인 신호를 변환하여 측정하고자 하는 물체의 변형률이나 응력변화를 알 수 있다.

상기 콘 관입선단(30)은 월뿔 형상으로 구현되는데, 콘의 선단부는 대상 지반에 용이하게 진입할 수 있도록 소정의 사전 설정된 각도, 예를 들어 60°와 같은 진입각을 형성한다.

상기 외부실린더(50)와 상기 메인로드(10) 사이의 간극, 그리고 상기 외부실린더(50)와 상기 콘 관입선단(30) 사이의 간극에는 방수 패킹(80)이 밀착 고정될 수 있다. 이러한 방수 패킹(80)은 상기 외부실린더(50)의 이격된 틈을 막아 관입시 이물질이 들어가는 것을 방지할 뿐만 아니라, 상기 외부실린더(50)가 지반에 관입될 때 전달되는 지반 반발력을 완충시키는 작용을 한다. 특히, 상기 방수 패킹(80)은 수중에서 물이 새지않도록 하여 콘 관입 시험장치의 고장을 방지한다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

10: 메인로드 20: 수직로드
30: 콘 관입선단 40: 내부실린더
42: 돌기 50: 외부실린더
60: 수평저항력 계측부 70: 수직저항력 계측부
80: 방수 패킹

Claims (4)

1. 일단이 관입장치와 결합되어 하중이 가해지는 메인로드;
   상기 메인로드의 타단 중앙부에서 수직 방향으로 돌출 형성된 원기둥 형상의 수직로드;
   상기 수직로드의 끝단부에 결합되어 지반에 관입되는 원뿔 형상의 콘 관입선단;
   상기 수직로드를 수용하되 상기 콘 관입선단과 소정 간격 이격되게 배치되며, 외주면을 따라 환형의 돌기가 형성된 중공관 형태의 내부실린더;
   상기 내부실린더를 수용하는 중공관 형태의 외부실린더; 및
   상기 내부실린더의 표면에 장착되어 지반의 수평 저항력에 대한 변형률을 측정하는 수평저항력 계측부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 수직로드의 표면에 장착되어 지반의 수직 저항력에 대한 변형률을 측정하는 수직저항력 계측부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 수평저항력 계측부는 복수개의 스트레인 게이지가 서로 이격되어 상호 대향하게 배치되는 것을 특징으로 하는 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 외부실린더와 상기 메인로드 사이의 간극 및 상기 외부실린더와 상기 콘 관입선단 사이의 간극에는 방수 패킹이 밀착 고정되는 것을 특징으로 하는 이중 중공관 구조를 가진 지반 수평 저항력 측정용 콘 관입 시험장치.

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