KR101280385B1 - 토사의 동상력 시험장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 토사의 동결에 따른 동상량, 동상압 등의 동상력을 시험할 수 있는 토사의 동상력 시험장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 동상력 시험 대상 시료(2)가 채워지는 토조(10); 상기 토조(10) 내 시료(2)를 동결시키는 동결부(20); 상기 동결상태의 토조(10) 내 시료(2)의 동상력을 계측하는 계측부(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치를 제시한다.

Description

토사의 동상력 시험장치{MEASURING APPARATUS OF FROST HEAVING PRESSURE FOR EARTH AND SAND}
본 발명은 토사의 동결에 따른 동상량, 동상압 등의 동상력을 시험할 수 있는 토사의 동상력 시험장치에 관한 것이다.
겨울철만 되면 도로포장이나 구조물이 동상(frost heaving)에 의해 많은 피해를 입는다. 즉, 겨울철에 저온의 기온이 계속되면, 보조기층이나 노상 중 수분이 동결하여 얼음층이 발달하며, 이 얼음층이 주위 수분흡수로 성장하면서 체적이 팽창함에 따라 엄청난 동상력이 작용해 도로포장 등의 지반이 융기하면서 도로포장이나 철도, 상수도관 등의 구조물이 파손되는 것을 동상현상이라 한다.
이러한 동상현상들을 방지하기 위해 동상현상이 발생될 수 있는 조건이 갖춰진 동토지역의 지반 구조물 설계시 설계정수, 안정성 분석 등을 위해, 그 지반을 이루는 토사의 동상력(즉, 동상으로 인한 체적 팽창을 억제하고자 하는 힘)을 고려해야된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 동토지역의 지반 구조물 설계시 설계정수, 안정성 분석 등을 위해 그 지반을 이루는 토사의 동상력을 고려할 수 있도록, 토사의 동상력을 시험할 수 있도록 구성된 토사의 동상력 시험장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 동상력 시험 대상 시료(2)가 채워지는 토조(10); 상기 토조(10) 내 시료(2)를 동결시키는 동결부(20); 상기 동결상태의 토조(10) 내 시료(2)의 동상력을 계측하는 계측부(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치를 제시한다.
상기 동결부(20)는 냉매(20A)를 이용하며 상기 토조(10) 내 시료(2)에 접촉하도록 설치될 수 있다.
상기 토조(10)는 상면 및 하면이 각각 개방된 구조를 취하며; 상기 동결부(20)는 상기 토조(10)의 개방된 하면을 복개하도록 상기 토조(10)에 결합된 하부 동결부(22) 및, 상기 토조(10)의 상측에서 상기 토조(10)를 향해 하향 이동하여 상기 토조(10)의 개방된 상면을 복개하도록 설치되는 상부 동결부(24)를 포함할 수 있다.
상기 동결부(20)는 상기 동결부(20)의 온도를 측정하는 동결부온도센서(20C)를 포함할 수 있다.
상기 토조(10) 내 시료(2)의 온도를 측정하는 시료온도센서(50)를 더 포함할 수 있다.
상기 계측부(30)는 상기 토조(10) 내 시료(2)에 하중을 재하하는 하중재하부(34) 및, 상기 하중재하부(34)와 상기 토조(10) 내 시료(2) 사이에 설치되어 상기 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 로드를 측정하는 로드셀(32)을 포함할 수 있다.
상기 동결부(20)는 상기 토조(10)의 상측에서 상기 토조(10)를 향해 하향 이동하여 상기 토조(10)의 개방된 상면을 복개하도록 설치되는 상부 동결부(24)를 포함하며; 상기 로드셀(32)은 상기 상부 동결부(24)를 통해 상기 토조(10) 내 시료(2)로부터 전달되는 로드를 계측할 수 있도록 상기 상부 동결부(24)의 상측에 설치되어 상기 상부 동결부(24)와 반력부재(32A)를 통해 결합될 수 있다.
상기 계측부(30)는 상기 토조(10) 내 시료(2)의 동결로 인한 체적변화를 측정하는 변위계(36)를 더 포함할 수 있다.
내부에 상기 토조(10)가 설치되는 공간을 가지며, 단열 구조로 이루어진 내부 단열 셀(60)(cell)을 더 포함할 수 있다.
내부에 상기 토조(10) 및 동결부(20), 계측부(30)가 설치되는 공간을 가지며, 단열 구조로 이루어진 외부 단열 셀(70)을 더 포함할 수 있다.
상기 토조(10) 내 시료(2)에 급수를 하기 위한 급수부(80)를 더 포함할 수 있다.
상기 급수부(80)는, 상기 토조(10)의 하측에 연결된 급수관(82) 및, 상기 토조(10)의 상측에 설치되어 상기 토조(10)에 급수된 급수가 배수되는 배수관(84)을 포함할 수 있다.
본 발명은 토사를 인공적으로 동결시켜서 토사의 동결에 따른 동상력(즉, 동상압, 동상량)를 용이하게 계측할 수 있다.
도 1 이하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 토사의 동상력 시험장치에 관한 것으로서,
도 1은 시험시 정면 구성도.
도 2는 시험시 측방 구성도.
도 3은 도 2에 도시된 일부분의 상세도.
도 4는 시험 대기상태 측방 구성도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1 이하에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 토사의 동상력 시험장치는, 동상력 시험 대상 시료(2)가 채워지는 토조(10)와; 토조(10) 내 시료(2)를 동결시키는 동결부(20)와; 동결상태의 토조(10) 내 시료(2)의 동상력을 계측하는 계측부(30);를 포함할 수 있다.
즉, 토조(10) 내 시료(2)를 동결부(20)에 의해 동결시킴으로써 동상현상이 일어나게 하며, 계측부(30)에 의해 동결된 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 동상력을 계측할 수 있다.
따라서, 이와 같이 토사의 동상력 시험이 용이하게 이루어질 수 있기 때문에, 동토지역의 지반 구조물 설계시 토사의 동상력을 고려하여 설계정수, 안정성 분석 등을 할 수 있기 때문에, 동상현상을 방지할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 토사의 동상력 시험장치의 각 구성에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
토조(10)는 다양한 구조를 취할 수 있으며, 특히 아크릴에 의해 상,하면이 각각 개방된 구조로 이루어질 수 있다.
토조(10)에는 토조(10) 내 시료(2)의 동결상태 제어 및 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 동상현상 분석 등을 위해, 토조(10) 내 시료(2)의 온도를 측정하는 시료온도센서(50)가 설치될 수 있다.
동결부(20)는 토조(10) 내 시료(2)를 동결시킬 수 있다면 어떠한 방식이든 가능하며, 다만 도시된 바와 같이 냉매(20A)를 이용하며 토조(10) 내 시료(2)에 접촉하도록 설치되면 다음과 같은 점에서 보다 바람직할 수 있다.
즉, 냉각방식으로 많이 알려진 냉매(20A)를 이용하여 용이하게 동결부(20)를 구성할 수 있으며, 토조(10) 내 시료(2)를 직접적으로 동결시킴에 따라 열손실없이 신속하게 동결시킬 수 있을 뿐만 아니라 동결을 위한 온도 조절이 용이하다.
이때, 동결부(20)의 냉매(20A)는 에어컨 등의 공기조화기처럼 열교환사이클을 따라 순환될 수 있다. 여기서, 공기조화기의 열교환사이클은 공기조화분야에서 많이 알려진 기술사항이므로 본 발명의 요지를 흐트리지 않기 위해 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
동결부(20)의 본체(20B)는 적어도 토조(10) 내 시료(2)에 접촉되는 시료접촉부(20C)가, 냉매(20A)와 토조(10) 내 시료(2) 간 온도전달이 용이하도록 열전달율이 우수하며 토조(10) 내 시료(2)의 가압을 위해 강성이 우수한 알루미늄과 같은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 특히 동결부(20)의 시료접촉부(20C)는 다공성 금속판으로 이루어질 수 있다.
이와 같은 동결부(20)는 토조(10) 어디든 결합될 수 있으나, 특히 토조(10)의 개방된 하면을 복개하도록 토조(10)에 결합된 하부 동결부(22) 및, 토조(10)의 상측에서 토조(10)를 향해 하향 이동하여 토조(10)의 개방된 상면을 복개하도록 설치되는 상부 동결부(24)를 포함할 수 있다.
즉, 하부 동결부(22)는 토조(10)의 개방된 하면을 복개한 상태로 토조(10)와 일체로 결합됨에 따라, 토조(10)의 일부를 구성함으로써 토조(10)와 하부 동결부(22)의 중복되는 부분을 없앨 수 있기 때문에 소형화 및 비용 절감 등의 측면에서 유리할 수 있다. 특히 상기한 바와 같이 하부 동결부(22)가 토조(10) 내 시료(2)에 직접 접촉하여 동결시킬 수 있다.
그리고, 상부 동결부(24)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 토조(10)의 상측에서 상하 이동 가능토록 설치됨으로써, 토조(10)의 개방된 상면을 복개하도록 하향 이동하여 토조(10) 내 시료(2)에 직접 접촉하여 동결시킬 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 토조(10)로부터 상측으로 이동하여 구조적으로 분리되어 토조(10)의 상면이 개방되게 함으로써 토조(10) 내 시료(2)를 넣고 빼기 쉽도록 할 수 있다. 상부 동결부(24)는 유압 실린더 등의 구동부에 의해 상하 이동될 수 있으며, 특히 별도의 구동부없이 후술하는 바와 같이 하중재하부(34)에 일체로 결합됨으로써 하중재하부(34)에 의해 상하 이동될 수 있다.
특히, 토조(10)를 기준으로 상부 동결부(24)와 하부 동결부(22)가 구조적으로 상하로 분리되어 구성됨에 따라서, 상부 동결부(24) 및 하부 동결부(22)가 동시에 토조(10) 내 시료(2)를 동결시키거나 상부 동결부(24)와 하부 동결부(22)가 순차적으로 토조(10) 내 시료(2)를 동결시킬 수도 있고, 상부 동결부(24)와 하부 동결부(22) 중 어느 하나에 의해서만 토조(10) 내 시료(2)를 동결시킬 수도 있다. 따라서, 실질적으로 지중과 지표면은 온도차이가 나는데, 상부 동결부(24)와 하부 동결부(22)가 구조적으로 분리되어 각각 토조(10) 내 시료(2)를 동결시킴에 따라 여려가지 변수를 바꿔가면서 실증적인 토사의 동상력 시험이 이루어질 수 있다.
한편, 동결부(20)는 시료(2) 내 토사의 동결상태를 온도 등으로 조절 가능토록, 시료(2) 내 토사에 전달되는 냉매(20A)의 온도 측정을 알기 위해 동결부(20)의 온도를 측정하는 동결부온도센서(미도시)를 포함할 수 있다.
계측부(30)는 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 동상력을 직접적으로 측정할 수 있도록, 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 로드(load)를 측정하는 로드셀(load cell)(32)을 포함할 수 있다.
로드셀(32)은 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 로드를 전달받을 수 있다면 어떠한 구조이든 무방하다.
다만, 로드셀(32)은 상부 동결부(24)를 통해 토조(10) 내 시료(2)로부터 전달되는 로드를 계측할 수 있도록 상부 동결부(24)의 상측에 설치되어 상부 동결부(24)와 반력부재(32A)를 통해 결합되는 것이 다음과 같이 보다 유리할 수 있다. 즉, 이 경우 상부 동결부(24)가 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 로드 전달을 위한 가압판 역할을 겸함에 따라, 상부 동결부(24)와 로드셀(32)의 중복되는 부분을 없앨 수 있어, 구조적인 측면에서 유리할 수 있다. 또한, 상부 동결부(24)가 가압판 역할을 겸함에 따라 토조(10) 내 시료(2)가 동결에 따라 팽창하는 것에 대응하여 토조(10) 내 시료(2)에 접촉된 상태에서 상하 유동 가능하기 때문에 토조(10) 내 시료(2)의 상측에 상부 동결부(24)가 설치되더라도 로드셀(32)에 의해 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 동상력, 즉 동상압을 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 계측부(30)는, 로드셀(32)을 통한 실증적인 동상력 측정을 위해, 로드셀(32)의 상측에 설치되어 로드셀(32)과 연결된 상부 동결부(24)를 통해 토조(10) 내 시료(2)에 하중을 재하하는 하중재하부(34)를 더 포함할 수 있다. 하중재하부(34)는 유압실린더 방식 등으로 이루어질 수 있다. 여기서, 본 발명은 하중재하부(34)의 구조에 관한 것이 아니며 하중재하부(34)는 토압 계측 등의 기술분야에서 많이 알려진 기술사항이므로, 본 발명의 요지를 흐트리지 않기 위해 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
아울러, 계측부(30)는 토조(10) 내 시료(2)의 동결로 인한 체적변화, 즉 동상량을 측정하기 위해 변위계(36)를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 변위계(36)는 로드셀(32)에 의해 연결되어 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 로드셀(32)의 상하 변위를 측정함으로써, 로드셀(32)의 상하변위를 통해 토조(10) 내 시료(2)의 동상량을 측정할 수 있다. 여기서, 본 발명은 변위계(36)의 구조에 관한 것이 아니며 변위계(36)는 계측 등의 기술분야에서 많이 알려진 기술사항이므로, 본 발명의 요지를 흐트리지 않기 위해 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명은 내부에 토조(10)가 설치되는 공간을 가지며, 스티로폼 등의 단열재로 형성되어 단열 구조로 이루어진 내부 단열 셀(cell)(60)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 동결부(20)에 의해 토조(10) 내 시료(2)의 동결시 외부 온도의 영향으로 인한 동결 지연 및 동결이 토조(10)의 상하방향으로 진행하지 않고 토조(10)의 측면으로부터 시작 진행하는 것을 방지할 수 있다. 이와 같은 내부 단열 셀(60)은 단열 구조를 위해 도시된 바와 같이 밀폐형 구조를 취할 수 있다.
또한, 본 발명은 내부에 토조(10) 및 동결부(20), 계측부(30)가 설치되는 공간을 가지며, 스티로폼 등의 단열재로 형성되어 단열 구조로 이루어진 외부 단열 셀(70)을 더 포함할 수 있다. 외부 단열 셀(70) 또한 내부 단열 셀(60)과 마찬가지로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 토조(10) 내 시료(2)에 급수를 하기 위한 급수부(80)를 더 포함할 수 있다. 즉, 토사의 동상현상은 저온에서의 토사 내 수분 응결에 따른 것이므로, 급수부(80)를 통해 토조(10) 내 시료(2)에 급수를 함으로써 토조(10) 내 시료(2)의 함수비를 용이하게 조절하여 토사 내 시료(2)가 실증적인 동결상태가 될 수 있도록 할 수 있다.
특히, 급수부(80)는, 토조(10)의 하측에 연결된 급수관(82) 및, 토조(10)의 상측에 설치되어 토조(10)에 급수된 급수가 배수되는 배수관(84), 급수 조절 등을 위한 밸브 등의 급수제어부(86)를 포함할 수 있다. 즉 급수가 하측에서 상측을 향해 역방향으로 이루어짐에 따라, 토조(10) 내 시료(2)의 아래부터 표면까지 급수될 수 있기 때문에 토조(10) 내 시료(2)가 전체적으로 충분히 함수될 수 있다. 또한, 이와 같이 토조(10) 내 시료(2)가 충분히 함수됨에 따라, 토조(10) 내 시료(2) 사이 공기를 제거할 수 있다. 또한, 토조(10) 내 시료(2)가 충분히 함수되면 배수관(84)을 통해 토조(10)에 급수된 급수가 자연 배수되는데, 이로부터 토조(10) 내 시료(2)가 충분히 함수됐는지 파악하여 급수를 용이하게 조절할 수 있다.
이때, 급수관(82) 및 배수관(84)은 각각 하부 동결부(22), 상부 동결부(24)에 일체로 연결될 수 있다.
한편, 도 1의 미설명부호 '90'는 동결부(20)의 냉매(20B) 순환, 하중재하부(34)의 하중재하조절 등을 위한 제어반(90)이며, 미설명부호 '92'는 로드셀(32), 변위계(36)에 의해 측정된 신호를 처리하는 서버(92)를 지시한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
2; 시료 10; 토조
20; 동결부 20A; 냉매
22; 하부 동결부 24; 상부 동결부
30; 계측부 32; 로드셀
34; 하중재하부 36; 변위계
50; 시료온도센서 60; 내부 단열 셀
70; 외부 단열 셀 80; 급수부

Claims (12)

  1. 동상력 시험 대상 시료(2)가 채워지며 상면 및 하면이 각각 개방된 구조를 취하는 토조(10); 냉매(20A)를 이용하여 상기 토조(10)내 시료(2)를 동결시키도록 상기 시료(2)에 접촉되는 다공성 금속판 형상의 시료접촉부(20C)가 설치되며, 상기 토조(10)의 개방된 하면을 복개하도록 상기 토조(10)에 결합된 하부 동결부(22) 및 상기 토조(10)의 상측에서 상기 토조(10)를 향해 하향 이동하여 상기 토조(10)의 개방된 상면을 복개하도록 설치되는 상부 동결부(24)를 포함하는 동결부(20); 상기 동결상태의 토조(10) 내 시료(20)의 동상력을 계측하는 계측부(30)를 포함하고,
    상기 계측부(30)는 상기 토조(10) 내 시료(2)에 하중을 재하하는 하중재하부(34) 및, 상기 하중재하부(34)와 상기 토조(10) 내 시료(2) 사이에 설치되어 상기 토조(10) 내 시료(2)의 동결에 따른 로드를 측정하는 로드셀(32)을 포함하며,
    상기 동결부(20)는 상기 토조(10)의 상측에서 상기 토조(10)를 향해 하향 이동하여 상기 토조(10)의 개방된 상면을 복개하도록 설치되는 상부 동결부(24)를 포함하고, 상기 로드셀(32)은 상기 상부 동결부(24)를 통해 상기 토조(10) 내 시료(2)로부터 전달되는 로드를 계측할 수 있도록 상기 상부 동결부(24)의 상측에 설치되어 상기 상부 동결부(24)와 반력부재(32A)를 통해 결합된 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 동결부(20)는 상기 동결부(20)의 온도를 측정하는 동결부온도센서(20C)를 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 토조(10) 내 시료(2)의 온도를 측정하는 시료온도센서(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 계측부(30)는 상기 토조(10) 내 시료(2)의 동결로 인한 체적변화를 측정하는 변위계(36)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    내부에 상기 토조(10)가 설치되는 공간을 가지며, 단열 구조로 이루어진 내부 단열 셀(60)(cell)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    내부에 상기 토조(10) 및 동결부(20), 계측부(30)가 설치되는 공간을 가지며, 단열 구조로 이루어진 외부 단열 셀(70)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 토조(10) 내 시료(2)에 급수를 하기 위한 급수부(80)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 급수부(80)는, 상기 토조(10)의 하측에 연결된 급수관(82) 및, 상기 토조(10)의 상측에 설치되어 상기 토조(10)에 급수된 급수가 배수되는 배수관(84)을 포함하는 것을 특징으로 하는 토사의 동상력 시험장치.
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