KR101564214B1 - 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치 - Google Patents

간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산사태 조기탐지 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토체의 간극수압과 지표변위 및 전단면의 변화를 기반으로 사면의 안전율을 산출함으로써 지반의 미소변형에 따른 안전율 변화의 예측을 통해 산사태의 조기탐지를 도모할 수 있는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 슬라이더를 구성하는 수레에 토체를 적재한 상태로 이동시킴으로써 전단면 및 지표변위 환경을 제공하면서 간극수압 및 중량을 기반으로 전단강도 및 전단응력을 산출할 수 있으며, 이에 따라 간극수압 및 지표변위에 따른 안전율을 산출함과 아울러 안전율 변화를 통해 산사태의 조기탐지를 도모할 수 있다.

Description

간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치{Testing apparatus for landslide detection with fully coupled displacement-pore pressure-slip surface analysis}
본 발명은 산사태 조기탐지 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산사태 물질을 구성하는 토체의 간극수압과 지표변위 및 전단면의 변화를 기반으로 사면의 안전율을 산출함으로써 지반의 미소변형에 따른 안전율 변화의 예측을 통해 산사태의 조기탐지를 도모할 수 있는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치에 관한 것이다.
일반적으로 산사태는 사면의 붕괴현상을 말하며 국지성 호우, 지진, 해빙 등과 같은 다양한 요인들에 의해 발생한다. 지형의 특성상 산이 많고, 도로 등의 건설로 인하여 산이나 언덕을 절개하거나 댐이나 제방 등을 구축하면서 산사태 위험성 평가가 필요한 지역을 대상으로 사면의 안정성을 파악하고 산사태의 발생빈도가 높은 지역에서 조기에 산사태 발생시작부의 움직임을 탐지하여 방재대책을 강구하는 것이 요구되고 있다. 산사태는 지진 또는 여름철 집중호우에 기인하여 주로 발생한다. 산사태는 활동면(파괴면)이 형성된 사면에서 임의의 활동면보다 위에 있는 토체(soil mass)가 변형되는 현상으로 활동면에서 발생하는 전단력의 합력이 저항력의 합력보다 크게 될 때 발생한다. 이렇게 사면이 파괴되면 파괴사면은 강우조건과 지형학적 조건에 따라 흐름형태인 토석류(debris flow) 발생으로 이어지면서 인명피해 및 막대한 재산피해를 초래하고 있다.
이러한 산사태의 안정성을 평가하기 위해서는 사면의 안전율을 구해야 한다. 안전율은 파괴시점에서 한계평형상태에 도달조건에서 발휘되는 전단응력과 전단강도의 비이다. 즉 안전율은 전단강도/전단응력으로 표현된다. 일반적으로 안전율이 1보다 작은 경우 사면은 불안정한 것으로 해석된다. 사면의 안전율은 사면의 안정여부 해석에 적합한 해석법이지만, 사면의 파괴시점을 예측하기는 쉽지 않다. 사면의 파괴면에서 발휘되는 전단강도의 합력이 지속적으로 변하기 때문이다. 이에 사면이 변형되는 지표의 변위량과 파괴면의 간극수압을 고려한 전단강도 및 전단면의 입자파쇄 정도를 고려할 수 있는 산사태 조기탐지 시험장치가 필요하다.
한편, 본 발명의 선행기술로서 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0073406호에 개시된 인공강우 장치를 이용한 산사태 모형토조 시험기를 살펴보면, 선행기술은 사면이 조성되는 토조와, 토조의 사면이 인공강우를 분사하는 인공강우장치와, 사면의 거동을 계측하는 계측장치로 구성된다.
이러한 선행기술은 토조의 길이방향을 따라 토석류물질을 배치하여 사면을 형성하고, 인공강우장치를 통해 인공강우를 살수하면서 사면의 거동을 계측한다.
그런데, 선행기술은 인공강우를 통해 수분의 공급량만을 변화시킬 뿐, 토석류물질의 전단면 환경이나 지표변위를 제공할 수 없으므로 지표변위 및 토체 변형에 따른 안전율의 변화를 산출할 수 없는 한계점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0073406호
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 사면 파괴로 인한 지표변위를 모사하고 지표변위에 따른 간극수압의 변화를 통해 사면 파괴면에 발휘되는 전단강도를 산출하며, 이를 통해 안전율을 결정함으로써 사면의 안전율 변화를 통한 산사태의 조기탐지를 도모할 수 있는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치를 제공하는 것이 그 목적이다.
또한, 본 발명은 사면의 파괴면(failure plane)에서 전단띠(shear band)형태로 나타나는 전단면(shear surface)을 제공하면서 붕괴사면의 거친면을 모사하여 제공함으로써 좀 더 정확한 시험환경을 조성할 수 있는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치를 제공하는 것이 다른 목적이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치는, 프레임; 상기 프레임에 각도 조절이 가능하게 설치되어 산사태 물질의 경사면을 제공하는 플룸; 상기 플룸의 길이방향을 따라 이동가능하게 결합되어 산사태 물질(landslide materials)을 구성하는 토체(soil mass)가 적재되면서 토체의 전단면을 제공하고, 상기 플룸의 길이방향을 따라 토체와 함께 이동하면서 토체 상부의 지표변위와 토체 바닥면의 사면파괴를 모사하는 슬라이더; 및 상기 슬라이더의 이동에 따른 토체의 간극수압 및 중량을 기반으로 사면의 파괴면에서 발휘되는 전단강도 및 전단응력을 산출하고, 산출된 전단강도 및 전단응력을 기반으로 사면의 안전율을 산출하는 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
예컨대, 상기 산출부는, 상기 슬라이더의 바닥면에 설치되어 상기 슬라이더의 이동에 따른 토체의 중량을 측정하여 인가하는 중량센서; 상기 슬라이더의 내주면을 따라 설치되어 토체 내부의 간극수압을 측정하여 인가하는 간극수압센서; 및 상기 중량센서와 상기 간극수압센서에서 인가된 측정값을 기반으로 사면의 전단강도와 전단응력의 결정을 통한 사면의 안전율을 산출하는 산출서버;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 산출서버는, 하기 [수식 1]에 의해 사면 파괴면에서 발휘되는 전단강도를 산출하고, 하기 [수식 2]에 의해 사면 파괴면에서 발휘되는 전단응력을 산출하며, 하기 [수식 3]에 의해 사면의 안전율을 산출할 수 있다.
[수식 1]
전단강도 = 점착력 + 유효응력 × tan(내부마찰각)
유효응력 = 전응력 - 상기 간극수압센서의 간극수압
(여기서, 점착력과 내부마찰각 및 전응력은 설정된 상수임)
[수식 2]
전단응력 = 상기 중량센서의 중량을 통해 얻어진 활동을 일으키는 힘의 합
[수식 3]
안전율 = 전단강도/전단응력
또한, 상기 중량센서는, 상기 슬라이더의 저면을 따라 복수로 설치되어 토체의 총중량을 상기 산출서버에 인가하면서 상기 슬라이더의 이동에 따른 토체의 중량분포를 상기 산출서버에 인가할 수 있다.
그리고, 상기 산출부는, 상기 슬라이더의 내주면에 홈형태로 형성되어 상기 간극수압센서를 매립상태로 수용하는 센서홀더; 및 상기 센서홀더의 상부에 설치되어 수분의 유입을 허용하면서 수분 이외의 물질을 필터링하는 센서필터;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 슬라이더는, 상기 플룸에 이동가능하게 설치되고, 상부가 개방된 함체형으로 형성되어 토체가 적재되면서 토체의 저면에 전단면을 모사하는 수레; 상기 수레의 상부를 차폐하는 커버; 및 상기 수레를 이동가능한 상태로 지지하면서 상기 수레의 이동이나 이동속도를 제어하는 구동부재;를 포함하여 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 구동부재는, 상기 수레의 일측에 연결된 상태로 지지력을 제공하고, 길이가 신축되면서 상기 수레를 이동시키는 유압실린더;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 슬라이더는, 상기 수레의 바닥면에 거친면을 제공하여 토체의 저면에 붕괴사면의 거친면을 모사하는 붕괴사면 모사부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 붕괴사면 모사부는, 상기 수레의 일측면에 설치되는 권취롤러; 상기 권취롤러에 권취된 상태로 선단부가 상기 수레의 타측면을 향해 인출되면서 상기 수레의 바닥면과 토체의 저면 사이에 개재되고, 거칠기를 갖는 소재로 형성되어 거친면을 제공하는 거친면부재; 상기 수레와 이격된 상태로 설치되어 상기 거친면부재의 선단부를 권취하면서 상기 거친면부재를 상기 권취롤러에서 인출시키는 인출롤러; 및 상기 수레의 타측면에 장홈형태로 형성되어 상기 거친면부재가 관통하면서 상기 인출롤러와 상기 거친면부재를 일직선상태로 연결시키는 관통슬롯;를 포함하여 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 거친면부재는, 표면에 거칠기를 갖는 부직포, 샌드페이퍼 및 표면에 요철형 돌기부가 돌출되어 표면 거칠기 정도를 나타낼 수 있는 부재 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
또한, 상기 인출롤러는, 회전속도를 제어하면서 상기 거친면부재의 인출속도를 가변시킬 수 있다.
그리고, 상기 붕괴사면 모사부는, 상기 관통슬롯에 구비되어 상기 거친면부재에 밀착되면서 토체에 함유된 수분이 상기 관통슬롯으로 배출되는 것을 방지하는 수밀부재;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또, 상기 슬라이더는, 상기 플룸의 바닥면을 따라 회전가능하게 설치되어 상기 수레의 슬립면을 제공하는 복수의 플룸롤러;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이에 더하여, 상기 슬라이더는, 상기 커버에 설치되어 토체의 상부에서 물을 공급하면서 토체에 강우환경을 제공하는 강우 모사부;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 강우모사부는, 상기 커버의 저면을 따라 설치되어 토체를 향해 물을 분사하는 분사노즐; 및 상기 분사노즐에 물을 공급하는 공급펌프;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 플룸의 상부에 설치되어 상기 슬라이더의 이동을 촬영하면서 이동에 따른 상기 슬라이더의 위치나 상기 슬라이더에 적재된 토체의 거동상태를 촬영하는 카메라;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치는, 슬라이더를 구성하는 수레에 토체를 적재한 상태로 이동시킴으로써 전단면 및 지표변위 환경을 제공하면서 간극수압 및 중량을 기반으로 전단강도 및 전단응력을 산출할 수 있으며, 이에 따라 간극수압 및 지표변위에 따른 안전율을 산출함과 아울러 안전율 변화를 통해 산사태의 조기탐지를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명은 슬라이더를 구성하는 수레가 구동부재에 의해 이동이 제어되는 동시에 이동속도가 제어되므로 다양한 형태의 지표변위를 모사할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 수레의 내주면에 개재되는 거친면부재가 권취롤러에서 인출되면서 토체의 저면에 거친면을 제공함에 따라 산사태 발생지역의 지형학적 특성(바닥면)을 고려한 거친면이 모사될 수 있기 때문에 좀 더 정확한 시험환경이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명은 거친면부재가 수레의 측면에 구비되는 관통슬롯을 관통하여 일직선 상태로 인출롤러에 연결되므로 거친면부재가 원활하게 인출롤러로 인출되면서 거친면을 제공할 수 있으며, 관통슬롯에 수밀부재가 구비되므로 토체에 함유된 수분배출이 방지될 수 있다.
또, 본 발명은 산출부를 구성하는 간극수압센서가 센서홀더에 수용되면서 센서필터에 의해 필터링되는 상태로 수용되므로 이물질에 의한 간극수압센서의 오작동이 방지될 수 있다.
한편, 본 발명은 플룸의 바닥면을 따라 플룸롤러가 설치될 경우에는 수레의 이동이 좀 더 원활하게 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 산사태 측정 시험장치를 나타내는 종단면도.
도 3은 도 2에 도시된 슬라이더의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
도 4는 도 2에 도시된 플룸의 다른 실시예를 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명의 산출부를 나타내는 블록도.
도 6은 도 2에 도시된 간극수압센서를 나타내는 확대 단면도.
도 7은 도 2에 도시된 슬라이더의 또 다른 실시예를 나타내는 종단면도.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 프레임(100), 플룸(200), 슬라이더(300) 및 산출부(400)를 포함하여 구성될 수 있다.
프레임(100)은 본 발명의 시험장치를 실내에 구성하기 위하여 지지력을 제공하는 부재로써 시험실의 형태나 크기에 부합되는 형태로 설치될 수 있다.
예컨대, 프레임(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 캐스터(110)가 하단에 마련된 대차형태로 이루어지면서 이동식으로 구성될 수 있으며, 도시된 바와 달리 수평프레임과 수직프레임의 조합을 통해 실내에 고정식으로 구성될 수도 있다.
플룸(200)은 산사태 물질을 구성하는 토체의 사면 경사면을 선형 또는 비선형 곡선부 형태로 제공하여 사면거동이나 지표변위 모사를 위한 경사로를 제공하는 구성요소로써, 프레임(100)에 각도조절이 가능한 상태로 설치되어 각도조절을 통해 다양한 시험환경을 제공한다.
예컨대, 플룸(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 힌지(210)를 통해 일단부가 프레임(100)에 결합된 상태로 타단부가 유압실린더(220)와 같은 승강부재에 의해 승강하면서 경사각도가 조절될 수 있다.
이와 달리, 플룸(200)은 미도시된 호이스트에 연결되어 타단부가 호이스트에 의해 상부로 당겨지면서 경사각도가 조절될 수도 있다.
그리고, 플룸(200)은 도시된 바와 달리 시험조건에 따라 복수로 구성되어 연결될 수 있다.
한편, 플룸(200)은 도 1에 도시된 바와 같이 반원형으로 만곡형성되면서 원호파괴 현상의 재현이 가능하도록 설계될 수 있다.
이와 달리, 플룸(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 직선형으로 제작될 수 있으며, 도 4에 발췌 도시된 바와 같이 곡선형으로 제작될 수도 있다.
여기서, 본 발명에서 언급되는 토체(soil mass)는 산사태 발생현장의 산사태 물질(landslide materials)에 현장의 압밀상태와 흙의 투수특성을 반영하여 후술되는 수레(310)에 적재되는 시험시료(soil sample)를 말한다. 수레(310)에 적재되는 흙 시료는 일정 압력으로 상부로부터 다짐을 가하여 현장의 밀도를 재현하여 수레(310) 높이까지 채우거나 일정 높이로 유지할 수 있다.
슬라이더(300)는 산사태 물질을 구성하는 토체(S)의 전단면을 모사하면서 토체(S)와 함께 이동하여 지표변위나 사면파괴를 모사하는 구성요소이다.
예컨대, 슬라이더(300)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 수레(310), 커버(315) 및 구동부재(320)를 포함하여 구성될 수 있다.
수레(310)는 도 1에 도시된 바와 같이 상부가 개방된 함체형으로 형성되어 플룸(200)에 이동가능하게 설치되며, 도 2에 도시된 바와 같이 토체(S)가 누수방지된 상태로 적재되어 적재된 토체(S)의 저면에 전단면을 모사한다.
여기서, 수레(310)는 시험조건에 따라 도 2에 도시된 바와 같이 토체(S)가 완전채워질 수 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 토체(S)가 부분적으로 채워질 수도 있다.
이러한 수레(310)는 도 2에 도시된 바와 같이 후술되는 산출부(400)를 구성하는 중량센서(410) 및 간극수압센서(420)가 내주면을 따라 설치된다.
한편, 수레(310)는 도 1에 도시된 바와 같이 플룸(200)에 구비되는 레일(200a)에 안착된 상태로 레일(200a)을 따라 이동하는 것이 바람직하다.
예컨대, 레일(200a)은 플룸(200)의 길이방향을 따라 돌출형성되어 수레(310)의 양측을 가이드하는 형태로 구성될 수 있으며, 플룸(200)과 수레(310)가 마주하는 면에 돌기 및 홈형태로 구비되면서 수레(310)의 이동을 가이드할 수 있다.
커버(315)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 수레(310)의 개방된 상부를 차폐하여 토체(S)와 수분이 수레(310) 밖으로 배출되는 것을 막는다.
이러한 커버(315)는 투명재질로 형성되어 수레(310)의 내부를 투시가능한 상태로 차폐하는 것이 바람직하다. 이는 후술되는 카메라(500)를 통해 수레(310) 내부 상태를 촬영할 수 있도록 하기 위함이다.
구동부재(320)는 수레(310)를 이동가능한 상태로 지지함과 아울러 수레(310)의 이동이나 이동속도를 제어함으로써 토체(S)의 지표변위나 토체의 움직임을 통한 사면파괴를 모사하는 부재이다.
이러한 구동부재(320)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 수레(310)의 일측단에 로드(321)로 연결되는 유압실린더로 구성되어 수레(310)를 지지하며, 유압을 통해 로드(321)를 출몰시키면서 수레(310)를 이동시킨다.
여기서, 구동부재(320)를 구성하는 유압실린더는 도 1에 도시된 바와 같이 전술한 프레임(100)에 힌지(322)를 통해 결합되어 지지력을 제공하면서 플룸(200)의 경사조절에 따라 회전한다.
한편, 본 발명의 슬라이더(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 붕괴사면 모사부(330)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
붕괴사면 모사부(330)는 수레(310)의 내주면에 마찰력을 제공함으로써 수레(310)에 적재된 토체(흙 시료)의 저면에 붕괴사면의 거친면을 모사하는 구성요소이다.
예컨대, 붕괴사면 모사부(330)는 도 3에 도시된 바와 같이 권취롤러(331), 거친면부재(332), 인출롤러(333) 및 관통슬롯(334)을 포함하여 구성될 수 있다.
권취롤러(331)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 수레(310)의 하부측면에 회전가능하게 설치된다.
인출롤러(333)는 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 수레(310)와 이격된 상태를 이루면서 플룸(200)에 회전가능하게 설치된다.
이러한 인출롤러(333)는 공회전상태로 설치되면서 도 1에 도시된 바와 같이 자동회전이 불가능한 고정식으로 구성될 수 있으며, 이와 달리, 도 3에 도시된 바와 같이 구동모터(333a)의 구동력에 의해 자동회전이 가능한 회전식으로 구성될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
거친면부재(332)는 도 3에 도시된 바와 같이 수레(310)의 바닥면과 토체(S) 저면의 사이에 개재된 상태로 토체(S)의 저면에 거친면을 제공하는 부재이다.
이러한 거친면부재(332)는 거칠기를 갖는 소재로 구성되어 도 3에 도시된 바와 같이 권취롤러(331)에 권취된 상태로 선단부가 수레(310)의 바닥면을 따라 연장되면서 인출롤러(333)에 결합되며, 수레(310)의 이동에 따라 권취롤러(331)에서 인출되면서 토체(S)의 저면에 거친면을 제공함으로써 붕괴사면의 거친면을 모사한다.
예컨대, 거친면부재(332)는 표면에 거칠기를 갖는 부직포로 구성되거나 샌드페이퍼 또는 표면에 요철형 돌기부가 돌출되어 표면 거칠기 정도를 나타낼 수 있는 부재로 구성될 수 있다.
여기서, 거친면부재(332)는 도 3에 도시된 바와 같이 수레(310)의 측벽의 내측에 삽입된 상태를 이루면서 수레(310)의 바닥면을 따라 인출되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 거친면부재(332)는 토체(S)의 저면에서만 접촉이 이루어지며 토체(S)의 측면과는 접촉되지 않는다.
전술한 인출롤러(333)는 도 1에 도시된 바와 같이 고정식으로 구성될 경우, 단순히 거친면부재(332)의 일단부를 지지함으로써 거친면부재(332)가 수레(310)의 이동에 의해 권취롤러(331)에서 풀리게 하는 역할을 한다.
구체적으로, 거친면부재(332)는 수레(310)가 구동부재(320)에 의해 하강하면서 권취롤러(331)와 함께 하강함에 따라 인출롤러(333)의 지지력에 의해 권취롤러(331)에서 인출되면서 토체(S)의 저면을 전단시킨다.
즉, 인출롤러(333)가 고정식일 경우에는 거친면부재(332)에 의한 토체(S)의 전단속도와 수레(310)의 이동속도가 비례하며, 예컨대 겉보기로 사면이 많은 변형을 보인듯 하지만 사면내 전단부에서 큰 변형이 발생하지 않은 경우를 모사할 수 있다.
이와 달리, 인출롤러(333)는 도 3에 도시된 바와 같이 회전식으로 구성될 경우, 구동모터(333a)에 의한 회전속도 제어가 가능함에 따라 수레(310)의 이동속도보다 느리거나 빠른 속도로 거친면부재(332)를 권취롤러(331)에서 인출시킬 수 있다.
또한, 인출롤러(333)는 수레(310)가 정지된 상태에서도 구동모터(333a)에 의해 회전하여 거친면부재(332)를 권취롤러(331)에서 인출시킴으로써 토체(S)의 저면에 전단면을 모사할 수도 있다.
이에 따라, 인출롤러(333)가 회전식일 경우에는, 예컨대 겉보기에는 산지 사면의 움직임이 거의 없어보이나 실제 사면내 전단부에서 상당한 변형이 발생하는 조건을 재현할 수 있다.
관통슬롯(334)은 거친면부재(332)의 폭에 대응하는 길이의 장홈형태로 형성되면서 수레(310)의 측벽에 관통형성되어 거친면부재(332)를 인출롤러(333)와 일직선상태로 연결시킨다.
이에 따라, 거친면부재(332)는 인출롤러(333)의 회전에 의해 좀 더 원활하게 인출되면서 토체(S)의 저면에 마찰력을 제공한다.
여기서, 관통슬롯(334)은 도 3에 확대 도시된 바와 같이 수밀부재(335)가 구비되는 것이 바람직하다.
수밀부재(335)는 예컨대 고무패킹으로 구성될 수 있으며, 확대 도시된 바와 같이 거친면부재(332)에 밀착됨에 따라 토체(S)에 함유된 수분이 관통슬롯(334)을 통해 외부로 배출되는 것을 방지한다.
한편, 관통슬롯(334)은 도 3에 도시된 바와 같이 권취롤러(331)가 설치된 수레(310)의 측벽에도 동일하게 설치될 수도 있다.
그리고, 슬라이더(300)는 도 4에 도시된 바와 같이 플룸롤러(340)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
플룸롤러(340)는 수레(310)의 슬립면을 제공하는 구성요소로서, 도 4에 도시된 바와 같이 복수로 구성되어 플룸(200)의 길이방향을 따라 회전가능하게 설치된다.
이러한 플룸롤러(340)는 도 4에 발췌도시된 바와 같이 플룸(200)이 곡선형태로 제작될 경우에도 플룸(200)의 곡면을 따라 설치될 수 있다.
또한, 슬라이더(300)는 도 7에 도시된 바와 같이 강우 모사부(360)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
강우 모사부(360)는 토체(S)의 상부에서 물을 분사하면서 토체에 강우환경을 제공하는 구성요소이다.
이러한 강우모사부(360)는 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이 분사노즐(361) 및 공급펌프(362)를 포함하여 구성될 수 있다.
분사노즐(361)은 도 7에 도시된 바와 같이 커버(315)의 저면을 따라 복수로 설치되어 공급펌프(362)에서 공급되는 물을 토체(S)에 분사한다.
공급펌프(362)는 분사노즐(361)에 물을 공급하면서, 시험조건에 따라 물의 공급량을 일정하게 공급하거나 가변시켜 공급할 수 있다.
즉, 강우 모사부(360)는 지반변형이 발생할 때 강우(지반의 포화도)를 일정하게 유지하거나 증가시킬 수 있는 시험환경을 제공한다.
한편, 플룸(200)의 상부에는 도 1에 도시된 바와 같이 카메라(500)가 설치될 수 있다.
카메라(500)는 플룸(200)의 상부에서 수레(310)의 이동을 촬영하면서 수레(310)의 이동에 따른 수레 상부의 임의의 지점에 대한 토체(S) 변위를 촬영한다. 이러한 카메라(500)는 고해상도 디지털 카메라 또는 정밀 지상 라이더(LiDAR) 등으로 구성되어 토체(S)의 위치 및 시간 변화를 정밀 촬영하는 것이 바람직하다.
이러한 카메라(500)는 전술한 구동부재(320)와 연결되어 구동부재(320)의 작동에 따라 연동하면서 수레(310)를 촬영하는 것이 바람직하다.
즉, 카메라(500)의 헤드는 구동부재(320)를 구성하는 유압실린더의 길이변화에 따라 촬영각도를 가변시키면서 수레(310)를 따라 촬영한다.
산출부(400)는 슬라이더(300)를 구성하는 수레(310)의 이동에 따라 발생하는 토체(S) 저면과 측면부의 간극수압과 중량을 측정하고, 이를 통해 사면의 전단강도및 전단응력을 산출함과 아울러 산출된 전단강도 및 전단응력을 기반으로 사면의 안전율을 산출하는 구성요소이다.
예컨대, 산출부(400)는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이 중량센서(410), 간극수압센서(420) 및 산출서버(430)를 포함하여 구성될 수 있다.
중량센서(410)는 도 2에 도시된 바와 같이 수레(310)의 저면에 설치되어 토체(S)의 중량을 측정하여 후술되는 산출서버(430)에 인가한다.
이러한 중량센서(410)는 도 2에 도시된 바와 같이 수레(310)의 바닥면을 따라 복수로 설치되는 것이 바람직하며, 토체(S)의 총중량을 산출서버(430)에 제공함과 아울러 수레(310)의 이동에 따른 토체(S)의 중량분포를 제공한다.
간극수압센서(420)는 토체(S)의 내부를 흐르는 수분의 간극수압을 측정하는 부재로써, 도 1에 도시된 바와 같이 복수로 구성되어 수레(310)의 바닥면과 벽면을 따라 설치된다.
여기서, 간극수압센서(420)는 도 2에 도시된 바와 같이 중량센서(410)와 함께 고정식으로 설치될 수 있으며, 이동가능한 형태로 구성되어 토체(S) 내부에 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.
이러한 간극수압센서(420)는 설치된 지점의 간극수압을 측정하여 산출서버(430)에 인가함으로서 수레(310)의 이동에 의한 지표변위에 따라 변동하는 간극수압을 제공한다.
간극수압센서(420)는 도 6에 확대 도시된 바와 같이 센서홀더(430) 및 센서필터(440)에 의해 수용된 상태로 설치될 수 있다.
센서홀더(430)는 수레(310)의 내주면에 홈형태로 형성되어 간극수압센서(420)를 매립상태로 수용한다.
여기서, 간극수압센서(420)에 연결되는 케이블(421)은 도 6에 확대 도시된 바와 같이 센서홀더(430) 및 플룸(200)을 관통하여 길게 연장되면서 미도시된 케이블릴에 권취될 수 있으며, 수레(310)가 이동함에 따라 케이블릴에서 인출될 수 있다.
센서필터(440)는 이물질을 필터링하는 부재로서, 도 6에 확대 도시된 바와 같이 센서홀더(430)의 상부에 설치되어 수분의 유입만을 허용하면서 수분 이외의 이물질을 필터링한다.
이에 따라, 간극수압센서(420)는 센서필터(440)에 의해 필터링된 수분의 압력만을 측정할 수 있기 때문에 오작동이 방지될 수 있다.
이러한 센서필터(440)는 예컨대, 금속필터(441) 및 종이필터(442)를 포함하여 구성될 수 있다.
금속필터(441)는 센서홀더(430)의 바깥쪽에 설치되어 토체(S)와 직접 대면하면서 이물질을 1차 필터링한다.
종이필터(441)는 금속필터(441)의 안쪽에 설치되어 수분 이외의 이물질을 2차 필터링한다.
산출서버(430)는 중량센서(410) 및 간극수압센서(420)에서 인가된 측정값을 기반으로 사면의 전단강도와 전단응력을 산출한 후 안전율을 산출하는 구성요소이다.
이러한 산출서버(430)는 제어프로그램이 내장된 컴퓨터로 구성되어 중량센서(410) 및 간극수압센서(420)와 케이블(421)로 연결될 수 있다.
여기서, 산출서버(430)는 사면 파괴면에서 발휘되는 전단강도를 다음 수식 1에 의해 산출한다.
[수식 1] 전단강도 = 점착력 + 유효응력 × tan(내부마찰각)
유효응력 = 전응력 - 간극수압센서의 간극수압
여기서, 점착력과 내부마찰각은 토체(S)의 지반공학적 상수이고, 또한, 전응력은 토체(S)에 따른 상수이다.
즉, 전단강도는 유효응력을 이루는 간극수압의 크기에 반비례한다.
또한, 산출서버(430)는 토체(S)의 전단응력을 다음 수식 2에 의해 산출한다.
[수식 2] 전단응력 = 중량센서의 중량을 통해 얻어진 활동을 일으키는 힘의 합
즉, 전단응력은 토체(S)가 흘러내리려는 힘으로써 토체(S)의 중량에 비례한다.
그리고, 산출서버(430)는 산출된 전단강도 및 전단응력을 기반으로 사면의 안전율을 다음 수식 3에 의해 산출한다.
[수식 3] 안전율 = 전단강도 / 전단응력
즉, 사면의 안전율은 전단강도가 감소하거나 전단응력이 증가할 경우 낮아지게 되며, 1 이하에 도달할 경우에 사면파괴가 발생한다.
종합하면, 산출서버(430)는 수레(310)에 의해 토체(S)가 이동함에 따라 각 지점에서 토체(S) 저면의 전단강도 및 전단응력을 산출하고 사면의 안전율을 산출한다.
여기서, 산출서버(430)는 전술한 구동부재(320)의 제어를 통해 수레(310)가 설정된 속도로 연속이동함에 따라 사면의 안전율을 연속적으로 산출할 수 있으며, 이와 달리 수레(310)가 단계적으로 이동함에 따라 사면의 안전율을 설정된 지점에서 산출할 수 있다.
이에 따라, 시험자는 사면의 이동형태나 시간에 따른 안전율의 변화를 예측할 수 있으며, 이를 기반으로 산사태 위험지역의 간극수압이나 전단면 및 지표변위를 통해 산사태 발생을 조기에 탐지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치에 의하면, 슬라이더(300)를 구성하는 수레(310)에 토체(S)를 적재한 상태로 이동시킴으로써 전단면 및 지표변위를 전단시간에 따라 제공하면서 간극수압 및 중량을 기반으로 전단강도 및 전단응력을 산출할 수 있으며, 이에 따라 간극수압 및 지표변위에 따른 안전율을 산출함과 아울러 사면의 안전율 변화를 통해 산사태의 조기탐지를 도모할 수 있다.
또한, 슬라이더(300)를 구성하는 수레가 구동부재(320)에 의해 이동이 제어되는 동시에 이동속도가 제어되므로 다양한 형태의 지표변위를 모사할 수 있다.
이에 더하여, 수레(310)의 내주면에 개재되는 거친면부재(332)가 인출롤러(333)의 작동에 의해 이동하면서 토체(S)의 저면에 마찰력을 제공함에 따라 붕괴사면의 거친면이 모사될 수 있기 때문에 좀 더 정확한 시험환경이 제공될 수 있다.
또한, 거친면부재(332)가 수레(310)의 측면에 구비되는 관통슬롯(334)을 관통하여 일직선 상태로 인출롤러(333)에 연결되므로 거친면부재(332)가 원활하게 인출롤러(333)로 인출되면서 거친면을 제공할 수 있으며, 관통슬롯(334)에 수밀부재(335)가 구비되므로 토체(S)에 함유된 수분배출이 방지될 수 있다.
더욱이, 슬라이더(300)에 강우 모사부(360)가 구비될 경우에는 지반변형이 발생할 때 강우(지반의 포화도)를 일정하게 유지하거나 증가시킬 수 있는 시험환경을 제공할 수 있다.
또, 산출부(400)를 구성하는 간극수압센서(420)가 센서홀더(430)에 수용되면서 센서필터(440)에 의해 필터링되는 상태로 수용되므로 이물질에 의한 간극수압센서(420)의 오작동이 방지될 수 있다.
한편, 플룸(200)의 바닥면을 따라 플룸롤러(340)가 설치될 경우에는 수레(310)의 이동이 좀 더 원활하게 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100 : 프레임 110 : 캐스터
200 : 플룸 200a : 레일
210 : 힌지 220 : 유압실린더
300 : 슬라이더 310 : 수레
315 : 커버 320 : 구동부재
321 : 로드 322 : 힌지
330 : 붕괴사면 모사부 331 : 권취롤러
332 : 거친면부재 333 : 인출롤러
334 : 관통슬롯 335 : 수밀부재
340 : 플룸롤러 360 : 강우 모사부
361 : 분사노즐 362 : 공급펌프
400 : 산출부
410 : 중량센서 420 : 간극수압센서
430 : 산출서버 430 : 센서홀더
440 : 센서필터 441 : 금속필터
442 : 종이필터 500 : 카메라
S : 토체

Claims (14)

  1. 프레임;
    상기 프레임에 각도 조절이 가능하게 설치되어 산사태 물질의 경사면을 제공하는 플룸;
    상기 플룸의 길이방향을 따라 이동가능하게 결합되어 산사태 물질(landslide materials)을 구성하는 토체(soil mass)가 적재되면서 토체의 전단면을 제공하고, 상기 플룸의 길이방향을 따라 토체와 함께 이동하면서 토체 상부의 지표변위와 토체 바닥면의 사면파괴를 모사하는 슬라이더; 및
    상기 슬라이더의 이동에 따른 토체의 간극수압 및 중량을 기반으로 사면의 파괴면에서 발휘되는 전단강도 및 전단응력을 산출하고, 산출된 전단강도 및 전단응력을 기반으로 사면의 안전율을 산출하는 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산출부는,
    상기 슬라이더의 바닥면에 설치되어 상기 슬라이더의 이동에 따른 토체의 중량을 측정하여 인가하는 중량센서;
    상기 슬라이더의 내주면을 따라 설치되어 토체 내부의 간극수압을 측정하여 인가하는 간극수압센서; 및
    상기 중량센서와 상기 간극수압센서에서 인가된 측정값을 기반으로 사면의 전단강도와 전단응력의 결정을 통한 사면의 안전율을 산출하는 산출서버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 산출서버는,
    하기 [수식 1]에 의해 사면 파괴면에서 발휘되는 전단강도를 산출하고,
    하기 [수식 2]에 의해 사면 파괴면에서 발휘되는 전단응력을 산출하며,
    하기 [수식 3]에 의해 사면의 안전율을 산출하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
    [수식 1]
    전단강도 = 점착력 + 유효응력 × tan(내부마찰각)
    유효응력 = 전응력 - 상기 간극수압센서의 간극수압
    (여기서, 점착력과 내부마찰각 및 전응력은 설정된 상수임)
    [수식 2]
    전단응력 = 상기 중량센서의 중량을 통해 얻어진 활동을 일으키는 힘의 합
    [수식 3]
    안전율 = 전단강도/전단응력
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 산출부는,
    상기 슬라이더의 내주면에 홈형태로 형성되어 상기 간극수압센서를 매립상태로 수용하는 센서홀더; 및
    상기 센서홀더의 상부에 설치되어 수분의 유입을 허용하면서 수분 이외의 물질을 필터링하는 센서필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬라이더는,
    상기 플룸에 이동가능하게 설치되고, 상부가 개방된 함체형으로 형성되어 토체가 적재되면서 토체의 저면에 전단면을 모사하는 수레;
    상기 수레의 상부를 차폐하는 커버; 및
    상기 수레를 이동가능한 상태로 지지하면서 상기 수레의 이동이나 이동속도를 제어하는 구동부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 구동부재는,
    상기 수레의 일측에 연결된 상태로 지지력을 제공하고, 길이가 신축되면서 상기 수레를 이동시키는 유압실린더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 슬라이더는,
    상기 수레의 바닥면에 거친면을 제공하여 토체의 저면에 붕괴사면의 거친면을 모사하는 붕괴사면 모사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 붕괴사면 모사부는,
    상기 수레의 일측면에 설치되는 권취롤러;
    상기 권취롤러에 권취된 상태로 선단부가 상기 수레의 타측면을 향해 인출되면서 상기 수레의 바닥면과 토체의 저면 사이에 개재되고, 거칠기를 갖는 소재로 형성되어 거친면을 제공하는 거친면부재;
    상기 수레와 이격된 상태로 설치되어 상기 거친면부재의 선단부를 권취하면서 상기 거친면부재를 상기 권취롤러에서 인출시키는 인출롤러; 및
    상기 수레의 타측면에 장홈형태로 형성되어 상기 거친면부재가 관통하면서 상기 인출롤러와 상기 거친면부재를 일직선상태로 연결시키는 관통슬롯;을 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 거친면부재는,
    표면에 거칠기를 갖는 부직포, 샌드페이퍼 및 표면에 요철형 돌기부가 돌출되어 표면 거칠기 정도를 나타낼 수 있는 부재 중 어느 하나로 구성된 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 붕괴사면 모사부는,
    상기 관통슬롯에 구비되어 상기 거친면부재에 밀착되면서 토체에 함유된 수분이 상기 관통슬롯으로 배출되는 것을 방지하는 수밀부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 슬라이더는,
    상기 플룸의 바닥면을 따라 회전가능하게 설치되어 상기 수레의 슬립면을 제공하는 복수의 플룸롤러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  12. 청구항 5에 있어서,
    상기 슬라이더는,
    상기 커버에 설치되어 토체의 상부에서 물을 공급하면서 토체에 강우환경을 제공하는 강우 모사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 강우모사부는,
    상기 커버의 저면을 따라 설치되어 토체를 향해 물을 분사하는 분사노즐; 및
    상기 분사노즐에 물을 공급하는 공급펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 시험장치는,
    상기 플룸의 상부에 설치되어 상기 슬라이더의 이동을 촬영하면서 이동에 따른 상기 슬라이더의 위치나 상기 슬라이더에 적재된 토체의 상태를 촬영하는 카메라;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 간극수압-지표변위-전단면 완전연계 산사태 조기탐지 시험장치.
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