KR101637886B1 - 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기 및 이를 이용한 철도지반 평가 방법 - Google Patents

철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기 및 이를 이용한 철도지반 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가 방법은 (A) 철도 지반에 설치된 가이드 플레이트(guide plate)에 하이브리드 콘 관입기를 장착하여 동적 관입을 수행하는 단계; 및 (B) 상기 하이브리드 콘 관입기를 이용하여 정적 관입을 수행하는 단계;를 포함하고, 상기 하이브리드 콘 관입기는 소형콘, 상기 소형콘에 연결된 적어도 하나의 내부 로드, 및 상기 소형콘에 맞물리고 상기 내부 로드를 감싸는 적어도 하나의 외부 로드를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 이용한 철도지반 평가 방법은 외부 로드를 이용한 동적관입 및 내부 로드를 이용한 정적관입을 연속으로 수행하여, 철도지반의 물성 상태를 연속적으로 검출 평가할 수 있는 효과가 있다.

Description

철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기 및 이를 이용한 철도지반 평가 방법{Hybrid cone penetrometer for evaluation of railway substructure and method for evaluating railway substructure using the same}
본 발명은 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기 및 이를 이용한 철도지반 평가 방법에 관한 것으로, 특히 철도지반의 파괴 및 변위를 최소화하면서, 철도지반을 보다 신속하고 정확하게 평가할 수 있는 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기 및 이를 이용한 철도지반 평가 방법에 관한 것이다.
일반적으로 국내외에서 지반 강도를 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, 강도가 높은 지반의 강도를 계측할 때는 암반의 샘플을 시추한 뒤, 그 코어를 측정하여 지반의 강도를 측정해야만 했다.
특히, 철도 레일을 설치하기 위한 지반에 대한 평가가 중요하여, 예를 들어 철도 레일의 궤도 틀림은 궤도 자체의 뒤틀림 문제뿐만 아니라, 궤도를 지지하고 있는 노반의 상태변화로 인해 발생할 수 있다. 이러한 노반의 상태는 도상에 포함된 세립분의 함량이나 파쇄된 자갈의 입경, 그리고 배수조건에 따라 변화하게 된다. 이와 같은 이유로 궤도의 유지 및 보수로 발생하는 비용과 과다설계로 인한 공사비를 최소화하기 위해서는 더욱 정확한 노반상태의 평가가 필수적이다.
그러나, 현재 궤도 하부의 노반을 평가하는 주된 방법은 선행기술문헌에 개시된 바와 같이, 일정 높이에서 자동으로 해머가 승강 및 하강할 수 있는 장치를 이용한 굴착을 하여 생성된 시험굴(Test pit)을 이용하는 방법이기 때문에 실제로 노반에 이상 침하가 발생하였을 경우 신속한 평가와 그에 따른 유지보수가 어려운 문제점이 있다.
또한, 이러한 방법은 해당지반에 대한 대단위의 파괴를 필요로 하기 때문에 이미 운영중인 철도의 노반에 적용하기에는 많은 어려움이 따르고 있다.
이러한 문제점을 개선하고자, 진동기(vibrator)를 이용하여 표면파를 발생시켜 노반을 평가하는 CSW(Continuous Surface-Wave) 기법 또는 압축파를 이용한 지반 평가방법에 대한 연구도 진행되고 있다.
그러나, 이러한 CSW 기법 또는 압축파를 이용한 지반 평가방법은 아직 실용화에는 많은 어려움이 따르고 있다. 더욱이 이러한 반사파를 이용한 실험기법들은 비교 기준이 될 수 있는 참조값이 없기 때문에, 원위치 관입 실험에 의한 직접적인 공학적 정수를 획득할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
특허문헌 1: 등록특허공보 제 10-0423119호
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 관입에 의하여 철도지반의 상태를 연속적으로 검출하여 평가할 수 있는 하이브리드 콘 관입기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 하이브리드 콘 관입기를 이용하여 철도지반의 물성 상태를 연속적으로 검출하여 평가할 수 있는 철도지반 평가 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기는 소형콘; 상기 소형콘에 연결된 적어도 하나의 내부 로드; 및 상기 소형콘에 맞물리고 상기 내부 로드를 감싸는 적어도 하나의 외부 로드;를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기에서 상기 내부 로드는 상기 소형콘 방향의 일단 내부에 양측으로 적어도 두 개의 선단 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기에서 상기 외부 로드는 두부 방향의 내부에 수평으로 장착된 가속도계; 및 상기 가속도계에 근접하게 구비된 적어도 두 개의 두부 스트레인 게이지;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기에서 상기 선단 스트레인 게이지는 연산 제어부에 일측이 연결된 외부의 브릿지 박스에 연결되고, 측정된 스트레인 정보를 선단 저항(qc)을 검출하기 위한 정보로서 상기 연산 제어부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기에서 상기 두부 스트레인 게이지는 연산 제어부에 일측이 연결된 외부의 브릿지 박스에 연결되고, 측정된 스트레인 정보를 DCPI(dynamic cone penetration index) 및 상기 DCPI를 보정한 CDCPI(corrected DCPI)를 검출하기 위한 정보로서 상기 연산 제어부로 전달하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 철도지반 평가 방법은 (A) 철도 지반에 설치된 가이드 플레이트(guide plate)에 하이브리드 콘 관입기를 장착하여 동적 관입을 수행하는 단계; 및 (B) 상기 하이브리드 콘 관입기를 이용하여 정적 관입을 수행하는 단계;를 포함하고, 상기 하이브리드 콘 관입기는 소형콘, 상기 소형콘에 연결된 적어도 하나의 내부 로드, 및 상기 소형콘에 맞물리고 상기 내부 로드를 감싸는 적어도 하나의 외부 로드를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 철도지반 평가 방법에서 상기 (A) 단계는 상기 외부 로드에서 두부 방향의 내부에 수평으로 장착된 가속도계 및 상기 가속도계에 근접하게 구비된 적어도 두 개의 두부 스트레인 게이지를 이용하여, 상기 하이브리드 콘 관입기에 연결된 외부의 연산 제어부가 상기 외부 로드의 두부에 전달된 에너지(Em), DCPI(dynamic cone penetration index) 및 CDCPI(corrected DCPI)를 연산 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 철도지반 평가 방법에서 상기 DCPI는
Figure 112014039368019-pat00001
(P는 해머의 n번째 또는 n+1번째 낙하에 따른 상기 하이브리드 콘 관입기의 관입 깊이이고, B는 상기 해머의 n번째 또는 n+1번째 낙하 강타(blow)를 나타냄)
의 관계식으로 연산 검출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 철도지반 평가 방법에서 상기 CDCPI는 상기 DCPI에 대해 상기 외부 로드의 두부에 전달된 에너지의 영향을 배제한 보정 데이터로서
Figure 112014039368019-pat00002
(Ep는 해머의 위치 에너지이고, Em은 상기 외부 로드의 두부에 전달된 에너지임)
의 관계식으로 연산 검출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 철도지반 평가 방법에서 상기 (B) 단계는 (B-1) 상기 내부 로드의 선단 내부에 장착된 적어도 두 개의 선단 스트레인게이지를 통해 스트레인의 변화를 전기 저항의 변화로 변환시켜 측정하는 단계; (B-2) 상기 전기 저항의 변화를 포함한 전기적 신호를 상기 하이브리드 콘 관입기에 연결된 외부의 연산 제어부로 전달하여 상기 연산 제어부가 하중으로 환산하는 단계; 및 (B-3) 상기 연산 제어부가 환산된 하중을 상기 소형콘의 단면적으로 나누어 관입 깊이에 따른 선단 저항(qc)으로 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고, 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기는 동적관입 실험과 정적관입 실험을 연속으로 수행할 수 있는 구성을 갖고, 관입 깊이별로 철도 지반의 물성을 용이하고 정확하게 검출 평가할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 이용한 철도지반 평가 방법은 외부 로드를 이용한 동적관입 및 내부 로드를 이용한 정적관입을 연속으로 수행하여, 철도지반의 물성 상태를 연속적으로 검출 평가할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기의 분해 사시도.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기의 단면도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 이용한 철도지반 평가 과정을 설명하기 위한 동작 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 철도지반에 관입한 깊이에 따른 DCPI의 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 철도지반에 관입한 깊이에 따른 CDCPI 및 선단 저항의 그래프.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기의 분해 사시도이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기(100)는 예컨대 도 2에 도시된 도상 자갈층(Ballast: 10), 보조 도상층(Subballast: 20) 및 노반(Subgrade: 30)으로 구성된 철도지반에 동적관입 및 정적관입으로 관입되어, 철도지반의 물성을 검출 평가하기 위한 하이브리드 콘 관입기이다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 소형콘(110), 소형콘(110)에 연결된 내부 로드(120) 및 소형콘(110)에 맞물리고 내부 로드(120)를 감싸는 외부 로드(130)를 포함한다.
소형콘(110)은 내부 로드(120)의 선단부에 결합되고 외부 로드(130)의 선단부에 맞물리는 부재로서, 외부 로드(130)를 이용한 동적관입 및 내부 로드(120)를 이용한 정적관입으로 철도지반의 도상 자갈층(10)으로부터 노반(30)까지 관입 된다. 여기서, 소형콘(110)은 예컨대 원뿔 형상으로 형성되는데, 철도지반에 관입이 용이하도록 직원뿔의 형상으로 구비될 수도 있다.
내부 로드(120)는 소형콘(110)에 일단이 결합 연결되고 외부 로드(130)에 삽입되는 금속봉 형태의 부재로서, 소형콘(110) 방향의 일단 내부에 양측으로 적어도 두 개의 선단 스트레인 게이지(125)를 포함한다. 여기서, 내부 로드(120)는 길이 연장을 위해 타단에 금속봉 형태의 추가 로드(도시하지 않음)를 연결 구비할 수 있고, 선단 스트레인 게이지(125)에 연결된 전선이 내부 로드(120)과 외부 로드(130)의 내부 공간을 거쳐 외부의 브릿지 박스(Bridge box)와 연산 제어부에 연결될 수 있다.
특히, 선단 스트레인 게이지(125)와 후술할 두부 스트레인 게이지(134)는 각각 미세한 변화량에 따른 출력 값을 증폭하기 위하여 휘트스톤 브릿지(Wheatstone Bridge) 연결방식을 이용하여 외부의 브릿지 박스에 연결될 수 있다. 여기서, 휘트스톤 브릿지는 저항의 변화에 따라 대각선 방향으로 전위차가 발생하는 원리를 이용한 것이다.
이러한 내부 로드(120)는 정적관입을 위해 예컨대 모터 등에 의해 내부 로드(120)의 타단에 회전력이 가해지면, 그 회전력에 의해 노반(30)에 관입되고 소형콘(110)에 회전력을 전달한다.
이때, 내부 로드(120)에 회전력이 가해지면, 소형콘(110)은 노반(30)에 관입되고 내부 로드(120)는 저항력이 생겨서 변형된다. 이와 같이, 물체에 외력이 작용하면 물체는 저항력이 생겨서 변형하는데, 이러한 변형의 정도를 스트레인(strain)이라고 한다. 이러한 스트레인은 양측의 선단 스트레인 게이지(125)를 통해 검출된다.
내부 로드(120)는 횡단면이 일정한 관형으로 형성되어, 에너지의 소실을 방지하고 선단 저항(qc)을 정확하게 측정할 수 있다. 즉, 내부 로드(120)의 단면이 복잡하게 형성되는 경우, 회전력 등에 의해 내부 로드(120)가 노반(30)에 관입될 때, 내부 로드(120)의 복잡한 구조로 인해서 에너지가 소실됨으로써, 스트레인의 변화가 부정확하게 검출되어 선단 저항(qc)을 정확하게 검출하지 못하게 된다. 여기서, 선단 저항(qc)은 내부 로드(120)가 노반(30)에 관입될 때 소형콘(110)에 생기는 저항으로서, 노반(30)의 강도(soil strength)을 평가할 수 있는 요소이다.
외부 로드(130)는 내부 로드(120)를 삽입하고 소형콘(110)의 말단에 맞닿는 원통형 부재로서, 두부 방향의 내부에 수평으로 장착된 가속도계(132) 및 가속도계(132)에 근접하게 구비된 적어도 두 개의 두부 스트레인 게이지(134)를 포함한다.
구체적으로, 외부 로드(130)는 가속도계(132) 및 두부 스트레인 게이지(134)를 구비하여, 도상 자갈층(10)과 보조 도상층(20)의 동적 관입에 따른 DCPI(dynamic cone penetration index)를 연산할 수 있는 데이터를 검출한다. 이러한 데이터는 외부의 연산 제어부로 전달되고, 연산 제어부는 DCPI를 연산하고 외부 로드(130)의 두부에 전달된 에너지에 대해 DCPI를 보정한 CDCPI(corrected DCPI)를 연산할 수 있다.
또한, 외부 로드(130)는 가속도계(132) 및 두부 스트레인 게이지(134)를 구비한 원통형 본체 이외에, 소형콘(110) 방향의 선단부를 연장하기 위해 동일한 단면을 갖는 추가 로드를 다수 연결할 수 있다.
가속도계(132)는 외부 로드(130)의 두부 내측에 구비된 지지체에 나사결합으로 수평 장착될 수 있고, 길이 방향의 가속도를 검출하여 외부의 연산 제어부로 전달한다. 이러한 가속도계(132)가 지지체에 평탄하게 장착됨으로써, 외부 로드(130) 길이에 따른 에너지 손실을 고려하지 않아도 되므로, 두부에 전달되는 하중과 가속도를 정확하게 측정할 수도 있다.
두부 스트레인 게이지(134)는 외부 로드(130)의 두부에 전달된 스트레인을 검출하고, 검출된 스트레인은 외부의 연산 제어부에서 두부에 전달된 에너지를 검출하는데 이용된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기(100)는 예컨대, 도상 자갈층(10), 보조 도상층(20) 및 노반(30)으로 구성된 철도 지반에 대해 외부 로드(130)를 이용하여 도상 자갈층(10)과 보조 도상층(20)에 대한 동적관입 실험을 수행하고, 내부 로드(120)를 이용하여 노반(30)에 대한 정적관입 실험을 연속으로 수행할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기(100)는 동적관입 실험과 정적관입 실험을 연속으로 수행할 수 있는 구성을 갖고, 관입 깊이별로 철도 지반의 물성을 용이하고 정확하게 검출 평가할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기(100)를 이용하여 철도지반의 물성 상태를 연속적으로 검출 평가할 수 있는 철도지반 평가 방법에 대해 도 2a 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 이용한 철도지반 평가 과정을 설명하기 위한 동작 예시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 철도지반에 관입한 깊이에 따른 DCPI의 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 철도지반에 관입한 깊이에 따른 CDCPI 및 선단 저항의 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기를 이용한 철도지반 평가방법은 도 2a에 도시된 바와 같이, 도상 자갈층(10), 보조 도상층(20) 및 노반(30)으로 구성된 철도 지반에 대해 가이드 플레이트(guide plate: 220)를 설치한다.
이러한 가이드 플레이트(220)에 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기(100)를 철도지반에 수직으로 장착하고, 해머(210)를 이용한 동적관입 실험을 수행한다.
여기서, 동적관입 실험은 해머(210)를 이용하여 외부 로드(130)에 하중을 가하여 하이브리드 콘 관입기(100)를 도상 자갈층(10)과 보조 도상층(20)에 관입하고, 하이브리드 콘 관입기(100)에 연결된 연산 제어부가 외부 로드(130)의 가속도계(132)와 두부 스트레인 게이지(134)를 통해 두부에 전달된 에너지(Em), DCPI(dynamic cone penetration index) 및 CDCPI(corrected DCPI)를 연산 검출한다.
구체적으로, DCPI는 아래의 [수학식 1]과 같이 정의된다.
Figure 112014039368019-pat00003
여기서, P는 해머(210)의 n번째 또는 n+1번째 낙하에 따른 하이브리드 콘 관입기(100)의 관입 깊이이고, B는 해머(210)의 n번째 또는 n+1번째 낙하 강타(blow)를 나타낸다.
이러한 DCPI는 각 관입 깊이에서의 지반 물성을 검출하기 위한 지표로서 이용되어, 연산 제어부는 관입 저항값의 변동을 나타내고 편차를 줄이기 위해 예를 들어 3개의 관입 깊이마다 DCPI의 평균(DCPIavg =3)을 연산한다. 물론, 연산 제어부는 DCPI의 평균을 3개의 관입 깊이마다 연산하지 않고, 정확성을 더욱 높이기 위해 2개의 관입 깊이마다 연산하거나 또는 3개를 초과한 관입 깊이마다 연산할 수 있다.
이렇게 연산된 DCPI 평균(DCPIavg =3)은 도 3에 도시된 바와 같이 도시될 수 있고, 이때 처음 2개의 낙하 강타에 따른 DCPI는 하이브리드 콘 관입기(100)의 관입 위치를 마련하기 위한 낙하 강타의 결과이므로 배제한다.
이때, DCPI는 외부 로드(130)의 두부에 전달된 에너지의 영향이 포함된 부정확한 수치이므로, 아래의 [수학식 2]에 나타낸 바와 같이 외부 로드(130)의 두부에 전달된 에너지의 영향을 배제한 DCPI로서 CDCPI(corrected DCPI)를 연산 검출한다.
Figure 112014039368019-pat00004
여기서, CDCPI는 외부 로드(130)의 두부에 전달된 에너지의 영향을 배제한 DCPI의 보정 데이터이고, Ep는 해머(210)의 위치 에너지이며, Em은 외부 로드(130)의 두부에 전달된 에너지이다.
구체적으로, 외부 로드(130)의 두부에 전달된 에너지(Em)는 외부 로드(130)의 가속도계(132) 및 두부 스트레인 게이지(134)를 통해 검출 연산된 입자속도(Va)와 두부 하중(Fa)을 F-V 적분법으로 계산하여 도출될 수 있다.
즉, 연산 제어부는 외부 로드(130)의 두부에 전달된 에너지를 산정하기 위해, 두부에 장착된 가속도계(132)와 두부 스트레인 게이지(134)를 통해 검출된 가속도 데이터 및 스트레인을 환산한 입자속도(Va) 및 두부 하중(Fs)을 아래의 [수학식 3]으로 표현된 F-V 적분법에 따라 연산한다.
Figure 112014039368019-pat00005
이러한 F-V 적분법으로 계산된 외부 로드(130)의 두부에 전달된 에너지(Em)는 [수학식 2]에서 CDCPI를 연산하는데 적용될 수 있다.
이렇게 연산 검출된 CDCPI는 도 4에 도시된 바와 같이 보조 도상층(20)과 노반(30) 사이에서 급격한 수치 변동을 나타내어, 보조 도상층(20)과 노반(30) 사이에서 보조 도상층(20)의 자갈과 노반(30)의 풍화토(weathering soil)가 혼합되어 밀도가 높아짐에 따라 CDCPI가 높아지는 것을 검출할 수 있다.
동적관입 실험을 수행한 후, 도 2b에 도시된 바와 같이 모터(230)를 내부 로드(120)에 연결하여 내부 로드(120)를 이용한 정적관입 실험을 준비한다.
구체적으로, 정적관입 실험은 보조 도상층(20)까지 관입된 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기(100)에 대해 내부 로드(120)의 두부에 모터(230)를 연결하여 내부 로드(120)를 노반(30)에 관입하면서 선단 저항(qc)을 검출한다.
이때, 선단 저항(qc)은 회전력에 의해 내부 로드(120)가 노반(30)에 관입됨에 따라 선단 스트레인게이지(125)를 통해 검출된 스트레인을 변환하여 측정하되, 내부 로드(120)에 발생하는 스트레인의 변화를 선단 스트레인게이지(125)가 전기 저항의 변화로 변환시켜 측정할 수 있다.
이후, 전기적 신호는 하중으로 환산되고, 환산된 하중은 소형콘(110)의 단면적으로 나뉘어 관입 깊이에 따른 선단 저항(qc)으로 검출될 수 있다.
이때, 선단 스트레인게이지(125)는 내부 로드(120)의 내부에 장착되므로, 회전력에 의해 내부 로드(120)가 관입될 때, 노반(30)과의 마찰력 등의 영향을 받지 않게 되어, 정확한 선단 저항(qc)을 측정할 수 있다.
이러한 선단 저항(qc)은 도 4에 도시된 바와 같이 연산 검출될 수 있고, 예를 들어 노반(30)에서 점진적 전단파괴(Progressive shear failure)가 발생하는지 여부를 확인할 수 있는 지표로서 활용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 철도지반 평가용 하이브리드 콘 관입기(100)를 이용한 철도지반 평가 방법은 외부 로드(130)를 이용한 동적관입 및 내부 로드(120)를 이용한 정적관입을 연속으로 수행하여, 철도지반의 물성 상태를 연속적으로 검출 평가할 수 있다.
본 발명의 기술사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.
또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 실시가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 하이브리드 콘 관입기 110: 소형콘
120: 내부 로드 125: 선단 스트레인 게이지
130: 외부 로드 132: 가속도계
134: 두부 스트레인 게이지 210: 해머
220: 가이드 플레이트 230: 모터

Claims (10)

  1. 철도지반의 도상 자갈층과 보조 도상층 및 노반까지 관입되도록 원뿔형상으로 이루어진 소형콘;
    상기 소형콘에 연결된 적어도 하나의 내부 로드; 및
    상기 소형콘에 맞물리고 상기 내부 로드를 감싸는 적어도 하나의 외부 로드; 를 포함하며,
    동적관입 시 소형콘, 내부 로드 및 외부 로드는 일체로 상기 도상 자갈층과 보조 도상층을 거쳐 상기 노반 표면까지 주입되고,
    정적관입 시 상기 소형콘, 내부 로드는 일체로 상기 외부 로드의 길이 방향으로 연장되어 상기 노반 내부로 주입되도록 형성되고,
    상기 외부 로드는
    두부 방향의 내부에 수평으로 장착된 가속도계; 및
    상기 가속도계에 근접하게 구비된 적어도 두 개의 두부 스트레인 게이지; 를 포함하며,
    상기 두부 스트레인 게이지는 연산 제어부에 일측이 연결된 외부의 브릿지 박스에 연결되고, 측정된 스트레인 정보를 DCPI(dynamic cone penetration index) 및 상기 DCPI를 보정한 CDCPI(corrected DCPI)를 검출하기 위한 정보를 상기 연산 제어부로 전달하며,
    상기 CDCPI는 상기 DCPI에 대해 상기 외부 로드의 두부에 전달된 에너지의 영향을 배제한 보정 데이터로서,
    Figure 112016017246832-pat00015
    로 계산되고,
    Ep는 해머의 위치 에너지, Em은 상기 외부 로드의 두부에 전달된 에너지이고,
    상기 연산제어부는 상기 외부로드의 두부에 전달된 에너지를 산정하기 위해, 상기 두부에 장착된 가속도계와 상기 두부 스트레인 게이지를 통해 검출된 가속도 데이터 및 스트레인을 환산한 입자속도(Va)와 두부 하중(Fs)을 F-V 적분법을 적용하여
    Figure 112016017246832-pat00016
    으로 계산된 것을 특징으로 하는 하이브리드 콘 관입기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 로드는 상기 소형콘 방향의 일단 내부에 양측으로 적어도 두 개의 선단 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 콘 관입기.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 선단 스트레인 게이지는 연산 제어부에 일측이 연결된 외부의 브릿지 박스에 연결되고, 측정된 스트레인 정보를 선단 저항(qc)을 검출하기 위한 정보로서 상기 연산 제어부로 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 콘 관입기.
  5. 삭제
  6. (A) 도상 자갈층과 보조 도상층 및 노반으로 이루어진 철도 지반에 설치된 가이드 플레이트(guide plate)와 상기 가이드 플레이트에 하이브리드 콘 관입기를 장착하여 동적 관입을 수행하는 단계; 및
    (B) 상기 하이브리드 콘 관입기를 이용하여 정적 관입을 수행하는 단계; 를 포함하고,
    상기 하이브리드 콘 관입기는 소형콘, 상기 소형콘에 연결된 적어도 하나의 내부 로드, 및 상기 소형콘에 맞물리고 상기 내부 로드를 감싸는 적어도 하나의 외부 로드를 포함하며,
    동적관입 시 소형콘, 내부 로드 및 외부 로드는 일체로 상기 도상 자갈층과 보조 도상층을 거쳐 상기 노반 표면까지 주입되고,
    정적관입 시 상기 소형콘, 내부 로드는 일체로 상기 외부 로드의 길이 방향으로 연장되어 상기 노반 내부로 주입되도록 형성되고,
    상기 (A) 단계는
    상기 외부 로드에서 두부 방향의 내부에 수평으로 장착된 가속도계 및 상기 가속도계에 근접하게 구비된 적어도 두 개의 두부 스트레인 게이지를 이용하여, 상기 하이브리드 콘 관입기에 연결된 외부의 연산 제어부가 상기 외부 로드의 두부에 전달된 에너지(Em), DCPI(dynamic cone penetration index) 및 CDCPI(corrected DCPI)를 연산 검출하며,
    상기 CDCPI는 상기 DCPI에 대해 상기 외부 로드의 두부에 전달된 에너지의 영향을 배제한 보정 데이터로서,
    Figure 112016017246832-pat00017
    로 계산되고,
    Ep는 해머의 위치 에너지, Em은 상기 외부 로드의 두부에 전달된 에너지이고,
    상기 연산제어부는 상기 외부로드의 두부에 전달된 에너지를 산정하기 위해, 상기 두부에 장착된 가속도계와 상기 두부 스트레인 게이지를 통해 검출된 가속도 데이터 및 스트레인을 환산한 입자속도(Va)와 두부 하중(Fs)을 F-V 적분법을 적용하여
    Figure 112016017246832-pat00018
    으로 계산된 것을 특징으로 하는 철도지반 평가 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 DCPI는
    Figure 112016017246832-pat00006

    (P는 해머의 n번째 또는 n+1번째 낙하에 따른 상기 하이브리드 콘 관입기의 관입 깊이이고, B는 상기 해머의 n번째 또는 n+1번째 낙하 강타(blow)를 나타냄)
    의 관계식으로 연산 검출되는 것을 특징으로 하는 철도지반 평가 방법.
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 (B) 단계는
    (B-1) 상기 내부 로드의 선단 내부에 장착된 적어도 두 개의 선단 스트레인게이지를 통해 스트레인의 변화를 전기 저항의 변화로 변환시켜 측정하는 단계;
    (B-2) 상기 전기 저항의 변화를 포함한 전기적 신호를 상기 하이브리드 콘 관입기에 연결된 외부의 연산 제어부로 전달하여 상기 연산 제어부가 하중으로 환산하는 단계; 및
    (B-3) 상기 연산 제어부가 환산된 하중을 상기 소형콘의 단면적으로 나누어 관입 깊이에 따른 선단 저항(qc)으로 검출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 철도지반 평가 방법.
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