KR101649443B1 - 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치는 측면에 복수의 장착홈부가 마련된 로드본체; 복수의 장착홈부에 끼움결합되어, 로드본체가 관입된 지반의 유전상수를 측정하는 복수의 전극; 로드본체의 일단에 결합되어, 지반에 관입되는 원추형 콘부; 로드본체의 타단에 결합되어 로드본체의 길이를 연장시켜, 로드본체가 지반에 삽입되는 깊이를 연장하는 연장부; 연장부에 착탈가능하게 연결되는 가이드부; 가이드부의 길이방향을 따라 상하로 이동가능하게 가이드부에 연결되어, 상하이동하면서 연장부를 가압하여 원추형 콘부가 지반에 관입되도록 하는 가압부; 및 복수의 전극에 전기적으로 연결되고, 복수의 전극의 지반으로의 관입깊이에 따라, 지반의 체적함수비(water content, θ)를 측정하는 측정부를 포함하는 것이 바람직하다.

Description

지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치{A Penetration Type site exploration apparatus for evaluating water content}

본 발명은 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치에 관한 것이며, 상세하게는 불포화지반의 심도별 체적함수비를 평가하기 위한 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치에 관한 것이다.

국토의 약 70%가 산과 같은 경사면으로 이루어진 우리나라는 우천시 집중되는 물 유입으로 인해, 산사태나 사면붕괴 등의 자연 재해가 자주 발생하고 있다. 이러한 자연 재해가 초래하는 엄청난 규모의 피해를 예방하기 위해서는, 토양의 함수비 측정을 통해 산사태 발생 징후를 파악하여 산사태를 예측하는 것이 중요하다.

일반적으로, 물-공기-흙입자로 구성된 불포화토에서 함수비는 지반구조물의 안정성 평가에 지배적인 영향을 미치게 된다. 도로의 경우, 겨울철 동상발생으로 인한 포장 파손과 여름철 강우로 인한 지지력 감소와 같은 문제점이 발생한다. 또한, 사면의 경우 강우로 인한 침투현상으로 인해 사면내 간극수압 분포와 포화깊이는 변화되고, 이로부터 전단강도의 감소를 유발한 후, 사면파괴에 도달하게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 함수비 측정 장치를 도시한 도면이다. 현재 이러한 함수비 측정 장치는 임의의 단일 심도에 측정 센서를 매설하여 사용하고 있다. 하지만, 단일 심도에 함수비 측정 센서를 매설하는 것은 제 1 센서(10)와 제 2 센서 (20) 사이에 위치한 토양의 함수비만을 측정할 수 있다.

즉, 함수비 측정 센서가 매설된 심도를 제외한 타 심도의 함수비 증가로 인해 발생하는 산사태나 사면 붕괴를 예측할 수 없기 때문에, 토양의 심도별로 함수비 측정 센서를 매설하여 함수비의 변화를 관찰하는 것이 필요하다.

하지만, 심도별로 다수의 함수비 측정 센서를 매설하는 데에는 문제점이 있는데, 이는 많은 비용이 들어간다는 것과, 일일이 매설을 해야 하는 데에 어려움이 따른다는 것이다.

특히, 특정한 임의의 지역에서 심도별로 함수비를 측정하기 위해 일일이 다수의 함수비 측정 센서를 매설하게 되면, 피 측정 토양의 교란이 심화되어 측정의 대표성을 상실할 수 있는 문제점이 있다.

또한, 종래의 프로브 기술은 농업용 토양을 대상지반으로 측정하기에 최대 측정깊이가 30cm 내외로 얇아, 30cm이상의 깊이에서의 지반의 체적함수비를 용이하게 측정하기 어려운 실정이다.

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한국공개특허 제10-2007-0037245호에는 콘 프로브가 장착된 원추 시험기 및 이를 이용한 지반조사시험방법이 개시되어 있다.

본 발명은 복수의 전극이 로드본체의 주면부에 매립형으로 끼움결합된 구조를 가져, 외부에서 힘이 가해졌을 때, 복수의 전극이 로드본체의 이동경로에 따라 지반으로 관입되어, 지반의 깊이에 따라 지반의 체적함수비를 측정할 수 있는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치는 측면에 복수의 장착홈부가 마련된 로드본체; 복수의 장착홈부에 끼움결합되어, 로드본체가 관입된 지반의 유전상수를 측정하는 복수의 전극; 로드본체의 일단에 결합되어, 지반에 관입되는 원추형 콘부; 로드본체의 타단에 결합되어 로드본체의 길이를 연장시켜, 로드본체가 지반에 삽입되는 깊이를 연장하는 연장부; 연장부에 착탈가능하게 연결되는 가이드부; 가이드부의 길이방향을 따라 상하로 이동가능하게 가이드부에 연결되어, 상하이동하면서 연장부를 가압하여 원추형 콘부가 지반에 관입되도록 하는 가압부; 및 복수의 전극에 전기적으로 연결되고, 복수의 전극의 지반으로의 관입깊이에 따라, 지반의 체적함수비(water content, θ)을 측정하는 측정부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 장착홈부는 기역자 종단면을 가지며, 로드본체의 본체공간과 연통되는 구조를 가지며, 장착홈부의 일단에는 단턱진 구조를 가진 끼움홈이 마련되고, 끼움홈은 로드본체의 일단으로부터 이격되어 형성된 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 전극은 일단에 끼움돌기가 마련되고, 타단이 기역자구조로 절곡된 구조를 가지고, 전극은 끼움돌기가 끼움홈에 끼움결합되고, 전극의 타단이 본체공간에 끼워지도록 장착홈부에 끼움결합되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 전극은 로드본체의 길이방향을 따라 상호 간에 소정의 간격만큼 이격되어 복수의 장착홈부에 각각 끼움결합되고, 로드본체의 지반으로의 삽입시 지반과 접촉되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 로드본체는 일단에서 타측방향으로 갈수록 직경이 커지는 사다리꼴 종단면을 가진 구조를 가져, 지반으로의 관입시 지반과의 접촉성을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 원추형 콘부는 가압부의 연장부의 가압시 지반으로 용이하게 관입되도록 스테일레스 재질로 이루어지고, 로드본체는 복수의 전극 간의 합선 및 간섭을 방지하기 위해 부도체재질로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 측정부는 복수의 전극으로 전자기적 펄스 신호를 제공하여, 전자기적 펄스 신호가 지반에 반사되어 돌아오는 반응을 측정하여, 복수의 전극의 지반으로의 관입깊이에 따라, 상기 지반에서의 전자기적 펄스 신호의 속도(v), 상기 전극에 접촉된 상기 지반의 유전상수(Ka) 및 상기 체적함수비(θ)를 산출하고,

상기 전자기적 펄스 신호의 속도(v)는 식 (1)에 의해 산출되고, 상기 유전상수(Ka)는 식(2)에 의해 산출되고, 상기 체적함수비(θ)은 식(3)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치.

...............................................식(1)

............................................식(2)

...................식(3)

(여기서, 식 (1)에서 t는 전자기적 펄스 신호의 이동시간, L은 전극의 길이, c는 진공상태에서의 전자기적 펄스 신호 속도(3×10⁸m/s)이고, 식 (3)에서 w, x, y 및 z는 상수이다.)

본 발명은 복수의 전극이 로드본체의 주면부에 매립형으로 끼움결합된 구조를 가져, 외부에서 힘이 가해졌을 때, 복수의 전극이 지반으로 곧바로 삽입되는 종래기술과 달리, 복수의 전극이 로드본체의 이동경로에 따라 지반으로 관입되어, 지반의 깊이에 따라 지반의 체적함수비를 측정하여, 흙의 상태를 판단할 수 있다.

아울러, 본 발명은 원추형 콘부에 의해 홀이 생긴 부분으로 복수의 전극이 지나가는 구조를 가지며, 복수의 전극이 설치된 로드본체는 선단부쪽의 단면이 작은 사다리꼴 기둥 형태를 띄므로 지반에 관입 시 전극의 접촉성을 향상시켜 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치가 지반에 관입되는 동안에 신뢰할만한 체적함수비 데이터를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명은 지반의 깊이에 따라 지반의 체적함수비를 측정할 수 있어, 지반구조물의 안정성 평가를 보다 정확하게 수행토록 할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 프로브의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 A부분의 내부단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 X-X선에 따른 측단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5(a)는 전극의 단면도를 개략적으로 도시한 것이고, 도 5(b)는 로드본체의 단면도를 개략적으로 도시한 것이며, 도 5(c)는 연장부의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 유전상수-체적함수비 그래프를 도시한 것이다.
도 7은 관입깊이-출력전압에 따른 전자기적 펄스 신호의 파형변화에 관한 그래프를 도시한 것이다.
도 8은 측정된 값과 평가값 표시된 유전상수-체적함수비 그래프이다.
도 9는 관입깊이에 따른 체적함수비 그래프이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치에 대해 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치(100)는 로드본체(110), 복수의 전극(121, 122, 123), 원추형 콘부(130), 연장부(140), 가이드부(150), 가압부(160) 및 측정부(170)를 포함하는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 로드본체(110)는 일단에서 타측방향으로 갈수록 직경이 커지는 사다리꼴 종단면을 가진 구조를 가진다. 이는, 로드본체(110)가 지반(10)으로 관입되는 과정에서, 지반(10)과의 접촉성을 향상시키기 위한 것이다.

로드본체(110)의 일단에는 제 1 결합홈(112)이 마련된다. 제 1 결합홈(112)에는 원추형 콘부(130)가 끼움결합된다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 원추형 콘부(130)는 원추형 형상을 가진 콘본체(131)와, 상기 콘본체(131)의 상단에서 돌출되어 돌기부(132)로 이루어진다. 돌기부(132)는 제 1 결합홈(112)에 나사결합된다.

원추형 콘부(130)는 지반(10)으로 관입시 마모를 방지하기 위하여 스테인레스 스틸 재질로 이루어진 것이 바람직하나, 가압부(160)의 가압시 지반을 용이하게 뚫고 관입될 수 있는 정도의 강도를 가진 재질이라면, 반드시 스테인레스 재질에 한정되지 않고 당업자의 입장에서 자명한 범위 내에에서 다양하게 가변가능함은 물론이다.

도 5(b)에 도시된 바와 같이, 로드본체(110)의 타단에는 본체공간(113)이 마련된다. 그리고, 로드본체(110)의 타단 외주면에는 나사산이 형성된다. 로드본체(110)의 타단에는 후술할 연장부(140)가 나사결합된다.

도 5(b)에 도시된 바와 같이, 로드본체(110)의 측면에는 장착홈부(111)가 마련된다. 장착홈부(111)에는 전극이 끼움결합된다. 장착홈부(111)의 개수는 이에 끼움결합되는 전극의 설치개수에 따라 가변될 수 있다.

장착홈부(111)는 기역자 종단면을 가진다. 장착홈부(111)는 로드본체(110)의 본체공간(113)과 연통되는 구조를 가진다. 장착홈부(111)의 일단에는 단턱진 구조를 가진 끼움홈(111a)이 마련된다.

본 실시예에서, 원추형 콘부(130)가 장착된 로드본체(110)는 가압부(160)를 낙하시킴으로써 지반에 동적으로 관입되며, 관입이 진행됨에 따라 대상지반을 교란시키게 된다. 이에 따라, 제 1 전극(121) 내지 제 3 전극(123)은 유전상수 측정시 관입에 의한 지반의 교란영향을 최소화하기 위하여 원추형 콘부(130)의 상단에서 4mm 내지 6mm 정도 이격되어 위치된 것이 바람직하다.

한편, 로드본체(110)는 복수의 전극(121, 122, 123) 간의 합선 및 간섭을 방지하기 위해 부도체재질로 이루어진 것이 바람직하다.

복수의 전극(121, 122, 123)은 로드본체(110)가 관입된 지반의 유전상수를 측정하기 위한 것이다. 복수의 전극(121, 122, 123)은 로드본체(110)의 기둥면의 표면을 따라 설치된다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(121, 122, 123)은 로드본체(110)의 장착홈부(111)에 끼움결합된다.

도 5(a)에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(121, 122, 123)은 일단에 끼움돌기(121a, 122a, 123a)가 형성된다. 여기서, 끼움돌기(121a, 122a, 123a)는 장착홈부(111)의 끼움홈(111a)에 끼움결합되는 부분이다.

복수의 전극(121, 122, 123)은 타단이 기역자구조로 절곡된 구조를 가진다. 전극의 타단은 본체공간(113)에 끼워진다. 이에 따라, 복수의 전극(121, 122, 123)은 장착홈부(111)에 기역자형 구조로 끼움결합된다. 복수의 전극(121, 122, 123)은 스테인레스 스틸 재질로 제작될 수 있다. 복수의 전극(121, 122, 123)은 동일한 규격을 가지는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 복수의 전극(121, 122, 123)에 대해 제 1 전극(121), 제 2 전극(122)과 제 3 전극(123)으로 구분하여 설명하기로 한다. 여기서, 제 2 전극(122)은 원추형 콘부(130)의 중심축에 위치된 전극이고, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123)은 제 2 전극(122)을 기준으로 제 2 전극(122)의 양측에 위치된 전극이다. 여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(121) 내지 제 3 전극(123)은 상호 간에 소정의 간격만큼 이격되어 배치된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 전극(121) 내지 제 3 전극(123)은 로드본체(110)의 길이방향을 따라 상호 간에 소정의 간격만큼 이격되어 복수의 장착홈부(111)에 각각 끼움결합된다.

이때, 제 1 전극(121) 내지 제 3 전극(123)은 로드본체(110)의 지반으로의 삽입시 지반과 접촉되고, 전류인가시 지반으로 전자기적 펄스 신호를 제공한다. 제 1 전극(121) 내지 제 3 전극(123)에는 동축선(190)이 연결된다. 여기서, 동축선(190)은 복수의 전극(121, 122, 123)과 측정부(170)를 전기적으로 연결한다.

여기서, 제 2 전극(122)에는 동축선(190) 내부도체가 연결되고, 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123)에 동축선(190)의 외부도체가 연결된다. 전류인가시, 제 2 전극(122)에서는 전자기적 펄스 신호가 발신된다. 그리고, 동축선(190)의 외부도체에 연결된 제 1 전극(121)과 제 3 전극(123)은 전기적인 경로를 유도하기 위한 접지의 역할을 하게 된다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 연장부(140)는 연장결합부재(141)와 연장봉(145)으로 이루어진다. 연장결합부재(141)는 로드본체(110)와 연장봉(145)을 연결한다. 여기서, 연장봉(145)은 로드본체(110)의 길이를 연장시켜, 로드본체(110)가 지반에 삽입되는 깊이를 연장하기 위한 것이다. 연장결합부재(141)는 로드의 지반관입시 연장봉(145)보다 큰 직경을 가져, 지반과 연장봉(145) 사이의 마찰력을 최소화하여 로드본체(110)의 원활한 관입을 수행할 수 있도록 한다.

연장결합부재(141)는 로드본체(110)의 타단에 나사결합된다. 도 5(c)에 도시된 바와 같이, 연장결합부재(141)는 로드본체(110)의 타단에 삽입 및 나사결합되는 구조를 가진다. 그리고, 연장결합부재(141)의 일측에는 로드본체(110)의 본체공간(113)과 연통되는 삽입공간(141a)이 마련된다. 삽입공간(141a)에서, 연장결합부재(141)의 내주면에는 나사홈이 마련된다. 이에, 연장결합부재(141)는 로드본체(110)의 타단으로 삽입되어, 로드본체(110)의 타단과 나사결합된다.

연장결합부재(141)의 타측에는 연장결합돌출부(142)가 형성된다. 연장결합돌출부(142)는 외주면에 나사산이 형성된다. 그리고, 연장결합돌출부(142)의 내주면은 삽입공간(141a)으로부터 연장된 공간이 형성된다.

연장결합돌출부(142)에는 연장봉(145)이 나사결합된다. 여기서, 연장봉(145)은 내부가 중공된 관 구조를 가지는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연장봉(145)의 일단에는 연장결합부재(141)가 연결되고, 연장봉(145)의 타단에는 가이드부(150)가 연결된다.

가이드부(150)는 모루(anvil, 151), 가이드봉(153)과 구동모터(155)를 구비한다. 여기서, 모루(151)는 연장봉(145)의 타단에 착탈가능하게 결합된다. 여기서, 모루(151)는 가압부(160)의 낙하시 가압부(160)의 힘을 견딜 수 있는 정도의 강도를 가진 재질로 제작된 것이 바람직하며, 본 명세서에는 모루(151)의 재질을 특별히 한정하지 않기로 한다.

가이드봉(153)은 일단이 모루(151)에 연결되고, 타단에 구동모터(155)가 연결된다. 가이드봉(153)은 구동모터(155)의 회전시, 회전가능하게 모루(151)에 연결된 것이 바람직하다. 이때, 가이드봉(153)은 가이드봉(153)의 중심축이 연장봉(145)의 중심축과 동축상에 놓이도록 모루(151)에 연결된다.

가압부(160)는 가이드봉(153)의 길이방향을 따라 상하로 이동가능하게 가이드봉(153)에 연결된다. 가압부(160)는 구동모터(155)의 회전방향에 따라 가이드봉(153)을 따라 상하이동하면서 모루(151)를 두드려, 원추형 콘부(130)가 지반으로 관입되도록 한다. 가압부(160)는 해머역할을 한다.

한편, 측정부(170)는 복수의 전극(121, 122, 123)과 컴퓨터에 연결된다. 측정부(170)는 제 1 전극(121) 내지 제 3 전극(123)에 전기적으로 연결되고, 제 2 전극(122)으로 전자기적 펄스 신호를 제공하여, 복수의 전극(121, 122, 123)의 지반으로의 관입깊이에 따라, 전자기적 펄스 신호가 지반에 반사되어 돌아오는 반응을 측정한다.

컴퓨터는 측정부(170)가 측정한 전자기적 펄스 신호신호로부터 복수의 전극(121, 122, 123)의 지반으로의 관입깊이에 따라, 전극에 접촉된 지반의 유전상수(Ka), 지반에서의 전자기적 펄스 신호의 속도(v) 및 체적함수비(θ)를 산출한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 측정부(170)는, 제 2 전극(122) 주위에 있는 매질(예컨대, 전기적 불연속성을 지닌 유전체, 흙)의 유전상수에 따라 제 2 전극(122)을 통하여 반사되어 되돌아오는 출력신호의 이동시간은 변화하게 되며, 이를 통해 매질의 상태변화를 추정하게 된다.

본 발명은 복수의 전극(121, 122, 123)이 로드본체(110)의 길이방향을 따라 상호 간에 나란하게 이격되어 배치된 구조를 가지고, 복수의 전극(121, 122, 123)이 로드본체(110)에 끼움결합되어, 종래기술과 달리, 복수의 전극(121, 122, 123)이 그 자체로 지반(10)으로 관입되는 것이 아니라, 원추형 콘부(130)와 로드본체(110)에 의해 보호된 상태로 지반으로 관입되어, 지반 깊숙히 관입될 수 있는 구조를 가진다.

또한, 본 발명은 지반(10)으로 관입되는 깊이에 따라 연장부(140)의 길이를 조정하여, 측정하고자 하는 깊이까지 관입되어, 지반의 유전상수와 체적함수비를 측정할 수 있다.

이하에서는 본 발명을 이용하여 유전상수(Ka)와 체적함수비(θ)를 측정하는 방식에 대해 설명하기로 한다.

본 발명은 전기적 불연속성을 지닌 유전체인 지반(예컨대, 흙)에 복수의 전극(121, 122, 123)를 접촉시킨 후, 발신된 짧은 전자기적 펄스 신호가 반사되어 돌아오는 반응을 측정함으로써 이용된다.

전자기적 펄스 신호의 속도는 전자기적 펄스 신호의 이동시간과 전극의 길이를 이용하여 계산되며, 프로브에 접촉된 유전체의 유전율에 따라 변화하게 된다.

전자기적 펄스 신호의 속도(v)는 식 (1)에 의해 산출된다.

...............................................식(1)

유전상수(Ka)는 식(2)에 의해 산출된다.

............................................식(2)

여기서, t는 전자기적 펄스 신호의 이동시간, L은 전극의 길이, c는 진공상태에서의 전자기적 펄스 신호 속도(3×10⁸m/s)이다.

일반적으로 공기의 유전상수(Ka)는 1, 물의 유전상수는 81이며, 건조된 흙의 유전상수는 3~8정도의 값으로 나타난다. 이와 같이 물과 흙의 상대적인 유전상수 차이가 크므로, 불포화토에서의 유전상수는 함수비에 따라 민감하게 변화하게 된다.

한편, 체적함수비(θ)는 식(3)에 의해 산출된다.

...................식(3)

식 (3)에서 w, x, y 및 z는 상수이고, Ka는 유전상수이다.

도 6에는 체적함수비-유전상수에 관한 그래프가 도시되어 있다. 도 6에서 체적함수비는 시료조성시 결정된 값을 의미하며, 여기서 측정된 유전상수를 각 체적함수비마다 점으로 표시된다. 또한, 체적함수비-유전상수의 관계를 식 (3)와 같이 유전상수에 대하여 3차 다항식으로 추정하여 선으로 표시하였다.

이때 결정된 관계식의 상수 w, x, y, z는 표 1에 정리하였다. 각 체적함수비로 조성된 시료에서 결정된 관계식의 상수들은 복수의 전극(121, 122, 123)을 위치시킨 방법에 따라 차이가 미소하게 나타났으며, 이는 유전상수의 측정값이 관입영향에 의해 크게 변화화지 않음을 보여주고 있다.

	w	x	y	z
표면접촉(Surface contact)	-45.056	4.9538	-0.0772	0.00025
관입(Penetration)	-99.376	11.541	-0.3602	0.00435

한편, 본 발명을 이용하여 체적함수비를 산정하기 위해, 플라스틱 몰드에 주문진사를 체적함수비를 변화시켜 조성한 후, 유전상수를 측정하는 실내 실험을 수행하였다.

실내 실험은 본 발명의 전극이 시료상부에 닿도록 하는 표면접촉식 방법과 전극이 시료 중심에 위치하도록 관입시킨 방법을 이용하였다.

실험결과, 프로브설치 방식에 관계없이 체적함수비가 증가함에 따라, 전자기적 펄스 신호의 이동시간이 점진적으로 증가하는 경향을 보여주었다. 또한, 체적함수비-유전상수 관계는 3차 다항식으로 추정할 수 있었으며, 시료에서 실제 측정된 체적함수비와 높은 상관성을 나타내었다.

본 발명은 관입깊이 0cm, 20cm, 40cm, 60cm, 80cm, 90cm에서 각각 전자기적 펄스 신호를 측정하여 도 7에 나타내었다. 도 7를 보면, 본 발명에 의해 측정된 전자기적 펄스 신호의 이동시간은 심도가 증가함에 따라 점차 증가함을 알 수 있다. 각 심도에서 측정된 이동시간을 식 (2)에 대입하여 유전상수값을 산출할 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 중량함수비로부터 환산된 체적함수비는 측정부에서 산출된 체적함수비와 유사함을 알 수 있다. 또한, 실내 실험 결과와 비교하면, 현장실험에서 산정한 체적함수비가 실내실험에서 산정한 체적함수비보다 작게 평가되었음을 보여주었다.

이는 실내 실험에서 사용한 주문진사 시료보다 현장 지반의 입도분포가 넓고, 조밀한 상태이기 때문이다. 결과적으로 현장 시료를 채취하여 실내 보정실험을 수행한 후 체적함수비-유전상수 관계를 결정한다면, 현장의 체적함수비를 높은 정밀도로 평가할 수 있음을 보여주었다. 본 발명은 지하수위 상부에 존재하는 불포화토 지반에 대해 체적함수비를 평가할 수 있는 새로운 지반조사 장비로 활용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100: 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치 110: 로드본체
111: 장착홈부 111a: 끼움홈
112: 제 1 결합홈 113: 본체공간
121: 제 1 전극 122: 제 2 전극
123: 제 3 전극 130: 원추형 콘부
140: 연장부 141: 연장결합부재
145: 연장봉 150: 가이드부
151: 모루 153: 가이드봉
155: 구동모터 160: 가압부
170: 측정부 180: 컴퓨터
190: 동축선

Claims (7)

1. 측면에 장착홈부가 마련된 로드본체;
   상기 로드본체의 길이방향을 따라 상기 장착홈부에 끼움결합되어, 상기 로드본체가 관입된 지반의 유전상수를 측정하는 복수의 전극;
   상기 로드본체의 일단에 결합되어, 상기 지반에 관입되는 원추형 콘부;
   상기 로드본체의 타단에 결합되어 상기 로드본체의 길이를 연장시켜, 상기 로드본체가 지반에 삽입되는 깊이를 연장하는 연장부;
   상기 연장부에 착탈가능하게 연결되는 가이드부;
   상기 가이드부의 길이방향을 따라 상하로 이동가능하게 상기 가이드부에 연결되어, 상하이동하면서 상기 연장부를 가압하여 상기 원추형 콘부가 상기 지반에 관입되도록 하는 가압부; 및
   상기 복수의 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 전극의 상기 지반으로의 관입깊이에 따라, 상기 지반의 체적함수비(water content, θ)을 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 장착홈부는 기역자 종단면을 가지며, 상기 로드본체의 본체공간과 연통되는 구조를 가지며, 상기 장착홈부의 일단에는 단턱진 구조를 가진 끼움홈이 마련되고,
   상기 끼움홈은 상기 로드본체의 일단으로부터 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 전극은 일단에 끼움돌기가 마련되고, 타단이 기역자구조로 절곡된 구조를 가지고,
   상기 전극은 상기 끼움돌기가 상기 끼움홈에 끼움결합되고, 상기 전극의 타단이 상기 본체공간에 끼워지도록 상기 장착홈부에 끼움결합되는 것을 특징으로 하는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 복수의 전극은 상기 로드본체의 길이방향을 따라 상호 간에 소정의 간격만큼 이격되어 상기 복수의 장착홈부에 각각 끼움결합되고, 상기 로드본체의 상기 지반으로의 삽입시 상기 지반과 접촉되는 것을 특징으로 하는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 로드본체는 일단에서 타측방향으로 갈수록 직경이 커지는 사다리꼴 종단면을 가진 구조를 가져, 상기 지반으로의 관입시 상기 지반과의 접촉성을 증대시키는 것을 특징으로 하는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 원추형 콘부는 상기 가압부의 가압시 상기 지반으로 용이하게 관입되도록 스테일레스 재질로 이루어지고,
   상기 로드본체는 상기 복수의 전극 간의 합선 및 간섭을 방지하기 위해 부도체재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치.
   
7. 제 1 항에 있어서, 상기 측정부는
   상기 복수의 전극으로 전자기적 펄스 신호를 제공하여, 상기 전자기적 펄스 신호가 상기 지반에 반사되어 돌아오는 반응을 측정하여, 상기 복수의 전극의 상기 지반으로의 관입깊이에 따라, 상기 지반에서의 전자기적 펄스 신호의 속도(v), 상기 전극에 접촉된 상기 지반의 유전상수(Ka) 및 상기 체적함수비(θ)를 산출하고,
   상기 전자기적 펄스 신호의 속도(v)는 식 (1)에 의해 산출되고, 상기 유전상수(Ka)는 식(2)에 의해 산출되고, 상기 체적함수비(θ)은 식(3)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 지반 함수비 평가를 위한 관입형 지반조사장치.
   

   

   ...............................................식(1)
   

   

   ............................................식(2)
   

   

   ...................식(3)
   (여기서, 상기 식 (2)에서 t는 전자기적 펄스 신호의 이동시간, L은 상기 전극의 길이, c는 진공상태에서의 전자기적 펄스 신호 속도(3×10⁸m/s)이고, 상기 식 (3)에서 w, x, y 및 z는 상수이다.)
   
   
   
   
   
   

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