KR101725898B1 - 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀 - Google Patents

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변용훈
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Abstract

본 발명은 시료의 상부 및 하부에 각각 가해지는 응력을 측정함으로써 압밀 셀의 측면 마찰력의 영향을 보정한 적용 응력을 설정할 수 있는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀에 관한 것이다. 본 발명의 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀은, 시료가 장입될 수 있도록 상측 및 하측이 개방된 장입실을 갖는 압밀 링과, 장입실에 장입되는 시료를 떠받칠 수 있도록 장입실의 하측에 설치되고 수분이 통과할 수 있는 투수성 소재로 이루어지는 투수성 하부 받침대와, 장입실의 상측을 덮을 수 있도록 장입실의 상측에 설치되고 수분이 통과할 수 있는 투수성 소재로 이루어지는 투수성 상부 덮개와, 장입실을 사이에 두고 서로 마주하여 짝을 이루도록 설치되어 장입실에 장입되는 시료에 탄성파를 송신하고 수신함으로써 시료를 통과하는 탄성파의 속도를 측정하는 복수의 트랜스듀서와, 투수성 상부 덮개를 투수성 하부 받침대 쪽으로 가압하는 가압기구와 투수성 상부 덮개의 사이에 설치되어 가압기구에 의해 가해지는 응력을 측정하는 상부 로드 셀과, 투수성 하부 받침대에 가해지는 응력을 측정하기 위해 투수성 하부 받침대의 하측에 설치되는 하부 로드 셀을 포함한다.

Description

측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀{OEDOMETER CELL HAVING CORRECTION FUNCTION OF WALL-FRICTION EFFECT}
본 발명은 압밀 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상부 로드셀 및 하부 로드셀로 시료의 상부 및 하부에 각각 가해지는 응력을 측정함으로써 압밀 셀의 측면 마찰력의 영향을 보정한 적용 응력을 설정할 수 있는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀에 관한 것이다.
흙 속으로부터 물이 빠져나가면서 지반이 압축되는 현상을 압밀(consolidation)이라 하며, 이러한 압밀 현상을 실내에서 실험적으로 구하는 시험을 압밀 시험이라 한다. 압밀 시험을 통하여 압축정수(압축지수, 선행압밀하중, 체적압축계수, 압밀계수 등)를 구하여 점토 지반이 하중을 받아 압축되는 경우 발생하는 침하 특성(침하량, 침하 속도 등)을 밝힐 수 있다. 압밀 시험시 포화 상태의 점토 시료에 수직 하중을 가하여 시간의 경과에 따른 침하량 및 침하 시간을 측정한다.
압밀 시험시, 압밀 셀 속에 장입된 시료는 측면 방향의 변형이 구속된 조건에서 수직 방향으로 다공성 배수판을 설치하여 배수를 허용하면서 압축되도록 한다. 이때, 시료는 ASTM의 규정에 따라 직경과 높이의 비가 2.5:1이 되도록 원형의 압밀 셀에 장입되며, 셀의 측면 마찰력의 크기가 미소하기 때문에 시료의 상부에서 가해주는 응력을 실제 적용하는 응력으로 간주하게 된다. 일반적으로 이러한 방법으로 표준압밀 시험을 수행하게 되며, 압밀에 의한 현장 지반의 침하량과 침하 속도를 산정 할 수 있다.
그러나 최근에는 흙의 강성을 평가하기 위하여 탄성파(전단파 및 압축파)의 속도를 측정하는 사례가 증가하고 있다. 탄성파 측정을 위한 압밀 시험은 트랜스듀서를 상·하부에 설치한 상태에서 실행되며, 도 1의 (a)에 나타낸 것과 같이 파의 초기도달 시간으로 전단파 및 압축파의 속도를 산정하게 된다. 도 1의 (b)를 참조하면, 통상적으로 압밀 셀을 이용한 압밀 시험에서 적용 응력을 가하다가 제거함에 따라 전단파의 속도가 증가하다가 감소하는 양상을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 도 2에 나타낸 것과 같은 적용 응력에 따른 전단파의 속도 그래프를 살펴보면, 적용 응력에 따른 전단파의 속도 선도가 재하 단계(loading)일 때 하측에 위치하다가 제하 단계(unloading)에 이르러서는 상측으로 지나가는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
이러한 압밀 시험에서 전단파 및 압축파 간의 속도를 명확히 측정하기 위해서는 시료의 높이를 높여주어야 한다. 따라서 탄성파 측정을 이용하는 압밀 시험에서는 표준압밀 시험에 사용되는 압밀 셀보다 높이가 높은 압밀 셀이 필요하며, 시료가 채워지는 챔버의 직경과 높이의 비가 1:1 정도인 압밀 셀이 주로 활용된다.
그런데 이러한 종래의 압밀 셀은 압밀 시험시, 압밀 셀의 측면 마찰력으로 인하여 시료 상부에 가해진 응력이 실제 시료 내부에 작용하는 응력과 차이가 발생하게 되지만, 이러한 압밀 셀의 측면 마찰효과를 무시하고 결과를 도출하고 있다.
대한민국 등록특허공보 제0635249호 (2006. 10. 19) 대한민국 등록특허공보 제0729150호 (2007. 06. 19) 대한민국 등록특허공보 제0764243호 (2007. 10. 08)
본 발명은 상술한 것과 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시료의 상부 및 하부에 각각 배치되는 상부 로드셀 및 하부 로드셀로 응력을 측정하여 압밀 셀의 측면 마찰력의 영향을 보정한 적용 응력을 설정함으로써 압밀 시험의 정확도를 높일 수 있는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명의 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀은, 시료가 장입될 수 있도록 상측 및 하측이 개방된 장입실을 갖는 압밀 링과, 상기 장입실에 장입되는 시료를 떠받칠 수 있도록 상기 장입실의 하측에 설치되고 수분이 통과할 수 있는 투수성 소재로 이루어지는 투수성 하부 받침대와, 상기 장입실의 상측을 덮을 수 있도록 상기 장입실의 상측에 설치되고 수분이 통과할 수 있는 투수성 소재로 이루어지는 투수성 상부 덮개와, 상기 장입실을 사이에 두고 서로 마주하여 짝을 이루도록 설치되어 상기 장입실에 장입되는 시료에 탄성파를 송신하고 수신함으로써 시료를 통과하는 탄성파의 속도를 측정하는 복수의 트랜스듀서와, 상기 투수성 상부 덮개를 상기 투수성 하부 받침대 쪽으로 가압하는 가압기구와 상기 투수성 상부 덮개의 사이에 설치되어 상기 가압기구에 의해 가해지는 응력을 측정하는 상부 로드 셀과, 상기 투수성 하부 받침대에 가해지는 응력을 측정하기 위해 상기 투수성 하부 받침대의 하측에 설치되는 하부 로드 셀을 포함한다.
상기 상부 로드 셀은, 상기 투수성 상부 덮개와 상기 가압기구의 사이에 배치되는 바디와, 상기 바디에 상호 이격되도록 결합되는 복수의 스트레인 게이지를 구비할 수 있다.
상기 복수의 스트레인 게이지는, 상기 바디에 상호 이격되도록 가로 방향으로 결합되는 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지 및 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 바디에 상호 이격되도록 세로 방향으로 결합되는 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지 및 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지로 구분되고, 상기 상부 로드 셀은, 상기 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지와, 상기 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지가 각각 저항으로서 연결되는 휘트스톤 브릿지 회로를 더 구비할 수 있다.
상기 상부 로드 셀의 바디는 그 양쪽 측부에 대칭을 이루도록 마련되는 제 1 설치홈 및 제 2 설치홈과, 상기 제 1 설치홈 및 상기 제 2 설치홈에 각각 삽입되는 제 1 스페이서 및 제 2 스페이서를 구비하고, 상기 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지와 상기 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지 중 어느 하나는 상기 제 1 스페이서의 상기 제 1 설치홈에 수용되는 내측면에 결합되고, 나머지 다른 하나는 상기 제 1 스페이서의 외측면에 결합되며, 상기 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지와 상기 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지 중 어느 하나는 상기 제 2 스페이서의 상기 제 2 설치홈에 수용되는 내측면에 결합되고, 나머지 다른 하나는 상기 제 2 스페이서의 외측면에 결합될 수 있다.
상기 하부 로드 셀은, 상기 투수성 하부 받침대를 떠받치는 프레임과, 상기 프레임에 상호 이격되도록 결합되는 복수의 스트레인 게이지를 구비할 수 있다.
상기 복수의 스트레인 게이지는, 상기 프레임에 상호 이격되도록 가로 방향으로 결합되는 제 1 하측 가로형 스트레인 게이지 및 제 2 하측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 프레임에 상호 이격되도록 세로 방향으로 결합되는 제 1 하측 세로형 스트레인 게이지 및 제 2 하측 세로형 스트레인 게이지로 구분되고, 상기 하부 로드 셀은, 상기 제 1 하측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 제 2 하측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 제 1 하측 세로형 스트레인 게이지와, 상기 제 2 하측 세로형 스트레인 게이지가 각각 저항으로서 연결되는 휘트스톤 브릿지 회로를 더 구비할 수 있다.
상기 하부 로드 셀의 프레임은, 상기 투수성 하부 받침대의 하측에 접하는 상측 지지대와, 상기 상측 지지대의 하측에 상기 상측 지지대와 이격되도록 배치되는 하측 지지대와, 상기 상측 지지대가 상기 하측 지지대 위에 떠받쳐지도록 상기 상측 지지대와 상기 하측 지지대를 연결하는 복수의 기둥을 구비하고, 상기 복수의 스트레인 게이지는 각각 상기 복수의 기둥에 하나씩 결합될 수 있다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀은 압밀 링의 장입실에 장입되는 시료의 상측 및 하측에 각각 설치되는 상부 로드셀과 하부 로드셀을 이용하여 시료의 상측에 가해지는 적용 응력과 시료의 하측에 가해지는 적용 응력을 각각 측정하고, 이들 측정 결과로부터 압밀 셀의 측면 마찰력의 영향을 보정한 적용 응력을 구할 수 있다. 따라서 시료에 가해지는 응력에 따른 전단파의 속도를 더욱 정확하게 측정할 수 있고, 압밀 시험의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 일반적인 압밀 셀을 이용한 압밀 시험에서 전단파의 속도 산정 기준을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 일반적인 압밀 셀을 이용한 압밀 시험에서 적용 응력과 전단파의 속도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀의 상부 로드 셀을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀의 상부 로드 셀을 구성하는 휘트스톤 브릿지 회로를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀의 하부 로드 셀을 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀의 하부 로드 셀을 구성하는 휘트스톤 브릿지 회로를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀을 이용한 압밀 시험에서 상부 로드 셀이 측정한 적용 응력과 전단파의 속도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀을 이용한 압밀 시험에서 하부 로드 셀이 측정한 적용 응력과 전단파의 속도 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀을 이용한 압밀 시험에서 평균적인 적용 응력과 전단파의 속도 관계를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀을 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀의 상부 로드 셀을 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀의 상부 로드 셀을 구성하는 휘트스톤 브릿지 회로를 나타낸 것이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀의 하부 로드 셀을 나타낸 사시도이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀의 하부 로드 셀을 구성하는 휘트스톤 브릿지 회로를 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 7에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀(100)은 압밀 링(110)과, 투수성 하부 받침대(120)와, 투수성 상부 덮개(130)와, 복수의 트랜스듀서(140)(141)(142)(143)와, 상부 로드셀(150)과, 하부 로드셀(170)을 포함한다. 이러한 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀(100)은 탄성파 측정을 위한 압밀 시험에 사용되는 것으로 시료(S)에 대한 측면 마찰력의 영향을 보정함으로써 압밀 시험의 정확도를 높일 수 있다.
압밀 링(110)은 시료(S)가 장입될 수 있도록 상측 및 하측이 개방된 장입실(111)을 갖는다. 압밀 링(110)은 시료(S)에 함유된 수분이 통과할 수 없고, 장입실(111)에 장입된 시료(S)가 가압기구(200)에 의해 압축력을 받을 때 변형되지 않는 구조로 이루어진다. 예컨대, 압밀 링(110)은 황동 소재의 중공 파이프 구조로 제조될 수 있다.
투수성 하부 받침대(120)는 장입실(111)에 장입되는 시료(S)를 떠받칠 수 있도록 장입실(111)의 하측에 설치된다. 투수성 하부 받침대(120)는 장입실(111)에 장입된 시료(S)가 가압기구(200)에 의해 압축력을 받을 때 변형되거나 압축되지 않으면서 시료(S)에 함유된 수분이 통과할 수 있는 투수성 구조로 이루어진다. 투수성 하부 받침대(120)는 다공성 금속의 판 구조로 제조될 수 있다.
투수성 상부 덮개(130)는 장입실(111)의 상측을 덮을 수 있도록 장입실(111)의 상측에 설치된다.투수성 상부 덮개(130)는 가압기구(200)의 가압부(210)에 의해 가해지는 응력을 장입실(111)에 장입된 시료(S)의 상측 전체에 고르게 전달할 수 있도록 가압부(210)의 응력에 의해 변형되거나 압축되지 않으면서 시료(S)에 함유된 수분이 통과할 수 있는 투수성 구조로 이루어진다. 투수성 상부 덮개(130)는 투수성 하부 받침대(120)와 같이 다공성 금속의 판 구조로 제조될 수 있다.
복수의 트랜스듀서(140)(141)(142)(143)는 응력이 가해지는 시료(S) 속에서의 전단파의 전파 속도를 측정하기 위한 것으로, 두 개씩 장입실(111)을 사이에 두고 마주하는 짝을 이루도록 투수성 하부 받침대(120) 및 투수성 상부 덮개(130)에 각각 설치된다. 즉, 트랜스듀서(140)(141)(142)(143)는 투수성 하부 받침대(120)에 두 개가 상호 이격되도록 설치되고 투수성 상부 덮개(130)에 나머지 두 개가 상호 이격되도록 설치된다.
투수성 하부 받침대(120)의 일측에 설치되는 하나의 트랜스듀서(140)는 투수성 상부 덮개(130)의 일측에 설치되는 트랜스듀서(141)와 상호 마주하여 짝을 이룬다. 이들 짝을 이루는 두 개의 트랜스듀서(140)(141) 중에서 하나는 시료(S) 속으로 탄성파를 송신하는 것이고 다른 하나는 시료(S)를 통과한 탄성파를 수신하는 것이다. 또한 투수성 하부 받침대(120)의 다른 일측에 설치되는 하나의 트랜스듀서(142)는 투수성 상부 덮개(130)의 다른 일측에 설치되는 트랜스듀서(143)와 상호 마주하여 짝을 이룬다. 이들 짝을 이루는 두 개의 트랜스듀서(142)(143) 중에서 하나는 시료(S) 속으로 압축파를 송신하는 것이고 다른 하나는 시료(S)를 통과한 압축파를 수신하는 것이다.
도면에는 네 개의 트랜스듀서(140)(141)(142)(143)가 두 개씩 마주하여 짝을 이루도록 투수성 하부 받침대(120) 및 투수성 상부 덮개(130)에 각각 두 개씩 설치된 것으로 나타냈으나, 트랜스듀서의 설치 개수나 설치 위치는 다양하게 변경될 수 있다. 다른 예로, 트랜스듀서는 복수가 서로 짝을 이루도록 압밀 링(110)에 설치될 수도 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상부 로드셀(150)은 압밀 링(110) 속에 장입된 시료(S)에 응력을 가하기 위한 가압기구(200)와 투수성 상부 덮개(130) 의 사이에 설치된다. 상부 로드셀(150)은 가압기구(200)에 의해 투수성 상부 덮개(130)에 가해지는 응력을 측정한다. 상부 로드셀(150)은 바디(151)와, 복수의 스트레인 게이지(156)(157)(158)(159)와, 휘트스톤 브릿지 회로(160)를 포함한다. 복수의 스트레인 게이지(156)(157)(158)(159)는 한 쌍의 상측 가로형 스트레인 게이지(156)(157)와, 한 쌍의 상측 세로형 스트레인 게이지(158)(159)로 구분된다. 상측 가로형 스트레인 게이지(156)(157) 및 상측 세로형 스트레인 게이지(158)(159)는 통상적인 스트레인 게이지와 같이 외력에 의해 신축되어 단면적과 길이가 변화함으로써 전기저항이 변하는 금속 저항선을 갖는 구조로 이루어진다.
상부 로드셀(150)의 바디(151)는 가압기구(200)에 구비되는 가압부(210)의 하단에 가압부(210)와 일체로 구비된다. 즉, 가압기구(200)의 가압부(210)의 일부분이 상부 로드셀(150)의 바디(151)로 이용될 수 있다. 바디(151)의 일측부에는 제 1 설치홈(152)이 마련되고 바디(151)의 다른 일측부에는 제 2 설치홈(153)이 제 1 설치홈(152)과 대칭을 이루도록 구비된다. 바디(151)을 양쪽 측부를 부분적으로 제거함으로써 제 1 설치홈(152)과 제 2 설치홈(153)을 형성할 수 있다. 제 1 설치홈(152)에는 제 1 스페이서(154)가 결합되고 제 2 설치홈(153)에는 제 2 스페이서(155)가 결합된다. 제 1 스페이서(154)는 제 1 설치홈(152)에 형합되는 형상으로 이루어지고, 제 2 스페이서(155)는 제 2 설치홈(153)에 형합되는 형상으로 이루어진다.
제 1 스페이서(154)에는 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지(156)와 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지(158)가 결합된다. 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지(156)는 제 1 스페이서(154)의 내측면에 가로 방향으로 결합되어 제 1 스페이서(154)가 제 1 설치홈(152)에 삽입될 때 제 1 설치홈(152) 속에 배치된다. 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지(158)는 제 1 스페이서(154)의 외측면에 세로 방향으로 결합된다. 따라서 가압기구(200)의 가압부(210)가 투수성 상부 덮개(130)를 하측으로 가압하여 바디(151)가 압축될 때, 제 1 스페이서(154)에 결합된 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지(156) 및 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지(158)도 함께 압축되어 이들 각각의 전기저항이 변하게 된다.
제 2 스페이서(155)에는 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지(157)와 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지(159)가 결합된다. 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지(157)는 제 2 스페이서(155)의 내측면에 가로 방향으로 결합되어 제 2 스페이서(155)가 제 2 설치홈(153)에 삽입될 때 제 2 설치홈(153) 속에 배치된다. 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지(159)는 제 2 스페이서(155)의 외측면에 세로 방향으로 결합된다. 따라서 가압기구(200)의 가압부(210)가 투수성 상부 덮개(130)를 하측으로 가압하여 바디(151)가 압축될 때, 제 2 스페이서(155)에 결합된 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지(157) 및 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지(159)도 함께 압축되어 이들 각각의 전기저항이 변하게 된다.
바디(151)에 결합되는 한 쌍의 상측 가로형 스트레인 게이지(156)(157) 및 한 쌍의 상측 세로형 스트레인 게이지(158)(159)는 도 5에 나타낸 것과 같이 휘트스톤 브릿지 회로(160)에 전기적으로 연결된다. 즉, 휘트스톤 브릿지 회로(160)는 이들 상측 가로형 스트레인 게이지(156)(157) 및 상측 세로형 스트레인 게이지(158)(159)를 저항으로 하여 구성된다. 따라서 알려진 것과 같은 휘트스톤 브릿지 회로의 원리를 이용하여 상측 가로형 스트레인 게이지(156)(157) 및 상측 세로형 스트레인 게이지(158)(159) 각각의 저항을 측정할 수 있다. 그리고 측정된 상측 가로형 스트레인 게이지(156)(157) 및 상측 세로형 스트레인 게이지(158)(159) 각각의 저항으로부터 가압기구(200)로부터 투수성 상부 덮개(130)에 가해지는 응력을 산출할 수 있다.
도 3, 도 6 및 도 7을 참조하면, 하부 로드셀(170)은 투수성 하부 받침대(120)에 가해지는 응력을 측정하기 위해 투수성 하부 받침대(120)의 하측에 설치된다. 하부 로드셀(170)은 프레임(171)과, 복수의 스트레인 게이지(178)(179)(180)(181)와, 휘트스톤 브릿지 회로(182)를 포함한다. 복수의 스트레인 게이지(178)(179)(180)(181)는 한 쌍의 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179)와, 한 쌍의 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181)로 구분된다. 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179) 및 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181)는 통상적인 스트레인 게이지와 같이 외력에 의해 신축되어 단면적과 길이가 변화함으로써 전기저항이 변하는 금속 저항선을 갖는 구조로 이루어진다.
하부 로드셀(170)의 프레임(171)은 상측 지지대(172)와, 하측 지지대(173)와, 네 개의 기둥(174)(175)(176)(177)을 구비한다. 상측 지지대(172)는 투수성 하부 받침대(120)의 하측에 접하도록 배치된다. 하측 지지대(173)는 상측 지지대(172)의 하측에 상측 지지대(172)와 이격되도록 배치된다. 네 개의 기둥(174)(175)(176)(177)은 상측 지지대(172)와 하측 지지대(173) 사이에 상호 이격되도록 배치되어 상측 지지대(172)와 하측 지지대(173)를 연결한다. 복수의 기둥(174)(175)(176)(177)은 두 개씩 서로 마주하도록 배치된다. 상측 지지대(172)는 복수의 기둥(174)(175)(176)(177)에 의해 하측 지지대(173) 위에 떠받쳐진다. 도면에는 상측 지지대(172)와 하측 지지대(173)가 원형의 링 형상을 갖는 것을 나타냈으나, 상측 지지대(172)와 하측 지지대(173)의 구조는 투수성 하부 받침대(120)의 형상 등에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
한 쌍의 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179)와 한 쌍의 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181)는 복수의 기둥(174)(175)(176)(177)에 각각 하나씩 설치된다. 즉, 한 쌍의 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179)는 서로 마주하도록 배치된 두 개의 기둥(174)(175)에 각각 가로 방향으로 결합되고, 한 쌍의 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181)는 서로 마주하도록 배치된 나머지 두 개의 기둥(176)(177)에 각각 세로 방향으로 결합된다. 따라서 가압기구(200)에 의한 응력이 투수성 하부 받침대(120)에 전달되어 프레임(171)이 압축될 때, 복수의 기둥(174)(175)(176)(177)에 각각 결합된 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179) 및 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181)도 함께 압축되어 이들 각각의 전기저항이 변하게 된다.
하부 로드셀(170)을 구성하는 한 쌍의 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179) 및 한 쌍의 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181)는 도 7에 나타낸 것과 같이 휘트스톤 브릿지 회로(182)에 전기적으로 연결된다. 즉, 휘트스톤 브릿지 회로(182)는 이들 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179) 및 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181)를 저항으로 하여 구성된다. 따라서 알려진 것과 같은 휘트스톤 브릿지 회로의 원리를 이용하여 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179) 및 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181) 각각의 저항을 측정할 수 있다. 그리고 측정된 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179) 및 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181) 각각의 저항으로부터 가압기구(200)로부터 투수성 하부 받침대(120)에 가해지는 응력을 산출할 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀(100)은 압밀 링(110)의 장입실(111)에 장입되는 시료(S)의 상측 및 하측에 각각 설치되는 상부 로드셀(150)과 하부 로드셀(170)을 이용하여 시료(S)의 상측에 가해지는 적용 응력과 시료(S)의 하측에 가해지는 적용 응력을 각각 측정하고, 이를 통해 시료(S) 속을 통과하는 전단파의 속도 변화를 분석하는데 이용함으로써, 압밀 셀(100)의 측면 마찰력의 영향을 보정한 결과 데이터를 얻을 수 있다. 종래에는 가압기구가 시료의 상부에 가하는 응력을 시료 내부에 작용하는 응력으로 하여 적용 응력에 따른 전단파 속도를 산출하였다. 그러나 압밀 셀에 장입된 시료는 압밀 셀의 측면 마찰력의 영향을 받게 되어 시료의 상부에 가해지는 응력과 실제 시료 내부에 작용하는 응력은 차이가 있으며, 이로 인해 압밀 시험의 정확도가 떨어지게 된다.
이에 반해, 본 발명에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀(100)은 시료(S)의 상측에 가해지는 응력을 상부 로드셀(150)로 측정하고 시료(S)의 하측에서 받는 응력의 크기를 하부 로드셀(170)로 측정한다. 그리고 이들 측정 응력의 평균값을 적용 응력으로 하여 시료(S) 속에서 전단파의 전파 특성을 분석함으로써 압밀 시험의 정확도를 높일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀(100)을 이용한 압밀 시험에서 상부 로드셀(150)이 측정한 적용 응력과 전단파의 속도 관계를 나타낸 그래프이고, 도 9는 하부 로드셀(170)이 측정한 적용 응력과 전단파의 속도 관계를 나타낸 그래프이다. 도 8과 도 9를 비교해 보면, 시료(S)의 상측에 가해지는 응력에 따른 결과가 시료(S)의 하측에 가해지는 응력에 따른 결과가 다르게 나타남을 확인할 수 있다. 또한 상부 로드셀(150)이 측정한 적용 응력과 하부 로드셀(170)이 측정한 적용 응력의 평균값을 적용하는 경우, 시료(S)에 대한 적용 응력과 전단파의 속도 관계 그래프가 도 10과 같이 또 다르게 나타남을 알 수 있다. 즉 평균 적용 응력을 이용하는 경우, 적용 응력과 전단파의 속도 관계 그래프에서 재하 곡선과 제하 곡선이 거의 일치하게 나타난다.
이러한 결과는 도 2에 나타낸 종래의 압밀 셀을 이용한 압밀 시험의 결과와 차이가 있는 것이다. 이 것은 종래의 압밀 셀을 이용한 압밀 시험에서는 압밀 셀의 측면 마찰력 영향을 고려하지 않은 잘못된 적용 응력으로 압밀 시험의 정확도가 떨어진다는 것을 의미한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀(100)을 이용하면, 압밀 셀(100)의 측면 마찰력의 영향을 보정한 올바른 적용 응력을 설정함으로써 압밀 시험의 정확도를 높일 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀은 상부 로드셀과 하부 로드셀로 시료의 상부에 가해지는 응력과 시료의 하부에서 받는 응력을 측정하여 압밀 셀의 측면 마찰력의 영향을 보정한 올바른 적용 응력을 설정함으로써 압밀 시험의 정확도를 높일 수 있는 구조를 이루는 범위에서 다양한 구성이 가능하다.
예를 들어, 도면에는 상부 로드셀(150)이 가압기구(200)의 가압부(210)에 일체로 구비된 바디(151)에 상측 가로형 스트레인 게이지(156)(157) 및 상측 세로형 스트레인 게이지(158)(159)가 결합된 구조인 것으로 나타냈으나, 상부 로드셀은 가압기구와 투수성 상부 덮개의 사이에 설치되어 투수성 상부 덮개에 가해지는 응력을 측정할 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
또한 도면에는 하부 로드셀(170)이 중공형 프레임(171)에 하측 가로형 스트레인 게이지(178)(179) 및 하측 세로형 스트레인 게이지(180)(181)가 결합된 구조인 것으로 나타냈으나, 하부 로드셀은 투수성 하부 받침대의 하측에 설치되어 투수성 하부 받침대에 가해지는 응력을 측정할 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
또한 도면에는 상부 로드셀(150)을 구성하는 복수의 스트레인 게이지(156)(157)(158)(159)가 휘트스톤 브릿지 회로(160)에 저항으로서 연결되고, 하부 로드셀(170)을 구성하는 복수의 스트레인 게이지(178)(179)(180)(181)가 휘트스톤 브릿지 회로(182)에 저항으로서 연결되는 것으로 나타냈으나, 상부 로드셀이나 하부 로드셀은 각각 적어도 하나의 스트레인 게이지를 갖는 다른 구조로 변경될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100...측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀
110...압밀 링 111...장입실
120...투수성 하부 받침대 130...투수성 상부 덮개
140, 141, 142, 143...트랜스듀서
150...상부 로드셀 151...바디
152, 153...제 1, 2 설치홈 154, 155...제 1, 2 스페이서
156, 157...제 1, 2 상측 가로형 스트레인 게이지
158, 159...제 1, 2 상측 세로형 스트레인 게이지
160, 182...휘트스톤 브릿지 회로 170...하부 로드셀
171...프레임 172...상측 지지대
173...하측 지지대 174, 175, 176, 177...기둥
178, 179... 제 1, 2 하측 가로형 스트레인 게이지
180, 181... 제 1, 2 하측 세로형 스트레인 게이지
200...가압기구 210...가압부

Claims (7)

  1. 시료가 장입될 수 있도록 상측 및 하측이 개방된 장입실을 갖는 압밀 링; 상기 장입실에 장입되는 시료를 떠받칠 수 있도록 상기 장입실의 하측에 설치되고 수분이 통과할 수 있는 투수성 소재로 이루어지는 투수성 하부 받침대; 상기 장입실의 상측을 덮을 수 있도록 상기 장입실의 상측에 설치되고 수분이 통과할 수 있는 투수성 소재로 이루어지는 투수성 상부 덮개; 상기 장입실을 사이에 두고 서로 마주하여 짝을 이루도록 설치되어 상기 장입실에 장입되는 시료에 탄성파를 송신하고 수신함으로써 시료를 통과하는 탄성파의 속도를 측정하는 복수의 트랜스듀서; 상기 투수성 상부 덮개를 상기 투수성 하부 받침대 쪽으로 가압하는 가압기구와 상기 투수성 상부 덮개의 사이에 설치되어 상기 가압기구에 의해 가해지는 응력을 측정하는 상부 로드 셀; 및 상기 투수성 하부 받침대에 가해지는 응력을 측정하기 위해 상기 투수성 하부 받침대의 하측에 설치되는 하부 로드 셀;을 포함하고,
    상기 상부 로드 셀은, 상기 투수성 상부 덮개와 상기 가압기구의 사이에 배치되는 바디와, 상기 바디에 상호 이격되도록 결합되는 복수의 스트레인 게이지를 구비하는 것을 특징으로 하는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 스트레인 게이지는, 상기 바디에 상호 이격되도록 가로 방향으로 결합되는 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지 및 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 바디에 상호 이격되도록 세로 방향으로 결합되는 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지 및 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지로 구분되고,
    상기 상부 로드 셀은, 상기 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지와, 상기 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지가 각각 저항으로서 연결되는 휘트스톤 브릿지 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 로드 셀의 바디는 그 양쪽 측부에 대칭을 이루도록 마련되는 제 1 설치홈 및 제 2 설치홈과, 상기 제 1 설치홈 및 상기 제 2 설치홈에 각각 삽입되는 제 1 스페이서 및 제 2 스페이서를 구비하고,
    상기 제 1 상측 가로형 스트레인 게이지와 상기 제 1 상측 세로형 스트레인 게이지 중 어느 하나는 상기 제 1 스페이서의 상기 제 1 설치홈에 수용되는 내측면에 결합되고, 나머지 다른 하나는 상기 제 1 스페이서의 외측면에 결합되며,
    상기 제 2 상측 가로형 스트레인 게이지와 상기 제 2 상측 세로형 스트레인 게이지 중 어느 하나는 상기 제 2 스페이서의 상기 제 2 설치홈에 수용되는 내측면에 결합되고, 나머지 다른 하나는 상기 제 2 스페이서의 외측면에 결합되는 것을 특징으로 하는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀.
  5. 시료가 장입될 수 있도록 상측 및 하측이 개방된 장입실을 갖는 압밀 링; 상기 장입실에 장입되는 시료를 떠받칠 수 있도록 상기 장입실의 하측에 설치되고 수분이 통과할 수 있는 투수성 소재로 이루어지는 투수성 하부 받침대; 상기 장입실의 상측을 덮을 수 있도록 상기 장입실의 상측에 설치되고 수분이 통과할 수 있는 투수성 소재로 이루어지는 투수성 상부 덮개; 상기 장입실을 사이에 두고 서로 마주하여 짝을 이루도록 설치되어 상기 장입실에 장입되는 시료에 탄성파를 송신하고 수신함으로써 시료를 통과하는 탄성파의 속도를 측정하는 복수의 트랜스듀서; 상기 투수성 상부 덮개를 상기 투수성 하부 받침대 쪽으로 가압하는 가압기구와 상기 투수성 상부 덮개의 사이에 설치되어 상기 가압기구에 의해 가해지는 응력을 측정하는 상부 로드 셀; 및 상기 투수성 하부 받침대에 가해지는 응력을 측정하기 위해 상기 투수성 하부 받침대의 하측에 설치되는 하부 로드 셀;을 포함하고,
    상기 하부 로드 셀은, 상기 투수성 하부 받침대를 떠받치는 프레임과, 상기 프레임에 상호 이격되도록 결합되는 복수의 스트레인 게이지를 구비하는 것을 특징으로 하는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 스트레인 게이지는, 상기 프레임에 상호 이격되도록 가로 방향으로 결합되는 제 1 하측 가로형 스트레인 게이지 및 제 2 하측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 프레임에 상호 이격되도록 세로 방향으로 결합되는 제 1 하측 세로형 스트레인 게이지 및 제 2 하측 세로형 스트레인 게이지로 구분되고,
    상기 하부 로드 셀은, 상기 제 1 하측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 제 2 하측 가로형 스트레인 게이지와, 상기 제 1 하측 세로형 스트레인 게이지와, 상기 제 2 하측 세로형 스트레인 게이지가 각각 저항으로서 연결되는 휘트스톤 브릿지 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 하부 로드 셀의 프레임은,
    상기 투수성 하부 받침대의 하측에 접하는 상측 지지대와,
    상기 상측 지지대의 하측에 상기 상측 지지대와 이격되도록 배치되는 하측 지지대와,
    상기 상측 지지대가 상기 하측 지지대 위에 떠받쳐지도록 상기 상측 지지대와 상기 하측 지지대를 연결하는 복수의 기둥을 구비하고,
    상기 복수의 스트레인 게이지는 각각 상기 복수의 기둥에 하나씩 결합되는 것을 특징으로 하는 측면 마찰효과의 보정이 가능한 압밀 셀.
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