KR101873657B1 - 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치와 이를 활용한 다짐관리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄성파속도를 이용한 성토지반 다짐관리 방법 및 그 장치 에 대한 것이다. 보다 상세하게는 지반 상면에 접촉하여 지반 다짐도 측정을 위한 탄성파를 발생시키고, 탄성파 발생 시각을 포함하는 탄성파발생정보를 생성하는 발진기; 상기 탄성파를 감지하여 감지시각과 크기를 포함하는 탄성파감지정보를 생성하는 감지기; 상기 탄성파발생정보와 상기 탄성파감지정보를 기반으로 상기 탄성파의 전파시각을 계측하여 탄성파속도를 포함하는 탄성파분석정보를 생성하는 동적신호분석기; 메모리부 및 상기 탄성파분석정보를 기반으로 탄성파관리기준 만족 여부를 판단하는 판단부를 구비하고, 상기 탄성파발생시각을 결정하여 상기 발진기의 탄성파 발생 작동을 제어하고, 상기 탄성파분석정보 생성이 완료되면 상기 탄성파발생정보에 상기 탄성파감지정보 및 상기 탄성파분석정보가 매칭되어 상기 메모리부에 저장하는 컨트롤유닛; 상기 발진기와 상기 감지기와 상기 동적신호분석기 및 상기 컨트롤유닛에 전원을 공급하는 배터리; 및 다수의 주행용 바퀴를 구비하고 상기 발진기와 상기 감지기와 상기 동적신호분석기와 상기 컨트롤유닛 및 상기 배터리가 탑재되는 이동용 트레일러유닛으로 구성되는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치에 관한 것이다.

Description

탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치와 이를 활용한 다짐관리 방법{Quality Control Method and Equipment of Soil Compaction Fills using Elastic Wave Velocity}

본 발명은 탄성파속도를 이용한 성토지반 다짐관리 방법 및 그 장치 에 대한 것이다. 보다 상세하게는 성토 지반의 손상 없이 현장의 탄성파 속도를 측정할 수 있고 많은 구간에 걸쳐 다짐도를 측정하는데 시간이 많이 소요되지 않으며, 시험방법이 간단하여 현장에서 시험자의 숙련도나 주변환경의 영향을 받지 않고 정확한 측정이 이루어질 수 있으며, 개인차에 따른 오차가 거의 발생하지 않기 때문에, 신속하면서 일정한 측정값을 기대할 수 있는 새로운 탄성파측정장치와 궁극적으로 설계(예, 한국형 도로포장설계법)와 일관된 인자(탄성계수, 탄성파속도)로 현장의 품질관리가 가능한 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치와 이를 활용한 지반 다짐특성 관리방법에 관한 것이다.

일반적으로 택지를 조성할 때 토지 형질을 변경하기 위해, 종전의 지반 위에 다시 흙을 돋우어 쌓는 성토는 성토 부분이 높을 수록 다짐공사의 중요성이 높아진다. 다짐공사가 충분하지 않으면 지반침하나 붕괴의 원인을 제공할 수 있기 때문이다.

일반적으로 다짐 공사는 다짐 롤러를 구비한 다짐 기계(tamping machine)을 이용하여 성토면을 통과함으로써, 강한 압착력으로 토양 입자 간극을 최소화 시킨다.

앞서 설명한 바와 같이 다짐 공사는, 시행 자체가 중요한 것이 아니라, 실제 다짐공사가 시행된 성토의 다짐 특성의 확인과 관리가 무엇보다 중요하다. 현재 적용되고 있는 성토지반 다짐특성 즉 다짐도 확인방법은 모래치환법, 고무막법, 석고치환법, 액체 치환법 및 방사능 밀도 시험기를 이용한 방법 등이 있다. 그러나 건조밀도 측정에 오차가 크고 한 구간에서 많은 시간이 소요되는 등의 문제점이 있다.

이중에 가장 일반적으로 사용되는 모래치환법의 경우 시공된 성토층의 다짐도 측정을 위한 표면 손상, 측정 시 많은 시간 소요, 시험자에 따른 시험 결과의 편차가 큰 단점이 있다.

도 1에는 종래의 성토지반 다짐도 측정방법을 이용한 다짐기계의 롤러 통과회수에 따른 건조단위 중량 측정값을 도시 하였다.

정성적 예측으로는, 다짐 기계의 롤러 통화 횟수가 많아지면 다짐도가 향상되므로, 측정된 건조단위 중량은, 롤러의 통과 횟수 증가에 따라 관리기준 건조단위 중량으로 수렴해야 한다.

그러나 도 1에 도시된 바와 같이, 실제 측정된 건조 단위중량은, 롤러 통과 횟수에 따라 관리기준에 수렴하고 있지 않으며, 또한 자체적인 수렴특성을 보이지도 않는 것을 확인할 수 있다. 즉, 측정값의 일관성을 보장할 수 없으므로 현장의 관리 지표로 사용하기에 많은 문제점을 가지고 있다.

이에 반해서 최근에 제안되고 있는 탄성파속도를 이용한 다짐도 평가 방법은, 인공적인 탄성파를 성토지반에 인가하고 그 전파 속도를 측정함으로써 이러한 문제점을 해결하려는 시도가 진행되고 있다.

그런데 이 경우에도 크게 두 가지 문제점이 도출되고 있다. 앞서 건조단위중량값 측정방법에서 확인할 수 있듯이 다짐도 측정은 명확한 관리 기준이 설정될 수 있어야 하며, 관련 측정값은 이 기준을 만족하여야 한다. 하지만 그 기준은 성토-다짐공사가 진행되는 시공지역의 토양 특성에 따라 달라지기 때문에, 시공 지역의 상황에 상관 없이 일정하게 적용할 수 있는 관리기준 설정 방법론이 필요하다. 또한 이런 새로운 관리기준에 적용할 수 있는 측정값 측정이 가능한, 측정 장비의 개발도 병행되어야 한다.

결론적으로, 시공 중 성토 지반의 손상 없이 현장의 탄성파 속도를 측정할 수 있고 많은 구간에 걸쳐 다짐도를 측정하는데 시간이 많이 소요되지 않으며, 시험방법이 간단하여 현장에서 시험자의 숙련도나 주변환경의 영향을 받지 않고 정확한 측정이 이루어질 수 있으며, 개인차에 따른 오차가 거의 발생하지 않기 때문에, 신속하면서 일관된 결과를 기대할 수 있는 새로운 탄성파측정장치와 궁극적으로 설계(예, 한국형 도로포장설계법)와 일관된 인자(탄성계수, 탄성파속도)로 현장의 품질관리가 가능한 다짐 특성 관리 방법에 대한 새로운 제안이 필요하다.

한국 공개특허 10-2015-0137494 한국 등록특허 10-1242681

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치와 이를 용한 지반 다짐특성 관리방법은, 모래 치환법과 같은 종래 방법을 이용한 다짐 특성측정이 측정시 발생하는 성토층의 손상 없이 측정값의 큰 오차를 감소시킬 수 있는 탄성파 속도 측정 방법을 이용함으로써, 넓은 시공 영역에서도 일관되고 정확한 정량적 다짐도 특성을 확보할 수 있는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 측정에 적합한 측정장치를 활용함으로써, 비숙련자도 짧은 시간 작동법만 숙지함으로써 정밀 측정이 가능하며, 측정의 반 자동화와 측정 및 후처리과 같은 일반적으로 정밀 측정과정에서 수반될 수 있는 시퀀스를 대폭 줄임으로써, 더 철저한 품질관리를 기대함과 동시에 공기 단축도 기대할 수 있는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치와 이를 활용한 지반 다짐특성 관리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은 지반 상면에 접촉하여 지반 다짐도 측정을 위한 탄성파를 발생시키고, 탄성파 발생 시각을 포함하는 탄성파발생정보를 생성하는 발진기; 상기 탄성파를 감지하여 감지시각과 크기를 포함하는 탄성파감지정보를 생성하는 감지기; 상기 탄성파발생정보와 상기 탄성파감지정보를 기반으로 상기 탄성파의 전파시각을 계측하여 탄성파속도를 포함하는 탄성파분석정보를 생성하는 동적신호분석기; 메모리부 및 상기 탄성파분석정보를 기반으로 탄성파관리기준 만족 여부를 판단하는 판단부를 구비하고, 상기 탄성파발생시각을 결정하여 상기 발진기의 탄성파 발생 작동을 제어하고, 상기 탄성파분석정보 생성이 완료되면 상기 탄성파발생정보에 상기 탄성파감지정보 및 상기 탄성파분석정보가 매칭되어 상기 메모리부에 저장하는 컨트롤유닛; 상기 발진기와 상기 감지기와 상기 동적신호분석기 및 상기 컨트롤유닛에 전원을 공급하는 배터리; 및 다수의 주행용 바퀴를 구비하고 상기 발진기와 상기 감지기와 상기 동적신호분석기와 상기 컨트롤유닛 및 상기 배터리가 탑재되는 이동용 트레일러유닛으로 구성되는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장를 제공함으로써 달성 될 수 있다.

또한, 상기 감지기가 적어도 2개이상 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 발진기와 상기 감지기가 일체형의 모듈화되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 발진기와 상기 감지기 사이에 방진재(vibration isolator)를 배치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 발진기와 상기 감지기는, 상기 지반상면에 고정되기 위한 스파이크구조를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 발진기와 상기 감지기는 상기 트레일러와 상하이동샤프트로 연결되며, 상기 상하이동샤프트는 서보모터(servo motor)를 구비하여 상기 발진기와 상기 감지기를 상하 이동 시킬 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 서보모터는 상기 컨트롤유닛에서 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 작업자로부터, 탄성파측정진행여부와 탄성파측정 시간거리간격 및 측정횟수를 포함하는 측정입력정보를 입력받는 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 판단부는 상기 측정입력정보를 기반으로, 제1회차 탄성파의 발생시각을 결정하여 상기 발진기의 탄성파 발생 작동을 제어하고, 상기 제1회차 탄성파에 의한 제1회차 탄성파분석정보가 상기 동적신호분석기에서 생성됨이 확인되면, 상기 측정입력정보를 기반으로 제2회차 탄성파 시각을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 트레일러는 상기 주행용 바퀴의 회전수를 감지할 수 있는 회전수 감지기를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 컨트롤유닛은 상기 회전수를 기반으로 상기 트레일러의 이동거리를 산출하고, 작업자에게 상기 트레일러의 이동거리를 알림하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 동적신호분석기와 상기 발진기와, 상기 감지기와 상기 컨트롤유닛 및 상기 배터리중 적어도 하나 이상의 작동 상태를 표시하는 디스플레이유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 활용한 지반 다짐특성 관리방법에 있어서, 지반 성토 현장에서 성토에 사용되는 재료를 채취하는 단계;상기 채취한 재료에 대한 실내 다짐시험을 수행하여 다짐곡선(함수비(含水比)에 따른 건조단위중량)을 획득하는 단계; 상기 다짐시험 시편에 대한 탄성파 속도를 측정하여 최적함수비 상태의 탄성파 속도를 현장의 품질관리 기준으로 설정하는 단계; 상기 다짐특성 측정장치를 이용하여 상기 재료로 현장에서 다짐 성토되는 지반을 다짐 층별로 다짐특성을 측정하는 단계; 및 실내에서 설정한 상기 품질관리 기준이 되는 탄성파 속도와 비교하여 다짐 품질을 관리하는 단계를 포함하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 활용한 지반 다짐특성 관리방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

또한, 작업자로부터 탄성파측정진행여부와 탄성파측정 시간거리간격 및 측정횟수를 포함하는 측정입력정보를 입력받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 측정입력정보와 상기 다짐 특성 및 상기 다짐품질을 상기 작업자에 알림하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치와 이를 용한 지반 다짐특성 관리방법은, 모래 치환법과 같은 종래 방법을 이용한 다짐 특성측정이 측정시 발생하는 성토층의 손상없이 측정값의 큰 오차를 감소시킬 수 있는 탄성파 속도 측정 방법을 이용함으로써, 넓은 시공 영역에서도 일관되고 정확한 정량적 다짐도 특성을 확보할 수 있는 효과를 갖는다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면 측정에 적합한 측정장치를 활용함으로써, 비숙련자도 짧은 시간 작동법만 숙지함으로써 정밀 측정이 가능하며, 측정의 반 자동화와 측정 및 후처리과 같은 일반적으로 정밀 측정과정에서 수반될 수 있는 시퀀스를 대폭 줄임으로써, 더 철저한 품질관리를 기대함과 동시에 공기 단축도 기대할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1. 종래의 성토지반 다짐도 측정방법을 이용한 다짐기계의 롤러 통과회수에 따른 건조단위 중량 측정값
도 2a. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치에 적용되는 탄성파시험을 통한 성토지반 다짐 특성 평가 장치의 작동 원리
도 2b. 도 2a의 작동 원리에 따른 현장 계측 탄성파 신호의 일예
도 3a. 도 2a의 작동 원리에 따른 현장 계측 검증용 시험 부지 평면도 및 측정 구역 분할 방법.
도 3b. 도 2a의 작동 원리에 따른 현장 계측 검증용 시험 부지 횡단면도.
도 3c. 도 2a의 작동 원리에 따른 현장 계측 검증용 시험 부지에서의 탄성파 신호를 이용한 로울러 통과 횟수에 따른 탄성파 속도.
파 신호를 이용한 로울러 통과 횟수에 따른 탄성파 속도
도 4. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치에 적용되는 탄성파시험을 통한 성토지반 다짐 특성 평가 장치의 개념도
도 5. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치에 적용되는 탄성파시험을 통한 성토지반 다짐 특성 평가 장치의 작동 블럭도
도 6. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 활용한 지반 다짐특성 관리방법의 흐름도

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 (발명의 명칭)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

도 2a에는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치에 적용되는 탄성파시험을 통한 성토지반 다짐 특성 평가 장치의 작동 원리를 도시 하였고, 도 2b에는 도 2a의 작동 원리에 따른 현장 계측된 탄성파 신호의 일예를 도시하였다.

도 2a에 도시된 바와 같이 탄성파 시험 장치는, 탄성파를 발생시키는 발진기(100)와, 발진기에서 발생된 탄성파를 감지기(200), 그리고 발진기에서 발생한 탄성파와 감지기에서 측정된 탄성파의 특성을 분석하는 동적신호 분석기(Dynamic Signal Analyer)(300)를 포함할 수 있다.

발진기는 인위적인 탄성파를 발생시키는 장치로서, 내부에 장착된 해머의 타격으로 탄성파가 발생한다. 감지기(200)는 발진기에서 발생하여 성토면에 인가된 탄성파의 전파를 감지한다. 탄성파에 의해 발생하는 primary wave(이하 p파)를 측정하며, 발진기와 이격되어 설치된다. 동적신호 분석기(300)는 발진기와 감지기로부터 발진파와 감지파를 모두 전달 받아서, 탄성파 속도, Vp를 측정한다.

발진기는 임의의 시각에 내장된 해머(101)로 탄성파를 생성하는 장치로서, 지면에 충격을 가하는 기계적 작용으로 탄성파를 생성한다.

해머 충격으로 인한 탄성파는 어러 가지 종류의 충격파를 동시에 생성하는데, 크게 네 종류가 있다. 종파(p파, primary wave) 횡파(s파, secondary wave), 그리고 표면파 중에 L파와 R파가 있는데, 본 발명에 적용되는 탄성파 속도 측정에는 p파를 사용한다.

도 2a에 도시된 바와 같이 복수개의 탄성파 감지기를 특정한 거리(길이)만큼 이격시켜 배치하여 측정함으로써, Vp측정이 용이할 수 있다. 즉, 발진기로부터의 특정한 거리만큼 이격시킨 세 개의 감지기(200a, 200b, 200c)에 도착하는 p파를 도 2b와 같이 도시함으로써 비교적 정확한 속도 측정이 가능하다.

감지기 1개를 이용하여 p파의 전파 속도를 측정할 수도 있다. 감지기 와 발진기의 거리를 알고 있으면서, 탄성파 발생 시각과 p파 감지 시간의 차이를 이용하면, 발진기와 감지기 1쌍으로 p파 속도 측정이 가능하다. 하지만 이 경우에, 발진기와 감지기 사이 길이가 짧을 경우에는 계산 오차가 크게 나타날 수 있다. 도 2b에 도시한 바와 같이 탄성파는 0이 아닌 탄성파 시간을 가지며, 그 도착 시간이 모호할 수 있기 때문에, 다수의 감지기를 이용함으로써, 가능한 측정-계산 오차를 최소화 할 수 있다. 다수의 감지기를 사용할 때 측정 위치의 탄성파 속도는 도 2b와 같이 속도 계산선 pL을 직선으로 고려하여 계산한다.

도 3a에는 도 2a의 작동 원리에 따른 현장 계측 검증용 시험 부지 평면도 및 측정 구역 분할 방법을 도시하였고, 도 3b에는 도 2a의 작동 원리에 따른 현장 계측 검증용 시험 부지 횡단면도를 도시하였으며, 도 3c에는 도 2a의 작동 원리에 따른 현장 계측 검증용 시험 부지에서의 탄성파 신호를 이용한 로울러 통과 횟수에 따른 탄성파 속도를 도시하였다.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 탄성파 속도는 로울러 통과 횟수가 증가함에 따라서 특정한 관리기준 속도 수렴하는 것을 확인할 수 있으므로, 앞서 도 1의 경우와 비교하면, 본 발명에서 적용하고 있는 탄성파속도가 종래의 건조단위중량보가 더 우수한 다짐도 평가 지표라는 것을 알 수 있다.

특히 성토층(Lift1, 2, 3) 각각의 탄성파 속도의 차이가 매우 균일하며, Zone-1,과 Zone-2에서 로울러 횟수 증가에 따른 Vp 값의 수렴 현상이 뚜렷하다. Zone-1, 2에서 로울러 통화 횟수 증가에 따른 Vp의 수렴값이 다르게 나타나는 현상은 Zone-1, 2의 다짐도가 상대적으로 다르다는 것을 의미하며, 이와 같이 관리기준의 절대적 수치에 대한 비교와 Zone-1,2 상호간의 상대적 비교가 가능한 것은, 도 1에 도시한 건조단위 중량 측정값을 이용한 다짐도 측정 방법에서는 도출하기 어려운 중요한 특징들이다.

도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치에 적용되는 탄성파시험을 통한 성토지반 다짐 특성 평가 장치의 개념도를 도시하였다.

도 4에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 성토지반 다짐 특성 평가 장치(1)는 도 2a에 도시한 발진기(100)와 감지기(200)와 동적신호분석기(300)를 포함하고, 이들 장치를 제어하기 위한 컨트롤유닛(400)와, 모든 계측장비에 전원을 공급하기 위한 배터리(500) 및 이들을 이동시키기 위한 이동용 트레일러(600)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다짐 특성 평가 장치(1)는, 성토 시공 현장에서 넓은 시공지역의 다짐 특성을 측정하기 위한 것으로서, 이동용 트레일러(600)에 탄성파 속도 측정에 필요한 모든 계측기를 탑재하여 이동함으로써, 이동성은 물론이고, 측정조건을 동일하게 재연할 수 있는 장점이 있다.

이동용 트레일러에 탑재된 발진기와 감지기는 지면에 접촉해야 탄성파를 생성하고 탄성파를 측정할 수 있다. 도 4a와 4b를 비교하면, 탄성파 속도 측정시에만 발진기와 감지기가 지면에 접촉하는 것을 확인할 수 있다. 트레일러 이동과 탄성파 측정을 위해서, 트레일러에는 상하이동샤프트(610)이 구비될 수 있다. 상하 이동샤프트는 별도의 서보 모터(620)로 동작하며, 서보 모터의 작동 방향에 따라서 발진기와 감지기는 상하 이동할 수 있다. 측정을 위해 트레일러가 이동할 때는 상하이동 샤프트가 발진기와 감지기를 상향 이동시켜 트레일러 바퀴 굴림을 원활하게 하며, 탄성파 측정시 상하이동 샤프는 발진기와 감지기를 하향 이동 시켜서, 지면과 접촉하도록 한다.

또한 도 4에서 확인할 수 있는 것은 발진기와 감지기 하부에 스파이크(102, 201)가 더 구비되어있는 것이다. 지면에 수직방향으로 삽입되도록, 발진기와 감지기 하부에 배치된 스파이크는, 발진기와 감지기를 지면에 고정하는 기능을 할 수 있다. 발진기와 감지기가 지면과 접촉할 뿐만 아니라, 진동 전달을 위해 서로 구조적으로 결합된 상태여야 하기 때문이다. 발진기와 감지기 하부에 배치된 스파이크는, 발진기와 감지기를 지면에 고정하는 기능을 하여 발진기-성토지반-감지기로 탄성파의 전달이 용이하도록 하였다.

앞서 설명한 바와 같이 하지만 발진기에서 생성하는 탄성파는 p파 외에도 s파, L파 및 R등 여러 가지 형태의 응력파(stress wave)를 생성한다. 따라서 감지기의 민감한 방향을 p파가 전파되는 방향으로 설정하여 p파의 감지가 용이하도록 하였다

또한 스파이크의 형태는 판형으로 형성됨으로써 밀도파인 p파 감지 감도를 기계적으로 향상시킬 수도 있다. 바람직하게는 해머(101)의 충격방향이 발진에서 감지기 방향을 향하여 인가되는 것이다. 앞서 설명한 바와 같이 p파는 종파, 즉 매질의 조밀 상태가 전파되는 밀도파의 일종으로 전파 방향과 진동의 방향이 동일하다. 따라서 해머의 충격 방향을 감지기 방향으로 설정함으로써, 생성된 p파를 가장 효율적으로 감지기에 전파할 수 있다. 이때 스파이크를 판형상으로 형성하고, 판형 스파이크의 면이 p파의 전파 방향, 즉 도 2의 L에 수직한 방향으로 배치하게 되면, 발진기에서 탄성파의 생성시 p파의 생성 효율과, 감지기에서의 감지 효율 모두 높아지는 효과를 기대할 수 있다.

또한 도 4를 참조하면, 발진기와 감지기가 모두 일체형 모듈(SRM, source-receiver module, 700) 구조로 설계될 수 있음을 알 수 있다.

앞서 도 2를 참조하면, 본 발명에서 적용하고 있는 탄성파 속도 측정은, 발진기와 감지기의 이격 거리에 의해 결정된다. 이 경우에 그 이격거리가 짧으면 그만큼 정밀한 계측이 필요하다. 정밀한 측정은 계측기의 분해능뿐만 아니라 측정 환경의 기계적 구조 및 환경의 정밀도와 재연성이 확보되어야 한다는 의미도 포함하고 있다.

발진기와 감지가 분리되어있을 경우에, 발진기와 감지기의 이격 거리, 감지기 사이의 이격거리, 그리고 발진기, 감지기의 이격 방향의 일관성을 확보할 수 없을 가능성이 높다. 특히 도 4에 도시된 바와 같이 발진기와 감지가, 트레일러에 탑재되어 상하 이동을 반복할 경우에는 더욱 더 측정 조건, 즉 발진기와 감지기의 정렬(alignment) 상태가 동일할 것을 기대할 수 없다.

따라서 발진기와 다수의 감지기를 일체형으로 고정하여 제작할 경우에, 실험 재연성을 기대할 수 있으며, 그만큼 측정의 정확도 개선도 기대할 수 있다.

단, 이 경우에 발진기와 감지기 몸체의 진동이 직접 전달되는 현상을 방지하기 위해서, 발진기와 감지기, 감지기와 감지기 사이에 방진재(vibration isolating material, 701)를 배치할 수 있다.

컨트롤 유닛(400)은 탄성파측정에 관련한 발진기와 감지기와 동적신호분석기, 그리고 서보모터까지 제어 할 수 있다.

발진기에서 생성된 탄성파가, 발진기에서 가장 먼 위치에 배치된 감지기에서 p파가 감지되고 난 후, 발진기는 다시 탄성파를 생성할 수 있다. 또는 탕성파 측정 인접하여 강체 구조물에 성토층에 매립되어있을 경우에는 생성된 탄성파의 반사 내지 굴절파가 완전히 소멸한 후 다시 탄성파 측정을 개시해야 한다. 따라서 컨트롤 유닛은 탄성파 속도 측정의 개시와 종료를 결정할 수 있다.

이러한 계측 장비의 동작과 계측결과를 보전하기 위해서, 컨터롤 유닛은 메모리부와 판단부를 더 구비할 수 있다. 메모리 부는 측정된 모든 측정 데이터 및 관리기준인 탄성파관리기준을 포함하는 사용자의 기준설정값을 저장하여 현장에서 즉시 관리기준 만족여부를 확인할 수 있다. 또한 판단부는 관리 기준 만족여부는 물론, 관리기준과 측정치의 차이를 정량적으로 표시할 수 있으며, 앞서 설명한 바와 같이 전체 측정 장비의 작동을 제어할 수도 있다.

도 4에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치에 적용되는 탄성파시험을 통한 성토지반 다짐 특성 평가 장치는, 구조적으로 이동과 측정의 반복이 용이하다. 따라서 컨트롤 유닛에서 측정 장비 전체를 일괄적으로 운영할 수 있는 일괄작업(batch job)을 설정하여 운영할 수 있다.

도 4의 다짐 특성 평가 장치를 운영하는 작업자는, 측정 Zone를 포함한 측정 현장 상황을 고려하여 측정횟수를 결정하여 컨트롤 유닛에 입력하며, 입력된 측정입력정보를 기반으로 컨트롤 유닛은 트레일러의 이동과 탄성파 속도 측정 관련 계측 장치 및 서보모터 작동 여부를 제어할 수 있다.

또한 트레일러의 바퀴에, 회선수를 감지하여 컨트롤유닛으로 전송하는 회전수감지기를 추가로 설치하여, 컨트롤 유닛은 트레일러 의 이동거리를 자동으로 계산하여, 앞서 설명한 일괄처리(batch job)의 작업 순서에서, 매 측정 횟수 사이에 특정한 이동 거리를 확보하도록 컨트롤 유닛이 트레일러에 탑재된 장비들을 제어할 수 있다.

작업자로 하여금 앞서 도 4에 도시된 장비들의 동작 상태를 확인하고 제어하기 위해서, 모든 장비들의 작동 상태를 확인할 수 있는 디스플레이유닛 추가로 탑재될 수 있으며, 이 경우에 컨트롤 유닛은 디스플레이유닛을 통하여 작업자의 측정입력정보를 재확인하고, 측정입력정보에 따른 탄성파 측정 상태를 작업자에게 알림 할 수 있다.

도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치에 적용되는 탄성파시험을 통한 성토지반 다짐 특성 평가 장치의 작동 블럭도를 도시하였다,

도 4 내지 도5를 참조하면, 본 발명에 따른 성토지반 다짐 특성 평가 장치는, 측정 및평가가 트레일러라는 이동체 내에서 측정 즉시 확인될 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다. 이런 현장 즉시 확인 가능 기능과 종래의 건조단위측량에 비해 우수한 정밀도의 측정결과는, 단순히 작업의 용이성을 향상시킬 뿐만 아니라, 다양한 현장 상황과 실내 다짐 실험 상황의 수치적 차이를 감소시킬 수 있는 역할도 할 수 있다.

실내 다짐 실험과 현장의 다짐 특성이 완벽히 동일하지 않는 상황이 있을 수 있다. 이 경우에는, 두 조건 사이에 측정값과 관리기준 사이에 나타나는 차이를 관찰하여, +혹은 -- 오프셋 값(offset value)를 추가하는 방법 등을 적용하여, 완성도 높은 측정 결과를 얻기 위해 필요한 후처리 작업을 줄일 수도 있다.

도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 활용한 지반 다짐특성 관리방법의 흐름도를 도시하였다.

도 6를 참조하면, 현장의 성토 재료를 채취하여, 실내 다짐 시험을 수행하고, 다짐 시편에 대한 탕성파 속도를 측정하여 최적함수비(OMC, optimized moisture content) 상태에서의 탄성파 속도를 관리기준으로 설정한다. 이때 성토 층별 관리기준도 함께 설정하여, 현장에서 다짐 특성 평가 장치에 입력하여, 측정 즉시 확인함으로써, 다짐 특성의 현장 관리가 가능하다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치와 이를 용한 지반 다짐특성 관리방법은, 모래 치환법과 같은 종래 방법을 이용한 다짐 특성측정이 측정시 발생하는 성토층의 손상없이 측정값의 큰 오차를 감소시킬 수 있는 탄성파 속도 측정 방법을 이용함으로써, 넓은 시공 영역에서도 일관되고 정확한 정량적 다짐도 특성을 확보할 수 있다.

또한 측정에 적합한 측정장치를 활용함으로서, 비숙련자도 짧은시간 작동법만 숙지함으로써 정밀 측정이 가능하며, 측정의 반 자동화와 측정 및 후처리과 같은 일반적으로 정밀 측정과정에서 수반될 수 있는 시퀀스를 대폭 줄임으로써, 더 철저한 품질관리를 기대함과 동시에 공기 단축도 기대할 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1. 성토지반 다짐 특성 측정 장치
100. 발진기
101. 해머 102. 발진기 스파이크
200. 감지기
201. 감지기 스파이크
300. 동적신호분석기
400. 컨트롤유닛
410. 메모리부, 420. 판단부
500. 배터리
600. 이동용 트레일러
610. 상하이동샤프트 620. 서보모터(servo motor)
700. SRM(source-receiver module)
701. 방진재

Claims (15)

1. 지반 상면에 접촉하여 지반 다짐도 측정을 위한 탄성파를 발생시키고, 탄성파 발생 시각을 포함하는 탄성파발생정보를 생성하는 발진기;
   상기 탄성파를 감지하여 감지시각과 크기를 포함하는 탄성파감지정보를 생성하는 적어도 2개이상 구비되는 감지기;
   상기 탄성파발생정보와 상기 탄성파감지정보를 기반으로 상기 탄성파의 전파시각을 계측하여 탄성파속도를 포함하는 탄성파분석정보를 생성하는 동적신호분석기;
   메모리부 및 상기 탄성파분석정보를 기반으로 탄성파관리기준 만족 여부를 판단하는 판단부를 구비하고, 상기 탄성파발생시각을 결정하여 상기 발진기의 탄성파 발생 작동을 제어하고, 상기 탄성파분석정보 생성이 완료되면 상기 탄성파발생정보에 상기 탄성파감지정보 및 상기 탄성파분석정보가 매칭되어 상기 메모리부에 저장하는 컨트롤유닛;
   상기 발진기와 상기 감지기와 상기 동적신호분석기 및 상기 컨트롤유닛에 전원을 공급하는 배터리; 및
   다수의 주행용 바퀴를 구비하고 상기 발진기와 상기 감지기와 상기 동적신호분석기와 상기 컨트롤유닛 및 상기 배터리가 탑재되는 이동용 트레일러유닛;을 포함하고,
   상기 발진기와 상기 감지기가 일체형의 모듈화되며, 상기 발진기와 상기 감지기 사이에 방진재(vibration isolator)를 배치하고, 상기 발진기와 상기 감지기는, 상기 지반상면에 고정되기 위한 스파이크구조를 구비하며, 상기 발진기와 상기 감지기는 상기 트레일러와 상하이동샤프트로 연결되며, 상기 상하이동샤프트는 서보모터(servo motor)를 구비하여 상기 발진기와 상기 감지기를 상하 이동 시킬 수 있고,
   작업자로부터, 탄성파측정진행여부와 탄성파측정 시간거리간격 및 측정횟수를 포함하는 측정입력정보를 입력받는 입력부를 포함하며,
   상기 판단부는 상기 측정입력정보를 기반으로, 제1회차 탄성파의 발생시각을 결정하여 상기 발진기의 탄성파 발생 작동을 제어하고, 상기 제1회차 탄성파에 의한 제1회차 탄성파분석정보가 상기 동적신호분석기에서 생성됨이 확인되면, 상기 측정입력정보를 기반으로 제2회차 탄성파 시각을 결정하고,
   지반 성토 현장에서 성토에 사용되는 재료를 채취하고, 상기 채취한 재료에 대한 실내 다짐시험을 수행하여 함수비(含水比)에 따른 건조단위중량을 나타내는 다짐곡선을 획득하여, 다짐시험 시편에 대한 탄성파 속도를 측정하여 최적함수비 상태의 탄성파 속도를 현장의 품질관리 기준으로 설정하고, 다짐특성 측정장치를 이용하여 상기 재료로 현장에서 다짐 성토되는 지반을 다짐 층별로 다짐특성을 측정하여, 실내에서 설정한 상기 품질관리 기준이 되는 탄성파 속도와 비교하여 다짐 품질을 관리하는 것을 특징으로 하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 서보모터는 상기 컨트롤유닛에서 제어되는 것을 특징으로 하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 트레일러는 상기 주행용 바퀴의 회전수를 감지할 수 있는 회전수 감지기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 컨트롤유닛은 상기 회전수를 기반으로 상기 트레일러의 이동거리를 산출하고,
    작업자에게 상기 트레일러의 이동거리를 알림하는 것을 특징으로 하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 동적신호분석기와 상기 발진기와, 상기 감지기와 상기 컨트롤유닛 및 상기 배터리중 적어도 하나 이상의 작동 상태를 표시하는 디스플레이유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치.
    
13. 제1항에 따른 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 활용한 지반 다짐특성 관리방법에 있어서,
    지반 성토 현장에서 성토에 사용되는 재료를 채취하는 단계;
    상기 채취한 재료에 대한 실내 다짐시험을 수행하여 함수비(含水比)에 따른 건조단위중량을 나타내는 다짐곡선을 획득하는 단계;
    상기 다짐시험 시편에 대한 탄성파 속도를 측정하여 최적함수비 상태의 탄성파 속도를 현장의 품질관리 기준으로 설정하는 단계;
    상기 다짐특성 측정장치를 이용하여 상기 재료로 현장에서 다짐 성토되는 지반을 다짐 층별로 다짐특성을 측정하는 단계; 및
    실내에서 설정한 상기 품질관리 기준이 되는 탄성파 속도와 비교하여 다짐 품질을 관리하는 단계를 포함하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 활용한 지반 다짐특성 관리방법.
14. 제13항에 있어서,
    작업자로부터 탄성파측정진행여부와 탄성파측정 시간거리간격 및 측정횟수를 포함하는 측정입력정보를 입력받는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 활용한 지반 다짐특성 관리방법
15. 제14항에 있어서,
    상기 측정입력정보와 상기 다짐 특성 및 상기 다짐품질을 상기 작업자에 알림하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성파 속도를 이용한 성토지반 다짐특성 측정장치를 활용한 지반 다짐특성 관리방법
    

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