KR101966190B1 - 쐐기부재를 이용한 공벽 가압구성에 의해 수평변위 측정이 가능한 공내 전단시험장치 - Google Patents

쐐기부재를 이용한 공벽 가압구성에 의해 수평변위 측정이 가능한 공내 전단시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 메인 케이싱(4); 수평력 재하모듈(3) 및 수평력 재하모듈(3)의 수평력 작용에 의해 수평방향으로 진퇴하여 지중 천공부의 공벽에 밀착되어 공벽을 전단하게 되는 한 쌍의 전단 플레이트(1)를 포함하며, 수평력 재하모듈(3)을 통해서 전단 플레이트(1)로 인하여 공벽에 발생한 수평변위량을 산출하여 측정함과 동시에, 쐐기부재(30)의 하강시에 가해진 연직하중을 연직하중측정기(33)로 측정함으로써, 공벽을 전단시켜서 지반의 전단강도를 측정하는 공내 전단시험과, 전단 플레이트가 공벽을 가압하는 수평가압하중과 그에 따른 공벽의 수평변위량을 측정하는 공내 재하시험을 모두 수행할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 "쐐기부재를 이용한 공벽 가압구성에 의해 수평변위 측정이 가능한 공내 전단시험장치"에 관한 것이다.

Description

쐐기부재를 이용한 공벽 가압구성에 의해 수평변위 측정이 가능한 공내 전단시험장치{Apparatus for Borehole Shear Test having Cleaner of Shear Plate}
본 발명은 지반에 천공 형성된 천공부(시추공) 내부에 삽입되어 천공부의 공벽에 대한 전단시험(shear test)을 수행할 수 있는 공내(孔內) 전단시험장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 쐐기부재를 구비한 수평력 재하모듈을 이용하여 공벽(孔壁) 가압용 전단 플레이트를 수평방향으로 진퇴시키는 구성을 가짐으로써, 전단 플레이트가 공벽을 가압한 상태에서 공벽을 전단시켜 지반의 전단강도를 측정하는 "공내 전단시험"은 물론이고, 추가적으로 전단 플레이트가 공벽을 가압하는 수평가압하중과 그에 따른 공벽의 수평변위량을 측정하는 "공내 재하시험"도 함께 수행할 수 있게 되는 "쐐기부재를 이용한 공벽 가압구성에 의해 수평변위 측정이 가능한 공내 전단시험장치"에 관한 것이다.
지반의 공학적 특성 중 지반의 전단강도를 파악하기 위한 방법으로서, 지반에 시추공을 천공하고 시추공 내에 시험장치를 삽입하여 시추공의 공벽에 전단력을 가하여 지반의 전단강도를 측정하는 공내 전단시험이 이용된다. 대한민국 등록특허 제10-0782105호에는 종래 기술에 의한 공내 전단시험장치의 일예가 개시되어 있다.
지반의 전단강도를 측정하기 위한 공내 전단시험과 별도로, 지반의 공학적 특성 파악을 위해서는 공내 재하시험도 수행된다. 공내 재하시험은 방사방향으로 부풀게 되는 장치를 시추공 내에 삽입한 상태에서, 장치를 부풀려서 공벽을 수평방향으로 가압하고, 이 때 작용하는 수평가압하중과, 가압에 의해 공벽에 발생하는 수평방향의 변위량 즉, 수평변위량을 측정하는 것이다.
공내 전단시험장치에는 공벽에 밀착하여 공벽을 가압하는 전단 플레이트가 구비되며, 시추공에 공내 전단시험장치를 삽입하여 지중의 시험 대상 위치에 전단 플레이트부를 위치시킨 상태에서, 지상에서의 조작에 의해 전단 플레이트를 공벽에 밀착시킨 후 상부로 잡아당겨 공벽을 전단시키는 방식으로 공내 전단시험이 수행된다. 그런데 종래의 공내 전단시험장치는 단지 전단 플레이트를 공벽에 가압 밀착시키는 구성만을 가지고 있을 뿐이며, 공내 재하시험 즉, 공벽에 작용하는 수평가압하중과, 그에 따라 발생하는 공벽의 수평변위량을 정확히 측정할 수 있는 구성을 전혀 가지고 있지 않다. 따라서 종래 기술에서는 위와 같은 공내 전단시험과 공내 재하시험을 수행하기 위해서는 각각 별도의 시험장치를 사용할 수밖에 없으며, 그만큼 시험에 상당한 번거로움이 수반되는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0782105호(2007. 12. 05. 공고).
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 공벽 전단시험을 위한 구성에 더하여, 공벽의 전단강도 측정을 위해서 전단 플레이트를 공벽에 밀착 가압시킬 때의 수평가압하중과, 그에 따라 발생하는 공벽의 수평변위량을 정확히 측정할 수 있는 구성을 추가적으로 가짐으로써, 공내 전단시험과 공내 재하시험을 하나의 장치를 이용하여 모두 수행할 수 있어서 지반의 공학적 특성을 더욱 신속하고 효율적으로, 그리고 정확하게 파악할 수 있게 되는 공내 전단시험장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 벽면에 개방창이 형성되어 있는 원통형 메인(main) 케이싱(4); 메인 케이싱(4)의 내부에 구비되어 연직하중을 수평하중으로 변환하여 가하는 수평력 재하모듈(3); 및 수평력 재하모듈(3)의 수평력 작용에 의해, 메인 케이싱(4)의 개방창을 통해서 수평방향으로 진퇴하여 지중 천공부의 공벽에 밀착되어 공벽을 전단하게 되는 한 쌍의 전단 플레이트(1)를 포함하며; 수평력 재하모듈(3)은, 하중재하모터(32), 상기 하중재하모터(32)에 의해 연직 승하강하는 연결봉(31), 상기 연결봉(31)의 승하강에 의해 가해지는 연직하중을 측정하는 연직하중측정기(33), 상기 연결봉(31)과 결합되어 연직이동하면서 전단 플레이트(1)를 수평방향으로 진퇴시키는 쐐기부재(30)를 포함하여 구성되고; 쐐기부재(30)는 아래로 갈수록 양측 가장자리 사이가 좁아지는 하향 테이퍼진 형상을 가지고 있으며, 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 쐐기부재(30)의 양측 가장자리에 각각 슬라이딩 가능하게 체결되어 있어서; 하중재하모터(32)에 의해 연결봉(31) 및 쐐기부재(30)가 하강하면, 한 쌍의 전단 플레이트(1)가 수평력을 받아서 동시에 수평하게 진출하여 공벽에 가압 밀착되는데, 연결봉(31) 또는 쐐기부재(30)가 하강한 연직이동 거리를 측정하여, 쐐기부재(30)의 기하적 형상에 기초한 연산에 의해 전단 플레이트(1)의 수평방향 이동거리를 산출함으로써, 전단 플레이트(1)의 가압으로 인한 공벽의 수평변위량을 산출하여 측정함과 동시에, 쐐기부재(30)의 하강시에 가해진 연직하중을 연직하중측정기(33)로 측정함으로써, 공벽에 가해지는 수평가압하중을 측정하며; 시험 완료 후에는 하중재하모터(32)의 작동에 의해 연결봉(31) 및 쐐기부재(30)가 상승하여 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 내측으로 후퇴하게 되는 구성을 가지고 있어서; 공벽을 전단시켜서 지반의 전단강도를 측정하는 공내 전단시험과, 전단 플레이트가 공벽을 가압하는 수평가압하중과 그에 따른 공벽의 수평변위량을 측정하는 공내 재하시험을 모두 수행할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 공내 전단시험장치가 제공된다.
위와 같은 본 발명의 공내 전단시험장치에서, 쐐기부재(30)의 양측 가장자리에는 돌기형태의 레일부(35)가 연속적으로 형성되어 있으며; 전단 플레이트(1)의 내면에는 레일부(35)를 감싸게 되는 체결부재(10)가 구비되어 있으며; 체결부재(10)가 레일부(35)를 감싼 상태에서는, 체결부재(10)가 레일부(35)를 따라 이동하는 것은 자유로우나, 레일부(35)와 직교한 방향으로 체결부재(10)가 움직이는 것은 가능하지 않도록 체결부재(10)는 항시 레일부(35)를 감싸서 체결된 상태를 유지하게 되어, 전단 플레이트(1)는 쐐기부재(30)의 가장자리를 따라 상대이동할 수 있는 구성을 가질 수 있다.
더 나아가, 상기한 본 발명의 공내 전단시험장치에는, 전단을 마치고 수평방향으로 후퇴한 전단 플레이트의 전면에 끼여 있는 이물질을 청소하여 제거하는 클리너 모듈이 더 포함될 수 있는데; 클리너 모듈(2)은, 메인 케이싱(4)의 개방창 위,아래 위치에서 각각 메인 케이싱(4)의 원주 외부를 감싸는 상부 회전지지링(21)과 하부 회전지지링(22), 상기 상,하부 회전지지링(21, 22)을 일체로 연결하는 복수개의 연직연결부재(23), 상기 연직연결부재(23)의 전부 또는 일부의 내면에 구비된 클리너 패드(24), 및 상기 상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)로 이루어진 일체 조립체를 회전시키는 클리너 회전구동모듈(25)을 포함하여 구성되어; 클리너 회전구동모듈(25)의 작동에 의해 상기 상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)로 이루어진 원통형의 조립체가 회전되면서, 클리너 패드(24)가 전단 플레이트(1)의 전면을 쓸어내어 청소하게 되는 구성을 가질 수도 있다. 특히 이 경우, 클리너 회전구동모듈(25)은, 원주 내측면에 기어부가 형성되어 있으며 상부 회전지지링(21)과 일체를 이루어서 상부 회전지지링(21)의 위쪽에서 메인 케이싱(4) 내부에 회전가능하게 구비되어 있는 기어회전링(251), 상기 기어회전링(251)과 기어 맞물림되는 회전기어(254)를 구비하여 회전기어를 회전구동시키는 모터(252), 및 메인 케이싱(4) 내부에 배치되어 상기 모터(252)가 고정되는 고정링부재(253)를 포함하여 구성되고; 모터(252)가 구동하게 되면 회전기어(254)가 회전하게 되고, 그에 따라 회전기어(254)와 기어 맞물림되어 있는 기어회전링(251)이 회전하게 되어, 기어회전링(251)과 결합되어 있는 상,하부 회전지지링(21, 22) 및 연직연결부재(23)의 조립체가 메인 케이싱(4)을 감싼 상태로 회전하게 되는 구성을 가질 수 있다.
본 발명에 의하면, 공내 전단시험을 수행하여 공벽의 전단강도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 연결봉 또는 쐐기부재의 하강한 연직이동 거리를 측정하고 이를 통해서 전단 플레이트의 수평방향 이동거리를 측정함으로써, 전단 플레이트가 지중 천공부의 공벽에 닿은 후 가압 밀착되면서 발생한 공벽의 수평변위량을 정확하게 산출하여 측정할 수 있게 되고, 더 나아가 쐐기부재의 연직이동을 위해서 쐐기부재에 가해진 연직하중을 연직하중측정기에 의해서 측정함으로써, 공벽에 가해지는 수평가압하중을 정확하게 측정할 수 있게 된다.
따라서 본 발명의 공내 전단시험장치를 이용하게 되면, 공벽을 전단시켜서 지반의 전단강도를 측정하는 공내 전단시험은 물론이고, 전단 플레이트가 공벽을 가압하는 수평가압하중과 그에 따른 공벽의 수평변위량을 측정하는 공내 재하시험도 함께 수행할 수 있게 되는 바, 지반의 공학적 특성 파악을 위한 현장 시험을 하나의 장치에 의해 매우 신속하고 정확하게, 그리고 효율적으로 수행할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.
또한 본 발명에서는, 필요에 따라 공벽에서 분리되어 후퇴한 전단 플레이트의 전면을 청소할 수 있는 클리닝 모듈이 더 구비될 수 있는 바, 이와 같은 클리닝 모듈이 더 구비되는 경우에는, 시험을 완료 후 공내 전단시험장치를 지중 천공부에서 꺼내지 않고서 공벽을 가압하였던 전단 플레이트에 끼여 있는 잔류토 등의 이물질을 지중에의 조작을 통해서 자동적으로 제거하여 청소할 수 있게 되며, 따라서 공내 전단시험장치를 이용한 시험을 연속적이고 효율적으로 수행할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.
도 1은 본 발명에 따른 공내 전단시험장치가 지반에 형성된 지반 천공부에 삽입 배치된 상태를 보여주는 개략적인 단면 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 공내 전단시험장치의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 2의 선 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도이다.
도 4는 도 3에서 전단 플레이트와 수평력 재하모듈이 존재하는 부분을 확대하여 보여주는 개략적인 확대도이다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명에서 쐐기부재와 전단 플레이트가 결합된 상태를 발췌하여 보여주되 하나의 전단 플레이트를 생략한 상태를 보여주는 개략적인 확대 사시도이다.
도 7 및 도 8은 각각 도 4의 단면 사시도에 대한 개략적인 측면도로서, 쐐기부재의 승하강에 따라 전단 플레이트가 수평방향으로 진퇴하는 것을 순차적으로 보여주는 개략적인 측면도이다.
도 9는 본 발명의 공내 전단시험장치에서 클리너 모듈만을 별도로 분리시켜서 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 10 및 도 11은 각각 본 발명의 공내 전단시험장치에 클리닝 모듈이 구비되어 전단 플레이트의 클리닝 작업이 수행되는 것을 보여주는 도 3 및 도 4에 대응되는 개략적인 단면 사시도와 확대도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1에는 본 발명에 따른 공내 전단시험장치(100)가 지반에 형성된 지반 천공부에 삽입 배치된 상태를 보여주는 개략적인 단면 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 공내 전단시험장치(100)의 개략적인 사시도이가 도시되어 있다. 도 3에는 도 2의 선 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3에서 전단 플레이트(1)와 수평력 재하모듈(3)이 존재하는 부분을 확대하여 보여주는 개략적인 확대도가 도시되어 있다. 편의상 도 3 및 도 4에서 전단 플레이트(1)와 일부 부재는 단면이 아닌 온전한 상태로 도시하였다.
도면에 도시된 것처럼, 본 발명의 공내 전단시험장치(100)는, 지상에 배치되는 구동장치(200)와 연결된 로드(210)의 하단에 결합되어 지반에 천공 형성된 지중 천공부 내에 삽입되어 공내 전단시험 및 공내 재하시험을 모두 수행할 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명의 공내 전단시험장치(100)는, 원통형 메인(main) 케이싱(4), 상기 메인 케이싱(4)의 내부에 배치되어 연직 하중을 수평력으로 변환시켜서 가하는 수평력 재하모듈(3)과, 상기 수평력 재하모듈(3)에 의해 수평방향으로 진퇴하여 지중 천공부의 공벽에 밀착되는 한 쌍의 전단 플레이트(1)를 포함하여 구성된다.
도면에 도시된 실시예에는 필요에 따라 설치될 수 있는 구성으로서, 회전에 의해 상기 전단 플레이트(1)의 전면을 쓸어내어 전단 플레이트에 끼여 있는 잔류토 등의 이물질을 자동적으로 청소 제거하는 클리너 모듈(2)이, 메인 케이싱(4)에서 전단 플레이트(1)가 설치된 구간을 감싸도록 더 구비되어 있다. 공내 전단시험장치(100)에서, 메인 케이싱(4)의 위쪽에는 인장하중측정기(5)가 구비될 수 있으며, 이 경우 본 발명의 공내 전단시험장치(100)가 지상에 배치되는 구동장치(200) 및 이와 연결된 로드(210)와 결합되어 사용될 때, 로드(210)와 메인 케이싱(4) 사이에 인장하중측정기(5)가 위치하여 로드(210)와 메인 케이싱(4)을 연결하게 된다. 인장하중측정기(5)는, 공내 전단시험을 위해서 전단 플레이트(1)가 공벽에 가압밀착된 상태에서 공내 전단시험장치(100)를 연직 상향으로 당길 때 작용하는 인장하중을 측정하는 것으로서, 예를 들어 로드셀(load cell) 등으로 이루어질 수 있다.
메인 케이싱(4)의 내부 공간에는 연직 하중을 발생시켜서 전단 플레이트(1)를 수평방향으로 진퇴시키기 위해 전단 플레이트(1)에 수평력을 가하게 되는 수평력 재하모듈(3)이 배치된다. 메인 케이싱(4)의 벽면에서 서로 대향되는 위치에는 각각 개방창이 형성되어 있으며, 수평력 재하모듈(3)에 각각 결합되어 있는 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 상기 개방창을 통해서 수평방향으로 진퇴하게 된다. 도면에 도시된 실시예의 경우, 수평력 재하모듈(3)은 연직 하중을 발생시킴과 동시에 이를 수평력으로 전환시켜서 한 쌍의 전단 플레이트(1)를 동시에 메인 케이싱(4) 외측 방향으로 밀어내며, 그에 따라 전단 플레이트(1)는 개방창을 통해서 수평방향으로 진출하여 지중 천공부의 공벽에 밀착된다. 공내 전단시험이 종료된 후에는 지상에서부터 상향의 연직하중이 작용하게 되고, 그에 따라 수평력 재하모듈(3)의 작용에 의해 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 수평방향으로 원래의 위치로 후퇴하게 된다.
본 발명에서 수평력 재하모듈(3)은 하중재하 모터(32), 상기 하중재하 모터(32)와 연결되어 있되 하중재하 모터(32)의 작동에 의해 연직방향으로 이동하는 연결봉(31), 상기 연결봉(31)의 연직이동에 의해 가해지는 연직하중을 측정하는 연직하중측정기(33), 상기 연결봉(31)과 결합되어 연직이동하면서 전단 플레이트(1)를 수평방향으로 진퇴시키는 쐐기부재(30)를 포함하여 구성된다. 도면에 도시된 실시예에서는 연결봉(31)과 쐐기부재(30) 사이에 연직하중측정기(33)가 구비되어 있다. 연결봉(31)과 하중재하모터(32)는 하중재하모터의 회전에 의해 연결봉이 위아래로 연직하게 움직일 수 있는 공지의 기계구성(예를 들면, 나사결합)에 의해 서로 결합된다.
쐐기부재(30)는, 아래로 갈수록 그 단면크기가 줄어들도록 하향 테이퍼진 형상을 가지고 있으며, 그에 따라 쐐기부재(30)의 가장자리는 아래로 갈수록 양측 가장자리 사이가 좁아지는 형태로 경사져 있다. 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 쐐기부재(30)의 횡방향 양측 가장자리에 각각 슬라이딩 가능한 형태로 결합된다. 도 5 및 도 6에는 각각 쐐기부재(30)와 전단 플레이트(1)가 결합된 상태를 발췌하여 보여주되 하나의 전단 플레이트를 생략한 상태를 보여주는 개략적인 확대 사시도가 도시되어 있는데, 도 5는 쐐기부재(30)가 하강하기 전의 상태 즉, 전단 플레이트(1)가 원위치에 있는 상태를 보여주며, 도 6은 쐐기부재(30)가 하강하여 전단 플레이트(1)가 공벽을 방향으로 수평하게 진출한 상태를 보여준다.
도 5 및 도 6에 도시된 실시예에서, 쐐기부재(30)의 하향 테이퍼진 부분의 가장자리에는 돌기형태의 레일부(35)가 가장자리를 따라 연속적으로 형성되어 있다. 전단 플레이트(1)의 내면 즉, 쐐기부재(30)와 결합되는 면에는 상기 레일부(35)를 감싸게 되는 체결부재(10)가 구비되어 있다. 체결부재(10)가 레일부(35)를 감싼 상태에서는, 체결부재(10)가 레일부(35)를 따라 이동하는 것은 자유로우나, 레일부(35)와 직교한 방향으로 체결부재(10)가 움직이는 것은 가능하지 않다. 즉, 체결부재(10)는 항시 레일부(35)를 감싸서 체결된 상태를 유지하는 것이며, 이렇게 체결된 상태에서 체결부재(10)는 레일부(35)를 따라 이동할 수 있는 것이다. 따라서 전단 플레이트(1)는 쐐기부재(30)의 가장자리를 따라 상대 이동할 수 있게 되며, 수평방향으로 진퇴하게 된다.
도 7 및 도 8에는 각각 도 4의 단면 사시도에 대한 개략적인 측면도 즉, 도 2의 선 A-A에 따른 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 수평력 재하모듈(3)의 하향 연직하중 작용 상태에서는 하중재하 모터(32)가 작동하여 연결봉(31)이 하강하게 되고, 그에 따라 쐐기부재(30)는 도 8에 도시된 것처럼 하향이동하게 된다. 레일부(35)-체결부재(10) 간의 체결구조에 의해 한 쌍의 전단 플레이트(1)가 각각 쐐기부재(30)의 가장자리에 결합되어 있으므로, 전단 플레이트(1)가 메인 케이싱(4)의 개방창에 끼워져 있는 상태에서 쐐기부재(30)가 하강하게 되면, 전단 플레이트(1)의 체결부재(10)는 상대적으로 레일부(35)를 따라 상승하는 것이 되는데, 쐐기부재(30)는 아래로 갈수록 그 단면크기가 줄어들도록 하향 테이퍼진 형상을 가지므로, 체결부재(10)가 레일부(35)를 따라 상승하게 되면 체결부재(10) 및 이와 결합된 전단 플레이트(1)는 지중 천공부의 공벽 방향으로 수평하게 진출하게 된다.
반대로 수평력 재하모듈(3)에서 상향의 연직하중이 작용하는 상태 즉, 하중재하모터(32)의 작동에 의해 연결봉(31)이 상승하고, 그에 따라 쐐기부재(30)가 상향이동하면서 전단 플레이트(1)의 체결부재(10)는 상대적으로 레일부(35)를 따라 하강하는 것이 된다. 쐐기부재(30)의 하향 테이퍼진 형상에 따라 양측 가장자리 및 각각에 형성된 레일부(35)는 아래로 갈수록 서로 가까워지게 되며, 체결부재(10)도 하강하면서 한 쌍이 서로 가까워진다. 따라서 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 다시 쐐기부재(30)의 경사진 측면 가장자리의 형상에 의해 동시에 메인 케이싱(4)의 내부 공간 방향으로 수평하게 후퇴하게 되어, 도 7에 도시된 원위치로 복귀하게 된다.
이와 같은 쐐기부재(30)와 전단 플레이트(1)의 결합 구성에서는, 쐐기부재(30)의 연직이동 거리를 정확하게 알고 있으면, 기하적인 연산에 의해 쐐기부재(30)의 연직이동으로 인해 유발되는 전단 플레이트(1)의 수평방향 이동 거리를 정확하게 알 수 있다. 쐐기부재(30)의 연직이동은 연결봉(31)의 연직이동과 동일하므로, 연결봉(31) 또는 쐐기부재(30)의 연직이동 거리를 다양한 방법으로 직접 측정할 수 있다. 그런데, 이러한 쐐기부재(30) 및 연결봉(31)의 연직이동은 하중재하모터(32)의 작동에 의해 유발되는 것이므로, 하중재하모터(32)를 회전수(回轉數)에 의해 변위측정이 가능한 인코더모터(encoder motor)로 구성하게 되면, 하중재하모터(32)의 회전수를 측정함으로써, 쐐기부재(30) 및 연결봉(31)의 연직이동 거리를 더욱 정확하게 그리고 매우 용이하게 측정할 수 있다.
한편, 앞서 언급한 것처럼, 수평력 재하모듈(3)에는 연직하중을 측정하는 연직하중측정기(33)가 구비되어 있는 바, 쐐기부재(30)의 연직이동을 위해서 쐐기부재(30)에 가해지는 연직하중은 연직하중측정기(33)에 의해서 정확하고 신속하게 측정할 수 있다. 연직하중측정기(33)는 공지의 로드셀로 구성될 수 있다.
위와 같은 구성을 가지는 본 발명의 공내 전단시험장치(100)를 이용하여 공내 에서 시험을 수행하기 위해서는 지상에 구동장치(200)를 설치하고, 구동장치(200)와 연결된 로드(210)의 하단에 본 발명의 공내 전단시험장치(100)를 결합하여 공내 전단시험장치(100)를 지중 천공부 내에 삽입하여 정해놓은 위치에 배치시킨다. 후속하여 수평력 재하모듈(3)을 작동시켜서 하향의 연직 하중을 발생시킴과 동시에 이를 수평력으로 전환시켜서 한 쌍의 전단 플레이트(1)에 가하게 되고, 도 8에 도시된 것처럼 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 동시에 메인 케이싱(4) 외측 방향으로 움직이게 된다. 즉, 하중재하모터(32)의 작동에 의해 연결봉(31) 및 쐐기부재(30)가 하강하고, 레일부(35)-체결부재(10) 간의 슬라이딩 가능한 체결구조에 의해, 한 쌍의 전단 플레이트(1)가 지중 천공부의 공벽을 방향으로 동시에 수평하게 진출하게 되는 것이다. 메인 케이싱(4)의 개방창을 통해서 수평방향으로 진출한 전단 플레이트(1)는 지중 천공부의 공벽에 가압 밀착된다. 도면에 도시된 실시예의 경우, 하향 연직하중이 작용하면, 쐐기부재(30)가 하향이동하게 되고, 그에 따라 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 동시에 지중 천공부의 공벽을 방향으로 수평하게 진출하여 공벽에 밀착된다.
본 발명에서는 연결봉(31) 또는 쐐기부재(30)의 하강한 연직이동 거리를 측정할 수 있고 이를 통해서 전단 플레이트(1)의 수평방향 이동거리를 알 수 있으므로, 전단 플레이트(1)가 지중 천공부의 공벽에 닿은 후 가압 밀착되면서 공벽에 발생한 수평변위량 즉, 공벽의 수평변위량을 정확하게 산출하여 측정할 수 있게 된다. 또한, 쐐기부재(30)에 가해진 연직하중은 전단 플레이트(1)을 통해서 공벽에 대한 수평가압하중으로 작용하므로, 쐐기부재(30)의 연직이동을 위해서 쐐기부재(30)에 가해진 연직하중을 연직하중측정기(33)에 의해서 측정함으로써, 공벽에 가해지는 수평가압하중을 정확하게 측정할 수 있게 된다. 물론 전단 플레이트(1)가 공벽에 가압 밀착된 상태에서, 공벽 전단시험장치(100) 전체를 상향으로 당기는 등의 과정에 의해 공내 전단시험을 수행함으로써, 공벽의 전단강도 역시 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 공내 전단시험장치(100)를 이용하게 되면, 공벽을 전단시켜서 지반의 전단강도를 측정하는 공내 전단시험은 물론이고, 전단 플레이트가 공벽을 가압하는 수평가압하중과 그에 따른 공벽의 수평변위량을 측정하는 공내 재하시험도 함께 수행할 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 공내 전단시험장치(100)는, 공내 전단시험과 공내 재하시험을 함께 수행할 수 있는 것이며, 따라서 본 발명의 공내 전단시험장치(100)를 이용하게 되면, 지반의 공학적 특성 파악을 위한 현장 시험을 매우 신속하고 정확하게, 그리고 효율적으로 수행할 수 있게 되는 장점이 있다.
공내 전단시험이 종료된 후에는 수평력 재하모듈(3)의 작동에 의해 상향의 연직 하중을 발생되고, 이러한 상향 연직하중은 수평력으로 전환되어 한 쌍의 전단 플레이트(1)를 동시에 당겨서 도 7에 도시된 것처럼 전단 플레이트(1)를 수평방향으로 수축 및 후퇴시켜 원위치로 복귀하게 만든다. 즉, 하중재하 모터(32)의 작동에 의해 연결봉(31) 및 쐐기부재(30)가 상승하고, 레일부(35)-체결부재(10) 간의 슬라이딩 가능한 체결구조에 의해, 한 쌍의 전단 플레이트(1)는 내측으로 당겨져서 후퇴하게 되는 것이다.
전단 플레이트의 전면에는 공벽의 전단을 위해 돌기 등이 형성되어 있으므로, 전단 플레이트(1)가 원위치로 복귀되더라도 전단 플레이트(1)의 전면에는 전단 과정에서 발생한 잔류토 등의 이물질이 존재할 수 있다. 잔류토 등의 이물질이 존재하는 상태에서 또다시 공내에서 시험을 수행할 경우에는 부정확한 전단시험결과가 도출될 수 있다. 추가적인 시험수행을 위해서는 공내 전단시험장치를 지반 천공부 밖으로 꺼내서 청소용 솔 등을 이용하여 전단 플레이트에 붙어 있는 이물질을 제거하는 청소작업을 수행한 후, 다시 지반 천공부에 삽입해야 한다.
본 발명에 따른 공내 전단시험장치(100)에는 선택 사항으로서 클리너 모듈(2)이 더 구비될 수도 있으며, 이러한 클리너 모듈(2)이 구비되는 경우에는 시험을 완료 후 공내 전단시험장치를 지중 천공부에서 꺼내지 않고서도 공벽을 가압하였던 전단 플레이트에 끼여 있는 잔류토 등의 이물질을 지중에서의 간단한 제어 신호 전송을 통해서 자동적으로 제거하여 청소할 수 있게 되며, 따라서 공내 전단시험을 연속적이고 효율적으로 수행할 수 있게 된다.
도 9에는 클리너 모듈(2)만을 별도로 분리시켜서 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있는데, 클리너 모듈(2)은, 메인 케이싱(4)에서 개방창이 형성되어 있는 부분을 감싸도록 설치되는 것으로서, 개방창 위쪽에서 메인 케이싱(4)의 원주 외부를 감싸는 상부 회전지지링(21), 개방창 아래쪽에서 메인 케이싱(4)의 원주 외부를 감싸는 하부 회전지지링(22), 연직하게 배치되어 상기 상,하부 회전지지링(21, 22)을 일체로 연결시키는 복수개의 연직연결부재(23), 상기 연직연결부재(23)의 전부 또는 일부의 내면에 구비되어 전단 플레이트(1)의 전면을 쓸어내어 청소하는 클리너 패드(24), 및 상기 상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)로 이루어진 일체 조립체를 회전시키는 클리너 회전구동모듈(25)을 포함하여 구성된다.
상부 회전지지링(21)과 하부 회전지지링(22)은 각각 원형의 링부재로 이루어져서 연직방향으로 서로 이격되게 위치하며, 상,하부 회전지지링(21, 22) 사이에는 막대 형태의 연직연결부재(23)가 배치되어, 상,하부 회전지지링(21, 22) 및 연직연결부재(23)는 서로 일체화되어 있다. 연직연결부재(23)는 상,하부 회전지지링의 원주를 따라 간격을 두고 복수개로 구비된다. 따라서 상,하부 회전지지링(21, 22) 및 연직연결부재(23)가 일체화된 조립체는 원기둥 형상을 이루게 되며, 이러한 원기둥 형상의 조립체(상,하부 회전지지링 및 연직연결부재의 조립체)는 메인 케이싱(4)에서 개방창이 형성되어 있는 부분의 외부에, 메인 케이싱(4)을 감싸도록 설치된다. 이 때, 메인 케이싱(4)의 개방창은, 상,하부 회전지지링(21, 22) 사이에 위치하게 되며, 복수개의 연직연결부재(23)은, 개방창을 통해서 전단 플레이트(1)가 진퇴하는 것을 방해하지 않는 원주방향 간격을 가지면서 배치된다.
상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)로 이루어져서 클리너 모듈(2)을 이루게 되는 상기한 구성은, 상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)을 각각 별도의 부재로 제작하여 서로 조립 연결하는 방식으로 구현될 수도 있지만, 원통형 부재 즉, 파이프 형태의 부재에서, 전단 플레이트(1)가 진퇴하는 것을 방해하지 않도록 원통형 부재의 측면을 절취 개방시킴으로써, 절취되지 않고 남아 있는 부분이 상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)에 해당하도록 만들 수도 있다. 따라서 본 명세서에서 클리너 모듈(2)을 설명함에 있어서, 상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)이 서로 연결되어 만들어진 원통형 부재를 "조립체"라고 표현하였지만, 이는 상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)라는 여러 개의 부재를 개별적으로 설명하기 위함이며, 따라서 "조립체"라는 것은 위에서 설명한 것처럼 파이프 형태의 부재에서, 전단 플레이트(1)가 진퇴하는 것을 방해하지 않도록 원통형 부재의 측면을 절취 개방시킴으로써 상,하부 회전지지링(21, 22)과 연직연결부재(23)가 만들어지는 것도 모두 포함하는 의미로 이해되어야 한다.
이와 같이 메인 케이싱(4)의 외부를 감싸도록 상,하부 회전지지링 및 연직연결부재의 조립체가 설치되더라도, 공내 전단시험장치(100)가 연직방향으로 일정한 외경을 가지게 하는 것이 바람직한 바, 도면에 도시된 것처럼 상,하부 회전지지링 및 연직연결부재의 조립체가 감싸서 설치되는 부분에서는 메인 케이싱(4)의 외경이 줄어들도록 구성하는 것도 바람직하다. 이와 같이 메인 케이싱(4)의 외경이 줄어들어 있고, 이렇게 외경이 줄어든 부분에 상,하부 회전지지링과 연직연결부재로 이루어진 원기둥 형상의 조립체가 메인 케이싱(4)을 감싸도록 씌워지므로, 공내 전단시험장치(100)는 연직방향의 길이에서 특별히 직경이 커지거나 두꺼워진 부분이 존재하지 않게 되고 일정한 외경을 가질 수 있으며, 그에 따라 지중 천공부에 삽입되거나 또는 전단시험 중 내지 완료 후 인발함에 있어서 어떠한 불편함도 발생하지 않게 된다.
상,하부 회전지지링(21, 22)을 연결하는 복수개의 연직연결부재(23) 중에서 적어도 하나 이상에서는, 그 내면에 클리너 패드(24)가 구비된다. 즉, 내면에 클리너 패드(24)가 구비되어 있는 연직연결부재(23)가 존재하는 것이다. 후술하는 것처럼, 전단 플레이트(1)의 청소를 위하여, 상,하부 회전지지링(21, 22) 및 연직연결부재(23)가 일체화된 조립체가 회전하게 되면, 클리너 패드(24)는 전단 플레이트(1)의 전면에 밀착한 채로 원주방향으로 움직이게 되어 전단 플레이트(1)의 전면에 붙어 있던 잔류토 등의 이물질을 쓸어내어 제거하게 된다. 클리너 패드(24)의 교체가 가능하도록 클리너 패드(24)는 연직연결부재(23)의 내면에 분해가 가능하게 조립 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 상,하부 회전지지링 및 연직연결부재의 조립체를 회전시키기 위해서 클리너 회전구동모듈(25)이 구비되는데, 도면에 도시된 실시예의 경우, 클리너 회전구동모듈(25)은, 원주 내측면에 기어부가 형성되어 있으며 상부 회전지지링(21)과 일체를 이루어서 상부 회전지지링(21)의 위쪽에서 메인 케이싱(4) 내부에 회전가능하게 구비되어 있는 기어회전링(251)과, 상기 기어회전링(251)과 기어 맞물림되는 회전기어(254)를 구비하여 회전기어를 회전구동시키는 모터(252)를 포함하여 구성된다. 도면에 도시된 실시예에서 클리너 회전구동모듈(25)은, 모터(252)를 메인 케이싱(4) 내부에 설치하기 위한 고정링부재(253)를 포함하고 있고, 모터(252)는 고정링부재(253)에 결합되어 있다. 고정링부재(253)는 메인 케이싱(4) 내에 고정 설치된다. 따라서 모터(252)가 구동하게 되면 회전기어(254)가 회전하게 되고, 그에 따라 회전기어(254)와 기어 맞물림되어 있는 기어회전링(251)이 회전하게 되어, 기어회전링(251)과 결합되어 있는 상,하부 회전지지링(21, 22) 및 연직연결부재(23)의 조립체가 메인 케이싱(4)을 감싼 상태로 회전하게 된다.
도 10 및 도 11에는 각각 본 발명의 공내 전단시험장치(100)에 클리닝 모듈(2)이 구비되어 전단 플레이트(1)의 클리닝 작업이 수행되는 것을 보여주는 도 3 및 도 4에 대응되는 개략적인 단면 사시도와 확대도가 도시되어 있다. 구체적으로 도면에 도시된 실시예의 경우, 클리닝 회전구동모듈(25)에서 모터(252)가 구동되며, 그에 따라 회전기어(254)가 회전하게 되고, 기어 맞물림되어 있는 기어회전링(251)이 회전하게 된다. 기어회전링(251)은 상,하부 회전지지링(21, 22) 및 연직연결부재(23)의 조립체와 결합되어 있으므로, 기어회전링(251)이 회전하면, 상,하부 회전지지링(21, 22) 및 연직연결부재(23)의 조립체는 도 10 및 도 11에서 화살표로 표시된 방향으로 움직여서 메인 케이싱(4)을 감싼 상태로 회전하게 된다. 그에 따라 연직연결부재(23)의 내면에 구비된 클리너 패드(24)가 전단 플레이트(1)의 전면을 쓸어내어 이물질을 제거하게 된다. 공벽에 대한 전단을 위하여 전단 플레이트(1)의 전면에는 돌기부가 형성될 수 있는데, 이러한 경우에도 클리너 패드(24)가 전단 플레이트(1)의 전면에 잘 밀착되어 효율적으로 쓸어낼 수 있도록 클리너 패드(24)의 표면에는 돌기부에 대응되는 오목부가 형성되는 것이 바람직하다. 물론 클리너 패드(24)는 전단 플레이트(1)의 전면에 밀착되는 형태의 것이 아니라 솔의 형태로 이루어질 수도 있다. 상,하부 회전지지링(21, 22) 및 연직연결부재(23)의 조립체는 복수회로 연속하여 회전할 수 있으며, 그에 따라 전단 플레이트(1)의 전면을 더욱 깨끗하고 효율적으로 청소할 수 있게 된다. 청소가 완료된 후에는 연직연결부재(23)가, 전단 플레이트(1)의 진퇴를 방해하지 않는 위치에 오도록 만든 후에, 앞서 설명한 것처럼 수평력 재하모듈(3)의 작동에 의해 전단 플레이트(1)를 수평방향으로 진출시키는 등의 추가적인 공내 전단시험을 수행하게 된다.
이와 같이 본 발명에 클리닝 모듈(2)이 구비된 경우에는, 시험을 완료한 후 공내 전단시험장치를 지중 천공부에서 꺼내지 않고서 공벽을 가압하였던 전단 플레이트에 끼여 있는 잔류토 등의 이물질을 용이하게 그리고 자동적으로 제거하여 청소할 수 있게 되며, 따라서 공내에서의 시험을 연속적이고 효율적으로 수행할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.
1: 전단 플레이트
2: 클리너 모듈(cleaner module)
3: 수평력 재하모듈
4: 메인 케이싱
10: 체결부재
30: 쐐기부재
31: 연결봉
32: 하중재하모터
33: 연직하중측정기
35: 레일부
100: 공벽 전단시험장치

Claims (4)

  1. 벽면에 개방창이 형성되어 있는 원통형 메인 케이싱;
    메인 케이싱의 내부에 구비되어 연직하중을 수평하중으로 변환하여 가하는 수평력 재하모듈; 및
    수평력 재하모듈의 수평력 작용에 의해, 메인 케이싱의 개방창을 통해서 수평방향으로 진퇴하여 지중 천공부의 공벽에 밀착되어 공벽을 전단하게 되는 한 쌍의 전단 플레이트를 포함하며;
    수평력 재하모듈은, 하중재하 모터, 상기 하중재하 모터에 의해 연직 승하강하는 연결봉, 상기 연결봉의 승하강에 의해 가해지는 연직하중을 측정하는 연직하중측정기, 및 상기 연결봉과 결합되어 연직이동하면서 전단 플레이트를 수평방향으로 진퇴시키는 쐐기부재를 포함하여 구성되고;
    쐐기부재는 아래로 갈수록 양측 가장자리 사이가 좁아져서 단면크기가 줄어드는 하향 테이퍼진 형상을 가지고 있고, 쐐기부재의 하향 테이퍼진 부분 양측 가장자리에는 돌기형태의 레일부가 연속적으로 형성되어 있으며;
    한 쌍의 전단 플레이트는 쐐기부재의 양측 가장자리에 각각 슬라이딩 가능하게 체결되어 있되, 전단 플레이트의 내면에는 레일부를 감싸게 되는 체결부재가 구비되어 있어서, 체결부재가 레일부를 감싼 상태에서는, 체결부재가 레일부를 따라 이동하는 것은 자유로우나, 레일부 직교한 방향으로 체결부재가 움직이는 것은 가능하지 않도록 체결부재는 항시 레일부를 감싸서 체결된 상태를 유지하게 되어, 전단 플레이트는 쐐기부재의 가장자리를 따라 상대이동할 수 있으며;
    하중재하 모터에 의해 연결봉 및 쐐기부재가 하강하면, 아래로 갈수록 그 단면크기가 줄어들어서 가장자리에 형성된 레일부가 아래로 갈수록 서로 가까워지는 쐐기부재의 하향 테이퍼진 형상으로 인하여, 쐐기부재의 레일부에 체결되어 있는 전단 플레이트의 체결부재가 레일부를 따라 슬라이딩되면서 상승하여서, 한 쌍의 전단 플레이트가 수평력을 받아서 지중 천공부의 공벽 방향으로 동시에 수평하게 진출하여 지중 천공부의 공벽에 가압 밀착되는데, 연결봉 또는 쐐기부재가 하강한 연직이동 거리를 측정하여, 쐐기부재의 기하적 형상에 기초한 연산에 의해 전단 플레이트의 수평방향 이동거리를 산출함으로써 전단 플레이트의 가압으로 인한 공벽의 수평변위량을 산출하여 측정함과 동시에, 쐐기부재의 하강시에 가해진 연직하중을 연직하중측정기로 측정함으로써 공벽에 가해지는 수평가압하중을 측정하며;
    시험 완료 후에는 하중재하모터의 작동에 의해 연결봉 및 쐐기부재가 상승하게 되고 전단 플레이트의 체결부재는 레일부를 따라 슬라이딩하여 하강하게 됨으로써, 한 쌍의 전단 플레이트가 내부 공간 방향으로 후퇴하게 되는 구성을 가지고 있어서;
    공벽을 전단시켜서 지반의 전단강도를 측정하는 공내 전단시험과, 전단 플레이트가 공벽을 가압하는 수평가압하중과 그에 따른 공벽의 수평변위량을 측정하는 공내 재하시험을 모두 수행할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 공내 전단시험장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    전단을 마치고 수평방향으로 후퇴한 전단 플레이트의 전면에 끼여 있는 이물질을 청소하여 제거하는 클리너 모듈을 더 포함하는데;
    클리너 모듈은,
    메인 케이싱의 개방창 위,아래 위치에서 각각 메인 케이싱의 원주 외부를 감싸는 상부 회전지지링과 하부 회전지지링, 상기 상,하부 회전지지링을 일체로 연결하는 복수개의 연직연결부재, 상기 연직연결부재의 전부 또는 일부의 내면에 구비된 클리너 패드, 및 상기 상,하부 회전지지링과 연직연결부재로 이루어진 일체 조립체를 회전시키는 클리너 회전구동모듈을 포함하여 구성되어;
    클리너 회전구동모듈의 작동에 의해 상기 상,하부 회전지지링과 연직연결부재로 이루어진 원통형의 조립체가 회전되면서, 클리너 패드가 전단 플레이트의 전면을 쓸어내어 청소하게 되는 것을 특징으로 하는 공내 전단시험장치.
  4. 제3항에 있어서,
    클리너 회전구동모듈은, 원주 내측면에 기어부가 형성되어 있으며 상부 회전지지링과 일체를 이루어서 상부 회전지지링의 위쪽에서 메인 케이싱 내부에 회전가능하게 구비되어 있는 기어회전링, 상기 기어회전링과 기어 맞물림되는 회전기어를 구비하여 회전기어를 회전구동시키는 모터, 및 메인 케이싱 내부에 배치되어 상기 모터가 고정되는 고정링부재를 포함하여 구성되고;
    상기 모터가 구동하게 되면 회전기어가 회전하게 되고, 그에 따라 회전기어와 기어 맞물림되어 있는 기어회전링이 회전하게 되어, 기어회전링과 결합되어 있는 상,하부 회전지지링 및 연직연결부재의 조립체가 메인 케이싱을 감싼 상태로 회전하게 되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 공내 전단시험장치.
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