KR102131084B1 - 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치 및 모의시험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토사가 채워져 지반환경을 모방하도록 된 지반모형부; 상기 지반모형부에 수평방향으로 설치되는 복수의 동결관에 저온의 냉매를 공급하여 동결차폐벽이 형성되도록 하는 냉각시스템; 상기 지반모형부의 상부에 설치되어 일정양의 시험용수가 저수되도록 하고, 저수된 시험용수를 수직방향으로 지반모형부를 통과시켜 지하수의 흐름을 모방하는 용수공급부; 및 상기 동결관의 둘레에 복수의 온도센서를 설치하고, 상기 온도센서의 측정값을 통해 각 동결관의 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하는 동결벽측정시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치에 관한 것이다.

Description

동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치 및 모의시험방법{Ground freeze simulation test apparatus and simulation test method using freezing tube}

본 발명은 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치 및 모의시험방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모의 지반환경 및 모의 지하수환경을 실내 실험장치에 구현되도록 하고, 상기 모의환경을 이용해서 지하수가 흐르는 지반에서의 동결차폐벽 형성 테스트를 실시함으로써, 지하수 흐름이 각 동결파이프의 동결범위에 미치는 영향과 지하수 유량 및 유속의 크기에 따른 동결범위 변화 등에 대한 정확한 데이터를 현장 실험을 통하지 않고도 얻을 수 있도록 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치 및 모의시험방법에 관한 것이다.

일반적으로 지반의 정화방법에는 전기복원방법, 토양세척방법, 투수성반응벽방법, 미생물복원방법 등이 있다.

우선 전기복원방법은 전기분해반응에 의하여 물 및 오염물질을 이동시키는 것으로 지반의 탈수 및 안정화에 적용되어 왔고, 최근 들어 환경분야에서 오염지반의 정화에 적용이 되어왔다. 상기 전기복원방법은 투수성이 낮은 점성토지반에서 전기분해현상, 전기삼투현상, 전기이동현상 등을 이용하여 지반내의 중금속, 무기물질 등과 같은 오염물질을 음극으로 이동시켜 양수펌프를 이용하여 이를 지상으로 추출하여 제거하는데 이용되지만 상기 방법은 투수성이 높은 사질토 지반에서는 전기삼투현상 등의 발생이 미약하기 때문에 이의 적용에 문제가 있다.

또한 토양세척방법은 사질토 지반에서 오염물질의 용해도를 증가시키기 위한 첨가제를 함유한 물 또는 순수한 물을 지반 내 주입하여 반대방향에 형성된 추출정으로부터 오염지하수를 추출하고 지상에서 처리된 지하수를 재순환한다.

그러나 상기 토양세척기법은 투수성이 높은 사질토지반에서 물의 세척력, 화학용액의 탈착력 등을 이용하여 지반내의 유기물질, 지하수내의 수용성 오염물질을 양수펌프를 이용하여 이를 지상으로 추출하여 제거하는데 이용되지만 이 방법의 경우 투수성이 낮은 점성토 지반에서는 물의 이동이 원활하지 못하기 때문에 적용성에 문제가 있고, 별도의 화학용액(물질)을 사용하여야 하므로 화학물질에 의한 제 2의 오염의 문제가 있다.

또한 상기 투수성반응벽방법은 투수성의 높은 사질토 및 투수성이 낮은 점성토 지반의 지하수 흐름방향 하부에 투수성반응벽을 설치하여 이를 통하는 오염지하수 내의 오염물질을 제거하여 현장 지중의 원위치에서 정화 처리하는 것이지만 상기 방법은 투수성반응벽의 설치된 지점까지는 오염수를 이동시켜 모아 주는 방법의 병행이 필요하고 투수성반응벽을 지중에 설치하는 굴착작업비용이 큰 문제가 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 다양한 기술이 제시되고 있는 바, 일예로 도 1에서 보는 바와 같이 한국특허등록 제667465호 "전기세척반응파일기법에 의한 사질토 및 점성토가 혼재된 오염지반의 정화, 복원장치"가 제시되는 바, 상기 기술은 오염지반의 내부에 양극전극봉(10)과 음극전극봉(20)을 소정의 간격으로 설치하고, 상기 음극전극봉(20)측에 오염물질이 흡착 제거하여 정화되도록 하는 반응파일(60)을 설치하며, 상기 양극전극봉(10)과 음극전극봉(20)에 직류로 변환된 전원을 공급해주는 전원공급수단(30)과, 상기 양극전극봉(10)의 내부에 세척수와 화학용액을 공급해주는 세척수공급수단(40)을 지상에 설치하는 것을 특징으로 한다. 그러나 상기 기술의 경우도 토사의 종류에 상관없이 오염지반의 정화에 사용될 수는 있으나, 전기분해반응 외에 별도로 화학용액, 세척수를 투입해 주어야 하는 번거로움이 있고, 정화를 위한 화학용액(물질)에 의해 제 2의 오염을 야기할 수 있는 문제가 있다.

한편 지반동결에 의한 공법은 지반 속에 소정간격으로 파이프을 매설하고 여기에 냉매를 흘려보내 지반의 간극수를 동결하여 지반을 고화(동결)시키는 공법이다. 인위적으로 동결된 지반은 소정의 동결온도를 유지하는 기간 동안 낮은 투수계수의 차폐 및 고강도의 흐름제어벽체를 형성할 수 있다. 이러한 지반동결에 의한 공법은 효율적인 차수, 모든 토사에 적용가능, 시공 후 완전제거 가능, 별도의 화학물질을 사용할 필요가 없어 친환경적 등의 장점을 가지고 있다. 이러한 지반동결에 의한 공법은 지하수위가 높거나 고함수비의 해안지역에 굴착 및 기타 건설구조물의 시공 시 차수구조물로 활용이 되고 있으며, 연약한 지반 및 밀도가 느슨한 지반에 대한 동결로 콘크리트강도 이상의 내력벽 또는 동결영역을 형성하여 효율적인 공사수행이 가능하도록 한다.

따라서, 이러한 지반동결에 의한 공법이 폐기물 매립지, 산업단지, 반환미군기지 등 오염지반에서 정화작업 시 오염물질 흐름제어 등의 차폐를 위한 차수벽으로 사용될 수 있으며, 어떠한 화학적 반응이 첨가되지 않은 친환경적인 공법으로 사용될 수 있으나 이에 대한 연구가 미흡한 실정이다.

또 다른 종래기술로서, 대한민국 등록특허 제10-1079555호의 "지반동결을 이용한 오염지반 차폐시스템 및 정화방법"이 공지된다.

상기 공지기술에 대해 살펴보면, 오염지반에 삽입되는 복수의 동결파이프로 구성되는 차폐벽과; 상기 동결파이프에 각각 연결되는 냉매주입기와; 상기 차폐벽과 유격된 상태에서 오염지반에 삽입되는 복수의 추출정으로 구성된다.

이는 오염지반에 동결파이프를 삽입하고, 오염지반을 동결지반으로 전환시킴으로써 액상인 오염물질을 일정방향으로 유도케 한 후 추출정을 통해 오염물질을 지반으로부터 용이하게 추출할 수 있도록 하는 것이다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래기술은 동결파이프가 설치되는 지반이 지하수가 흐르는 경우에는 동결파이프를 중심으로 동심원 상에 형성되는 동결범위 형상에 영향을 미치게 된다.

예컨대, 각각의 동결파이프는 일정한 크기의 동결범위를 원형으로 형성하고, 서로의 동결범위가 연결되도록 하여 차폐벽을 형성하는 것인데, 지반에 지하수가 흐르는 경우에 각각의 동결파이프의 동결범위가 지하수의 영향을 받아서 원형 형상이 아닌 타원형 형상으로 변형되는 등의 이유로 차폐벽의 연결이 끊기는 문제가 발생된다.

따라서, 지하수가 흐르는 지반인 경우, 지하수 흐름이 각 동결파이프의 동결범위에 미치는 영향과 지하수 유량 및 유속의 크기에 따른 동결범위 변화 등을 파악하고 이를 적용하여 동결파이프의 설치간격 등을 정하는 것이 필요하다.

하지만, 이러한 지반 상태를 파악하기 위해서는 동결차폐시스템을 적용하고자 하는 지반의 일부에 동결파이프를 설치하여 테스트하는 과정을 거치게 되는데, 이와 같은 방법은 테스트 과정이 매우 번거로울 뿐만 아니라, 테스트 결과를 얻어서 이를 현장에 적용하기 까지 많은 시간이 소요되기 때문에 오염지반에 대한 신속한 대처가 어려운 문제가 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0667465호 대한민국 등록특허 제10-1079555호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 모의 지반환경 및 모의 지하수환경을 실내 실험장치에 구현되도록 하고, 상기 모의환경을 이용해서 지하수가 흐르는 지반에서의 동결차폐벽 형성 테스트를 실시함으로써, 지하수 흐름이 각 동결파이프의 동결범위에 미치는 영향과 지하수 유량 및 유속의 크기에 따른 동결범위 변화 등에 대한 정확한 데이터를 현장 실험을 통하지 않고도 얻을 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 실험장치의 유량제어 등을 통해 다양한 형태의 동결차폐벽 형성 데이터를 얻을 수 있고, 획득한 데이터를 적용하여 동결파이프의 적정 설치간격 등을 정확하게 시공할 수 있고, 모의 실험데이터를 기반으로 하는 정확한 현장 예측이 가능하도록 함으로써, 현장 시공에 소요되는 준비기간을 단축할 수 있도록 하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 토사가 채워져 지반환경을 모방하도록 된 지반모형부; 상기 지반모형부에 수평방향으로 설치되는 복수의 동결관에 저온의 냉매를 공급하여 동결차폐벽이 형성되도록 하는 냉각시스템; 상기 지반모형부의 상부에 설치되어 일정양의 시험용수가 저수되도록 하고, 저수된 시험용수를 수직방향으로 지반모형부를 통과시켜 지하수의 흐름을 모방하는 용수공급부; 및 상기 동결관의 둘레에 복수의 온도센서를 설치하고, 상기 온도센서의 측정값을 통해 각 동결관의 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하는 동결벽측정시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 토사가 채워져 지반환경을 모방하도록 된 지반모형부; 상기 지반모형부에 수평방향으로 설치되는 복수의 동결관에 저온의 냉매를 공급하여 동결차폐벽이 형성되도록 하는 냉각시스템; 상기 지반모형부의 상부에 설치되어 일정양의 시험용수가 저수되도록 하고, 저수된 시험용수를 수직방향으로 지반모형부를 통과시켜 지하수의 흐름을 모방하는 용수공급부; 상기 동결관의 둘레에 복수의 온도센서를 설치하고, 상기 온도센서의 측정값을 통해 각 동결관의 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하는 동결벽측정시스템; 상기 지반모형부에서 배출된 시험용수를 회수하는 리턴탱크; 상기 지반모형부, 냉각시스템, 용수공급부, 동결벽측정시스템, 및 리턴탱크가 결합 설치되어 단독으로 이동할 수 있도록 된 본체; 및 상기 본체 일측에 설치되어 장치를 제어하는 제어장치부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치가 제공될 수 있다.

여기서, 상기 지반모형부와 리턴탱크 사이에 용수회수라인(L1)을 설치하고, 상기 용수회수라인에는 지반모형부 내의 시험용수가 일정 압력으로 배출되도록 하는 회수펌프 및 배출되는 유량을 측정하고 조절하기 위한 배출유량조절부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리턴탱크는 회수된 시험용수가 지하수 온도가 되도록 온도를 가열 또는 냉각하는 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리턴탱크와 용수공급부 사이에 용수공급라인(L2)을 설치하고, 상기 용수공급라인에는 리턴탱크 내의 시험용수를 용수공급부로 가압시켜 공급하는 공급펌프를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용수공급부에서 오버플로우된 시험용수를 리턴탱크로 유도하는 바이패스라인(L3)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용수공급부는 지반모형부의 상측에 형성되는 밀폐 구조의 수조와, 상기 수조에 시험용수를 일정유량으로 공급되도록 조절하는 공급유량조절부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 용수공급부에 시험용수가 공급되는 1단계; 용수공급부의 시험용수가 지반모형부에 공급되는 2단계; 지반모형부의 냉각시스템이 작동하여 동결차폐벽을 형성하는 3단계; 지반모형부의 시험용수가 리턴탱크로 회수되는 4단계; 상기 리턴탱크로 회수된 시험용수를 지하수 온도가 되도록 온도를 가열 또는 냉각하는 5단계; 상기 지반모형부 내의 동결관의 둘레에 형성되는 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하는 6단계; 및 상기 1단계 내지 6단계를 순차적으로 반복 수행하는 7단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 4단계는, 지반모형부와 리턴탱크 사이에 용수회수라인(L1)을 설치하고, 상기 용수회수라인에 설치한 회수펌프 및 배출유량조절부에 의해 배출되는 시험용수의 배출압력 및 배출유량이 조절되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 5단계는, 리턴탱크로 회수된 시험용수의 온도를 측정하여 기 설정된 지하수 온도와 비교하고, 비교결과 시험용수의 온도가 지하수 온도보다 낮은 경우에는 열교환기를 작동하여 시험용수를 지하수 온도까지 가열되도록 하며, 비교결과 시험용수의 온도가 지하수 온도보다 높은 경우에는 열교환기를 작동하여 시험용수를 지하수 온도까지 냉각되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1단계는, 상기 리턴탱크와 용수공급부 사이에 용수공급라인(L2)을 설치하고, 상기 용수공급라인에 설치한 공급펌프에 의해 리턴탱크 내의 시험용수를 용수공급부로 가압시켜 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2단계는, 용수공급부에서 오버플로우된 시험용수를 바이패스라인(L3)을 이용해 리턴탱크로 유도하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같은 본 발명은 모의 지반환경 및 모의 지하수환경을 실내 실험장치에 구현되도록 하고, 상기 모의환경을 이용해서 지하수가 흐르는 지반에서의 동결차폐벽 형성 테스트를 실시함으로써, 지하수 흐름이 각 동결파이프의 동결범위에 미치는 영향과 지하수 유량 및 유속의 크기에 따른 동결범위 변화 등에 대한 정확한 데이터를 현장 실험을 통하지 않고도 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명은 실험장치의 유량제어 등을 통해 다양한 형태의 동결차폐벽 형성 데이터를 얻을 수 있고, 획득한 데이터를 적용하여 동결파이프의 적정 설치간격 등을 정확하게 시공할 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명은 모의 실험데이터를 기반으로 하는 정확한 현장 예측이 가능하도록 함으로써, 현장 시공에 소요되는 준비기간을 단축할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 종래기술을 나타내는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치를 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 또 다른 측면에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법을 설명하는 플로우챠트.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치를 도시한 개념도이다.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 일측면에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치는 토사가 채워져 지반환경을 모방하도록 된 지반모형부(120)와, 상기 지반모형부(120)에 수평방향으로 설치되는 복수의 동결관(131)에 저온의 냉매를 공급하여 동결차폐벽이 형성되도록 하는 냉각시스템(130)과, 상기 지반모형부(120)의 상부에 설치되어 일정양의 시험용수가 저수되도록 하고, 저수된 시험용수를 수직방향으로 지반모형부(120)를 통과시켜 지하수의 흐름을 모방하는 용수공급부(140), 및 상기 동결관(131)의 둘레에 복수의 온도센서를 설치하고, 상기 온도센서의 측정값을 통해 각 동결관(131)의 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하는 동결벽측정시스템(150);을 포함한다.

도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치를 도시한 사시도이다.

본 발명의 다른측면에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치는 크게 본체(110), 지반모형부(120), 냉각시스템(130), 용수공급부(140), 동결벽측정시스템(150), 리턴탱크(160), 및 제어장치부(170)로 구성된다.

상기 본체(110)에 대해 설명하면, 상기 본체(110)는 지반모형부(120), 냉각시스템(130), 용수공급부(140), 동결벽측정시스템(150), 리턴탱크(160), 및 제어장치부(170)를 설치하기 위한 구조물로서, 알루미늄 프로파일을 이용해 선반형태로 제작되며, 하부에는 다리받침(111) 및 방향성 캐스터(113)를 설치하여 운반이 가능한 형태로 제작된다.

상기 지반모형부(120)는 본체(110)의 바닥으로부터 일정높이 이격된 위치에 설치되고, 상기 지반모형부(120)의 상측에는 용수공급부(140)가 배치되고, 상기 지반모형부(120) 하측에는 리턴탱크(160)가 배치되도록 한다.

이때, 상기 리턴탱크(160)는 지반모형부(120)의 수직방향 하부에 직접 배치되도록 할 수도 있고, 첨부된 도 3에서와 같이 지반모형부(120)의 하부의 일측방향에 별도의 설치공간을 확보하여 설치되도록 할 수 있다.

상기 지반모형부(120)에 대해 설명한다.

상기 지반모형부(120)는 본체(110)의 바닥으로부터 일정높이 이격된 위치에 밀폐된 구조로 형성된다. 이때, 상기 지반모형부(120) 내에는 토사가 채워져 지반환경과 유사한 환경을 제공한다. 이때 토사는 모래(주문진 표준사)가 이용될 수 있다.

이때, 상기 지반모형부(120)의 외벽체를 투명한 유리재질 또는 폴리카보네이트재질을 이용해 제작함으로써, 외부에서 내부를 관찰할 수 있도록 제작할 수 있다.

다음으로, 상기 냉각시스템(130)에 대해 설명한다.

상기 냉각시스템(130)은 상기 지반모형부(120)에 수평방향으로 설치되는 복수의 동결관(131)에 저온의 냉매를 공급하여 동결차폐벽이 형성되도록 한다.

상기 동결관(131)은 스테인레스 재질의 2중관으로 제작되며, 내부관로를 통해서 공급되는 냉매가 다시 외부관로를 통해서 냉각기로 회수되도록 하여 냉매의 순환사이클이 이루어지도록 한다.

상기 동결관(131)은 일측 단부가 지반모형부(120) 외부로 돌출되고, 각 단부에는 냉각기(132)에 연결되어 저온의 냉매가 공급된다.

이때, 상기 냉매는 에틸알콜이 사용될 수 있다.

그리고, 상기 냉각기(132)는 냉매의 온도 및 유량을 조절한다.

상기 동결관(131)은 냉매가 순환됨에 따라 주변의 지반을 동결시켜 동결차폐벽을 형성하게 된다.

이때, 상기 동결관(131)은 복수 개가 일정간격 이격되어 설치된다.

다음, 용수공급부(140)에 대해 설명한다.

상기 용수공급부(140)는 지반모형부(120)의 상부에 설치되어 일정양의 시험용수가 저수되도록 하고, 저수된 시험용수를 수직방향으로 지반모형부(120)를 통과시켜 지하수의 흐름을 모방하는 구성요소이다.

상기 용수공급부(140)는 지반모형부(120)의 상측에 형성되는 밀폐 구조의 수조(141)와, 상기 수조(141)에 시험용수를 일정유량으로 공급되도록 조절하는 공급유량조절부(142)로 이루어진다.

이때, 상기 용수공급부(140)의 수조(141) 외벽체를 투명한 유리재질 또는 폴리카보네이트재질을 이용해 제작함으로써, 외부에서 내부를 관찰할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 동결벽측정시스템(150)에 대해 설명한다.

상기 동결벽측정시스템(150)은 동결관(131)의 둘레에 복수의 온도센서(151)를 설치하고, 상기 온도센서(151)를 이용해 동결관(131) 둘레의 온도값을 측정하도록 한다.

이때, 상기 온도센서(151)는 동결관(131)의 동심원 상에 복수개가 일정간격 분포되도록 설치하여 동결관(131) 주변의 동결범위를 간접적으로 측정할 수 있도록 한다.

상기 온도센서(151)에서 측정된 온도값은 제어장치부(170)로 전송되어 각 동결관(131)의 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하게 된다.

다음으로 리턴탱크(160)에 대해 설명한다.

상기 리턴탱크(160)는 지반모형부(120)에서 배출된 시험용수를 회수하는 구성요소이다.

이때, 상기 지반모형부(120)와 리턴탱크(160) 사이에 용수회수라인(L1)을 설치하여 지반모형부(120)를 통과한 시험용수가 리턴탱크(160)로 회수되도록 한다.

이때, 상기 용수회수라인(L1)에는 지반모형부(120) 내의 시험용수가 일정 압력으로 배출되도록 하는 회수펌프(P1)가 설치된다.

상기 회수펌프(P1)는 지반모형부(120)의 자연 배출량보다 큰 유량으로 시험하기 위하여 용수회수라인(L1)에 압력을 형성하기 위해 설치한 펌프이다.

예컨대, 지반모형부(120)의 토사(또는 모래)를 통과하여 배출되는 최대유량은 수조(141)와 리턴탱크(160)의 수두차 및 지반모형부(120)의 모래의 투수계에 의해 결정된다.

이때, 상기 최대유량은 회수펌프(P1)에 의해 조절될 수 있다.

그리고, 상기 용수회수라인(L1)의 회수펌프(P1)가 설치되는 후단에는 배출되는 유량을 측정하고 조절하기 위한 배출유량조절부(F1)가 더 형성될 수 있다.

이때, 상기 배출유량조절부(F1)는 도 2에서 보는 바와 같이 유량계(F11) 및 유량조절밸브(F12)를 포함할 수 있다. 상기 유량계(F11)는 지반모형부(120)의 배출되는 시험용수의 유량을 측정하고, 상기 유량조절밸브(F12)는 배출되는 시험용수의 유량을 조절한다.

이때, 상기 유량계(F11)의 측정값은 제어장치부(170)로 전송되고, 제어장치부(170)는 설정값과 측정값을 비교하여 유량조절밸브(F12)를 자동으로 제어되도록 할 수 있다.

다음으로, 리턴탱크(160)에 대해 설명한다.

상기 리턴탱크(160)는 회수된 시험용수가 저장된다. 이때, 상기 리턴탱크(160)에는 열교환기(161)가 설치되는데, 상기 열교환기(161)는 회수된 시험용수의 온도를 측정하여 지하수 온도가 되도록 온도를 가열 또는 냉각하게 된다.

이때, 상기 열교환기(161)는 시험용수를 가열하기 위한 히터장치와 시험용수를 냉각하기 위한 냉각장치가 각각 구비되고, 시험용수의 가열 또는 냉각 상황에 따라서 두 개의 열교환장치를 선택적으로 가동하게 된다.

이때, 상기 리턴탱크(160)와 용수공급부(140) 사이에는 용수공급라인(L2)이 형성된다.

그리고, 상기 용수공급라인(L2)에는 리턴탱크(160) 내의 시험용수를 용수공급부(140)로 가압시켜 공급하는 공급펌프(P2)가 형성된다.

그리고, 상기 용수공급부(140)에서 오버플로우된 시험용수는 바이패스라인(L3)을 통해 리턴탱크(160)로 회수된다.

그리고, 상기 본체(110) 일측에는 제어장치부(170)가 설치되어 장치를 제어하게 된다.

그리고, 상기 본체(110)에는 장치의 이상 작동시 이를 경보하기 위한 경광등(180)을 설치할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법을 설명하는 플로우챠트이다.

도 4를 참조하여 본 발명에 따른 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법에 대해 설명한다.

먼저, 용수공급부(140)에 시험용수가 공급되는 1단계(s10)를 수행한다.

이때, 상기 1단계(s10)는 리턴탱크(160)와 용수공급부(140) 사이에 용수공급라인(L2)을 설치하고, 상기 용수공급라인(L2)에 설치한 공급펌프(P2)에 의해 리턴탱크(160) 내의 시험용수를 용수공급부(140)로 가압시켜 공급하도록 한다.

다음으로, 용수공급부(140)의 시험용수가 지반모형부(120)에 공급되는 2단계(s20)를 수행한다.

이때, 상기 2단계(s20)는 용수공급부(140)에서 오버플로우된 시험용수를 바이패스라인(L3)을 이용해 리턴탱크(160)로 유도할 수 있다.

다음으로, 지반모형부(120)의 냉각시스템(130)이 작동하여 동결차폐벽을 형성하는 3단계(s30)를 수행한다.

다음으로서, 지반모형부(120)의 시험용수가 리턴탱크(160)로 회수되는 4단계(s40)를 수행한다.

이때, 상기 4단계(s40)는, 지반모형부(120)와 리턴탱크(160) 사이에 용수회수라인(L1)을 설치하고, 상기 용수회수라인(L1)에 설치한 회수펌프(P1) 및 배출유량조절부(F1)에 의해 배출되는 시험용수의 배출압력 및 배출유량이 조절되도록 할 수 있다.

다음으로, 상기 리턴탱크(160)로 회수된 시험용수를 지하수 온도가 되도록 온도를 가열 또는 냉각하는 5단계(s50)를 수행한다.

이때, 상기 5단계(s50)는, 리턴탱크(160)로 회수된 시험용수의 온도를 측정하여 기 설정된 지하수 온도와 비교하고, 비교결과 시험용수의 온도가 지하수 온도보다 낮은 경우에는 열교환기(161)를 작동하여 시험용수를 지하수 온도까지 가열되도록 하며, 비교결과 시험용수의 온도가 지하수 온도보다 높은 경우에는 열교환기(161)를 작동하여 시험용수를 지하수 온도까지 냉각되도록 할 수 있다.

다음으로, 상기 지반모형부(120) 내의 동결관(131)의 둘레에 형성되는 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하는 6단계(s60)를 수행한다.

다음으로, 상기 1단계(s10) 내지 6단계(s60)를 순차적으로 반복 수행하는 7단계(s70)를 수행한다.

이때, 상기 7단계(s70)는 동결모의시험이 진행되는 동안 반복해서 수행된다.

이상에서와 같은 본 발명은 모의 지반환경 및 모의 지하수환경을 실내 실험장치에 구현되도록 하고, 상기 모의환경을 이용해서 지하수가 흐르는 지반에서의 동결차폐벽 형성 테스트를 실시함으로써, 지하수 흐름이 각 동결파이프의 동결범위에 미치는 영향과 지하수 유량 및 유속의 크기에 따른 동결범위 변화 등에 대한 정확한 데이터를 현장 실험을 통하지 않고도 얻을 수 있다. 또한, 본 발명은 실험장치의 유량제어 등을 통해 다양한 형태의 동결차폐벽 형성 데이터를 얻을 수 있고, 획득한 데이터를 적용하여 동결파이프의 적정 설치간격 등을 정확하게 시공할 수 있고, 모의 실험데이터를 기반으로 하는 정확한 현장 예측이 가능하도록 함으로써, 현장 시공에 소요되는 준비기간을 단축할 수 있는 효과를 갖는다.

이상에서와 같이 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

110: 본체 111: 다리받침
113: 방향성 캐스터 120: 지반모형부
130: 냉각시스템 131: 동결관
132: 냉각기 140: 용수공급부
141: 수조 142: 공급유량조절부
150: 동결벽측정시스템 151: 온도센서
160: 리턴탱크 161: 열교환기
170: 제어장치부 180: 경광등
F1: 배출유량조절부 F11: 유량계
F12: 유량조절밸브 L1: 용수회수라인
L2: 용수공급라인 L3: 바이패스라인
P1: 회수펌프 P2: 공급펌프

Claims (12)

1. 삭제
2. 토사가 채워져 지반환경을 모방하도록 된 지반모형부(120);
   상기 지반모형부(120)에 수평방향으로 설치되는 복수의 동결관(131)에 저온의 냉매를 공급하여 동결차폐벽이 형성되도록 하는 냉각시스템(130);
   상기 지반모형부(120)의 상부에 설치되어 일정양의 시험용수가 저수되도록 하고, 저수된 시험용수를 수직방향으로 지반모형부(120)를 통과시켜 지하수의 흐름을 모방하는 용수공급부(140);
   상기 동결관(131)의 둘레에 복수의 온도센서를 설치하고, 상기 온도센서의 측정값을 통해 각 동결관(131)의 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하는 동결벽측정시스템(150);
   상기 지반모형부(120)에서 배출된 시험용수를 회수하는 리턴탱크(160);
   상기 지반모형부(120), 냉각시스템, 용수공급부(140), 동결벽측정시스템(150), 및 리턴탱크(160)가 결합 설치되어 단독으로 이동할 수 있도록 된 본체(110); 및
   상기 본체(110) 일측에 설치되어 장치를 제어하는 제어장치부(170);를 포함하되,
   상기 리턴탱크(160)는 회수된 시험용수가 지하수 온도가 되도록 온도를 가열 또는 냉각하는 열교환기(161)를 구비하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 지반모형부(120)와 리턴탱크(160) 사이에 용수회수라인(L1)을 설치하고, 상기 용수회수라인(L1)에는 지반모형부(120) 내의 시험용수가 일정 압력으로 배출되도록 하는 회수펌프(P1) 및 배출되는 유량을 측정하고 조절하기 위한 배출유량조절부(F1)를 형성하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치.
   
4. 삭제
5. 제 2항에 있어서,
   상기 리턴탱크(160)와 용수공급부(140) 사이에 용수공급라인(L2)을 설치하고, 상기 용수공급라인(L2)에는 리턴탱크(160) 내의 시험용수를 용수공급부(140)로 가압시켜 공급하는 공급펌프(P2)를 형성하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치.
   
6. 제 2항에 있어서,
   상기 용수공급부(140)에서 오버플로우된 시험용수를 리턴탱크(160)로 유도하는 바이패스라인(L3)을 형성하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치.
   
7. 제 2항에 있어서,
   상기 용수공급부(140)는 지반모형부(120)의 상측에 형성되는 밀폐 구조의 수조(141)와, 상기 수조(141)에 시험용수를 일정유량으로 공급되도록 조절하는 공급유량조절부(142)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험장치.
   
8. 용수공급부(140)에 시험용수가 공급되는 1단계(s10);
   용수공급부(140)의 시험용수가 지반모형부(120)에 공급되는 2단계(s20);
   지반모형부(120)의 냉각시스템(130)이 작동하여 동결차폐벽을 형성하는 3단계(s30);
   지반모형부(120)의 시험용수가 리턴탱크(160)로 회수되는 4단계(s40);
   상기 리턴탱크(160)로 회수된 시험용수를 지하수 온도가 되도록 온도를 가열 또는 냉각하는 5단계(s50);
   상기 지반모형부(120) 내의 동결관(131)의 둘레에 형성되는 동결범위와 동결차폐벽의 분포를 검출하는 6단계(s60); 및
   상기 1단계(s10) 내지 6단계(s60)를 순차적으로 반복 수행하는 7단계(s70);를 포함하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 4단계(s40)는, 지반모형부(120)와 리턴탱크(160) 사이에 용수회수라인(L1)을 설치하고, 상기 용수회수라인(L1)에 설치한 회수펌프(P1) 및 배출유량조절부(F1)에 의해 배출되는 시험용수의 배출압력 및 배출유량이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법.
   
10. 제 8항에 있어서,
    상기 5단계(s50)는, 리턴탱크(160)로 회수된 시험용수의 온도를 측정하여 기 설정된 지하수 온도와 비교하고, 비교결과 시험용수의 온도가 지하수 온도보다 낮은 경우에는 열교환기(161)를 작동하여 시험용수를 지하수 온도까지 가열되도록 하며, 비교결과 시험용수의 온도가 지하수 온도보다 높은 경우에는 열교환기(161)를 작동하여 시험용수를 지하수 온도까지 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법.
    
11. 제 8항에 있어서,
    상기 1단계는, 리턴탱크(160)와 용수공급부(140) 사이에 용수공급라인(L2)을 설치하고, 상기 용수공급라인(L2)에 설치한 공급펌프(P2)에 의해 리턴탱크(160) 내의 시험용수를 용수공급부(140)로 가압시켜 공급하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법.
    
12. 제 8항에 있어서,
    상기 2단계(s20)는, 용수공급부(140)에서 오버플로우된 시험용수를 바이패스라인(L3)을 이용해 리턴탱크(160)로 유도하는 것을 특징으로 하는 동결관을 이용한 지반동결 모의시험방법.

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