KR102191168B1 - 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 방법은 가압 펌프로 유체를 주입하여 강관 팽창형 록볼트를 가압하는 단계(a), 상기 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창압력으로 상기 가압 펌프를 제어하는 단계(b)를 포함한다.

Description

인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING THE INTERNAL PRESSURE OF EXPANDABLE STEEL PIPE ROCK BOLT}
본 발명은 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치에 관한 것으로, 터널 구조물의 지보재로 사용되는 강관 팽창형 록볼트의 인발력을 향상시키기 위한 내압 제어방법 및 장치에 관한 것이다.
록볼트(Rock Bolt)는 터널 구조물에 사용되는 지보재로, 터널에 형성된 천공홀 내에 삽입되어 시멘트계 혹은 수지계의 정착제를 통해 정착력을 발휘하는 강봉(Steel Pipe)에 해당한다. 록볼트는 사용재료 구득의 용이성, 뛰어난 경제성 및 확실한 보강효과로 인해 널리 사용되어 왔다. 그러나 정착제를 이용한 방법은 양생기간을 필요로 하기 때문에 설치 후 즉시 지보효과를 발휘하기 어렵다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 강관 팽창형 록볼트(Expanding Type Steel Pipe Rock Bolt)의 사용이 요구된다. 강관 팽창형 록볼트는 Ω 형상으로 접철된 강관으로, 강관의 소성(Plasticity) 및 지반의 탄성(Elasticity)을 통해 지보효과를 발휘한다. 보다 구체적으로, 강관 팽창형 록볼트는 천공홀에 삽입되어 강관 내의 수압에 의해 팽창됨으로써 지반을 반경방향 바깥쪽으로 수축시킨다. 이후 수압이 제거되면, 지반은 반경방향 안쪽으로 이완되어 소성변형된 강관 사이에 마찰력을 발생시켜 지보효과를 발휘할 수 있다.
강관 팽창형 록볼트의 지보효과는 시공환경 및 작업자의 역량에 따라 달라질 수 있다. 시공환경 및 작업자에 상관없이 강관 팽창형 록볼트의 장점과 성능을 유지하기 위해서 시공 시 계측되는 데이터를 이용한 자동제어 시스템이 필요하다.
한국 등록특허공보 제10-1675752(2016.11.08)호는 강관 팽창형 록볼트의 유체 주입장치 및 시공방법에 관한 것으로, 지반의 천공구에 삽입되는 강관 팽창형 록볼트의 강관 후단부에 콜렛홀더, 콜렛, 체결너트 및 주입호스를 설치함으로써 상기 강관 내부에 유체가 주입되어 강관이 지름방향으로 팽창하여 지반에 정착되고 또한 구조가 간단하여 강관 팽창형 록볼트에 간편하고 용이하게 설치 및 철거를 할 수 있는 강관 팽창형 록볼트의 유체 주입장치 및 시공방법을 제공한다.
한국 등록특허공보 제10-1696374(2017.01.09)호는 설치 상태의 점검이 가능한 팽창형 락볼트의 시공방법에 관한 것으로, 팽창형 락볼트의 설치단계부터 설치완료까지의 설치 과정의 상태를 팽창형 락볼트 내부에 주입하는 유체의 압력과 주입 시간 등의 조건들을 수치화된 데이터로 출력함으로써, 팽창형 락볼트의 설치 상태를 실시간으로 점검하여 정상 설치 유무를 용이하게 판단할 수 있는 것을 특징으로 하는 설치 상태의 점검이 가능한 팽창형 락볼트의 시공방법을 제공한다.
한국 등록특허공보 제10-1675752(2016.11.08)호 한국 등록특허공보 제10-1696374(2017.01.09)호
본 발명의 일 실시예는 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창압력으로 가압 펌프를 제어하는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 강관 팽창형 록볼트의 내압을 제어 안정치를 고려하여 상기 완전 팽창압력의 80% ~ 90%까지 증가시키는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 지반의 탄성계수 및 공경비에 따라 결정되는 강관 팽창형 록볼트의 팽창 거동을 기초로 지반의 성질을 구분하는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 지반의 성질에 따라 강관 팽창형 록볼트의 내압을 최대 허용압력 또는 완전 팽창압력까지 증가시키는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법은 가압 펌프로 유체를 주입하여 강관 팽창형 록볼트를 가압하는 단계(a), 상기 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창압력으로 상기 가압 펌프를 제어하는 단계(b)를 포함한다.
상기 완전 팽창압력은 유체 주입에 따라 팽창되는 상기 강관 팽창형 록볼트의 유효 길이 및 내경에 비례할 수 있다.
상기 (b) 단계는 지반의 탄성계수 및 공경비에 따라 결정되는 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창 거동을 기초로 상기 지반의 성질을 구분하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창 거동은 상기 공경비의 로그함수에 반비례할 수 있다.
상기 (b) 단계는 상기 제1 성질에서 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 최대 허용압력까지 증가시키고, 상기 제2 성질에서 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 상기 완전 팽창압력까지 증가시킬 수 있다.
상기 (b) 단계는 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 제어 안정치를 고려하여 상기 완전 팽창압력의 80% ~ 90%까지 증가시킬 수 있다.
실시예들 중에서, 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어장치는 가압 펌프로 유체를 주입하여 강관 팽창형 록볼트를 가압하는 가압 모듈 및 상기 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창압력으로 상기 가압 펌프를 제어하는 제어 모듈을 포함한다.
상기 가압 펌프는 상기 제어 모듈에 의해 제어되어 목표 압력에 도달한 순간 정지 가능한 순간 가압 펌프에 해당할 수 있다.
상기 완전 팽창압력은 유체 주입에 따라 팽창되는 상기 강관 팽창형 록볼트의 유효 길이 및 내경에 비례할 수 있다.
상기 제어 모듈은 지반의 탄성계수 및 공경비에 따라 결정되는 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창 거동을 기초로 상기 지반의 성질 결정할 수 있다.
상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창 거동은 상기 공경비의 로그함수에 반비례할 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 제1 성질에서 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 최대 허용압력까지 증가시키고, 상기 제2 성질에서 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 상기 완전 팽창압력까지 증가시킬 수 있다.
상기 제어 모듈은 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 제어 안정치를 고려하여 상기 완전 팽창압력의 80% ~ 90%까지 증가시킬 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치는 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창압력으로 가압 펌프를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치는 강관 팽창형 록볼트의 내압을 제어 안정치를 고려하여 상기 완전 팽창압력의 80% ~ 90%까지 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치는 지반의 탄성계수 및 공경비에 따라 결정되는 강관 팽창형 록볼트의 팽창 거동을 기초로 지반의 성질을 구분할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치는 지반의 성질에 따라 강관 팽창형 록볼트의 내압을 최대 허용압력 또는 완전 팽창압력까지 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강관 팽창형 록볼트를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어 과정을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어 시스템을 설명하는 도면이다.
도 4는 지반의 탄성계수에 따른 강관 팽창형 록볼트의 평균 접촉응력을 나타내는 그래프이다.
도 5는 공경비에 따른 강관 팽창형 록볼트의 평균 접촉응력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법에 따른 인발 시험결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강관 팽창형 록볼트를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 강관 팽창형 록볼트(100)는 유체 주입부(110), 강관 팽창부(120) 및 선단부를 포함한다.
측면도에서, 유체 주입부(110)는 호스를 통해 가압 모듈과 연결되어 강관 팽창형 록볼트(100)의 내부로 유체를 주입하기 위한 송수로에 해당하고, 강관 팽창부(120)는 내부로 주입된 유체의 압력에 의해 팽창하는 부분에 해당하며 선단부(130)는 고압에 의한 강관의 팽창 시 외부로 유체의 유출을 방지하도록 밀폐된 부분에 해당한다.
단면도에서, 강관 팽창부(120)는 단면의 관점에서 원형 강관의 외주면 일측을 내부로 요입하여 굽혀진 모양으로 형성되며 내부로 주입되는 유체에 의해 팽창되어 지보효과를 발휘할 수 있다. 이때 지보효과는 강관 팽창형 록볼트(100) 및 천공홀 사이의 접촉응력에 따라 발생하는 인발력(마찰력)에 해당한다. 보다 구체적으로, 강관 팽창부(120)는 천공홀에 삽입되어 강관 내의 수압에 의해 팽창됨으로써 지반을 반경방향 바깥쪽으로 수축시킨다. 이후 수압이 제거되면, 지반은 반경방향 안쪽으로 이완되어 소성변형된 강관 사이에 마찰력을 발생시켜 지보효과를 발휘할 수 있다. 따라서, 인발력은 지반의 이완량 및 강관의 수축량에 따라 결정된다.
상기에서, 강관 팽창형 록볼트의 형상 및 동작구조를 설명하기 위해 도면부호를 사용하였으나, 본 발명은 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법 및 장치에 관한 것이므로 이후에서는 설명의 편의를 위해 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어 과정을 설명하는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법은 파라미터 입력 단계(S210), 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건(Eult)을 결정하는 단계(S220), 팽창 조건에 따라 지반의 성질을 구분하는 단계(S230), 지반의 성질 따라 강관 팽창형 록볼트의 내압을 최대 허용압력까지 가압하는 단계(S240), 지반의 성질 따라 강관 팽창형 록볼트의 내압을 제어 안정치를 고려한 완전 팽창압력까지 가압하는 단계(S250) 및 압력 해제 단계(S260)을 포함한다.
단계 S210에서, 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법을 위한 파라미터 입력이 요구된다. 여기에서, 파라미터는 강관 팽창형 록볼트의 길이(L), 내경(Dp,in), 외경(Dp,out), 허용압력(Pmax), 천공홀의 직경(Db) 및 지반의 탄성계수(Er)를 포함한다.
보다 상세하게는, 강관 팽창형 록볼트의 내경 및 외경은 강관 팽창형 록볼트의 제작에 사용된 원형 강관의 내경 및 외경에 해당할 수 있다. 강관 팽창형 록볼트의 허용압력은 일반적으로 강관 팽창형 록볼트의 충분한 팽창을 위해 사용되는 내압의 크기로 25MPa 내지 30MPa에 해당할 수 있다. 천공홀의 직경은 지반에 형성되어 강관 팽창형 록볼트를 삽입하는 원형 삽입공의 직경에 해당할 수 있다. 지반의 탄성계수는 천공홀의 반경방향으로 변형되는 지반의 항복 거동에 따른 탄성계수에 해당할 수 있다.
단계 S220에서, 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건을 결정한다. 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건은 지반의 탄성계수 및 공경비에 의해 결정될 수 있다. 여기에서, 지반의 탄성계수는 지반의 탄성계수는 현장시험 또는 실내시험을 통해 구해지는 탄성 한도 이내의 변형(Strain)에 대한 응력(Stress)의 비에 해당하고 공경비(Rd=Db/Dp,out)는 강관 팽창형 록볼트의 외경에 대한 천공홀의 직경의 비에 해당한다. 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건은 공경비에 의해 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018088229136-pat00001
여기에서, Eult는 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건, Rd는 공경비, a 및 b는 상수에 해당하고 a는 0.00763 및 b는 -0.0357의 값을 가질 수 있다. 강관 팽창형 록볼트의 팽창함수에 대해서는 도 4 내지 도 7에서 보다 자세히 설명하도록 한다.
단계 S230에서, 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건에 따라 지반의 성질을 비교적 강성인 제1 성질 또는 비교적 연성인 제2 성질로 구분한다. 일 실시예에서, 지반의 성질은 지반의 탄성계수 및 공경비로 구성된 좌표값(Er, Rd)을 강관 팽창형 록볼트의 팽창함수와 비교하여 팽창함수 아래에 위치하는 경우 제1 성질로, 팽창함수 상에 위치하거나 또는 그보다 위에 위치하는 경우 제2 성질로 구분할 수 있다.
단계 S240에서, 지반의 성질 따라 강관 팽창형 록볼트의 내압을 최대 허용압력까지 가압한다. 여기에서, 지반의 성질은 비교적 강성인 제1 성질에 해당한다. 강관은 제1 성질의 지반인 경우에는 최대 혀용압력 이내에서 완전히 팽창하지 않으므로 접촉응력은 내압의 증가에 따라 증가하게 된다. 최대 허용압력은 일반적으로 25MPa ~ 30MPa에 해당할 수 있다.
단계 S250에서, 지반의 성질 따라 강관 팽창형 록볼트의 내압을 제어 안정치를 고려한 완전 팽창압력까지 가압한다. 여기에서, 지반의 성질은 비교적 연성인 제2 성질에 해당한다. 강관은 제2 성질의 지반인 경우에는 혀용압력 이내에서 완전히 팽창하게 된다. 완전히 팽창된 강관의 접촉응력은 내압의 증가에도 따라 증가하지 않고 오히려 감소할 수 있다. 따라서, 내압은 아래 식과 같이 정의되는 강관 내부에 주입된 유체의 최대 부피에 따른 완전 팽창압력까지 증가되도록 제어된다.
Figure 112018088229136-pat00002
여기에서, Vmax는 강관 내부에 주입된 유체의 최대 부피, Dp,in은 강관 팽창형 록볼트의 내경, L은 강관 팽창형 록볼트의 길이에 해당한다. 강관 팽창형 록볼트의 길이는 강관 팽창형 록볼트의 양단에 굽혀져 형성된 유체 주입부 및 선단부를 제외한 내압에 의해 증가되는 강관 팽창부의 길이에 해당하고, 완전 팽창압력(Qmax)은 강관 내부에 주입된 유체의 최대 부피(Vmax)에서의 내압에 해당한다.
일 실시예에서, 강관 팽창형 록볼트의 내압은 제어 안정치를 고려하여 아래 식과 같이 정의되는 제어 안정치를 고려한 완전 팽창압력까지 증가되도록 제어될 수 있다.
Figure 112018088229136-pat00003
여기에서, Qsafe는 제어 안정치를 고려한 완전 팽창압력에 해당하고 f는 안전계수로 0.8 ~ 0.9의 값을 가질 수 있다.
단계 S260에서, 압력이 해제 해제되고 강관 팽창형 록볼트는 천공홀에 삽입되어 가압 모듈과와 분리되며 강관 팽창형 록볼트의 시공이 완료된다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어 시스템을 설명하는 도면이다.
도 3를 참조하면, 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어 장치(300)는 가압 모듈(310), 제어 모듈(320) 및 디스플레이(330)를 포함한다.
가압 모듈(310)는 가압 펌프, 압력 센서, 유량 센서 및 수위 센서를 포함할 수 있다. 가압 펌프는 제어 모듈(320)에 의해 제어되어 주입 호스 통해 강관 팽창형 록볼트로 유체를 주입할 수 있다. 여기에서, 주입 호스는 가압 펌프 및 강관 팽창형 록볼트의 주입부를 연결하는 송수로에 해당하고 강관 팽창형 록볼트에 가해지는 유체의 압력 및 유량을 측정할 수 있도록 압력 센서 및 유량 센서를 포함한다. 또한, 수위 센서는 강관 팽창형 록볼트로 주입 되는 유체를 보관하는 수조에 설치되어 남아있는 유체의 양을 측정할 수 있다.
제어 모듈(320)은 압력 센서, 유량 센서 및 수위 센서로부터 측정값을 수신하고 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어 알고리즘에 따라 가압 펌프를 가동시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어 알고리즘은 지반의 탄성계수 및 공경비에 따라 결정되는 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건을 기초로 지반의 성질을 비교적 강성인 제1 성질 또는 비교적 연성인 제2 성질로 구분하고, 이에 따라 최대 인발력을 발현할 수 있는 내압의 크기를 최대 허용압력 또는 완전 팽창압력으로 각각 결정하여 가압 펌프를 작동하도록 제어할 수 있다.
제어부(320)는 가압 모듈(310)의 전체적인 동작을 제어하고, 가압 모듈(310) 및 디스플레이(330) 간의 제어 흐름 또는 데이터 흐름을 관리할 수 있다. 제어부(320)는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어 알고리즘에서 사용되는 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건 및 완전 팽창압력을 산출하기 위한 파라미터들을 저장하는 데이터베이스를 포함하여 구현될 수 있고 또는, 별개로 구성된 데이터베이스와 네트워크를 통해 연동되어 구현될 수 있다.
디스플레이부(330)는 제어 모듈(320)을 통해 압력 센서, 유량 센서 및 수위 센서로부터 측정값을 수신하고 이를 실시간으로 표시할 수 있다. 특히, 디스플레이(330)는 수조에 설치된 수위 센서의 측정에 따라 수조의 수위가 일정 수준 이하인 경우 경고 알람을 표시할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 지반의 탄성계수 및 공경비의 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건에 대한 영향을 설명하는 그래프이고, 도 4는 지반의 탄성계수에 따른 강관 팽창형 록볼트의 평균 접촉응력을 나타내는 그래프이다.
도 4 내지 도 7에서, 강관 팽창형 록볼트 및 천공홀은 반경방향에 대해서 평면변형률 상태이므로 2차원 형태의 모델링을 통해 접촉 이론 및 응력분포 해석될 수 있다. 아래에서, 접촉 이론 및 응력분포 해석에 대해 개략적으로 설명한다.
1) 접촉 이론
접촉 이론은 수치 해석 상 둘 이상의 물체에 대한 접촉 거동에 관한 것으로, 일반적으로 접촉 거동은 기하 비선형성을 보인다. 강관 팽창형 록볼트 및 지반은 하중에 따라 형상이 변하는 탄소성 변형체이므로 접촉응력 및 마찰응력은 양 물체간 거리에 의해 결정될 수 있고 이 때, 수직응력은 Kuhn - Tucker 조건에 따라 양 물체간 거리에 반비례하여 발생한다.
2) 응력분포 해석
강관 팽창형 록볼트의 단면은 Ω 형상으로 설치 과정에 따른 응력분포의 변화를 야기할 수 있다. 따라서, 접촉응력은 특정 위치에 집중될 수 있으므로 내압의 변화에 따른 접촉응력의 변화를 파악하기 위해 사다리꼴 적분 방식을 이용하여 천공홀의 반경방향에 대한 응력 그래프의 면적을 구하고 이를 천공홀의 길이로 나누어 다음과 같이 평균 접촉응력을 산출할 수 있다.
Figure 112018088229136-pat00004
여기에서, σc는 평균 접촉응력, D는 천공홀의 직경, σc,n은 n노드에서의 접촉응력, Sn,n+1은 n노드와 n+1노드 사이의 거리에 해당한다.
도 4에서, 평균 접촉응력은 강관의 완전 팽창 시에는 지반 탄성계수의 증가에 따라 증가하였으나, 강관의 부분 팽창 시에는 지반 탄성계수의 증가에 따라 감소하였다. 따라서, 강관과 지반의 접촉응력은 지반의 성질에 따라 변화하므로 지반의 항복 거동에 해당하는 지반의 성질에 따라 강관에 가하는 내수압의 제어가 요구된다.
도 5는 공경비에 따른 강관 팽창형 록볼트의 평균 접촉응력을 나타내는 그래프이다.
도 5에서, 평균 접촉응력은 강관의 완전 팽창 시에는 공경비의 증가에 따라 감소하였으나, 강관의 부분 팽창 시에는 공경비의 증가에 따라 증가하였다. 따라서, 강관과 지반의 접촉응력은 공경비에 따라 변화하므로 강관 팽창형 록볼트의 외경에 대한 천공홀의 직경의 비에 해당하는 공경비에 따라 강관에 가하는 내수압의 제어가 요구된다.
도 6은 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건을 나타내는 그래프이다.
도 6에서, 지반 탄성계수의 감소에 따라 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창을 위한 공경비는 증가하는 것으로 나타났고, 지반 탄성계수에 따른 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창을 위한 공경비를 알 수 있다. 따라서 앞에서 설명하였듯이, 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건은 공경비에 의해 아래와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112018088229136-pat00005
여기에서, Eult는 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건, Rd는 공경비, a 및 b는 상수에 해당하고 a는 0.00763 및 b는 -0.0357의 값을 가질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법에 따른 인발 시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 7에서, 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법의 효과를 검증하기 위해 인발시험을 실시한 결과, 인발력은 터널 현장 기준인 12tonf를 상회하는 것으로 나타났고 용수구간에서도 충분히 발현되었다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 강관 팽창형 록볼트
110: 유체 주입부
120: 강관 팽창부
130: 선단부
200: 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어장치
210: 가압 모듈
220: 제어 모듈
230: 디스플레이

Claims (13)

  1. (a) 가압 펌프로 유체를 주입하여 강관 팽창형 록볼트를 가압하는 단계; 및
    (b) 상기 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창압력으로 상기 가압 펌프를 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 (b) 단계는
    상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창조건(Eult)을 하기 수학식 1을 통해 결정하고,
    지반의 탄성계수 및 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건을 기초로 지반의 성질을 구분하되, 지반의 탄성계수 및 공경비로 구성된 좌표값(Er,Rd)을 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창함수와 비교하여 팽창함수 아래에 위치하는 경우 지반의 탄성계수가 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창조건 보다 큰 강성의 제1 성질로, 팽창함수 상에 위치하거나 또는 그보다 위에 위치하는 경우 지반의 탄성계수가 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창조건 보다 작은 연성의 제2 성질로 구분하고,
    강성의 제1 성질 지반인 경우 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 최대 허용압력까지 증가시키고, 연성의 제2 성질 지반인 경우 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 제어 안정치를 고려한 완전 팽창압력(Qsafe)까지 증가시키고,
    상기 제어 안정치를 고려한 완전 팽창압력(Qsafe)은 하기 수학식 2로 정의되는 것을 특징으로 하는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법.
    [수학식 1]
    Figure 112020121407674-pat00013

    여기에서, Rd는 공경비로 강관 팽창형 록볼트의 외경(Dp.out)에 대한 천공홀의 직경(Db)의 비에 해당하고, a 및 b는 상수에 해당하고,
    [수학식 2]
    Figure 112020121407674-pat00014

    여기에서, Qmax는 완전 팽창압력에 해당하고, f는 안전계수로 0.8 내지 0.9의 값을 갖는다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 완전 팽창압력은
    유체 주입에 따라 팽창되는 상기 강관 팽창형 록볼트의 유효 길이 및 내경에 비례하는 것을 특징으로 하는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어방법.
  3. 삭제
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  7. 가압 펌프로 유체를 주입하여 강관 팽창형 록볼트를 가압하는 가압 모듈; 및
    상기 강관 팽창형 록볼트의 완전 팽창압력으로 상기 가압 펌프를 제어하는 제어 모듈을 포함하되,
    상기 제어 모듈은
    상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창조건(Eult)을 하기 수학식 1을 통해 결정하고,
    지반의 탄성계수 및 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창 조건을 기초로 지반의 성질을 구분하되, 지반의 탄성계수 및 공경비로 구성된 좌표값(Er,Rd)을 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창함수와 비교하여 팽창함수 아래에 위치하는 경우 지반의 탄성계수가 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창조건 보다 큰 강성의 제1 성질로, 팽창함수 상에 위치하거나 또는 그보다 위에 위치하는 경우 지반의 탄성계수가 상기 강관 팽창형 록볼트의 팽창조건 보다 작은 연성의 제2 성질로 구분하고,
    강성의 제1 성질 지반인 경우 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 최대 허용압력까지 증가시키고, 연성의 제2 성질 지반인 경우 상기 강관 팽창형 록볼트의 내압을 제어 안정치를 고려한 완전 팽창압력(Qsafe)까지 증가시키고,
    상기 제어 안정치를 고려한 완전 팽창압력(Qsafe)은 하기 수학식 2로 정의되는 것을 특징으로 하는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어장치.
    [수학식 1]
    Figure 112020121407674-pat00015

    여기에서, Rd는 공경비로 강관 팽창형 록볼트의 외경(Dp.out)에 대한 천공홀의 직경(Db)의 비에 해당하고, a 및 b는 상수에 해당하고,
    [수학식 2]
    Figure 112020121407674-pat00016

    여기에서, Qmax는 완전 팽창압력에 해당하고, f는 안전계수로 0.8 내지 0.9의 값을 갖는다.
  8. 제7항에 있어서, 상기 가압 펌프는
    상기 제어 모듈에 의해 제어되어 목표 압력에 도달한 순간 정지 가능한 순간 가압 펌프에 해당하는 것을 특징으로 하는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 완전 팽창압력은
    유체 주입에 따라 팽창되는 상기 강관 팽창형 록볼트의 유효 길이 및 내경에 비례하는 것을 특징으로 하는 인발력 발현을 고려한 강관 팽창형 록볼트의 내압 제어장치.
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