KR102249084B1

KR102249084B1 - 지반함몰 위험도 분석 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102249084B1
Application number: KR1020190155312A
Authority: KR
Inventors: 최재호; 알리 하이밧
Original assignee: 동아대학교 산학협력단
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-05-07

Abstract

본 발명은 지반함몰 위험도 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 지질, 지반의 거동을 파악하기 위한 분석 장치를 이용하고, 상·하수관 누수로 인하여 발생할 수 있는 다양한 상황에 맞추어 누수 방향, 지층 구조 등과 같은 실험 조건을 바꾸어 가며 지반함몰 현상을 모사하여 관측함으로써, 위험지표를 고찰할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 지반함몰 위험도 분석 장치는 내부에 토사가 수용되어 지반을 조성하고, 측면으로 누수가 발생하는 배관이 관통 삽입되는 토조부; 상기 배관의 일측과 연결되어 물을 공급하는 유체 공급부; 상기 물의 유동을 제어하는 유체 제어부; 상기 지반의 침하 깊이를 측정하는 침하 측정부; 및 상기 침하 깊이를 기 설정된 침하 깊이 기준과 비교하여 위험도를 산출하는 위험도 산출부;를 포함하고, 상기 유체 제어부는 물의 유동을 교번적으로 제어하여 배관으로 물을 공급할 수 있다.

Description

지반함몰 위험도 분석 장치 및 방법{Experimental Device and Method for Sinkhole Risk Analysis}

본 발명은 지반함몰 위험도 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지질, 지반의 거동을 파악하기 위한 분석 장치를 이용하고, 상하수관 누수 등 인위적인 영향으로 인해 지반함몰이 발생할 수 있는 다양한 상황에 맞추어 누수 방향, 지층 구조 등 실험 조건을 바꾸어 가며 지반함몰 현상을 모사하여 관측함으로써, 지반함몰 위험도를 도출하기 위한 장치 및 분석 방법에 관한 것이다.

최근 들어 지표면에 지반함몰(싱크홀)이 종종 발생하여 사회적 관심이 집중되고 있다. 지반함몰은 지반 내에 빈 공간이 생기는 것으로 주로 지하수의 암반층 용식작용, 지하수 흐름에 따른 토사 유출 또는 인위적인 영향으로 발생하게 된다.

도심지에서 발생하는 지반함몰은 대부분 인위적인 영향에 의한 것으로, 토사 지반의 터널을 굴착하거나 지하 매설물의 손상, 과다한 지하수 이용 등으로 지반이 함몰된다. 그 중에서도 상하수도 등의 지하 시설물 또는 그 연결부가 노후되거나 파손되었을 때 생기는 누수로 인해 토사가 물과 함께 빠져나와 발생하는 지반 함몰이 국내에서 가장 빈도가 높다.

이에 따라, 지하시설물이 구축 된 후에도 지하수의 수위와 경로가 변화되기 때문에 지하공간 정보망을 이용하여 일정 기간 동안은 지반의 안전성을 꾸준히 모니터링할 필요가 있다. 또한 지하공간 정보망과 지하수 및 지질환경 변화로 인한 지반 안전성의 영향을 모니터링하고 유지관리할 수 있는 시스템이 필요하다. 따라서 최근에 지반함몰 피해로 인한 지반함몰 발생원인에 대한 명확한 규명작업과 도심지 지반 방재 및 지반 안정성 평가에 대한 필요성이 제기되고 있다.

지반함몰에 대비하기 위해서는 지반함몰의 발생 원인에 대한 규명을 시작으로, 실제 지층 구조와 환경에 따른 지반함몰의 발생 위험도를 분석할 수 있어야 한다. 현재 지반함몰이 발생하는 물리적 원인은 어느 정도 규명하였지만, 상기 원인에 따른 위험을 평가하고 예측하는 데에는 한계를 보이고 있다.

본 발명은 인위적인 영향에 의해 발생하는 지반함몰의 위험을 평가하고 예측하기 위한 것으로, 상하수관의 누수 방향, 지층 구조, 물의 유동 타입 등 지반함몰 발생 요인을 통해 실제 지층 구조 및 환경을 모사하고, 지반함몰과 연동시켜 위험도를 도출할 수 있는 지반함몰 위험도 분석 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 지반함몰 위험도 분석 장치는 내부에 토사가 수용되어 지반을 조성하고, 측면으로 누수가 발생하는 배관이 관통 삽입되는 토조부; 상기 배관의 일측과 연결되어 물을 공급하는 유체 공급부; 상기 물의 유동을 제어하는 유체 제어부; 상기 지반의 침하 깊이를 측정하는 침하 측정부; 및 상기 침하 깊이를 기 설정된 침하 깊이 기준과 비교하여 위험도를 산출하는 위험도 산출부;를 포함하고, 상기 유체 제어부는 물의 유동을 교번적으로 제어하여 배관으로 물을 공급할 수 있다.

이 경우, 상기 침하 측정부는 상기 토조부 상면에 구비되어 기 설정된 지반 위치별 침하 깊이를 측정하는 거리 측정센서를 포함하고, 상기 위험도 산출부는 측정되는 침하 깊이 중 가장 높은 값과 기 설정된 침하 깊이 기준을 비교하여 위험도를 산출할 수 있다.

아울러, 상기 배관의 타측과 연결되어 물을 회수하는 유체 회수부;를 더 포함하고, 상기 유체 제어부는 유체 회수부에서의 물의 유량과 유체 공급부에서의 물의 유량을 비교하여 배관으로부터 누수되는 물의 유량을 계산할 수 있다.

본 발명에 따른 지반함몰 위험도 분석 장치 및 방법을 통하여 지반함몰 발생 요인에 따른 지반 침하 깊이 및 토사의 물성 변화를 측정하고 분석하여 지반함몰 위험의 정도 또는 위험성이 생기기 쉬운 정도를 정량적으로 나타낼 수 있고,

지반함몰 위험도 분석 장치에서 깊이 측정센서를 이용하여 지반함몰 현상으로 인해 실시간으로 변화하는 침하 깊이를 모니터링할 수 있다.

본 발명으로부터 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 은 본 발명의 실시예에 따른 토조부의 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 지반함몰 위험도 분석 장치의 모식도이다.
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지반함몰 위험도 분석 장치의 모식도이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 토조부의 단면도이다.
도 5 및 도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 공동부가 형성된 토조부의 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 지반함몰 현상이 발생하는 토조부의 단면도이다.
도 8 내지 도 10 은 지반함몰 위험도 분석 방법의 실시예이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함 한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에서 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 지반침하(함몰)는 이른바 싱크홀을 포함하여 지반에 공동이 생기거나 지반이 가라앉는 현상을 통칭하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 지반함몰 위험도 분석 장치는 도 1 내지 도 2에서 보는 바와 같이 내부에 토사(11)가 수용되어 지반을 조성하고, 측면으로 배관(12)이 관통 삽입되는 토조부(1); 상기 배관(12)의 일측과 연결되어 물을 공급하는 유체 공급부(2); 상기 물의 유동을 제어하는 유체 제어부(3); 상기 지반의 침하 깊이를 측정하는 침하 측정부(4); 상기 침하 깊이를 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준과 비교하여 위험도를 산출하는 위험도 산출부; 상기 토조부 내에 구비되어 상기 토사의 물성변화를 측정하는 토사 측정부(6); 및 상기 배관의 타측과 연결되어 물을 회수하는 유체 회수부(7);를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 배관(12)에는 소정의 구멍이 형성되고, 상기 구멍으로 물이 누수되므로, 배관(12)을 회전시켜 누수되는 방향을 위(토조부의 바닥면 방향), 아래(토조부의 윗면 방향) 또는 옆(토조부의 측면 방향)으로 설정할 수 있다.

또한, 상기 토조부(1) 하단에는 물 및 지반 침하에 따른 유실물이 배출되도록 배출구(13)가 형성될 수 있다.

그리고 상기 토조부(1)는 가로 700mm, 세로 330mm, 높이 600mm의 크기이며, 상면과 측면은 투명 아크릴 판으로 이루어져 실험자가 지반함몰 현상을 관찰하도록 제작될 수 있다. 그리고 측면에는 배관(12)이 관통 삽입되도록 42mm의 구멍이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 배관(12)은 외부직경이 40mm, 내부직경이 36mm인 PVC 파이프로 구성될 수 있다.

상기 유체 공급부(2)는 물이 저장되는 유체 저장부(22)와 기 설정된 소정의 압력으로 배관에 물을 공급하는 펌프(21)를 포함할 수 있다.

그리고 유체 공급부(2) 일측에 결합된 유체 제어부(3)는 물의 유동을 교번적으로 제어하여 배관(12)으로 물을 전달할 수 있다. 아울러, 유체 제어부(3)는 유체 회수부(7)에서의 물의 유량과 유체 공급부(2)로부터 배관(12)으로 공급되는 물의 유량을 비교하여 배관(12)에서 누수되는 물의 유량을 계산할 수 있다. 이 경우, 유체 공급부(2)로부터 공급되는 물의 압력에 따라 변화하는 누수 유량을 정량적으로 측정함으로써, 실험을 보다 정확하게 실시할 수 있을 것이다.

또한, 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 유체 회수부(7)없이 상기 배관(12)의 타측을 유체 저장부(22)와 연결하여 물을 회수시킬 수도 있다.

상기 토사(11)는 자연상태의 것 그대로 기반암(Bed rock), 석회암(Limestone) 등의 암석이 마모되어 둥그스름해진 자갈 및 사질점토(Sandy clay) 등을 조합하여 사용할 수 있으며, 도 4에서 보는 바와 같이 토조부(1)내에서 지반을 조성할 것이다.

또는, 크기가 일정한 인공시료를 사용할 수도 있다. 특히 다양한 입도를 지닌 인공시료를 통해 토체의 공극률을 조절할 수 있다. 실제 자연상태의 지반은 미세한 점토 사이즈부터 굵은 자갈까지 다양한 입도를 가지는 토사가 혼합되어 있으므로, 이를 그대로 모사하기 위해서는 인공시료를 사용할 수 있다.

그리고 토조부(1) 내에서의 지반 조성 시 도 5에서 보는 바와 같이 배관(12) 일측에 공동부(Cavity)를 형성할 수 있다.

따라서, 지반함몰 위험도를 분석하기 위한 상기 토조부 내에서의 지반은 기반암(이하, 'BR'이라고 함.), 석회암(이하, 'LS'라고 함.), 사질점토(이하, 'SC'라고 함.) 및 공동부(이하, 'C'라고 함.) 중 하나 이상이 선택되어 조성될 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 토조부 내의 지반은 SC, SC-BR, SC-C-BR 또는 SC-LS-BR 등으로 조성될 수 있을 것이다.

상기 유체 제어부(3)는 배관(12)으로 공급되는 물의 유동을 제어하는 솔레노이드 밸브로 구성될 수 있으며, 솔레노이드 밸브에 의해 물의 유동이 교번적으로 제어된다. 상기 교번이란 규칙적이고 주기적으로 물이 유동하는 것을 의미한다.

예를 들어, 5초 동안 배관으로 물이 공급되고, 이후에 5초 동안 물 공급이 중지되고, 다시 5초 동안 물이 공급되는 것을 반복하여 실시할 수 있다.

상기 침하 측정부(4)는 토조부(1) 상면에 구비되어 기 설정된 지반 위치별 침하 깊이를 실시간으로 측정하는 거리 측정센서(41)와, 토조부 외측면에 실험자가 육안으로 지반함몰 깊이를 측정하도록 cm 및 mm 단위의 자 등 길이 측정도구(42)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 거리 측정센서(41)는 도 6에서 보는 바와 같이 초음파센서 또는 적외선센서로 구성될 수 있다.

상기 토사 측정부(6)는 배관(12)의 누수 방향, 지층 구조 및 물의 유동 타입에 따른 지반함몰에 의해 변화되는 토사의 물성치를 측정하며, 함수비센서, 간극수압센서, 온도센서 및 전기전도도센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

이 경우, 토사 측정부(6)는 도 6에서 보는 바와 같이 배출구의 둘레 방향 및 토사의 심도에 따라 복수개가 설치될 수 있다.

지반함몰과 관련하여 심도별로 토사의 물성치를 측정하는 것은 매우 중요하며 아래에서 자세하게 설명하도록 한다.

도 7은 배관(12)의 누수로 인해 하부에 공동부(C)가 생겼으나, 상기 공동부(C)의 상부는 아직 토사(X)가 유지되고 있다. 이 경우, 공동부(C)가 지표까지 확장될 위험성이 크며, 실제로도 지하수 등에 의하여 배관 아래에 공동부(C)가 생겼을 때 하부 지반이 상부 지반의 무게를 견디지 못하여 상부 토사(C)가 함몰되면서 지표면까지 공동부(C)가 확장되어 지반함몰이 발생한다. 이처럼, 인위적인 영향에 의해 하부 지반에 공동부(C)가 생겼을 시 상부 지반이 유지될 수 있는 시간을 예측하는 것이 매우 중요하다.

따라서, 상기 토사 측정부(6)는 토조부(1) 내에 심도를 달리하여 설치되고, 공동부(C) 생성 이후에도 상부의 지반, 즉 공동부(C) 상부 토사(X)의 물성 변화를 실시간으로 측정할 수 있다. 이 경우, 토사의 물성 변화를 정량적으로 측정하여 지층 구조별 위험도를 산출할 수도 있을 것이다.

상기 위험도 산출부는 거리 측정센서(41)에 의해 소정의 실험 시간동안 측정되는 지반 침하 깊이 중 가장 높은 값과 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준을 비교하여 위험도를 산출할 수 있다.

이 경우, 상기 위험도는 '매우낮음', '낮음', '중간', '높음' 및 '매우 높음'으로 이루어지며, '매우낮음'의 상기 소정의 침하 깊이 기준은 0mm 이상 50mm 이하, '낮음'은 50mm 초과 100mm 이하, '중간'은 100mm 초과 150mm 이하, '높음'은 150mm 초과 160mm 이하, '매우 높음'은 160mm 초과로 이루어진다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 지반함몰 현상을 모사하기 위해 토조부(1) 내에 조성되는 지층 구조를 나타낸 것이며, (a)는 SC, (b)는 SC-BR, (c)는 SC-C-BR, (d)는 SC-LS-BR로 이루어진다.

도 8의 실험 Ⅰ은 지층 구조 (a) 내지 (d)에 대하여 배관(12)의 누수 방향이 아래(토조부의 바닥면 방향)로 설정되고, 소정의 실험 시간동안 상기 배관(12)에 지속적으로 물을 공급하는 것을 실시한다.

도 8의 실험 Ⅱ는 지층 구조 (a) 내지 (d)에 대하여 배관(12)의 누수 방향이 아래(토조부의 바닥면 방향)로 설정되고, 소정의 실험 시간동안 상기 배관(12)에 물을 30초 간격 또는 5초 간격으로 교번하여 공급하는 것을 실시한다.

도 8의 실험 Ⅲ은 지층 구조 (b)에 대하여 배관(12)의 누수 방향이 위(토조부의 윗면 방향)로 설정되고, 소정의 실험 시간동안 상기 배관(12)에 지속적으로 물을 공급하는 것을 실시한다.

도 9는 상기 실험 Ⅰ 및 Ⅱ의 결과를 나타내는 그래프이며, 배관(12)의 누수 방향, 지층 구조 및 물의 유동 타입에 따라 지반함몰이 발생하는 시간과 지반 침하 깊이를 나타내고 있다.

도 10은 실험 Ⅰ 내지 Ⅲ의 결과를 이용하여 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준과 비교하여 산출된 위험도를 나타내고 있다.

이하에서는 상기의 지반함몰 위험도 분석 장치를 이용하여 지반함몰 현상을 모사하여 위험도를 분석하는 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 지반함몰 위험도 분석 방법은 토조부(1) 내에 관통 삽입된 배관(12)을 회전하여 상기 배관(12)에 형성된 구멍에 의한 누수 방향을 설정하는 방향 설정단계; 상기 토조부(1) 내부에 토사(11)를 수용하여 지반을 조성하는 지반 조성단계; 유체 공급부(2)를 통해 상기 배관(12)으로 물을 공급하여 상기 구멍에 의해 누수가 발생되어 배출구(13)를 통해 유실물 및 물이 배출되는 침하 발생단계; 상기 지반의 침하 깊이를 측정하는 침하 측정단계; 및 측정된 상기 침하 깊이와 기설정된 침하 깊이 기준을 비교하여 위험도를 산출하는 산출단계;를 포함할 수 있고, 상기 침하 발생단계는 물의 유동을 교번적으로 제어하여 배관(12)으로 물을 공급할 수 있다.

이 경우, 상기 침하 측정단계는 상기 토조부(1) 상면에 구비된 거리 측정센서(41)를 이용하여 기 설정된 지반의 위치별 침하 깊이를 측정하고, 상기 산출단계는 측정된 상기 침하 깊이 중 가장 높은 값과 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준을 비교하여 위험도를 산출할 수 있다.

1 : 토조부 22 : 유체 저장부
11 : 토사 3 : 유체 제어부
12 : 배관 41 : 거리 측정센서
13 : 배출구 42 : 거리 측정도구
2 : 유체 공급부 6 : 토사 측정부
21 : 펌프 7 : 유체 회수부

Claims

내부에 토사가 수용되어 지반을 조성하고, 측면으로 누수가 발생하는 배관이 관통 삽입되는 토조부;
상기 배관의 일측과 연결되어 물을 공급하는 유체 공급부;
상기 물의 유동을 제어하는 유체 제어부;
상기 지반의 침하 깊이를 측정하는 침하 측정부; 및
상기 침하 깊이를 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준과 비교하여 위험도를 산출하는 위험도 산출부;를 포함하고,
상기 유체 제어부는 물의 유동을 교번적으로 제어하여 배관으로 물을 전달하는 것을 특징으로 하는 지반함몰 위험도 분석 장치
청구항 1에 있어서,
상기 침하 측정부는 상기 토조부 상면에 구비되어 기 설정된 지반 위치별 침하 깊이를 측정하는 거리 측정센서를 포함하고,
상기 위험도 산출부는 거리 측정센서에 의해 측정되는 침하 깊이 중 가장 높은 값과 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준을 비교하여 위험도를 산출하는 것을 특징으로 하는 지반함몰 위험도 분석 장치
청구항 2에 있어서,
상기 배관의 타측과 연결되어 물을 회수하는 유체 회수부;를 더 포함하고,
상기 유체 제어부는 유체 회수부에서의 물의 유량과 유체 공급부에서의 물의 유량을 비교하여 배관으로부터 누수되는 물의 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 지반함몰 위험도 분석 장치
내부에 토사가 수용되어 지반을 조성하고, 측면으로 누수가 발생하는 배관이 관통 삽입되는 토조부;
상기 배관의 일측과 연결되어 물을 공급하는 유체 공급부;
상기 물의 유동을 제어하는 유체 제어부;
상기 지반의 침하 깊이를 측정하는 침하 측정부;
상기 침하 깊이를 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준과 비교하여 위험도를 산출하는 위험도 산출부;
상기 토조부 내에 구비되어 상기 토사의 물성변화를 측정하는 토사 측정부; 및
상기 배관의 타측과 연결되어 물을 회수하는 유체 회수부;를 포함하고,
상기 토조부 하단에는 물 및 지반 침하에 따른 유실물이 배출되도록 배출구가 형성되고,
상기 유체 제어부는 물의 유동을 교번적으로 제어하여 배관으로 물을 전달하는 것을 특징으로 하는 지반함몰 위험도 분석 장치
청구항 4에 있어서,
상기 침하 측정부는 상기 토조부 상면에 구비되어 기 설정된 지반 위치별 침하 깊이를 측정하는 거리 측정센서를 포함하고,
상기 위험도 산출부는 거리 측정센서에 의해 측정되는 침하 깊이 중 가장 높은 값과 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준을 비교하여 위험도를 산출하는 것을 특징으로 하는 지반함몰 위험도 분석 장치
청구항 5에 있어서,
상기 유체 제어부는 유체 회수부에서의 물의 유량과 유체 공급부에서의 물의 유량을 비교하여 배관으로부터 누수되는 물의 유량을 계산하는 것을 특징으로 하는 지반함몰 위험도 분석 장치
토조부 내에 관통 삽입된 배관을 회전하여 상기 배관에 형성된 구멍에 의한 누수 방향을 설정하는 방향 설정단계;
상기 토조부 내부에 토사를 수용하여 지반을 조성하는 지반 조성단계;
유체 공급부를 통해 상기 배관으로 물을 공급하여 상기 구멍에 의해 누수가 발생되어 배출구를 통해 유실물 및 물이 배출되는 침하 발생단계;
상기 지반의 침하 깊이를 측정하는 침하 측정단계; 및
측정된 상기 침하 깊이와 기설정된 소정의 침하 깊이 기준을 비교하여 위험도를 산출하는 산출단계;를 포함하고,
상기 침하 발생단계는 물의 유동을 교번적으로 제어하여 배관으로 물을 공급하는 것을 특징으로 하는 지반함몰 위험도 분석 방법
청구항 7에 있어서,
상기 침하 측정단계는 상기 토조부 상면에 구비된 거리 측정센서를 이용하여 기 설정된 지반의 위치별 침하 깊이를 측정하고,
상기 산출단계는 거리 측정센서에 의해 측정된 상기 침하 깊이 중 가장 높은 값과 기 설정된 소정의 침하 깊이 기준을 비교하여 위험도를 산출하는 것을 특징으로 하는 지반함몰 위험도 분석 방법