KR102371170B1

KR102371170B1 - 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치

Info

Publication number: KR102371170B1
Application number: KR1020200059464A
Authority: KR
Inventors: 이종섭; 홍원택; 김남선; 김상엽; 박근우
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2019-05-27
Filing date: 2020-05-19
Publication date: 2022-03-07
Also published as: KR20200136314A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치는, 지반으로 관입되어 시료를 채취하는 샘플러; 샘플러의 상부에 설치된 관입로드와, 관입로드의 상부에 설치된 앤빌이 구비된 에너지전달부; 앤빌의 상부에 설치되어, 앤빌을 향해 자유낙하되면서 앤빌을 타격하는 해머가 구비된 타격부; 및 에너지전달부와 샘플러 사이에 설치되어, 해머가 앤빌을 타격할 때 관입로드에 발생된 가속도와 힘을 측정하여, 관입로드로부터 샘플러로 전달되는 타격에너지(E_sampler)를 산출하는 에너지산출부를 포함하는 것이 바람직하다.

Description

표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치{A device for monitoring the energy delivered to sampler of Standard Penetration Test apparatus}

본 발명은 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치에 관한 것이며, 상세하게는 타격부의 타격시, 에너지측정모듈을 통해 샘플러에 전달된 타격에너지를 산출하고, 샘플러에 전달된 타격에너지를 이용하여 N값을 보정함으로써 객관적인 지반조사 결과를 도출할 수 있는 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치에 관한 것이다.

일반적으로 지반조사는 구조물을 안전하고 경제적으로 설계, 시공하기 위해서, 또한 기존 구조물의 유지, 보수및 안전진단을 위해서 필수적인 조사이다. 그리고, 지반조사를 통하여 지반의 상태, 지층구조, 지지력 등을 판정하게 되며, 획득된 지반조사 결과를 이용하여 시공될 구조물을 안전하고 경제적으로 건설하고 향후 구조물을 유지, 관리하는데 필요한 기초자료로 활용하게 된다.

따라서, 대상지반에 대한 정확하고 신뢰성있는 지반조사가 실시되어야 하지만 지반의 종류가 매우 다양하므로 모든 지반에 동일한 지반조사기법을 적용하는 것은 불가능하다. 또한, 지반의 특성에 따라서 다양한 지반조사기법이 제안되어있고, 각각의 지반특성에 적합한 지반조사 방법 및 해석 방법이 결정되어야 한다.

예를 들어, 연약지반에 대한 지반조사에는 콘관입시험이 사용되는 경우도 일부 있으나, 시험방법의 수월성 및 시료채취가 가능하다는 등의 장점으로 국내에서는 대부분의 지반에 대해서 표준관입시험(Standard penetration test: SPT)이 가장 널리 이용되고 있다.

표준관입시험은 질량 63.5kg의 해머(50)를 76cm의 낙하고(H)로 자유낙하시키며 직경 51mm의 샘플러(10)를 지반으로 관입시킴으로써 수행된다. 대상지반에 대하여 객관적인 강도평가를 수행하기 위해서 매 타격시 일정한 에너지 전달이 요구된다.

샘플러(10)가 일정심도 관입되는데 소요되는 타격횟수를 바탕으로 지반 강도를 추정할 수 있다. 이때, 강도를 평가하고자 하는 대상지반의 특정심도에서 총 45cm만큼의 관입이 수행되며, 초기 15cm를 제외하고 나머지 30cm를 관입하는데 소요되는 타격횟수를 N값으로 정의한다.

도면 1과 같이 항타분석기(70)를 관입로드(20d)의 두부에 설치하고, 해머(50)가 앤빌(40)을 타격할 때, 해머(50)로부터 관입로드의 두부에 전달된 에너지를 측정한다. 해머(50) 효율 및 이를 이용하여 N값의 보정은 식 (A) 및 식 (B)에 의해 산출된다.

.............................식(A)

..............................식(B)

여기서, E_potential은 질량 63.5kg의 해머(50)를 76cm의 낙하고(H)로 자유낙하시 해머(50)의 위치에너지이고, E_head는 해머(50)가 엔빌을 타격시 관입로드의 두부에 전달된 에너지이다.

표준관입시험은 장비에 따라 효율이 달라 N값이 상이하게 나타나므로, 이에 대한 보정을 시행하여 지력이 과소 또는 과대 평가됨을 배제하고 현장 표준관입 시험결과를 국제 표준규격인 해머(50)효율 60%의 N₆₀으로 보정한다.

상기와 같은 N값 보정에도 불구하고, 관입심도가 깊어짐에 따라, 복수의 관입로드들(20a, 20b, 20c, 20d)이 결합되어 길이가 연장되는데, 관입로드 연장과 동반하여 조인트(Joint, 30a, 20b, 30c)의 개수가 증가한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 해당 조인트(30a, 20b, 30c)는 관입로드와의 물리적 임피던스 차이로 인하여 타격에 의한 에너지의 감쇠를 초래한다. 또한, 관입로드의 연장으로 인한 무게의 증가는 해머(50)로부터 관입로드에 전달된 에너지, 샘플러(10)에 전달된 에너지의 차이를 야기한다.

도 1을 참조하면, 타격에너지는 길이 방향으로 연장된 복수의 관입로드를 따라 전달되는 과정에서, 해당 조인트 부분에서 타격에너지가 해당조인트에서 반사되면서 에너지 손실이 발생함을 알 수 있다. 이에, 해머(50)로부터 샘플러(10)까지 설치되는 관입로드의 개수 및 길이가 증가하는 등 관입에너지가 일정하게 유지될 수 없는 상황은 표준관입시험을 이용한 지반조사 결과의 불확실성을 야기한다.

본 발명은 타격부의 타격시, 에너지측정모듈을 통해 샘플러에 전달된 타격에너지를 산출하고, 샘플러에 전달된 타격에너지를 이용하여 N값을 보정함으로써 객관적인 지반조사 결과를 도출할 수 있는 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 에너지산출부는, 에너지전달부와 샘플러 사이에 설치된 하우징과, 하우징의 내부에 설치되어 가속도를 측정하는 가속도측정수단과, 하우징의 내부에 설치되어 힘을 측정하는 변형율측정수단이 구비된 에너지측정모듈; 및 에너지측정모듈에서 측정된 가속도데이터와 힘데이터를 에너지측정모듈에서 받아, 가속도데이터를 적분하여 관입로드가 지반으로 관입되는 속도데이터를 산출하고, 시간의 변화에 따른 속도데이터와 힘데이터의 곱을 적분하여 타격에너지(E_sampler)를 산출하고, 타격에너지(E_sampler)와 해머의 자유낙하 전 위치에너지(Epotential)의 비율을 보정계수로 하여, 표준관입시험에 따른 타격부의 타격횟수인 N값을 보정하는 보정부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 보정부는,

시간에 따른 가속도데이터를 적분하여 관입로드가 지반으로 관입되는 속도데이터를 산출하고,

식 (1)에 속도데이터와 힘데이터를 대입하여, 타격에너지(E_sampler)를 산출하고,

..........................식(1)

식 (2)에 따라, 타격에너지(E_sampler)와 위치에너지(Epotential)의 비율인 에너지비(ER)를 산출하고,

..................................식(2)

에너지비(ER)를 보정계수로 하여, 식 (3)에 에너지비(ER)을 대입하여 N값을 보정하고,

...............................식(3)

식(3)에서, N₆₀은 해머의 효율이 60%로 보정된 N값인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 변형율측정수단은 힘의 편심을 보정하기 위해, 하우징의 내부에서 상호 간에 마주보게 이격 배치되고, 풀 브릿지 회로(Full bridge circuit)로 전기적으로 연결된 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 에너지측정모듈은, 하우징의 내부에 설치된 케이블조임부; 및 하우징의 내부에서 케이블조임부에 결합되고, 보정부와 가속도측정수단과, 보정부와 복수의 변형율측정수단을 전기적으로 각각 연결하는 멀티케이블을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 에너지측정모듈은 절연성을 가진 완충블럭이 마련되고, 완충블럭은 해머가 앤빌을 타격할 때 하우징의 내부에 발생된 공진주파수에 의한 노이즈를 저감시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 타격부의 타격시, 에너지측정모듈을 통해 샘플러에 전달된 타격에너지를 산출하고, 샘플러에 전달된 타격에너지를 이용하여 N값을 보정함으로써 객관적인 지반조사 결과를 도출할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 표준관입시험을 이용한 지반조사 결과의 불확실성을 해소할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 에너지측정모듈의 구성도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치의 실험 결과를 나타낸 도면이다.

이하에는 도 2 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치에 대해 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치(100)는, 샘플러(110), 에너지전달부(130), 타격부(150)와 에너지산출부(170)를 포함한다.

샘플러(110)는 지반으로 관입되어 시료를 채취하는 것이다. 샘플러(110)는 에너지전달부(130)에 의해 타격부(150)와 연결된다. 에너지전달부(130)는 샘플러(110)의 상부에 설치된다. 에너지전달부(130)는 관입로드(131)와 앤빌(132)을 포함한다.

타격부(150)는 앤빌(132)을 타격하여, 샘플러(110)를 지반으로 관입시키는 것이다. 타격부(150)는 관입로드(131)에 연장된 가이드봉(151), 가이드봉(151)을 따라 상하로 이동되는 해머(152), 그리고, 해머(152)를 승강동작시키는 해머낙하수단(미도시)으로 구성된다. 해머낙하수단(미도시)은 해머(152)와 앤빌(132) 간의 간격이 76cm되는 높이에서, 해머(152)를 자유낙하시킨다. 이때, 해머(152)는 가이드봉(151)을 따라 자유낙하되면서, 앤빌(132)을 타격한다.

에너지산출부(170)는 해머(152)가 앤빌(132)을 타격할 때, 관입로드에 발생된 가속도와 힘을 측정하여, 관입로드(131)로부터 샘플러(110)로 전달되는 타격에너지를 산출한다. 그리고, 에너지산출부(170)는 타격에너지를 이용하여, 표준관입시험에 따른 타격부(150)의 타격횟수인 N값을 보정한다.

도 2를 참조하면, 에너지산출부(170)는 에너지측정모듈(170a)과 보정부(170b)를 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 에너지측정모듈(170a)은 하우징(171), 가속도측정수단(172), 복수의 변형율측정수단(173), 멀티케이블(174), 케이블조임부(175) 및 완충블럭(176)으로 구성된다.

하우징(171)은 에너지전달부(130)와 샘플러(110) 사이에 설치된다. 하우징(171)의 내부에는 가속도측정수단(172), 복수의 변형율측정수단(173), 멀티케이블(174), 케이블조임부(175) 및 완충블럭(176)이 설치된다.

가속도측정수단(172)은 해머(152)가 앤빌(132)을 타격할 때, 관입로드(131)에 발생되는 가속도를 측정한다. 가속도측정수단(172)은 관입로드(131)의 중심축과 동축에서, 하우징(171)의 내부에 설치된다.

복수의 변형율측정수단(173)은 해머(152)가 앤빌(132)을 타격할 때, 관입로드(131)에 발생되는 힘을 측정한다. 복수의 변형율측정수단(173)은 에너지측정모듈(170a)에 작용하는 힘의 편심을 보정하기 위해 관입로드(131)의 중심축을 기준으로 마주보게 설치된다. 복수의 변형율측정수단(173)은 온도 변화에 따른 에너지측정모듈(170a)의 변형을 보정해주기 위하여 풀브릿지(Full bridge)로 회로로 구성된다.

가속도측정수단(172)과 복수의 변형율측정수단(173)은 멀티케이블(174)에 의해 보정부(170b)에 각각 전기적으로 연결된다.

본 실시예에서, 멀티케이블(174)은 케이블조임부(175)에 의해 에너지측정모듈(170a)의 내부에 고정된다. 케이블조임부(175)는 타격부(150)의 타격시 멀티케이블(174)이 에너지측정모듈(170a)의 내부에서 이리 저리 부딪히면서 파손되는 것을 방지하기 위한 것이다.

에너지측정모듈(170a)에는 절연성을 가진 완충블럭(176)이 내장된다. 완충블럭(176)은 에너지측정모듈(170a)의 내부로 실리콘 또는 우레탄과 같이 절연성을 가진 물질이 충진되어 형성된 것이다. 완충블럭(176)은 에너지측정모듈(170a)의 내부에 빈공간이 생기기 않게 마련된다.

본 발명은 완충블럭(176)을 통해, 타격부(150)의 타격시 공진주파수에 의한 노이즈를 저감시켜, 가속도측정수단(172)과 복수의 변형율측정수단(173)에서 측정된 값(가속도, 힘)의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 본 발명은 완충블럭(176)을 통해, 에너지측정모듈(170a)의 내장된 구성요소, 즉, 가속도측정수단(172), 복수의 변형율측정수단(173), 멀티케이블(174) 및 케이블조임부(175)의 파손을 방지할 수 있다.

보정부(170b)는 에너지측정모듈에서 측정된 가속도데이터 및 힘데이터를 에너지측정모듈(170a)로부터 받아, 하기 식(1)에 따라 가속도데이터와 힘데이터를 이용하여 타격에너지를 산출하고, 식(2) 및 식(3)에 따라 타격에너지를 이용하여 N값을 보정한다.

우선, 보정부(170b)는, 시간에 따른 가속도데이터를 적분하여 해머가 앤빌을 타격할 때, 관입로드가 지반으로 관입되는 속도데이터를 산출한다. 이후, 속도데이터와 힘데이터를 대입하여, 상기 타격에너지(E_sampler)를 산출한다.

..........................식(1)

그리고, 보정부(170b)는 식 (2)에 따라, 타격에너지(E_sampler)와 해머가 낙하되기 전 해머의 위치에너지(E_potential)의 비율인, 에너지비(ER)를 산출한다.

..................................식(2)

마지막으로, 보정부(170b)는 식 (3)에 에너지비(ER)를 적용하여, N값을 보정한다. 식(3)에서, N₆₀은 해머의 효율이 60%로 보정된 N값이다.

...............................식(3)

도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치의 실험 결과를 나타낸 도면이다.

도 4 내지 7를 참조하면, 앤빌(132) 하부의 관입로드(131)의 두부로 전달된 타격에너지(Ehead)와 샘플러(110)로 전달된 타격에너지(E_sampler)의 수치가 차이가 존재하는 것으로 나타난다. 도 4는 내지 도 7의 (a)는 깊이(Depth)에 따른 실험 결과를 나타내고 있다. 도 4의 (a)는 1m, (b)는 3m, (c)는 4m, (d)는 5m이고, 도 5의 (a), (b), (b), (d)는 각각, 6m, 7m, 8m, 9m이고, 도 6의 (a), (b), (b), (d)는 각각, 10m, 11m, 12m, 13m이고, 도 7의 (a)는 14m에 대한 측정 결과를 나타낸 도면이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, 해머가 앤빌을 타격할 때, 타격에너지는 관입로드를 따라 샘플러로 전달되는 동안, 에너지 손실이 발생함을 알 수 있다. 이러한 에너지 손실은 관입로드의 길이나 깊이가 연장될수록 커지게 된다.

도 7의 (b)는 깊이에 따른 N값을 나타낸 도면이고, 도 7의 (c)는 식(2)에 따라 산출된 깊이에 따른 에너지비(ER)이고, 도 7의 (d)는 식(3)에 따라 산출된 N₆₀값이다.

본 실시예에 따른 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치(100)는, 샘플러(110)로 전달된 타격에너지(E_sampler)를 측정하여, 낙하고에서의 위치에너지와 샘플러로 전달된 에너지의 비(ER)를 산출하고, 이 에너지비(ER)를 N값의 보정에 적용한다.

본 발명은 샘플러(110)로 전달된 타격에너지(E_sampler)로부터 N값을 보정하여, 관입로드(131)의 두부로 전달된 타격에너지(Ehead)를 기준으로 N값이 보정된 경우보다, 객관적인 지반조사 결과를 도출할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

100: 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치
110: 샘플러 130: 에너지전달부
150: 타격부 170: 에너지산출부
170a: 에너지측정모듈 170b: 보정부
171: 하우징 172: 가속도측정수단 173: 복수의 변형율측정수단 174: 멀티케이블 175: 케이블조임부 176: 완충블럭

Claims

지반으로 관입되어 시료를 채취하는 샘플러;
상기 샘플러의 상부에 설치된 관입로드와, 상기 관입로드의 상부에 설치된 앤빌이 구비된 에너지전달부;
상기 앤빌의 상부에 설치되어, 상기 앤빌을 향해 자유낙하되면서 상기 앤빌을 타격하는 해머가 구비된 타격부; 및
상기 에너지전달부와 상기 샘플러 사이에 설치되어, 상기 해머가 상기 앤빌을 타격할 때 상기 관입로드에 발생된 가속도와 힘을 측정하여, 상기 관입로드로부터 상기 샘플러로 전달되는 타격에너지(E_sampler)를 산출하는 에너지산출부를 포함하며,
상기 에너지산출부는,
상기 에너지전달부와 상기 샘플러 사이에 설치된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 가속도를 측정하는 가속도측정수단과, 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 힘을 측정하는 변형율측정수단이 구비된 에너지측정모듈; 및
상기 에너지측정모듈에서 측정된 가속도데이터와 힘데이터를 상기 에너지측정모듈에서 받아, 상기 가속도데이터를 적분하여 상기 관입로드가 상기 지반으로 관입되는 속도데이터를 산출하고, 시간의 변화에 따른 상기 속도데이터와 상기 힘데이터의 곱을 적분하여 상기 타격에너지(E_sampler)를 산출하고, 상기 타격에너지(E_sampler)와 상기 해머의 자유낙하 전 위치에너지(Epotential)의 비율을 보정계수로 하여, 표준관입시험에 따른 상기 타격부의 타격횟수인 N값을 보정하는 보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 보정부는,
시간에 따른 상기 가속도데이터를 적분하여 상기 관입로드가 상기 지반으로 관입되는 속도데이터를 산출하고,
식 (1)에 상기 속도데이터와 상기 힘데이터를 대입하여, 상기 타격에너지(E_sampler)를 산출하고,

..........................식(1)
식 (2)에 따라, 상기 타격에너지(E_sampler)와 상기 위치에너지(Epotential)의 비율인 에너지비(ER)를 산출하고,

..................................식(2)
상기 에너지비(ER)를 상기 보정계수로 하여, 식 (3)에 상기 에너지비(ER)을 대입하여 상기 N값을 보정하고,

...............................식(3)
상기 식(3)에서, N₆₀은 해머의 효율이 60%로 보정된 N값인 것을 특징으로 하는 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치.
제 1 항에 있어서,
복수의 상기 변형율측정수단은 상기 힘의 편심을 보정하기 위해, 상기 하우징의 내부에서 상호 간에 마주보게 이격 배치되고, 풀 브릿지 회로(Full bridge circuit)로 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치.
제 1 항에 있어서, 상기 에너지측정모듈은,
상기 하우징의 내부에 설치된 케이블조임부; 및
상기 하우징의 내부에서 상기 케이블조임부에 결합되고, 상기 보정부와 상기 가속도측정수단과, 상기 보정부와 상기 복수의 변형율측정수단을 전기적으로 각각 연결하는 멀티케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치.
제 1 항에 있어서,
상기 에너지측정모듈은 절연성을 가진 완충블럭이 마련되고,
상기 완충블럭은 상기 해머가 상기 앤빌을 타격할 때 상기 하우징의 내부에 발생된 공진주파수에 의한 노이즈를 저감시키는 것을 특징으로 하는 표준관입시험기의 샘플러로 전달되는 타격에너지 모니터링장치.