KR102504628B1 - 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법 - Google Patents

연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 심층혼합공법에 관한 것으로, 상기 연약지반에 시공된 구조체의 강도를 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간 상시 모니터링하여 상기 구조체의 이상 거동을 감지할 수 있고, 이상 거동 감지시 신속한조치가 이루어지도록 할 수 있는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법을 개시한다.

Description

연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법{Deep mixing method including strength monitoring function of structure for reinforcing soft ground}
본 발명은 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 고화제 조성물를 주입하여 굴착된 연약지반과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 고화제 조성물이 경화되면서 연약지반을 보강하는 구조체가 형성되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서, 상기 믹싱단계는, 상기 구조체에 매립되어 상기 구조체에 교류전기신호를 전달하고 상기 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서장치 및 상기 센서장치와 연결되어 상기 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하는 강도측정장치;가 상기 고화제 조성물과 함께 주입되어, 상기 연약지반의 보강을 위한 구조체의 강도를 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간 상시 모니터링하여 상기 구조체의 이상 거동을 감지할 수 있고, 이상 거동 감지시 신속한조치가 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법에 관한 것이다.
일반적으로 해안습지나 하천, 호수, 항만 등의 간척 또는 준설매립지와 같은 연약한 점토나 실트질 또는 고유기질토로 이루어져 있는 연약지반은 고함수비이고, 일축압축강도가 작아서 상부에 구조물을 시공할 경우 안정과 침하에 문제를 일으키기 때문에 다양한 방법으로 지반의 공학적인 성질을 개선시켜야만 한다.
연약지반 개량시 대규모 연약지반에서는 연직 배수재를 이용한 샌드 드레인 공법, 또는 페이퍼 드레인 공법 등이 주로 이용되어 왔는데, 이러한 공법은 시공기간이 장시간 소요되며, 시공후 안정성 확보가 용이하지 못하고 깊은 심도의 연약지반에는 적용하기 곤란하다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 1990년대부터 시멘트를 주로한 분말상태 또는 현탁액상태의 화학적 안정재를 원위치 지반에 투입 혼합하여 연약점성토 지반을 주상 또는 괴상으로 전면적으로 개량하는 심층혼합처리공법이 주로 이용되고 있다.
심층혼합공법(Deep Cement Mixing, DCM)이라 함은 시멘트 또는 석회를 주원료 하는 고화제를 지중의 연약지반을 혼합하여 화학적으로 고체화시켜 연약지반을 개량하기 위한 기술로서, 특히, 연약지반의 토양과 고화제가 혼합되면서 발생하는 수화반응 또는 포졸란(Pozzolan) 반응을 통해서 에트린자이트의 생성을 활성화하여 물리적, 화학적으로 고형화된 구조체를 형성함으로써 연약지반을 강화시키는 공법이다.
이러한, 심층혼합공법은 크게 관입 분출식과 인발 분출식으로 구분될 수 있으며, 관입분출식은 하부방향으로 고화제가 분사될 수 있도록 분사통로를 형성한 오거 케이싱을 지중에 관입하는 공정과, 상기 오거 케이싱의 회전으로 관입과 동시에 고화제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 오거 케이싱을 회전시켜 상부방향으로 인발하면서 동시에 연약지반과 고화제를 혼합하는 공정으로 이루어진다. 반면에 인발 분출식은 하부방향으로 고화제가 분사될 수 있도록 분사통로를 형성한 오거 케이싱을 지중에 관입하는 공정과, 설계 심도까지 관입한 오거 케이싱을 회전시켜 상부방향으로 인발하는 공정과, 상기 오거 케이싱의 인발과 동시에 고화제를 주입하면서 연약지반과 혼합하는 공정으로 이루어진다.
한편, 상기 연약지반에 보강된 구조체에 있어서 강도는 안정성을 평가하는 기본적인 요소로서 소요의 강도를 확보하고 균질성을 유지하는 것이 매우 중요하다.
일반적으로 콘크리트의 강도는 품질관리상 가장 중요하게 다루어지고 있으나, 콘크리트의 품질관리는 주로 표준양생한 재령 28일 강도를 기준으로 하고 있기 때문에 공사의 진행속도와 강도평가시기 사이에는 시간적 차이가 생기므로 이미 경화한 콘크리트의 품질시험 결과는 공사에 신속하게 반영할 수 없으며, 소요의 강도가 과부족일 경우 안전의 문제뿐만이 아니라 경제적·행정적 손실을 부담해야 하는 등 강도상의 문제가 발생할 때에는 처리가 곤란하게 된다.
콘크리트 양생 강도 추정 기법은 적산온도를 이용한 방법이나 슈미트 해머를 이용한 방법을 사용하고 있는데, 이는 콘크리트 구조물 내부를 직접적으로 측정하는 것이 아니라 정확한 강도 추정이 어렵고 실시간으로 강도 추정을 하기 어려운 문제점이 있으며, 계측 지점의 접근성이 어려운 경우 측정에 어려움이 있는 다른 문제점이 있다. 또한, 적산온도를 이용하는 방법 이외에도, 기존 현장 타설 콘크리트의 발현 강도 평가와 관련한 대부분의 연구는 전기 화학적 촉진법, 그리고 각종 비파괴 시험법 등을 대상으로 하고 있다. 또한, 수학적인 모델링에 의해 제안된 이론식 뿐만 아니라, 실제 실험을 수행하거나 경험에 근거한 식의 형태로도 제안되고 있는데, 이러한 평가방법은 고가의 장비가 필요하거나 제안된 식 자체가 복잡하여 실무에서 크게 활용되지 못하는 실정이다.
다시 말해서, DCM 등의 공법에 의해 연약지반에 형성되는 구조체는 그 구성물인 시멘트의 수화반응에 의해 강도가 서서히 발현된다. 즉, 시간에 따라 강도값이 변하므로 샘플을 취하지 않고서는 정확히 그 강도를 알 수 없는 한계가 있다.
레미콘 타설 등 시공 당시 공시체를 제작하고, 강도시험을 함으로써 간접적으로 구조물의 강도를 추정할 수 있으나, 해당 구조물의 직접적인 강도를 알 수는 없고, 이에 따라 구조물의 강도는 힘과 변형의 관계곡선으로부터 선형변형의 한계치를 구함으로써 측정하게 되므로, 실제 구조물의 경우, 변형을 주지 않은 상태에서 강도를 알아낸다는 것이 쉽지 않은 한계가 있다. 따라서, 초음파 또는 탄성파를 이용하거나, GPR 등 비파괴 방법에 의해 구조물 등의 강도, 탄성계수 등의 물리적 특징을 추정할 수 있으나, 수화반응 초기의 저강도 상태에서는 이들 방법을 적용하기 어려운 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 현장 타설 고화제의 강도발현 평가를 고려한 효율적인 실시간 상시 계측 모니터링을 통하여 이상 거동을 감지하고, 이상 거동 감지시 신속한 조치를 할 수 있는 심층혼합공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 고화제 조성물를 주입하여 굴착된 연약지반과 혼합하는 믹싱단계와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 고화제 조성물이 경화되면서 연약지반을 보강하는 구조체가 형성되는 양생단계를 포함하는 심층혼합공법에 있어서, 상기 믹싱단계는, 상기 구조체에 매립되어 상기 구조체에 교류전기신호를 전달하고 상기 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서장치 및 상기 센서장치와 연결되어 상기 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하는 강도측정장치;가 상기 고화제 조성물과 함께 주입되어, 상기 연약지반의 보강을 위한 구조체의 강도를 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간 상시 모니터링하여 상기 구조체의 이상 거동을 감지할 수 있고, 이상 거동 감지시 신속한조치가 이루어질 수 있도록 하며, 상기 고화제 조성물은, 제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 55~65 중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상인 플라이애쉬 10~20 중량%와, 조강시멘트 10~20중량%와, 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 합성된 중합체 2~5중량%를 혼합하여 조성되되, 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 주입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 센서장치는, 상기 구조체에 파손되지 않게 매립되는 센서 하우징과, 상기 센서 하우징 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 상기 구조체에 전달하고 상기 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서와, 상기 압전센서가 부착되어 상기 공진주파수 및 임피던스가 상기 구조체에 전달되도록 하는 전달부재를 포함하며, 상기 강도측정장치는, 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생부와, 상기 교류전기신호 발생부에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 상기 압전센서에 인가하며 상기 압전센서로 인가된 교류전기신호에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하여 강도데이터를 산출하는 제어모듈부 및 상기 제어모듈부에 필요 전력을 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 센서장치 또는 강도측정장치의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출하는 온도센서와; 상기 강도데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 상기 센서장치 또는 강도측정장치에 구비되는 유무선 통신 모듈부와; 상기 강도데이터를 표시하는 디스플레이부; 및 상기 센서장치 또는 강도측정장치에 구비되며, 상기 압전센서의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송하는 GPS 모듈부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 센서 하우징은 내부에 장착된 구성부들의 파손을 방지하면서 연약지반에 안정적으로 주입되어 구조체 내부에 매립될 수 있도록 탄성유기재료에 의해 외주면이 코팅처리되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 탄성유기재료는 폴리디메틸실록세인(Polydimethylsiloxane) 25~80중량% 및 실리콘고무 20~75중량%로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 관입단계에서 관입되는 굴착장비는, 구동부의 작동에 의해 회전되며, 지중에 수직으로 삽입되는 소정 길이의 주입관과, 상기 주입관과 직교 방향으로 배치되며 복수개의 비트부재가 마련되어 지면을 굴착하는 것으로, 상기 주입관을 따라 상하 다단으로 복수개로 배치되되 굴착작업 전에 측정되는 지반의 연약층과 지지층 사이의 경계를 중심으로 연약층에 상대적으로 큰 천공홀부를 시공하도록 하부로부터 상부로 갈수록 길게 형성되는 복수개의 굴착부와, 상기 주입관에 상하 다단으로 배치되되 상기 굴착부의 상측에 배치되는 것으로, 주입관과 직교 방향으로 배치되며 상기 굴착부에 의해 분쇄되는 지반을 교반시키면서 보강재와 분쇄된 지반을 혼합시키는 복수개의 교반부 및 상기 주입관이 지중으로 삽입될 때 삽입되는 깊이를 육안으로 확인하여 상기 복수개의 굴착부 중에서 상대적으로 긴 굴착부가 지지층으로 삽입되지 않도록 상기 주입관의 상부 일측에 구비되는 깊이감지부를 포함하여, 상기 연약지반에 천공홀부를 시공할 때에 연약층에는 상대적으로 지름이 큰 천공홀부가 형성되고, 지지층에는 상대적으로 작은 천공홀부가 형성되도록 하여 천공홀부를 따라 지중으로 고화제 조성물이 주입되면서 구근을 형성할 때에 연약층에 상대적으로 지름이 큰 구근을 시공할 수있고, 반대로 지지층에는 상대적으로 지름이 작은 구근을 시공할 수 있어 고화재 조성물이 필요 이상으로 지지층에 주입되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 깊이감지부는 상기 주입관에 구비되는 복수 개의 결합홈부 중 어느 하나에 안착되는 제1결합링과, 상기 주입관에 고정되도록 상기 제1결합링과 결합되는 제2결합링과, 상기 제1결합링 및 상기 제2결합링으로부터 돌출되는 표시바를 포함하며, 굴착작업이 시작되기 전에 상기 표시바의 위치를 결정하여 설치하되, 상기 표시바의 위치는 연약층의 깊이와 지지층에 형성되는 천공홀의 깊이를 합하여 삽입 깊이를 결정하여 상기 주입관의 하단으로부터 삽입 깊이만큼 상측으로 이동한 위치에 상기 표시바를 설치함으로써 상기 주입관이 지중으로 삽입되거나 지면으로 인출될 때에 상기 표시바가 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 본 발명은 상기 고화제 조성물 100중량부에 대하여 유동화제 0.1~8중량부가 첨가되되, 상기 유동화제는 물 80~90중량%와, 폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer) 5~18중량%와, 글루콘산계 지연제 1~5중량%와, 로릴 에테르 황산 나트륨(Sodium Lauryl Ethersulfate) 1~5중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명은 상기 믹싱단계에서 상기 고화제 조성물과 함께 주입되는 센서장치 및 강도측정장치가 구조체에 매립되어, 상기 연약지반의 보강을 위한 구조체의 강도를 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간 상시 모니터링하여 상기 구조체의 이상 거동을 감지할 수 있고, 적절한 조치가 신속히 이루어질 수 있도록 할 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 본 발명에서 상기 센서장치 및 강도측정장치는 소형으로 제작 가능하여 휴대성과 이동성을 확보할 수 있고, 이에 따라 장소에 구애받지 않고 용이하게 강도를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 탄성유기재료를 상기 센서장치를 구성하는 케이싱의 외주면에 도포하여 코팅처리함으로써 케이싱 내부의 구성품들의 파손을 방지하면서 연약지반에 안정적으로 주입되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 서로 크기가 다른 복수 개의 굴착부 및 교반부를 구비하는 굴착장비를 통해 연약지반에 천공홀부를 시공할 때에 연약층에는 상대적으로 지름이 큰 천공홀부가, 그리고 지지층에는 상대적으로 작은 천공홀부가 형성되도록 할 수 있으며, 이를 통해 고화제 조성물이 필요 이상으로 지지층에 주입되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 지중으로 삽입되는 주입관의 길이를 정확히 확인하면서 천공작업 및 주입작업을 진행할 수 있으므로 지중에 형성되는 구조체의 형상을 의도에 따라 정확히 시공할 수 있다.
또한, 본 발명에서 주입되는 고화제 조성물은 각종 산업 부산물을 재활용하여 조성되는 것으로, 기존 포틀랜드 시멘트에 의한 보강재와 비교하였을 때 환경오염의 문제 발생을 억제할 수 있으며, 제조단가 절감을 통해 공사비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서 주입되는 고화제 조성물은 페녹시에탄올(phenoxyethanol,PE)과 이소프로필아민(isopropylamine, IPA)이 합성된 중합체를 포함하여, 페녹시에탄올에 의한 분쇄능의 향상효과와, 이소프로필아민에 의한 고로슬래그 유리질 피막의 형성 자체를 억제하며, 반응속도를 늦추고, 기형성된 피막에 결합하여 워터채널을 형성하는 작용에 의해 분쇄효율, 압축강도, 특히 초기 압축강도가 높게 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 유지할 수 있으므로 고화제 조성물의 함량을 높일 수 있어 구조체의 강도를 확보할 수 있으며, 유동화제가 더 첨가되어 윤활성을 높여 유동이 원활하게 이루어지도록 함으로써 펌핑 장비의 압송부하를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 구조체에 매립되는 센서장치 및 강도측정장치의 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센서장치의 예시도.
도 3은 도 2의 일부 부품을 절개한 모습을 도시한 분리사시도.
도 4는 도 2에서 전선이 포함된 모습을 도시한 투영사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 강도측정장치의 제어모듈부의 구성을 도시한 블럭도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 구조체의 강도를 모니터링하는 과정을 순차적으로 나타낸 흐름도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 굴착장비를 설명하기 위한 개략적인 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 굴착장비의 깊이감지부를 도시한 개략적인 예시도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 상기 굴착장비에 의해 연약지반에 시공되는 구조체를 도시한 개략적인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에서 심층혼합공법(Deep Cement Mixing, DCM)이라 함은 석회, 시멘트 등을 주원료로 하는 고화제와 지중의 연약지반을 혼합하여 화학적으로 고체화시켜 연약지반을 개량하는 공법으로서, 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계(S1)와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계(S2)와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 고화제 조성물을 주입하여 굴착된 지반의 토양과 혼합하는 믹싱단계(S3)와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 상기 고화제 조성물이 경화되는 양생단계(S4)를 포함한다.
상기 관입단계(S1)는 개량대상이 되는 연약지반에 설계에서 정해진 심도까지 굴착장비(예를 들어 오거 스크류)를 관입하는 단계로서, 굴착장비는 회전하면서 지반을 굴착하여 설계심도까지 관입된다.
상기 굴착장비가 설계심도까지 관입되면 굴착장비를 인발하는 인발단계(S2)를 수행하는데, 인발단계와 함께 믹싱단계(S3)도 수행된다. 즉, 굴착장비를 인발하면서, 굴착장비 내측을 통해 고화제 조성물을 고압 또는 저압으로 주입하고 원 지반에서 굴착된 흙과 상호 혼합시킨다.
굴착장비의 인발이 완료되면 고화제 조성물과 흙이 혼합된 슬라임 상태로 되며, 이러한 상태에서 일정 시간이 경과하면(양생단계, S4) 슬라임이 양생되어 연약지반을 보강하는 구조체가 형성된다.
본 발명은 상기 믹싱단계(S3)에서 상기 고화제 조성물과 함께 센서장치 및 강도측정장치가 주입되어 구조체 내부에 상기 센서장치 및 강도측정장치가 매립되도록 하여, 상기 구조체의 강도발현 평가를 고려한 효율적인 실시간 상시 계측 모니터링을 통하여 이상 거동을 감지할 수 있고, 이상 거동 감지시 신속한 조치를 할 수 있도록 한 것을 기술적 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 구조체에 매립되는 센서장치 및 강도측정장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 센서장치의 예시도이며, 도 3은 도 2의 일부 부품을 절개한 모습을 도시한 분리사시도이고, 도 4는 도 2에서 전선이 포함된 모습을 도시한 투영사시도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 강도측정장치의 제어모듈부의 구성을 도시한 블럭도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 구조체의 강도를 모니터링하는 과정을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
먼저, 상기 센서장치(60)는 상기 구조체(10)에 매립되어 상기 구조체(10)에 교류전기신호를 전달하고 구조체(10)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받을 수 있다.
이를 위해, 상기 센서장치(100)는 센서 하우징(110), 압전센서(120) 및 전달부재(139)를 포함할 수 있다.
상기 센서 하우징(110)은 센서장치 및/또는 강도측정장치가 구조체(10) 내부에 파손되지 않게 매립되도록 하는 구성일 수 있다. 이를 위해, 상기 센서 하우징(110)은 고화제 조성물과 함께 타설시 충격과 상측에서 쌓이는 고화제 조성물의 무게를 견딜수 있도록 소정의 강도를 가지며, 매립 후에는 하측으로 가라앉지 않도록 적절한 무게를 갖는 것이 좋다. 또한, 상기 센서 하우징(110)은 고화제 조성물이 양생하는 동안 발생하는 열에 변형되지 않고 고화제 조성물과 반응하지 않는 재질로 구성될 수 있다.
상기 압전센서(120)는 센서 하우징(110) 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 구조체(10)에 전달하고, 구조체(10)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받을 수 있다. 압전센서(120)는 전달부재(130)에 다수개로 부착될 수 있으며, 2개로 형성될 경우 양 끝단에 형성될 수 있다. 또한, 상기 압전센서(120)는 교류전기신호을 인가받는 압전센서와 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서로 나뉘어 설치될 수 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 한 압전센서(120)에서 교류전기신호를 인가받거나 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받을 수 있다. 한편, 상기 교류전기신호는 주기파로 구성되며, 주기파는 사인파(Sine wave), 사각파(Square wave), 삼각파(Triangle wave) 및 톱니파(Sawtooh wave) 중 하나이상을 포함할 수 있다.
상기 전달부재(130)는 압전센서(120)가 부착되어 공진주파수 및 임피던스가 상기 구조체(10)에 전달되도록 할 수 있다. 상기 전달부재(130)는 압전센서(120)로부터 교류전기신호를 전달받아 센서 하우징(110)에 전달하고 되돌아온 변화된 공진주파수 및 임피던스를 센서 하우징(110)으로부터 전달받아 압전센서(120)에 전달할 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 강도측정장치(200)는 상기 센서장치(100)에 내장되거나 또는 유,무선으로 연결되어 구조체(10)의 강도를 측정하기 위한 장치로서, 교류전기신호 발생부(210), 제어모듈부(220) 및 전원부(230)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 교류전기신호 발생부(210)는 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 교류전기신호 발생부(210)는 사인파, 사각파, 삼각파 및 톱니파 중 하나이상을 포함하는 주기파로 구성된 교류전기신호를 발생시킬 수 있다.
상기 제어모듈부(220)는 상기 교류전기신호 발생부(210)에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 압전센서(120)에 인가하며, 압전센서(120)로 인가된 교류전기신호에 기반하여 압전센서(120)에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하여 강도데이터를 산출할 수 있다.
상기 전원부(230)는 제어모듈부(220)에 필요 전력을 공급할 수 있다. 상기 전원부(230)는 교체형 배터리 또는 충전형 배터리로 구성될 수 있다. 상기 전원부(230)는 일반적으로 표준양생한 재령 28일 강도를 기준으로 수행되는 콘크리트의 품질관리를 반영하여 28일을 상회하는 기간 동안 제어모듈부(220)에 전력을 공급하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.
또한, 상기 강도측정장치(200)는 상기 센서장치(100)의 압전센서(120)에 전기적으로 접속되는 접속 포트 또는 접속 케이블로 구성되는 접속부를 구비할 수 있다.
상기 강도측정장치(20)는 센서장치(100)의 센서 하우징(110)의 내부에 수용되어 압전센서(120)와 근접하게 연결되는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다. 구체적으로 강도측정장치(200)는 상기와 같은 구성을 수용하여 이들을 보호하는 별도의 장치 하우징이 구비될 수 있다. 여기에서, 상기 장치 하우징은 내부에 상기한 구성부들이 장착되도록 이루어지고, 이동성과 휴대성을 위하여 손잡이부를 갖고 소형으로 제작될 수 있으며, 내부의 구성부들의 유지보수를 위하여 일부가 개폐되거나, 분할되어 구성될 수 있다.
다음으로, 본 발명에서 상기 센서 하우징(110)은 상부 센서 하우징(1101) 및 하부 센서 하우징(1102)을 포함할 수 있다.
도 2 및 3을 참조하면, 상기 상부 센서 하우징(1101)은 원판 형태의 머리부(1101-1) 및 기둥 형태의 몸통부(1101-2)로 구성되되, 몸통부(1101-2)의 외면에 상기 전달부재(130)가 나선형으로 감싸도록 연결될 수 있다. 상기 하부 센서 하우징(1102)은 상부 센서 하우징(1101)이 삽입되도록 상측이 개방된 원통 형태로 형성될 수 있다. 상기 하부 센서 하우징(1102)은 내주면에 결합홈(1102-1)이 형성될 수 있다. 상기 결합홈(1102-1)은 상부 센서 하우징(1101)의 회전에 의해 전달부재(130)가 삽입되어 결합되도록 하는 나선형으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 전달부재(130)는 바형태로 형성되되, 상기 상부 센서 하우징(1101)의 몸통부(1101-2)의 외주면을 따라 나선형으로 형성될 수 있다. 상기 전달부재(130)는 상하면에 압전센서(120)가 부착될 수 있는 적절한 너비로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전달부재(130)는 하부 센서 하우징(1102)의 결합홈(1102-1)에 끼워질 수 있는 강도로 형성될 수 있다.
또한, 상기 센서장치(100)는 교류전기신호를 무선으로 받는 것이 바람직하나, 도 4와 같이 전선(E)이 상부 센서 하우징(1101)을 상하방향으로 관통하여 설치되어 유선으로 교류전기신호를 인가 받을 수 있다. 이때, 전선(E)은 상부 센서 하우징(1101)의 몸통부(1101-2)에 수용되어 압전센서(120)로 연결될 수 있다.
또한, 상기 센서장치(120)는 상기 구조체(10)에 완전히 매립된 상태로 설치될 수 있고, 또는 상부 센서 하우징(1101)이 노출된 상태로 구조체(10)에 설치될 수도 있다. 여기에서, 상기 센서장치(100)의 상부가 노출되어 설치되면 신호가 불안정하거나 이상이 발견된 센서장치(100)의 상부 센서 하우징(1101)을 하부 센서 하우징(1102)으로부터 분리하여 상태를 확인하거나, 수리 후 재설치될 수 있다. 또한, 상기 센서장치(100)는 상기 구조체에 고화제 조성물을 복수개로 투입될 수 있다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나 본 발명은 온도센서, 유무선 통신 모듈부, 디스플레이부 및 GPS 모듈부를 더 포함할 수 있다.
온도센서는 상기 센서장치(100) 또는 강도측정장치(200)의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출할 수 있다. 일반적으로, 압전센서(120)는 온도에 따라 공진주파수와 임피던스가 미세하게 변화는 성질이 있는데, 고화제 조성물의 양생과정에서 발생하는 열이나, 양생이 완료된 이후에 외부기온 변화에 따른 구조체의 온도의 변화는 구조체의 압력과 무관하게 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스가 변화를 발생시키게 된다. 이와 같은 구조체의 온도의 변화에 의해 발생되는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화는 구조체의 압력의 변화로 잘못 인식되거나, 구조체의 압력측정에 있어서 측정 오차를 발생시킬 수 있는 문제가 있다.
이에, 온도센서는 압전센서(120)가 최대한 근접한 거리에 위치하여, 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스를 측정할 때 압전센서(120) 주변의 온도를 측정하도록 하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지는 않는다.
유무선 통신 모듈부는 강도데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 센서장치(100) 또는 강도측정장치(200)에 구비될 수 있다. 유무선 통신 모듈부는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정한 압력변화 데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송할 수 있다. 이에, 외부의 상위 처리장치는 전송받은 압력변화 데이터를 기초로 강도를 도출할 수 있다.
여기서, 외부의 상위 처리장치는 컴퓨터, 서버, 클라우드 등 다양한 형태로 구비될 수 있으며, 본 발명의 기술분야에서 사용하는 처리장치는 모두 사용 가능하다.
상기 디스플레이부는 강도데이터를 표시하여 사용자가 강도를 육안으로 바로 확인할 수 있도록 할 수 있다. 디스플레이부는 시인성 높은 강도데이터를 전달할 수 있는 장치는 모두 사용 가능하다.
상기 GPS 모듈부는 센서장치(100) 또는 강도측정장치(200)에 구비되며, 압전센서(120)의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송할 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이 본 발명에서 상기 제어모듈부(220)는 교류전기신호 제어부(221), 주파수-임피던스 검출부(222), 압력변화 측정부(223), 주파수-임피던스 보정부(224), 신호 증폭부(225), 저역 필터부(226), 아날로그-디지털 컨버터부(227) 및 강도 산출부(228)를 포함할 수 있다.
상기 교류전기신호 제어부(221)는 교류전기신호 발생부(210)에서 발생되는 교류전기신호를 제어하여 압전센서(120)로 인가되도록 할 수 있다. 여기서, 교류전기신호는 주기파로 구성되며, 주기파는 사인파(Sine wave), 사각파(Square wave), 삼각파(Triangle wave) 및 톱니파(Sawtooh wave) 중 하나이상을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 낮은 주파수에서 높은 주파수의 주파수 대역을 갖는 사인파를 사용하는 것이 좋다. 또한, 상기 교류전기신호 제어부(221)는 압전센서의 주파수 특성에 따라 교류전기신호의 주파수와 발생시간을 제어할 수 있다. 예를 들면, 교류전기신호 제어부(221)는 교류전기신호 발생부(210)에서 5KHz에서 100KHz의 사인파가 1초 동안 발생되도록 제어할 수 있다.
상기 주파수-임피던스 검출부(222)는 압전센서(120)로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화를 검출할 수 있다.
상기 압력변화 측정부(223)는 주파수-임피던스 검출부(222)에서 검출된 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정할 수 있다.
상기 주파수-임피던스 보정부(224)는 주파수-임피던스 검출부(222)에서 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스를 검출할 때, 온도센서에 의해 검출된 온도에 기반하여 검출된 공진주파수 및 임피던스 값 중에서 적어도 하나를 보정하여 측정 오차를 최소화할 수 있다.
일반적으로 온도에 따른 저항은 증가하는 것으로써, 이것은 일반적인 사항이기에 온도와 저항간의 관계식과 그 설명은 생략하며, 본 발명에 의한 관계식은 다음과 같다.
상기 주파수-임피던스 보정부(224)는 하기의 식 1 및 식 2를 통해 보정된 공진주파수와 보정된 임피던스를 얻을 수 있다.
f = f1 + A * (Tc-Tref) + B (식 1)
z = z1 + C * (Tc-Tref) + D (식 2)
(여기에서, f : 보정된 공진주파수, z : 보정된 임피던스, f1 : 측정된 공진주파수, z1: 측정된 임피던스, A : 압전센서의 온도특성계수 1, C : 압전센서의 온도특성계수 3, B : 압전센서의 온도특성계수 2, D : 압전센서의 온도특성계수 4, Tc: 측정된 현재 온도, Tref: 기준온도, A, B, C, D 및 Tref는 압전센서에 대한 온도특성실험을 통해 얻은 상수값)
여기서, A, B, C, D 및 Tref는 사용하는 압전센서에 따라 상이하며, 해당 압전센서에 대한 온도특성실험을 통해 얻어지는 데이터일 수 있다. 이러한 공진주파수와 임피던스의 보정은 외부기온 변화에 따른 구조체의 온도의 변화가 구조체의 압력과 무관하게 압전센서의 공진주파수와 임피던스의 변화를 발생시키는 것에 기반하는 것이다.
상기 신호 증폭부(225)는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 따른 전기신호의 크기를 증폭시킬 수 있다.
상기 저역 필터부(226)는 저역 필터(Low pass filter)를 통해 신호 증폭부(225)로부터 출력되는 전기신호 중 교류전기신호 발생부(210)에서 발생한 교류전기신호는 제거하고, 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 전기신호만을 통과시킬 수 있다.
상기 아날로그-디지털 컨버터부(227)는 저역 필터부(226)를 통해 필터링되어 출력되는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스 변화에 따른 아날로그 전기신호를 디지털 신호로 변환시켜 출력할 수 있다.
상기 강도 산출부(228)는 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스 변화의 디지털 신호에 기반하여 압전센서(120)에 가해진 물리적인 압력의 변화인 압력변화 데이터를 측정하고, 압력변화 데이터를 기초로 강도데이터를 계산하고 산출할 수 있다.
여기서, 강도 산출은 하기와 같이 설명할 수 있다.
강도 변화가 없는 상태에서 공진 주파수는 일정한 값을 갖는다. 물질의 강도가 변하게 되면 공진 주파수값의 이동이 생기는데, 이 변동값은 재료(물질)마다 다르게 나타난다. 즉, 절대값을 이용하여 강도를 추출할 수는 없고, 초기에 구조물에서 추출한 샘플을 이용하여 강도시험을 수행하고, 같은 재령(age)에서의 공진 주파수를 해당 강도값과 1:1 대응하여 강도값과 주파수값의 관계식을 근거로, 추후 측정되는 피크 주파수(공진 주파수)의 변화에 따른 강도를 산출하게 된다. 다시 말해서, 기준(reference) 값을 근거로 같은 재료에 대한 강도를 측정할 수 있다. 여기에서, 샘플에 대한 강도시험 방법으로는 만능재료시험기(UTM: Universal Testing Machine)를 이용한 압축강도시험, 마샬시험법, 초음파에 의한 비파괴시험법 등을 활용할 수 있다.
상기와 같은 센서장치(100)와 강도측정장치(200)를 통한 구조체(10)의 강도 모니터링 방법을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기 구조체(10)의 강도 모니터링은 교류전기신호 발생 단계(S10), 교류전기신호 인가 단계(S20), 주파수-임피던스 수신 단계(S30), 주파수-임피던스 검출 단계(S40) 및 압력변화 측정 단계(S50)를 통해 이루어질 수 있다.
상기 교류전기신호 발생 단계(S10)는 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 단계이다. 여기서, 교류전기신호는 주기파로 구성되며, 주기파는 사인파(Sine wave), 사각파(Square wave), 삼각파(Triangle wave) 및 톱니파(Sawtooh wave) 중 하나이상을 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 낮은 주파수에서 높은 주파수의 주파수 대역을 갖는 사인파를 사용하는 것이 좋다.
상기 교류전기신호 발생 단계(S10)는 교류전기신호를 일정시간 이내에 순차적으로 발생시키는 것으로 이루어진다. 구체적으로, 교류전기신호 발생 단계(S10)에서 발생되는 교류전기신호의 주파수와 발생 시간은 연계되는 압전센서(120)의 주파수 특성에 따라 결정되게 된다. 예를 들면, 교류전기신호 발생 단계(S10)는 5KHz에서 100KHz의 사인파를 1초 동안 발생시키는 것으로 이루어진다.
또한, 상기 교류전기신호 발생 단계(S10)는 강도측정장치(200)에 구비되는 교류전기신호 발생부(210)에 의해 교류전기신호를 발생하는 단계이다.
상기 교류전기신호 인가 단계(S20)는 발생된 교류전기신호를 제어하여 일정 시간 동안 압전센서(120)로 인가하는 단계로서, 강도측정장치(200)에 구비되는 제어모듈부(220)를 통해 교류전기신호 발생부(210)에서 압전센서(120)의 주파수 특성에 따라 설정된 교류전기신호를 발생시키고 인가하는 단계이다.
상기 주파수-임피던스 수신 단계(S30)는 압전센서(120)에 인가된 교류전기신호를 전달부재(130) 및 센서 하우징(110)을 통해 구조체(10)에 전달하고 구조체(10)에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 단계이다.
상기 주파수-임피던스 검출 단계(S40)는 압전센서(120)로 가해지는 교류전기신호의 주파수에 따른 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화로 발생하는 전기신호를 검출하는 단계이다. 상기 주파수-임피던스 검출 단계(S40)는 교류전기신호 인가 단계(S20)에서 가해지는 교류전기신호의 주파수에 의해 압전센서에서 발생하는 공진주파수와 임피던스를 검출하는 단계이다. 여기서, 공진주파수는 고유 공진주파수이고, 임피던스는 공진주파수와 임피던스 값일 수 있다.
상기 압력변화 측정 단계(S50)는 검출된 압전센서(120)의 공진주파수와 임피던스의 변화에 기반하여 압전센서(120)에 가해진 물리적인 압력의 변화에 따른 강도전기신호로 측정하는 단계이다.
또한, 상기 압력변화 측정 단계(S50)은 상기 유무선 통신 모듈부를 통해 외부의 상위 처리장치로 전송하여 상위 처리장치에서 압력변화 데이터에 기초하여 강도데이터를 계산하도록 하거나, 강도 산출부(228)를 통해 압력변화 데이터를 계산한 강도데이터를 유무선 통신 모듈부를 통해 외부의 상위 처리장치로 전송하는 단계일 수 있다. 여기서, 외부의 상위 처리장치는 컴퓨터, 서버, 클라우드 등 다양한 형태로 구비될 수 있으며, 본 발명의 기술분야에서 사용하는 처리장치는 모두 사용 가능하다.
다음으로, 본 발명에 따른 상기 센서 하우징(110)은 내부에 장착된 구성품들의 파손을 방지하면서 연약지반에 안정적으로 주입되어 구조체 내부에 매립될 수 있도록 탄성유기재료에 의해 외주면이 코팅처리될 수 있다.
여기에서, 상기 탄성유기재료는 폴리디메틸실록세인(Polydimethylsiloxane) 25~80중량% 및 실리콘고무 20~75중량%로 이루어지며, 더욱 바람직하게는 폴리디메틸실록세인 75중량% 및 실리콘고무 25중량%로 이루어지는 것이 좋다.
상기 폴리디메틸실록세인(Polydimethylsiloxane)은 분자량이 16238이며, 녹는점 및 끓는점이 각각 -40~50℃ 및 205℃인 투명한 물질로서, 표면에너지가 낮고 다양한 액체와 증기에 대한 침투성이 있는 탄성 중합체(elastomer)이다.
또한, 상기 폴리디메틸실록세인은 단차피복성(step coverage)이 우수하여 케이싱의 외주면에 안정적으로 점착할 수 있으며, 표면 자유 에너지(interfacial free energy)가 낮은 특징이 있다. 또한, 탄성계수가 약 1~10MPa 수준으로 매우 낮아 유연하고 접착성이 있으며 표면에너지가 약 25mN/m에 불과하다는 장점이 있으나, 종횡비(high-aspect-ratio) 구조물을 제작하는데 어려움이 있으며, 이러한 단점을 보완하기 위해 실리콘고무를 첨가한다.
상기 실리콘고무는 고중합도 곧은사슬 모양의 디올가노폴리실록산에 미분 실리카 등을 보강제로 혼화하여 가교시킨 고무 탄성체. 내후성, 전기적 특성이 우수하여 -50~200℃에서 사용할 수 있으며, 250℃에서 3일간 방치하여도 강도나 신장률의 변화를 10% 이내로 유지할 수 있고, -45℃에서도 고무탄성을 잃지 않는다. 따라서 항공기의 창문을 봉하는 데나 발수성(撥水性:물을 튀기는 성질)을 필요로 하는 곳, 또는 발열하는 곳에 특수재료로 사용되며, 고무롤러의 속 부분, 패킹 재료, 전기 절연재료 등으로 널리 쓰인다.
본 발명은 이러한 특징을 갖는 폴리디메틸실록세인와 실리콘고무로부터 조성되는 탄성유기재료를 센서 하우징(110)의 외주면에 도포하여 코팅처리함으로써 센서 하우징(110) 내부의 구성품들의 파손을 방지하면서 연약지반에 안정적으로 주입되도록 할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 심층혼합공법은 고화제 조성물이 필요 이상으로 연약지반에 주입되는 것을 방지하는 기능을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 심층혼합공법은 개량대상이 되는 연약지반에 설계에서 정해진 심도까지 오거 스크류와 같은 굴착장비가 관입되어 지반을 굴착하여 설계심도까지 관입하도록 하는 관입단계(S1) 이후에, 상기 굴착장비를 인발하는 동시에 굴착장비를 통해 고화제 조성물을 주입하여 원 지반에서 굴착된 흙과 상호 혼합되도록 하는 공법이다.
그런데, 종래에 개시된 굴착장비는 지반을 굴착하면서 설계심도까지 관입될 때 천공홀의 지름을 조절하기 위한 별도의 기술구성이 구비되지 않아 다양한 연약지반의 종류에 따라 구근, 즉 연약지반의 강도 보강을 위한 구조체의 형상을 변경하여 시공하기 어려운 문제점이 있었다.
도 7 및 8은 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 굴착장비(300)를 도시한 개략적인 예시도로서, 상기 굴착장비는(300)는 주입관(310)과, 상기 주입관과 직교 방향으로 배치되는 굴착부(320) 및 교반부(330)와, 상기 주입관의 상부 일측에 구비되는 깊이감지부(340)를 포함할 수 있다.
상기 주입관(310)은 구동부(미도시)의 작동에 의해 회전되며, 지중에 수직으로 삽입되는 소정 길이의 관체로서, 본 실시예의 주입관(310)를 중장비의 구동부에 연결되도록 설치하여 지면으로부터 지중으로 천공홀부를 성형하고, 주입관(310)를 통해 고화제 조성물을 주입하여 연약지반 내부에 구조체를 형성하는 연약지반 개량공법을 진행하게 된다.
상기 굴착부(320)는 복수개의 비트부재(324)가 마련되어 지면을 굴착하는 것으로, 상기 주입관(310)을 따라 상하 다단으로 복수개로 배치되되 굴착작업 전에 측정되는 연약지반의 연약층(21)과 지지층(20) 사이의 경계를 중심으로 연약층에 상대적으로 큰 천공홀부를 시공하도록 하부로부터 상부로 갈수록 길게(크게) 형성되며, 상기 굴착부(320) 중에 상대적으로 큰 굴착부(320)가 지지층(20)으로 삽입되지 않도록 깊이감지부(340)를 확인하면서 주입관(310)이 삽입되는 깊이를 조절하여 천공작업을 진행하게 된다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 상기 굴착부(320)는 주입관(310)의 하단부에 구비되고 비트부재(324)가 설치되는 제1굴착대(321)와, 상기 주입관 상에 제1굴착대의 상측으로 배치되고 비트부재(324)가 설치되며 제1굴착대보다 긴 길이를 갖는 제2굴착대(322)와, 상기 주입관 상에 제2굴착대의 상측으로 배치되고 비트부재(324)가 설치되며 제2굴착대보다 긴 길이를 갖는 제3굴착대(323)를 포함할 수 있다.
상기 교반부(330)는 상기 주입관(310)과 직교 방향으로 배치되며, 상기 주입관(310)에 상하 다단으로 배치되되 굴착부(320)보다 높게 배치되어 상기 굴착부에 의해 분쇄되는 지반을 교반시키면서 고화제 조성물과 분쇄된 지반을 혼합시키는 기능을 제공한다.
예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 상기 교반부(330)는 상기 주입관(310)에 설치된 제1굴착대(321)와 제2굴착대(322)의 사이에 설치되며 상기 제1굴착대(321)에 의해 분쇄되는 지반 및 상기 주입관(310)에서 토출되는 고화제 조성물을 혼합시키는 제1교반대(331)와, 상기 주입관(310)에 설치된 제2굴착대(322)와 제3굴착대(323) 사이에 설치되며 상기 제2굴착대(322)에 의해 분쇄되는 지반 및 상기 주입관(310)에서 토출되는 고화제 조성물을 혼합시키는 제2교반대(332)와, 상기 주입관(310)에 설치된 제3굴착대의 상측에 설치되며 상기 제3굴착대(323)에 의해 분쇄되는 지반 및 상기 주입관(310)에서 토출되는 고화제 조성물을 혼합시키는 제3교반대(333)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따라, 지반검사를 통해 지지층(20), 연약층(21), 초연약층(22) 등으로 지반 내부의 구조를 확인하여 제1굴착대(321) 내지 제3굴착대(323)와, 제1교반대(331) 내지 제3교반대(333)를 주입관(310)에 설치하고, 천공작업을 진행하여 도 9와 같이 지지층(20), 연약층(21) 및 초연약층(22)에 단계적으로 지름이 큰 천공홀부를 시공하게 된다. 물론, 지반 내부의 구조가 연약층과 지지층으로만 구성되는 경우에는 제3굴착대(323) 및 제3교반대(333)의 설치를 생략할 수도 있다.
한편, 상기 굴착부(320) 및 교반부(330)를 설치할 때에는 지지층(20), 연약층(21) 및 초연약층(22)이 각각 시작되는 깊이를 측정하여 주입관(310)에 제1굴착대(321) 내지 제3굴착대(323)의 위치와, 제1교반대(331) 내지 제3교반대(333)의 위치를 결정하여 설치하게 되는데, 이때, 작업자가 주입관(310)를 필요 이상으로 삽입시키는 오작업을 방지할 수 있도록 본 발명은 상기 주입관의 상부 일측에 깊이감지부(340)가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 깊이감지부(340)는 상기 주입관(310)이 지중으로 삽입될 때 삽입되는 깊이를 육안으로 확인하여 상기 복수개의 굴착부 중에서 상대적으로 긴 굴착부가 지지층으로 삽입되는 것을 방지하기 위한 것으로, 상기 주입관에 구비되는 복수 개의 결합홈부(312) 중 어느 하나에 안착되는 제1결합링(341)과, 상기 주입관에 고정되도록 상기 제1결합링과 결합되는 제2결합링(342)과, 상기 제1결합링 및 상기 제2결합링으로부터 돌출되는 표시바(343)를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 표시바(343)는 굴착작업이 시작되기 전에 위치를 결정하여 설치하되, 상기 표시바가 설치되는 위치는 연약층의 깊이와 지지층에 형성되는 천공홀의 깊이를 합하여 삽입 깊이를 결정하여 상기 주입관의 하단으로부터 삽입 깊이만큼 상측으로 이동한 위치인 것이 바람직하다.
이에 따라, 작업자가 상기 주입관(310)를 지면으로부터 지중으로 삽입시키는 천공작업이 개시된 후에 상기 표시바(343)가 지면까지 하강하여 지중으로 삽입되기 직전에 천공작업을 중단하고, 상기 주입관(310)를 통해 고화제 조성물을 주입하면서 상기 주입관(310)를 지면 외측으로 인출하면서 보강재 주입작업을 진행하게 된다. 이때, 상기 주입관(310)로부터 토출되는 고화제 조성물은 상기 교반부(330)에 의해 분쇄된 토양과 혼합되면서 경화되어 구조체(10)로 형성된다.
또한, 본 실시예의 깊이감지부(340)는 표시바(343)가 지중으로 삽입될 때에 표시바(343)와 지면이 간섭되는 것을 방지하는 간섭방지부(350)를 더 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 간섭방지부(350)는 상기 표시바(343)의 중앙부에 설치되는 힌지축(351)과, 상기 힌지축(351)에 설치되고 표시바(343)를 일측 방향으로 회전시키도록 탄성력을 제공하는 탄성부재(352)를 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 표시바(343)는, 2개 이상 복수 개의 바가 회전 가능하게 연결되어 이루어지고, 복수 개의 바를 회전가능하게 연결하는 연결부위에 힌지축(351)이 설치되며, 각각의 힌지축(351)에 토션스프링으로 이루어지는 탄성부재(352)가 설치되어 외측 단부에 설치되는 바를 하측, 상측 또는 상하측으로 회전시키는 탄성력을 제공하게 된다.
또한, 상기 제1결합링(341)과 제2결합링(342)의 양단부에는 측 방향으로 돌출되는 연장부위가 형성되고, 서로 대향되게 배치되는 연장부위의 하단에는 표시바(343)의 회전운동을 제한하는 스토퍼가 형성되고, 표시바(343)의 외벽에는 토션스프링의 단부가 지지되는 걸림돌기(343a)가 형성되므로 토션스프링의 양단부는 걸림돌기(343a)와 스토퍼에 의해 지지되면서 표시바(343)를 스토퍼 방향으로 회전시키는 탄성력을 제공하게 된다.
따라서 주입관(310)가 지중으로 삽입될 때에 천공홀의 입구와 표시바(343)가 간섭될 때에 토션스프링이 압축되면서 표시바(343)가 역방향으로 회전되므로 표시바(343)가 상측으로 회전되면서 천공홀부와 간섭되는 것을 방지할수 있게 된다.
이후에, 천공작업이 완료되어 주입관(310)를 지면 외측으로 배출시키면 탄성부재(352)의 복원력에 의해 표시바(343)가 원상태로 복귀될 수 있게 된다.
물론, 스토퍼가 생략될 수 있으며, 한 쌍의 토션스프링이 하나의 힌지축(351)에 동시에 설치되어 표시바(343)를 상측 및 하측으로 회전시키는 탄성력을 제공할 수 있으며, 이때, 한 쌍의 토션스프링에 의해 제공되는 양방향 탄성력에 의해 표시바(343)는 주입관(310)로부터 측 방향으로 연장되게 배치될 수 있고, 주입관(310)를 지중으로 삽입할 때는 표시바(343)가 상측으로 회전되고, 주입관(310)를 지면 외측으로 배출시킬 때에는 표시바(343)가 하측으로 회전되면서 간섭을 방지할 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따라 상기 믹싱단계(S3)에서 주입되는 고화제 조성물은 고로슬래그 미분말과, 플라이애쉬와, 조강시멘트와, 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 합성된 중합체를 혼합하여 조성될 수 있다.
상기 고로슬래그 미분말은 제철공장 선철 제조 시 발생되는 산업부산물로 철광석의 불순물이 섞인 암질산화알미늄(Al2O3)과 화합된 고온에서 용융된 부유물질이다.
상기 고로슬래그 미분말은 분말도 3,000~10,000cm2/g의 분포를 나타낸다. 통상적으로 4,000cm2/g, 8,000cm2/g,10,000cm2/g의 3종류로 분쇄 분급하여 사용하는데, 고분말도의 분말이 반응성이 더 좋으나, 분말도가 클수록 에너지 소비가 기하급수적으로 많아져 고가로 된다.
이러한 고로슬래그 미분말의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 55~65중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 고로슬래그 미분말의 함량이 55중량% 미만인 경우에는 고화제 조성물의 강도 발현이 저하되는 문제가 있고, 65중량%를 초과하면 초기 반응 및 응결 시간이 지연되는 등 초기 강도 확보에 어려움이 있으며, 경제성이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다.
다음으로, 상기 플라이애쉬는 열병합 발전소 및 화력 발전소에서 연료소각시 발생되는 부산물인 플라이애쉬로서, 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3)과, 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상이다.
상기 플라이애쉬의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 10~20 중량%인 것이 바람직한데, 이는 상기 함량이 10 중량% 미만인 경우에는 탈황부산물과 함께 초기 수화반응을 유도할 수 없다는 문제가 있고, 상기 함량이 20 중량%를 초과하면 팽창효과가 크고 단위수량이 증대된다는 문제가 발생한다.
다음으로, 상기 조강시멘트는 볼밀링에 의해 평균 분말도 5,000~5,500 ㎠/g으로 가공되고, 입경 10㎛ 이하의 고미분말이 5~10wt% 함유된 것을 적용할 수 있다.
버티컬 밀링의 경우 시멘트 입자를 평균 분말도 5,000~5,500㎠/g이 되도록 분쇄하더라도 분말의 입형은 세장비가 대체적으로 높게 나타나며, 그러한 입형은 수화반응 및 유동성에 불리하게 작용하므로, 볼밀링 방식으로 가공하는 것이 바람직하다. 또한, 볼밀링 시 버티컬 밀링에 비해 분말의 입도 분포가 넓게 나타나 평균 분말도가 동일한 수준이더라도 입경 10㎛ 이하의 고미분말 수득율을 높일 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 상기 입경 10㎛ 이하의 고미분말이 상기 조강시멘트의 5~10중량% 함유되도록 하여, 상기 고미분말이 조강성 발현을 위한 씨드(seed) 역할을 수행토록 할 수 있다.
다음으로, 하기의 화학식 1의 페녹시에탄올(phenoxyethanol)은 무색의 점성 액체로서, 1가 알코올로 분류되며, 고분자 구조 내에 분쇄능의 향상효과를 위해 첨가된다.
화학식 1
Figure 112022102243910-pat00001
하기의 화학식 2의 이소프로필아민은 암모니아 냄새가 나는 투명한 무색 액체로서, 약염기이며 밀도는 722kg/㎥이고 분자량은 5911026g/㏖이다.
상기 이소프로필아민은 고로슬래그 유리질 피막의 형성 자체를 억제하며, 반응속도를 늦추고, 기형성된 피막에 결합하여 워터채널을 형성하는 작용을 통해 압축강도를 향상시키며, 치밀화된 조직을 형성하여 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.
화학식 2
Figure 112022102243910-pat00002
상기 이소프로필아민은 공기 중에 폭발 위험이 있으므로, 상기 중합체는 상기 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 9~99:01~1의 몰비로 30℃에서 산촉매를 통해 합성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 중합체의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 2~5중량%인 것이 바람직하다. 만약, 상기 함량이 2중량% 미만인 경우 함량 미달로 인해 분쇄능 향상효과, 압축강도 향상효과를 기대할 수 없으며, 응결지연에 따른 시공성 저하의 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 5중량%를 초과하게 되면 초기균열 발생, 장기강도 저하 등의 문제점이 발생될 수 있으므로 바람직하지 않다.
한편, 본 발명에서 상기 고화제 조성물의 물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 주입되는 것이 바람직하다. 상기 고화제 조성물은 조기강도를 확보하는 것도 중요하지만, 현장 타설에 있어서 급결은 작업성의 저하로 이어질 수 있고, 압송부하로 인한 펌핑 장비의 파손을 초래할 수 있으므로 고화제 조성물의 양은 적절한 조성관계를 갖도록 하는 것이 우선적으로 고려되어야 한다. 만약, 물/시멘트비가 중량비로 50% 미만으로 배합되어 주입되면 급결과 재료의 혼합이 어려운 단점이 있고, 70% 이상으로 배합되어 주입되면 상대적으로 물의 양이 많아지면서 조기강도의 발현이 지체되는 문제점이 발생된다.
또한, 본 발명은 상기 고화제 조성물 100중량부에 대하여 유동화제 01~8중량부가 첨가될 수 있다.
여기에서, 상기 유동화제는 물 80~90중량%와, 폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer)5~18중량%와, 글루콘산계 지연제 1~5중량%와, 로릴 에테르 황산 나트륨 1~5중량%를 포함할 수 있다.
폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer)는 분산제 역할을 하는 것으로, 펌핑 장비에 의해 고화제 조성물이 압송될 때 각종 미분말 입자들을 분산시켜 혼합, 투입, 및 압송이 효율적으로 행해지도록 하는 역할을 한다.
이러한 폴리카르복실레이트의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 5~18중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 만약, 5중량% 미만인 경우 함량 미달로 인해 유동성을 확보할 수 없어 원활한 압송이 이루어지지 못할 수 있으며, 18중량%를 초과하는 경우 유동성이 너무 높아져 고화제 조성물로 사용하기에 부적절할 수 있다.
상기 글루콘산계 지연제는 본 발명에 따른 고화제 조성물의 경화가 신속하여 펌프 압송시 배관 내부에서 경화되거나 실제 시공시에 작업중에 경화되는 것을 방지하기 위하여 첨가되는 것으로, 일정 시간 동안 주입성을 확보하기 위해 석고에 의해 급격하게 경화되는 것을 지연하기 위한 것이다.
상기 글루콘산계 지연제로는 글루콘산 나트륨을 사용할 수 있으며, 1~5중량%가 혼합된다. 만약, 1중량% 미만인 경우 함량 미달로 인하여 작업성을 유지할 수 없고, 5중량%를 초과하여 혼합되는 경우 강도 저하 및 늦은 경화에 따른 작업성이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
상기 로릴 에테르 황산 나트륨(Sodium Lauryl Ethersulfate)은 입자를 분산시켜 혼합, 투입 및 압송이 효율적으로 행해지도록 하는 분산제이다. 상기 로릴 에테르 황산 나트륨의 양은 전체 조성물 중량에 대하여 1~5중량%로 포함되는데, 만약 1중량% 미만인 경우 함량 미달로 인해 작용효과를 기대할 수 없으며, 5중량%를 초과하는 경우 유동성이 너무 높아져 고화제 조성물로 사용하기에 부적절할 수 있다.
상기와 같은 유동화제가 첨가되면 윤활성이 향상되므로 주입시 유동이 원활하게 이루어져 펌프 등의 장비의 압송부하를 최소화할 수 있다. 더욱이, 유동화제의 첨가로 인해 유동성이 확보되므로 물시멘트비(W/C)를 중량비로 50~70%로 하여 고화제 조성물의 양을 확보할 수 있으므로 구조체의 강도가 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
실시예.
고로슬래그 미분말 60중량%와, 플라이애쉬 20중량%와, 조강시멘트 15중량%와, 중합체 5중량%를 혼합하여 본 발명의 실시예에 따라 고로슬래그를 이용한 에코 파일 주면 채움재를 조성하였다.
다음으로, 상기 주면 채움재 100중량부에 대하여 유동화제 5중량부를 첨가한 후 혼합하였다. 여기에서, 상기 유동화제는 물 85중량%와, 폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer) 10중량%와, 글루콘산 나트륨 3중량%와, 로릴 에테르 황산 나트륨(Sodium Lauryl Ethersulfate) 2중량%를 포함하는 유동화제를 사용하였다.
이후, 상기 주면 채움재를 물시멘트비(W/C)를 중량비로 60%로 배합한 후 연약지반에 주입하였다.
이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 구조체
100 : 센서장치
110 : 센서 하우징
120 : 압전센서
130 : 전달부재
200 : 강도측정장치
210 : 교류전기신호 발생부
220 : 제어모듈부
230 : 전원부
300 : 굴착장비
310 : 주입관
320 : 굴착부
330 : 교반부
340 : 깊이감지부
350 : 간섭방지부

Claims (9)

  1. 굴착장비를 설계심도까지 지중에 관입하는 관입단계(S1)와, 상기 굴착장비를 다시 인발하는 인발단계(S2)와, 상기 관입단계 또는 인발단계 중 적어도 하나의 단계에서 고화제 조성물를 주입하여 굴착된 연약지반과 혼합하는 믹싱단계(S3)와, 상기 믹싱단계에서 주입 및 혼합된 고화제 조성물이 경화되면서 연약지반을 보강하는 구조체가 형성되는 양생단계(S4)를 포함하는 심층혼합공법에 있어서,
    상기 믹싱단계는,
    상기 구조체에 매립되어 상기 구조체에 교류전기신호를 전달하고 상기 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 센서장치(100); 및 상기 센서장치와 연결되어 수화반응물질 구조체의 강도를 측정하는 강도측정장치(200);가 상기 고화제 조성물과 함께 주입되어,
    상기 연약지반의 보강을 위한 구조체의 강도를 높은 신뢰성을 바탕으로 실시간 상시 모니터링하여 상기 구조체의 이상 거동을 감지할 수 있고, 이상 거동 감지시 신속한조치가 이루어질 수 있도록 하며,
    상기 고화제 조성물은,
    제철소의 선철 제조시 발생되는 고로슬래그 미분말 55~65 중량%와, 열병합발전소 및 화력발전소의 연료소각시 발생되고 이산화규소(SiO2)와 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화제이철(Fe2O3)을 합한 함량이 70% 이상인 플라이애쉬 10~20 중량%와, 조강시멘트 10~20중량%와, 페녹시에탄올과 이소프로필아민이 합성된 중합체 2~5중량%를 혼합하여 조성되되,
    물시멘트비(W/C)가 중량비로 50~70%로 배합되어 주입되는 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서장치는,
    상기 구조체에 파손되지 않게 매립되는 센서 하우징과, 상기 센서 하우징 내부에 설치되어 교류전기신호를 전달받아 상기 구조체에 전달하고 상기 구조체에 의해 변화된 공진주파수 및 임피던스를 전달받는 압전센서와, 상기 압전센서가 부착되어 상기 공진주파수 및 임피던스가 상기 구조체에 전달되도록 하는 전달부재를 포함하며,
    상기 강도측정장치는,
    소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호를 발생시키는 교류전기신호 발생부와, 상기 교류전기신호 발생부에서 소정 주파수 대역의 주파수를 갖는 특정 파형의 교류전기신호가 발생되도록 제어하고, 발생된 교류전기신호를 상기 압전센서에 인가하며 상기 압전센서로 인가된 교류전기신호에 기반하여 상기 압전센서에 가해진 물리적인 압력의 변화를 측정하여 강도데이터를 산출하는 제어모듈부 및 상기 제어모듈부에 필요 전력을 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서장치 또는 강도측정장치의 외면에 설치되어 주변 온도를 검출하는 온도센서와;
    상기 강도데이터를 외부의 상위 처리장치로 전송하도록 상기 센서장치 또는 강도측정장치에 구비되는 유무선 통신 모듈부와;
    상기 강도데이터를 표시하는 디스플레이부; 및
    상기 센서장치 또는 강도측정장치에 구비되며, 상기 압전센서의 위치 정보를 외부의 상위 처리장치로 전송하는 GPS 모듈부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 센서 하우징은 내부에 장착된 구성부들의 파손을 방지하면서 연약지반에 안정적으로 주입되어 구조체 내부에 매립될 수 있도록 탄성유기재료에 의해 외주면이 코팅처리되는 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탄성유기재료는 폴리디메틸실록세인(Polydimethylsiloxane) 25~80중량% 및 실리콘고무 20~75중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 관입단계에서 관입되는 굴착장비는,
    구동부의 작동에 의해 회전되며, 지중에 수직으로 삽입되는 소정 길이의 주입관과,
    상기 주입관과 직교 방향으로 배치되며 복수개의 비트부재가 마련되어 지면을 굴착하는 것으로, 상기 주입관을 따라 상하 다단으로 복수개로 배치되되 굴착작업 전에 측정되는 지반의 연약층과 지지층 사이의 경계를 중심으로 연약층에 상대적으로 큰 천공홀부를 시공하도록 하부로부터 상부로 갈수록 길게 형성되는 복수개의 굴착부와,
    상기 주입관에 상하 다단으로 배치되되 상기 굴착부의 상측에 배치되는 것으로, 주입관과 직교 방향으로 배치되며 상기 굴착부에 의해 분쇄되는 지반을 교반시키면서 보강재와 분쇄된 지반을 혼합시키는 복수개의 교반부 및
    상기 주입관이 지중으로 삽입될 때 삽입되는 깊이를 육안으로 확인하여 상기 복수개의 굴착부 중에서 상대적으로 긴 굴착부가 지지층으로 삽입되지 않도록 상기 주입관의 상부 일측에 구비되는 깊이감지부를 포함하여,
    상기 연약지반에 천공홀부를 시공할 때에 연약층에는 상대적으로 지름이 큰 천공홀부가 형성되고, 지지층에는 상대적으로 작은 천공홀부가 형성되도록 하여 천공홀부를 따라 지중으로 고화제 조성물이 주입되면서 구근을 형성할 때에 연약층에 상대적으로 지름이 큰 구근을 시공할 수있고, 반대로 지지층에는 상대적으로 지름이 작은 구근을 시공할 수 있어 고화재 조성물이 필요 이상으로 지지층에 주입되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 깊이감지부는 상기 주입관에 구비되는 복수 개의 결합홈부 중 어느 하나에 안착되는 제1결합링과, 상기 주입관에 고정되도록 상기 제1결합링과 결합되는 제2결합링과, 상기 제1결합링 및 상기 제2결합링으로부터 돌출되는 표시바를 포함하며,
    굴착작업이 시작되기 전에 상기 표시바의 위치를 결정하여 설치하되, 상기 표시바의 위치는 연약층의 깊이와 지지층에 형성되는 천공홀의 깊이를 합하여 삽입 깊이를 결정하여 상기 주입관의 하단으로부터 삽입 깊이만큼 상측으로 이동한 위치에 상기 표시바를 설치함으로써 상기 주입관이 지중으로 삽입되거나 지면으로 인출될 때에 상기 표시바가 변형되거나 파손되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고화제 조성물 100중량부에 대하여 유동화제 0.1~8중량부가 첨가되되,
    상기 유동화제는 물 80~90중량%와, 폴리카르복실레이트 폴리머(polycarboxylate polymer) 5~18중량%와, 글루콘산계 지연제 1~5중량%와, 로릴 에테르 황산 나트륨(Sodium Lauryl Ethersulfate) 1~5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 보강을 위한 구조체의 강도 모니터링 기능을 포함하는 심층혼합공법.
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