KR20040014789A - 지반구조물의 역학적 거동을 알아보기 위한 학습용모형실험장치 - Google Patents

지반구조물의 역학적 거동을 알아보기 위한 학습용모형실험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토목공학 분야에서 지반공학과 관련하여 현장에서 발생하는 여러 형태의 지반구조물에 대한 역학적 거동을 알아보기 위한 학습용 모형실험 장치로 얕은 기초 지지력실험, 깊은기초지지력실험, 옹벽변위에 대한 실험, 보강토옹벽 및 보강토 진반의 지지력시험을 통하여 지반구조물에 대한 역학적 거동을 알 수 있는 학습용 모형실험장치에 관한 것임.

Description

지반구조물의 역학적 거동을 알아보기 위한 학습용 모형실험장치{THE EDUCATIONAL MODEL TEST APPARATUS TO OBSERVE MECHANICAL BEHAVIOUR OF SOIL STRUCTURE}
본 발명은 토목공학 분야에서 토질역학, 기초공학 등의 지반공학과 관련하여현장에서 발생하는 여러 형태의 지반구조물에 대한 역학거동을 알아보기 위한 학습용 모형실험장치에 관한 것으로 종래에는 실재현장에서 발생하는 여러 형태의 토압을 여러 가지 방법으로 실재 측정하는 장치들은 있었으나 실험적으로 여러 형태의 압에 의한 입자들의 역학적 거동을 살필 수 있는 모형실험장치는 없었다.
토목공학분야에서 토질역학 기초공학 등의 지반공학 관련학과목의 강의가 강당이나 교실 등 주로 실내에서 교재, OHP, 슬라이드(Slide)등을 이용한 설명에 치우치고 있어 학생들이 실재의 지반에서 발생하는 물리적 현상을 정확히 이해하기 어려운 부분이 많고 강의 진행자 또한 내용을 전달하는 것이 어려운 경우가 많다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 지반공학 분야 중에서 주요한 부분을 차지하는 얕은 기초, 깊은 기초 및 깊은 기초의 지지력 문제 옹벽이나 보강토 등의 토압문제 사면 등의 역학적 거동을 모형실험으로 재현해 보임으로서 학생들에게 여러 가지 복잡한 지반공학에 대한 현상을 관찰하여 학습효과를 높일 수 있는 여러 형태의 토압에 의한 역학적 거동을 알아 볼 수 있는 학습용 모형실험장치를 제공함에 목적이 있다.
도 1은 본 발명 실험장치의 사시도.
도 2는 본 발명의 장치에 부착된 압력 게이지의 정면도.
도 3은 본 장치로서의 얕은 기초 지지력 시험의 준비 상태도.
도 4는 본 발명 장치로서 얕은 기초 지지력시험 실시도.
도 5는 본 발명장치에 의한 깊은 기초의 지지력 실험 실시도.
도 6은 본 장치에 의한 옹벽 변위에 대한 실험 실시도.
도 7은 본 장치에 의한 옹벽 변위에 대한 실험
도 8은 각종실험종료 후 토입자 대신으로 사용하는 프라스틱입자의 분리도.
도 9는 보강토지반의 지지력 시험에서 사용되는 토조내의 지반 상태도.
본 발명에서의 학습용 모형실험장치에 사용되는 모형지반 재료는 실재 지반재료(토입자)의 재현을 위하여 고밀도 프라스틱재로된 소형구슬을 이용하고 그 형상은 2가지 크기로 구분하여 각각 채색을 달리하여 다른 두 색깔의 지층을 교대로 형성시켜 지반의 거동을 육안으로 쉽고 명확하게 관찰할 수 있도록 되어 있고 지반재료(구슬)의 크기가 달라 실험종료 후에 2종류의 모형지반재료를 체를 통해 쉽게 분리하여 보관할 수 있도록 재실험을 신속히 할 수 있도록 하였다.
한편 상기 인공지반재료를 담아두어 모형지반체를 형성케하는 토조를 투명한 아크릴 판으로 제작하여 모형지반의 변화를 육안관찰이 가능토록 하였으며 토조의 형상은 지반이 평면변형율 조건이 되도록 그 크기를 결정하여 제작하였다.
위에서 설명한 지반구조의 역학적 거동을 알아보는 학습용 모형실험장치의 구조를 구체적으로 설명하면 도(1)∼도(9)에 나타난 바와 같이 가로수평프레임(1), 세로수평프레임(2) 및 수직프레임(3)과 정면판(4)으로 구성되는 구조체의 저면판(4)위에 밑판(11), 측판(12) 및 후방측판(13)으로 구성되면서 일측이 열린측면 내측으로 밑판(11) 및 양측판(12)에 밀착되고 하단에 힌지(14')를 갖는 전방측판(14)으로 이루어지는 투명토조(21)가 고정 안치되고 투명토조(21)내에는 색이 다른 크고 작은 프라스틱구슬(22, 22")로 교대로 지층을 형성시킨 상태로 충전되어 있으며 상부 한쌍의 가로수평프레임(1)과 한쌍의 수직프레임(3)에는 압력게이지(24, 25)가 각각 결착되어 있는 지반구조물의 역학적 거동을 알아 볼 수 있도록 구성된 학습용 모형실험장치라 할 수 있다.
상기 학습용 모형실험장치의 수평프레임(1)에 결합되어 있는 압력게이지(24)는 결착판(24a)에 의하여 가로수평프레임(1)에 결합되어 있고 나타나있지 않는 회전기어(24b')를 갖는 핸들(24b)의 회전에 의하여 수직축(24c)에 형성된 안보이는 기어(24c')와 맞물려 수직축(24c)이 상하로 이동하게 되어 있고 이 축 하단에는 양측으로 환형판스프링(24d)이 고정되어 있으며 환형스프링(24d)의 연장 하단에는 가압구(24e)가 고정되어 있고 환형판스프링(24d)의 중앙부에 압력눈금판(24h)이 설치되어 있다.
한편 압력게이지(25)는 결착판(25a)에 의하여 수직프레임(3)에 결합되어 있고 수평으로 장착되어 가압구(25e)가 투명토조(21)의 전방측판(13')을 지지 가압할 수 있도록 설치되어 있어 회전기어(25b')를 갖는 핸들(25b)의 회전에 의하여 수평축(25c)에 형성된 기어(25c')와 맞물리게 되어있는 구조로서 실재 압력게이지(24)와 동일한 구성이라 할 수 있다. 단지 실재실험을 실시할 경우에는 압력게이지(24)의 가압구(24e)에는 결합공(24f')이 형성된 수평가압판(24f) 또는 결합공(24g')을 구비한 수직가압판(24g)을 나사(24f", 24g")로서 결합할 수 있는 구조로 되어 있다.
여기에서 프라스틱구슬(Plastic Bead)의 크기에 있어서 큰 것의 크기가 3㎜∼8㎜정도이고 적은 것의 크기는 큰 프라스틱구술 입자들이 형성하는 간극에 접할 수 있는 크기가 알맞다. 또 이들은 실험이 끝난 후 도 8에서와 같이 메쉬(27)로 분리하여 따로 보관할 수 있도록 되어 있다.
위에서 설명한 지반구조물의 역학적 거동을 알아보기 위한 학습용 모형실험장치로서 행할 수 있은 실험을 알아보면
(1) 얕은 기초(후팅)의 지지력 실험
도 3 및 도 4도에서와 같이 얕은 기초로 직사각형태의 수평가압판(24f)을 이용하여 실시하며 수평가압판(24f)의 바닥은 거친(Rough)경우와 매끄러운(Smooth)경우로 각각 제작되어 있어 후팅 바닥면의 거칠기에 따른 지반 거동을 쉽게 관찰할 수 있게 된다.
한편 지반구성은 두 색깔의 지층을 교대로 형성시켜 층상을 구성한 다음 간단히 손으로 핸들(24b)을 회전시키므로 기어에 의하여 수평가압판(24f)을 지반층에 압입하는 방식으로 되어 있어 압력눈금판에 의하여 수직압과 측압을 판단할 수 있고 지반구조물의 침하와 거동상태를 알아볼 수 있다.
(2) 깊은 기초(말뚝)의 지지력 실험
도 5에서와 같이 평면변형율 토조에서 토조의 횡쪽과 동일하게 제작된 평면변형율 상태의 수직가압판(말뚝)을 수평가압판 대신으로 설치한 후 지반을 제작하고 (1)과 같은 방법으로 핸들을 손으로 돌려 수직가압판을 관입 또는 인발시켜 지반의 거동을 관찰하고 압력눈금판을 통해 지지력의 크기와 침하량 등을 측정할 수 있다.
(3) 옹벽 변위에 대한 실험
도 6∼7에서와 같이 (1)의 얕은 기초(후팅)의 지지력 실험과 (2)의 깊은 기초(말뚝) 실험과는 달리 착탈식의 전방측판(14)으로 되어 있는 투명토조(21)에서 전방측판(14)의 저단에 있는 힌지(14')를 기점으로 전방측판(14)의 상부가 전후로 회전 가능하게 하므로서 전방측판의 변위에 따른 지반구조의 거동을 알아 볼 수 있는 실험을 할 수 있다.
(4) 보강토 옹벽 및 보강토 지반의 지지력 실험
도 8과 같이 투명토조(21)내에 지반형성에 있어서 보강재(천, 부직포, 망 등을 이용)(26)을 프라스틱구슬 층에 적층시켜 이로서 실험(1)∼(3)과 같은 방법으로 실험하므로서 상기 각각의 실험에 따른 지반의 거동을 알아 볼 수 있다.
상기 실험이외에도 사면상태실험과 응용에 따라 여러 가지 실험을 할 수 있는 지반구조물의 역학적 거동을 알아 볼 수 있는 학습용 모형실험장치라 할 수 있다.
본 발명에 의한 지반구조물의 역학적 거동을 알아 볼 수 있는 학습용 모형실험장치는 토목공학 분야에서 토질역학, 기초공학 등의 지반공학 관련해서 발생하는 여러 가지 형태의 역학적 거동을 즉, 얕은 기초 및 깊은 기초의 지지력 문제, 옹벽이나 보강토 등의 토압문제 사면 등의 거동을 본 장치를 이용한 실험을 통하여 실재 지반의 거동을 모형실험으로 재현해 보임으로서 학생들에게 여러 가지 복잡한 지반공학에 대한 현상을 쉽게 이해할 수 있게 하므로서 학습효과를 높일 수 있는 학습교재용 장치라 할 수 있다.

Claims (2)

  1. 가로수평 프레임(1), 세로수평 프레임(2), 수직프레임(3) 및 저면판(4)으로 구성되는 구조체의 저면판(4)에 밑판(11), 측판(12) 및 후방측판(13)으로 조립되 일측이 열린 전방측면 내측으로 밑면(11) 및 양측판(12)에 밀착되고 하단에 힌지(14')를 갖는 전방측판(14)으로 형성되는 투명토조(21)가 고정 안치되고 투명토조(21)내에는 색이 다른 크고 작은 프라스틱구슬(22,22')로 교대로 지층을 형성시킨 상태로 충전되어 있으며 상부 가로수평 프레임(1)과 전방의 수직프레임(3)에는 압력게이지(24,25)가 결착되여 있는 지반구조물의 역학적 거동을 알아보기 위한 학습용 모형실험 장치.
  2. 청구항 1에 있어서 압력게이지(24,25)는 수직프레임(3) 또는 수평프레임(2)에 결합되어 있고 회전기어(25b')를 갖는 핸들(25b)의 회전에 의하여 수직축 또는 수평축(25c)에 형성된 기어(25c')와 맞물려 수직축또는 수평축이 이동하게 되어있고 이 축 하단에는 양측으로 환형스프링(24d)이 고정되여 있으며 환영스프링(24d)의 연장하단에는 가압구(24e)가 고정되여 있고 환영 스프링(24d)의 중앙에는 압력눈금판(24h)이 설치되여 있고 가압구(24e)에는 수평가압판(24f) 또는 수직가압판(24g)을 결합 시킬 수 있는 구성임을 특징으로 하는 지반구조물의 역학적 거동을 알아보기 위한 학습용 모형실험장치
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