KR20080061213A - 지중천공기의 운동량 측정장치와 동관입지수 측정 및적용방법 - Google Patents

Abstract

연약지반 개량공사를 시공하는 장비에서 '지중천공기의 운동량 측정장치와 동관입지수 측정 및 적용방법'에 관한 발명으로써,

지중천공기의 운동량 측정장치는;

지중천공기에 의해 관입되는 케이싱 파이프(이후 케이싱이라고 부르기로 함)의 운동량을 측정하는 장치로 케이싱의 관입심도를 측정하는 심도측정센사, 케이싱에 가해지는 힘인 인장력이나 압축력 또는 회전토크등의 관입추진력을 측정하는 로드셀 또는 토크메타, 앞의 센서들로부터 입력된 신호를 변환 및 연산처리한 후 표시와 저장 및 기록을 하는 콘트롤라로 구성되어, 케이싱의 관입심도와 관입추진력에서 연산되는 연속적인 심도에서의 연속적인 케이싱의 운동량을 측정하는 장치이고,

동관입지수 측정 및 적용방법은;

표준관입시험에서 표준관입시험장치의 샘플러에 설계심도 결정의 근거인 엔값이 측정될 때까지 가해진 충격량을 샘플러의 단면적으로 나눈 값을 정관입지수(Static Penetraing Value)라 할 때, 실제의 관입공사에서 지중천공기의 운동량 측정장치를 이용하여, 전술한 정관입지수에 상응하는 케이싱의 단면적당의 운동량인 동관입지수(Dynamic Penetrating Value)를 측정하고, 그 동관입지수를 관입공사에 적용하는 방법으로써, 관입되는 케이싱의 관입한계치를 판단할 수 있는 객관적이고 합리적인 자료를 제공하고 그 결과에 따라 정확한 공사를 수행할 수 있게 한다.

케이싱, 로드셀, 관입한계치, 관입심도, 운동량, 충격량

Description

지중천공기의 운동량 측정장치와 동관입지수 측정 및 적용방법{Momemtum of Earth Drilling Device Measuring System and Dynamic Penetrating Value Measuring Method}

도 1은 연약지반 개량공사를 시공하는 장비 중 피비디공법용 장비이다.

도 2는 표준관입시험을 하기 위한 장치이다.

도 3은 케이싱에 가해지는 관입추진력을 측정하기 위한 센서를 장치한 예시도이다.

도 4는 지중천공기의 운동량 측정장치를 구성하는 블록도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

A. 본체 B. 케이싱

C. 관입추진장치 D. 리다

1. 케이싱 2. 회전형 관입추진장치

3. 압출형 관입추진장치 4. 인계형 관입추진장치

5. 토크메타 6. 압축형 로드셀

7. 인장형 로드셀 8. 관입 시의 관입추진장치의 작동 방향

11. 샘플러 12. 햄머

13. 윈치 14. 도르래

15. 지지대

일반적으로 연약지반을 강화하기 위한 공법으로는, 연약지반 내에 함유된 과잉 공급수를 모래나 드레인재를 통해 배출하여 지반을 강화하는 샌드 파일공법과 피비디공법 등이 대표적인 공법이다.

이 공법들의 공통점은 철제관(케이싱 파이프,또는 단순히 케이싱으로 부름)을 땅 속으로 관입시키고, 그 관의 내부 공간을 통하여 모래나 드레인재로 땅 속의 수분을 배출시키고 지반을 강화시키는 것이다.

이 케이싱을 정해진 심도(설계 심도)까지 관입시키거나, 더 이상 관입시킬 필요가 없다고 판단되는 관입한계치까지 관입시키는 것이 관입공사의 목표이다.

케이싱을 관입시킬 때 설계심도나 관입한계치의 산출근거로 가장 애용되는 기준이 표준관입시험에서 측정된 엔값이다.

표준관입시험이란 도 2에 보이는 그림에서와 같이 지지대(15)에 윈치(13)와 도르래(14)를 설치하여, 햄머(12)와 같이 달린 강철 파이프 형상의 샘플러(11)를 보울링 구멍 속에 넣고 동일한 타격에너지로 타격을 가함으로써 흙의 저항력을 측정하여, 지반의 지지력과 지층의 분포상태 및 지질을 파악하기 위한 시험이다.

다양한 형태의 장치가 있겠으나 기본적인 내용은, 중량 63.5kg의 햄머를 76cm높이에서 자유 낙하시켜서 내경34.93mm에 외경50.8mm이고 길이가 45cm인 샘플 러가 30cm관입할 때까지 요구되는 햄머의 타격회수를 측정하는 것으로, 이 수치가 표준관입시험치 또는 엔값이다.

그러나 실제의 관입공사 중에 관입한계치를 판단하는 기준으로는, 설계심도를 결정할 때 참고로 하였던 엔값을 쓰지 못하고, 유압장비인 경우에는 유압치, 전동장비의 경우에는 전류치를 측정하여 기준으로 한다.

유압이나 전류의 변화로 장비의 부하상태를 파악하여 관입에 대한 흙의 저항력을 간접적으로 파악하려는 취지이나, 장비마다 장비의 특성이 다르고, 케이싱의 단면적이 틀리는 등 신뢰성이 없어서 공사 품질 평가의 참고자료에 그친다.

특히 관입 중의 돌발적인 장애물에 의한 측정치의 상승에 오판을 할 여지가 많다.

설계심도의 책정시에 근거가 되었던 표준관입시험치와 비교 가능한 자료가 있어야 타당성 있는 관입한계치를 확인할 수 있다.

표준관입시험치와 비교 가능한 자료를 추출하고자, 케이싱이 관입하는 운동량을 측정하기 위한 케이싱에 미치는 힘이나 회전토크를 측정할 때,측정 오차를 최소화하는 최선의 방법은 당연히 케이싱에 걸리는 영향을 직접적으로 측정하는 것이다. 즉 케이싱에 직접 영향을 주는 부위에 추진력이나 회전토크를 측정하는 센서가 설치되어야 하고, 그 센서는 지중천공기의 상태나 사양과는 관계없이 추진력이나 회전토크 자체만의 측정을 시행하는 센서이어야 한다.

위와 같은 상황에서의 측정의 결과로, 관입에 소요된 케이싱에 작용한 관입 추진력이나 회전토크를 측정하여야 합리적이고 객관적인 자료를 추출하여 표준관입시험치와 비교 및 공사의 양부를 판단하는 자료를 남길 수 있다.

이 발명은 연약지반을 강화하기 위한 공법의 천공작업에서 표준관입시험치와의 비교 및 공사의 양부를 판단하는 자료를 구하고자 하는 지중천공기의 운동량 측정장치와 동관입지수 측정 및 적용방법에 관한 발명이다.

일반적으로 연약지반을 강화하기 위한 공법으로는, 연약지반 내에 함유된 과잉 공급수를 모래나 드레인재를 통해 배출하여 지반을 강화하는 샌드 파일공법과 피비디공법 등이 대표적인 공법이다.

위의 연약지반 강화공법들의 공통점은 철제관인 케이싱을 땅 속으로 관입시키고, 그 관의 내부 공간을 통하여 모래나 드레인재로 땅 속의 수분을 배출시키고 지반을 강화시킨다는 점이다.

이 케이싱을 사전에 정해진 엔값을 근거로 한 설계 심도까지 관입시키거나, 더 이상 관입시킬 필요가 없다고 판단되는 깊이인 관입한계치까지 관입시킨다.

엔값(또는 표준관입시험치)이란 흙의 저항력을 측정하여 지반의 지지력과 지층의 분포상태 및 지질을 파악하기 위한 표준관입시험에서 측정된 수치이다.

설계 심도까지 관입시키는 경우에는 심도측정과 관입방향만 정확하면 되지만, 관입한계치까지 관입시키는 경우에는 심도측정과 관입방향의 정확성은 물론 더 이상 관입시킬 필요가 없다는 판단의 근거가 필요하다.

이 발명은 합리적인 관입한계치를 판단하고자 발명된 장치와 공법으로써 케 이싱의 관입을 수행하는 지중천공기에서 관입심도를 측정하는 심도측정센사, 케이싱에 가해지는 힘인 인장력이나 압축력 또는 회전토크등의 관입추진력을 측정하는 로드셀 또는 토크메타, 앞의 센서들로부터 입력된 신호를 변환 및 연산처리한 후 표시와 저장 및 기록을 하는 콘트롤라로 구성되어, 케이싱의 관입심도와 관입추진력에서 연산되는 연속적인 심도에서의 연속적인 케이싱의 운동량을 측정하는 장치와 그 장치를 이용한 동관입지수 측정 및 실제의 관입공사에 대한 적용방법에 관한 발명이다.

표제의 발명중에서 지중천공기의 운동량 측정장치를 구체적으로 구성과 원리를 도면을 통해 설명한다.

연약지반 개량공사를 시공하는 장비는 도 1에서와 같이 크게 본체(A)와 케이싱(B)과 케이싱을 지지하는 리다(D)와 케이싱의 관입과 인발을 수행하는 관입추진장치(C)로 구성된다.

관입추진장치는 실린더나 감속기등의 동력 전달장치와 유압이나 전동모타등의 동력 발생장치로 이루어진 케이싱을 관입시키는 동력장치이다.

도 3은 케이싱에 가해지는 관입추진력 또는 관입회전토크를 측정하기 위한 센서를 장치한 측정의 원리를 보여주는 예시도로, 케이싱(1)을 서로 역회전하는 롤라로 관입시키는 회전형 관입추진장치(2)와 롤라에 장치된 토크메타(5), 케이싱에 압력을 가하여 관입시키는 압출형 관입추진장치(3)와 케이싱이 압력을 받는 부위에 장치된 압축형 로드셀(6), 케이싱을 로프와 연결하여 당겨서 관입시키는 인계형 관입추진장치(4)의 로프의 중간에 인장형 로드셀(7)을 보이는 그림이다.

그림의 화살표(8)는 관입이 진행되는 상태에서의 관입추진장치의 작동방향을 나타낸다.

도 4는 이 고안의 측정장치를 구성하는 블록도로써, 관입심도 측정장치와 케이싱에 작용하는 힘이나 회전토크를 측정하기 위한 로드셀이나 토크메타에서 입력되는 아나로그신호를 변환장치를 통해 디지탈신호로 변환하고, 이 변환된 신호를 컴퓨터에서 연산하여 관입 심도와 측정 주기당의 케이싱의 운동량을 산출하여 데이터를 출력하고 필요에 따라 신호나 경보를 낸다.

로드셀이나 토크메타에서 입력되는 아나로그 신호를 A/D변환장치에서 변환주기에 따라 디지탈 신호로 변환시킬 때, 그 시점에서의 관입추진력 또는 관입토크의 출력치와 그 바로 직전 변환시의 출력치와의 평균치인 관입추진력 또는 관입토크를 변환주기로 나누어 연산하면 관입심도센사에서 측정된 심도에서의 단위 시간당의 운동량이 산출된다.

이 데이타들을 연속적으로 모니터로 표시하고, 레코더로 기록하고, 메모리장치에 저장하는 것이 이 측정시스템의 원리이다.

관입 운동량측정의 출력주기를 관입력 측정 시점의 심도에서 바로 직전의 측정시점으로 하지 않고 길게 연장하여 일정 심도까지의 구간으로 하되, 그 구간 중에 작용한 힘은 그 구간 중에 시행된 측정치의 누계를 그 구간 중에 시행된 측정횟수로 나눈 평균치로 하여, 그 평균치와 그 구간의 간격으로부터 그 구간에서 변화한 운동량을 연속적으로 연산하여 출력을 하면 돌발적인 돌출 데이터의 영향을 완화시킬 수 있다.

케이싱에 직접 영향을 주는 부위에 센서를 설치하고, 관입추진장치의 상태나 사양과는 별개로 독립된 측정을 시행하여 케이싱에 걸리는 영향을 직접적으로 측정함으로써 측정 오차를 최소화한다.

종전의 측정치는 관입추진장치의 유압이나 전동기의 부하를 측정하는 것이고 이 발명의 센서들은 케이싱의 관입추진에 걸리는 부하만을 측정하는 것이다.

표제의 발명에 의한 동관입지수의 측정 및 적용방법의 설명을 공정에 따라 설명하면,

1 단계 : 표준관입시험 실시

표준관입시험이란 드릴 로드에 달린 강철 파이프 형상의 샘플러를 보울링 구멍 속에 넣고 동일한 타격에너지로 타격을 가하여 흙의 저항력을 측정하는 시험으로써, 중량 63.5kg의 햄머를 76cm높이에서 자유 낙하시켜서 내경34.93mm에 외경50.8mm이고 길이가 45cm인 샘플러가 30cm관입할 때까지 요구되는 햄머의 타격회수를 측정하는 것으로 이 수치가 표준관입시험치 또는 엔값이다.

2 단계 : 정관입지수의 계산

위에서 설명한 표준관입시험의 장치 및 측정결과에서 표준관입시험장치의 샘플러에 가해진 충격량을 샘플러의 단면적으로 나눈 값인 정관입지수를 구한다.

샘플러의 유효 단면적(샘플러가 관입될 때 수직방향으로 저항을 받는 부분의 면적)과 햄머에 의한 충격량을 타격횟수인 엔값으로부터 계산한다.

1) 샘플러의 단면적 : 10.7 cm^2

2) 타격횟수 : 엔값과 같은 자연수인 n

3) 총관입길이 : 30 cm

4) 총 충격량 : n x I(1회당 햄머의 충격량)

5) 정관입지수 : n x I / 10.7

3 단계 : 상수 조정 및 현장용 정관입지수의 결정

전 단계에서 측정된 정관입지수들과 설계조건들 및 상재압, 포화된 이토질 모래, 세립사등의 원인, 입경 1Cm이상의 자갈이 있는 흙, 자체중량만으로도 관입되는 연약한 지반, 불투수층을 지나 피압대수층에 도달하는 경우, 함수량에 따른 영향, 지하수의 영향등을 감안하여 상수를 조정하고 관입심도에 따른 할증도 고려하여 공사에 적용될 현장용 정관입지수를 결정한다.

4 단계 : 관입 중인 케이싱의 운동량의 측정

관입공사 중인 현재시점의 심도와 그 심도의 30cm전의 심도를 케이싱이 통과하는 시간 내에서의 로드셀의 측정치의 평균치(측정시 마다의 측정치의 합계치/측정횟수)와, 케이싱이 30cm를 통과하는데 소요된 시간을 계산하여 케이싱을 30Cm 관입시키는 동안에 투입된 운동량을 측정한다.

1) 평균 관입 추진력 : f

2) 관입시간 : t

3) 케이싱의 운동량 : P = f x t

5 단계 : 동관입지수의 추출

전 단계에서 측정된 관입 중인 케이싱의 30Cm 관입하는 동안의 운동량과 케이싱의 끝 단에 부착되는 기기등을 감안한 케이싱의 유효 단면적에서 단위 면적당 운동량인 동관입지수를 추출한다.

표토층의 관입저항과 관입심도에 따른 할증을 고려하면 더욱 합리적일 것이다.

6 단계 : 추출된 동관입지수가 현장용 정관입지수를 초과하면 경보 또는 작업중단신호가 출력된다.

이상의 과정과 방법은 충격과 운동이 같은 개념이라는 데서 착안 된, 세부 보정이 안된 과정과 방법의 예로써, 세부적인 상수와 정확한 공식은 반복적인 시험과 적용에 따른 경험과 실적에 의한 보완이 필요할 것이나, 세부 보정 없이 관입공사에 적용하여도 재래의 관입저항의 참고자료보다는 합리적인 기준으로 관입한계치를 판단할 수 있는 자료를 제공한다.

임의의 현장의 임의의 장비에 적용하여도 객관적인 결과를 제공하여 케이싱 파이프의 관입한계치를 합리적으로 판단할 수 있는 보편적인 자료를 제공하고,

케이싱에 직접 영향을 주는 부위에 센서를 설치하여 측정 오차를 최소화하고, 종전의 관입추진장치의 동력발생부에 장치되던 센서를 관입추진장치의 상태나 사양과는 별개로 독립된 측정을 시행하는 센서로 대치하여 케이싱에 걸리는 영향을 직접적으로 측정하고, 돌발적인 순간 데이터를 배제하여 신뢰성이 있는 측정을 하게 한다.

Claims (5)

1. 관입을 수행하는 지중천공기에서 케이싱의 관입심도를 측정하는 심도측정센사, 케이싱에 가해지는 힘인 인장력이나 압축력 또는 회전토크등의 관입추진력을 측정하는 로드셀 또는 토크메타, 앞의 센서들로부터 입력된 신호를 변환 및 연산처리한 후 표시와 저장 및 기록을 하는 콘트롤라로 구성되어, 케이싱의 관입심도와 관입추진력에서 연산되는 연속적인 심도에서의 케이싱의 운동량을 연속적으로 측정하는 지중천공기의 운동량 측정장치.
2. 청구항 1에서 콘트롤라는 로드셀이나 토크메타에서 입력되는 아나로그 신호를 A/D변환장치에서 변환주기에 따라 디지탈 신호로 변환시킬 때, 그 시점에서의 관입추진력 또는 관입토크의 출력치와 그 바로 직전 변환시의 출력치와의 평균치를 변환주기로 나누어 연산하여 관입심도센사에서 측정된 심도에서의 운동량을 측정하는, 지중천공기의 운동량 측정 장치.
3. 청구항 1에서 콘트롤라는 심도측정센사나 로드셀 또는 토크메타로부터 입력된 신호를 변환 및 연산처리와 표시, 저장 및 기록을 하는 변환장치, 컴퓨터, 모니터, 키보드, 메모리장치, 프린터, 레코더 및 신호기등을 포함하는 지중천공기의 운동량 측정장치.
4. 표준관입시험장치의 샘플러에 엔값이 측정될 때까지 가해진 충격량을 샘플러의 단면적으로 나눈 값을 정관입지수라고 할 때,

   시공 전에 표준관입시험을 실시하고, 그 상태 및 결과를 계량화하여 정관입지수를 측정하고, 그 정관입지수와 작업여건에 따른 상수를 감안하여 공사에 적용할 현장용 정관입지수를 결정하고;

   시공 중에는 지중천공장치의 운동량 측정 장치를 이용하여, 관입 중인 케이싱의 30Cm 관입하는 동안의 운동량을 측정하고, 케이싱의 끝 단에 부착되는 기기등을 감안한 케이싱의 유효 단면적을 계산하여 관입 중인 케이싱의 단위 단면적당의 운동량인 동관입지수를 측정하는;

   지중천공기의 동관입지수 측정 및 적용방법.
5. 청구항 4에서 동관입지수가 공사에 적용되도록 설정된 정관입지수인 현장용 정관입지수를 초과하면 경보 또는 작업중단신호가 출력되는 지중천공기의 동관입지수 측정 및 적용방법.

Images