KR20080072773A - 지중천공기의 관입 마찰력과 관입 효율의 측정장치 - Google Patents

Abstract

연약지반 개량공사를 시공하는 장비에서 지중천공기에 의해 관입되는 케이싱 파이프(케이싱이라고 함)의 케이싱의 끝 단이 받는 힘인 관입 저항력과 그 관입 저항력과 케이싱을 관입시키는데 투입된 추진력과의 차와 비율인 관입 마찰력과 관입 효율을 측정하는, 지중천공기의 관입 마찰력과 관입 효율의 측정장치에 관한 발명이다.

케이싱의 관입을 수행하는 지중천공기에서 관입속도를 측정하는 속도측정센사, 케이싱에 가해지는 힘인 인장력이나 압축력 또는 회전토크등의 관입추진력과 케이싱의 끝 부분에 설치되어 관입 저항력을 측정하는 로드셀 또는 토크메타, 앞의 센서들로부터 입력된 신호를 변환 및 연산처리한 후 표시와 저장 및 기록을 하는 콘트롤라로 구성되어, 케이싱의 관입심도와 관입추진력에서 연산되는 특정 심도에서의 케이싱의 관입 저항력과 그 관입 저항력과 투입된 추진력과의 차와 비율인 관입 마찰력과 관입 효율을 측정하는 장치로써, 지질의 상태를 합리적으로 판단할 수 있는 자료를 제공한다.

지중천공기, 케이싱, 관입 효율, 관입 저항력, 관입 마찰력

Description

지중천공기의 관입 마찰력과 관입 효율의 측정장치{Penetrating Frictional Force and Penetrating Efficiency Measuring System of Earth Drilling Machine}

도 1은 연약지반 개량공사를 시공하는 장비 중 피비디공법용 장비이다.

도 2는 표준관입시험에 햄머의 에너지비의 측정센서를 장치한 그림이다.

도 3은 케이싱에 가해지는 관입추진력과 관입 저항력을 측정하기 위한 센서 를 장치한 예시도이다.

도 4는 표제의 발명을 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

9. 관입저항 측정용 로드셀

11. 샘플러 12. 햄머

13. 윈치 14. 도르래

15. 지지대 16. 스트레인 게이지

17. 가속도계

한국공업규격 KS F 2307-1997 흙의 표준관입시험방법

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 표준관입시험이다.

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 측정하 여, 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 샘플러가 30cm관입할 때까지 요구되는 햄머의 타격회수를 측정하는 것으로, 이 수치가 표준관입시험치 또는 엔값이다.

그러나 상기 표준관입시험에서 측정한 N치는 여러 요인에 의해서 영향을 받으며 그 중 대표적으로 보정해야 하는 것은 햄머의 에너지 효율이다

이 햄머의 에너지 효율을 보정 하는 이유는 표준관입시험 시험기구의 형상이 규격으로서 세부까지 규격화되어 있지 않아 국가별로 사용하는 햄머의 종류 및 낙하방식에 따라 에너지 효율이 다르며 롯드의 길이에 따라 햄머와 롯드의 중량 불균형 및 롯드의 변위 등으로 햄머의 에너지 효율이 변하기 때문이다.

햄머의 효율을 측정하는 방법은 시험기구에 스트레인 게이지(16)와 가속도계(17)를 장치하여 햄머에 의한 타격에너지를 측정하여 햄머의 이론적인 타격력과의 비율을 계산하는 방법이 주로 쓰인다.

전 항에서 햄머의 에너지 효율은 시험기기 자체의 효율일 뿐이다.

그 시험 기기의 해당 지점에서의 관입 능력은 엔값으로 표시되어 지지만 전항에서 기술한 여러 가지의 요인으로 더 구체적인 자료의 필요성이 있다.

실제의 작업중에 햄머에 의해 공급받는 천공에 소요되는 힘은 샘플러의 끝 단에 게이지를 장치하여야 실제의 관입저항력을 알 수 있다.

이 실제의 관입저항력과 햄머에 의한 관입 추진력을 비교하여 그 차이를 계산하고 비율을 계산하면 중간에 손실되는 에너지의 양인 관입 되는 파이프의 토사에 대한 마찰력과 관입 추진력의 효율을 유추할 수 있다.

이상의 토질 시험 중인 시험기기뿐 아니라 더 확대 적용하여 시공 중인 장비에 적용하면 시험기기에 의해 도출된 자료와 실제의 시공 과정에서 도출된 자료를 비교 검토하여 공정에 적용할 수 있다.

연약지반 강화공법들의 공통점은 철제관(파이프 케이싱,또는 단순히 케이싱으로 부름)을 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.

이 발명은 케이싱의 관입을 수행하는 지중천공기에서 관입속도를 측정하는 속도측정센사, 케이싱에 가해지는 힘인 인장력이나 압축력 또는 회전토크등의 관입추진력과 케이싱의 끝 부분에 설치되어 관입 저항력을 측정하는 로드셀 또는 토크메타, 앞의 센서들로부터 입력된 신호를 변환 및 연산처리한 후 표시와 저장 및 기록을 하는 콘트롤라로 구성되어, 케이싱의 관입심도와 관입추진력에서 연산되는 특정 심도에서의 케이싱의 관입 저항력과 그 관입 저항력과 투입된 추진력과의 차와 비율인 관입 마찰력과 관입 효율을 측정하는 장치로써, 지질의 상태를 합리적으로 판단할 수 있는 자료를 제공한다.

표제의 발명인 지중천공기의 관입 저항력과 그 관입 저항력과 투입된 추진력과의 차와 비율인 관입 마찰력과 관입 효율 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 이루어져 케이싱을 관입시키는 동력장치이다.

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.

스트레인 게이지(16)와 가속도계(17)를 장치하여 햄머에 의한 타격에너지를 측정하여 햄머의 이론적인 타격력과의 비율을 계산한다.

이 비율을 햄머의 에너지 효율 또는 에너지비로 부른다.

도 3은 케이싱에 가해지는 관입추진력 또는 관입회전토크와 관입 저항력을 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 관 입시키는 인계형 관입추진장치(4)의 로프의 중간에 인장형 로드셀(7)과 케이싱의 끝 단에 스트레인 게이지(9)를 설치한 그림이다.

관입 속도나 심도를 측정하는 로타리엔코더나 가속도계등은 도시되어 있지 않다.

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

도 4는 이 고안의 측정장치를 구성하는 블록도로써, 관입심도 측정장치와 케이싱에 작용하는 힘이나 회전토크를 측정하고 관입저항을 측정하기 위한 로드셀이나 토크메타에서 입력되는 아나로그신호를 변환장치를 통해 디지탈신호로 변환하고, 이 변환된 신호를 컴퓨터에서 연산하여 관입 심도와 측정 주기당의 케이싱의 관입저항력과 관입추진력에서 관입효율 및 마찰력을 산출하여 데이터를 출력한다.

로드셀이나 토크메타에서 입력되는 아나로그 신호를 A/D변환장치에서 디지탈 신호로 변환시킬 때마다 그 시점에서의 관입심도센사에서 측정된 심도와 관입추진력 또는 관입토크의 출력치와 그 바로 직전 측정시의 출력치와의 평균치인 관입추진력 또는 관입토크를 측정하고, 그 관입 저항력과 관입 추진력의 차이를 구하면 마찰력의 크기가 추출되고, 비율을 구하면 관입 효율이 추출된다.

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

관입 운동량의 측정의 주기를 관입추진력 측정 시점의 심도에서 바로 직전의 측정시점이 아닌 일정 심도 전까지의 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 측정량을 연속적으로 연산하여 출력을 하면 돌발적인 돌출 데이터를 배제할 수 있다.

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

케이싱에 직접 영향을 주는 부위에 센서를 설치하여 케이싱에 걸리는 영향을 직접적으로 측정함으로써 측정 오차를 최소화하고, 흙의 저항력을 측정하여 임의의 현장의 임의의 장비에 적용하여도 지질의 상태를 합리적으로 판단할 수 있는 객관적인 결과를 제공하여, 지반의 지지력과 지층의 분포상태 및 지질을 합리적으로 판단할 수 있는 자료를 제공한다.

Claims (2)

1. 관입을 수행하는 지중천공기에서 관입속도를 측정하는 속도측정센사, 케이싱에 가해지는 힘인 인장력이나 압축력 또는 회전토크등의 관입추진력과 케이싱의 끝 부분에설치되어 관입 저항력을 측정하는 로드셀 또는 토크메타, 앞의 센서들로부터 입력된 신호를 변환 및 연산처리한 후 표시와 저장 및 기록을 하는 콘트롤라로 구성된, 지중천공기의 관입 마찰력과 관입 효율의 측정장치.
2. 청구항 1에서 콘트롤라는, 로드셀이나 토크메타에서 입력되는 아나로그 신호를 A/D변환장치에서 디지탈 신호로 변환시킬 때마다 그 출력치와 그 바로 직전의 출력치와의 평균치인 관입추진력 또는 관입토크와, 변환주기를 곱하여 관입심도센사에서 측정된 심도에서의 관입 마찰력과 관입 효율을 측정하는, 지중천공기의 관입 마찰력과 관입 효율의 측정장치.

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