KR20100041996A - 전단면 지반침하 측정 장치와 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연약 지반이나 구조물의 침하에 따라 변화되는 정지 유체의 정수압을 압력 센서를 이용하여 측정하고, 그 압력 측정치를 통해 수직 침하량을 계측할 수 있도록 하는 전단면 지반침하 측정 장치와 그 방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명은 지반으로부터 일정 높이의 위치에서 고정 설치되고서 유체가 저장되어 있는 단일의 수조와, 상기 수조와 연결되고 비흐름 정지 상태의 유체를 함유하여 침하량 측정을 위해 지반 상에 배치되는 일정 길이의 유체관, 상기 유체관의 내부에서 정해진 간격으로 각각 배치되어 지반의 침하에 따라 변화되는 유체의 압력값을 지반의 해당 담당 지점에 대해 개별 센싱하는 복수의 압력 센서 및, 상기 복수의 압력 센서로부터 각각 센싱되는 지반의 각 담당 지점에서의 압력값을 근거로 하여 지반의 침하량을 구하는 침하 측정장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

전단면 지반침하 측정 장치와 그 방법{Apparatus and Method for Measuring Ground Settlement of Whole Section}

본 발명은 연약 지반 및 특정 구조물의 침하 정도를 측정하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 지반의 파괴 방지 및 대상 구조물의 안전 관리를 위해 정지 상태의 유체 및 압력 센서를 이용하여 실시간으로 대상물의 침하를 측정하여 관리할 수 있도록 하는 전단면 지반침하 측정 장치와 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 건축 현장이나 토목 현장에서는 건축물의 건축 또는 토목 공사가 시행되기 이전에 기초가 되는 지반의 상태를 계측하여 연약 지반인 경우에 강성 지반으로 변환하기 위한 작업을 진행해야 한다.

이를 위해서는 연약 지반의 상태를 계측해야할 필요성이 있는 바, 대표적으로 성토 작업으로 인해 발생되는 지반의 수직 침하량을 측정하여 이후 공사 단계에서의 안전 시공을 위한 중요 계측 정보로서 활용할 수 있도록 하고 있다.

연약 지반의 수직 침하량을 측정하기 위한 기술로서는, 2001년 11월 14일자로 출원된 출원번호 제2001-70689호(발명의 명칭 : 연약지반 침하 측정 장치와 그 방법)가 개시되어 있는데, 이는 도 1에 도시된 바와 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 연약지반 침하 측정 장치는, 서로 높이차를 달리하여 설치되고서, 각각 유체가 저장되어 있는 2개의 수조(2,4)와, 각 수조(2,4)의 하부에 일측이 관통 연결되고, 타측이 지중에 매설된 센서에 연결 관통되어 있는 2개의 튜브(6,8), 상기 2개의 튜브(6,8)와 각각 연결되어 있는 유체 저장조 내에 설치되어 있는 반도체압력 센서(10), 상기 반도체압력 센서(10)와 신호선(12)을 통해 연결되어 센서로부터 입력되는 신호를 처리하여 정보를 자동환산하고, 그 출력을 표시하는 출력장치(14)로 구성된다.

이러한 종래의 연약지반 침하 측정 장치는, 2개로 분리된 각 수조(2,4)의 높이차를 30∼50㎝ 이상 차이를 두어서 각 수조의 위치 에너지 차이에 따라 유체가 높은쪽의 수조로부터 튜브(6)를 통해 반도체압력 센서(10)를 지나서 튜브(8)를 통해 낮은쪽의 수조(4)로 자연 이동하도록 하고, 지반의 침하 또는 융기로 인해 반도체압력 센서(10)가 최초 설치 위치로부터 변경됨에 의한 수두압의 변화량을 측정하여 출력할 수 있도록 하고 있다.

그러나, 이러한 종래의 연약지반 침하 측정 장치의 경우에는, 2개의 수조(2,4)를 서로 다른 높이차를 두어서 설치하였다고 하더라도 각 수조(2,4)가 튜브(6,8)를 통해 서로 연결되어 있는 상태에서는 유체 역학상 서로 다른 높이의 수두를 유지할 수 없어서 이론적으로도 성립될 수 없을 뿐만 아니라 실질적인 적용이 불가능하고, 만일 서로 다른 높이의 수두를 유지한다고 하더라도 수두 차이로 인하여 에너지 보존법칙에 의해 유체의 흐름으로 인한 속도 수두가 발생하게 되어, 실제 반도체압력 센서(10)를 통해 측정되는 값이 부정확하게 되면서 정확한 침하량의 산출이 불가능하게 되며, 유체가 흐를때 발생되는 공동현상(Cavitation)으로 인해서 부정확한 값이 측정된다는 문제점이 있다.

더구나, 종래의 연약지반 침하 측정 장치는 연약지반의 침하량 측정을 위해 각 수조와 튜브, 출력 장치마다 하나의 압력 센서만을 적용할 수 밖에 없는 구조로 이루어져 있기 때문에, 부분적인 연약 지반의 침하만을 측정할 수 밖에 없고, 지반의 전단면을 측정하기 위해서는 추가적인 수조, 튜브 및 센서를 일일이 설치해야 함에 따라, 장비의 구입 비용 및 설치 비용이 상승할 수 밖에 없다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 연약 지반이나 구조물의 침하에 따라 변화되는 정지 유체의 정수압을 압력 센서를 이용하여 측정하고, 그 압력 측정치를 통해 수직 침하량을 계측할 수 있도록 하는 전단면 지반침하 측정 장치와 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 복수의 압력 센서를 연약 지반이나 구조물에 배치되는 단일 유체관에 전반적으로 설치하여 통합 운용함에 의해 지반이나 구조물의 전단면에 대한 수직 침하량을 측정할 수 있도록 하는 전단면 지반침하 측정 장치와 그 방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 장치에 따르면, 지반으로부터 일정 높이의 위치에서 고정 설치되고서 유체가 저장되어 있는 단일의 수조와, 상기 수조와 연결되고 비흐름 정지 상태의 유체를 함유하여 침하량 측정을 위해 지반 상에 배치되는 일정 길이의 유체관, 상기 유체관의 내부에서 정해진 간격으로 각각 배치되어 지반의 침하에 따라 변화되는 유체의 압력값을 지반의 해당 담당 지점에 대해 개별 센싱하는 복수의 압력 센서 및, 상기 복수의 압력 센서로부터 각각 센싱되는 지반의 각 담당 지점에서의 압력값을 근거로 하여 지반의 침하량을 구하는 침하 측정장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전단면 지반침하 측정 장치를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 방법에 따르면, 유체의 정수압을 이용하여 지반침하를 측정하는 방법에 있어서, 단일의 수조와 연결되고서 유체가 함유되고, 정해진 간격마다 복수의 압력 센서가 각각 설치된 일정 길이의 유체관을 지반 상에 배설하는 단계와, 상기 유체관이 배설된 지반 상에 성토를 축조하는 단계, 상기 축조된 성토로 인하여 발생되는 지반 침하에 의한 유체관의 유체 압력값을 복수의 압력 센서에서 각각 담당 지점마다 개별 센싱하는 단계 및, 상기 복수의 압력 센서에 의해 각각 개별 센싱된 각 지점에서의 유체 압력값과, 미리 알고 있는 유체의 밀도값을 근거로 하여 지반의 각 지점에서의 침하량을 측정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전단면 지반침하 측정 방법을 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 유체의 정수압 이론을 이용하여 유체가 충진된 유체관 내에 정해진 간격으로 복수의 압력 센서를 구비하고, 각 압력 센서를 통 해 지반의 각 지점에 대한 침하로 인한 압력 변화량을 센싱하여 침하량을 여러 지점에 대해 동시에 측정할 수 있도록 함에 따라, 하나의 유체관 및 수조를 이용하여 복수의 압력 센서를 통한 여러 지점의 동시 침하량 측정이 가능하게 되면서, 측정 효율이 향상되고, 보다 저렴한 비용으로 침하량 측정을 실행 할 수 있으며, 실시간 측정이 가능함에 따라 위급 상황 발생시 신속한 대응책 마련이 가능하다는 효과를 갖는다.

이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

즉, 도 2는 본 발명에 따른 전단면 침하 측정 장치에 대한 전체 구성을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전단면 침하 측정 장치는, 단일의 수조(20)와, 유체관(22), 유체(24), 복수의 압력 센서(26,28,30,32), 도선(34), 침화 측정장치(36), 컴퓨팅 장치(38)로 구성된다.

상기 단일의 수조(20)는 지반(21)으로부터 일정 높이의 위치에서 고정 설치되고서, 유체(24)가 저장되어 있고, 상기 유체관(22)은 일정 길이로 형성되어 상기 수조(20)와 연결되고서 정지된 유체(24)(즉, 유체가 흐르지 않는 상태)를 함유한 상태로 지반(21)의 전단면 상에 배치된다.

상기 수조(20)는 침하가 발생하지 않는 견고한 위치에 설치하는 것이 바람직하고, 만일 비침하 위치로의 설치가 어려운 경우에는 수조의 유체 레벨을 미리 확 인하여 차후의 침하량 계산시에 감안하여 적용하도록 한다.

또한, 상기 유체관(22)은 체적 변화가 없는 어떠한 재질의 것이라도 적용이 가능하고, 외부로부터의 압력이나 충격에 대비하여 별도의 보호관을 설치하는 것도 얼마든지 가능하다.

상기 유체(24)는 비압축 성질을 갖는 것으로서, 동절기에도 사용이 가능하도록 동해에 영향이 없는 유체(예컨대 부동액과 물의 혼합 유체)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 복수의 압력 센서(26,28,30,32)는 상기 유체관(22)의 내부에서 상기 지반(21)의 전단면을 계측할 수 있도록 정해진 간격(즉, 측정하고자 하는 위치)으로 각각 배치되어 있는 것으로서, 해당 유체관(22)이 배치된 지반(21)의 변위에 따른 유체의 압력 변화량을 각각 개별적으로 센싱하여 압력 센싱신호를 발생한다.

여기서, 상기 복수의 압력 센서(26,28,30,32)는 유체관(22) 내부 유체의 압력 변화량을 측정하기 위한 것으로서, 수압을 측정할 수 있는 수압 센서나 기계적인 압력 센서 또는 압전소자 등을 이용하는 반도체 센서 등 어떠한 압력 센서를 적용하여도 무방하다.

상기 도선(34)은 상기 유체관(22)의 내부를 따라 배치되어 상기 복수의 압력 센서(26,28,30,32)으로부터의 출력 신호가 상기 침하 측정장치(36)에 입력이 가능하도록 연결되어 있다. 동도면에서 상기 도선(34)은 상기 유체관(22)의 내부에 배치되어 있는 것으로 하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 유체관(22)의 외부에 설치하는 것도 얼마든지 가능하다.

상기 침하 측정장치(36)는 상기 도선(34)을 통해 상기 복수의 압력 센서(26,28,30,32)와 각각 연결되어 각 압력 센서(26,28,30,32)로부터 개별적으로 센싱되는 압력센싱 신호에 의해 각 지반(21) 부위의 침하에 따른 정수압을 측정하고, 그 압력 측정치를 근거로 각 센서가 설치된 지점에서 발생되는 침하량을 구한다.

또한, 상기 침하 측정장치(36)는 그 내부에 무선 송수신부(도시되지 않음)를 갖추어 상기 컴퓨팅 장치(38)와 근거리 무선 통신을 진행함에 따라, 지반(21)의 전단면에 대해 계측된 침하량 정보를 상기 컴퓨팅 장치(38)에 무선으로 제공할 수 있다.

상기 컴퓨팅 장치(38)는 상기 침하 측정장치(36)로부터 침하량 정보를 제공받아 해당 지반(21)에서의 차후 공사 진행을 위한 중요 데이터로서 활용하게 되는 바, 상기 침하량 정보를 이용하여 연약지반의 공사시 지반파괴를 미리 예측하기 위한 기초 데이터로서 활용하거나, 침하량의 측정치를 근거로 소요 압밀량을 구할 수 있게 된다.

한편, 상기 침하 측정장치(36)와 상기 컴퓨팅 장치(38) 간에는 근거리 무선 통신에 의해 무선으로 연결될 수 있도록 되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 유선으로도 연결하여 정보 통신을 수행할 수 있다.

그다음에, 도 3은 본 발명에 적용되는 유체 역학적 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 침하 측정장치(36)는 유체의 정수압 이론을 이용하는 것으로서, 이러한 정수압 이론에서는 유체관의 어느 위치에서 수두를 측 정하더라도 그 수두는 수조의 유체 수두와 동일한 선상에서 위치하게 됨으로써, 측정 위치의 압력만 알게 되면 그 위치의 깊이를 알 수 있게 된다. 이를 위한 관계식은 하기한 수학식 1과 같다.

여기서, 상기 "H"는 수도 높이를 의미하고, "γ"는 유체의 밀도를 의미하며, "P"는 유체의 압력, "P₀"는 대기압, "g"는 중력 가속도를 의미한다.

상기 수학식 1에 따르면, 상기 "P₀"와 "g"는 항상 일정하고, 유체의 밀도를 미리 알고 있기 때문에, 각 압력 센서(26,28,30,32)로부터 구해지는 해당 지점에서의 압력값을 측정하여 적용하면 수두 높이를 구할 수 있게 된다.

그 다음에, 도 4a 및 도 4b는 도 3의 유체 역학적 원리에 근거하여 연약 지반의 침하량을 측정하는 방식을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 각 압력 센서(26,28,30,32)가 배치된 유체관(22)을 지반(21)의 각 측정 지점 상에 배설한 상태에서, 상기 지반(21) 상으로 토사 등으로 이루어진 성토(40)를 축조하고, 상기 성토(40)의 하중으로 인해 발생되는 지반의 침하량을 측정하는 것이다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 지반(21)은 상기 축조된 성토층으로 인해 각 지점마다 서로 상이한 정도의 침하가 발생하게 되는 바, 각 압력 센서(26,28,30,32)가 각각 위치하는 지점에서의 수직 침하량이 각각 "S1,S2,S3,S4" 라면, 서로 각기 다른 수직 침하량(S1,S2,S3,S4)은 지반(21)의 침하로 인한 유체관(22) 각 지점 내에서의 유체의 압력 변화량(ΔP)으로 나타나게 된다.

즉, 도 4a에 예시된 지반(21)의 침하 이전 초기 상태에서의 초기 압력의 크기가 "P1"이고, 도 4b에 예시된 지반(21) 침하 이후의 작용 압력의 크기가 "P2"라면, 각 압력 센서(26,28,30,32)에 의해 센싱되는 압력값을 근거로 "P2 = P1+ΔP"에 의해 침하 이후의 압력 크기를 구할 수 있게 된다.

한편, 서로 각기 다른 수직 침하량(S1,S2,S3,S4)을 구하는 관계식은, 침하량이 수두의 높이와 동일하게 사용되므로 상기 수학식 1을 응용하여 활용이 가능한 바, 이는 하기한 수학식 2와 같다.

, , ,

즉,

(여기서, "n"은 침하 발생 지점에 임의로 부여된 번호)

또한, 본 발명에서는 상기 지반(21) 상에 축조되는 성토(40)를 복수회에 걸쳐서 일정 높이마다 반복적으로 축조하고, 해당 성토(40)를 축조할때마다 발생되는 지반의 침하량을 정밀하게 측정하여 이를 정보화하여 활용할 수 있는 바, 이에 대한 내용은 도 5에 도시된 바와 같다.

즉, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 복수회의 성토 과정에 따른 연약지반의 침하량을 측정하는 상태를 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 각 압력 센서(26,28,30,32)를 포함하는 유체관(22)이 배설되어 있는 지반(21) 상으로 1차로 성토(40)를 축조하고 나서, 지반(21)의 침하에 의해 발생되는 압력의 변화값을 각 압력 센서(26,28,30,32)를 통해 입력받아 1차 성토시의 침하량을 측정하게 된다.

1차 성토 이후에 2차로 성토(40)를 축조하고 나서, 상기 지반(21)의 침하로 인해 발생되는 압력의 변화값을 상기 각 압력 센서(26,28,30,32)를 통해 2차로 입력받아 2차 성토시의 침하량을 측정하게 되고, 이어서 3차 성토 과정을 통해 지반(21)이 침하되는 정도에 대한 압력의 변화값을 상기 각 압력 센서(26,28,30,32)를 통해 3차로 입력받아 3차 성토시의 침하량을 측정할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 복수회에 걸친 성토의 축조시마다 발생되는 침하 변화량을 측정하는 것뿐만 아니라, 각 압력 센서(26,28,30,32)로부터 실시간으로 센싱되어 입력되는 압력값을 상기 침하 측정장치(36)에서 입력받아 해당 지점에서의 침하량을 실시간으로 측정하여 파악할 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에서는 연약 지반에 대한 지반 침하량의 측정에 대해서만 상세히 설명하고 있지만, 이에 한정되지 않고 댐, 제방, 도로, 빌딩, 터널, 교량, 배수관로, 폐기물 처리장 등과 같은 각종 건축물, 구조물에 대해서도 각각 동일하게 적용이 가능함은 물론이다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같 은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

도 1은 종래의 센서를 이용한 연약지반 침하 측정 장치에 대한 구성을 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 전단면 침하 측정 장치에 대한 전체 구성을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 적용되는 유체 역학적 원리를 설명하기 위한 도면,

도 4a 및 도 4b는 도 3의 유체 역학적 원리에 근거하여 연약 지반의 침하량을 측정하는 방식을 설명하기 위한 도면,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 복수회의 성토 과정에 따른 연약지반의 침하량을 측정하는 상태를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20:수조, 22:유체관,

24:유체, 26,28,30,32:압력 센서,

34:도선, 36:침하 측정장치,

38:컴퓨팅 장치.

Claims (4)

1. 지반으로부터 일정 높이의 위치에서 고정 설치되고서 유체가 저장되어 있는 단일의 수조와;

   상기 수조와 연결되고 비흐름 정지 상태의 유체를 함유하여 침하량 측정을 위해 지반 상에 배치되는 일정 길이의 유체관;

   상기 유체관의 내부에서 정해진 간격으로 각각 배치되어 지반의 침하에 따라 변화되는 유체의 압력값을 지반의 해당 담당 지점에 대해 개별 센싱하는 복수의 압력 센서; 및

   상기 복수의 압력 센서로부터 각각 센싱되는 지반의 각 담당 지점에서의 압력값을 근거로 하여 지반의 침하량을 구하는 침하 측정장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전단면 지반침하 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 침하 측정장치는

   

   (여기서, "H"는 수도 높이, "γ"는 유체의 밀도, "P"는 유체의 압력, "P₀"는 대기압, "g"는 중력 가속도)

   에 의해 침하량을 구하도록 된 것을 특징으로 하는 전단면 지반침하 측정 장 치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전단면 지반침하 측정장치는 연약 지반과, 댐, 제방, 도로, 빌딩, 터널, 교량, 배수관로, 폐기물 처리장과 같은 건축물, 구조물 중에서 적어도 어느 하나의 지반침하 측정에 적용되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전단면 지반침하 측정 장치.
4. 유체의 정수압을 이용하여 지반침하를 측정하는 방법에 있어서,

   단일의 수조와 연결되고서 유체가 함유되고, 정해진 간격마다 복수의 압력 센서가 각각 설치된 일정 길이의 유체관을 지반 상에 배설하는 단계와;

   상기 유체관이 배설된 지반 상에 성토를 축조하는 단계;

   상기 축조된 성토로 인하여 발생되는 지반 침하에 의한 유체관의 유체 압력값을 복수의 압력 센서에서 각각 담당 지점마다 개별 센싱하는 단계; 및

   상기 복수의 압력 센서에 의해 각각 개별 센싱된 각 지점에서의 유체 압력값과, 미리 알고 있는 유체의 밀도값을 근거로 하여 지반의 각 지점에서의 침하량을 측정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전단면 지반침하 측정 방법.

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