KR20100063177A - Measurement method and device of characteristics of soil compaction in laboratory - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 상세히는 댐이나 방파제 또는 도로성토 등의 각종 건설현장에서 조립재료를 다져서 토목구조물을 시공하는 현장에서 사용되는 진동롤러와 지반의 진동다짐시 가속도 응답특성을 분석하여 성토지반의 다짐도를 실기간으로 파악하는데 활용할 수 있도록 한 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for measuring compaction characteristics indoors of fill material, and in detail, vibrating rollers and ground vibrations used in the construction of civil structures by compacting assembly materials at various construction sites such as dams, breakwaters, and road embankments. The present invention relates to a method and apparatus for measuring compaction characteristics of a fill material, which can be used to analyze the acceleration response characteristics during compaction to grasp the compaction degree of a fill ground in real time.
댐이나 방파제 또는 도로공사 등 각종 성토공사에 있어서 축조에 사용되는 재료의 전단강도와 변형특성은 안정설계와 침하량 예측 등에 관한 설계에 있어서 가장 중요한 공학적 성질이기 때문에 양질의 재료를 사용하여 소정의 밀도를 확보하는 것이 가장 바람직하나, 현장 여건에 따라서는 양질의 재료를 확보하기 어려워 불량한 재료를 사용하여야 할 경우가 있는데, 이 경우 설계조건을 만족시키는 방법은 결국 양호한 다짐도를 확보하는 것이 성공적인 성토공사의 관건이 될 수 있다.Shear strength and deformation characteristics of materials used for construction in dams, breakwaters, road works, etc. are the most important engineering properties in the design of stability and prediction of settlements, so that high-quality materials are used to ensure a certain density. Although it is most desirable to use it, it is difficult to secure high-quality materials depending on the site conditions, and it is necessary to use poor materials. In this case, the method of satisfying the design conditions is to secure good compaction level. Can be.
특히, 필댐이나 도로의 성토와 같이 쇄석 등의 조립재료가 이용되는 경우에 는 다짐하중을 받아 다짐되는 매커니즘에 대해서는 아직 명확하게 이론적으로 정립되어 있지 않다. 다만, 입자의 강도와 형상, 입도분포, 다짐하중의 형태, 입자의 파쇄여부, 물의 영향 등이 복잡하게 영향을 주고받으며 다짐이 이루어진다고 알려져 있다.In particular, when granular materials such as crushed stone are used, such as fill dams or road fills, the mechanism of compacting loads has not yet been clearly established theoretically. However, the strength and shape of the particles, the particle size distribution, the form of compaction load, whether the particles are crushed, the influence of water, etc. are known to be complicated and influenced by the compaction.
따라서 이들 구조물의 안정을 확보하기 위하여 소요의 강도와 변형성 및 배수성을 갗춰야 하며, 설계시 대개의 경우 제체의 안정성 검토는 원호활동면법이 사용되는데, 이는 축조재료가 소요의 전단강도를 가져야 함을 의미하며, 록필(rock-fill)재료의 경우에도 침하거동 및 배수거동이 적절하여야 하고, 이때 다짐관리는 소요의 전단강도, 변형특성 및 배수특성을 갖도록 조절하는 것이 된다.Therefore, in order to secure the stability of these structures, the required strength, deformability, and drainage should be measured. In designing the stability of the body, the circular activity surface method is usually used, which means that the building material should have the required shear strength. In the case of rock-fill material, sinking behavior and drainage behavior should be appropriate, and compaction management is to adjust to have required shear strength, deformation characteristics and drainage characteristics.
이와 같이 다짐에 의한 품질관리는 크게 시험에 의한 방법과 육안확인에 의한 방법의 두 가지가 있다.As such, there are two types of quality control by compaction: test method and visual confirmation.
먼저, 시험에 의한 방법은 미리 적절한 품질관리기준(다짐도)을 만들어 두고, 그 값을 기준으로 시험을 실시하여 그 시험결과에 따라 관리하는 방법으로 시험결과 각각에 대하여 판정하는 동시에 통계적인 방법에 의해 전체적으로 균질성에 대해서도 판정이 가능하다.First of all, the test method is to make an appropriate quality control standard (committed degree) in advance, and conducts a test based on the value and manages it according to the test result. Homogeneity can also be determined as a whole.
한편, 육안에 의한 방법은 시공이 맞게 이루어지고 있는지, 재료 상태가 어떠한가, 균일성은 확보되고 있는가 등을 주안점으로 삼고 시공상태를 육안으로 판정하는 방법이다. 최근에는 개인오차가 많은 육안에 의한 방법 보다는 IT기술 등을 활용하는 첨단현장 품질관리 기술 등을 주로 채택하는 추세이다.On the other hand, the visual method is a method of visually judging the construction state, focusing on whether the construction is properly performed, how the material state is, and whether the uniformity is secured. Recently, it is a trend to adopt high-quality on-site quality management technology that utilizes IT technology rather than the visual method with many individual errors.
본 발명의 목적은 실내에서 진동다짐장비와 인공지반에 가속도 측정시스템을 구축하여 진동다짐시의 진동다짐기 및 지반의 응답특성을 분석하여 그 실험결과를 토대로 성토다짐 시공현장에서 사용되는 진동롤러와 지반의 진동다짐시 가속도 응답특성을 분석하여 성토지반의 다짐도를 실시간으로 파악하고, 성토지반의 심도별 파 전달속도를 측정하여 성토지반의 다짐도와의 상관성을 찾아냄으로서 이 파 전달속도를 이용한 다짐관리기준을 산정하고자 하는데 있다.An object of the present invention is to build an acceleration measurement system on the vibration compaction equipment and artificial ground in the room to analyze the response characteristics of the vibration compactor and the ground during vibration compaction, and use the vibration roller and the ground used in the embankment construction site based on the test results. Analysis of acceleration response characteristics during vibration compaction to grasp the compaction level of the soil in real time, and measure the wave propagation speed by depth of the ground soil to find the correlation with the compaction level of the soil soil. To calculate.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 응답특성치에 의한 다짐관리를 수행하기 위한 실내실험 방법과 다짐심도별 다짐특성을 파악하기 위한 측정방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a laboratory test method for performing compaction management based on response characteristic values and a measuring method for determining compaction characteristics for each compaction depth.
응답특성치에 의한 다짐관리Compact management by response characteristic value
진동다짐에 의해서 지반에 설치된 진동가속도계에서 얻어지는 가속도 값은 다짐횟수가 증가함에 따라 변화가 발생한다. 도 1에서 나타내는 것과 같이, 다짐횟수가 작을 경우에는 지반상태의 강성이 작아서 기본주파수와 유사하지만, 다짐이 진행되어 지반강성이 커지면 주파수의 파형이 기본주파수 파형과 다른 형상으로 변화하게 된다. 그 원인으로는 지반의 진동다짐이 진행됨에 따라서 지반내의 강성이 증가하여, 다양한 주파수가 발생하여 기본주파수에 합성되어 지기 때문이다.The acceleration value obtained from the vibration accelerometer installed on the ground by vibration compaction changes as the compaction frequency increases. As shown in Fig. 1, when the number of compactions is small, the ground state stiffness is small and similar to the fundamental frequency. However, as the compaction progresses and the ground stiffness increases, the waveform of the frequency changes to a shape different from the basic frequency waveform. The reason for this is that as the vibration compaction of the ground progresses, the rigidity in the ground increases, and various frequencies are generated and synthesized at the fundamental frequency.
도 2에 나타낸 것과 같이, 기본 진동주파수를 포함한 몇 가지의 주파수에 대응하도록 되어 있는 BPF(Band-Pass Filter)에 의한 필터링을 한 후에, 각 주파수에 해당하는 진폭을 검출한다.As shown in Fig. 2, after filtering by a band-pass filter (BPF) which is adapted to correspond to several frequencies including the basic vibration frequency, the amplitude corresponding to each frequency is detected.
여기에서 정해진 검출되어진 진폭값에 근거하여 연산처리하는 방법은 다음의 식 (1) ~ (3)에서 제안되어진 식을 이용하여 다짐도(지반의 강도)를 결정한다.In the calculation processing method based on the detected amplitude value determined here, the degree of compaction (ground strength) is determined using the equations proposed in the following equations (1) to (3).
흙의 파 전달속도 분포Soil wave velocity distribution
흙의 변형(deformation) 또는 변위(displacement)는 일반적으로 그 흙의 강도(strength) 보다는 그 흙의 강성(stiffness)에 좌우된다. 즉, 동일한 강도를 지닌 흙의 경우 강성이 작으면 강성이 큰 흙보다 동일한 외력에 대하여 더 많은 변형 또는 변위가 발생하게 된다. 이때 흙의 강성을 나타내는 공학적 파라메타는 변형계수(modulus)와 포아송비(Poisson's ratio)이다. 이러한 변형계수에는 일반적으로 널리 알려져 있는 Young계수 E와 전단탄성계수(shear modulus) G, 체적변형계 수(volumetric modulus 또는 bulk modulus) K 등이 있다.The deformation or displacement of the soil generally depends on the stiffness of the soil rather than its strength. That is, in the case of soil having the same strength, if the stiffness is small, more deformation or displacement occurs with respect to the same external force than the soil with large stiffness. The engineering parameters representing soil stiffness are the modulus and Poisson's ratio. Such deformation coefficients include Young's modulus E, shear modulus G, and volumetric modulus K, which are widely known.
일반적으로 파의 전달속도 Vp와 VS는 흙의 탄성계수인 Young계수 E와 전단탄성계수 G로 부터 산정할 수 있다. In general, the wave propagation rates Vp and VS can be estimated from the Young's modulus E and the shear modulus G, respectively.
위 식으로부터 전단파속도 Vs를 알면 E와 G를 계산할 수 있다. 즉, 실험에서는 그 흙에 가진하여 파를 발생시켜서 파의 발생시간 t0과 도달시간t1,t2,t3들 사이의 시간차를 측정하고 전달거리에 대하여 그 시간으로 나누어 줌(Vp or S=s/(t1-t0))으로써 파의 전달속도를 구할 수 있다.Knowing the shear wave velocity V s from the above equation, E and G can be calculated. That is, in the experiment, the wave is generated by excitation in the soil to measure the time difference between the generation time t0 of the wave and the arrival times t1, t2, and t3, and divided by the time for the transmission distance (Vp or S = s / ( t1-t0)) can be used to find the wave propagation speed.
본 발명은 실내에서 진동다짐장비와 인공지반에 가속도 측정시스템을 구축하여 진동다짐시의 진동다짐기 및 지반의 응답특성을 분석하여 그 실험결과를 토대로 성토다짐 시공현장에서 사용되는 진동롤러와 지반의 진동다짐시 가속도 응답특성을 분석함으로써 성토지반의 다짐도를 실시간으로 파악할 수 있고, 성토지반의 심도별 파 전달속도를 측정하여 성토지반의 다짐도와의 상관성을 찾아냄으로써 이 파 전달속도를 이용한 다짐관리기준을 산정할 수 있는 유용한 효과를 갖는다.The present invention establishes the acceleration measurement system in the vibration compaction equipment and artificial ground indoors to analyze the vibration characteristics of the vibration compactor and ground during vibration compaction, and the vibration of the vibration roller and the ground used in the embankment construction site based on the test results. By analyzing the acceleration response characteristics during compaction, it is possible to grasp the compaction level of the soil in real time, and to measure the wave propagation speed by the depth of the ground, and to find the correlation with the compaction level of the soil. It has a useful effect that can be estimated.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments that do not limit the present invention will be described in detail.
본 발명의 실내 다짐특성 측정시스템을 사용하여 진동전달속도를 측정하는 순서를 설명하면 다음과 같다.Referring to the procedure for measuring the vibration transmission speed using the indoor compaction characteristic measurement system of the present invention.
먼저, 진동실험은 상대밀도에 대한 지반응답치의 상관관계를 파악하기 위하여 수행되었으며, 가진 장치의 응답뿐만 아니라 지표면다짐에 의하여 심도별 다짐도 및 지중에서의 진동응답을 분석하기 위하여 도 3과 같이 가진장치인 진동시험기의 재하판과 성토재료의 소정의 심도에 각각 가속도계를 설치하여 실험을 수행하였다.First, the vibration experiment was performed to determine the correlation of the response response to the relative density, the vibration device as shown in Figure 3 to analyze the vibration response in the ground compaction and depth by the surface compaction as well as the response of the excitation device The experiment was carried out by installing the accelerometer at the predetermined depth of the loading plate and the fill material of the phosphorus vibration tester.
① 가속도계, 데이터로거 등 실험장비 준비 (도 4 참조)① Prepare experimental equipment such as accelerometer, data logger (see Fig. 4)
② 진동파의 반사를 줄이기 위하여 실험 직경 60cm, 높이 60cm인 컨테이너 바닥 및 벽면에 멤브레인 부착 (도 5 참조)② Membrane attached to the bottom and wall of container 60cm in diameter and 60cm in height to reduce the reflection of vibration wave (see Fig. 5)
③ 지반(표준사)을 3층으로 나누어 각 층 성토 후, 컨테이너 중앙에 가속도계를 설치 (도 6 참조)③ Dividing the ground (standard yarn) into three floors and installing the accelerometer in the center of the container after filling each floor (see Fig. 6).
④ 상대밀도를 증가시키기 위하여 지반 전체를 다지기 위하여 두께 10cm의 철판을 설치한 후, (도 7 참조)④ After installing a 10cm thick iron plate to compact the whole ground to increase the relative density, (see Figure 7)
⑤ 다짐기로 소정을 높이까지 다짐 (도 8 참조)⑤ Compaction to a certain height with a compactor (see Fig. 8)
⑥ 밀도를 산정하기 위하여 지반의 높이 측정 (도 9 참조)⑥ Measure the height of the ground to calculate the density (see Fig. 9)
⑦ 진동도달속도를 측정 (도 10 참조)⑦ Measure vibration reaching speed (see Fig. 10)
⑧ 진동시험용 재하판(15cm와 26cm) 준비 및 진동시험 수행 (도 11 참조)⑧ Vibration test plate (15cm and 26cm) preparation and vibration test (see Fig. 11)
⑨ 상대밀도별 진동시험을 수행하기 위하여 소정의 횟수만큼 4번에서 8번까지의 순서를 반복수행⑨ Repeat steps 4 to 8 as many times as you want to perform vibration test by relative density.
⑩ 진동도달속도시험 및 진동시험에서 얻을 결과분석결과 Analyze results obtained from vibration reaching speed test and vibration test
다음은 본 발명의 실내 다짐특성 측정시스템을 이용하여 측정한 파의 전달속도 및 응답특성치에 대하여 분석하는 순서이다.The following is a procedure for analyzing the wave propagation speed and response characteristics measured using the indoor compaction characteristic measurement system of the present invention.
파의 전달속도에 대한 분석은 성토지반의 종류에 대한 다짐심도에 따른 다짐도의 분포 및 성토지반에 대한 상대밀도를 유추할 수 있는 파의 전달속도를 결정하기 위하여 수행하고, 응답특성치 분석은 가진주파수에 대한 특정 상대밀도를 구하기 위한 응답특성치를 결정하기 위하여 수행한다.The analysis of wave propagation speed is performed to determine the propagation speed of wave that can infer the distribution of compaction according to the compaction depth and the relative density of the soil. This is done to determine the response characteristic value to find the specific relative density for.
파의 전달속도 분석Wave Propagation Rate Analysis
① 컨테이너에 다짐성토된 성토지반의 전체 심도 및 각 가속도계간의 거리를 측정한다.① Measure the total depth of the filled soil and the distance between each accelerometer.
② 재하판에 타격진동을 가한다.② Apply strike vibration to the board.
③ 타격진동 가격시에 각 가속도계 발생한 초동시간을 측정한다.(도 12 참조)③ Measure the initial starting time of each accelerometer at the time of the vibration price. (See Fig. 12).
④ ①에서 측정한 각 가속도간의 거리를 ③에서 측정한 각 가속도계에서 측정한 기동시간으로 나누어 각 가속도간의 파의 전달속도를 산정한다.④ Calculate the propagation speed of waves between each acceleration by dividing the distance between each acceleration measured in ① by the start time measured in each accelerometer measured in ③.
⑤ 성토지반별 상대밀도와 파의 전달속도에 대한 상관성을 산정한다.⑤ Calculate the correlation between the relative density and the propagation speed of each soil.
⑥ ⑤에서 산정한 상관성을 바탕으로 대상 성토지반의 관리 상대밀도에 해당하는 파의 전달속도를 결정한다.⑥ Based on the correlation calculated in ⑤, determine the wave propagation speed corresponding to the management relative density of the target soil.
응답특성치 분석Response characteristic analysis
① 컨테이너에 다짐성토된 성토지반의 전체 심도를 측정하여 상대밀도를 구한다.① Measure the relative depth of the filled soil which was compacted in the container and find the relative density.
② 재하판을 통하여 성토지반에 각 주파수별 가진력을 제공한다.② Provide excitation force for each frequency to fill ground through loading board.
③ 각 가속도계에서 가진력에 대한 응답을 측정한다.③ Measure the response to the excitation force in each accelerometer.
④ ③에서 측정한 각 가속도계의 응답에서 잡음을 제거하기 위하여 필터링을 수행한 후, FFT분석을 수행한다.(도 14 참조)④ After filtering is performed to remove noise from the response of each accelerometer measured in ③, FFT analysis is performed (see Fig. 14).
⑤ ④에서 얻은 FFT분석결과로부터 각 응답특성치를 산정할 수 있는 주파수대의 파워 스펙트럼을 결정한다.⑤ From the FFT analysis result obtained in ④, determine the power spectrum of the frequency band where each response characteristic value can be calculated.
⑥ ⑤에서 산정한 파워 스펙트럼으로부터 성토현장에 적합한 응답특성치를 결정한다. From the power spectrum calculated in ⑥ ⑤, determine the response characteristics suitable for the fill site.
도 15에 나타난 파워스펙트럼으로부터 성토현장에 적합한 응답특성치를 계산하는 방법은 다음과 같다.A method of calculating the response characteristic suitable for the fill site from the power spectrum shown in FIG. 15 is as follows.
도 15에서 A1(가진주파수의 1/2배에 해당되는 주파수에서의 스펙트럼값), A2(가진주파수에서의 스펙트럼값), A3(가진주파수의 3/2배에 해당되는 주파수에서 의 스펙트럼값), A4(가진주파수의 2배에 해당되는 주파수에서의 스펙트럼값), A5(가진주파수의 5/2배에 해당되는 주파수에서의 스펙트럼값), A6(가진주파수의 3배에 해당되는 주파수에서의 스펙트럼값)을 측정하여 응답특성치 산정식(식 (1),(2),(3) 참조)에 대입하여 응답특성치를 구하면 다음 표와 같다.In Figure 15, A1 (spectral value at the frequency corresponding to 1/2 times the vibration frequency), A2 (spectral value at the vibration frequency), A3 (spectral value at the frequency corresponding to 3/2 times the vibration frequency) , A4 (spectral value at frequencies corresponding to twice the vibration frequency), A5 (spectral value at frequencies corresponding to 5/2 times the vibration frequency), A6 (frequency at frequency corresponding to three times the vibration frequency) Measure the spectral values) and substitute them into the equation for calculating the response characteristics (see equations (1), (2) and (3)) to obtain the response characteristics.
상기와 같은 방법으로 상대밀도 혹은 다짐횟수에 대하여 그래프를 그리면 도 16과 같은 결과를 얻을 수 있으며, 이 그래프를 바탕으로 성토의 다짐관리의 기준치를 산정하는데, 예를 들어 상대밀도 60%를 기준으로 다짐관리를 한다고 하면, 다짐횟수를 4회로 하여야 하고 이때의 응답특성치의 기준은 CCV로 계산한 경우에는 140, PWIR로 계산한 경우에는 85, CMV로 계산한 경우에는 90이 되며, 다짐시공관리 시에 현장에서 이들 특성치를 산정하여 이 기준치 이상이 되도록 다짐관리를 한다. If you draw a graph of relative density or compaction frequency in the same way as above, you can get the result as shown in Fig. 16. Based on this graph, the standard value of compaction management of fill is calculated. For example, based on 60% relative density. For compaction management, the compaction frequency should be 4 times, and the response characteristic value at this time is 140 when calculated by CCV, 85 when calculated by PWIR, and 90 when calculated by CMV. In the field, these characteristic values are calculated and pledged to be above this standard.
도 1은 성토재료의 다짐횟수 증가에 따른 진동가속도의 변화 그래프,1 is a graph showing the change in the vibration acceleration according to the increase in the number of compaction of the fill material,
도 2는 밴드패스필터에 의한 연산처리법을 나타낸 그래프,2 is a graph showing an operation processing method using a band pass filter;
도 3은 본 발명에 의한 성토재료의 다짐특성 실내 측정방법의 개념도,3 is a conceptual diagram of a method for measuring compaction characteristics of a fill material according to the present invention;
도 4는 실험장비의 실물사진,4 is a real picture of the experimental equipment,
도 5는 멤브레인의 부착상태를 보인 사진,5 is a photograph showing the attachment state of the membrane,
도 6은 심도별 지중 가속도계의 설치상태를 보인 사진,6 is a photograph showing an installation state of the underground accelerometer for each depth;
도 7은 다짐용 철판 설치상태를 보인 사진,Figure 7 is a photograph showing a compaction plate installation state,
도 8은 다짐작업을 보인 사진,8 is a photograph showing the compacting operation,
도 9는 지반 높이 측정상태를 보인 사진,9 is a photograph showing a state of ground height measurement,
도 10은 진동도달속도의 측정사진,10 is a measurement photograph of the vibration reaching speed;
도 11은 진동시험을 수행하는 상태를 보인 사진,11 is a photograph showing a state of performing a vibration test,
도 12는 초동시간 측정상태의 그래프,12 is a graph of the first time measurement state,
도 13은 상대밀도와 파의 전달속도에 대한 상관성 산정 그래프,13 is a graph for calculating correlation between relative density and wave propagation speed,
도 14는 가속도 응답의 필터링 및 FFT분석 결과 그래프,14 is a graph of filtering and FFT analysis of an acceleration response;
도 15는 FFT분석 결과로부터 특정 주파수의 파워 스펙트럼을 결정하는 상태를 보인 그래프,15 is a graph illustrating a state in which a power spectrum of a specific frequency is determined from an FFT analysis result;
도 16은 상대밀도 혹은 다짐횟수와 파워 스펙트럼결과로부터 산정한 다짐도(응답특성치)의 관계부터 다짐관리기준치를 산정하는 그래프이다.Fig. 16 is a graph for calculating the compaction management reference value from the relationship between the relative density or compaction frequency and the compaction degree (response characteristic value) calculated from the power spectrum results.
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