KR20100090825A - 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법 및 그 산정장치 - Google Patents

Abstract

초연약 지반에서의 강도정수 산정방법 및 그 산정장치가 개시된다. 본 발명은, 7.5kg 중량의 해머, 해머를 승강 가능하게 안내하는 가이드 로드, 및 가이드 로드의 하부에 연결된 지반의 교란시료를 얻을 수 있는 샘플러를 구비하며, 해머는 샘플러가 30cm 관입될때까지 샘플러를 타격하게 된다. 본 발명에 따르면, 해머의 무게를 실험적인 방법에 의해 공학적으로 경량화 하여 초연약지반의 강도정수를 세분화 하는 것이 가능하게 되며, 설계와 시공단계에서 경제적인 공법 적용을 가능하게 하여 공기단축 및 시공비를 절감하는 효과가 인정된다.

초연약 지반, 강도 정수, 해머 중량, 표준 관입 시험

Description

초연약 지반에서의 강도정수 산정방법 및 그 산정장치{Calculating Method of Strength Parameter in Very Soft Ground and Calcualting Device Thereof}

본 발명은 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법 및 그 산정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초연약지반의 강도정수를 세분화하는 것이 가능한 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법 및 그 산정장치에 관한 것이다.

표준 관입 시험(SPT, standard penetration test)은 KS F 2307의 규정에 의하면 스플릿 배럴 샘플러를 지반에 관입시켜 그 저항치(N치)를 기록하고, 동시에 토질 분류 시험 및 실내 시험을 위한 대표적 시료를 채취하는 방법으로 정의되어 있다.

이를 자세히 부연하면 63.5kg의 해머가 75cm 높이에서 낙하하면서 작용하는 일정한 타격 에너지에 의해 시추공 내에 관입되는 샘플러를 지반에서 약30cm의 일정 깊이에 관입시키는데 요구되는 타격 회수인 N치를 측정하여 지반의 강도, 흙의 상대 밀도와 내부 마찰각 등의 토질 정수를 추정하며, 동시에 팽창 및 압밀시험을 위한 교란 시료를 얻을 수 있는 원위치 시험 방법이다.

이러한 시험법은 절차의 간명함과 수많은 데이터의 축적, 비용의 저렴함 등 으로 세계 각국에서 폭넓게 사용되고 있으며 국내 대부분의 토목, 건축 공사 계획시 필수적으로 실시되고 있다.

그러나 이러한 시험은 동적관입 시험법이므로 교란의 영향이 적은 모래지반의 조사에는 적합하지만, 초연약 지반에서의 조사에는 적합하지 않다는 문제가 있다. 즉, 기존의 표준관입시험은 연약지반에서 강도정수 N치를 -1, 0 1로 규명하여 초연약지반 전체를 하나의 같은 물성을 가진 지반으로 간주하는 오류가 있었다. 이는 설계와 시공단계에서 각종 오류를 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 초연약지반의 강도정수를 세분화하는 것이 가능한 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법 및 그 산정장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법은, 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법에 있어서, 7.5kg 중량의 해머를 소정의 높이에서 자유낙하시켜 지반의 교란시료를 얻을 수 있는 샘플러를 타격하는 단계; 및 상기 샘플러가 30cm 관입하는데 소요되는 타격수를 측정하는 단계를 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 초연약 지반에서의 강도정수 산정장치는, 초연약 지반에서의 강도정수 산정장치에 있어서, 7.5kg 중량의 해머; 상기 해머를 승강 가능하게 안내하는 가이드 로드; 및 상기 가이드 로드의 하부에 연결된 지반의 교란시료를 얻을 수 있는 샘플러를 포함하며, 상기 해머는 상기 샘플러가 30cm 관입될때까지 상기 샘플러를 타격하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 해머의 무게를 실험적인 방법에 의해 공학적으로 경량화 하여 초연약지반의 강도정수를 세분화 하는 것이 가능하게 되며, 설계와 시공단계에서 경제적인 공법 적용을 가능하게 하여 공기단축 및 시공비를 절감하는 효과가 인정된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

- 경험식에 의한 추(해머) 무게 산정(동적거동에 의한 방법)

Kovacs 등(1982)은 착공 장비에 전달된 에너지의 측정을 위한 계측 시스템 및 절차를 제시하였다. 전달된 에너지는 착공 시스템에 따라 큰 차이를 보이며 그 요인들로는 자아틀에 로프를 감는 횟수, 낙하고, 드릴 rig의 종류, 해머 종류, 작업자의 특성 등이 있다. 이러한 여러 요소들 중 해머의 종류가 에너지 전달율에 가장 큰 영향을 미친다(Kovacs, W.D. et al. 1982).

Yokel은 에너지 전이 기구에 근거하여 SPT 샘플러의 관입에 요구되는 에너지 및 드릴 로드의 반사된 응력파로 인한 에너지에 대한 이론해를 유도한 논문을 발표하였다. 해머는 강체로 모델링 하였으며, 지반은 탄소성 모델 및 강소성 모델로 나타내었다(Yokel F.S., 1989). 이들의 연구에서는 SPT 샘플러가 고정단을 가진 로드와 같은 거동을 한다라고 가정하에 해석해를 유도하였는데 이러한 가정이 타당한지에 대해 서는 이론의 여지가 있는 것으로 판단된다. 그러나 일반적인 접근법은 SPT 샘플러의 거동에 대해 이해하는데 도움을 주고 있다.

고정단을 가진 일정 단면의 로드에 전달되는 압축 응력파는 고정단에서 반사 되며 이때의 응력은 도달된 응력파 응력의 두 배가 된다. 그러므로 샘플러에 도달한 하중이 샘플러가 지반을 관입하는데 요구되는 하중의 반보다 작거나 같을 때 SPT의 드릴로드는 고정단을 가진 로드와 같이 거동할 것이다. 샘플러의 관입이 멈춘 순간에 하기의 수학식 1과 같다.

여기서, Fs는 지반에 의해 샘플러에 가해진 하중, Frd는 도달한 응력파에 의해 샘플러에 전달된 하중이다. 만일 해머가 강체라면 샘플러에 도달된 하중의 시간에 따른 변화는 하기의 수학식 2와 같다.

여기서, Mh= 해머의 질량

vo= 해머의 충돌 속도, 4.728 m/s

a= 해머의 접촉 면적, 0.0013m2

c= 응력파의 전파 속도 , 5100m/s

ρ = 강재의 밀도, 1170 kg/m3

t= 샘플러에 응력파의 앞부분이 도달된 이후의 시간, 0.069

강-소성 모델을 사용할 경우 각 관입 주기시의 전진량은 하기의 수학식 3과 같다.

타격 당 샘플러의 전체 전진량 s는 모든 S(n)의 합으로 구할 수 있다. 상기 수학식 1과 수학식 2를 상기 수학식 3에 대입하고 위의 값들을 대입하여 무게를 산정한 결과 8.25 kg이 나왔고 개량된 표준관입시험의 추를 도 1에서와 같이 8.5kg의 무게로 제작하였다.

- 실험에 의한 추무게 산정

먼저, A 현장에서는 하기의 표 1에서의 조건에 따라 실험을 하였으며, 실험결과로서 도 2에서의 그래프를 얻게 되었다.

구분
추무게(kg)	관입심도(cm)	횟수(타)	목표관입심도(cm)
2.12	15	30타	30cm
4.5	22	30타	30cm
5.5	24	30타	30cm
6.5	27	30타	30cm
7.5	30	30타	30cm
8.5	34	30타	30cm

한편, B 현장에서는 하기의 표 2에서의 조건에 따라 실험을 하였으며, 실험결과로서 도 3에서의 그래프를 얻게 되었다.

한편, C 현장에서는 하기의 표 3에서의 조건에 따라 실험을 하였으며, 실험결과로서 도 4에서의 그래프를 얻게 되었다.

한편, D 현장에서는 하기의 표 4에서의 조건에 따라 실험을 하였으며, 실험결과로서 도 5에서의 그래프를 얻게 되었다.

한편, E 현장에서는 하기의 표 5에서의 조건에 따라 실험을 하였으며, 실험결과로서 도 6에서의 그래프를 얻게 되었다.

-최적의 추무게의 결정

30회 타격으로 30cm 관입할 수 있는 개량표준관입시험의 적정 추의 무게를 추정한 결과 약 6.2∼8.3kg이 나왔으며 각각의 실험 결과값을 분석해보면 현장시험을 한 15개 현장 중 12개 현장에서 30회타격으로 30cm 관입할 수 있는 추의 무게가 7.5kg부근을 나타내므로 개량표준관입시험기의 추무게로 약 7.5kg이 가장 적당한 것으로 확인된다.

참고로, 이 값은 단순 경험식으로 산정한 8.5kg과는 다소 차이가 있으나, 경험식으로 산정된 값은 현장상황에 대한 상당부분을 가정하였으므로 현장시험에 의한 추무게 산정 결과값인 7.5kg 결정하였다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초연약 지반에서의 강도정수 산정장치의 구조를 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 초연약 지반에서의 강도정수 산정장치의 구조 및 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법을 설명하기로 한다.

도 7에서의 강도정수 산정장치는 지지대(1)에 권취드럼(2)과 도르래(3)를 고정하여 로프(4)를 권취드럼(2)에 2~3회 감아서 도르래(3)에 안내되게 하고, 로프(4)의 단부에 고정되는 해머(5)는 가이드 로드(6)에 안내되어 승강 가능하게 설치된다. 본 발명을 실시함에 있어서, 해머(5)는 7.5Kg이 되는 것이 바람직할 것이다.

상기 가이드 로드(6)의 하부에는 모루(7 )가 고정된 로드(8)가 설치되며, 로드(8)의 하단부에는 지반의 교란시료를 얻을 수 있는 샘플러(도시되지 아니함)가 연결되어 있다. 상기 샘플러는 주로 스플릿 배럴 샘플러가 사용된다.

상기한 장치는 로프(4)를 해머(5)에 연결하고 일정한 방향으로 회전하는 권취드럼(2)에 로프(4)를 감아서 해머(5)를 들어올린 다음 낙하시켜서 모루(7)를 타격함으로 시험을 수행한다. 이때 로프(4)에 의하여 승강하는 해머(5)는 가이드 로드(6)에 안내되어 효과적인 타격을 도모하고 타격을 위한 궤도 범위 내에서 승강한다. 해머(5)의 타격은 모루(7)를 통하여 로드(8)로 전달됨으로서 샘플러가 관입된다. 샘플러가 관입됨으로써 지반의 교란시료를 얻을 수 있게 된다.

즉, 초연약 지반에서의 강도정수를 산정하기 위해서, 7.5kg 중량의 해머(5)를 75cm 내지 76cm의 높이에서 자유낙하시켜 샘플러를 타격하며, 샘플러가 30cm 관입하는데 소요되는 타격수를 측정함으로써 초연약 지반에서의 강도정수를 산정할 수 있게 되는 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법에 사용되는 해머의 제작 모습을 나타내는 도면,

도 2 내지 도 6은 본 발명에 따른 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법에 사용되는 해머의 무게를 결정하기 위한 실험결과를 나타낸 그래프 도면, 및

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초연약 지반에서의 강도정수 산정장치의 구조를 나타내는 도면이다.

Claims (2)

1. 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법에 있어서,

   7.5kg 중량의 해머를 소정의 높이에서 자유낙하시켜 지반의 교란시료를 얻을 수 있는 샘플러를 타격하는 단계; 및

   상기 샘플러가 30cm 관입하는데 소요되는 타격수를 측정하는 단계

   를 포함하는 초연약 지반에서의 강도정수 산정방법.
2. 초연약 지반에서의 강도정수 산정장치에 있어서,

   7.5kg 중량의 해머;

   상기 해머를 승강 가능하게 안내하는 가이드 로드; 및

   상기 가이드 로드의 하부에 연결된 지반의 교란시료를 얻을 수 있는 샘플러

   를 포함하며,

   상기 해머는 상기 샘플러가 30cm 관입될때까지 상기 샘플러를 타격하는 것을 특징으로 하는 초연약 지반에서의 강도정수 산정장치.

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