KR20170083479A - 지반 계측 시스템 - Google Patents

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KR20170083479A
KR20170083479A KR1020160144534A KR20160144534A KR20170083479A KR 20170083479 A KR20170083479 A KR 20170083479A KR 1020160144534 A KR1020160144534 A KR 1020160144534A KR 20160144534 A KR20160144534 A KR 20160144534A KR 20170083479 A KR20170083479 A KR 20170083479A
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박성식
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

일 실시예에 따른 지반 계측 시스템은, 지반 내에 매립되거나 지표면에 설치되어 지반의 상태를 측정하는 센싱부를 포함하고, 상기 센싱부는, 지반 내에서 변형 가능한 플레이트; 및 상기 플레이트에 장착되어 지반 내 하중을 측정하는 복수 개의 하중 센서;를 포함할 수 있다.

Description

지반 계측 시스템{SYSTEM FOR MEASURING GROUND}
본 발명은 지반 계측 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 센서를 구비하여 지반의 상태를 보다 정확하게 분석할 수 있는 지반 계측 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 비탈면의 변화는 온도, 비, 눈, 서리, 태풍, 미세 지진 등의 자연적인 원인이나, 토목공사 등의 인위적인 원인에 의해 발생되는데, 이 비탈면의 변화가 심하면, 비탈면이 붕괴되거나 낙석 위험 등 매우 심각한 인적, 물적 피해를 입을 수 있는 재해가 일어날 수 있다.
그런데 비탈면의 변화는 매우 미세하게 진행되고, 비탈면의 변화의 원인이 너무 많으며, 지반 및 지질 특성이 비균질하여, 복잡하기 때문에 비탈면의 거동을 예측하여 재해를 예방하는 것은 매우 어렵다.
따라서, 비탈면의 거동을 상시 측정하여 이상징후 발생 시 즉각적으로 대처함으로써, 인적, 물적 피해를 최소화하는 방안이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
예를 들어, 2010년 12월 20일에 출원된 KR 2010-0130487호에서는 TDR측정기를 이용한 비탈면 거동 측정 장치에 대하여 개시된다.
일 실시예에 따른 목적은 지반의 상태가 안테나의 기울기 변화에 의해 시각적으로 판단되고, 분석부에서 산출된 지반의 상태에 의해 안테나의 기울기 변화에 기초하여 판단된 지반의 상태가 검증되어, 지반의 상태가 보다 용이하고 정확하게 계측될 수 있는 지반 계측 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 하중 센서, 가속도 센서 등과 같은 다양한 센서들이 구비되어 다양한 방법으로 지반의 상태를 측정할 수 있으며, 이에 의해 지반의 상태가 종합적으로 판단되어 정확도를 보다 향상시킬 수 있는 지반 계측 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 분석부에서 산출된 결과가 표시되거나 경고등 또는 경고음에 의해 비탈면의 붕괴 위험성이 표시되어, 시청각적으로 또는 실시간으로 지반의 상태에 대한 정보가 전달될 수 있는 지반 계측 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 지반 보강 장치에 적용되어, 지반 보강과 동시에 지반에 작용하는 하중이나 강도 계측이 가능하여, 지반 보강 장치에 의한 지반 보강 정도를 결정하고, 지반 보강 장치의 지지력 감소나 비탈면의 위험성을 알리는 데 활용될 수 있는 지반 계측 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 지반 계측 시스템은, 지반 내에 매립되거나 지표면에 설치되어 지반의 상태를 측정하는 센싱부를 포함하고, 상기 센싱부는, 지반 내에서 변형 가능한 플레이트; 및 상기 플레이트에 장착되어 지반 내 하중을 측정하는 복수 개의 하중 센서;를 포함할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 복수 개의 하중 센서는 상기 플레이트 상에 서로 이격 배치되어, 지반 내 서로 다른 지점에서의 하중을 측정하고, 상기 복수 개의 하중 센서에서 측정된 지반 내 하중에 기초하여 지반의 상태가 분석될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 센싱부는 상기 플레이트에 장착되어 상기 플레이트의 변위를 측정하는 가속도 센서를 더 포함하고, 상기 가속도 센서에서 측정된 플레이트의 변위에 기초하여 지반의 상태가 분석될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 센싱부는 상기 센싱부에 대하여 신호를 송수신하는 안테나를 더 포함하고, 상기 안테나는 상기 플레이트에 장착되어 상기 플레이트의 변형에 대응되도록 기울기가 변화될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 센싱부는 상기 안테나에 장착되어 상기 안테나의 기울기 변화를 측정하는 기울기 센서를 더 포함하고, 상기 기울기 센서에서 측정된 상기 안테나의 기울기 변화에 기초하여 지반의 상태가 분석될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 지반 계측 시스템은, 지반 내 하중을 측정하는 하중 센서; 상기 하중 센서에 대하여 신호를 송수신하도록 일부는 지반 내에 매립되고 나머지 일부는 외부에 노출된 안테나; 상기 하중 센서에서 측정된 지반 내 하중에 기초하여 지반의 상태가 분석되는 분석부;를 포함하고, 상기 지반의 상태는 상기 안테나의 기울기 변화에 의해 판단되고, 상기 분석부에서 분석된 지반의 상태에 의해 상기 안테나의 기울기 변화에 기초하여 판단된 지반의 상태가 검증될 수 있다.
일 측에 의하면, 지반 내에서 변위 가능한 플레이트를 더 포함하고, 상기 하중 센서는 상기 플레이트 상에 장착되고, 상기 안테나는 상기 플레이트의 일 측에 연결될 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 플레이트 상에는 복수 개의 하중 센서가 장착되고, 상기 복수 개의 하중 센서는 상기 플레이트 상에 서로 이격 배치되어, 지반 내 서로 다른 지점에서의 하중을 측정할 수 있다.
일 측에 의하면, 상기 플레이트 상에 장착되어 상기 플레이트의 변위를 측정하는 가속도 센서를 포함하고, 상기 분석부에서 상기 가속도 센서에서 측정된 상기 플레이트의 변위에 기초하여 지반의 상태가 산출될 수 있다.
일 실시예에 따른 지반 계측 시스템에 의하면, 지반의 상태가 안테나의 기울기 변화에 의해 시각적으로 판단되고, 분석부에서 산출된 지반의 상태에 의해 안테나의 기울기 변화에 기초하여 판단된 지반의 상태가 검증되어, 지반의 상태가 보다 용이하고 정확하게 계측될 수 있다.
일 실시예에 따른 지반 계측 시스템에 의하면, 하중 센서, 가속도 센서 등과 같은 다양한 센서들이 구비되어 다양한 방법으로 지반의 상태를 측정할 수 있으며, 이에 의해 지반의 상태가 종합적으로 판단되어 정확도를 보다 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 지반 계측 시스템에 의하면, 분석부에서 산출된 결과가 표시되거나 경고등 또는 경고음에 의해 비탈면의 붕괴 위험성이 표시되어, 시청각적으로 또는 실시간으로 지반의 상태에 대한 정보가 전달될 수 있다.
일 실시예에 따른 지반 계측 시스템에 의하면, 지반 보강 장치에 적용되어, 지반 보강과 동시에 지반 계측이 가능하여, 지반 보강 장치에 의한 지반 보강 정도를 결정하고, 지반 보강 장치의 지지력 감소나 비탈면의 위험성을 알리는데 활용될 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시한다.
도 2는 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템에 의해 지반 계측되는 모습이 도시된다.
도 3(a) 및 (b)는 제2 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시한다.
도 4는 제3 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시한다.
도 5(a)및 (b)는 각각 키 부재 및 확장 부재의 상세도이다.
도 6(a) 및 (b)은 제4 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시한다.
도 7은 제5 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시한다.
도 8은 도 7에서 지반 보강부의 상세도이다.
이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시하고, 도 2는 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템에 의해 지반이 계측되는 모습이 도시된다.
도 1을 참조하여, 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템(10)은 센싱부(100), 분석부(110) 및 표시부(120)를 포함할 수 있다.
상기 센싱부(100)는 지반 내에 매립되거나 지표면에 설치되어 지반의 상태를 측정할 수 있다.
이때, 지반의 상태는 지반의 강도, 지반의 붕괴 또는 변형 가능성 등을 포함할 수 있으며, 센싱부(100)는 예를 들어 비탈면 내에 매립되어 비탈면의 붕괴 또는 변형을 측정할 수 있다.
구체적으로, 센싱부(100)는 플레이트(102), 복수 개의 하중 센서(104), 가속도 센서(106) 및 안테나(108)를 포함할 수 있다.
상기 플레이트(102)는 평판으로 마련되어 지반 내에서 변형될 수 있다.
예를 들어, 비탈면의 변형이 발생하는 경우, 플레이트(102) 또는 비탈면 내에서 이동되거나 침하 방향에 따라서 기울기가 변화될 수 있다.
플레이트(102)에는 복수 개의 하중 센서(104)가 장착될 수 있다.
도 1에는 플레이트(102) 상에 복수 개의 하중 센서(104)가 장착된 것으로 도시되었으나, 이는 설명의 용이를 위한 것이며, 복수 개의 하중 센서(104)가 플레이트(102) 내에 배치되어 외부에 노출되지 않게 할 수 있음은 당연하다.
상기 복수 개의 하중 센서(104)는 예를 들어 로드셀로 마련될 수 있으며, 플레이트(102) 상에 이격 배치될 수 있다.
예를 들어, 플레이트(102)가 사각형으로 마련된 경우, 복수 개의 하중 센서(104)는 플레이트(102)의 네 모서리 측에 인접하게 배치될 수 있다.
이와 같이 복수 개의 하중 센서(104)의 배치에 의해서 지반 내 서로 다른 지점에서의 하중이 측정될 수 있다.
도 1에는 플레이트(102) 상에 총 네 개의 하중 센서(104)가 장착되어, 네 개의 서로 다른 지점에서의 하중이 측정되는 것으로 도시되었으나, 하중 센서(102)의 개수는 이에 국한되지 아니하며, 네 개보다 적거나 많은 개수의 하중 센서(104)가 장착되어 네 개의 지점보다 적거나 많은 지점에서의 하중이 측정될 수 있음은 당연하다.
이하에서는 복수 개의 하중 센서(104)가 제1 하중 센서(1042), 제2 하중 센서(1044), 제3 하중 센서(1046) 및 제4 하중 센서(1048)을 포함하는 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.
구체적으로 복수 개의 하중 센서(104)에 의해 다음과 같이 지반의 상태가 측정될 수 있다.
예를 들어, 제1 하중 센서(1042)에서는 큰 하중이 측정되고, 제2 하중 센서(1044)에서는 작은 하중이 측정되는 경우, 지반의 상태가 변화되었음을 알 수 있고, 구체적으로 하중 변화의 기울기를 분석함으로써 지반의 변형 방향 또는 지반의 변위 정도 등을 판단할 수 있다.
하중 변화의 기울기가 큰 경우 지변의 변형 정도가 큰 것으로 판단할 수 있고, 하중 변화의 기울기가 작은 경우, 지변의 변형 정도가 작은 것으로 판단할 수 있다. 그리고, 하중 변화의 기울기가 음의 기울기를 갖는 경우, 지반 내측에서 지반이 변형되었음을 판단할 수 있으며, 하중 변화의 기울기가 양의 기울기를 갖는 경우, 지표면 측에서 지반이 변형되었음을 판단할 수 있다.
또한, 제1 하중 센서(1042), 제2 하중 센서(1044), 제3 하중 센서(1046) 및 제4 하중 센서(1048)에서 각각 측정된 하중으로부터 각각의 지점에서 지반의 강도를 판단할 수 있으며, 제1 하중 센서(1042), 제2 하중 센서(1044), 제3 하중 센서(1046) 및 제4 하중 센서(1048)에서 각각 측정된 하중을 비교함으로써, 지반 내 어느 지점에서 지반의 강도가 가장 약하고 강한지를 판단할 수 있음은 당연하다.
이와 같이 플레이트(102) 상에 장착된 복수 개의 하중 센서(104)를 활용하여 다양한 방법으로 지반의 상태를 측정할 수 있다.
또한, 플레이트(102) 상에는 가속도 센서(106)가 장착될 수 있다.
복수 개의 하중 센서(104)와 마찬가지로, 도 1에는 플레이트(102) 상에 가속도 센서(106)가 장착된 것으로 도시되었으나, 이는 설명의 용이를 위한 것이며, 가속도 센서(106)가 플레이트(102) 내에 배치되어 외부에 노출되지 않게 할 수 있음은 당연하다.
상기 가속도 센서(106)는 플레이트(102)의 중앙에 배치될 수 있다.
예를 들어, 플레이트(102)가 사각형으로 마련된 경우, 복수 개의 하중 센서(104)는 플레이트(102)의 네 모서리 측에 인접하게 배치되고, 가속도 센서(106)는 복수 개의 하중 센서(104) 중앙에 배치될 수 있다.
가속도 센서(106)는 이동하는 물체의 가속도나 충격의 세기를 측정하는 센서로서, 출력신호를 처리하여 물체의 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 측정할 수 있다. 가속도센서는 그 형식도 여러 가지가 있다. 검출 방식으로 크게 분류하면 관성식, 자이로식, 실리콘반도체식이 있는데, 진도계나 경사계 등도 가속도센서의 한 종류로 볼 수 있다.
이와 같이 지반의 상태 변화에 의해 플레이트(102)의 지반 내 변위가 변화되는 경우 가속도 센서(106)로부터 플레이트(102)의 가속도 또는 플레이트(102)에 대한 충격의 세기를 측정할 수 있다.
구체적으로 가속도 센서(106)에 의해 다음과 같이 지반의 상태가 측정될 수 있다.
예를 들어, 가속도 센서(106)에서 측정된 가속도 크기로부터 플레이트(102)의 변위 발생 시 플레이트(102)의 가속도를 측정할 수 있으며, 가속도를 시간에 대하여 적분함으로써 플레이트(102)의 이동 속도를 측정할 수 있으며, 또 다시 속도를 시간에 대하여 적분함으로써 플레이트(102)의 변위를 측정할 수 있다. 이때, 가속도, 속도 및 변위는 크기 및 방향을 가지는 벡터 개념으로써 플레이트(102)의 지반 내 변위를 보다 정확하게 파악할 수 있다.
다만, 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템(10)에서는 플레이트(102)에 가속도 센서(106)를 구비됨으로써 플레이트(102)의 지반 내 변위를 측정하였으나, 플레이트(102)의 지반 내 변위를 측정하는 센서는 이에 국한되지 아니하며, 플레이트(102)에 변위 센서가 구비될 수 있음은 당연하다. 예를 들어 플레이트(102)에 변위 센서가 구비된 경우, 변위 센서에서 측정된 값을 시간에 대하여 미분함으로써 역으로 플레이트(102)의 가속도 및 속도를 측정할 수 있다.
또한, 플레이트(102)에는 안테나(108)가 장착될 수 있다.
상기 안테나(108)는 플레이트(102)의 일 측, 특히 플레이트(102)에서 지표면을 향하는 측에 장착될 수 있다.
안테나(108)의 일부는 지반 내에 매립된 상태로 있고, 안테나(108)의 나머지 일부는 지반 외부에 노출될 수 있다.
예를 들어, 안테나(108)는 지반 내에서 플레이트(102)의 일 측에 장착되어 지표면을 향하여 연장되는 제1 부분(1082) 및 제1 부분(1082)에 연결되어 지반 외부에서 연장된 제2 부분(1084)을 포함할 수 있다.
이때, 제2 부분(1084)은 플레이트(102)가 지반과 평행하게 놓여진 상태에서 플레이트(102) 또는 지반에 대하여 수직하는 방향으로 연장될 수 있다.
여기에서는 안테나(108)가 제1 부분(1082) 및 제2 부분(1084)으로 나뉜 것으로 설명되었으나, 제1 부분(1082) 및 제2 부분(1084)가 일체로 형성될 수 있음은 당연하며, 플레이트(102)의 지반 내 기울기 변화에 따라서 안테나(108)의 기울기 변화 또한 확인될 수 있다면 어떠한 구조로든지 될 수 있다.
이러한 안테나(108)의 배치에 의하여 안테나(108)를 통하여 지반의 상태를 측정할 수 있다.
구체적으로 안테나(108)에 의해 다음과 같이 지반의 상태가 측정될 수 있다.
안테나(108), 특히 안테나(108)에서 외부에 노출된 제2 부분(1084)의 기울기 변화는 플레이트(102)의 지반 내 변형에 의해 유발되므로, 안테나(108)의 기울기 변화는 플레이트(102)의 변위에 대응되어, 안테나(108)의 기울기 방향 또는 크기로부터 지반의 상태를 직관적으로 판단할 수 있다.
또는, 안테나(108)에 안테나(108)의 기울기 변화를 측정하는 기울기 센서가 추가적으로 장착되어, 안테나(108)의 기울기 변화를 정확한 값으로 측정할 수 있음은 당연하다.
추가적으로, 안테나(108)는 센싱부(100)에 대하여 신호를 송수신하여, 안테나(108)의 본래 기능인 통신 기능을 수행할 수 있음은 당연하다.
예를 들어, 전술된 복수 개의 하중 센서(104) 및 가속도 센서(106)에서 측정된 값이 안테나(108)를 통하여 지반 외부, 예를 들어 분석부(110)에 전달될 수 있다. 또는 외부에서 전송된 정보가 안테나(108)를 통하여 센싱부(100)에 전달될 수 있다.
전술된 바와 같이, 센싱부(100)에서는 하중 센서, 가속도 센서 등과 같은 다양한 센서들이 구비되어 다양한 방향으로 지반의 상태를 측정할 수 있으며, 추가적으로 안테나(108)를 통하여 직관적으로 지반의 상태 변화를 측정할 수 있어, 지반의 상태가 보다 종합적으로 판단될 수 있다.
또한, 센싱부(100)에는 분석부(110)가 연결되어, 센싱부(100)에서 측정된 정보가 분석부(110)에 전달될 수 있다.
이때, 센싱부(100) 및 분석부(110)는 전술된 안테나(108)를 통하여 무선 통신에 의해 정보를 송수신할 수 있으며, 센싱부(100) 및 분석부(110)가 유선 통신에 의해 정보를 송수신할 수 있음은 당연하다.
구체적으로 분석부(110)에서는 센싱부(100)에서 측정된 정보에 기초하여 지반의 상태를 분석될 수 있다.
예를 들어, 분석부(110)에서는 복수 개의 하중 센서(104)에서 측정된 지반 내 하중에 기초하여 지반의 상태가 분석될 수 있으며, 복수 개의 하중 센서(104)에서 측정된 하중 값을 비교하여 지반의 변위를 산출할 수 있다.
또한, 분석부(110)에서는 가속도 센서(106)에서 측정된 플레이트(102)의 변위에 기초하여 지반의 상태가 분석될 수 있으며, 가속도 센서(106)에서 측정된 가속도 값을 시간에 대하여 적분함으로써 플레이트(102)의 속도 및 변위를 측정하여, 결국 지반의 변위를 산출할 수 있다.
추가적으로, 안테나(108)에 기울기 센서(미도시)가 장착된 경우, 기울기 센서에서 측정된 안테나(108)의 기울기 변화에 기초하여 지반의 상태가 분석될 수 있음은 당연하다.
이때, 안테나(108)의 기울기 변화는 다양한 요인에 의해 유발될 수 있다. 다시 말해서, 안테나(108)는 외부에 노출된 부분이 있어 외부 환경(예를 들어, 바람, 진동, 강우 등)의 영향에 의하여 기울기 변화가 유발될 수 있으므로, 안테나(108)의 기울기 변화로부터 직관적으로 지반의 상태를 판단할 때 오류 발생 가능성이 존재한다.
이러한 경우, 분석부(110)에서는 복수 개의 하중 센서(104) 또는 가속도 센서(102)로부터 분석된 지반의 상태로부터 안테나(108)의 기울기 변화에 기초하여 판단된 지반의 상태가 검증될 수 있다.
예를 들어, 안테나(108)의 기울기 변화로부터 지반의 상태가 변화하였음을 판단하였으나, 분석부(110)에서는 복수 개의 하중 센서(104) 또는 가속도 센서(102)에서 측정된 값으로부터 지반의 상태가 변화되지 않았다고 판단하는 경우, 안테나(108)의 기울기 변화가 지반의 변형에 의해 발생되지 않은 것임을 알 수 있다.
또는 안테나(108)의 기울기 변화로부터 지반의 상태가 20% 정도 변화하였음을 판단하였으나, 분석부(110)에서는 복수 개의 하중 센서(104) 또는 가속도 센서(102)에서 측정된 값으로부터 지반의 상태가 10% 정도 변화되었다고 판단하는 경우, 안테나(108)의 기울기 변화 중 10%는 지반의 변형이 아닌 외부 환경에 의해 발생되었음을 알 수 있다.
또한, 분석부(110)에는 미리 적정 수준의 지반 강도가 저장되어 있어, 현재의 지반 상태로부터 위험성 정도가 판단될 수 있다.
예를 들어 적정 수준의 지반 강도를 60으로 설정한 경우, 60 이상은 안전 범위이고, 60 미만은 경고 범위가 될 수 있다.
그러나 지반의 위험성 정도를 판단하는 기준은 이에 국한되지 아니하며, 다양한 기준으로 판단될 수 있음은 당연하다. 예를 들어, 지반 강도가 범위로 설정될 수 있으며, 위험성의 정도가 단계별로 분류될 수 있다.
이와 같이 분석부(110)에서는 단순히 센싱부(100)로부터 전달받는 정보로부터 지반의 상태를 분석할 뿐만 아니라, 안테나(108)의 기울기 변화로부터 판단된 지반의 상태를 검증하는 역할을 할 수 있다. 이에 의해 지반의 상태가 보다 용이하고 정확하게 계측될 수 있다.
또한, 분석부(110)에는 표시부(120)가 연결될 수 있다.
상기 표시부(120)는 분석부(110)에서 분석된 지반의 상태를 표시할 수 있다.
예를 들어 표시부(120)는 플래시라이트와 같은 경고등으로 마련될 수 있으며, 지반의 위험도가 '안전'인 경우 경고등의 색상이 파란색이었다가 지반의 위험도가 '위험'인 경우 경고등의 색상이 빨간색으로 전환될 수 있다. 이와 같이 분석부(110)에서 전달 받은 위험성의 정도로부터 경고등의 색상을 변화시킴으로써 시각적으로 지반의 위험성을 알릴 수 있다.
또는, 표시부(120)는 경고음을 발생시키는 스피커로 마련될 수 있으며, 지반의 위험도가 '위험'인 경우 경고음을 발생시킬 수 있다. 이와 같이 분석부(110)에서 전달 받은 위험성의 정도로부터 경고음을 발생시킴으로써 청각적으로 지반의 위험성을 알릴 수 있다.
이상 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템의 구성에 대하여 설명되었으며, 도 2를 참조하여, 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템(10)은 다음과 같이 지반의 상태를 측정할 수 있다.
지반 내에 센싱부(100)가 지반 내에 매립되고, 지반 변형 발생 시 플레이트(102)가 지반 내에서 변형될 수 있다.
이에 의해 플레이트(102)에 연결된 안테나(108)의 기울기(α)가 변화되어, 지반의 상태가 직관적으로 판단될 수 있다. 이때, 안테나(108)의 기울기(α)의 기준은 비탈면이 아닌 평평한 지표면에 대한 수직선이 될 수 있다.
또한, 센싱부(100)에 구비된 복수 개의 하중 센서(104) 및 가속도 센서(106)를 통해 동시적으로 지반 내 하중 및 플레이트(102)의 변위가 측정되어, 센싱부(100)에서 측정된 값들이 분석부(110)에 전달될 수 있다.
분석부(110)에서는 센싱부(100)에 구비된 복수 개의 하중 센서(104) 및 가속도 센서(106)에서 측정된 지반 내 하중 및 플레이트(102)의 변위로부터 지반의 상태를 판단할 수 있다.
이때, 분석부(110)에서 분석된 지반의 상태로부터 안테나(108)의 기울기 변화에 의해 판단된 지반의 상태가 검증될 수 있다. 구체적으로, 안테나(108)의 기울기 변화가 지반의 상태만을 반영하는 것인지, 안테나(108)의 기울기 변화에 외부 환경에 의한 영향이 반영된 것인지 판단될 수 있다.
이와 같이 분석부(110)에서 판단된 지반의 상태에 기초하여 지반의 위험도가 결정되어, 표시부(120)에서 경고등 또는 경고음으로써 지반의 안전성을 알릴 수 있다.
이하에서는 지반 보강부가 추가되어 지반 보강 역할을 수행할 수 있는 지반 계측 시스템에 대하여 설명된다.
도 3(a) 및 (b)는 제2 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시한다.
도 3(a)를 참조하여, 제2 실시예에 따른 지반 계측 시스템(20)은 지반 보강부(200), 센싱부(210), 분석부(220) 및 표시부(230)를 포함할 수 있다.
이때, 지반 보강부(200)는 쏘일 네일링 공업에 적용되는 구성으로 마련될 수 있다. 상기 쏘일 네일링 공법은 지반에 철근과 같은 보강 부재(202)를 삽입하여 지반과 보강 부재(202) 사이의 마찰력, 보강 부재(202)의 인장 응력과 전단 응력 등에 대한 저항력으로 지반과 보강 부재(202)의 일체화 및 지반 안정을 획득하고자 하는 공법이다.
구체적으로, 상기 센싱부(210)는 보강 부재(202)에 장착될 수 있으며, 센싱부(210)는 기울기 센서로 마련될 수 있다. 이때, 보강 부재(202)는 쏘일 네일링 공법에서 활용되는 네일(nail)로 마련되어 천공된 지반 내에 삽입될 수 있다.
구체적으로 도시되지는 않았으나, 비탈면 상에 보강 부재(202)를 고정하도록 구비된 지압판 등 쏘일 네일링 공법에 포함되는 구성이 포함될 수 있음은 당연하다.
또한, 센싱부(210)는 보강 부재(202)의 기울기를 측정할 수 있다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 비탈면이 붕괴되는 경우 보강 부재(202)의 기울기가 변화될 수 있으며, 센싱부(210)에서 보강 부재(202)의 기울기 변화를 측정할 수 있다.
센싱부(210)에는 분석부(220)가 연결되어, 센싱부(210)에서 측정된 보강 부재(202)의 기울기 값이 분석부(220)에 전송될 수 있다.
분석부(220)에는 미리 적정 수준의 지반 강도가 저장되어 있어, 현재의 지반 상태로부터 위험성 정도가 판단될 수 있다.
또한, 분석부(220)에는 표시부(230)가 연결되어 분석부(220)에서 분석된 지반의 상태가 표시될 수 있다.
예를 들어 표시부(230)는 플래시라이트와 같은 경고등으로 마련될 수 있으며, 3(a)와 같이 지반의 변형 전에는 경고등의 색상이 파란색이었다가, 도 3(b)와 같이 지반에 변형이 발생되면 경고등의 색상이 빨간색으로 변화될 수 있다. 이와 같이 분석부(220)에서 전달 받은 위험성의 정도로부터 경고등의 색상을 변화시킴으로써 시각적으로 지반의 위험성을 알릴 수 있다.
또한, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 도 3에 도시된 보강 부재(202)에 도 1에 도시된 일 실시예에 따른 지반 계측 시스템(10)이 적용될 수 있음은 당연하다.
도 4는 제3 실시예에 따른 지반 보강 및 계측 시스템을 도시하고, 도 5(a) 및 (b)는 각각 키 부재 및 확장 부재의 상세도이다.
도 4를 참조하여, 제3 실시예에 따른 지반 보강 및 계측 시스템(30)은 지반 보강부(300), 센싱부(310) 및 표시부(320)를 포함할 수 있다.
이때, 지반 보강부(300)는 보강 부재(302), 키 부재(304) 및 확장 부재(306)를 포함할 수 있다.
상기 보강 부재(302)는 천공된 지반 내에 삽입될 수 있다.
이때, 보강 부재(302)의 일단은 천공된 지반 내부를 향하고, 보강 부재(302)의 타단은 지표면 또는 외부를 향할 수 있다.
예를 들어, 보강 부재(302)는 도 3에 도시된 바와 같이 쏘일 네일링 공법에서 이용되는 쏘일 네일(soil nail)로 마련될 수 있다.
상기 보강 부재(302)는 봉 형상의 철근으로 마련될 수 있으며, 지반의 천공 깊이에 대응되는 길이 또는 지반의 천공 깊이보다 큰 길이를 구비할 수 있다.
다만, 도 3에 도시된 것과 달리, 천공된 지반 내에 그라우팅을 하지 않으므로, 안정성 확보를 위해 상기 보강 부재(302)는 기존 쏘일 네일링에서 사용되는 보강 부재 보다 다소 굵은 것이 사용되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 보강 부재(302)의 재질은 경우에 따라서 달리 결정될 수 있다. 예를 들어, 지반 보강 장치가 일시적인 구조물에서 이용될 경우, 보강 부재(302)는 부식의 염려가 감소되어 어떠한 재질로든 마련될 수 있다.
반면, 지반 보강부가 영구적인 구조물에서 적용될 경우, 보강 부재(302)는 내식성이 강한 재료, 예를 들어 FRP 등으로 마련되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 FRP는 유리섬유를 강화재로 하여, 불포화 폴리에스테르의 매트릭스를 강화시킨 복합재료로서, 플라스틱이 지니는 성형성, 내식성이 있고, 가벼우며 강도가 높다.
이와 같이 구성된 보강 부재(302)에는 키 부재(304)가 장착될 수 있다.
이때, 보강 부재(302)에 복수 개의 키 부재(304)가 장착될 수 있다.
보강 부재(302)에 장착되는 키 부재(304)의 개수는 보강 부재(302)의 길이에 따라 변화될 수 있으며, 복수 개의 키 부재(304)는 보강 부재(302) 상에 서로 등간격으로 이격되어 장착될 수 있다.
도 4를 참조하여, 상기 키 부재(304)는 원뿔대 형상으로 마련될 수 있으나, 키 부재(304)의 형상은 이에 국한되지 아니하며, 확장 부재(306)를 확장시킬 수 있다면 어떠한 형상이든지 가능하다.
이하에서는 키 부재(304)가 원뿔대 형상으로 마련된 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
특히, 도 5(a)를 참조하여, 상기 키 부재(304)는 윗면(3041), 밑면(3042) 및 옆면(3043)을 포함할 수 있다.
상기 윗면(3041)은 상기 보강 부재(302)의 일단을 향하여 배치될 수 있고, 상기 밑면(3042)은 상기 보강 부재(302)의 타단을 향하여 배치될 수 있다.
또한, 윗면(3041)의 직경 크기는 밑면(3042)의 직경 크기보다 작게 마련될 수 있다. 다시 말해서, 키 부재(304)는 보강 부재(302)의 일단으로부터 타단을 향하여 갈수록 단면적이 크게 형성될 수 있다.
이러한 키 부재(304)의 형상은 후술하게 될 확장 부재(306)를 확장시키는 데 효율적일 수 있다.
또한, 키 부재(304)에는 윗면(3041)과 밑면(3042)의 중앙을 관통하도록 중앙 홀(3044)이 형성될 수 있다. 상기 중앙 홀(3044)에는 보강 부재(302)가 삽입될 수 있다.
이때, 중앙 홀(3044)의 직경은 보강 부재(302)의 직경에 대응하거나, 보강 부재(302)의 직경 보다 크게 마련될 수 있다.
게다가, 키 부재(304)에는 고정 요소(3045)가 구비되어, 키 부재(304)를 보강 부재(302)에 고정시키거나, 키 부재(304)를 보강 부재(302)로부터 분리시킬 수 있다.
상기 고정 요소(3045)는 키 부재(304)의 옆면(3043)에 형성된 고정 홀(3045a) 및 고정 스크류(3045b)를 포함할 수 있다.
상기 고정 홀(3045a)은 키 부재(304)의 중앙 홀(3044)로부터 키 부재(304)의 옆면(3043)을 관통하도록 형성될 수 있다.
또한, 키 부재(304)의 옆면(3043)에는 복수 개의 고정 홀(3045a)이 형성될 수 있으며, 복수 개의 고정 홀(3045a)은 서로 마주보도록 쌍으로 마련될 수 있다.
이와 같이 형성된 키 부재(304)는 보강 부재(302)에 장착된 후에, 고정 스크류(3045b)를 고정 홀(3045a)에 체결함으로써, 키 부재(304)와 보강 부재(302)를 일체화시킬 수 있다.
다만, 고정 요소(3045)의 구성은 이에 국한되지 아니하며, 보강 부재(302)에 키 부재(304)를 고정 또는 제거할 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.
게다가, 고정 요소(3045)에 의해 키 부재(304)를 보강 부재(302)로부터 분리시켜 키 부재(304)를 보강 부재(302) 상에 위치 이동시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다른 직경의 보강 부재(302) 상에도 고정될 수 있다.
이와 같이 구성된 키 부재(304)는 확장 부재(306)를 확장시킬 수 있다.
특히 도 5(b)를 참조하여, 확장 부재(306)는 유지 부분(3062) 및 확장 부분(3064)을 포함할 수 있다.
상기 유지 부분(3062)은 보강 부재(302)가 관통하도록 형성된 관통 홀(3066)이 형성될 수 있다.
상기 관통 홀(3066) 내에 보강 부재(302)가 관통됨으로써, 확장 부재(306)가 보강 부재(302) 상에 배치될 수 있다.
또한, 관통 홀(3066) 내에서 보강 부재(302)는 회전할 수 있다.
예를 들어, 보강 부재(302)의 외주면에 나사산이 형성된 경우, 관통 홀(3066)의 내주면 또한 나사산이 형성되어, 보강 부재(302)가 관통 홀(3066) 내에서 원활하게 회전하면서 전진할 수 있다.
상기 유지 부분(3062)에는 확장 부분(3064)의 일단이 연결될 수 있다.
상기 확장 부분(3064)의 타단은 전술된 키 부재(304)를 수용할 수 있도록 개방될 수 있다.
이때, 확장 부분(3064)은 원통 형상의 외형을 구비할 수 있고, 확장 부분(3064)의 내부에는 보강 부재(302)가 관통하고 키 부재(304)가 삽입될 수 있도록 비어 있을 수 있다.
또한, 확장 부분(3064)은 복수 개의 다리 요소(3068)를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 다리 요소(3068)는 확장 부분(3064)의 일단으로부터 타단을 향하여 연장될 수 있다. 그리고 복수 개의 다리 요소(3068)는 방사상으로 이격 배치될 수 있으며, 복수 개의 다리 요소(3068)가 원통 형상을 이루도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 복수 개의 다리 요소(3068)는 보강 부재(302)의 길이방향과 평행하게 연장되어, 보강 부재(302)를 감싸도록 배치될 수 있다.
이때, 복수 개의 다리 요소(3068) 사이에는 슬릿(slit) 같은 간격이 형성될 수 있으며, 복수 개의 다리 요소(3068) 사이의 간격은 외력에 의해 확장될 수 있다.
확장 부분(3064)이 확장하게 되면, 복수 개의 다리 요소(3068)가 지반을 향하여 확장되어, 복수 개의 다리 요소(3068)의 단부가 지반에 고정될 수 있다.
또한, 전술된 확장 부재(306) 또한 키 부재(304)와 마찬가지로 보강 부재(302) 상에 복수 개로 마련될 수 있다. 이때, 확장 부재(306)의 개수 및 배치는 키 부재(304)의 개수 및 배치에 대응할 수 있다.
구체적으로, 확장 부재(306)는 키 부재(304)에 의해 다음과 같이 확장될 수 있다.
천공된 지반 내에 키 부재(304)가 장착된 보강 부재(302) 및 확장 부재(306)를 배치시킬 수 있다.
상기 보강 부재(302)는 천공된 지반 내에 완전히 삽입된 상태가 아니고, 보강 부재(302)의 타단이 외부에 노출될 수 있다.
이때, 확장 부재(306)의 확장 부분(3064) 내부에 키 부재(304)가 일부 삽입될 수 있다. 키 부재(304)의 윗면(3041)이 확장 부분(3064)을 향하여 배치되어, 키 부재(304)의 윗면(3041)이 확장 부분(3064) 내에 삽입될 수 있다.
그리고, 확장 부분(3064)의 내부 공간의 크기가 윗면(3041)의 단면적보다 크게 형성되어, 복수 개의 다리 요소(3068) 사이의 간격이 크게 벌어지지 않을 수 있다.
다만, 도면에는 확장 부분(3064)의 다리 요소(3068)가 천공된 지반과 전혀 접촉이 없는 것으로 도시되었으나, 확장 부분(3064)는 약간 확장되어 다리 요소(3068)가 지반에 일차적으로 고정될 수 있다.
이는 확장 부재(306)가 보강 부재(302)의 회전 시 함께 회전하는 것을 방지하기 위한 것이다. 보강 부재(302)의 회전 시 확장 부재(306) 또한 회전하게 될 경우, 확장 부재(306)와 지반의 고정에 의한 보강 부재(302)의 고정이 이루어지지 않을 수 있다.
한편, 보강 부재(302)가 회전하면서 전진하고, 보강 부재(302)에 장착된 키 부재(304) 또한 회전하면서 전진하게 되면, 키 부재(304)가 확장 부분(3064)의 내부에 완전히 삽입될 수 있다.
이때, 키 부재(304)의 전진에 의해 복수 개의 다리 요소(3068) 사이의 간격이 벌어지면서, 복수 개의 다리 요소(3068)가 방사상으로 변형될 수 있다.
복수 개의 다리 요소(3068)가 지반을 향하여 더 확장되면서, 복수 개의 다리 요소(3068)가 지반에 더 삽입될 수 있다.
이에 의해 확장 부재(306)가 지반에 고정되고, 확장 부재(306)를 관통하도록 배치된 보강 부재(302) 또한 움직임이 고정될 수 있다.
결론적으로 확장 부재(306)의 지반에 대한 고정에 의해, 보강 부재(302) 및 키 부재(304)가 확실하게 고정될 수 있다.
게다가, 지반 보강부(300)를 통하여 천공된 지반으로부터 외부로 배수가 이루어질 수 있다. 구체적으로, 복수 개의 다리 요소(3068) 사이의 공간을 통해서 배수가 가능하다. 이에 의해서 천공된 지반 내의 지하수위를 낮출 수 있다.
이와 같이 지반 보강부(300)에 의하여, 일반적인 쏘일 네일링 공법에서와 같이 천공된 지반 내에 그라우팅이 요구되지 않으므로, 신속한 설치가 가능하고, 필요에 따라 지반 내에서 제거하여 재사용할 수 있다.
게다가, 보강 부재(302)에 장착된 키 부재(304)에 의해 확장 부재(306)를 확장시킴으로써, 지반과 보강 부재(302)를 효과적으로 일체화시킬 수 있으며, 복수 개의 다리 요소(3068)가 이격 배치되어, 복수 개의 다리 요소(3068) 사이의 공간을 통해 배수가 가능하다.
전술된 지반 보강부(300)에서 보강 부재(302)에는 센싱부(310)가 장착될 수 있다.
상기 센싱부(310)는 예를 들어 보강 부재(302)의 토크 측정을 위한 토크 렌치(312)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 토크 렌치(312)는 볼트와 너트를 규정된 토크에 맞춰 조일 때 사용하는 공구로서, 토크량이 조절되게 할 수 있다.
구체적으로, 토크 렌치(312)는 지반 보강을 위해 보강 부재(302)가 회전될 때 보강 부재(302)의 토크를 측정할 수 있다. 이때, 토크 렌치(312)에서 측정된 보강 부재(302)의 토크에 따라 보강 부재(302)가 삽입된 지반의 강도를 측정할 수 있다.
또한, 센싱부(310)는 하중 센서(314)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 보강 부재(302)의 단부에는 보강 부재(302)에 대하여 압력을 가하는 플레이트와 같은 지압판이 배치될 수 있다. 이때 지압판에 하중 센서(314)가 장착됨으로써 지압판에서의 압력 변화 또는 하중 변화를 측정할 수 있다.
지반 보강부(300)가 설치된 후 하중 센서(314)에서 측정되는 하중 값의 변화는 보강 부재(302)에 삽입된 지반의 상태 변화를 나타낼 수 있으며, 특히 하중 센서(314)에서 측정된 하중 값의 감소는 지반이 변형되었음을 나타낼 수 있다.
추가적으로, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 도 3(a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 보강 부재(302)에 기울기 센서가 장착되어, 지반 보강이 완료된 이후 보강 부재(302)의 기울기 변화를 측정함으로써 현재 지반의 상태 또는 지반의 강도를 측정할 수 있음은 당연하다.
센싱부(310), 특히 하중 센서(312)에는 표시부(320)가 연결되어 지반의 상태가 표시될 수 있다.
예를 들어 표시부(320)는 복수 개의 플래시라이트와 같은 경고등으로 마련될 수 있으며, 지반의 변형 전에는 경고등의 색상이 파란색이었다가 지반에 변형이 발생되면 경고등의 색상이 빨간색으로 변화될 수 있다. 이와 같이 센싱부(310)에서 측정된 값에 기초하여 경고등의 색상을 변화시킴으로써 시각적으로 지반의 위험성을 알릴 수 있다.
전술된 바와 같이 센싱부(310)에서 측정된 토크 값 또는 하중 값으로부터 지반의 강도를 산출하여 지반의 위험성을 알리는 데 활용될 수 있다.
추가적으로, 센싱부(310), 특히 토크 렌치(312)에서 측정된 토크 값은 지반 보강의 정도를 결정하는 데 활용될 수 있다.
예를 들어, 센싱부(310)에서 측정된 지반의 강도가 적정 수준 이상인 경우, 지반에 대하여 강한 정도의 보강이 요구되지 않을 수 있으므로, 비탈면에 지반 보강 장치를 설치하기 위하여 지반에 적은 개수의 천공을 형성할 수 있으며, 천공의 깊이를 얕게 형성할 수 있다. 이와 같이 비탈면의 지반 보강을 위하여 불필요한 자재 낭비 또는 인력 낭비를 방지할 수 있어, 효율적으로 또는 경제적으로 지반 보강 작업을 수행할 수 있다.
또한, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 도 4에 도시된 보강 부재(302)에 도 1에 도시된 제1 실시예에 따른 지반 계측 시스템(10)이 적용될 수 있음은 당연하다.
도 6(a) 및 (b)은 제4 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시한다.
도 6(a)를 참조하여, 제4 실시예에 따른 지반 계측 시스템(40)은 지반 보강부(400), 센싱부(410), 분석부(420) 및 표시부(430)를 포함할 수 있다.
이때, 지반 보강부(400)는 도 4에 도시된 지반 보강부(300)와 동일한 구성으로 마련될 수 있으며, 지반 보강부(400)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
구체적으로, 센싱부(410)는 확장 부재(406)의 일 측에 장착될 수 있으며, 예를 들어, 확장 부재(406)의 일 측에 홈이 형성되어 센싱부(410)가 직접적으로 또는 간접적으로 장착될 수 있다.
다시 말해서 확장 부재(406)의 일 측에 센싱부(410)가 직접 장착되거나, 확장 부재(406)의 일 측에 센싱부(410)의 장착을 위하여 지지 구조가 장착될 수 있다.
이때, 센싱부(410)는 보강 부재(402)의 회전에 의해 확장 부재(406)가 지반을 향하여 확장될 때 지반에 대하여 가하는 힘을 측정할 수 있는 로드셀로 마련될 수 있다.
그러나 센싱부(410)의 배치 및 구성은 이에 국한되지 않으며, 보강 부재(402)의 회전에 의해 확장 부재(406)가 지반을 향하여 확장될 때 지반에 대하여 가하는 힘을 측정할 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.
구체적으로, 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 확장 부재(406)가 확장되는 경우, 센싱부(410)는 확장 부재(406)가 지반을 향하여 미는 힘을 측정할 수 있다. 이에 의해 보강 부재(402)의 회전 시 또는 지반 보강 시 지반의 전단 강도가 측정될 수 있다.
또한, 센싱부(410)에는 제3 실시예에 따른 지반 계측 시스템(30)에서 설명된 토크 렌치가 포함될 수 있음은 당연하다.
센싱부(410)에는 분석부(420)가 연결되어, 센싱부(410)에서 측정된 확장 부재(406)가 지반을 향하여 미는 힘이 분석부(420)에 전송될 수 있다.
분석부(420)에는 미리 적정 수준의 지반 강도가 저장되어 있어, 현재의 지반 상태로부터 위험성 정도가 판단될 수 있다. 다시 말해서 분석부(420)에서는 센싱부(410)에서 측정된 값이 특정값 이하로 감소되는 경우 위험성을 경고할 수 있다.
또한, 분석부(420)에는 표시부(430)가 연결되어 분석부(420)에서 분석된 지반의 상태가 표시될 수 있다.
상기 표시부(430)는 경고등(432) 및 하중 표시기(434)를 포함할 수 있다.
상기 경고등(432)은 6(a)와 같이 지반의 변형 전에는 경고등의 색상이 파란색이었다가, 도 6(b)와 같이 지반에 변형이 발생되면 센싱부(410)에서 측정된 값이 특정값보다 낮아지므로 경고등의 색상이 빨간색으로 전환될 수 있다. 이와 같이 분석부(420)에서 전달 받은 위험성의 정도로부터 경고등(432)의 색상을 변화시킴으로써 시각적으로 지반의 위험성을 알릴 수 있다.
또한, 하중 표시기(434)에서는 분석부(420)를 거쳐 센싱부(410)에서 측정된 하중 또는 지반의 전단 강도를 수치적으로 외부에 표시할 수 있다. 이에 의해 지반 보강 장치가 설치된 지점에서의 지반의 강도에 대한 정확한 정보를 확인할 수 있다.
구체적으로, 6(a)와 같이 지반의 변형 전에는 하중 표시기(434)에서 100이라는 수치가 표시되었다가, 도 6(b)와 같이 지반에 변형이 발생되면 센싱부(410)에서 지반을 향하여 미는 힘이 감소되므로, 하중 표시기(434)에서 100보다 작은 수, 예를 들어 0이라는 수치가 표시될 수 있다. 따라서 하중 표시기(434)에 표시된 값의 감소는 지반의 지지력 감소 또는 비탈면의 위험성을 알릴 수 있다.
도 7은 제5 실시예에 따른 지반 계측 시스템을 도시하고, 도 8은 도 7에서 지반 보강부의 상세도이다.
도 7을 참조하여, 제5 실시예에 따른 지반 계측 시스템(50)은 지반 보강부(500), 센싱부(510) 및 표시부(520)를 포함할 수 있다.
이때, 지반 보강부(500)는 보강 부재(502) 및 확장 부재(504)를 포함할 수 있다.
상기 보강 부재(502)는 천공된 지반 내에 삽입될 수 있다.
이때, 보강 부재(502)의 일단은 천공된 지반 내부를 향하고, 보강 부재(502)의 타단은 지표면 또는 외부를 향할 수 있다.
예를 들어, 보강 부재(502)는 쏘일 네일링 공법에서 이용되는 쏘일 네일(soil nail)로 마련될 수 있다.
상기 보강 부재(502)는 봉 형상의 철근으로 마련될 수 있으며, 지반의 천공 깊이에 대응되는 길이 또는 지반의 천공 깊이보다 큰 길이를 구비할 수 있다.
또한, 보강 부재(502)의 재질은 경우에 따라서 달리 결정될 수 있다.
예를 들어, 지반 보강부(500)가 일시적인 구조물에서 이용될 경우, 보강 부재(502)는 부식의 염려가 감소되어 어떠한 재질로든 마련될 수 있다.
반면, 지반 보강부(500)가 영구적인 구조물에서 이용될 경우, 내식성이 강한 재료, 예를 들어 FRP 등으로 마련되는 것이 바람직할 수 있다.
상기 FRP는 유리섬유를 강화재로 하여, 불포화 폴리에스테르의 매트릭스를 강화시킨 복합재료로서, 플라스틱이 지니는 성형성, 내식성이 있고, 가벼우며 강도가 높다.
또한, 천공된 지반 내에 그라우팅을 하지 않으므로, 기존 쏘일 네일링에서 사용하는 철근보다는 굵은 보강 부재를 사용하는 것이 안정성 확보를 위해 바람직할 수 있다.
게다가, 상기 보강 부재(502)의 외주면에는 나사산이 형성될 수 있다.
상기 나사산은 대부분 일정한 방향으로 형성될 수 있으나, 확장 부재(504)를 관통하여 회전되는 부분의 나사산은 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 보강 부재(502)는 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)를 관통하여 회전될 수 있는데, 상기 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)의 내주면 또한 나사산이 형성될 수 있다.
구체적으로, 보강 부재(502)에 수나사가 형성된다면, 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)에는 암나사가 형성될 수 있다. 또는 보강 부재(502)에 암나사가 형성된다면, 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)에는 수나사가 형성될 수 있다.
이와 같이, 보강 부재(502)는 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)와 맞물려 회전할 수 있다.
이때, 보강 부재(502)의 일부, 예를 들어 제1 이동 요소(5046a)가 보강 부재(502)를 따라 이동되는 부분에 형성된 나사산의 방향과 보강 부재(502)의 다른 일부, 예를 들어, 제2 이동 요소(5046b)가 보강 부재(502)를 따라 이동되는 부분에 형성된 나사산의 방향은 서로 반대 방향일 수 있다.
예를 들어, 보강 부재(502)의 일부, 예를 들어 제1 이동 요소(5046a)가 보강 부재(502)를 따라 이동되는 부분에 형성된 나사산의 방향이 시계 방향으로 형성된다면, 보강 부재(502)의 다른 일부, 예를 들어, 제2 이동 요소(5046b)가 보강 부재(502)를 따라 이동되는 부분에 형성된 나사산의 방향은 반시계 방향으로 형성될 수 있다.
게다가, 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)의 내주면에 형성된 나사산의 방향 또한 보강 부재(502)에 형성된 나사산의 방향에 따라서 결정될 수 있다.
이와 같이 보강 부재(502)에 형성된 나사산의 방향이 부분적으로 서로 반대 방향으로 형성됨으로써, 보강 부재(502) 상에서 확장 부재(504)의 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)가 서로 반대 방향으로, 예를 들어 서로를 향해 또는 서로로부터 멀리 이동될 수 있다.
이와 같이 구성된 보강 부재(502) 상에는 확장 부재(504)가 배치될 수 있다.
상기 확장 부재(504)는 제1 플레이트(5042), 제2 플레이트(5044), 이동 요소들(5046) 및 복수 개의 링크들(5048)을 포함할 수 있다.
상기 제1 플레이트(5042)는 보강 부재(502)에 대하여 방사상으로 이격 배치될 수 있다.
예를 들어, 제1 플레이트(5042)는 보강 부재(502)의 일 측과 나란하게 배치될 수 될 수 있으며, 천공된 지반의 일 측을 향하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 플레이트(5042)에는 돌기(5042a)가 구비될 수 있다.
상기 돌기(5042a)는 제1 플레이트(5042)에서 천공된 지반의 일 측을 향하도록 형성될 수 있으며, 확장 부재(504)가 확장되는 경우, 돌기(5042a) 또는 제1 플레이트(5042)가 지반에 관입될 수 있다.
이때, 돌기(5042a)는 뾰족한 단부를 구비할 수 있으며, 돌기(5042a)에 의해서 확장 부재(504)의 지반에 대한 마찰력을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 플레이트(5042)를 사이에 두고, 제2 플레이트(5044)가 이격 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 플레이트(5044)는 제1 플레이트(5042)와 마주보도록 배치되거나, 상기 제1 플레이트(5042)와 각이 지도록, 보강 부재(502)에 대하여 방사상으로 이격 배치될 수 있다.
상기 제2 플레이트(5044)에는 제1 플레이트(5042)와 마찬가지로 돌기(5044a)가 구비될 수 있다.
상기 돌기(5044a)는 제2 플레이트(5044)에서 천공된 지반의 타 측을 향하도록 형성될 수 있으며, 확장 부재(504)가 확장되는 경우, 돌기(5044a) 또는 제2 플레이트(5044)가 지반에 관입될 수 있다.
이때, 돌기(5044a)는 뾰족한 단부를 구비할 수 있으며, 돌기(5044a)에 의해서 확장 부재(504)의 지반에 대한 마찰력을 증가시킬 수 있다.
또한, 보강 부재(502) 상에는 이동 요소들(5046)이 배치될 수 있다.
상기 이동 요소들(5046)은 보강 부재(502)를 관통하여 배치될 수 있다.
상기 이동 요소들(5046)은 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)를 포함할 수 있다.
제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)에서 보강 부재(502)가 관통되는 내주면에는 나사산이 형성될 수 있다.
전술된 것과 같이, 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 이동 요소(5046b)의 내주면에 형성된 나사산은 보강 부재(502)의 외주면에 형성된 나사산에 대응되도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 보강 부재(502)가 일 방향으로 회전하는 경우, 제1 이동 요소(5046a)는 보강 부재(502)의 외주면에 형성된 나사산과 맞물려 회전하면서 제2 이동 요소(5046b)를 향하여 이동될 수 있다. 이때, 제2 이동 요소(5046b)는 보강 부재(502)의 외주면에 형성된 나사산과 맞물려 회전하면서 제1 이동 요소(5046a)를 향하여 이동될 수 있다.
이와 같이 제1 이동 요소(5046a)와 제2 이동 요소(5046b)가 서로를 향해 이동되는 경우, 제1 플레이트(5042)와 제2 플레이트(5044)는 각각 지반을 향하여 이동될 수 있으며, 제1 플레이트(5042)와 제2 플레이트(5044) 사이의 간격이 멀어지게 될 수 있다.
이에 의해서, 확장 부재(504)가 지반을 향하여 확장될 수 있으며, 이때, 제1 플레이트(5042) 및 제2 플레이트(5044)에 구비된 돌기(5042a, 5044a) 또는 제1 플레이트(5042) 및 제2 플레이트(5044)가 지반에 관입될 수 있다.
반면, 보강 부재(502)가 다른 방향으로 회전하는 경우, 제1 이동 요소(5046a)는 보강 부재(502)의 외주면에 형성된 나사산과 맞물려 회전하면서 제2 이동 요소(5046b)로부터 멀리 이동될 수 있다. 이때, 제2 이동 요소(5046b) 또한 보강 부재(502)의 외주면에 형성된 나사산과 맞물려 회전하면서 제1 이동 요소(5046a)로부터 멀리 이동될 수 있다.
이와 같이 제1 이동 요소(5046a)와 제2 이동 요소(5046b)가 서로로부터 멀리 이동되는 경우, 제1 플레이트(5042)와 제2 플레이트(5044)는 각각 지반으로부터 보강 부재(502)를 향하여 이동될 수 있으며, 제1 플레이트(5042)와 제2 플레이트(5044) 사이의 간격이 가깝게 될 수 있다.
이에 의해서, 확장 부재(504)가 원상태로 복귀될 수 있으며, 천공된 지반으로부터 지반 보강부(500)가 용이하게 제거될 수 있다.
또한, 확장 부재(504)에는 복수 개의 링크들(5048)이 포함될 수 있다.
상기 복수 개의 링크들(5048)은 일단은 제1 플레이트(5042) 및 제2 플레이트(5044)에 힌지식으로 연결되고, 타단은 이동 요소들(5046)에 연결될 수 있다.
구체적으로 복수 개의 링크들(5048)은 제1 링크(5048a), 제2 링크(5048b), 제3 링크(5048c) 및 제4 링크(5048c)로 구성될 수 있다.
제1 링크(5048a), 제2 링크(5048b), 제3 링크(5048c) 및 제4 링크(5048c)는 마름모꼴로 배치될 수 있다.
상기 제1 링크(5048a)는 일단이 제1 플레이트(5042)에 연결되고 타단이 이동 요소들 중 하나, 예를 들어 제1 이동 요소(5046a)에 연결될 수 있다.
상기 제2 링크(5048b)는 일단이 제2 플레이트(5044)에 연결되고, 타단이 이동 요소들 중 하나, 예를 들어 제1 이동 요소(5046a)에 연결될 수 있다.
그러므로, 제1 플레이트(5042)와 제2 플레이트(5044) 사이에 제1 링크(5048a), 제1 이동 요소(5046a) 및 제2 링크(5048b)가 연결될 수 있고, 제1 링크(5048a) 및 제2 링크(5048b)는 제1 이동 요소(5046a)의 이동에 연동되어 작동될 수 있다.
또한, 상기 제3 링크(5048c)는 일단이 제2 플레이트(5044)에 연결되고 타단이 이동 요소들 중 다른 하나, 예를 들어 제2 이동 요소(5046b)에 연결될 수 있다.
상기 제4 링크(5048d)는 일단이 제1 플레이트(5042)에 연결되고 타단이 이동 요소들 중 다른 하나, 예를 들어 제2 이동 요소(5046b)에 연결될 수 있다.
그러므로, 제1 플레이트(5042)와 제2 플레이트(5044) 사이에 제3 링크(5048c), 제2 이동 요소(5046b) 및 제4 링크(5048d)가 연결될 수 있고, 제3 링크(5048c) 및 제4 링크(5048b)는 제2 이동 요소(5046b)의 이동에 연동되어 작동될 수 있다.
예를 들어, 제1 이동 요소(5046a)와 제2 이동 요소(5046b)가 서로를 향해 이동되는 경우, 제1 링크(5048a)와 제2 링크(5048b) 사이의 각도는 커지게 되고, 제3 링크(5048c) 및 제4 링크(5048b) 사이의 각도 또한 커지게 될 수 있다.
반면, 제1 이동 요소(5046a)와 제2 이동 요소(5046b)가 서로로부터 멀리 이동되는 경우, 제1 링크(5048a)와 제2 링크(5048b) 사이의 각도는 작아지고, 제3 링크(5048c) 및 제4 링크(5048b) 사이의 각도 또한 작아지게 될 수 있다.
다시 도 7을 참조하여, 이와 같이 구성된 지반 보강부(500)는 천공된 지반 내에서 다음과 같이 확장될 수 있다.
지반 보강부(500)는 확장 부재(504)가 확장되지 않은 상태에서 천공된 지반 내에 삽입될 수 있다.
구체적으로, 보강 부재(502)가 확장 부재(504)를 관통하도록 배치된 상태로 천공된 지반 내에 삽입될 수 있다.
이때, 도 7에는 보강 부재(502) 상에 두 개의 확장 부재(504)가 배치된 것으로 도시되었으나, 확장 부재(504)의 개수는 이에 국한되지 아니하며, 보강 부재(502)의 길이에 따라서 다양한 개수로 마련될 수 있다.
이어서, 보강 부재(502)를 회전시키게 되면, 확장 부재(504)가 지반을 향하여 확장될 수 있다.
구체적으로, 보강 부재(502)의 외주면에 형성된 나사산과 확장 부재(504)의 일부에 형성된 나사산이 맞물려 회전하면서, 확장 부재(504)의 이동 요소들(5046)이 서로를 향해 이동되고, 복수 개의 링크들(5048)과 보강 부재(502) 사이의 각도가 커지게 될 수 있다.
이에 의해서, 제1 플레이트(5042) 및 제2 플레이트(5044)가 지반을 향하여 확장될 수 있고, 이때, 제1 플레이트(5042) 및 제2 플레이트(5044)에 구비된 돌기 또는 제1 플레이트(5042) 및 제2 플레이트(5044)가 지반 내에 관입될 수 있다.
반면, 지반 보강부(500)를 천공된 지반 내에서 제거할 필요가 있는 경우, 확장 부재(504)를 원상태로 복귀시킬 수 있다.
이때, 천공된 지반 내에 그라우팅 또는 레진이 요구되지 않으므로, 신속한 설치가 가능하며, 필요에 따라 지반 내에서 제거하여 재사용이 가능하다.
또한, 확장 부재(504) 사이의 공간, 예를 들어, 복수 개의 링크들(5048) 사이의 공간을 통해 배수가 가능하므로, 비탈면의 지하수위를 낮추고 비탈면의 안정성을 향상시킬 수 있다. 게다가, 지반이 상향으로 천공되어, 배수가 보다 수월하게 이루어질 수 있다.
또한, 전술된 지반 보강부(500)는 터널 천정에 적용될 수 있다.
지반 보강부(500)가 비탈면 내 천공된 지반 내에 삽입된 경우와 마찬가지로, 천공된 터널 천정에 지반 보강부(500)를 삽입할 수 있다.
이후에, 보강 부재(500)를 회전시킴으로써 확장 부재를 천공된 터널 천정 내에서 확장시킬 수 있다. 이때, 확장 부재(504)에 구비된 플레이트 또는 돌기가 터널 천정에 관입됨으로써, 보강 부재(502)가 터널 천정 내에 고정될 수 있다.
이와 같이 지반 보강부(500)는 락 볼트(rock bolt)로서 터널 천정에 적용될 수 있으며, 천공된 터널 천정 내를 충진재로 채울 필요가 없으므로, 충진재가 터널 천정으로부터 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.
전술된 지반 보강부(500)에서 보강 부재(502)에는 센싱부(510)가 장착될 수 있다.
상기 센싱부(500)는 예를 들어 보강 부재(502)의 토크 측정을 위한 토크 렌치로 마련될 수 있다. 예를 들어, 토크 렌치는 볼트와 너트를 규정된 토크에 맞춰 조일 때 사용하는 공구로서, 토크량이 조절되게 할 수 있다.
구체적으로, 센싱부(510)는 지반 보강을 위해 보강 부재(502)가 회전될 때 보강 부재(502)의 토크를 측정할 수 있다. 이때, 센싱부(510)에서 측정된 보강 부재(502)의 토크에 따라 보강 부재(502)가 삽입된 지반의 강도를 측정할 수 있다.
상기 센싱부(500)는 하중 센서(514)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 보강 부재(502)의 단부에는 보강 부재(502)에 대하여 압력을 가하는 플레이트와 같은 지압판이 배치될 수 있다. 이때 지압판에 하중 센서(514)가 장착됨으로써 지압판에서의 압력 변화 또는 하중 변화를 측정할 수 있다.
지반 보강부(500)가 설치된 후 하중 센서(514)에서 측정되는 하중 값의 변화는 보강 부재(502)에 삽입된 지반의 상태 변화를 나타낼 수 있으며, 특히 하중 센서(514)에서 측정된 하중 값의 감소는 지반이 변형되었음을 나타낼 수 있다.
센싱부(510), 특히 하중 센서(512)에는 표시부(520)가 연결되어 지반의 상태가 표시될 수 있다.
예를 들어 표시부(520)는 복수 개의 플래시라이트와 같은 경고등으로 마련될 수 있으며, 지반의 변형 전에는 경고등의 색상이 파란색이었다가 지반에 변형이 발생되면 경고등의 색상이 빨간색으로 변화될 수 있다. 이와 같이 센싱부(510)에서 측정된 값에 기초하여 경고등의 색상을 변화시킴으로써 시각적으로 지반의 위험성을 알릴 수 있다.
전술된 바와 같이 센싱부(510)에서 측정된 토크 값 또는 하중 값으로부터 지반의 강도를 산출하여 지반의 위험성을 알리는 데 활용될 수 있다.
추가적으로, 센싱부(510), 특히 토크 렌치(512)에서 측정된 토크 값은 지반 보강의 정도를 결정하는 데 활용될 수 있다.
예를 들어, 센싱부(510)에서 측정된 지반의 강도가 적정 수준 이상인 경우, 지반에 대하여 강한 정도의 보강이 요구되지 않을 수 있으므로, 비탈면에 지반 보강 장치를 설치하기 위하여 지반에 적은 개수의 천공을 형성할 수 있으며, 천공의 깊이를 얕게 형성할 수 있다. 이와 같이 비탈면의 지반 보강을 위하여 불필요한 자재 낭비 또는 인력 낭비를 방지할 수 있어, 효율적으로 또는 경제적으로 지반 보강 작업을 수행할 수 있다.
또한, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 센싱부(510)가 제1 플레이트(5042) 및 제2 플레이트(5044)에 장착된 로드셀로 마련될 수 있으며, 센싱부(510)는 보강 부재(502)의 회전에 의해 확장 부재(504)가 지반을 향하여 확장될 때 지반에 대하여 가하는 힘을 측정할 수 있다.
전술된 바와 같이 지반 계측 시스템은, 지반 보강부가 추가되어, 지반 보강 및 지반 계측이 가능하여 지반 보강 장치에 의한 지반 보강 정도를 결정할 수 있고, 지반 보강 장치의 설치 완료 후 지반 보강 장치의 지지력 감소나 비탈면의 위험성을 알리는 데 활용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 지반 계측 시스템
100: 센싱부
102: 플레이트
104: 하중 센서
106: 가속도 센서
108: 안테나
110: 분석부
120: 표시부

Claims (6)

  1. 지반 내에 매립되거나 지표면에 설치되어 지반의 상태를 측정하는 센싱부를 포함하고,
    상기 센싱부는,
    상기 지반 내 또는 상기 지표면에서 변형 가능한 플레이트; 및
    상기 플레이트 상에 장착되어 지반 내 하중을 측정하는 복수 개의 하중 센서;
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 하중 센서는 하나의 평면을 형성하도록 적어도 세 개 이상으로 마련되고, 상기 복수 개의 하중 센서에서 측정된 하중의 기울기 값에 기초하여 상기 복수 개의 하중 센서에 의해 형성된 평면의 기울기가 판단되는 지반 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 하중 센서에 의해 형성된 평면의 기울기는 상기 플레이트의 기울기에 대응되고, 상기 복수 개의 하중 센서에 의해 형성된 평면의 기울기 변화에 기초하여 상기 지반의 상태가 분석되는 지반 계측 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 하중 센서에 의해 형성된 평면의 중앙에 배치되도록 상기 플레이트 상에 장착되어, 상기 복수 개의 하중 센서에 의해 형성된 평면의 변위를 측정하는 가속도 센서;
    를 더 포함하고,
    상기 가속도 센서에서 측정된 상기 플레이트의 변위에 기초하여 상기 지반의 상태가 분석되는 지반 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 하중 센서에 대하여 신호를 송수신하는 안테나를 더 포함하고, 상기 안테나는 상기 플레이트의 일 측에 장착되어 상기 지반을 관통하여 외부에 노출되며, 상기 복수 개의 하중 센서에 의해 형성된 평면의 기울기 변화에 대응되도록 기울기가 변화되는 지반 계측 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 센싱부는 상기 안테나에 장착되어 상기 안테나의 기울기 변화를 측정하는 기울기 센서를 더 포함하고, 상기 기울기 센서에서 측정된 상기 안테나의 기울기 변화에 기초하여 지반의 상태가 분석되는 지반 계측 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 안테나의 기울기 변화에 기초하여 판단된 상기 지반의 상태는 상기 복수 개의 하중 센서에서 측정된 하중의 기울기 값에 기초하여 판단된 상기 지반의 상태에 의해 검증되는 지반 계측 시스템.
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CN109596177A (zh) * 2019-01-08 2019-04-09 昆山高新轨道交通智能装备有限公司 铁路边坡全生命周期在线监测系统和方法

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