KR20170119594A - 드론을 이용한 암반사면 안정성 평가를 위한 절리특성 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 암반사면의 안정성을 해석하기 위해 클리노미터를 드론의 기체하부에 연결하여 암반사면의 주향과 경사각을 용이하게 측정 할 수 있다. 또한, 작업자가 접근할 수 없는 곳에서도 측정이 가능한 장점이 있다.

Description

드론을 이용한 암반사면 안정성 평가를 위한 절리특성 측정방법{Method for surveying the characteristics of joint for stability evaluation of rock slope using drone}

본 발명은 드론에 클리노미터를 설치하여 노출된 암반사면의 안정성 해석에 필수적인 암반사면 절리의 주향, 경사방향, 경사각을 조사하는 방법에 관한 것이다.

우리나라의 지질특성상 산지가 약 70% 이기에 도로나 터널 등의 공사현장에서는 암반을 발견할 수 있다. 그러나 이 암반에서는 불연속면(암반에 나타나는 모든 연약면을 총칭함)을 포함한다.

암반사면에 대한 안정해석은 먼저 현장지질조사에서 얻은 불연속면의 주향과 경사 (또는 경사방향과 경사)를 측정 및 분석하여 평사투영법(Stereographic Projection Method)에 의해 붕괴가능 사면을 판단한 후 위험지역에 대해 불연속대 및 예상파괴 범위를 선정하여 한계평형해석법에 의한 붕괴 가능성 및 안전율을 구하는 방법으로 수행한다.

일반적으로 사면의 파괴형태는 원형파괴(Circular Failure), 평면파괴(Plane Failure), 쐐기파괴(Wedge Failure) 및 전도파괴(Topping Failure)가 있다.

평면파괴는 파괴블럭이 하나의 활동면을 따라 미끄러지며 발생하는 가장 단순한 형태의 파괴유형이다. 기본적으로 평면파괴가 발생하기 위해서는 다음과 같은 4가지 조건을 만족해야 한다.

1) 자유면 조건

독립적인 파괴블럭이 하나의 활동면을 따라 미끄러질 수 있도록 파괴블럭의 양쪽 측면은 개방 혹은 분리되어 있어야 한다.

2) 주향 조건

미끄러짐이 발생하는 활동면(절리면)의 주향은 비탈면의 주향과 평행하거나 ±20도 이내여야 한다. 하지만 이 조건은 경험에 근거한 제안으로 쐐기파괴 중 한쪽 절리면을 따라 미끄러지는 1면 쐐기파괴와 같은 형태도 평면파괴로 분류될 수 있으며 각도에 대한 제안은 현장조건에 따라 유동적으로 적용될 수 있다.

3) 경사각 조건1

활동면의 경사각은 비탈면의 경사각보다 작아야 한다. 파괴블럭이 형성되기 위한 기하학적 조건에 해당된다.

4) 경사각 조건2

활동면의 경사각을 활동면의 강도특성인 마찰각보다 커야한다. 즉, 미끄러져 내려가는 활동력이 마찰각(전단강도)에 의해 버티는 저항력보다 커야 파괴가 발생한다는 의미이다.

쐐기파괴는 두 개의 불연속면에 의해 형성된 파괴블럭이 불연속면의 교차선을 따라 미끄러지는 2면 쐐기파괴와 한 불연속면에 의해 절단되면서 분리되어 다른면을 따라 미끄러지는 1면 쐐기파괴 형태로 분류된다. 기본적으로 쐐기파괴가 발생하기 위해서는 다음의 세가지 조건을 만족해야 한다.

1) 두 불연속면의 교차선 경사는 절리면의 내부마찰각보다 커야한다. 즉, 미끄러져 내려가는 활동력이 절리면 전단강도보다 커야 파괴가 발생한다.

2) 두 불연속면의 교차선 경사는 비탈면 경사보다 작아야 한다.

3) 두 불연속면의 교차선 방향은 비탈면의 경사방향과 평행하거나 오차범위 ±20도 이내로 비탈면과 교차해야 한다.

전도파괴는 비탈면 주향과 동일한 방향의 주향 및 비탈면 경사와 반대방향의 급경사를 가지는 불연속면이 높은 빈도로 발달되어 있을 때 주로 발생한다. 전도파괴는 파괴블럭 무게중심 위치에 따라 회전과 미끄러짐을 동반하기 때문에 미끄러짐 방향에 대한 활동력과 저항력만으로는 안전율을 계산할 수 없다.

한계평형이론에 의한 비탈면의 안전율은 다음과 같이 활동력에 대한 저항력의 비로 나타낼 수 있다. 1을 기준으로 안정, 불안정상태로 구분된다.

안전율을 계산하는데 있어서 가장 중요한 요소는 절리경사, 인장균열위치 등과 같은 파괴블럭의 규모와 절리면의 강도특성이다. 이외 지하수, 충전물의 유무, 상재하중이 안전율에 영향을 미치는 중요한 인자로 작용한다.

암반사면의 주향, 경사각, 경사방향을 측정할 수 있는 클리노미터는 야외 및 현장에서 지질조사 및 관련 산업계에서 여러 노두에 발달된 지질구조(층리, 엽리, 습곡, 절리 및 단층 등)의 측정에 있어 필수 불가결한 휴대용 장비에 속한다.

1) 주향 측정 방법

가) 측정하고자 하는 지층면에 클리노미터의 장변을 붙이고 수준기를 이용해수평이 되게 한다.

나) 클리노미터 안쪽 방위표시 중 N을 기준으로 자침이 E 또는 W방향에 위치하게 된다. 이때 자침(북침 또는 남침)이 바깥눈금을 가리키는 숫자(각도)와 방향을 읽으면 된다.

자침이 N과 E사이에 있고 30°을 가리키면 주향은 N30°E임

자침이 N과 W사이에 있고 30°을 가리키면 주향은 N30°W임

자침이 N과 S에 일치하면 주향은 NS임

자침이 EW에 일치하면 주향은 EW임

2) 경사 측정 방법

가) 경사각은 지층면과 수평면이 만나는 선(즉, 클리노미터의 장변방향의 교선)에 직각인 직선과 수평면과의 각이 경사각이다. 경사 각도를 측정하기 위해서는 주향의 직각 방향으로 클리노미터를 위치하고 경사각 측정 바늘이 가리키는 안쪽 눈금을 읽으면 된다.

나) 경사각을 측정한 후, 경사방향을 판단해야 한다. 그러나 클리노미터에서는 경사 방향을 알 수 없다. 경사방향은 지층의 실제 기울어진 방향을 측정자가 스스로 방위를 고려하여 결정해야 한다.

다) 경사각과 경사방향을 측정한 후, 경사의 표시는 30°SE와 같이 경사방향 앞에 경사각도를 기록한다. 결국 주향과 경사를 측정하면, 주향과 경사의 방향은 항상 직각이 된다.

암반사면의 안정성 해석을 위해서는 암반사면의 경사방향 및 경사각의 측정이 필요하며 현재는 다수의 인원이 오랜 시간을 소요하여 제한된 암반사면의 조사면적으로서 암반사면의 경사방향 및 경사각을 측정하여 안정성해석을 수행하고 있는 실정으로서 암반사면의 신뢰성이 높은 안정해석을 위해서는 암반사면의 전체면적에 대한 조사가 필요하며 이를 위해서 드론을 이용하여 암반사면 안정해석을 위한 기초자료획득 측정장비를 개발할 필요가 있다.

드론의 구성요소는 크게 8가지 정도로 구분할 수 있다. 드론의 뼈대가 되어줄 프레임과 배터리를 이용하여 동력을 만드는 모터, 드론을 떠오르게 하는 프로펠러, 모터의 회전속력을 정밀하게 조절해줄 전자변속기, 자이로, 지자계 등의 센서들을 탑재하여 기체가 수평비행 할 수 있도록 해주는 비행제어유닛, 무선조종기가 송신한 무선신호를 받아 비행제어유닛에 전달해줄 무선 수신기, 드론을 원격조종하는 무선조종기, 드론을 작동시키기 위한 배터리로 구분할 수 있다.

상승 및 하강 : (1)~(4)를 동일하게 회전속도를 올리면 기체는 상승하고 동일하게 회전속도를 낮추면 기체는 하강하게 된다.

전후진 : (3)의 속도만 올리면 기체는 앞으로 기울어져 전진하게 되고 (1)의 속도만을 올리면 기체는 뒤로 기울어져 후진하게 된다.

좌우진 : (2)의 속도만을 올리면 기체는 왼쪽으로 기울어져 왼쪽으로 이동하고 (4)의 속도만을 올리면 기체는 오른쪽으로 기울어져 이동한다.

회전 : (1)과 (3)의 속도를 동일하게 증가시키면 기체의 반토크 균형이 깨져 기체 후미가 왼쪽으로 돌아가고 (2)와 (4)의 속도를 동일하게 증가시키면 마찬가지 이유로 기체의 후미가 오른쪽으로 돌아간다.

1) 조사범위

조사창 조사법은 그 조사창의 크기 선택도 중요하지만 각 조사창 간의 간격 및 빈도의 결정에 객관성을 잃기 쉬우며 간격으로 수행하는 과정에서 조사창 간의 중요한 지질구조선이 누락될 수 있다.

2) 조사인원

암반사면의 안정성 해석을 위해서는 암반사면의 경사방향 및 경사각의 측정이 필요하며 현재는 다수의 인원이 제한된 암반사면의 조사면적으로서 암반사면의 경사방향 및 경사각을 측정하고 있다.

3) 조사신뢰도

기존의 암반 사면의 조사시 클리노미터를 이용한 수작업으로 노출된 암반 내 불연속면의 방향성(경사방향/경사)을 측정하여 안정성 평가를 수행하지만 대부분의 붕괴사고가 사면의 상부에서 유발되는 점으로 볼 때 상부로의 접근이 어려워 효과적인 불연속면 조사를 실시할 수 없기 때문에 그 신뢰도가 떨어진다.

4) 경제성

암반사면 조사시 작업자의 사고방지에 대한 대책을 수립하는데 많은 시간과 비용이 발생한다는 문제점이 있으며, 또한 대책수립의 지연으로 인하여 사고발생을 전혀 예방할 수 없다는 문제점이 있다.

5) 안전성

암반사면 조사시 절벽이나 대절토사면의 경우 작업자가 직접 조사하거나 점검장비를 이용하는 방법 또한 안전문제 때문에 어렵다.

드론은 프레임, 프레임에 구비되는 모터, 모터에 의하여 회전하는 프로펠러 및 프레임, 모터 하단부에 초음파 센서 또는 적외선 센서, 근접한 물체와의 거리를 계산하여 일정한 높이로 비행하도록 하되, 근접한 물체의 이동방향에 따라 이동방향을 판단하여 이동방향으로 비행하도록 제어하는 판정부를 포함할 수 있다.

한편, 판정부는 초음파 센서 또는 적외선 센서를 이용하여 반사되는 거리를 측정하여, 물체와의 일정거리를 유지시키고, 프레임에는 비행 지시를 주고 받을 수 있는 통신부가 구비되어, 사용자의 이동단말기 또는 무선조종기에 의하여 조종이 가능하도록 구성 가능하다.

프레임 및 프로펠러를 외부로 노출되지 않도록 보호하는 보호커버를 장착할 수 있으며, 보호커버는 프레임의 상면을 보호하는 상면덮개 및 프레임의 하면을 보호하는 하면덮개를 포함할 수 있다.

드론과 클리노미터 사이에 한쌍의 고정부재 및 회전부재가 한조를 이뤄서 최소 두 지점에 각각 구비되며; 상기 고정부재는 사면체로 구성되는데, 사면체의 위쪽은 드론의 기체하부에 고정되고, 사면체의 아래쪽은 클리노미터에 고정된다. 사면체 아래쪽은 회전가능한 회전부재를 마련하되 상기 회전부재를 수동으로 작동시킬 수 있다.

프레임 본체에 구비되어 클리노미터의 결과값을 촬영할 수 있도록 된 카메라를 포함할 수 있다.

클리노미터는 자침부를 포함하는 바디부; 상기 바디부에 구비되는 수평계; 상기 바디부의 주향측정면에 수직방향으로 결합하며 상기 주향측정면을 회전축으로 회전 가능한 경사 측정부; 상기 바디부에 고정되며, 상기 경사측정부의 회전축 중심과 나란한 중심을 갖는 원형의 각도기; 및 상기 경사측정부의 회전축에 결합하여, 상기 경사측정부가 회전함에 따라 상기 경사측정부와 나란하게 회전하는 각도지시부;를 포함한다.

암반사면의 경사방향 및 경사각 측정 시 기존의 방법으로는 암반사면의 전체면적에 대한 측정이 제한되고, 많은 인원이 오랜 시간을 소요하여 측정을 하였으나드론을 이용하면 암반사면의 전체면적에 대한 조사가 가능하게 되고, 현장측정 작업시간을 단축할 수 있으며, 많은 조사자료를 추출할 수 있어 기존보다 암반사면의 안정해석결과에 대한 신뢰도를 높일 수 있게 되며 조사자가 암반사면에 직접 접근하지 않아도 되므로 안전사고를 예방하는 효과를 얻게 된다.

도 1(a)은 종래의 클리노미터로 주향(N15°E)을 측정하는 것을 보여주는 도면,
도 1(b)는 종래의 클리노미터로 경사(40°SE)를 측정하는 것을 보여주는 도면,
도 2는 클리노미터의 결과값을 촬영하는 카메라(200)를 나타내는 도면,
도 3은 드론과 클리노미터가 결합된 드론의 비행을 나타내는 도면,
도 4는 드론과 클리노미터를 이용하여 주향과 경사각을 측정하는 모습을 보여주는 도면,
도 5는 드론의 하부에 연결부재(100)를 고정시킬 수 있는 고정공을 나타낸 도면,
도 6은 드론과 클리노미터의 연결부재(100)를 도시한 도면,
도 7은 도 6에 도시된 연결부재(100)의 브라켓패널(110)을 나타낸 도면,
도 8은 도 6에 도시된 연결부재(100)의 힌지부재(120)를 나타낸 도면,
도 9는 브라켓패널(110)의 고정수단인 나사를 나타낸 도면,
도 10는 클리노미터(300)를 나타낸 도면이다.

도 1(a)은 종래의 클리노미터로 주향(N15°E)을 측정하는 것을 보여주는 예시도이고, 도 1(b)는 종래의 클리노미터로 경사(40°SE)를 측정하는 것을 보여주는 예시도이다.

도 1(a)를 참고하면, 클리노미터를 이용하여 주향을 측정하기 위해서는 클리노미터의 긴 변인 주향측정면을 측정하고자 하는 암반사면에 밀착시킨 후 수평계를 이용하여 클리노미터가 수평면과 나란하게 놓이도록 한다. 여기서 수평면은 가상의 해수면으로, 중력과 수직 방향의 평면이다. 주향측정면을 암반사면에 밀착시키고 수평면과 나란하게 놓은 뒤에는 클리노미터의 자침부가 가리키는 방향의 값을 읽으면 된다. 클리노미터는 나침반과 다르게 'N'을 기준으로 우측에 'W', 좌측에 'E'가 있는데, 그 이유는 주향의 정의를 참고하면 알 수 있다. 주향은 암반사면이 수평면과 만나 이루는 선의 방향을 진북을 기준으로 측정한 각이다. 클리노미터의 주향측정면을 암반사면에 밀착시키게 되면 클리노미터의 'N'은 주향과 나란한 방향으로 놓이게 된다. 이후 자침부가 진북을 가리키게 되면 'N'과 자침부의 차이가 주향의 각도가 되는데, 그 방향은 자침부를 기준으로 읽어야 한다. 이때, 클리노미터의 자침부를 보고 바로 주향을 읽을 수 있도록 하기 위하여 일반 나침반과 다르게 'W'와 'E'가 반대로 쓰여져 있는 것이다.

도면 1(b)를 참고하면, 경사를 측정하는 방법은 클리노미터를 경사방향으로 세워 암반사면에 밀착시킨 후 경사측정부의 무게추가 가리키는 값을 읽으면 된다. 클리노미터를 경사방향으로 세우게 되면 중력으로 인하여 무게추는 수평선에 수직방향을 가리키게 되고 클리노미터 자체는 경사면과 나란한 방향으로 기울어져 있으므로 무게추가 가리키는 값을 읽으면 경사를 알 수 있는 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라(200)를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 카메라(200)는 촬영된 영상을 무선송신할 수 있도록 구성되며, 상기 카메라(200)에서 무선송신된 영상을 수신하여 실시간으로 디스플레이하는 모니터가 구비된다. 또한 클리노미터를 결합한 드론이 비행시 회전각속도를 알려주는 3축 가속도센서와 3축 자이로센서가 내장되어 실시간으로 X,Y,Z축에 대한 각속도값을 피드백 받아 스스로 수평과 기울어진 각도를 인식할 수 있어 안정적인 비행이 가능하다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 드론의 하부에 연결부재(100)를 고정시킬 수 있는 고정공을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 드론하부는 브라켓패널(110)과 연결할 수 있는 고정공(Hs2)이 관통 형성되어 도 9의 나사(130)등의 고정수단으로 도 6의 연결부재(100)와 드론을 고정 시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 따른 드론과 클리노미터의 연결부재(100)를 도시한 것이고, 도7은 도6에 도시된 발명의 브라켓패널(110)을 도시한 조립도이다.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연결부재(100)는 드론과 클리노미터를 장착시키기 위하여 사용되고 여기서 도 7의 브라켓패널(110)의 일측에 도 9의 나사(130)등의 고정수단으로써 결합고정되는 도 7의 브라켓패널(110)에 설정된 각도의 범위내에서 회전가능하게 결합되는 힌지부재(120), 상기 힌지부재(120)에 결합되어 180° 방향으로 회전되게 결합되며, 최외곽 일측의 장착면에는 클리노미터와 연결될 수 있는 스프링(123)을 포함하여 구성된다.

도6에서 본 발명의 일실시예에 따른 연결부재(100)를 구성하는 상기의 구성요소 브라켓패널(110), 힌지부재(120)의 구체적인 형상과 구성 및 이들의 연결관계 및 작용효과에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 7은 도 6에 도시된 연결부재(100)의 브라켓패널(110)을 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연결부재(100)를 구성하는 상기 브라켓패널(110)은, 드론의 기체하부에 고정수단으로써 결합고정되며, 다수개의 관통공이 구비되는 장착패널(111); 및 상기 장착패널(111)에 수직방향으로 일체로써 연장구비되며, 제 1고정공(h1) 이 관통형성되는 힌지패널(112);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 8은 도 6에 도시된 연결부재(100)의 힌지부재(120)를 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연결부재(100)를 구성하는 상기 힌지부재(120)는, 일측에 관통 구비되는 제 2고정공(h2)을 중심으로 상기 브라켓패널(110)에 설정된 각도의 범위내에서 회전가능하게 결합되는 힌지지지부재(122); 및 상기 힌지지지부재(122)에 직각을 이루며 일체로써 형성되는 회동핀부재(121); 및 상기 회동핀부재(121)에 연결된 스프링(123)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 10는 클리노미터(300)를 나타낸 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 클리노미터 중앙부에는 고정공(Hs3)이 관통 형성되며, 상기 고정공(Hs3)에 삽입되는 스프링(123)에 의하여 클리노미터가 장착되는 것을 특징으로 한다.

Claims (2)

1. 암반사면의 안정성을 해석하기 위해 클리노미터를 드론의 기체하부에 연결하여 암반사면의 주향과 경사각을 용이하게 측정하는 장치로서,
   드론을 측정대상인 암반사면에 도달시켜 착지하는 단계;
   클리노미터를 이용하여 클리노미터의 긴 변인 주향측정면을 암반사면에 밀착시킨후 수평계를 이용하여 클리노미터가 수평면과 나란하게 놓고 클리노미터의 자침부가 가리키는 방향을 읽는 단계;
   클리노미터를 경사방향으로 세워 암반사면에 밀착시킨후 경사측정부의 무게추가 가리키는 값을 읽는 단계;상기 단계에서 얻은 값을 카메라로 촬영하여 실시간으로 준비된 모니터를 통해서 디스플레이하는 단계를 포함한다.
2. 청구항 1에 있어서,
   클리노미터를 드론의 하부에 고정시키는 연결부재(100)로서 암반사면의 주향 및 경사각을 측정할 수 있도록 하는 클리노미터를 암반사면에 착지시키는 장치를 포함한다.

Images