KR20230027268A - 다축 일체형 지오그리드 및 이를 제조하고 사용하는 사용 방법 - Google Patents

다축 일체형 지오그리드 및 이를 제조하고 사용하는 사용 방법 Download PDF

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톰-로스 젠킨스
앤드류 에드워드 월러
대니얼 존 갤러거
대니얼 마크 베이커
마노즈 쿠마르 티야기
조셉 카바노프
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Abstract

골재 안정화에 적합한 단일층 다축 일체형 지오그리드는 내부에 개구부 어레이를 갖는 외부 육각형의 반복 패턴을 형성하는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부를 포함한다. 상기 외부 육각형의 각각으로부터 안쪽으로 연장되는 배향성 리브는 배향성 스트랜드를 갖는 더 작은 내부 육각형을 지지하고 둘러싸고, 이에 따라 복수의 사다리꼴 개구부 및 단일 육각형 개구부를 형성한다. 외부 육각형의 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부는 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 복수의 선형 강축 스트랜드를 형성하고 추가적인 삼각형 개구부를 형성한다. 따라서, 지오그리드는 3개의 상이한 반복하는 기하학적 형상을 포함한다. 또한, 내부 육각형은 바람직하게는 지오그리드의 평면 밖으로 상하로 이동할 수 있다. 따라서, 다축 일체형 지오그리드는 더 다양한 골재 및 더 많은 품질의 골재와 더 잘 결합하고 이를 가두어 안정화시킬 수 있는 형상을 제공한다.

Description

다축 일체형 지오그리드 및 이를 제조하고 사용하는 사용 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 6월 24일자 출원된 미국 가특허 출원 제63/043,627호, 2021년 2월 26일자 출원된 미국 가특허 출원 제63/154,209호 및 2021년 2월 26일자 출원된 미국 가특허 출원 제63/154,588호에 대한 우선권의 이익을 주장한다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 구조적 또는 건설 보강 및 안정화와 기타 지질 공학적 목적에 사용되는 일체형 지오그리드(geogrid) 및 기타 배향성 그리드에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 결합될 때 개선된 성능, 더 큰 경제적 이점 및 개선된 환경적 이점을 제공하는 본 명세서에 개시된 바와 같은 다른 바람직한 특성뿐만 아니라 더 다양한 골재 및 더 다양한 품질의 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시키는 향상된 능력을 갖는 단일층 다축 그리드 구조를 갖는 이러한 일체형 지오그리드에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이러한 다축 일체형 지오그리드를 생산하는 방법에 관한 것이다.
마지막으로, 본 발명은 토양 및 미립자의 보강 및 안정화를 위한 이러한 다축 일체형 지오그리드의 사용과, 이러한 보강 및 안정화 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적을 위해, "일체형 지오그리드"라는 용어는 필수 두께를 갖고 내부에 구멍 또는 오목부(depression)를 갖는 시트 또는 시트형 형상 형태의 폴리머 출발 재료를 배향, 즉 연신시켜 제조되는 일체형 지오그리드 및 기타 일체형 그리드 구조를 포함하도록 의도된다.
일체형 지오그리드와 같이 실질적으로 평행한 배향성 스트랜드 및 그 사이의 접합부(junction)의 다양한 기하학적 패턴에 의해 정해진 메시 개구부를 갖는 폴리머 일체형 그리드 구조가 35년 이상 동안 제조되어 왔다. 이러한 그리드는 구멍 또는 오목부의 정해진 패턴을 갖는 일체로 주조된 출발 시트를 압출 가공하고 이어서 시트를 구멍 또는 오목부에 의해 형성된 메시 개구부에 의해 정해진 고도 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부로 제어된 방식으로 1축 또는 2축 연신함으로써 제조된다. 1축 또는 2축 방향으로의 시트의 이러한 연신 및 배향은 대응하는 스트랜드 방향으로 스트랜드 인장 강도 및 인장 탄성률을 발생시킨다. 또한, 이러한 그리드 구조의 성능에서 스트랜드 강도가 중요할 뿐만 아니라 접합 강도도 중요하다는 것도 알려져 있다. 이러한 일체형 배향 폴리머 그리드 구조체는 도로 측부나 기타 터파기된 부분 또는 제방, 노면 아래, 활주로 표면 등과 같은 임의의 적절한 위치에서 토양, 흙, 모래, 점토, 자갈 등과 같은 임의의 적절한 형태의 미립자 재료를 보유하거나 안정화시키기 위하여 사용될 수 있다.
더 높은 수준의 강도 대 무게 비율을 성취하거나 제조 공정 동안 더 빠른 가공 속도를 성취하기 위해 다양한 형상 및 패턴의 구멍이 실험되었다. 배향은 제어된 온도 및 변형률 하에서 달성된다. 이 공정에서의 일부 변수는 인장비(draw ratio), 분자량, 분자량 분포 및 폴리머의 분기 또는 가교 정도를 포함한다.
이러한 일체형 지오그리드 및 기타 일체형 그리드 구조의 제조 및 사용은 잘 알려진 기술에 의해 달성될 수 있다. Mercer의 미국 특허 제4,374,798호, Mercer의 미국 특허 제4,590,029호, Mercer 및 Martin의 미국 특허 제4,743,486호, Mercer의 미국 특허 제4,756,946호 및 Mercer의 미국 특허 제5,419,659호에서 상세히 설명된 바와 같이, 출발 폴리머 시트 재료가 먼저 압출된 후 펀칭되어 필수 정의 패턴의 구멍 또는 오목부를 형성한다. 그 다음, 일체형 지오그리드는 펀칭된 시트 재료를 필수적으로 연신 및 배향시켜 형성된다.
1축 일체형 지오그리드 및 2축 일체형 지오그리드(집합적으로 "일체형 지오그리드"이거나 개별적으로 "1축 일체형 지오그리드" 또는 "2축 일체형 지오그리드")인 이러한 일체형 지오그리드는 1970년대에 앞서 언급된 Mercer에 의해 발명되었고, 지난 35년 동안 엄청난 상업적 성공을 거두었으며, 입상 골재 또는 미립자 재료로 이루어진 토양, 도로 기초 층 및 기타 토목 공학 구조를 보강하는 기술을 완전히 혁신시켰다.
Mercer는 바람직하게는 1.5 ㎜(대략 0.06 인치) 내지 4.0 ㎜(대략 0.16 인치) 정도의 두께의 상대적으로 두껍고 실질적으로 단일 평면인 폴리머 출발 시트로 시작하여, 중심이 명목상 행과 열의 실질적인 정사각형 또는 직사각형 그리드에 놓이는 구멍 또는 오목부의 패턴을 가지며, 스트랜드의 배향이 접합부 내로 연장되도록 1축 또는 다축으로 출발 시트를 연신시킴으로써 완전히 새롭고 실질적으로 단일 평면인 일체형 지오그리드가 형성될 수 있다는 것을 발견하였다. Mercer에 의해 설명되는 바와 같이, "단일 평면(uniplanar)"은 시트형 재료의 모든 구역이 시트형 재료의 중앙 평면에 대해 대체로 대칭인 것을 의미한다. Mercer 지오그리드는 지오그리드가 토목 및 지질 공학 용례에서 견고하고 목적에 적합하도록 하고 토양 및 골재 입자가 떨어져 스트랜드 및 접합부에 의해 구속될 수 있게 하기 위하여 한 방향 또는 두 방향으로의 높은 강도 및 강성을 갖는 스트랜드와 높은 무결성 및 강성을 갖는 접합부가 요구된 토목 및 지질 공학 용례에서 이의 사용에 대한 요구 사항을 해결하였다.
미국 특허 제3,252,181호, 제3,317,951호, 제3,496,965호, 제4,470,942호, 제4,808,358호 및 제5,053,264호에서, 필수 패턴의 구멍 또는 오목부를 갖는 출발 재료가 원통형 폴리머 압출물과 함께 형성되고, 실질적인 단일 평면성이 팽창 맨드릴 위로 압출물을 통과시킴으로써 성취된다. 팽창된 실린더는 평평한 실질적인 단일 평면 출발 시트를 생성하기 위해 길이 방향으로 절단된다.
다른 일체형 지오그리드는 본 출원의 양수인인, 조지아주 애틀랜타의 Tensar International Corporation, Inc.(이하, "Tensar"라 함)의 연관 회사인 Tensar International Limited에 양도된 Walsh의 미국 특허 제7,001,112호(이하 "Walsh '112 특허"라 함)에 설명된다. Walsh '112 특허는 배향성 스트랜드가 각각의 코너에서의 부분 배향성 접합부와 각각의 접합부에서 만나는 6개의 고도 배향성 스트랜드를 갖는 삼각형 메시 개구부를 형성하는 2축 연신 일체형 지오그리드를 포함하는 배향성 폴리머 일체형 지오그리드를 개시한다(이하, 때때로 본 명세서에서 "3축 일체형 지오그리드"라 한다). Walsh '112 특허의 3축 지오그리드는 Tensar에 의해 상용화되어 상당한 성공을 거두었다. Walsh '112 특허의 지오그리드는 사용 중에 경험되는 하중을 더 잘 분배하고 저항하기 위해 2개보다 많은 방향으로 높은 강도와 강성을 갖는 스트랜드와 높은 무결성과 강성을 가진 접합부를 추가하여 Mercer 기술을 개선해야 하는 요구 사항과, 지오그리드와 함께 설치된 토양 또는 골재를 구속하고 지지하는 지오그리드의 능력을 개선하기 위한 삼각형 개구의 사용을 해결했다.
더욱 최근에는, 모두 본 특허 출원 양수인의 다른 연관 회사인 Tensar Technologies Limited에 양도된 Walsh의 미국 특허 제9,556,580호, Walsh의 미국 특허 제10,024,002호 및 Walsh의 미국 특허 제10,501,896호에 개선된 일체형 지오그리드가 개시된다. 앞서 언급된 Walsh의 미국 특허 제9,556,580호, 제10,024,002호 및 제10,501,896호는 당업자에게 높은 종횡비, 즉 1.0보다 큰 스트랜드 단면의 폭에 대한 스트랜드 단면의 두께 또는 높이의 비를 갖는 것으로 알려져 있는 것을 갖는 일체형 지오그리드를 개시한다. 이후, 이러한 특허들은 고 종횡비 특허 또는 Walsh HAR 특허(들)이라 한다. Walsh HAR 특허의 고 종횡비 지오그리드도 Tensar에 의해 상용화되어 상당한 성공을 거두었다.
Walsh HAR 특허의 교시 내용은 높은 종횡비를 갖는 리브(rib) 또는 스트랜드 단면이 있는 적절한 개구 안정성 계수(aperture stability modulus(ASM))의 다축 지오그리드가 토목 공학 구조, 예컨대 하나 이상의 지오그리드 층이 노상 개선재 또는 기층(base course) 보강재로서 사용되는 도로 또는 철도에서 보강 또는 안정화 컴포넌트로서 활용된다는 것이다. Walsh HAR 특허의 이러한 교시 내용은 최대 개구 안정성 계수를 갖는 것이 바람직하다는 종래 기술의 교시 내용을 대체했다.
Walsh HAR 특허는 종래의 다축 지오그리드에서 Walsh의 도 5에 도시된 리브 종횡비와 패임(rut) 깊이 사이의 관계로 예시된 리브 종횡비와 트래피킹(trafficking) 성능 사이의 관계가 선형이 아니라는 것을 보여준다. 0.375로부터 1.4로의 종횡비 변경은 패임 깊이 감소를 38 ㎜로부터 23 ㎜로 감소시키는 반면, 1.4로부터 2.2로의 종횡비 변경은 19 ㎜로의 패임 깊이 감소를 제공한다. 이러한 개선이 유의미하지만, 추가로 그리드 구조의 두께를 감소시켜 리브 종횡비를 단순히 증가시키는 것은 중량을 추가하고 생산비를 증가시킨다.
Walsh HAR 특허는 2개보다 많은 방향으로 높은 강도 및 강성을 갖는 스트랜드와 높은 무결성 및 강성을 갖는 접합부를 추가하는 Walsh 기술에 대한 추가적인 개선을 입증하고, 지오그리드의 능력을 추가로 개선하는 것은 치수를 신중하게 수정하고 인장 스트랜드를 위치 설정함으로써 지오그리드와 함께 설치된 토양 또는 골재를 구속하고 지지한다.
또 다른 일체형 지오그리드가 거북 딱지(tortoiseshell) 패턴을 닮은 기하학적 구조를 갖는 플라스틱 지오그리드에 관한 CN 102615818 A에 개시된다. "육각형 내 육각형(hexagon-within-hexagon)" 그리드 기하학적 구조가 개시되지만, 지오그리드의 길이 또는 폭에 걸쳐 선형으로 연속적인 기하학적 구조 내에는 스트랜드가 없다.
따라서, 전술한 종래의 출발 재료로부터 생산된 일체형 지오그리드는 토양 및 기타 골재와 결합하고 이를 안정화시키는 목적으로 대체로 만족스러운 특성을 나타낼 수 있다. 그러나, 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 선형 스트랜드의 부재는 기하학적 구조의 구조적 무결성을 크게 손상시키고 지오그리드의 면내(in-plane) 인장 특성과 토목 섬유 용례에서의 이의 유용성을 제한한다.
본 발명은 출발 시트 형성 방법 또는 출발 재료를 일체형 지오그리드 또는 그리드 구조로 배향시키는 방법에 관계없이 모든 일체형 그리드에 적용할 수 있도록 의도된다. 전술한 미국 특허 제3,252,181호, 제3,317,951호, 제3,496,965호, 제4,470,942호, 제4,808,358호, 제5,053,264호, 제7,001,112호, 제9,556,580호, 제10,024,002호 및 제10,501,896호의 내용은 개시 내용이 본 명세서에서 전체적으로 제시된 것처럼 참조에 의해 본 명세서에 명시적으로 인용된다. 이 특허들은 예시로서 인용되며, 포괄적인 것으로 간주되지 않거나, 일체형 폴리머 그리드 재료의 생산을 위해 당업계에 공지된 다른 기술을 배제하는 것으로 간주되지 않는다.
차량 트래픽의 바퀴 패임(rutting) 효과에 저항하기 위해 도로 용례에서 사용될 때 토양 또는 돌과 같은 입상 재료에 대한 다축 지오그리드를 포함하는 토목 섬유의 성능을 설명 및/또는 예측하기 위한 메커니즘은 여전히 개발 중이다. 연구들은 지오그리드의 물리적 및/또는 기계적 특성에만 기초하여서는 도로 용례에서 지오그리드의 성능을 설명 및/또는 예측할 수 없다는 것을 보여주었다. 예를 들어, Giroud, J. P. 및 Han, J., "Closure to 'Design Method for Geogrid-Reinforced Unpaved Roads, I: Development of Design Method'", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 130, No. 8, pp. 775-786, August 2004; Webster, S. L., "Geogrid Reinforced Base Course for Flexible Pavements for Light Aircraft: Test Section Construction, Behavior under Traffic, Laboratory Tests, and Design Criteria", Report DOT/FAA/RD-92, December 1992를 참조하라. 따라서, 지오그리드로 구성된 복합 매트릭스와 지오그리드에 의해 가둬지고 구속되는 입상 재료를 고려하는 것이 필수적이다.
기존의 선행 기술 지오그리드는 높은 수준의 "관통(strike through)" 또는 침투(penetration)"를 성취하는 목적으로 입상 재료의 크기와 지오그리드 개구의 크기 사이의 관계를 최적화할 목적으로, 즉 입상 재료가 구속 리브의 측벽에 대하여 지탱될 수 있도록 높은 비율의 골재 그라데이션(gradation)이 지오그리드의 개구 내에 떨어지도록 개발되었다. 예를 들어, Mercer 미국 특허 제5,419,659호의 컬럼 21, 32 내지 43행; Walsh HAR 특허 제10,501,896호의 컬럼 1, 51 내지 64행 및 컬럼 4, 62행 내지 컬럼 5, 11행; "Geosynthetic Design & Construction Guidelines - Reference Manual - NHI Course No. 132013", 미국 교통부 Federal Highway Administration Publication No. FHWA NHI-07-092, 2008년 8월 28일; "Use of Geogrid for Strengthening and Reducing the Roadway Structural Sections," NDOT Research Report, Report No. 327-12-803, January 2016을 참조하라. Walsh HAR 특허 및 기타 선행 기술의 경우, 개구의 단일 크기는 상대적으로 큰 입상 입자 크기에 매칭되었고, 이러한 개별 입자가 완전히 가둬지도록 의도된다. 아래 사진에서 예시되는 바와 같은 Walsh HAR 특허의 접근 방식을 참조하라.
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따라서, 최적의 성능을 위해, 최적 골재 입자 크기의 범위는 각각의 지오그리드 용례에 대해 선택된 지오그리드 구조의 개구 크기에 의해 제한되었다.
도로와 같은 토목 기반 시설은 지속적으로 노화되고 성능이 저하되며. 이러한 자산을 교체하고 업그레이드해야 할 필요성이 커지고 있다. 동시에, 도로 및 기타 토목 기반 시설의 건설에 전통적으로 사용되는 재료는, 특히 고품질 천연 골재를 위한 채석의 환경적 영향으로 인해, 비용과 희소성이 지속적으로 증가하고 있다. 그 결과, 더욱 쉽게 입수 가능하고 공급에 있어서 더 낮은 환경적 영향을 갖는 재료의 사용에 대한 필요성이 증가하고 있다. 통상적으로, 이러한 재료는 전통적인 재료와 특성이 다르며 종종 더 낮은 성능을 가진다.
따라서, 개선된 성능과 경제성을 촉진하는 동시에 도로와 같은 토목 기반 시설의 환경적 영향을 줄일 수 있는 지오그리드 재료에 대한 상업적 환경적 요구 사항이 존재한다. 따라서, 종래의 지오그리드와 연관된 기하학적 구조보다 더 다양한 골재 및 더 다양한 품질의 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시킬 수 있는 기하학적 구조를 갖고, 적어도 2개의 방향으로 연속 스트랜드를 포함하는 기하학적 구조를 갖는 동시에, 기존의 일체형 지오그리드로는 사용할 수 없는 다른 바람직한 특성 이외에 다양한 정도의 국부적인 면외(out-of-plane) 강성을 제공하는 일체형 지오그리드에 대한 요구가 존재한다.
이전의 지오그리드 구조와 연관된 기하학적 구조보다 더 다양한 골재 및 더 다양한 품질의 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시킬 수 있고, 적어도 2개의 방향으로 연속 스트랜드를 포함하는 기하학적 구조를 갖는 동시에, 다른 바람직한 특성 이외에 다양한 정도의 국부적인 면외 및 면내 강성을 제공하는 위에서 언급된 기하학적 구조를 얻기 위해, 본 발명은 상이한 길이, 높이 및 폭의 리브로부터 형성된 상이한 형상 및 크기의 개구를 포함하는 반복하는 기하학적 구조를 갖는 단일층 다축 그리드를 제공하며, 리브가 바람직하게는 1.0보다 큰 종횡비를 갖고, 리브의 일부가 그리드에 걸쳐 연속 선형 방식으로 가로 방향 및 대각선 방향으로 연장되며, 다른 스트랜드가 국부 컴플라이언스(local compliance)의 구역을 제공하도록 중단된다.
더욱 구체적으로, 본 발명에 따른 다축 지오그리드는 다음의 특징들을 결합한다:
● 바람직하게는 높은 종횡비를 유지하면서 폭과 깊이가 다른 리브
● 다양한 입상 재료를 더 잘 수용하기 위한 상이한 개구 형상 및 크기
● 입상 물질을 더 잘 가두기 위해 단위 면적당 배향성 리브의 수를 증가시키는 반복하는 기하학적 구조
● 입상 물질을 더 잘 가두기 위해 단위 면적당 배향성 리브 사이에 형성되는 각도의 수를 증가시키는 반복하는 기하학적 구조
● 입상 물질을 더 잘 가두기 위해 단위 면적당 배향성 리브 사이에 형성된 서로 다른 구속 각도를 포함하는 반복하는 기하학적 구조
● 부하 분산을 용이하게 하는 일체형 접합부
● 부하 분산을 최적화하기 위해 지오그리드 전체에 걸쳐 복수의 방향으로 연속적으로 연장되는 강축(strong axis) 스트랜드를 안정화 및 강화
● 국부적으로 가변적인 면내 및 면외 강성.
하나의 바람직한 실시예에서, 본 발명은 각각 내부의 더 작은 육각형을 지지하고 둘러싸 단일층 다축 일체형 지오그리드의 3개의 상이한 형상의 개구부를 형성하는 외부 육각형의 반복 패턴을 형성하는 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부의 반복 패턴을 사용한다. 또한, 추가 강도 및 안정성을 제공하기 위하여, 외부 육각형의 기하학적 구조는 다른 외부 육각형의 내부 내로 교차하지 않으면서 다축 일체형 지오그리드의 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 복수의 선형 스트랜드 또는 강축 스트랜드 또는 리브를 형성 또는 획정하여, 이에 따라 지오그리드를 골재를 안정화시키기에 적합하게 만든다. 연속적인 선형 스트랜드는 외부 육각형을 획정하고 동일한 라인 또는 스트랜드 방향으로 정렬하는 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부로 구성된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 외부 육각형의 연속적인 선형 스트랜드는 지오그리드 전체에 걸쳐 반복하고 있고 내부에서 추가 스트랜드 또는 리브에 의해 차단되지 않는 인접한 외부 육각형 사이의 삼각형 개구부를 형성한다.
이렇게 형성된 바와 같이, 내부 육각형은 추가 스트랜드 또는 리브에 의해 차단되지 않는 육각형 개구부를 획정하는 6개의 배향성 스트랜드로 구성된다. 내부 육각형은 외부 육각형의 부분 배향성 접합부로부터 내부 육각형의 각각의 코너까지 연장되어 배향성 3중 노드(tri-node)를 형성하는 6개의 배향성 연결 스트랜드에 의해 지지된다. 3중 노드는 부분 배향성 접합부보다 훨씬 더 높은 수준의 배향을 가지며, 완전히 배향되는 경향을 가진다. 내부 육각형을 구성하는 6개의 배향성 스트랜드와 6개의 지지하는 배향성 연결 스트랜드는 외부 육각형의 인접한 배향성 스트랜드와 함께 6개의 사다리꼴 개구를 형성하며, 이들 모두는 추가 스트랜드 또는 리브에 의해 차단되지 않는다.
이전 문단에서 설명된 구성은 외부 육각형 구조에 대해 내부 육각형이 부유되는(suspended), 즉 부동하는(float) 구조를 생성한다. 이 구조는 내부 육각형이 위 또는 아래로 이동하여 지오그리드의 기본 평면에 대해 그리고 외부 육각형을 획정하는 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부로 구성되는 연속 선형 스트랜드에 대해 "부동"하거나 휘어지도록, 즉 변형되도록 한다. 따라서, 골재의 배치 및 압축 동안, 부유하는 내부 육각형은 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시키기 위한 지오그리드의 능력을 향상시킨다.
전술한 지오그리드 구조는 이하에서 종종 "육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형" 또는 더 간단하게 "육각형 패턴 내의 부동 육각형"이라고 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다축 일체형 지오그리드를 제조하기 위한 출발 재료는 출발 재료가 2축으로 연신될 때 다양한 형상의 개구부를 제공하는 구멍 또는 오목부를 내부에 갖는 폴리머 시트를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다축 일체형 지오그리드는 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 토양 구조는 폴리머 출발 시트로부터 생산된 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 갖는 다축 일체형 지오그리드를 내부에 매립함으로써 강화되고 안정화된 미립자 재료 덩어리를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 다축 일체형 지오그리드를 위한 출발 재료를 제조하는 방법은 폴리머 시트를 제공하는 단계 및 내부에 구멍 또는 오목부를 제공하여 상호 연결된 배향성 스트랜드와 개구부의 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 갖는 다축 일체형 지오그리드를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다축 일체형 지오그리드를 제조하는 방법은 폴리머 시트를 제공하는 단계, 내부에 구멍 또는 오목부를 제공하는 단계 및 구멍 또는 오목부를 내부에 갖는 폴리머 시트를 2축으로 연신하여 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형의 형태로 내부에 다양한 형상의 개구부를 갖는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드를 제공하는 단계를 포함한다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 미립자 재료 덩어리를 강화하는 방법은 미립자 재료 덩어리를 안정화시키는데 사용하기에 적합한 폴리머 시트로부터 생산된 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 갖는 다축 일체형 지오그리드를 미립자 재료 덩어리에 매립하는 단계를 포함한다.
따라서, 본 발명의 과제는 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 갖는 다축 일체형 지오그리드를 제조하기 위한 출발 재료를 제공하는 것이다. 출발 재료는 출발 재료가 2축으로 연신될 때 개구부를 제공하는 구멍 또는 오목부를 내부에 갖는 폴리머 시트를 포함한다.
본 발명의 다른 과제는 폴리머 시트로부터 생산된 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 포함하는, 골재를 안정화시키고 강화하기에 적합한 다축 일체형 지오그리드를 제공하는 것이고, 다축 일체형 지오그리드의 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 선형 스태랜드를 갖는다. 본 발명의 연관된 과제는 이전의 지오그리드 구조와 연관된 기하학적 구조보다 더 다양한 골재 및 더 다양한 품질의 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시킬 수 있는 기하학적 구조를 제공하는 동시에 다양한 정도의 국부적인 면외 및 면내 강성과 기타 바람직한 특성을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 폴리머 시트로부터 생산된 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 갖는 다축 일체형 지오그리드를 내부에 매립함으로써 강화되고 안정화된 미립자 재료 덩어리를 포함하는 토양 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 폴리머 시트를 제공하는 단계 및 구멍 또는 오목부를 제공하여 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 개구부의 육각형 패턴 내에 반복하는 부동 육각형을 갖는 다축 일체형 지오그리드를 형성하는 단계를 포함하는 다축 일체형 지오그리드를 위한 출발 재료를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 일체형 지오그리드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 이 방법은 폴리머 시트를 제공하는 단계, 내부에 구멍 또는 오목부를 제공하는 단계 및 구멍 또는 오목부를 내부에 갖는 폴리머 시트를 2축으로 연신하여, 다축 일체형 지오그리드의 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 선형 스트랜드를 포함하여, 내부에 개구부 어레이를 갖는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드, 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 개구부의 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 다른 특허뿐만 아니라 위에서 언급된 미국 특허 제4,374,798호, 제4,590,029호, 제4,743,486호, 제5,419,659호, 제7,001,112호, 제9,556,580호, 제10,024,002호 및 제10,501,896호에 설명된 것과 같은 알려진 지오그리드 제조 방법을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 다축 일체형 지오그리드와 연관된 많은 장점은 본질적으로 다양하다. 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 개구부의 육각형 패턴 내에서 반복하는 부동 육각형 덕분에, 다축 일체형 지오그리드는 제한 개구 치수를 변경함으로써 다양한 골재 크기를 더 잘 수용할 수 있다. 이전의 상업용 일체형 지오그리드 구조가 통상적으로 하나의 기본 형상과 하나의 제한 치수를 갖지만, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 3가지 상이한 기본 형상 - 이 예에서는 육각형, 사다리꼴 및 삼각형 - 을 활용한다. 그러면, 이러한 형상들은 다양한 형상과 치수의 배향성 스트랜드 또는 리브에 의해 획정되고 한정된다. 이와 같이, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 골재가 지오그리드에 걸쳐 분포될 때 일반적으로 발생하는 다양한 각도, 배향 및 크기의 골재를 더 잘 수용할 수 있다.
또한, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 향상된 범위의 개구 크기 분포를 제공함으로써 더 다양한 골재를 안정화시키는 데 더 적합하며, 그 결과 이전의 다축 일체형 지오그리드에서 제시되는 대체로 단일 크기의 삼각형 또는 직사각형의 골재에 비하여 더 다양한 골재 및 더 다양한 품질의 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시키는 능력을 제공한다. 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 패턴은 더 큰 주변 육각형과 결합된 방해되지 않고 개방된 내부 육각형을 가지며, 이는 최적의 골재 가둠 및 측방향 구속을 제공한다. 개구 크기의 추가 분포는 반복하는 사다리꼴 및 삼각형 형상의 개구를 통해 성취된다.
또한, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 이전의 일체형 지오그리드에 비해 모든 스트랜드에서 더 높은 종횡비를 제공한다. 본 발명의 높은 종횡비가 골재 인터로크를 증가시키기 때문에, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 다양한 종횡비의 골재를 더 잘 수용할 수 있다.
상호 연결된 배향성 스트랜드 및 개구부의 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형 덕분에, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 또한 이전의 일체형 지오그리드에 비해 증가된 수 및 유형의 스트랜드 요소를 특징으로 한다. 그리고, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 증가된 수의 배향성 인장 요소와, 감소된 수의 부분 배향성 접합부를 가진다. 이와 같이, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 다양한 정도의 면외 및 면내 국부적 강성을 특징으로 한다.
본 발명의 다축 기하학적 구조가 일체형 지오그리드에 전반적으로 더 큰 면내 회전 강성을 부여하는 반면, 더 짧은 길이의 스트랜드는 이전의 일체형 지오그리드에 비해 일체형 지오그리드의 회전 강성을 증가시킨다. 따라서, 다축 일체형 지오그리드는 더 나은 압축과 더 높은 밀도를 가져오는 순응성(compliant), 즉 초기 부여 또는 가요성을 특징으로 하지만, 초기 부여의 결과로 더 큰 최종 수평 골재 지오그리드 복합 강성을 갖는다.
그리고, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 골재 이동에 대해 동심원형 저항을 제공하는 증가된 수의 구속 요소, 즉 스트랜드를 갖는다. 유사한 육각형 크기에서, 종래의 3축 일체형 지오그리드에 비해, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 압축 및 트래피킹 동안 반경방향 하중 운동을 견디기 위해 2배수의 구속 요소를 제공한다.
요약하면, 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 개구부의 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형 덕분에, 본 발명의 바람직한 다축 일체형 지오그리드는 증가된 수 및 유형의 스트랜드 요소 및 구속 각도 또는 "누크(nook)"를 가지며, 상하로의 제한된 면외 이동을 위해 부유된 내부 육각형을 가진다. 이러한 특성은 일체형 지오그리드의 전반적인 구조적 무결성을 유지하면서 골재를 수용하고 가두기 위한 더 많은 기회를 제공한다. 또한, 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 연결된 배향성 스트랜드(또는 리브)의 선형 스트랜드와 부분 배향성 접합부를 포함함으로써, 본 발명의 다축 지오그리드는 골재 보강재로서 증가된 강도와 안정성을 가진다.
이러한 과제 및 장점과 이후에 명백해질 다른 과제 및 장점은 전체에 걸쳐 유사한 참조 번호가 유사한 컴포넌트를 지칭하고 있고 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부 도면을 참조하여 이하에서 더욱 완전하게 설명되는 구성 및 작동의 세부 사항에 존재한다. 첨부된 도면은 본 발명을 설명하도록 의도된 것이지만, 반드시 축척에 따른 것은 아니다.
도 1은 종래 기술의 Walsh '112 특허에 따른 일체형 지오그리드의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다축 일체형 지오그리드의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 다축 일체형 지오그리드를 형성하기 위해 내부에 형성된 구멍 또는 오목부를 갖는 출발 시트 재료의 상부 사시도이다.
도 3a는 도 3의 출발 시트 재료에 도시된 구멍에 대한 가능한 크기 및 간격의 평면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 다축 일체형 지오그리드의 사시도이다.
도 5는 반시계 방향으로 약 30도 회전된 도 4에 도시된 다축 일체형 지오그리드의 확대 사시도이다.
도 5a는 도 5에 도시된 다축 일체형 지오그리드의 강축 스트랜드의 일부를 형성하거나 획정하는 외부 육각형(도 13 참조)의 리브 A 및 인접한 접합부의 부분 단면을 나타내는 확대된 측면 개략도이다.
도 5b는 도 5에 도시된 다축 일체형 지오그리드의 내부 육각형(도 13 참조)의 리브 B 및 D와 인접하는 3중 노드를 나타내는 확대된 측면 개략도이다.
도 6은 도 1에 도시된 종래 기술의 일체형 지오그리드의 구조적 한계를 나타내는 부분 평면도이다.
도 7은 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 구조적 속성을 나타내는 부분 평면도이다.
도 8은 도 1에 도시된 유형의 종래 기술의 일체형 지오그리드에서 개별 개구 면적의 분포 범위를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시된 유형의 다른 종래 기술의 일체형 지오그리드에서 개별 개구 면적의 분포 범위를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드로 달성될 수 있는 개별 개구 면적의 향상된 분포 범위를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 1에 도시된 종래 기술의 일체형 지오그리드의 면내 회전 강성을 나타내는 부분 평면도이다.
도 12는 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드로 달성될 수 있는 향상된 면내 회전 강성을 나타내는 부분 평면도이다.
도 13은 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 다양한 스트랜드 길이를 나타내는 부분 평면도이다.
도 14는 도 1에 도시된 종래 기술의 일체형 지오그리드의 유일한 내부 구속 각도를 나타내는 부분 평면도이다.
도 15는 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 2개의 내부 구속 각도를 나타내는 부분 평면도이다.
도 16은 도 1에 도시된 종래 기술의 일체형 지오그리드의 특정 거리에 있는 6개의 구속 요소를 나타내는 부분 평면도이다.
도 17은 도 2에 도시된 다축 일체형 지오그리드의 동일한 특정 거리에 있는 12개의 구속 요소를 나타내는 부분 평면도이다.
도 18은 도 1에 도시된 종래 기술의 일체형 지오그리드의 모두 동일한 각도인 18개의 각도 누크를 나타내는 부분 평면도이다.
도 19는 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 다양한 각도의 30개의 각도 누크를 나타내는 부분 평면도이다.
도 20은 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 내부 육각형의 부유성을 나타내는 부분 사시도이다.
도 21은 도 1에 도시된 종래 기술의 일체형 지오그리드의 개별 스트랜드 또는 리브와 연관된 더 낮은 컴플라이언스의 국부적 구역을 나타내는 부분 평면도이다.
도 22는 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 외부 육각형의 개별 스트랜드 또는 리브와 연관된 더 낮은 컴플라이언스의 국부적 구역 및 내부 육각형의 높은 탄성 컴플라이언스의 반복 구역을 나타내는 부분 평면도이다.
도 23a는 결과가 아래에서 설명되는 표 4에 보고되는 보유 테스트에 사용된 테스트 박스, 입상 재료 및 TriAx® 지오그리드를 도시하는 일련의 3개의 사진이다.
도 23b는 결과가 아래에서 설명되는 표 4에 보고되는 보유 테스트에 사용된, Lab 79로 식별된, 본 발명의 테스트 박스, 입상 재료 및 시편을 도시하는 일련의 3개의 사진이다.
도 24는 아래에서 설명되는 표 5에 보고되는 다수의 트래피킹 테스트에서 10,000회 패스 후의 표면 변형에 대한 리브 종횡비를 플롯한 차트이다.
도 25a는 종래 기술의 지오그리드의 개구가 어떻게 선택된 골재 입자가 개구의 개방 공간으로 물리적으로 "떨어질" 만큼 충분히 큰지를 나타내는 도면이다.
도 25b는 본 발명의 지오그리드가, 종래 기술의 지오그리드와 대조적으로, 지오그리드의 상부 표면을 따라 골재를 보유하는 역할을 어떻게 하는지를 나타내는 도면이다.
도 26a는 도 23a의 사진에 도시된 TriAx® 지오그리드에 대한 보유 테스트 결과의 박스 플롯이다.
도 26b는 도 23b의 사진에 도시된 본 발명의 지오그리드에 대한 보유 테스트 결과의 박스 플롯이다.
도 27은 테스트 2(패임) 및 표 5에 보고된 결과에 사용된 샘플에 대한 명목상 동일한 육각형 "평평한 부분에 걸친(Across the flats)"(A/F) 치수를 나타내는 도 6 및 도 7의 재현이다.
도 28은 테스트 2(패임) 및 표 5에 보고된 결과에 사용된 샘플의 각각의 개구에 대한 측정값을 나타내는 도 6 및 도 7의 다른 재현이다.
도 29a는 본 발명에 따른 외부 육각형 내의 내부 육각형의 제한된 면외 상향 이동을 나타내는 개략도이다.
도 29b는 본 발명에 따른 외부 육각형 내의 내부 육각형의 제한된 면외 하향 이동을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 바람직한 실시예만이 상세하게 설명되지만, 본 발명은 다음의 설명에서 설명되거나 도면에 예시된 컴포넌트의 구성 및 배열의 세부 사항으로 그 범위가 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 후술되는 바와 같이, 본 발명은 다른 실시예가 가능하고 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다.
또한, 첨부된 청구범위를 포함하는 본 명세서의 목적을 위해, 바람직한 실시예를 설명함에 있어 명확성을 위해 특정 용어가 재분류될 것이다. 각각의 용어는 당업자에 의해 이해되는 그 가장 넓은 의미를 고려하고 유사한 목적을 달성하기 위해 유사한 방식으로 작동하는 모든 기술적 등가물을 포함하도록 의도된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 외부 육각형의 스트랜드와 내부 육각형의 스트랜드 또는 리브 및 3중 노드에 적용된 "배향성(oriented)", "배향(orientation)" 및 "고도 배향성"이라는 용어와, 외부 육각형의 접합부에 적용된 "부분 배향성" 및 "부분 배향"이라는 용어는 지난 수년 동안 지오그리드와 관련하여 당업자에게 잘 알려진 의미를 가질 것이다. 예를 들어, 외부 육각형의 접합부에 적용된 "부분 배향성"이라는 용어는, 본 명세서에서 도면에 도시된 바와 같이, 접합부가 상당히 더 크고 더 두껍다는 점에서 외부 육각형의 스트랜드 및 내부 육각형의 스트랜드 또는 리브 및 3중 노드와 비교할 때 쉽게 명백하게 된다.
이와 같이, 지오그리드에서의 배향 수준은 시각적(육안) 검사 또는 주사 전자 현미경에 의해 지오그리드에서 관찰될 수 있는 줄무늬뿐만 아니라 지오그리드의 두께가 연신 또는 배향 공정에 의해 발생되는 출발 시트의 대응하는 두께로부터 좁아지거나 얇아진 정도를 결정하기 위해 지오그리드를 검사함으로써 관찰될 수 있는 것이다. 이러한 용어들은 예를 들어 폴리머 분자 배향의 현미경 검사에 의한 것과 같이 분자 수준에서 줄무늬의 결정을 필요로 하도록 의도되지 않는다.
그리고, 첨부된 청구범위를 포함하여 본 명세서의 목적을 위해, "대략"이라는 용어는 명세서와 청구범위에서 사용되는 다수의 크기, 치수, 부분, 형상, 공식, 파라미터, 백분율, 수량, 특성 및 기타 수치를 표현하는 숫자를 수정할 때, 명시된 값의 ±10%를 포함하는 것을 의미한다.
또한, 첨부된 청구범위를 포함하는 본 명세서의 목적을 위해, "개구(aperture)" 및 "개구부(opening)"라는 용어는 본 명세서에서 상호 교환적으로 사용되며, 이 용어들은 다축 일체형 지오그리드의 스트랜드 또는 리브 내에 위치된 복수의 개방 공간 중 임의의 것을 설명하도록 의도된다.
본 발명은 출발 재료로서의 폴리머 시트로부터 생산된 다축 일체형 지오그리드 구조에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 폴리머 시트 출발 재료는 실질적으로 평평하고, 바람직하게는 단일 평면이거나 실질적인 단일 평면이다.
본 발명은, 폴리머 시트가, 선택된 패턴의 구멍 또는 오목부를 갖는 출발 시트를 통해 연신 공정 동안 다축 일체형 지오그리드로 변환될 때, 토양 및 기타 골재 보강 및 안정화와 기타 기질 공학 용례의 목적을 위한 이전의 1축, 2축 및 3축 지오그리드에 비하여 고유한 특성을 갖는 최종 제품을 생산한다는 사실에 기초한다.
도 1은 종래 기술에 따른 일체형 지오그리드, 즉 Walsh '112 특허에 따른 3축 일체형 지오그리드의 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 3축 일체형 지오그리드(200)는 반복하는 삼각형(210) 기하학적 구조를 갖는다. 3축 일체형 지오그리드(200)는 부분 배향성 접합부(235)에 의해 상호 연결된 복수의 배향성 스트랜드(205)를 포함하며, 각각의 접합부(235)를 둘러싸는 6개의 삼각형 개구부(210)는 반복하는 육각형 기하학적 구조를 생성한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일층 다축 일체형 지오그리드(100)의 평면도이다. 다축 일체형 지오그리드(100)는 내부에 개구부 어레이를 갖는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드, 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 개구부의 육각형 패턴 내의 반복하는 부동 육각형을 포함하고, 다축 일체형 지오그리드의 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 선형 스트랜드를 포함한다. 더욱 구체적으로, 다축 일체형 지오그리드(100)는 각각의 외부 육각형(110) 내의 부동 내부 육각형(130)의 반복 패턴을 포함한다. 외부 육각형(110)은 부분 배향성 접합부(115)에 의해 상호 연결된 복수의 외부 배향성 스트랜드 또는 리브(120)를 포함한다. 내부 육각형(130)은 3중 노드(135)에 의해 상호 연결된 복수의 배향성 연결 스트랜드(145, 150)를 포함하고, 육각형 형상의 중앙 개구부(170)를 둘러싼다. 외부 육각형(110)은 복수의 사다리꼴 형상의 개구부(180)를 획정하는 복수의 지지 스트랜드 또는 리브(140, 160)에 의해 더 작은 내부 육각형(130)에 연결된다. 3개의 인접한 외부 육각형(110)의 각각의 패턴의 중심에는 삼각형 형상의 개구부(190)가 있다. 도시된 바와 같이, 접합부(115)는 3중 노드(135)보다 훨씬 크다.
도 2로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 다른 특징은 반복하는 외부 육각형 패턴의 외부 스트랜드(120)의 선형 연속 특성이다. 즉, 배향성 스트랜드(120)는, 대략 120°만큼 서로로부터 분리되고 도 4 및 도 5에서 화살표(120A, 120B, 120C)로 표시된 3개의 상이한 방향으로 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되기 때문에, 부분 배향성 접합부(115)를 통해 선형으로 연속적이다. 당업자는, 펀칭된 출발 시트 기하학적 구조의 적절한 대응 회전이 이루어지면, 연신 후에 동일한 기본 기하학적 구조의 상이한 배향이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 스트랜드(120)의 선형 연속 특성은 본 발명의 다축 일체형 지오그리드에 필요한 향상된 강도 및 면내 강성을 제공한다.
도 3은 도 2에 도시된 다축 일체형 지오그리드를 형성하기 위한 구멍 또는 오목부를 내부에 갖는 출발 단일층 재료 시트(300)의 사시도이다. 본 발명에 따른 다축 일체형 지오그리드를 위한 출발 재료로서 사용되는 단일층 출발 시트(300)가 바람직하게는 관통 펀칭되지만, 대신에 내부에 형성된 오목부를 이용하는 것이 가능할 수도 있다. 오목부가 시트에 형성된 출발 재료의 실시예에 따르면, 오목부는 시트의 각각의 측, 즉 시트의 상부 및 하부 모두에 제공된다.
단층 출발 시트(300)는 배향될 때 도 2에 도시된 다축 일체형 지오그리드의 육각형 패턴 내에 부동 육각형을 제공하는 구멍(320)과 간격(330)의 반복 패턴(310)을 포함한다. 본 발명의 가능한 일 실시예에 따르면, 구멍(320)의 직경은 3.68 ㎜이고, 밀리미터 단위의 구멍(330)의 간격은 도 3a에 도시된 바와 같다.
바람직하게는, 단일층 재료 시트(300)의 전체 두께는 약 3 ㎜ 내지 약 10 ㎜이고, 더욱 바람직하게는 단일층 재료 시트(300)의 전체 두께는 약 5 ㎜ 내지 약 8 ㎜이다.
그리고, 일반적으로, 단일층 재료 시트(300)는 본질적으로 폴리머이다. 예를 들어, 구성 재료는 고분자량 폴리올레핀 및 광범위한 사양의 폴리머를 포함할 수 있다. 또한, 폴리머 재료는 버진 스톡일 수 있거나, 예를 들어 제조 후 또는 소비 후의 재활용 폴리머 재료와 같은 재활용 재료일 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 고분자량 폴리올레핀은 폴리프로필렌이다.
도 4는 도 2에 도시된 다축 일체형 지오그리드(100)의 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 다축 일체형 지오그리드(100)의 확대 사시도이다. 도 4 및 도 5로부터 명백한 바와 같이, 스트랜드(120, 140, 145, 150, 160)는 높은 종횡비, 즉 전술한 Walsh HAT 특허인 미국 특허 제9,556,580호, 제10,024,002호 및 제10,501,896호에 따른 1.0보다 큰 스트랜드 단면의 폭에 대한 스트랜드 단면의 두께 또는 높이의 비를 갖는 것으로 당업자에게 알려져 있는 것을 갖는다. 본 발명에 절대적으로 필요한 것은 아니지만, 스트랜드 또는 리브에 대한 높은 종횡비가 바람직하다. 따라서, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드는 지오그리드와 골재 사이의 향상된 호환성을 제공하고, 이는 골재의 인터로크, 측방향 구속 및 가둠을 개선한다.
도 5a는 본 발명의 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 3개의 선형 강축 스트랜드 중 하나의 일부를 형성하거나 획정하는 외부 육각형(도 13 참조)의 리브 A 및 인접하는 접합부의 부분 단면을 나타내는 확대된 측면 개략도이다. 이 강축 스트랜드는 토목 공학 용례에서 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시킬 때 지오그리드의 필요한 강도와 면내 안정성을 제공한다. 도 5b는 내부 육각형의 리브 B 및 D와 인접한 3중 노드의 부분 단면을 나타내는 유사한 확대 측면 개략도이다. 본 발명에 따른 이들 컴포넌트 각각에 대한 전형적인 두께는 도 5a 및 도 5b에 제시되어 있다.
도 6은 도 1에 도시된 종래 기술의 3축 일체형 지오그리드의 특정 구조적 한계를 나타내는 부분 평면도이다. 종래의 3축 일체형 지오그리드(200)의 반복하는 기하학적 요소는 하나의 기본 개구부 형상(삼각형)과 하나의 제한 스트랜드 치수를 가지며, 연결 스트랜드에 대한 접합부의 높은 비율(1:3)을 가진다. 이와 같이, 종래의 3축 일체형 지오그리드(200)는 개구부 형상이나 크기에 변화가 없고 60°의 단일 구속 각도를 제공한다.
도 7은 도 2에 도시된 바와 같은 다축 일체형 지오그리드(100)의 구조적 속성을 나타내는 다른 평면도이다. 다시, 도 1에 도시된 이전의 삼각형 일체형 지오그리드(200)는 단지 하나의 기본 형상과 하나의 제한 스트랜드 치수를 갖지만, 다축 일체형 지오그리드(100)는 다양한 스트랜드 크기를 갖는 육각형(110), 사다리꼴(180) 및 삼각형(190)인 3가지 기본 개구부 형상과, 60° 및 120°인 2개의 상이한 내부 구속 각도를 가진다. 또한, 다축 일체형 지오그리드(100)는 6개의 연결 스트랜드당 하나의 접합부만을 포함하고, 각각의 3중 노드와 연관된 3개의 스트랜드를 가진다. 이와 같이, 다축 일체형 지오그리드(100)는 골재가 지오그리드에 걸쳐 분포될 때 골재의 다양한 각도 및 방향을 더 잘 수용할 수 있다.
도 8은 도 1에 도시된 유형의 종래 기술의 삼각형 일체형 지오그리드(200)에서 개별 개구 면적의 분포 범위를 나타내는 그래프이다. 더욱 구체적으로, 도 8은 TriAx® TX160® 지오그리드로서 Tensar에서 시판하는 3축 일체형 지오그리드와 연관된 개별 개구 면적의 분포를 도시한다. 도 8로부터 명백한 바와 같이, 종래의 3축 일체형 지오그리드와 연관된 개별 개구 면적은 상대적으로 제한되어, 단지 약 775 ㎟ 내지 약 850 ㎟의 개별 개구 영역 분포 범위 또는 단지 약 75 ㎟의 범위만 제공한다.
도 9는 도 1에 도시된 유형의 다른 종래 기술의 삼각형 일체형 지오그리드(200)에서 개별 개구 면적의 분포 범위를 나타내는 그래프이다. 더욱 구체적으로, 도 9는 TriAx® TX130S® 지오그리드로서 Tensar에서 시판하는 3축 일체형 지오그리드와 연관된 개별 개구 면적의 분포를 도시한다. 도 9로부터 명백한 바와 같이, 이러한 종래의 3축 일체형 지오그리드와 연관된 개별 개구 면적도 또한 상대적으로 제한되어, 단지 약 475 ㎟ 내지 약 550 ㎟의 개별 개구 영역 분포 범위 또는 단지 약 75 ㎟의 범위만 제공한다.
대조적으로, 도 10은 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)로 획득될 수 있는 개별 개구 면적의 향상된 분포 범위를 나타내는 그래프이다. 도 10으로부터 명백한 바와 같이, 다축 일체형 지오그리드(100)와 연관된 개별 개구 면적의 분포 범위는 3축 일체형 지오그리드에 의해 제공되는 것보다 실질적으로 더 크며, 약 475 ㎟ 내지 약 800 ㎟의 더 넓은 분포의 개별 개구 면적은 다양한 입자 크기의 입상 재료와의 최적의 상호 작용을 제공하며, 약 500 ㎟ 내지 약 700 ㎟에서 또는 적어도 200 ㎟의 범위에서 특히 두드러진다.
도 11은 도 1에 도시된 종래 기술의 3축 일체형 지오그리드(200)의 면내 회전 강성을 나타내는 평면도이다. 도 11로부터 명백한 바와 같이, 종래 기술의 일체형 지오그리드(200)는 배향성 스트랜드를 연결하는 부분 배향성 접합부(235)를 가지며, 스트랜드(205)의 각각은 대략 동일한 길이를 갖는다.
대조적으로, 도 12는 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)로 획득될 수 있는 향상된 면내 회전 강성을 나타내는 부분 평면도이다. 다시, 다축 일체형 지오그리드(100)는 외부 육각형(110) 및 더 작은 내부 육각형(130)을 갖는 육각형 패턴 내의 바람직한 반복하는 유동 육각형을 포함한다. 외부 육각형(110)은 부분 배향성 접합부(115)에 의해 상호 연결된 복수의 배향성 스트랜드(120)를 포함한다. 내부 육각형(130)은 3중 노드(135)에 의해 상호 연결된 복수의 배향성 스트랜드(145, 150)를 포함한다. 외부 육각형(110)은 복수의 배향성 지지 또는 연결 스트랜드(140, 160)에 의해 내부 육각형(130)에 연결된다. 스트랜드(205)의 길이에 비해 더 짧은 길이의 배향성 스트랜드(140, 145, 150, 160) 덕분에, 다축 일체형 지오그리드(100)는 증가된 면내 회전 강성을 갖는다.
도 13은 도 2에 도시된 다축 일체형 지오그리드의 다양한 스트랜드를 나타내는 부분 평면도이다. 다축 일체형 지오그리드(100)는 외부 육각형(110)과 더 작은 내부 육각형을 갖는 육각형 패턴 내에 반복하는 부동 육각형을 포함한다. 외부 육각형(110)은 부분 배향성 접합부(115)에 의해 상호 연결된 복수의 배향성 스트랜드(120)(또한 도 13에서 "A"로 표시됨)를 포함한다. 내부 육각형(130)은 배향성 3중 노드(135)에 의해 상호 연결된 복수의 배향성 스트랜드(145("B"), 150("D"))를 포함한다. 외부 육각형(110)은 복수의 배향성 지지 스트랜드(140("C"), 160("E"))에 의해 내부 육각형(130)에 연결된다. (다양한 스트랜드에 대한 표시 A, B, C, D 및 E는 이후에 제시되는 표 1, 표 2 및 표 5의 데이터에 사용된다.)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 4개의 스트랜드(150(D)) 및 2개의 스트랜드(160(E))가 가장 넓고(측 방향으로 가장 두껍고), 4개의 스트랜드(140(C))가 가장 키가 크며, 이들 모두는 강도와 강성을 제공한다. 2개의 스트랜드(145(B))는 가장 얇고 면외 가요성을 제공한다. 스트랜드(120(A))는 TX160® 스트랜드를 대표하며, 이 스트랜드는 가장 키가 크지도 가장 넓지도 않고, 가장 강하지도 가장 유연하지도 않으며, 따라서 이는 중간 바닥이고 스트랜드 B, C, D 및 E 없이 적응성이 없다. 따라서, 도 13은 강도 및 강성에 대한 다수의 스트랜드 치수의 영향을 나타낸다. 다른 실시예 및 치수 관계는 당업자에게 쉽게 떠오를 것이다.
표 1는 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명의 다축 지오그리드(100)의 일례에 대한 다양한 스트랜드 각각의 높이, 폭 및 종횡비를 제시한다. 표 1에 제시된 값은 본 발명의 다축 지오그리드(100)와 연관될 수 있는 높이, 폭 및 종횡비를 나타내지만, 이는 본 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아니라 설명의 목적으로 제시된다.
Figure pct00002
표 2는 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)의 다양한 스트랜드와 연관된 종횡비를 Tensar에 의해 상용화된 다양한 상업용 3축 일체형 지오그리드의 종횡비와 비교한 것을 제시한다.
Figure pct00003
표 2로부터 명백한 바와 같이, 다축 일체형 지오그리드(100)는 종래의 3축 일체형 지오그리드 각각에 비교하여 모든 스트랜드에서 더 높은 종횡비를 갖는다. 본 발명의 기하학적 구조의의 다른 특징과 결합하여, 이러한 더 높은 종횡비는 Walsh HAR 특허의 3축 지오그리드보다 더 나은 성능을 제공한다.
도 13 및 도 15에 도시된 본 발명에 따른 다축 지오그리드에 대한 넓은 범위 및 바람직한 파라미터는 다음과 같다.
리브 A는 높이가 1 ㎜ 내지 4 ㎜의 넓은 범위, 2 ㎜ 내지 3 ㎜의 바람직한 범위 내의 높이 및 2.86 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 A의 폭은 0.75 ㎜ 내지 3 ㎜의 넓은 범위, 1 ㎜ 내지 2 ㎜의 바람직한 범위 및 1.6 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 A의 길이는 30 ㎜ 내지 45 ㎜의 넓은 범위, 35 ㎜ 내지 40 ㎜의 바람직한 범위 및 37 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 A의 종횡비는 1:1 내지 3:1의 넓은 범위, 1.5:1 내지 1.8:1의 바람직한 범위 및 1.7:1의 바람직한 값을 갖는다.
리브 B의 높이는 1 ㎜ 내지 3 ㎜의 넓은 범위, 1.5 ㎜ 내지 2.5 ㎜의 바람직한 범위 및 1.6 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 B의 폭은 0.75 ㎜ 내지 3.5 ㎜의 넓은 범위, 1 ㎜ 내지 3 ㎜의 바람직한 범위 및 1.8 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 B의 길이는 15 ㎜ 내지 25 ㎜의 넓은 범위, 18 ㎜ 내지 22 ㎜의 바람직한 범위 및 21 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 B의 종횡비는 0.75:1 내지 2:1의 넓은 범위, 1.2:1 내지 1.4:1의 바람직한 범위 및 1.3:1의 바람직한 값을 갖는다.
리브 C의 높이는 1 ㎜ 내지 4 ㎜의 넓은 범위, 2 ㎜ 내지 3 ㎜의 바람직한 범위 및 2.7 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 C의 폭은 0.75 ㎜ 내지 3.5 ㎜의 넓은 범위, 1 ㎜ 내지 2.5 ㎜의 바람직한 범위 및 1.6 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 C의 길이는 15 ㎜ 내지 30 ㎜의 넓은 범위, 20 ㎜ 내지 25 ㎜의 바람직한 범위 및 23 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 C의 종횡비는 1:1 내지 3:1의 넓은 범위, 1.5:1 내지 2.5:1의 바람직한 범위 및 1.7:1의 바람직한 값을 갖는다.
리브 D의 높이는 1.5 ㎜ 내지 4 ㎜의 넓은 범위, 2 ㎜ 내지 3.5 ㎜의 바람직한 범위 및 2.3 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 D의 폭은 1 ㎜ 내지 4 ㎜의 넓은 범위, 1.5 ㎜ 내지 2.5 ㎜의 바람직한 범위 및 1.5 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 D의 길이는 10 ㎜ 내지 30 ㎜의 넓은 범위, 15 ㎜ 내지 25 ㎜의 바람직한 범위 및 18 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 D의 종횡비는 1:1 내지 3:1의 넓은 범위, 1.4:1 내지 1.7:1의 바람직한 범위 및 1.6:1의 바람직한 값을 갖는다.
리브 E의 높이는 1 ㎜ 내지 4 ㎜의 넓은 범위, 1.5 ㎜ 내지 3.0 ㎜의 바람직한 범위 및 1.9 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 E의 폭은 0.75 ㎜ 내지 3.5 ㎜의 넓은 범위, 1 ㎜ 내지 3 ㎜의 바람직한 범위 및 1.7 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 E의 길이는 15 ㎜ 내지 30 ㎜의 넓은 범위, 20 ㎜ 내지 25 ㎜의 바람직한 범위 및 22 ㎜의 바람직한 치수를 가진다. 리브 E의 종횡비는 0.75:1 내지 2:1의 넓은 범위, 1:1 내지 1.5:1의 바람직한 범위 및 1.3:1의 바람직한 값을 갖는다.
그리고, 도 5a에 도시된 바와 같이, 다축 일체형 지오그리드(100)의 외부 육각형(110)은 3 ㎜ 내지 9 ㎜의 넓은 범위, 4.5 ㎜ 내지 7.5 ㎜의 바람직한 범위 및 약 5.6 ㎜의 바람직한 치수를 갖는 부분 배향성 접합부(115)의 두께(치수 "TO2")와, 1 ㎜ 내지 5 ㎜의 넓은 범위, 1.5 ㎜ 내지 3.5 ㎜의 바람직한 범위 및 약 2.8 ㎜의 바람직한 치수를 갖는 스트랜드 또는 리브(120)의 두께(치수 "TO1")를 갖는다.
또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 일체형 지오그리드(100)의 내부 육각형(130)은 1 ㎜ 내지 5 ㎜의 넓은 범위 및 1.5 ㎜ 내지 3.5 ㎜의 바람직한 범위를 갖는 3중 노드(135)의 두께(치수 "TI1"), 스트랜드 또는 리브(145)의 두께(역시 치수 "TI1") 및 스트랜드 또는 리브(150)의 두께(역시 치수 "TI1")를 갖는다.
도 13에 도시된 다축 일체형 지오그리드의 바람직한 일 실시예에 따르면, "평평한 부분을 가로지르는(across the flats)" 치수, 즉 외부 육각형(도 15 참조)의 한 접합부(115)로부터 외부 육각형의 반대쪽 접합부(115)까지의 거리는 약 80 ㎜이다. 그리고, 동일한 실시예에 대해, 평평한 부분을 가로지르는 치수, 즉 내부 육각형(도 15 참조)의 하나의 3중 노드(135)로부터 내부 육각형의 반대편 3중 노드(135)까지의 거리는 약 33 ㎜이다.
펀치 크기/직경은 2 ㎜ 내지 7 ㎜의 넓은 범위, 3 ㎜ 내지 5 ㎜의 바람직한 범위 및 3.68 ㎜의 바람직한 치수를 갖는다. 제1 연신 방향으로의 주 피치(major pitch)는 5 ㎜ 내지 9 ㎜의 넓은 범위, 6 ㎜ 내지 8 ㎜의 바람직한 범위 및 6.7088 ㎜의 바람직한 치수를 갖는다. 제1 연신 방향으로의 부 피치(minor pitch)는 1 ㎜ 내지 4 ㎜의 넓은 범위, 2 ㎜ 내지 3 ㎜의 바람직한 범위 및 2.58 ㎜의 바람직한 치수를 갖는다. 제1 연신 방향으로의 제2 주/부 피치는 4 ㎜ 내지 8 ㎜의 넓은 범위, 5 ㎜ 내지 7 ㎜의 바람직한 범위 및 5.934 ㎜의 바람직한 치수를 갖는다. 제2 연신 방향으로의 주 피치는 4 ㎜ 내지 8 ㎜의 넓은 범위, 5 ㎜ 내지 7 ㎜의 바람직한 범위 및 6.192 ㎜의 바람직한 치수를 갖는다.
도 14는 도 1에 도시된 종래 기술의 삼각형 일체형 지오그리드(200)의 유일한 내부 구속 각도를 나타내는 부분 평면도이다. 명백한 바와 같이, 일체형 지오그리드(200)는 단일 내부 구속 각도, 즉 약 60°의 각도를 가진다. 즉, 각각의 접합부(235)에 대해, 일체형 지오그리드(200)는 총 6개의 60° 구속 각도를 갖는다. 그리고, 일체형 지오그리드(200)는 단일 육각형의 경계 내에서 총 18개의 60° 구속 각도를 갖는다. (도 14에 도시된 표시 A는 이하 제시되는 표 5의 데이터에 사용된 종래 기술의 TriAx® 지오그리드의 스트랜드/리브에 대한 것이다.)
도 15는 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)의 2개의 상이한 내부 구속 각도를 나타내는 부분 평면도이다. 유익하게는, 외부 육각형(110) 내에서 지지되는 내부 육각형(130)과 5개의 상이한 스트랜드 유형 A, B, C, D 및 E를 갖는 기하학적 구조 덕분에, 다축 일체형 지오그리드(100)는 60° 및 120° 내부 각도의 조합을 갖는다. 즉, 접합부(115)에 대해 6개의 60° 구속 각도가 있고, 3중 노드(135)에 대해 3개의 120° 구속 각도가 있다. 그리고, 다축 일체형 지오그리드(100)는 단일 외부 육각형(110)의 경계 내에 총 30개의 구속 각도를 갖는다. 따라서, 이의 개구 범위에 걸쳐, 다축 일체형 지오그리드(100)는 향상된 골재 가둠으로 이어지는 2개의 구속 각도를 제공한다.
아래의 표 3은 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)로 획득될 수 있는 노드 배향, 인장 요소 배향, 개방 면적 및 평균 개구 개방 면적을 다양한 종래 기술의 3축 일체형 지오그리드의 특징과 비교한 것을 제시한다.
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표 3으로부터 명백한 바와 같이, TX160®과 비교할 때, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)는 제곱미터당 20% 더 적은 부분 배향성 접합부(115)와 제곱미터당 56% 더 많은 배향성 인장 요소(120, 140, 145, 150, 160)를 가지며, 따라서 단위 면적당 골재 입자가 지탱하고 골재 입자를 가두어 이와 상호 작용하는 상당히 더 많은 수의 물리적 요소를 제공하며, 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시키는 지오그리드의 능력에 덜 기여하는 단위 면적당 상당히 더 적은 수의 물리적 요소, 즉 부분 배향성 접합부를 제공한다. 또한, TX130S®와 비교할 때, 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)는 제곱미터당 47% 더 적은 부분 배향성 접합부(115)와 제곱미터당 거의 동일한 양이지만 더 많은 수의 구속 각도를 갖는 배향성 인장 요소(120, 140, 145, 150, 160)를 가진다. 따라서, 이러한 특징은 단위 면적당 골재 입자가 지탱하고 골재 입자를 가두어 이와 상호 작용하는 상당히 더 많은 수의 물리적 요소를 제공하지만, 골재와 결합하여 이를 가두고 안정화시키는 지오그리드의 능력에 덜 기여하는 단위 면적당 상당히 더 적은 수의 물리적 요소를 제공한다.
도 16은 도 1에 도시된 종래 기술의 삼각형 일체형 지오그리드(200)의 특정 거리에 있는 6개의 구속 요소를 나타내는 부분 평면도이다. 도 16에 따르면, 종래 기술의 일체형 지오그리드(200)는 6개의 지탱 요소, 즉 접합부(235)를 둘러싸는 6개의 스트랜드(205)를 가진다.
도 17은 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)의 동일한 특정 거리에 있는 12개의 구속 요소를 나타내는 부분 평면도이다. 도 17로부터 명백한 바와 같이, 다축 일체형 지오그리드(100)는 12개의 지탱(구속) 요소, 즉 외부 육각형(110)을 형성하는 6개의 스트랜드(120)와, 내부 육각형(130)을 형성하는 6개의 스트랜드, 즉 2개의 스트랜드(145) 및 4개의 스트랜드(150)를 갖는다. 즉, 유사한 "평평한 부분을 가로지르는" 거리를 갖는 유사한 육각형 크기에서, 다축 일체형 지오그리드(100)는 압축 및 트래피킹 동안 반경방향 하중 운동을 견디기 위해 2배수의 구속 요소를 제공한다. 따라서, 다축 일체형 지오그리드(100)는 골재 이동에 대해 동심원형 저항을 제공하는 요소를 2배수로 제공한다.
도 18은 도 1에 도시된 종래 기술의 일체형 지오그리드(200)의 모두 동일한 각도인 18개의 각도 누크를 나타내는 부분 평면도이다. 위에서 언급된 바와 같이, 일체형 지오그리드(200)는 단일 내부 구속 각도, 즉 약 60°의 각도를 갖는다. 즉, 각각의 접합부(235)에 대해, 일체형 지오그리드(200)는 총 6개의 60° 구속 각도 또는 누크를 갖는다. 그리고, 일체형 지오그리드(200)는 단일 육각형의 경계 내에 총 18개의 60° 구속 각도 또는 누크를 갖는다.
도 19는 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)의 다양한 각도의 30개의 각도 누크를 나타내는 부분 평면도이다. 위에서 언급된 바와 같이, 외부 육각형(110) 내에 지지되는 내부 육각형(130)과 5개의 상이한 스트랜드 유형 A, B, C, D 및 E를 갖는 기하학적 구조 덕분에, 다축 일체형 지오그리드(100)는 60° 및 120° 내부 각도의 조합을 갖는다. 즉, 각각의 접합부(115)에 대해, 6개의 60° 구속 각도 또는 누크가 있고, 각각의 3중 노드(135)에 대해, 3개의 120° 구속 각도 또는 누크가 있다. 그리고, 다축 일체형 지오그리드(100)는 단일 외부 육각형(110)의 경계 내에 총 30개의 구속 각도 또는 누크를 갖는다. 따라서, 이의 개구 범위에 걸쳐, 다축 일체형 지오그리드(100)는 2개의 상이한 내부 구속 각도를 갖는 30개의 독립적인(또는 고유한) 구속 각도 또는 누크를 제공하며, 이러한 특징들의 조합은 향상된 골재 가둠으로 이어진다.
도 20은 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드의 내부 육각형(130)의 바람직한 부동 특성을 나타내는 부분 사시도이다. 본 발명은 탄성이 있고(또는 부유되고) 적응성 있는 내부 육각형(130)을 포함하며, 이는 "면외" 강성을 변경함으로써 압축 동안 골재를 더 잘 수용한다. 부동 내부 육각형은 수직 Z 축 치수에서 상대적으로 이동 가능하므로, 압축 동안 유의미한 정도의 컴플라이언스 또는 편향을 허용한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 내부 육각형(130)의 이러한 수직 컴플라이언스 또는 편향은 주변 외부 육각형(110)의 가장 큰 두께의 약 33% 정도일 수 있다. 달리 말해서, (외부 육각형의 가장 두꺼운 컴포넌트인) 부분 배향성 접합부의 두께가 6 ㎜인 경우, 부동 내부 육각형(140)의 면외 컴플라이언스 또는 편향은 약 2 ㎜ 정도일 수 있다. 이 탄성(또는 부유) 컴플라이언스는 각각의 외부 육각형(110)에 의해 한정된 전체 영역에 걸쳐 연장되며, 외부 육각형은 더 낮은 정도의 수직 컴플라이언스를 갖는다. 놀랍게도, 내부 육각형의 이러한 향상된 탄성(또는 부유) 컴플라이언스 또는 편향은 골재와 인터로크하는 본 발명의 지오그리드(100)의 능력을 향상시킨다는 것이 밝혀졌다.
도 29a에 도시된 바와 같이, 일체형 지오그리드(100)의 내부 육각형(130)은 거리 "D"가 주변 외부 육각형(110)의 전체 두께의 약 33%와 동일하게 되는 정도로 외부 육각형(110)의 평면으로부터 위를 향해 즉 바깥쪽으로 멀리 휘어질(즉 부동하거나 변형될) 수 있다(외부 육각형(110)의 전체 두께는 본질적으로 접합부(115)의 두께이다). 대응하여, 도 29b에 도시된 바와 같이, 일체형 지오그리드(100)의 내부 육각형(130)은 거리 "D"가 주변 외부 육각형(110)의 전체 두께의 약 33%와 동일하게 되는 정도로 외부 육각형(110)의 평면으로부터 아래를 향해 즉 바깥쪽으로 멀리 휘어질(즉 부동하거나 변형될) 수 있다.
더욱이, 이러한 탄성 있고(또는 부유되고) 적응성 있는 내부 육각형(130)이 노반 위에 놓이고 심지어 노반이 고르지 않은 경우 수직으로 위를 향해 더 편향되는 경향은 개선된 측방향 구속의 기회를 제공하고 반복된 하중을 받을 때 스트랜드(145, 150, 160) 위로 골재가 굴러가는 것을 방해하며, 외부 육각형(110)은 골재가 위로 통과해야 하는 제2 구속 링을 생성한다. 지오그리드(200)와 같은 종래 기술의 다축 일체형 지오그리드는 이러한 수준의 탄성(또는 부유) 컴플라이언스가 부족하고, 따라서 단지 한 수준의 구속만을 제공한다.
도 21은 도 1에 도시된 종래 기술의 일체형 지오그리드(200)의 개별 스트랜드 또는 리브(205)와 연관된 더 낮은 컴플라이언스의 국부적 구역을 나타내는 부분 평면도이다. 즉, 개별 스트랜드 또는 리브(205)가 부분 배향성 접합부(235)를 연결하기 때문에, 종래 기술의 일체형 지오그리드(200)는 더 낮은 컴플라이언스의 다수의 국부적 구역을 갖고, 따라서 최소 복원력을 갖는다.
도 22는 도 2에 도시된 본 발명의 다축 일체형 지오그리드(100)의 외부 육각형(110)의 개별 스트랜드 또는 리브(120)와 연관된 더 낮은 컴플라이언스의 국부적 구역 및 내부 육각형(130)의 높은 탄성 컴플라이언스의 반복 구역을 나타내는 부분 평면도이다. 외부 육각형(110) 내에서 수직으로 편향하는 부동 내부 육각형(130)의 능력 덕분에, 다축 지오그리드(100)는 대응하는 외부 육각형(110)의 각각 내에서 높은 탄성 컴플라이언스의 반복 구역을 갖는다.
다시 말하면, 도 21에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 3축 지오그리드는 본 발명의 다축 일체형 지오그리드를 특징짓는 이러한 넓은 영역에 대한 컴플라이언스 수준이 부족하다. 이와 같이, 종래 기술의 3축 지오그리드와 연관된 임의의 컴플라이언스는 양쪽 단부에 위치된 접합부에 의해 구속되는 개별 리브로 제한된다. 대조적으로, 단위 면적당, 본 발명의 지오그리드는 도 22에 도시된 바와 같이 약 50% 내지 약 75% 정도의 상당한 수직 탄성(또는 부유) 컴플라이언스 영역을 갖는다. 이는 상당한 수직 컴플라이언스의 이러한 구역을 갖지 않는 도 21에 도시된 바와 같은 종래 기술의 다축 지오그리드와 대조된다.
본 발명의 일 양태에서, 지오그리드(100)는 기계적으로 안정화되는 수평 지오그리드를 나타낸다. 부분 배향성 접합부(115)에 의해 상호 연결된 복수의 외부 배향성 스트랜드 또는 리브(120)를 포함하는 외부 육각형(110)의 반복 패턴은 도 4에서 선(120A, 120B, 120C)에 의해 표시된 바와 같이 지오그리드 전체에 걸쳐 선형 경로에서 연속적으로 연장되는 강축 스트랜드를 포함한다. 도 4로부터 주목되는 바와 같이, 부분 배향성 접합부(115)에 의해 상호 연결된 외부 배향성 스트랜드 또는 리브(120)에 의해 형성된 강축 스트랜드는, 도 4에서 선(120A, 120B, 120C)에 의해 표시된 바와 같이, 외부 육각형 내부에서 교차하지 않으면서 지오그리드 전체에 걸쳐 연속으로 연장된다. 이 특징은 본 발명의 지오그리드에 필요한 강도와 안정성을 제공한다. 다른 양태에서, 부분 배향성 접합부(115)로부터 안쪽으로 연장되고 부동 내부 육각형(145)의 3중 노드(135)와 연결되는 리브(140, 160) 또는 이러한 리브에 의해 지지되는 후술되는 다른 기하학적 구성은 "엔지니어링된 불연속부" 또는 "부동하는 엔지니어링된 불연속성"을 포함한다.
또한, 본 발명은 전술한 다축 일체형 지오그리드(100)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 폴리머 시트(300)를 제공하는 단계; 폴리머 시트(300)에 패터닝된 복수의 구멍 또는 오목부(310)를 제공하는 단계; 및 내부에 패터닝된 복수의 구멍 또는 오목부(310)를 갖는 폴리머 시트(300)를 배향하여, 다축 일체형 지오그리드(100)의 전체에 걸쳐 연속으로 연장되는 3개의 선형 스트랜드를 포함하여, 내부에 개구부(170, 180, 190)의 어레이를 갖는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드(120, 140, 145, 150, 160)와, 상호 연결된 배향성 스트랜드와 개구부의 외부 육각형(110) 패턴 내의 반복하는 부동 육각형(130)을 제공하는 단계를 포함한다.
일반적으로, 폴리머 시트(300)에 구멍 또는 오목부가 마련되면, 다축 일체형 지오그리드(100)는 상기 식별된 선행 기술 특허에 설명되고 당업자에게 공지된 방법에 따라 시트(300)로부터 생산될 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 외부 육각형(110) 및 더 작은 내부 육각형(130)의 육각형 기하학적 형상은 본 발명의 부동 기하학적 구성을 제공하기 위한 바람직한 실시예이다. 그러나, 본 발명의 범위 내에서 다른 기하학적 형상이 가능하다. 예를 들어, 기하학적 형상은 외부 직사각형 또는 정사각형의 각각의 내부 코너를 더 작은 내부 직사각형 또는 정사각형의 대응하는 외부 코너에 연결하는 4개의 지지 또는 연결 스트랜드를 갖는 직사각형 또는 정사각형일 수 있다. 또는, 기하학적 형상은 외부 삼각형의 인접한 내부 코너와 더 작은 내부 삼각형의 외부 코너 사이에 3개의 지지 또는 연결 스트랜드만을 갖는 삼각형일 수 있다. 또한, 다른 다각형 형상도 본 발명의 범위 내에서 고려된다.
선행 문단에서 설명된 본 발명의 직사각형 또는 정사각형 실시예에서, 바람직하게는, 각각의 외부 직사각형 또는 정사각형에 대해 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부에 의해 정해진 2개의 선형 스트랜드가 있을 것이며, 이러한 연속 스트랜드는 서로 대략 90°의 각도로 연장된다. 삼각형 실시예에서, 바람직하게는, 본 명세서에서 상세히 설명되는 바람직한 육각형 실시예의 선형 스트랜드(120)와 유사하게, 대략 120°만큼 서로로부터 연장되는 각각의 외부 삼각형에 대한 3개의 이러한 선형 스트랜드가 있을 것이다.
또한, 다른 기하학적 형상이 본 발명으로부터 벗어나지 않으면서 가능할 수 있다. 예를 들어, 내부 기하학적 형상은 본 명세서에 개시된 바람직한 실시예와 유사한 6개의 지지 스트랜드를 갖는 바람직한 외부 육각형 형상 내에서 지지되는 원형 링일 수 있다. 따라서, 외부 반복 구조와 내측 또는 내부 부동 구조의 기하학적 형상은 동일한 기하학적 형태로 제한되지 않도록 의도된다.
전술되고 첨부된 도면에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 지오그리드 실시예는 단일층 구조를 포함하고; 따라서, 도 3과 관련하여 도시되고 설명된 출발 시트(300)의 조성은 단일 폴리머 또는 코폴리머로 구성된다.
일체형 지오그리드(100)의 바람직한 실시예가 더 작은 부동 내부 육각형(130)을 둘러싸고 지지하는 외부 육각형(1210)을 이용하여 전술되었지만, 본 발명은 또한 부동하거나 휘어지지(변형되지) 않고 오히려 지오그리드의 평면에 남아 있는 더 작은 내부 육각형(130)을 둘러싸고 지지할 수 있다는 것을 고려한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 도 2, 도 4 및 도 5에 도시되고 도 3에 도시된 출발 시트 재료로 제조된 일체형 지오그리드(100)는 부동하거나 휘어지지 않는 더 작은 내부 육각형을 갖도록 제조될 수 있다. 따라서, 본 발명의 육각형 패턴 내에서 반복하는 육각형은 내부 육각형(130)이 부유할 수 있는지 여부에 관계 없이 동일하다.
마지막으로, 다축 일체형 지오그리드(100)의 각각의 외부 육각형(110)은 본 출원에 개시된 바와 같이 그 내부에 부동 육각형(130)을 포함하는 것이 명백히 바람직하다. 한편, 본 발명의 범위 및 의도로부터 벗어나지 않으면서, 일부 개별 펀치 패턴을 변경하거나 다른 방법에 의해 육각형(130)이 외부 육각형(110)의 일부에서만 둘러싸여 지지되고 다른 외부 육각형이 종래 기술에 포함된 것과 같이 상이한 내부 구조를 지지하는 다축 일체형 지오그리드를 생산하는 것이 가능하다. 이러한 수정된 일체형 지오그리드가 부동하거나 부동하지 않는 더 작은 내부 육각형(130)을 둘러싸고 지지하며 지오그리드의 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 실질적으로 평행한 선형 스트랜드, 즉 본 명세서에 포함된 개시 내용에 따른 강축 스트랜드의 필수 어레이를 획정하는 하나 이상의 외부 육각형(110)을 포함하는 한, 이러한 수정된 일체형 지오그리드는 발명의 범위 내에 속하는 것으로 현재 믿어진다.
위의 "배경기술" 섹션에 나타낸 바와 같이, 종래 기술의 지오그리드는 대부분의 골재 입자가 개구의 개방 공간으로 물리적으로 "떨어지게" 하기에 충분히 큰 개구를 갖는 개념을 활용한다. 그러면, 지오그리드는 부하가 위로부터 가해짐에 따라/가해질 때 이러한 입자를 측방향으로 제한함으로써 이점을 제공한다. 부하가 위로부터 가해짐에 따라, 골재 입자는 아래로 그리고 밖으로(측방향으로) 움직이려고 하고, 지오그리드는 두 가지 모두 발생하는 것을 방지한다. 이와 같이, 종래 기술의 지오그리드의 기본 전제는 골재 입자가 개구를 "통과"하거나 "관통"할 필요가 있다는 것이다. 종래 기술의 이러한 관통 개념은 Walsh HAR 특허에 의해 확인되며, 이에 의해 "구속"을 촉진하기 위한 키가 큰/얇은 리브의 높은 종횡비 개념은 골재의 측방향 퍼짐에 대해 훨씬 더 나은 저항을 제공한다.
대조적으로, 본 발명은 비연속 스트랜드를 따르는 모든 다른 접합부를 개방된 육각형 또는 다른 개방된 기하학적 구성으로 변환하였다. 이러한 고유한 구성은 적어도 2개의 유의미한 변경을 생성한다. 첫째, 본 발명은 접합부가 존재하는 개구 구조를 생성하여, 이에 의해 "비구속 요소"가 있는 곳에 "구속 요소"를 도입한다. 바람직한 실시예에서, 내부 육각형에 의해 형성된 개구는 육각형을 형성하는 6개의 리브의 생성을 포함하고, 이러한 리브는 이제 골재와 상호 작용하고 골재를 지지하는 데 이용 가능하지만, 교체된 접합부는 단지 지오그리드 자체에 대한 "연결 지점"일 뿐이다. 둘째, 본 발명은 도 1 및 도 16에 도시된 3축 지오그리드의 삼각형 개구와 비교하여 도 2 및 도 17에 도시된 6개의 사다리꼴 개구에 대한 개구 크기를 감소시켜 더 넓은 범위의 골재 크기 및 품질을 더 잘 보유하여 구속한다.
이와 같이, 놀랍게도, 본 발명에 따른 개선된 지오그리드의 "목표"는 종래 기술에서 이전에 구체화된 바와 같이 대부분의 골재 입자가 개구 내로 떨어지게 하는 것이 아니라는 것이 발견되었다. 오히려, 이하에 보고되는 테스트 결과에 의해 입증되는 바와 같이, 본 발명의 지오그리드 구성은 종래 기술의 구조보다 단위 면적당 지오그리드에서 더 많은 기능적 요소를 생성하며(상기 표 3 참조), 더 많은 골재 입자가 더 많은 개구로 부분적으로 관통하게 하는 대신에 입자가 개구를 통해 떨어지지 않게 하는 것이 본 발명의 목표이다. 내부에 구속되는 골재 입자 및 지오그리드 사이의 이러한 놀라운 새로운 상호 작용은 본 발명을 종래 기술에 비교하여 도 25a 및 도 25b의 비교 도면에 의해 예시된다.
전술한 놀라운 발견은 다음의 테스트 및 그로부터의 결과에 의해 입증된다.
예를 위한 테스트 방법
테스트 1 - 보유
입상 재료와의 상호 작용을 개선하기 위한 다축 지오그리드의 성능은 간행된 지침(예를 들어, "Tensar Installation Guideline IG/ TriAx", 2020.10.19.)에 개요가 서술된 설치 방법에 따라 지오그리드 상의 "캐스케이드되는" 입상 재료를 시뮬레이션하기 위한 소규모 테스트를 이용하여 평가되었다. 이러한 소규모 테스트는 개방된 상자를 포함하며, 대략 350 ㎜×350 ㎜ 크기의 지오그리드 시편이 개방된 상자 위에 클램핑된다. 그 다음, 20 ㎜ 내지 40 ㎜의 입자 크기로 등급이 분류된 2 ㎏의 입상 재료가 "브러싱" 동작을 통해 지오그리에 걸쳐 캐스케이드된다. 20 ㎜ 내지 40 ㎜의 입자 등급 분류는 더 작거나 더 큰 입자 크기와 연관된 과도한 가변성을 제거하면서 토목 공학 구조를 건설하는 데 일반적으로 사용되는 등급 분류를 실험적으로 나타낸다. 각각의 테스트에 대하여, 지오그리드에 의해 "포획되는" 입상 재료의 양과 지오그리드를 통해 박스 내로 아래로 떨어지는 입상 재료의 양이 측정된다. 2가지 결과가 비교된다. 입상 재료를 "포획"하도록 더 잘 설계된 지오그리드는 지오그리드에 더 많은 입상 재료 보유할 것이고 훨씬 더 적은 재료가 지오그리드 시편 아래의 개방된 상자에 떨어지게 할 것이다. 동일한 2 ㎏ 배치(batch)의 입상 재료를 사용하여 각각의 지오그리드 유형에 대해 10회의 반복되는 테스트에 기초하여 통상적인 비교가 이루어진다.
테스트 2 - 패임
차랑 트래픽에 기인하는 패임에 저항하는 다축 지오그리드의 성능이 Webster, S. L.; "Geogrid Reinforced Base Course for Flexible Pavements for Light Aircraft: Test Section Construction, Behavior Under Traffic, Laboratory Tests, and Design Criterial" Report DOT/FAA/RD-92, December 1992에 설명된 것과 같은 잘 확립된 필드 테스트를 시뮬레이션하기 위한 소규모 테스트를 이용하여 평가되었다. 소규모 테스트는 다축 지오그리드의 트래픽 성능에 대하여 잘 확립된 필드 테스트의 결과를 재현하도록 설계되었고, 기본 점토 노반, 단일 층의 지오그리드 및 압축된 입상 하위 기반으로 구성된 테스트 섹션을 포함한다. 테스트 섹션은 단일 가중 휠의 부하를 받는다. 휠은 단일 수평 경로를 따라 테스트 섹션을 가로지르며, 테스트 섹션의 한쪽 단부로부터 다른 단부로 지속적으로 방향을 바꾼다. 지오그리드가 없는 대조 테스트는 이러한 테스트에서 빠르게 실패할 것이다. 예를 들어, 보강되지 않은 테스트 섹션에서의 휠이 1000회 이하의 패스 후에, 깊은 패임이 형성될 것이다. 적절하게 설계된 다축 지오그리드를 보강재로 사용함으로써, 보강되지 않은 테스트 섹션과 비교하여 감소된 양의 패임 깊이가 주어진 횟수의 휠 패스에 대하여 발생할 것이다. 이러한 감소된 패임 깊이는 토목 공학 구조의 수명에 영향을 미치며, 보강되지 않은 구조의 수명보다 최대 50배까지 수명을 연장할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 보강된 도로 또는 기타 토목 공학 구조는 증가된 수명과 감소된 유지 보수 요구 사항을 가질 것이다.
본 발명과 관련하여 사용된 전술한 소규모 테스트는 Walsh HAR 특허(미국 특허 제10,501,896호, 컬럼 10, 43 내지 67행 참조)에 설명되고 그 내에 보고된 데이터를 생성한 것과 동일한 소규모 테스트이다.
예 - 테스트 1(보유)
입상 재료와의 상호 작용을 개선하기 위한 다축 지오그리드의 성능은 간행된 지침에서 개요가 서술된 설치 방법에 따라 지오그리드 상으로 "캐스케이드되는" 입상 재료를 시뮬레이션하기 위하여 소규모 테스트를 이용하여 평가되었다.
시판 종래 기술의 TriAx® 지오그리드(도 23a 참조)의 샘플은 20 ㎜ 내지 40 ㎜의 입자 크기로 등급이 분류된 2000 g 배치의 입상 재료가 이의 표면에 걸쳐 캐스케이드되게 하였다. 지오그리드를 통해 아래의 상자로 떨어지는 재료의 무게가 측정되었으며, 지오그리드 상에 보유되는 재료도 마찬가지였다. 이 테스트는 동일한 시편에 대해 10회 반복되었으며 각각의 반복에서 동일한 2000 g 배치의 입상 재료가 사용되었다.
그 다음, 이 실험은 Lab 79로 식별되는 본 발명의 시편에 대해 반복되었다(도 23b 참조). Lab 79는 이미 테스트된 종래 기술의 TriAx® 지오그리드와 동일한 시트 재료 레시피로 제조되었다. 종래 기술의 TriAx® 지오그리드를 평가하는 데 사용된 동일한 2000 g 배치의 입상 재료가 Lab 79를 평가하는 데 사용되었다.
결과는 아래 표 4에 나와 있다:
Figure pct00005
상기 표 4에 나타낸 결과는 본 발명의 다축 지오그리드의 모든 기하학적 요소의 결합된 효과가 종래 기술의 다축 지오그리드와 비교할 때 동일한 입상 재료와 상호 작용하는 이의 능력을 상당히 개선하는 것을 나타낸다. 종래 기술의 지오그리드가 지오그리드를 통해 떨어지는 나머지 86%와 함께 그 표면을 가로질러 캐스케이드된 재료의 14%만 보유 또는 포획한 반면, 본 발명의 지오그리드는 입상 재료의 96%를 포획하고 4%만이 떨어진다. 입상 재료와 상호 작용하는 본 발명에 따른 지오그리드의 능력에서의 이러한 매우 큰 개선은 트래피킹 테스트에서 패임에 대한 저항성을 개선하는데 유익하다.
또한, 표 4에 보고된 테스트 결과는 도 26a 및 도 26b에 도시된 박스 플롯에도 도시된다. 도 26a에서 볼 수 있는 바와 같이, 2000 g 배치의 입상 재료의 매우 큰 비율은 501에서 테스트 플롯에 의해 표시된 바와 같이 TriAx® 지오그리드를 통과했으며, 502에서의 플롯 테스트에 의해 표시된 바와 같이 작은 비율만 지오그리드 상에 보유되었다. 극적인 대조로, 도 26b에 도시된 바와 같이, 503에서의 테스트 플롯에 의해 표시된 바와 같이, 동일한 2000g 배치의 입상 재료의 작은 비율만이 본 발명의 지오그리드를 통과한 반면, 504에서의 테스트 플롯에 의해 표시된 바와 같이, 거의 모든 골재가 보유되었다.
본 발명에 따르면, 놀랍게도, 표준 보유 테스트에서 골재를 "보유"하는 지오그리드의 능력이 종래 기술에 의해 사용된 "통과/관통" 개념보다 더 나은 예측 인자라는 것이 발견되었다. 더욱 구체적으로, 임의의 특정 골재에 대해 전술한 보유 테스트에서의 적어도 50%의 지오그리드에 의한 보유는 테스트된 지오그리드 및 테스트된 골재를 포함하는 복합 구조에서 효과적인 지오그리드를 예측해야 한다고 현재 여겨진다. 더욱 바람직하게는, 보유 테스트는 75%보다 큰 보유 그리고 더욱 바람직하게는 적어도 90% 이상을 보여주어야 한다.
예 - 테스트 2(패임)
차량 트래픽으로 인한 패임에 저항하기 위한 다축 지오그리드의 성능이 잘 확립된 필드 테스트를 시뮬레이션하기 위해 소규모 테스트를 사용하여 평가되었다.
트래피킹 테스트가 아래의 표 5에 나타낸 시편에 대해 수행되었다. 이 표는 본 발명의 대상인 육각형 기하 구조 내의 바람직한 부동 육각형에 대한 8회 테스트 및 종래 기술의 Walsh HAR 특허 기하학적 구조에 대한 18회 테스트에 관한 데이터를 보여준다. 시편은 이러한 동일한 폴리머 재료(폴리프로필렌)로 제조되었고, 추가 펀치 제외한 동일한 펀치 패턴이 도 6(종래 기술)에 도시된 이전의 Walsh HAR 특허의 지오그리드와 도 7에 도시된 본 발명의 지오그리드의 복제인 도 27에 도시된 바와 같은 명목상으로 동일한 육각형 A/F(across the flats) 치수를 갖는 지오그리드 샘플을 생산한 내부 육각형 및 유사한 출발 시트 두께의 범위를 형성하기 위해 본 발명의 시편에 대해 활용되었다. 도 6(종래 기술) 및 도 7은 각각의 외부 육각형 내의 개구의 치수를 설명하기 위해 도 28에서 다시 재현된다. 도 6(종래 기술) 샘플에서, 치수 A, B 및 C = 33 ㎜ +/-3 ㎜이고, 본 발명의 샘플에서, 치수 A = 35 ㎜ +/-3 ㎜, 치수 B = 24 ㎜ +/- 3 ㎜ 및 치수 C = 30 ㎜ +/-3 ㎜이다. 종래 기술의 시편은 본 발명에 따라 제조된 시편의 리브 종횡비를 훨씬 초과하는 리브 종횡비를 가진다. 표 5에서, 도 13 및 도 14에 도시된 리브 A가 비교를 위해 사용된다.
Figure pct00006
표 5에서의 데이터는, 패임에 대한 저항의 측면에서의 성능 표시자로서, 10,000회 패스 후 표면 변형에 대한 리브 종횡비를 플롯하는 데 사용할 수 있다. 전술한 플롯은 도면의 도 24에 제시되며, 여기서 본 발명의 시편은 "InterAx"로 식별된다.
도 24로부터 명백한 바와 같이, 종래 기술의 다축 지오그리드는 종래 기술의 Walsh HAR 특허의 도 5에 도시된 것과 유사한 거동을 나타냈다. 리브 종횡비가 증가함에 따라 종래 기술의 지오그리드의 성능 향상이 평준화되는 경향이 있다. 1의 리브 종횡비가 표면 변형을 약 45 ㎜ 표면 변형으로 제한하지만, 2로의 종횡비 증가는 변형을 42 ㎜로 감소시킨다. 변형을 40 ㎜로 제한하기 위해 종횡비를 5로 증가시킨다.
본 발명의 대상인 바람직한 기하학적 구조에 따라 제조된 지오그리드 시편의 경우, 1.4의 종횡비는 변형을 40 ㎜와 30 ㎜ 사이로 제한하는 반면, 2.6으로의 종횡비 증가는 변형을 28 ㎜와 22 ㎜ 사이로 제한한다. 이 테스트 데이터는 토목 공학 용례에서 골재를 안정화시키고 강화하기 위한 본 발명의 적합성에서 종래 기술의 Walsh HAR 특허의 지오그리드에 비해 본 발명의 실질적인 개선을 입증한다.
전술한 것으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 지오그리드는 지질 공학 용례에서 골재와 결합하고 이를 가두어 강화하기 위한 육각형 구성 내의 부동 육각형의 고유한 구조 및 작동으로 인해 종래 기술의 지오그리드에 비해 상당한 개선을 제공한다.
더욱 구체적으로, 기존의 상업용 종래 기술 지오그리드는, 제조 방법에 관계없이, 배향성 리브/스트랜드와 이들의 접합부 및 노드 사이에 형성된 개구 개구부의 하나의 기본 반복 형상 및 크기를 활용했다. 직사각형, 정사각형 및 삼각형과 같은 형상이 활용되었다. 또한, 하나의 기본 반복 형상의 개구의 사용은 교차하는 접합부 또는 노드에서 2개의 인접한 리브 사이에 형성된 각도가 지오그리드 전체에 걸쳐 항상 동일하다는 것을 의미한다.
또한, 기존의 종래 기술 지오그리드는, 제조 방법에 관계없이, 주요 방향으로 반복하는 연속 리브를 갖는다. 앞서 언급한 Mercer 특허에서와 같이 정사각형 또는 직사각형 개구를 갖는 제품에서, 이러한 리브는 직교하며 통상적으로 기계 방향에 대해 0° 및 90°로 지나갈 것이다. Walsh '112 특허에서와 같이 삼각형 개구를 갖는 제품에서, 이러한 리브는 삼각형의 형태에 따라 달라질 것이다. 통상적인 정삼각형에서, 이러한 리브는 기계 방향에 대해 30°, 90° 및 150°로 지나갈 것이다.
또한, 기존의 상업용 종래 기술 지오그리드는, 역시 제조 방법에 관계없이, 통상적으로 진행 방향에 관계없이 대략 동일한 단면적 및 종횡비의 리브를 갖는다.
종래 기술의 지오그리드 특징의 이러한 유사성은 지오그리드가 지오그리드와 입상 재료를 포함하는 복합 매트릭스의 일부로서 지오그리드의 성능을 개선할 수 있도록 하는 제품의 특성이 지오그리드의 본체 전체에 걸쳐 대체로 유사하다는 것을 의미한다. 종래 기술에서 언급된 이들 특성은 개구 안정성 계수, 지오그리드의 면내 및 면외 강성, 면내 또는 면외에서의 리브 굴곡 강성, 개구 개방 면적, 개구 형상 및 리브 종횡비를 포함할 것이다(그러나 배타적이지는 않을 것이다).
따라서, 본 발명에 따르면, 복합 매트릭스에서의 지오그리드의 성능은, 지오그리드가 그 반복하는 기하학적 구조뿐만 아니라 그 개별적인 특징 모두에서 더 가변적이라면, 복합 매트릭스의 다른 컴포넌트를 포함하는 입상 재료와 더 잘 통합하도록 개선될 수 있다. 복합 매트릭스의 컴포넌트로 사용되는 대부분의 입상 재료는 형상이나 크기에 있어서 균일하지 않지만, 예를 들어 20 내지 40 ㎜, 10 내지 63 ㎜, 20 내지 70 ㎜ 등의 크기 범위로 "등급이 분류된다". 일반적으로 사용되는 전통적인 입상 재료에 대한 통상적인 등급 분류 곡선은 아래의 "통상적인 등급 분류 곡선(Typical Aggregate Grading Curves)" 차트에 나와 있다.
Figure pct00007
전통적인 입상 재료가 점점 더 희소해지고 더 비싸짐에 따라, 건설에 활용되는 입상 재료에서의 더 넓은 범위의 가변성이 널리 퍼지고 있다. 이러한 확산은 전통적인 고품질 천연 골재의 채석과 연관된 환경적 영향을 최소화해야 할 필요성, 예를 들어 천연 골재를 채석하는 것의 에너지 및 환경적 영향, 채석 활동을 중지하라는 압력, 채석된 재료를 현장으로 수송하는 것의 영향, 국부적으로 사용 가능한 입상 재료 또는 재활용된 재료를 활용하기 위한 더 큰 희망에 의해 크게 좌우된다.
이와 같이, 놀랍게도, 본 발명의 다축 지오그리드는 앞서 언급한 더 열악한 품질 및 더 다양한 입상 재료와 함께 더 잘 수행되고 또한 종래 기술의 상업용 지오그리드보다 더 양호하게 등급 분류된 전통적인 입상 재료와 함께 더 잘 수행된다는 것이 발견되었다. 본 발명의 지오그리드 구성은 기존의 종래 기술 지오그리드를 능가하며 더 이상 Walsh HAR 특허의 높은 종횡비 선행 기술 지오그리드에 존재하는 동일한 "수확 체감(diminishing returns)" 규칙을 따르지 않는다. 특정 용례에서 의도된 골재와 관련한 개구의 크기는 이전의 상업용 지오그리드에서 최적화되어야 하지만, 개구 형상, 크기 및 내부 각도는 거시적 및 미시적 수준의 각각 다르게 구성된 지오그리드 내에서 모두 동일하였고, 반복하는 정삼각형 패턴에 기초한 지오그리드는 직사각형 또는 정사각형 개구부에 기초한 것보다 더 양호하게 수행하는 경향이 있다. 대조적으로, 본 발명에 따르면, 다축 지오그리드는 상이한 형상 및 크기의 개구, 복수의 구속 각도로 구성되고, 상이한 길이, 높이 및 폭의 리브로 형성되는 반복하는 기하학적 구조를 가지며, 리브는 바람직하게는 1.0보다 큰 종횡비를 가지며; 리브의 일부, 즉 강축 스트랜드는 그리드에 걸쳐 가로 방향으로 그리고 대각선 방향으로 선형 방식으로 연속적으로 연장되는 반면, 다른 스트랜드는 국부 컴플라이언스 구역, 즉 엔지니어링된 불연속성을 제공하기 위해 중단된다.
더욱 구체적으로, 새로운 기하학적 구조 및 개구/개구부 크기 및 형상으로, 놀랍게도, 본 발명이 더욱 다양한 골재의 구속 및 안정화에 있어서 2가지 개선을 달성한다는 것이 발견되었다. 첫째, 다양한 크기 및 형상의 개구/개구부를 가짐으로써, 본 발명의 지오그리드는 채석장으로부터 공급되는 "천연" 광물 골재 또는 이것이 공급되어 가공되는 방법으로 인한 다양한 크기 및 형상의 채굴 방법과 더 잘 매칭할 수 있다. 둘째, 본 발명의 지오그리드는 천연 골재와 다른 물리적 특성을 갖는 경향이 있는 재활용 콘크리트 및 유리와 같은 "비천연" 골재 대안을 더 잘 수용하고 안정화시킨다. 종래 기술의 지오그리드가 천연 골재용으로 구성된 반면, 본 발명의 기하학적 구조는 천연 골재와 비천연 골재 모두와 성공적으로 결합하여 이를 가두고 안정화시킬 수 있다.
전술한 내용에 더하여, 본 발명에 따라 제조된 지오그리드에 의해 획득되는 성능 개선 이외에 Mercer 특허 및 Walsh HAR 특허에 따라 제조된 것과 같은 종래 기술의 상업용 지오그리드로 직면되는 비용에 비해 건축 재료 비용 절감, 본 발명의 지오그리드를 구체화하는 지질 공학 매트릭스의 구성을 위한 시간 절감 및 이산화탄소 환산량(CO2e)에서의 절감이 예상되어야 한다(https://www.sustainablebusinesstoolkit.com/difference-between-co2-and-co2e/ 참조)는 것이 발견되었다. 현재 평가에 따르고 높은 종횡비의 리브를 갖는 Walsh HAR 예 이외의 유사한 물리적 특성을 갖는 지오그리드와 본 명세서에 설명된 본 발명에 따라 기술된 바람직한 기하학적 구조를 갖는 본 명의 예를 비교하면, 본 발명에 따라 제조된 지오그리드에 의해 성취되는 비용 절감은, 아래의 표 6에 나타낸 바와 같이, 전술한 종래 기술의 특허에 따라 제조된 지오그리드를 이용하는 비용에 비하여 10% 내지 최대 40% 이상일 수 있다.
Figure pct00008
위에서 표시된 바와 같이, 표 6은 종래의 "지오그리드 없음" 구성, 원래의 Mercer 미국 특허 제4,374,798호에 따른 Tensar의 상용화된 2축 지오그리드 구조, Walsh HAR 특허에 해당하는 Tensar의 상용화된 3축 지오그리드 구조 및 본 발명의 활용에 대한 예상을 비교한다. 각각의 비교 지오그리드에 대한 골재층의 표준 두께는 상대적인 비교를 위해 설명된다. 계산은 적어도 영국과 유럽에서는 표준 건설 산업 계량 단위인 "차선 km(lane km)"를 기초로 한다. "톤"에 대한 언급은 미터톤(2,200 파운드와 동일)을 나타낸다.전술한 설명 및 도면은 본 발명의 원리를 설명하는 것으로 간주되어야 한다. 본 발명은 다양한 크기로 구성될 수 있으며 육각형 실시예 내에서 바람직한 육각형의 정확한 형상으로 제한되지 않는다. 또한, 많은 수정 및 변경이 당업자에게 쉽게 떠오를 수 있기 때문에, 설명되고 도시된 정확한 구성 및 동작으로 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 않다. 오히려, 본 발명의 이러한 범위 내에 속하는 모든 적합한 수정 및 등가물이 재분류될 수 있다.

Claims (41)

  1. 내부에 개구부 어레이를 갖는 외부 육각형의 반복 패턴을 형성하는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부를 포함하는 다축 일체형 지오그리드로서,
    상기 외부 육각형의 각각은 배향성 스트랜드를 갖는 더 작은 내부 육각형을 지지하고 둘러싸며,
    상기 외부 육각형의 상기 배향성 스트랜드 및 상기 부분 배향성 접합부는 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 복수의 선형 스트랜드를 획정하는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 선형 스트랜드는 외부 육각형의 내부와 교차하지 않고 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 배향성 스트랜드는 2축 연신되는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 더 작은 내부 육각형은 골재의 압축 동안 상기 지오그리드의 평면 밖으로 상하로 편향될 수 있는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  5. 제4항에 있어서, 상기 더 작은 내부 육각형은 상기 부분 배향성 접합부의 두께의 약 33%까지의 상기 골재의 압축 동안 상기 지오그리드의 평면 밖으로 상하로 편향될 수 있는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배향성 다축 일체형 지오그리드는 3축 일체형 지오그리드의 개별 개구 면적 분포, 강도 및 강성에 비해 증가된 개별 개구 면적 분포 및 강성을 나타내는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배향성 스트랜드는 반복하는 육각형, 사다리꼴 및 삼각형 형상을 갖는 개구부를 형성하는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 스트랜드가 약 120°만큼 서로 분리된, 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 3개의 연속 강축 스트랜드가 있는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지오그리드는 단일층(monolayer)인 것인 다축 일체형 지오그리드.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지오그리드는 약 3 ㎜ 내지 약 9 ㎜의 두께를 갖는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  11. 제10항에 있어서, 상기 지오그리드는 약 4 ㎜ 내지 약 7 ㎜의 두께를 갖는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  12. 제7항에 있어서, 상기 개구부는 적어도 200 ㎟의 다양한 입자 크기의 입상 재료의 상호 작용 범위를 제공하는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배향성 스트랜드는 적어도 1.0, 바람직하게는 약 1.86보다 큰 종횡비를 갖는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  14. 제4항에 있어서, 상기 더 작은 내부 육각형은 주변 외부 육각형의 전체 두께의 33%만큼 상하로 편향될 수 있는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  15. 제4항에 있어서, 상기 더 작은 내부 육각형은 약 50% 내지 약 75% 정도의 컴플라이언스 영역에서의 상기 골재의 압축 동안 상기 지오그리드의 평면 밖으로 상하로 편향될 수 있는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  16. 폴리머 시트를 포함하는 다축 일체형 지오그리드를 제조하기 위한 출발 재료로서, 상기 폴리머 시트는, 상기 시트가 2축 연신될 때 상기 다축 지오그리드의 전체에 걸쳐 연속으로 연장되는 복수의 선형 스트랜드 및 3개의 상이한 형상의 개구부를 제공하는 복수의 구멍 또는 오목부의 패턴을 내부에 갖는 것인 출발 재료.
  17. 제16항에 있어서, 상기 구멍 또는 오목부의 패턴은 상기 시트가 2축 연신될 때 개구부의 육각형 패턴 내에 배향성 스트랜드로 형성된 반복하는 육각형을 제공하는 것인 출발 재료.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 3개의 상이한 형상의 개구부는 반복하는 육각형, 사다리꼴 및 삼각형 형상인 것인 출발 재료.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 시트는 약 3 ㎜ 내지 약 10 ㎜의 초기 두께를 갖는 것인 출발 재료.
  20. 제19항에 있어서, 상기 폴리머 시트는 약 5 ㎜ 내지 약 8 ㎜의 초기 두께를 갖는 것인 출발 재료.
  21. 제16항에 있어서, 상기 다축 지오그리드는 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따르는 것인 출발 재료.
  22. 다축 일체형 지오그리드를 제조하는 방법으로서,
    폴리머 시트를 제공하는 단계;
    상기 폴리머 시트에 패터닝된 복수의 구멍 또는 오목부를 제공하는 단계; 및
    내부에 상기 패터닝된 복수의 구멍 또는 오목부를 갖는 상기 폴리머 시트를 배향시켜 내부에 개구부 어레이를 갖는 외부 육각형의 반복 패턴을 형성하는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 외부 육각형의 각각은 상기 외부 육각형 내부에서 배향성 스트랜드를 갖는 더 작은 내부 육각형을 지지하고 둘러싸며, 상기 외부 육각형의 상기 배향성 스트랜드 및 상기 부분 배향성 접합부는 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 복수의 선형 스트랜드를 형성하는 것인 방법.
  23. 다축 일체형 지오그리드를 제조하는 방법으로서,
    폴리머 시트를 제공하는 단계;
    상기 폴리머 시트에 패터닝된 복수의 구멍 또는 오목부를 제공하는 단계; 및
    내부에 상기 패터닝된 복수의 구멍 또는 오목부를 갖는 상기 폴리머 시트를 배향시켜 내부에 개구부 어레이를 갖는 외부 육각형의 반복 패턴을 형성하는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 외부 육각형의 각각은 배향성 스트랜드를 갖는 더 작은 내부 육각형을 지지하고 둘러싸며, 상기 외부 육각형의 상기 배향성 스트랜드 및 상기 부분 배향성 접합부는 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 복수의 선형 스트랜드를 획정하는 것인 방법.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 내부에 상기 패터닝된 복수의 구멍 또는 오목부를 갖는 상기 폴리머 시트는 2축 연신에 의해 배향되는 것인 방법.
  25. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리머 시트는 약 3 ㎜ 내지 약 10 ㎜의 초기 두께를 갖는 것인 방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 폴리머 시트는 약 5 ㎜ 내지 약 8 ㎜의 초기 두께를 갖는 것인 방법.
  27. 제22항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개구부는 반복하는 육각형, 사다리꼴 및 삼각형 형상을 갖는 것인 방법.
  28. 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 다축 지오그리드는 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따르는 것인 방법.
  29. 다축 일체형 지오그리드 구조를 제공하는 방법으로서,
    내부에 패터닝된 복수의 구멍 또는 오목부를 갖는 폴리머 시트인 출발 재료를 2축 연신하여 내부에 개구부 어레이를 갖는 외부 육각형의 반복 패턴을 형성하는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부를 갖는 다축 일체형 지오그리드를 제공하는 단계 - 상기 외부 육각형의 각각은 배향성 스트랜드를 갖는 더 작은 내부 육각형을 지지하고 둘러싸며, 상기 외부 육각형의 상기 배향성 스트랜드 및 상기 부분 배향성 접합부는 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 복수의 선형 스트랜드를 획정함 -; 및
    미립자 재료 덩어리에 상기 다축 일체형 지오그리드를 매립하는 단계
    를 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 복수의 선형 스트랜드는 외부 육각형의 내부와 교차하지 않고 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 것인 방법.
  31. 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 개구부는 반복하는 육각형, 사다리꼴 및 삼각형 형상을 갖는 것인 방법.
  32. 제29항 또는 제30항에 있어서, 상기 다축 지오그리드는 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따르는 것인 방법.
  33. 내부에 개구부 어레이를 갖는 선택된 외부 기하학적 형상의 반복 패턴을 형성하는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부를 포함하는 다축 일체형 지오그리드로서,
    상기 외부 기하학적 형상의 각각은 배향성 스트랜드를 갖는 더 작은 내부 기하학적 형상을 지지하고 둘러싸고, 상기 내부 기하학적 형상은 상기 외부 기하학적 형상과 동일하거나 상이하며,
    상기 외부 기하학적 형상의 상기 배향성 스트랜드 및 상기 부분 배향성 접합부는 상기 다축 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 적어도 2세트의 실질적으로 평행한 선형 스트랜드를 형성하는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  34. 제33항에 있어서, 상기 외부 기하학적 형상과 상기 내부 기하학적 형상은 동일하고, 상기 형상은 삼각형, 직사각형, 사각형 및 육각형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  35. 제33항 또는 제34항에 있어서, 상기 내부 기하학적 형상은 상기 외부 기하학적 형상 내에서 가요성이거나 비가요성인 것인 다축 일체형 지오그리드.
  36. 보강되고 안정화된 복합 토양 구조로서,
    미립자 재료 덩어리; 및
    상기 미립자 재료에 매립되어 상기 미립자 재료와 결합되며, 내부에 개구부 어레이를 갖는 외부 육각형의 반복 패턴을 형성하는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부를 갖는 다축 일체형 지오그리드
    를 포함하고,
    상기 외부 육각형의 각각은 배향성 스트랜드를 갖는 더 작은 내부 육각형을 지지하고 둘러싸며,
    상기 외부 육각형의 상기 배향성 스트랜드 및 상기 부분 배향성 접합부는 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 복수의 선형 스트랜드를 형성하는 것인 복합 토양 구조체.
  37. 내부에 개구부 어레이를 갖는 외부 육각형의 반복 패턴을 형성하는 복수의 상호 연결된 배향성 스트랜드 및 부분 배향성 접합부를 포함하는 다축 일체형 지오그리드로서,
    상기 외부 육각형의 각각은, 배향성 리브(rib)에 의해, 더 작은 배향성 내부 기하학적 구성을 지지하며,
    상기 배향성 스트랜드, 상기 부분 배향성 접합부, 상기 배향성 리브 및 상기 더 작은 배향성 내부 기하학적 구성은 상기 다축 지오그리드 전체에 걸쳐 반복하는 적어도 3개의 상이한 기하학적 구성을 형성하고,
    상기 외부 육각형의 상기 배향성 스트랜드 및 상기 부분 배향성 접합부는 상기 다축 일체형 지오그리드 전체에 걸쳐 연속적으로 연장되는 복수의 선형 스트랜드를 획정하는 것인 다축 일체형 지오그리드.
  38. 제37항에 있어서, 상기 3개의 상이한 기하학적 구성은 육각형, 사다리꼴, 삼각형인 것인 다축 일체형 지오그리드.
  39. 미립자 골재와 관련된 특정 지오그리드의 성능을 결정하는 방법으로서,
    상기 지오그리드 및 상기 골재의 양으로 표준화된 보유 테스트를 수행하는 단계; 및
    상기 지오그리드가 상기 테스트 동안 상기 골재의 적어도 약 50%를 포획하는지 여부를 결정하는 단계
    를 포함하는 방법.
  40. 제39항에 있어서, 상기 포획에 대한 상기 결정은 적어도 75%이고, 바람직하게는 90%보다 큰 것인 방법.
  41. 제39항 또는 제40항에 있어서, 상기 지오그리드는 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 다축 지오그리드인 것인 방법.
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