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문제 정의
- 본 연구를 통한 지반침하 자동계측 시스템을 직접 현장에 적용하는데 있어, 시공성 및 내구성 측면의 추가 개선이 필요하였는데, 많은 지반침하가 예상되는 곳에서의 자력감지체 길이 증가로 인한 설치시 어려움 및 장기간 지중 센서의 안정적 기능유지를 위한 자력감지체 방수가 가능 큰 문제점으로 대두되었다. 이러한 문제점을 극복하고자, 본 연구에서는 지반침하 자동계측 시스템의 현장 설치시, 손쉬운 현장 운반 및 시공을 도모 할 수 있도록 개별 자력감지체를 현장에서 손쉽게 임의길이로 연결하여 다양한 현장 지층조건에 맞도록 시공할 수 있는 다연장 현장 조립형 시스템을 Fig.
- 본 연구에서는 디지털 홀센서를 이용한 자력감지 시스템 및 원위치 지반침하 자동 계측시스템을 개발하였으며 그 주요 내용은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 연약지반 개량시의 지반침하 계측기술을 대상으로, 실제 현장사례를 통한 기존 수동계측 방식의 문제점 및 현 자동계측 기술의 한계점을 분석하였다. 이에 대한 대안으로서 홀센서 기반의 지반침하 자동계측시스템을 개발하였으며, 개발 시스템을 준설매립에 의해 형성된 초연약지반 개량 현장 등에 적용함으로써 개발 기술의 검증 및 실용화 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 지표 및 지반내 임의 심도에 홀센서 기반의 자력감지 시스템을 위치시키고 각 위치별 시스템을 상부 데이터로거에 연결하는 방식의 단일홀 설치식 일체형 지반침하 자동계측 시스템을 개발 하였다.
- 그러나 본 개발 시스템은 특정 심도의 자력감지체에 고장이 발생하더라고 상시 교체가 가능하며, 교체후에는 지속적인 안정적 자동계측이 가능한 장점을 가지고 있다. 본 현장적용을 통해 자력감지체의 방수기능 보완 필요성이 제기되었으며, 이를 위해 앞서 언급된 탈기처리의 실리콘 엘라스토머를 자력감지체에 주입하는 방식을 고안하게 되었다.
제안 방법
- 0m 층후로 분포하고 있다. 1개소에 대하여 지표침하 및 GL-4.5m, GL-12.4m, GL-17.1m 지점의 층별침하를 총 422일에 걸쳐 2시간 주기로 측정하였다. 본 현장의 경우는 안정적 전원공급을 위하여 태양전지판을 사용하였으며, 데이터 취득 및 전송은 기존 6블럭 현장과 동일한 형식을 적용하였다.
- 0mm 두께에서는 일부 영역에서 부분적 불일치 현상이 발생하였다. 기준값과 실측값의 상호 일치성이 가장 우수한 경우를 선정하였으며, 이를 통해 최적 자력 감지조건의 자석 두께를 2.3mm로 결정하였다. 이러한 영구자석을 지표침하 측정용 플레이트와 지중 층별침하 측정용 스파이더에 일체형으로 장착한 플레이트 마그넷 및 스파이더 마그넷을 고안하였다.
- 18은 총 626일 동안의 지표침하 및 심도별 층별침하 계측결과를 나타낸 것으로서, 지표침하의 경우 기존 수동 측량방식에 의한 계측결과를 동시에 나타내었다. 단, 기존의 수동계측 방식은 그 적용지점이 지표면에 한정되는 바, 자동계측 시스템의 지표면 결과와의 비교, 분석을 수행하였다.
- 디지털 홀센서는 기존 아날로그 방식에 슈미트 트리거 회로(schmitt trigger circuit)를 추가하여 최종적인 디지털 출력방식을 구현하였으며, 최종 출력결과는 자력 감지 여부에 대한 ON 및 OFF 방식으로 처리되도록 고안되었다.
- 실리콘 엘라스토머(silicon elastomer)는 -60~300℃의 넓은 범위에서 탄성 등의 물성변화가 거의 없으며, 내후성, 내유성, 내열성, 수밀성 등이 우수한 재료이다. 별도 고안된 진공장치를 이용하여 실리콘 엘라스토머 내부의 공기를 제거한 후, 이를 자력감지체 내부에 충진함으로서 자력감지체 전체에 대한 강성 및 수밀성 극대화를 유도하였다.
- 본 연구를 통한 단일홀 설치식 일체형 지반침하 자동계측 시스템을 실제 연약지반 개량현장에 적용하여 그 시공성 및 기술검증을 수행하였다. 실제 적용사례 언급에 앞서, 본 연구개발품은 현장 시공과정은 Fig.
- 본 연구에서는 임의 고정된 위치에서의 자력감지를 위해 디지털 홀센서를 적용하였으며, 이러한 홀센서를 이용하여 2.5mm 수준의 지반침하 분해능 확보 및 저전력소모의 자력감지 시스템을 개발하였다. 디지털 홀센서는 실리콘 홀 소자와 증폭회로가 하나의 기판위에 Fig.
- 본 연구에서는 지반내에서 지반침하와 함께 자력의 위치 변화를 감지하는데 있어 디지털 홀센서를 적용하였다. 연구에 이용된 디지털 홀센서는 Fig.
- 자동 지반침하 계측시스템 설치 및 데이터 처리, 전송 방식 등은 기존과 동일하다. 본 현장에서는 초기 지반변형으로 인한 자력감지체 파손을 방지하기 위하여 기존의 플라스틱 가이프 파이프 대신 고강도 스테인레스 가이드 파이프를 사용하였다. 지표침하 측정을 위한 플레이트 마그넷을 DL+2.
- 자력감지 시스템의 경우, 고유번호가 지정된 디지털 홀센서를 회로기판에 일정간격으로 집적한 후, 각 센서에서 주위의 자력발생 유무를 실시간 출력하게 하고, 그 변화를 판정하여 최종적인 지반침하량을 평가하도록 하였다. 실내시험을 통해 최적 자력감지 조건의 자석두께를 2.3mm로 결정하였으며, 이러한 영구자석을 일체형으로 가공한 플레이트 마그넷과 스파이더 마그넷을 개발하여 지표침하 및 층별침하시 적용하였다. 자력감지 시스템을 기본으로 간격유지로드, 가이드 파이프, 플레이트 마그넷, 다수의 스파이더 마그넷, 데이터 처리장치 및 통신장치 등을 종합하여 Fig.
- 17과 같이 설치하였다. 실시간 자동 측정된 데이터는 로거에 자동 저장되며 RS-485 통신방식 및 CDMA 무선 모뎀을 이용하여 전송되는 방식을 적용하였고, 전원공급은 인근 집수정에서 직접 분기한 전원을 사용하였다.
- 앞서 언급된 현장 인근의 4블럭에도 자동 지반침하 계측시스템을 적용하여 압밀침하 계측을 수행하였다. 원지반 점토층이 5.
- 본 연구에서는 지반내에서 지반침하와 함께 자력의 위치 변화를 감지하는데 있어 디지털 홀센서를 적용하였다. 연구에 이용된 디지털 홀센서는 Fig. 7과 같은 홀 엘리먼트와 증폭 출력체계를 갖도록 설계되었으며, 본 연구에 사용된 홀센서는 고감도 자기센서로서, chip-on-chip 구조를 사용하여 높은 출력전압을 실현하였으며, 신뢰성 향상을 위해 전극막은 증착공정으로 제조되고 리드프레임과의 연결에는 금 와이어가 사용되었다.
- 35m로서 단계별 재하가 수행되었다. 연직배수공법에 의한 연약지반 개량공사가 수행되는 현장내에 Fig. 15와 같은 50m✕50m 규모의 별도 시험시공 구간을 2개소(TS-1, TS-2) 선정한 후, 개발된 자동 지반침하 계측시스템을 이용한 실시간 지표침하 및 3개 심도에 대한 층별침하를 측정하였다. 이와 함께 동일 지점에 대한 기존 수동계측 방식의 지반침하 계측을 동시에 수행하였으며, 계측결과 비교 및 분석을 통해 개발기술의 신뢰성 검증을 수행하였다.
- 2m 이상 상회하는 과다 지반침하가 발생하였다. 이 현장의 지반침하 계측은 지표면에 설치된 침하판을 이용한 수동계측 방식으로 수행되었으며, Fig. 1은 적용된 침하판 사양 및 0.8m 두께의 1차 쇄석포설이 완료된 후의 침하봉 현황이다. Fig.
- 본 연구를 통한 지반침하 자동계측 시스템을 직접 현장에 적용하는데 있어, 시공성 및 내구성 측면의 추가 개선이 필요하였는데, 많은 지반침하가 예상되는 곳에서의 자력감지체 길이 증가로 인한 설치시 어려움 및 장기간 지중 센서의 안정적 기능유지를 위한 자력감지체 방수가 가능 큰 문제점으로 대두되었다. 이러한 문제점을 극복하고자, 본 연구에서는 지반침하 자동계측 시스템의 현장 설치시, 손쉬운 현장 운반 및 시공을 도모 할 수 있도록 개별 자력감지체를 현장에서 손쉽게 임의길이로 연결하여 다양한 현장 지층조건에 맞도록 시공할 수 있는 다연장 현장 조립형 시스템을 Fig. 13과 같이 개발하였다.
- 3mm로 결정하였다. 이러한 영구자석을 지표침하 측정용 플레이트와 지중 층별침하 측정용 스파이더에 일체형으로 장착한 플레이트 마그넷 및 스파이더 마그넷을 고안하였다.
- 이에 대한 대안으로서 홀센서 기반의 지반침하 자동계측시스템을 개발하였으며, 개발 시스템을 준설매립에 의해 형성된 초연약지반 개량 현장 등에 적용함으로써 개발 기술의 검증 및 실용화 연구를 수행하였다.
- 자력감지 시스템은 영구 자석의 두께와 거리에 비례하여 자력 위치를 감지하게 되며, 최적의 자력감지를 위해 Fig. 10에서와 같이 영구자석을 2.0mm~4.0mm 범위 내에서 여러 가지 두께로 가공한 후 각 크기별 자력감지 실내시험을 수행하였다. 영구자석의 두께가 3.
- 3mm로 결정하였으며, 이러한 영구자석을 일체형으로 가공한 플레이트 마그넷과 스파이더 마그넷을 개발하여 지표침하 및 층별침하시 적용하였다. 자력감지 시스템을 기본으로 간격유지로드, 가이드 파이프, 플레이트 마그넷, 다수의 스파이더 마그넷, 데이터 처리장치 및 통신장치 등을 종합하여 Fig. 11과 같은 실시간지반침하 자동 계측시스템을 개발하였다. 본 시스템은 별도의 기준점 없이 지표침하와 다수 층별침하를 동시에 측정할 수 있는 원위치 지반침하 자동 계측시스템으로서 시공성 및 시공속도, 경제성, 운용관리상의 효율성 등이 매우 높다고 할 수 있으며, 필요시 손쉽게 재설치가 가능한 장점이 있다.
- 자력감지 시스템의 경우, 고유번호가 지정된 디지털 홀센서를 회로기판에 일정간격으로 집적한 후, 각 센서에서 주위의 자력발생 유무를 실시간 출력하게 하고, 그 변화를 판정하여 최종적인 지반침하량을 평가하도록 하였다. 실내시험을 통해 최적 자력감지 조건의 자석두께를 2.
- 지반침하 자동계측 시스템은 Fig. 11에서와 같이, 기본적으로 상부 지표침하와 함께 실시간 자력위치를 송출하는 ①플레이트 마그넷, 지반내 임의 심도에 설치되어 층별침하에 대한 실시간 자력위치를 송출하는 ②스파이더 마그넷, 지반내 임의의 원하는 위치에 자력발생 장치를 설치하기 위한 ③간격유지로드, 각 위치별로 지반침하에 따른 실시간 자력위치 감지를 위한 ④홀센서 기반의 자력감지시스템, 전체 시스템이 설치되며 지반변형에 따른 시스템 보호기능을 담당하는 고강도 ⑤가이드 파이프, 각 심도별 자력감지시스템으로부터 송출되는 자력의 디지털 신호를 감지하여 최종 지반침하량을 산정하는 ⑥데이터 처리장치, 전원공급 및 통신장치 등을 포함하는 ⑦상부 시스템운영 장치 등으로 구성되었다. Fig.
- 한편, 자력감지체가 지하수위하에서 장기간 그 기능을 유지하는데 있어 방수처리는 현실적으로 가장 중요한 부분이며, 본 연구에서는 자력감지체 보호 및 수밀성 확보를 위하여 실리콘 엘라스토머를 적용하고 이에 대한 별도 탈기처리를 통한 고밀도 충진 기술을 구현하였다. 실리콘 엘라스토머(silicon elastomer)는 -60~300℃의 넓은 범위에서 탄성 등의 물성변화가 거의 없으며, 내후성, 내유성, 내열성, 수밀성 등이 우수한 재료이다.
- 6m 재하성토 및 연직배수공법을 통한 지반개량이 수행되었다. 현장내 1개 지점을 대상으로 지표침하 및 지중 3개 심도에 대한 층별침하를 자동계측 방식으로 측정하였다. 자동 지반침하 계측시스템 설치 및 데이터 처리, 전송 방식 등은 기존과 동일하다.
대상 데이터
- 2개소(TS-1, TS-2)에 대하여 NX 규격의 지반천공 후, 자동 지반침하 계측시스템과 케이블을 설치하였다. 지표면 및 GL-8.
- 남해안 OO지역 신항 준설토 투기장 하부의 연약지반 개량현장을 대상으로 자동 지반침하 계측시스템을 이용한 압밀침하를 측정하였다. 연약지반은 대략 37m 전후의 층후로 분포하고 있으며, 최대 4.
- 본 현장은 남해안 해성점토를 준설매립하여 형성된 초연약 지반으로서, 원지반 점토층이 15.5m 층후로 분포하고 있으며, 그 상부에 준설매립층이 9.5m 층후로 분포하고 있다. 연직배수재 배치간격은 1.
- 1m 지점의 층별침하를 총 422일에 걸쳐 2시간 주기로 측정하였다. 본 현장의 경우는 안정적 전원공급을 위하여 태양전지판을 사용하였으며, 데이터 취득 및 전송은 기존 6블럭 현장과 동일한 형식을 적용하였다.
- Jeon 등(2008)은 준설매립 연약지반에 대한 지반개량 사례를 이용하여, 지반침하 계측결과 분석, 압밀특성치 재산정 및 압밀 재해석 수행 등을 포함하는 장래 침하거동 예측에 관한 연구결과를 발표하였다. 연구 대상지역은 준설매립에 의해 형성된 OO지역 지반개량 현장으로서, 원지반 점토층과 준설 매립층이 각각 10m에 달하는, 대략 20m 층후의 연약지반이다. 대상 현장에서는 지반개량이 상당기간 진행된 시점에서 당초 설계시의 예측 침하량을 대략 1.
- 본 현장에서는 초기 지반변형으로 인한 자력감지체 파손을 방지하기 위하여 기존의 플라스틱 가이프 파이프 대신 고강도 스테인레스 가이드 파이프를 사용하였다. 지표침하 측정을 위한 플레이트 마그넷을 DL+2.0m 지점에 설치하고 스파이더 마그넷을 DL-16.9m, DL-25.9m, DL-34.9m 지점에 설치하였다. Fig.
데이터처리
- 15와 같은 50m✕50m 규모의 별도 시험시공 구간을 2개소(TS-1, TS-2) 선정한 후, 개발된 자동 지반침하 계측시스템을 이용한 실시간 지표침하 및 3개 심도에 대한 층별침하를 측정하였다. 이와 함께 동일 지점에 대한 기존 수동계측 방식의 지반침하 계측을 동시에 수행하였으며, 계측결과 비교 및 분석을 통해 개발기술의 신뢰성 검증을 수행하였다.
성능/효과
- 결과에서 알 수 있듯이, 본 연구를 통한 자동 지반침하 계측시스템 및 기존의 수동계측방식에 의한 지표침하 결과가 유사하게 나타났으며, 각 심도별 층별침하 결과도 이론적 예측경향과 유사하게 나타남을 확인할 수 있다.
- 11과 같은 실시간지반침하 자동 계측시스템을 개발하였다. 본 시스템은 별도의 기준점 없이 지표침하와 다수 층별침하를 동시에 측정할 수 있는 원위치 지반침하 자동 계측시스템으로서 시공성 및 시공속도, 경제성, 운용관리상의 효율성 등이 매우 높다고 할 수 있으며, 필요시 손쉽게 재설치가 가능한 장점이 있다. 연약지반 개량이 진행되는 3개 현장을 대상으로 지반침하 자동 계측시스템을 적용한 결과, 모든 현장에서 장기간 안정적 지반침하 데이터를 취득할 수 있었으며, 동일지점에 대한 수동계측 결과와도 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
- 4에는 미치지 않는 것을 확인할 수 있다. 본 현장과 같이 2시간 정도의 짧은 주기에 대한 지반거동 계측결과를 이용하면 전체 지반거동에서 전단변형과압밀침하를 효과적으로 구분하는 것이 가능하며, 이는 자동 지반침하 계측의 큰 장점으로 판단된다.
- 본 시스템은 별도의 기준점 없이 지표침하와 다수 층별침하를 동시에 측정할 수 있는 원위치 지반침하 자동 계측시스템으로서 시공성 및 시공속도, 경제성, 운용관리상의 효율성 등이 매우 높다고 할 수 있으며, 필요시 손쉽게 재설치가 가능한 장점이 있다. 연약지반 개량이 진행되는 3개 현장을 대상으로 지반침하 자동 계측시스템을 적용한 결과, 모든 현장에서 장기간 안정적 지반침하 데이터를 취득할 수 있었으며, 동일지점에 대한 수동계측 결과와도 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 현장적용 과정을 통해 압밀침하량이 매우 크게 발생하는 현장의 경우, 자력감지 시스템을 임의 길이로 현장에서 연결할 수 있도록 개선하였으며, 탈기된 실리콘 엘라스토머 충진을 통해 방수성능과 내구성도 향상시킬 수 있었다.
- 일부 구간에서 자동 지반침하 계측시스템에 의한 계측 데이터가 누락된 것을 확인할 수 있는데, 이는 현장침수로 인하여 인근 집수정으로부터의 전원공급이 중단된 시기이며, 전원공급 이후에는 기존의 데이터 누락과 관계없이 안정적인 지반침하 계측이 가능하였다. 300일 경과시점 부근에서는 현장침수가 지속된 후, 자력감지체의 방수기능에 문제가 발생하여 상당기간 계측이 불가능하였다.
- 연약지반 개량이 진행되는 3개 현장을 대상으로 지반침하 자동 계측시스템을 적용한 결과, 모든 현장에서 장기간 안정적 지반침하 데이터를 취득할 수 있었으며, 동일지점에 대한 수동계측 결과와도 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 현장적용 과정을 통해 압밀침하량이 매우 크게 발생하는 현장의 경우, 자력감지 시스템을 임의 길이로 현장에서 연결할 수 있도록 개선하였으며, 탈기된 실리콘 엘라스토머 충진을 통해 방수성능과 내구성도 향상시킬 수 있었다.
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