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문제 정의
- 이를 위해 본 논문에서는 토양강도에 가장 영향을 많이 미치는 함수비를 비접촉식으로 측정하는 방법에 대해 연구하였다.
제안 방법
- 으로 토양샘플을 채취하여 실험실에서 측정하는 방법과 현장에서 사람이 직접 장비를 작동시켜 측정하는 방법이 있으며, 본 논문에서는 주행 중에 토양함수비를 측정할 수 있는 방법으로 토양과 일정거리를 두고 레이저를 조사한 후 함수비에 따른 토양의 열전달 특성을 이용하여 토양함수비를 예측하는 방법을 제안하였다. 먼저 3종의 토양[2]에 대하여 실험실에서 레이저 조사 시 함수비에 따른 열전달 실험을 수행하였고, 토양모델을 만들어 시뮬레이션을 수행하여 획득한 결과와 실험결과를 비교 분석하였다.
- 모래에 대한 함수비 조건은 0 %, 10 %, 20 %로 설정하였으며, 각 조건별 레이저 조사는 9회 실시하였다. 모래의 경우도 함수비 0 %에서 온도변화가 불규칙하게 나타나고 있으며, 10 %, 20 %의 경우에는 온도변화가 비교적 일정하게 나타나고 있고 함수비가 높을수록 온도변화가 작아지는 경향을 보이고 있다(Fig.
- 진흙에 대한 함수비 조건은 0 %, 20 %, 30 %, 40 %로 설정하였으며, 각 조건별 실험은 9회 실시하였다.
- 2). 토양온도 측정은 레이저 조사 전에 측정하고, 그 후 레이저를 10초간 조사한 후 조사된 부위의 토양 온도를 측정하였다. 실험중 주위 온도는 20±2 ℃를 유지하였으며, 토양 함수비는 0～40 %까지 변화시키면서 실시하였다.
- 토양함수비를 측정하는 방법[1]으로 토양샘플을 채취하여 실험실에서 측정하는 방법과 현장에서 사람이 직접 장비를 작동시켜 측정하는 방법이 있으며, 본 논문에서는 주행 중에 토양함수비를 측정할 수 있는 방법으로 토양과 일정거리를 두고 레이저를 조사한 후 함수비에 따른 토양의 열전달 특성을 이용하여 토양함수비를 예측하는 방법을 제안하였다. 먼저 3종의 토양[2]에 대하여 실험실에서 레이저 조사 시 함수비에 따른 열전달 실험을 수행하였고, 토양모델을 만들어 시뮬레이션을 수행하여 획득한 결과와 실험결과를 비교 분석하였다.
- 화강풍화토(Clayey sand with gravel)에 대하여 함수비조건은 0 %, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %로 설정하였으며, 각 조건별 레이저조사는 9회 실시하였고, 열화상카메라로 레이저 조사 전·후의 토양시편 중심부의 온도를 측정하였으며, 온도 분석은 조사 전․후의 온도 변화값에 대하여 분석하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 토양은 국내에서 가장 많이 분포된 화강풍화토(Clayey sand with gravel)와 연약지의 대표적인 토양인 진흙(Clayey sand) 및 모래(Poorly-graded sand)이며, 레이저는 출력이 42 mJ(Table 1)이고 토양온도 측정은 열상카메라(측정정확도 : ±2 %)를 이용하였다.
- 실험장치는 열화상카메라, 레이저시스템 등으로 구성되며(Fig. 1) 실험방법은 토양을 채운 박스(장×폭×고, 200×200×100 mm)를 50° 기울였으며, 1.1 m 거리에 레이저를 설치하였다(Fig. 2).
이론/모형
- 토양함수비 Simulation 예측을 위해서는 토양의 Thermal conductivity(열전도율)이 필요하며[3,4], 본 연구에 사용한 토양의 thermal conductivity(λ)는 Johansen (1975)[6]이 제안하고(식 1) Sen Lu, Yuanshi Gong, Robert Horton 등이 수정한 식 (2)～(5)[5]을 적용하였다.
성능/효과
- 실험결과 함수비 0 %에서 온도변화가 크게 나타나고 있는 것을 알 수 있으며, 이는 토양 입자간 연결된 부분이 균일하지 않으며 또한 공기로 채워져 있어 열전도율이 일정하지 않기 때문인 것으로 판단된다. 레이저가 조사된 부위의 토양 온도변화는 함수비가 클수록 작아지는 경향을 보이며, 이는 토양 입자 간에 채워진 수분의 양이 늘어남에 따라 열전도도 커지기 때문인 것으로 판단된다(Fig.
- 실험결과와 해석결과를 비교 검토하면 화강풍화토의 경우 전체적으로 유사한 경향을 보이고 있으며, 함수비 0 % 및 20 %에서 거의 동일한 결과를 얻었다(Fig. 11).
- 이상의 검토결과, 레이저를 이용하여 실시간 비접촉으로 토양의 함수비별 온도변화 특성을 측정한 결과 함수비가 증가함에 따라 온도변화가 작아지는 특성을 나타내는 것을 알 수 있으며, 이는 토양에 포함되어 있는 수분에 의하여 열전달율이 높아지기 때문인 것으로 판단된다.
- 진흙의 경우도 함수비 0 %에서 온도변화분포가 불규칙하게 나타나고 있으며, 20 %의 경우 7, 8회 측정 시 함수비 30 %에서 더 큰 온도변화가 측정되었으나 전체적으로 화강풍화토와 마찬가지로 함수비가 높을수록 온도변화가 작아지는 경향을 보임을 알 수 있다(Fig. 4).
- 해석 결과, 화강풍화토 및 모래의 경우도 실험과 같이 함수비가 증가할수록 온도가 떨어지는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 이러한 특성을 이용하여 주위온도 변화에 따라 토양종류별 함수비를 변화시켜가면서 온도특성 자료 및 토양강도 자료를 Data Base화하고, 향후 레이저를 이용한 비접촉 토양함수비 측정시스템의 개발 및 운용이 가능하다면, 무인차량이 연약지반으로 판단되는 지역에 진입하지 않고 실시간 비접촉으로 토양의 함수비 측정 및 토양강도를 예측하여 연약지반 통과 가능 여부를 판단할 수 있을 것이다.
- 이상의 검토결과, 레이저를 이용하여 실시간 비접촉으로 토양의 함수비별 온도변화 특성을 측정한 결과 함수비가 증가함에 따라 온도변화가 작아지는 특성을 나타내는 것을 알 수 있으며, 이는 토양에 포함되어 있는 수분에 의하여 열전달율이 높아지기 때문인 것으로 판단된다. 또한 simulation에 의한 예측결과가 실험값과 비교적 유사한 경향을 보이고 있는 것을 알 수 있으므로 차후 보다 다양한 조건에서 더 많은 실험을 실시하고 정밀한 토양 물성치를 알 수 있다면 다양한 토양 조건에서 함수비 예측이 가능할 것으로 판단된다.
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