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반도체방식 자동화 침하계를 이용한 연약지반 침하계측

작성자
토기회
작성일
2019-12-03 20:31
조회
116
특허 제0422515호 반도체방식 자동화 침하계를 이용한 연약지반 침하계측 1. 신기술개요 최근 건설현장에서의 ‘정보화시공을 통한 품질관리’ 요구에 의거 점차 모든 시공관리 및 성과물의 유지관리부문에 자동화도입이 활발해 지고 있는 상황이다. 특히 토목계측분야에 있어서 이러한 경향은 더욱 두드러진 양상을 보이고 있으며, 이는 일련의 건설현장 대형사고를 통해 얻은 교훈의 산물로써 보다 정확하고 체계적인 시공관리가 요구되고 있으며 더 나아가서 공용화된 사회기간 시설에 대해 유지관리 차원의 토목계측이 활성화되고 있는 추세이다. 현재 대다수의 연약지반 개량공정에서 원 지반 침하 측정 수단으로 사용하고있는 방법은 철제 지표면 침하판을 원지반에 거치 후 최종 성토고까지 측정봉을 연결하여 성토체위로 측점을 노출시킨 후 Level 측정기를 이용해 침하값을 얻는 방법이다. 보다 정확한 Data 활용을 통한 시공성 향상 및 경제성 제고가 요구되고 있음에도 불구하고 침하 측정기법에 대한 특별한 대체기술이 개발되지 못함으로서 아직까지도 형식적이고 신뢰도가 낮은 계측관리가 이루어지고 있는 실정이다. 반도체기술을 이용한 침하 측정기법은 연약지반에서의 원지반 침하는 물론 응용여하에 따라 구조물의 정밀 침하 감시 및 유지관리 용도로도 가능하도록 개발되었으며 토목현장의 여건을 감안하여 내구성 및 편리성, Data의 정밀도는 물론 객관성에 주안점을 두고 개발되었다. 2 기존침하계의 문제점 2.1 철제 지표침하판의 문제점 가) 단계별 성토시마다 측정봉의 연결작업이 병행되는 번거로움이 있으며 상부 연결점은 항상 노체에 노출되는 바, 시공장비 및 작업차량에 의해 손괴되어 정확한 침하 계측데이타를 산출하기에는 부적절한 점이 많다. 나) 계측시 레벨 측정기에 의해 데이터를 관측하기 위해서는 최소 2인 이상의 기술자가 상시 투입되어야 하며 특히 철제 지표침하판은 계기 특성상 성토작업 중에는 침하 측정이 불가능하고 성토작업이 완료된 시점 이후부터 계측이 수행되기 때문에 단계별 성토에 따른 정확한 압밀량을 계산할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 다) 현장에 시공 후 침하판이 영구히 성토체에 사장되므로 철광자원의 낭비가 이루어지고 있다. 2.2 기존 액상침하계의 문제점 가) 액상침하계의 가장 큰 단점은 수조-튜브-센서 내부에 잔류된 공기로 인해 스펀지현상으로 시액의 비중을 가볍게 하여 시액이 계측센서에 정확한 압력을 전달하지 못하여 계측값의 정확도를 현저히 떨어뜨리며 센서의 오작동의 원인이 된다. 나) 주파수 출력방식의 압력센서를 이용하므로 반응속도가 떨어진다는 점이다. 측정된 값이 외부로 노출되어 있는 신호선을 통하여 Hz 단위로 암호화된 값으로 Read-out 기기로 읽혀지며 다시 각기 센서의 고유상수에 의해 환산되어 침하량이 측정되므로 그 정확도와 신속함이 결여되어 있다는 점이다. 다) 마지막으로 측정시 문제점으로는 액상침하계의 수조가 부동의 위치에 설치되지 않았을 경우에는 매 측정시마다 측량을 실시하여 보정하여야 하는 번거로움이 있다. 또한 거리에 제약을 많이 받기 때문에 계측기 설치시 주의를 요한다. 3. 반도체방식 자동화 침하계의 기존 침하계 문제점 개선된 사항 가) 철제 지표침하판의 시공간섭을 없애고 경제성을 향상시켰으며, Data의 정확성, 수집능력이 개선되었다. 또한 완공 후 유지관리 계측을 가능하게 하였다. 나) 외산 액상침하계에 비해 센서의 응답성과 정밀도, 내구성을 높이고, 측정된 정보를 간편히 볼 수 있도록 하였다. 4. 기존 침하계와 반도체방식 자동화 침하계의 비교 4.1 지표침하판과 반도체 방식 자동화 침하계의 차이 계측기 종류 항 목 지표 침하판 반도체방식 자동화 침하계 개요도 시공성 성토시마다 측정봉의 연결작업이 요구됨. 상부 연결점은 항상 노체에 노출되는 바 시공장비 및 작업차량에 의해 손되될 가능성이 있음. 성토체 측면으로 케이블로 처리되어 성토체 상부에 센서가 노출되지 않아 작업차량 및 장비에 의한 손괴여지가 없음. 계측기기 설치위치에 구애받지 않고 고른 다짐시공이 이루어짐. Data의 정확성 측점에 대한 외부 손괴요인이 있어 정확한 침하 계측데이타를 측정하기에는 많은 어려운 점이 따름. Level 측정시 측정하는 기술자마다 관측오차가 발생함. 측점에 대한 외부 손괴요인이 없어 정확한 Data를 얻을 수 있음. Digital 전자지시계로 Reading함으로써 관측자 및 기기오차는 최소한으로 줄일 수 있음. Data 수집능력 2인 1조의 Level 측정기에 의한 측정이므로 많은 데이터를 취득하는데 한계가 있음. 우기 및 바람, 장비 및 작업차량의 운행시 측정이 불가능한 등 많은 제한요소가 있음. 1인이 디지털 지시계로 간단히 data측정. 시공영향권 밖에서 측정이 이루어져 시공요건에 영향이 없음. 자동화 통제시스템과 연계시 프로그램에 의해 많은 데이터 수집이 가능함. 인력동원 Level 측정기에 의한 측정시 항상 2인 1조의 인원이 소요됨. 1인이 휴대용 측정기로 상시 측정이 가능하여 인건비가 절감됨. 자원낭비 해소 엄청난 수량의 철광자원이 지반에 폐기됨. 자동화 침하판 대체시 불필요한 철광자원낭비가 절감됨. 4.2 기존의 액상침하계와 반도체방식 자동화침하계의 차이 구 분 반도체방식 자동침하계 진동현방식 액상침하계 진동현식 침하셀 공식명칭 Semiconductor Settlement Transmitter V/W Settlement System V/W Settlement Cell 정 밀 도 ≤±0.25% FSO ≤±0.5% FSO ≤±0.5% FSO 작동 온도범위 -40°~ 125°C -25°~ 50°C -20°~ 80°C Output 4~20mA DC 2wire Frequency Frequency 대기압 보정 보정 불필요 (Vent tube내장) 별도의 대기압 보정필요 별도의 대기압 보정필요 자동화 Interface 별도의 변환장치 불필요 F/V or F/I 변환필요 F/V or F/I 변환필요 Cable 및 Tube 접속구를 이용 연결가능 최초 발주후 변경불가 연장불가(조정불가) 장․단점 -전류신호방식으로 도선저항의 영향이 없어 원거리 제어용이 (토목현장여건에 적합) -Data sheet가 필요없이 직접 침하값 표기 -반도체소자의 안정성 장기계측에 용이 -주파수방식으로 거리에 대한 제약이 많아 신호의 안정성이 취약 (현장여건의 제한존재) -별도의 계산식 적용 환산표기 -시간경과에 따른 소자변형이 크므로 장기계측시 정밀도 증가 -신호의 안정성이 취약 Data의 신뢰도가 미약 광범위 현장에 부적합 (국부적인 현장적용) -별도의 추가 계산작업 작업의 번거로움 -장기, 영구계측시 Data의 정밀도 감쇄 5. 반도체방식 자동화 침하계의 구성 그림 1과 그림 2에서는 각각 본 침하계의 모형도와 단면도를 보여준다. 본 장치는 설치높이가 서로 다르게 유체를 저장하고 있는 2개의 수조(1, 2)와 한 쪽이 각각의 수조하부에 연결되고 다른 쪽은 지중에 매설된 센서에 연결되는 2개의 튜브(3)와 이 튜브와 연결된 유체저장조(52)와 이 유체저장조의 하강에 따른 압력을 측정하는 반도체 압력센서(53)와 이 반도체 센서와 한 쪽이 연결되고 다른 쪽은 LED 디스플레이 장치에 연결되는 신호선(54)으로 구성된 침하측정센서(5)와 이 센서의 신호선으로부터 입력되는 신호처리를 위하여 정보를 자동 환산하는 프로그램어블 회로장치(61)와 이 회로장치의 출력을 표시하는 LED로 구성된 출력장치(6)로 이루어진다. 그림 3과 4는 압력 센스부의 상세도와 계측설치 단면도이다. 그림 1. 반도체방식 침하계의 모형도 그림 2. 반도체방식 침하계의 단면도 그림 3. 압력 센서부 상세도 6. 반도체방식 자동화 침하계의 적용사례 및 활용 6-1 적용사례 - 동해고속도로 확장공사 제3공구 현장 : 연약지반 침하 계측관리 - 익산~장수간 고속도로 제6공구 현장 : 터널갱구부 침하 안정관리 - 김천~현풍간 고속도로 현장 : 터널갱구부 사면 침하 안정관리 6-2 활용 다음 그림 5와 같이 완공된 중요 구조물의 정밀 침하 측정에 활용이 가능하다 문의 : 이강운 전무 (동성엔지니어링 지반터널부, 02) 2140-3350 ) 대리 이재훈 2004.04.26