Study of Temperature Compensation method in Mini-Cones

地 盤 工 學

第31卷 第1C 號·2011年 1月 pp. 29~38

소형 콘의 온도보상 기법 연구

Study of Temperature Compensation method in Mini-Cones

윤형구*·정순혁**·조세현***·이종섭****

Yoon, Hyung-Koo·Jung, Soon-Hyuck·Cho, Se-Hyun·Lee, Jong-Sub

···

Abstract

The smaller diameter cone penetrometer has been widely used to estimate the characteristics of local area due to high ver- tical resolution. The half-bridge cirucits have been adopted to measure the mechnical strength of soil through the smaller diam- eter cone penetrometer due to the limitation of the areas for configuring the full-bridge circuit. The half-bridge circuit, however, is known as being easily affected to the temperature variation. The objective of this study suggests the temperature-compen- sated method in mini-cones. The diameter and length of the mini-cone is designed to 15mm and 56mm. The load cell of the mini-cone is extended about 54mm on the behind of the mini-cone to reflect the only temperature variation. The full-bridge cir- cuit is installed to measure the temperature-compensated values in the mini-cone and the half-bridge circuit is also organized to compare the temperatrue compensated values with uncompensated values. The seasonal variation tests are performed to define the effect of temperature variation under summer and winter temperature condition. The densification tests are also carried out to investigate temperature effects during penetration. The measured mechanical resistances with temperature-compensated method show more reliable and reasonable values than those measured by thermal uncompensated system. This study suggests that the temperature-compensated method of the mini-cone may be a useful technique to obtain the more reliable resistances with minimizing the temperature effect.

Keywords : cone tip resistance, densification test, friction sleeve, mini-cone, seasonal temperature variation, temperature compensated

···

요 지

소형 콘은 해상도가 뛰어나 국부영역의 탐지를 위하여 다양하게 활용되고있다. 소형 콘은 변형률계 부착 면적이 부족하여 half-bridge 형태로 회로를 구성하고 있으며, 이는 주변온도 변화에 의하여 민감하게 반응하는 것으로 알려져있다. 본 논문의 목적은 이러한 온도영향을 해소하기 위하여 소형 콘의 온도보상 기법에 관한 연구를 수행하는 것이다. 본 연구를 수행하기 위하여 직경과 길이가 각각 15mm 그리고 56mm인 소형 콘을 개발하였다. 로드셀은 온도변화만을 반영할 수 있는 공간을 확보하기 위하여 후면으로 54mm 연장하여 제작되었다. 온도보상회로는 스트레인 게이지를 선단저항 부분, 주면마찰 부분 그리고 연장한 로드셀에 부착하여 소형 콘 내에서 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로를 구성하였다. 소형 콘의 일반 적 회로구성인 half-bridge도 내부에 함께 구성하여 상호간의 결과값을 비교 및 고찰하였다. 여름과 겨울의 계절적인 온도변 화에 따라 측정값의 오차를 검증하기 위하여 계절적 온도 변화 실험을 수행하였다. 또한 지반다짐 실험으로 지반의 상대밀 도를 증가시켜 관입 시 주변 온도변화에 따라 측정값 변화도 관찰하였다. 측정결과 온도보상회로를 이용하여 측정한 값은 half-bridge 회로로 측정한 값과 차이를 보였으며, 더욱 안정화되고 이상적인 경향을 보였다. 본 논문은 소형 콘 사용시 온 도 영향에 대한 문제를 해소하고 더욱 신뢰성 높은 측정값을 획득할 수 있는 기법에 대하여 제시하였다.

핵심용어 : 원추관입력, 지반 다짐, 주면마찰력, 소형 콘, 계절적 온도 변화, 온도보상

···

1. 서 론

지반의 여러가지 정보를 획득하기 위하여 다양한 원위치 실험 방법이 개발되어 왔으며, 그 중 콘관입시험(Cone Penetration Test: CPT) 은 직경이 35.7mm인 원뿔형 장비를

20mm/sec 속도로 지반에 관입하여 지하지층의 강도특성 및 구조특성을 평가하기 위하여 사용한다. 콘관입시험은 연속적 으로 지중상태를 평가할 수 있는 장점이 있어 활용성이 증 가하고 있으며, 국내에서도 지층평가를 위하여 수많은 실험 이 진행되고있다(Lunne et al., 1997; 한국지반공학회

*정회원·고려대학교 건축사회환경공학부 박사후 연구원

**대림산업 기술연구소

***고려대학교 건축사회환경공학부 석사과정

****정회원·교신저자·고려대학교 건축사회환경공학부 부교수 (E-mail : [email protected])

2008). 그러나, 콘관입시험은 지중관입시 지층의 강성차이로 인하여 시료가 하부로 밀려들어가거나 관입 방향으로 압축 되는 현상이 발생하여 콘 직경보다 두께가 얇은 지층탐지에 는 적용성의 한계가 있다(Hird et al., 2003).

표준 콘의 직경보다 상대적으로 두께가 얇은 지층을 고해 상으로 평가할 수 있도록 다양한 크기의 소형 콘들이 개발되 고있다(Threadwell 1976; Lunne et al., 1997; Hird et al., 2003; Ahmadi and Robertson 2005; Hird and Springman 2006; 김래현 등 2008; 윤형구 등 2008; 이종섭 등 2008;

Yoon et al., 2009). Hird et al.(2003)은 직경이 각각 11mm 그리고 25.2mm인 소형콘을 개발하여 실내실험을 수 행하였으며, Hird and Springman(2006)은 Hird et al.

(2003) 의 실내실험 결과를 현장에서 검증하기 위하여 직경이 각각 25.2mm 그리고 35.7mm인 콘을 이용하여 실험을 수 행하였다. 이종섭 등(2008)은 주면마찰력과 선단저항력을 분 리할 수 있는 직경이 5mm인 초소형 콘을 소개하였으며, 김 래현 등(2008)은 광섬유를 이용하여 직경이 3mm인 콘 장비 로 실내관입실험을 수행하였다. 또한 윤형구 등(2008)은 콘 관입장비의 선단부분에 전기비저항 센서가 설치된 직경이 10mm 인 전기비저항콘도 개발하였다.

직경이 작은 소형 콘들은 표준 콘관입장비와 동일하게 주 로 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용하여 지반의 저항력 을 측정하지만, 센서부착 면적이 부족하여 동일한 회로구성 을 적용할 수는 없다. 표준 콘은 4개의 변형률계를 콘 내부 로드셀에 부착하여 회로를 구성하지만 소형 콘들은 대부분 콘 내부 및 외부에 스트레인 게이지를 설치하여 회로를 구 성한다. 스트레인 게이지는 외력에 의한 변형뿐만 아니라 주 변의 온도변화에 대해서도 민감하게 반응하는 특성이 있다 ( 김래현 등, 2008). 동일한 온도변화 상태에서 회로를 구성한 경우는 이론적으로 변화값을 상쇄시켜 온도를 보정할 수 있 다. 하지만 소형 콘의 연결방식처럼 스트레인 게이지를 내六 甁恝° 설치한 경우는 온도변화 조건이 서로 다르기 때문에 온도보상을 할 수 없어 온도변화에 취약한 문제가 있다. 이 와 같은 이유로 소형 콘은 표준 콘보다 측정값의 해상도를 증가시킬 수 있는 장점이 있지만, 온도변화에 따라 측정값이 쉽게 영향 받는 문제점도 포함하고 있다.

스트레인 게이지의 온도 민감성을 해소하고자 박찬원과 최 규석(1993)은 회로자체에 자동적으로 온도보상을 할 수 있도 록 구리가 소결된 감온저항과 메탈필름계의 금속박막 정밀 저항치를 조합하여 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회 로를 재구성하였다. 김진배와 정선태(1995)는 변형률계 회로 에 모듈러스 저항을 삽입하여 온도에 따라 변화한 출력값만 큼 입력전압을 낮춰주는 원리로 온도보상회로를 제안하였다.

선행연구자들이 제안한 기법들은 대체적으로 회로자체에 별 도의 저항을 이용하여 회로를 재구성하는 방법으로 이는 전 기전자이외의 타전공자들이 쉽게 접근하기에는 다소 어려운 면이있다. 뿐만 아니라 변형률계의 부착 면적이 협소한 소형 콘에 저항을 추가적으로 부착하는 것도 다소 무리가 있다고 판단된다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 기존의 제안방법 과는 다르게 로드셀의 자체 개량으로 온도를 보상할 수 있 는 기법을 제안하고자 한다.

본 논문에서는 소형 콘의 온도보상 기법에 관한 연구를

수행하고자 기존 로드셀을 후면으로 연장시킨 소형콘을 제 작하였다. 스트레인 게이지의 측정원리에 대하여 언급한 후 제안하고자 하는 온도보상 기법의 이론적인 부분을 기술하 였다. 본 연구에서 개발한 소형 콘의 장비형상, 온도보상 원 리 및 특징도 소개하였으며 온도변화에 따른 측정값의 변화 유무 실험도 선행적으로 실시하여 결과를 제시하였다. 마지 막으로 적용성을 수행한 실험의 결과를 제시하였으며, 제안 된 온도보상 기법의 효과를 검증하였다.

2. 스트레인 게이지

전기저항식 변형률계의 하나인 스트레인 게이지는 전기저 항 측정 센서로서, 초기 포일(foil) 변형률계를 시초로 현재 다양한 구조를 가지는 센서로 발전하였다. 스트레인 게이지 는 외력에 의하여 발생한 변형량을 전기저항 값으로 측정할 수 있어 다양한 계측기에 적용하고 있다.

2.1 측정원리

탄성체에 부착한 전기저항식 변형률계는 외력에 의해 탄성 체가 변형할 때 스트레인 게이지의 저항선이 수축 및 팽창 하여 탄성체의 변형량을 저항 값으로 나타낸다. 스트레인 게 이지는 일반적으로 격자형 방식으로 정렬된 금속 호일로 구 성되어 탄성체의 변형량을 평형방향으로 정확하게 예측할 수 있도록 제작되었다. 미세한 외부 조건에 의한 탄성체의 작은 변형은 1843년에 영국의 물리학자인 Charles Wheatstone이 제안한 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로연결 방식 을 적용하여 증폭시킬 수 있다. 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge) 회로는 기본적으로 4개의 스트레인 게이지를 이용하 며, 부착 여유 공간 및 사용자의 목적에 따라 쿼터 브리지 (quarter-bridge), 하프 브리지(half-brige) 그리고 풀 브리지 (full-bridge) 로 구분된다. 4개의 변형률계의 저항을 R

, R

, R

그리고 R

로 나타내고, 각 변형률계의 저항 증분을 ∆R

,

∆R

, ∆R

, 그리고 ∆R

로 표시하면 휘트스톤 브리지 (Wheatstone bridge) 에서 입력 전압과 출력전압의 관계는 식 (1) 과 같다.

(1) 여기서, E와 e는 각각 입력 및 출력 전압 값을 의미한다.

스트레인 게이지의 저항비율과 저항증분간의 관계는 다음의 식 (2)와 같으며, 각각의 저항비율 관계식 ∆R

/R

, ∆R

/R

, 그리고 ∆R

/R

도 식 (2)와 같이 표현된다. 이들은 식 (3)과 같이 탄성체에서 변형률의 함수로 수식을 재정리 할 수 있다.

(2) (3) 여기서, K

와 ε는 각각 변형률계의 게이지 상수 및 탄성체 의 변형률을 의미하며, 게이지 상수는 변형률계가 갖는 고유 치로서 재료에 따라 다양한 값을 갖는다. 식 (3)은 사용자의 측정 목적에 따라 외력을 상쇄 및 증가 시킬 수 있어 다양 한 회로 구성에 활용하고 있다(배명호, 2010).

e R

R

R

+ R

( )

--- ∆ R

R

--- ∆ R

R

--- – ∆ R

R

--- ∆ R

R

--- –

⎝ + ⎠

⎛ ⎞ E ⋅

=

R

∆ R

--- = K

⋅ ε

e E

--- K 4 ⋅ ⋅

( ε

– ε

+ ε

– ε

)

=

2.2 온도보상 원리

탄성체는 외부하중뿐만 아니라 센서의 자체발열 그리고 입 력전압에 의한 열 등 주위의 온도 조건에 대한 영향도 함께 반영한다. 온도변화는 탄성체의 온도팽창계수 값에 따라 탄 성체가 인장 혹은 압축응력을 받는 것처럼 오차를 발생시키 며, 특히 식 (3)의 게이지 상수(K

) 는 온도의 함수로서 온도 변화에 따라 부정확한 값을 나타낸다(주진원, 1992). 이와 같은 이유로 스트레인 게이지의 제작 회사에서는 자체적으 로 온도보상이 가능한 스트레인 게이지를 제시하고 있지만, 온도변화의 차이가 크게 발생하면 오차는 여전히 발생하는 것으로 나타났다(주진원, 1992). 본 연구에서 제안하고자 하 는 온도보상 기법은 식 (3)에서 ε

과 ε

는 외력과 온도변화 를 동시에 측정하도록 하며 ε

와 ε

는 온도변화만을 측정할 수 있도록 회로를 구성하여 온도영향을 회로자체내에서 상 쇄시키는 방법이다.

3. 소형 콘

본 연구에서는 해상도가 높지만 측정값이 온도에 민감하게 영향을 받는 소형 콘들의 공통적인 문제를 개선하고자 일반 적으로 사용하고 있는 소형 콘 형상으로 장비를 제작하였다.

앞서 설명하였듯이 온도변화에 대한 측정값 변화가 최소화 되도록 내부 로드셀을 변형시켜 자체적으로 온도를 보상할

수 있도록 기존 소형 콘 형상을 개량하였다. 제작한 소형 콘의 형상, 내부 로드셀의 구조 그리고 회로 구성은 다음과 같다.

3.1 장비 형상

개발된 소형 콘은 콘관입실험과 동일하게 지중 관입시 발 생하는 저항력을 측정할 수 있도록 제작하였다. 기본적인 형 상은 그림 1과 같이 표준 콘과 유사하게 선단각도가 60

인 원뿔형태이다. 직경은 15mm이며 주면마찰부의 길이는 표준 콘 장비의 면적비(선단부:마찰부=100:150)를 고려하여 56mm 로 제작하였다. 온도보상 효과를 얻기 위하여 로드셀은 후면 으로 약 54mm를 연장시켰으며, 원래의 로드셀과 연장된 로 드셀 사이에는 스크류 형태의 나사선을 설치하여 외부 롯드 및 관입기와 연결되도록 하였다. 소형 콘의 내부는 그림 1 과 같이 원추관입력과 주면마찰력을 측정할 수 있는 일자형 태의 로드셀(직경: 10mm)이 위치하며 외부에는 주면마찰력 을 측정하고 로드셀을 보호할 수 있는 외관(두께: 2mm)이 설치된다.

로드셀 형태로는 압축력이 작용하는 서로 다른 독립적인 공간을 이용하여 원추관입력과 주면마찰력을 측정하는 형태, 원추관입력은 압축력을 이용하지만 주면마찰력은 인장력을 이용하여 측정하는 형태, 그리고 압축력으로 원추관입력과 주면마찰력을 총체적으로 측정하는 “Subtraction Cone” 형태

그림 1. 온도보상 소형 콘: (a) 개요도; (b) 사진

의 로드셀이 제안되고 있다(Lunne et al., 1997). 원추관입 력과 주면마찰력을 분리하여 측정하는 로드셀과 서로 다른 힘(압축력과 인장력)을 이용하여 측정하는 로드셀은

“Subtraction Cone” 형태의 로드셀 보다는 상대적으로 정밀성 이 우수한 것으로 알려져 있다. 하지만 “Subtraction Cone”

형태의 로드셀은 원추관입력과 주면마찰력을 독립적으로 구 분하지 않고 작용하는 힘도 압축력만을 이용하기 때문에 로 드셀의 형상을 변화시키지 않고 제작할 수 있으므로 내구성 이 강한 장점을 가지고 있다(Schaap and Zuidberg 1982).

뿐만 아니라 최근에는 장비 제작기술이 발전하여 주면마찰 력의 정확도도 향상되고 있는 것으로 알려져 있다(Lunne et al., 1997). 이와 같은 이유로 본 연구에서는 소형콘 관입시 발생 할 수 있는 휨 및 비틀림 문제를 최소화 시키고 제작 기술 발전에 따라 정밀도가 점차 증가하는 것으로 알려진

“Subtraction Cone” 형태의 로드셀을 적용하였다.

3.2 스트레인 게이지 부착 및 회로구성

원추관입력과 주면마찰력은 그림 2 및 3과 같이 4개의 스 트레인 게이지를 이용해 휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge) 회로를 구성하여 측정하고자 하였다. 스트레인 게이 지는 모두 관입방향의 저항력을 측정하도록 횡방향으로 부 착하였으며 편심에 의한 오차를 방지하도록 180

방향으로 서로 마주보도록 설치하였다. 또한 온도보상회로와 일반회로 의 오차를 관찰하기 위하여 그림 2와 같이 2개의 스트레인 게이지를 이용하여 half-bridge 회로도 구성하였다.

본 연구에서 사용한 스트레인 게이지는 소형 로드셀의 단 면적을 고려하여 게이지 길이(gauge length)가 작은 1mm 스트레인 게이지를 사용하였으며, 외부하중에 의하여 발생하 는 변형률의 측정감도 및 팽창률을 고려하여 로드셀 재질과 동일한 스틸(steel)용의 스트레인 게이지를 사용하였다. 스트 레인 게이지의 입력전압 값은 1.0V로 고정하였으며, 출력값 은 일반적으로 사용하는 멀티미터를 이용하여 측정하였다.

온도비보상회로인 half-bridge 및 온도보상을 고려한 회로 구 성방식은 그림 2 및 3과 같다.

4. 온도보상 확인 및 하중보정 실험

4.1 온도보상 확인 실험

온도비보상 및 온도보상회로로 구성된 소형콘의 온도변화 에 따른 원추관입력 및 주면마찰력의 보상 효과를 검증하기 위하여 온도보상 실험을 수행하였다. 관입시 속도, 관입기의 진동 그리고 시료강성등에 대한 오차를 배제하기 위하여 온 도보정 실험은 외부와의 열전도율이 낮은 스티로폼 수조에 온도가 각각 다른 물만을 이용하여 진행하였다. 물의 온도는 10

C 부터 35

C 까지 5

C 씩 증가시켰으며 각각 다른 온도에 서 소형 콘을 수조에 안착시켜 약 300초 동안 출력값을 측 정하였다. 실험시 수조의 외부온도는 20

C 로 유지하였다.

온도보상회로가 아닌 일반적으로 소형 콘에서 사용하는 half-bridge 회로의 경우 원추관입력과 주면마찰력이 온도변 화에 따라 그림 4와 같이 급격하게 증감하는 것으로 나타 났다. 특히 원추관입력은 최대 -50kPa~80kPa의 변화를 보 였으며, 주면마찰력도 최대 -4kPa~6kPa 범위로 오차가 발 생하였다. 반면에 온도 보상 회로는 원추관입력과 주면마찰 력의 변화값이 -20kPa~40kPa 그리고 -2kPa~2kPa 사이로 상대적으로 온도변화에 따른 출력값의 오차가 50% 이하로 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 온도보상회로의 경우는 약 150~200 초 사이에 온도변화에 대한 오차가 상쇄되어 거의 0 값에 수렴하지만 half-bridge 회로의 경우는 시간경과에 따라 오차값의 상쇄없이 일정한 값으로 나타나 온도변화에 대한 오차가 상당히 큼을 알 수 있다. 실내 상온온도와 유 사한 20

C 온도 구간에서는 온도보상회로의 유무에 관계없 이 출력값이 모두 0 값에 가깝게 수렴하는 것으로 나타났 으며, 이는 선행연구인 이종섭 등(2008)의 연구결과와 유사 함을 보여준다.

그림 2. 소형 콘 내의 온도 비보상 회로 연결도

그림 3. 소형 콘 내의 온도 보상 회로 연결도

4.2 하중보정 실험

본 연구에서는 이종섭 등(2008)에서 수행한 하중 보정과정 기법을 적용하여 소형 콘의 출력전압값과 응력간의 선형적 인 관계를 도출하였다. 일정한 하중(1.5kg)을 반복적으로 5 단계에 걸쳐 재하하면서 출력되는 전압값과, 동일한 방법으 로 5개의 하중을 제하시키면서 측정된 전압값을 이용하여 응력과 출력전압값의 관계를 그림 5에 도시하였다. 재하와 제하과정은 실험실 내의 온도인 약 20~23

C 에서 수행하였으 며, 온도보상회로와 half-bridge의 출력값이 모두 응력과 선 형적으로 나타났다.

5. 계절적 온도 변화 실험

관입 장비의 온도에 대한 영향은 주로 프로브 관입시 발 생한 마찰열과 계절적 기후에 의한 지표 및 지중온도 차이 로 인하여 다양한 변화를 보인다. 본 실험에서는 여름과 겨 울의 온도를 인공적으로 모사하여 개발된 소형 콘의 온도보 상 효과를 검증하였다.

5.1 시료조성

계절에 따른 온도변화 실험은 그림 6과 같이 내경과 높이 가 각각 300mm 그리고 700mm인 원통형 수조에 주문진 표준사를 수중 강사법으로 조성하여 진행하였다. 실험에 사 용된 주문진 표준사의 기본적인 특성은 표 1에 요약하였으 며, 비중, 최대간극비 그리고 최소간극비는 각각 2.62, 1.02

그리고 0.57로 나타났다. 온도보상회로를 구성하기 위하여 소형 콘 후면에 부착된 스트레인 게이지까지의 길이를 고려 하여 시료의 높이는 500mm로 조성하였으며, 조성된 시료가 적절한 강도를 발휘할 수 있도록 상대밀도는 약 50%가 되 도록 하부를 타격하였다. 타격은 그림 6과 같이 프레임에 고정된 100N의 추를 자유진동시켜 발생시켰으며, 매 타격에 따른 에너지가 동일하게 유지되도록 액상화 수조와 프레임 의 간격 그리고 추의 낙하높이를 각각 450mm와 400mm로 유지하였다. 또한 액상화 수조를 보호하기 위하여 수조 하단 에 나무와 고무를 이용한 완충재도 설치하였으며 완충재를 고정적인 타격 위치로 결정하였다.

계절적인 온도는 시료상부의 물을 가열 혹은 냉각시켜 인 위적으로 여름과 겨울의 온도로 모사하였으며, 소형 콘이 충 분히 잠길 수 있도록 수면의 높이는 약 140mm로 유지하였 다. 여름은 히터를 이용하여 물의 온도를 40

C 까지 가열한 후 하부로 갈수록 온도가 감소하는 형태의 온도분포로 조성 하였다. 겨울의 온도 조건은 얼음과 드라이아이스를 이용하 여 상부의 물을 10

C 까지 냉각시켰으며 하부로 갈수록 온도 가 증가하는 일반적인 겨울의 온도분포를 형성하였다.

5.2 실험결과

온도보상회로 유무에 따라 계절적 온도 변화에 반응하는

오차를 평가하기 위하여 소형 콘을 이용하여 관입실험을 수

행하였다. 소형 콘은 여름과 겨울의 상온온도를 충분히 반영

할 수 있도록 관입직전 시료 상부에 물만 채워져 있는 공간

그림 4. 온도보상 결과: (a) 원추관입력; (b) 주면마찰력

에 약 20분간 설치하여 프로브 자체의 온도가 상온온도가 되도록하였다. 관입속도는 선행연구의 결과(이종섭 등, 2008) 를 이용하여 1mm/sec로 결정하였으며, 관입은 모터형 관입 기를 이용하였다. 또한 관입시 주변의 온도변화를 측정하기 위하여 소형 콘 내부에 연장한 로드셀 앞 부분에 온도센서

를 설치하였으며, 이를 이용하여 관입에 따른 소형 콘의 온 도분포도 파악하였다. 온도센서의 해상도는 1Hz로써 관입속 도(1mm/sec)를 고려할 때 관입심도에 따라 순간적인 온도변 화를 최대한 측정하도록 하였다.

여름의 온도 조건 하에서 수행한 관입실험 결과는 그림 7 그림 5. 하중보정 결과: (a) 원추관입력; (b) 주면마찰력

그림 6. 실내 실험 개요도

과 같다. 그림 7에서 TC(temperature compensated)와 TUC (temperature uncompensated) 는 소형 콘 장비내에 구성된 온도보상회로와 온도비보상회로를 이용하여 측정한 결과를 의미한다. 관입시 측정된 초기 온도는 지표면에서 여름철의 지표 온도와 비슷하게 40

C 이며 관입심도 300mm에서는 측 정온도가 약 25

C 로 감소하였다. 온도보상회로의 유무에 따 라 측정한 값은 거의 유사한 경향을 보이지만 원추관입력은 관입심도 50mm~150mm에서 주면마찰력은 관입심도 150 mm~250mm 에서 온도보상을 실시하지 않은 콘의 관입저항 력이 더 크게 측정되었다. 이와 같은 결과는 그림 4에서 동 일 온도조건 하에 온도비보상회로를 이용하여 측정한 오차 값이 더욱 크게 평가된것과 유사한 결과로 사료된다.

겨울의 온도 분포는 그림 8(a)와 같이 지표면의 온도가 10

C 이며 관입심도 300mm 근처에서는 온도가 약 20

C 까지 증가하였다. 소형 콘 관입실험 결과는 그림 8(b) 및 (c)와 같으며, 이때 TC(temperature compensated)와 TUC(tem- perature uncompensated) 는 그림 7과 같이 온도보상회로와

온도비보상회로에서 측정한 값을 의미한다. 겨울 온도 조건 에서의 관입실험 결과는 여름의 온도 조건과 반대경향을 보 이며, 온도보상회로를 이용하여 측정한 관입 저항값이 더 크 게 나타났다. 특히 온도보상을 실시하지 않은 콘의 주면마찰 력은 관입심도가 깊어질수록 음수값을 보여 주며 이는 오차 가 상당히 큼을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 그림 4의 결과와 동일하게 온도가 증가할수록 half-bridge에서 측정한 값이 음수방향으로 감소하는 경향과 유사함을 보여준다.

여름과 겨울의 온도 분포에 따른 계절적 온도 변화 실험 에서는 온도보상회로의 유무에 따라 측정값의 오차가 여름 보다 겨울에 더욱 크게 나타났다. 이는 온도센서가 소형 콘 후면에 부착되어 선단부의 온도변화를 정확히 파악할 수는 없지만, 여름조건에서는 마찰열과 같이 다양한 발열요소에 의하여 선단부의 온도와 시료상부의 온도차이가 작아 오차 가 상대적으로 작게 도출된 것으로 사료된다. 또한 소형 콘 은 관입직전 수면 온도에서 약 20분간 안정화를 시켜 온도 차이가 발생하는 일정 심도부터 온도보상 효과가 관찰되는 것으로 나타났다. 이와 같은 경향은 사용한 스트레인 게이지 의 특성에 따라 다양하게 나타날 것으로 판단되며, 추후 정 확한 온도 특성을 반영하기 위해서는 본 논문에서 실시한 온도보정실험을 선행적으로 수행한 후 지반의 온도분포를 통 해 측정값의 신뢰성을 판단해야 할 것으로 사료된다.

6. 지반 다짐 실험

느슨한 사질토 지반에 급속한 진동하중을 가하면 순간적으 로 과잉간극수압이 발생하며 이는 지반의 전단저항력을 감 소시킨다. 과잉간극수압이 소산되면 모래입자들은 침하하고 최종적으로 체적변화와 강도증가 현상이 발생한다. 본 연구 표 1. 주문진 표준사의 기본 특성

주문진 표준사

비중 Gs 2.62

유효입경 D

(mm) 0.46

평균입경 D

(mm) 0.58

압축지수 Cc 0.87

균등계수 Cu 1.63

최대간극비 e

1.02

최소간극비 e

0.57

통일분류법 USCS SP

그림 7. 여름 온도조건에서의 관입실험결과: (a) 온도분포; (b) 원추관입력; (c) 주면마찰력

에서는 소형 콘을 이용하여 다짐실험 이후 지반의 강도변화 를 평가하고자 하였으며, 관입시 발생하는 발열효과에 대하 여 본 연구에서 제안하는 기법의 신뢰성도 함께 관찰하고자 하였다.

6.1 시료조성

그림 6과 같이 계절적 온도변화 실험에서 사용한 동일한 제원의 원통형 수조를 이용하였으며, 투명 아크릴 소재로 제 작되어 있어 진동하중후 발생하는 체적변화와 조성된 시료 의 시각적인 분포를 동시에 관찰하였다. 사용한 시료의 기본 물성치는 표 1에 정리하였으며, 사용한 시료의 전체 무게는 32.5kg 이다.

6.2 실험방법

충격하중은 그림 6과 같이 프레임에 고정된 추를 이용하 여 발생시켰으며, 이를 이용하여 조성된 시료의 상대밀도를 증가시켰다. 시료조성 및 관입실험은 그림 4의 결과와 같이 온도에 따른 영향 줄이기 위하여 실내 상온온도(20

C~23

C) 와 온도차가 가장 작도록 물의 온도를 20

C~23

C 로 조성한 후 수행하였다. 충격하중 이후 입자를 최대한 안정화 시키기 위하여 약 20분 경과시점에서 소형 콘의 관입실험을 수행하 였으며, 시료의 초기 상태, 10회 타격 그리고 40회 타격 이 후에 관입실험을 수행하였다.

6.3 실험결과

타격수에 따른 간극비 변화는 그림 9와 같으며, 그림 9의 e

, e

, e

그리고 e

은 최대간극비, 최소간극비, 초 기간극비 그리고 최종간극비를 의미하며 Dr

과 Dr

은 시료의 초기 및 최종 상대밀도를 나타낸다. 간극비 변화는

수조에 부착한 줄자를 이용하여 기록한 침하량을 통해 계산 하였다. 시료조성 후 시료의 초기 간극비 및 초기 상대밀도 는 각각 0.89 그리고 27%로 나타났다. 최종 90회 타격 이 후에는 시료의 간극비와 상대밀도가 각각 0.73 그리고 63%

로 변화하였다.

선택한 타격횟수에서 수행한 소형 콘의 관입실험 결과는 그림 10에 나타내었으며, 그림 속의 #은 진동하중을 가하기 위한 타격횟수를 의미한다. 그림 10은 타격횟수가 증가할수 록 온도보상회로 유무에 관계없이 원추 관입저항력과 주면 마찰력이 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 다짐에 따라 시료의 전단저항력이 증가하는 현상을 나타내 는 것으로써 원추관입력은 최대 80kPa(420%), 주면마찰력은 최대 7kPa(388%)로 증가하였다.

온도보상회로 유무에 따른 실험결과를 비교하면 온도보상 을 하지 않은 경우의 측정값이 상대적으로 큰 분산성을 보 여준다. 이와 같은 현상은 관입시 프로브와 흙입자 사이에서 발생한 마찰열과 입력전압에 의한 발열 등의 복합적인 요인 그림 8. 겨울 온도조건에서의 관입실험결과: (a) 온도분포; (b) 원추관입력; (c) 주면마찰력

그림 9. 타격수에 따른 간극비 변화

이 결합하여 오차가 발생한 것으로 판단된다. 또한 그림 10 에서 동일 타격횟수에서 측정한 값을 비교하면 온도보상회 로를 이용하여 측정한 값이 온도비보상회로를 이용하여 출 력한 값보다 크게 나타났으며, 타격횟수가 증가할수록 그 차 이는 더욱 커짐을 알 수 있다. 그림 10을 더욱 자세하게 표현하기 위하여 타격회수 40회에서의 온도보상회로 유무에 따라 측정한 값을 그림 11에 도시하였다. 그림 11에서의

TC(temperature compensated) 와 TUC(temperature uncom- pensated) 는 그림 7과 동일하게 소형 콘 내부에 구성한 온 도보상회로와 온도비보상회로를 이용하여 측정한 값을 의미 한다. 원추관입력과 주면마찰력은 각각 최대 35kPa(98%) 그 리고 3kPa(97%) 차이를 보였으며, 온도보상회로 구성 방식 에 따라 큰 차이를 나타냈다. 이와 같은 결과는 지지력이 큰 모래지반에서는 무시될 수 있으나, 상대적으로 지지력이 작은 점토 지반에서는 필수적으로 검토해야 할 사항이라고 판단된다.

7. 결론 및 요약

본 연구에서는 소형 콘 사용시 주위온도에 의하여 측정값 이 변화하는 오차를 해소하도록 소형콘의 온도보상 기법에 관한 연구를 수행하였다. 소형 콘은 직경이 15mm로 설계되 었으며 표준 콘과의 면적비를 고려하여 주면마찰력 측정부 의 길이는 56mm로 결정하였다. 소형 콘 내부의 로드셀은

“Subtraction Cone” 형태로 선단부와 동일한 온도 변화를 갖지만 외부하중에는 영향이 없도록 관입기 롯드와의 연결 부분 후면으로 54mm 연장하여 제작하였다. 소형 콘 내부에 는 온도보상회로뿐만 아니라 일반적으로 소형 콘에서 사용 하는 온도비보상(half-bridge) 회로도 구성하여 온도보상 유 무에 따른 측정값을 비교 및 관찰하였다. 주위의 온도가 10

C 에서 35

C 까지 변화할 경우 기존 소형콘의 half-bridge 회로는 원추관입력과 주면마찰력이 각각 -50kPa~90kPa과 -4kPa~6kPa 로 변화하였으며, 본 연구에서 제안한 온도보상 기법 회로는 원추관입력과 주면마찰력이 각각 -20kPa~40kPa 과 -2kPa~2kPa로 변화하였다. 이와 같은 결과는 본 연구에 서 제안한 온도보상회로의 오차값이 기존 방식 보다 약 그림 10. 액상화 실험 결과: (a) 온도비보상회로를 이용한 원추관입력 및 주면마찰력; (b) 온도보상회로를 이용한 원추관입력 및 주면마

찰력

그림 11. 40회 타격 후 강도 변화 비교: (a) 원추관입력; (b)

주면마찰력

50% 작게 나타남을 의미하며, 그에 따라 측정값의 신뢰성이 높아짐을 의미한다.

계절적인 온도변화에 따라 측정 값의 변화를 관찰하도록, 여름(지표면 40

C) 과 겨울(지표면 10

C) 의 온도로 인위적으 로 조성한 시료에 관입실험을 수행하였다. 관입실험결과 온 도비보상회로의 출력값과 온도보상회로의 출력값이 다소 차 이를 보였다. 이와 같은 결과는 전체적인 온도증가 분포를 정확하게 평가하긴 어렵지만 관입심도에 따라 서로다른 온 도조건과 관입시 발생한 마찰열등의 발열요소로 인하여 차 이가 나타난것으로 판단되며, 온도보상회로를 이용하여 측정 한 값이 상대적으로 더욱 안정화되고 이상적인 경향으로 나 타났다. 온도보상회로와 비보상회로를 이용하여 시료의 강도 증가 현상 및 주변의 발열요소에 대한 영향도 평가하기 위 하여 지반 다짐 실험을 수행하였다. 측정결과 온도비보상회 로에서 측정한 값이 상대적으로 분산성이 크게 나타났으며, 경향성도 비이상적으로 나타났다. 이는 계절적 온도변화실험 의 결과와 유사하게 온도보상회로를 이용하여 측정한 값이 신뢰도가 더욱 우수함을 반영하며 온도비보상회로의 경우 주 위조건에 따라 다양한 오차가 포함되는 것을 나타낸다.

본 연구에서 제안한 소형 콘의 온도보상 기법은 로드셀을 후면으로 연장하여 콘 내부에서 휘트스톤 브리지 회로(full- bridge) 를 구성하는 것으로, 적용 결과 주위 온도변화에 대한 영향이 기존 회로구성 방식(half-bridge)보다 상대적으로 작 게 나타났다. 이는 소형 콘 이용시 온도 보상이 가능한 회 로 기법임을 의미하며, 추후 다양한 계측분야에 적용할 수 있어 활용성이 높을 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 교육과학기술부가 출연하고 한국연구재단에서 시행한 2단계 연구중심대학(BK21)육성사업에 의한 BK21 건 설산업 글로벌리더 양성사업단의 연구비 지원에 의해 수행 되었으며, 이에 감사드립니다.

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( 접수일: 2010.10.4/심사일: 2010.11.25/심사완료일: 2011.1.4)