2.2.1 소형 전자식 콘프로브 개발

지반정보 복합센서의 선단을 구성하는 소형 전자식 콘 프로브는 CPT 및 DCPT를 수행하기 위해 개발하였으며, 직경 30mm 콘과 길이 250mm Friction Sleeve를 기본 스펙으로 콘관입력과 마찰력을 손실 없이 로드셀로 전달하기 위한 로드와 어댑터, 로드셀 모듈로 설계하였다.

로드셀 모듈부는 콘관입력과 마찰력을 각각 2개의 로드셀로 손실없이 전달할 수 있도록 2개 ㄷ형 지지부를 가공하여 교차하여 끼워지도록 설계하였다.

로드셀 모듈의 실내 정확도 검증시험은 다음과 같이 검교정용 실하중 측정장비(100kg)를 이용하여 실시하였으며, 공인 중량추 25kg 3개 및 10kg 1개, 5kg 1개를 이용하여 0, 5, 15, 40, 65, 90kg 단계에서 출력값을 계측하여 분석하였다. 실내시험 결과, 소형 전자식 콘프로브 로드셀 모듈의 측정오차는 Table 1과 같이 시험구간 0 ~ 90 kg 범위에서 평균 0.32% 오차를 보이는 것으로 확인되었다.

Fig. 2 Concept of multi-function sensor

Fig. 3 Drawing of electronic cone (Front Part)

Fig. 4 Prototype of electronic cone

Fig. 5 Feasibility test of electronic cone loadcell module

2.2.2 멀티레이어 함수비 센서 프로브 개발

복합센서 후단의 함수비 센서는 정전용량을 이용한 FDR2방식의 센싱 기술을 적용하여 1초당 한 번씩 센싱 코어 주변부의 함수비를 측정하여 CAN 2.0B 통신방식으로 전송할 수 있도록 개발하였다.

본 연구에서 개발한 함수비 센서모듈은 상용 함수비센서와의 실내 비교실험을 통해서 기본 성능을 검증하였다.

화강풍화토(미립,소립,중립,대립), 점토, 모래 (주문진규사)를 혼합비율에 따라 섞은 후 오븐에서 가열하여 VWC 0%를 설정하였다. 부피 비율에 따라 수분을 추가하여 VWC 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 단계별로 각 센서를 측정하여 비교분석하였다.

비교에 사용한 상용 함수비센서는 Sentek사 Enviroscan과 Spectrum사의 Waterscout이다. 개발한 함수비 센서의 측정오차는 Table 2와 같이 함수비 0 ~ 40 % 범위에서 평균 3.7% 오차이다. 이 값은 상용 함수비센서가 갖는 오차와 동등 또는 그 이상으로 판단되어 현장적용이 가능한 것으로 판단하였다.

Fig. 6 Concept of multi-layered water content sensor

Fig. 7 Prototype of multi-layered water content sensor

Fig. 8 Feasibility test of water content sensor

3.1.1 시험조건

본 연구에서는 비탈면의 다양한 지반특성을 모사하기 위해서 SPT시험이 완료된 시험지역의 풍화토를 채취하여 자갈을 제거한 시료와 이 시료에 모래를 일정 비율로 혼합한 시료를 준비하고 다짐도를 다르게 하여 시험체를 제작하였으며 이 시료에 소형 전자식콘 프로브의 유압식 CPT 시험기와 휴대용 지반정보 계측기(Portable Tester)를 동일한 조건에서 가력하여 선단저항을 측정하였다. 시험과정과 시험시편의 모식도는 아래의 Fig. 10~11과 같다.

시험 변수는 모래 및 풍화토, 모래와 풍화토를 혼합한 토양까지 3가지 종류의 시료를 각각 다짐 횟수를 5, 10, 그리고 15회, 3가지로 변화시켜 아래의 Table 3과 같이 9개로 구성하였고 측정 결과의 반복 재현성을 확인하기 위하여 각각의 시료에 5~6회씩 반복하여 시험을 진행하였으며, 그 결과는 자동 데이터 로거에 저장되도록 하였다.

시료(풍화토, 모래, 혼합토)를 2.5kg 넣고 다지는 방식으로 4번을 담았으며, 총 10kg을 다짐몰드에 담아서 다짐을 실시하였다. 또한, 혼합토의 경우는 모래와 풍화토를 1:1의 비율로 혼합하여 준비하였다. 다짐방법은 흙의 다짐 시험 (KS F 2312)에 따라 실시하였으며, 각 층별로 반시계 방향으로 돌아가면서 수동다짐기(래머)를 사용하여 다짐을 실시하였다.

Fig. 10 Test procedure of CPT cone and portable tester

Fig. 11 Test photos

3.1.2 휴대형 복합센서의 선단저항 측정

Fig. 12는 시험 변수별 반복 시험으로 얻어진 선단저항 측정 결과 중 소형 전자식 콘프로브를 이용한 CPT 시험기와 휴대용 지반정보 계측기(Portable Tester)의 대표적인 그래프이다.

각 그래프를 비교 분석한 결과, 소형 전자식 콘프로브 CPT 시험에서는 복합센서가 일정한 속도와 압력으로 가력되기 때문에 비교적 일정한 측정값이 얻어지는 반면, 인력식인 휴대용 지반정보 계측기 경우에는 측정시 조사자의 동작에 따라 오차가 발생할 요인이 있으며, 슬리브 직경이 작기 때문에 주변마찰력 측정이 상대적으로 부정확한 것으로 보인다.

Fig. 12 Test results example

3.1.3 소형 전자식 콘프로브 CPT 시험 결과

모래, 혼합토, 풍화토의 각 다짐 횟수별 시료에 대한 소형 전자식 콘프로브 적용 CPT 시험 결과는 다음 Table 4와 같다. 콘관입력 및 슬리브 마찰력, Friction Ratio 등 각 측정 항목별로 결과를 분석한 결과, Fig. 13과 같이 다짐 횟수 및 토질 특성에 따른 콘관입력의 증가 경향의 상관성을 확인할 수 있었다.

Fig. 13 Test results (Multi-Function Sensor CPT)

3.1.4 소형 전자식 콘프로브 CPT 및 인력식 휴대용 지반정보 계측기의 상관성

비탈면의 점검 시 휴대용 지반정보 계측기만을 사용할 경우, 휴대용 지반정보 계측기 결과를 유압식 복합센서 CPT 시험 결과로 변환할 수 있다면 유용한 토질 정보를 얻을 수 있다.이를 위해 실내 반복시험을 통해서 그 상관성을 확인해 보았다. Fig. 14는 각 시험 케이스 별 소형 전자식 콘 프로브 CPT 및 인력식 휴대용 지반정보 계측기의 콘관입력 측정 ADC값을 그래프로 그린 것이이며, Fig. 15는 각 토질별 소형 전자식콘 프로브 CPT 및 인력식 휴대용 지반정보 계측기의 콘관입력을 센서의 ADC 신호 레벨에서 상관성을 표현한 그래프이다.

시험결과, 모래에서의 R2값은 0.85, 풍화토는 0.83, 혼합토는 0.98로 분석되었다. 측정데이터 중 일부에서는 최대치에 근접한 부분에서는 더 이상 관입되지 않을 때까지 값이 더 이상 증가하지 않고 수평으로 흐르는 현상이 나타나 상관성이 떨어지는 것으로 분석된다. 이를 해결하기 위해서는 조사자가 일관된 힘으로 관입하거나 추가적인 장치에 의해 일관성을 확보하는 방향으로 개선이 필요한 것으로 보인다.

Fig. 14 Test results

Fig. 15 Correlation of CPT cone and portable tester

3.2.1 시험조건

본 연구에서 개발한 소형 전자식 콘프로브 복합센서와 휴대용 지반정보 계측기의 적용성 검증을 위해 두 곳의 비탈면 현장에서 현장시험을 실시하였다.

현장시험에서는 표준관입시험(SPT)을 통해서 정확한 N치를 측정하고 이를 센서 정보와 비교 분석하였으며, 샘플링한 시료의 실내 시험을 통해서 얻은 지반정보(전단강도, 함수비 등)와 비교하여 검증을 실시하였다. 다음 Table 6 및 Fig. 16은 샘플링 및 SPT 시험 등을 통해서 얻은 Site-1, Site-2의 기준 데이터이다.

Fig. 16 Standard test results of soil samples

3.2.2 DCPT결과와 SPT값

소형 전자식 콘프로브 복합센서를 사용한 DCPT 시험을 Fig. 17~18과 같이 실시하여, NDCPT를 측정하고 표준관입시험 N치와 비교 분석을 실시하였다.

다음 Fig. 21~22와 같이 관입깊이에 따른 소형 전자식 콘프로브 복합센서의 콘저항력을 측정하였으며, NDCPT 측정을 위해 30 cm 관입시 타격회수를 카운트하여 N치와 비교 분석하였다. Site-1의 DCPT 시험에서는 30 cm씩 3회에 걸쳐 진행하여 총 90 cm 관입 데이트를 취득하였으며, Site-2에서는 30 cm 관입 1회 데이터를 얻을 수 있었다. 콘 저항력 측정 값을 분석해보면, 타격시 낙하에너지에 따른 충격의 형태가 신호로 측정되는 것으로 보인다. NDCPT와 N치의 관계는 다음 Table 7과 같이 확인되었다.

Fig. 17 Site-1 field test

Fig. 18 Site-2 field test

Fig. 19 Site-1 DCPT result

Fig. 20 Site-2 DCPT result

Fig. 21 Site-1 portable tester qc result

Fig. 22 Site-2 portable tester qc result

3.2.3 휴대용 지반정보 계측기 적용성 분석

본 연구에서 개발한 휴대용 지반정보 계측기의 적용성을 검증하기 위해서, DCPT시험을 실시한 현장시험 장소에서근접한 위치에서 휴대용 지반정보 계측기를 사용하여 복수로 측정을 실시하여 비교 분석하였다. 앞서 실내시험에서 도출한 휴대용지반정보 계측기에서 측정되는 콘저항력과 CPT 콘저항력과의 상관계수를 이용하여 CPT 콘저항값을 추정하였으며, CPT 결과로부터 표준관입시험의 N치를 추정하는 ^{Imai and Tonouchi(1982)}가 제안한 기존의 수식 (4)를 이용하여 N치를 추정하여 앞서 측정한 NDCPT 및 N추정치(Nmeasured)와도 추가 비교를 실시하였다.

휴대용 지반정보 계측기로 측정한 콘저항력을 이용한 N치 추정결과는 Table 8과 같으며, 계측기가 관입되는 범위에서 선형구간에서의 측정값은 N치 추정이 가능한 것으로 보인다. 하지만, 사용범위가 표층에 머무를 수밖에 없으며 인력에 의한 관입에서 도출되는 오차가 크기 때문에 데이터활용을 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 분석된다. 또한, 슬리브 저항력을 분석에 활용할 수 있도록 측정 정확도를 높일수 있게 센서 개선을 진행할 필요가 있을 것으로 보인다.

3.2.4 함수비 센서 적용성 분석

본 연구에서 개발한 멀티레이어 함수비센서의 현장 적용성을 검증을 위해 각 현장시험 장소에서 3회 이상 측정을 실시하였으며, 샘플링한 시료의 공인기관 시험을 통해서 정확한 함수비를 확인하여 센서 적용성을 검증하였다.

본 연구에서 개발한 함수비센서는 현장시험에서도 Table 9와 같이 오차율 –2.1 ~ -1.73 %로 비교적 정확한 측정 결과를 나타냈다.