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지중경사계 · Vertical Inclinometer – 누림이앤지 (NurimENG)

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지중 경사계

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[굴착공사 계측기기] 지중경사계 사용목적 및 설치방법, 측정방법

지중경사계

지반 변위의 위치, 방향, 크기 및 속도를 계측하여 지반의 이완 영역 및 흙막이 구조물의 안전성을 계측하는 기구

<계측기기의 종류와 설치위치> 출처 : 한국산업안전보건공단 기술지침

지중경사계 사용목적

굴착공사 시 공동현상 및 지하수위의 변화 등 기타 영향으로 인한 흙의 수평 변위량의 크기, 위치 및 속도를 계측 하여 설계상의 예상 변위량과 비교, 검토하여 안전도 및 피해영향권 추정

지중경사계의 구성

경사계관(access tube), 연결관(coupling tube), 케이블, 감지기(prove), 데이터 수집장치(data logger)

<지중경사계 구성> 출처 : 한국산업안전보건공단 기술지침

지중경사계 설치장소 및 설치방법

설치 장소

배면에 중요 구조물이 위치하는 곳, 벽체에서 0.5m 정도 떨어진 곳

설치 방법

고정점 확보를 위해 부동층까지 천공(토사:3~4m, 암반:1~2m)

설치 순서

계획 심도까지 보링 실시(홀 크기 100~200mm 정도) 경사계 케이싱의 한쪽 끝에 end tap을 씌우고 리벳 작업 미리 케이싱과 커플링을 리벳으로 조합시켜 놓고 실링 처리 조합된 케이싱을 차례로 보링 홀에 넣어 측정방향과 keyway의 방향을 일치 그라우팅 펌프와 트레미관을 이용하여 천공 홀 내부 그라우팅 그라우팅재가 양생 된 후 침하된 부위에 다시 그라우팅 그라우팅재로 완전히 채운 후 경사계를 보호 커버로 덮고 보호시설 설치

굴착 시 지반 설계의 오류를 보완하고 흙막이 벽체의 변위나 토압 및 수압의 변화, 인접지반의 침하 등 지반 거동을 측정할 수 있는 계측기기의 종류 중 하나인 지중경사계에 대해 한국산업안전공단 기술지침 중 굴착공사 계측관리 기술지침을 참고하여 포스팅하였습니다. 참고하시어 지중경사계에 대한 이해에 도움이 되길 바랍니다. 아래 내용도 참고하시기 바랍니다.

2021.06.29 – 흙막이 가시설 등 굴착공사 계측기기 종류 및 설치 목적, 설치 위치 등

↓ 관련업무 자료 링크 ↓

* 건설공사 기획업무

* 건설공사 계약방법

*건설공사 원가계산 작성요령

* 건설공사 착공시 업무

* 건설공사 준공정산 요령

* 내진성능평가 및 내진성능보강 업무

* 시특법 시설물 관련

* 시설물 유지관리(하자검수 등)

* 건축업무 관련 최신 법령

* 기타 건축업무

* 유형별˙공종별 안전점검 체크리스트

* 최신 설계자료(노임,제경비,단가 등)

*KCS 표준시방서, 품질시험 방법

*조달청 시방서 가이드라인

*건축시공기술사 서브노트

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지중경사계 (Inclinometer)

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1. 지중경사계 (Inclinometer) 개요

▪굴착 및 성토시 공동현상 및 지하수위의 변화 등 기타영향으로 인한 토립자의 수평변위량의 위치, 크기 및 속도를 계측하여 설계상의 예상변위량과 비교검토 하므로써 안전도 및 피해영향권을 추정

2. 지중경사계 적용범위

▪지하철 및 흙막이공사의 굴착공사의 변위측정

▪교각 및 교대의 변형측정

▪사면의 예상활동면 측정

▪터널 및 수직갱, 댐 기타 각종 제방등의 변위측정

3. 지중경사계 설치방법

▪지반에 설치시

– 근입심도에 1-2m를 더하여 보링을 한다. Hole의 지름은 80-150mm정도이되 100mm정도로 하는 것은 설치에 편리하다.

– 케이싱의 한쪽 끝을 End Cap으로 씌우고 Rivet을 사용하여 조립하고 Grouting 유입을 방지하기 위하여 Sealing을 한다.

– Casing과 Casing의 연결은 Coupling을 이용하여 Rivet로 조합시켜 놓고 Sealing 처리를 하여 준비 한다.

– 측정방향을 굴토면과 수직되게 Casing을 삽입한다.

– 조립된 Casing을 차례로 Hole내에 측정방향과 Keyway의 방향을 맞추어 설치한다.

– Steel Casing를 제거하며 Grouting을 하며 Grouting재의 저하 후 재주입한다.

– Grout재로 완전히 채운 후 알미늄 케이싱의 끝부분을 Protective cover로 덮어 잘 보호되도록 한다.

▪지중연속벽에 설치시

– 지중연속벽 콘크리트 타설시 측정위치에 지름 80～150mm정도의 Steel케이싱을 설치한다.

– 케이싱의 한쪽 끝을 End Cap으로 씌우고 Rivet을 사용하여 조립하고 Grouting 유입을 방지하기 위하여 Sealing을 한다.

– Casing과 Casing의 연결은 Coupling을 이용하여 Rivet로 조합시켜 놓고 Sealing처리하여 준비 한다.

– 측정방향을 설정하여 조립된 Casing을 차례로 Hole내에 측정방향과 Keyway의 방향을 맞추어 설치한다.

– Grout Pump와 Themip pipe를 사용하여 연속벽 케이싱 내부를 Grouting한다.

– Grout재로 완전히 채운 후 알미늄 케이싱의 끝부분을 Protective cover를 덮어 잘 보호되도록 한다.

▪ 설치시 주의할 사항

– Grout재가 양생된 후 침하된 부위에 다시 Grouting을 한다.

– Grout를 하는 과정에서 측정방향과 Keyway 방향이 변경되지 않도록 유의해야 한다.

– 만약 설치 도중에 공내 물에의한 부력에 영향을 받는다면 케이싱내에 맑은 물을 부어넣어 부력을 제거하도록 해야한다.

– Boring 후 Hole 내에 Slime이 찰 수 있으므로 설치시 반드시 Hole 깊이를 확인한다.

– 최하단을 고정

– 상부 구속조건이 아닌 원지반상태 유지

4. 지중경사계 측정방법

▪경사계관의 Protective를 열고 Pully Assemble을 설치한다. Prove의 Wheel을 측정방향에 맞추어 경사계관 내부의 Keyway를 따라 밀어 넣는다. 계획 심도에 맞추어 Prove를 내린후 지시계의 스위치를 켠다. 50cm씩 표시된 케이블을 Assembly에 맞추어 올리며 계측을 하고 값은 자동적으로 지시계에 수록되며 필요한 자료를 원하는 때에 즉시 뽑아내어 사용

▪측정시 굴착평면을 기준으로 할때 가시설 배면의 상하 방향 뿐 아니라 좌우 방향을 계측하여 Vector 값으로 변위 관리토록 규정

5. 지중경사계 측정장비

6. 지중경사계 평가방법

▪최대 수평변위량

– 굴착에 따라 발생하는 수평변위량 중 최대값은 굴착심도에 따라 발생하는 위치와 그 값을 달리하게 된다. 또한 굴착시와 Strut 또는 Anchor 설치시, 굴착공사의 방치시에는 각 현장마다 변형량의 크기가 시간의 경과에 따라 그 기울기를 달리하며 이 값을 시간의 경과에 따라 Plot하면 수치적인 값으로 안전율을 표기할 수는 없지만, 그 흐름으로써 현 상태가 안정방향인지 불안정방향인지를 판단할 수 있다.

▪ 1일 수평변위량

– 최대수평변위량의 관리와 마찬가지로 그 값을 단위 시간 또는 1일당의 변위량으로 환산하여 시간경과에 대해서 Plot하면 굴착에 따른 임의 시간에서의 상대적인 안정도를 판단할 수 있다.

자동지중경사계(In-Place Inclinometer) 장기 Aging 테스트

자동지중경사계(In-Place Inclinometer) 장기 Aging 테스트 – 전편 ㈜다스 수동형경사계와 자동지중경사계(In-Place Inclinometer)의 비교 1. 개요 토목 현장에 변위가 발생 했을 때 그 변위가 왜 발생 했는지, 얼마나 발생해야 위험한 것인지 명확히 결정하기가 쉽지 않은게 현실이다. 특히, 땅속의 변위는 육안으로 확인 할 수도 없고 실제 변위를 검증 할 수도 없어 센서의 측정값이 몇mm 라도 발생하면 감독관은 왜 발생했는가? 라고 계측 담당자에게 원인 분석을 요구 한다. 명확한 이유가 있는 변위라면 )예를 들어 터파기한 벽면이 볼록하게 보인다거나, 주변 지표면이 크렉이 크게 발생하여 육안으로 식별이 가능한 경우) 센서의 측정값의 방향과 비교하여 제시하면 대부분 이해하거나 원인 분석을 수용한다. 하지만 육안으로 나타나지 않은 경우 (예를 들어 수mm 변위 발생하고 육안으로 식별 시 변화도 없고, 공사 진행도 없을 경우) 감독관은 공사도 하지 않는데 왜 변위가 발생하느냐? 라고 따지고 센서에 문제가 있다라고 한다. 또는 센서의 측정 변화값이 공사현장 방향으로의 변화를 + 라고 할 경우, 센서 측정값의 변화가 – 방향으로 나타났다면 센서가 문제가 있다라고 한다. 물론 센서가 문제가 있어서 그렇게 측정될 수 있다. 하지만 정말 센서의 문제로 그렇게 측정이 되었을까? 대부분의 계측현장에서 관리기준 (예를 들어 터널의 내공변위는 1차관리 기준이 ±3mm 이고, 옹벽의 변위는 1차관리를 1/1000으로 하는 등)을 설정하여 계측을 한다. 지중경사계의 경우에도 관리기준이 있다. 서울지하철 9호선 시공계측관리 표준시방서 P33~34(지하철건설본부)에는 1차관리기준이 1/700 * Hmm, 2차 관리기준이 1/500 * Hmm, 3차 관리기준이 1/300*Hmm로 되어 있다. 깊이가 20M의 지중경사계라면 1차관리 기준이 1/700 * 2000 = 28.57mm 가 된다. 이런 경우 어떤 현장은 1차 관리기준을 넘지만 않으면 아무도 신경 안쓰는 현장이 있는가 반면에 어떤 현장은 1mm만 변해도 왜 변했는지 원인 분석을 하라고 한다. 두 경우 모두 문제가 있다는 것을 직관적으로 알 수 있다. 우리는 새로 개발된 지중경사계를 장기 테스트하여 평상시의 변위를 산정하고, 기존의 제품의 문제와 새 제품의 성능에 대해 알아 보고자 한다. 2. 장기 측정 관점에서 기존 제품의 성능 분석 기존 현장 중에 수동형경사계와 자동지중경사계를 나란히 설치하여 계측한 현장이 있었다. 이 현장의 경우 자동계측센서의 결과 값을 수동형경사계와 비교하여 신뢰서을 확보하기 위함이였다. ▲ 그림1. 지중경사계와 수동 경사계 설치 도면 위 도면과 같이 현장은 4면의 중간에 수동형경사계 측정 홀과 자동경사계 측정 홀이 나란히 배치되어 있다. 이 네 곳의 모든 데이터를 보는 것은 양이 너무 많으므로 대표적인 수동#4와 자동#12 데이터를 비교하여 측정 데이터를 확인해 보자. 2.1 자동 지중경사계 데이터와 수동형 경사계 데이터 ▲ 그림2. 수동#4와 자동 #12홀의 측정 데이터이다. 수동형경사계는 초기값 설정일이 17년4월 28일이고 자동은 8월31일로 조금 차이가 있다. 위 그림을 보면 수동형 경사계와 자동지중경사계의 그래프 형상이 다른 것을 볼 수 있다. 물론 초기값 설정일이 서로 상이해서 차이가 날 수는 있지만 그래도 뭔가 많이 다르다는 것을 직관적으로 느낄 수 있다. 우리는 이를 분석하기 위해 수동형경사계를 다시 검교정테스트를 실시해서 이상없음을 확인 하였고, 자동경사계는 각각의 센서 데이터를 분석하기로 하였다. * 자동지중경사계 설치 간격 : 2M 간격 * 센서 설치 개수 : 19개 * 깊이 : 38M * 초기치설정 : 2017년 8월 초기치 설정 * 전체 측정데이터 : 5개월 * 차트 데이터 : 1.5개월 데이터 분석(데이터 양이 많아 최근 데이터를 중심으로 분석) 2.2 자동지중경사계데이터 분석 ▲ 그림3. 지하 38~20M 지점의 센서 개별 변화 그래프 위 그래프는 지하 38m 지점부터 20m까지의 센서의 개별 각도 데이터와 온도데이터 이다. 주황색라인이 온도데이터이고 청색라인이 각도 데이터이다. 하부(위 좌측에서 우측 순)일 수록 온도변화와 각도변화가 적을 것을 알 수 있다. 수치로 보면 38M 지점의 온도 변화는 약 섭씨 1도 정도로 거의 없으며 각도 변화는 0.05degrees로 미미하다. 20m 지점의 경우 온도 변화는 최대 26도에서 최소 23도 정도로 3도 정도의 온도변화를 보이고 있으며, 각도 변화는 -0.08degrees로 나타나고 있다. 각 센서별로 보면 시간이 지날 수록 각도가 증가된 것도 있으며, 감소된 것도 있다. ▲ 그림4. 지하 18~2M 지점의 센서 개별 변화 그래프 위 그래프는 지하 18~2m의 개별 센서 데이터와 온도데이터 이다. 38m~20m 지점보다는 변화폭이 확연하게 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 지상과 가까워 질 수록 온도변화와 각도 변화가 큰 것을 알 수 있다. 가장 상부인 2m 지점의 센서를 온도변화가 약 섭씨 27도에서 12도 정도까지 변화하여 약 15도 정도의 변화를 나타내고 있다. 38M 지점의 온도변화는 1도 인 것을 감안하면 얼마나 많이 변화했는지 비교할 수 있다. 각도는 -0.6도로 38m지점이 0.05도 인 것에 비해 약 10배 이상 변화가 있다. 그렇다면 이 변화량은 지반이 변동하여 발생한 변화인가? 아니면 온도가 변해서 변화가 발생한 것인가? 이를 확인하기 위해 공사 현장의 작업이 없는 시기와 수동형 경사계의 변화량과 비교하여 지반이 변동하지 않았을 구간을 산정하여 온도계수를 구한 다음, 온도 보상하여 수동형 경사계와 비교하였다. ▲ 그림5. 수동형 경사계와 자동지중경사계의 온도 보상 후 데이터 비교 그래프 그림2 에서 온도 보상 미적용된 그래프(두번째)를 보면 수동형 경사계와 형상차이가 많았지만, 온도보상을 한 후 결과를 보면 그림4와 같이 수동형 경사계와 유사한 형상이 나온 것을 알 수 있다. 변화폭은 수동형 경사계는 15mm 정도 발생한 것에 비해 자동지중경사계는 25mm정도 발생하였다. 이런 차이가 나타난 이유는 측정간격 때문이다. 수동형 경사계는 0.5m 간격으로 측정되었고, 자동지중경사계는 2m 간격으로 설치가 되어 정밀도가 많이 떨어진다. 그렇기 때문에 측정간격을 수동형 경사계와 같게 0.5m 간격으로 하는 것이 좋다. 2.3 자동지중경사계 데이터의 오류 자동지중경사계를 이용한 계측에서 발생되는 오류는 다음과 같다. 1) 케이싱 그라우팅의 품질 2) 센서의 온도변화에 대한 민감도 3) 예상치 못한 지반의 움직임 4) 지중경사계 설치 품질 5) 기타 1) 케이싱 그라우팅의 품질 케이싱 그라우팅은 천공 후 케이싱을 삽입하고 홀과 케이싱 외부사이에 시멘트 몰탈을 삽입하여 굳히는 것이다. 이 때 작업자가 꼼꼼한 그라우팅 순서를 지켜 단단하게 그라우팅이 되도록 해야 하는데 이를 지키지 않을 경우 케이싱이 흔들거려 오차로 나타날 수 있다. 또한 잘 그라우팅을 하였다 하더라도 그라우팅이 굳는 동안에는 케이싱이 안착 안정화 되면서 조금씩 변화로 나타날 수 있다. 따라서 그라우팅 메뉴얼에 따라 그라우팅을 해야하고, 그라우팅 후에는 일정기간 굳혀서 안정화 된 후에 초기치를 잡아야 한다. ▲ 그림6. 해외 업체에 소개된 그라우팅 방법 ▲ 그림6. 그라우팅 양생 전후의 케이싱 변위 변화 위 그래프는 (주)다스 본사에 위치한 50m 테스트 천공 홀에서 측정된 데이터이다. 천공 후 다음날 부터 측정하여 그라우팅 양생 완료 전과 후의 데이터 변화를 확인 할 수 있었다. 그라우팅 양생 전에 변화폭은 약 20mm 정도 나타 났다. 2) 센서의 온도변화에 대한 민감도 지구상의 모든 물질은 온도에 따라 부피가 변화한다. 센서도 마찬가지이다. 따라서 센서 값을 온도 보상해 주어야 한다. 앞서 언급한 자동경사계의 경우에도 온도보상을 하여 측정데이터 오류를 수정하였다. 하지만, 이 방법은 설치 후 몇달 이상 장기간 측정한 데이터를 이용해야 하므로 현장 적용에 문제가 있다. 따라서, 센서 자체에 온도 보상의 기능이 있어야 하는데 이는 매우 어려운 기술이다. 많은 센서 제조업체가 온도보상을 하였다고 하지만 온도보상의 기술은 어렵기도 하지만, 배열 연산을 해야 하는 IPI와 같은 센서에서는 온도 보상만으로는 한계가 있다. 센서가 50개가 있는 IPI의 경우 온보 변화가 몇도 이내에 있어야 10mm이내의 오차를 가질지 계산해 보자. 센서 간격은 1M이면 센서의 온도변위는 1/100도 이내의 값이 나와야 한다. 분해능은 1/100도를 만드는 것은 쉽지만 온도가 -20~60℃ 에서 1/100degrees 이내로 변화하는 것은 매우 어렵다. 제조단계에서 단순 개별 센서의 온도 보상으로는 해결하기 어렵다. 3) 예상치 못한 지반의 움직임 아무 공사도 하지 않는 지반일지라도 거동은 일어날 수 있다. 그림6에서 지반 거동이라고 표기한 부분이 있지만, 이 천공 홀은 (주)다스 본사에 위치한 것으로 어떠한 공사도 없는 곳이다. 상식적으로는 거동이 없는 곳이다. 지반 거동이 발생한 시점은 2017년11월15일 14:30분에 발생한 포항 지진 때문으로 밝혀졌다. 변화폭은 50m 최저점을 기준으로 A축이 약 10mm로 나타났다. 포항 지진이라는 이벤트가 있었기 때문에 지반 변화를 받아 들일 수 있지만, 만약 포항 지진이 아니였다면 센서 이상으로 치부하여 엉뚱한 고민을 하고 있었을 지도 모른다. 이처럼 아무런 공사나 인위적인 행위가 없다고 하더라도 지반은 움직일 수 있음을 인지하고 있어야 한다. 지반의 거동의 원인은 알 수 없을 수도 있다. 그렇기 때문에 센서는 더더운 신뢰성이 필요하고, 거동의 원인이 밝혀지지 않을 경우 센서의 이상유무를 파악할 수 있는 방법이 있어야 한다. 4) 지중경사계 설치 품질 당연한 말이지만 센서 설치 시 품질이 좋지 않다면 오류가 발생 될 수 있다. 센서 조립이나 케이싱의 조립 상태 그리고 케이싱과 센서 바퀴의 안착 상태 등 올바른 설치가 오류를 줄이는 길이다. 5) 기타 센서를 잘 설치 한다고 하였으나 바퀴와 케이싱 사이에 끼인 모래나 작은 돌과 같은 이 물질이 있다가 빠져나가거나, 주변에 대형 중장비가 이동하면서 진동을 가해 설치 위치가 흔들려서 변화를 하거나 등의 이유로 센서값이 변할 수 있다. 이럴 경우 센서의 Rawdata를 개개별로 분석하여 원인을 유추해 보고, 그래도 원인이 나타나지 않을 경우 꺼내서 확인을 해봐야 할 수도 있다. 앞서 언급했듯이 지반의 거동은 육안으로 알 수가 없다. 또한 수십미터의 깊이로 설치된 센서에 수mm의 변화를 확인하는 것이 매우 어려운 일이다. 특히 구조물에 비해 거동이 큰 지반의 경우에는 더욱 그렇다. 따라서 수mm의 변위는 아무런 인위적인 행위가 없는 곳이라도 발생 할 수 있음을 염두에 두어야 한다. 3~5mm의 변위가 발생하였는데 이를 분석하여 원인을 발혀 낼려고 한다면 무모한 도전이 될 수도 있다. 이것도 0.5m간격으로 측정했을 때 얘기다. 2m 간격이라면 더 큰 오차변위폭은 두 말할 것 도 없다. <후편에서 계속...>

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