하상 또는 해상 말뚝을 위한 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING SCOUR DEPTH OF PILES ON RIVERBED OR SEABED USING PORTABLE VIBRATION SENSORS}
본 발명은 세굴 깊이 측정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 비파괴 검사 기법에 기반한 세굴 깊이 측정에 관한 것이다.
세굴(scour)은 유수의 힘에 의한 침식 작용의 결과로서, 유수와 지반의 상호 작용에 의해 기초 구조물 주위의 지반이 국부적으로 소실되는 현상이며, 하천이나 연안에 건설된 교각, 교대와 같은 수공 구조물이나 근접 도로의 수명 연한에 큰 영향을 미친다. 유수에 대항하는 물질에 따라 기간이 달라질 뿐 세굴 현상은 피할 수 없으며, 자연적이거나 인위적인 바닥면의 상승과 저하, 수류의 속도 증가 또는 감소와 그에 따른 와류, 물줄기의 횡방향 이동 등에 의해 세굴 현상이 나타나는 위치나 강도가 언제라도 달라질 수 있다. 세굴 현상을 줄이기 위해 수리학적으로 인공적인 구조물을 이용하여 유수의 방향을 변경하거나 또는 저항력을 향상시킨다거나, 와류에 저항하는 보호공을 교각 주변에 설치하여 교량에 예상되는 세굴 위치를 다른 곳으로 이동시킨다거나 하는 수단을 적용할 수 있다. 하지만, 세굴 현상은 이러한 대책에도 불구하고 원래의 유수 흐름이 바뀌면 언제라도 문제가 될 수 있고 심하면 교량을 파괴할 수 있는 잠재적인 파괴력을 가지기 때문에 항상 또는 주기적으로 모니터링할 필요가 있다. 종래에 교각의 세굴 깊이를 추정하는 방법은 사람이 직접 수중에 들어가 세굴 상태를 확인하는 인력 측정 방법과 수면에 위치한 초음파 센서로 수면 밑의 하상 또는 해상의 지표면의 높낮이를 직접 측정하는 초음파 측정 방법이 있다. 그러나 이러한 종래 기법들 중 인력 측정 방법은 유수의 속도가 빠른 교각 주변의 해역에 직접 입수하여야 하므로 위험하고 시간이 많이 소요되며, 초음파 측정 방법은 상대적으로 덜 위험하겠지만 비용이 많이 소요되는 문제점들이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 하상 또는 해상 말뚝을 위한 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데에 있다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 말뚝의 두부가 노출되지 않더라도, 말뚝의 측면 중 노출된 부위에서 세굴 깊이를 측정할 수 있는 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데에 있다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 노출된 말뚝 측면의 동일 높이에 위치한 복수의 지점들의 각각에 장착될 수 있는 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데에 있다. 본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 말뚝 세굴 깊이 측정 방법은, 하상 또는 해상에 설치한 말뚝의 둘레를 따라 소정 간격으로 또는 상기 말뚝 단면의 각 변의 중간 지점에 장착한 복수의 돌출 취부들의 적어도 하나의 상부면에 진동 센서를 장착하는 단계; 상기 복수의 돌출 취부들 중 적어도 한 돌출 취부의 상부면에 충격을 가하여 상기 말뚝 내에서 하방 전파될 종파를 발생시키는 단계; 상기 복수의 돌출 취부들의 적어도 하나의 상부면에 장착된 적어도 하나의 진동 센서가 종파의 반사파를 각각 수신하는 단계; 및 상기 진동 센서가 수신한 반사파 수신 결과에 기초하여 말뚝의 자유장을 유추하고, 미리 알고 있는 말뚝의 길이로부터 말뚝의 자유장을 뺀 값으로 말뚝이 지반에 박혀 있는 근입 심도를 구하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 돌출 취부들의 각각은 동일한 높이 상의 적어도 두 지점들의 각각에 장착될 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 돌출 취부들의 각각은 균등한 간격을 가지고 장착될 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 돌출 취부들의 각각은 상기 말뚝의 단면이 다각형이면 상기 말뚝의 단면을 이루는 각 변의 중간 지점마다 장착될 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 복수의 돌출 취부들의 각각에서 진동 센서가 종파의 반사파를 각각 수신하는 단계는, 상기 말뚝에 장착된 상기 돌출 취부의 상부면을 임팩트 해머로써 기계적으로 충격하여 충격에 의해 발생한 종파가 상기 말뚝 내부를 따라 하방 전파하도록 종파를 발생시켰을 때에, 충격이 가해진 돌출 취부가 아닌 다른 돌출 취부들의 각각에 고정된 진동 센서가, 종파가 말뚝을 따라 전파하다가 말뚝과 지반의 경계면에서 반사되어 돌아오는 반사파를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 말뚝의 자유장은 다음 수학식 에 의해 유추되며, 여기서, L은 말뚝의 자유장이고, Vp는 말뚝 재료 내에서 종파의 전파 속도, Δt는 충격 직후부터 종파가 말뚝과 지반 경계면에서 반사되어 돌아오는 데에 걸리는 시간일 수 있다. 일 실시예에 따라, 말뚝 재료 내에서 종파의 전파 속도 및 충격 직후부터 종파가 말뚝과 지반 경계면에서 반사되어 돌아오는 데에 걸리는 시간에 기초하여 연산된 종파의 반사 지점들을 사전에 알려진 말뚝의 길이, 근입 심도 및 선단부의 고정 상태와 비교하여, 말뚝의 구조적 결함 또는 단면적 변화, 선단부의 고정 상태의 변화, 암반 내 근입 거리 및 말뚝 하부 지반의 지층 구조의 변화가 일어난 지점을 유추하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 말뚝의 자유장은 상기 복수의 돌출 취부들에서 각각 순차적으로 수행되는 충격 및 반사파 수신에 따라 유추된 말뚝의 자유장 값들에 기초한 삼변측량(trilateration)에 의해 얻어질 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 말뚝의 자유장은 상기 복수의 돌출 취부들에서 각각 순차적으로 수행되는 충격 및 반사파 수신에 따라 유추된 말뚝의 자유장 값들의 평균으로 얻어질 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 말뚝 세굴 깊이 측정 방법은, 상기 복수의 돌출 취부들의 각각의 상부면에 순차적으로 충격을 가하면서, 충격이 가해지는 돌출 취부를 제외한 나머지 돌출 취부들 각각의 상부면에서 상기 진동 센서에 의한 종파의 반사파 수신을 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따른 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템은, 하상 또는 해상에 설치한 말뚝의 둘레를 따라 소정 간격으로 또는 상기 말뚝 단면의 각 변의 중간 지점에 장착한 복수의 돌출 취부들의 적어도 하나의 상부면에 장착되어, 각 돌출 취부의 상부면에 가해진 충격에 의해 발생한 종파가 상기 말뚝을 따라 전파하다가 반사되어 돌아오는 반사파를 수신하는 적어도 하나의 진동 센서; 및 상기 진동 센서에 수신된 반사파 수신 결과를 분석하는 신호 처리부를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 진동 센서는, 상기 말뚝에 장착된 상기 돌출 취부의 상부면을 임팩트 해머로써 기계적으로 충격하여 충격에 의해 발생한 종파가 상기 말뚝 내부를 따라 하방 전파하도록 종파를 발생시켰을 때에, 충격이 가해진 돌출 취부가 아닌 다른 돌출 취부들의 각각에서, 종파가 상기 말뚝을 따라 전파하다가 말뚝과 지반의 경계면에서 반사되어 돌아오는 반사파를 수신하도록 동작할 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 진동 센서는 상기 복수의 돌출 취부들의 각각에 대해, 순차적으로 상부면에 충격을 가할 돌출 취부가 변경될 때마다, 나머지 돌출 취부들 각각의 상부면에 상기 진동 센서의 부착 및 종파의 반사파를 반복적으로 수신하도록 동작하고, 상기 신호 처리부는 상기 진동 센서가 수신한 반사파 수신 결과에 기초하여 말뚝의 자유장을 유추하고, 미리 알고 있는 말뚝의 길이로부터 말뚝의 자유장을 뺀 값으로 말뚝이 지반에 박혀 있는 근입 심도를 구하도록 동작할 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 말뚝의 자유장은 다음 수학식 에 의해 유추되며, 여기서, L은 말뚝의 자유장이고, Vp는 말뚝 재료 내에서 종파의 전파 속도, Δt는 충격 직후부터 종파가 말뚝과 지반 경계면에서 반사되어 돌아오는 데에 걸리는 시간일 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 신호 처리부는, 말뚝 재료 내에서 종파의 전파 속도 및 충격 직후부터 종파가 말뚝과 지반 경계면에서 반사되어 돌아오는 데에 걸리는 시간에 기초하여 연산된 종파의 반사 지점들을 사전에 알려진 말뚝의 길이, 근입 심도 및 선단부의 고정 상태와 비교하여, 말뚝의 구조적 결함 또는 단면적 변화, 선단부의 고정 상태의 변화, 암반 내 근입 거리 및 말뚝 하부 지반의 지층 구조의 변화가 일어난 지점을 유추하도록 동작할 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 말뚝의 자유장은 상기 복수의 돌출 취부들에서 각각 순차적으로 수행되는 충격 및 복수의 진동 센서들에서 반사파 수신에 따라 유추된 말뚝의 자유장 값들에 기초한 삼변측량에 의해 얻어질 수 있다. 일 실시예에 따라, 상기 말뚝의 자유장은 상기 복수의 돌출 취부들에서 각각 순차적으로 수행되는 충격 및 복수의 진동 센서들에서 반사파 수신에 따라 유추된 말뚝의 자유장 값들의 평균으로 얻어질 수 있다.
본 발명의 하상 또는 해상 말뚝을 위한 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템 및 방법에 따르면, 세굴 깊이을 측정할 말뚝의 두부가 노출되지 않더라도, 말뚝의 측면 중 노출된 부위에서 세굴 깊이를 측정할 수 있다. 본 발명의 하상 또는 해상 말뚝을 위한 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템 및 방법에 따르면, 노출된 말뚝 측면의 동일 높이에 위치한 복수의 지점들의 각각에 진동 센서들을 장착하므로 측정 작업이 덜 위험하고 좀더 용이할 수 있다. 본 발명의 하상 또는 해상 말뚝을 위한 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템 및 방법에 따르면, 복수의 측정 지점들의 각각에 돌출된 취부(mount)와 진동 센서를 설치하므로 측정의 준비와 검출 결과의 수신 및 처리가 간편하다. 본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하상 또는 해상 말뚝을 위한 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템을 예시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 서로 다른 단면의 말뚝에서 돌출 취부들을 장착한 형태를 예시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하상 또는 해상 말뚝을 위한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템을 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 방법을 예시한 순서도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하상 또는 해상 말뚝을 위한 진동 센서를 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 시스템을 예시한 개념도이다. 도 1을 참조하면, 먼저, 하상 또는 해상의 말뚝(11)은 시공이 끝나고 공용 중으로서 하부가 유수에 잠기고 두부는 상부 구조물(13)에 의해 은폐되었다고 가정한다. 이러한 말뚝(11)에 대해, 검사자는 비록 말뚝(11)의 은닉된 두부나 유수에 잠긴 하부에는 접근할 수 없지만 수상에 일부 노출된 말뚝 측면(12)에는 교량의 보수나 육안 관찰을 위해 설치한 교각 점검 시설을 통해 용이하게 접근 가능할 수 있을 것이다. 말뚝(11)이 원형의 단면을 가지는 경우에, 먼저 돌출 취부(21)가 말뚝(11)의 접근 가능한 노출된 말뚝 측면(12)의 적어도 두 지점들의 각각에 장착된다. 실시예에 따라 돌출 취부(21)는 동일한 높이 상의 적어도 두 지점들의 각각에 장착될 수 있다. 상술한 종래의 기법에서 교각의 측면에서 센서들을 상당한 간격을 가지고 수직으로 배치하여야 하므로 장착 및 회수 작업이 매우 위험한 것과 달리, 본 발명에서 돌출 취부들(21)은 같은 높이에서 장착될 수 있으므로, 교량의 보수를 위해 반드시 설치되어야 하는 교각 점검 시설을 이용하면 작업자가 작업할 수 있다. 복수의 돌출 취부들(21)은 각각의 돌출 취부(21)의 상부면에 임팩트 해머(22)로 충격을 가했을 때에 그 충격파를 말뚝(11)에 충분히 전달할 수 있도록 말뚝(11)에 밀착될 수 있다. 또한 복수의 돌출 취부들(21)은 각각의 돌출 취부(21)의 상부면이 충격을 받아 발생한 종파(P파, Longuitudinal wave 또는 Pressure wave)가 말뚝(11) 내부를 따라 전파하다 어디서인가 반사되어 돌아오는 반사파를 검출할 수 있는 적어도 하나의 진동 센서(22)를 각 돌출 취부(21)의 상부면에 고정할 수 있고, 바람직하게는, 충격이 가해진 돌출 취부(21)를 제외한 나머지 돌출 취부들(21)의 상부면에 용이하게 고정할 수 있다. 이때, 세굴 깊이 측정 시스템(20)은, 말뚝(11)에 장착된 돌출 취부(21)의 상부면을 임팩트 해머(24) 등으로 기계적으로 충격하여 충격에 의해 발생한 종파(P파, Pressure wave)가 말뚝(11) 내부를 따라 하방 전파하도록 종파를 발생시켰을 때에, 각각의 돌출 취부(21)의 상부면에 고정되거나, 바람직하게는 충격이 가해진 돌출 취부(21a)를 제외한 다른 돌출 취부들(21b, 21c)의 각각의 상부면에 고정되어, 종파가 말뚝(11)을 따라 전파하다가 말뚝과 지반이 만나는 경계 지점 등에서 반사되어 돌아오는 반사파를 수신하는 적어도 하나의 진동 센서(22) 및 반사파 수신 결과를 분석하는 신호 처리부(23)를 포함할 수 있다. 세굴 깊이 측정 시스템(20)은 예를 들어 도 1에서 예시되는 바와 같이, 세 개의 돌출 취부들(21a, 21b, 21c)은 원형 단면을 가진 말뚝(11)의 둘레를 따라, 수면 위의 동일 높이에서, 균등한 각도로, 즉 120도의 간격을 가지고 장착될 수 있다. 도 1에서 두 개의 돌출 취부들(21a, 21c)는 말뚝(11)의 정면에 장착된 모습이고, 돌출 취부(21b)는 말뚝(11)의 가려진 후면에 장착된 모습이 예시된다. 한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라, 서로 다른 단면의 말뚝에서 돌출 취부들을 장착한 형태를 예시한 개념도이다. 도 2에서, 좌상의 예시를 참조하면, 말뚝(11)의 단면의 형상이 삼각형이고, 삼각형의 각 변의 중간 지점에 세 개의 돌출 취부들(21)의 각각이 장착될 수 있다. 우상 또는 좌하의 예시를 참조하면, 말뚝(11)의 단면의 형상이 각각 사각형 또는 육각형인데, 사각형 또는 육각형의 각 변의 중간 지점에 네 개 또는 여섯 개의 돌출 취부들(21)의 각각이 장착될 수 있다. 우하의 예시를 참조하면, 말뚝(11)의 단면의 형상은 H 빔의 형상이며, H 빔의 주요한 면들의 중간 지점에 복수 개의 돌출 취부들(21)의 각각이 장착될 수 있다. 이에 따라, 말뚝(11)의 단면이 원형이면 균등한 각도마다 돌출 취부들(21)의 각각이 장착되고, 말뚝(11)의 단면이 다각형이면 각 변의 중간 지점마다 돌출 취부들(21)의 각각이 장착될 수 있음을 알 수 있다. 도 1로 돌아와서, 각각의 돌출 취부(21)마다 세굴 깊이 측정 테스트는 순차적으로 수행될 수 있고, 수행된 테스트 결과들은 취합되어 세굴 깊이의 연산에 이용될 수 있다. 예를 들어 원형 단면의 말뚝(11)에 고정된 세 개의 돌출 취부들(21a, 21b, 21c) 중 어느 하나의 상부면을 순차적으로 임팩트 해머(24)로써 충격하여 종파를 발생시킨다. 발생한 종파는 임팩트 해머(24)가 위에서 아래로 내려침에 따라 말뚝(11)을 따라 하방으로 향한다. 여기서, 발생 직후에, 종파가 돌출 취부(21)와 말뚝(11)의 경계면에서 재질의 차이 및 전파 속도의 차이에 따라 굴절할 것을 고려하여, 직진성이 강한 종파가 가능한 한 말뚝(11)의 아래쪽 선단부까지 곧바로 도달할 수 있도록, 돌출 취부들(21)의 형태나 충격 위치가 적절하게 선택될 수 있다. 진동 센서들(22)은 세 개의 돌출 취부들(21a, 21b, 21c) 모두의 상부면에 고정될 수도 있지만, 충격이 가해질 돌출 취부(21a)의 상부면에서 수신된 반사파의 품질이 적절하지 못할 것이 예상되기 때문에, 실시예에 따라서는, 돌출 취부들(21a, 21b, 21c) 중의 나머지 두 돌출 취부들(21b, 21c)의 각각 상부면에만 종파의 반사파를 수신할 수 있도록 각각 고정될 수 있다. 진동 센서들(22)에 수신된 반사파들의 파형들은 신호 처리부(23)에 제공되며, 신호 처리부(23)는 반사파들의 파형들을 시간 도메인에서 분석하여 반사가 일어난 반사 지점의 위치를 특정할 수 있다. 이 경우, 신호 처리부(23)는 진동 센서들(22)의 반사파 수신 위치가 많을수록 좀더 정확하게 반사 지점을 특정할 수 있다. 이에 따라, 예시적으로 모두 세 번의 충격 및 반사파 수신 테스트가 이루어질 수 있고, 각 테스트에서 세굴 깊이 측정 시스템(20)의 동작은 다음과 같이 예시될 수 있다. 1차 테스트 시에 첫 번째 돌출 취부(21a)에 충격이 가해지고 두 번째 및 세 번째 돌출 취부들(21b, 21c)에 장착된 진동 센서들(22)에서 각각 반사파 파형이 수신된다. 2차 테스트 시에 두 번째 돌출 취부(21b)에 충격이 가해지고 첫 번째 및 세 번째 돌출 취부들(21a, 21c)에 장착된 진동 센서들(22)에서 각각 반사파 파형이 수신된다. 3차 테스트 시에 세 번째 돌출 취부(21c)에 충격이 가해지고 첫 번째 및 두 번째 돌출 취부들(21a, 21b)에 장착된 진동 센서들(22)에서 각각 반사파 파형이 수신된다. 충격 및 반사파 수신 테스트가 종료하면, 각각의 테스트에서 진동 센서들(22)이 수신한 반사파 파형들에 대한 데이터를 신호 처리부(23)가 종합적으로 분석하여 세굴 깊이를 추정한다. 실시예에 따라 신호 처리부(23)는 유무선 통신 채널을 통해 처리 결과를 외부로 전송할 수 있다. 본 발명에서 신호 처리부(23)의 세굴 깊이를 추정하는 원리는 지반에 근입된 말뚝에 종파를 발생시켰을 때에, 말뚝과 지반 경계면, 즉 세굴 심도에서 반사가 일어나는 현상과 나아가 삼변측량법(trilateration)과 같은 주지의 측량법들을 이용한다. 세굴이 일어나면 말뚝이 의존하는 지반이 낮아질 것이고, 따라서 세굴이 심할수록 말뚝과 지반 경계면에서 일어나는 반사는 충격이 일어난 지점에서 좀더 먼 거리에서 일어날 것이다. 반사가 일어나는 위치에 따라 충격이 있은 시점부터 반사파가 측정되는 시간이 결정될 것이므로, 충격 후 반사파 도달 시간에 따라, 말뚝이 지반으로부터 노출되어 있어서 지반에 의한 부하가 없는(free) 길이, 즉 자유장(free length)은 다음 수학식 1과 같이 종파의 반사 지점으로부터 유추될 수 있다.
여기서, L은 말뚝의 자유장이고, Vp는 말뚝 재료에서 종파의 전파 속도, Δt는 충격 직후부터 종파가 세굴 심도, 즉 말뚝과 지반 경계면에서 반사되어 돌아오는 데에 걸리는 시간이다. 일반적으로 강관 말뚝의 종파 전파 속도는 약 5,000 ~ 5,500 m/s 정도이고, 콘크리트 말뚝의 종파 전파 속도는 4,000 ~ 4,500 m/s 정도이다. 이에 따라, 미리 알고 있는 돌출 취부들(21)에 충격이 가해지는 위치 이하의 말뚝의 길이로부터 말뚝의 자유장을 뺀 값으로 말뚝이 지반에 박혀 있는 근입 심도를 구할 수 있다. 나아가, 진동 센서들(22)의 장착 위치들을 기준으로 각각의 진동 센서들(22)에서 복수 회 측정된 자유장 값들에 대해 삼변측량법 등과 같은 주지의 측량법들을 적용하여 반사 지점의 위치 및 말뚝의 자유장 L을 좀더 정확하게 유추할 수 있다. 한편, 말뚝의 자유장 L은 복수의 돌출 취부들(21) 및 진동 센서들(22)에서 각각 순차적으로 수행되는 충격 및 반사파 수신에 따라 유추된 말뚝의 자유장 값들의 평균으로 얻을 수도 있다. 나아가, 충격에 따른 종파는 전파 중에 말뚝에 생긴 구조적 결함, 단면적 변화, 선단부의 고정 상태, 지층 구조의 변화 등에 따라서도 반사를 일으키거나 또는 일으키지 않을 수 있는데, 획득된 반사 지점들을 사전에 알려진 말뚝의 길이, 근입 심도 및 선단부의 고정 상태와 비교하여, 말뚝의 구조적 결함 또는 단면적 변화, 선단부의 고정 상태의 변화, 암반 내 근입 거리 및 말뚝 하부 지반의 지층 구조의 변화가 일어난 지점을 유추할 수 있다. 시공 후에 말뚝과 지반에 아무런 변화가 없다면, 충격에 따른 종파로부터, 말뚝의 종단부, 말뚝과 지반의 경계 및 알려진 말뚝 하부 지반의 지층 구조에 따라 알려진 반사 지점들과 동일한 깊이에서 반사 지점들이 연산될 것이다. 반면에 이러한 알려진 반사 지점들이 아닌 깊이에서 반사 지점들이 연산된다면, 그러한 새로운 반사 지점들은 말뚝이나 지반에 생긴 바람직하지 못한 변화에 의한 반사 지점들일 것이다. 예를 들어, 만약 반사 지점이 말뚝 길이 중 기존에 알려진 근입 심도보다 얕은 위치로 파악되었다면, 해당 위치에서 수중의 말뚝에, 예를 들어 콘크리트 부식공과 같은 심각한 구조적 결함이나 단면적 변화가 있을 가능성을 추정할 수 있다. 또한 예를 들어, 반사 지점이 말뚝 길이 중 기존에 알려진 근입 심도보다 깊은 위치로 파악되었다면, 해당 위치에서 말뚝이 근입된 지반의 하부 암반 구조에, 예를 들어 깊은 침식과 같은 변화가 있을 가능성을 추정할 수 있다. 또한 예를 들어, 말뚝이 암반 근입 말뚝으로 시공된 경우에, 말뚝의 하단 선단부는 암반에 고정되어야 하고 고정된 선단부의 위치에서 반사가 예상되는데, 만약 고정되어 있을 선단부의 위치에 상응하는 반사 지점이 검출되지 않았다면, 선단부의 암반 근입 고정 상태에 문제가 있을 가능성을 추정할 수 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하상 또는 해상 말뚝을 위한 세굴 깊이 측정 시스템을 이용한 말뚝 세굴 깊이 측정 방법을 예시한 순서도이다. 도 3을 참조하면, 단계(S31)에서, 말뚝(11)의 둘레를 따라 일정한 간격으로 또는 말뚝(11) 단면의 각 변의 중간 지점에 장착한 복수의 돌출 취부들(21)의 적어도 하나의 상부면에 진동 센서(22)를 장착한다. 실시예에 따라, 진동 센서(22)는 임팩트 해머(24)로 상부면에 충격을 가할 돌출 취부(21)를 제외한 다른 돌출 취부들(21)에 장착될 수 있다. 실시예에 따라, 돌출 취부들(21)의 각각은 말뚝(11)의 동일한 높이 상의 적어도 두 지점들의 각각에 장착될 수 있다. 실시예에 따라, 돌출 취부들(21)의 각각은 균등한 간격을 가지고 장착될 수 있다. 실시예에 따라, 돌출 취부들(21)의 각각은 말뚝(11)의 단면이 다각형이면 말뚝의 단면을 이루는 각 변의 중간 지점마다 장착될 수 있다. 단계(S32)에서, 복수의 돌출 취부들(21) 중 적어도 하나의 상부면을 임팩트 해머(24)로써 충격을 가하여 말뚝(11) 내에서 하방 전파될 종파를 발생시킨다. 단계(S33)에서, 복수의 돌출 취부들(21)의 적어도 하나의 상부면에 장착된 진동 센서(22)가 종파의 반사파를 수신한다. 실시예에 따라, 복수의 돌출 취부들(21) 중 어느 하나의 상부면을 임팩트 해머(24)로써 충격하여 종파를 발생시킨 후에, 복수의 돌출 취부들(21) 중에 충격이 가해진 돌출 취부(21)를 제외한 나머지 돌출 취부들(21)의 상부면에 각각 장착된 진동 센서들(22)이 종파의 반사파를 각각 수신한다. 단계(S34)에서, 복수의 돌출 취부들(21) 및 진동 센서들(22)의 각각에 대해 단계(S32) 및 단계(S33)을 반복한다. 선택적인 단계(S35)에서, 진동 센서(22)가 수신한 반사파 수신 결과에 기초하여, 수학식 1에 따라 신호 처리부(23)가 말뚝의 자유장을 유추하고, 미리 알고 있는 말뚝의 길이로부터 말뚝의 자유장을 뺀 값으로 말뚝이 지반에 박혀 있는 근입 심도를 구한다. 만약 얻어진 근입 심도가 시공 시의 근입 심도에서 더 얕게 변화하였다면, 그만큼 지반이 세굴된 것이라 할 수 있다. 따라서 세굴 깊이는 근입 심도의 변화량으로부터 알 수 있다. 실시예에 따라, 말뚝의 자유장은 복수의 진동 센서들(22)에서 각각 순차적으로 수신되는 반사파의 전파 시간에 따라 유추된 말뚝의 자유장 값들의 평균으로 얻을 수 있다. 실시예에 따라, 선택적인 단계(S36)에서, 말뚝 재료 내에서 종파의 전파 속도 및 충격 직후부터 종파가 말뚝과 지반 경계면에서 반사되어 돌아오는 데에 걸리는 시간에 기초하여 연산된 종파의 반사 지점들을 사전에 알려진 말뚝의 길이, 근입 심도 및 선단부의 고정 상태와 비교하여, 말뚝의 구조적 결함 또는 단면적 변화, 선단부의 고정 상태의 변화, 암반 내 근입 거리 및 말뚝 하부 지반의 지층 구조의 변화가 일어난 지점을 유추할 수 있다. 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
11 말뚝 12 말뚝 노출 측면
13 상부 구조물
20 휴대용 세굴 깊이 측정 시스템
21 돌출 취부 22 진동 센서
23 신호 처리부 |
