지표면 대상 변위 측정 항목(기종): 연약지반상의 성토나 매립에 의한 침하토량과 장기침하량의 추정 등, [침하판, 침하핀(surface settlement pin) 및 부동점, 변위말뚝(침하-수직, 이동항-수평), 지..

연약지반상의 성토나 매립에 의한 침하토량과 장기침하량의 추정, pre-load(P/L) 제거시기 결정여부에 관계되는 침하량․압밀진행 상황과, 침하예측․성토량의 산출․구조물 등의 침하 대책에 대한 침하관리, 성토하중에 의한 압밀진행 과정에서의 전단강도 증가에 의한 단계적 성토, 지반파괴 위험성의 유무 판단에 의한 성토속도․시공순서 등의 안정관리에는, 수직변위를 주로 한 계측 자료와 수평변위가 활용되고, 자연사면이나 절토 인접지반에서의 균열이나 단차․조성지반의 landsliding은 경사변동량까지도 파악하여 활용하게 된다.

9.2.2.1 침하판(surface settlement plate)

침하판은 가장 보편적이고 단순하며 효과적인 total settlement 측정기구로, 침하측정의 기본이고 저렴하며 간단하고 신뢰성도 높다.

침하판은 자체중량이 고려되지 않음(무게=0)이 전제되므로, 판의 크기(넓이․면적)가 넓을수록 오차가 최소화되나, 실재는 성토재의 최대구성 입자와 성토높이에 비례하고, 대상지반의 상태와 조건(굳기․지지력․취급방식 등)에 따라, 판의 크기․측정봉․보호관 등의 규격이 알맞게 설계․제작․적용되어야 성토하중에 대한 실용성이 높아진다.

침하판은 연약지반에서는 강판을 사용하나, 사석 등으로 매립한 지반에서는 콘크리트 block판을 제작․이용하기도 하고, 해저구조물(방파제 등)의 구축에는 초대형의 특수침하판이 설치․운영되기도 한다. 강판(steel plate)으로 제작되는 침하판은 3′×6′(90×180㎝)와 4′×8′(120×240㎝)의 기성철판을 이용하고, 절단기 성능과 크기(넓이×두께)에 대한 제작의 편이성 등을 고려하여 두께 6㎜정도를 선정한다. 이는 인력에 의한 운반․설치의 한계도 반드시 고려하여, 적절한 크기와 무게로 제작되는 합리적인 제품이 개선․보급되면, 비합리적인 설계제작품(100×100㎝×10㎜강판, φ1″침하봉․φ6″보호관․flange 연결구 등)은 점차 근절될 것이라 사료된다.

침하봉(rod : 파이프 또는 환봉)은 φ13㎜ 이상의 강봉이나 외경 φ22㎜ 이상의 강관을 1m 길이로 절단하고, 상부를 숫나사로 가공하여 연결되도록 하며, 최하단 rod는 강판에 용접된 adapter에 삽입되도록 하거나 직접 용접 부착한다. rod는 보통 φ¾″(외경 φ27.2㎜ : φ1″이상) KS 백관을 절단하여 가공․이용하게 되며, φ1″ 강관의 외경은 φ34㎜임을 참조하여 선택한다.

침하봉 보호관도 주변흙(성토재)과 rod와의 마찰이 흡입되지 않도록, 봉직경의 5배이내 내경 파이프로, 충격에 대한 파손 내구성이 강하고 가벼운 경질염화 PVC관으로, ABS레진 재질의 φ3″정도 가스관이나 수도용관(HI-3P)을 PVC소켓으로 접착 연결하여 사용하는 방식이, 가장 적합하고 합리적인 활용방식이다.

보호관 지지대(지지발이)는 침하판의 크기와 설치 대상지반에 따라, 지지대 철근의 굵기(φ19‧22‧25㎜)․길이(ℓ=1.5‧2.0‧2.5m)․수량(3‧4‧8개)과 지지철판의 크기(φ30㎝)를 적절히 조합하여, 측정봉과 보호관의 기울어짐이나 파손을 예방하며 지지되도록 하여야 하고, 성토매립이 얕을 경우에는 강판에 용접된 adapter에 받침대를 부착하여, 지지발이 없이 보호관을 올려놓을 수 있도록 하기도 한다.

 9.2.2.2 침하핀(surface settlement pin) 및 부동점

침하핀은 지하터널 굴착시 굴착라인 상부 지표에 설치하여, 터널 상부 지반의 이완에 의한 수직변위 측정용으로 활용된다. 침하핀의 설치는 가급적 tunneling에 의한 변위가능 라인상에, 각목말뚝(5×5×50㎝ 정도)에 핀(나사못 등)을 박고, 터파기(50×50×30㎝ 정도)한 지반상에 콘크리트로 타설하여 고정시킨다. 그리고 인근의 부동지반 상에도 유사 규격으로 소규모 부동점을 설치하여, 침하량 측정의 기준점(base point)으로도 이용한다.

9.2.2.3 부동점

일반적인 말뚝은 길이 1～1.5m 정도의 각목(일변10～15㎝) 또는 통나무(말구 φ10㎝ 내외 굵기)로, 설치는 1×1×1.5m 이내로 터파기한 지반에 콘크리트 타설로 고정시키는 것이며, 연약지반에서의 침하변위말뚝 측정용이나 이동변위말뚝 측정 등에도 사용하고, landsliding 위험성이 있는 활동지반에서는 수직․수평 변형량을 측정하는 기준점으로도 활용되며, 때로는 변위말뚝 설치와 마찬가지 방식으로 20～30m 연장상의 변위 영향권 밖의 적정개소에 타입하여 부동점으로 이용하기도 한다.

적정한 부동지반이 인근에 없는 곳에서는 지하 부동지지층까지 시추하여, rod(강봉)를 공저에 고정시키고, 보호관을 설치하는 고정점(reference point)이나, 지표침하계 방식으로 설치하여 이용하게도 되므로, 이들은 시추공 활용편(9.2.4.1)에 기술하고자 한다.

9.2.2.4 변위말뚝(침하-수직, 이동항-수평)

연약지반이나 부지조성 성토시 하중에 의한 전단응력 증가로 지반 변형이 증대되어, 측방유동이나 heaving 현상 등으로 지반이 파괴되거나, 자연지반이나 산사태 위험성이 있는 활동지반에서 전단강도가 저하되면 지표면에 균열이 발생하게 된다. 변위말뚝은 이러한 지표면의 수평변위와 slip․slop 이동량을 간단하고 쉽게 측정하여 전단파괴를 예방하고, 균열발생 개소의 지반운동 상황을 조기에 파악하여, 성토․절토사면의 안정관리나 연약지반 성토의 단계적 시공관리, 산사태의 예측과 대책공 수립 등에 활용하게 된다.

연약지반 성토에서는 성토사면 끝에서 일직선상에 2～3m 등간격으로 10본 이내를 수평되게 설치하며, 산사태 위험지역에서는 운동(이동) 방향에 직교되는 측선에 5～10m 간격으로 말뚝을 배치하고, 양측 연장선상에 부동말뚝을 설치하여 국소적인 변동에 대처하는 방식이고, 복수측선을 설치하기도 하며, 측량기구로 수동 측정한다.

9.2.2.5 지표면 신축계(extensometer)

신축계는 변위말뚝의 수동측정방식을 기계식 측정기록 장치로 대체한 것으로, 20m 이내의 상대말뚝간 거리변화를, 와이어(invar 강선)를 이용하여 연속적으로 자동기록하는 것이다. 이는 pulley가 설치된 와이어 지지대․보호관(pipe)․파이프 지지말뚝 그리고 신축계 보호박스로 구성되며, 보통 5～10배 확대율의 신축계가 선호되어 이용된다.

9.2.2.6 단면측정기(full profile gauge : 측정계기 삽입식, 센서 고정식)

단면측정기는 연약지반에서의 도로성토나 단계별 성토, 방조제․방파제․부두 등 접안시설 축조에 수반되는 천해저 연약지반의 성토․매립, 해저 shield 터널에 의한 해저면(sea bottom or floor) 등에서 침하․하중침하변형을 측정하기 위한 것이다. 방법은 예정지 기저면의 횡단방향으로 연성(flexible) tube나 가도관(access pipe)을 신축이음관(telescoping coupling)으로 연결하여 포설하고, 수압계(torpedo)나 삽입식 경사계(horizontal inclinometer probe) 등의 측정계기(readout unit)를 와이어로 연결하여 tube내로 이동시키면서 측정을 수행한다. 이는 수압이나 경사 변동상태를 추적하여 침하현상을 파악하는 것이며, 파이프 외부에 plate magnet sensor를 추가 부착․설치하면 평면이동의 수평 변위상태까지도 magnet sensor probe로 파악하게 되어 경사계 추적과 대비할 수도 있게 된다.

센서고정식은 경사계센서를 access pipe(φ85㎜ ABS telescoping coupling & casing) 내에 일정간격으로 horizontal IPI 또는 tilt sensor를 내장한 horizontal beam을 고정 설치하는 방식으로, 침하현상을 자동측정하기 위해서 활용되나 고비용이 소요되므로 적용빈도가 낮아 활용성이 저하된다.

따라서 가장 저렴한 flexible tube의 수압식 torpedo 계기삽입식으로부터, ABS 케이싱 내에의 inclinometer probe 삽입식과 telescopic ABS 케이싱에 beam sensor의 고정식․IPI sensor 고정식까지, 기능과 정밀도에 따라 점차 고가의 시스템이 선정되어 설치된다.

특히 fill dam과 같은 고성토 제체 내부에서, 동일수준(EL) 상의 상․하류 방향 각각의 zone (core, filter, rock) 간에서 발생되는 부등침하(상대변위) 측정에도, tube나 파이프 끝에 dead end pulley를 설치한 측정계기 삽입식(수동계측), 또는 고정식 경사계 센서 내장식(“zone간 침하계”라고도 함)이 활용되기도 하나, 액체침하계를 이용하는 zone간 침하측정 방식이 가장 보편화된 방법이다.

9.2.2.7 액체침하계(liquid or overflow settlement cell)

액체침하계는 직접계측이 어려운 환경조건인 해저매립 대상지반이나, 초연약지반의 표면부침하 또는 천부층별침하 측정에 활용되며, 진동현식(vibrating wire)과 공기식(pneumatic) 침하계가 활용된다.

침하계는 정방형 침하판(steel plate)에 cell이 부착 조립되어 있으며, 제체 zone간의 침하 측정 계기 설치는 twin tube와 cable code가 손상되지 않고 신축에 적응할 수 있도록, 10㎝ 깊이 정도로 굴착 절개한 도랑을 따라 모래를 채우고, 예상치 못한 침하에 대비한 여유분을 고려하여 지그재그로 terminal 저수조(reservoir) 방향으로 여유있게 포설한 후, 예비시험 과정과 terminal 설치 후에 다시 모래로 도랑을 back filling하여 설치 완료한다.

9.2.2.8 버튼(button)식 깔판

버튼식 깔판은 crack gauge 원리를 응용하여 현장에서 간단하게 조립하여 활용하는 단순한 계측방식이다. landsliding 지역의 운동상황을 조기에 파악하고자 균열발생 개소에 대형 목재판을 서로 끼워 변위판을 만들고, 균열을 사이에 둔 말뚝을 고정시켜서, 미리 비스듬하게 잘라진 톱니틈새의 변형량으로 수직․수평이동방향과 이동량을 변위자국으로 파악하는 간단한 방법이며, 주측선․부측선 및 각처에 변위말뚝과 함께 다수를 설치하여 활용한다.

9.2.2.9 지반표면경사계(ground surface tiltmeter)

자연사면이나 조성지반 지표면의 경사변형을 측정하는 것으로, 수준기를 응용한 수관식경사계를 주로 활용하며, 추를 사용한 자기(自己)식경사계도 사용되어 왔으나, 최근에는 전기식경사계도 실용화되고 있다. 전기식은 수직추에 의한 경사변동을 차동트랜스나 변형게이지 등의 방식으로 data logger에 접속시킨 반자동화 계측기로 장기 연속기록도 가능하다.

수관식은 주각 및 양측지각에 의해 떠받쳐진 기포관대 위의 주․부기포관으로 경사를 조정할 수 있도록 한 구조로, 주각에는 회전분도판이 고정되어 있어서 경사각이 환산되며, 지각은 좌우 수평조정용의 구조이다.

설치는 말구 φ7㎝ 정도의 말뚝 5개를 40㎝ 이내의 정방형 코너와 중앙에 박아 고정하고, 사방을 콘크리트 타설로 땅 속에 묻고, 수평유리판 위에 2기의 수관식경사계를 서로 직각이 되도록 주각과 지각을 조정하면 된다. 이때 양 주기포관에 의한 경사각을 합성하여 지반의 경사변동량을 파악하게 되는 것이다.

자기식과 전기식은 구조물 측정편에서 기술코자 한다.

9.2.2.10 cross arm식 변위계

cross arm식은 성토층 내에서의 성토단계별 심도상의 침하변위와 수평변위 측정을 목적으로 하며, 주로 fill dam․성토높이 15m이상의 고성토댐체․공항도로 성토․택지조성 고성토에 적용된다. 변위계는 cross arm․extensometer(strainmeter)․extension pipe로 구성되고, 침하변위 측정용은 기초 고정관이 소요된다.

cross arm은 길이 1.5～2m×높이 8～10㎝×폭 4㎝ 정도의 부식방지 처리된 ㄷ형강으로 성토 변위에 견딜 수 있는 강도의 재질(두께)이 이용된다.

extensometer는 길이 0.5～2m의 telescoping pipe에 센서가 내장되어 있으며, extension pipe는 1.5～3m의 경질염화비닐관(PVC pipe)이나 강관으로 되어 있으며, extensometer에 연결하여 측정간격을 조정한다.

침하변위 측정용은 보호tube와 같은 규격의 기초 고정관을 end caping한 후, 기초지반 상의 φ10㎝×20㎝ 정도 기초공에 cementing하여 기준점으로 고정하고, 단계별 성토에 따라 성토 선단까지 3～5m 간격으로 cross arm을 포설된 모래위에 설치한다. 설치개소는 측정 목적에 따라 결정되나, fill dam에서는 상․하류 방향 최대 단면의 core zone과 상․하류측 rock zone에 각 1개소씩이며 필요에 따라서는 댐축 단면의 좌․우안측에 각 1개소씩 추가하기도 하며, 도로 성토에서는 종단 중심부에 설치하는 방식이 가장 보편적이다.

수평변위계(horizontal extensometer)는 침하 시스템을, 제체상의 단면 방향 평면으로 배열하여 제체 내부의 수평방향 변위를 측정하기 위한 것이므로, 성토 단계별 평면상에 적정한 거리를 두고 필요에 따라 여러 기(set)를 설치하게 된다.

침하 측정용은 성토시공에 따라 계속적으로 연결․설치하는 과정의 어려움이 수반되나, 수평 변위용은 어느 일정 단계에서 개소당 설치가 완료된다. 검출부는 침하측정에서는 각 rod sensor의 위치측정이 가능한 steel tape와 probe의 기계식이나 전자 유도를 이용한 차동 트랜스식 검색자로 측정하는 전기식 변환기를 사용하는 방식 등이며, 수평변위용은 다음단계 성토로 모두 매설되므로 전기식만 활용 가능하다.