공내재하시험(Goodman Jack)

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지질 조사

 

 

 

O Goodman Jack

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한계 압력이 700kgf/cm2인 Goodman Jack을 사용하여 정하중 조건에서 암반 변형특성을 규명하기 위하여 정탄성계수를 산출하는 시험으로, 시추공벽에 압력을 가하여 하중과 변형량의 변화로 암반 변형계수와 탄성계수를 구한다. 기본적인 개념은 Elastmeter와 동일하나 한계 압력이 월등하고 정밀도가 뛰어나 양질의 결과를 얻을 수 있다. Goodman Jack은 경암용과 연암용 두 가지 모델이 있다. 본 항에서는 국내에 보편적으로 보급되어 있는 연․경암용 모델(Model 52101)을 기준으로 기술한다.

 

 

 

 

 

O 구성 장비

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(1) 프로브

기존 공내재하시험기와 달리 튜브 방식이 아니며, 프로브 자체가 양방향으로 벌어진다. Jack 내부에 서로 마주보고 있는 두 개의 Rigid Bearing Plate에 유압을 작용시켜 공벽에 압력을 가한다. Rigid Bearing Plate는 길이가 8인치(20cm)이고, Rigid Bearing Plate가 공벽에 밀착되어 압력을 가하는 부분은 각각 90°이다.

 

(2) Readout box

Jack 내부 두 개의 LVDT에서 얻은 신호를 Signal Cable을 통하여 전달받아 출력한다. 전원으로 6V 배터리를 사용하는데, 배터리는 Readout Box에 내장되어 있다. 220V AC 전원을 이용하여 충전하며 6.0V 이상을 유지하도록 하는 것이 좋다.

5.8V 이하일 경우에는 시험이 불가하다.

 

(3) 펌프

유압펌프를 사용한다. 압력을 가하여 Jack을 팽창시킬 때는 Extend, 압력을 풀어 평형상태를 만들고자 할 때는 Neutral, Jack을 수축시킬 때는 Retract 모드에 선택한다.

 

(4) 케이블

유압호스 두 개와 Signal Cable 1개로 이루어진다. Signal Cable은 표준 길이가 15M이며, 심도에 맞춰 여러 개를 연결시켜 사용한다. Signal Cable을 여러 개 연결하여 사용할 경우 연결부의 저항이 늘어나 Readout Box의 수치가 미세하게 달라질 수 있으므로 시험은 늘 전체를 연결한 상태에서 실시한다. 즉 Jack을 공내에 삽입할 경우는 케이블을 분리하지만, 시험구간에 설치를 완료하면 케이블 전체를 다시 연결한다.

 

<Goodman Jack 단면>

 

 

 

 

 

 

 

O 시험 방법

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사용할 케이싱 및 로드 규격을 확인한다. 케이싱으로 사용할 수 있는 것은 B-Casing, NQ-Rod, NQ-Oversize, AW 등으로 매우 다양하기 때문에 그 규격을 확인하여 이에 맞도록 커플링, 리프팅벨 등을 준비한다. NQ-Oversize는 규격이 다양하므로 주의한다. AW 규격 로드는 특수한 경우에 사용한다. AW 규격 로드를 사용할 때 공내에서 Jamming 위험이 크고, 사고 복구를 한다 해도 공벽과 마찰로 인해 호스가 상당히 손상된다.

∘ 시험심도까지 연결할 수 있는 케이싱과 롯드 준비한다..

∘ 펌프 유량을 확인한다.

∘ 파쇄대나 파쇄대 바로 아래 부분은 시험 과정에서 물릴 위험이 있으므로 시험 전에 시추코어를 확인한다.

∘ 완전 수축반경(69.9mm) 및 최대 팽창반경(81.2mm)을 벗어나지 않도록 주의한다. 특히 지상에서 사전 시험할 때 몇 번 펌핑하는 것만으로도 Jack이 안전반경을 이탈할 수 있으니 주의한다.

∘ Jack에 연결된 짧은 유압호스는 Jack 팽창을 위해 사용하고, 긴 유압호스는 Jack 수축을 위해 사용한다.

∘ Jack에 Signal Cable을 연결할 때 방수를 위해서 O-Ring에 실리콘 그리스를 바른다.

∘ Bx 규격 케이싱 등을 이용하여 측정 심도에Jack을 설치한다. 이때 유압호스와 케이블은 케이싱 안으로 넣는데 이때 상하지 않도록 각별히 유의한다.

∘ 케이블이 꼬이지 않도록 주의하면서 유압호스를 Readout Box와 펌프에 연결한다.

∘ 공경 변화량에 유의하면서 3000, 6000, 9000psi의 단계로 가압과 감압한다. Jack의 최대 유효압력은 10,000psi이다.

∘ 펌프를 사용하여 변위량이 안정될 때까지 압력을 일정하게 유지하고 각각의 LVDT를 매 1분마다 기록하는 것을 원칙으로 한다.

∘ 펌프 밸브를 Neutral방향으로 조심스럽게 돌리면서 감압한다.

∘ Jack의 완전수축 외경은 2.75인치(69.9mm), 최대팽창 외경은 3.20인치(81.2mm)로, 이 범위를 넘을 경우 Jack 내부 피스톤의 O-Ring이 이탈하여 파손되므로 완전수축 및 최대팽창 외경을 넘지 않도록 주의한다.

∘ 시험이 끝나면 펌프 밸브를 retract 위치에 놓고 Jack을 수축시킨 후 꺼낸다.

∘ Jack을 거꾸로 세우고 Jack 끝의 캡을(2개) 열고 펌핑을 반복하여 Jack에 들어있는 공기를 제거한다.

∘ 이방성시험을 할 경우 시험 심도에서50cm을 상향 이동하여 Jack 방향을 90도 회전시킨 후 위의 과정을 반복한다.

 

 

<Goodman Jack 모식도>

 

 

 

 

 

 

 

O 결과 분석

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현장시험 결과로 얻은 측정값을 사용하여 압력의 변화에 따른 공경의 변화상태를 나타내는 압력 대 변화량 곡선을 작성한다. 암반의 변형계수 및 탄성계수는 압력 대 변화량 곡선(P-Q curve)에서 직선구간을 선정하여 산출한다. 이 과정에서 포아송비 등의 암반특성을 고려한다. 조사대상 지역의 암반조건에 따라 다른 값이 적용될 수 있으나, 아래 표에서 보는 것과 같이 포아송비의 차이에 따르는 변형계수의 차이는 크지 않은 것으로 알려져 있다.

 

Poission's ration	0.10	0.20	0.25	0.30	0.33	0.40	0.50
T"	1.519	1.474	1.436	1.379	1.366	1.289	1.151

<표 Coefficient Dependent on Poission's ratio>

 

탄성계수는 다음의 공식으로 산출한다.

여기서,

Dcal : calculated modulus of deformation, in psi

e : efficiency of jack's hydraulic system

           0.93 for SINCO Jack Model 52101

           0.55 for SINCO Jack Model 52102

D : jack operating point, in inches

ΔP : change in jack pressure, in psi

ΔD : change in borehole diameter, in inches

T* : coefficient dependent on Poission's ratio

 

Dcal 값은 loading-unloading 곡선에서 가장 이상적인 탄성변형거동을 나타내는 임의 구간에서 secant modulus 값을 취하는 것이 일반적이지만, Dcal 값이 106 psi를 초과할 경우 탄성계수와 시추공의 변형상태, 또는 압력과 관계가 일정한 경향을 보이지 않기 때문에 <그림 2-7>의 보정곡선이나 <표 2-7>의 보정표를 이용하여 Dtrue 값을 산출한다.

Dtrue 값으로 정전단계수(Gs), 정체적계수(Ks)를 구한다.

여기서, υ는 실내 암석시험 값을 이용한다.

 

Ecal	0	1	2	3	4	5	6	7	8
0	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.9
1	1.2	1.3	1.5	1.7	1.9	2.1	2.4	2.6	2.9
2	3.4	3.7	4.0	4.3	4.7	5.1	5.8	6.0	6.5

 

<Curve of Dcal vs Dtrue>

 

 

 

 

 

본시험의 결과 산출되는 탄성계수를 사용하기 위해서는 다음과 같은 사항을 전제로 한다.

- Jack의 기본 이론은 암반이 등방성이고 완전 탄성체라는 가정하에 수립된 것이다.

- Jack이 암반 내에 가하는 압력으로는 암반 내에 인장균열이 발생하지 않는다. (인장균열이 발생하면 탄성계수가 낮아진다).

- 시험구간에 가해지는 압력의 영향을 받는 암반의 체적범위는 불과 0.124m2으로 암반 전체를 대표하는 것은 아니다.

- 시추공의 공경이 3.0인치(76.0mm)를 초과하는 경우에는 Jack의 강판이 공벽에 완전히 밀착되지 않는다.

이상에서 언급한 사항 중 마지막 항에 대한 사항은 시험결과 작성된 압력 대 변형량 곡선을 검토하여 이 중 초기 하중 곡선의 직선구간에서 탄성계수를 산출하는 방법으로 처리한다. 또한, 이 방법은 탄성계수의 보정에도 사용한다.

 

 

※ 참고 자료

2023.08.24 - [강박사의 토목이야기] - 공내전단시험과 공내재하시험

2023.08.14 - [강박사의 토목이야기] - 시추조사(지질조사)와 표준관입시험(SPT)

2023.03.25 - [강박사의 토목이야기] - 토질 및 암반의 분류 및 기재방법(지질조사)