A Study for Predicting Rotational Cutting Torque from Electrical Energy Required for Ground Drilling

This study proposes a method to estimate drilling torque during ground boring with an aid of electrical energy required for rotating a boring-auger. Ground boring is commonly used in geotechnical engineering such as preboring precast pile installation, soil-cement grouting, ground exploration and so forth. In order to understand the correlation between required electrical energy to rotate the boring auger and the drilling torque, a small laboratory apparatus was designed and a pilot study was performed. The apparatus rotates common drill bits of $D=5{\sim}25mm$ in CBR specimens. The velocity of a bit is 19 RPM and predefined using a reduction gear which connects a main rotation axis to a 25 Watts AC electrical motor shaft. In the middle of drilling the motor current increments and the drilling torque were measured and the correlation between the current and the torque was obtained through linear square fits. Based on the correlation the acquired motor current during drilling was applied to predict the drilling torque in consequent testing and the prediction results were compared to the measured torque. The comparison leads a conclusion that the motor current during drilling using electrical power may be a good indicator to estimate/determine strength characteristics of the ground.

지반절삭 전기에너지를 활용한 회전굴착토크 예측에 관한 연구

본 연구는 지반의 회전굴착에 필요한 굴착 토크(torque)를 회전 오거 구동에 소요되는 전기에너지를 활용하여 예측할 수 있는 방법을 제시한다. 지반회전굴착은 선굴착 말뚝 시공, 연약지반 개량을 위한 소일-시멘트 그라우팅(soil-cement grouting), 사전 지반조사 등 지반공학 분야에 흔히 사용되고 있다. 오거를 통한 회전굴착에 소요되는 전기에너지와 회전 토크의 상호 관계를 이해하기 위하여 소형 실내 실험기기를 제작하고 파일럿(pilot)실험을 수행하였다. 실험기기는 직경 $D=5{\sim}10mm$의 일반 드릴 비트를 회전하여 CBR몰드에 다짐 제작된 토사공시체를 굴착할 수 있도록 설계되었다. 드릴 비트는 감속기어를 통하여 19RPM의 정격 속도로 회전하며, 구동 모터는 25Watt 용량의 교류 유도 전동기이다. 드릴 비트로 공시체를 회전 절삭하며 구동 모터에 소요되는 전류의 증가량과 실제 비트에 작용하는 토크(torque)를 측정하였고, 선형 회귀분석을 통하여 전류 증가량과 토르크 증가량의 상호관계를 파악하였다. 구하여진 회귀분석 결과를 활용하여 굴착시 소요되는 전류 증가량으로부터 굴착토크를 예측하여 계측된 토크값과 비교하였다. 비교로부터 굴착에 소요되는 전기력을 활용하여 굴착토크를 예측할 수 있다는 결론을 얻었으며, 이로부터는 굴착 전기력의 분석을 통해 지반의 전단강도 특성을 예측할 수 있음을 증명하고자 하였다.