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문제 정의
- 이러한 관점에서 본 연구에서는 현장에서 샘플링한 시료를 사용하여 동결토의 전반적 특성평가가 가능한 비파괴 방법으로써 초음파 펄스(jsulse)법의 일종인 싱어 라운드(sing-around)방법을 사용하여 -10℃의 저온영역 에서 수분이 융해하는 0℃ 까지의 온도변화에 따라서 동 결토의 종파, 횡파와 같은 동적 특성을 분석하였다. 또한 부동수와 초음파 속도와의 관계 분석 통해 동결토 강도 에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중의 하나인 동결토의 부동수량 분석에 적합한 초음파의 종류를 제시하고, 나 아가 관련 결과를 향후 시베리아 동토지역에서의 국내 관련 업체의 진출시 필요한 데이터로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 그 다음 아크릴 내 액체의 온도를 새로운 설정 온도로 변화시 켜 온도계를 통해서 시료의 온도가 안정화됨을 확인한 후 반복주기 T를 같은 방법으로 측정하였다. -10℃ ~이의 온도 범위 내에서 이러한 방법을 반복하여 샘플의 초음파를 측정하였다.
- 초음파 실험은 일정 함수비의 시료를 직경 35mm, 두께 5mm로 샘플을 만든 후 동결에 따른 시료의 체적 팽창을 최소화하기 위해 -2(TC 의 저온 실에 12시간 방치한 후 -10℃로 설정된 초음파 장치 내에 샘플을 설치하여 샘플의 온도가 -10℃와 일치한 것을 확인한 다음 신호의 반복주기 T를 타임카운터를 통해서 측정하였다. 그 다음 아크릴 내 액체의 온도를 새로운 설정 온도로 변화시 켜 온도계를 통해서 시료의 온도가 안정화됨을 확인한 후 반복주기 T를 같은 방법으로 측정하였다. -10℃ ~이의 온도 범위 내에서 이러한 방법을 반복하여 샘플의 초음파를 측정하였다.
- 본 실험장치는 크게 송신기, 수신기, 증폭기, 컨트롤 판넬(control panel)등으로 구성되어 있다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 시료를 액체(kerosene)가 들어있는 아 크릴용기에 설치하고 송신기, 수신기를 저온실 내에, 컨트롤 판넬은 상온의 실험실 내에 설치한 후 저온실의 온도를 -10℃ ~0℃ 까지 변화시켜 시료의 종파와 횡파 속도를 측정하였다. 신호의 반복주기 T의 측정은 조절 판넬에 부착되어 있는 타임카운터(time counter)를 사용 하였고 주파수의 범위는 2M何z를 기준으로 하였다.
- 실험에 이용한 장치의 구성단면을 그림 1에 보여준다. 그림에서 보여 주는 것처럼 초음파 펄스의 반복주기 T를 타임카운터로 측정하였다. 주기 T는 송신기와 수신 기간의 전파시간 t와 전자 회로계의 지 연시간 te로 하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- 실험장치는 송신기에서 발생한 초음파 펄스가 액체 중의 시료를 통과해서 수신기-증폭기에 도달하면 이것을 전기적 신호로 변환시키고, 반복적으로 다음의 초음 파를 발생시키는 신호전파 방식을 이용한 것이다. 따라서 시료를 통과한 초음파의 이동시간과 이동거리, 시료의 두께 등을 이용해서 초음파속도가 계산된다.
- 부동수와 초음파 속도와의 관계를 좀더 명확하게 하기 위해 2종류의 글래스비드(Glass Beads(0.2mm), Sillica Micro-Bead(l-10]im))를 사용하여 초음파와 부동수와의 관계를 조사하였으며, 그림 12, 13에서는 글래스비드의 온도변화에 따른 초음파속도와 부동수와의 관계를 보 여준다. 또한 그림 14, 15에서는 부동수와 초음파와의 관계를 나타내었다.
- 신호의 반복주기 T의 측정은 조절 판넬에 부착되어 있는 타임카운터(time counter)를 사용 하였고 주파수의 범위는 2M何z를 기준으로 하였다. 시료의 온도는 서미스터(therm询ster)를 사용하여 1/50℃ 의 정도(precision)로 측정하였으며, 측정 데이터는 GPIB 를 통해서 컴퓨터에 자동기록 되도록 하였다.
- 그림 1에 나타낸 바와 같이 시료를 액체(kerosene)가 들어있는 아 크릴용기에 설치하고 송신기, 수신기를 저온실 내에, 컨트롤 판넬은 상온의 실험실 내에 설치한 후 저온실의 온도를 -10℃ ~0℃ 까지 변화시켜 시료의 종파와 횡파 속도를 측정하였다. 신호의 반복주기 T의 측정은 조절 판넬에 부착되어 있는 타임카운터(time counter)를 사용 하였고 주파수의 범위는 2M何z를 기준으로 하였다. 시료의 온도는 서미스터(therm询ster)를 사용하여 1/50℃ 의 정도(precision)로 측정하였으며, 측정 데이터는 GPIB 를 통해서 컴퓨터에 자동기록 되도록 하였다.
- 이러한 관점에서 본 연구에서는 현장에서 샘플링한 시료를 사용하여 동결토의 전반적 특성평가가 가능한 비파괴 방법으로써 초음파 펄스(jsulse)법의 일종인 싱어 라운드(sing-around)방법을 사용하여 -10℃의 저온영역 에서 수분이 융해하는 0℃ 까지의 온도변화에 따라서 동 결토의 종파, 횡파와 같은 동적 특성을 분석하였다. 또한 부동수와 초음파 속도와의 관계 분석 통해 동결토 강도 에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중의 하나인 동결토의 부동수량 분석에 적합한 초음파의 종류를 제시하고, 나 아가 관련 결과를 향후 시베리아 동토지역에서의 국내 관련 업체의 진출시 필요한 데이터로 활용하고자 한다.
- 이상의 4종류의 초음파 pulse 신호의 반복주기 Ti, T2, T3, T4를 측정하여 샘플의 함수비 변화에 따른 종, 횡파 의 속도를 계산하였다.
- 실험시료는 샘플링한 시료를 체분석하여 1mm이하의 시료를 사용하였다. 초음파 실험은 일정 함수비의 시료를 직경 35mm, 두께 5mm로 샘플을 만든 후 동결에 따른 시료의 체적 팽창을 최소화하기 위해 -2(TC 의 저온 실에 12시간 방치한 후 -10℃로 설정된 초음파 장치 내에 샘플을 설치하여 샘플의 온도가 -10℃와 일치한 것을 확인한 다음 신호의 반복주기 T를 타임카운터를 통해서 측정하였다. 그 다음 아크릴 내 액체의 온도를 새로운 설정 온도로 변화시 켜 온도계를 통해서 시료의 온도가 안정화됨을 확인한 후 반복주기 T를 같은 방법으로 측정하였다.
대상 데이터
- 본 실험장치는 크게 송신기, 수신기, 증폭기, 컨트롤 판넬(control panel)등으로 구성되어 있다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 시료를 액체(kerosene)가 들어있는 아 크릴용기에 설치하고 송신기, 수신기를 저온실 내에, 컨트롤 판넬은 상온의 실험실 내에 설치한 후 저온실의 온도를 -10℃ ~0℃ 까지 변화시켜 시료의 종파와 횡파 속도를 측정하였다.
- 실험에 사용한 시료의 물성치를 표 1에 나타내었다. 실험시료는 샘플링한 시료를 체분석하여 1mm이하의 시료를 사용하였다. 초음파 실험은 일정 함수비의 시료를 직경 35mm, 두께 5mm로 샘플을 만든 후 동결에 따른 시료의 체적 팽창을 최소화하기 위해 -2(TC 의 저온 실에 12시간 방치한 후 -10℃로 설정된 초음파 장치 내에 샘플을 설치하여 샘플의 온도가 -10℃와 일치한 것을 확인한 다음 신호의 반복주기 T를 타임카운터를 통해서 측정하였다.
성능/효과
- (1) 동결토의 초음파 속도는 온도의 상승과 더불어 감소 하였고 특히 -2t 이상의 범위에서 급격히 감소하였다. 이러한 결과는 동결토의 부동수분량의 증가와 밀접한 관계가 있음을 확인하였고 응회암 풍화토의 임계 입사각은 18°로 관측되었다.
- (2) 초음파 속도는 부동수분량과 선형 적 인 관계(V=A . 伍+B)가 성립하였다.
- (3) 응회암 풍화토에서 부동수 1%의 변화에 종파 60m/sec, 횡파는 36m/sec, 글래스비드의 경우 종파 64m/sec, 횡파는 56m/sec 정도가 감소되었고 종파가 횡파보다 시료의 종류에 관계없이 일정한 속도를 유지하였다. (4) 입경이 다른 2종류(1-10皿 0.
- (3) 응회암 풍화토에서 부동수 1%의 변화에 종파 60m/sec, 횡파는 36m/sec, 글래스비드의 경우 종파 64m/sec, 횡파는 56m/sec 정도가 감소되었고 종파가 횡파보다 시료의 종류에 관계없이 일정한 속도를 유지하였다. (4) 입경이 다른 2종류(1-10皿 0.2mm)의 글래스비드를 사용한 초음파 실험결과 응회암 풍화토와 유사한 거 동을 하였고 입경 차이에 따른 초음파 속도의 차이는 미미하였다.
- 이러한 결과로부터 변수 A는 부동 수의 영향, 변수 B는 흙의 성분 또는 흙 종류의 영향임 을 알 수 있다. 부동수가 동토의 초음파 속도에 영향을 미치는 명확한 이론적 분석은 현 단계로서는 어려우나, 부동수 변화에 따른 초음파 속도는 그림 10, 11의 결과 로부터 부동수가 1% 증가함에 따라 종파 60血sec, 횡파 35m/sec 정도 감소함을 확인하였다.
- 응회암 풍화토 글래스비드를 대상으로 한 초음파 실험 결과, 동결토의 부동수분량과 초음파 속도 사이에는 선형적인 관계가 존재함을 확인하였고 S파보다는 P파 가 동결토의 부동수분량 분석에 적합하다고 사료된다. 본 연구와 관련된 세부적인 실험결과는 다음과 같다.
- 또한 그림 14, 15에서는 부동수와 초음파와의 관계를 나타내었다. 이 결과에서도 알 수 있듯이 초음파 와 부동수와는 거의 선형적 인 관계가 존재함을 재확인 하였다. 표 4에서는 글래스비드에 적용된 종파, 횡파 각각의 변수 A, B와 상관계수를 보여준다.
- (1) 동결토의 초음파 속도는 온도의 상승과 더불어 감소 하였고 특히 -2t 이상의 범위에서 급격히 감소하였다. 이러한 결과는 동결토의 부동수분량의 증가와 밀접한 관계가 있음을 확인하였고 응회암 풍화토의 임계 입사각은 18°로 관측되었다.
- 또한 표 2, 3에서 종파의 변수 A값을 비교해보면 종파의 경우는 횡파와는 달리 시료의 종류에 영향을 받지 않고 비교적 일정한 값을 유지고 있음을 보여준다. 이러한 결과로부터 부동수량과 초음파 속도 와의 상관관계를 규명하기 위해서는 횡파보다는 종파 가 효과적이라고 판단된다.
- 표 4에서는 글래스비드에 적용된 종파, 횡파 각각의 변수 A, B와 상관계수를 보여준다. 이러한 측정 결과로부터 부동수 증가에 따른 종파속도의 감소율은 약 60m/sec 로 응회 암 풍화토와 유사하나 횡파의 감소율 은 응회암 풍화토의 경우보다 큰 약 56m/sec로 다소 크게 측정되었다. 또한 표 2, 3에서 종파의 변수 A값을 비교해보면 종파의 경우는 횡파와는 달리 시료의 종류에 영향을 받지 않고 비교적 일정한 값을 유지고 있음을 보여준다.
- 이것은 김(2002), Thimus의 연구결과(1991)와 잘 일치하고 있다. 즉 동토중의 부동수량이 증가한 결과, 초음파속도 가 현저히 감소됨을 보여주고 있다. 다시 말해서 온도상 승의 결과 부동수량의 증가할수록 초음파 속도가 큰 얼 음이 초음파 속도가 작은 부동수로의 상변환의 영향임 을 알 수 있다.
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