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문제 정의
- 본 연구에서 제안된 유전율 믹싱모델(dielectric mixing model)은 불포화 다공질매질에 대해 측정된 유전율 상수의 반응으로부터 이들의 유효공극률을 측정하기 제시되었다. 유전율상수의 측정은 다공질매질 내에 삽입 설치된 측정센서의 주변부에서 각기 주입되는 액체 상태의 물과 에탄올에 의해 이루어진다.
- 불포화 다공질매 질의 정 량적인 유효공극률을 측정하기 위해 지반을 구성하고 있는 매질의 기본 물리적 특성중의 하나인 유전율 상수의 변화로부터 이를 측정하기 위한 실험적 연구를 시도하였다. 본 연구를 위해서 다양한 매질의 유전율 상수를 측정할 수 있는Frequency domain reflectometry(FDR) system과 측정센서를 고안하였으며, 다공질매질의 기본단위인 흙 입자, 물그리고 공기를 포함하고 있는 불포화 조건에 대한 유전율 믹 싱모델(dielectric mixing model)을제안하였다.
- 불포화다 공질매질의 유효공극률을 측정하기 위해, FDR 유전율 측정법을 적용하여 이들을 구성하고 있는 매질의 고유한 유전율 상수 변화로부터 유효공극률의 측정 가능성을 검토하였다.
제안 방법
- 흙 시료의 체적함 수비의 측정은 3단계에 걸쳐 수행되었다. 1단계에서는 초기 체적함 수비를 측정을 위해서 불포화 흙을 아크릴 칼럼에 넣은 후 6cm 길이 단위로 6개, 그리고 7cm 높이 1개의 아크릴 칼럼을 분해해 칼럼 높이에 따른 체적함 수비를 측정하였다. 2 와3단계는 각각 물 및 에탄올에 의한 주입 실험 후 아크릴 칼럼 내 흙의 체적함 수비의 변화를 측정하였다.
- 1단계에서는 초기 체적함 수비를 측정을 위해서 불포화 흙을 아크릴 칼럼에 넣은 후 6cm 길이 단위로 6개, 그리고 7cm 높이 1개의 아크릴 칼럼을 분해해 칼럼 높이에 따른 체적함 수비를 측정하였다. 2 와3단계는 각각 물 및 에탄올에 의한 주입 실험 후 아크릴 칼럼 내 흙의 체적함 수비의 변화를 측정하였다. 체 적 함수비 의 측정은 건조기에서 105 ℃의 온도 상태로 24시간 동안 건조한 후 측정하였다.
- 각각의 흙 칼럼은 일정한 초기공극률 범위 내에서 체적함 수비를 조절하여 수행되었다. 각 흙 칼럼에 대한 체적 함 수비 와 공극률은 건조 실험을 실시하여 산정하였다.
- 두 종류의 불포화 흙인 표준사와 강모래에 대한 유효공극률 측정은 주입물질인 물과 에탄올을 주입하는주입실험(injection test)과 압력실험(overhead pressure test)을 실시하였다. 각각의 흙 칼럼은 일정한 초기공극률 범위 내에서 체적함 수비를 조절하여 수행되었다. 각 흙 칼럼에 대한 체적 함 수비 와 공극률은 건조 실험을 실시하여 산정하였다.
- 두 종류의 불포화 흙인 표준사와 강모래에 대한 유효공극률 측정은 주입물질인 물과 에탄올을 주입하는주입실험(injection test)과 압력실험(overhead pressure test)을 실시하였다. 각각의 흙 칼럼은 일정한 초기공극률 범위 내에서 체적함 수비를 조절하여 수행되었다.
- 5cm 두께의 아크릴 덮개를 제작하였다. 또한, 이것의 하단 부분은 유출밸브를 설치하여 주입 파이프로부터 주입 된 물 또는 에탄올이 원활하게 이동할 수 있도록 장치 하였다. 설치된 장치를 이용하여 각각의 주입실험 (Injection Test, IT)과 압력실험 (Overhead Pressure Test,OPI)을 실시하였다.
- 불포화 다공질매 질의 정 량적인 유효공극률을 측정하기 위해 지반을 구성하고 있는 매질의 기본 물리적 특성중의 하나인 유전율 상수의 변화로부터 이를 측정하기 위한 실험적 연구를 시도하였다. 본 연구를 위해서 다양한 매질의 유전율 상수를 측정할 수 있는Frequency domain reflectometry(FDR) system과 측정센서를 고안하였으며, 다공질매질의 기본단위인 흙 입자, 물그리고 공기를 포함하고 있는 불포화 조건에 대한 유전율 믹 싱모델(dielectric mixing model)을제안하였다.
- 불포화 흙 칼럼의 제작은 체적함 수비 약 0.10, 0.20 그리고 0.30범위 내에서 함수비를 조절하면서 초기 공 극률 0.35, 0.40 및 0.45 내외로 각각 제작하였다. 주입시험이 종료된 후 흙 칼럼 시료는 105 ℃ 온도를 유지할 수 있는 건조로에서 24시간 건조하여 각 흙 칼럼에 대한 체적함 수비와 공극률을 계산하였다.
- 30)를 조절하면서 불포화 상태의 흙 칼럼 시료 를 제작하였다. 불포화된 흙 시료의 체적함수비 측정 은 건조로를 사용한 건조실험을 통해 실험 전과 후의 변화를 측정 하였다.
- 또한, 이것의 하단 부분은 유출밸브를 설치하여 주입 파이프로부터 주입 된 물 또는 에탄올이 원활하게 이동할 수 있도록 장치 하였다. 설치된 장치를 이용하여 각각의 주입실험 (Injection Test, IT)과 압력실험 (Overhead Pressure Test,OPI)을 실시하였다.
- 이를 위해, 유전율 실험은 불포화된 흙의 유전율상수 의 변화를 측정하기 위한 동일한 실험 조건 상태 하에 서 물 및 에탄올 주입실험을 수행하였다.
- 이와 같이 지반을 구성하고 있는 매질들의 고유 유 전율상수의 반응을 이용하여 불포화된 흙의 유효공극 률의 측정 가능성을 검토하기 위해 유전율 측정 장비 중의 하나인 Frequency domain reflectometry(FDR) 시스템과 매질의 유전율상수를 측정하기 위한 측정센 서를 개발하여 실험을 수행하였다. 이 방법은 홁 내부 의 유전율상수의 변화를 측정하기 위해 주입물질인 물과 에탄올을 주입 하여 불포화 상태 의 흙 내부에 연 결된 공극을 통하여 침투 이동하는 과정에서 흙의 유 전율상수 변화를 측정할 수 있도록 고안되었다(김만 일과 정교철, 2004).
- 주입물질을 주입한 후, 각각의 홁 칼럼은 주입에 따른 흙 내부의 체적함수비의 변화를 측정하기 위하여 일정한 길이에 대해 건조실험(dry oven test)을 실시하였다. 흙 시료의 체적함 수비의 측정은 3단계에 걸쳐 수행되었다.
- 45 내외로 각각 제작하였다. 주입시험이 종료된 후 흙 칼럼 시료는 105 ℃ 온도를 유지할 수 있는 건조로에서 24시간 건조하여 각 흙 칼럼에 대한 체적함 수비와 공극률을 계산하였다. 건조시험 후 측정된 각 실험별 흙 칼럼에 대한물성치는 Table2 에 나타내었다.
대상 데이터
- 본 연구는 흙 입자의 분포가 거의 균등한 표준사 (standard sand)와 일반적 인 강모래(river sand)를 사 용하여 실험을 실시하였다. 흙의 물리적 특성은 Table 1 및 Fig.
- 2는 본 실험에 적용된 FDR 및 불포화 아크릴 흙 칼럼의 설치에 대해 보여주고 있다. 불포화된 흙 칼 럼을 만들기 위해, 아크릴 칼럼은 5cm 직경, 43cm 높 이로 제작되어졌다. 칼럼 상단부분은 FDR 측정센서 및 주입 파이프를 설치할 수 있도록 5cm 직경, 2.
- 불포화된 흙 칼 럼을 만들기 위해, 아크릴 칼럼은 5cm 직경, 43cm 높 이로 제작되어졌다. 칼럼 상단부분은 FDR 측정센서 및 주입 파이프를 설치할 수 있도록 5cm 직경, 2.5cm 두께의 아크릴 덮개를 제작하였다. 또한, 이것의 하단 부분은 유출밸브를 설치하여 주입 파이프로부터 주입 된 물 또는 에탄올이 원활하게 이동할 수 있도록 장치 하였다.
이론/모형
- 이 방법은 홁 내부 의 유전율상수의 변화를 측정하기 위해 주입물질인 물과 에탄올을 주입 하여 불포화 상태 의 흙 내부에 연 결된 공극을 통하여 침투 이동하는 과정에서 흙의 유 전율상수 변화를 측정할 수 있도록 고안되었다(김만 일과 정교철, 2004). 이 때, 주입 물질의 침투로 인해 발 생되는 유전율상수의 변화로부터 본 연구에서 제안된 유전율 믹 싱 모델 (dielectric mixing models; DDMs)에 적용하여 불포화 흙에 대한 유효공극률을 계산하였다.
성능/효과
- 각 흙 칼럼에 대한 유전율 상수와 공극률 및 유효공극률의 관계에서 공극률이 증가할수록 유전율 상수는 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 불포화 상태의 흙 칼럼 내에 주입물질을 주입하더라도 완전히 포화상태를 보이지 않기 때문이며, 이러한 영향에 의해 흙 입자 사이의 공극 내에 공기가 다소 분포하고 있어 유전율 상수 감소하는 것으로 판단된다.
- 5)보다 매우 크기 때문에 측정되는 유전율 상수가 공극 내에 분포하고 있는 물의 영향을 받기 때문이다 (김만일과 니시가키 2003;불포화 다공질매질의 물성치 측정을 위한 실험적 연구Noborio, 2001). 또한 불포화 흙 칼럼이 주입물질인물 에 의해 점차적으로 포화상태로 진행되면서 유전율상 수의 측정값이 매우 높게 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 에탄올의 주입에 따른 최종 유전율 상수의 측정값은 초기 유전율 상수의 측 정치 범위보다 다소 높 읜 은 범위 내에서 측정되었다.
- 이는 불포화 상태의 흙 칼럼 내에 주입물질을 주입하더라도 완전히 포화상태를 보이지 않기 때문이며, 이러한 영향에 의해 흙 입자 사이의 공극 내에 공기가 다소 분포하고 있어 유전율 상수 감소하는 것으로 판단된다. 또한, 두 실험에 의해 측정된 유효공극률의 범위는 공극률과 비교해 약 65~85% 범위 내에 분포하고 있으며, 불포화 상태에서는 공극률의 증가에 따라 유효공극률은 다소 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 불포화 상태의 흙 입자 둘레에 흡착수가 다량 분포하고 있어 연결된 공극만을 통하여 신속하게 주입물질이 침투 이동이 이루어진 것이다.
- 본 연구의 결과에서 불포화 흙 칼럼에 대한 유효공극률의 측정 가능성에 있어 유전율 시스템인 FDR과 측정센서만으로도 유전율 상수의 반응에 따라 이들의 측정이 가능하다는 것을 확인하였다. 앞으로의 연구는 야외에 적용할 수 있는 유전율 장비의 적용성과 그 시험방법에 대한 고려가 필요할 것으로 사료된다.
- 불포화된 흙매질에 대한 유전율 상수의 관계로부터 유도된 유효공극률의 관계식 은 결과적으로 순수한 물과 에탄올의 유전율 상수와 이들을 주입한 후 측정된 최종 유전율 상수의 관계로부터 유효공극률의 계산이 가능하다는 것을 보여주고 있다.
- 5는 측정된 유효공극률과 공극률의 관계에 대해 도시하였다. 실험에 적용된 두 종류의 흙들은 초기 불포화 상태에서 주입물질에 의해 포화상태로 전환되면서 흙 내부의 연결된 공극을 통하여 침투 이동함에 따라 공극률에 비해 유효공극률이 약 65 -85% 범위에 분포하고 있는 것을 확인하였다. 여기서 불포화 흙 시료의 공극률이 증가하면서 유효공극률은 점진적으로 감소하는 경향을 보이고 있다.
- 주입물질인 물과 에탄올 주 입에 따른 흙 내부의 유전율 상수 변화는 초기 유전율 상수의 측 정치와 대조적으로 나타났다. 특히, 각 초기 공극률에 대한 초기 유전 율상수의 즉 정치는 공극률이 증가할수록 유전율 상수도 함께 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 흙 입자 사 이에서 공극의 부피가 증가함에 따라 물의 함유량이 증가에 의한 것으로써 물의 유전율 상수(약 80)가 공기(약 1)나 흙 입자(약 2.
후속연구
- 본 연구의 결과에서 불포화 흙 칼럼에 대한 유효공극률의 측정 가능성에 있어 유전율 시스템인 FDR과 측정센서만으로도 유전율 상수의 반응에 따라 이들의 측정이 가능하다는 것을 확인하였다. 앞으로의 연구는 야외에 적용할 수 있는 유전율 장비의 적용성과 그 시험방법에 대한 고려가 필요할 것으로 사료된다.
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