전단파는 흙 입자의 강성과 밀도에 연관된다. 흡 입자의 전단 강성은 물의 존재 여부에 영향을 받지 않는다. 벤더 엘리먼트는 흙과 트랜스듀서 간의 뛰어난 결합 효과를 보여 토질 시험 장치에 적용하기에 편리한 전단파 트랜스듀서이다. 본 논문은 전단파의 기본 원리를 살펴본 뒤, 전자기 커플링 방지, 지향성(directivity), 공진주파수, 초동 추정, 근접장 효과 등을 포함하여 벤더 엘리먼트의 설계와 설치에 대하여 다루었다. 전해질 용액 속에서의 전기적 간섭(cross-talk)현상은 병렬 타입의 벤더 엘리먼트를 사용함으로써 최소화할 수 있다. 캔틸레버 보 형식의 벤더 엘리먼트는 전단파의 지향성은 원형에 가깝게 나타났다. 벤더 엘리먼트의 공진주파수는 벤더 엘리먼트 자체의 특성, 흡의강성 및 엥커 특성에 의존적인 것으로 나타났다. 벤더 엘리멘트 시험에서 가장 어려운 부분 중의 하나는 전단파의 도착시간에 영향을 주는 근접장 효과이다. 근접장 내에서 전단파의 도착시간 산정은 다중반사법(multiple reflection method)과 signal matching 기술을 적용하여 해결할 수 있다. 여러 가지 고려사항이 요구되는 벤더 엘리먼트는 전단파를 이용한 지반 동적 특성 파악에 매우 효과적인 방법이 될 수 있을 것이다.
전단파는 흙 입자의 강성과 밀도에 연관된다. 흡 입자의 전단 강성은 물의 존재 여부에 영향을 받지 않는다. 벤더 엘리먼트는 흙과 트랜스듀서 간의 뛰어난 결합 효과를 보여 토질 시험 장치에 적용하기에 편리한 전단파 트랜스듀서이다. 본 논문은 전단파의 기본 원리를 살펴본 뒤, 전자기 커플링 방지, 지향성(directivity), 공진주파수, 초동 추정, 근접장 효과 등을 포함하여 벤더 엘리먼트의 설계와 설치에 대하여 다루었다. 전해질 용액 속에서의 전기적 간섭(cross-talk)현상은 병렬 타입의 벤더 엘리먼트를 사용함으로써 최소화할 수 있다. 캔틸레버 보 형식의 벤더 엘리먼트는 전단파의 지향성은 원형에 가깝게 나타났다. 벤더 엘리먼트의 공진주파수는 벤더 엘리먼트 자체의 특성, 흡의강성 및 엥커 특성에 의존적인 것으로 나타났다. 벤더 엘리멘트 시험에서 가장 어려운 부분 중의 하나는 전단파의 도착시간에 영향을 주는 근접장 효과이다. 근접장 내에서 전단파의 도착시간 산정은 다중반사법(multiple reflection method)과 signal matching 기술을 적용하여 해결할 수 있다. 여러 가지 고려사항이 요구되는 벤더 엘리먼트는 전단파를 이용한 지반 동적 특성 파악에 매우 효과적인 방법이 될 수 있을 것이다.
The shear wave velocity is related with the stiffness of granular skeleton and mass density. The shear stiffness of the granular skeleton remains unaffected by the presence of the fluid. Bender elements are convenient shear wave transducers for instrumenting soil cells due to optimal soil-transducer...
The shear wave velocity is related with the stiffness of granular skeleton and mass density. The shear stiffness of the granular skeleton remains unaffected by the presence of the fluid. Bender elements are convenient shear wave transducers for instrumenting soil cells due to optimal soil-transducer coupling. This study addresses the principles of the shear wave, the design and implementation of bender elements including electromagnetic coupling prevention, directivity, resonant frequency, detection of first arrival, and near field effects. It is shown that electromagnetic coupling effects can be minimized using parallel-type bender elements. Thus, the in-plane S-wave directivity is quasi-circular. The resonant frequency of bender element installations depends on the geometry of the bender element, the anchor efficiency and the soil stiffness. One of the most cumbersome parts in the bender element test is near field effects, which affect the selection of arrival time. The selection of the first arrival within the near field Is effectively solved by the multiple reflection technique and signal matching technique. Bender elements, which requires several considerations, may be effective tools for the subsurface characterization by using S-wave.
The shear wave velocity is related with the stiffness of granular skeleton and mass density. The shear stiffness of the granular skeleton remains unaffected by the presence of the fluid. Bender elements are convenient shear wave transducers for instrumenting soil cells due to optimal soil-transducer coupling. This study addresses the principles of the shear wave, the design and implementation of bender elements including electromagnetic coupling prevention, directivity, resonant frequency, detection of first arrival, and near field effects. It is shown that electromagnetic coupling effects can be minimized using parallel-type bender elements. Thus, the in-plane S-wave directivity is quasi-circular. The resonant frequency of bender element installations depends on the geometry of the bender element, the anchor efficiency and the soil stiffness. One of the most cumbersome parts in the bender element test is near field effects, which affect the selection of arrival time. The selection of the first arrival within the near field Is effectively solved by the multiple reflection technique and signal matching technique. Bender elements, which requires several considerations, may be effective tools for the subsurface characterization by using S-wave.
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문제 정의
그러나 벤더 엘리먼트의 적용에는 흙을 통한 전자기 커플링으로 인한 전기적 간섭, 압축파와 전단파의 혼합 전달, 근접장 효과, 초동의 불확실성 등을 포함하여 몇 가지 어려운 점이 있다. 본 논문에서는 전단파의 기본원리와 전단파의 발생과 수신을 위해 널리 적용되고 있는 벤더 엘리먼트 시험의 원리와 고려 사항에 대하여 서술하였다.
제안 방법
그림 1과 같이 압밀 시험장치의 상판과 하판에 벤더 엘리먼트를 설치하여 압밀시험 중에 전단파를 측정하였다. 모래의 압밀시험 중에 측정된 전단파와 수직 유효응력관계를 그림 2에 나타내었다.
첫 번째, 압축파의 지향성을 알아보기 위해 270발신기와 수신기의 중심축간 거리를 고정시킨 후 원형반경을 따라 회전시키면서 수중에서 측정하였다. 두 번째, 벤더 엘리먼트의 끝단 간의 거리를 150mm로 고정되도록 하였으며 동일한 응력상태와 동일한 감쇠 조건에서 시험을 수행하기 위하여 원형 모양의 배열로 벤더엘리먼트를 설치한 후 전단파의 지향성을 조사하였다. 입력파로서 압축파의 경우는 임펄스(impulse)가 사용되었으며, 전단파의 경우는 구형파(square wave)가 적용되었다.
본 방법에서는, 첫째 벤더 엘리먼트를 이용하여 전단파를 측정한다. 둘째 모델을 이용하여 전단파 형상을 구현한 후 측정된 전단파 신호와 비교한다. 셋째, 전단파의 속도와주파수를 조정한 후 다시 즉정된 전단파와 비교하여 오차를 최소화 시킨다.
본 논문에서는 여러가지 실험적, 해석적, 그리 고수치적 방법을 통하여 벤더 엘리먼트의 선태 지향성, 실험 시편의 크기, 필터링, 스태킹, 주파수, mis-alignment, 속도와 진폭 관계, 전단파의 속도 계산, 입력파의 선택, 그리고 엥커링 방법을 검토하였다 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
산정하는 signal matching 기법을 개발하였다. 본 방법에서는, 첫째 벤더 엘리먼트를 이용하여 전단파를 측정한다. 둘째 모델을 이용하여 전단파 형상을 구현한 후 측정된 전단파 신호와 비교한다.
지향성의 특성을 살펴보기 위하여 압축파 트랜스듀서(Panametrics A3441)와 본 논문에 사용된 벤더 엘리먼트의 지향성을 그림 5에 나타내었다. 첫 번째, 압축파의 지향성을 알아보기 위해 270발신기와 수신기의 중심축간 거리를 고정시킨 후 원형반경을 따라 회전시키면서 수중에서 측정하였다. 두 번째, 벤더 엘리먼트의 끝단 간의 거리를 150mm로 고정되도록 하였으며 동일한 응력상태와 동일한 감쇠 조건에서 시험을 수행하기 위하여 원형 모양의 배열로 벤더엘리먼트를 설치한 후 전단파의 지향성을 조사하였다.
대상 데이터
우선 실험적 방법에서는 그림 13(a)와 같이 다중반사법을 적용하여 산정할 수 있다. 이 방법에서는 반사계수를 증가시키기 위하여 흙과 임피던스 불일치가 큰 스테인레스 철판를 적용하였다. 상부 스테인레스 철판에 설치된 벤더 엘리먼트에서 발생된 전단 파가 하부 스테인레스 철판에 설치된 벤더 엘리먼트에서 감지되어 그림 13(b)와 같이 1st event로 측정된다.
두 번째, 벤더 엘리먼트의 끝단 간의 거리를 150mm로 고정되도록 하였으며 동일한 응력상태와 동일한 감쇠 조건에서 시험을 수행하기 위하여 원형 모양의 배열로 벤더엘리먼트를 설치한 후 전단파의 지향성을 조사하였다. 입력파로서 압축파의 경우는 임펄스(impulse)가 사용되었으며, 전단파의 경우는 구형파(square wave)가 적용되었다. 지향성은 수신된 신호의 최대 진폭항으로 나타내었다.
이론/모형
Cruse and Rizzo(1968)가 개발한 수학적 모델을 적용하여 Aki & Richards(1980)가 발전시키고 Sanchez-Salinero(1986) 가 식 (6)과 같이 정리한 방법을 적용하여 주파수에 따른 이론적인 전단파 속도 玳G 를 산정하였다.
성능/효과
(1) 전해질 용액 속에서 조성된 시료를 통한 벤더 엘리먼트 시험에서는 전기적 간섭 현상이 발생하여 시험 결과의 해석이 불가능해 질 수 있으며 차폐와 접지로 최소화할 수 있다. 병렬 형식의 벤더 엘리먼트는 차폐와 접지 없이도 전기적 간섭 문제를 해결하거나 상당히 감소시킬 수 있다.
(2) 벤더 엘리먼트는 전반적으로 낮은 지향성을 보이므로 토모그래피 같이 매우 광범위한 방향에서 전단 파의 측정이 필요한 경우 상당히 효과적인 트랜스듀서가 될 수 있다.
(4) 로우패스 필터는 고주파수의 잡음을 없애기 위해 사용되지만 시험 결과 자체에 상당한 영향을 줄 수 있다.
(5) 공기 중에서 벤더 엘리먼트의 고유주파수는 캔틸레버 빔의 고유주파수와 같다. 또한 벤더 엘리먼트가 흙 속에 설치된 경우에는 벤더 엘리먼트 자체와 주변 흙의 응력상태에 영향을 받으며, 벤더 엘리먼트의 길이가 길어짐에 따라 공진주파수가 벤더 엘리먼트 자체보다도 흙에 영향을 받는다.
이와 같이 지향성이 큰 경우 반사파 탐사에서 수평방향의 해상도를 높일 수 있다. 그러나 본 논문에 사용된 벤더 엘리먼트의 경우, 크로스홀 형상에서 지향성이 보어홀 형상보다 크게 나타나지만, 두 가지 형상 모두에서 전반적으로 지향성이 낮은 것으로 나타났다. 즉, 매우 광범위한 방향에서 전단파의 측정이 필요한 경우 벤더 엘리먼트가 상당히 효과적인 트랜스듀서가 될 수 있음을 의미하며 토모 그래 피에 벤더 엘리먼트를 적용할 수 있다는 의미가 된다.
많은 연구자들이 이에 대한 연구를 수행하였으며, 그 결과를 정리하면 입력파가 구형파 또는 임펄스 파인 경우 표 2와 같이, 입력파가 단일정현파인 경우 표 3과같이 정리된다. 따라서 전단파의 도착시간은 입력 파의 파형, 벤더 엘리먼트의 설치 방법 등에 영향을 받는 것으로 나타났다.
이러한 실험적인 다중반사법과 수학적 모델을 적용한 수치해석적 방법으로 전단파의 속도를 매우 효과적으로 산정할 수 있는 것으로 나타났다. 벤더 엘리먼트 끝단 간의 거리를 전단파의 이동 거리로 고려할 경우, 전단파의 도착시간은 그림 12에서 B점과 C점 사이(C점에 가까우며)인 것으로 나타났다.
그림 9에 스태킹 개수에 따른 측정된 신호를 나타내었다. 측정된 전단파 신호는 스태킹 개수가 증가함에 따라 점점 선명해지며, 고주파수의 주변 잡음이 제거됨을 알 수 있다. 스태킹 횟수는 전단파의 도착시간에 영향을 주지 않음을 또한 알 수 있다.
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