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다운홀 시험에서 신뢰성 있는 전단파 속도 주상도 도출을 위한 해석 기법의 개선
Refinement of Interpretation Method for Reliable Vs Profiling in Downhole Seismic Method 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, C. 지반공학, 터널공학, v.26 no.3C, 2006년, pp.157 - 170  

방은석 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) ,  김동수 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) ,  윤종구 (한국유지관리(주) 지반설계사업부)

초록
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다운홀 기법은 하나의 시추공을 이용하고 간단한 지표면 가진원을 사용하므로 매우 경제적이나 획득신호가 불량한 경우가 많아 초동 정보가 왜곡되어 결과의 신뢰성이 다소 떨어진다고 인식되어 왔다. 이러한 경우 직접법이 이용되고 있으나 해석자의 주관에 따라 결과가 달라질 수 있으며 직선경로를 고려하기 때문에 최적의 결과를 도출하기 어렵다. 본 논문에서는 이러한 직접법의 문제점을 개선하고자 굴절 경로를 고려하여 가진원 거리 보정을 수행하며 지반 구조의 결정 및 각 층의 속도를 자동적으로 도출해주는 평균 굴절 경로법을 제안하였다. 다양한 지반모델에 있어 도달시간 정보 획득 과정에서 발생할 수 있는 오류에 대해 모사한 이론적 도달시간 정보와 유한요소 해석을 통해 획득한 실제 파형으로부터 도출한 도달시간 정보를 이용하여 평균 굴절 경로법의 효용성을 검증하였다. 마지막으로 실제 현장 실험을 통해 도달시간 정보를 획득하고 제안된 평균굴절경로법을 적용하여 보았으며 다운홀 기법에서 도달시간 정보 획득 과정에서의 오류 문제를 평균굴절경로법을 적용함으로써 효율적으로 대처할 수 있으리라 판단되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Downhole method is considered as giving a little unreliable Vs profile when the signal to noise ratio(S/N) is low and the travel time information is erroneous although it is economical and ease of operation. Direct method has been applied for obtaining adequate result in this case. But it is difficu...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 획득 파형이 양호하지 않아 도달 시간 정보에 오차가 포함되어 있다고 판단되었을 경우 사용되는 기존 해석 기법인 직접법은 앞 절의 그림 5에서도 살펴본 바와 같이 층상 구조를 바로 결정 못하거나 각 층의 속도를 제대로 산정 못하는 문제점들이 있었다. 따라서 본 논문에서는 이러한 직접법의 문제점을 개선하고자 평균 굴절경로법(Mean Refracted Ray Path Method, MRM)을 제안하고자 한다. 제안하는 평균 굴절경로법은 수정 도달시간을 굴절경로를 고려하여 결정하며 도달시간 정보의 정확도에 따라 층의 경계 및 층의 평균적 속도를 자동적으로 산출해주는 기법으로 직접법과 굴절경로법에 있어서의 각각의 장점을 동시에 살린 기법이라고 할 수 있다.
  • 지금까지 이론적 도달시간 정보 및 수치해석을 통해 제안된 평균 굴절 경로법을 검증하여 보았으며 제안된 평균 굴절 경로법이 기존의 기법들에 비해 다운홀 결과 해석에 있어 유리하다는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 절에서는 최종적으로 실제 현장 데이터에 평균 굴절 경로법을 적용하여 결과를 도출하여 봄으로써 제안된 평균 굴절 경로법의 적용성을 평가해 보고자 한다. 우선 그림 2의 경주 녹지대 부지에 평균 굴절 경로법을 적용한 결과, 전체 지반을 크게 4개의 층으로 구분하며 각 층의 평균 속도를 적절하게 잘 도출하고 있는 것으로 보여 진다.
  • 제안된 평균 굴절경로법의 효용성을 검증하기 위하여 여러 가지 지반 모델의 이론적 도달시간에 인위적으로 오차를 첨가한 도달시간 정보 및 유한요소를 이용한 다운홀 수치 모의 실험을 통해 도달시간 정보를 제작하였으며 이러한 도달시간 정보에 기존 해석 기법 및 제안된 평균굴절경로법을 적용하여 그 결과들을 적용된 모델과 비교하여 보았다. 또한, 실제 현장에서의 실험을 통해 결정된 도달시간 정보에 실질적으로 적용하여 봄으로써 기존 기법들에 비해 개선된 방법으로 평균굴절경로법 이용의 타당성을 검증하고자 하였다.
  • 본 논문에서는 기존의 다운홀 해석 기법을 보완한 개선된 기법으로 평균 굴절 경로법을 제안하였다. 이론적 도달시간 정보 및 수치해석을 통해 검증하고 실제 현장 실험 자료 적용하여 보았으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 본 논문에서는 이러한 기존의 다운홀 해석기법의 단점을 보완하고자 새로운 다운홀 해석 기법으로 평균 굴절경로법(Mean Refracted Ray Path Method, MRM)을 제안하였다. 제안된 평균 굴절 경로법은 굴절 경로를 고려하여 수정 도달시간을 결정하며 오차 범위 내에서 비슷한 속도를 가지는 구간을 자동적으로 구분하고 구간별 평균 속도를 도출하는 기법으로 직접법과 굴절경로법 각각의 장점을 동시에 살린 기법이라고 할 수 있다.
  • 본 절에서는 실제 다운홀 시험을 통해 획득하는 신호 상에서 초동 인식을 통해 도달시간 정보를 획득하고 그 도달시간 정보를 이용하여 평균 굴절 경로법을 적용하는 방식을 통해 추가적인 검증을 하고자 한다. 하지만 실제 현장 데이터를 이용할 경우 비교할 수 있는 정해의 지반의 전단파 속도 주상도가 존재하지 않기 때문에 앞 절의 이론적 도달시간 정보를 이용한 검증과 달리 실질적인 검증 작업을 수행하기가 어렵다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지반의 전단파 속도의 적용 범위는 어떻게 되는가? 지진에 의한 부지 증폭 현상 평가시 지반의 전단파 속도 주상도는 결과에 영향을 미치는 가장 중요한 영향 요소 중 하나이다. 지반의 전단파 속도는 지반공학적 측면에서 내진 해석, 진동 등의 동적 문제뿐만 아니라 굴착 및 기초지반의 변형 등의 정적 문제, 연약 지반의 압밀 및 다짐에 의한 지반 개량 효과 평가에 이르기까지 그 적용 범위가 확대되고 있다. 지반의 전단파 속도 주상도를 획득하기 위하여 다양한 현장 탄성파 탐사가 적용되고 있으며 더욱 손쉽게 그리고 더욱 정확한 결과를 도출하기 위한 현장 실험 장비의 개발 및 해석 기법의 개선 등의 연구가 국내외에서 활발하게 진행 중이다.
지반의 전단파 속도 주상도를 획득하기 위해서 어떤 노력이 이루어지고 있는가? 지반의 전단파 속도는 지반공학적 측면에서 내진 해석, 진동 등의 동적 문제뿐만 아니라 굴착 및 기초지반의 변형 등의 정적 문제, 연약 지반의 압밀 및 다짐에 의한 지반 개량 효과 평가에 이르기까지 그 적용 범위가 확대되고 있다. 지반의 전단파 속도 주상도를 획득하기 위하여 다양한 현장 탄성파 탐사가 적용되고 있으며 더욱 손쉽게 그리고 더욱 정확한 결과를 도출하기 위한 현장 실험 장비의 개발 및 해석 기법의 개선 등의 연구가 국내외에서 활발하게 진행 중이다. 현재 현업에서 지반의 전단파 속도 주상도롤 도출하기 위하여 사용되고 있는 현장 탄성파 시험으로 공내탄성파 탐사(Borehole seismic test)에는 크로스홀 기법(Crosshole seismic method), 다운홀 기법(Downhole seismic method), 부유식 PS 검층(Suspension PS logging), 업홀기법(Uphole seismic method) 등이 있으며(김기석 등, 2000) 표면파 탐사(Surface wave test)에는 SASW(Spectral Analysis of Surface Waves) 기법(Stoke 등, 1994), MASW(Multi-channel Analysis of Surface waves) 기법(Park 등, 1999), HWAW(Harmonic Wavelet Analysis of Waves) 기법(Park 등, 2001) 등이 있다.
지반의 전단파 속도 주상도를 도출하기 위하여 사용되고 있는 기법에는 무엇이 있으며 어떤 특징이 있는가? 다운홀 기법은 하나의 시험공으로 현장 시험이 수행되므로 별도의 추가적인 시험공 제작 없이 시험 수행이 가능하며 간단한 지표면 가진원을 사용하므로 시험 수행 비용이 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다. 크로스홀 기법은 다운홀 기법에 비해 해석 과정이 단순하여 결과의 신뢰성은 높으나 시험 수행을 위해서는 추가적인 시험공이 요구되며 공내 가진원이 상대적으로 고가인 문제점이 있다. 부유식 PS 검층은 다운홀 기법과 같이 하나의 시험공으로 시험 수행이 가능하지만 공내 유수가 존재하는 구간에서만 시험 수행이 가능하여 지하수위 상부의 영역에서는 시험 수행이 불가능하다. 또한 풍화암, 연암 및 경암 등과 같이 나공에서 시험수행이 가능한 구간에서는 결과의 신뢰성이 매우 높으나 토사지반에 적용시 공벽 유지를 위해 설치하는 케이싱 영향에 의해 결과의 신뢰성이 다소 떨어지는 문제가 있다. 이러한 이유로 국내에서는 지반의 전단파 속도 주상도를 도출하기 위해서 공내 탄성파 탐사 중에서는 다운홀 기법이 가장 널리 적용되고 있다.
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참고문헌 (11)

  1. 김동수,고광범,김영수,방은석,신형옥,윤진성,이양로,장현삼 (2005) Round Robin Test를 통한 공내 탄성파 탐사 기법 비교 연구, 한국지반공학회 봄 학술발표회 특별 Session, 동적 불성치 획득을 위한 현장 및 실내 Round Robin Test결과 발표, pp. 73-88 

  2. 김기석, 권형석, 오세영 (2000) Turn-Key 설계에서의 지반조사-물리탐사와 조사사례, 2000년 공동 특별강연 논문집, 한국지구 물리탐사학회, 한국지반공학회지반조사위원회, pp. 155-191 

  3. 목영진 (1994) 역산이론을 이용한 공내하향 탄성파시험 결과의 해석, 한국지반공학회논문집, 한국지반공학회, 제 10권 제 4호, pp. 29-37 

  4. Batsila, E.V. (1995) Investigation of Ray Path Assumption on Downhole Velocity Profile, Master Thesis, The department of civil engineering, The University of Texas at Austin, Austin, Texas 

  5. Joh, S. H. and Mok, Y. J. (1998) Development of an inversion analysis technique for downhole testing and continuous seismic CPT, Journal of Korean Geotechnical Society, Vol. 14, No.3 

  6. Kim, D. S., Bang, E. S., Kim, W. C. (2004) Evaluation of various downhole data reduction methods to obtain reliable Vs profile, Geotechnical Testing Journal, Vol. 27, No.6, pp. 585-597 

  7. Mok Y. J. (1987) Analytical and Experimental Studies of Borehole Seismic Methods, Ph.D. Dissertation, The department of civil engineering, The University of Texas at Austin, Austin, Texas 

  8. Park, C. B., Miller, R. D., and Xia, J. (1999) Multichannel analysis of surface waves (MASW), Geophysics, Vol. 64, pp. 800-808 

  9. Park H. C., Kim D. S. (2001) Evaluation of the dispersive phase and group velocities using harmonic wavelet transform, NDT&E Int, Vol. 34, pp. 457-467 

  10. Stokoe, K. H., II, Wright, G. W., James, A. B., and Roesset, J. M., (1994) Characterization of geotechnical sites by SASW method in geophysical characterization of sites. ISSMFE, Technical Committee #10, Edited by R. D. Woods, Oxford Publishers, New Delhi 

  11. Zerwer, A., Cascante, G. and Hutchinson, J. (2002) Parameter estimation in finite element simulations of rayleigh waves, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 128, pp. 250-261 

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