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문제 정의
- 본 논문에서는 전기비저항을 이용하여 해안의 포화된 지반에 대한 공간적분포(spatial variability) 파악을 위한 전기비저항 콘 프로브(Electrical Resistivity Cone Probe, ERCP)를 개발하고 현장실험과 실내실험을 통하여 그 적용성을 검증하려 하였다. 탐침의 선단 형상, 탐침 재료의 강도 및 전기화학적 특성, 관입 속도, 작동주파수 등을 고려하여 현장용 탐침을 설계하였다.
- 탐침의 선단 형상, 탐침 재료의 강도 및 전기화학적 특성, 관입 속도, 작동주파수 등을 고려하여 현장용 탐침을 설계하였다. 본 논문은 전기비저항과 지반의 간극률의 관계에 대한 이론적 배경으로 시작하며 전기비저항콘 프로브(ERCP)의 설계와 보정, 실내실험, 현장실험과 실험결과를 이용한 간극률 산정에 대한 내용으로 구성되었다.
가설 설정
- 비중이다. 대상 지반은 지하 수위보다 심도가 깊어 포화도는 1로 가정하였으며, 함수비 및 비중 값은 실내 실험을 이용하여 심도별로 측정된 물성치 값을 사용하였다 초기 간극률 간극수의 전기비저항과 동일심도에서 측정된 지반의 전기비저항을 이용하여 상수 값인 m값은 인천 현장에서는 1.69, 부산 현장은 1.59로 평가되었다
제안 방법
- (1) ERCP는 관입에 따른 교란 효과를 최소화하기 위해서 선단은 콘 모양이며 전기적 간섭을 최소화하기 위해 동축케이블을 적용한 4단자 쌍회로 방을 적용하였다. 프로브는 선단 주변의 국지적인 전기저항을 측정하며 관입시 전기저항은 LCR미터에 의해 측정되고 컴퓨터에 자동 저장되록 하였다.
- (5) Archie 경험식의 적용에 있어 상수 m을 현장 비교란 시료를 이용하여 산정하였다. 기존의 m값에 대한 연구를 바탕으로 현장에서 더욱 효율적으로 m값을 산정할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
- ERCP의 구성방식은 전기적인 간섭 및 영향을 최소화 시켜 신뢰성 높은 데이터를 측정하기 위해 그림 2(a) 와 같이 High Current(Hc)와 High Potential(Hp)은 중심 전극, Low Current(Lc)와 Low Potential(Lp)은 외부 전극에 연결되는 4단자 쌍 회로 방식을 사용하였다. Hp와 Lp는 전위차를, He와 Lc는 전류를 각각 측정하여 옴의 법칙을 이용해 두 전극 사이에 존재히는 흙의 저항 (R=V/I)을 도출한다.
- ERCP의 측정 가능 영역을 그림 6과 같이 실내 실험을이용하여 평가하였다. 경계조건(boundary condition)에 대한 영향을 최소화 시키기 위해 25cm×25cm×25cm 수조에서 여러가지 농도(3.49ms/cm, 5.80ms/cm, 7.78ms/cm, 13.67ms/cm, 25.00ms/cm, 47.50ms/cm)의 소금물을 이용하여, 금속핀(metal plate)과 프로브 사이의 상·하 및 측면 거리를 조절하면서 저항 변화를 측정하였다. 측정된 전기저항 변화는 하부 방향과 측면 방향 순서대로 그림 7에 나타내었다.
- 33mm/sec의 속도로 관입되었으며 그림 9에 실험 전경과 측정 시스템을 나타내었다. 관입에 따른 전기저항은 신뢰성을 향상시키기 위해 10개의 전기저항 값을 평균하여 초당 2회 측정하였다. LCR meter는 회로의 안정화를 위하여 임피던스 애널라이져아퍼4192A Impedance Analyzer) 로 결정된 입력 전입(IV)과 주파수(100kHz)를 사용하였다
- Hp와 Lp는 전위차를, He와 Lc는 전류를 각각 측정하여 옴의 법칙을 이용해 두 전극 사이에 존재히는 흙의 저항 (R=V/I)을 도출한다. 또한 전선간의 전자기장 형성을 억제 하기 위하여 쉴드 도선망의 신호 간섭 차단 효과가 있는 동축전선(coaxial cable)이 사용되었으며, 동축전선과 전극간의 연결 부분이 간극수에 의해 누전되지 않도록 에폭시를 이용하여 코팅처리하였다.
- 본 연구에서는 간극률 산정을 위해 앞서 언급한 식 (3)을 사용하였으며 필요한 상수(m) 값을 산정하기 위해 각 현장에서 비교란 시료를 채취하였다. 인천 현장의 경우 심도 1.
- 이와 같은 이유로 지반에 관입하면서 전기저항을 측정하는 ERCP는 계절이나 깊이에 따른 온도 보정이 필요하다. 온도 변화에 따른 전기저항의 변화를 관찰하기 위해 0.1M, 0.3M, 0.5M의 NaCl의 용액에 대하여 WC, 20℃, 30℃, 40℃의 온도에 대하여 주파수 Sweeping을 실시하였다. 전기비저항 콘 프로브의 사용 주파수를 100kHz를 선정하였기 때문에 이 주파수에서 온도와 농도에 따른 전기저항값의 변화를 그림 4에 나타내었다.
- 따라서 전기 비저항 콘 프로브를 사용하기 위한 안정적인 주파수 영역을 결정하여야 한다. 이를 위하여 여러가지 농도의 소금 용액에 대하여임피던스 애널라이져 (HP4192A, 입력전압: IV)를 사용하여 1Hz~10MHz의 주파수 범위에서 전기저항을 측정하였다. 소금물의 농도는 0.
- 측정하는 장비이다. 전기화학적, 강도적, 그리고 기하학적 특성을 고려하여 설계 및 제작 되었으며 ERCP의 전체적인 모식도와 관입기 롯드(rod)와의 연결방식은 그림 1과 같다. 프로브는 중심전극과 외부전극 그리고 그 사이를 채우고 있는 폴리에틸렌으로 구성된다.
- 프로브는 중심전극과 외부전극 그리고 그 사이를 채우고 있는 폴리에틸렌으로 구성된다. 중심전극과 외부전극의 전기적인 누전을 방지 하기 위해 폴리에틸렌을 이용하여 중심전극을 절연하였다. ERCP는 해안 연약지반의 간극률 평가에 사용 됨에 따라 부식을 방지화고 강도를 증가 시키기 위해 스테인레스 스틸을 사용하여 제작되었다(Hulbert et al.
- 그 적용성을 검증하려 하였다. 탐침의 선단 형상, 탐침 재료의 강도 및 전기화학적 특성, 관입 속도, 작동주파수 등을 고려하여 현장용 탐침을 설계하였다. 본 논문은 전기비저항과 지반의 간극률의 관계에 대한 이론적 배경으로 시작하며 전기비저항콘 프로브(ERCP)의 설계와 보정, 실내실험, 현장실험과 실험결과를 이용한 간극률 산정에 대한 내용으로 구성되었다.
- 5mm로 제작하였다. 프로브의 선단 형상은 관입에 따라 대상지반의 전자기장과 교란 영역을 발생 시키며, 이와 같은 영향을 최소화 시키기 위해 프로브 선단을 콘 형상으로 설계하였다.
- 해안 연약지반의 신뢰성 높은 간극률 산정을 위해 현장관입용 전기비저항 콘프로브(Electrical Resistivity Cone Probe, ERCP)를 개발하고 실내실험 및 현장실험을 통해 그 적용성을 평가하여 다음과 같은 요약 및 결론을 얻을 수 있었다.
- 현장에 적용에 앞서 실내실험을 통해 전기비저항 콘 프로브의 신뢰성에 대한 실험을 실시하였다. 높이가 150mm이고 직경이 150mm인 원기둥형 플라스틱 수조에 0.
대상 데이터
- 개발된 ERCP의 현장 적용성 평가를 수행하기 위해 인천과 부산에서 실험을 수행하였다. 실험이 수행된 인천 현장은 조수간만의 차가 심한 지역으로 점토질 실트와 실트질 점토로 이루어져 있다.
- 신뢰성에 대한 실험을 실시하였다. 높이가 150mm이고 직경이 150mm인 원기둥형 플라스틱 수조에 0.5M의 소금용액을 채우고 입경 0.21mm의 글래스비즈를 수중 강하하여 그림 8(a)와 같은 높이 70imn의 시료를 조성하였다. 실내실험에서는 직경이 2mm인 소형 전기비저항 프로브(SERP: Small Electrical Resistivity Probe)와 직경이 10mm인 현장용 전기비저항 콘 프로브(ERCP)를 적용하였다.
- 공명현상이 발생한 주파수 대역에는 전기비저항으로 환산시 신뢰도가 낮아질 수 있으므로 공명현상이 발생하지 않는 주파수 대역을 선택하여야 한다. 본 연구에서 개발된 장비는 10~300kHz의 주파수 범위에서 공명현상이 나타나지 않고 일관성 있는 전기저항을 보여주므로 100kHzHz를 작동 주파수로 선정하였다.
- 부산현장은 14m까지 선굴착 후 14~34m 구간에서 실험을 수행하였다. 그림 10 및 11에는 각 현장의 관입깊이에 따른 주상도를 나타내었다.
- 21mm의 글래스비즈를 수중 강하하여 그림 8(a)와 같은 높이 70imn의 시료를 조성하였다. 실내실험에서는 직경이 2mm인 소형 전기비저항 프로브(SERP: Small Electrical Resistivity Probe)와 직경이 10mm인 현장용 전기비저항 콘 프로브(ERCP)를 적용하였다. 두 전기비저항 프로브는 크기만이 다를 뿐 전극의 재질이 유사하고 회로의 구성은 동일하다.
- 인천 현장은 과거 갯벌지역이었으나 1980년대, 1990년대의 간척사업으로 인해 육지로 변경되어 농경지로 사용되어 왔다. 실험이 수행된 부산 현장의 경우 상부모래층, 실트질 점토층 그리고 하부에 모래층으로 구성되어 있는 지역이다.
- 각 현장에서 비교란 시료를 채취하였다. 인천 현장의 경우 심도 1.5~9.0m 사이에서 채취한 시료 중 심도 3m와 6m의 시료를 사용하였으며, 부산 현장은 심도 12~30m 사이에서 16m와 25m의 시료를 이용하였다. 간극수는 매 심도별 25g 정도의 시료를 사용하여 원심분리기에서 추출하였으며 신뢰성 높은 간극수를 얻기 위해 각각의 깊이에서 3개의 시료를 추출한후 평균값을 사용하였다.
- 프로브 관입시 교란에 의한 영향을 최소화 시킬 수 있도록 프로브의 총 길이는 130mm, 중심전극의 외경은 4mm, 외부전극의 외경은 10mm 두께는 1.5mm로 제작하였다. 프로브의 선단 형상은 관입에 따라 대상지반의 전자기장과 교란 영역을 발생 시키며, 이와 같은 영향을 최소화 시키기 위해 프로브 선단을 콘 형상으로 설계하였다.
- 현장실험에 사용된 장비는 ERCP, 유압식 시추기, LCR meter(Intec LCR-819), 그리고 컴퓨터이다. ERCP는 롯드(Rod)와 결합된 후 유압 시추기를 통해 측정 심도까지 0.
데이터처리
- 0m 사이에서 채취한 시료 중 심도 3m와 6m의 시료를 사용하였으며, 부산 현장은 심도 12~30m 사이에서 16m와 25m의 시료를 이용하였다. 간극수는 매 심도별 25g 정도의 시료를 사용하여 원심분리기에서 추출하였으며 신뢰성 높은 간극수를 얻기 위해 각각의 깊이에서 3개의 시료를 추출한후 평균값을 사용하였다. 측정된 간극수의 전기 전도도, 전기비저항 그리고 실내 실험을 통해 도출된 각각의 대상 지반 물성치는 표 1과 같다.
이론/모형
- Hp와 Lp는 전위차를, He와 Lc는 전류를 각각 측정하여 옴의 법칙을 이용해 두 전극 사이에 존재히는 흙의 저항 (R=V/I)을 도출한다. 또한 전선간의 전자기장 형성을 억제 하기 위하여 쉴드 도선망의 신호 간섭 차단 효과가 있는 동축전선(coaxial cable)이 사용되었으며, 동축전선과 전극간의 연결 부분이 간극수에 의해 누전되지 않도록 에폭시를 이용하여 코팅처리하였다.
성능/효과
- (1) ERCP는 14m~16m구간, CPT는 18m~20m구간, DMT는 18m~2lm구간에서 측정값에서 변화가 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 토질주상도와 비교한 결과모래층과, 실트층, 그리고 점토층이 혼재하여 있는 구간 때문으로 판단된다.
- (2) ERCP의 16m~31m구간, CPT의 20m~29m구간, DMT 의 22m~30m구간에서는 측정값에서 변화폭이 크지 않은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 이 구간에서 지층이 비교적 균일하였기 때문으로 판단된다.
- (2) ERCP의 크기 및 형상의 차이 때문에 발생하는 서로 다른 전기저항 값은 보정 과정을 통하여 동일한 전기비저항으로 환산된다. 글라스비즈를 이용한 실내실험을 통하여 전기비저항이 간극률로 효과적으로 환산되는 것으로 나타났다.
- (3) ERCP의 31m, CPT의 29m 지점에서 전기비저항은 급격히 감소하고, 원추관입저항력이 크게 증가하였으며, 주면마찰력비율에서 큰 변동이 발생하였다. 토질주상도와 비교한 결과 이와 같은 이유는 지반의 특성이 점토층에서 모래층으로 바뀌는 경계지점이었기 때문으로 판단된다.
- (3) 인천과 부산의 두 현장에서의 현장관입시험을 통하여 측정된 전기비저항 프로파일, 비교란시료 및 간극수의 전기비저항값을 Archie 경험식에 대입하여 현장 지반의 간극률 주상도를 얻을 수 있었다.
- (4) 인천현장과 부산현장에서 전기비저항 콘 프로브를 이용하여 산정한 간극률은 표준관입시험과 콘 관입시험으로 측정된 강도적 특성과 매우 일치하는 프로파일을 제공하였다.
- 측정된 전기비저항값은 14m에서 18m까지 변화가 심하게 나타났으며 이는 지층의 형상이 복잡한 것으로 사료된다. 관입깊이 18m 이상에서는 전기비저항값이 감소하다가 관입깊이 약 27m에서부터 증가하였으며, 약 31m 지점에서 전기비저항 값이 크게 감소하는 것으로 나타났다. 한편 동일 지역에서 수행된 CPT 측정 결과인 그림 12(b)와 같은 원추관입저항력 qc값은 18~25m 사이에서는 조금씩 감소하는 경향을 보이며 관입깊이 25m 이후에는 증한다.
- 환산된다. 글라스비즈를 이용한 실내실험을 통하여 전기비저항이 간극률로 효과적으로 환산되는 것으로 나타났다.
- 첫째, 모래입자사이의 간극을 전기전도도가 낮은 세립분이 채워 간극률을 감소시키므로 전기비저항이 증가한다. 둘째, 모래입자사이를 전기전도도가 큰 점토가 채워 전기비저항이 감소한다. 본 실험에서는 후자의 메커니즘이 작용한 결과로 사료된다.
- 이 위치에서는 원추관입저항력qc값도 완만하게 감소하는 것으로 나타나 간극률이 증가함에 따라 원추저항값이 감소하는 것과 일치하는 경향을 보인다. 또한 깊이 27.5m이후에는 간극률이 감소하는 것으로 나타났으며 원추관입저항력 qc값 또한 증가하는 것으로 나타났다. 인천현장과 부산 현장에서 산정한 간극률은 표준관입저항치 N값 또는 원추관입저항력qc값과 같은 강도적인 특성과 반비례 관계가 있음을 보여주고 있다.
- 그림 4에서와 같이 동일농도에서 온도가 증가함에 따라 전류의 전달 매개체인 이온의 움직임의 증가하므로 전기저항은 감소하였다. 또한 용액의 소금농도가 감소할수록 전기저항은 온도에 더 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.
- 전기저항은 그림 8(b)와 같다. 시료 조성이 균질하여 심도에 따른 각각의 측정 값은 거의 유사하게 도출 되었지만, 직경 2mm의 소형 전기비저항 프로브(SERP)는 약 200Q 그리고 ERCP는 약 30Q으로 상대적인 값은 상당히 큰 차이를 나타냈다. 이는 앞서 언급하였듯이, 프로브 직경등에 영향을 받는 전기저항 값으로 효율적인 비교를 수행하기 위해서는 고유 저항 값인 전기비저항 값으로 환산되어야 한다.
- 프로브의 형상이 콘의 형상이고 전극이 콘에 설치되어 있기 때문에 전류의 흐름은 측면보다 상대적으로 콘의 전면부로 흐르기 때문에 이와 같은 결과가 나타난 것으로 판단된다. 실험결과 ERCP는 상당히 국부적인 영역을 측정하는 것으로 나타났다.
- 나타내었다. 인천 현장의 경우 측정된 전기비저항 결과와 유사하게 관입깊이 1.5~9m구간의 실트질 점토층에서 관입깊이 9~ 12m구간의 실트질 점토층보다 상대적으로 큰 간극률이 산정되었다. 이와 같은 결과는 표준관입저항치가 관입깊이 1~8m에서는 5회 미만이지만, 관입깊이 9m 이후에는 약 20회까지 증가하는 결과와 유사하다.
- 전기전도도와 지층변화에 대하여 Campanella 외(1990)는 모래층 내 세립분의 특성에 따라 전혀 다른 변화가 나타날 수 있다고 하였다. 첫째, 모래입자사이의 간극을 전기전도도가 낮은 세립분이 채워 간극률을 감소시키므로 전기비저항이 증가한다. 둘째, 모래입자사이를 전기전도도가 큰 점토가 채워 전기비저항이 감소한다.
- DMT 실험으로부터 산정된 재료지수(Id), 수평응력 지수(Kd) 역시 그림 12(d)와 (e)에 나타내었다. 측정된 Id값은 전기비저항 값과 동일하게 약 29m까지 감소하는 경향을 보이며 29m 이후에는 증가하는 것으로 나타났다. ERCP, CPT 및 DMT 실험결과를 종합하면 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 부산현장 실험결과를 그림 12에 나타내었다. 측정된 전기비저항값은 14m에서 18m까지 변화가 심하게 나타났으며 이는 지층의 형상이 복잡한 것으로 사료된다. 관입깊이 18m 이상에서는 전기비저항값이 감소하다가 관입깊이 약 27m에서부터 증가하였으며, 약 31m 지점에서 전기비저항 값이 크게 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 이용하여 산정하였다. 기존의 m값에 대한 연구를 바탕으로 현장에서 더욱 효율적으로 m값을 산정할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
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