본 논문에서는 기존에 사용되던 철선 TDR계측선의 문제점을 해결하기 위해 스테인리스 스틸과 열수축튜브를 이용해 개량된 TDR계측선을 개발하여, 함수비에 대한 민감도를 높이고 노이즈를 줄이며 내구성을 향상시켜 TDR시스템의 현장적용성을 높였다. 개량된 TDR계측선을 이용하여 실내에서 포화도 변화실험과 아크릴모형실험을 수행하였으며, 실험결과 별도의 필터링 및 정량화 과정을 거치지 않은 초기 계측 그래프만으로 쉽게 포화, 불포화 및 건조구간을 파악할 수 있었다. 이후 대형 모형제방에 개량된 TDR센서를 설치하여 침투실험을 수행하였으며 그 결과, 실내시험과 같은 명확한 지하수 분포형태 파악이 가능하였으며, 침투 시간경과에 따른 각 구간의 지하수 분포변화를 파악할 수 있었고 손쉽게 모형제방의 침윤선을 작도할 수 있었다.
본 논문에서는 기존에 사용되던 철선 TDR계측선의 문제점을 해결하기 위해 스테인리스 스틸과 열수축튜브를 이용해 개량된 TDR계측선을 개발하여, 함수비에 대한 민감도를 높이고 노이즈를 줄이며 내구성을 향상시켜 TDR시스템의 현장적용성을 높였다. 개량된 TDR계측선을 이용하여 실내에서 포화도 변화실험과 아크릴모형실험을 수행하였으며, 실험결과 별도의 필터링 및 정량화 과정을 거치지 않은 초기 계측 그래프만으로 쉽게 포화, 불포화 및 건조구간을 파악할 수 있었다. 이후 대형 모형제방에 개량된 TDR센서를 설치하여 침투실험을 수행하였으며 그 결과, 실내시험과 같은 명확한 지하수 분포형태 파악이 가능하였으며, 침투 시간경과에 따른 각 구간의 지하수 분포변화를 파악할 수 있었고 손쉽게 모형제방의 침윤선을 작도할 수 있었다.
In this research, stainless steel and heat-shrinkage tube were used for new TDR sensing line to solve the problems of ordinary TDR system. The new TDR line improved the sensitivity of water content and endurance, and reduced the data noise. The saturation degree test and acryl model test were done b...
In this research, stainless steel and heat-shrinkage tube were used for new TDR sensing line to solve the problems of ordinary TDR system. The new TDR line improved the sensitivity of water content and endurance, and reduced the data noise. The saturation degree test and acryl model test were done by revised TDR sensor. From the results, without additional data filtering and quantitative analysis, the raw data were separated into 3 zones; saturated, unsaturated and dried zones easily. In addition, the revised TDR sensor was installed in large-scale embankment model to perform the seepage test. The raw data of the model tests showed the distributed seepage behaviors and separated zones clearly, which were almost the same tendencies as the lab test results.
In this research, stainless steel and heat-shrinkage tube were used for new TDR sensing line to solve the problems of ordinary TDR system. The new TDR line improved the sensitivity of water content and endurance, and reduced the data noise. The saturation degree test and acryl model test were done by revised TDR sensor. From the results, without additional data filtering and quantitative analysis, the raw data were separated into 3 zones; saturated, unsaturated and dried zones easily. In addition, the revised TDR sensor was installed in large-scale embankment model to perform the seepage test. The raw data of the model tests showed the distributed seepage behaviors and separated zones clearly, which were almost the same tendencies as the lab test results.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 첫째, 선행 연구에서 개발된 함수비 측정용 철선 TDR계측선의 문제점을 해결하여 함수비에 민감하고 내구성이 높은 분포형 TDR계측선으로 개량하고자 하였다. 둘째, 개량된 TDR계측선을 이용한 실내 아크릴모형실험을 통해 제방의 지하수위 및 침투거동을 재현하고 이를 해석해 분포형 TDR센서의 현장적용성을 증명하고자 하였다. 마지막으로, 대형 모형제방에 분포형 TDR센서를 설치하고 실제 제방에서의 침투과정을 재현하여 모형제방의 포화도 및 침윤선을 파악하고자 하였다.
이를 이용한 실내 아크릴 모형실험을 통해, 제방의 지하수위 및 침투거동을 재현하여 현장적용성을 검증하였다. 마지막으로, 대형 모형제방에 개량된 분포형 TDR센서를 설치하고 실제 제방에서의 침투과정을 재현하여 제방의 포화도 및 침윤선을 파악하고자 하였다. 본 연구의 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
둘째, 개량된 TDR계측선을 이용한 실내 아크릴모형실험을 통해 제방의 지하수위 및 침투거동을 재현하고 이를 해석해 분포형 TDR센서의 현장적용성을 증명하고자 하였다. 마지막으로, 대형 모형제방에 분포형 TDR센서를 설치하고 실제 제방에서의 침투과정을 재현하여 모형제방의 포화도 및 침윤선을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 개량된 TDR계측선을 제작하여 노이즈를 줄이고 내구성을 향상시켜 현장적용성을 상당히 높였다. 추후 연구를 통해 개량된 TDR계측선을 규격화, 공장화하여 다양한 지반의 침투거동 파악에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 선행 연구에서 개발된 함수비 측정을 위한 철선 TDR계측선의 문제점을 해결하여 함수비에 민감할 뿐 아니라 내구성이 높은 분포형 TDR계측선으로 개량하였다. 이를 이용한 실내 아크릴 모형실험을 통해, 제방의 지하수위 및 침투거동을 재현하여 현장적용성을 검증하였다.
본 연구에서는 지점형 센서들의 단점을 개선하기 위해 분포형 TDR계측선을 제작하여 제방의 침투거동을 파악하고자 하였다. 분포형 TDR센서를 이용하여 제방의 침투거동을 파악하기 위한 연구는 Kim et al.
본 연구에서는 첫째, 선행 연구에서 개발된 함수비 측정용 철선 TDR계측선의 문제점을 해결하여 함수비에 민감하고 내구성이 높은 분포형 TDR계측선으로 개량하고자 하였다. 둘째, 개량된 TDR계측선을 이용한 실내 아크릴모형실험을 통해 제방의 지하수위 및 침투거동을 재현하고 이를 해석해 분포형 TDR센서의 현장적용성을 증명하고자 하였다.
(1980)에 의해 보정식이 제안되었으며 분포형 TDR센서의 경우도 함수식 및 보정식을 별도로 파악하여야 한다. 이를 위해 먼저 본 연구에서는 포화도에 따른 TDR데이터의 변화를 파악하고자 하였다. 건조시와 포화도 30%, 60%, 100%일 때의 TDR데이터의 변화를 파악하기 위해 각각의 포화도에 대한 단위체적당 토립자의 무게와 물의 무게를 식 (1)을 이용하여 계산하였다.
제안 방법
(a)와 같이 아크릴(Φ80, t=3) 파이프로 200cm 길이의 보링홀과 동일한 모형을 제작하여 수직으로 설치한 후 TDR계측선을 관입하였다.
TDR계측자료만으로 지하수의 침투에 따른 건조, 불포화 및 포화구간을 명확히 구분할 수 있으므로, 이를 이용하여 침투 시간 30분, 1시간 및 2시간 경과시 제방의 침윤선을 작도하였다. 다음 Fig.
개량된 TDR 계측선의 반복적인 정확도를 검증하기 위해 1차 실험 후 동일한 조건으로 2차 실험을 수행하였다. Fig.
개량된 TDR계측선의 전기펄스가 이동하는 도체는 스테인리스 스틸을 이용하고 부식 방지 및 내구성을 높이기 위해 열수축 튜브(Φ12, 30)를 이용하여 피복을 형성하였다.
개량된 분포형 TDR센서를 이용하여 제방의 포화도 측정을 위한 현장적용성을 검증하기 위해 실내 아크릴 파이프 모형실험을 수행하였다. 다음 Fig.
이는 개량된 TDR계측선의 경우 노이즈가 비교적 적어 별도의 정량화 과정 없이도 침투 거동을 계측 그래프에서 바로 파악할 수 있기 때문이다. 또한 원 데이터를 이용한 침투거동해석 후 이를 토대로 제방의 침윤선을 작도하였다.
또한, 같은 제방모형에 따른 침투거동의 반복성을 확인하기 위해 TDR센서를 같은 위치에 설치하여, 1차과 2차 시험으로 나누어 두 번 행하였다.
2는 포화도 변화에 따른 TDR데이터를 측정하기 위한 Calibration과정을 나타낸 것이다. 먼저 플라스틱 U형 토조에 건조된 표준사를 깔고 TDR계측선을 설치한 후 TDR계측선의 상부를 건조된 표준사로 덮어 초기값을 계측하였다. 이 후 포화도 30, 60, 100%로 배합된 표준사를 TDR계측선의 상부, 중간부, 하부 50cm지점에 충진시켜가며 TDR데이터의 변화를 파악하였다.
9～14는 30분, 1시간 및 2시간의 침투시간별 대형 모형제방내의 침투수에 대한 개량된 TDR센서의 계측자료를 나타낸 것이다. 설치된 TDR 계측선은 비 취약부에 3개(모형 제방하부에서 40cm(HB), 80cm(HM) 및 120cm(HT))를 설치하였고, 자갈을 섞어 침투수의 거동을 빠르게 한 취약부 역시 3개(모형 제방하부에서 40cm(HBW), 80cm(HMW) 및 120cm(HTW))를 설치하여 총 6개의 계측선을 설치하였다. 모든 계측선에서 침투수의 거동에 따른 제방내의 건조, 불포화 및 포화구간의 진행과정 및 구분이 뚜렷히 나타남을 Fig.
실내실험을 통해 검증된 개량형 TDR계측선 및 계측 시스템을 대형 모형제방에 설치하여 침투실험을 수행하였다. 실험에 사용된 대형토조는 Fig.
먼저 플라스틱 U형 토조에 건조된 표준사를 깔고 TDR계측선을 설치한 후 TDR계측선의 상부를 건조된 표준사로 덮어 초기값을 계측하였다. 이 후 포화도 30, 60, 100%로 배합된 표준사를 TDR계측선의 상부, 중간부, 하부 50cm지점에 충진시켜가며 TDR데이터의 변화를 파악하였다. Fig.
(2) 실내실험 결과, 먼저 함수비에 따라 건조, 불포화 및 포화영역이 구분되며 지하수위의 변화에 따라 불포화영역의 사선구간부분과 포화영역의 직선구간의 경계지점이 이동하게 된다. 이를 이용하여 TDR센서로 지반의 함수비와 지하수위를 파악할 수 있었다.
(2011)에 의해 진행되어 철선을 이용한 함수비 측정용 TDR계측선을 개발하였다. 이를 이용하여 실내 실험을 통해 정량화 및 현장적용성을 검증한 후 실제 제방에 설치하여 제방의 침윤선을 작도하였다. Kim et al.
본 연구에서는 선행 연구에서 개발된 함수비 측정을 위한 철선 TDR계측선의 문제점을 해결하여 함수비에 민감할 뿐 아니라 내구성이 높은 분포형 TDR계측선으로 개량하였다. 이를 이용한 실내 아크릴 모형실험을 통해, 제방의 지하수위 및 침투거동을 재현하여 현장적용성을 검증하였다. 마지막으로, 대형 모형제방에 개량된 분포형 TDR센서를 설치하고 실제 제방에서의 침투과정을 재현하여 제방의 포화도 및 침윤선을 파악하고자 하였다.
3(b)와 같이 TDR계측기와 노트북을 설치하였다. 지하수는 하부 20cm지점에 설치하여 포화영역과 모관상승에 의한 불포화영역을 TDR센서로 측정하였으며, 하부 80cm지점에 측방침투를 발생시켜 이에 따른 포화도 변화를 측정하였다.
7과 같다. 침투 실험은 제외지에 비닐을 설치하여 물이 침투되지 않게 막고 물을 1.3m 수위까지 담수한 후 비닐을 제거하여 배면 전체에서 동시에 침투시켰으며 실험 중에는 1.3m 수위가 유지되도록 지속적으로 물을 공급하였다.
식 (2)를 이용하여 각각의 포화도 30%, 60%, 100%에 대한 함수비를 구하면 9%, 18%, 30%가 된다. 포화도가 30인 함수비 9%의 시료를 만들기 위하여 표준사 1,000g당 물 90g 을, 포화도가 60인 함수비 18%의 시료를 만들기 위하여 표준사 1,000g당 물 180g을, 포화도가 100인 함수비 30%의 시료를 만들기 위하여 표준사 1,000g당 물 300g 을 배합하였다.
대상 데이터
15～20은 2차 시험의 30분, 1시간 및 2시간의 침투시간별 대형 모형제방내의 침투수에 대한 개량된 TDR센서의 계측자료를 나타낸 것이다. 설치된 TDR 계측선은 1차 시험과 마찬가지로 비취약부에 3개, 취약부에 3개를 설치하여 총 6개의 계측선을 설치하였다. 2차 시험 역시 침투수의 거동에 따른 제방내의 건조, 불포화 및 포화구간의 진행과정 및 구분이 뚜렷히 나타남을 확인할 수 있었으며, TDR계측 위치별로 그래프가 1차 시험과 거의 유사함을 알 수 있다.
실내실험을 통해 검증된 개량형 TDR계측선 및 계측 시스템을 대형 모형제방에 설치하여 침투실험을 수행하였다. 실험에 사용된 대형토조는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 크기는 길이 7m, 폭 5m, 높이 2m이며, 여기에 사면경사 1 : 2로 높이 1.2m의 제방을 설치하였다.
본 연구에서 사용된 TDR센서는 Hyperlab, inc.에서 생산하는 HL8200NET을 선정하였다. 그 이유는 이 제품의 가격이 타센서에 비해 경제적이고 크기가 작아 현장에서 휴대용으로 노트북 컴퓨터에 연결하여 쓸 수 있어 현장적용성이 높기 때문이다.
제방 설치시 침투 거동의 차이를 보기위해, 제방 하부의 일정부분은 자갈을 섞어 투수계수가 상대적으로 큰 취약부를 설치하였다. 침투 거동 파악을 위한 TDR센서는 비취약부와 취약부 2단면에 총 6개소(비취약부 3개소, 취약부 3개소)를 설치하였다. 각 단면에 하부로 부터 0.
성능/효과
(1) 개량된 TDR 계측선에 의한 계측 그래프는 지하수의 거동에 따라 뚜렷한 거동을 보여, 기존 분포형 센서에서 필수적으로 행하던 계측자료의 필터링 및 보정을 통한 정량화과정을 거칠 필요 없이 계측그래프를 보고 바로 구간별 지하수의 함량을 파악할 수 있었다.
(2) 실내실험 결과, 먼저 함수비에 따라 건조, 불포화 및 포화영역이 구분되며 지하수위의 변화에 따라 불포화영역의 사선구간부분과 포화영역의 직선구간의 경계지점이 이동하게 된다. 이를 이용하여 TDR센서로 지반의 함수비와 지하수위를 파악할 수 있었다.
(3) 개량된 TDR계측선의 계측자료는, 지반의 포화도 변화에 따라 TDR계측 자료가 건조, 불포화 및 포화 영역의 3단계로 명확히 구분되어지는 그래프로 나타났다. 불포화구간의 경우 1차 직선 형태이지만 기울기는 제방내 불포화구간의 크기에 따라 다르게 나타났으며 이를 이용해 제방내 각 위치의 포화도를 계측그래프만으로 바로 구할 수 있다.
(4) 대형 모형제방 결과, TDR센서의 계측자료를 이용하여 건조, 불포화 및 포화구간을 파악할 수 있었으며 시간별로 연결하여 제방내 침투수의 진행에 따른 실시간 침윤선을 작도할 수 있다.
설치된 TDR 계측선은 1차 시험과 마찬가지로 비취약부에 3개, 취약부에 3개를 설치하여 총 6개의 계측선을 설치하였다. 2차 시험 역시 침투수의 거동에 따른 제방내의 건조, 불포화 및 포화구간의 진행과정 및 구분이 뚜렷히 나타남을 확인할 수 있었으며, TDR계측 위치별로 그래프가 1차 시험과 거의 유사함을 알 수 있다.
(2011)의 논문에서도 확인할 수 있었다. 그 연구는 TDR계측선이 철선이므로, 노이즈가 다소 발생하였지만 TDR 계측그래프의 명백한 3가지 영역의 구분 및 반복성을 확인할 수 있었다.
그리고, 1차 시험때 나타났던 세굴에 의한 거동을 방지하기 위해 2차 시험시 HB 지점의 계측선을 상향처리하여, 2차 시험시 HB 지점의 지표면 계측 그래프가 하향 이동되지 않고 수평거동을 보임을 알 수 있다(Fig. 9(c)와 Fig.
대형 모형제방의 침투 실험 결과는 데이터양이 많아 침투 후 30분, 1시간, 2시간의 데이터만을 나타내었으며 별도의 정량화를 위한 필터링 및 보정과정은 적용하지 않고 원데이터를 이용하여 건조, 불포화 및 포화 구간을 나타내었다. 이는 개량된 TDR계측선의 경우 노이즈가 비교적 적어 별도의 정량화 과정 없이도 침투 거동을 계측 그래프에서 바로 파악할 수 있기 때문이다.
그러므로 각 계측선의 건조, 불포화 및 포화구간을 시간별로 연결하면 제방내 침투수의 진행에 따른 실시간 침윤선을 작도할 수 있다. 모든 TDR 계측선에서 건조 및 포화구간은 수평직선으로 나타났으며, 불포화구간의 경우 1차 직선 형태이지만 기울기는 제방내 불포화구간의 크기에 따라 다르게 나타났다. 그러므로 불포화 구간의 영역을 거리에 따라 구분하고, 포화구간은 포화도 100%, 건조구간은 포화도 0%로 하면 제방내 불포화구간의 위치별 포화도를 계측그래프만으로 바로 구할 수 있다.
30분 경과시에는 취약부의 침투가 상당히 빨리 진행되고 있었지만 1시간과 2시간 경과시에는 취약부와 비취약부의 침투 거동이 거의 비슷해짐을 알 수 있다. 즉, 1차 실험과 2차 실험의 제방침투거동이 거의 비슷하여 실험과 계측시스템의 일관성 및 반복성이 유지되고 있음을 알 수 있다.
후속연구
(5) 대형 모형제방에 세굴이 발생하여 계측선 주변에 유전율이 큰 물만 존재할 경우 계측 그래프가 급격히 하강되었으며 추후 현장 제방에서 발생하는 세굴 현상을 계측할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 개량된 TDR계측선을 제작하여 노이즈를 줄이고 내구성을 향상시켜 현장적용성을 상당히 높였다. 추후 연구를 통해 개량된 TDR계측선을 규격화, 공장화하여 다양한 지반의 침투거동 파악에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지반에서 발생되는 침투현상은 무엇에 의해 발생하는가?
지반에서 발생되는 침투현상은 양단면의 수두차에 의해 발생되며, 제방에서의 침투현상으로 인해 유선이 집중되면 파이핑이 발생되고 제방 제체의 안정성을 크게 저해하여 붕괴를 유발시키기도 한다. 하지만 실제 제방의 침투과정을 정확히 해석하기 위해서는 함수비 또는 간극수압을 측정할 수 있는 센서가 필요하며, 기존의 지점형 센서로는 이러한 현상을 정확히 파악하는데 한계가 있다.
TDR의 통신분야에서의 명칭이 케이블 테스터였던 이유는 무엇인가?
초기 TDR(Time Domain Reflectometery)은 통신 분야에서 케이블의 불연속위치를 식별하는 데 사용되었다. 이러한 목적 때문에 TDR의 통신분야에서의 명칭은 케이블 테스터(Cable Test)였다.
분포형 센서는 어떠한 방식으로 나뉘는가?
하지만 실제 제방의 침투과정을 정확히 해석하기 위해서는 함수비 또는 간극수압을 측정할 수 있는 센서가 필요하며, 기존의 지점형 센서로는 이러한 현상을 정확히 파악하는데 한계가 있다. 지점형 센서의 단점을 개선하기 위해 최근 분포형 센서에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 분포형 센서에는 빛을 이용하는 OTDR(Optical Time Domain Reflectometery)방식과 전기펄스를 이용하는 TDR(Time Domain Reflectometery)방식으로 나뉜다.
참고문헌 (7)
ASTM, D6780 (2002). "Standard Test Method for Water Content and Density of Soil in Place by Time Domain Reflectometry(TDR)", Annual Book of ASTM Standards, Vol. 4. No. 9, and is available as a separate from ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, PO Box C700, West Conshohocken, Pennsylvania, USA 19428-2959.
Dowding, C. H. and Pierce, C. E. (1994), "Use of Time Domain Reflectometry to Detect Bridge Scour and Monitor Pier Movement", Proceedings of the Symposium on Time Domain Reflectometry in Environmental, Infrastructure, and Mining Applications, Evanston, Illinois, Sept 7-9, U.S. Bureau of Mines, Special Publication, SP 19-94, NTIS PB95-105789, pp.579-587.
Han, H. S. (2009), "Application of Nano-TDR Health Monitoring System in Civil Engineering", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, Vol.13, No.5, pp.93-100.
Hoekstra, P. and Delaney, A. (1974), "Dielectric Properties of Soils at UHF and Microwave Frequencies", Journal of Geophysical Research, Vol.79, No.11, pp.1699-1708.
Kim, K. Y., Han, H. S., Lee, J. H., and Park, M. C. (2011), "Analysis of Saturation and Ground Water Level at Embankment by TDR Sensor", Journal of Korea Geotechnical Society, Vol.27, No.2, pp.63-72.
Topp, G. C., Davis, J. C., and Annan, A. P. (1980), "Electromanetic Determination of Soil Water Content : Measurements in Coaxial Transmission Lines", Water Resources Research, Vol.16, No.3, pp.574-582.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.