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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 실내에서 두 가지 토질 시료의 함수비에 따른 전기비저항을 측정한 후 그 결과로부터 얻어지는 토질 시료별 전기비저항 거동양상을 획득하고, 실제 현장 실험을 통해 현장 적용성에 대해서 알아보았다. 이를 통해 추후 지반조사 방법에 있어 비파괴 조사방법으로 지반설계정수를 산정할 수 있는 기초 연구가 되고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 실내에서 두 가지 토질 시료의 함수비에 따른 전기비저항을 측정한 후 그 결과로부터 얻어지는 토질 시료별 전기비저항 거동양상을 획득하고, 실제 현장 실험을 통해 현장 적용성에 대해서 알아보았다. 이를 통해 추후 지반조사 방법에 있어 비파괴 조사방법으로 지반설계정수를 산정할 수 있는 기초 연구가 되고자 하였다.
- 함수비의 변화를 주기 위해 대형 토조 위에서 스프링클러를 이용하여 토조 전체에 균일하게 증류수를 투입하였다. 증류수를 사용한 이유는 이온에 대한 영향을 줄인 상태에서, 증류수 투입 후 토질과 섞이면서 이온성 물질이 증류수에 포함되면 토질 종류에 따라 함수비와 전기비저항이 어떻게 변화하는지 알아보기 위해서이다. 실험결과는 함수비 변화에 따른 전기비저항 양상과 전기비저항 변화비로 나타내었다.
- 지반 설계 정수를 산정하는데 있어 비파괴 조사 방법인 전기비저항 탐사를 이용하여 토양 특성에 따른 전기비저항 거동양상을 알아보고자 하였다. 주문진 표준사와 마사토를 이용하여 대형 모형 토조를 제작한 후 전기비저항 탐사를 수행하여 각 시료의 함수비와 전기비저항의 상관관계를 분석하였다.
- 탄성파 굴절법 탐사는 총 측선 46 m, 24개의 지오폰, 지온폰 간격 2 m로 하여 실시하였다. 탄성파 굴절법 탐사를 통해 현장의 지층 구조가 어떻게 이루어져 있는지 알아보고자 하였다. 탐사를 실시한 결과 탐사 상부에서는 300 m/s의 속도가 나타나고 하부에서는 1000 m/s의 속도 층으로 나누어져 나타났다.
제안 방법
- 전자동 전기비저항 측정장비인 Terrameter LS를 사용하였고, 전자동 측정장비에 연결되는 전극봉을 축소하여 제작하였다. 5TE 센서를 이용하여 체적 함수비, 토양 온도, 전기전도도등을 측정 할 수 있게 토조 아래에서부터 7 ~ 8 cm 간격으로 설치하여 각 위치별 함수비에 따른 전기비저항 거동 양상을 알아볼 수 있게 하였다. 대형 토조에 골고루 증류수를 뿌려주기 위해 펌프와 스프링쿨러를 이용하였고, 증류수의 양은 펌프 제어 시스템을 통해 조절 할 수 있었다.
- 1). 각 시료에 대한 체분석과 입도분석을 실시하여 균질한 상태의 시료를 사용하였다. 토질에 대한 분류기준은 실내시험결과에 따라 통상적으로 통일분류법(Casagrande, 1948)에 의해 분류한다.
- 대형 토조 실험에서는 토질의 높이를 30 cm, 전극봉 간격 4 cm, 5TE센서 간격 7 ~ 8 cm(수직), 전극 수 21 ch, 쌍극자 배열법으로 측정을 실시하였다. 함수비의 변화를 주기 위해 대형 토조 위에서 스프링클러를 이용하여 토조 전체에 균일하게 증류수를 투입하였다.
- 5TE 센서를 이용하여 체적 함수비, 토양 온도, 전기전도도등을 측정 할 수 있게 토조 아래에서부터 7 ~ 8 cm 간격으로 설치하여 각 위치별 함수비에 따른 전기비저항 거동 양상을 알아볼 수 있게 하였다. 대형 토조에 골고루 증류수를 뿌려주기 위해 펌프와 스프링쿨러를 이용하였고, 증류수의 양은 펌프 제어 시스템을 통해 조절 할 수 있었다. 이와 같은 실험 설계에 따라 함수비에 따른 전기비저항 측정이 가능했으며, 증류수 투입 전후의 전기비저항 거동 양상을 알아 볼 수 있었다.
- 이곳의 토질은 대부분이 마사토로 이루어져 있어 실내 실험에서 실시한 마사토 결과와 비교를 해 볼 수 있었다. 또한 실내 실험에서 하지 못했던 탄성파 굴접법 탐사를 이용해 마사토층의 경계를 확인하여 함수비 변화에 따른 현장 전기비저항 거동양상을 알아보았다. Fig.
- 이는 주문진 표준사의 특성상 입자가 작고 고르며 천연규사로 원형에 가까워 여과사 등으로 많이 쓰이는 특징이 있고, 이러한 특징 때문에 마사토와 주문진사의 함수비에 따른 전기비저항 거동 양상이 확연히 차이가 나는 것을 알 수 있다. 상이한 거동양상을 보이는 두 시료의 차이가 층으로 구분 지었을 때 전기비저항으로 구별 할 수 있는지 알아보기 위해 두 시료의 층을 만들어 함수비에 따른 거동양상을 살펴보았다.
- 실내 실험을 통해 각 시료별 함수비에 따른 거동 양상을 알아보았다. 이를 현장에 적용했을 때 비슷한 양상이 나오는지에 대한 적용 실험을 실시하였다.
- 앞서 실시한 모형 실험은 규모의 차이가 있어 직접 현장에 적용할 수 있는지에 대한 한계를 포함하고 있다. 이러한 규모 문제의 불확실성을 확인하기 위해 실내 실험과 비슷한 시료를 포함하고 있는 테스트 베드를 선정하여 비교해 보았다. 현장은 춘천시 서면에 위치하고 있고, 산을 깎아 평평한 대지를 이루고 있는 현장을 선정하였다.
- 따라서 마사토와 주문진사같이 층으로 구별된 토질을 함수비에 따른 비저항 변화 모니터링을 한다면, 비저항 거동 양상이 다르므로 토질을 구분 지을 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 실내 실험의 적용성을 알아보기 위해 토조 실험과 유사한 테스트 베드를 선정하여 현장 실험을 실시하였다.
- 실내 실험을 통해 각 시료별 함수비에 따른 거동 양상을 알아보았다. 이를 현장에 적용했을 때 비슷한 양상이 나오는지에 대한 적용 실험을 실시하였다. 앞서 실시한 모형 실험은 규모의 차이가 있어 직접 현장에 적용할 수 있는지에 대한 한계를 포함하고 있다.
- , 2010). 이에 따라 비파괴 조사 방법 중 하나인 전기비저항 탐사를 현장 적용에 앞서 모형토조실험을 통해 함수비에 따른 비저항 거동양상에 대한 연구를 수행하였다. 여기서 함수비는 토질의 공극사이에 채워진 물의 양으로 규정되며, 응력 평형상태에서 유지되는 함수비는 공극 크기와 물로 채워진 공극부피의 함수이다(Shin et al.
- 따라서 현장 시료는 실내 실험 시료보다 균질하지 않은 상태의 마사토라는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 실내 실험 시료와 비교했을 때 균질하지 않지만 마사토라는 것을 바탕으로 전기비저항 탐사와 탄성파 굴절법 탐사를 수행하였다.
- 5(가로 × 세로 × 높이) m3, 두께 10 mm의 아크릴로 만들었다. 전자동 전기비저항 측정장비인 Terrameter LS를 사용하였고, 전자동 측정장비에 연결되는 전극봉을 축소하여 제작하였다. 5TE 센서를 이용하여 체적 함수비, 토양 온도, 전기전도도등을 측정 할 수 있게 토조 아래에서부터 7 ~ 8 cm 간격으로 설치하여 각 위치별 함수비에 따른 전기비저항 거동 양상을 알아볼 수 있게 하였다.
- 지반 설계 정수를 산정하는데 있어 비파괴 조사 방법인 전기비저항 탐사를 이용하여 토양 특성에 따른 전기비저항 거동양상을 알아보고자 하였다. 주문진 표준사와 마사토를 이용하여 대형 모형 토조를 제작한 후 전기비저항 탐사를 수행하여 각 시료의 함수비와 전기비저항의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 두 시료의 모형 토조 실험을 통하여 대체적으로 함수비가 높아질수록 전기비저항은 낮아지는 경향이 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 주문진 표준사와 마사토를 이용해 층을 이룬 상태에서의 함수비 변화에 따른 전기비저항 거동양상 실험을 실시하였다. 토조 하부 20 cm에는 주문진 표준사를 채우고, 상부 10 cm에는 마사토를 채워 실험을 수행하였다(Fig.
- 탄성파 굴절법 탐사는 총 측선 46 m, 24개의 지오폰, 지온폰 간격 2 m로 하여 실시하였다. 탄성파 굴절법 탐사를 통해 현장의 지층 구조가 어떻게 이루어져 있는지 알아보고자 하였다.
- 7월 16일에는 비가 온 뒤 바로 전기비저항 탐사를 수행하여서 현장 함수비에 따른 거동 양상을 비교할 수 있었다. 탐사 설계는 총 측선 40 m의 21 ch 전극봉과 전극간격 2 m, 쌍극자 배열을 이용하여 측정을 하였다. Fig.
- 이를 통해 현장에서의 마사토 실험도 실내 실험과 마찬가지로 물의 영향을 받아 비슷한 거동양상을 나타내는 것을 확인하였다. 하지만 전기비저항 변화비에서 1보다 큰 부분, 더 낮은 부분에 대해서 설명할 근거가 없어 이에 대한 추가적인 탐사로 탄성파 탐사를 실시하였다.
- 대형 토조 실험에서는 토질의 높이를 30 cm, 전극봉 간격 4 cm, 5TE센서 간격 7 ~ 8 cm(수직), 전극 수 21 ch, 쌍극자 배열법으로 측정을 실시하였다. 함수비의 변화를 주기 위해 대형 토조 위에서 스프링클러를 이용하여 토조 전체에 균일하게 증류수를 투입하였다. 증류수를 사용한 이유는 이온에 대한 영향을 줄인 상태에서, 증류수 투입 후 토질과 섞이면서 이온성 물질이 증류수에 포함되면 토질 종류에 따라 함수비와 전기비저항이 어떻게 변화하는지 알아보기 위해서이다.
- 현장 탐사를 통하여 실제 지반의 함수비에 따른 전기비저항 변화 양상을 알아보았다. 실내 실험과 비슷한 테스트 베드를 선정하여 탄성파 굴절법 탐사를 통해 지반의 층 구조를 알아내고, 전기비저항 변화비를 통해 함수비에 따른 변화를 해석한 결과 실내 실험과 비슷한 전기비저항 거동양상이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 토질 시료는 주문진 표준사, 마사토를 이용하였다(Fig. 1). 각 시료에 대한 체분석과 입도분석을 실시하여 균질한 상태의 시료를 사용하였다.
- 실험을 실시한 대형 토조의 제원은 1.6 × 1.0 × 0.5(가로 × 세로 × 높이) m3, 두께 10 mm의 아크릴로 만들었다.
- 전기비저항 탐사는 2012년 7월 2일과 7월 16일에 걸쳐 실시하였다. 7월 16일에는 비가 온 뒤 바로 전기비저항 탐사를 수행하여서 현장 함수비에 따른 거동 양상을 비교할 수 있었다.
- 주문진 표준사와 마사토를 이용해 층을 이룬 상태에서의 함수비 변화에 따른 전기비저항 거동양상 실험을 실시하였다. 토조 하부 20 cm에는 주문진 표준사를 채우고, 상부 10 cm에는 마사토를 채워 실험을 수행하였다(Fig. 10).
- 이러한 규모 문제의 불확실성을 확인하기 위해 실내 실험과 비슷한 시료를 포함하고 있는 테스트 베드를 선정하여 비교해 보았다. 현장은 춘천시 서면에 위치하고 있고, 산을 깎아 평평한 대지를 이루고 있는 현장을 선정하였다. 이곳의 토질은 대부분이 마사토로 이루어져 있어 실내 실험에서 실시한 마사토 결과와 비교를 해 볼 수 있었다.
데이터처리
- 마사토의 높이는 30 cm, 전기비저항 측정시 배열은 쌍극자배열, 전극봉 간격은 4 cm씩 21 ch, 5TE 센서 간격은 수직으로 7 ~ 8 cm 간격이다. 실내 실험에서 획득한 자료를 2차원적으로 해석하기 위해 DIPROfWin(Yi et al., 2003)을 이용해 해석을 실시하였다. 마사토 실험 결과는 Fig.
이론/모형
- 각 시료에 대한 체분석과 입도분석을 실시하여 균질한 상태의 시료를 사용하였다. 토질에 대한 분류기준은 실내시험결과에 따라 통상적으로 통일분류법(Casagrande, 1948)에 의해 분류한다. 주문진 표준사의 입도분석결과(Fig.
성능/효과
- 주문진 표준사와 마사토를 이용하여 대형 모형 토조를 제작한 후 전기비저항 탐사를 수행하여 각 시료의 함수비와 전기비저항의 상관관계를 분석하였다. 그 결과, 두 시료의 모형 토조 실험을 통하여 대체적으로 함수비가 높아질수록 전기비저항은 낮아지는 경향이 나타나는 것을 알 수 있었다. 마사토는 주문진 표준사에 비해 투수성이 낮기 때문에 수분을 더 오래 함유 할 수 있어 두 시료를 같이 비교하였을 때 시간이 경과한 뒤에도 전기비저항 거동양상이 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 균등계수는 실내실험 시료와 비슷한 영역에서 나오고 있다. 따라서 현장 시료는 실내 실험 시료보다 균질하지 않은 상태의 마사토라는 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 실내 실험 시료와 비교했을 때 균질하지 않지만 마사토라는 것을 바탕으로 전기비저항 탐사와 탄성파 굴절법 탐사를 수행하였다.
- 그 결과, 두 시료의 모형 토조 실험을 통하여 대체적으로 함수비가 높아질수록 전기비저항은 낮아지는 경향이 나타나는 것을 알 수 있었다. 마사토는 주문진 표준사에 비해 투수성이 낮기 때문에 수분을 더 오래 함유 할 수 있어 두 시료를 같이 비교하였을 때 시간이 경과한 뒤에도 전기비저항 거동양상이 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 마사토의 입도분석결과(Fig. 3)는 입도분포가 좋은 사질토로 판단되며, 통일분류법상 SW임을 알 수 있다. SW는 통일분류법에서 사질토에 입도가 좋은 토질을 의미한다.
- 탐사를 실시한 결과 탐사 상부에서는 300 m/s의 속도가 나타나고 하부에서는 1000 m/s의 속도 층으로 나누어져 나타났다. 속도 경계 결과로 봐서 풍화된 암석의 P파 속도보다 낮게 나오는 것을 알 수 있었다. Fig.
- 현장 탐사를 통하여 실제 지반의 함수비에 따른 전기비저항 변화 양상을 알아보았다. 실내 실험과 비슷한 테스트 베드를 선정하여 탄성파 굴절법 탐사를 통해 지반의 층 구조를 알아내고, 전기비저항 변화비를 통해 함수비에 따른 변화를 해석한 결과 실내 실험과 비슷한 전기비저항 거동양상이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 차후, 다양한 토질의 상태와 종류별 함수비에 따른 전기비저항 거동양상 자료를 수집한다면 토질 층의 구분과 지반설계정수 산정의 기초자료로 이용하는 것에 무리가 없을 것이라 생각된다.
- Table 2에서 곡률계수(Cc)가 1~3이면 입도분포가 양호한 토질로 분류 되는데 세 번의 실험 결과 모두 1 ~ 3 사이의 값을 나타내고 있어 대체로 입도분포가 양호하다고 볼 수 있다. 이러한 각 시료에 대한 입도분석결과 실험에 사용하고자 하는 시료들이 모두 균질하다는 것을 확인하였고, 전기비저항 측정에 있어 동등한 시료 조건에서 실험을 실시 할 수 있었다.
- 16의 전기비저항 변화비 그림은 변화비가 1보다 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 이를 통해 현장에서의 마사토 실험도 실내 실험과 마찬가지로 물의 영향을 받아 비슷한 거동양상을 나타내는 것을 확인하였다. 하지만 전기비저항 변화비에서 1보다 큰 부분, 더 낮은 부분에 대해서 설명할 근거가 없어 이에 대한 추가적인 탐사로 탄성파 탐사를 실시하였다.
- 토질에 대한 분류기준은 실내시험결과에 따라 통상적으로 통일분류법(Casagrande, 1948)에 의해 분류한다. 주문진 표준사의 입도분석결과(Fig. 2) 입도분포가 나쁘고, 통일분류법상 SP로 분류되는 것을 확인하였다. SP는 통일분류법에서 사질토에 입도가 나쁜 토질을 의미한다.
- 한편, 주문진 표준사는 모형 토조 실험에서 마사토 보다 함수비에 따라 전기비저항 거동양상이 민감하게 반응하고, 공극률이 크고 투수성이 높아 토조의 상부보다 하부에서 전기비저항 값이 낮게 나타나고 상부에서는 전기비저항 변화가 크게 나타났다. 이는 상부에서 전류가 잘 통하지 않는 다는 것을 의미하며, 마사토가 주문진 표준사보다 입자들끼리의 접촉을 통한 전류전도와 증류수에 의한 전류전도가 잘 일어나는 것임을 수 있었다.
후속연구
- 이는 마사토 토질의 특성으로 증류수를 머금고 있는 것이라 확인되며, 주문진사는 증류수를 잘 투과 시켜 하부에 주문지사가 증류수에 포화되면서 함수비가 점점 증가하는 양상이 나타나는 것이라 생각된다. 따라서 마사토와 주문진사같이 층으로 구별된 토질을 함수비에 따른 비저항 변화 모니터링을 한다면, 비저항 거동 양상이 다르므로 토질을 구분 지을 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 실내 실험의 적용성을 알아보기 위해 토조 실험과 유사한 테스트 베드를 선정하여 현장 실험을 실시하였다.
- 현장 적용 실험을 추가적으로 실시한다면 실내 실험과 현장 실험의 규모에 따른 불확실성을 줄여 줄 수 있을 것이라 생각된다. 따라서 실내 실험과 현장 마사토 실험을 통해 함수비에 따른 전기비저항 거동 양상에 대한 모니터링을 실시하면 토질 종류를 해석 할 수 있을 것으로 보인다.
- 이를 현장에 적용했을 때 비슷한 양상이 나오는지에 대한 적용 실험을 실시하였다. 앞서 실시한 모형 실험은 규모의 차이가 있어 직접 현장에 적용할 수 있는지에 대한 한계를 포함하고 있다. 이러한 규모 문제의 불확실성을 확인하기 위해 실내 실험과 비슷한 시료를 포함하고 있는 테스트 베드를 선정하여 비교해 보았다.
- 실내 실험과 비슷한 테스트 베드를 선정하여 탄성파 굴절법 탐사를 통해 지반의 층 구조를 알아내고, 전기비저항 변화비를 통해 함수비에 따른 변화를 해석한 결과 실내 실험과 비슷한 전기비저항 거동양상이 나타나는 것을 확인 할 수 있었다. 차후, 다양한 토질의 상태와 종류별 함수비에 따른 전기비저항 거동양상 자료를 수집한다면 토질 층의 구분과 지반설계정수 산정의 기초자료로 이용하는 것에 무리가 없을 것이라 생각된다.
- 이는 상부에서 전류가 잘 통하지 않는 다는 것을 의미하며, 마사토가 주문진 표준사보다 입자들끼리의 접촉을 통한 전류전도와 증류수에 의한 전류전도가 잘 일어나는 것임을 수 있었다. 추가적으로 시간의 변화에 따른 실험을 수행하고, 지반의 전기비저항을 측정한다면 전기비저항의 분포와 변화양상을 통하여 지반의 토질을 예측 할 수 있을 것이라 판단되었다.
- 실내 실험의 경우 함수비가 증가함에 따라 전기비저항 거동 양상이 신속하게 변하는 것을 전기비저항 변화비를 통해 알 수 있었는데, 현장 탐사를 통해 얻은 결과에서도 시간의 차이는 있지만 비슷한 거동양상을 나타내었다. 현장 적용 실험을 추가적으로 실시한다면 실내 실험과 현장 실험의 규모에 따른 불확실성을 줄여 줄 수 있을 것이라 생각된다. 따라서 실내 실험과 현장 마사토 실험을 통해 함수비에 따른 전기비저항 거동 양상에 대한 모니터링을 실시하면 토질 종류를 해석 할 수 있을 것으로 보인다.
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