지하매설구조물인 상수도관 주변 지반의 간극수 동결로 상수도관의 변형에 영향을 미칠 수 있다. 이에 최근에는 현장 계측을 통한 포장 하부구조체의 함수비를 주기적으로 측정하기 위해서 미국 Campbell사의 TDR(time domain reflectometry) CS616 함수량계와 독일의 IMKO사 제품의 TRIME FM를 이용한 수동 함수량계 TRIME P3, T3 Probe를 사용하고 있다. 일반적으로 TDR 함수량계와 TRIME 수동 함수량계는 흙의 종류, 입도, 다짐도, 온도 등에 의해 오차가 유발될 수 있기 때문에, 현장의 시료를 사용하여 TDR 함수량계의 실내보정실험을 반드시 수행해야 한다. 즉, TDR함수량계의 매뉴얼에서는 일반적인 흙의 보정방정식을 제안하고 있지만 현장 적용시에는 반드시 보정실험을 수행하도록 권고하고 있다. 본 연구에서는 상수관 등 지하매설구조물의 주변의 다양한 채움재료를 사용하여 실내 보정 실험을 수행하였으며, 이 결과로부터 TDR함수량계인 CS616, TRIME-T3, TRIME-P3의 보정모델식을 제안하였으며, 보정식에 대한 현장검증을 수행하였다.
지하매설구조물인 상수도관 주변 지반의 간극수 동결로 상수도관의 변형에 영향을 미칠 수 있다. 이에 최근에는 현장 계측을 통한 포장 하부구조체의 함수비를 주기적으로 측정하기 위해서 미국 Campbell사의 TDR(time domain reflectometry) CS616 함수량계와 독일의 IMKO사 제품의 TRIME FM를 이용한 수동 함수량계 TRIME P3, T3 Probe를 사용하고 있다. 일반적으로 TDR 함수량계와 TRIME 수동 함수량계는 흙의 종류, 입도, 다짐도, 온도 등에 의해 오차가 유발될 수 있기 때문에, 현장의 시료를 사용하여 TDR 함수량계의 실내보정실험을 반드시 수행해야 한다. 즉, TDR함수량계의 매뉴얼에서는 일반적인 흙의 보정방정식을 제안하고 있지만 현장 적용시에는 반드시 보정실험을 수행하도록 권고하고 있다. 본 연구에서는 상수관 등 지하매설구조물의 주변의 다양한 채움재료를 사용하여 실내 보정 실험을 수행하였으며, 이 결과로부터 TDR함수량계인 CS616, TRIME-T3, TRIME-P3의 보정모델식을 제안하였으며, 보정식에 대한 현장검증을 수행하였다.
Water content of subgrade soil in water supply systems has a large effect on performance. Many researchers lately make use of time-domain reflectometry (TDR) probes to measure the soil water content of subgrade soil from monitoring. The laboratory calibration test of TDR probe should be performed wi...
Water content of subgrade soil in water supply systems has a large effect on performance. Many researchers lately make use of time-domain reflectometry (TDR) probes to measure the soil water content of subgrade soil from monitoring. The laboratory calibration test of TDR probe should be performed with soil field, because TDR probe can cause an error by type, gradation, density, and temperature of soil. This study shows the laboratory calibration test using TDR CS616, TDR-P3, TDR-T3. The calibration equations of TDR were then proposed. It was confirmed from the study that the data of TDR probe monitored in field could be used to estimate the freezing, unfrozen water content, and matric suction of soil.
Water content of subgrade soil in water supply systems has a large effect on performance. Many researchers lately make use of time-domain reflectometry (TDR) probes to measure the soil water content of subgrade soil from monitoring. The laboratory calibration test of TDR probe should be performed with soil field, because TDR probe can cause an error by type, gradation, density, and temperature of soil. This study shows the laboratory calibration test using TDR CS616, TDR-P3, TDR-T3. The calibration equations of TDR were then proposed. It was confirmed from the study that the data of TDR probe monitored in field could be used to estimate the freezing, unfrozen water content, and matric suction of soil.
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문제 정의
국내에서는 TDR 함수량계의 보정시험에 대한 실험규정이 없으며, 이에 본 연구에서는 외국의 사례를 조사하여 국내실정에 맞는 보정시험 절차를 수립하였다. Fig.
본 논문에서는 옥외 동상 테스트배드 구간의 매설관 채움재료에 대한 함수비 보정실험을 통하여 보정방정식을 제시하였다. 또한, 테스트배드 현장에 함수량계를 설치하여 직접 함수비를 측정함으로서 실내실험을 통해 제안된 보정방정식을 검증하였다.
본 연구에서는 상수도관의 동결과 융해에 따른 거동을 연구하기 위해 설치된 옥외 동상 테스트배드 구간에 매설관 채움재로 사용되고 있는 다양한 흙 시료에 대하여 함수비 보정실험을 수행하여 보정방정식을 제안하였다. 또한, 테스트배드 현장에 함수량계를 매설하여 직접 함수비를 측정함으로서 실내실험을 통해 제안된 보정방정식에 대하여 검증을 수행하였다.
본 연구에서는 흙의 입도에 따라 TDR 함수량계의 출력 값이 차이를 나타내고 있기 때문에 채움재료별 각각에 대하여 실내보정실험을 수행하였다. 함수량계 출력값은 중량함수비와 일정한 상관관계를 나타내고 있으나, 중량함수비별 흙의 밀도 차이 때문에 오차를 유발할 수 있기에, 본 데이터를 체적함수비로 변환하여 재분석하였다.
수분의 유전율은 대략 80, 건조된 흙의 유전율은 흙의 전기전도율과 밀도에 따라 일반적으로 3~8 사이의 값을 나타내고 있다. 이와 같이 TDR 함수량계의 원리는 물과 흙의 유전율이 크게 차이가 있다는 것에 기초하여 나온 것이다. TDR 함수량계의 원리는 전기적 불연속성을 지닌 물체로부터 전자기파(electromagnetic wave)의 이동시간(travel time)을 측정하는 것을 바탕으로 하고 있다.
가설 설정
유전율은 전자기파의 이동시간과 도파관(waveguide)의 길이에 의해 계산된다. 도파관 주변 재료의 전기적 특성 변화에 의해 이동시간과 함께 유전율도 변화할 것이다. 흙에서 도파관을 따라 이동하는 전자기파의 속도 v는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다 (Topp and Davis, 1985).
제안 방법
600mm × 600mm × 300mm 크기의 아크릴박스를 제작하고 각각의 중량함수비에 따라 물과 흙을 계량한 후 믹서기를 사용하여 혼합된 흙 시료를 아크릴박스에 3층으로 다짐한다.
TDR-T3는 TDR tube를 이용하여 계측한다. TDR tube의 직경은 외경 44.3mm, 내경 42mm로서 각 Section 별 2m 길이로 설치 하였고, TDR-P3는 테스트베드의 상부에 탐침봉을 매설하여 계측을 수행하였다.
본 연구에서는 상수도관의 동결과 융해에 따른 거동을 연구하기 위해 설치된 옥외 동상 테스트배드 구간에 매설관 채움재로 사용되고 있는 다양한 흙 시료에 대하여 함수비 보정실험을 수행하여 보정방정식을 제안하였다. 또한, 테스트배드 현장에 함수량계를 매설하여 직접 함수비를 측정함으로서 실내실험을 통해 제안된 보정방정식에 대하여 검증을 수행하였다. 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
본 논문에서는 옥외 동상 테스트배드 구간의 매설관 채움재료에 대한 함수비 보정실험을 통하여 보정방정식을 제시하였다. 또한, 테스트배드 현장에 함수량계를 설치하여 직접 함수비를 측정함으로서 실내실험을 통해 제안된 보정방정식을 검증하였다.
실내보정시험절차는 테스트베드의 노상재료별로 중량 함수비 2 ~ 20%까지 함수비를 변화시켜 TDR 함수량계의 실내 보정 실험을 수행하였다. 600mm × 600mm × 300mm 크기의 아크릴박스를 제작하고 각각의 중량함수비에 따라 물과 흙을 계량한 후 믹서기를 사용하여 혼합된 흙 시료를 아크릴박스에 3층으로 다짐한다.
CS616은 두 번째 층 다짐시 설치하고 TDR-P3는 다짐 완료 후 흙 채움이 끝나면 P3 Probe를 설치한다. 측정 오차를 최소화하기 위하여 CS616 함수량계는 3개 정도를 사용하고, TDR-P3는 3번 측정한다. 함수량계를 CS616은 데이터로거에 TDR-P3는 TRIMEFM에 연결하여 TDR 측정치를 구한다.
본 연구에서는 흙의 입도에 따라 TDR 함수량계의 출력 값이 차이를 나타내고 있기 때문에 채움재료별 각각에 대하여 실내보정실험을 수행하였다. 함수량계 출력값은 중량함수비와 일정한 상관관계를 나타내고 있으나, 중량함수비별 흙의 밀도 차이 때문에 오차를 유발할 수 있기에, 본 데이터를 체적함수비로 변환하여 재분석하였다. Fig.
대상 데이터
○○대학교 부지내에 옥외동상 테스트배드 모형실험 구축 대상 부지를 선정하여 실내실험시 보정된 제안식과 본현장에서 측정된 결과를 검증하였다. Fig.
본 연구에서 사용된 흙 시료는 3.3절에 제시된 옥외동상 테스트배드 구간 중 section1, section2, section3의 노상 재료를 이용하여 TDR 함수량계를 통한 보정실험을 수행 하였으며, Table 2는 사용된 시료의 공학적 특성을 나타낸 것이다.
상기 보정방정식에 대한 검증을 위해 Section 1, 2, 3구간의 채움재료에서 함수량계 매설 위치마다 재료의 함수 비를 측정하고 함수량계 데이터를 획득하였다. Fig.
실험 현장 토조의 크기는 3m(B) × 6m(B) × 3m(H)이다.
데이터처리
측정이 끝나면, 박스 상부의 흙을 제거하고 함수량계가 설치되어 있는 위치에서 흙 시료를 채취하여 함수비를 측정한다. 이를 통해 결정된 중량함수비와 TDR 측정치와의 관계를 회귀분석하여 보정방정식을 산정한다.
성능/효과
0°이하 구간에서 대기온도의 저하로 수분이 얼음(ice)으로 변화하여 함수비 데이터가 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
0°이하 구간에서 대기온도의 저하로 수분이 얼음(ice)으로 변화하여 함수비 데이터가 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. TDR 함수량계의 CS616, P3, T3의 현장 검증 결과 체적당 함수량이 함수량계별 2%~25% 범위 내에서 보정후 함수량이 현장 함수량에 근접한 결과로 나타나고 있다. 보정함수비 분포를 볼 때 약간의 차이는 있었지만 함수량 계의 계측 결과가 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있었다.
9. Field calibration test of TDR-T3
TDR-P3MR은 보정 제안식과 보정된 현장 함수비가 1% ~ 3%의 차이로 거의 일치하였고, TDR-T3의 경우도 약간의 차이는 있지만 보정 제안식과 보정된 현장 함수비가 1% 이내로 거의 차이가 없음을 알 수 있었다
. 대체로 TDR-P3와 TDR-T3의 경우, 보정된 현장 방정식과 제안된 보정방정식은 대체로 부합되는 것을 확인 할 수 있었다.
TDR-P3MR은 보정 제안식과 보정된 현장 함수비가 1% ~ 3%의 차이로 거의 일치하였고, TDR-T3의 경우도 약간의 차이는 있지만 보정 제안식과 보정된 현장 함수비가 1% 이내로 거의 차이가 없음을 알 수 있었다. 대체로 TDR-P3와 TDR-T3의 경우, 보정된 현장 방정식과 제안된 보정방정식은 대체로 부합되는 것을 확인 할 수 있었다.
이와 같이 TDR 방식 함수량계는 흙의 동결/비동결상태를 확인하는데 사용될 수 있으며, 실제 현장에 깊이별로 매설된 TDR방식 함수량계와 온도계의 데이터를 이용해 동결심도의 추정도 가능할 것으로 판단된다. 또한, 현장데이터 분석에서 함수비와 동결지수 데이터를 비교 분석함으로써 재료별 동결상태를 판단할 수 있었으며, 부동수분 량의 평가가 가능함을 확인하였다.
TDR 함수량계의 CS616, P3, T3의 현장 검증 결과 체적당 함수량이 함수량계별 2%~25% 범위 내에서 보정후 함수량이 현장 함수량에 근접한 결과로 나타나고 있다. 보정함수비 분포를 볼 때 약간의 차이는 있었지만 함수량 계의 계측 결과가 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있었다.
실내실험을 통해 제안한 보정방정식과 현장에서 측정한 함수비를 비교한 결과, 대체적으로 보정방정식에서 부합되는 것을 확인 할 수 있었으며, 이와 같은 결과는 실내 보정실험으로부터 제안한 보정방정식이 실제 현장에서도 충분히 적용할 수 있음을 나타낸 것이다.
옥외동상 테스트배드 구간 지중 10cm에서 계측한 TDR의 함수비 계측 데이터를 실내 실험을 통해 얻어낸 보정 방정식에 적용하여 나타내었고, 현장 온도 데이터를 이용하여 동결깊이를 추정한 결과 동결지수가 226℃⋅day에 해당하였다.
즉, CS616의 경우, 보정방정식은 매뉴얼 제안식, 현장 함수비와 유사한 결과를 나타내었고, TDR-P3MR은 보정 제안식과 보정된 현장 함수비가 1% ~ 3%, TDR-T3는 보정 제안식과 보정된 현장 함수비가 1%이내로 거의 차이가 없음을 알 수 있었다. 따라서, 각각의 실내보정실험으로부터 제안한 보정방정식을 사용하는 것이 보다 정확한 현장계측자료를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 재료의 보정식을 통해 함수비를 계측함으로써 겨울철 동상 발생과 해빙기의 지지력 손실에 따른 구조물의 파손을 미연에 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
일반적으로 TDR 함수량계는 다짐밀도의 증가에 따라 그 값이 증가하는 경향을 보이는데 이는 흙의 공극이 감소하기 때문이다. 함수비가 증가함에 따라 비다짐상태와 다짐상태에서 함수량계 출력값의 차이가 더 크게 벌어지고 있는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
, 1997; Valdez, 1991). 그러나 TDR 함수량계는 흙의 종류, 입도, 다짐도, 온도 등에 의해 오차가 발생하기 때문에, 이에 대한 보정실험은 반드시 수반되어야 한다.
즉, CS616의 경우, 보정방정식은 매뉴얼 제안식, 현장 함수비와 유사한 결과를 나타내었고, TDR-P3MR은 보정 제안식과 보정된 현장 함수비가 1% ~ 3%, TDR-T3는 보정 제안식과 보정된 현장 함수비가 1%이내로 거의 차이가 없음을 알 수 있었다. 따라서, 각각의 실내보정실험으로부터 제안한 보정방정식을 사용하는 것이 보다 정확한 현장계측자료를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 재료의 보정식을 통해 함수비를 계측함으로써 겨울철 동상 발생과 해빙기의 지지력 손실에 따른 구조물의 파손을 미연에 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같이 TDR 방식 함수량계는 흙의 동결/비동결상태를 확인하는데 사용될 수 있으며, 실제 현장에 깊이별로 매설된 TDR방식 함수량계와 온도계의 데이터를 이용해 동결심도의 추정도 가능할 것으로 판단된다. 또한, 현장데이터 분석에서 함수비와 동결지수 데이터를 비교 분석함으로써 재료별 동결상태를 판단할 수 있었으며, 부동수분 량의 평가가 가능함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
동상(frost heaving)과 지지력 감소는 구조물에 어떤 영향을 줄 수 있는가?
포장하부구조내 지하매설구조물 주변 지반의 간극수 동결로 상부구조물 뿐만아니라 상수도관 등 토목구조물에 영향을 미친다. 즉, 하부구조체내의 함수비 증가는 겨울철 동결에 의한 체적팽창과 융해시 함수비 증가에 따른 지지력 저하를 초래하여 상수도관 등 매설구조물에 심각한 손상을 유발한다. 이러한 동상(frost heaving)과 지지력 감소는 포장 하부에 위치한 노상토의 함수비 변화와 관련이 깊지만 실시간 계측에 어려움이 있다.
상수도관은 어떤 구조물인가?
지하매설구조물인 상수도관 주변 지반의 간극수 동결로 상수도관의 변형에 영향을 미칠 수 있다. 이에 최근에는 현장 계측을 통한 포장 하부구조체의 함수비를 주기적으로 측정하기 위해서 미국 Campbell사의 TDR(time domain reflectometry) CS616 함수량계와 독일의 IMKO사 제품의 TRIME FM를 이용한 수동 함수량계 TRIME P3, T3 Probe를 사용하고 있다.
TDR 함수량계의 실내보정실험이 필요한 이유는?
이에 최근에는 현장 계측을 통한 포장 하부구조체의 함수비를 주기적으로 측정하기 위해서 미국 Campbell사의 TDR(time domain reflectometry) CS616 함수량계와 독일의 IMKO사 제품의 TRIME FM를 이용한 수동 함수량계 TRIME P3, T3 Probe를 사용하고 있다. 일반적으로 TDR 함수량계와 TRIME 수동 함수량계는 흙의 종류, 입도, 다짐도, 온도 등에 의해 오차가 유발될 수 있기 때문에, 현장의 시료를 사용하여 TDR 함수량계의 실내보정실험을 반드시 수행해야 한다. 즉, TDR함수량계의 매뉴얼에서는 일반적인 흙의 보정방정식을 제안하고 있지만 현장 적용시에는 반드시 보정실험을 수행하도록 권고하고 있다.
참고문헌 (8)
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Topp, G. C. and Davis, J. L. (1985), Time Domain Reflectometry (TDR) and Its Application to Irrigation Scheduling, In Advances in Irrigation, Vol. 3, Daniel Hilled(ed), Academic.
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