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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 콘크리트 상부에서의 전기비저항 탐사 적용성의 문제를 보완하고자 일정한 모양·크기의 전기 전도성 매질인 알루미늄 평판 전극과 소금물이 첨가된 스펀지를 이용하여 탐사를 수행하였다.
- 그래서 콘크리트 상부에 천공을 수행하여 전극봉을 설치하는데 이는 콘크리트 자체에 대한 강도가 저하되는 문제를 가지고 있다. 본 연구에서는 전극봉에 의한 콘크리트 전기비저항 탐사의 한계점을 보완하기 위해 전극 봉의 대체물로 사용 가능한 알루 미늄 재질의 금속 전극 판을 제작하였으며, 전도성이 높은 소금물이 포함된 스펀지를 지면과 금속판의 접촉 매질로 사용하여 탐사를 수행하였다(Fig. 2).
- 이에 본 연구에서는 GPR 탐사 특성상 주변 시설물에 대한 잡음 영향 및 보강 유무를 파악하는 것에 탁월하여 전기비저항 탐사 자료와 비교·분석이 용이할 것이라 판단하였다.
- 일반적으로 전류를 흘려보내기 위해 전극 봉을 사용하게 되지만, 본 연구 대상인 콘크리트에서는 전극봉의 설치가 용이하지 않으므로 평판 전극을 이용하여 콘크리트의 하부 구조를 파악하고자 하였다. 이에 평판 전극을 이용한 전기비저항 탐사를 수행하기에앞서 전극 봉과 평판 전극에 따른 오차 및 적용 여부를 규명하기 위한 예비 실험이 요구되었다.
제안 방법
- GPR 탐사 자료를 통해 확인된 이상대 구간에 대해 전기비저항 탐사 자료와의 비교·분석을 수행하였다.
- GPR 탐사는 송·수신 안테나 각각 250, 500 MHz를 장착한 PulseEKKO PRO 장비를 이용하여 함몰 구간은 108 m, 도로부 재포장 구간은 132 m로 측정하였다.
- 전기비저항 탐사 측선과 동일한 위치(함몰 구간, 도로부 재포장 구간)에서 지하투과레이더(Ground Penetration Radar, GPR)와 충격응답기법(Impulse Response, IR)을 측정하여 비교·분석을 수행하였다. 그 결과 콘크리트의 건전도 및 하부의 상태를 상호 확인하고, 전기비저항 탐사 측정 자료의 신뢰도를 규명하였다.
- 본 연구에서 획득한 전기비저항 탐사 자료의 신뢰도를 확인하기 위해 GPR 탐사 자료와 IR 탐사 자료와의 비교·분석을 수행하였다. 동일한 위치에서의 각 자료의 변화 양상을 확인하여 신뢰도를 평가하였다.
- 이를 이용해 이종의 탐사 자료에 대한 공간적 특성을 연결고리로 하여 각각의 자료가 가지고 있는 공간 분포 특성을 동시에 반영하는 지구통계학적 해석이 필요하다. 보다 명확한 콘크리트 하부 구조를 확인하기 위해 전기비저항 탐사 자료와 다중채널 표면파탐사(Multi-channel Analysis of Surface Wave, MASW) 자료에 대한 지구통계학적 복합 해석을 수행하였다. 전기비저항 탐사와 MASW 탐사 자료에서 산출되는 물성 값인 전기비저항(Ω m)과 탄성파 속도(Vs, ms−1) 간의 높은 상관성이 나타나 추정하는 변수의 불확실성에 대한 정보를 제공하여 해석에 대한 신뢰도를 증대시켰다.
- 본 연구에서 획득한 전기비저항 탐사 자료의 신뢰도를 확인하기 위해 GPR 탐사 자료와 IR 탐사 자료와의 비교·분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 OO방조제의 콘크리트 상부(함몰 구간, 도로부 재포장 구간)에서 전기비저항 탐사를 수행하여 이종 물리탐사 자료간의 비교·분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 전기비저항 탐사의 물성인 전기비저항(Ω m)과, MASW 탐사의 물성인 전단파 속도(Vs, m s−1)를 이용하여 서로 다른 물성에 대한 지구통계학적 복합해석을 적용하였다.
- 이에 평판 전극을 이용한 전기비저항 탐사를 수행하기에앞서 전극 봉과 평판 전극에 따른 오차 및 적용 여부를 규명하기 위한 예비 실험이 요구되었다. 예비 실험은 지반에 전극 봉과 평판 전극을 동일한 측선에서 1 m 간격으로 전극을 설치하여 측정을 수행하였다.
- 본 연구에서는 OO방조제의 콘크리트 상부(함몰 구간, 도로부 재포장 구간)에서 전기비저항 탐사를 수행하여 이종 물리탐사 자료간의 비교·분석을 수행하였다. 이 후 지구통계학적 복합 해석(Co-Kriging)을 수행하여 보다 정확하고 신뢰도 있는 하부 구조를 규명하였다.
- 일반적으로 현장 조사 자료는 공간적으로 산재된 소수의 지점에서 획득하는 경우가 많아 지구통계학적 복합해석을 통해 자료의 신뢰성을 높여야 한다. 이러한 현장 조사 자료로부터 대상 지역의 모든 지점에서 값을 추정하는 공간 예측을 적용한 이후 분석을 수행한다. 지구통계학적 복합 해석 기법 중의 일부인 크리깅(Kriging)은 다른 결정론적 공간 예측 방법과 다르게 자료 통합을 수행할 수 있는 방법론을 제공한다.
- 특히 제방 및 댐 등의 대형 콘크리트 구조물은 지반의 변화로 인해 콘크리트의 변형이 발생하기 때문에 이를 확인할 수 있는 탐사 심도를 설정해야한다. 이를 위해 콘크리트 상부(함몰 구간, 도로부 재포장 구간)에서 전기비저항 탐사를 수행하였다(Fig. 1).
- 이를 통해 비교적 적은 자료의 개수를 포함한 전기 비저항 탐사 자료(Primary hard data) 및 비교적 많은 자료의 개수를 포함한 MASW 탐사 자료(Secondary hard data)를 이용하여 지구통계학적 복합 해석 기법인 공동 크리깅을 적용시켜 보았다(Fig. 10).
- 이에 본 연구에서는 전기비저항 탐사 자료와의 비교·분석을 위해 동일한 두 구간(함몰 구간, 도로부재포장 구간)에서 Chung et al. (2013)이 개발한 판상 구조물용 비파괴 검사를 위한 충격응답시험기를 이용하여 1 m 간격으로 총 46 m를 측정하였으며 동적강성도(Dynamic stiffness)를 산출하여 비교·분석을 수행하였다.
- 이를 통해 평판 전극의 모양·변성 또는 스펀지의 수분량에 따라서는 결과 변화에 거의 영향이 미치지 않음을 확인할 수 있었다. 이처럼 예비 실험에서 전극 변화에 따른 영향 및 오차가 작게 나타나는 것을 통해본 연구에서는 알루미늄 재질의 평판을 전극으로 적용하였으며, 실제 연구 지역의 콘크리트 하부 구조를 보다 명확히 확인할 것으로 예상하였다.
- 전기비저항 탐사 측선과 동일한 위치(함몰 구간, 도로부 재포장 구간)에서 지하투과레이더(Ground Penetration Radar, GPR)와 충격응답기법(Impulse Response, IR)을 측정하여 비교·분석을 수행하였다.
- 전기비저항 탐사와 MASW 탐사 자료에서 산출되는 물성 값인 전기비저항(Ω m)과 탄성파 속도(Vs, ms−1) 간의 높은 상관성이 나타나 추정하는 변수의 불확실성에 대한 정보를 제공하여 해석에 대한 신뢰도를 증대시켰다.
- 콘크리트 전기비저항 탐사 자료의 신뢰성을 확인하기 위해 이종 물리탐사인 GPR 탐사와 충격응답기법과 비교 분석을 수행하였다. GPR 탐사와 충격응답기법에서 나타난 변화 양상이 전기비저항 탐사에서도 나타나는 것을 볼 수 있었다.
대상 데이터
- 시험공이 필요 없이 지표에서 표면파 특성을 이용한 탐사로서, 표면파의 분산(Dispersion)특성을 나타내는 주파수 또는 위상속도(Phase Velocity)간의 관계를 나타내는 분산곡선을 결정한 후 이에 대한 역산 과정을 통해 지반의 전단파 속도를 얻는 탐사 방법이다. 이는 굴곡이 있는 지형에서는 탐사가 어려운 단점이 있으며(Burger, 1992), 본 연구에서는 스트리머 방식을 적용하여 소스 오프셋 5 m, 지오폰 간격 1m로 설정하여 도로포장 구간에서의 탐사 자료를 취득하였다.
- 콘크리트 상부에서 측정된 전기비저항 탐사 자료의 신뢰도를 확인하기 위해 이종 물리탐사 자료를 이용하였다. 전기비저항 탐사 측선과 동일한 위치(함몰 구간, 도로부 재포장 구간)에서 지하투과레이더(Ground Penetration Radar, GPR)와 충격응답기법(Impulse Response, IR)을 측정하여 비교·분석을 수행하였다.
데이터처리
- 측정된 전기비저항 탐사 자료는 역산 프로그램인 Dipro for Windows를 이용하여 2차원 구조를 확인하였다. Line_2, Line_5 (측점 5 m 간격)에 대해서는 단일 자료처리 및 분석을 수행하였으며 Line_1, Line_3, Line_4 (측점 1, 2 m 간격)은 이종 탐사 자료처리 결과와의 비교 분석 및 지구통계학적 복합 해석을 수행하였다.
- 결과를 보면 일부 고비저항대와 저비저항대가 나타나는 부분과 전체적인 비저항 분포가 유사한 양상을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 두 전극 방식에 의해 발생하는 차이점이 거의 없다는 것을 의미하며, 추가 분석을 위해 각 결과에서의 비저항 값을 따로 추출하여 상관관계 그래프를 도출하였다.
- 측정된 전기비저항 탐사 자료는 역산 프로그램인 Dipro for Windows를 이용하여 2차원 구조를 확인하였다. Line_2, Line_5 (측점 5 m 간격)에 대해서는 단일 자료처리 및 분석을 수행하였으며 Line_1, Line_3, Line_4 (측점 1, 2 m 간격)은 이종 탐사 자료처리 결과와의 비교 분석 및 지구통계학적 복합 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 5. Result of repeated measurement using flat electrode method.
- 전기비저항 탐사는 ABEM(社)의 전자동 전기비저항 측정 장비 시스템인 Terrameter-LS를 사용하였으며 쌍극자 배열(Dipole-dipole array)을 적용하였다. 수행된 모든 측선에 대한 제원은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 5는 반복 측정에 의한 오차 및 문제점을 파악하고자 평판 전극 방식으로 실제 콘크리트에 대하여 실증 검증을 수행하여 나타낸 결과이다. 4회 반복 측정을 수행한 결과, 평균 비저항 값이 193.63 (Ω m) 이고 각 횟수별 측정 비저항 값은 평균값과의 편차가 거의 없는 유사한 양상으로 측정되었다. 이를 통해 평판 전극의 모양·변성 또는 스펀지의 수분량에 따라서는 결과 변화에 거의 영향이 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
- Fig. 10에서와 같이 천부의 저비저항대가 연속적으로 분포하고 있는 것을 확인하였으며, 특히 빨간색 점선으로 표시한 구간에서 다른 부분의 평행한 저비저항 분포에 비해 다소 불균질한 양상이 부각되는 것을 확인 할 수 있었다. 이와 같은 지구통계학적 복합 해석을 통해, 연약대 등의 이상대를 보다 면밀하게 유추하는 것이 가능하였다.
- 각 구간의 위치를 동일하게 하여 전극 간격을 2m로 설정한 전기비저항 탐사 자료와 비교·분석한 결과, 동적강성도가 낮은 구간에서 대체로 전기비저항도 낮게 나타나는 현상이 정성적으로 관찰되었다.
- 4는 전극 봉과 평판 전극 방식에 따라 도출된 탐사 결과에서 전기비저항 값만을 도출하여 상관관계 그래프를 나타낸 것이다. 각 비저항 값에 로그스케일(Log scale)을 변환하여 두 전극 방식의 비저항 값 모두 최소 2-3.1 (Ω m) 사이의 범위를 보였다. 또한 각 값의 분포 양상이 비교적 좁은 비례 그래프를 나타내어 두 결과에 대한 상관관계가 좋다는 것을 확인할 수 있었다.
- 3은 Dipro for windows 프로그램을 이용하여 전극 봉과 평판 전극 두 방식의 전기비저항 탐사 자료처리 결과를 나타낸 것이다. 결과를 보면 일부 고비저항대와 저비저항대가 나타나는 부분과 전체적인 비저항 분포가 유사한 양상을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 두 전극 방식에 의해 발생하는 차이점이 거의 없다는 것을 의미하며, 추가 분석을 위해 각 결과에서의 비저항 값을 따로 추출하여 상관관계 그래프를 도출하였다.
- 이는 GPR 탐사 자료에서 하부로 움푹 파인 반사이벤트가 나타난 구간과 유사하게 나타났음을 확인할 수 있다. 동일한 콘크리트 상부의 비저항 값이 하부보다 높게 나타나는 것을 확인 할 수 있어, 상부의 도로 포장 상태는 좋은 것으로 판단된다. 하지만 도로 재포장 구간 하부에 저비저항대가 나타나는 것으로 보아 해수 침투로 인한 연약지반에 대한 보수 및 보강이 필요할 것으로 사료된다.
- 1 (Ω m) 사이의 범위를 보였다. 또한 각 값의 분포 양상이 비교적 좁은 비례 그래프를 나타내어 두 결과에 대한 상관관계가 좋다는 것을 확인할 수 있었다.
- 이를 통해 콘크리트 상부에서 전기비저항 탐사의 적용성이 높을 것으로 예상되었다. 또한 측선간격에 의한 탐사 심도가 높아 하부의 지질 변화 양상도 관측할 수 있을 것으로 예상되었다.
- 이를 통해 평판 전극의 모양·변성 또는 스펀지의 수분량에 따라서는 결과 변화에 거의 영향이 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
- 7은 함몰 구간 GPR 탐사 자료와 저기비저항 탐사 자료를 비교한 것이며 GPR 탐사 자료에서 그라우팅의 효과로 인해 하부의 반사 이벤트는 보이지 않고, 상부의 반사 이벤트가 명확히 보이는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 함몰 후 보수 및 보강이 이루어졌음을 확인하였고, 전기비저항 탐사 자료에서는 상부에 비저항이 크게 나타났다. 특히 상부에서 0.
- 10에서와 같이 천부의 저비저항대가 연속적으로 분포하고 있는 것을 확인하였으며, 특히 빨간색 점선으로 표시한 구간에서 다른 부분의 평행한 저비저항 분포에 비해 다소 불균질한 양상이 부각되는 것을 확인 할 수 있었다. 이와 같은 지구통계학적 복합 해석을 통해, 연약대 등의 이상대를 보다 면밀하게 유추하는 것이 가능하였다. 향후, 잡음이 적은 MASW 탐사 자료의 추가적인 확보가 필요할 것으로 판단되며, 이를 이용한 두 종류 이상의 물리탐사 자료 간의 지구통계학적 복합 해석을 수행한다면 보다 신뢰도 높은 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
- 6a는 함몰 구간 측선의 전기비저항 탐사결과로 측점간격은 5m이며, 21 ch로 수행되었고 유한요소법(FEM) 역산 방식을 이용하여 도출한 결과이다. 자료 처리를 통해 도출된 역산 결과를 살펴보면 우수관로가 존재하는 구간에서는 우수관로의 영향으로 천부에서 주변의 비저항보다 높게 나타났다. 그러나 콘크리트 상부에서 하부 심도 10 m까지 저비저항대가 나타났다.
- 접지 저항이 높은 콘크리트 접촉면에 대해 전기전도성이 좋은 매질과 평판 전극을 이용하여 전기비저항 탐사에 적용한 결과 콘크리트 하부의 지질 구조를 파악할 수 있었다. 전기비저항 분포를 통해 콘크리트 상태에 대한 파악 및 지하의 해수침투, 공동의 흔적을 볼 수 있었다.
- 최종적으로 이종 탐사 자료간의 비교·분석 및 지구통계학적 복합 해석만의 강점을 이용하여 함몰·균열·보강 지역 등의 연약 구간 혹은 새로운 이상대에 대한 파악이 종합적으로 가능하였으며, 이를 통해 단일 해석 시 발생하는 자료 해석의 한계를 보완할 수있었다.
후속연구
- 충격응답기법 자료에서 9-13 m 구간은 동적강성도가 낮게 나타나며 전기비저항 탐사 자료도 다른 구간의 결과에 비해 심부의 전기비저항이 낮게 나타나는 것을 볼 수 있는데 이는 해수 침투에 의한 영향으로 예상된다. 그러나 정량적인 분석을 수행하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 이를 통해 일부 함몰·균열·보강 지역 등의 연약 구간 혹은 새로운 이상대에 대한 파악 및 단일 해석시에 발생하는 자료의 한계점을 보완할 수 있었다.
- 이는 안전 및 경제적 측면에서 콘크리트의 내부 구조를 파악하는데 비교적 유용한 기법이라 판단이 되며, 안전 관리 및 보강·보수 공사에 대한 의사 결정의 일부분으로 제시될 수 있을 것이라 사료된다. 향후 방조제의 연약 구간에 대해 더욱 정확한 예측과 점검을 수행하기 위해서는 모니터링 개념을 바탕으로 한 지속적·추가적인 복합 탐사 자료의 확보가 필수적이라 예상된다.
- 따라서 불균질한 구간 및 그 상부의 저비저항대의 넓은 분포는 해수의 거동 양상 혹은 균열로 인한 침투로까지 판단할 수가 있다. 향후 안정성 확보를 위해 이 구간에 대한 추가적인 정밀 조사가 필요할 것으로 사료된다.
- 이와 같은 지구통계학적 복합 해석을 통해, 연약대 등의 이상대를 보다 면밀하게 유추하는 것이 가능하였다. 향후, 잡음이 적은 MASW 탐사 자료의 추가적인 확보가 필요할 것으로 판단되며, 이를 이용한 두 종류 이상의 물리탐사 자료 간의 지구통계학적 복합 해석을 수행한다면 보다 신뢰도 높은 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다.
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