본 연구는 최근 국내 외로 지반공학적 특성 평가 연구가 진행되고 있는 TDR(Time Domain Reflectometry)을 개선하기 위하여 진행되었고, 이를 통해 $30.48cm{\times}25.4cm$의 크기를 갖는 판형 Probe를 제작하였다. 개발한 TDR 시스템을 검증하기 위하여 주문진 표준사 및 세 종류의 일반적인 시료를 대상으로 실내실험을 실시하였다. TDR 신호를 이용하여 흙의 유전상수, 전기전도도, 특성상수 값을 도출하였다. 이를 통해 흙의 함수비 및 건조밀도를 구하였고, 실제 측정한 값과의 비교를 통하여 개발 TDR의 적용성을 검토하였다. 실험 결과, 건조밀도의 경우 평균적으로 약 2%의 오차를 보이며, 함수비의 경우 평균적으로 약 0.5%의 오차를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 실험 결과를 통하여 기존의 TDR시스템을 사용하였을 때 발생할 수 있는 문제점과 측정할 때 소요되는 시간 등을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구는 최근 국내 외로 지반공학적 특성 평가 연구가 진행되고 있는 TDR(Time Domain Reflectometry)을 개선하기 위하여 진행되었고, 이를 통해 $30.48cm{\times}25.4cm$의 크기를 갖는 판형 Probe를 제작하였다. 개발한 TDR 시스템을 검증하기 위하여 주문진 표준사 및 세 종류의 일반적인 시료를 대상으로 실내실험을 실시하였다. TDR 신호를 이용하여 흙의 유전상수, 전기전도도, 특성상수 값을 도출하였다. 이를 통해 흙의 함수비 및 건조밀도를 구하였고, 실제 측정한 값과의 비교를 통하여 개발 TDR의 적용성을 검토하였다. 실험 결과, 건조밀도의 경우 평균적으로 약 2%의 오차를 보이며, 함수비의 경우 평균적으로 약 0.5%의 오차를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 실험 결과를 통하여 기존의 TDR시스템을 사용하였을 때 발생할 수 있는 문제점과 측정할 때 소요되는 시간 등을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
In this study, a new TDR system equipped with a flat type probe has been developed to improve the currently used TDR system that measures dry density and water content. To verify the developed TDR system, TDR tests were conducted on Jumunjin sand and three typical soils. Also, additional tests were ...
In this study, a new TDR system equipped with a flat type probe has been developed to improve the currently used TDR system that measures dry density and water content. To verify the developed TDR system, TDR tests were conducted on Jumunjin sand and three typical soils. Also, additional tests were performed to measure the correction value of the developed probe. Using the TDR signals, dielectric constant, electrical conductivity and soil constants were derived. The water content and dry density of the soils were determined through the TDR tests. The applicability of the TDR system was examined by comparison of the measured values by TDR and the real values. The values of dry density and water content were found to have about 2% and 0.5% error, respectively. Based on the test results, it has been confirmed that the new TDR system can be used as an alternative to the previous TDR system as it can measure the dry density and the water content with reasonable accuracy, leading to significant time and cost savings.
In this study, a new TDR system equipped with a flat type probe has been developed to improve the currently used TDR system that measures dry density and water content. To verify the developed TDR system, TDR tests were conducted on Jumunjin sand and three typical soils. Also, additional tests were performed to measure the correction value of the developed probe. Using the TDR signals, dielectric constant, electrical conductivity and soil constants were derived. The water content and dry density of the soils were determined through the TDR tests. The applicability of the TDR system was examined by comparison of the measured values by TDR and the real values. The values of dry density and water content were found to have about 2% and 0.5% error, respectively. Based on the test results, it has been confirmed that the new TDR system can be used as an alternative to the previous TDR system as it can measure the dry density and the water content with reasonable accuracy, leading to significant time and cost savings.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 상기 기존의 TDR 시스템의 문제점을 개선하기 위한 새로운 TDR 시스템을 개발하였다. 개발된 TDR 시스템을 검증하기 위하여 주문진 표준사, 원주 채취시료, 섬진강 채취시료, 옥과 채취시료를 이용하여 함수비, 건조밀도를 측정하였고, 이를 함수비, 건조 밀도 실측 값과 비교하였다.
개발된 TDR 시스템을 검증하기 위하여 주문진 표준사, 원주 채취시료, 섬진강 채취시료, 옥과 채취시료를 이용하여 함수비, 건조밀도를 측정하였고, 이를 함수비, 건조 밀도 실측 값과 비교하였다. 여러 가지 시료의 검증시험 결과를 분석하여 새로운 TDR 시스템의 적용성을 확인하고 현장 성토 지반의 다짐관리를 위한 하나의 방법을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 기존 TDR 연구에서 쓰였던 봉형 Probe에서 발생할 수 있는 상기 문제를 해결하기 위하여 판형으로 Probe를 제작하였다. 기존의 봉형 Probe는 지반에 관입하기 위하여 일련의 작업이 필요한 반면 본 연구에서 제작한 판형 Probe는 평평한 지반에 얹어 측정을 할 수 있어 신속한 측정이 가능할 수 있게 제작하였다.
본 연구를 통하여 개발한 TDR 시스템을 이용하여 건조밀도 및 함수비를 측정하고, 실제 측정한 값과의 비교하여 국내 지반과의 적용성을 검토하였다. Fig.
본 연구에서는 기존의 Purdue TDR 시스템에서 사용하고 있는 봉형 Probe의 문제점을 개선하고 신속한 다짐관리를 위한 TDR 시스템을 개발하기 위하여 수행되 었다. 지반의 파괴 없는 probe개발을 위해 판형으로 제작하였고, 개발한 probe를 검증하기 위하여 주문진 표준사, 원주 채취시료, 섬진강 채취시료, 옥과 채취시료네 가지 시료를 가지고 실험을 진행하였다.
제안 방법
본 연구에서는 상기 기존의 TDR 시스템의 문제점을 개선하기 위한 새로운 TDR 시스템을 개발하였다. 개발된 TDR 시스템을 검증하기 위하여 주문진 표준사, 원주 채취시료, 섬진강 채취시료, 옥과 채취시료를 이용하여 함수비, 건조밀도를 측정하였고, 이를 함수비, 건조 밀도 실측 값과 비교하였다. 여러 가지 시료의 검증시험 결과를 분석하여 새로운 TDR 시스템의 적용성을 확인하고 현장 성토 지반의 다짐관리를 위한 하나의 방법을 제안하고자 한다.
TDR 시스템은 흙 속에서 전기신호의 전도특성을 이용하며, 흙 속에 관입된 probe의 전기신호의 반향시간을 측정하는 장치이다. TDR 시스템은 펄스발생기, probe, 수신기로 구성되며 펄스발생기에서 생산된 전자기파가 동축케이블과 흙에 관입된 probe를 통하여 전파되는 동안 동축케이블과 probe주변 매질의 임피던스의 변화에 따라 전자기파가 반향 되는 특성을 이용하여 흙의 유전 상수(Ka)와 총 전기전도도(ECb)를 측정한다. 여기서 측정되는 유전상수는 측정하는 시료가 균질하지 않은 경우 측정하는 영역의 평균값을 나타낸다.
2와 같이 미국 CAMPBELL사에서 제작한 TDR100 장비를 이용하였다. 본 장비는 전파를 TDR Probe를 통하여 전달하여 반사되어 오는 특징을 이용해 지반의 특성을 예측한다.
본 연구에서는 기존 TDR 연구에서 쓰였던 봉형 Probe에서 발생할 수 있는 상기 문제를 해결하기 위하여 판형으로 Probe를 제작하였다. 기존의 봉형 Probe는 지반에 관입하기 위하여 일련의 작업이 필요한 반면 본 연구에서 제작한 판형 Probe는 평평한 지반에 얹어 측정을 할 수 있어 신속한 측정이 가능할 수 있게 제작하였다. Probe는 폴리머 재질의 판에 구리 띠를 부착하여 제작하였다.
본 연구에서는 흙의 함수비와 다짐도의 변화에 따른 TDR 파형의 변화를 알아보기 위하여 함수비를 0∼10%에서 변화시켰으며 다짐도는 층당 타격횟수를 변화시켜 실험을 진행하였고, Table 2는 본 연구에서의 실험 조건을 보여준다.
6(d)와 같이 probe를 올려놓고 TDR 신호를 측정한다. 여기서 다짐 방법을 위와 같이 정한 이유는 본 실험에서 사용한 A다짐 다짐봉의 단면적에 비하여 몰드의 단면적이 현저하게 크고 몰드에 담긴 시료를 고르게 다지지 못할 것이라고 판단하여 위와 같은 다짐방법을 사용하였다. 위의 절차를 반복하되 다짐도의 변경을 위하여 추 상단의 타격횟수를 3, 4회로 차례로 늘려서 실험을 진행하고, 같은 함수비, 다짐도에 대하여 신호를 3번씩 측정하였다.
여기서 다짐 방법을 위와 같이 정한 이유는 본 실험에서 사용한 A다짐 다짐봉의 단면적에 비하여 몰드의 단면적이 현저하게 크고 몰드에 담긴 시료를 고르게 다지지 못할 것이라고 판단하여 위와 같은 다짐방법을 사용하였다. 위의 절차를 반복하되 다짐도의 변경을 위하여 추 상단의 타격횟수를 3, 4회로 차례로 늘려서 실험을 진행하고, 같은 함수비, 다짐도에 대하여 신호를 3번씩 측정하였다.
본 연구에서 개발한 probe를 이용하여 흙의 함수비와 건조밀도를 측정하기 위하여 TDR 파형을 분석하였다. Fig.
앞 절에서 나타난 파형의 분석을 위하여 보정실험을 진행하였다. 보정실험 절차는 다음과 같이 수행되었다.
본 절에서는 함수비 및 다짐도의 변화에 따라 변하는 TDR 신호의 변화를 분석하였다. Fig.
본 절에서는 실내실험을 통하여 각 시료별로 측정된 TDR 신호를 분석하여 시료별 유전상수와 총 전기전도도를 도출하였다. 그 결과를 이용하여 유전상수 및 총전기전도도와 함수비간의 관계에 대하여 선형회귀분석을 실시하였다.
본 연구를 통하여 개발한 probe를 이용하여 도출한 유전상수, 총 전기전도도, 특성상수 값을 이용하여 시료별 함수비와 건조밀도를 식 (6), (7)을 통하여 측정하였다.
본 연구를 통하여 개발한 probe를 이용하여 도출한 유전상수, 총 전기전도도, 특성상수 값을 이용하여 시료별 함수비와 건조밀도를 식 (6), (7)을 통하여 측정하였다. 실제 노건조 함수비 시험을 통하여 얻은 함수비 값을 참 값으로 하여 TDR 시스템으로 측정한 함수비 값과 비교하였고, 습윤밀도와 노건조함수비시험을 통하여 구한 건조밀도 값을 참 값으로 하여 TDR 시스템으로 측정한 건조밀도 값을 비교하였다. Fig.
실제 측정한 값과 TDR 시스템을 이용한 측정값을 비교하고 적용성을 검토하기 위하여, 정밀도에 관한 기준은 다음과 같은 국외의 연구자들에 의한 오차범위를 사용하였다. 건조밀도의 경우는 Fig.
실험은 함수 비를 0∼10%로 변화시키고, 다짐도를 변화 시키면서 수행하였다.
함수비 및 다짐도 변화에 따른 TDR 파형의 변화를 알아보았고, 실제 측정한 값과 TDR로 측정한 값을 비교하여 국내 지반과의 적용성을 확인하였다.
(3) 흙의 유전상수, 총 전기전도도, 특성상수 값을 바탕으로 함수비와 건조밀도를 산정하였다. TDR로 측정된 함수비와 건조밀도를 실제 측정된 값과 비교한 결과, Purdue TDR 시스템과 측정값의 정확도가 유사한 수준으로 확인되었다.
대상 데이터
본 연구는 Fig. 2와 같이 미국 CAMPBELL사에서 제작한 TDR100 장비를 이용하였다. 본 장비는 전파를 TDR Probe를 통하여 전달하여 반사되어 오는 특징을 이용해 지반의 특성을 예측한다.
또한 장비의 이동성 증대를 위하여 손잡이가 부착되어있고, TDR100, 수신기, 배터리 등으로 구성되어 있으며 박스 형태로 제작되었다. Fig.
판형 probe는 30.48cm × 25.4cm의 크기로 제작되었고 구리띠 하나의 폭은 5cm, 총 3 개의 구리띠를 이용하였고 구리띠 사이의 간격은 5cm이며, 총 폭은 25.4cm로제작하였다.
본 연구에서 사용한 흙 시료는 다양한 흙에 대한 TDR 파형의 변화 및 흙의 종류에 따른 실제 측정값의 정확도를 알아보기 위하여 주문진 표준사, 원주 채취시료, 섬진강 채취시료, 옥과 채취시료 총 4가지 시료를 사용하였다. 연구에 사용한 시료의 입도분포는 Fig.
실험을 위한 시료는 25kg을 준비하였고, 함수비와 다짐도에 따른 TDR 파형의 변화 및 함수비, 건조밀도 검증 실험은 다음과 같은 절차로 수행되었다. 실내실험을 위한 Fig.
본 연구에서는 기존의 Purdue TDR 시스템에서 사용하고 있는 봉형 Probe의 문제점을 개선하고 신속한 다짐관리를 위한 TDR 시스템을 개발하기 위하여 수행되 었다. 지반의 파괴 없는 probe개발을 위해 판형으로 제작하였고, 개발한 probe를 검증하기 위하여 주문진 표준사, 원주 채취시료, 섬진강 채취시료, 옥과 채취시료네 가지 시료를 가지고 실험을 진행하였다. 실험은 함수 비를 0∼10%로 변화시키고, 다짐도를 변화 시키면서 수행하였다.
데이터처리
본 절에서는 실내실험을 통하여 각 시료별로 측정된 TDR 신호를 분석하여 시료별 유전상수와 총 전기전도도를 도출하였다. 그 결과를 이용하여 유전상수 및 총전기전도도와 함수비간의 관계에 대하여 선형회귀분석을 실시하였다. 유전상수와 함수비와의 관계는 Fig.
이론/모형
(1997), Ferre et al.(1998)이 제안한 유한요소해석을 통하여 probe의 크기를 결정하였고, 측정 가능한 범위는 깊이방향으로 약 7cm 정도이다. 보통 다짐관리에 필요한 흙의 두께는 20cm 정도이지만, 측정가능범위를 20cm정도로 probe를 제작하기 위해서는 프로브의 폭과 길이를 각각 5배 이상 키워야 한다.
성능/효과
10과 같이 함수비가 증가할수록 첫 번째 반사지점과 두 번째 반사지점 사이의 거리는 증가하였고, 장주기 전압레벨은 감소하였다. 또한 다짐도가 증가하면 함수비가 증가할 때만큼은 아니지만 TDR 신호의 변화를 확인 할 수 있었다. Fig.
본 연구를 통하여 개발한 TDR 시스템을 이용하여 건조밀도 및 함수비를 측정하고, 실제 측정한 값과의 비교하여 국내 지반과의 적용성을 검토하였다. Fig. 16 는 본 연구를 통하여 측정한 건조밀도와 함수비 값을 비교한 데이터를 도시한 것이며, 건조밀도의 경우 평균 적으로 약 2%의 오차를 보이며, 함수비의 경우 평균적 으로 약 0.5%의 오차를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 TDR 시스템을 이용하여 측정한 건조밀도와 함수비의 정확도는 Purdue TDR 시스템과 유사한 수준이므로 개발한 TDR 시스템을 국내의 일반적인 흙의 건조밀도와 함수비를 측정하는데 적용할 수 있을 것이다.
(1) 실험결과, 함수비와 다짐도의 변화에 따라 TDR 파형에서 첫 번째 반사지점의 위치는 같지만 두 번째 반사지점의 위치가 달라져 첫 번째 반사지점과 두번째 반사지점 사이의 거리가 증가함을 볼 수 있었다. 이를 통해 함수비, 다짐도가 증가함에 따라 흙의 유전상수도 증가함을 알 수 있었다.
(1) 실험결과, 함수비와 다짐도의 변화에 따라 TDR 파형에서 첫 번째 반사지점의 위치는 같지만 두 번째 반사지점의 위치가 달라져 첫 번째 반사지점과 두번째 반사지점 사이의 거리가 증가함을 볼 수 있었다. 이를 통해 함수비, 다짐도가 증가함에 따라 흙의 유전상수도 증가함을 알 수 있었다. 또한 함수비와 다짐도가 증가함에 따라 장주기 전압레벨이 감소함을 확인할 수 있었다.
이를 통해 함수비, 다짐도가 증가함에 따라 흙의 유전상수도 증가함을 알 수 있었다. 또한 함수비와 다짐도가 증가함에 따라 장주기 전압레벨이 감소함을 확인할 수 있었다.
(2) 개발한 TDR 시스템의 probe를 통하여 측정된 장주기 전압레벨이 기존의 연구자들에 의하여 측정된 장주기 전압레벨보다 다소 크게 측정되어 기존의 보정식을 사용할 수 없음을 확인하였고, 전기전도도 측정기와 TDR 개발 probe를 이용하여 관계식을 도출하였고, 관계식을 통하여 총 전기전도도를 산정 하였으며, 측정된 TDR 신호를 분석하여 유전상수를 산정하여 흙의 특성상수 값을 도출하였다.
(3) 흙의 유전상수, 총 전기전도도, 특성상수 값을 바탕으로 함수비와 건조밀도를 산정하였다. TDR로 측정된 함수비와 건조밀도를 실제 측정된 값과 비교한 결과, Purdue TDR 시스템과 측정값의 정확도가 유사한 수준으로 확인되었다.
후속연구
5%의 오차를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 TDR 시스템을 이용하여 측정한 건조밀도와 함수비의 정확도는 Purdue TDR 시스템과 유사한 수준이므로 개발한 TDR 시스템을 국내의 일반적인 흙의 건조밀도와 함수비를 측정하는데 적용할 수 있을 것이다.
(4) 본 연구를 통하여 개발한 TDR 시스템을 현장에 적용하기 위해서는 현장의 상황에 맞춰 유연하게 측정할 수 있을 정도의 정밀도를 가질 수 있도록 정밀도 향상의 노력이 필요하지만, 기존의 시스템을 사용하였을 때 발생할 수 있는 문제점과 측정할 때 소요되는 시간 등을 줄일 수 있을 것으로 판단되며, 지반에 관입시키지 않는 probe를 이용하여 함수비와 건조밀도를 측정하는 연구는 현재 국내･외에서 활발하게 진행되지 않고 있기 때문에 본 연구를 통하여 비파괴 TDR 시스템의 가능성을 확인하였고, 후속 연구를 위한 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
성토다짐관리를 위하여 국내에서 이용하는 재래식 다짐평가 방법은 무엇인가?
성토다짐관리를 위하여 국내에서는 재래식 다짐평가 방법인 들밀도시험, 평판재하시험 등의 시험을 이용하고 있다. 이러한 다짐평가방법은 일점시험으로 현장 전체의 다짐도를 판단할 수 없는 단점이 있으며, 소요시간이 길고 시험자에 의한 개인 오차 등으로 인하여 신뢰성이 떨어져 비경제적이고 다짐의 불균질로 인한 지지력 감소, 침하 및 균열 등의 문제가 발생하기 쉽다.
봉형 probe는 사용시 발생하는 문제점은?
하지만 Purdue TDR 등 기존의 TDR 시스템에서 사용 하고 있는 봉형 probe는 몇 가지 문제가 발생 할 수 있다. 첫째로, probe를 관입시켜야할 지반은 보통 다짐이잘 된 지반이며, 이러한 지반에 probe를 관입시키기 위한 소정의 작업이 필요하다. 둘째로, probe를 지반에 관입시킬 때 probe 주변 지반의 교란이 발생할 수 있다. 이는 흙과 probe의 접촉이 잘 되지 않고, 원지반의 상태를 그대로 측정하기 힘들다.
다짐평가방법의 단점은 무엇인가?
성토다짐관리를 위하여 국내에서는 재래식 다짐평가 방법인 들밀도시험, 평판재하시험 등의 시험을 이용하고 있다. 이러한 다짐평가방법은 일점시험으로 현장 전체의 다짐도를 판단할 수 없는 단점이 있으며, 소요시간이 길고 시험자에 의한 개인 오차 등으로 인하여 신뢰성이 떨어져 비경제적이고 다짐의 불균질로 인한 지지력 감소, 침하 및 균열 등의 문제가 발생하기 쉽다.
참고문헌 (13)
ASTM D 6780-05. (2005), "Standard Test Method for Water Content and Density of Soil in Place by Time Domain Reflectometry(TDR)", Annual Book of ASTM Standards.
Baker, J.M. and Allmaras, R.R. (1990), "System for Automating and Multiplexing Soil Moisture Measurement by Time-domain Reflectometry", Soil Science Society of America Journal, Vol.54, No.1, pp.1-6.
Cho, M.H. Lee, Y.H. Kim, N.S., and Park, J.Y. (2010), "A Study on Measuring and Calibration Method using Time Domain Reflectometry Sensor under Road Pavement", Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol.10, No.2, pp.23-30.
Ferre, P.A., Knight, J.H., Rudolph, D.L., and Kachanoski, R.G. (1998), "The Sample Areas of Conventional and Alternative Time Domain Reflectometry Probes", Water Resources Research, Vol.34, No.11, pp.2971-2979.
Giese, K. and Tiemann, R. (1975), "Determination of the Complex Permittivity from Thin-sample Time Domain Reflectometry Improved Analysis of the Step Response Waveform", Advances in Molecular Relaxation Processes, Vol.7, No.1, pp.45-59.
Jung, S., Drnevich, V., and Abou Najm, M. (2013), "New Methodology for Density and Water Content by Time Domain Reflectometry", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.139, No.5, pp.659-670.
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 the Korean Geotechnical Society, Vol.27, No.2, pp.63-72.
Knight, J.H., Ferre, P.A., Rudolph, D.L., and Kachanoski, R. G. (1997), "A numerical analysis of the effects of coatings and gaps upon relative dielectric permittivity measurement with time domain reflectometry", Water resources research, Vol.33, No.6, pp.1455-1460.
Sallam, A.M., White, N.K., and Ashmawy, A.K. (2004), "Evaluation of the Purdue TDR Method for Soil Water Content and Density Measurement", Final Report the Florida Department of Transportation, No.BC-353-30.
Siddiqui, S.I. and Drnevich, V.P. (1995), "A New Method of Measuring Density and Moisture Content of Soil Using the Technique of Time Domain Reflectometry", Joint Highway Research Project, Purdue University.
Shin, E.C. Ryu, B.H., and Park, J.J. (2013), "Water Content Calibration of Time-Domain Reflectometry Probe Using Laboratory Model Test", Journal of the Korean Geosynthetic Society, Vol.12, No.2, pp.1-11.
Topp, G.C., Davis, J.L., and Annan, A.P. (1980), "Electromagnetic Determination of Soil Water Content: Measurements in Coaxial Transmission Lines", Water resources research, Vol.16, No.3, pp.574-582.
Yu, X. and Drnevich, V.P. (2004), "Soil Water Content and Dry Density by Time Domain Reflectometry", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol.130, No.9, pp.922-934.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.