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문제 정의
- 본 논문은 표토층 깊이 산정을 위해 활용한 탄성파 탐사의 개요에 대해 서술하였으며, 신뢰성 검증을 위한 동적콘관입(dynamic cone penetration: DCP)시험의 방법론적인 부분도 소개하였다. 최종적으로 두 가지 기법을 통해 예측된 표토층에 대해 비교 및 고찰하였으며, 탄성파 속도를 활용하여 기존 제안 값 외에 새로운 기준 값도 제시하였다.
- 따라서 표토층이 공간적으로 다양하고 지반의 불확실성을 고려하여 광범위한 지역의 표토층 두께를 산정할 수 있는 기법이 필요한 시점이다. 본 연구에서는 탄성파 탐사를 이용하여 광범위한 지역에서의 표토층 깊이를 예측하고자 하였으며, 표토층으로 추정할 수 있는 속도범위 기준 값도 제시하고자 하였다.
- 탄성파 탐사로 결정된 표피심도의 신뢰성을 증대시키고 위와 같은 차이를 줄이고 위하여 탄성파 탐사의 기준 값을 0.7km/s에서 새롭게 변경하고자 하였다. 사면은 연약지반과 달리 추가적인 지반보강의 이력이 없고 자연상태의 풍화 및 퇴적된 지층을 이루고 있다.
제안 방법
- 각 수신기(geophone)을 통해 획득한 파형으로 초동(first arrival)을 결정하였으며, 이를 토대로 주시 곡선(travel time curve)을 도시하였다. 이때 사용된 프로그램은 Shortcut to Pickwin 프로그램이다.
- 그 중 L-1 의 측선 길이는 88m로 가장 길게 설정되었으며, L-2, L-3 그리고 L-4의 측선 길이는 각각 20m로 결정하였다. 각 측선에 설치된 수신기(geophone)의 간격은 2m로 설정하였으며, 인공신호인 햄머의 타격은 각 측선의 양 끝과 중앙부에서 총 3회 타격하였다. 탄성파 획득에 활용된 장비는 Geometric사의 GEODE이며, 수신기는 Geospace사의 GS- 20DH(50Hz)를 이용하였다.
- 7km/s의 탄성파 속도로 판정하였다. 따라서 본 연구에서도 일반적으로 활용하고 있는 값인 0.7km/s을 기준으로 표피심도를 예측하였으며, DCPI의 타격에 의한 최종심도 값과 비교 및 고찰하였다.
- 된다. 본 논문에서는 일반적으로 활용하고 있는 탄성파 속도 값으로 각 층의 경계를 구분하여 설정된 표면 두께와 DCPI 값을 비교하였다. 이때 활용한 기준 값은 0~0.
- 가능하도록 시각화 시키는 기법이다. 본 연구에서는 무인 항공기인 드론을 활용하여 항공측량을 실시하였으며, 측정 값을 수치화하여 지형고도 변화에 따른 수치고도모델 (DEM)을 작성하였다. 사용된 드론은 회전식 방식의 UAV로서 탑재된 카메라 성능은 GSD 1cm 이내의 정사영상을 취득 할 수 있다.
- 본 연구에서는 탄성파 속도와 동적콘관입시험 결과인 DCPI를 활용하여 사면의 표토층 두께를 비교 및 고찰하였다. Lee et al.
- 5cm이다. 시험 위치는 Fig. 4에도 시한 것과 같이 탄성파 탐사가 활용된 4개의 측선이며, 시간 소요가 필요한 원위치 방법임을 고려하여 약 10m 간격으로 실험을 수행하였다. 따라서 L-1, L-2, L-3 그리고 L-4에서 DCP를 활용하여 측정한 데이터 개수는 각각 9개, 3개, 3개 그리고 3개 이다.
- 사면은 연약지반과 달리 추가적인 지반보강의 이력이 없고 자연상태의 풍화 및 퇴적된 지층을 이루고 있다. 이런 특성을 고려하여 탄성파탐사 시 처음으로 굴절되어 오는 지층을 표피심도로 예측할 수 있으며, 도출된 주시곡선을 통해 각 위치의 초기 기울기 값을 계산하였다. 계산 결과 초기 속도 값은 약 0.
- 인공적인 소스는 주파수 대역과 가탐심도(skin depth)를 고려하여 다이나마이트, weight-drop, 땅속발파(sissy), 햄머 등이 활용되고 있지만, 본 연구에서는 지형적 특성을 고려하여 햄머를 소스로 선정하였다. 임피던스 차이에 의해 반사 및 굴절된 파는 스넬의 법칙(snell's law)과 임계각(critical angle) 등의 원리로 분석되며, 가진원에 따른 초동 도착 시간을 표시한 주시 곡선(travel time curve)이 활용된다.
- 일정한 하중을 가지고 있는 햄머를 낙하시켜 경사면에서관입되는 깊이를 측정하였으며, 이를 타격 횟수와의 비율인동적콘관입 지수(DCPI [mm/blow])로 환산하여 Fig. 8과 9 에 도시하였다. Fig.
- 소개하였다. 최종적으로 두 가지 기법을 통해 예측된 표토층에 대해 비교 및 고찰하였으며, 탄성파 속도를 활용하여 기존 제안 값 외에 새로운 기준 값도 제시하였다.
- 사용된 드론은 회전식 방식의 UAV로서 탑재된 카메라 성능은 GSD 1cm 이내의 정사영상을 취득 할 수 있다. 취득된 정사영상을 기반으로 항공 삼각측량을 실시하여 수치고도모델을 도출하였다. 토석류 위험지역의 상세한 구조적 특성을 얻기 위하여 축적은 1:500으로 설정하였으며, 최종적으로 도출된 결과는 Fig.
- 탄성파 속도로 지층의 경계를 결정하기 위해서는 속도의 기준 값이 필요하며, 본 연구에서는 일반적으로 활용하고 있는 기준 값인 0~0.7km/s(매립 및 붕적토), 0.7km/s~ 1.2km/s(풍화토), 1.2km/s~1.9km/s(풍화암) 그리고 1.9km/s 이상(연암층)의 값을 활용하였다(Lee et al., 2007; Hong et al., 2009; Cho 2014). 그 결과 L-1 측선의 붕적토 두께는 1.
- 취득된 정사영상을 기반으로 항공 삼각측량을 실시하여 수치고도모델을 도출하였다. 토석류 위험지역의 상세한 구조적 특성을 얻기 위하여 축적은 1:500으로 설정하였으며, 최종적으로 도출된 결과는 Fig. 2와 같다. Fig.
대상 데이터
- L-1 측선의 경우 길이에 따라 2333mm(측선길이 0m), 2076mm(측선 길이 11m), 1838mm(측선길이 22m), 1901mm(측선길이 33m), 1467mm(측선길이 44m), 2422mm(측선길이 55m), 3505mm(측선길이 66m), 5754mm(측선길이 77m) 그리고 4278mm(측선길이 88m)로 나타났다. L-2 측선에서는 1458mm, 1736mm, 3458mm, L-3 측선에서는 2458mm, 2606mm, 2458mm 그리고 L-4 측선에서는 4204mm, 5629mm, 5370mm로 나타났다. 도출된 표피심도의 결과값을 Fig.
- 1과 같다. 대상지역은 이미 토석류가 발생한 지역으로 앞으로도 토석류의 위험지 역이 예상되는 지역으로 계곡부 하류에는 사방댐이 설치되 어 있다. 육안관찰로 대상지역을 일차적으로 관찰하였으며, 관찰결과 일반적인 토석류 발생 지역과 유사하게 정상부로 올라갈수록 경사가 급하고 계곡부 중심으로 양쪽 부분에 사 면이 형성되어 있다.
- 4에도 시한 것과 같이 탄성파 탐사가 활용된 4개의 측선이며, 시간 소요가 필요한 원위치 방법임을 고려하여 약 10m 간격으로 실험을 수행하였다. 따라서 L-1, L-2, L-3 그리고 L-4에서 DCP를 활용하여 측정한 데이터 개수는 각각 9개, 3개, 3개 그리고 3개 이다.
- 본 연구에서 활용한 탄성파 탐사의 측선은 Fig. 4와 같으며, L-1, L-2, L-3 그리고 L-4로 총 4개 이다. 그 중 L-1 의 측선 길이는 88m로 가장 길게 설정되었으며, L-2, L-3 그리고 L-4의 측선 길이는 각각 20m로 결정하였다.
- 사용된 DCP는 ASTM D6951 기준에 의해 제작되었으며, 개략적인 도면은 Fig. 5와 같다(ASTM D6951/D6951M-09, 2015). 해머의 무게는 8kg이며, 관입되는 롯드의 길이와 낙하고는 각각 110cm와 57.
- 본 연구에서는 무인 항공기인 드론을 활용하여 항공측량을 실시하였으며, 측정 값을 수치화하여 지형고도 변화에 따른 수치고도모델 (DEM)을 작성하였다. 사용된 드론은 회전식 방식의 UAV로서 탑재된 카메라 성능은 GSD 1cm 이내의 정사영상을 취득 할 수 있다. 취득된 정사영상을 기반으로 항공 삼각측량을 실시하여 수치고도모델을 도출하였다.
- 각 측선에 설치된 수신기(geophone)의 간격은 2m로 설정하였으며, 인공신호인 햄머의 타격은 각 측선의 양 끝과 중앙부에서 총 3회 타격하였다. 탄성파 획득에 활용된 장비는 Geometric사의 GEODE이며, 수신기는 Geospace사의 GS- 20DH(50Hz)를 이용하였다.
- 토석류 위험지역의 표면두께를 산정하기 위하여 선정한 지역은 세종시 길재길 15 괴화산 인근으로 정확한 위치와 사진촬영으로 도시된 이미지는 Fig. 1과 같다. 대상지역은 이미 토석류가 발생한 지역으로 앞으로도 토석류의 위험지 역이 예상되는 지역으로 계곡부 하류에는 사방댐이 설치되 어 있다.
데이터처리
- L-2, L-3 그리고 L-4의 주시곡선은 약 2~3개의 기울기를 보이며, 길이에 따라 종료시점이 상이 하여 경사된 지형임을 예측하였다. 실제 측정된 속도 값과 모델링한 속도 값의 오차는 Root Mean Square Error (RMSE) 기법으로 계산하였으며, 그 값은 1.015ms로 나타났다.
이론/모형
- 도출된 주시곡선으로 지층의 속도 경계를 도출하였으며, Shortcut to Plotrefa 프로그램의 토모그래피 방법을 활용하였다. 탄성파 속도로 지층의 경계를 결정하기 위해서는 속도의 기준 값이 필요하며, 본 연구에서는 일반적으로 활용하고 있는 기준 값인 0~0.
- 본 연구에서는 타격 후 관입되는 양으로 지층의 강도 및 토층의 경계부를 확인하기 위하여 DCP를 활용하였다. 사용된 DCP는 ASTM D6951 기준에 의해 제작되었으며, 개략적인 도면은 Fig.
- 인공적인 소스는 주파수 대역과 가탐심도(skin depth)를 고려하여 다이나마이트, weight-drop, 땅속발파(sissy), 햄머 등이 활용되고 있지만, 본 연구에서는 지형적 특성을 고려하여 햄머를 소스로 선정하였다. 임피던스 차이에 의해 반사 및 굴절된 파는 스넬의 법칙(snell's law)과 임계각(critical angle) 등의 원리로 분석되며, 가진원에 따른 초동 도착 시간을 표시한 주시 곡선(travel time curve)이 활용된다.
성능/효과
- 9km/s 이상(연암층)을 활용하였다. 0.7km/s를 기준으로 분석된 표토층과 DCPI로 분석된 표토층 두께는 각각 평균적으로 약 3052mm와 712mm로 큰 차이를 보였다. 오차를 줄이기 위하여 탄성파 속도의 기준 값을 초기 주시곡선으로 변경하였으며, 이때 탄성파를 통해 도출된 두께는 평균적으로 약 1632mm로 DCPI의 결과와 유사하게 나타났다.
- 이런 특성을 고려하여 탄성파탐사 시 처음으로 굴절되어 오는 지층을 표피심도로 예측할 수 있으며, 도출된 주시곡선을 통해 각 위치의 초기 기울기 값을 계산하였다. 계산 결과 초기 속도 값은 약 0.3km/s~ 0.4km/s로 나타났으며, 최대 속도값인 0.4km/s를 활용하여 탄성파 속도 기준을 변경하였다. 변경된 기준으로 분석된 결과는 Fig.
- , 2009; Cho 2014). 그 결과 L-1 측선의 붕적토 두께는 1.2m~5.0m, 풍화토 두께는 1.5m~2.0m, 풍화암 두께는 0.9m~2.7m 그리고 연암층의 심도는 5m~6m로 나타났다. L-2, 3, 4 측선은 급경한 경사로 인한 공간적 제약으로 계곡부에만 폭 20m 길이로 설치하였다.
- 한번 타격 했을 때 최초 DCPI 지수는 L-2, L-3 그리고 L-4 측선에서 각각 약 130mm~290mm, 170mm~190mm 그리고 60mm~80mm로 나타났으며, 상부로 갈수록 타격에 의한 초기 관입량이 작게 나타난 것을 알 수 있다. 또한 최종 DCPI 값이 나타난 심도는 L-2 측선에서 각각 220mm, 1050mm, 980mm, L-3 측선에서 각각 940mm, 690mm, 520mm 그리고 L-4 측선에서는 910mm, 980mm, 460 mm로 나타났다. L-2, L-3 그리고 L-4 측선에서 평균적인 깊이는 750mm, 716mm 그리고 790mm로 큰 편차를 보이지 않지만 L-1 측선과 유사하게 중간지역인 L-3 지역에서 상대적으로 낮게 나오는 것을 알 수 있다.
- 또한 DCP의 최종심도는 측선 길이 0m~88m까지 11m 간격으로 970mm(측선길이 0m), 940mm(측선길이 11m), 380mm(측선길이 22m), 490mm (측선길이 33m), 220mm(측선길이 44m), 620mm(측선 길이 55m), 390mm(측선길이 66m), 1040mm(측선길이 77m) 그리고 1020mm(측선길이 88m)로 나타났다. 또한 측선 길이 0m~33m, 33m~55m 그리고 55m~88m에서최종관입 심도는 각각 평균적으로 약 763mm, 443mm 그리고 816mm로 나타났다. 즉, 상부로 갈수록 관입심도는증가하였지만, 중간지역에서는 풍화가 약하게 된 암층이 발달하여 상대적으로 작은 관입심도를 보였다.
- 7km/s를 기준으로 분석된 표토층과 DCPI로 분석된 표토층 두께는 각각 평균적으로 약 3052mm와 712mm로 큰 차이를 보였다. 오차를 줄이기 위하여 탄성파 속도의 기준 값을 초기 주시곡선으로 변경하였으며, 이때 탄성파를 통해 도출된 두께는 평균적으로 약 1632mm로 DCPI의 결과와 유사하게 나타났다. 표토층을 산정하기 위한 탄성파 속도 값의 기준은 단일 지층에서 결정된 값을 타 지반에 적용하기에 한계가 있지만, 추가적으로 지반공학적 데이터를 활용한다면 더욱 정밀한 표피심도 예측이 가능할 것으로 판단된다.
- 또한 측선 길이 0m~33m, 33m~55m 그리고 55m~88m에서최종관입 심도는 각각 평균적으로 약 763mm, 443mm 그리고 816mm로 나타났다. 즉, 상부로 갈수록 관입심도는증가하였지만, 중간지역에서는 풍화가 약하게 된 암층이 발달하여 상대적으로 작은 관입심도를 보였다. 이와 같은 결과는 초기 DCPI 지수도 측선 33m~55m에서 작게 나타난 것과 유사한 거동임을 알 수 있다.
- 8은 측선 L-1에 관련된 결과로 DCPI 값이 높거나 낮은 경향을 기준으로 측선길이를 0m~22m, 33m~55m 그리고 66m~88m 총 3부분으로 구분하였다. 측선 L-1의 0m~22m, 33m~55m 그리고 66m~88m 위치에 따라 초기의 DCPI는 약 170mm/blow~400mm/blow, 약 160mm/blow~290mm/blow 그리고 약 160mm/blow~ 400mm/blow로 나타났다. 또한 DCP의 최종심도는 측선 길이 0m~88m까지 11m 간격으로 970mm(측선길이 0m), 940mm(측선길이 11m), 380mm(측선길이 22m), 490mm (측선길이 33m), 220mm(측선길이 44m), 620mm(측선 길이 55m), 390mm(측선길이 66m), 1040mm(측선길이 77m) 그리고 1020mm(측선길이 88m)로 나타났다.
- 9는 측선 L-2, L-3 그리고 L-4의 DCPI를 보여주며, 각 측선에서 수행된 3개의 DCPI를 모두 도시하였다. 한번 타격 했을 때 최초 DCPI 지수는 L-2, L-3 그리고 L-4 측선에서 각각 약 130mm~290mm, 170mm~190mm 그리고 60mm~80mm로 나타났으며, 상부로 갈수록 타격에 의한 초기 관입량이 작게 나타난 것을 알 수 있다. 또한 최종 DCPI 값이 나타난 심도는 L-2 측선에서 각각 220mm, 1050mm, 980mm, L-3 측선에서 각각 940mm, 690mm, 520mm 그리고 L-4 측선에서는 910mm, 980mm, 460 mm로 나타났다.
후속연구
- 다만 상부 측선인 L-4 지역은 속도 기준값을 조절하여도 여전히 표피심도 차이가 크게 나타나 속도 기준 값만으로 정확한 지층을 결정하기에 한계가 있다는 것을 보여준다. 본 연구에서는 주시곡선 초기 기울기 값으로 기준을 변경하여 신뢰성 높은 표피심도를 예측하고자 하였으며, 추가적으로 지층상태 및 파형전파 특성 등의 다양한 변수를 고려한다면 더욱 정확한 예측이 가능할 것으로 사료된다.
- 오차를 줄이기 위하여 탄성파 속도의 기준 값을 초기 주시곡선으로 변경하였으며, 이때 탄성파를 통해 도출된 두께는 평균적으로 약 1632mm로 DCPI의 결과와 유사하게 나타났다. 표토층을 산정하기 위한 탄성파 속도 값의 기준은 단일 지층에서 결정된 값을 타 지반에 적용하기에 한계가 있지만, 추가적으로 지반공학적 데이터를 활용한다면 더욱 정밀한 표피심도 예측이 가능할 것으로 판단된다.
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