[논문]모래지반에서의 전기적 특성 변화에 관한 연구

한유식; 류기정

doi:10.21729/ksds.2017.10.1.61

[국내논문] 모래지반에서의 전기적 특성 변화에 관한 연구
A Study on the Change of Electrical Characteristics of Sand 원문보기

한국방재안전학회논문집 = Journal of Korean Society of Disaster and Security, v.10 no.1, 2017년, pp.61 - 66

한유식 (한국지반공학회 지반공학연구소) , 류기정 (한국지반공학회 지반공학연구소)

초록
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지표투과레이다 탐사에 있어서 지하매질의 전기적 특성 파악은 매우 중요하다. 지하매질의 전기적 특성에 따라 전자기파의 에너지가 상대적으로 작아져 경계면으로부터 반사가 어려워 질수 있다. 이 연구에서는 다양한(느슨하고 조립한) 조건의 모래지반에 대한 전기적 특성을 분석 한 결과, 마른모래에서는 상대밀도가 증가할수록 유전상수는 증가하였으며, 모래의 함수율이 증가할수록 유전상수와 전기전도도의 값은 증가 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is very important to understand the electromagnetic characteristics of underground media in GPR (Ground Penetrating Radar) survey. Depending on the electrical characteristics of the underground medium, the energy of the electromagnetic wave becomes relatively small, and reflection from the interface may become difficult. In this study, electrical characteristics of sandy soils under various (loose and dense) conditions were analyzed. As a result, In dry sand is the dielectric constant increased as the relative density increased, and the dielectric constant and electrical conductivity increased as the moisture content of the sand increased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 모래지반의 상태에 따라 유전상수 및 전기전도도의 측정을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 연구에서는 모형실험을 통하여 모래지반에서 다양하고 복잡한 요소들을 고려하고, 모래지반의 공학적 성질에 따른 전자기적 특성을 분석하고 고찰하였다.

가설 설정

본 연구에서의 모관상승 높이를 알아보기 위해 모래입경(D) 0.2 mm로 가정하여 Eq. (6)에 대입한 결과 모관상승 높이는 약 40 cm로 산정 되었다.

제안 방법

GS3 센서는 미국의 Decagon사에서 제조 하였으며, 유전상수와 전기전도도의 값을 동시에 측정할 수 있다. TDR 센서는 3개(0.3 m, 0.6 m, 1.2 m) 설치하였으며, 동일한 위치에 건조밀도 측정캔을 설치하여 지반의 상대밀도 산정하였다.
느슨한 상태의 모래지반을 묘사하기 위해 1층당 30 cm 간격으로 모래를 포설하였으며, 모래 입자가 체를 통하여 자유낙하 할 수 있도록 주의하며 모래지반을 조성하였다.느슨한 상태의 모래지반의 유전상수 및 전기전도도 측정을 위한 TDR 센서는 GS3를 사용하였다.
다양한 조건의 모래지반에서 유전상수와 전기전도도를 측정하기 위해서 Fig. 1과 같이 모형토조를 제작하였다. 모형토조는 가로 1.
모래의 느슨한 상태 및 조밀한 상태를 조정하기 위해서 모형토조 위에 이동식 프레임을 설치하여 상, 하, 좌, 우로 이동을 할 수 있도록 강사장치를 구상하였으며, 모래의 낙하고를 조정할 수 있도록 하였다. 또한 모형토조 하부에 물을 유입 및 유출 할 수 있도록 장치를 하여 형성된 모래지반에 지하수위를 조정할 수 있도록 하였다(Fig. 1 참조).
5 m의 크기의 아크릴판으로 제작하였다. 모래의 느슨한 상태 및 조밀한 상태를 조정하기 위해서 모형토조 위에 이동식 프레임을 설치하여 상, 하, 좌, 우로 이동을 할 수 있도록 강사장치를 구상하였으며, 모래의 낙하고를 조정할 수 있도록 하였다. 또한 모형토조 하부에 물을 유입 및 유출 할 수 있도록 장치를 하여 형성된 모래지반에 지하수위를 조정할 수 있도록 하였다(Fig.
모래지반에서의 유전상수 및 전기전도도의 값을 측정하기 위해서 상대밀도를 조정하여 모형실험을 실시하였다. 느슨한 상태의 마른모래에서의 유전상수 측정결과 3.
모형실험은 느슨한 모래지반과 조밀한 모래지반에 대해서 Fig. 2와 같이 전기적 특성을 측정 할 수 있는 센서와 모래의 상대밀도 산정을 위한 건조밀도 측정용 캔을 배치하였다.
모형토조실험시 채취한 시료를 실내실험을 실시하여 산정된 건조밀도(γd)/최대건조밀도(γdmax)/최소건조밀도(γdmin)를 Eq.
본 연구에서는 최대건조밀도 및 최소건조밀도를 결정하기 위해서 최소건조밀도는 흙입자를 10 mm의 높이에서 떨어드려서 구하고, 최대 건조밀도는 흙을 용기에 넣어 압력과 진동을 동시에 가하여 구하였다.
조밀한 상태의 모래지반을 묘사하기 위해 1층당 30 cm 간격으로 모래를 포설하여 다짐판을 이용하여 모래 다짐을 실시하였으며, 이때 사용한 다짐판은 토조단면에 1/4에 해당하는 합판(가로 1.05 m × 0.75 m)을 제작하여 1/4면씩 4번을 다져주었다.

대상 데이터

느슨한 상태의 모래지반을 묘사하기 위해 1층당 30 cm 간격으로 모래를 포설하였으며, 모래 입자가 체를 통하여 자유낙하 할 수 있도록 주의하며 모래지반을 조성하였다.느슨한 상태의 모래지반의 유전상수 및 전기전도도 측정을 위한 TDR 센서는 GS3를 사용하였다. GS3 센서는 미국의 Decagon사에서 제조 하였으며, 유전상수와 전기전도도의 값을 동시에 측정할 수 있다.
75 m)을 제작하여 1/4면씩 4번을 다져주었다. 모래지반의 유전상수 및 전기전도도 측정을 위한 TDR 센서와 건조밀도 측정캔은 느슨한 상태의 모래지반을 묘사하기 위한 조건과 동일한 위치에 3개(0.3 m, 0.6 m, 1.2 m)를 설치하였다.
1과 같이 모형토조를 제작하였다. 모형토조는 가로 1.5 m, 세로 2.1 m, 높이 1.5 m의 크기의 아크릴판으로 제작하였다. 모래의 느슨한 상태 및 조밀한 상태를 조정하기 위해서 모형토조 위에 이동식 프레임을 설치하여 상, 하, 좌, 우로 이동을 할 수 있도록 강사장치를 구상하였으며, 모래의 낙하고를 조정할 수 있도록 하였다.

성능/효과

(1) 느슨한 상태의 마른모래에서 유전상수는 3.451이 측정되었으며, 조밀한 상태의 마른모래의 유전상수는 4.245로 측정되었다. 마른모래에서는 상대밀도가 증가할수록 유전상수는 증가하였다.
(2) 전기전도도의 값은 함수율에 민감하게 반응하였으며, 함수량이 증가 할수록 전파에너지 감쇠가 커져서 전기전도도의 값도 커기는 것으로 나타났다.
(3) 포화된 모래지반에서 유전상수의 값은 18.69로 측정되었으며, 불포화 모래지반에서 유전상수의 값은 시간에 따라 증가하다가 7.813으로 수렴하였다.
(4) 포화된 모래지반에서 전기전도도의 값은 0.0096(mS/m) 측정되었으며, 불포화 모래지반에서 전기전도도의 값은 시간에 따라 증가하다가 0.0045(mS/m)로 수렴하였다.
느슨한 상태의 모래지반에서 측정된 건조밀도, 최대건조밀도, 최소건조밀도를 통해서 해당 층의 상대밀도를 산정한 결과 약 40%가 나왔으며, 조밀한 상태의 모래지반에서 측정된 건조밀도, 최대건조밀도, 최소건조밀도를 통해서 해당 층의 상대밀도를 산정한 결과 약 60%가 나왔다.
모관상승 높이에 따라 함수율은 증가하였으며, 함수율 증가는 유전상수와 전기전도도의 값에 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 대표적인 흙에 대한 개략적인 모관상승 높이를 살펴보면 Lohman (1972)는 Table 3과 같이 모관상승 높이를 나타내었으며, Todd and Mays(2011)는 모관상승 높이를 Eq.
0045(mS/m) 측정되었다. 함수율이 증가할수록 유전상수와 전기전도도의 값은 증가 하였으며, 8일 경과후 유전상수와 전기전도도의 값은 수렴하는 것으로 나타났다. 이는 Fig.

후속연구

(5) 상기에서 제시한 조건은 모래지반의 상태에 따른 유전상수와 전기전도도를 측정하여 얻은 결과이다. 추후 다양한 지반조건(실트, 점토, 실트질 모래등)을 고려한 실험 이 이루어지면 지하매질의 특성에 따른 전기적 특성 관계를 고찰할 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GPR탐사란 무엇인가?	GPR은 전자기파를 지하로 방사시킨 후 지질 경계면에서 지하의 불균질면, 파쇄대 또는 지하매설물 등 여러 가지 경계면으로부터 반사되어 돌아오는 전자기파를 받아서 지하지질구조를 파악하는 비파괴 탐사 방법이다. GPR 신호에 영향을 미치는 요인에는 지하매질에 따라 유전율, 전기전도도, 투과율 등이 있으며, 전기적 특성에 의해 전자기파의의 에너지가 상대적으로 약해질 수 있다.
	CRIM 식에서 지반함수율이 높을 수록 유전율이 더 큰 이유는?	CRIM 식에 의하면 지반의 함수율 5% 보다 지반의 함수율 50%인 유전율이 더 클 것이다. 그 이유는 물에 의한 유전율의 영향을 더 많이 받게 되며 공극의 양은 일정한데 함수량이 더 크기 때문에 유전율이 더 커지게 된다. 일반적으로 이 모델은 실제 측정 자료와 비교 했을 때 GPR 주파수 범위(10 MHz~1 GHz)내에서 실수성분의 유전율은 거의 일치하며 허수 성분의 유전율 또한 오차 범위 내에서 일치하는것을 확인할 수 있다.
	GPR 신호는 무엇에 영향을 받는가?	GPR은 전자기파를 지하로 방사시킨 후 지질 경계면에서 지하의 불균질면, 파쇄대 또는 지하매설물 등 여러 가지 경계면으로부터 반사되어 돌아오는 전자기파를 받아서 지하지질구조를 파악하는 비파괴 탐사 방법이다. GPR 신호에 영향을 미치는 요인에는 지하매질에 따라 유전율, 전기전도도, 투과율 등이 있으며, 전기적 특성에 의해 전자기파의의 에너지가 상대적으로 약해질 수 있다. 이처럼 GPR 탐사는지하매질의 전자기적 특성에 따라 많은 영향을 미치는데,지하 매질인 흙은 불연속체로 흙 입자가 쉽게 분리될 수 있으며, 외력을 받았을 때에는 입자 상호간의 변위가 쉽게 일어날 수 있다.

참고문헌 (11)

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Lohman, S. W. (1972), Ground-Water Hydraulics, U.S. Geological Survey Professional Paper 708, pp. 70.
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상세보기
Shen, L. C., Savre, W. C., Price, J. M. and Athavale, K. (1985), Dielectric properties of reservoir rocks at ultra-high frequencies, Geophysics, 50, pp. 692-704.

상세보기
Todd, David K. and Mays, Larry W. (2011), Groundwater Hydrology, 3rd Edition, WILEY, pp. 45-49.
Topp, G. C., Davis, J. L. and Annan, A. P. (1980), Electromagnetic determination of soil water content: measurements in coaxial transmission lines, Water Resource Research, 16, pp. 574-582

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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