현장 및 실내 측정 탄성파 속도에 근거한 암반평가 기준에 대한 고찰 On the Evaluation of Construction Standards Based on Seismic Velocities Obtained In-Situ and through Laboratory Rock Tests원문보기
이 연구에서는 국내 토목현장에서 수행된 하향식 탄성파탐사 및 굴절법 탄성파탐사 자료(177개)와 시추조사 시료(1,035개)에 대해 연암과 경암(보통암 포함)으로 분류한 후, 건설표준품셈과 지반조사표준품셈의 탄성파 속도에 의한 암반분류 기준을 비교하였다. 현장에서의 하향식 탄성파탐사 및 굴절법 탄성파탐사에 의한 탄성파 속도는 연암의 경우 1,400~2,900 m/s의 범위로 건설표준품셈 A그룹(1,200~1,900 m/s)과 지반조사표준품셈(1,200~2,500 m/s)의 기준보다 빠르게 나타났으며, 보통암과 경암의 경우 2,300~3,800 m/s의 범위로 기준범위와 유사하게 나타나는 것으로 나타났다. 실내암석시험에서 구해진 연암과 보통암~경암의 탄성파속도 또한 현장 탐사 결과와 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 암반 탄성파 속도와 품셈간의 상이점을 품셈이 절대적으로 옳다는 관점에서 본다면, 현장 탄성파 속도의 경우 하부지반의 영향을 받아 속도가 빨라지는 것과 실내암석시험의 경우에는 연암구간에서의 시료선별 시 무결암의 선별에 의한 것으로 여길 수 있다. 반대로 상이점의 원인을 품셈에 오류가 있는 것으로 본다면, 품셈상의 지층경계가 점이적이지 않은 뚜렷한 경계가 인위적으로 설정된 점, 지질 양상이 다른 외국의 기준을 그대로 차용하여 사용한다는 점, 품셈상 지층의 탄성파 속도에 대한 독립된 검증이 이루어지지 않은 점 등의 문제가 있음을 알 수 있다. 이 연구에서는 현장에서의 향후 이러한 검증 연구를 제안하며, 널리 쓰이는 품셈에 의한 지층분류에는 내포된 문제가 있음에 대한 인식이 중요하다.
이 연구에서는 국내 토목현장에서 수행된 하향식 탄성파탐사 및 굴절법 탄성파탐사 자료(177개)와 시추조사 시료(1,035개)에 대해 연암과 경암(보통암 포함)으로 분류한 후, 건설표준품셈과 지반조사표준품셈의 탄성파 속도에 의한 암반분류 기준을 비교하였다. 현장에서의 하향식 탄성파탐사 및 굴절법 탄성파탐사에 의한 탄성파 속도는 연암의 경우 1,400~2,900 m/s의 범위로 건설표준품셈 A그룹(1,200~1,900 m/s)과 지반조사표준품셈(1,200~2,500 m/s)의 기준보다 빠르게 나타났으며, 보통암과 경암의 경우 2,300~3,800 m/s의 범위로 기준범위와 유사하게 나타나는 것으로 나타났다. 실내암석시험에서 구해진 연암과 보통암~경암의 탄성파속도 또한 현장 탐사 결과와 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 암반 탄성파 속도와 품셈간의 상이점을 품셈이 절대적으로 옳다는 관점에서 본다면, 현장 탄성파 속도의 경우 하부지반의 영향을 받아 속도가 빨라지는 것과 실내암석시험의 경우에는 연암구간에서의 시료선별 시 무결암의 선별에 의한 것으로 여길 수 있다. 반대로 상이점의 원인을 품셈에 오류가 있는 것으로 본다면, 품셈상의 지층경계가 점이적이지 않은 뚜렷한 경계가 인위적으로 설정된 점, 지질 양상이 다른 외국의 기준을 그대로 차용하여 사용한다는 점, 품셈상 지층의 탄성파 속도에 대한 독립된 검증이 이루어지지 않은 점 등의 문제가 있음을 알 수 있다. 이 연구에서는 현장에서의 향후 이러한 검증 연구를 제안하며, 널리 쓰이는 품셈에 의한 지층분류에는 내포된 문제가 있음에 대한 인식이 중요하다.
Seismic velocities measured from in-situ tests (n=177) and through rock core samples (n=1,035) are reviewed in light of construction standards, widely used standards as a first-hand approximation of rock classification solely based on seismic velocities. In-situ down hole tests and refraction survey...
Seismic velocities measured from in-situ tests (n=177) and through rock core samples (n=1,035) are reviewed in light of construction standards, widely used standards as a first-hand approximation of rock classification solely based on seismic velocities. In-situ down hole tests and refraction survey for soft rocks showed seismic velocities of 1,400~2,900 m/s which is faster than those specified in construction standards. For moderate~ hard rocks, in-situ down hole tests and refraction survey showed 2,300~3,800 m/s which roughly corresponds with the range specified in the construction standards. A similar trend is also observed for seismic velocities measured from rock core samples. The observed differences between construction standards and seismic velocities can be explained in two ways. If construction standards are correct the observed differences may be explained with seismic velocities affected by underlying fast velocities and also possibly with selection of intact cores for velocity measurement. Alternatively, construction standards may have intrinsic problems, namely artificial discrete boundaries between soft rocks and moderate rocks, application of foreign standards without consideration of geologic setting and lack of independent verification steps. Therefore, we suggest a carefully designed verification studies from a test site. We also suggest that care must be exercised when applying construction standards for the interpretation and accessment of rock mass properties.
Seismic velocities measured from in-situ tests (n=177) and through rock core samples (n=1,035) are reviewed in light of construction standards, widely used standards as a first-hand approximation of rock classification solely based on seismic velocities. In-situ down hole tests and refraction survey for soft rocks showed seismic velocities of 1,400~2,900 m/s which is faster than those specified in construction standards. For moderate~ hard rocks, in-situ down hole tests and refraction survey showed 2,300~3,800 m/s which roughly corresponds with the range specified in the construction standards. A similar trend is also observed for seismic velocities measured from rock core samples. The observed differences between construction standards and seismic velocities can be explained in two ways. If construction standards are correct the observed differences may be explained with seismic velocities affected by underlying fast velocities and also possibly with selection of intact cores for velocity measurement. Alternatively, construction standards may have intrinsic problems, namely artificial discrete boundaries between soft rocks and moderate rocks, application of foreign standards without consideration of geologic setting and lack of independent verification steps. Therefore, we suggest a carefully designed verification studies from a test site. We also suggest that care must be exercised when applying construction standards for the interpretation and accessment of rock mass properties.
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문제 정의
실내암석시험 결과를 국내에서 가장 널리 사용되는 분류기준인 건설표준품셈과 한국엔지니어링협회 지반조사품셈의 암편에 대한 탄성파속도와 일축압축강도 기준에 대하여 살펴보았다.
또한 한국도로공사에서도 굴착난이도의 평가에 있어 탄성파 속도를 이용하고 있다. 이 논문에서는 국내 여러 토목공사 프로젝트 설계단계에서 획득된 지반조사 결과를 분석하여, 현장 측정 탄성파 자료를 인근 시추조사로 확인된 지층과 대비하여 추출된 연암과 경암 구간의 탄성파 속도와 실내암석시험에서 측정된 연암과 경암의 탄성파 속도를 분석하여 이들 실제 측정값이 국내에 널리 사용되는 암반분류 혹은 지층분류 기준에서 제시된 연암과 경암의 탄성파 속도 기준값에 얼마나 부합하는지 여부 등을 검토하였다.
탄성파속도와 암석 물성과의 관계에 대하여 많은 연구가 진행되어 P파의 속도와 일축압축강도는 양의 상관관계가 있는 것으로 알려져 있다(한국지구물리․물리탐사학회, 2011). 이 연구에서도 탄성파속도(P파속도)와 일축압축강도의 상관성이 존재하는지와 그 정도를 검토하였다(Fig. 9).
굴절법 탄성파탐사는 해머(hammer), 중추(weight drop), 다이너마이트(dynamite) 등을 송신원으로, 지오폰을 수진기로 사용하며, 송신원에서 발생한 탄성파를 수진기에서 측정하고 각 수진기별로 가장 빨리 감지되는 초동정보를 이용하여 지하매질의 탄성파 속도 구조를 예측하는 탐사 기법이다. 현장 탄성파 속도측정의 목적은 지하의 속도구조와 조사 지역의 물성을 알아내는데 있다.
제안 방법
굴절법 탄성파 탐사는 국내 13개 토목현장에서 수행되었던 자료로 145개의 자료를 정리하였다. 굴절법 탄성파탐사 자료기록 장비는 미국 Geometrics社의 Ultra light exploration seismograph 또는 StratavizorNZ를 이용하여 자료를 기록하였고, 사용된 탄성파 송신원은 5 kg의 슬러지 해머, 다이너마이트, 중추 등 다양한 송신원을 이용하여 탄성파를 발생시켰다. 자료의 수신은 14 Hz의 중심주파수를 갖는 수진기를 이용하였다.
이 연구에서 활용한 실내암석시험 자료는 편마암과 화강암, 석회암, 응회암, 편암 시료를 대상으로 하였으며, 국내에서 수행된 도로, 철도등 프로젝트의 일환으로 수행된 지반조사 결과로 시료별 데이타 수량은 Table 7에 정리하였다. 실내암석시험 자료는 탄성파(P파)속도와 일축압축강도이며, 시추주상도상의 암석을 구분하여 연암과 보통암을 포함하는 경암으로 나누어 분석하였다.
8과 같다. 연암과 경암(보통암 포함)의 지층은 시추조사 결과를 이용하여 구분하였으며, 탐사단면과 대비된 해당 지층의 심도에서의 속도 자료를 확인하였다. 연암은 총 168개, 보통암을 포함한 경암의 경우 총 172개의 자료가 검토되었다.
이 연구에서는 건설표준품셈과 지반조사표준품셈의 탄성파 속도 기준을 현장 탄성파탐사와 실내암석시험 결과를 이용하여 재검토하였다. 건설표준품셈과 지반조사표준품셈에서는 연암, 보통암, 경암, 극경암으로 구분하여 각각 분류기준을 제시하고 있다.
이 연구에서는 여러 토목공사를 위한 지반조사를 통해 구해진 암반의 탄성파 속도를 건설표준품셈과 한국엔지니어링협회 기준에서 제시하는 암반탄성파 속도를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었으며, 문제가 되는 부분에 대하여는 아래와 같이 제안한다.
검토된 자료의 총 개수는 모두 177개이고, 각 현장의 분포암종은 화강암과 편마암이 주를 이루고 있으며, 석회암 및 혼펠스 등이 기반암으로 존재하는데 이는 건설표준품셈에서 “A 그룹”에 해당한다. 이 장에서는 각 현장에서 얻어진 탄성파탐사 결과를 이용하여 연암과 경암(보통암 포함)의 구분에 따라 탄성파 속도가 어떻게 분포하고 있는지 살펴보았다.
이후 초동을 발췌하여 주시곡선을 작성한다. 자료의 역산을 수행하기 위해 초기모델을 설정한 다음 토모그래피 기법을 이용하여 지하매질의 속도 구조를 도출하게 된다. 자료의 역산 시 오차를 줄이기 위한 노력으로는 발췌한 초동을 수정하는 방법이 있겠으나 이 방법보다는 역산 수행 전 설정하는 초기모델을 수정하는 방법이 오차를 효율적으로 줄일 수 있다.
10(b)는 해당지역에서 이루어진 3개소의 시추조사 자료가 반영된 초기모델이 설정된 경우의 결과이다. 초기모델에 시추조사 자료의 반영은 굴절법 탄성파 탐사 측선에서의 시추위치를 x값으로, 시추조사로 확인된 지층의 출현심도를 y값으로, 그리고 각 지층의 출현심도에 맞게 탄성파 속도 값을 설정하여 초기모델을 구성한 다음 토모그래피 역산을 수행한다. 여기서 각 지층에 맞는 탄성파 속도의 설정은 품셈에서 제시하고 있는 각 지층의 평균 탄성파 속도를 의미한다.
대상 데이터
국내 11개 토목공사 현장에서 수행된 하향식 탄성파 탐사 자료를 이용하여 암종에 따른 탄성파 속도 분포를 검토하였으며, 검토된 자료는 총 32개이다. 하향식 탄성파탐사 자료기록 장비는 미국 Geometrics社의 Ultra light exploration seismograph이고, 5 kg의 슬러지 해머를 이용하여 탄성파를 발생하였다.
굴절법 탄성파 탐사는 국내 13개 토목현장에서 수행되었던 자료로 145개의 자료를 정리하였다. 굴절법 탄성파탐사 자료기록 장비는 미국 Geometrics社의 Ultra light exploration seismograph 또는 StratavizorNZ를 이용하여 자료를 기록하였고, 사용된 탄성파 송신원은 5 kg의 슬러지 해머, 다이너마이트, 중추 등 다양한 송신원을 이용하여 탄성파를 발생시켰다.
연암과 경암(보통암 포함)의 지층은 시추조사 결과를 이용하여 구분하였으며, 탐사단면과 대비된 해당 지층의 심도에서의 속도 자료를 확인하였다. 연암은 총 168개, 보통암을 포함한 경암의 경우 총 172개의 자료가 검토되었다.
이 논문에서는 Table 5와 같이 15개 국내 토목공사 현장에서 수행된 하향식 탄성파탐사 및 굴절법 탄성파탐사 자료를 검토하였다. 검토된 자료의 총 개수는 모두 177개이고, 각 현장의 분포암종은 화강암과 편마암이 주를 이루고 있으며, 석회암 및 혼펠스 등이 기반암으로 존재하는데 이는 건설표준품셈에서 “A 그룹”에 해당한다.
이 연구에서 활용한 실내암석시험 자료는 편마암과 화강암, 석회암, 응회암, 편암 시료를 대상으로 하였으며, 국내에서 수행된 도로, 철도등 프로젝트의 일환으로 수행된 지반조사 결과로 시료별 데이타 수량은 Table 7에 정리하였다. 실내암석시험 자료는 탄성파(P파)속도와 일축압축강도이며, 시추주상도상의 암석을 구분하여 연암과 보통암을 포함하는 경암으로 나누어 분석하였다.
그리고 경암(보통암 포함)은 A그룹이 3,700 m/s 이상이며, B그룹이 4,300 m/s 이상에 해당한다. 이 연구에서는 A그룹의 편마암, 화강암 및 석회암과 B그룹의 응회암과 편암을 대상으로 하였다. 그리고 일축압축강도를 이용한 한국엔지니어링협회 기준에서 연암은 4.
굴절법 탄성파탐사 자료기록 장비는 미국 Geometrics社의 Ultra light exploration seismograph 또는 StratavizorNZ를 이용하여 자료를 기록하였고, 사용된 탄성파 송신원은 5 kg의 슬러지 해머, 다이너마이트, 중추 등 다양한 송신원을 이용하여 탄성파를 발생시켰다. 자료의 수신은 14 Hz의 중심주파수를 갖는 수진기를 이용하였다.
하향식 탄성파탐사 자료기록 장비는 미국 Geometrics社의 Ultra light exploration seismograph이고, 5 kg의 슬러지 해머를 이용하여 탄성파를 발생하였다. 자료의 수신은 미국 Geostuff社의 3성분 수진기를 이용하였다.
6(a)와 같다. 해당 자료는 20채널의 수진기를 사용한 자료이며, 직접파 및 굴절파의 구분이 뚜렷하다. 해당 자료의 송신점은 Fig.
이론/모형
탄성파 속도 측정을 위한 국내외 표준시험규정으로는 한국암반공학회 “암석의 탄성파속도 측정표준시험법”, 국제암반역학회 표준시험규정(International Society for Rock Mechanics, Suggested Methods for Determining Sound Velocity; Brown, 1981), 미국표준시험법(Amarican Society for Testing and Materials, ASTM D2845-05, 2005) 등이 있으며, 이 연구에서는 이러한 표준시험규정에 의거하여 실내암석시험을 수행하였다.
성능/효과
1. 현장 탐사와 실내암석시험을 통하여 측정된 연암의 탄성파 속도는 건설표준품셈 및 한국엔지니어링협회의 기준에 비해 크게 나타난다. 그러나 보통암을 포함하는 경암의 경우에는 현장 탐사와 실내암석시험으로부터 측정된 대부분의 자료가 각 기관에서 제시하고 있는 기준범위에 잘 부합한다.
2. 실내 탄성파 속도 측정결과 연암은 기준보다 빠르게 나타나고, 경암(보통암 포함)은 기준에 부합하고 있다. 이는 무결암과 같이 시험조건에 적합한 시료 선별에서 비롯된 결과라고 판단된다.
3. 현장 탄성파 탐사로부터 획득한 연암의 탄성파 속도가 높은 이유는 하부지반의 빠른 탄성파 속도의 영향을 받기 때문인 것으로 해석된다.
4. 현장 탄성파 탐사 자료해석 시 시추자료를 고려하여 해석하면 보다 정확한 탄성파 속도 단면을 구할 수 있다. 따라서 지반조사 시 탄성파 탐사 측선에 가급적이면 2∼3공의 시추공 배치를 제안한다.
첫째, 적합한 탄성파 탐사 및 해석 방법이 적용되어야 한다. 둘째, 설령 올바른 탄성파 탐사 및 해석 방법이 적용되고 탐사결과를 품셈에 제대로 적용한다 하여도 지층분류(또는 암반평가)가 올바르게 되었음을 보장하지 않는다. 즉, 탐사결과를 품셈에 적용하여 평가된 지층분류 결과가 시추 등의 독립적인 방법으로 평가된 지층분류 결과와 일치한다는 보장은 없는 셈이다.
일축압축강도와 탄성계수는 탄성파속도와 양의 상관관계를 보이는 것으로 확인되었으며, 대체로 선형식으로 회귀하는 것보다 지수식으로 회귀하는 것이 결정계수(coefficient of determination, R-squared)가 가장 높게 나오는 것으로 파악되었다. 그러나, 결정계수 값이 0.
둘째, 설령 올바른 탄성파 탐사 및 해석 방법이 적용되고 탐사결과를 품셈에 제대로 적용한다 하여도 지층분류(또는 암반평가)가 올바르게 되었음을 보장하지 않는다. 즉, 탐사결과를 품셈에 적용하여 평가된 지층분류 결과가 시추 등의 독립적인 방법으로 평가된 지층분류 결과와 일치한다는 보장은 없는 셈이다. 이의 해결 방법으로는 주의 깊게 설계된 테스트 베드에서의 탐사결과 및 지층분류 등이 상세히 연구되어야 한다.
실내암석시험결과는 Table 9에 정리하였다. 탄성파속도 기준에 의한 연암에서 A그룹은 25.0～57.1%로 석회암을 제외한 대부분이 기준 범위 밖에 분포하고 있으며, 연암 B그룹은 21.7～42.3%로 분포하고 있는 것으로 나타났다. 경암(보통암 포함)에서는 A그룹이 72.
연암의 현장 탄성파 속도 분포범위는 1,400∼2,900 m/s이며, 경암(보통암 포함)은 2,300∼3,800 m/s이다. 현장 탄성파 속도 검토결과 연암의 탄성파 속도는 건설표준품셈 기준에 22.0%, 한국엔지니어링협회 기준에는 55.9%의 자료가 만족하는 것으로 나타나며, 경암(보통암 포함)의 경우 건설표준품셈 기준에는 95.3%, 한국엔지니어링협회 기준에는 88.9%의 자료가 부합하는 것으로 나타난다(Table 6).
후속연구
주시 토모그래피 기법은 근본적으로 비선형이기에 계산 과정에서 초기모델이 요구된다. 만약 초기모델이 적절하게 구성되었다면 최소한의 역산 반복 횟수로도 원하는 결과를 얻을 수 있을 것이다.
즉, 탐사결과를 품셈에 적용하여 평가된 지층분류 결과가 시추 등의 독립적인 방법으로 평가된 지층분류 결과와 일치한다는 보장은 없는 셈이다. 이의 해결 방법으로는 주의 깊게 설계된 테스트 베드에서의 탐사결과 및 지층분류 등이 상세히 연구되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄성파란?
탄성 거동을 하는 매질(흙, 암석 등)에 발파 또는 해머 타격 등에 의해 순간적으로 급격한 힘이 가해지면 매질 내 변위가 발생하는데 변위의 발생과 회복에 따른 에너지가 전파되는 것을 탄성파라고 한다. 탄성파는 진폭, 주기, 속도 등의 특성을 갖는데 이 중 탄성파의 속도는 매질의 밀도와 탄성계수의 영향을 받는다.
탄성파가 갖는 특성은?
탄성 거동을 하는 매질(흙, 암석 등)에 발파 또는 해머 타격 등에 의해 순간적으로 급격한 힘이 가해지면 매질 내 변위가 발생하는데 변위의 발생과 회복에 따른 에너지가 전파되는 것을 탄성파라고 한다. 탄성파는 진폭, 주기, 속도 등의 특성을 갖는데 이 중 탄성파의 속도는 매질의 밀도와 탄성계수의 영향을 받는다. 이와 같은 탄성파의 전파속도가 매질의 영향을 받는다는 사실은 다양한 공학적 용도의 근거이다.
지표하부를 확인하기 위하여 시추조사가 수행되는데 그 한계점은?
모든 토목구조물의 설계와 시공에 있어 공사현장에 분포하는 충적토, 풍화토, 풍화암, 연암, 경암 등으로 흙과 암반을 구분하는 지층분류가 필요하며, 이를 위해 지표하부를 확인하기 위하여 시추조사가 수행된다. 하지만 시추조사는 지층을 육안으로 직접 확인할 수 있는 장점을 가지고 있으나 한 지점에 대한 시추조사 결과를 미시추구간에 적용함에 있어 한계를 보인다. 이러한 시추조사의 단점을 보완하기 위하여 물리탐사 기법이 활용되고 있으며, 많이 이용되는 물리탐사 방법으로 전기, 전자탐사 및 탄성파탐사 등이 있다.
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