[논문]천부(약 10 m) 연약 지반 탐지를 위한 전기비저항 역산 해상도 향상 전략

장한길로; 송서영; 김빛나래; 남명진

doi:10.9720/kseg.2018.3.367

천부(약 10 m) 연약 지반 탐지를 위한 전기비저항 역산 해상도 향상 전략
Strategy for Improving the Resolution of Electrical-resistivity Inversions for Detecting Soft Ground at Shallow Depths (~ 10 m) 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.28 no.3, 2018년, pp.367 - 377

장한길로 (세종대학교 에너지자원공학과, 국립문화재연구소 고고연구실) , 송서영 (세종대학교 에너지자원공학과) , 김빛나래 (세종대학교 에너지자원공학과) , 남명진 (세종대학교 에너지자원공학과)

초록
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이 연구는 전기비저항 역산의 해상도를 높이기 위한 구조제약과 부등식 제약조건을 적용한 전기비저항역산법을 소개하고 적용한 결과를 보여준다. 이들 역산에서는 지하투과레이다와 표면파 탐사자료로부터 사전 해석된 층서구조를 전기비저항 참조모델로 도입하고 구조제약과 부등식 제약의 유용성을 합성모델을 이용한 역산실험으로 확인하였다. 연약지반 조건을 가정한 실험모델에 대한 구조제약과 부등식 제약 역산실험 모두 일반적인 전기비저항 역산보다 향상된 역산결과를 보여주었으나, 부등식제약 역산에서는 참조모델이 다소 부정확한 경우에도 배경층서구조를 정확히 재구성하는 동시에 천부(약 10 m 심도)의 전도성 이상체들도 정확히 나타내는 역산결과를 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study introduces a DC resistivity inversion method that incorporates structural and inequality constraints to enhance the resolution of resistivity inversions, and presents sample inversion results with these constraints. In the constrained inversions, a base model is constructed from a layered model through interpretation of other geophysical data. Inversion tests establish that both the structural and inequality constraints produce better resistivity models than the unconstrained inversion. However, the inequality inversion not only reproduces the exact layered structure of the background, it reproduces conductive anomalies at a depth of ~ 10 m when an inexact base model of electrical resistivity is used.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 먼저 전기비저항 역산의 해상도 향상을 위해 구조제약과 부등식제약을 적용한 역산 알고리듬을 개발하였다. 이 알고리듬의 적용성을 확인하기 위해, 도심지 연약지반 모델에 대한 GPR과 MASW 자료를 활용하여 전기비저항 역산의 참조모델을 구성하고 구조제약 및 부등식제약 역산실험을 수행하였다.

가설 설정

1a). 이때, 토양의 공극률은 25%, 점토함유량은 10%, 포화토의 수포화도는 100%, 불포화토의 수포화도는 20%로 가정함으로써 전기비저항물성 측면에서는 불포화토, 포화토, 기반암의 3층이 되도록 가정하였다. 점토질 이상체는 공극률5%, 점토함유량은 60%로 가정하였으며, 크기는 4 m × 4 m × 4 m, 윗면 심도는 8 m에 있다고 설정하였다.
전기비저항 탐사자료의 역산에서 구조제약과 부등식제약의 유용성을 확인하기 위하여 점토질 이상체가 지반 내에 존재하는 경우를 가정하였다. 먼저 실험모델의 배경 지반은 토양과 기반암으로 이루어진 2층 구조로 구성하였으며, 토양층에서는 지하수면의 심도가 2 m에 형성되어 있다고 가정하여 포화토와 불포화토로 구분하였다(Fig.

제안 방법

두 개의 이상체 A와 B가 각각 4 m와 8 m 심도에 존재할 경우(Fig. 4a)에 대해 앞서 분석했던 하나의 이상체 모델과 동일하게 단순, 부등식제약 전기비저항 역산을 수행하고 결과를 비교 분석 한다. 또한 하나의 이상체 모델에 대한 연구에서와 달리, 측선 설정에 있어서 측선이 이상체들 상부를 지낼 때(Fig.
이 연구에서는 먼저 전기비저항 역산의 해상도 향상을 위해 구조제약과 부등식제약을 적용한 역산 알고리듬을 개발하였다. 이 알고리듬의 적용성을 확인하기 위해, 도심지 연약지반 모델에 대한 GPR과 MASW 자료를 활용하여 전기비저항 역산의 참조모델을 구성하고 구조제약 및 부등식제약 역산실험을 수행하였다. 도심지 연약지반 모델에 대한 구조제약과 부등식제약 전기비저항 역산결과들을 전통적인 역산결과와 상호 비교한 결과, 구조제약이나 부등식제약 모두 역산 해상도가 향상됨을 보여주었고, 특히 부등식제약조건은 참조모델의 전기비저항이 정확하지 않은 경우에도 정답모델을 정확하게 재구성하는 결과를 보여주었다.
전기비저항 역산의 해상도를 높이기 위한 구조제약 및 부등식제약 3차원 전기비저항 역산 알고리듬을 개발하고 합성자료에 적용하여 역산의 정확도를 비교 분석하였다. 동일한 지반에 GPR과 MASW 탐사를 수행하면 지하수위와 기반암의 심도를 쉽게 유추할 수 있으며, 이들의 사전정보를 토대로 층서구조와 전기비저항 범위를 결정하여 전기비저항 역산의 해상도를 높이기 위한 참조모델로 활용할 수 있었다.

이론/모형

이를 위해 암석물리모델에 기초하여 개별 탐사들의 수치모델들을 구하였다. GPR 탐사 모델링을 위한 유전율 계산에는 복소굴절률(Complex Refractive Index Model, CRIM) 식을(Cassidy, 2009), 전기비저항 탐사 모델링을 위한 전기비저항 값 계산에는 Archie 식 등을 이용하는 전기비저항 암석물리모델(Archie, 1942; Park et al., 2014)을, MASW 탐사 모델링을 위한 탄성계수와 밀도의 계산을 위해서는 Gassmann 식 등을 이용한 탄성파 암석물리모델(Gassmann, 1951; Park and Nam, 2014)을 이용하였다.

성능/효과

이 알고리듬의 적용성을 확인하기 위해, 도심지 연약지반 모델에 대한 GPR과 MASW 자료를 활용하여 전기비저항 역산의 참조모델을 구성하고 구조제약 및 부등식제약 역산실험을 수행하였다. 도심지 연약지반 모델에 대한 구조제약과 부등식제약 전기비저항 역산결과들을 전통적인 역산결과와 상호 비교한 결과, 구조제약이나 부등식제약 모두 역산 해상도가 향상됨을 보여주었고, 특히 부등식제약조건은 참조모델의 전기비저항이 정확하지 않은 경우에도 정답모델을 정확하게 재구성하는 결과를 보여주었다.
전기비저항 역산의 해상도를 높이기 위한 구조제약 및 부등식제약 3차원 전기비저항 역산 알고리듬을 개발하고 합성자료에 적용하여 역산의 정확도를 비교 분석하였다. 동일한 지반에 GPR과 MASW 탐사를 수행하면 지하수위와 기반암의 심도를 쉽게 유추할 수 있으며, 이들의 사전정보를 토대로 층서구조와 전기비저항 범위를 결정하여 전기비저항 역산의 해상도를 높이기 위한 참조모델로 활용할 수 있었다. 구성한 참조모델에 기초하여 구조제약조건을 적용한 3차원 전기비저항 역산결과는 일반적인 전기비저항 역산에서는 영상화가 불가능하였던 전극간격 대비 깊은 심도에 위치한 이상체가 영상화 되어 역산의 해상도가 향상됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 부등식제약을 적용한 역산은 참조모델의 전기비저항 값의 범위만을 지반 특성에 따라 파악하면 되므로, 정확한 전기비저항 값을 알아야 하는 구조제약 역산에 비해 장점이 있다. 한편 시추공 자료 등이 있어 배경 층서 전기비저항 구조를 보다 정확히 알 수 있다면 구조제약 역산만으로도 정확하고 안정적으로 역산결과를 도출할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기비저항 역산해석에 사용하는 제약 중 구조제약이나 부등식제약의 단점은 무엇인가?	전기비저항 역산에 이용할 수 있는 여러 제약들 중에서 구조제약(structural constraint)이나 부등식제약(inequality constraint)을 이용한다면 역산의 해상도를 향상시킬 수 있지만(Saunders et al., 2005; Kim and Kim, 2011), 이들 역산에 필요한 참조모델(base model)의 구성에는 일반적으로 사전에 수행한 지질 조사나, 이종 물리탐사자료, 시추공 자료 등의 사전정보들을 필요로 한다(Li and Oldenburg, 2000; Sun and Li, 2015).
	지반에서의 지하수 분포 특성은 무엇에 영향받는가?	, 2017), 도심지 지반함몰의 위험성을 사전에 탐지하기 위해서는 지하수 유동의 파악이 가장 중요한 요소이다. 지반에서의 지하수 분포 특성은 매질의 전기비저항 변화와 직접적으로 연관되므로, 도심지 지반함몰 탐지에 전기비저항 탐사법을 적용한 연구들이 소개되었다.
	도심지에서 발생하는 지반침하의 특징은 무엇인가?	최근 수십 년간 급격한 도시 개발이 이루어져 온 우리나라 도심지에서 도로나 지반이 급속하게 함몰되는 현상이 빈번하게 발생하고 있다. 일반적으로 도심지에서의 지반침하는 점토질 토양의 분포뿐 아니라 토양 내 지하수의 변동과 연계되어 일어나게 되므로(Kim et al., 2007; Cha et al.

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표제어: PCR

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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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