[논문]3D-GPR탐사를 이용한 도로하부 지반상태에 대한 연구

이승호; 장일호

doi:10.14481/jkges.2019.20.2.49

3D-GPR탐사를 이용한 도로하부 지반상태에 대한 연구
A Sudy on the Underground Condition of Road Using 3D-GPR Exploration 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.2, 2019년, pp.49 - 58

이승호 (Department of Civil Engineering, Sang-ji University) , 장일호 (Kwang sung G.M CO., LTD.)

초록
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3D-GPR탐사를 활용하여 도로하부 지반 상태 분석에 관한 연구를 수행하였다. 현장조건과 유사한 테스트베드를 조성하여 각 심도별 공동과 지중매설물에 대한 탐지 분석을 수행하였다. 이를 통해 지반의 유전율을 역산하여 파악하였고, 공동에 대한 탐지심도를 정확한 계산을 통해 확인할 수 있었다. 3D-GPR탐사를 통해 도로하부의 공동에 대한 신호파형을 확인하였고, 분석사의 경험적이고 주관적인 기존분석에 비하여 정량적인 분석방법 및 분석인자를 제시할 수 있었다. 도로하부의 지중침하에서도 3D-GPR탐사를 통해 침하분포 및 심도를 파악할 수 있었고, 지반보강 후 탐사해석단면을 통해 지반상태 변화를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study on the analysis of underground ground condition using 3D-GPR exploration was carried out in this paper. The test bed was constructed similar to the field, and the detection analysis was carried out for each depth of cavity and underground burial. Through this, we were able to know the permittivity of the ground by inversion, and we could confirm the depth of detection for the joint by accurate calculation. We confirmed the signal waveforms in the cavity under the road through 3D-GPR exploration, analyzed more quantitatively in subjective and empirical analysis. The subsidence and depth of the subsurface settlement can be observed through 3D-GPR survey, and ground condition change after the ground reinforcement can be confirmed through the exploration section.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Status and causes of road dumps in seoul (EA, Road management department of seoul city)
그림 Fig. 2. 3D-GPR exploration TX, RX transmission and reception principle (Mirror:sweden)
그림 Fig. 1. A schematic diagram of exploration of single-channel GPR exploration
그림 Fig. 3. 3D-GPR exploration TX, RX transmission and reception principle
그림 Fig. 4. Road video camera and exploration location tracking system
그림 Fig. 5. Status of used GPR equipment
그림 Fig. 6. 3D-GPR exploration analysis program (Sinkhole Finder)
그림 Fig. 7. 3D-GPR TEST BED
그림 Fig. 8. 3D-GPR exploration in TEST BED
그림 Fig. 9. Shot signal waveform and image capture in 3D-GPR
그림 Fig. 10. GPR signal similar to a common signal waveform
그림 Fig. 11. Three-dimensional analysis of 3D-GPR exploration
그림 Fig. 12. Key factors for cavity analysis
그림 Fig. 13. Results of common signal waveform analysis after applying major factor
그림 Fig. 14. Crack in highway bridge abut
그림 Fig. 15. 3D-GPR exploration result in highway bridge abut
그림 Fig. 16. Ground reinforcement in settlement area
그림 Fig. 17. 3D-GPR exploration result in highway bridge abut after ground reinforcement

AI 본문요약
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문제 정의

공동을 묘사한 스티로폼, 지중매설관을 기 확인된 심도에 매설하여 탐사수행한 후 유전율(permittivity)의 관계를 분석하였다. 3D-GPR탐사장비를 활용하여 도로하부 공동탐사를 수행하는데 나타난 신호파형으로부터 공동을 선별, 분석하는 기법을 연구하였다. 또한 고속도로 교대접속에 나타난 결과를 통해 도로하부 지반의 침하에 대해 분석하고, 긴급 지반보강 후 보강효과에 대해서도 연구를 수행하고자 하였다.
실제 3D-GPR 프로그램을 통한 다양한 공동을 분석하고 사례를 통해 3D-GPR탐사의 공동분석기법을 연구한다. 고속도로 하부 침하 단면과 지반보강 후 해석단면을 통해 지반상태 변화를 확인하고자 한다.
3D-GPR탐사장비를 활용하여 도로하부 공동탐사를 수행하는데 나타난 신호파형으로부터 공동을 선별, 분석하는 기법을 연구하였다. 또한 고속도로 교대접속에 나타난 결과를 통해 도로하부 지반의 침하에 대해 분석하고, 긴급 지반보강 후 보강효과에 대해서도 연구를 수행하고자 하였다.
도로하부 공동탐사는 탐사기법이 정량적으로 확립되어 있지 않고 경험적방법으로 분석하고 있는 것이 현실이다. 본 연구는 약 1,000여 개의 공동의 파형을 분석함으로써 공동의 분석기준의 기초인자를 잡고자 한다. 도로하부 공동에 대한 신호 파형 중 형태적인면에서 분류한 대표적인 것으로 다음과 같다(Fig.
본 연구에서는 3D-GPR를 활용한 도로하부 지반의 상태를 분석하기 위한 하고자 한다. 첫 번째, 3D-GPR탐사의 적용성을 확보하고자 일정부지에 테스트베드를 계획하였다.
본 연구에서는 3D-GPR탐사를 활용하여 도로하부 지반상태에 대한 지반이상대를 분석에 관한 연구를 수행하였고, 결론은 다음과 같다.
본 연구의 목적은 3D-GPR탐사 장비를 이용하여 도로하부 공동의 분석기법을 연구하는 것이며, 또한 활용분야를 확장하기 위해 도로의 침하 및 보강효과에 적용성도 연구하는 것이다. 먼저 도로하부의 공동분포와 유사한 테스트베드를 설계하여 적용성을 검토 분석하였다.
기존의 공동탐사 용역 시 공동의 심도를 결정하기 위해서는 심도를 미리 알고 있는 매설물을 이용하거나 기존 경험을 토대로 적용하고 있어 정확성을 기하기 어렵다. 이번 연구에서는 유전율(permittivity)의 영향 요소 중 온도와 함수비 변화에 따른 유전율(permittivity)과의 상관성을 파악하기 위해 사업부지 내 조성된 테스트 베드(Fig. 7)를 활용하여 향후 공동탐사 시 공동과 지하매설물의 정확한 심도 파악에 활용하고자 한다. 온도와 함수비를 고려한 것은 외부 도로환경에 영향을 미치는 요소이기 때문이며, 함수비는 유전율에 가장 큰 영향을 미치는 것이다(Yoon et al.
, 2016). 핸디형 GPR과의 비교는 기존의 GPR과 어떠한 차이를 보이는지 확인하기 위해 수행하였다.

제안 방법

3D-GPR탐사의 분석 소프트웨어(Fig. 6)는 국내에서 개발된 제픔으로서 평면, 종단,횡단, 노면영상 등을 모두 종합하여 분석할 수 있는 분석프로그램을 적용하였다. 모든 자료가 연동되어 분석되며 노면영상으로부터 정확한 위치도 확인할 수 있는 프로그램이다.
3차원적인 분석을 할 때 각 단면별로 공동을 식별할 수있는 주요 인자를 제시하였다(Fig. 12). 이 분석인자는 단면에서 신호 이상의 형태적인 면에서 제시한 것이다.
고속도로 교량 접속부침하에 대한 분석을 적용하였다. 교량의 abutment 도로접속부는 침하가 발생하여 매년 아스콘으로 재포장을 하고 있는 상황이다.
첫 번째, 3D-GPR탐사의 적용성을 확보하고자 일정부지에 테스트베드를 계획하였다. 공동을 묘사한 스티로폼, 지중매설관을 기 확인된 심도에 매설하여 탐사수행한 후 유전율(permittivity)의 관계를 분석하였다. 3D-GPR탐사장비를 활용하여 도로하부 공동탐사를 수행하는데 나타난 신호파형으로부터 공동을 선별, 분석하는 기법을 연구하였다.
본 연구의 목적은 3D-GPR탐사 장비를 이용하여 도로하부 공동의 분석기법을 연구하는 것이며, 또한 활용분야를 확장하기 위해 도로의 침하 및 보강효과에 적용성도 연구하는 것이다. 먼저 도로하부의 공동분포와 유사한 테스트베드를 설계하여 적용성을 검토 분석하였다. 실제 3D-GPR 프로그램을 통한 다양한 공동을 분석하고 사례를 통해 3D-GPR탐사의 공동분석기법을 연구한다.
본 연구에서는 고속도로 접속부의 3D-GPR탐사(400MHz, 탐사속도 30km/h)를 적용하였다. 적용의 목적은 장기침하되는 부분에서 GPR 탐사의 결과는 어떤 양상이며, 추후 보강 후에는 어떤 해석단면이 나타나는 것에 대한 접속부 교량접속부의 탐사 결과는 다음과 같다(Fig.
단일채널 GPR탐사는 진행하는 방향에 따른 하나의 해석단면을 만든다. 송신과 수신장치가 하나씩 배열되고 거리기록장치와 연동하여 탐사를 진행한다. Fig.
먼저 도로하부의 공동분포와 유사한 테스트베드를 설계하여 적용성을 검토 분석하였다. 실제 3D-GPR 프로그램을 통한 다양한 공동을 분석하고 사례를 통해 3D-GPR탐사의 공동분석기법을 연구한다. 고속도로 하부 침하 단면과 지반보강 후 해석단면을 통해 지반상태 변화를 확인하고자 한다.
이곳에서 시멘트 밀크 그라우팅을 적용한 결과는 다음과 같다. 주입은 밀크 시멘트이며, 중-저압으로 C.T.C 1.0m, 심도 2.0m, 총 64개소 그라우팅을 실시하였다(Fig. 16참조).
본 연구에서는 3D-GPR를 활용한 도로하부 지반의 상태를 분석하기 위한 하고자 한다. 첫 번째, 3D-GPR탐사의 적용성을 확보하고자 일정부지에 테스트베드를 계획하였다. 공동을 묘사한 스티로폼, 지중매설관을 기 확인된 심도에 매설하여 탐사수행한 후 유전율(permittivity)의 관계를 분석하였다.

대상 데이터

이번 연구에서는 차량형 GPR(24채널)로 중심주파수 400MHz 안테나와 핸디형 GPR(중심주파수 350MHz)를 사용하였으며, 투과심도는 대체적으로 3.0m 내외이다(Fig. 5). 중심주파수는 400MHz, 350MHz의 차이는 실제 레이다파의 투과심도, 분해능 면에서 대동소이하여 각각 비교대상으로 적용하였다(Yoon et al.
5). 중심주파수는 400MHz, 350MHz의 차이는 실제 레이다파의 투과심도, 분해능 면에서 대동소이하여 각각 비교대상으로 적용하였다(Yoon et al., 2016). 핸디형 GPR과의 비교는 기존의 GPR과 어떠한 차이를 보이는지 확인하기 위해 수행하였다.
, 2014). 천부의 관로 신호를 비교하기위해 지중매설 소형관경인 100mm PVC 2개를 심도 50cm에 같이 매설하였다. 매설관의 깊이가 50cm인 것은 지중매설물이 지표하 50cm 이하에 매설된 것을 모사한 것이다.
테스트베드에는 서울시 도로하부 공동을 그대로 모사하기 위해 스티로폼이 심도별로 0.3~1.5m까지 매설하였고, 두께도 20~40cm까지 다양하게 매설하였다. 스티로폼이 공기와 유전상수가 유사하여 공동으로 모사하기에 적합하기 때문이다(Al-Qadi et al.

데이터처리

, 2018). 본 연구에서 제시한 공동에 대한 주요인자를 적용하여 공동을 분석한 경우를 통계적으로 비교하여 보았다(Fig.13 참조)(직경 20cm 이하의 공동은 기준미달로 처리).

성능/효과

(1) 현장 부지에 3D-GPR 테스트베드를 설치하여 적용하여 본결과, 기 설치된 공동으로부터 지반의 유전율(permittivity)을 역산할 수 있었다. 이를 통해 공동의 심도 및 지중매설물의 탐사심도를 정확히 탐지할 수 있었으며, 탐사결과에 대한 신뢰도를 확보할 있었다.
(2) 3D-GPR를 활용한 도로하부 공동탐사는 반드시 3차원적 분석을 수행하여야 정확한 분석을 할 수 있음을 알 수 있었다. 공동에 대한 반응으로 종단면에서 신호역전으로만 공동을 판별하거나, 형태학적으로 쌍곡선(Hyperbola)형태로 분석하는 것보다 공동을 분석하는 분석인자를 적용하여 공동 탐지율이 향상됨을 알 수 있었다.
(3) 교대 접속부의 침하에서 3D-GPR 탐사를 적용하여 본결과, 침하의 형태를 확인할 수 있었고, 탐사를 통해 침하의 연장, 범위를 알 수 있었다. 지반보강 후, 역시 탐사를 적용한 결과에서도 보강 전의 침하 신호이상은 사라지고 다소 복잡한 매질의 형태를 통해 지반변화를 확인할 수 있었다.
5 참조). 3D-GPR탐사 결과와 핸디형 GPR(1개 채널)을 비교하면 3D-GPR탐사 단면이 매우 선명한 공동파형을 보이고 있었다. 이것은 GPR장비의 원시자료, 즉 수신자료의 처리능력과 관련되어 있으며 처리성능이 높을수록 분해능이 좋은 결과이다.
(2) 3D-GPR를 활용한 도로하부 공동탐사는 반드시 3차원적 분석을 수행하여야 정확한 분석을 할 수 있음을 알 수 있었다. 공동에 대한 반응으로 종단면에서 신호역전으로만 공동을 판별하거나, 형태학적으로 쌍곡선(Hyperbola)형태로 분석하는 것보다 공동을 분석하는 분석인자를 적용하여 공동 탐지율이 향상됨을 알 수 있었다.
횡단면의 분석은 동일 면상에서 해석된 것이므로 변별력이 없어 제시하지 않았다. 교량접속부 침하지역에서 3D-GPR을 적용하여 관찰한 결과, 침하의 징후를 뚜렷이 관찰할 수 있었고, 보강 후 보강효과도 볼 수 있었다.
13과 같이 공동을 분석하는데 확연한 차이를 보이고 있음을 알 수 있었다. 단순한 신호 위상 역전과 같은 형태에서 3차원적 분석을 통해 분석한 주요인자가 공동을 분석하는 데 매우 유리함을 알 수 있었다.
4)의 공동을 묘사한 스티로폼의 위치는 정확한 심도로서 분석됨을 알 수 있었다. 또한 역산하여 나타난 지반의 유전율(permittivity)을 적용하면 기존 지반의 공동 및 지질이상대의 분석위치를 매우 정확하게 계산하여 파악할 수 있었다(Fig. 5 참조). 3D-GPR탐사 결과와 핸디형 GPR(1개 채널)을 비교하면 3D-GPR탐사 단면이 매우 선명한 공동파형을 보이고 있었다.
17에서와 같이 보강 전과 확연한 차이가 관찰되었다. 지반보강구간 전면에 걸쳐 보강 전에 보이던 침하 신호 위상이 사라지고, 복잡한 신호위상으로 나타났다. 이것은 상부매질이 시멘트 그라우팅으로 밀도증가가 원인 것으로 추정된다.
탐사 결과, 테스트베드(Fig. 4)의 공동을 묘사한 스티로폼의 위치는 정확한 심도로서 분석됨을 알 수 있었다. 또한 역산하여 나타난 지반의 유전율(permittivity)을 적용하면 기존 지반의 공동 및 지질이상대의 분석위치를 매우 정확하게 계산하여 파악할 수 있었다(Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심도를 결정하는데 있어서 매질의 유전율의 값을 정확히 산출하는 것이 필요한 이유는?	3D-GPR 탐사를 통해 분석된 공동의 심도를 결정하는 데있어서 유전율(permittivity)을 파악하는 것은 필수요소이다. 즉, GPR 탐사를 통해서 얻어지는 레이다파가 지중으로 전파되어 경계면에서 되돌아온 신호를 분석함으로 경계면(공동, 지장물)의 심도를 결정하기 위해서는 매질의 유전율(permittivity) 값을 정확히 산출하는 것이 필요하다. 여기서 유전율(permittivity)이란 지하 매질 속 유전체에 외부 전기장을 가하면 유전분극 현상이 일어나면서 가해진 외부 전기장에 반대방향으로 분극에 의한 전기장이 생긴다.
	GPR 탐사법이란?	GPR 탐사법은 안테나로부터 전자파를 짧은 폭의 펄스형태로 지하에 전파시킨 후 전파 경로 중 물리적 성질이 다른매질의 경계에서 반사해오는 전자파를 수신･분석하여 지하의 정보를 얻는 물리 탐사법이다. 전자파가 지하 매질을 전파해 나갈 때 이질의 매질층 또는 이상체를 이루는 재료 고유의 유전특성에 따라 변화하는 점을 이용하여 각 이질층의 두께 및 위치를 파악한다(Kim et al.
	도로함몰과 노면하부 공동에 대한 대책방안으로 사전에 도로에 공동탐사를 수행하는 차량형 3D-GPR탐사가 이용되는 이유는?	도로함몰과 노면하부 공동에 대한 대책방안으로 사전에 도로에 공동탐사를 수행하는 차량형 3D-GPR탐사가 이용되고 있다. 일반형 GPR탐사는 단일 채널 종단면만 산출되기 때문에 입체적으로 분석해야 하는 공동판별에는 한계가있고, 또한 도로전폭을 탐사해야 하기 때문에 물리적으로도 어렵다. 다채널 방식의 3D-GPR 탐사는 국내에 소개된 지얼마 안 되어 활용방법과 분석기법이 확립되지 않았다.

참고문헌 (10)

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Yoon, J. J., Baek, J., Choi, Y. W., Choi, H. and Lee, C. M. (2016), "Signal pattern analysis of ground penetrating radar for detecting road cavities", Int. J. of Hig. Eng., Vol. 18, No. 6, pp. 61-67. 108 International.
Yoon, J. J., Baek, J. and Lee, C. M. (2018), Comparison of multichannel ground penetrating radar equipment for detecting road cavities, Int. J. of Hig. Eng., Vol. 20, No. 6, pp. 101-108.

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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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