[논문]한계상태설계법 지반정수 산정을 위한 풍화대 강도특성 측정장치의 개발 및 현장적용에 관한 연구

김기석; 김종훈; 최성웅

doi:10.7474/tus.2020.30.2.164

한계상태설계법 지반정수 산정을 위한 풍화대 강도특성 측정장치의 개발 및 현장적용에 관한 연구
Development and Field Application of Apparatus for Determination of Limit State Design Strength Characteristics in Weathered Ground 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.2, 2020년, pp.164 - 179

김기석 ((주)희송지오텍) , 김종훈 ((주)강일엔지니어링) , 최성웅 (강원대학교 공과대학 에너지자원.산업공학부(에너지자원공학))

초록
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지반구조물에 대한 한계상태설계법의 적용에 있어서 단위중량, 포아송비, 변형계수, 점착력 및 내부마찰각 등은 설계의 정확성 및 신뢰도 향상에 매우 큰 영향을 미치는 지반특성값이다. 특히 풍화토 및 풍화암 등 풍화대에 지반구조물이 위치하게 될 경우 이들 지반특성값 중에서도 점착력과 내부마찰각이 구조물과 지반의 하중 및 저항계수를 판정하는데 매우 높은 연관성이 있으며 따라서 공내전단시험과 같은 현장시험으로부터 구해지는 이들 지반정수의 정확한 산정은 지반구조물의 최적설계를 좌우하는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 국내 38개 시공사례 분석을 통해 이들 지반정수들의 설계적용 사례를 검토, 현장시험의 중요성을 확인하였으며 이를 토대로 ASTM에서 규정하는 모든 표준절차를 반영하는 새로운 풍화대 강도특성 측정장치를 개발하였다. 또한 본 장비의 현장적용을 통해 시험장비 및 시험자의 주관적 오류에 의한 오차발생 가능성을 최소화한 장비의 개선성능을 확인하였으며, 이를 토대로 한계상태설계법의 적용 시 핵심 지반특성값의 정량적 산정을 위한 기틀을 마련하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Applying the limit state design method to geotechnical structures, accuracy and reliability of its design are mainly affected by parameters for geotechnical site characteristics, such as unit weight, Poisson's ratio, deformation modulus, cohesion and frictional angle. When the structures are located in weathered ground, especially, cohesion and frictional angle of ground are closely related with decision of parameters for structures' load and ground's resistance. Therefore, the accurate determination of these parameters, which are commonly obtained from field measurement, such as borehole shear test, are essential for optimum design of geotechnical structures. The 38 case studies, in this study, have been analyzed for understanding the importance of these parameters in designing the ground structures. From these results, importance of field measurement was also ascertained. With these evaluations, an apparatus for determining the strength characteristics, which are fundamental in limit state design (LSD) method, have been newly developed. This apparatus has an improved function as following the ASTM suggestion. Through the field application of this apparatus, the strong point of minimizing the possibility of error occurrence during the measurement has been verified and authors summarized that the essential parameters for LSD can be qualitatively obtained by this apparatus for determination of strength characteristics of weathered ground.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Definition of geotechnical site characteristics in limit state design method (Becker, 2006)
그림 Fig. 2. Statistical analysis of measured cohesion value
표 Table 1. Summary of measured parameters for geotechnical site characteristics.
표 Table 2. Comparison of parameters for geotechnical site characteristics by each suggested method
그림 Fig. 3. Dimension of shear plate suggested by ASTM (modified from Lutenegger & Hallberg (1981))
그림 Fig. 4. Details of developed borehole shear tester
그림 Fig. 5. Photos of major parts of developed borehole shear tester
그림 Fig. 6. Examples of developed S/W for borehole shear test
표 Table 3. Summary of each method for borehole shear testing
표 Table 4. Results of borehole shear tests by automatic and manual methods
그림 Fig. 7. Photos of borehole shear testing
표 Table 5. Comparison of cohesion and frictional angle by each method

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 Lutenegger & Hallberg(1981)에 의한 ASTM 표준절차에 최적화된 시험장비 및 시험방법의 적용을 위해, 전단판의 면적, 전단판을 구성하는 톱니의 개수 및 형상, 0.051 mm/sec의 전단판 상승속도를 제어할 수 있는 자동장치 및 디지털게이지를 통한 시험의 일관성을 확보할 수 있도록 기능이 개선된 풍화대 강도특성 측정장치를 개발하였다(Figs. 4, 5).
따라서 본 연구에서는 풍화대 강도특성 측정장치를 ASTM 기준 규격을 충실히 준용함과 동시에, 현실적인 시험수량의 한계에 따른 오차발생 가능성을 최소화시킬 수 있는 자동화 장치를 병합한 새로운 강도특성 측정장치를 개발하여 현장시험을 통해 장비의 성능을 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 한계상태설계법에 의한 지반구조물 설계 시 핵심변수로 요구되는 단위중량, 변형계수, 포아송비, 점착력 및 내부마찰각 등에 대한 기존의 설계반영값과 실제 측정값과의 차이를 계룡건설의 현장조사 자료를 포함한 총 38개의 사례를 분 석함으로써 경제적이고 신뢰성 높은 설계를 위한 지반정수의 적용기준을 제고하고자 한다(㈜계룡건설, 2015, ㈜단우기술단, 2009, ㈜단우기술단, 2009, 대림산업㈜, 2015, 대림산업㈜, 2014, 대림산업㈜, 2013, 대림산업㈜, 2013, 대림산업㈜, 2012, 대림산업㈜, 2011, 대림산업㈜, 2009, 대림산업㈜, 2008, 대림산업㈜, 2007, 대림산업㈜, 2007, 동부건설㈜, 2009, 동부건설㈜, 2008, 동부엔지니어링㈜, 2009, 두산건설㈜, 2007, 두산건설㈜, 2009, 삼성물산㈜, 2013, 삼성물산㈜, 2011, 삼성물산㈜, 2009, 삼성물산㈜, 2009, ㈜삼안, 2013, SK건설㈜, 2013, SK건설㈜, 2012, SK건설㈜, 2009, SK건설㈜, 2009, SK건설㈜, 2007, ㈜제일엔지니어링, 2006, 현대건설㈜, 2014, 현대건설㈜, 2010, 현대건설㈜, 2007, 현대산업개발㈜, 2010, 현대산업개발㈜, 2010, 현대산업개발㈜, 2009, 현대산업개발㈜, 2008, 현대산업개발㈜, 2007, 현대산업개발㈜, 2007). 특히 이들 중에서 유의미한 결과를 나타내는 풍화토 및 풍화암에 대한 점착력과 내부마찰각의 정량적 산정을 위해 기존의 국내외 장비 대비 우수성과 개선사항이 포함된 풍화대 강도특성 측정장치를 개발, 현장적용 시험을 통해 시험장비의 특성 및 바람직한 측 정방법을 검토하고자 한다
본 연구에서는 ASTM에서 규정하는 공내전단시험의 시험규정을 최대한 준수하면서 동시에 시험자에 의한 주관적 오차발생 가 능성을 최소화 하기 위해 자동측정 시스템을 도입함으로써 정확성과 신뢰성이 확보된 지반특성값을 산정하기 위한 개선된 장비를 개발코자 한다.
본 연구에서는 이러한 한계상태설계법에서 지반의 저항계수를 정량적으로 평가함에 있어 핵심 지반정수인 단위중량, 포아송비, 변형계수, 점착력 및 내부마찰각 등이 실제 설계에서 어떻게 적용되어 왔는지를 검토하기 위해 38개의 국내 시공사례를 분석하였으며, 이를 통해 지반안정성 해석에 주도적인 역할을 하는 점착력과 내부마찰각의 직접 측정에 대한 중요성을 확인할 수 있었다. 따라서 이들 지반특성값을 높은 신뢰수준으로 측정하기 위해 ASTM에서 규정하는 장비 및 측정방법의 기준을 최대한 준용할 수 있는 풍화대 강도특성 측정장치를 개발하였으며, 본 장비의 현장적용을 통해 개발된 장비의 성능분석을 수행하였다.
본 연구에서는, 최근 암반공학 및 지반공학 분야에서 지반의 특성과 지반구조물의 반응특성을 능동적이고 정량적으로 설계함으로써 경제성과 안정성이 함께 제고될 수 있는 한계상태설계법의 지반특성값 산정과정을 연구의 시발점으로 삼았다.
따라서 본 연구에서는 한계상태설계법에 의한 지반구조물 설계 시 핵심변수로 요구되는 단위중량, 변형계수, 포아송비, 점착력 및 내부마찰각 등에 대한 기존의 설계반영값과 실제 측정값과의 차이를 계룡건설의 현장조사 자료를 포함한 총 38개의 사례를 분 석함으로써 경제적이고 신뢰성 높은 설계를 위한 지반정수의 적용기준을 제고하고자 한다(㈜계룡건설, 2015, ㈜단우기술단, 2009, ㈜단우기술단, 2009, 대림산업㈜, 2015, 대림산업㈜, 2014, 대림산업㈜, 2013, 대림산업㈜, 2013, 대림산업㈜, 2012, 대림산업㈜, 2011, 대림산업㈜, 2009, 대림산업㈜, 2008, 대림산업㈜, 2007, 대림산업㈜, 2007, 동부건설㈜, 2009, 동부건설㈜, 2008, 동부엔지니어링㈜, 2009, 두산건설㈜, 2007, 두산건설㈜, 2009, 삼성물산㈜, 2013, 삼성물산㈜, 2011, 삼성물산㈜, 2009, 삼성물산㈜, 2009, ㈜삼안, 2013, SK건설㈜, 2013, SK건설㈜, 2012, SK건설㈜, 2009, SK건설㈜, 2009, SK건설㈜, 2007, ㈜제일엔지니어링, 2006, 현대건설㈜, 2014, 현대건설㈜, 2010, 현대건설㈜, 2007, 현대산업개발㈜, 2010, 현대산업개발㈜, 2010, 현대산업개발㈜, 2009, 현대산업개발㈜, 2008, 현대산업개발㈜, 2007, 현대산업개발㈜, 2007). 특히 이들 중에서 유의미한 결과를 나타내는 풍화토 및 풍화암에 대한 점착력과 내부마찰각의 정량적 산정을 위해 기존의 국내외 장비 대비 우수성과 개선사항이 포함된 풍화대 강도특성 측정장치를 개발, 현장적용 시험을 통해 시험장비의 특성 및 바람직한 측 정방법을 검토하고자 한다

제안 방법

한계상태설계법의 적용 시 핵심 지반특성에 해당하는 단위중량, 포아송비, 변형계수, 점착력 및 내부마찰각의 국내 주요 지층별 분포특성을 파악하기 위해 계룡건설의 현장조사 자료(계룡건설, 2015)를 포함한 총 38개의 사례를 조사하였으며 이들 다섯 가지 변수들에 대해 각각 통계분석을 수행하였다.
4) 개발된 풍화대 강도특성 측정장치의 현장적용이 3개의 시추공에 대해 수행되었으며 총 20회의 공내전단시험을 통해 기존의 장비와 같이 수동 작업으로 진행하는 경우와 본 연구에서 개발된 자동 작업으로 진행하는 경우를 각각 별도로 수행하였으며, 각 시추공에 대해 시험자를 달리하여 시험을 수행하였다.
개발된 풍화대 강도특성 측정장치의 성능분석을 위해 현장시추조사 직후 동일한 지층에 대해 본 연구에서 개발된 자동모드 시험 과 기존의 방법에 의한 수동모드 시험을 병행 실시하여 각 시험법에 따른 강도특성 양상을 비교 분석하였다. 각 시험조건은 Table 3 에 정리한 바와 같으며, 모든 시험에 대한 시험구간의 선정은, 시험예정구간을 먼저 선정한 후 표준관입시험을 수행하여 지층의 N 값이 확인된 경우에 한해 50 cm를 추가 굴진하여 시험구간으로 선정하는 방법으로 진행하였다.
개발된 풍화대 강도특성 측정장치의 성능분석을 위해 현장시추조사 직후 동일한 지층에 대해 본 연구에서 개발된 자동모드 시험 과 기존의 방법에 의한 수동모드 시험을 병행 실시하여 각 시험법에 따른 강도특성 양상을 비교 분석하였다. 각 시험조건은 Table 3 에 정리한 바와 같으며, 모든 시험에 대한 시험구간의 선정은, 시험예정구간을 먼저 선정한 후 표준관입시험을 수행하여 지층의 N 값이 확인된 경우에 한해 50 cm를 추가 굴진하여 시험구간으로 선정하는 방법으로 진행하였다.
본 연구에서는 이러한 한계상태설계법에서 지반의 저항계수를 정량적으로 평가함에 있어 핵심 지반정수인 단위중량, 포아송비, 변형계수, 점착력 및 내부마찰각 등이 실제 설계에서 어떻게 적용되어 왔는지를 검토하기 위해 38개의 국내 시공사례를 분석하였으며, 이를 통해 지반안정성 해석에 주도적인 역할을 하는 점착력과 내부마찰각의 직접 측정에 대한 중요성을 확인할 수 있었다. 따라서 이들 지반특성값을 높은 신뢰수준으로 측정하기 위해 ASTM에서 규정하는 장비 및 측정방법의 기준을 최대한 준용할 수 있는 풍화대 강도특성 측정장치를 개발하였으며, 본 장비의 현장적용을 통해 개발된 장비의 성능분석을 수행하였다. 이상의 연구에 따른 결과를 요약하면 다음과 같다.
4, 5). 또한 현장 시험의 각종 조건과 시험진행 상황 및 결과 등이 자동으로 기록될 수 있는 S/W도 함께 개발함으로써, 시험의 정확성 및 자료의 축적 이용이하도록 하였다(Fig. 6).

성능/효과

1) 총 38개의 현장조사 사례에서 확인된 측정값과 도로설계편람(또는 지반조사편람)에 의한 제안값을 비교한 결과, 비교적 유사한 범위를 나타내는 단위중량과 달리, 포아송비는 경암의 경우 측정값의 상한 범위가 제안값의 상한 범위보다 높게 나타나는 것으로 분석되었으며, 변형계수 또한 풍화토 이상의 암반에 대해 측정값의 범위가 제안값의 범위보다 넓게 나타나는 것으로 분석되었다.
2) 기반암에 대해서는 실내시험결과를, 풍화토 및 풍화암에 대해서는 공내전단시험의 결과를 제시하고 있는 점착력의 경우, 공 내전단시험으로 제시되는 풍화토 및 풍화암에 대해서는 제안값의 범위가 100~300 kPa인 반면, 측정값의 범위는 19.5~37.0 kPa 로 나타나 제안값에 의해서는 매우 보수적인 설계값이 반영되어 왔음을 알 수 있으며, 내부마찰각의 경우는 제안값에 비해 측정값의 범위가 오히려 넓게 나타나는 경향을 확인하였다. 즉, 풍화토 및 풍화암에 대한 공내전단시험으로부터 구해지는 점착력과 내부마찰각은 측정값과 제안값 사이에 특정한 관계계수가 보이지 않는 점에서 신뢰도 높은 지반특성값의 제시를 위해서는 직접측정에 의한 정량값의 제공이 필요함을 알 수 있다.
3) 풍화대 강도특성 측정장치는 ASTM 표준절차에 따라 전단판의 면적, 전단판을 구성하는 톱니의 개수 및 형상, 전단판의 상승속도 제어를 위한 자동장치 등을 반영하여 개발되었으며, 본 장비에는 별도의 프로그램을 삽입하여 현장시험조건과 시험 상황 및 결과 등이 자동 기록됨과 동시에 보고서 발행까지 이루어지도록 하였다.
5) 3개 시추공에 대한 현장적용 결과, 자동 작업의 경우 수동 작업에 비해 점착력의 경우 0.6~1.2 kPa 가량, 내부마찰각의 경우 0.5~0.8° 가량 크게 나타나고 있으며, 점착력 및 내부마찰각 모두 수동 작업에 의한 표준편차가 자동 작업에 의한 표준편차보 다 크게 나타나고 있음을 확인하였는 바, 이는 시험자에 따라 또는 동일한 시험자라 하더라도 시험수행 상황에 따라 일관적이 지 않은 경우가 발생할 가능성이 높음을 의미하는 값이며, 따라서 풍화대 강도특성의 측정에 있어 매우 큰 요인으로 작용하는 장비 내 전단판의 상승속도의 정량적 조정의 중요성이 확인됨을 알 수 있다.
결론적으로 Table 1과 2의 국내 38개 사례에 대한 측정결과 및 설계값의 적용사례와, 한계상태설계법에서 핵심적으로 적용되는 지반특성값 제안식을 통한 지반특성값의 산정을 통해, 지금까지 국내 지반특성분석에서 적용되어 오던 설계값의 정량화의 필요성을 간과할 수 없다.
Table 2는 이들 38개 현장조사 사례분석을 통해 검토된 다섯 가지 지반특성값의 설계값과 식 (3)~(5)로 제안되는 한계상태설계 법에서의 지반특성값의 제안값을 비교하여 나타낸 것이다. 단위중량의 경우 이들 제안식에 의한 값과 실제 설계에 반영된 값의 차 이는 대동소이하나, 포아송비의 경우 최대 6.5%, 변형계수의 경우 최대 37%, 그리고 점착력의 경우 최대 5% 가량 하향평가되어 적용되었음을 알 수 있으며, 내부마찰각의 경우는 오히려 최대 10% 가량 상향평가되어 적용되었음을 알 수 있다.
분석결과, 단위중량의 경우, 연암층에 대한 측정값의 상한값이 제안값에 비해 다소 높은 경우를 제외하고는 측정값과 제안값이 거의 같은 것으로 분석되었다. 포아송비의 경우, 현장시험에 의한 측정이 용이하지 않은 관계로 연암 및 경암 등 기반암을 대상으로 한 실내시험 측정값이 제시되고 있으며, 연암에 대해서는 측정값과 제안값의 범위가 거의 유사하나, 경암의 경우에는 측정값의 상 한값이 다소 높은 것으로 분석되었다.
앞서 언급한 바와 같이, 한계상태설계법을 적용한 지반구조물 설계 시, 하중-저항계수와 관련한 지반특성값과 구조물의 안정성 해석을 위한 설계값(지반특성값✕저항계수)의 신뢰성 있는 도출이 필수적임을 38개 국내현장사례분석을 통해 알 수 있었으며, 현 지지반에 대한 직접 측정에 의한 지층별 지반특성값의 획득의 중요성을 알 수 있었다.
이와 관련하여 총 38개의 최근의 국내 지반조사 사례보고서를 검토한 결과, 대개 통상적으로 적용되어 온 기준에 의해 각 지층에 대한 이들 지반정수값을 적용하고 있음을 확인할 수 있었으며 이는 국내에서 지금까지 적용해 온 허용응력법 또는 극한강도설계법 에 의해 측정된 지반특성값보다 보수적인 설계값을 적용해 온 결과이다.
즉, 동일한 지반에 대해 기존에 국내외에서 사용 중인 장비에 의한 측정값과 본 연구에서 ASTM 의 전단판 설계기준 등을 만족하게 개발한 장비에 의한 측정값의 절대적인 비교 분석은 수행할 수 없었으나, 개발 장비의 자동화 시스템 적용과 기존 장비와 같이 자동화를 적용하지 않은 경우에 대한 비교 시험 결과, 자동화를 통한 시험자의 오차발생 가능성을 최소화시킴으로써 현실적인 시험수 량의 제약에도 불구하고 정량적이고 신뢰성이 확보되는 지반특성값의 제공이 가능함을 확인할 수 있었다.

후속연구

따라서 현실적으로 한정된 시험수량으로 시험을 수행할 수밖에 없는 많은 경우에 최소한의 시험수량으로 신뢰성 있는 강도특성값 을 측정, 제공하기 위해서는 시험자 및 시험방법의 오류에 의한 오차발생을 최소화할 수 있는 장비의 성능이 확보되어야 할 것이다
대부분 현장시험에 의해 산정되는 풍화토 및 풍화암 지반의 점착력과 내부마찰각은, 한계상태설계법에서의 핵심 지반특성값이며 설계의 신뢰도 및 정확성 향상을 위해 반드시 직접 측정에 의해 제시되어야 할 것이다. 또한 현실적으로 한정된 수량으로 시험을 수행할 수밖에 없는 경우를 감안할 때 시험자의 주관적 오류 또는 시험장비의 기계적 오류에 의한 오차발생을 최소화하고 최소한의 시험수량으로도 자료의 신뢰성을 확보할 수 있는 시험장비 및 시험방법의 현장적용이 반드시 확보되어야 할 것이다.
한편, 점착력의 경우, 기반암에 대해서는 실내시험결과를, 풍화토 및 풍화암에 대해서는 공내전단시험의 결과를 제시하고 있으 며, 실내시험결과의 경우 제안값 대비 측정값의 차이가 매우 크게 나타나나 이는 실내시험의 결과이므로 적절한 감쇠계수의 적용이 필요한 것으로 판단된다. 그러나, 풍화토 및 풍화암에 대한 점착력의 경우에는, 제안값의 범위가 100~300 kPa로 매우 넓은 반면, 측정값은 19.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반구조물에 대한 한계상태설계의 정확성 및 신뢰도 향상에 큰 영향을 미치는 지반특성값으로는 어떤 것이 있는가?	지반구조물에 대한 한계상태설계법의 적용에 있어서 단위중량, 포아송비, 변형계수, 점착력 및 내부마찰각 등은 설계의 정확성 및 신뢰도 향상에 매우 큰 영향을 미치는 지반특성값이다. 특히 풍화토 및 풍화암 등 풍화대에 지반구조물이 위치하게 될 경우 이들 지반특성값 중에서도 점착력과 내부마찰각이 구조물과 지반의 하중 및 저항계수를 판정하는데 매우 높은 연관성이 있으며 따라서 공내전단시험과 같은 현장시험으로부터 구해지는 이들 지반정수의 정확한 산정은 지반구조물의 최적설계를 좌우하는 중요한 요소이다.
	하중저항계수설계법이란?	일반적으로 한계상태설계법은 북미지역에서 주로 사용되는 하중저항계수설계법(Load and Resistance Factor Design, LRFD) 과 유럽지역에서 주로 사용되는 유로코드(Eurocode)로 구분되는데(US Department of Transportation Federal Highway Administration, 2015, European Commission, 2013), 하중저항계수설계법은 모델에 의해 계산된 저항값(또는 강도값)에 재료나 설계모델의 불확실성을 반영하기 위하여 총저항값에 저항계수를 곱해주는 방법인 반면, 유로코드는 설계저항값 및 강도값을 정의하기 위해 필요한 다양한 설계정수들에 각각 부분안전계수를 적용함으로써 저항값의 불확실성을 반영하는 방법이라 요약할 수 있다.
	지반정수의 정확한 측정 중 점착력과 내부마찰각에 높은 신뢰도가 필요한 이유는 무엇인가?	그런 점에서 터널설계 시 이완하중 및 지반스프링 산정에 필수적으로 요구되는 지반정수, 즉 단위중량, 변형계수, 포아송비, 점착력 및 내부마찰각 등의 정확한 산정은 한계상태설계법의 근간이 된다고 할 수 있다. 그중에서 실내시험 결과값과 현장시험 결과값의 차이 가 매우 커서 현장상황에 크게 좌우되는 점착력과 내부마찰각은 부재의 안정성 해석에 가장 큰 영향을 미치는 변수로서 높은 신뢰도가 요구된다(한국암반공학회 외, 1999).

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상세보기
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현대산업개발(주), 2010, 부산-마산 복선전철 민간투자시설사업.
현대산업개발(주), 2009, 서울지하철 9호선 3단계 919공구 기본설계.
현대산업개발(주), 2008, 서울지하철 9호선 2단계 916공구 실시설계.
현대산업개발(주), 2007, 서울지하철 9호선 2단계 916공구 기본설계.
현대산업개발(주), 2007, 인천청라지구 경제자유구역 개발사업 5공구.

저자의 다른 논문 :

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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