[논문]전기저항 콘 프로브를 이용한 해안지반의 간극률 산정

이종섭; 김준한; 윤형구; 조태현; 최용규

전기저항 콘 프로브를 이용한 해안지반의 간극률 산정
Porosity estimation using electrical resistance Cone Probe in offshore soils 원문보기

이종섭 (고려대학교 건축.사회환경공학과) , 김준한 (고려대학교 건축.사회환경공학과) , 윤형구 (고려대학교 건축.사회환경공학과) , 조태현 (고려대학교 건축.사회환경공학과) , 최용규 (경성대학교 토목공학)

The electrical resistivity methods have been commonly used for figuring out the ground layers. The purpose of this paper, differently from previous methods, is not only to figure out the layers but also to develope a equipment and a method to analyze ground porosity. Equipment has a shape of cone, which can be coupled with drilling rods. A field penetration test was performed to test application in Incheon Chungla area. Through the field test soil resistances were measured. To calculate soil porosity along the depth, Archie's law is applied. The results show that a new equipment and porosity analysis method using Archie's law can distinguish soil layers and precisely measure soil porosity.

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문제 정의

본 논문은 전기비저항과 간극률 간의 상관관계에 대한 이론적 배경을 소개하고 새롭게 개발된 전기저항 콘 프로브및 측정시스템을 소개하였다. 또한 개발된 장비의 현장 적용성을 검증하기 위해 실시한 현장시험과 그 결과를 소개하였다.
이에 본 논문은 지반의 층상구조 파악만이 아닌 토목공사 등의 실 설계에 필요한 지반정수인 간극률을 산정할 수 있는 해석 방법 및 실험장비를 소개하려 한다. 본 논문은 전기비저항과 간극률 간의 상관관계에 대한 이론적 배경을 소개하고 새롭게 개발된 전기저항 콘 프로브및 측정시스템을 소개하였다. 또한 개발된 장비의 현장 적용성을 검증하기 위해 실시한 현장시험과 그 결과를 소개하였다.
하지만 기존의 전기비저항 탐사장비들은 지층의 대략적인 구조파악이나 오염물질의 존재여부 조사는 가능하지만 지반정수의 산정은 어려운 실정이다. 이에 본 논문은 지반의 층상구조 파악만이 아닌 토목공사 등의 실 설계에 필요한 지반정수인 간극률을 산정할 수 있는 해석 방법 및 실험장비를 소개하려 한다. 본 논문은 전기비저항과 간극률 간의 상관관계에 대한 이론적 배경을 소개하고 새롭게 개발된 전기저항 콘 프로브및 측정시스템을 소개하였다.

가설 설정

또한 현장의 간극률 n은 채취된 시료에 대하여 Sㆍe = uㆍ G_s관계를 적용하여 산정하였다. 추출된 비교란 시료의 심도가 지하수위인 1.3m보다 깊은 3.4m와 6.6m이므로 포화도 S는 1로 가정하였다. 함수비와 비중은 물성실험을 통해 구한 데이터를 사용하였다.

제안 방법

1982). 그러므로 염분에 의한 부식을 최소화하기 위해 스테인레스 재질을 사용하여 제작하였다. 그림 1(a)는 프로브의 모습으로 총길이는 130mm, ,중심전극의 직경 4mm, 두께 1.
개발된 전기저항 콘 프로브를 인천 OOO 현장에서 관입깊이 11m까지 적용하였다. 또한 기존 지반조사방법과 비교하기 위하여 콘 프로브 시험공과 1m 떨어진 곳에 표준관입실험을 실시하였다. 표준관입시험 시 점토지반에서 비교란 시료를 채취하였으며 비교란 시료 중 일부에서 시료를 채취하여 간극수의 특성을 분석하였다.
또한 현장의 간극률 n은 채취된 시료에 대하여 Sㆍe = uㆍ Gs관계를 적용하여 산정하였다.
본 연구에서 전기저항 콘 프로브와 함께 흙의 전기저항을 측정하기 위해 LCR Meter (Intec LCR-819, 최대주파수 100kHz, 최대전압 1.275V)를 사용하였다. LCR Meter는 전자부품 및 시료의 전기적 특성을 관찰하는 장비로 주파수에 따른 전기적 특성을 측정할 수 있다.
동축전선은 쉴드 도선망을 통해 신호의 누전이나 신호의 간섭을 차단하는 역할을 하여 효과적인 측정을 위해 전기저항 콘 프로브에 적용하였다. 연결된 전선 납땝 부분은 지하수에 의한 합선을 방지하기 위해 에폭시를 사용하여 방수 처리 하였다. 그림 1(b)는 탐침과 콘의 연결, 콘과 관입기 로드와의 연결을 그린 모식도이다.
포화된 지반의 해안지반의 현장 간극율은 전기 저항과 직접적인 관련이 있다. 이와 같이 현장 간극율과 직접적으로 관련이 있는 전기저항을 이용하여 해안지반의 간극율을 효과적으로 산정하기 위한 전기저항 콘 프로브를 개발하여 현장에 적용하였다. 개발된 전기저항 콘 프로브는 선단은 콘 형상으로 되어 있으며 선단에 전기저항을 측정하도록 되어 있다.
전기저항 콘 프로브를 관입하면서 전기저항을 측정하였으며, 측정된 전기저항값에 비저항 계수 α (식 4 참조)를 이용하여 지반의 전기비저항값을 산정할 수 있다.
간극수의 특성을 산정하기 위하 3m 및 6m 깊이에서 채취된 시료에 대하여 약 25g씩 각각 3개의 시료를 채취하였다. 즉 6개의 시료를 추출하였으며 이 시료를 원심분리기를 4000RPM에서 약 3시간 작동하여 간극수와 시료를 분리하였다. 분리된 간극수를 모아 측정한 각 깊이별 간극수의 전기전도도 및 비저항값을 표 1에 나타내었다.
또한 기존 지반조사방법과 비교하기 위하여 콘 프로브 시험공과 1m 떨어진 곳에 표준관입실험을 실시하였다. 표준관입시험 시 점토지반에서 비교란 시료를 채취하였으며 비교란 시료 중 일부에서 시료를 채취하여 간극수의 특성을 분석하였다. 분석된 간극수의 특성을 이용하여 현장 지반의 전기 비저항 프로파일을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

지하수위는 지표면으로부터 깊이 1,3m에 존재한다. 1.5~9.0m의 매우 연약한 실트질 점토층에서 비교란 시료를 채취하였다.
현장의 간극율을 산정하기 위해서는 식 (3)에서와 같이 간극의 전기전도도 또는 간극수의 비저항값의 산정이 필요하다. 간극수의 특성을 산정하기 위하 3m 및 6m 깊이에서 채취된 시료에 대하여 약 25g씩 각각 3개의 시료를 채취하였다. 즉 6개의 시료를 추출하였으며 이 시료를 원심분리기를 4000RPM에서 약 3시간 작동하여 간극수와 시료를 분리하였다.
개발된 전기저항 콘 프로브를 인천 OOO 현장에서 관입깊이 11m까지 적용하였다. 또한 기존 지반조사방법과 비교하기 위하여 콘 프로브 시험공과 1m 떨어진 곳에 표준관입실험을 실시하였다.
LCR Meter와 컴퓨터는 서로 연결시켜 측정에 따라 자동으로 데이터를 저장하도록 하였다. 전기저항 콘 프로브는 분당 20cm의 속도로 관입하며 초당 약 2개의 데이터 측정하였다.
전기저항 콘 프로브의 현장실험을 수행한 장소는 매립으로 조성된 인천의 OOO 현장이다. 현장 실험은 그림 4와 같이 유압식 시추기를 이용하여 프로브를 관입하여 수행하였다.
6m이므로 포화도 S는 1로 가정하였다. 함수비와 비중은 물성실험을 통해 구한 데이터를 사용하였다. 즉, 물성실험에서 산정된 값을 적용하여 θ값을 산정할 수 있으며 그 값은 약 -1.

데이터처리

전기저항 프로파일과 추출된 시료의 초기 간극비를 적용하여 Archie's law의 상수값 θ을 결정할 수 있었다. 계산된 상수값과 측정된 전기비저항을 이용하여 현장 간극률 프로파일을 얻을 수 있었다. 현장 간극률 프로파일은 표준관입저항치와 반비례로 관계로 나타나 강도특성과 좋은 상관관계가 있음을 알 수 있었다.

이론/모형

전기저항 콘 프로브의 설계는 강도적, 전기적, 전기화학적 그리고 기하학적 특성을 고려하여야 하며, 본 연구는 Lee (2003)의 연구에 기초하였다. 전기저항 콘 프로브는 시추기의 로드와 결합하여 관입을 실시하면서 대상지반의 비저항을 측정하는 장비로 전체의 모습은 그림 1과 같다.
현장의 간극율 산정은 Archie's Law의 경험식을 이용한다.

성능/효과

표준관입시험 시 점토지반에서 비교란 시료를 채취하였으며 비교란 시료 중 일부에서 시료를 채취하여 간극수의 특성을 분석하였다. 분석된 간극수의 특성을 이용하여 현장 지반의 전기 비저항 프로파일을 얻을 수 있었다. 전기저항 프로파일과 추출된 시료의 초기 간극비를 적용하여 Archie's law의 상수값 θ을 결정할 수 있었다.
실험을 실시한 현장은 지하수위가 1.3m이므로 1m부터 2m까지는 간극내의 공기의 영향으로 비저항 1.3m 1m 2m 값이 크게 측정되었다. 약 2m부터 9m까지 일정한 비저항 값이 측정되고 9m 이후 비저항 값이 증가하였다.
지반조건을 살펴보면 0.0m~1.5m는 점토질 실트의 매립층 1.5~9.0m는 매우 연약한 실트질 점토 9.0m~12m 견고한 실트 퇴적층, 12m~16m는 견고한 점토 섞인 모래질 실트 퇴적층으로 나타났다. 지하수위는 지표면으로부터 깊이 1,3m에 존재한다.
약 2m부터 9m까지 일정한 비저항 값이 측정되고 9m 이후 비저항 값이 증가하였다. 한편 표준관입저항치도 전기비저항과 유사하게 깊이 2m~8m구간에서 5회 미만으로 일정하며, 8m 이후부터는 N치가 증가하는 것으로 나타났다. 전기저항 콘 프로브는 지반의 간극수, 간극율의 공간적 분포에 영향을 받지만 표준관입시험치는 강도특성에 영향을 받음에 주의하여야 한다.
계산된 상수값과 측정된 전기비저항을 이용하여 현장 간극률 프로파일을 얻을 수 있었다. 현장 간극률 프로파일은 표준관입저항치와 반비례로 관계로 나타나 강도특성과 좋은 상관관계가 있음을 알 수 있었다. θ값을 효과적으로 평가할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하며, 해안지역의 θ값에 대한 자료가 축적되면, 현장의 간극률을 매우 효과적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

θ값을 효과적으로 평가할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하며, 해안지역의 θ값에 대한 자료가 축적되면, 현장의 간극률을 매우 효과적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

전기저항 콘 프로브로는 어떠한 이유로 스테인레스 재질을 사용하여 제작하였는가?

1982). 그러므로 염분에 의한 부식을 최소화하기 위해 스테인레스 재질을 사용하여 제작하였다. 그림 1(a)는 프로브의 모습으로 총길이는 130mm, ,중심전극의 직경 4mm, 두께 1.

전기비저항 탐사법이란?

전극 사이 지반의 전류와 전위를 측정하여 흙의 비저항 및 전도도 등을 측정하여 지층의 특성을 파악 하는 것이 전기비저항 탐사법이다. 전기비저항 탐사에 사용되는 장비는 여러 개의 전극을 지표에 설치하는 방식이나 콘의 Friction sleeve 뒤쪽에 웨너 전극을 설치하는 방식 등이 있다(방은석 외 , 2007).

전기비저항 탐사에 사용되는 장비는 어떤 방식들이 있는가?

전극 사이 지반의 전류와 전위를 측정하여 흙의 비저항 및 전도도 등을 측정하여 지층의 특성을 파악 하는 것이 전기비저항 탐사법이다. 전기비저항 탐사에 사용되는 장비는 여러 개의 전극을 지표에 설치하는 방식이나 콘의 Friction sleeve 뒤쪽에 웨너 전극을 설치하는 방식 등이 있다(방은석 외 , 2007).

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