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문제 정의
- 둘째, 실내 아크릴모형실험을 통해 제방의 지하수위 조건을 재현하고 이를 해석해 TDR센서의 현장적용성을 증명하고자 하였다.
- 이러한 이유들을 해결하고자 본 논문에서는 첫째, TDR센서를 이용하여 실내 포화도변화실험을 통해 TDR데이터에 대한 포화도 함수를 만들고 푸리에 변환을 통한 필터링 기법을 찾고자하였다.
- 실내에서 제작한 TDR센서를 현장의 보링홀에 넣고 표준사로 충진하여 계측을 수행하였다. 표준사로 충진한 이유는 계측 데이터의 필터링 및 계산과정에서 실내실험과 현장의 조건을 동일하게 하기 위함이고 표준사로 충진하지 않고 보링 시 현장의 흙의 채취하여 실내실험을 할 수도 있으나 본 연구에서는 실내실험에서 TDR센서의 현장적용성을 증명한 후 현장에 적용하고자 하였음으로 표준사를 충진제로 결정하였다.
제안 방법
- TDR센서를 Start Point와 End Point에 도체인 철을 접촉시켜 TDR데이터의 변화를 파악하고 이를 해석하여 TDR센서의 위치를 그래프에서 파악할 수 있도록 하였다.
- 포화도가 30인 함수비 9%의 시료를 만들기 위하여 표준사 1000g당 물 90g을, 포화도가 60인 함수비 18%의 시료를 만들기 위하여 표준사 1000g당 물 180g을, 포화도가 100인 함수비 30%의 시료를 만들기 위하여 표준사 1000g당 물 300g을 배합하였다.
- 3. 아크릴모형실험 및 포화도 변화실험은 충진제를 표준사(주문진)를 사용하였고 현장의 보링홀에도 똑같은 표준사로 충진하여 현장의 조건을 그대로 실험실에서 재현하고자 하였다.
- 건조된 표준사를 바닥에 10cm의 두께로 깔고 그 위에 실험용 케이블들을 올리고 다시 10cm의 표준사로 덮었다. 건조된 상태에서 TDR센서로 계측한 후, 30cm지점과, 100cm지점을 포화시켜 계측하여 그 결과를 비교하였다.
- 둘째, 실내 아크릴모형실험을 통해 제방의 지하수위 조건을 재현하고 이를 해석해 TDR센서의 현장적용성을 증명하고자 하였다. 마지막으로, 실제 제방에 TDR센서를 설치하고 수위변화에 따라 계측을 실시하여 제방의 포화도 해석하고 이를 통해 지하수위 및 불포화영역을 결정하고자 하였다.
- 설치한 TDR센서를 현장조건을 달리하여 계측하였다. 먼저 수문을 개방하여 저수위 조건에서 2회 계측을 실시하였고 수문을 폐쇄하여 고수위 조건일 때 2회 계측하였다.
- 설치한 TDR센서를 현장조건을 달리하여 계측하였다. 먼저 수문을 개방하여 저수위 조건에서 2회 계측을 실시하였고 수문을 폐쇄하여 고수위 조건일 때 2회 계측하였다.
- 실내실험으로는 TDR데이터로 지반의 포화도 함수를 만들기 위한 포화도 변화실험과 현장의 적용성을 증명하기 위한 아크릴모형실험을 수행하였다. 이들 실험을 통한 결과는 다음과 같다.
- 실내에서 제작한 TDR센서를 현장의 보링홀에 넣고 표준사로 충진하여 계측을 수행하였다. 표준사로 충진한 이유는 계측 데이터의 필터링 및 계산과정에서 실내실험과 현장의 조건을 동일하게 하기 위함이고 표준사로 충진하지 않고 보링 시 현장의 흙의 채취하여 실내실험을 할 수도 있으나 본 연구에서는 실내실험에서 TDR센서의 현장적용성을 증명한 후 현장에 적용하고자 하였음으로 표준사를 충진제로 결정하였다.
- 실험결과 철선이 가장 노이즈가 적고 함수비 변화에 민감한 것으로 나타났고 철선의 굵기에는 큰 영향이 없어 센서 제작 시 작업의 편의성을 고려하여 철선 ∅1.2를 TDR센서의 계측선으로 결정하였다.
- 이들 공식들을 이용하여 TDR데이터의 포화도를 파악하고 건조영역과 불포화영역, 그리고 포화영역을 구분하고 지하수위를 파악하였다.
- 실내실험을 통하여 TDR데이터에 따른 포화도 함수를 만들었고 현장적용성도 증명할 수 있었다. 이를 대표적 수리구조물인 제방에 설치하여 고수위, 저수위 시에 지하수위 및 불포화영역을 파악해 보았으며 그 결과는 다음과 같다.
- 그림 7은 저수위와 고수위 조건에서 계측한 TDR데이터이다. 이를 필터링과정을 통하여 노이즈를 제거하고 실내실험에서 구한 함수비의 함수로 계산하여 지반의 포화도를 파악하였다.
- 3m 지점에 호수를 설치하였다(그림 5). 중력방향의 침투와 모관상승의 영향을 정확히 파악하기 위하여 침투유량을 적게하였다. 그림 5 (b)는 0.
- 지하수위의 변화 및 측방 침투로 인한 함수비 변화를 TDR계측 데이터의 변화를 정확하게 파악하기 위해, 아크릴(Φ80, t=3) 파이프로 3m 길이의 Boring Hole과 동일한 모형을 제작하였다.
- 지하수의의 변화를 파악하기 위하여 아크릴 모형의 하부와 0.3m지점에 호수를 설치하였고 측방 침투를 파악하기 위해 1.3m 지점에 호수를 설치하였다(그림 5).
- 철선 두 가닥의 접지를 막기 위하여 두 철선 사이에 플라스틱판(t=3mm)을 끼우고 케이블 타이로 묶어 철선의 이탈을 막았다.
- 포화도 변화 실험을 통해 TDR데이터를 이용하여 지반의 포화도를 구하는 함수식을 만들 수 있었다. 그리고 아크릴모형실험을 통해 지하수위 변화와 측방침투에 대해 TDR센서의 현장 적용성도 증명할 수 있었으며 추후 현장 TDR데이터의 필터링 및 계산에 필요한 자료들도 구할 수 있었다.
- 포화도에 따른 TDR데이터의 변화를 파악하기 위해 포화도 30%, 60%, 100%일 때의 단위체적당 토립자의 무게와 물의 무게를 계산하였다.
대상 데이터
- 동축케이블과 연결할 계측선은 노이즈 발생량이 적고 함수비의 변화에 민감한 해야하므로 이를 결정 하기위하여 철선(∅1.2, 1.5, 2.0)과 니크롬(∅0.5, 1.2), 구리(∅0.19), 동축케이블(4C-FB), 일반전선 등의 여덟 종류의 선으로 실험하였다.
- 본 연구에서 사용된 TDR은 Hyperlab, inc.에서 생산하는 HL8200NET을 선정하였다. 그 이유는 이 제품의 가격이 그리 비싸지가 않고(400만원), 크기도 작아서 휴대용으로 노트북컴퓨터에 연결하여 쓸 수 있어 토목구조물의 현장실험에 용이 하기 때문이다.
이론/모형
- 계측자료는 항상 시간에 따른 불규칙 신호인 노이즈를 포함하고 있기 때문에, 정확한 시험결과를 얻기 위하여 이 노이즈를 제거하여야 한다. 노이즈를 제거하기위한 방법으로 2단계의 필터링기법을 사용하였고, 1단계로 이동평균법을 사용한 후 2단계로 푸리에 변환을 이용하였다. 이동평균법은 계측자료에 포함된 낮은 frequency의 노이즈를 제거하기위한 기법으로 아래의 식 3을 이용하였다.
성능/효과
- 1. 수위를 변화시켜가며 계측해본 결과 지하수위와 불포화영역을 정확히 파악할 수 있었으며 유선망작도 및 지하수위의 상승, 하강을 정확히 파악할 수 있었으므로 제방의 안정성 해석에도 활용할 수 있었다.
- 1. 포화도 변화에 따른 TDR데이터 변화는 일정했으며 이를 회귀 분석을 통하여 함수화하였고 이 함수를 이용하여 현장지반의 포화도 및 함수비를 파악할 수 있었다.
- 2. 아크릴모형실험을 통하여 지하수위를 변화시켜본 결과 TDR센서를 이용하여 그 변화를 정확히 파악할 수 있었으며, 측방침투도 정확히 그 위치를 파악할 수 있었다. 뿐만 아니라 모관상승에 인한 불포화영역 또한 정확히 파악할 수 있어 이를 근거로 TDR센서의 현장 적용성을 증명할 수 있었다.
- 3. 본 연구에서 제방에 설치한 TDR센서 BH-6, 7 간의 간격이 3.2m로 간격이 좁고 지형이 주변 산까지는 100m정도 평지에 가까운 완경사이므로 두 센서에서의 지하수위차가 크지 않았다. 제방에 설치 시에는 센서간의 간격 및 위치 등은 주변지형을 잘 파악하여 설치하여야 할 것이다.
- 논문에서 나타낸 것은 1.3m지점에서의 측방침투만 나타내었지만 아크릴모형실험을 하며 다양한 조건에서 TDR데이터를 해석해본 결과 그 값이 정확했으며 이를 근거로 TDR센서의 현장적용성을 증명할 수 있었다.
- 뿐만 아니라 모관상승에 인한 불포화영역 또한 정확히 파악할 수 있어 이를 근거로 TDR센서의 현장 적용성을 증명할 수 있었다.
- 실내실험을 통하여 TDR데이터에 따른 포화도 함수를 만들었고 현장적용성도 증명할 수 있었다. 이를 대표적 수리구조물인 제방에 설치하여 고수위, 저수위 시에 지하수위 및 불포화영역을 파악해 보았으며 그 결과는 다음과 같다.
후속연구
- 데이터 Filtering과 Calibration을 거쳐 제방의 불포화영역과 지하수위를 그림 10 ~ 11과 같이 파악하였다. 가로축을 포화도와 함수비로 나타내었으며 제방 및 사면의 설계 및 안정해석 시 활용할 수 있을것이다.
- 기존의 사면의 안정성은 강우에 가장 큰 영향을 받고 있으나 강우로 인한 지하수위 변화 및 지표면 침투로 인한 포화대 하강, 불포화영역의 변화를 정확히 파악할 수 없어 경제적이고 합리적인 설계가 힘들었으나 TDR센서를 현장에 설치할 경우 이를 정확히 파악할 수 있으므로 보다 경제적이고 합리적인 설계가 가능할 것이다.
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