1. 서 론
2. 배경이론
2.1 전기비저항 탐사
2.2 탄성파 탐사
2.3 지표투과레이더
3. 현장실험
4. 현장실험 결과
4.1 전기비저항 탐사
4.2 탄성파 탐사
4.3 지표투과레이더(Ground Penetration Radar, GPR)
5. 토 론
6. 결 론
1. 서 론
건설 공사 시 원지반에는 지지력을 확보하고 건설 기계의 이동성을 담보하기 위하여 사석을 통해 성토 하중이 가해지며, 사면 구조물 및 제방 등의 뒷채움 재료에도 사석이 활용된다(Lee and Chang, 2005). 사석은 주로 굵은 모래 이상의 입자 크기를 가지고 있는 자갈 및 암석으로 전단 강도가 일반적인 흙 보다 큰 공학적 특성을 보여 다양한 구조물에 건설 재료로 활용하고 있다(Ha and Lim, 2013; Bong et al., 2018). 사석을 이용한 지반은 지지력이 증가하는 장점은 있지만, 사석과 흙이 혼합될 경우 침투 특성이 상이하여 해안가의 방조제나 집중호우가 발생하는 우기에는 특별한 관리가 필요하다. 하지만 사석과 흙이 혼합된 지반의 공학적 물성치를 정확하게 결정하는 것은 현장의 시료 채취가 어려운 한계점이 있어 주로 현장 지반조사 결과 값을 이용하여 유추하고 있다. 사석이 존재하는 지반의 지반조사 방법은 관입 장비의 내구성으로 인해 표준관입시험 등의 원위치 시험 방법 보다는 비파괴 탐사 방법이 이용되며, 이를 통해 사석과 흙이 존재하는 지반의 특성을 관찰하고 있다.
지반 분야의 특성을 평가하기 위해 주로 사용하는 비파괴 조사 방법은 전기비저항 탐사, 탄성파 탐사 그리고 지표투과레이더 방법 등이 있다. 해당 방법들은 넓은 면적의 지반 특성을 비교적 간단하고 짧은 시간에 확인할 수 있는 장점이 있어 지반 조사 분야에 많이 활용되고 있다(Song et al., 2020; Go and Lee, 2021). 비파괴 조사 방법에 이용되는 기법의 주요 원리는 전자기파와 역학적인 파를 이용하는 것으로 상이한 매질이 존재할 경우 반사 및 굴절 되는 특성으로 지반의 하부구조를 파악 할 수 있다(Kim et al., 2013; Jeon et al., 2021). 하지만, 사석과 흙이 혼합되어 있는 경우 매질의 특성이 거의 유사한 하나의 구조체로 볼 수 있어 전자기파와 역학적인 파로 사석 지층내 특징을 살펴보기는 어려운 한계가 있다. 이와 같은 한계점은 각 지층 간 임피던스 차이의 구별이 어려운 충적층의 경우 비파괴 탐사 방법으로 내부의 특성을 확인하기 어렵다는 선행 연구 결과에도 제시되어 있다(Park et al., 2013). 따라서 해당 논문에서는 건설 현장에서 주로 활용하고 있는 비파괴 탐사 3종인 전기비저항 탐사, 탄성파 탐사 그리고 지표투과레이더 방법을 사석과 흙이 혼합되어 있는 지역에 적용하여 각각의 해상도를 비교하고자 하였다.
해당 논문은 비파괴 탐사 기법의 일환인 전기비저항 탐사, 탄성파 탐사 그리고 지표투과레이더 방법의 기본적인 배경이론으로 시작하며, 현장 실험이 수행된 지역에 대해서도 묘사하였다. 각 실험 방법이 현장에 적용된 조건을 설명한 후 결과를 이미지 형태로 도시하였으며, 동적 콘 관입 시험을 적용한 결과와 비교하여 신뢰성을 검증하였다.
2. 배경이론
2.1 전기비저항 탐사
전기비저항은 지반의 전기적인 특성을 이용하여 지층의 특성을 이해하고 구분하기 위해 활용하는 비파괴 탐사 방법으로 댐 구조물의 안정성(Kim et al., 2013), 시추공의 슬라임 두께(Chun et al., 2013) 그리고 지반 재료 특징 평가(Pyo et al., 2018) 등에 다양하게 활용되고 있다. 전기비저항 탐사는 일반적으로 4개의 전극이 이용되며, 2개의 전극은 전류를 대상 매질에 주입하고 나머지 2개는 전류로 인해 발생한 전위 차이를 측정한다. 전류와 전위는 저항 계산에 필요하며, 비저항으로 환산하기 위해서는 거리계수가 이용된다. 해당 논문에서는 실험 방법 및 해석이 비교적 간단한 웨너 배열(Wenner array)를 적용하였으며, 웨너 배열의 거리계수는 전극개수와 전극간의 거리가 이용된다.
2.2 탄성파 탐사
탄성파 탐사는 대상 매질에 인위적인 신호를 가하고 이 신호가 반사 혹은 굴절되면서 가지고 있는 정보를 분석하여 지반의 특징을 이해하는 방법이다. 탄성파 탐사도 전기비저항과 동일하게 지반 설계 정수 추출(Byun et al., 2012) 및 지반 재료 특징 이해(Yang, 2014) 등 다양하게 활용되고 있다. 인위적인 신호는 해머, 다이너마이트 그리고 weight drop 등이 이용되나 해당 연구에서는 얇은 가탐심도를 고려하여 일반적으로 사용하고 있는 해머를 활용하였다. 측정된 신호는 초동 시간을 분석하여 주시곡선으로 도시할 수 있으며, 이를 통해 최종적으로 지층의 속도 및 두께를 유추할 수 있다. 해당 연구에서도 주시곡선을 통해 사석이 존재하는 지층의 특성을 분석하고자 노력하였다.
2.3 지표투과레이더
지표투과레이터(Ground penetration radar: GPR)은 전자기파를 활용하는 비파괴 탐사 방법으로 지반 하부 구조 특성(Hong et al., 2015) 및 공동 위치(Go and Lee, 2021)를 찾기 위해 활용되고 있다. 전기비저항 및 탄성파 탐사와 동일하게 GPR 도 입력 및 출력 회로로 구성되며, 입력은 수 MHz~GHz 범위의 고주파수의 전자기파가 이용되며 지반 내부에서 반사되어 돌아오는 신호를 출력하는 방식으로 실험이 진행된다. 해당 연구에서는 얕은 심도의 지반 내부 구조를 확인하는데 유용하게 활용되는 GPR을 통해 사석 지층의 특징을 고찰하였다.
3. 현장실험
현장 시험은 경기도 동탄에 위치한 건설현장에서 수행되었으며, 현장은 Fig. 1(a)의 사진과 같이 사석이 포함된 흙이 성토 되고 있는 것을 알 수 있다. 해당 건설 현장은 원 지반 상부에 이미 사석과 흙이 혼합되어 있어 비파괴 탐사 방법을 적용하기 적절한 지역으로 선정하였으며, Fig. 1(b)는 현장에서 수행하고자 하는 비파괴 기법의 탐사 측선을 보여준다. 탐사 측선은 지반 내부의 해상도를 상세하게 비교하기 위하여 총 7개의 측선으로 결정하였으며, Fig. 2는 전기비저항과 탄성파 탐사의 상세한 측선을 보여준다. 전기비저항 탐사의 전극과 탄성파 탐사의 지오폰은 각 측선에서 2m 간격으로 설치하였으며, 총 길이가 60m 이므로 수신기는 30개를 지반에 부착하였다. GPR 탐사는 1~7번 lines 모두 진행하였으며, 200MHz 안테나를 이용하여 지반 내부의 특성을 분석하였다. 전기비저항과 탄성파 탐사는 각각 Sting R1 과 Geode 제품을 활용하였으며, GPR은 200MHz와 600MHz의 듀얼 안테나를 가지고 있는 RIS MF Hi-Mod를 이용하였다.
또한 추가적으로 동적 콘 관입 시험(dynamic cone penetration test: DCPT)도 수행하였으며, DCPT는 선단 콘에 연결된 해머를 타격 후 콘이 관입된 깊이를 측정하는 방식이다. 해당 연구에서는 3가지 비파괴 실험 방법으로 도출된 결과를 DCPT와 비교 및 고찰하고자 해당 관입 시험 방법을 적용하였다. DCPT는 앞서 설명한 비파괴 탐사 방법처럼 짧은 간격의 연속적인 측정이 가능하나 그 간격을 촘촘히 설정할수록 실험 시간이 증가하는 한계가 있어 실험 목적에 맞게 적절하게 조절할 필요가 있다. Fig. 3은 DCPT가 수행된 측선을 보여주며 각 측선 마다 10m 간격으로 수행되었다. 또한 비파괴 탐사 방법과 달리 현장 실험 여건 상 4~7번 lines 에서만 실험이 수행 되었다.
4. 현장실험 결과
4.1 전기비저항 탐사
전기비저항 탐사 결과는 Fig. 4에 도시하였으며, 가탐심도를 고려하여 사석이 존재하는 얇은 지층만을 관찰하기 위해 깊이 2m까지 전기비저항 값을 나타내었다. 각 측선 마다 계산된 전기비저항은 모두 파란색과 빨간색 부분이 저비저항과 고비저항을 의미하나, 범례는 각 측선 모두 상이한 특징을 가지고 있다. 물론 범례를 하나의 값으로 통일하여 모든 측선을 비교할 수 있지만 해당 논문에서는 각 측선의 상대적이 특징을 살펴보기 위해 고유의 범례 값으로 도시하였다. 각 측선 범례의 최소값과 최대값의 차이는 line 1번~7번까지 각각 705Ω·m, 652Ω·m, 1,787Ω·m, 621Ω·m, 438Ω·m, 1,043Ω·m 그리고 1,043Ω·m로 나타났다. 3번 측선에서 차이 값이 제일 크게 나타났으며, 5번 측선이 상대적으로 낮은 차이를 보였다. 이와 같은 이유는 5번 측선의 지반 구조가 비교적 균질한 특성을 보이는 것으로 사료되며 4번 측선은 사석과 모래의 혼합이 상대적으로 불량하여 공기 등의 간섭으로 저항의 범위가 크게 나타난 것으로 보인다. 각 측선의 결과를 살펴보면 모든 측선에서 오른쪽 하부 지역에 고비저항 영역이 관찰되며, 면적은 지반의 특성 마다 다소 차이를 보인다. 4번 및 5번 측선의 전기비저항 주상도가 가장 큰 고비저항 구간을 보여주며, 2번 측선은 심도 약 1m까지 고비저항 지역이 있는 것으로 나타났다. 또한 1번, 2번 그리고 3번 측선에서는 왼쪽 부분에 심도 약 2m 부근에서 저비저항 구간을 보이며 1번 측선은 하단 부분에 저비저항 구간이 넓게 분포하는 것으로 나타났다. 전기비저항은 흙 입자 자체의 전기적 특성, 간극수 그리고 입자의 비표면적에 큰 영향을 받는다. 측정된 전기비저항은 대상 현장에 사용된 사석 및 흙의 종류가 큰 차이가 없어 흙 입자의 영향 보다는 간극수의 영향이 크다고 볼 수 있다. 따라서 상대적으로 낮은 전기 비저항 값이 도출된 1번, 2번 그리고 3번의 하부 지역에는 간극수가 존재하는 것으로 유추할 수 있다. 또한 고비저항이 나타나는 지역은 사석과 흙의 혼합이 적절하게 이루어져 하나의 단단한 구조체의 형태를 가지고 있어 높은 저항 값이 나타난 것으로 사료된다.
4.2 탄성파 탐사
탄성파 탐사를 통해 획득한 파형은 주시 곡선을 통해 각 층의 속도 값을 도출하였으며, 이와 같은 결과는 Fig. 5에 도시하였다. 탄성파 탐사 결과의 속도는 0.3~1.43km/s를 보이며 각 측선마다 동일한 범례로 나타나 용이한 비교가 가능하다. 모든 측선에서 속도는 붉은색 계열인 0.3~0.7km/s를 보이지만 측선의 오른쪽 하단에서는 상대적으로 높은 속도 값이 도출되었다. 이는 해당 지역이 밀도가 높고 단단한 지층으로 구성되어 있음을 암시하며 입자의 접촉면이 증가하여 속도도 높게 나타난 것을 알 수 있다. 속도가 높은 지층의 형상은 주로 쌍곡선 형태를 보이며, 2번, 5번 그리고 6번 측선은 비교적 완만한 형태를 보이나 나머지는 급한 경사 형태로 나타났다. 탄성파 속도와 전기비저항 결과를 비교하면 탄성파 속도가 증가하는 지역이 전기비저항의 고비저항을 보이는 영역과 유사함을 알 수 있다. 이는 앞서 설명하였듯이 오른쪽 하부 지역에 사석과 흙의 혼합이 적절하게 이루어져 밀도가 높고 하나의 매질로 거동한 것으로 판단된다. 탄성파 속도는 주로 지층의 구조를 파악하는데 활용되고 전기비저항은 간극수에 큰 영향을 받아 유체의 유무를 판단하는데 많이 이용된다. 각각의 기법의 활용 방법이 달라 구체적인 비교를 수행하기는 한계가 있지만, 탄성파 속도와 전기비저항의 결과가 유사한 지역에서 비교적 높은 속도 값과 저항 값을 보이고 있어 두 방법의 신뢰도가 상호간에 검증될 수 있다고 판단된다.
4.3 지표투과레이더(Ground Penetration Radar, GPR)
GPR 탐사를 통해 도출한 결과는 Fig. 6에 도시하였으며, 다양한 지역에서 전자기파의 반사로 인하여 쌍곡선 형태의 파형이 나타났다. 이는 대상 지반 하부에 사석이 다양한 형태로 매립 되어 있어 각 입자에서 반사된 파형이 다수 나타난 것으로 사료된다. 각각의 반사된 파형을 개별적으로 분석하는 것은 큰 의미가 없어 대상 지역의 지층 구조만을 살펴보았다. 지층 구조는 GPR 제조사에서 제공하는 해석 전용 프로그램인 GRED HD를 활용하였으며, Fig. 6 내부에 빨간색, 노란색 그리고 파란색으로 표현하였다. 해당 결과는 총 3개의 지층이 구성되어 있는 것으로 나타났지만 각 지층의 상대적인 밀도 혹은 사석과 흙의 혼합 형태를 유추하기는 어려운 한계가 있다. GPR은 유전율이 다른 매질에서 반사되는 파형을 가지고 하부 지반의 특징을 추출하는 방법으로 주로 지반과 유전율 차이가 있는 금속의 매설물 및 공기로 채워진 공동 등을 탐지하는데 많이 활용되고 있다. 해당 연구에서는 하부의 사석 상태 및 거동을 이해하기 위해 적용하였지만, 사석 자체가 가지고 있는 지반 재료와의 특성 차이로 인해 반사되는 파형은 다수 관찰되나 그 자체로 지반의 특성을 분석하기는 어려움 있는 것으로 나타났다. 따라서 지반 내부의 확연한 유전율 차이가 없다면 GPR을 적용하여 사석이 매립된 지역의 특성을 살펴보기에는 한계가 있는 것으로 나타났다.
5. 토 론
해당 지역에서 수행된 현장 실험 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 동적 콘 관입 시험(Dynamic Cone Penetration Test: DCPT)을 수행하였다. DCPT는 Fig. 3에서 설명하였듯이 10m 간격으로 진행하였으며, 각 측선에서 수행된 결과는 동일한 그래프 내에 표시하였다. DCPT는 인력으로 관입을 수행해야 하므로 1m 이상의 깊이를 타격하기에는 충분한 에너지가 부족하여 대체적으로 관입 심도는 1m 내외로 나타난다. 해당 연구에서도 롯드 길이를 1m로 조정한 후 DCPT 관입 시험을 심도 1m까지만 수행하였으며, 해머 타격당 관입 깊이를 Fig. 7에 도시하였다. 각 측선에서 도시된 결과는 분산성이 높아 사석과 흙의 상태의 혼합 정도가 지역마다 상이함을 알 수 있다. 동일한 측선에서 5회 수행된 DPI 결과는 심도 마다 분산이 심해 지층은 비균질한 상태임을 유추할 수 있으며, 6번 측선은 상대적으로 분산이 작고 심도가 깊어질수록 타격 당 관입 깊이가 작아지는 경향을 살펴볼 수 있다. 또한 7번 측선에서는 상부의 DPI 값이 크게 나타나 7번 측선의 2번째 지역이 국부적으로 강도가 약한 특징이 있는 것을 알 수 있다. DCPT의 직경은 20mm로 작아 상당히 작은 일부 지역에서 지반의 강도가 약한 특성을 보이지만 전기비저항 탐사와 탄성파 탐사는 광범위한 지역을 관찰하므로 국부적인 경향은 관찰되지 않을 것으로 판단된다. 각 측선마다 심도의 차이는 있지만, 크게 2개의 심도에서 큰 DPI 값이 나타난 것을 알 수 있다. 4번 측선에서는 심도 약 0.3 및 0.9m 인근에서 DPI 값이 각각 101mm/blow와 119mm/blow로 나타났으며, 5번 측선도 심도 약 0.2m와 0.9m에서 약 95mm/blow와 132mm/blow의 DPI를 보였다. 측선 6과 7은 거의 유사한 심도인 0.6m와 0.9m 인근에서 각각 83mm/blow, 91mm/blow와 79mm/blow 및 91mm/blow의 값을 보였다. 특징적인 것은 각 측선 마다 5번째 수행한 지역에서 심도 약 0.9m 인근에 큰 DPI 값을 보는 것이며, 이는 국부적인 지역이긴 하지만 약 0.9m 깊이에 상대적으로 약한 지층이 존재하는 것을 암시한다. 전기비저항 탐사 결과 심도 약 0.9m 인근에서 4~7번 측선에 상대적으로 약한 연두색을 보이는 저비저항대가 존재하는 것을 알 수 있다. 또한 탄성파 속도 주상도에서는 동일한 측선 및 깊이에서 자주색을 보이는 0.3km/s 범위의 낮은 속도 값이 분포하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 DPI의 높은 값이 지반의 강도가 약한 상태임을 반영하며 전기비저항 탐사 및 탄성파 탐사 결과와 유사한 결과를 반영한다. 비록 DCPT는 1m 관입심도까지 실험을 진행할 수 밖에 없어 비파괴 탐사 결과의 심도인 2m와 상세하게 비교하는 어려운 한계가 있다. 또한 DCPT는 국부적인 특성만을 보여주고 있어 비파괴 탐사 결과와 체계적인 비교보다는 경향성을 살펴보는 방향으로 분석하였다. 앞서 살펴보았듯이 전기비저항 탐사과 탄성파 탐사는 관입실험 결과와 유사한 결과를 보여주지만, GPR 탐사 결과는 지층의 상태를 확인하기에는 많은 한계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 사석와 흙이 혼합되어 매립된 지층의 경우 전기비저항과 탄성파 탐사로 충분히 내부의 상태를 평가할 수 있음을 보여준다.
6. 결 론
해당 논문에서는 사석와 흙이 혼합되어 있는 지층의 상태를 평가하기 위하여 비파괴 조사 방법인 전기비저항 탐사, 탄성파 탐사 그리고 지표투과레이더 방법을 활용하였으며, 동적 콘 관입 실험 기법을 적용하여 신뢰성을 검증하였다. 해당 연구의 상세한 결론은 다음과 같다.
(1) 전기비저항 탐사와 탄성파 탐사는 사석과 흙이 혼합되어 있는 지층의 구분을 효율적으로 수행하였으며, 동적 콘 관입 실험 결과와 비교해도 유사한 경향을 보였다. 다만 지표투과레이더는 다양한 크기로 구성된 사석에서 반사하는 많은 파형만이 존재하고 지반의 상태를 유추하기는 어려운 결과를 보였다. 따라서 지표투과레이더 방법은 현장 적용시 타 기법들을 통해 사전에 지반정도를 유추하고 이를 통해 적절한 주파수 대역 및 현장 실험 측선을 설정하는 것이 필요하다.
(2) 해당 논문에서는 동적 콘 관입 시험이 인력으로 관입해야 되는 한계로 1m~2m의 얕은 심도에만 비파괴 기법을 적용 후 신뢰성을 검증하였다. 추후에는 얕은 심도 외에 원지반까지 데이터를 확보하여 사석을 포함하는 지층의 특징을 비파괴 방법으로 평가할 수 있는지 연구를 확대 적용할 계획이다.
