KR101110787B1 - 엑스레이 씨티촬영을 통한 미세 토사의 간극비 측정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 토사의 간극비(void ratio)를 측정함에 있어서, 토사 시료를 엑스레이 씨티(X-ray CT) 단층촬영하되, X-ray CT 단층촬영 이미지의 최소 복셀의 크기보다 작은 크기의 토사체 입자를 가지고 있어서 공극의 가시화가 어려운 미세한 토사에 대해서도 X-ray CT 단층촬영을 통해 토사의 간극비를 측정할 수 있도록 하는 X-ray CT 단층촬영을 통한 미세 토사의 간극비 측정방법에 관한 것이다.
본 발명은, X-ray CT 단층촬영 이미지의 최소 복셀의 크기보다 작은 크기의 토사체 입자를 가지고 있고 간극비를 이미 알고 있는 표준 토사 시료에 대해 X-ray CT 단층촬영 이미지를 취득하고(S1); X-ray CT 단층촬영 이미지에서 각각의 복셀에 대해 CT값을 구하고(S2); X-ray CT 단층촬영된 영역의 CT대표값을 각 CT값으로부터 산정하여(S3); CT대표값과 토사의 간극비의 데이터를 취득하고; 상기 간극비를 달리한 복수 종류의 표준 토사 시료에 대해 복수의 간극비와 CT대표값의 데이터베이스를 구축하며(S4); 측정 대상 토사의 시료에 대한 X-ray CT 단층촬영 이미지로부터 각 복셀당 CT값을 CT대표값을 산정하고(S5); 산정된 CT대표값에 해당하는 간극비를, 기구축된 간극비와 CT대표값의 데이터베이스로부터 구함으로써(S6), 측정 대상 토사에 대한 간극비를 측정하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 엑스레이 씨티촬영을 통한 미세 토사의 간극비 측정방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 토사의 간극비(void ratio)를 측정함에 있어서, 토사 시료를 엑스레이 씨티(X-ray CT) 단층촬영하되, X-ray CT 단층촬영 이미지의 최소 복셀의 크기보다 작은 크기의 토사체 입자를 가지고 있어서 단순한 X-ray CT 단층촬영만으로는 토사체 입자 사이에 존재하는 공극의 가시화가 어려운 미립 점토질 토사와 같이 미세한 토사에 대해서도 X-ray CT 단층촬영을 통해 토사의 간극비를 측정할 수 있도록 하는 새로운 구성의 X-ray CT 단층촬영을 통한 미세 토사의 간극비 측정방법에 관한 것이다.
토사의 간극비를 측정하는 것은 지반의 압밀해석에 있어서 매우 중요하다. 왜냐하면 압밀침하의 크기, 압밀침하의 시간적 분포 등과 같은 압밀 정보는 궁극적으로 간극비의 함수이기 때문이다. 그런데 토사의 간극비를 정확하게 측정하는 것 은 매우 어려운 일이다. 간극비를 측정하는 종래의 방법으로는 토사와 간극의 체적비를 이용하여 간극비를 산정하였다. 종래의 방법에서는 물이 함유된 토사 시료의 무게와, 완전 건조되어 물이 완전히 제거된 토사 시료의 무게를 측정한 후, 물과 토사의 비중을 이용하여 토사의 부피를 산정한다. 토사 입자가 차지하는 부피를 제외한 부피가 간극의 부피이므로, 이를 통해서 간극비를 계산하게 된다.
그런데 이러한 종래의 방법에서는 토사의 부피를 산정하는 것이 매우 어려우며, 물은 온도에 따라 부피가 달라지므로, 종래의 방법은 온도에 의해 많은 영향을 받게 되어 오차 발생 가능성이 높다.
한편, 토사 시료는 코아 채취의 방법에 의하여 구하게 되는데, 이러한 코아 채취시 코아장치와 토사 시료의 주변부 사이에 교란이 발생하게 되고 그에 따라 간극비 측정 결과에 오차가 발생하게 된다. 따라서 종래의 위와 같은 방법에 의해서는 정확한 토사의 간극비를 측정하는 것이 매우 어렵다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점과 단점을 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 토사의 부피를 이용하지 아니하고 토사의 간극비를 측정함으로써, 온도에 의한 영향, 토사 시료 채취시의 교란에 의한 측정 오차 없이 토사의 간극비를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, X-ray CT 단층촬영 이미지의 최소 복셀의 크기보다 작은 크기의 토사체 입자를 가지고 있고 간극비를 이미 알고 있는 표준 토사 시료에 대해 X-ray CT 단층촬영을 수행하여 촬영이미지를 취득하고; 취득된 X-ray CT 단층촬영 이미지에서 각각의 복셀에 대해 CT값을 구하고; X-ray CT 단층촬영된 영역을 대표할 수 있는 CT대표값을 해당 촬영 영역에 배치된 복수개의 복셀의 각 CT값으로부터 산정하여; 해당 X-ray CT 단층촬영기를 이용하여 취득된 토사의 X-ray CT 단층촬영 이미지에 대한 CT대표값과 토사의 간극비의 데이터를 취득하고, 상기 간극비를 달리한 복수 종류의 표준 토사 시료에 대해 X-ray CT 단층촬영에 의한 촬영이미지 취득과 CT값 취득과 CT대표값 취득을 반복하여 복수의 간극비에 대한 CT대표값의 데이터베이스를 구축하며; 간극비를 측정하고자 하는 측정 대상 토사에 대해 토사 시료를 채취하고, X-ray CT 단층촬영 이미지로부터 각 복셀당 CT값을 구하여 해당 촬영 영역에 배치된 복수개의 복셀의 각 CT값으로부터 CT대표값을 산정하고; 산정된 CT대표값에 해당하는 간극비를, 이미 구축되어 있는 간극비와 CT대표값의 데이터베이스로부터 구함으로써, 측정 대상 토사에 대한 간극비를 측정하는 것을 특징으로 하는 X-ray CT단층촬영을 이용한 토사의 간극비 측정방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 해상도가 낮아 X-ray CT 단층촬영 이미지를 구현하는 복 셀의 크기가, 측정하고자 하는 토사의 토사체 입자 크기보다 커서, X-ray CT 단층촬영 이미지를 통한 공극의 가시화가 가능하지 아니한 경우에도, 용이하게 토사의 간극비를 X-ray CT 단층촬영을 이용하여 측정할 수 있게 된다.
따라서 본 발명에서는 수분 제거 등의 과정이 필요 없으므로, 토사의 간극비 측정시 온도에 의한 영향을 최소화할 수 있으며, 그로 인한 간극비 측정의 오차 발생을 방지할 수 있어 정확도가 높은 간극비를 측정할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
특히, 토사 시료 채취시에 교란이 발생하게 되는 위치로부터 떨어져 있는 시료의 중앙 부분에 대해 X-ray CT 단층촬영을 수행하여 토사의 간극비를 측정하게 되므로, 토사 시료 채취시의 교란으로 인한 간극비의 오차 발생을 최소화시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 구체적으로 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명에서는, 토사의 부피를 이용하지 아니하고 토사의 간극비를 측정함으로써, 온도에 의한 영향, 토사 시료 채취시의 교란에 의한 측정 오차 없이 토사의 간극비를 정확하게 측정하기 위하여, 토사를 X-ray CT 단층촬영하여 토사의 간극비 를 측정한다.
도 1에는 채취된 실린더형 토사 시료(1)에서 X-ray CT 단층촬영을 수행할 영역(A)을 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼 본 발명에서는 토사 시료의 중앙 부분(A)에 X-ray CT 단층촬영을 수행하게 된다. 일반적으로 토사 시료를 채취할 때, 시료 채취기가 직접 접촉하였던 시료의 가장자리는 교란이 발생하게 되며 그에 따라 토사의 정확한 간극비의 측정이 어렵게 된다. 그러나 본 발명에서는 이와 같이 교란이 발생한 위치로부터 떨어져 있는 시료의 중앙 부분에 대해 X-ray CT 단층촬영을 수행하여 토사의 간극비를 측정하게 되므로, 토사 시료 채취시의 교란으로 인한 간극비의 오차 발생을 최소화시킬 수 있게 된다.
도 2에는 일반적인 크기를 가지는 입자로 이루어진 토사를 X-ray CT 단층촬영하였을 때, 촬영 단위인 픽셀 또는 복셀과 토사 입자의 관계를 보여주는 개략도가 도시되어 있다. 도 2에는 X-ray CT 단층촬영시 촬영 이미지의 최소 단위인 픽셀 또는 복셀(B)(이하, "복셀"이라고 통칭한다)이 사각형으로 표현되어 토사체 입자(10) 사이의 공극 형성 부분에 16개로 존재하는 것이 도시되어 있다. 도 2에 도시된 것처럼, 토사 시료의 토사체 입자(10)의 크기가 복셀(B)의 크기보다 큰 경우에는, X-ray CT 단층촬영 결과에서 토사체 입자(10) 사이의 공극에는 복수개의 복셀(B)이 존재하게 된다. 즉, 토사 시료를 X-ray CT 단층촬영하여 입수한 이미지를 통한 공극의 가시화가 가능한 것이다. 따라서 토사 시료에 대한 X-ray CT 단층촬영 이미지에서 육안으로 공극의 면적 또는 부피를 구함으로써 간극비를 측정할 수 있다. 예를 들어 X-ray CT 단층촬영 이미지에서 공극 내에 위치하는 복셀(B)의 개 수를 계수하여 복셀(B)의 면적 내지 부피를 곱하여 공극의 면적 또는 부피를 구하고, 공극과 토사체 입자(10)에 걸쳐져 있는 복셀(B)을 경우에는 토사체 입자 부분이 잠식하는 면적 또는 부피를 계산함으로써, 공극의 면적 또는 부피를 정확하게 측정할 수 있게 되고, 따라서 토사 시료의 간극비를 측정할 수 있게 된다.
그러나 토사체 입자(10)의 크기가 복셀(B)의 크기보다 작은 경우에는 위와 같은 토사 시료에 대한 X-ray CT 단층촬영 이미지를 통한 공극의 가시화가 가능하지 않게 되고, 그에 따라 X-ray CT 단층촬영 이미지로부터 육안 식별에 의해 간극비를 측정할 수 없게 된다.
도 3에는 복셀(B)의 크기보다 작은 크기를 가지는 입자로 이루어진 토사를 X-ray CT 단층촬영하였을 때, 촬영 단위인 복셀과 토사 입자의 관계를 보여주는 개략도가 도시되어 있다. 토사체 입자(10)의 크기가 복셀(B)의 크기보다 작은 경우에는, 도 3에 도시된 것처럼 X-ray CT 단층촬영 이미지 상에서 토사체 입자(10)는 물론 토사체 입자(10) 사이의 공극 역시 복셀(B)에 의해 덮여지기 때문에 도 2의 경우와 같이 토사 시료에 대한 X-ray CT 단층촬영 이미지를 통한 공극의 가시화가 가능하지 않게 되고, X-ray CT 단층촬영 이미지로부터 육안으로 복셀(B)의 개수를 계수하거나 또는 토사체 입자 부분의 잠식 면적 또는 부피를 계산할 수 없게 된다. 즉, 낮은 X-ray CT 단층촬영의 해상도 등으로 인하여 복셀(B)의 크기가 토사체 입자(10)의 크기보다 더 큰 경우에는 X-ray CT단층촬영 이미지로부터 종래와 같이 육안 판독에 의한 간극비를 측정하는 것이 불가능한 것이다.
본 발명에서는 위와 같은 종래기술의 한계를 극복하는 방법으로서, 토사의 시료를 채취하여 X-ray CT 단층촬영을 수행하여 구해진 이미지의 각 복셀의 CT값을 토사의 간극비에 이용한다.
도 4는 본 발명에 따른 토사의 간극비 측정방법을 설명하기 위하여 표준 토사 시료에 대한 X-ray CT 단층촬영 이미지와, 그에 대한 예시적인 CT값을 도시한 개략도인데, 도 4의 (b)에 표시된 CT값은 예시적인 값이다. 도 5는 본 발명에 따른 토사의 간극비 측정방법에 대한 흐름도이다.
구체적으로 본 발명에서는 우선 표준 토사 시료에 대한 X-ray CT 단층촬영 이미지에서 각 복셀당 CT값을 구한다. X-ray CT 단층촬영 이미지의 최소 복셀의 크기보다 작은 크기의 토사체 입자를 가지고 있고 특정 간극비를 가지는 것으로 이미 알고 있는 표준 토사 시료에 대해 X-ray CT 단층촬영을 수행하여 촬영이미지를 취득한다(S1)(도 4의 (a)). 취득된 X-ray CT 단층촬영 이미지에서 각각의 복셀에 대해 CT값을 구한다(S2)(도 4의 (b)). CT값은 X-ray CT 단층촬영장치에서 자동적으로 측정하여 제시하는 값으로서, 복셀 내부를 차지하고 있는 영상의 크기에 따라 달라지는 값이다. 즉, 하나의 복셀(B) 내에 토사체 입자(10)가 존재할 때, 토사체 입자(10)가 차지하는 영역의 크기에 따라 CT값이 달라지는 것이며, 결국 하나의 복셀(B)내에 존재하는 공극의 크기에 따라 CT값이 달라지는 것이다. 본 발명에서는 이러한 CT값을 이용하여 토사 전체의 간극비를 구하게 되는 것이다.
각각의 복셀에 대한 CT값이 구해지면, X-ray CT 단층촬영된 영역을 대표할 수 있는 CT대표값을 해당 촬영 영역에 배치된 복수개의 복셀의 각 CT값으로부터 산정한다(S3). 상기 CT대표값은 예를 들어 각 복셀에 대한 각 CT값의 평균값이 될 수 있다.
이와 같이 간극비를 알고 있는 표준 토사 시료에 대해 X-ray CT 단층촬영 이미지로부터 CT대표값을 구함으로써, 해당 X-ray CT 단층촬영기를 이용하여 특정 간극비의 토사 시료에 대한 CT대표값을 알 수 있게 된다.
간극비를 달리한 여러 종류의 표준 토사 시료에 대해 위와 같은 과정 즉, 표준 토사 시료에 대한 X-ray CT 단층촬영을 수행하여 취득한 X-ray CT 단층촬영 이미지로부터 각 복셀당 CT값을 구하고, 해당 촬영 영역에 배치된 복수개의 복셀의 각 CT값으로부터 CT대표값을 산정하는 과정을 반복하여, 해당 X-ray CT 단층촬영 장치에 대한 간극비와 CT대표값의 데이터를 수집하여 이를 데이터베이스화한다(S4). 필요에 따라서는 데이터베이스화된 간극비와 CT대표값의 데이터로부터 회귀분석 등과 같은 다양한 상관관계 분석을 통해 간극비와 CT대표값 간의 상관관계식을 도출할 수도 있다.
이와 같이 X-ray CT 단층촬영 장치에 대한 간극비와 CT대표값의 데이터베이스가 구축된 상태에서, 간극비를 측정하고자 하는 측정 대상 토사에 대해 토사 시료를 채취하고, X-ray CT 단층촬영 이미지로부터 각 복셀당 CT값을 구하여 해당 촬영 영역에 배치된 복수개의 복셀의 각 CT값으로부터 CT대표값을 산정한 후(S5), 산정된 CT대표값에 해당하는 간극비를, 이미 구축되어 있는 간극비와 CT대표값의 데이터베이스로부터 구함으로써(S6), 측정 대상 토사에 대한 간극비를 측정하게 된다.
위와 같은 본 발명에 의하면, 해상도가 낮아 X-ray CT 단층촬영 이미지를 구 현하는 복셀의 크기가, 측정하고자 하는 토사의 토사체 입자 크기보다 커서, X-ray CT 단층촬영 이미지를 통한 공극의 가시화가 가능하지 아니한 경우에도, 용이하게 토사의 간극비를 X-ray CT 단층촬영을 이용하여 측정할 수 있게 된다.
따라서 본 발명에서는 수분 제거 등의 과정이 필요 없으므로, 토사의 간극비 측정시 온도에 의한 영향을 최소화할 수 있으며, 그로 인한 간극비 측정의 오차 발생을 방지할 수 있어 정확도가 높은 간극비를 측정할 수 있게 된다.
도 1은 채취된 실린더형 토사 시료에서 X-ray CT 단층촬영을 수행할 영역(A)을 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 2는 일반적인 크기를 가지는 입자로 이루어진 토사를 X-ray CT 단층촬영하였을 때, 촬영 단위인 픽셀 또는 복셀과 토사 입자의 관계를 보여주는 개략도이다.
도 3에는 복셀(B)의 크기보다 작은 크기를 가지는 입자로 이루어진 토사를 X-ray CT 단층촬영하였을 때, 촬영 단위인 복셀과 토사 입자의 관계를 보여주는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 토사의 간극비 측정방법을 설명하기 위하여 표준 토사 시료에 대한 X-ray CT 단층촬영 이미지와, 그에 대한 예시적인 CT값을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 토사의 간극비 측정방법에 대한 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 토사 시료
10 : 토사체 입자
Claims (2)
- X-ray CT 단층촬영 이미지의 최소 복셀의 크기보다 작은 크기의 토사체 입자를 가지고 있고 간극비를 이미 알고 있는 표준 토사 시료에 대해 X-ray CT 단층촬영을 수행하여 촬영이미지를 취득하고(S1);취득된 X-ray CT 단층촬영 이미지에서 각각의 복셀에 대해 CT값을 구하고(S2);X-ray CT 단층촬영된 영역을 대표할 수 있는 CT대표값을 해당 촬영 영역에 배치된 복수개의 복셀의 각 CT값으로부터 산정하여(S3);해당 X-ray CT 단층촬영기를 이용하여 취득된 토사의 X-ray CT 단층촬영 이미지에 대한 CT대표값과 토사의 간극비의 데이터를 취득하고, 상기 간극비를 달리한 복수 종류의 표준 토사 시료에 대해 X-ray CT 단층촬영에 의한 촬영이미지 취득과 CT값 취득과 CT대표값 취득을 반복하여 복수의 간극비에 대한 CT대표값의 데이터베이스를 구축하며(S4);간극비를 측정하고자 하는 측정 대상 토사에 대해 토사 시료를 채취하고, X-ray CT 단층촬영 이미지로부터 각 복셀당 CT값을 구하여 해당 촬영 영역에 배치된 복수개의 복셀의 각 CT값으로부터 CT대표값을 산정하고(S5);산정된 CT대표값에 해당하는 간극비를, 이미 구축되어 있는 간극비와 CT대표값의 데이터베이스로부터 구함으로써(S6), 측정 대상 토사에 대한 간극비를 측정하는 것을 특징으로 하는 X-ray CT단층촬영을 이용한 토사의 간극비 측정방법.
- 제1항에 있어서,상기 CT대표값은 각 복셀에 대한 각 CT값의 평균값인 것을 특징으로 하는 X-ray CT단층촬영을 이용한 토사의 간극비 측정방법.
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