KR101304532B1 - 표면파를 이용한 지반 조사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면파를 이용하여 지반을 조사하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 지반 조사 방법은 일정한 거리에 설치한 2개의 수진기를 통해 표면파의 데이터를 획득하고 이를 주파수 영역에서 분석하여 분산 곡선을 구하며, 역산을 통해 지반의 강성을 구한다. 또한 본 발명은 지반의 특성을 고려하여 수진기의 설치 위치를 조정할 수 있다.
본 발명에 따르면 비파괴 검사가 가능하며 시간과 비용을 절감할 수 있다. 또한 인접 구조물에 의한 잡음의 영향을 최소화할 수 있다.

Description

표면파를 이용한 지반 조사 방법 {Method for investigating the ground using surface waves}
본 발명은 표면파를 이용한 지반 조사 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 일정한 거리에 설치한 2개의 수진기를 통해 표면파의 데이터를 획득하고 이를 주파수 영역에서 분석하여 분산 곡선을 구하며, 역산을 통해 지반의 강성을 구하는 지반 조사 방법에 관한 것이다.
일반적으로 토목 공사시 암반이나 토양의 물성을 조사하기 위해 실시하는 지반 조사는 대부분 지반에 시추공을 뚫어서 조사하는 시추 조사이다. 이러한 시추 조사 결과를 토대로 지반 조사 보고서가 작성되며, 지반 조사 보고서를 근거로 설계와 시공이 이루어지고 있다. 그런데, 시추조사는 지반에 시추공을 뚫어 지하물질의 특성을 직접 파 봄으로써 지반의 상태를 알아내는 정확성을 가지고 있으나, 그 비용 및 시간이 많이 소요된다.
시추 조사는 평면상의 한 지점에서 지하방향의 지반상태 변화를 조사하는 1차원 조사에 국한되기 때문에, 시추공과 시추공 사이의 지반상태에 대해서는 선형적으로 연속하다는 가정이 전제된 자료를 제공한다. 그런데, 이러한 가정은 지반 물성의 수평적 변화가 심하지 않을 경우 적용이 가능하지만, 그러하지 않은 경우에는 상당히 위험한 가정일 수도 있다. 따라서, 시추 조사는 지반상태에 대해 불연속적인 자료를 얻게 되므로 지반상태를 정확히 파악하기 어려우며, 획득한 자료 또한 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 비파괴적으로 조사가 가능하며 단시간에 경제적으로 실시할 수 있는 지반 조사 방법을 제공하는 것이다
또한 지반의 특성을 고려하여 인접 구조물에 의한 잡음(noise)의 영향을 최소화할 수 있는 지반 조사 방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 표면파를 이용한 지반 조사 방법은 지반에 충격하중을 가하여 표면파를 발생시키는 단계, 지반의 서로 다른 두 지점에 설치된 수진기를 통해 표면파의 데이터를 획득하는 단계, 수진기의 설치 간격을 변경하면서 표면파 데이터를 획득하는 단계, 획득한 데이터를 주파수 영역으로 변환하여 각 주파수에 대한 위상차이로부터 그 주파수에 대응하는 파장과 표면파의 위상 속도를 결정하고 파장에 대한 위상 속도 관계를 나타내는 표면파 분산 곡선을 구하는 단계 및 표면파 분산 곡선을 역산하여 지반의 강성을 구하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 표면파를 이용한 지반 조사 방법은 지반의 두 지점 이상에서 표면파를 발생시켜 표면파 데이터를 획득하며, 획득한 데이터를 주파수 영역에서 평균하여 분산 곡선을 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 표면파를 이용한 지반 조사 방법은 지반에 인접 구조물이 위치하는 경우 지반의 강성에 따라 지반의 구조를 판단한 후, 지반의 구조에 따라 수진기의 설치 위치를 조정한 후 지반에 연속적인 불규칙 진동 하중을 가하여 표면파를 발생시키는 단계, 지반의 서로 다른 두 지점에 설치된 수진기를 통해 표면파의 데이터를 획득하는 단계, 수진기의 설치 간격을 변경하면서 표면파의 데이터를 획득하는 단계, 획득한 데이터를 주파수 영역으로 변환하여 각 주파수에 대한 위상차이로부터 그 주파수에 대응하는 파장과 표면파의 위상 속도를 결정하고 파장에 대한 위상 속도 관계를 나타내는 분산 곡선을 구하는 단계 및 표면파 분산 곡선을 역산하여 지반의 강성을 구하는 단계를 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 표면파를 이용한 지반 조사 방법은 지표면 또는 구조물의 표면에서 작은 변형률 범위에서 수행되기 때문에 비파괴적으로 수행이 가능하며, 다른 현장 조사 시험에 비해 시간이 짧게 소요되며 비용이 적게 든다.
또한 본 발명에 따른 표면파를 이용한 지반 조사 방법은 지반의 특성을 고려하여 수진기의 위치를 조정하므로 인접 구조물에 의한 잡음(noise)의 영향을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면파를 이용한 지반 조사를 위한 장비의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면파를 이용한 지반 조사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면파 발생 위치를 변경하여 표면파 데이터를 획득하는 것을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면파를 이용한 지반 조사를 위한 장비의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표면파를 이용한 지반 조사 장비(1000)는 발진기(1100), 두 개의 수진기(1200a, 1200b), 데이터 획득 시스템(1300)을 포함한다.
발진기(1100)는 지반 위에서 수직 동하중을 발생시키는 일종의 기계적인 시스템이다. 발진기(1100)는 다양한 주파수 특성을 갖는 표면파를 발생시킬 수 있다.
수진기(1200a, 1200b)는 탄성파 에너지를 전기적인 신호로 변환시켜 주는 장치이다. 수진기(1200a, 1200b)는 두 개이며, 서로 다른 두 지점에 설치된다. 발진기(1100)에서 첫 번째 수진기(1200a)까지 전파하고 다시 첫 번째 수진기(1200a)에서 두 번째 수진기(1200b)까지 전파하는 파를 측정하기 위해서 발진기(1100)와 수진기(1200a, 1200b)는 일직선 상에 위치한다. 발진기로부터 발생된 변위는 일반적으로 매우 작으므로 수진기(1200a, 1200b)는 이러한 움직임들을 민감하게 측정할 수 있어야 한다.
데이터 획득 시스템(1300)은 수진기(1200a, 1200b)를 통해 유입된 신호를 이용해 표면파에 관한 데이터를 획득한다. 데이터 획득 시스템(1300)은 획득한 데이터를 주파수 영역으로 변환하고, 주파수에 대한 위상차이로부터 그 주파수에 대응하는 파장과 표면파의 위상 속도를 결정하며, 파장에 대한 위상 속도 관계를 나타내는 표면파 분산 곡선을 구한다. 또한 데이터 획득 시스템(1300)은 표면파 분산 곡선을 역산하여 지반의 강성을 구한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면파를 이용한 지반 조사 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 표면파를 이용하여 지반을 조사하기 위해서는 지반 조사 장비를 설치한다(S2100). 발진기와 두 개의 수진기는 일직선이 되도록 설치한다. 두 개의 수진기 설치 간격은 개략적인 추측 또는 현장 지반의 전단파 속도 분포에 대한 기본적인 정보를 토대로 결정한다. 수진기는 지반에 확실히 밀착되어야 하며, 수진기 사이의 다른 응답으로 발생하는 위상차가 발생해서는 안된다.
장비 설치가 완료되면, 발진기를 이용해 지반에 충격하중을 가하여 표면파를 발생시킨다(S2200). 충격하중을 가하기 위해서는 소형 해머, 슬러지 해머, 낙하 하중 등이 사용될 수 있다. 무거운 충격을 가하는 경우 낮은 주파수가 발생된다.
표면파가 발생되면, 수진기를 통해 표면파의 데이터를 획득한다(S2300). 표면 데이터 획득은 1회에 그치는 것이 아니라, 수진기의 설치 간격을 변경하면서 수회 실시한다.
데이터가 획득되면, 획득한 데이터를 주파수 영역으로 변환하여 각 주파수에 대한 위상 차이로부터 그 주파수에 대응하는 파장과 표면파의 위상 속도를 결정하고, 파장에 대한 위상 속도 관계를 나타내는 표면파 분산 곡선을 구한다(S2400). 표면파 분산 곡선을 구하기 위해서는 위상 스펙트럼을 전개하는 것이 필요하며, 위상 스펙트럼을 전개하기 위해서는 위상 스펙트럼을 해석하는 매스킹 과정을 거친다. 매스킹 과정은 초기 데이터에서 near field를 매스킹하여 제거한다. near field는 식 (1)과 같은 wave filter 기준에 의해 결정된다.
Figure 112011032400993-pat00001
(1)
여기서
Figure 112011032400993-pat00002
는 파장이며,
Figure 112011032400993-pat00003
은 발진기로부터 첫 번째 수진기까지의 거리이다. 계수
Figure 112011032400993-pat00004
는 일반적으로 2 또는 3의 값이 된다.
수진기 형태의 기준을 위반하는 영역도 매스킹하여 제거한다. 수진기의 직경에 비해 4배 정도 짧은 파장은 무시할 수 있다.
전달함수 또는 파워 스펙트럼(Power Spectrum)의 위상 스펙트럼은 -180°부터 +180°의 범위에서 비전개 형태로 나타나므로, 비전개 형태로 나타난 기록을 전개하여 나타내어야 한다. 위상각이 -180°에서 +180°로 접혀올라가는 점프는 360°주기로 발생한다. 비전개된 원래의 위상각을 구하려면 스펙트럼을 전개하여야 하며, 이는 점프의 수를 판단함으로써 가능하다.
위상속도(
Figure 112011032400993-pat00005
)는 식 (2)와 같이 해당 주파수(
Figure 112011032400993-pat00006
)에서 위상각(
Figure 112011032400993-pat00007
)과 수진기의 간격(
Figure 112011032400993-pat00008
) 사이의 관계를 이용해 구한다.
Figure 112011032400993-pat00009
(2)
따라서 위상 스펙트럼을 이용하여 위상각 속도 분산곡선을 구할 수 있다. 모든 수진기 설치 간격에 대해 분산곡선을 구하면, 평균 작업을 통해 이를 하나로 합쳐 표면파 분산 곡선을 구한다. 이와 같이 획득한 데이터를 이용해 표면파 분산 곡선을 구하는 과정은 컴퓨터 프로그램으로 구현할 수 있다.
표면파 분산 곡선을 구하면, 표면파 분산 곡선을 역산하여 지반의 강성을 구한다(S2500). 역산을 위해서는 시행착오(trial and error) 방법이 적용된다. 우선 강성도 종단면에 대한 가정이 성립되면 이를 기초로 이론 분산 곡선을 응력파 모델 이론을 통하여 계산한다. 계산된 이론 분산 곡선을 실험을 통해 구한 표면파 분산 곡선과 비교하여 두 분산 곡선이 일치하지 않으면 처음 가정한 강성도 종단면을 수정하여 새로운 이론 분산 곡선을 구한다. 새로운 이론 분산 곡선을 실험을 통해 구한 표면파 분산 곡선과 비교하여 두 분산 곡선이 일치할 때까지 시행착오 과정을 반복한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면파 발생 위치를 변경하여 표면파 데이터를 획득하는 것을 나타내는 도면이다.
본 발명은 지반에 충격하중을 가하여 표면파를 발생시키는 과정에서, 지반의 서로 다른 두 지점에서 표면파를 발생시킬 수 있다. 이 때 표면파를 발생시키는 위치(발진기(1100)의 위치)는 두 개의 수진기(1200a, 1200b)를 중심으로 정반대의 위치이다. 즉, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 발진기(1100), 첫 번째 수진기(1200a), 두 번째 수진기(1200b) 순서로 위치한 것을 정방향이라고 한다면, 정반대의 위치는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 첫 번째 수진기(1200a), 두 번째 수진기(1200b), 발진기(1100) 순서로 위치한 역방향이 된다.
이 후 정방향과 역방향에서의 표면파 데이터를 주파수 영역에서 평균하여 표면파 분산 곡선을 구한다.
이와 같이 정방향과 역방향의 실험 결과를 평균하면 층의 기울기에 따른 효과를 최소화하고, 발진기(1100)와 첫 번째 수진기(1200a) 사이의 횡방향 비균질성을 감소시키며 측정 장비에서 발생할 수 있는 위상 차이를 보상할 수 있다.
본 발명은 지반에 인접 구조물이 위치하는 경우 지반 조사 방법을 다소 달리한다. 특히 지반의 구조에 따라 수진기의 설치 위치를 조정하여 인접 구조물에 의한 영향을 최소화한다. 이에 대해서 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 지반에 인접 구조물이 위치하는 경우 표면파를 발생시키는 발진기가 충격하중이 아닌 연속적인 불규칙 진동(random vibration) 하중을 가한다. 인접 구조물이 존재하는 경우 충격하중과 불규칙 진동 하중의 위상각 스펙트럼을 분석해보면, 충격하중의 경우 국부적으로 일부 구간에서만 의미 있는 위상각 스펙트럼을 보이는 반면 불규칙 진동 하중의 경우 일정 범위에서 명료한 위상각 스펙트럼을 보인다. 이에 따라 위상각 스펙트럼 정보로부터 획득되는 표면파 분산 곡선의 경우에도 품질에서 차이가 있게 된다. 따라서 인접 구조물로 인한 표면파의 왜곡, 즉 탄성파의 굴절, 반사로 인한 모드 전환, 체적파의 간섭 등의 영향을 배제하기 위해서는 표면파 발생시 표면파 왜곡을 최소화할 수 있는 불규칙 진동 하중을 이용하는 것이 바람직하다.
또한 지반에 인접 구조물이 위치하는 경우 표면파의 시험 측선이 인접 구조물에서 충분히 이격되어 있지 않은 경우 인접 구조물의 위치에서 수직 방향 입자 진동은 큰 에너지를 갖는다. 따라서 표면파 에너지는 인접 구조물에서 반사 또는 굴절을 일으키게 되어 다른 체적파로 모드 변환이 발생하게 되고 궁극적으로 표면에서 측정되는 표면파는 왜곡된 표면파이다. 즉, 지표면을 따라 전파했던 표면파는 인접 구조물의 벽체를 따라 전파되는 체적파, 또는 벽체에서 반사되어 지표면에 도달한 체적파에 의해 간섭되어 복잡하게 혼합된 탄성파가 된다. 따라서 인접 구조물에 의한 영향을 최소화하기 위해서는 수진기의 설치 위치를 조정하여야 한다. 이 경우 지반의 구조에 따라 표면파의 왜곡 정도가 다르므로 지반의 구조를 고려하여 수진기의 설치 위치를 조정할 필요가 있다.
예를 들어 반무한 지반에서 표면파가 전파하는 경우 수직방향보다 수평방향으로 에너지 손실이 적으며 멀리까지 전파된다. 따라서 반무한 지반에서 인접 구조물에 의한 영향을 최소화하기 위해서는 수진기를 인접 구조물의 벽체로부터 적어도 파장의 1.3 내지 1.7배 정도 이격하여 설치한다.
얕은 기반암 지반의 경우 반무한 지반보다 횡방향으로 에너지 전파가 크기 때문에 인접 구조물까지 전파되어 간 표면파가 인접 구조물의 벽체에서 굴절, 반사되어 다시 지표면으로 돌아오게 될 가능성이 크다. 따라서 얕은 기반암 지반에서 인접 구조물에 의한 영향을 최소화화기 위해서는 수진기를 인접 구조물의 벽체로부터 적어도 파장의 3.5 내지 4.5배 정도 이격하여 설치한다.
약한 지반이 가운데 있는 복합형 지반의 경우 표층의 강성이 하부층의 강성보다 크기 때문에 대부분의 파동에너지가 표층에 국한되어 하부로 전달되지 않는다. 이 경우 수진기와 인접 구조물의 벽체 사이의 거리는 층간의 강성비율에 따라 달라진다. 예를 들어 표층과 중간층의 강성비율이 2:1인 경우 수진기를 수진기를 인접 구조물의 벽체로부터 적어도 파장의 0.5 내지 1배 정도 이격하여 설치하여야 인접 구조물에 의한 영향을 최소화할 수 있다.
이에 따라 본 발명에서는 지반에 인접 구조물이 위치하는 경우에는 우선 지반에 연속적인 불규칙 진동 하중을 가하여 표면파를 발생시켜, 서로 다른 두 지점에 설치된 수진기를 통해 표면파의 데이터를 획득하고, 수진기의 설치 간격을 변경하면서 표면파의 데이터를 획득하며, 획득한 데이터를 주파수 영역으로 변환하여 각 주파수에 대한 위상 차이로부터 그 주파수에 대응하는 파장과 표면파의 위상 속도를 결정하고 파장에 대한 위상 속도 관계를 나타내는 표면파 분산 곡선을 구하며, 표면파 분산 곡선을 역산하여 지반의 강성을 구한다. 지반의 강성을 기초로 지반의 구조를 판단한 후, 지반의 구조에 따라 수진기의 설치 위치를 조정한 후 다시 실험을 반복하여 지반의 강성을 구한다. 이와 같이 2단계에 거쳐 지반의 강성을 구하면, 인접 구조물에 의한 영향을 최소화할 수 있어 보다 정확하게 지반의 강성을 구할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1000 : 지반 조사 장비 1100 : 발진기
1200a, 1200b : 수진기 1300 : 데이터 획득 시스템

Claims (3)

  1. (a) 지반에 충격하중을 가하여 표면파를 발생시키는 단계;
    (b) 상기 지반의 서로 다른 두 지점에 설치된 수진기를 통해 상기 표면파의 데이터를 획득하는 단계;
    (c) 상기 수진기의 설치 간격을 변경하면서 상기 표면파의 데이터를 획득하는 단계;
    (d) 상기 획득한 데이터를 주파수 영역으로 변환하여 각 주파수에 대한 위상 차이로부터 그 주파수에 대응하는 파장과 상기 표면파의 위상 속도를 결정하고 상기 파장에 대한 위상 속도 관계를 나타내는 표면파 분산 곡선을 구하는 단계; 및
    (e) 상기 표면파 분산 곡선을 역산하여 지반의 강성을 구하는 단계;를 포함하며,
    상기 (d) 단계는 상기 (a) 단계에서 상기 지반의 서로 다른 두 지점에서 표면파를 발생시켜 표면파의 데이터를 획득하며, 획득한 데이터를 주파수 영역에서 평균하여 표면파 분산 곡선을 구하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 지반 조사 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    지반에 인접 구조물이 위치하는 경우에는,
    상기 (a) 단계는 지반에 연속적인 불규칙 진동 하중을 가하여 표면파를 발생시키며,
    상기 (e) 단계에서 구한 지반의 강성에 따라 지반의 구조를 판단한 후, 지반의 구조에 따라 상기 수진기의 설치 위치를 조정한 후 상기 (a) 내지 상기 (e) 단계를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면파를 이용한 지반 조사 방법.
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