2. 지반조사 방법

2.1 토질, 암반의 분류 및 기재방법

2.1.1 토질 분류 및 기재방법

- 흙의 분류목적은 성질이 다른 여러 가지 흙에 대하여 간단한 시험자료를 기초로 하여 공학적 성질을 판단하는데 있음

- 토공의 설계, 시공에 사용하는 토질분류는 통일분류법에 의하며 보조적으로 AASHTO 분류법을 사용

2.1.1.1 토질의 분류방법

- 육안분류법

- 통일분류법

2.1.1.2 토질의 기재방법

(1) 흙의 기재사항

- 흙의 상태에 대한 기재내용은 연경도, 함수상태 및 색깔 등이며 다음과 같은 방법에 의하여 그 결과를 시추주상도에 기록함

(2) 분류기호의 설명

(3) 조립토 상대밀도와 세립토 연경도

(4) 함수상태

(5) 색조

2.1.2 암반의 분류 및 기재방법

- 암반분류는 공학적인 판단자료나 설계를 위한 정량적 데이터를 획득하여 정보를 전달하는 근거를 마련하는데 목적이 있음

- 건설표준품셈 분류기준에 따라 풍화암, 연암, 경암으로 구분하고, 터널구간은 RMR 및 Q-시스템 분류법에 의하여 암반 분류하고 지보패턴을 선정

- 토공의 작업성(Rippability)에 의한 분류는 토사, 리핑암, 발파암으로 구분

2.1.2.1 암반분류의 기준

- 암반분류의 절차

- 국내의 암반분류 기준

- 국외의 암반분류 기준

주) ◎ : 정량적 요소, ○ : 정성적 요소

2.1.2.2 암반의 분류방법

2.1.2.2.1 토공 작업성에 의한 암반 분류

2.1.2.2.2 건설교통부 표준품셈에 의한 분류기준

2.1.2.2.3 한국도로공사 분류기준

2.1.2.2.4 RMR에 의한 분류

- 개요

2.1.2.2.5 RMR 평가항목 및 평점

2.1.2.2.6 암반등급 결정 및 의미

2.1.2.2.7 Q-시스템에 의한 분류

- 개요

2.1.2.2.8 Q-분류법 평가항목 및 기준

2.1.2.2.9 Q값에 의한 암반분류 등급

2.1.2.2.10 Q값의 활용

2.1.2.2.11 SMR에 의한 분류

- RMR 분류법은 주로 터널 지보패턴을 평가하는 방법으로 비탈면 평가에 적용하기 곤란하므로, 비탈면의 정량적 평가를 위한 SMR(Slope Mass Rating)분류법이 제안됨

- SMR은 RMR 값에 비탈면과 절리면의 방향, 경사각의 관계, 굴착방법을 고려하여 아래식과 같이 산정되며 SMR 분류결과에 따른 비탈면 안정 평가 및 보강대책 수립이 가능함

SMR = RMR+(F1×F2×F3)+F4

여기서

F1, F2, F3 : 비탈면과 절리면의 방향, 경사가의 관련되는 경험계수

F4 : 굴착방법에 의해 정해지는 경험계수

주) P : 평면파괴, T : 전도파괴, α_j : 절리면의 경사방향, α_s : 비탈면의 경사방향, β_j : 절리경사, β_s : 비탈면 경사

2.1.2.2.11.1 굴착공법에 따른 보정값(F4)

2.1.2.2.11.2 SMR 분류결과에 따른 비탈면 안정성 및 보강대책

2.1.2.2.12 붕괴유형에 따른 SMR 제한값

2.1.2.2.13 SMR 등급별 보강공법 제안

주) 1. 동일 비탈면에 대하여 다른 몇 가지 종류의 보강법이 종종 사용됨

2. ( )는 잘 사용하지 않는 공법임

2.1.2.3 암반의 기재방법

2.1.2.3.1 색(Color)

암반의 기본색(황색, 갈색, 회색, 청색, 또는 녹색)에 담(연한)과 암(진한)의 명암 및 혼색에 대한 서술 용어를 사용

2.1.2.3.2 암석의 절리간격에 따른 분류

2.1.2.3.3 암석의 풍화상태에 따른 분류

2.1.2.3.4 암석의 강도(Strength)에 따른 분류

2.1.2.3.5 절리조건에 따른 분류

2.1.2.3.6 절리면 거칠기에 따른 분류

2.2 광역조사

2.2.1 조사내용

2.2.1.1 개요

(1) 선형구조 분석

- Landsat 위성영상을 이용한 광역적 지형 특성, 지질 경계 파악 및 거시적인 선형구조 발달상태 분석

- 1:5,000 수치지형도로 작성된 DEM음영기복도를 이용한 과업구간 상세 선구조 분포특성 분석

- 과업지역의 해저 지형을 이용한 해저 선형구조 발달 현황 분석

(2) 정밀 지표 지질 조사

- 1:5,000 지형도를 이용, 노선 주변의 정밀 지질 맵핑(Mapping)

- 과업 지역에 대한 전반적인 지층 발달 양상 및 지체 구조에 대한 이해를 통한 지질도 및 지질 단면도 작성

- 지질학적, 지질공학적 특성을 반영한 편마암층 및 화강암층 암석 구분대(Zonation)

- 주요 구간별 지층 발달 및 분포 상황 분석

(3) 불연속면 특성 조사

- 조사선(Scanline) 및 조사창법(Window Survey)을 이용한 불연속면의 공학적 특성 분석

- 불연속면의 방향, 간격 등에 대한 통계적 분석 및 확률 밀도 함수(PDF) 도출과 검증, 3D 절리망 생성

- 주요 구간(교대)에 대한 불연속면 특성 분석에 의한 안정성 검토

2.2.1.2 조사흐름도

2.2.2 선형구조 분석

2.2.2.1 선형구조의 정의

(1) 선형 구조는 지각구조를 반영하는 선형 혹은 완곡의 광역적 지형 형상 (Hobbs et al., 1976)

(2) 단층선, 절리, 암맥, 화산, 지층 경계 등의 지질 구조 요소들과 밀접한 연관

(3) 특히 단층 파쇄대 및 불연속면들의 경우 암반 구조물 설계 및 안정성 평가에 영향 요인으로 작용

- 정단층

- 역단층

- 습곡

- 충상단층

2.2.2.2 분석목적

- 과업 지역을 포함한 광역 구간에 대해 대규모 선형구조의 분포 특성 분석

- 정밀 지표지질 특성조사 및 물리탐사 구간 설정 등 지반조사 방향 설정의 기초 자료로의 활용

- 노선 선정의 기초 자료 제공

2.2.2.3 분석방법

(1) 고해상도 위성 영상(Landsat)을 이용하여 과업 지역을 포함한 광역적 지역에 대한 지질분포 및 선형구조 분석

(2) 1:5,000 축적의 수치지형도를 이용하여 과업구간에 대한 정밀 선형구조 분석

2.2.2.4 설계활용 방안

위성영상 분석, 음영기복도 분석을 종합하여 과업구간에 영향을 미치는 주요 선형구조 파악

- 지질경계 및 지질구조(단층 및 파쇄대, 습곡축 등) 해석에 이용

- 지반내에 계획되는 구조물 구간에서 선형구조와 연관성 분석

- 위험요소를 내포하는 구간에 대한 상세조사 범위의 계획 및 설정

2.2.2.5 위성영상분석

(1) 분석목적

- 과업구간을 포함하는 광역적인 지역에 대한 영상분석으로 식생 분포와 지형적 발달 요건을 고려한 선형구조 분석

- 광역 지역에 대한 분석을 통해 과업 구간에 발달하는 선형구조의 방향성 및 성격 유추

- 단층, 분포암종 분석 등 결과의 지반조사 방향 설정의 기초 자료 반영

(2) 분석방법

- Landsat TM(Thematic Mapper)에 의해 관측된 영상 사용

- 7개의 Bands 가운데 1,2,3 Bands(Blue, Green, Red)를 사용하여 이미지 처리 수행

- 자동화된 선형구조 추출기법을 사용하여 선형구조를 1차 추출한 후 비교적 연장성 우수한 선형구조를 육안에 의해 최종적으로 수정 보완

- 과업지역을 포함하는 광역적인 지형 및 지질과 선형구조를 분석하기 위해 6m×6m 해상도를 가지는 ICONOS 위성영상 사용

(3) 분석결과 활용방안

- 광역적 범위의 선형구조 분석을 통해 과업지역 내의 선형구조 분포특성 예측 및 분석방향 수립

- 과업 지역의 구조구 선정 및 지표지질 조사의 기초 자료로의 활용

- 노선 선정 및 지반조사 방향 설정의 기초 자료로 활용

2.2.2.6 DEM을 이용한 음영기복도 분석

(1) 분석목적

(1.1) 과업구간 주변의 상세 선형구조 분석

(1.2) 지형 변화 이력에 의해 노선 주변에 형성된 단층, 습곡축 등 지질구조의 분포 특성 및 경향분석

- 산계와 수계의 발달 방향과 지질구조, 분포 암종과의 관계 규명

(1.3) 1:5,000 수치지도에 의한 음영기복도 작성으로 선형구조의 발달 방향 확인

(1.4) 선형 구조의 빈도 및 연장에 대한 가중치 분석을 통한 선형구조의 분포특성 파악 및 지질구조와의 연관성 해명

(1.5) 단층, 분포 암종 분석 등 결과의 지반조사 방향 설정 및 기초 자료 반영

- 예비조사 단계에서 각종 정밀 지반조사 지역 설정 및 노선 결정의 보조적 수단 활용

(2) 분석방법

- 수치지도로부터 작성된 DEM(Digital Elevation Model) 음영기복도를 이용하여 선형구조를 추출

(3) 분석내용

- Rose Diagram을 사용하여 선형구조의 분포 방향을 통계적으로 분석

- 선형구조의 연장성에 의한 가중치를 부여하여 상대적인 분포 빈도 분석

- 과업 노선과 교차하는 선형구조의 방향성 분석 및 노선과의 교차각 분석

2.2.2.7 해저지형도 분석

(1) 분석목적

- 과업구간 내 교량이 위치하는 소록도~대화도~거금도 사이의 해저 지형 및 선형구조 분석

- 과업지역이 섬과 바다로 구성된 점을 감안하여, 수치지형도에 의한 선형구조 분석시 해저 부분에 대한 선형구조 추출이 불가능함

- 해저지형도를 이용하여 DEM 음영기복도를 작성하여 해저에 대한 선형구조를 추출하고 이를 섬 지역에서 추출된 선형구조와 연계하여 전체적인 분포 패턴 분석

- 교량 기초와 상관되는 선형구조 추출

- 소록도 및 거금도에 나타나는 선형구조의 연장성 파악

(2) 분석내용

- Rose Diagram을 사용하여 선형구조의 분포 방향을 통계적으로 분석

- 선형구조의 연장성에 의한 가중치를 부여하여 상대적인 분포 빈도 분석

- 과업 노선과 교차하는 선형구조의 방향성 분석 및 노선과의 교차각 분석

2.2.3 정밀지표지질조사

2.2.3.1 조사목적

- 과업 지역을 포함하는 광역 지역에 대한 전반적인 지층 발달 양상과 지체구조를 이해

- 지질도 및 지질 단면도를 작성하고 지질 구조 진화 모델을 설정

- 지질학적 지반공학적 특성을 반영한 편마암의 세분

- 각 구간별 지층 분포 상황 분석

2.2.3.2 조사 내용

- 지표상에 노출된 노두, 식생 변화, 지형 및 수계 형상 등을 관찰

- 층서 및 암종 구분, 절리, 단층, 선형구조 등의 방향성 및 규모 파악

- 습곡구조, 단층 발달 방향, 선·면구조 분석을 통한 지질 구조 해석

- 각 지층의 암반 특성 분석과 노선과의 연관성 분석

2.2.3.3 조사 흐름도

2.2.3.4 조사결과 활용방안

- 편마암 및 화강암의 분포 특성 파악 및 층서 규명

- 편마암의 세부 암종 구분에 의한 각 암종의 공학적 특성 규명

- 지질 분포 및 지질 구조 특성을 조사, 분석하여 과업구간의 지구조 모델 설정

- 시추조사와 물리탐사 등의 자료와 함께 종합 분석하여 과업지역내 공학적 지질도 및 지질 단면도 작성 및 취약구간 추가 조사 위치 선정

2.2.4 불연속면 조사

2.2.4.1 조사 목적

- 광역조사 결과 구분된 구조구별 불연속면의 공학적인 특성 분석

- 간격, 연장, 방향성에 대한 통계적 분석으로 분포 현황 파악 및 절리망 작성

- 조사선(Scanline) 방법과 조사창(Window)방법에 따른 절리군 분포 특성 정량화 기법 비교 검토

2.2.4.2 조사선을 이용한 조사 방법

(1) 장비

- Schmidt Hammer : 1조

- Clinometer : 1조

- Profile Gauge : 1조

- 줄자 및 철자 : 각 1조 (각 50m/10m)

- 사진기 : 1조

- 기타 : Check List, 분필, 테이프(암표면 부착), 지질 해머, 안전장비

(2) 장소 선정

- 불연속면 보다 간격과 연장이 더 큰, 거의 평면의 암면에 대해 수행

- 조사 대상 암면은 150-350개의 불연속면을 가지고 있어야 하며 이중의 50%가 최소한 한쪽끝의 연장이 인지될 수 있어야 함

- 조사대상 암면이 이 지역의 불연속면을 대표하는지를 판단

- 다른 장소에서 다른 방향으로 또 다른 샘플링이 이루어져 3차원적인 샘플링이 가능하게 함

(3) 스캔라인 설정

- 스캔라인은 20-30m길이의 줄자로 측정

- 스캔라인은 암면의 주향과 최대 경사의 선을 따라서 암면에 부착되며, 이후의 또 다른 스캔라인은 처음에 직각으로 샘플링 편차를 최소화 할 수 있게 설치

- 불규칙한 암표면일 경우 스캔라인을 암면에 부착시킴

- 20°이상의 오차가 불규칙한 암면으로 인해 생길 경우에는 스캔라인을 분리하여 측정

- 스캔라인 측정 대상 암면에 대한 사진 촬영. 불규칙한 모든 면이 인지되도록 다양한 방면에서 사진을 찍고, 줄자에다가 1m간격으로 표시를 해서 사진상에서 거리가 나올 수 있도록 함

- 사진을 찍을 경우에는 초점 거리가 같도록 위를 올려다보고 찍지 말고 멀리서 전체가 나오도록 함

(4) 방향성 측정방법

- 불연속면 노출이 불량할 때는 이와 유사한 스캔라인에서 떨어져 있는 불연속면을 측정

- 방향 측정의 오차는 주향은 ±10°, 경사는 ±5°정도가 됨(Ewan ＆ West, 1981)

- 스캔라인과 평행한 불연속면은 인지나 측정이 힘들므로 자료수가 작아지며 이를 나중에 보정(Terzaghi Correction실시)

- 거의 평행한 불연속면의 경우 스캔라인과 만나는지 인지하기 곤란

- 이 경우 이를 연장하여 유추한 후 스캔라인과 만나게 해서 측정

(5) 불연속면 측정방법

- 불연속면의 연장은 조사 목적에 따라 달리 측정하며 대개 Semi-trace Length를 기록함

- 불연속면이 평면적이지 않을 때(Curve이거나 Stepped일때)는 연장하여 교차를 측정한다.

- 불연속면은 지질학적 역학적 요인에 의해 생긴것만 측정한다.

- 심하게 파쇄된 하나의 Zone으로 구성된 불명확한 불연속면에 대해서는 세부적인 측정보다 성격에 대한 기술이 중요

- 간격이 1cm보다 작은 거의 평행한 불연속면(층리, 벽개, 엽리 등)은 대표적인 측정치 하나만을 측정하고 0.1m간격에 발생하는 숫자를 기록함

- 주요 Set에 대해서 슈미트 해머를 이용한 절리면 압축강도(JCS)측정

- Profile Gauge를 이용한 절리면 거칠기 계수(JRC)측정

- 절리 충진물, 틈새, 불연속면의 성격(전단절리, 인장절리, 단층, 파쇄대)을 측정

(6) T index 설정

- Termination Index는 ISRM에서 제시된 것으로 불연속면에 대한 스캔라인 조사에서 불연속면의 3가지 종결모양을 통해 암의 지수를 결정하는 것을 말함

I : Intact Rock(불연속면이 신선암에서 끝날 경우)

A : Another(불연속면이 다른 불연속면과 만나면서 끝남)

O : Obscure(종결이 불명확)

- Termination Index 계산

Ti = (100Ni/Ni+Na+No)%

- Termination Index의 의미 : Ti 값이 큰 경우는 Ti값이 작은 경우보다 더 큰 강성과 강도를 가지며 낮은 투수성을 가짐.

2.2.4.3 조사창(Window)을 이용한 조사 방법

(1) 측정방법

- 일정한 면적을 설정하고 이내에 분포하는 모든 불연속면을 조사

- 조사창을 이용한 조사 방법은 기본적으로 선조사법과 동일함

- 불연속면의 밀도를 단위면적에 대해 구하고 이를 통해 균열 밀도(Fracture Density) 작성

- 간격의 추론은 할 수 없음

(2) 연장성 추론방법

- 조사창을 교차하고 조사창 내에 양끝이 보이면 ‘Contained’로 기재

- 조사창을 교차하고 한쪽 끝만이 조사창 내에 보이면 ‘Dissect’로 기재

- 조사창을 교차하고 어느 쪽 끝도 보이지 않으면 ‘Transect’로 기재

- 평균 연장의 추정

μ_L = wh(1-θ_c+θ_t)/{(wcos Φ+hsin Φ)(1+θ_c-θ_t)}

(3) 확률밀도 함수 추론방법

- Window 조사를 통한 절리의 연장분포 추정방법에는 양끝 내포선분포와 한끝 내포선분포를 이용한 두 가지 방법이 있음

- 양끝 내포선분포를 이용하는 것이 더 정밀한 것이 알려져 있음 (Mauldon,1998)

- 조사창을 교차하고 어느 쪽 끝도 보이지 않으면 ‘Transect’로 기재

- 평균 연장의 추정

p = (2N^c _all+N^d _all)/2WH

N^c _all : 양끝내포선의 수

N^d _all : 한끝내포선의 수

W : Window의 폭

H : Window의 높이

- 이 때 양끝내포선의 확률밀도함수를 f^c(l)이라 하면, Window의 가로축과 θ의 각을 이루는 절리군의 전체 연장의 확률밀도함수 f(l)은 다음과 같이 정의

f(ㅣ) = {N^c _all/p(al²+bl+c)} f^c(l)

여기에서,

a = cosθsinθ

b = -Wsinθ-Hcosθ

c = WH

- f^c(l), N^c _all, N^d _all는 현장조사를 통해 얻을 수 있으므로 절리의 연장분포에 대한 확률 밀도함수를 구할 수 있음

2.2.4.4 통계 분석 방법

2.2.4.4.1 개요

- Priest(1993)의 통계분석 이용

- 지질 특성 및 암종 등을 고려하여 과업지역을 대표할 수 있는 다양한 지역에서 조사선 및 조사창 방법을 이용하여 불연속면 자료를 획득

- 동일 지질 구조구에 분포하는 불연속면을 종합적으로 분석

- 불연속면의 특성을 대표하는 방향성, 간격, 연장, 거칠기, 틈새 및 벽면 강도 등에 대한 확률밀도함수 결정

- 결정된 확률밀도함수를 Chi-square 방법을 이용하여 적합성 검증

2.2.4.4.2 확률분포 함수의 예

(1) 정규 분포 함수

(2) 음지수 분포 함수

(3) 대수 정규분포 함수

(4) Power Law 분포 함수

2.2.4.5 불연속면 특성에 대한 확률밀도함수 선정

2.2.4.5.1 방향성 확률밀도함수 선정

2.2.4.5.2 항목별 확률밀도함수 선정

(1) 간격

- Negative exponential, Log-normal에 대해 카이제곱 검증을 통해 검증

(2) 연장성

- 불연속면 연장에 대한 Semi-Trace Length를 측정하여 평균연장 및 분포 함수를 선정하고 이를 카이제곱 검증에 의해 검증

(3) 압축강도, 거칠기계수, 틈새

- 카이제곱 검증을 통한 함수검증(Normal, Negative Exponential, Log-normal)

2.2.4.6 3차원 절리망 생성

(1) 절리망 생성

- 선정된 분포함수를 적용하고 모사 기법(Simulation)을 통해 절리망 재생성(2D, 3D)

(2) 수치해석

- 생성된 절리망을 이용한 불연속 암반의 불연속체해석(UDEC)에 적용

2.2.4.7 설계 활용

(1) 불연속면의 구조구별 통계분석(Scanline, Window방법의 비교 분석)

- 방향성 확률 밀도 함수 선정

- 연장, 간격에 대한 확률 분포 함수 선정

- 일축압축강도, 거칠기 계수, 틈새 간격 등에 대한 확률 분포 함수 선정

(2) 수치해석

- 생성된 절리망을 이용한 불연속체(UDEC)적용

2.3 현장조사 및 시험

2.3.1 물리탐사

2.3.1.1 음향측심

- 조사해역 전체에 대한 상세한 수심 및 해저지형 분포 상태 파악

- 해상 본 탐사에 선행하여 수심분포 및 해저지형을 파악함으로서 본 탐사의 위치선정에 활용

- 반사법탐사시 병행한 측심결과와의 비교검토를 통해 최종결과의 정확도 향상

2.3.1.1.1 원리 및 탐사방법

- 음향측심기를(Transducer) 선측 수심 1.0m에 고정시킨 후 일정간격으로 음파를 발진, 수진하는 방식

- 사용주파수는 200kHz, 기록방식은 아날로그 출력방식과 디지털 기록방식을 동시에 운용

- 현장탐사 전경

- 음향측심 장비

2.3.1.1.2 야외자료 취득

- 관측구간 : 반사법 탐사구간 전체 및 소록도, 거금도 물양장

- 측선배치 : 관측구간 전체에 대하여 종, 횡단 10m×10m로 측심수행

- 조사해역 섬 주변은 소형선박(1.5t)을 이용하여 정밀 측심을 별도로 수행

- 음향측심과 동시에 DGPS 항측을 실시하여 정확한 위치정보를 입력 기록함

2.3.1.1.3 조사해역 음향측심 항적도(Echo Sounding Track Chart)

2.3.1.1.4 실내자료 전산처리

- 흘수보정(Draft Correction) : Transducer 부착수심에 대한 보정

- 조석보정(Tide Correction) : 조위경정은 국립지리원 2등수준점 No.14-10-23-9(H = 측지 기준면상 30.1210m)을 기준하여 실시한 조위관측기록에 의거하여 측지기준면(인천중등조위면)하의 수심으로 갱정

- 흘수 및 조석보정 자료 즉, 약 최저조면 결과(연안지역 적용)에 대하여 EL. 값으로의 보정을 실시

2.3.1.1.5 적용현황

2.3.1.1.6 결과 활용

- 과업구간에 대한 수심분포, 암초지역 및 해저협곡 등의 해저지형 분포 특성파악

- 해상 굴절법 탐사 위치선정에 활용(해저면 평탄지역 선정)

- 해상 반사법 탐사시 병행한 측심자료와의 비교검토를 통한 결과 정확성 향상에 활용

2.3.1.2 해상 반사법 탄성파탐사

- 해저지형, 기반암 및 퇴적층 분포상태, 구성물질, 층서구조, 지질 구조대 파악

- 해상시추 결과와의 비교 분석을 통한 연속적이고 상세한 지질특성 파악

2.3.1.2.1 원리 및 탐사방법

- 해상 반사법 탐사는 해저지층 경계면에서 반사되어 오는 반사파(Acoustic Impedance)를 기록, 분석하여 지층구조에 대한 정보를 획득하는 방법

- 음원 : 탐사선 중앙부 선미 후방 약 5m, 수심 1~2m에 설치 후 정속(3~4knot) 예인

- 발진간격 : 0.5~1.0s (수평 해상도 1.0m 내외)

- 수진장치(Streamer-10성분 Hydrophone) : 탐사선 측방 4.0m, 후방 15m에 예인, 자료 취득·잡음 최소화

- 관측 측선을 대상으로 반사법 외 선위측량(DGPS) 및 음향측심(Echo Sounding)을 동시 수행

- 해상 반사법탐사 모식도

- 반사법탐사 장비

2.3.1.2.2 사용음원

(1) Mini-Sparker System

(2) Mini-Sparker System의 특징

- 가탐심도 및 지층에 따라 에너지를 조절할 수 있는 가변에너지 방식(150~450J)으로 고해상도 구현

- 다중전극방식(Multi-Electrode System) - Bubble Effect 제거 - 상세한 천부 지층정보 획득 가능

- 선미 후방 약 5m 이상의 이격거리를 두고 예인하는 방식 - 선박 잡음 최소화 - S/N 비 향상

2.3.1.2.3 자료처리 과정

전처리(Preprocessing)-〉디콘볼류션(Deconvolution)-〉공심점 취합(CMP Sorting)-〉속도분석(Velocity Analysis)-〉NMO보정(NMO Correction)-〉필터링(Filtering) -〉구조보정(Migration)

2.3.1.2.4 반사법탐사 측선도

2.3.1.2.5 적용현황

2.3.1.2.6 결과활용

- 지질구조선파악 : 회절신호(Hyperbola)의 존재여부 및 반사면의 불연속성으로 판단

- 과업구간에 대한 연속적인 지질정보 즉 기반암 및 퇴적층 정보를 설계에 활용(본 과업구간과 같은 변성암의 경우 반사단면은 혼탁반사(Chaotic Reflection)의 형태를 보임

- 해상 굴절법 탐사 결과와 연계하여 각 지층의 분포심도 파악

- 해상 시추자료와의 비교, 분석을 통한 상세하고 연속적인 광역 지층분포 특성 파악

2.3.1.3 해상 굴절법 탄성파탐사

- 각 지층별 탄성파속도(Vp)분포 파악

- 반사단면 결과인 시간영역 단면에서 심도영역으로의 전환을 통해 각 지층의 연속적인 분포심도 파악

2.3.1.3.1 원리 및 탐사방법

- 해상 굴절법 탐사는 해저 한 지점의 지층 경계면에서 발생되는 굴절파를 취득하여 해석하는 방법

- 관측지점 : 해류의 흐름이 약하며 일정한 지역, 해저면이 평탄한 곳을 선정

- 자료취득 : 관측선Ⅰ- 고정상태에서 굴절파 수신 / 관측선 Ⅱ : 음원 발진

- Sonobuoy System 단점 개선(무선 잡음을 피하고, 해류에 의한 관측지점의 위치오차를 줄임)

- 기록방식 : 2대의 MD Recorder를 이용 트리거 신호와 굴절신호를 각기 따로 기록 저장하는 무선방식

- 최대 옵셋 : 500m

- 탐사 모식도

- 탐사장비

2.3.1.3.2 실내자료 전산처리

- 잡음제거 : 스펙트럼 분석을 통한 디지털필터 적용으로 최대한의 잡음제거

- 증폭 : 필터링된 자료에 대한 신호음 증폭을 거쳐 높은 S/N 비 구현

- 분해능 향상 : 최종단면의 수평 수직비를 조정, 해석 정확도를 향상

- 속도분석 : 해수의 Vp = 1,500m/sec로 기준하여 상대적인 지층속도(Vp)를 구함

2.3.1.3.3 적용현황

2.3.1.3.4 결과활용

- 해저지반의 탄성파속도 및 지층분포 파악

- 해상 반사법 및 시추결과와 비교 분석을 통한 상세한 지반정보 획득 잡음 제거 : 스펙트럼 분석을 통한 디지털필터 적용으로 최대한의 잡음제거

2.3.1.4 육상 굴절법 탄성파탐사

- 깎기부, 터널부를 대상으로 연속적인 지층분포 상태 및 지질구조대 파악

- 미 시추구간에서 지층선 추정

2.3.1.4.1 원리 및 탐사방법

- 지표상에 층격을 가한 다음 일정간격으로 배치된 지오폰(Geophone)에서 진동을 감지하여 지층의 탄성파속도를 기록, 분석하여 지층구조를 파악하는 방법

- 발파, 해머를 이용하여 지표에 충격을 가하여 종파를 발생

- 지오폰은 5 또는 10m 간격으로 배열한 후 구간분할 및 중복 측정

- 기록된 자료를 자료변환, 트레이스 정리, 필터링, 자동이득함수 보정등의 전처리 과정을 수행한 후, 초동주시를 발췌하여 파원과 수진기 사이의 그래프와 GRM(Generalized Reciprocal Method)법, 파선추적법 등의 역산과정을 거쳐 속도 및 지층구조를 분석

- 주시곡선과 탄성파 모식도

2.3.1.4.2 적용현황

2.3.1.4.3 결과활용

- 지층구분 및 지질 연약대 파악

- 지표지질조사, 시추조사 결과와 비교하여 암선 추정, 깎기부 및 터널부 안정해석에 활용

- 굴착 난이도에 따른 토공량 산정에 이용

- 탐사장비(Terraloc MK6)

- 탐사전경

2.3.1.5 전기비저항탐사

- 조사 대상구간의 지층 경계면, 파쇄대, 연약대, 지하수 등 파악

- 시추위치 선정 및 미 시추구간의 지층구조 파악

- 터널의 지보패턴 예측

2.3.1.5.1 원리 및 탐사방법

- 전기탐사(Electric Survey)는 매질의 전기적 물성차이에 의한 전위차를 측정 지하구조를 영상화하는 방법 즉 지표에 전류(l)를 흘려보낸 후 전위차(△V)를 측정하여 지하매질의 전기비저항 분포 파악함

P = A/L R = (A/L)(△V/I)

여기서

P : 전기비저항(mΩ)

L : 도선길이(m)

A : 단면적(m²)

R : 전기 저항

- 주로 이용되는 탐사법은 수평탐사를 위한 쌍극자 배열법(Dipole-dipole Array)과 수직탐사를 위한 슐럼버저(Schlumberger)배열법임

- 지표상의 두 지점에서 음전류(C₁)와 양전류 (C₂)을 흘려주면 전류선이 형성되고 이에 수직한 방향으로 등전위선이 형성되게 되는데, 여러 지점에서 전위차를 측정하여 현장에서 가단면도를 작성하고 이를 역산하여 이차원적 지층구조를 얻음

- 쌍극자배열 전기비저항탐사 모식도

- 전류 및 등전위선 분포도(균질한 매질)

2.3.1.5.2 적용현황

2.3.1.5.3 결과활용

- 지층의 연약대, 파쇄대, 지하수 및 공동분포 파악

- 타 조사결과와 종합적으로 비교분석하여 암반등급 결정 및 터널지보패턴 결정에 활용

- 탐사장비

- 탐사전경

2.3.2 특수탐사

2.3.2.1 S파 반사법탐사

- S파 반사패턴 변화 감지로 단층대 및 파쇄대의 방향성 파악

- 지하수면 직하부 및 극천층부 지층정보 획득

2.3.2.1.1 원리 및 탐사방법

- 지층 경계면에서 음향 임피던스(밀도와 속도의 곱) 차이에 의해 반사된 탄성파 중에서 파의 전파방향과 매질입자의 진동방향이 직각인 S파를 야외 취득

- S파는 Sv, Sh의 두 성분으로 구분되며 본 탐사에서는 지면에 평행한 면상의 성분인 Sh파를 이용

- 지오폰 간격 1.0m. 발진 간격 1.0m. 최소 옵셋 11m로 설정

- 진원은 1회 발진당 20회 이상을 발생시켜 S/N 비를 극대화

- 반사단면의 시간영역을 심도영역으로 전환하기 위하여 총 15회의 원격발진을 시켜 S파 굴절법탐사를 병행

- 높은 중량의 탄성파 발생장치 필요 : 지표면과 진원간의 Coupling이 불완전한 경우 S파 발생이 곤란하므로 200kg 이상의 Plate(원목)를 지면에 거치한 후 탄성파를 발생

- 중심주파수는 150Hz 내외의 고주파를 사용하여 해상도 향상

2.3.2.1.1.1 발생패턴에 따른 SH, SV-Wave

2.3.2.1.1.2 P, S 굴절판 단면

2.3.2.1.1.3 CDP Stacking Chart ＆Raypaths 개념도

(1) Stacking chart

(2) Raypaths

여기서

- s = Shot,

- g = Geophone

- distance

- y = Midpoint,

- h = Offset

- x = Survey line (Geophone set)

- ① Common-Shot Gather

- ② Common-Receiver Gather

- ③ CMP Gather,

- ④ Common-offset Gather

- ⑤ CMP-Stacked Section

- FG = 수진점 연장(Recording Cable Length),

- AD = 측선연장(Line Length),

- BC = Full-fold Coverage, Stacking Chart에서의 점들의 수는 CMP Fold를 나타냄

2.3.2.1.2 자료 전산처리방법

2.3.2.1.3 사용장비

2.3.2.1.4 적용현황

2.3.2.1.5 결과활용

- 탐사단면상에 나타난 반사신호의 강약, 반사면의 단절 형태로 절리 및 파쇄구간 파악

- S파 속도분포로 속도층 구분

- S파 반사법 결과단면

- 탐사전경

2.3.2.2 MASW - 다채널 주파수영역 표면파 탐사

- 교량구간의 지층상태 및 지질구조대 확인

- 내진설계를 위한 원지반 동적특성치 산출

2.3.2.2.1 원리 및 탐사방법

- 발진자와 감지기 모두 지표면에 두고 시험하는 방법으로 표면파 특성을 이용하여 지반물성치를 결정

- 다채널(24채널) 수진기를 이용해 굴절법탐사와 같이 Offset과 수진기 간격(Geophone Interval)을 설정

- 2차원 단면을 위해 Off End-Push 방법으로 반복

- 심부로 갈수록 저주파가 우세하다는 점을 이용

- 표면파의 분산곡선(Dispersion Curve)을 구함

- 역산결과 얻어진 표면파 속도의 분산곡선(Dispersion Curve)이 적당하지 않을 경우 프로그램 반복해석으로 층의 두께 조절

- 역산자료를 이용해 탐사자료를 2차원 영상단면으로 나타냄

- 탐사 흐름도

2.3.2.2.2 사용장비

- 탐사 모식도

2.3.2.2.3 적용현황

2.3.2.2.4 결과활용

- 타 동적시험 결과와 비교·분석 후 동적지반특성치 산정에 활용

- 교량기초의 액상화 검토 및 내진설계에 활용

2.3.2.3 굴절법 토모그래피탐사(Curved Wave Tomography)

- 원지반 지표면에서 수행 가능한 주시 굴절 토모그래피 방법(시추공 불필요)

- 지층의 P, S파의 속도분포 영상화를 통한 지층상태 및 이상대 파악

- P, S파 속도정보를 이용한 원지반의 동적지반계수 결정

2.3.2.3.1 원리 및 탐사방법

(1) 기존의 토모그래피탐사에서 이용되는 보링공이 필요없는 방식으로 각각의 수진점에 기록된 굴절파의 초동을 발췌하여 각 파선경로를 격자망별로 추적 및 역산처리를 통해 지하매질의 속도분포를 형상화하는 방법

(2) 탐사방법

- 기록계 : 18 bit A/D Converter 이상

- 진원 : Shot Gun, Dynamite, Plate

- 진원점 간격 : 2m

- 수진점 간격 : 2m

- 지형기복 : Cell 분할

- 가탐심도 : 50m (측선연장에 비례)

- 실내 자료처리 : 격자망 파선추적 및 역산

- 자료처리 흐름도

- 탐사 측선도

- 굴절파 경로

2.3.2.3.2 사용장비

2.3.2.3.3 실내 자료처리 방법

2.3.2.3.4 적용현황

2.3.2.3.5 결과활용

- 탐사에 의해 측정된 탄성파속도(Vp, Vs)분포로부터 지층상태 및 파쇄대와 같은 이상구조대를 판단

- P파 및 S파 속도정보를 이용한 원지반의 동적지반계수 결정

- 탐사결과 단면

- S파 발진 전경

2.3.3 현장조사

2.3.3.1 육상구간 시추조사

- 지층의 성층상태 및 제반 지반공학적 특성을 파악

- 시료의 채취 및 각종 원위치 공내시험을 실시하여 설계에 필요한 제반 자료를 제공

2.3.3.1.1 원리 및 조사방법

- 회전수세식(Rotary Wash Type)형 시추기를 사용

- 시추구경은 NX Size(76mm)

- 공벽붕괴 방지를 위해 풍화암까지 Casing 삽입하고 1.5m간격으로 표준관입시험을 실시

- 토사 시료채취는 Split Spoon Sampler, 암반 시료 채취는 D-3 Core Barrel 및 Diamond Bit 사용

- 채취된 암석코아는 육안관찰에 의하여 암석내에 분포된 불연속면(Discontinuities)과 충전물 등을 파악하고 절리의 분포상태, TCR, RQD등의 암반특성을 평가할 수 있는 자료를 조사하여 시추 주상도에 기재

- 채취된 토질 및 암석시료는 시료상자에 공번, 심도, 지층명, 색상 등을 기록하여 정리 보관

- 시추흐름도

2.3.3.1.2 적용현황

- 시추조사 전경(육상)

- 수평시추조사 위치

- 수평시추조사 전경

2.3.3.1.3 결과활용

- 지층 분포상태 파악 및 지지층 확인

- 각종 물리탐사 결과 확인

- 실내 토질시험 및 시추공을 이용한 현장시험 실시

- 암반분류, 터널 지보패턴 설계, 구조물 기초 및 토공계획, 비탈면 설계에 활용

- 소록터널구간 파쇄대 확인

2.3.3.2 해상구간 시추조사

- 본 노선의 해상구간에 소록도와 거금도를 연결하는 장대교량이 계획되어 있어, 수심이 깊은 지역의 대심도 조사시 해상의 환경(파랑, 파도 등)에 영향이 없이 시추조사가 가능한 Barge의 도입이 필요

- 해상전용 지반조사용 SEP(Self Elevating Platform) Barge 장비를 이용하여 파랑, 파도에 영향없이 육상조건과 비슷한 여건에서 연직시추를 실시하여 해상하부 지반의 성상 및 제반 지반공학적 특성 파악

- 정확한 해저지반의 지반고 확인

2.3.3.2.1 원리 및 조사방법

- 해상구간의 시추위치 선정

- SEP Barge선내 장착된 GPS 측량시스템을 이용하여 시추위치로 정확하게 셋팅

- Leg 4조를 해저면에 지지시킨 후 유압에 의해 갑판을 수면위로 상승시킴

- SEP Barge선에 탑재된 유압식 시추기로 시추하고 시추가 완료되면 다음 시추위치로 위의 작업을 반복함

- 그 외 일반적인 사항은 앞에서 기술한 육상구간과 동일

2.3.3.2.2 조사장비

- SEP Barge 전경

- 해상시추 전경

2.3.3.2.3 SEP Barge와 Pontoon Barge의 특징 비교

2.3.3.2.4 적용현황

2.3.3.2.5 결과활용

- 반사법 탐사, 음향측심 결과와 비교검토를 통해 정확한 수심 및 해저 지반고 확인

- 지층 분포상태 파악 및 지지층 확인

- 각종 물리탐사 결과 확인

- 실내 토질시험 및 시추공을 이용한 현장시험 실시

- 구조물 기초 설계에 활용

2.3.3.3 핸드오거보링조사

노선의 쌓기구간에서 토사지반의 지층상태 및 연약지반 존재 유무를 확인

2.3.3.3.1 원리 및 조사방법

- 예비조사 일환으로 실시

- 깎기 및 성토구간에서 300m 간격으로 실시

- 오거를 회전시키면서 지반굴착(지표면하 1.0~2.0m 심도까지 확인)

- 보링공 하부에서 교란시료를 채취하여 지반을 확인하고 채취된 시료에 대하여 토성시험을 실시

- 조사 전경

2.3.3.3.2 적용현황 및 결과활용

2.3.3.4 시험굴 조사(Test Pit)

깎기구간 발생 토사의 노반재료로 적합여부 판단 및 토공량 산출을 위하여 실시

2.3.3.4.1 원리 및 조사방법

- 깎기구간에서 시험굴조사는 200m 간격으로 실시

- 깎기 및 터널 갱구부 위치에서 시험굴을 굴착(1m심도)한 후 50kg의 Bulk Sample을 채취

- 채취된 시료로 토질시험 및 다짐, 실내C.B.R 시험을 실시-〉노반재료 적부, 다짐특성 파악, 포장두께 결정

- 현장들밀도시험과 병행 -〉 토공계획시 L, C 판정

- 현장들밀도시험 전경

2.3.3.4.2 적용현황 및 결과활용

2.3.4 시추공 탐사

2.3.4.1 공대공 탄성파 토모그래피(Seismic Tomography)

- 시추공 사이의 단층이나 파쇄대등 연약대 발달상태 확인

- 터널 시·종점 갱구부 지층 경계면 파악

2.3.4.1.1 원리 및 탐사방법

- 탐사원리는 시추공 내에서 여러 각도로 탄성파를 주고받고 파의 초동주시를 발췌하고 이를 역산하여 두 시추공사이의 지층구조를 영상화하는 방법

- 탄성파 발생은 1m간격으로 위로 이동시키면서 발생

- 수진기 간격이 1m인 하이드로폰을 48채널로 연결하여 공내에 배열시키고 도달한 탄성파 수신

- 실내에서 기록된 자료를 다시 백업한 후 탄성파 트레이스로부터 초동 발췌

- 발췌된 초동신호와 발신, 수신기 위치를 역산프로그램에 입력하여 역산을 수행한 후 결과 분석

- 자료처리 과정 : 초동주시 발췌 -〉 발췌주시 보정 -〉 역산 -〉 탄성파속도 파악 후 탄성파속도 단면 재구성

- 탐사모식도

2.3.4.1.2 적용현황

2.3.4.1.3 결과활용

- 터널갱구부의 연약대(단층 및 파쇄대) 파악

- 갱문 위치선정에 활용

- 타 자료들과 비교분석하여 암반분류 및 지보패턴 설계에 활용

- 탐사전경

- 탐사결과 단면

2.3.4.2 시추공 영상촬영(BIPS)

- 암반내 불연속면 발달상태(주향, 경사, 간격) 및 절리내 충진물 유무 등을 파악

- 암층 구분, 암맥 혹은 층리 구분, Core 이미지 재현

2.3.4.2.1 원리 및 조사방법

- 고광도의 광원을 사용하여 반사되는 공벽 이미지를 스캔하여 원지반 정보를 획득

- 시추공 선정후 센서(Probe)를 시험공내에 삽입

- 센서(Probe)를 삽입한 후 0.5m/min의 속도로 내리거나 올리면서 심도에 따라 시추공벽을 연속적으로 360-〉촬영함

- 입력된 정보를 심도별 및 불연속면의 특성별로 정렬하여 로즈다이아그램, 스트레오넷을 통하여 불연속면, 파쇄대, 단층대 등에 대한 각종 정보를 추정·해석

- 경사진 불연속면이 존재할 경우 Sine 곡선의 형태를 띠게 되는데 이때 Sine 곡선의 진폭은 경사, 최대 혹은 최소값의 위치는 주향을 나타냄

- 시험모식도

2.3.4.2.2 적용현황

2.3.4.2.3 결과활용

- 정밀지표지질조사 결과 및 Scanline 분석결과와 연계하여 불연속면의 방향성 및 특성을 파악하여 암반비탈면 안정해석에 이용

- 불연속면의 발생빈도를 분석하여 확률 절리망 작성, 터널 굴진방향 검토, 암반분류시 활용

- 불연속면을 고려한 교량기초의 안정성 검토시 적용속도검층 결과로 구해지는 탄성파속도를 통해 내진설계에 필요한 지반의 동적특성치 산정

- 시험전경

- 시험결과

2.3.4.3 초음파 주사검층(Televiewer)

- 암반층내 불연속면의 방향, 경사, 간격, 틈새 등의 불연속면의 특성 파악

- 진폭 및 주시 이미지를 이용한 시추공벽의 3차원 영상화 가능

- 현지 암반강도 추정

2.3.4.3.1 원리 및 시험방법

- 초음파 빔을 360-〉주사 후 반사되는 초음파의 도달시간과 진폭을 분석하여 불연속면의 특성 및 암반의 변화 등의 정보를 획득

- 검층기 내부에서 아래로 초음파를 주사하면 검층기축과 45-〉를 이루며 회전하도록 되어있는 반사경을 통해 시추공벽에 음파를 주사

- 반사경을 통해 검층기내에서 반사된 음파를 측정, 상기와 같은 작업을 반복하여 실시

- 시추공벽에 노출된 불연속면은 Sine Curve형태로 나타나며, 지자기 정보를 이용하여 측정데이터를 N-E-S-W-N 방향 순으로 정렬하고, N방향을 기준으로 Sine Curve를 분석하여 불연속면의 경사방향(Dip Direction)과 경사각(Dip Angle)을 구함

- 초음파주사검층 모식도

2.3.4.3.2 적용현황

2.3.4.3.3 결과활용

- 주향과 경사를 통계처리하여 주절리군의 방향성과 터널굴진 방향과의 관계를 분석하고, 암반분류시 평점의 보정과 수치해석 입력자료로 활용

- 암반내 주요 단층 및 파쇄대, 공동의 위치를 파악하여 암반등급 및 지보패턴 결정에 활용

- 시험전경

- 시험결과

2.3.4.4 하향식 탄성파탐사(Downhole Test)

- 원지반의 탄성파속도와 밀도측정에 기초한 동탄성계수를 산출하여 터널, 교량 등 구조물의 내진설계

- 시추공 주변 암반의 심도에 따른 탄성파 속도 및 파쇄대 파악

2.3.4.4.1 원리 및 탐사방법

(1) 지표에서 탄성파를 발생시키고 시추공내 삽입된 수신기를 통하여 심도별로 탄성파 도달시간을 기록, 분석하여 지층별 탄성파속도를 측정하는 방법

(2) 주시곡선상의 일정한 기울기를 갖는 구간으로부터 암층별 종파 및 횡파 속도 산출

(3) 암석 실내시험에서 구한 밀도값과 다운홀 시험으로 측정한 탄성파 속도값을 이용하여 동적 지반특성치 산출

- 동 포와송비 : V_d = {(V_p/V_s)²-2}/{2(V_p/V_s)²-2}

- 동전단탄성계수 : G = p(V_s)²

- 동탄성계수 : E = 2G(1+V_d)

- 동체적탄성계수 : K = E/3(1-2v_d)

(4) 시험 모식도

2.3.4.4.2 적용현황

2.3.4.4.3 결과활용

- 시추공내 지반의 심도별 탄성파속도(Vp, Vs)를 측정

- 지반의 동적특성치(동전단탄성계수, 동탄성계수, 체적계수)을 파악하여 내진해석시 적용

- 탐사전경

- 심도별 탄성파속도

2.3.4.5 Suspension PS 검층

내진설계에 필요한 지반의 동적물성치(포와송비 v, 동전단탄성계수 Gd, 동탄성계수 Ed)를 산출하기 위하여 실시

2.3.4.5.1 원리 및 탐사방법

- 시추공내 발진원과 수진기가 일체화된 Sonde를 공내에 삽입하여 상향 이동하며 공내에서 발진과 수진을 실시, 각 지층별 P파, S파 속도를 검출하여 이를 이용하여 지반의 동적물성치를 산정하는 방법

- 탐사지점 및 구간을 설정 후 본체와 Sonde를 연결

- Sonde를 검층공 내에 삽입하여 상향 이동하며 일정 간격으로 발진과 수진을 반복

- 측정된 탄성파속도를 이용하여 지반의 동적물성치(포와송비 υ, 동전단탄성계수 Gd, 동탄성계수 Ed) 산정

- 본 탐사는 수진기 성분에 따라 수평성분은 Geophone을 수직성분은 Hydrophone을 사용하므로 지하수위 하부 지반에 대해서도 시험이 가능

- S-PS검층 모식도

2.3.4.5.2 적용현황

2.3.4.5.3 결과활용

- 속도검층 결과로 구해지는 탄성파속도를 통해 내진설계에 필요한 지반의 동적특성치 산정

- 시추조사 및 각종 시험, 물리탐사 성과 등과 비교 분석하여 암반의 파쇄정도, 풍화대, 연약층판정, 지층구분 등에 활용

- 시험결과(P, S Wave)

- 시험전경

2.3.5 현장시험

2.3.5.1 표준관입시험

- N치로부터 지층의 연경도, 상대밀도, 지층의 구성상태 등을 파악

- N치로부터 지반의 강도특성 및 변형특성 파악

- 교란시료를 채취하여 육안판별 및 실내 물성시험 실시

2.3.5.1.1 원리 및 조사방법

- 한국공업규격(KS F 2318)에 규정방법에 의하여 토사 및 풍화암에서 1.5m마다 또는 지층이 변하는 지점에서 연속적으로 실시

- 64kg의 해머를 76cm에서 자유낙하시켜 Split Spoon Sampler를 30cm 관입시키는데 소요되는 타격회수(N)를 측정하는 것으로 15cm씩 3단계로 시행하며 1단계 15cm 관입시 소요되는 타격수는 예비타로 간주하여 고려하지 않음

- 지층이 조밀 또는 견고하여 30cm 관입이 곤란할 때는 50회까지 타격하고 그 때의 관입량을 표시 50/3(50회 타격에 3cm 관입)과 같이 기록

- 시험결과 및 육안관찰 결과는 부록의 시추주상도에 기재

- 시험 모식도

2.3.5.1.2 적용현황

2.3.5.1.3 결과활용

2.3.5.2 표준관입시험 에너지효율 측정

- 표준관입시험시 롯드에 전달된 실제 타격에너지를 측정, 이론적 정격에너지와 비교하여 에너지 전달율을 구함으로써 측정된 N치 신뢰도 확보

- 항타분석기(PDA)를 이용한 표준관입시험 해머의 에너지전달율(Energy Transfer Ratio) 측정

2.3.5.2.1 원리 및 시험방법

- 표준관입시험시 롯드에 에너지가 전달되는 과정에서 여러가지 요인으로 에너지의 손실 발생

- 측정결과의 신뢰성을 확보하기 위해서는 에너지 전달효율에 따른 표준화가 요구됨

- 롯드의 상단에 로드셀을 부착, 타격하여 변형율계와 가속도계로부터 롯드에 전달된 에너지를 측정

- 이론적인 낙하에너지와 실제 롯드에 전달된 에너지와의 비가 에너지전달율이 됨

- 에너지 전달율을 측정함으로서 표준관입시험 해머의 최종적인 에너지전달 수준을 알 수 있고, 이를 이용하면 N치 신뢰도를 확보하기 위한 타격에너지 보정계수를 구함

- 에너지 전달효율의 계산 : 해머의 효율(%) = {실측에너지/이론적 에너지}×100

- 시험장비

2.3.5.2.2 보정제안식(Skempton, 1986)

N₆₀' = N×C_N×η₁×η₂×η₃×η₄

여기서

N₆₀' : 해머효율 60%로 보정한 표준관입시험 결과

N : 각 장비별 표준관입시험결과

C_N : 유효응력에 대한 보정 (C_N = √1/p‘)

η₁ : 해머효율 보정계수 (η₁ = 해머효율/60%)

η₂ : 롯드길이 보정계수(3 ~ 4m : 0.75 / 4 ~ 6m : 0.85 / 6 ~ 10m : 0.95 / 10m이상 : 1.0)

η₃ : 샘플러 종류에 대한 보정(Liner가 없는 경우 : 1.2 / Liner가 있는 경우 : 1.0)

η₄ : 굴착홀 직경에 따른 보정(직경 65 ~ 115mm : 1.0 / 150mm : 1.0 / 200mm : 1.15)

2.3.5.2.3 적용현황

2.3.5.2.4 결과활용

- 시추조사에 이용된 시추장비별 에너지효율측정 -〉 장비별 표준관입시험 보정계수 산정

- 보정된 N치를 이용하여 신뢰성 있는 토사층 설계정수 산정

2.3.5.3 공내재하시험

- 원지반에서 현장시험을 실시하여 지반의 변형특성(변형계수 및 탄성계수) 파악

- 기초의 지지력 및 침하 검토, 비탈면 및 터널의 안정해석시 입력자료로 활용

2.3.5.3.1 원리 및 조사방법

(1) 측정원리는 시추공벽 원주 전체 또는 일부를 가압하여 가압하중에 따른 공경 변화량을 측정하고, 압력- 변형량곡선에서 직선구간을 선택하여 그 기울기로 변형계수 또는 탄성계수를 구함

(2) 시험은 토사(Pressuremeter), 풍화암(Elastometer), 연 · 경암(Goodmanjack)별로 구분하여 적용

(3) 시추결과로부터 얻은 암반상태를 고려하여 10~200kgf/㎠내에서 단계적으로 압력을 증가시켜 각각의 변위를 측정

(4) 시험은 2~3 Cycle로 반복재하 및 제하 함

(5) 변형계수(D) 및 탄성계수(E) 산정

- E = (1+v) · K_b · R_m

- E : 변형계수(kgf/㎠), v : 지반의 Poisson Ratio

- K_b : 체적탄성계수, dp/dr, dp : 압력변화, P_y- P_o

- dr : 고무튜브 반경의 변화, R_y- R_o

- P_y : 항복압력(kgf/㎠), P₀ : 초기압력(kgf/㎠)

- R_m : (R₀+P₀)/2

(6) 시험모식도

2.3.5.3.2 적용현황

2.3.5.3.3 결과활용

- 암반 종류별 변형계수를 결정하여 터널단면 수치해석시 적용

- 말뚝기초 수평지반반력계수 산정시 활용

- 기초의 허용지지력 추정 및 변형특성 분석자료로 활용

- 시험전경(Elastometer)

- 시험결과

2.3.5.4 공내전단시험(Borehole Shear Test)

시추공을 이용한 원위치 시험으로 풍화토와 풍화암의 전단강도정수(점착력과 내부마찰각) 측정

2.3.5.4.1 원리 및 시험방법

- 윈위치 시험으로 BST 장비로부터 풍화암 이하의 강도정수를 측정

- 시추공내 시험구간에 전단기(Shear Head)를 삽입

- 지상에서 Hand Pump를 이용, 전단기를 공벽에 부착시킨 후 수평압력(Normal Stress)을 가함

- 시추공내 전단기와 연결된 Rod를 지상에서 유압잭(Hydraulic Jack)으로 끌어당기는 수직력(Shear Stress)을 가하여 파괴시의 전단력을 산정

- 측정된 각 3회의 수평응력과 전단력을 근거로 선형회귀 분석을 실시하고, 결과의 직선적 관계로부터 점착력과 마찰각 산정

- 시험 흐름도

2.3.5.4.2 적용현황

2.3.5.4.3 결과활용

- 풍화대의 강도정수 산정시 직접적인 참고자료로 활용

- 터널 및 비탈면 안정 검토시 지반강도정수에 대한 입력자료로 활용

- 교량기초 지지력 산정시 적용

- 시험모식도

- 시험전경

2.3.5.5 현장투수시험

- 사질토 지반의 투수계수(K) 추정

- 그라우팅공법 선정 및 침투류 해석을 위한 자료 확보

- 시험전경

2.3.5.5.1 원리 및 시험방법

(1) 정수위법(Constant Head Test)

- 지하수위면 하부 : K = {Q/2πL(HG+HW)}1n〔L/2R+√1+(L/2R)²〕

- 지하수위면 상부 : K = {Q/2πL(HD+HW)}1n〔L/2R+√1+(L/2R)²〕

여기서

K : 투수계수(cm/sec)

L : 시험구간(cm)

HG : 지표로부터 지하수위(cm)

HW : 지표로부터 케이싱내 수두높이(cm)

HD : 지표하 케이싱 심도(cm)

R : 케이싱 반경(cm)

Q : 유입량(㎤)

(2) 변수위법(Falling Head Test)

K = {R²/2L(t₂-t₁)}1n(L/R) · 1n(H₁/H₂)

K : 투수계수(cm/sec)

L : 시험구간(cm)

t : 수위강하시간(sec)

R : 공의 반경(cm)

H₁ : t₁ 때의 공내수위와 지하수위의 차이 (cm)

H₂ : t₂ 때의 공내수위와 지하수위의 차이 (cm)

2.3.5.5.2 적용현황

2.3.5.5.3 결과활용

- 토사지반의 투수계수 산정

- 수치해석에 의한 침투류해석시 입력자료로 활용

- 구조물 구간 가시설 설계시 차수공법 검토

2.3.5.6 현장수압시험

- 터널 및 깎기 구간의 지하수 거동분석, 그라우팅 보강효과 예측

- 지층별 투수계수와 암반의 Lugeon치를 파악하여 수리지질 특성을 평가할 목적으로 시행

2.3.5.6.1 원리 및 시험방법

(1) 수압을 이용하여 절리를 포함한 암반의 투수성을 측정하는 시험

(2) 공경 46~66mm 정도의 시추공에 압력 10kgf/㎠로 주수한 경우 주입길이 1m당 주입량을 리터단위로 나타낸 것을 루젼(Lugeon)으로 정의

(3) 시험방법은 Single Packer를 사용, 하향식으로 실시하는 것을 원칙으로 하였으며 압력의 증감은 5~9단계로 실시하고 각 단계에서 주입압력별로 약 10분간의 가압시간을 유지하여 정확한 주입수량을 측정

(4) 투수계수 산정 공식

K = 2.3Q/2πHL · 1n(L/R)

여기서

K : 투수계수(cm/sec)

L : 시험구간(cm)

Q : 주입유량(㎤/sec)

H : 총수두(cm)

R : 공반경(cm)

(5) Lugeon치 산정 공식

Lu = 10 · Q/P · L

여기서

Lu : Lugeon치

Q : 주입유량(ℓ/min)

L : 시험구간(m)

P : 주입압력(kgf/㎠)

(6) 시험 전경

(7) 시험 모식도

2.3.5.6.2 적용현황

2.3.5.6.3 결과활용

- 조사구간 기반암의 투수계수와 Lugeon치 산출

- 터널내의 침투류 해석 및 배수 설계시 적용

- 투수패턴 파악 (Laminar, Turbulent, Dilation, Wash-out, Void Filling)

- 그라우팅 보강설계시 기초자료로 활용, 투수패턴 파악

2.3.5.6.4 P-Q곡선에 의한 암반 투수성 평가(Houlsby)

2.3.5.7 지하수 유향·유속시험

- 터널 주변지역의 지하수 분포, 공별 심도별 흐름방향 및 유속을 측정하여 수리적 특성의 수직적 변화 양상을 파악

- 지하수 유동해석시 지하수의 흐름방향과 유속이 중요한 변수로 작용하므로 이를 직접 측정하여 신뢰성 있는 해석을 수행하기 위하여 실시

2.3.5.7.1 원리 및 시험방법

- 지하수내 측정지점에서 30초간 가열된 Heat Pulse가 자연적인 지하수의 유동에 따라서 이동되는 것을 4방향의 Sensor에서 감지

- 지하수의 유동속도와 방향을 측정하며 2차원 유향유속계를 이용하여 남-북 방향과, 동-서 방향의 변화를 관측

- 검침은 초기단계 Reference Temperature Reading을 한 후, 열원으로부터 발산된 열입자의 이동상태를 동서남북 4방향의 Sensor에서 감지하여 이들의 유동속도와 방향을 계산

2.3.5.7.2 시험 모식도 및 시험장비

- 시험 모식도

- 시험 장비

2.3.5.7.3 적용현황

2.3.5.7.4 결과활용

- 지하수 유동속도와 유동방향을 직접 측정, 터널 설계시 배수계획 및 용수처리 검토에 활용

- 터널의 전체적인 지하수흐름 경향을 파악하여 노선결정과 설계 및 시공의 기초자료로 활용

2.3.5.8 시추공 시험발파

- 터널굴착을 위한 발파시 발생하는 지반진동이 주변 지반에 미치는 영향을 평가

- 대상지역의 암반조건에 따른 지반진동의 전파특성 조사

- 발파 설계를 위한 발파진동 예측식 및 지발당 장약량 산출

2.3.5.8.1 시험방법

- 신뢰성 있는 회귀분석을 위해 많은 Data가 필요하므로 시추공 1공에서 2~4회의 발파를 실시 : 공내 파쇄상태에 따라 막히는 경우가 있어 발파회수가 불규칙

- 공내 상태에 따라 심도를 달리하여 실시하였으므로 매 발파마다 모래 전색실시

- 암질에 따른 발파실시 : 경암, 연암, 풍화암

- 장약량 변화에 따른 장약지수 파악을 위해 장약량은 0.8㎏, 1.6㎏, 2.4㎏으로 다양하게 실시

- 거리에 따른 감쇄지수 파악을 위해 20m간격으로 계측기를 배치

2.3.5.8.2 시험 모식도

2.3.5.8.3 적용현황

2.3.5.8.4 결과활용

- 암반조건에 따른 지반진동의 전파특성 조사, 발파진동 영향권 분석

- 천공장에 대한 효율 평가 및 발파진동식 예측

2.4 실내시험

2.4.1 실내 토질시험

2.4.1.1 시험 종류 및 결과의 활용

현장답사, 보링공 및 시험공 조사에서 채취된 시료를 대상으로 물리적 역학적 제 시험을 행하여 지반의 공학적 특성 판단에 필요한 정보를 얻음

2.4.1.2 시험방법

2.4.1.2.1 다짐시험

(1) 시험목적 및 방법

- 다짐시험은 흙을 다져서 함수량-건조밀도 관계를 알아내고 다짐곡선, 최적함수비(O.M.C), 최대건조밀도 γ_dmax를 구함

- 다짐방법은 크게 2.5kg의 래머를 30cm높이에서 자유낙하 시키거나, 4.5kg의 래머를 45cm에서 자유낙하 시키는 두 가지 방법이 있으나, 본 지역에서 시험은 4.5kg의 래머를 45cm에서 자유낙하시키는 D다짐방법을 적용함

- 상대다짐 D = γ_d/γ_dmax ×100

γ_d : 현장에서 측정된 건조밀도(g/c㎤)

γ_dmax : 다짐시험에서 구한 최대건조밀도(g/c㎤)

- 토질별 다짐곡선

(2) 결과활용

- 다짐도 결정, 도로의 쌓기 시공방법의 결정, 쌓기의 관리

2.4.1.2.2 직접전단시험

(1) 시험목적 및 방법

- 흙의 강도정수(C, Φ)를 결정하기 위하여 행하여지는 시험

- 시험방법은 수직력을 가한 공시체에 수평력을 가하여 하나의 전단면을 따라 공시체를 전단하는 시험

- 연직응력(σ), 전단응력(τ) 계산

σ = P/A, τ = S/A

- 연직응력을 3~4회 바꾸어 각 연직응력에 대한 최대전단응력의 값을 구하고, 이점들을 연결한 선이 Coulomb의 파괴포락선이 되므로 점착력(C)와 전단저항각( Φ)을 결정

- 전단제어방식 : 변형제어법(Strain-controled), 응력제어법(Stress-controled)

- 시험장비

(2) 결과의 활용

- 기초 및 비탈면 설계 강도정수 값으로 활용

2.4.1.2.3 삼축압축시험

(1) 시험목적 및 방법

- 응력조건과 배수조건을 임의로 조절하는 것이 가능하므로 현장지반의 응력이력이나 구속압력 및 압밀압력을 재현하여 시험할 수 있기 때문에 신뢰도가 큰 시험결과를 얻음

- 임의 수평면에 대해 각도 α 인 면상에서 수직응력 σ 와 전단응력 τ 는 다음과 같음

σ = σ₁+σ₃/2+ σ₁-σ₃/2 cos2α, τ = σ₁-σ₃/2 sin2α

- 시험방법은 먼저 공시체에 멤브레인을 씌운 후에 등방압축σ₃를 가한 다음 축차응력을 읽어서 σ₁을 구하는 것을 반복 시행하여 σ₁과σ₃로 모아의 응력원을 그려서 C, Φ값을 구하고, 조건에 따라 간극수압 측정

- 시험종류와 강도정수 : CU : C_cu, Φ_cu 또는 ―CU : C', Φ' UU : C_u, Φ_u/ CD : C_d, Φ_d

- 시험장비

- σ-τ의 관계도

(2) 결과의 활용

- 기초 및 비탈면 설계 강도정수 값으로 활용

2.4.2 실내 암석시험 및 특수시험

2.4.2.1 실내 암석시험

- 채취된 암석시료의 공학적 특성과 설계정수를 결정하기 위하여 수행

- 시험방법은 한국산업규격(KS F), 미국재료시험협회(ASTM)의 시험법, 국제암반역학회(ISRM)의 시험규정을 적용

2.4.2.1.1 암석시험 및 특수시험 종류 및 결과 활용

주) ○ : 국제암반역학회 제안 시험법

2.4.2.1.2 일축압축시험

(1) 시험원리 및 방법

- 공시체의 축방향으로 압축력을 가한 후 파괴될 때의 하중을 측정하여 일축압축강도를 구하며 공시체의 변형률을 측정하여 응력-변형율 곡선을 얻어 변형계수나 포와송비를 구함

일축압축강도(σc) = 파괴시의 하중(P)/공시체의단면적(A)

- 시험전경

(2) 결과활용

- 암석의 역학적 특성 및 암반분류

2.4.2.1.3 인장강도시험

(1) 시험원리 및 방법

- 직접인장시험은 공시체 양단을 직접 인장하여 공시체 내부에 인장응력을 작용시켜 최대 내하강도를 구함

- 간접인장시험은 공시체에 선하중 또는 점하중을 재하하여 하중방향의 수직한 방향에 인장응력을 작용시켜 구함

인장강도(σt) = (2P)/(π · D · L)

여기서,

D : 시험편 직경

P : 파괴하중

L : 시험편 길이

- 시험 모식도

(2) 결과활용

- 암석의 인장강도 특성

2.4.2.1.4 삼축압축시험

(1) 시험원리 및 방법

- 동일한 성질을 갖는 3~4개의 시험편에 지중의 응력상태를 고려, 측압 및 축하중을 증가시켜 최대 삼축압축응력의 변화를 구하는 시험

- Mohr의 파괴포락선을 작도하여 점착력과 내부마찰각을 산정

- 시험전경

(2) 결과활용

암석의 역학적 특성 및 암반분류

2.4.2.2 실내특수시험

2.4.2.2.1 절리면전단시험

- 절리의 전단특성을 구하기 위한 시험으로 최대 전단강도 및 마찰각 등의 절리 특성값 산정

- JRC, JCS 분석

(1) 시험원리 및 방법

- 자연상태에서 채취되어 전단상자의 모양인 직육면체 형태로 몰딩, 전단시험 방향은 타원의 전단면의 전단이 용이한 장축방향으로 시험을 실시

- 전단은 전단변위를 제어하기 위해 대개 연속적으로 작용시킴

- 최대강도에 도달하기 전에 대략 10회 정도의 측정이 이루어져야 하며 전단변위속도는 1회의 측정건에 10분동안 0.1mm/min 보다 작아야 함. 최대강도에 도달하면 0.5mm/min 까지 속도를 늘릴 수 있음

- 최대강도에 도달한 후 힘-변위 곡선을 그리기 위해 0.5~6.0㎜ 단위의 전단변위마다 측정

- 시험편이 일정한 수직응력하에서 전단되고 1cm의 전단변위에 대해 5% 이하의 전단응력의 변화를 보이는 측정값이 나타나면 잔류강도값을 구할 수 있음

- 시험종료 후 전단면을 노출시켜 전단면적을 측정

- 전단응력 및 수직응력 산정

전단응력 : τ = P_s/A, 수직응력 : δ_n = P_n/A

여기서, P_s : 전체전단력 P_n : 전체수직력 A : 전단력의 겹침면적

- 변위의 측정값들은 평균전단변위(Δs)와 평균수직변위(Δn)를 구하기 위해 평균화 됨

- 각각의 시료에 대해 1)전단응력과 전단변위의 관계곡선, 2)수직변위의 관계 곡선을 작성하여 최대강도와 잔류강도, 수직응력, 전단변위와 수직변위의 값들은 요약

- 시험전경

- JCS 측정

(2) 결과활용

- 절리면의 강도정수 산정 및 불연속체 해석의 입력자료로 활용

- 암반비탈면의 안정성 분석 및 지하구조물의 불연속체 해석에 이용

- JCS와 JRC등의 절리강도값을 분석하여 설계자료로 활용

2.4.2.2.2 레이져 JRC 측정

레이져를 이용한 절리면에 대한 거칠기 측정, 불연속체 설계지반정수 산정시 활용

(1) 시험원리 및 방법

- 측정기는 레이저 변위계(Laser Displacementmeter), 위치지정 시스템(Positioning System), 자료출력과 전체 시스템을 직접 제어할 수 있는 컴퓨터로 구성

- X축, Y축은 수동과 자동으로도 구동 가능하며, 레이저 변위계가 연결되어 있는 Z축은 수동으로 구동되어 변위계가 레이저를 측정지점에 쏠 때, 그 측정 지점에서 반사된 빛의 각도에 의해 변위를 측정

- 위치지정 시스템에서는 수동 조종판에 의해 측정부의 속도, 측정 간격 등을 조정할 수 있으며, 수동 작동과 자체 프로그램에 의한 자동 동작이 가능

- 레이져 JRC 시험장비

(2) 결과활용

절리면의 거동특성 파악

2.4.2.2.3 AE/DRA시험

- 현지암반의 초기응력 추정을 위해 AE(Acoustic Emission, 미소파괴음) 및 DRA(Deformation Rate Analysis, 변형율 변화법) 시험 수행

- 초기응력 측정을 통해 측압계수 파악

2.4.2.2.3.1 시험원리 및 방법

(1) AE(Acoustic Emission)

- 미소파괴음 신호는 재료의 손상과 관련된 갑작스런 변형에너지 방출시에 발생하는 탄성파로서, 대부분이 결정 및 고결 입자들로 파괴면의 형성과 함께 각종 에너지가 발생되는 에너지 방출의 한 형태로서 발생하는 탄성파가 미소파괴음 임

- 이러한 미소파괴음은 매질내를 전파하여 재료의 표면에 부착된 압전재료 형태의 AE센서에 도달하여 전기적 신호로 변화되어 취득

- AE계수 : AE 타격음이 검출한계를 교차한 횟수로 미소파괴음 신호 세기에 대한 평가기준

- AE에너지 : 지속시간동안의 AE Hit 파형포락선 밑의 면적에 해당하는 값으로 Duration과 진폭에 민감하고 검출한계 설정값이나 구동 주파수에는 덜 의존적이기 때문에 AE계수보다 많이 사용

- AE 시험전경

(2) DRA (Deformation Rate Analysis, 변형율 변화법)

- 암석내 응력분포의 비균일성은 현지응력 상태하에서 가장 최소화되고 응력 비균일성의 증가에 따라 비탄성변형율과 그 변형율 속도는 증가한다는 가정하에 DRA를 통한 현지응력 추정 제안

- 시험방법은 두 번 이상의 압축하중을 가하여 주기별 편차변형 측정함

- 주기하중 시험을 통해 얻은 축방향 변형률의 차와 응력과의 관계를 나타내는 그래프에서 변곡점에서의 응력이 암반의 현지응력을 나타냄

- 주기재하에서의 시료의 변형율속도의 변화추적 함수

△ε_i,j(σ)는 △ε_i,j(σ) = △ε_j(σ)-△ε_i(σ) j 〉i 여기서, △ε_i(σ)는 I번째 주기의 축변형율

- DRA 시험전경

- AE Parameter

- DRA 결과 모식도

2.4.2.2.3.2 결과활용

암반의 초기응력 및 측압계수에 대한 수치해석 입력치 산정에 활용

2.4.2.2.4 이방성시험

- 생성원인, 절리상태, 풍화정도, 지하수, 초기응력상태에 따라 암반은 이방성을 띠게 됨

- 암반이 연속체 또는 불연속체로서 가지는 고유의 이방성을 측정하여 터널 안정성 해석시 활용

2.4.2.2.4.1 시험원리 및 방법

- 이방성은 절리, 파쇄, 단층 등 암체 형성 후 응력을 비등방으로 받은 것과 층리, 균열, 편리 등의 암석 고유의 이방성에 의한 것으로 구분

- 층리면에 수직이며 시험편 중앙높이 지점은 2개뿐이므로 2개의 Strain Rosette를 사용하여 6개의 Strain(A, B, C 및 E, F, G)을 측정

- 층리면에 수평한 지점에 시험편 가로축에 수평한 방향에 제4의 Strain(D 또는 ε_D을 측정

- 시험결과 분석

2.4.2.2.4.2 결과의 활용

- 터널구간 암반의 이방성 특성을 파악

- 이방성을 고려한 터널 안정성 해석 실시

2.4.2.2.5 공진주시험(Resonant Column Test)

탄성파 전달이론에 근거하여 지반의 동적물성치(전단탄성계수, 전단변형율, 감쇠비)를 구하는 시험

2.4.2.2.5.1 시험원리 및 방법

(1) 시험원리는 원통형 시료가 일차모드에서 공진이 유발되도록 하고, 탄성파이론을 바탕으로 시료의 동적물성을 획득함

(2) 주파수를 변화시키면서 비틈력을 코일-자석 상호작용에 의해 시료상부에 작용시키고 주파수에 따른 시료의 변위를 가속도계로 측정한 뒤 주파수응답곡선을 구함

(3) 주파수응답곡선에서 일차모드의 공진주파수를 찾고 시험장치의 특성과 시료의 크기 등을 조합시켜 전단탄성계수와 전단파 속도를 측정

(4) 이때 얻은 주파수응답곡선의 폭과 자유진동 감쇠곡선을 이용하여 감쇠비를 구함

(5) 동적물성치(전단탄성계수, 전단변형율, 감쇠비 등) 산정식은 다음과 같음

- 전단탄성계수 : G = p · V_s ²

여기서

p = 시료의 전체 질량밀도

V_s = 시료의 전단파속도

- 전단변형률 : γ = γ_eq θ_max/l

여기서

γ_eq = 등가반지름

θ_max = 시료 위부분의 비틈각

l = 시료길이

- 감쇠비(D) : 자유진동감쇠법 또는 Half- power Bandwidth법, 주파수-위상각법

(6) 시험장비

(7) 정규화된 변형률별 전단탄성계수

2.4.2.2.5.2 결과활용

- 실내시험을 통한 지반의 동적물성치(전단탄성계수, 전단변형율, 감쇠비) 결정

- 현시험, 타 실내시험의 조사결과와 비교분석하여 동적 설계정수 산정

- 교량기초의 내진설계에 이용

2.4.2.2.6 충격반향시험(Impact echo Test)

탄성파실험을 통해 암석의 동적물성치(탄성계수, 전단탄성계수, 감쇠비 등)측정

2.4.2.2.6.1 시험원리 및 방법

- 비파괴 검사기법으로 충격에 의한 탄성파를 외부표면에서 매질내에 발생시켜 내부균열 및 외부표면에서 반사되어 온 파를 감지하고 그 반사파의 공진현상을 이용함으로써 암석의 물리적인 특성을 규명

- Rod-파 속도측정은 코아의 한쪽 면에 감진기를 수직방향으로 놓고, 바로 그 옆에서 해머와 같은 발진기로 충격을 주어 응력파를 발생시킴. 응력파가 양쪽 단에서의 반사를 반복하게 될 때 코아 길이 두 배의 파장에 대한 정현파가 가장 지배적인 성분이 되고, 이 성분의 주파수를 파우어 스펙트럼 (Power Spectrum)에 의하여 결정한 후, 다음 식에 의해 Rod 파 속도를 구함

V_c = f×λ = f×2l

- S-파 속도를 구하기 위한 공진실험은 한쪽 단에서 비틀림을 발생시키고, 이 비틀림은 비틈 전단파 (Torsional Shear Wave)를 발생시키는데, 이 비틈 전단파는 양쪽 단을 오가면서 공진현상이 일어나게 되어 이 공진을 일으키는 지배 주파수를 측정함으로써 S-파 속도를 구함

V_s = f×λ = f×2l

- 코아의 한쪽 단에서 계측해머로 충격을 가하고, 다른 쪽 단에서 탄성파가 도착하는 것을 가속도계로 측정하게 되면, 계측해머로부터 나온 신호와 가속도계로 측정한 신호를 분석하여 P 파의 속도를 측정

v_p = l/△t

- 시험장비

- 공진 주파수

2.4.2.2.6.2 결과활용

- 측정된 포와송비를 이용하여 동탄성계수(E_d)와 구속탄성계수(M)의 산정

- 동적 지반특성 파악 및 내진설계를 위한 입력 지반정수로 활용

2.4.2.2.7 CREEP 시험

- 암석은 완전탄성체가 아니므로 일정응력하에서도 시간의 경과에 따라 변형이 증가하는 Creep 현상이 존재함

- 시간에 따른 암반의 변형거동 특성을 파악

2.4.2.2.7.1 시험원리 및 방법

- 압축 응력하에서 암석의 Creep 거동을 수식적으로 표현하는 방법에 관해서는 여러 학자들이 발표하였는데, 그 중에서 대부분 암석의 Creep 거동을 유변학적으로 표현하는데 적합하다고 알려진 점탄성체인 Burger 모형을 사용하여 Creep 시험 이용

- 단축시험을 실시하여 단축압축강도와 탄성계수를 측정하고, 단축압축시험을 통하여 구한 압축강도를 기준으로 Creep 시험에서 가한 응력비를 결정

- 2차 Creep이 분명하게 나타나는 시간까지 시험 실시

- 시험전경

2.4.2.2.7.2 결과활용

암반위 거치되는 구조물의 장기적인 안정성 평가를 위하여 시간에 따른 암반의 변형거동을 해석하여 설계 적용

2.4.2.2.8 진동삼축시험

지진시 발생하는 지반의 응력-변형 특성을 파악하여 지반의 액상화 저항능력 산정

2.4.2.2.8.1 시험원리 및 방법

- 진동삼축시험을 통하여 지진시 발생하는 지반의 응력-변형 특성을 파악하여 지반의 액상화 저항능력 산정, 즉 지진규모에 맞는 반복회수를 설정하여 지반의 저항능력 산정

- 액상화 저항능력은 반복하중에 의해 시료의 유효구속압이 0으로 될 때 발생하는 초기 액상화를 기준으로 산정

- 밀도가 큰 모래나 실트섞인 사질토의 경우 초기 액상화가 발생되지 않으므로 기준이 되는 축변형률

- 액상화의 저항능력은 구조물의 안정성에 맞는 축변형률 양진폭 3%, 5%, 10%로 결정하여 반복전단응력비(CSR)을 산정

- 지반의 지진파를 등가반복전단응력으로 전환한 후 그때 지반의 전단응력과 진동삼축시험을 통한 CSR을 비교함으로써 액상화의 안전율을 구함

- F_L = R_field/L_ave

여기서

F_L : 액상화 안전율

R_field : 현장지반의 액상화 저항능력(진동삼축압 시험을 통한 CSR)

L_ave : 등가반복 전단응력(현장수직 응력에 대한 지진시 유발 전단응력)

- 시험전경

2.4.2.2.8.2 결과활용

액상화 상세예측에 활용