Application of geophysical exploration methods for safety diagnosis of the basement of stone pagoda

지구물리탐사 방법의 석탑지반 안전진단에의 적용

The safety diagnosis of cultural assets is Primarily focused on its non-destructiveness. Research on the nondestructive diagnosis and conservation of masonry cultural heritage is the key which is considered by technologic kernel. Geophyscial Prospecting as nondestructive diagnostic technology plays an important role in the characterization of the foundation of stone pagodas. It is natural that understanding of shallow subsurface condition beneath them is essential for their structural safety diagnosis. As an example, the nondestructive geophysical methods were applied to two three-story stone pagodas, Seokgatap (height 10.8 m, width 4.4 m, weight 82.3 ton) and Dabotap (height 10.4 m, width 7.4 m, weight 123.2 ton) which were built in 791 at Bulkuksa temple. An earlier archaeological investigation shows that stone pagodas have experienced severe weathering process and are slightly leaning, which will threaten their stability At the base part of Dabotap, an offset of the stone alignment is also observed. Direct measurements of ultrasonic velocities was introduced for the mechanical properties of the stone The velocity ranges of ultrasonic waves for Dabotap and Seokgatap are 1217${\~}$4403 m/s and 584${\~}$5845 m/s, respectively, and the estimated averages of the uniaxial compressive strength are 463 kg/$cm^2$ and 409 kg/$cm^2$, respectively. Site characteristics, around the pagodas are determined by the measurement of multiple properties such as seismic velocity, resistivity, image of ground-penetrating radar, On the basis of the higher velocity structure, the site of Seokgatap appears to have solider stability than the Seokgatap site. Near the pagodas, higher(up to 2200 $\Omega$m) resistivity is present whereas their outskirts have as low as 200 $\Omega$m. By the combined results of each geophyscial methods, the subsurface boundaries of two stone pagodas are revealed. The Dabotap site is in the form of an octagon having 6-m-long side with the depth of ${\~}$4 m, whereas the Seokgatap site is the 8 ${\times}$ 10 m rectangle with the depth of 3 m. These subsurface structures appear to reflect the original foundations constructed against the stone load of ${\~}8 ton/m^2$. At the subsurface beneath the northeast of each pagoda, low seismic velocity as well as low resistivity is prominent. It is interpreted to represent the weak underground condition which Is the possible cause of the slightly leaning pagodas toward the NNW.

문화유산의 안전진단에 대한 가장 중요한 전제는 비파괴에 있다. 석조문화재에 대하여서도 비파괴진단과 보존을 위한 연구는 필수적이며 주요한 기술적 핵심이다. 비파괴진단 기술로서 지구물리탐사는 석조문화재 지반의 특징을 밝히는 중요한 역할을 하는데, 그 이유는 지반의 특성을 이해하는 것이 안전진단에 필수적이기 때문이다. 탐사사례로 국보급문화재인 경주 불국사의 다보탑(높이 10.4m, 기단폭 7.4m, 하중 123.2 ton)과 석가탑(높이 10.8m, 기단폭 4.4m, 하중 82.3ton)에 대한 지구물리탐사가 이루어졌다. 현재 석탑에서는 풍화는 물론 탑의 기울임 및 지대석의 어긋남 현상들이 관찰된다. 두 탐을 구성하는 석재의 역학적 성질을 위해 초음파 속도 측정을 실시하였고 천부지하구조를 위해 탄성파, 전기비저항, 지하레이더 등의 비파괴 복합 지구물리탐사를 석탑 주변에서 수행하였다. 초음파 속도범위는 석가탑에서는 1217${\~}$4403 m/s이며, 다보탑에서는 584${\~}$5845 m/s이며 이로부터 추정한 일축강도 평균치는 각각 463 kg/$cm^2$, 409 kg/$cm^2$이다. 탄성파 속도 분포에서는 다보탑 지반이 더 큰 속도를 보여 상대적으로 석가탑 지반보다 견고함을 보여준다. 대체로 석탑지반의 전기비저항은 최대 2200 $\Omega$m이며 200 $\Omega$m내외의 외부지반보다 더 높은 값을 보인다. 복합 지구물리탐사 결과를 종합하면 다보탑지반의 형태는 팔각형(한 변은 6 m)으로 그 깊이는 약 4 m 이나, 석가탑지반은 약 8${\times}$10 m의 직사각형 형태로 깊이는 약 3 m 이다. 이는 석탑 건립 당시 약 $8ton/m^2$의 탑 하중을 견디기 위해 구축한 기초구조로 해석한다. 대체로 두 석탑의 북서쪽 부분이 주변지역보다 낮은 탄성파 속도와 낮은 비저항 값이 관찰되는데 이 부분은 연약한 지반으로 판단하며 각 석탑이 북북서쪽 방향으로 기우는 원인으로 판단한다.