Flat TDR 시스템을 이용한 지반의 물리적 특성 및 전단파속도 예측

Prediction of Physical Properties and Shear Wave Velocity of the Ground Using the Flat TDR System

Abstract

본 연구에서는 Flat TDR을 이용하여 지반의 전단파속도를 측정하였고 측정값의 정밀도 분석 및 현장적용성에 대한 검증을 수행하였다. Flat TDR 내 결합되어 있는 Piezo-stack을 이용하여 현장에서의 전단파속도 측정값을 도출하였고, 도출한 값의 검증을 위해서 들밀도시험, 동적콘관입시험(DCPT), 문헌조사 등을 적용하여 비교·분석하였다. 실험결과 그라우트재 주입시 재령 초기 전단파속도 변화의 평균값은 10.15 m/s이며, 7~14일차 이후의 전단파속도 변화의 평균값은 65.99 m/s로 재령일 증가하는 경향을 보였다. 또한 OMC를 기준으로 건조 측에서는 함수비가 증가할수록 건조밀도와 전단파속도가 증가하고, 습윤 측에서는 함수비가 증가할수록 건조밀도와 전단파속도가 감소하는 것을 알 수 있었다. 현장시험 결과 도출된 전단탄성계수 값이 최소 17.36 MPa에서 최대 28.13 MPa로 확인되어 참고문헌 값과 유사한 측정값을 확인하였다. 이를 통해 Flat TDR을 이용한 전단탄성계수의 측정값이 신뢰성이 있는 데이터임을 알 수 있고, 추후 현장 지반의 다짐관리를 효과적으로 할 수 있음을 판단할 수 있다.

In this study, the shear wave velocity of the ground was measured using Flat TDR, and the precision analysis of the measured value and the verification of field applicability were performed. The shear wave velocity measurement value was derived in the field using the piezo-stack combined in the Flat TDR. analyzed. As a result of the experiment, the average value of the change in shear wave speed at the time of grout material injection was 10.15 m/s at the beginning of age, and the average value of the change in shear wave speed after the 7th to 14th days was 65.99 m/s, showing a tendency to increase with age. Also, it was found that dry density and shear wave speed increased as the water content increased on the dry side, and that the dry density and shear wave rate decreased as the water content increased on the wet side as the water content increased. The shear modulus value derived from the field test was confirmed to be a minimum of 17.36 MPa and a maximum of 28.13 MPa, confirming a measurement value similar to the reference value. Through this, it can be seen that the measured value of the shear modulus using Flat TDR is reliable data, and it can be determined that the compaction management of the site can be effectively managed in the future.

서론

연구배경 및 목적

다짐은 흙 속의 공기를 제거하여 흙의 강도 특성을 증가시켜 지반 위에 설치되는 기초의 안정성을 증대시킨다. 고속도로, 제방 및 댐 그 밖의 많은 흙 구조물 공사의 필수 공정이다. 또한 다짐은 구조물의 불필요한 침하량을 감소시키고 성토사면의 안정성도 증대시킨다. 표준시방서의 다짐기준을 만족시키기 위해서 국내 현장에서의 다짐관리는 모래치환법과 평판재하시험을 이용한다. 이러한 시험방법은 시험시간이 길며 시험자에 따른 오차를 정량화하기 어렵고 현장여건의 한계로 시험이 불가능한 경우가 생긴다. 기존의 시험방법의 문제점을 보완하기 위해서 빠르고 경제적인 비파괴 시험법 및 지반교란을 최소화할 수 있는 현장 관입시험의 수요가 점차 증가하고 있다.

대표적으로 시간영역반사법(Time Domain Reflectometry, 이하 TDR)을 이용한 연구가 진행되고 있다. 기존 연구를 살펴보면 Topp et al.(1980)은 토양의 유전율은 토양 내에 포함된 물의 양에 의해서 강하기 의존한다는 것을 입증하였다. 또한 원위치 지반에 금속 봉을 통해 TDR 신호를 전송하여 흙의 체적 함수비를 측정하는 기법을 연구하였고, 미국 Purdue 대학의 Drnevich 교수 연구진에 의해서 현장 지반의 함수비와 건조단위중량을 측정하는 ASTM D6780-05(2005) 방법이 개발되었다. 이 후로 Yu and Yu(2006)는 다층토에 대하여 기존의 연구자들에 의해 제안된 체적함수비, 중량함수비 및 건조단위중 량의 식을 적용시켜 연구하였고, Jung et al.(2013)은 기존의 Yu and Drnevich(2004)의 중량함수비 및 건조단위중량 제안식이 세립분이 많이 함유된 흙이나 높은 함수비의 흙에서는 정확한 값을 도출하기 어렵다고 하여 새로운 중량함수비 및 건조단위중량의 식을 제안하였다.

또한 Thring et al.(2014)은 측정된 겉보기 유전율 값으로 도출한 체적함수비와 건조단위중량으로부터 중량 함수비를 추정할 수 있는 비교적 간단한 세 가지 방법을 제안하였다. Song et al.(2015)은 화강 풍화토 및 주문진 표준사를 대상으로 검증실험을 진행하였으며, Jung et al.(2013)이 제안한 보정방정식에 대한 문제점을 도출하여 함수비 예측을 위한 새로운 보정방정식을 제안하였다.

기존의 Purdue TDR 시스템은 봉형 프로브를 사용하며 이는 몇 가지 문제점이 발생할 수 있다. 봉형 프로브는 지반에 관입을 시켜야 하며 프로브를 망치로 타격하는 소정의 작업이 필요하고 단단한 지반에는 관입에 어려움이 있으며, 또한 주변 지반의 교란이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 Song et al.(2016)은 지반 표면에서 측정할 수 있도록 Flat 프로브를 개발하여 기존의 봉형 프로브의 문제점을 개선하였다. 개발한 Flat 프로브의 측정값을 검증하기 위해 네 가지 시료를 사용하여 함수비와 다짐도를 변화시켜가며 실내실험을 수행하였다. 그 결과 건조단위중량의 오차범위 약 2%, 함수비의 오차범위 약 0.5%의 오차를 보이는 것으로 확인하였다. 또한 Song et al.(2015)은 개발한 Flat 프로브에 탄성파 측정 장치인 Piezoelectric stack을 결합하여 함수비와 건조단위중량의 측정과 동시에 지반의 강성을 측정하였다. 탄성파 측정 시스템의 현장 적용성을 검토하기 위하여 시료에 그라우팅용 마이크로 시멘트를 혼합하여 시간의 경과에 따른 탄성계수를 측정하였다.

전단파속도에 대한 연구는 2000년대 이후 Byun et al.(2012)이 벤더엘리먼트를 이용하여 시료의 탄성파 속도를 측정하여 불포화토의 간극비 산정에 관한 연구를 진행하였다. 탄성파 속도를 이용한 간극비 값과 부피 변화를 통한 간극비 값을 비교하였고, 이를 통해 불포화 지반의 물성치 조사 시 탄성파 속도를 활용할 수 있다고 하였다.

Hong et al.(2018)은 크로스홀 형태의 동적 콘 관입기(Crosshole-Type Dynamic Come Penetrometer, 이하 CDCP)를 열차의 하중을 지지하는 노반의 강성 평가 기법으로 적용하여 지반 심도에 따른 강성특성을 평가하였다. CDCP에서 측정된 심도에 따른 전단파속도 주상도와 들밀도시험으로부터 획득한 노반의 밀도를 통해 최대전단탄성계수를 평가하였고, 유효한 강성특성을 확인하였고, 노반의 강성평가에 효과적으로 이용될 가능성을 확인하였다.

Kim et al.(2019)은 매질의 전단 속도분포를 파악하기 위해 수행하는 표면파탐사법을 능동표면 탐사법과 수동표면탐사법으로 나누었으며, 그 중 능동표면탐사 기법의 이론과 기술 보고를 통해 지반의 안정성을 평가하는데 능동표면탐사법을 활발히 이용할 수 있음을 확인하였다.

Ki and Lee(2020)는 콘크리트의 정역학적 특성과 전단파속도의 상관관계를 실험적으로 평가하였다. 물-결합재 비율을 일정하게 변화시키고, 재령일에 따른 공진동 실험을 통해 콘크리트의 동적특성을 평가하였으며, 압축강도-전단파속, 정탄성계수-전단파속도도의 상관관계를 표현하는 근사식을 제안하였다.

Park and Oh(2020)는 표면파 시험을 통해 국내 필댐 사력부와 심부에서 측정된 전단파 속도 주상도들에 대해 랜덤 전단파 속도 주상도 생성 기법을 적용하여 전단파 속도 주상도 600개를 도출하였다. 이에 대한 통계처리를 통하여 전단파 속도 변동계수를 필댐 사력부와 심부의 깊이별로 결정하였다.

이렇듯 전단파 측정에 대한 연구는 지진계측을 위한 연구와 지반의 표면 뿐만 아니라 지반 심부의 전단파속도를 측정하여 주상도를 생성하여 설계에 필요한 계수를 도출하는 등 다양한 분야에서 지속적으로 진행 중이다. 이처럼 전단파 측정을 통해 지반의 강성을 파악할 수 있는 시스템과 함수비 및 건도밀도를 구할 수 있는 TDR을 결함하여, 효율적이고 체계적인 현장 지반 다짐관리를 위한 시스템으로 발전시키기 위해서 지속적인 연구가 필요하다.

TDR 적용 이론

TDR의 측정 기본원리

TDR 시스템은 신호 발생기에서 발생한 전자기파가 흙 속에서 이동하고, 그 전도 특성을 이용하는 시스템이다. 이러한 특성을 이용해 흙 속에 관입된 프로브의 전자기파의 반향 시간을 측정하고 반향 특성을 이용하여 흙의 유전상수 및 전기전도도를 측정한다. 이와 같은 원리를 통해 흙의 유전상수 및 전기전도도를 이용하여 함수비 및 밀도를 평가한다.

함수비와 건조단위중량 측정

Fig. 1a는 Purdue TDR 시스템을 보여주며, 흙의 유전상수(K_a) 및 전기전도도(EC_b)는 Fig. 1b와 같은 TDR 신호 전파에서 얻을 수 있다. Fig. 1a에서 흙 속에 관입된 프로브의 길이를 (L_p)라 하고, Fig. 1b에서 첫번째 반사 지점과 두번째 반사 지점 사이의 거리를 겉보기 길이(L_a)라고 하여 흙의 유전상수(K_a)는 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.

Fig. 1. Components of the TDR system and typical TDR waveform (Yu and Drnevich, 2004).

\(\begin{aligned}K_{a}=\left(\frac{L_{a}}{L_{P}}\right)^{2} \end{aligned}\)       (1)

또한 전기전도도(EC_b)는 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.

\(\begin{aligned}E C_{b}=\frac{1}{C}\left(\frac{V_{s}}{V_{f}}-1\right)\end{aligned}\)       (2)

여기서, V_s 스텝펄스의 두배 크기의 전압이며, V_f는 장주기전압레벨이다. 그리고 C는 프로브의 구조에 관련된 상수이며, 식 (3)과 같이 정의할 수 있다(Giese and Tiemann, 1975; Yu and Drnevich, 2004). 여기서 R_e는 TDR 신호 생성기의 내부저항(50Ω)이다.

\(\begin{aligned}C=\frac{2 \pi R_{s} L_{p}}{\ln \left(\frac{d_{o}}{d_{i}}\right)}\end{aligned}\)       (3)

Siddiqui et al.(1995)은 기존의 함수비 보정식들이 체적함수비로 표현되고, 밀도효과를 포함하고 있어 복잡하고 현장에서 바로 적용하기 어렵다고 하여 중량함수비로 이루어진 식 (4)를 제안하였고, 이는 다양한 흙에 대하여 만족스러운 결과를 보여주었다(Sallam et al., 2004).

\(\begin{aligned}\sqrt{K_{a}} \frac{\rho_{w}}{\rho_{d}}=a+b w\end{aligned}\)       (4)

여기서, ρ_d는 흙의 건조밀도, ρ_w는 물의 밀도, 그리고 a와 b는 흙의 특성상수 값, w는 중량함수비이다.

또한 Yu and Drnevich(2004)는 기존의 전기전도도에 관한 식이 단위중량에 대한 고려가 없으며 체적함수비로 표현 되어 있어 지반공학적으로 응용하는데 부족하고, 흙의총 전기전도도의 지배 요인은 간극 유체의 전기전도도 이기 때문에 간극유체의 양이 흙의 총 전기전도도를 지배한다고 보고 식 (5)를 제안하였다.

\(\begin{aligned}\sqrt{E C_{b}} \frac{\rho_{w}}{\rho_{d}}=c+d w\end{aligned}\)       (5)

여기서, c와 d는 흙의 특성상수 값이며, 식 (4)와 식 (5)를 이용하여 흙의 특성상숫값을 산정하고, 측정된 유전상수와 총 전기전도도를 이용하여 식 (6), (7)과 같이 현장지반의 건조단위중량과 함수비를 계산할 수 있다(Yu and Drnevich, 2004).

\(\begin{aligned}\rho_{d}=\frac{d \sqrt{K_{a}}-b \sqrt{E C_{b}}}{a d-c b} \rho_{w}\end{aligned}\)       (6)

\(\begin{aligned}w=\frac{c \sqrt{K_{a}}-b \sqrt{E C_{b}}}{b \sqrt{E C_{b}}-d \sqrt{K_{a}}}\end{aligned}\)       (7)

전단파속도 측정

전단파의 전파속도는 탄성파 측정장치를 이용하여 측정 지점간의 도달시간 및 거리로 측정할 수 있으며, 다음 식 (8)을 통해 도출할 수 있다.

\(\begin{aligned}V_{s}=\frac{D}{T_{r}}\end{aligned}\)       (8)

여기서, D는 측정 지점 사이의 거리(m), T_r은 도달시간으로서 단위는 msec를 사용하며, 10^-3 sec를 의미한다. 전단파의 전파속도를 산정하기 위한 도달시간을 측정하는 방법은 초동추정방법(First arrival picking method), 극대점 이용방법(Peak to peak method), 상호상관법(Cross correlation method) 등이 있다. 초동추정방법은 입력전압이 시작되는 지점과 출력 전압이 시작되는 지점 사이의 거리를 시간으로 해석하여 Fig. 2a과 같이 도달시간을 산정한다.

Fig. 2. Shear wave measurement method (Chan, 2010).

극대점 이용방법은 입력신호의 극대값과 출력전압의 첫 극대값 사이의 거리를 시간으로 해석하여 Fig. 2b와 같이 도달시간을 산정한다.

상호상관법은 식 (9)와 같이 표현할 수 있으며 서로 다른 신호의 시간 이동에 따른 상관성, 유사성을 뜻한다.

\(\begin{aligned}C C_{T R}\left(t_{s}\right)=\lim _{T_{r} \rightarrow \infty} \frac{1}{T_{r}} \int_{T_{r}} T\left(t+t_{s}\right) R(t) d t\end{aligned}\)       (9)

여기서, t_s는 전송시간(T(t))과 도달시간(R(t))의 차이이며, Fig. 2c와 같이 도달시간을 산정한다.

Flat TDR 시스템 구성

TDR 측정 장비

본 연구에서는 TDR 프로브를 통해 전파된 펄스가 지반에 접촉된 프로브를 따라 다시 반사되어 오는 것을 계측하기 위해 Fig. 3a와 같이 CAMPBELL SCIENTIFIC, INC.(USA)에서 제작한 TDR 측정 시스템을 사용하였다. TDR 측정 시스템을 살펴보면 Fig. 3b와 같이 TDR 시스템에 전원을 공급하기 위한 12 V 배터리, 탄성계수 예측을 위한 PC 오실로스코프, TDR 프로브에 신호를 보내 반사된 신호를 측정할 수 있는 TDR100으로 구성되어 있다.

Fig. 3. TDR100 device (CAMPBELL SCIENTIFIC, INC.) and TDR system device.

Flat 프로브

본 연구에서 사용한 Flat 프로브의 크기는 30.5 × 30.5 cm의 폴리머 재질의 판에 폭 2.5 cm의 구리 띠가 부착되어있다. Knight et al.(1997), Ferré et al.(1998)이 제안한 유한요소해석을 통하여 프로브의 크기를 결정하였고,

구리 띠 사이의 간격은 5 cm로 총 세 개가 부착되어 있다. 기존 봉형 프로브와 달리 지반 표면에 접촉시켜 측정하는데 이때 매질 차이에 의한 전파 간섭 문제를 해결하기 위해서 폴리머 재질이 사용되었다(Fig. 4).

Fig. 4. Flat probe.

실내 및 현장 검증실험

실험 시료

본 절에서는 함수비와 건조밀도 측정값에 대한 검증을 위하여 선행연구에서 수행되었던 8개소에 대한 시료에 대해 본 연구의 실험데이터와 비교하여 분석하고자 하였다. 추가적으로 비교 ‧ 분석한 시료는 주문진 표준사, 원주, 섬진강, 옥과, 일산, 강진, 울주 이하 8개 현장에 대한 시료를 적용하였다.

또한, 전단파속도 측정값에 대한 검증을 위하여 본 연구의 실험데이터와 추가적으로 비교 ‧ 분석한 선행연구 시료는 원주, 섬진강, 옥과, 일산 시료이다.

실험을 수행한 대상 시료들은 사질토이고, 각 시료의 입도분포 결과를 통해 통일분류법에 따라 입도분포가 불량한 모래(Poorly Graded Sand, 이하 SP), 입도분포가 양호한 모래(Well Graded Sand, 이하 SW), 실트질 모래(Silty Sand, 이하 SM)로 나누어 표기하였다. Fig. 5는 현장대상지반의 위치를 나타낸 것이다.

Fig. 5. Site location map.

실험에 사용된 시료의 물리적 특성을 파악하기 위해서 흙의 비중 시험(KS F 2308), 입도분포 시험(KS F 2312)을 수행하였으며, 채취 시료는 다짐 시험(KS F 2312)을 수행하여 γ_dmax를 산정하였다. Fig. 6은 각 시료의 입도분포시험의 결과를 나타낸 것이고, Table 1은 실험에 사용된 시료의 물성값을 나타낸 것이다.

Fig. 6. Particle size distribution curve of the field sample.

Table 1. Physical property values of experimental samples

실내전단파 측정

실내전단파 측정

본Flat TDR에 Flat 프로브에 결합된 전단파 측정 장치인 Piezo-stack 측정값에 대한 정밀도를 검증하기 위해 함수비 및 재령일에 따라 전단파속도를 측정하고 변화 양상을 분석하였다.

함수비 변화에 따른 전단파속도 측정은 기존 선행연구 4개소와 현장에서 새롭게 측정한 6개소를 포함한 총 10개소의 시료를 대상으로 비교 ‧ 분석하였다. 실험방법은 앞 절에서 수행한 TDR 시스템을 이용한 실내검증실험과 동일하게 진행하였고, 각 구간별 함수비에서 전단파 속도를 측정하였다.

재령일에 따른 전단파 측정은 SP시료, SM시료에 LW그라우트재를 혼합하였고, Flat TDR에서 사용하였던 몰드와 동일한 몰드를 각각의 혼합 비율에 따라 여섯개를 제작하였다. 혼합 비율은 시료 무게에 대한 중량비로 각각 10%, 20%, 30%로 하였으며, 공기 중에서 양생을 진행하였고 양생을 진행하는 동안 재령일(3일, 7일, 14일, 28일)에 전단파 속도를 측정하였다.

Table 2는 LW그라우트재를 혼합하여 제작한 공시체 중량비에 실험 배합비를 나타낸 것이고 Fig. 7은 실내전단파 측정을 위해 공시체를 조성하는 과정을 나타낸 것이다.

Table 2. Experimental mixing ratio according to sample weight ratio

Fig. 7. Shear wave measurement test according to curing.

현장검증 실험

들밀도 시험

본 연구에서는 Flat TDR을 이용한 대상 현장 함수비와 건조밀도 측정값의 확인을 위해 현장 들밀도시험을 수행하였다. Fig. 8은 들밀도 시험 과정을 나타낸 것이다. Fig. 8a와 같이 KS F 2311에 따라 6개 현장에 대하여 들밀도시험을 수행하였고, Fig. 8b에서 들밀도시험 중 채취한 시료는 실험실에서 분석을 진행하였다.

Fig. 8. Field density test.

동적콘관입시험

동적콘관입시험(DCPT)은 개략적인 토층 성상을 파악하고 지중의 동적응력 파악 및 원위치 전단강도의 측정용으로 사용된다. 국내 기준인 KS F는 정해져 있지 않으나, 미국 재료시험협회인 ASTM D 6951과 일본의 JGS 1433기준을 참조하였다.

본 연구에서는 일본에서 개발한 간이 동적 콘 관입시험기를 이용하여 JGS 1433-1955 기준에 따라 질량 5 kg의 해머를 50 cm 높이에서 자유 낙하시켜 콘을 10 cm 관입시키는데 필요한 타격 횟수 N_d값을 측정하는 절차를 수행하였고, 그에 따른 지반의 다짐도 및 강성특성을 확인하였으며, 전단파속도와의 관계를 확인하고자 하였다.

Fig. 9는 동적콘관입시험의 전경이다.

Fig. 9. Dynamic cone penetration test.

현장 TDR 실험

Flat TDR의 현장 함수비, 건조밀도, 전단파속도 측정값의 정밀도를 확인하기 위하여 현장에서의 TDR 측정을 수행하였다. 현장 Flat TDR 또한 6개 현장에 대한 측정을 수행하였으며, Fig. 10과 같이 현장에서 Flat TDR 장비를 이용하여 현장 함수비, 현장 건조밀도, 현장 전단파속도 등 각 지반의 물리적 특성을 확인하였다.

Fig. 10. Field TDR measurement.

실험결과

실내 전단파속도 측정 결과

함수비에 따른 전단파속도 분석결과

실험시료는 6개 현장시료에 대해 실험을 수행하였으며, 기존에 연구되었던 4개 현장시료의 결과값을 추가로 비교 ‧ 분석하였다. 입력주파수는 0.01 kHz로 고정하고, 그에 따른 출력신호를 확인하여 도달시간을 산정하였다. 도달시간은 초동 추정방법을 이용하였고, 전단파 발생장치와 수신기 사이의 거리는 5 cm로 하여 전단파속도를 산정하였다.

Fig. 11은 실험을 통하여 얻은 전단파 신호 그래프 개형이며, Tables 3, 4는 실내 실험에서 도출된 각 시료별 도달시간 및 전단파속도이다.

Fig. 11. Shear wave signal analysis graph reform.

Table 3. Signal arrival time

Table 4. The shear wave velocity of the situ sample

재령일에 따른 전단파속도 분석결과

사질토 시료(SP,SM)에 LW그라우트재를 혼합하여 양생시키고, 재령일에 따라 전단파를 측정함으로써 전단파속도 변화 양상을 도출하였다.

주파수 0.01 kHz로 전단파를 입력하였고, 그에 따른 출력 신호를 확인하여 도달시간을 산정하였다. 도달시간은 초동추정방법을 이용하였고, 전단파 발생장치와 수신기 사이의 거리는 5 cm로 하여 전단파속도를 산정하였다.

도출된 도달시간과 식 (8)을 이용하여 전단파속도를 산출하였고, 결과분석을 통해 재령일이 증가할수록 두 시료 모두 전단파 속도가 증가하는 경향성을 확인할 수 있었다. 특히, 재령 초기의 3~7일 사이의 전단파속도 변화의 평균값은 10.16 m/s이고, 7~14일차 이후의 전단파속도 변화의 평균값은 66.00 m/s로, 7~14일 차 이후의 전단파속도의 변화가 더 크게 나타남을 확인할 수 있었다.

이는 그라우트재를 이용하여 양생한 시료의 전단파 속도가 재령일에 따라 빠르게 측정되는 결과를 보인 연구 결과(Park, 2015)와, 저수지 제체에 그라우팅 주입 후 전단파속도가 증가하는 양상을 보인 연구 결과(Kim et al., 2021)와 유사한 경향을 보였다.

또한, 전단파 속도와 압축강도의 관계는 지수함수 특성으로 상관성이 매우 높게 나타났다(Ahn et al., 2008). LW그라우제를 혼합한 공시체의 일축압축강도가 초기 재령보다 장기 재령으로 갈수록 편차가 크게 측정되는 선행 연구 결과(Choi et al., 2016)를 통하여, 7일 차 이후 전단파속도가 빠르게 측정되는 것이 타당한 결과로 여겨짐과 동시에 Flat TDR의 전단파속도 측정값의 신뢰성을 확인하였다고 볼 수 있다.

Table 5는 재령일에 따라 측정한 전단파를 통해 도출한 시료별 도달시간과 전단파속도를 나타낸 것이다. Fig. 12는재령일에 따른 시료별 전단파속도 변화를 나타낸 것이다.

Table 5. Arrival time and shear wave speed for each sample according to curing

Fig. 12. Comparison of changes in shear wave velocity for each sample according to curing.

들밀도시험 및 동적콘관입시험 결과

Flat TDR의 측정값(함수비, 건조밀도, 전단파속도)에 대한 정밀도를 비교 ‧ 확인하기 위하여 들밀도 시험을 수행하였다. 들밀도시험으로 현장의 함수비 및 건조밀도를 측정하였으며, 이를 바탕으로 현장다짐도(Relative Compaction, Rd)를 도출하였다. 각 현장다짐도는 최소 94.3%에서 최대 98.0%까지 확인되었고, 이는 현장에서 요구하는 다짐도(95%)에 가까운 상태로서 조밀한 상태의 지반이라고 확인할 수 있다.

또한, 동적콘관입시험을 수행한 결과, 각 현장에서 콘을 10 cm 관입시키는데 필요한 타격횟수 N_d값은 최소 5.3~최대 11.3까지 확인하였고, R_c값이 클수록 N_d값이 커지는 상관성을 확인할 수 있었다.

Table 6은 현장대상지반의 들밀도시험와 동적콘관입시험의 결과를 나타낸 것이다.

Table 6. Results of field ground compaction using field density test and dynamic cone penetration test

현장전단파속도 측정 결과

전단파속도 측정을 위해 초동추정방법을 통한 전단파 도달시간을 측정하였고, 이를 통해 전단파속도를 산출하였다. 전단파를 발생시키는 Piezo-stack과 수신기 사이를 5 cm로 하여 전단파속도를 분석한 결과, 10개 현장에서의 전단파 도달시간이 0.22~0.53 msec 범위 내로 확인이 되었고, 전단파속도는 94.04~225.94 m/s로 확인되었다.

전단파속도는 식 (8)을 이용하여 산출하였으며, 도달시간이 빠를수록 전단파속도는 크게 측정됨을 확인할 수 있었다.

Table 7은 Flat TDR을 이용한 전단파의 도달시간 및 전단파속도를 나타낸 것이다.

Table 7. Results of on-site shear wave arrival time and shear wave velocity measurement

전단파속도 측정 검증을 위한 비교 분석

함수비에 따른 전단파속도와 건조밀도 비교

본 연구에서 각 시료별로 도출한 함수비에 따른 전단파속도 그래프와 다짐곡선을 분석한 결과, 각 시료의 OMC에서 건조밀도 및 전단파 속도가 최대값을 갖는 경향을 보였다. 또한, OMC를 기준으로 건조 측에서는 측정값이 증가하고 습윤 측에서는 측정값이 감소하는 경향성을 나타내었으며, 이는 지반의 강성도와 전단파속도가 관련이 있음을 나타낸다.

실내에서 측정한 전단파속도와 현장에서 측정한 전단파속도를 비교 ‧ 분석하기 위해 함수비에 따른 전단파속도 그래프와 현장에서 측정한 전단파 속도를 그래프를 분석하였다. 그 결과, 실내에서 도출한 전단파속도는 97.21~218.44 m/s로 나타났고, 현장에서 측정한 전단파속도는 94.04~222.92 m/s로 나타났다. 또한, 두 값들의 사이의 관계식은 y = 1.0913x - 9.2011로 도출되었고, 차이는 약 0.7%로 매우 유사한 값을 나타내었으며, 이는 Flat TDR의 전단파속도 측정값의 높은 신뢰도를 나타낸다.

Table 8과 같이 함수비에 따른 실내 전단파속도 측정값 및 현장 전단파속도 측정값을 나타낸 것이다.

Table 8. Shear wave velocity measurement value and filed shear wave velocity measurement value according to water content

Fig. 13은 실내 실험에서 측정한 함수비에 따른 건조밀도의 경향성과 현장 지반에서 측정한 전단파속도를 비교 분석한것이다.

Fig. 13. Dry density and shear wave velocity analysis results according to water content.

현장 전단파속도 및 현장 다짐도 비교

각각의 시험결과를 통한 현장다짐도에 대한 경향을 확인하고자 현장다짐도가 가장 낮은 함평 시료부터 다짐도가 가장 높은 나주1 시료의 순으로 나열하였다. 다짐도 및 동적콘관입시험에서의 N_d값이 증가함에 따라 Flat TDR에서의 전단파 속도 측정값이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.

또한, 동적콘관입시험 N_d값과 현장에서 측정한 전단파 속도의 상관성 분석을 통해 다짐도 증가 경향에 대해 관계식을 도출하여 Flat TDR의 전단파속도 측정과 관련된 신뢰성을 검증하였다.

분석결과, 다짐도가 가장 낮은 함평 현장의 경우 N_d = 5.3일 때 V_s = 94.04 m/s이고, 다짐도가 가장 높은 나주1 현장의 경우 N_d = 12.0일 때 V_s = 121.83 m/s으로 나타났다. 또한 Fig. 14b와 같이 N_d값과 전단파속도 값의 관계식은 y = 28.438 ln(x) + 50.768로 도출되었으며, 두 값의 경향성 차이는 약 7%로 확인되었다.

Fig. 14. Comparison of field shear wave velocity and field compaction.

이는 앞선 그라우트재 혼합 공시체의 재령일에 따른 전단파속도 관계에서처럼 지반의 강성도 및 다짐도가 증가할수록 Flat TDR의 전단파속도가 증가함을 나타내며, Flat TDR의 전단파속도 측정값의 신뢰성을 확인하였다고 볼 수 있다.

Fig. 14a는 현장 다짐도와 N_d값, 전단파속도를 비교한 그래프이고, Table 9는 전단파속도, N_d값, 다짐도 비교를 위해 도출한 값이다.

Table 9. Comparison of filed shear wave velocity, N_d value, and field compaction

결론

본 연구에서는 Flar TDR을 이용하여 지반의 전단파속도를 측정하였고 측정값의 정밀도 분석 및 현장적용성에 대한 검증을 수행하였다. Flat TDR 내 결합되어 있는 Piezo-stack을 이용하여 현장에서의 전단파속도 측정값을 도출하였고, 도출한 값의 검증을 위해서 들밀도시험, 동적콘관입시험(DCPT), 문헌조사 등을 적용하여 비교 ‧ 분석하였다. 본 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.

(1) Flat TDR의 전단파속도 측정 검증을 위하여, SP, SM시료의 중량비에 따라 LW그라우트재를 혼합하여 공시체를 만들어 그라우트재 함유량에 따른 전단파속도를 측정하였다. 재령 초기 전단파속도 변화의 평균값은 10.15 m/s이며, 7~14일차 이후의 전단파속도 변화의 평균값은 65.99 m/s로 재령일 증가에 따라 전단파속도의 변화가 더 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 재령일에 따른 공시체 강도가 증가하여 전단파속도가 증가한 것으로 판단된다.

(2) Flat TDR을 이용해 함수비에 따른 전단파속도를 측정하여 도출한 그래프와 함수비에 따른 건조밀도 그래프를 비교 ‧ 분석한 결과, OMC를 기준으로 건조 측에서는 함수비가 증가할수록 건조밀도와 전단파속도가 증가하고, 습윤 측에서는 함수비가 증가할수록 건조밀도와 전단파속도가 감소하였다.

(3) 실내시험과 현장시험을 통한 전단파속도의 비교 ‧ 분석 결과, 실내에서 도출한 전단파속도는 97.21~218.44 m/s로 나타났고, 현장에서 측정한 전단파속도는 94.04~222.92 m/s로 두 값들의 오차는 약 0.7%로 매우 유사한 값을 나타내었다. 이는 지반의 강도 및 다짐도가 증가할수록 Flat TDR의 전단파속도가 증가함을 나타내며, Flat TDR의 현장측정 결과, 전단파속도 측정값의 신뢰성이 높음을 확인하였다.

(4) 현장에서 측정한 전단파속도를 통하여 전단탄성계수를 도출하였고 이를 문헌자료와 비교 ‧ 분석하였다. 그 결과, 현장에서 도출된 전단탄성계수 값이 최소 17.36 MPa에서 최대 28.13 MPa로 확인되어 참고문헌 값과 유사한 측정값을 확인하였다. 이를 통해 Flat TDR을 이용하여 측정한 전단탄성계수의 신뢰성이 높음을 확인하였으며, 현장 지반의 다짐관리를 효과적으로 할 수 있을 것으로 판단된다.