Comparison in Elastic Wave Propagation Velocity Evaluation Methods

In situ investigations and laboratory tests using elastic wave have become popular in geotechnical and geoenvironmental engineering. Propagation velocity of elastic wave is the key index to evaluate the ground characteristics. To evaluate this, various methods were used in both time domain and frequency domain. In time domain, the travel time can be found from the two points that have the same phase such as peaks or first rises. Cross-correlation can also be used in time domain by evaluating the time shift amount that makes the product of signals of input and received waveforms maximum. In frequency domain, wave propagation velocity can be evaluated by computing the phase differences between the source and received waves. In this study, wave propagation velocity evaluated by the methods listed above were compared. Bender element tests were conducted on the specimens cut from the undisturbed hand-cut block samples obtained from Block 37 excavation site in Chicago, IL, US. The evaluation methods in time domain provides relatively wide range of wave propagation velocities due to the noise in signals and the sampling frequency of data logger. Frequency domain approach provides relatively accurate wave propagation velocities and is irrelevant to the sampling frequency of data logger.

탄성파의 매질 내 이동속도 산정방법 비교

탄성파는 지반 및 지반환경 관련 과업에서 다양한 형태로 활용되어 왔다. 일반적으로는 현장에서 탄성파 탐사를 수행하여 시추조사와 더불어 지반의 물성값을 평가하는 목적으로 사용되고 있으며, 지하공동의 위치파악 등에도 사용되고 있다. 환경복원이 필요한 버려진 부지에 매립된 유류 저장시설의 위치 파악 등 지반환경공학과 관련하여서도 탄성파의 활용은 활발히 이루어지고 있다. 또한 지반의 미소변형률 구간에서의 지반 거동 분석에도 탄성파를 활용하고 있다. 탄성파의 매질 내 이동속도가 주요 인자로서 활용되고 있는데, 이는 시간 영역과 주파수 영역에서 산정할 수 있다. 시간 영역에서의 탄성파의 이동속도 평가방법은 동일 위상을 갖는 특정한 점들의 시간차이를 분석하는 방법, 상호상관법을 활용한 방법으로 나뉠 수 있다. 주파수 영역에서의 탄성파의 이동속도는 진원과 수신점에서의 입력 파형과 수신파형의 위상 차이를 분석하여 산정할 수 있다. 본 연구에서는 시카고 지역에서 채취한 불교란 빙하퇴적 점성토 시료에 벤더 엘리먼트를 이용한 탄성파 시험을 실시, 동일한 탄성파에 대해 여러 가지 산정 방법을 적용하여 탄성파의 이동속도를 분석하였다. 시간영역에서 탄성파의 이동속도를 분석한 결과 데이터로거의 표본화 주파수에 영향을 크게 받는 것으로 분석되었으며, 신호에 포함되어있는 노이즈 및 수신파형의 요철 특성으로 인하여 같은 위상을 갖는 점을 정확히 찾는 것은 불가능하였다. 상호상관법으로 분석한 경우도 입력 파형과 수신파형의 주기의 차이로 인해 탄성파의 정확한 이동속도를 산정하는 것은 불가능하였다. 주파수 영역에서의 이동속도 산정의 경우 영채우기를 통해 주파수 분해능을 개선시킬 수 있어 데이터로거의 표본화 주파수에 영향을 받지 않았다. 과도파 사용으로 인한 지배주파수가 유일 값이 아닌 범위로 나타나는 단점이 있었으나, 지배주파수 범위 내의 탄성파의 이동속도의 범위는 시간 영역에서 산정한 값보다 정밀한 것으로 나타났다.