Penetration-type Bender Element Probe for Stiffness Measurements of Soft Soils

地 盤 工 學

第28卷 第2C 號·2008年 3月 pp. 125~131

연약지반 강성측정을 위한 벤더 엘리먼트 프로브

Penetration-type Bender Element Probe for Stiffness Measurements of Soft Soils

정재우*·오상훈**·김학성***·목영진****

Jung, Jae Woo

·

·

·

···

Abstract

Ground stiffness(shear wave velocity) is one of the key parameters in geotechnical earthquake engineering. An In-situ seis- mic technique has its own advantages and disadvantages over the others in stiffness measurements. By combining the cross- hole and seismic cone techniques and utilizing favourable features of bender elements, a new hybrid probe has been developed in order to enhance data quality and easiness of testing. The basic structure of the probe, called “MudFork”, is a fork com- posed of two blades, on each of which source and receiver bender elements were mounted respectively. To evaluate the dis- turbance caused by the penetration of the probe, shear wave velocity measurements were carried out in the Kaolinite slurry in the laboratory. Finally, the probe was penetrated in coastal mud near Incheon, Korea, using SPT(standard penetration test)rods pushed with a routine boring machine and shear wave velocity measurements were carried out. The results were verified with data from laboratory and cone testing. The performance of the probe turns out to be excellent in terms of data quality and test- ing convenience.

Keywords :stiffness, shear wave velocity, bender element, mudfork

···

요 지

지반의 강성도 또는 전단파 속도는 지반의 내진 설계 및 해석에서 중요한 인자 중의 하나이다. 현장 강성도를 측정하기 위한 탄성파 기법은 서로 다른 그만의 장단점을 갖고 있다. 이 연구에서는 데이터의 질과 시험의 수월성을 증진시키기 위해 벤더 엘리먼트의 특성과, 탄성파 기법 중 크로스홀과 탄성파 콘의 장점을 조합하여 새로운 프로브를 개발하였다. 머드포오크

(MudFork)

로 명명한 이 프로브이 기본 구조는 두 개의 블레이드(blade)로 이루어진 포오크 형태이다. 두 블레이드에 발진자

와 감지기 엘리먼트가 각각 장착되었다. 실내 카올리나이트 토조에서 이 프로브가 지반에 관입될 때 야기되는 교란도를 규 명하였다. 이 프로브를 인천의 한 연약지반에 일반 시추기를 이용하여 SPT(standard penetration test) 롯드로 관입하고 깊 이별 전단파를 계측하였다. 이 계측된 전단파를 실내 시험과 콘 관입시험의 데이터로 검증한 결과 이 프로브는 데이터의 질 과 시험의 수월성면에서 탁월한 현장 전단파 계측 장비로 평가된다.

핵심용어

강성도, 전단파 속도, 벤더 엘리먼트, 머드포오크

···

1.

서 론

내진설계 및 해석에서 지반의 강성도(stiffness) 또는 전단 파속도(shear wave velocity)는 매우 핵심이 되는 인자

(parameter)

이다. 이 인자를 측정하기 위해 다양한 현장 및

실내 시험 기법이 개발되고 적용되고 있다. 이 중 현장 시 험법으로는 크로스홀(cross-hole), 다운홀(down-hole), 인홀

(in-hole)

과 같은 계측공(borehole)을 이용한 방법(Park et

al., 2008)

과, 지오폰(geophone)을 장착한 콘(seismic cone)

을 다운홀시험에 접목한 관입형(penetration-type) 현장 시험

김홍종 외, 2005)이 있다. 이 외에도 계측공 없이 지표면에

서 수행하는 비파괴형태의 표면파 기법이 있다(조성호 외,

2000).

이 연구에서는 각 현장탄성파 기법의 장점을 고려하

여, 소규모 크로스홀 형태의 시험원리를 적용하고 계측공을 배제한 관입형의 프로브를 고안하여(목영진 외, 2006), 정밀 하고 경제성과 시험의 수월성이 탁월한 현장시험법을 개발 하고 적용하였다.

2.

프로브 개발 기본 개념

2.1

벤더 엘리먼트 적용

벤더 엘리먼트의 기본 구조는 그림 1과 같이 금속판

*정회원ㆍ경희대학교 토목공학과 박사과정 (E-mail : [email protected])

**정회원ㆍ경희대학교토목공학과석사과정

***경희대학교 토목공학과 석사과정

****정회원ㆍ교신저자ㆍ경희대학교토목건축대학교수 (E-mail : [email protected])

(shim)

양쪽에 두 개의 피에조세라믹(piezo-ceramic)을 접착 한 것이다. 전압을 가하면 양쪽의 세라믹 판이 신장과 수축 이 교차되어 마치 외팔보(cantilever)가 좌우로 휘청대는 형 태의 진동을 일으켜 발진자(source)로 사용할 수 있다. 반대 로 외부의 진동으로 부터 휨 변형이 생기면 피에조 세라믹 판의 신장과 수축에 의해 전하가 일어난다. 즉 진동을 수진 할 수 있는 감지기(receiver)로 사용할 수 있다. 절연과 전기 적 쉴드(shield) 및 방수를 위한 3층의 코팅(inner, silver,

skin coating)

을 추가하였다. 이 연구에서 사용한 엘리먼트는

크기가 가로 12mm 세로 7mm로, 일반 크로스홀 시험 장비 의 기계적 장치와 비교할 수 없는 수준의 원리와 구조가 단 순하고 제어도 수월한 아주 작은 발진자와 감지기인 셈이 다. 다만 에너지가 작아 발진자와 감지기 사이의 간격이 최 대 수십 센티미터(cm)이므로 두 엘리먼트를 한 프레임에 장 착하여 소형 크로스홀 개념의 시험이 가능한 프로브를 개발 하였다.

2.2

프레임의 기본 형태

두 벤더 엘리먼트를 한 프레임(frame)에 장착함으로써 야 기되는 가장 큰 문제점은, 이 프레임을 따라 진동이 전달되 어(이하 프레임을 통과하는 진동을 노이즈(noise)로 칭함), 지반을 통과하는 탄성파와 뒤섞인다는 점이다. 따라서 이 연 구에서는 프레임을 통과하는 노이즈를 제거하고 지반을 통 과하는 탄성파만 계측할 수 있는 이상적인 프레임을 개발하 는 것이다. 초기에는 진동차단 장치(damper) 개발을 시도하 였으나, 상당량의 노이즈가 프레임과 접촉한 주변 지반으로 전파된다는 사실이 발견되어 노이즈가 최대한 주변지반으로 소멸되는 최적의 프레임 구조를 고안하게 되었다. 판상형 프 레임이 주변지반과 밀실하게 접촉하는데 유리하고, 접촉 면 적이 약 100cm

정도이면 노이즈가 주변지반으로 대부분 소멸되는 것으로 판명되었다(목영진 외, 2007; Jung et al.,

2008).

여러 형태의 프레임을 시도한 결과 그림 2와 같이,

두 개의 블레이드(blade)로 이루어진 포오크(fork) 형태의 프 레임이 개발되어 “MudFork”로 명명하였다.

3.

머드포오크

그림 2와 같이 머드포오크(MudFork)의 기본 골격은 두 개의 블레이드 형태의 가지를 스템부분(stem)에서 볼트로 체 결하고 관입 롯드(rod)와 연결에 필요한 어댑터(adapter)로

이루어져 있다. 두 가지 사이의 간격은, 연약 지반 성토층에 설치되는 직경 76mm 케이싱을 통과할 수 있도록 70mm로 하여 엘리먼트 사이의 순 간격을 55-60mm로 유지하였다.

각 블레이드 하단 안쪽으로 엘리먼트를 보호하기 위해 흡사 지느러미 같은 삼각형 철판(fin)을 용접하였다. 이 프로브를 지반에 관입 할 때 블레이드 사이의 지반의 교란을 최소화 하기위해, 블레이드 두께를 4mm로 하고 바깥쪽으로 날을 세워 점토가 외곽으로 밀리도록 하였다.

그림 3은 이 프로브의 상세한 치수를 나타내고 있다. 한 블레이드(blade)의 크기는 폭 3cm 길이 16cm 두께 4mm로 주변지반과의 접촉 면적은 60cm

이다. 두 블레이드의 총 접 촉 면적은 120㎠로 노이즈를 소멸시키는데 충분하다(목영진 외, 2007; Jung et al., 2008). 발진자와 감지기 엘리먼트를 그림

벤더 엘리먼트 구조의 모식도 및 실물 사진

그림

의 사진과 관입 모식도

그림

의 상세 치수

각 블레이드에 마주보도록 장착하는데, 노이즈 차단을 목적 으로 나일론재질에 나사를 내어 고정하였다. 또한 두 블레이 드를 스템(stem)에서 체결할 때 10mm 두께의 나일론 판을 사이에 끼워 두 개의 볼트로 체결하여 노이즈 차단에 도움 이 되도록 하였다. 그림 4는 점토를 채운 토조에서 계측한 신호로 노이즈는 거의 제거된 탁월한 전단파(signature

wavelet)

를 보여주고 있다.

이 프로브를 일반 시추기를 이용하여 SPT(standard

penetration test)

롯드(rod)로 관입하였다. 연약한 점토에서는

잘 관입이 되었으나, 모래나 실트질 협재층(seam)을 통과 할 때 그림 5와 같이 블레이드와 스템 사이의 단면이 바뀌는 지점에서 휨 변형이 일어났다. 이러한 취약점을 보완하기 위 하여 그림 3과 그림 6과 같이 블레이드에 보강재를 용접하

여 흼에 대한 단면 이차모멘트를 증가하였다. 보강재의 폭은 약 4mm 정도로 적용한 현장의 모래 협재층을 성공적으로 관입하였다. 그림 6은 블레이드를 보강한 프로브의 사진이다.

발진자 엘리먼트를 가동하는 전압은 20-30volts 정도로, 이 높은 전압이 누전되어 감지기 케이블에 발생하는 크로스토 크(cross-talk)를 제거하여야한다. 이 연구에서는 벤더 엘리먼 트에 실버코팅(silver coating)을 하여 누전된 전압이 흘러들 어오지 못하도록 쉴드(shield)를 형성하고 접지선에 연결하였 다. 또한 발진자와 감지기의 쉴드 케이블을 별도로 분리하고 접지함으로써 전기적 노이즈와 크로스토크를 제거하였다.

4.

실내 시험

머드포오크(MudFork)를 관입할 때 발생하는 지반의 교란 정도를 평가하고자 소형 토조에서 전단파 계측을 수행하였 다. 그림 7과 같이 직경 57cm, 높이 80cm의 소형 토조에 카올리나이트와 물을 혼합하여 연약지반을 조성 하였다. 일 곱 쌍의 발진자와 감지기 벤더 엘리먼트를 롯드(rod) 사이의 거리는 20cm, 상하 벤더 간격은 10cm로 설치하였다. 카올 리나이트가 안정된 후, 머드포오크를 관입하기 직전에 각 깊 이에서 전단파 속도(이하 원지반 속도로 칭함)를 측정하였 다. 그림 7은 토조에 설치된 벤더 엘리먼트 측정 장치와 깊 이별 전단파 신호로, 각 전단파의 초기도달시간은 각 신호에 화살표로 표시되어 있으며 14m/sec.에서 30m/sec.의 전단파 속도 분포를 보이고 있다. 머드포오크 관입에 따른 교란 영 향을 평가하기 위해, 머드포오크를 관입 시켜가며 5cm 간격 으로 전단파 속도를 측정하였다. 그림 8은 깊이 10cm에서 그림

실내 토조에서 계측한 전형적인 전단파 신호

그림

현장 시험 도중 변형된

그림

보강재를 설치한

75cm

까지 머드포오크로 측정한 전단파 신호로 초기도달시간

초동)이 확연할 정도로 우수하다. 각 전단파의 초기도달시간 은 각 신호에 화살표와 같이 표시되어 있다. 그림 9는 원지 반 전단파속도(그림 7에서 결정된)와 머드포오크로 계측한 전단파 속도를 비교한 것으로, 거의 동일한 속도 분포를 보 이는 것으로 보아 머드포오크의 관입에 따른 지반의 교란 정도는 매우 미약한 것으로 판단된다.

5.

현장 적용

이 프로브를 인천의 한 연약지반에 적용하였다. 이 연약지 반은 깊이 10m 내외로 깊이에 따라 얇은 모래질 실트층이 협재되어 있다. 공사 장비 진입을 위해 포설한 골재층은 걷 어내고, 반복된 건조(desiccation)에 의해 생성된 단단한 과

압밀층은 천공을 하고 케이싱을 설치하였다. 일반 시추기(국 내 제작으로 105 HP)를 이용하여 SPT 롯드(rod)로 매

0.5m

간격으로 7.5m까지 전단파를 계측하였다. 그림 10은

관입 직전에 시추기의 롯드에 연결된 프로브를 보여 주고 있다. 그림 11의 왼쪽 그림은 각 계측 깊이에서 기록한 전 단파 신호이다. 전단파 도달시간(shear wave arrival time)은 깊이에 따라 0.5-1.0msec. 범위에 있다. 발진자와 감지기 사 이의 순 간격 59mm를 계측된 도달시간으로 나누어 60-

110m/sec.

범위의 전단파 속도를 얻었다(그림 11의 우측 그

림). 발진자 가동 전압은 30볼트로 하고, 발진자와 수진기 사이의 계측거리가 전단파 파장의 2배 이상이 되도록 고주 파수 2.5-4.5kHz를 사용하였다. 이는 전단파 계측에 근거리 영역영향(near-field effect)을 배제하기위한 것이다. 이 전단 파 속도는 깊이에 따라 일차적으로 증가하는 추세를 보이고 그림

실내토조 전단파 속도 측정 장치와 계측된 전단파 신호

그림

머드포오크로 계측한 전단파 신호 그림

원지반과 머드포오크로 계측한 전단파 속도 비교

있다. 다만 깊이 5m 부근의 모래실트질의 단단한 협재층에 서 150m/sec.로 급상승하였다.

이 시험 결과를 검증하기 위해 콘(CPT)시험과, 시추공을 천공하여 깊이 3m, 5m, 8m에서 쉘비(shelby) 튜브로 시료 를 채취하여 강도시험과 전단파 속도를 측정하였다(박동선,

2008).

시료를 추출하는 과정에서, 일반적으로 튜브 상단 쪽

의 시료는 교란되어 교란이 적은 튜브 하단 부분에서 공시 체를 제작하였다. 불행하게도 가는 모래와 실트가 협재된 깊 이 5m에서 시료를 채취하게 되어, 가는 모래가 확연한 부분 을 피해 공시체 2개를 제작하였다. 이 공시체로 삼축압축 비배수 강도를 측정하는 동시에 삼축압축셀에 벤더 엘리먼 트를 장착하여 공시체의 전단파속도도 계측하였다. 공시체 교란의 영향을 극복하기 위해 현장구속응력에 상응하는 등 방구속압으로 재압축(recompression technique)하여, 재압축 전과 후의 전단파 속도 변화와 현장 계측 전단파 속도를 비 교하였다(그림 12). 전체적으로 재압축 후 전단파 속도가 증 가하여, 재압축이 공시체의 교란을 회복시키는 효과가 있는 것으로 판단된다. 예민한 구조를 갖는 점성토(structured

clays)

는 재압축에 의해 점성토의 입자구조가 바뀌거나, 또는

재압축에 의해 간극비가 원지반보다 작아져서, 현장 강도 값 보다 작거나 크게 계측되는 경우가 있다(Jamiolkowski et

al., 1985).

깊이 5m에서는 가는 모래(fine sand)나 실트가

포함되어 전단파 속도가 크게 계측되었다. 깊이 8m에서 3 개의 공시체의 상태가 육안상 안정되고, 시험 결과도 일정 하여 신뢰할 만한 것으로 판단된다. 콘시험의 콘저항치가 깊이에 따라 일차적으로 증가하는 정규압밀점성토의 특성을 보이고 있으며 협재층에서 크게 변화하고 있다. 그림 13은

Robertson

과 Campanella(1999)가 제안 한 콘지수 N

를

사용하여 콘저항치로부터 계산한 비배수 강도와, 현장에 상 응하는 등방구속압으로 재압축한 공시체의 비배수강도를 도 시한 그림이다. 재압축한 공시체의 비배수 강도가 현장의 비 배수 강도와 상당히 근접한 점을 감안할 때, 재압축 후의 공시체의 전단파 속도도 현장 값에 상당히 근접한 것으로 판단된다. 그림 12의 MudFork로 계측한 현장 값이 재압축 한 공시체의 전단파 속도보다 상회하는 점을 감안할 때, 재 압축한 공시체는 교란이 상당히 극복되었지만 현장 값에 못

그림

관입형 장비의 현장 시험 모습

그림

깊이별 전단파 신호와 속도

미친 것을 알 수 있다.

6.

결 론

기존의 현장 탄성파시험의 장단점을 고려하여 연약지반의 강성도 측정을 위한, 벤더 엘리먼트를 장착한 현장탄성파 프 로브, 머드포오크(MudFork)를 개발하였다. 인천의 한 연약지 반 현장에서 이 프로브를 사용하여, 콘관입시험과 같이 지반 에 관입하며 전단파를 계측하여 강성도 프로파일을 얻었다.

이 계측결과를, 현장에서 채취한 공시체의 실내 시험과 현장

콘시험치를 이용하여 검증하였다. 이에 도출된 결론과 향후 필요한 연구방향은 다음과 같다.

1.

두 블레이드(blade)로 이루어진 머드포오크(MudFork)는 주 변지반과 밀실하게 접촉하여, 발진자 엘리먼트에서 발생하 는 진동노이즈를 주변지반으로 소멸시키는 매우 효율적인 구조이다.

2.

개발한 프로브의 블레이드와 포오크 형태는 지반의 교란 을 최소화할 수 있는 구조이다.

3.

실내 토조 시험과 현장 시험으로, 개발된 프로브의 관입에 따른 교란도는 미미한 것으로 검증되었다.

4.

다른 현장시험에 비해 머드포오크(MudFork)는 데이터의 정밀성과 시험의 수월성면에서 우수한 장비가 발전될 것 이다.

5.

여러 현장에 적용하여 이 프로브의 지속적인 개선이 필요 하다.

감사의 글

본 연구는 일부 건설교통부 건설핵심기술연구개발사업의 연구비지원(C105A1000013-06A030001220)에 의해 수행되 었습니다.

참고문헌

김홍종, 선창국, 조성민, 허열(2005) SCPT에서 지반의 깊이별 전단파 속도 결정 과정에 대한 분석. 대한토목학회 논문집, 대한토목학회, 제25권, 제3호, pp. 201-214.

목영진, 정재우, 한만진(2006) 연약지반 강성측정을 위한 벤더 엘리먼트의 현장 적용성 연구. 한국지반공학회 논문집, 한국 지반공학회, 제22권, 제11호. pp. 37-45.

목영진, 정재우, 한만진(2007) 연약지반 강성측정을 위한 매설형 계측기에 대한 연구. 한국지반공학회 봄 학술발표회 논문집, 한국지반공학회, pp. 268-275

박동선(2008) 실트질 세립토의 비배수강도와 전단 탄성계수의 상

그림

깊이별 전단파속도와 콘 저항치

그림

깊이별 비배수강도 분포

관관계. 박사학위논문, 경희대학교.

조성호, 목영진, 장현삼(2000) 지반의 동적 물성치 측정을 위한 탄성파 기법과 결과의 이용. 한국지반공학회 논문집. 한국지 반공학회, 제16권, 제2호, pp. 34-42.

Jamiolkowski, M., Ladd, C. C., Germaine, J. T., and Lancellotta, R.

(1985) New developments in field and laboratory testing of soils. Proceedings of the 11^th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, SanFrancisco, Vol. 1, pp. 57-153.

Jung, J. W., Park, C. S., and Mok, Y. J. (2008) Development of bur- ied sensors for stiffness measurements of soft clays using bender elements. Geotechnical Earthquake Engineering and

Soil Dynamics IV, Sacramento, USA(accepted).

Park, C. S., Jung, J. W., and Mok, Y. J. (2008) Development and applications of in-hole seismic method to measure shear wave velocity of subsurface materials. Geotechnical Earthquake Engineering and Soil Dynamics IV, Sacramento, USA (accepted).

Robertson, P. K. and Campanella, R. G. (1998) Guidelines for using the CPT, CPTU and Marchetti DMT for geotechnical design.

U.S. Department of Transportation. Report No. FHWA-PA-87- 022+84-24. Vol. 2.

(

접수일: 2007.12.11/심사일: 2008.1.10/심사완료일: 2008.1.10)