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(1)

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(2)

工學碩士學位論文

물리탐사를 이용한 사석단면의 형상분석

Configuration Analysis of a Rubble Embankment Using Geophysical Method

指導敎授金度三

2010 年 2 月

韓國海洋大學校海事産業大學院土木環境工學科

李恩鎬

(3)

Configuration Analysis of a Rubble Embankment Using Geophysical Method

by Eun Ho Lee

Department of Civil and Environment Engineering,

Graduate School of Maritime Industrial Studies, Korea Maritime University

ABSTRACT

According to the development of civil engineering work techniques, the structures are getting bigger and are frequently constructed in underground. In addition, a various scale of reclamation works are under going now and planning to development landfills in costal area.

During design and construction, and also after completion of construction, it is very important to configure accurately the shape and formation of the structures constructed in underground. A boring method has been used to do this. However, this method can not give us accurate information when using in relatively large area.

(4)

So far, boring is one of popular ground investigation methods. However, recently more advanced method such as geophysical methods (televiewer and elastic wave tomography) are widely used, because they can give us many valuable information such as the exact configuration and the settlement of rubble layer, the existence of marine clay and its thickness in rubble layer, SCP (Sand Compaction Pile), and weathered rock.

In this paper, therefore, the principles of geophysical methods (televiewer and elastic wave tomography) are reviewed, and the data acquisition and data analysis technique in the geophysical methods are investigated. In addition, the results of an application of the geophysical methods to the rubble embankment constructed in soft marine clay are studied to estimate the settlement of rubble layer.

(5)

물리탐사를 이용한 사석단면의 형상분석

李恩鎬

韓國海洋大學校海事産業大學院土木環境工學科

요 약

토목시공기술의 발전에 따라 구조물이 대형화되고 시설물이 지하화가 되어가, 고 있는 추세이다 더불어 항만공사에서도 연안매립지의 조성을 위한 대규모의. , 매립공사가 계획 및 추진되고 있다 여기서 설계시 시공시 및 시공후에 지반내. , , 의 형상과 구조를 정확히 평가하는 것은 구조물의 안정성 및 경제성의 측면에서 매우 중요하지만 기존의 시추조사방법은 지반형상이 상이한 넓은 지역에 적용하, 여 정량적인 정보를 얻기에는 아직까지 오차의 범위가 상대적으로 크다.

종전까지의 지반조사의 방식은 시추조사라고 하는 단편적인 방법으로 조사되었 지만 최근에는 기존의 조사방법보다 매우 진보된 방법으로 지반내를 정확하고, 체계적으로 평가할 수 있는 물리탐사기법 텔레뷰어와 탄성파 토모그래피 이 널리( ) 사용되는 추세에 있다 물리탐사를 통하여 사석층의 정확한 구조 정확한 사석침. , 하량 사석층과, SCP 및 풍화암에 해상점토의 존재여부와 두께 등과 같은 여러 정보를 얻어 낼 수 있기 때문에 설계 및 시공을 위한 지반조사분야에 물리탐사기 법의 기여도는 크게 높아지고 있는 상황이다.

본 논문에서는 물리탐사병합기술 텔레뷰어와 탄성파 토모그래피 의 원리 자료( ) , 취득 및 해석방법 등을 검토 논의함과 동시에 사석단면의 시공후에 사석침하량⋅ 을 규명하기 위하여 물리탐사기법를 적용한 사례를 논의하며 향후 발전방안을, 고찰한다.

(6)

ABSTRACT ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ ⅰ

요약

․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ ⅲ

․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ ⅳ

그림 목차

․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ ⅵ

표 목차

․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ ⅷ

제 장 서론1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 1

연구의 배경 및 목적

1.1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 1 연구의 구성

1.2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 3

제 장 탐사의 개요2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 4

탐사의 목적

2.1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 4 탐사방법의 기본원리

2.2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 4 탄성파 토모그래피

2.2.1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 4 텔레뷰어 탐사기법

2.2.2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 7 탄성파의 종류 및 탄성파의 속도

2.3 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 10 탄성파의 종류

2.3.1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 10 탄성파의 속도

2.3.2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 11 탄성파에 의한 암반의 분류

2.4 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 13

(7)

제 장 탐사기법에 따른 범례3 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 16

탄성파 토모그래피의 범례

3.1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 16 텔레뷰어의 범례

3.2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 20 탐사의 수행절차

3.2.1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 27 탐사의 과정 및 응용

3.2.2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 28 탐사장비의 제원

3.2.3 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 30

제 장 현장탐사의 사례 및 분석4 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 31

규격석에 의한 강제치환공법의 사석단면

4.1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 32 비규격석에 의한 강제치환공법의 사석단면

4.2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 54

제 장 탐사결과 및 결론5 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 86

결과의 종합분석

5.1 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 86 탄성파 탐사의 적용한계와 발전방향

5.2 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 89

참고문헌

< > ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 90

(8)

그림 목차

그림 1.1 강제치환공법에 의한 사석단면의 형성 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 2

그림 1.2 SCP 시공후 사석단면의 형성 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 2

그림 2.1 탄성파 토모그래피의 기본원리 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 6

그림 2.2 탄성파 토모그래피의 응용 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 7

그림 2.3 텔레뷰어의 기본원리 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 9

그림 3.1 탄성파 토모그래피의 구성매질에 따른 범례 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 19

그림 3.2 텔레뷰어의 탐사응용Ⅰ ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 22

그림 3.3 텔레뷰어의 탐사응용Ⅱ ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 24

그림 3.4 텔레뷰어 탐사 sonic wave의 범례 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 25

그림 3.5 텔레뷰어 탐사에서 현장자료의 예 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 26

그림 3.6 탐사의 수행절차 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 27

그림 4.1 시추주상도를 통한 개략단면도 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 32

(9)

그림 4.2 시추주상도와 표준단면도의 비교 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 32

그림 4.3 텔레뷰어의 탐사결과Ⅰ ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 35

그림 4.4 텔레뷰어의 탐사결과Ⅱ ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 37

그림 4.5 시추공 사이의 수평파선 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 38

그림 4.6 토모그래피 표준단면도의 병합단면도 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 38

그림 4.7 단면 측정데이터의 기록지 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 52

그림 4.8 종합해석단면도 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 53

그림 4.9 시추주상도를 통한 개략단면도 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 54

그림 4.10 시추주상도와 표준단면도의 비교 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 54

그림 4.11 텔레뷰어의 탐사결과 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 59

그림 4.12 시추공 사이의 수평파선․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 60

그림 4.13 탄성파 탐사에 의한 토모그래피의 병합단면도 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 60

그림 4.14 단면 측정데이터의 기록지 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․84

그림 4.15 종합해석단면도 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 85

(10)

표 목차

표 2.1 탄성파 속도에 따른 암석의 분류 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 13

표 2.2 여러 가지 요소를 고려한 종합적인 암반분류 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 15

표 3.1 텔레뷰어 초음파 반사파에서 진폭치의 상대비교 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 23

표 3.2 탄성파의 장비제원 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 30

표 3.3 텔레뷰어의 장비제원 ․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․ 30

(11)

1. ^서론

연구의 배경 및 목적 1.1

국내 외에서 연안매립지 조성을 위한 대규ㆍ 모의 매립공사가 추진되고 있으며,

최근 수많은 공사에서 지반내를 정확하고 체계적으로 평가하기 위하여 물리탐사

방법을 적용하는 사례가 점증적으로 늘어나고 있는 상황이다 본 논문에서는 물리.

탐사 병합기술 텔레뷰어와 탄성파 토모그래피 의 원리와 자료취득 및 최종 단면해( ) 석을 논의하고 부산 신항 준설토 투기장 의 실현장에서 적용사례 및 향후 항만“ ” 분야에 적용되는 경우에 검토되어야 할 과제들을 고찰한다.

부산 신항만의 건설공사는 1999년에 착공하여 현재까지 진행중이며 공사범위는, 가덕도 연도 송도 및 수도를 잇는 경계의 대규모 해상이다 본 연안에는 대규모, , . 매립단지 조성 컨테이너 부두시설 및 그에 따른 준설공사 대규모 매립단지 조성, ,

및 교량시설 등 복합적인 공사에서 많은 공종이 완료되었고 일부는 현재까지도,

진행되고 있는 상황이다 여기서 매립단지를 조성하기 위해 매립예정지의 경계에. ,

사석을 투하하여 거대한 사석단면이 지반내에 형성되어 있다.

사석단면의 형성시에 외곽호안의 해상점토층이 두터운 구간은 SCP(Sand Comp- 공법을 시행한 후 사석단면의 안정성을 높였고 또한 전체구간에 사석

action Pile) ,

을 투하하여 제체를 형성시키는 강제치환공법을 실시하였다 그림.( -1.1~1.2를 참조) 사석을 강제치환공법으로 사석단면을 조성한 후에 현장실험 시추 등 을 통한 결과( ) 는 사석층의 경계면을 규명하기 위한 근거로서 크게 미흡하다는 것이 일반적으로 잘 알려져 있다 이는 현장실험 시추 등 으로 경계면을 판단하는 것은 시추자의. ( ) 감각에 크게 의존하기 때문에 그 결과를 객관적인 자료로 간주하기에는 상당한 불확실성을 내포하고 있는 것으로 판단된다.

본 연구의 목적은 정밀물리탐사기법 탄성파 토모그래피와 텔레뷰어의 병합기술( )

을 이용하여 사석층의 단면구조를 조사 검토함으로써 사석침하량을 명확히 규명⋅

(12)

하고 동시에 투하된 사석량을 산출하며 공사중에 사석단면의 주변에서 발생되는, , 융기부위를 탐사하여 사석단면 이외의 부위에서 사석의 유동을 규명하는데 있다.

그림-1.1 강제치환공법에 의한 사석단면의 형성

그림-1.2 SCP 시공후 사석단면의 형성

(13)

연구의 구성 1.2

본 연구의 구성은 총 장으로 구성되며 각 장에서 기술된 내용은 다음과 같다5 , .

제 장에서는 연구의 배경과 목적을 서술한다1 . 제 장에서는 탐사의 목적 및 기본원리를 기술한다2 . 제 장에서는 탐사의 범례 및 수행절차를 기술한다3 . 제 장에서는 현장적용사례를 분석 및 기술한다4 .

제 장에서는 현장탐사사례에서 도출된 결과를 요약하고 본 연구의 결론으로 한다5 , .

마지막으로 본 연구에 있어서 참고하고 인용한 주요한 문헌을 참고문헌에 제시 한다.

(14)

2. ^{탐사의 개요}

탐사의 목적 2.1

일반적으로 사석공사는 그에 대한 표준단면도에 근거하여 진행되며 사석층의 구, 조는 그 하부매질 해상점토( , SCP 및 풍화암 에 따라 크게 가지로 분류될 수 있다) 3 . 이러한 사석층의 구조를 구명하기 위한 현장조사방법 시추 등 은 사석의 하부경계( ) 면을 확인하는데 그치고 있기 때문에 단지 국부적인 정보만을 제시하고 있을 뿐만 아니라 시추자의 천공 감각에 따른 어느 정도의 판단오류가 내재되어 있는 것으로 판단된다 김중열( , 2000).

한편 텔레뷰어와 탄성파 토모그래피사를 통하여 사석층의 구조에 대한 정확한 사, 석침하량의 규명 사석층과, SCP 및 풍화암의 사이에 해상점토의 존재여부 및 두께 등과 같은 여러 가지의 정보를 얻을 수 있기 때문에 최근 토목설계 및 시공을 위한 지반조사 분야에서 그의 적용이 크게 늘고 있는 상황이다.

탐사방법의 기본원리 2.2

탄성파 토모그래피

2.2.1

탄성파 토모그래피는 의료용 CT(Computerized Tonography)촬영기법의 기본원리 를 탄성파의 탐사분야에 도입하여 연구 개발한 정밀탐사기법의 하나이다 인접한⋅ . 두 개의 시추공 사이의 단면에 대한 탄성파속도분포 토모그램 를 산출하기 때문에( ) 그로 인한 정보 암층의 탄성파속도 암층경계 등 는 바로 토목설계 및 시공을 위( , ) 한 매개변수로 반영된다 여기서 토모그램은 토모그래피의 단면측정 데이터로부. , 터 단지 일부 정보 초동주시 만을 활용하여 얻어지는 결과에 불과하다 다시 말하( ) . 면 상기의 측정데이터에는 또 다른 여러 가지 정보들 예로 절리의 발달 연장상, ( , ,

(15)

태 및 주위 불균질 매질의 존재 을 내포하고 있는 것이다 조사지역에는 그의 특) . 이한 지반상태 예로 구성매질의 배열상태 및 상반된 물성 에 비추어 오히려 측정( , ) 데이터의 분석에 중점을 둔 해석단면의 산출이 보다 바람직하다고 할 수 있다 원( 경식 등, 2002).

그림-2.1은 시추공 시추공 토모그래피의 측정과정을 나타내고 있다 하나의 시추- . 공에는 탄성파의 발생원장치를 또 다른 시추공에는 수진기의 장치를 삽입한다, . 여기서 탄성파발생원은 시추공의 내부에서 그 위치를 이동하면서 토목분야의 지, ( 반조사에서는 평균 1m의 간격 탄성파를 생성한다 각 발생원의 위치에서 생성된) . 탄성파는 지반내 지중의 사방으로 전파되고 그 중에 일부는 또 다른 시추공에 삽, 입된 각 수진기에 도달하게 된다 여기서 발생원으로부터 하나의 수진기에 도달. , 된 모든 종류의 탄성파를 담고 있는 기록을 흔히 탄성파기록(seismic trace 혹은trace) 이라고 칭한다 그리고 기록이 시작되는 시점을 흔히 트리거시점. , (trigger time)이라 고 하며 이 때 탄성파의 발생원은 파와 파를 동시에 방출하게 된다 속도가 빠, P S . 른 파 직접파 는 발생원과 수진기 사이의 매질을 통과하면서 어느 정도의 시간이P ( ) 경과된 후에 기록에 나타나게 된다 이를 파초동 혹은 초동이라 한다 경우에 따( P ).

라서는 주어진 지질여건에 의해 파 직접파 보다 빨리 도달하는 파의 굴절파 선P ( ) P ( 두파(head wave))가 초동이 될 수 있다 그러나 이러한 굴절파는 토모그래피의 응. , 용측면에서 초동으로 간주되지 않는다. S파는 파보다 약P 0.6 (배 예로 경암 정도로, ) 속도가 느리기 때문에 그 이후에 나타나게 된다 한편 반사파는 발생원에서 방사. , 된 파나 파가 주어진 반사면 지층경계면 혹은 절리면 으로부터 반사된 파나P S ( ) P S 파를 의미한다 여기서 우선 파 직접파 의 초동시간에만 초점을 두고 토모그래피. , P ( ) 의 기본이론을 개략적으로 서술한다.

그림-2.1은 아래 부분에 두 개의 시추공 사이에서 하나의 발생원으로부터 하나 의 수진기에 도달하는 탄성파를 파선(ray)으로 나타내고 있으며 또한 두 시추공, 사이의 매질을 편의상 이해를 돕기 위해20개의 cell로 나누고 있다 실제의 응용에( 서는 수백 수천 개의~ cell로 나눔 여기서 각). , cell의 매질은 균질하다고 가정한다. 발생원에서 생성된 파는 각P cell을 통과하면서 그림( -2.1에서 개의6 cell을 통과 각) 매질의 탄성에 따라 경암의 경우에는 짧은 주시시간 풍화암의 경우에는 긴 주시( ,

(16)

시간이 소요 일정한 시간이 소요되며 그 전체의 주시시간은) , trace에서 초동의 주 시와 일치하게 될 것이다 이로부터 미지수인 각. cell의 속도에 대한 하나의 방정 식이 성립된다 즉 하나의. , trace는 하나의 방정식을 형성하게 된다 현실적인 응용. 에서 만약 심도 50m의 시추공이 주어지고 수진기를, 1m의 간격으로 설치한 후 도( 합 50개의수진기 에 발생원을) 50 (1m회 의 간격으로 이동 로 구사한다면) trace수는 즉 개의 방정식이 성립되며 이 때 두 시추공 사이의 지질 50×50=2,500traces , 2,500 ,

단면을 50×50=2,500개의 cell로 나누게되면 각 cell의 탄성파속도는 상기 2,500개의 방정식으로부터 고도의 전산처리기술에 의해 그 해를 구함으로서 얻어지게 된다.

하나의 예로서 그림-2.2는 합성탄성파기록으로부터 바로 2,500개 방정식의 해를 구하여 각 cell에 탄성파속도를 나타낸 것이다 그림( -2.2의 왼쪽부분 이를 흔히 토).

모그램 혹은 주시역해의 결과라 칭한다 즉 토모그램은 시추공 사이의 지질단면. , 에 대한 탄성파속도의 분포도를 의미하며 그로부터 암층의 분리 및 각 암층의 탄, 성파속도가 규명되는 것이다 그림. -2.2의 오른쪽 부분은 상기의 토모그램을 바탕 으로 작성된 해석단면도 지질구조 단면도 를 나타낸다 탄성파의 탐사수행에서 탄( ) . 성파를 효율적으로 발생시키는 기능은 측정데이터의 질을 향상시키는 주요한 요 인이다 특히 시추공을 이용한 탄성파 토모그래피의 응용에서는 시추공내의 협소. , 한 공간으로 인하여 탄성파의 발생을 위한 특별한 장치의 개발이 요구된다 김중( 열 등, 2001).

그림-2.1 탄성파 토모그래피의 기본원리

(17)

좌: 시추공 시추공에서 탄성파 토모그래피의 측정과정-

우 주시해역의 기본원리로 발생원에서 생성된 탄성파가 매질 각: , ( cell)을 통과하여 수진기에 도달한

다면 _



  



__이 성립된다 여기서. , _는trace의 초동주시,_는 각cell에서 탄성파가 통과하

는 거리, _ _, _는 각cell의 탄성파속도이다.

텔레뷰어 탐사기법

2.2.2

텔레뷰어 탐사기법은 초음파의 빔을 시추공의 내벽에 주사하고 그로부터 측정, 되는 반사파의 진폭 및 주사를 분석하여 절리 단층 및 암층의 경계면 의 크기와( ) 경사 암석의 강도, (rock strength), 암석의응력장분포(rock stress field)를 정확히 규 명할 수 있는 최첨단의 시추공 물리검층의 기술이다 상기의 정보는 무엇보다 토. 목분야의 지반조사에서 요구되는 여러 가지 매개변수와 직접적인 연관성을 가지 고 있기 때문에 최근 국내에서도 텔레뷰어 탐사기법이 상용화되고 있는 실정이다.

텔레뷰어는 케이싱 예로( , PVC파이프 을 삽입한 상태에서 이를 투과한 초음파의)

해석단면도 토모그램 탄성파의 속도분포( ,

총cell수 : 50x50=2,500 )개 그림-2.2 탄성파 토모그래피의 응용

(18)

반사파를 이용한다 그로 인하여 케이싱에 밀착된 물 사석 모래 및 해성점토의. , , 물성이 식별되고 또한 차별화된다 시추공의 중심으로부터 공벽을 향하여 거의, . 수직적으로 초음파의 빔을 방사하였을 경우에 공벽에 의하여 반사되어 다시 시추 공의 중심으로 되돌아 온 초음파 빔의 진폭과 주시는 텔레뷰어 측정의 핵심적인 데이터이다.

여기서 진폭치는 공내의 매질 물 과 공벽의 암반과의 임피던스 밀도 탄성파속, ( ) ( × 도 의 대조 혹은 공벽의 반사계수) R(0~1)에 따라 상이하기 때문에 바로 암반의 물 성과 직접적인 연관을 갖는다 만약에 초음파의 빔이 공내단열 혹은 절리 에 입사. ( ) 되면 산란현상에 의하여 되돌아오는 초음파는 상당한 에너지를 잃게 되며 그로, 인하여 단열의 식별이 용이하게 된다.

한편 반사파의 주시는 시추공의 크기 및 공벽의 상태를 파악할 수 있는 좋은, 자료가 된다 즉 시추공의 중심과 공벽간의 왕복주시는 이미 알려진 물의 탄성파. , 속도( 1,500m/s)≃ 에 의하여 그 거리 시추공의 단면이 원형인 경우에는 반경에 해( 당 로 변환될 수 있기 때문에 그 결과는 바로 고분해 능공경의 검층결과가 된다) . 따라서 반사파의 주시는 공벽의 거칠음 공벽의 크기 및 공벽의 원형상태에 따른, , 응력분포의 추정 절리의 열린 상태 등에 대한 정보를 제시하게 된다, .

센서장치는 압전소자의 양극에 한계주파수 1.2MHz의 전위차를 둠으로써 이미 빔(beam)화된 초음파를 다시 오목거울에 의하여 자유자재로 초점화할 수 있는 기 능을 갖는다 따라서. , 3인치의 시추공 공벽에 입사되는 초음파 빔의spot size는 약 에 달하며 더욱이 인치의 시추공에서도 바람직한 이미지의 분해능에

3mm×3mm , 10

도달될 수 있게 된다.

시추공의 축상에 놓여 있는 초음파의 발생원은 모터에 의해 일정한 속도로 회전 된다 그림. -2.3과 같은 일반적인 텔레뷰어의 응용에서는 매 회전마다 144차례의 초 음파 빔을 방사하며 이러한 측정과정은 발생원이 시추공의 중심축상에서 이동하, 는 동안에 반복된다. 한편 각 초음파의 방사각에 대한 반사파, (analog signal)의 진폭 과 주시는 마이크로프로세서에 의하여 수치화 및 발췌되며 그 값들은 다시 그 시, 점의 자력계(3-component flux-gate magnetometer)와 경사계(2-component inclinometer) 의 수치와 대응된다 환언하면 두 개의 독립 변수 즉 일정심도 및 그에 따른 일. , ,

(19)

정방사각에는 진폭치와 주시치가 주어지며 그들은 다시 자력계의 수치에 의하여, 재정돈 자북을 기준 된다 이러한 차원데이터를 텔레뷰어 이미지라 하며 여기에( ) . 2 , 는 진폭이미지와 주시이미지로 분리된다.

그림-2.3의 오른쪽 그림은 임의의 절리면이 존재할 경우에 공벽에서 관찰되는 타원형이 텔레뷰어의 진폭이미지에서는 정현곡선 흔히( fracture signature이라 함 으) 로 표현되어 있음을 나타내며 또한 그로부터 그 절리면에 대한 경사방향,  및 경사각 가 용이하게 산출될 수 있음을 나타낸다 즉 정현곡선의 최소진폭치에. , 대응되는 방사각은 경사방향에 해당되며 경사각은 정현곡선의 진폭크기 가 커, (h) 짐에 따라 큰 값을 나타낸다 김중열 등( , 2002).

그림-2.3 텔레뷰어의 기본원리

좌 : 시추공축상에 위치한 초음파빔의 발생원이 회전하고 또한 상하로 이동하면서 공벽을 향하여, 초음파빔을 빈틈없이 방사한다.

우:임의경사를 갖는 절리면이 시추공을 절단하면 시추공벽에 타원형의 절리흔적이 형성된다 이러. 한 절리흔적은 텔레뷰어의 측정에 의하여 지자기북극을 기준으로 하여sine curve로 표현되며 그로, 부터 절리면의 주향 혹은 경사가 결정된다.

(20)

탄성파의 종류 및 탄성파의 속도 2.3

탄성파의 종류

2.3.1

탄성파(elastic wave, seismic wave)는 타성매질을 통하여 탄성진동의 형태로 전파 되는 파동으로 그 종류는 다음과 같다, .

1)실제파 : 매질의 표면이 아닌 내부를 통과하는 파 종파 횡파 로 종파는 파의( , ) , 진행방향과 입자의 진동방향이 일치하며 가장 먼저 도달하는 파 파 이고 횡파는, (P ) , 전파방향과 입자의 진동방향이 직각인 파 파 이다(S ) .

2)표면파 : 지표면에 따라 전파하는 탄성파로 지표에서 깊이가 깊을수록 그 에너, 지는 급격히 감쇠하는 특징을 가지며 그의 종류는 그라운드 롤, (ground roll), 레일 리파(Rayleigh wave), 러브파(Love wave)가 있다.

3)채널파 : 어느 한 층에서만 에너지가 전파되는 파동으로 경계면에서 전반사가, 발생할 정도로 인접한 상 하부에 비해 낮은 속도를 갖는 층에서나 한쪽 경계면ㆍ 의 반사계수가 거의 인 지표면에서 그리고 층의 경계면이 뚜렷한 반사를 보이지1 , 않고 각 방향으로 속도가 점차적으로 증가하는 경우에 형성될 수 있다 채널파가. 형성되는 층에서는 채널의 경계면에서 전반사가 반복적으로 발생하거나 채널을 벗어난 파선이 채널쪽으로 다시 휘어져 들어오기 때문에 그 에너지의 대부분이 채널을 빠져나가지 못한다.

4)정재파 : 매질에 불연속적인 부분이 있을 경우에 그 부분에 대한 입사파와 반사 파가 합성되어 이루어지는 겉보기 상으로는 전파하지 않는 파이다.

5)공기파 : 음속으로 공기중을 전파하는 파동에너지로 예로 부근의 지진에 의하, 여 발생된 파가 도달할 때 진앙지의 근처에서 마치 멀리서 일어난 천둥소리와P 같이 들리는 소리를 나타낸다.

(21)

이상에서 탄성파의 종류중에 탄성파 탐사에 이용되는 파는 실제파 파(P , S )파 및 표면파 레일리파 이다 채널파는 시추공의 탐사에서 참고 자료로 활용되고 있다( ) . .

탄성파의 속도

2.3.2

실제파의 파P (Primary wave)와 파S (Secondary wave)의 속도 밀도 및 탄성계수는 다, 음의 식과 같이 표현된다 조철현 등( , 2005; 해양수산부, 2003).

종파 파 의 속도 1) (P ) (_)

_



^^

 





^^    

  





^^^{  }_^^ ^(2.1)

     

 (2.2)

   

 (2.3)

횡파 파 의 속도 2) (S ) (_)

_



^^

 



^^_{  }^ ^(2.4)

여기서, 는Lame정수, 는 전단계수, 는 영률, 는 체적계수, 는 포아송비,  는 밀도를 각각 나타내며 다음과 같은 관계와 특성이 알려져 있다, .

(22)

파와 파의 속도비 (1)P S

① λ μ

μ

② _  _ : 결정질 암석의 경우

③ _  _ : 퇴적암의 경우

④ _  _ : 토양 및 미고결 매질의 경우

지각에서 지진파의 속도특성 (2)

불포화된 퇴적물은 포화된 퇴적물보다 속도가 느리다.

①

미고결 퇴적물은 고결 퇴적물보다 속도가 느리다.

②

포화된 미고결 퇴적물들은 속도가 비슷하다.

③

풍화된 암석은 풍화되지 않은 암석보다 속도가 느리다.

④

파쇄된 암석은 파쇄되지 않은 암석보다 속도가 느리다.

⑤

일반적인 파의 속도

(3) P

건조된 미고결 매질 : 500m/sec

①

포화된 미고결 매질 : 1,500m/sec

②

퇴적암 : 4,000m/sec

③

변성암 및 화성암 : 6,000m/sec

④

물: 1,500m/sec

⑤

공기 : 340m/sec

⑥

(23)

탄성파에 의한 암반의 분류 2.4

탄성파의 속도는 암석의 역학적인 성질과 밀접한 관계를 가지며 탄성파 파 의, (P ) 속도에 따라 암반의 분류가 가능하다 국내의 설계에 반영되고 있는 기준으로 표. , 은 표준품셈 에 의한 암반의 분류를 나타내고 표 는 한국 도로공사 도로

-2.1 ‘ ’ , -2.2 ‘

설계편람 터널편 에 의한 종합분류이다- ’ .

표-2.1 탄성파 속도에 따른 암석의 분류 표준품셈( , 1998) 탄성파속도에 따른 암석의 분류

(a)

암석의 구분

그 룹

자연상태의 탄성파속도 (km/sec)

암편의 탄성파속도

(km/sec)

암편내압강 도 (kg/^)

비고

풍화암 A B

0.7~1.2 1.0~1.8

2.0~2.7 2.5~3.0

300~700 100~200

* 내압강도

시편 입방체

1. : 5cm

노건조 시간

2. : 24 수중침윤 일 3. : 2 4. 내압시험

시험방법 가압방향

5. ( )

축 결면에 수직탄성

* z (

파속도가 가장 느린 방향)

시편 두께

1. : 15~20cm 상하면이 평행면 측정방향 축 탄성파

2. x (

속도가 가장 빠른 방향 겉면에 평행, ) 연암 A

B

1.2~1.9 1.8~2.8

2.7~3.7 3.0~4.3

700~1,000 200~500

보통암 A B

1.9~2.9 2.8~4.1

3.7~4.7 4.3~5.7

1,000~1,300 500~800

경암 A B

2.9~4.2 4.1 이상

4.7~5.8 5.7 이상

1,300~1,600 800 이상

극격암 A

B 4.2 이상 5.8 이상 1,600 이상

(24)

암의 분류에서 그룹의 비교

(b) A, B

구분 A B

대표적인 암명

편마암 사질편암 녹색편암, , , 각섬암 석회암 사암 휘록암, , , , 응회암 역암 화강암 섬록암, , , , 감람암 사교암 유문암 안산암, , , ,

현무암

흑색편암 녹색편암 휘록, , , 응회암 셰일 이암 응회암, , , ,

집괴암

함유물 등에 의한 시각 판정

사질분 석영분을 다량, 함유하고 암질이 단단한, ,

고결정도가 높은 것

사질분 석영분이 거의 없고, 응회분이 많은 것 판매상인 것,

500~1000g 해머의 타격에

의한 판정

타격점의 암은 작고 평평한 암 편으로 되어 흐트러지거나 거의

암분을 남기지 않는 것

타격점의 암 자신이 부서지지 않고 분상이 되어 남으며 암, , 편이 별로 흐트러지지 않는 것

물 점토 사석에서의 탄성파속도 (c) , ,

구분 일반적인 탄성파 속도(m/sec)

물 1,500정도

점토 1,600정도

사석 암질의 종류에 따라 다름

(25)

표-2.2 여러 가지 요소를 고려한 종합적인 암반분류 도로공사 도로설계편람 터널편

( - , 1999)

표준

단면 암질 특징 RMR Q-value R.Q.D

암석의 탄성파속도

km/sec

일축 압축강도

kg/^ 코아 채취율

Ⅰ 경암

안정성이 있고 풍화 변, , 질 및 물리적 화학적 영, 향을 거의 받지 않은 신 선한 대괴상의 암질

100~81 40이상 70이상 4.5이상 1,200

이상 90이상

Ⅱ 보통암

균열 및 편리가 다소 발 달되어 있으며 일반적으 로 절리가 존재하는 층 상의 암질

80~61 40~10 40~70 4.0~4.5 800~

1,200 70~90

Ⅲ 연암

층리 절리 및 편리 등이, 매우 발달된 상태이며 파쇄대가 존재하는 소괴 상의 암질

60~41 10~4 20~40 3.5~4.0 600~

800 40~70

Ⅳ 풍화암

물리적 화학적 영향으로, 파쇄대가 매우 발달되고, 절리가 불규칙적으로 발 달된 파쇄상의 풍화된 암석

40~21 4~1 20이하

N>100 2.0~3.5 250~

600 40이하

Ⅴ 풍화암 ( )토

풍화작용이 심하고 매우 쉽게 부서지고 쉽게 뜯 어 낼 수 있는 암질

20이하 1이하 20이하

N<100 2.0이하 250이하 -

R.M.R = 9 ×ln Q +44

_{ }

시추길이

이상 길이 

× 

_{ }



× 



× 



암괴의 크기 서로 다른 절리군에 의해 형성된 쐐기 또는 블록 크기의 척도

- (RQD/Jn)⇒ .

암괴간의 전단강도 절리면이나 충진물의 거칠기와 마찰 특성을 나타냄

- (Jr/Ja)⇒ .

응력 전단대나 점토질 함유의 암석을 굴착시 상재하중의 제거 주변암의 암석강도

- (Jw/SRF)⇒ , ,

소성상태인 주변 암의 압착하중의 척도

(26)

3. 탐사기법에 따른 범례

탄성파 토모그래피의 범례 3.1

인접한 두 개의 시추공으로부터 얻어지는 탄성파 토모그래피의 단면측정 데이 터에는 탄성파의 전달측면에서 주로 다음과 같은 여러 가지 정보가 담겨져 있다.

파 초동주시 P

①

파 초동진폭 P

②

파 선두파 P

③

파 반사파 P

④

주파수의 내용

⑤

튜브파(tube wave)의 발달상태

⑥

탄성파에너지의 감쇠현상(absorption)

⑦

전술한 탄성파 토모그래피의 기본원리는 상기의 정보중에 단지 ①의 파 초동P 주시만을 활용하는데 초점을 두고 있다 환언하면 탄성파 토모그래피의 일반적인. , 응용은 바로 파 초동주시를 이용하여 토모그램 단면에 대한 탄성파의 속도분포P ( ) 을 산출함으로써 토목설계 및 시공을 위한 중요한 매개변수를 제시한다는 것이다. 그러나 사석량의 조사에서는 그의 불리한 탐사 여건과 또한 사석구조의 특이성으, 로 인하여 단순히 토모그램만으로는 바람직한 탐사 분해능이 기대될 수 없는 경 우가 많다 따라서 사석투하량의 탐사분해능을 극대화하기 위해서는 무엇보다 상. , 기 개의 정보가 최대로 활용되어 그로 인한 종합적인 판단이 도출되어야 함이7 선제조건이 되고 있다.

그림-3.1(김종남, 2006)은 상기의 정보( ,① ② 및 ⑦)에 바탕을 둔 하나의 범례를 예시하고 있다 여기에는 도합 개의 구성매질의 범례 왼쪽 부분 와 그들 각각에. 8 ( ) 대한 탄성파의 전달상태 오른쪽의 적색선으로 표시된 구간 를 상호 비교하여 나( ) ⋅ 타내고 있다.

(27)

구성매질 탄성파의 전달사례

< > < >

(a) 범례1

사석이 서로 맞물려 있고 그 사이에는 거의 물로 채워져 있는 경우이다 천공에는 상당한 타격을

[ , .

요구한다 여기서 전달되는 탄성파는 약. , 3,000Hz미만의 큰 에너지를 나타내고 있다 이러한 매질은. 사석구조에서 상당한 부분을 차지하고 있으며 특히 사석구조의 중앙부는 더욱 그러한 경향을 보이, 고 있다.]

< > < >

(b) 범례2

범례 에서 사석의 적재상태와 유사하나 단지 사석 사이에는 거의 해성점토로 충진되어 있다 여

[(a) 1 , .

기서 전달되는 탄성파의 주시는, (a)범례 의 것과 대등하나 그의 에너지는 상대적으로 미약하게 관1 , 찰되고 있다.]

< > < >

(c) 범례3

사석이 해성점토내에서 맞물리지 않은 상태로서 천공 감각은 해성점토내에서 수행한 것과 유사한

[ ,

느낌을 받게 된다 여기서 사석을 따라 이동된 육성점토 혹은 석분 에 의해 탄성파에너지는 크게 감. , ( ) 쇠된다.]

(28)

< > < >

(d) 범례4

해성점토내에 육성점토가 피복된 사석이 미량 함유된 경우이며 동시에 해성점토가 교란된 상태이

[ ,

다 탄성파에너지는 크게 감쇠된다. .]

< > < >

(e) 범례5

순수한 해성점토가 대체로 잘 보존된 상태이다 이러한 매질은 광역주파수에너지를 갖는 탄성파를

[ .

전달하게 한다 즉 매질의 탄성파 흡수성이 대단히 낮기 때문에 고주파수 예로. , ( , 12,000Hz)탄성파도 관찰된다.]

< > < >

(f) 범례6

상단과 인접한 해성점토에 모래가 부분적으로 분포되고 또한 해성점토는 교란된 상태이다 탄

[SCP , .

성파에너지가 큰 폭으로 감쇠된다.]

(29)

< > < >

(g) 범례7

맞물린 사석의 공극내에 모래가 다량 포함된 경우이다 탄성파에너지는 큰 폭으로 감쇠된다

[ . .]

< > < >

(h) 범례8

건식공법에 의해 시공된 는 탄성파에너지를 크게 감쇠시키는 기능을 보여주고 있다 따라서 이

[ SCP . ,

러한 매질에서 전파되는 탄성파는 거의 관찰되지 않고 있다.]

그림-3.1 탄성파 토모그래피의 구성매질에 따른 범례

(30)

텔레뷰어의 범례 3.2.

텔레뷰어의 일반적인 응용은 단지 시추공 나공 의 공벽으로부터 반사되는 초음( ) 파를 이용하여 공벽을 스캐닝하는데 있다 초음파는 탄성파의 전달과정과 동일하. 게 각 매질의 경계면에서 반사되고 또한 굴절 투과 된다, ( ) .

그림-3.2는 PVC 케이싱된 상태에서 초음파가 사석층과 해성점토를 대상으로 파이프의 내벽 및 외벽으로부터 반사되는 상태를 파선으로 나타내고 있다

PVC .

이 때 반사되는 초음파의 진폭은 각 경계면의 반사계수와 직접적인 연관을 갖는 다.

그림-3.3은 여러 가지 매질배열에 대해 산출된 결과(PVC 파이프의 흡수성을 고 려하지 않음 를 예시하고 있다 그런데) . , PVC 파이프는 초음파의 전달과정에서 그 의 에너지를 크게 약화시키기 때문에 흡수계수( Q 23)≃ 외벽 반사파의 진폭은 실 제로 낮게 관찰될 것이 기대된다. 표-3.1은 상기의 각 매질배열에 대한 PVC 외벽 반사파의 진폭치를 10회 반복하여 측정한 결과를 나타내고 있다 일별하여 각 매. 질배열에 대한 외벽 반사파의 진폭치는 서로 차별화됨을 볼 수 있다.

그림-3.4에는 이러한 상대적인 진폭치의 비율을 이전 결과에 반영하고 있다 적( 색으로 표시 전술한 바와 같이 텔레뷰어의 측정데이터 진폭치 및 주시치 는 선정). ( ) 된 윈도우(window 1 및window 2)내에서 상대적으로 진폭이 큰 파형요소(wavelet)

의 진폭치와 주시치를 대변하기 때문에 적절한 윈도우의 선정은 PVC 외벽에 밀

착된 매질의 식별을 가능하게 한다 예를 들면. , (b)의 경우 PVC 외벽 반사파의 진

폭이 내벽 반사파보다 상대적으로 크기 때문에 여기서는 윈도우 을 선정하든 혹1

은 윈도우 를 선정하든 텔레뷰어의 데이터는2 PVC 외벽반사를 반영하게 되는 것 이다 그러나. , (d) 및(e)의 경우에 PVC 외벽반사를 포착하기 위해서는 윈도우 의2 선정이 불가피하다.

한편 텔레뷰어의 초음파센서는 빔, (beam)화된 초음파를 발생하고 동시에 공벽, 으로부터 반사된 초음파를 수진하는 기능을 갖고 있다 따라서 시추공이 휘게 되. , 면 초음파의 센서가 시추공의 중심으로부터 다소 이탈하게 되어 반사된 초음파의 일부 에너지를 받아들일 수 없게 된다 이러한 수진기능은. PVC 외벽 반사의 경우

(31)

에 더욱 예민하게 반응되어 흔히 텔레뷰어의 진폭이미지상에서 대체로 반분되는 진폭치의 분포를 보여주게 된다.

그림-3.5는 천공후의 시추공이 전혀 유지될 수 없는 상황 예로 사석구조 에서( , )

파이프 두께가 약 를 삽입한 후에 파이프의 외벽에 밀착된 매질을 텔레

PVC ( 5mm)

뷰어의 이미지를 통하여 식별할 수 있음을 보여주고 있다 여기서 사용된. , PVC 파이프의 두께 약( 5mm)는 파이프의 내벽 및 외벽에 의한 반사파를 주시적으로 분 리할 수 있는 여건을 마련한 것이기 때문에 적절한 주시영역의 선정(window 2)에 의해 PVC 외벽 반사파를 포착할 수 있다 한편. , window 1은 파이프의 내벽 및 외 벽 반사파를 동시에 측정할 수 있는 주시영역이다 그림. -3.5에서 window 1 및 에2 의한 진폭이미지 사이에는 주시이미지로부터 전환된 3-D caliper log를 나타내고 있다 물이 없는 사석 물 및 해성점토로 채워진 사석 소량의 모래를 포함한 해성. , , 점토 및 모래층의 경계가 window 2의 선정에 의해 뚜렷하게 식별되고 있음 흑색( 화살표로 표시 을 볼 수 있으며 또한 파이프의 외벽에) , 밀착된 사석도 쉽게 확인 흰 화살표로 표시 되고 있다 이러한 텔레뷰어의 분석결과는 지금까지 난제로 여

( ) .

겨져 온 연안에서 투하되는 사석량의 산출을 위한 하나의 중요한 정보가 된다 또. 한 해상시추에서 식별이 어려운 여러 가지 형태의 박층 예로, ( , sandy mud)도 역시 파이프의 외벽 반사파의 분석을 통하여 순수한 해성점토와 차별화되어 관찰될 수 있다 김중열 등( , 2002).

(32)

그림-3.2 텔레뷰어의 탐사응용Ⅰ

(33)

표-3.1 텔레뷰어 초음파 반사파에서 진폭치의 상대비교

경계면

NO.

Water / PVC (R~0.3)

PVC / Rock (R~0.58)

PVC / Rock (R~?)

PVC / Water (R~ -0.3)

PVC / Sea mud (R~ -0.14)

PVC / S.C.P (R~0.58)

PVC / Air (R~ -1)

1 19383 24882 16089 12709 7575 29519 31297

2 19652 22776 17499 11300 5286 20646 32009

3 19969 25178 16869 12589 5994 24154 29875

4 18928 20142 14512 11100 6241 28686 33253

5 18701 25052 16517 10995 6073 21554 31653

6 19811 31063 17876 12312 5741 24407 32898

7 20142 22789 18962 11220 4542 22883 30586

8 19738 30230 17400 11914 7645 27120 28096

9 18362 22459 14981 12814 6300 21754 32542

10 19775 26414 14002 12477 6615 23589 29519

평균진폭 19446 25099 16471 11943 6201 24431 31173

(34)

그림-3.3 텔레뷰어의 탐사응용Ⅱ

(35)

그림-3.4 텔레뷰어 탐사 sonic wave의 범례

(36)

그림-3.5 텔레뷰어 탐사에서 현장자료의 예

(37)

탐사의 수행절차

3.2.1

탐사단면에 대하여 각 시추공에는 PVC 파이프 직경이 약( 65mm)가 삽입되어 시 추공 사이에 탄성파 토모그래피의 단면측정과 텔레뷰어 탐사가 수행되었다 탐사. 의 수행절차는 그림-3.6의 탐사수행절차에 나타내었다.

천공 텔레뷰어 탐사 및 측량을, 병행하여 실시

천공자료를 통한 단면의 개략도 작성 텔레뷰어 탐사와 천공자료의 상호검토

탄성파 토모그래피의 탐사실시

탄성파 토모그래피의 결과분석 천공자료 및 텔레뷰어 탐사의 자료이용

( )

천공자료를 통한 개략단면 및 탄성파 토모그래피의 결과단면과

상호비교

최종단면의 작성

보고서의 작성 및 검토

그림-3.6 탐사의 수행절차

(38)

탐사의 과정 및 응용

3.2.2

탐사의 과정 1)

탄성파의 탐사수행과정은 크게 가지 과정으로 이루어진다 그 과정에 대한 세5 . 부 설명은 다음과 같다.

제 과정1 : 탐사구간의 측량 및 천공의 위치선정

◉

탐사구간은 육상탐사와 해상탐사의 구간으로 나누며 과업이 범위를 선정하고, 탐사구간을 정확히 측량하여 위치를 선정한다.

제 과정2 : 천공의 자료분석

◉

각 단면의 천공자료를 통하여 취득된 사석단면 및 해상구간의 지질구조를 이용 하여 초기단면을 작성한다 천공자료를 통한 사석단면의 지층분석은 탄성파 토모. 그래피 및 텔레뷰어 자료의 기초자료로 이용한다.

천공방법에 따른 장점 및 단점

※

(1) 수직천공

장점 : 작업 공간 확보를 위해 선행 작업이 불필요 경사천공으로 탐사가 불.

①

가능한 외부 사석량의 탐사가 가능함.

단점 : 해상작업으로 인한 기상조건의 영향을 받음.

② (2) 경사천공

장점 : 모든 천공작업이 육상에서 가능 해상장비가 불필요 함( ) .

①

단점 : 제체 상부에 작업공간의 확보가 필요 각종 중장비의 투입과 시험 종(

②

료후에 단면의 원상복구를 하여야 하므로 경제적인 측면에서 불리함 하부).

지반의 지지력이 달라 투하된 사석의 유동이 발생하게 되거나 경사천공으로 외부 사석량의 탐사가 불가능함.

제 과정3 :텔레뷰어 탐사

◉

텔레뷰어 탐사자료로부터 시추공 주위의 매질에 대한 정보를 취득한다 이는 천. 공자료를 통한 지층구조를 비교 검토하고자 함이다 텔레뷰어 탐사자료는 사석제⋅ .

(39)

체 및 해상의 융기부위의 시추공 주변에서 자료이며 이를 통하여 사석의 경계, , 사석내의 물 혹은 해성점토의 함유 등을 판단함.

제 과정4 : 토모그래피 탐사

◉

천공자료의 분석과 텔레뷰어 탐사의 자료를 통하여 취득된 각 지층의 경계에 대한 자료는 시추공 주변의 경계를 규명할 뿐이다 각 시추공간의 사석 및 점토의. 경계면은 탄성파 토모그래피를 분석함으로써 구할 수 있다 또한 이를 통하여 분. , 석되는 탄성파의 속도를 규명하여 단면내의 사석 점토 및 모래 등의 경계선을 유, 추함.

탄성파 발생장치의 방식에 따른 장점 및 단점

※

전용뇌관 폭약 방식

(1) ( )

장점 : 발생원에서의 에너지가 커서 양질의 데이터가 취득가능함.

①

단점 : 1회의 천공으로 회밖에 사용할 수 없음 발생원의 특성상1 . steel pipe

②

를 사용하므로 텔레뷰어 탐사를 위하여 재천공 후에 PVC 파이프를 다시 매 설하여야 함 화약기사 및 화약 취급에 대해 관할 경찰서 등의 행정적인 절. 차의 까다로움과 비용이 발생함.

(2) 전기방식

장점 : 전용뇌관방식과는 달리 중복시험이 가능함 취급이 용이하며 전용뇌. ,

①

관방식에 비하여 안전함 발생되는 에너지의 크기가 동일함 텔레뷰어 탐사. . 를 위한 재천공이 불필요함.

단점 : 뇌관방식보다는 에너지의 크기가 작아 취득되는 데이터가 전용뇌관방

②

식보다 파의 감지가 다소 약함.

제 과정5 :최종단면의 도출

◉

천공자료를 통한 각 단면의 경계면을 분석한다 천공자료는 텔레뷰어 탐사를 통. 하여 정확히 분석하고 동시에 천공된 공 주변의 물질의 함유량을 분석한다 이상, . 의 두 자료는 탄성파 토모그래피의 단면해석과 비교 검토된다 또한 탄성파 토⋅ . , 모그래피의 단면을 통한 탄성파속도를 분석함으로서 단면내의 사석량을 추정함.

(40)

탐사의 응용 2)

텔레뷰어 탐사응용 각 경계면의 위치를 수 내의 오차범위로 규명함 사석

(1) : mm .

층 기반암 사이의 해상점토매질의 존재확인 및 그의 균질성을 파악 사석층내에/ . 침투된 물 혹은 해상점토의 식별 토모그래피 단면해석을 위한 다양한 정보의. 제시.

탄성파 토모그래피의 탐사응용 사석층의 경계면을 규명 사석층 기반암 사이

(2) : . /

의 해상점토매질의 존재 확인 및 연장성 규명 사석 및 해상점토의 물성치 파악. .

탐사장비의 제원

3.2.3

탄성파의 탐사장비 및 텔레뷰어 장비의 제원을 아래의 표에 나타내었다.

Instruments Manufacturer Model Qty.

Seismograph ABEM MK-6 1 set

Hydrophone 24ch (1m spacing) 1 set

Spaker German spaker 1 set

PC Korea Pentium-Ⅳ 2 set

Generator U.S.A. 3.5 kw 1 set 표-3.2 탄성파의 장비제원

Instruments Manufacturer Model Qty.

Winch Mount Sopris U.S.A. MGXII-1000 1 set Logging system Mount Sopris U.S.A. MGXII digital

logging system 1 set Probe Luxembrouge ABI-40 1 set

PC Korea Pentium-Ⅳ 2 set

Generator U.S.A. 3.5 kw 1 set 표3.3 텔레뷰어의 장비제원

(41)

4. 현장탐사의 사례 및 분석

부산 신항 준설토 투기장 현장의

‘ ’ 탄성파 탐사조사 단면층에 해상점토층이 두

꺼운 구간은 SCP(Sand Compaction Pile)공법으로 사석제체를 시공하였고 또 다른, 구간은 해상점토위에 사석을 투하하는 강제치환공법으로 제체를 시공하였다 해상. 점토위에 투하된 사석은 재료의 입경과 지반의 강도 등에 따라 달라지게 되기 때 문에 규격석으로 제체를 시공한 단면과 비규격석으로 제체를 시공한 단면으로 나 눌 수가 있다.

공법으로 시공한 단면은 지반개량 후에 사석단면을 형성하였기 때문에 설 SCP

계량과 비슷한 사석단면이 형성되었음을 확인하였다 그림( -1.2 참조 본 논문의 현).

장탐사 사례에서는 강제치환공법중에 규격석(0.03^(약 30cm 급 으로 시공한)) 단면과 비규격석(0.03^(약 30cm 급 이하 으로 시공한 대표단면을 비교 분석)) ⋅ 하였다.

(42)

규격석에 의한 강제치환공법의 사석단면 4.1

제 과정 탐사구간의 측량 및 천공 위치의 선정1

◉

천공위치는 육상천공의 경우에 사석투하부위에 공을 천공하였으며 해상천공의2 , 경우는 공을 천공하였다2 .

그림-4.1 시추주상도를 통한 개략단면도

그림-4.2 시추주상도와 표준단면도의 비교

(43)

제 과정 천공 및 자료분석2

◉

천공자료를 통한 개략적인 깊이 및 지층구조를 확인할 수 있다 해상천공의 경. 우에 해상 A는 모래가 존재하였고 특히 해상 은 점토와 모래 등이 존재하는 것, D 으로 판단되었다 천공자료를 통한 단면의 개략도 그림. ( -4.1 참조 에서는 해상) A에 서 풍화암의 깊이가 다소 얕은 것으로 조사 되었다 사석층의 두께는 육상. C가 육상 보다 더 두꺼운 것으로 조사되었고 사석의 하부에는B , 2.7~3.4m 정도의 점토 와 모래 및 조개껍질이 존재하는 것으로 조사되었다.

제 과정 텔레뷰어 탐사3

◉

그림-4.3은 4m 간격으로 PVC 연결부위의 영향으로 인한 경계선이 뚜렷이 보이 고 있으며 천공자료와 동일하게 모래로 구성되어 있는 것을 알 수 있다 그림, . -4.4 는 최상부에는 수면위에 사석층의 영향구간이 측정되고 그 하부로 사석층이 존재, 하는 구간이 측정된다 사석의 경계부위에서는 약간의 사석과 점토의 혼합부위가. 관측되었다 최하부에는 사석구간과 구별되는 구간이 나타났으며 이는 조개껍질. , + 모래부위로 판단된다 이는 천공결과와 상응함을 알. 수 있다.

(44)

(45)

그림-4.3 텔레뷰어의 탐사결과Ⅰ

(46)

(47)

그림-4.4 텔레뷰어의 탐사결과Ⅱ

(48)

제 과정 토모그래피 탐사4

◉

사석은 사석단면의 하단으로 침하가 진행되었음을 판단할 수 있으며 육상 의, C 경우가 육상 보다 침하가 더욱 많이 진행된 것을 판단할 수 있다B .

그림-4.5 시추공 사이의 수평파선

각 탄성파의 기록 을 종합하여 단면에 표기

( (trace) )

그림-4.6 토모그래피 표준단면도의 병합단면도

(49)

규격석 단면 B-A

Source No. : 1, Receiver No. : 1-24

(50)

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

(56)

(57)

(58)

규격석 단면 C-D

(59)

(60)

(61)

(62)

그림-4.7 단면 측정데이터의 기록지(trace max, normalization의 표현법)

저작자표시

工學碩士 學位論文

물리탐사를 이용한 사석단면의 형상분석

Configuration Analysis of a Rubble Embankment Using Geophysical Method

指導敎授 金 度 三

2010 年 2 月

韓國海洋大學校 海事産業大學院 土木環境工學科

李 恩 鎬

Configuration Analysis of a Rubble Embankment Using Geophysical Method

ABSTRACT

물리탐사를 이용한 사석단면의 형상분석

李 恩 鎬

目 次

요약

목차

그림 목차

표 목차

그림 목차

표 목차

1. 서론

연구의 배경 및 목적 1.1

연구의 구성 1.2

2. 탐사의 개요

탐사의 목적 2.1

탐사방법의 기본원리 2.2

탄성파 토모그래피



텔레뷰어 탐사기법

탄성파의 종류 및 탄성파의 속도 2.3

탄성파의 종류

탄성파의 속도











탄성파에 의한 암반의 분류 2.4

3. 탐사기법에 따른 범례

탄성파 토모그래피의 범례 3.1

텔레뷰어의 범례 3.2.

경계면

NO.

Water / PVC (R~0.3)

PVC / Rock (R~0.58)

PVC / Rock (R~?)

PVC / Water (R~ -0.3)

PVC / Sea mud (R~ -0.14)

PVC / S.C.P (R~0.58)

PVC / Air (R~ -1)

1 19383 24882 16089 12709 7575 29519 31297

2 19652 22776 17499 11300 5286 20646 32009

3 19969 25178 16869 12589 5994 24154 29875

4 18928 20142 14512 11100 6241 28686 33253

5 18701 25052 16517 10995 6073 21554 31653

6 19811 31063 17876 12312 5741 24407 32898

7 20142 22789 18962 11220 4542 22883 30586

8 19738 30230 17400 11914 7645 27120 28096

9 18362 22459 14981 12814 6300 21754 32542

10 19775 26414 14002 12477 6615 23589 29519

평균진폭 19446 25099 16471 11943 6201 24431 31173

탐사의 수행절차

탐사의 과정 및 응용

탐사장비의 제원

4. 현장탐사의 사례 및 분석

규격석에 의한 강제치환공법의 사석단면 4.1

工學碩士學位論文

指導敎授金度三

韓國海洋大學校海事産業大學院土木環境工學科

李恩鎬

李恩鎬

目次

1. ^서론

2. ^{탐사의 개요}