ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2014.30.10.19 한국지반공학회논문집 제30권 10호 2014년 10월 pp. 19 ～ 31
JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY Vol.30, No.10, October 2014 pp. 19 ～ 31
원심모형실험을 위한 전기비저항 탐사 시스템 구축
Development of Electrical Resistivity Survey System for Geotechnical Centrifuge Modeling
조 형 익1 Cho, Hyung-Ik 방 은 석2 Bang, Eun-Seok 이 명 종3 Yi, Myeong-Jong 추 연 욱4 Choo, Yun-Wook
김 동 수5 Kim, Dong-Soo
Abstract
In order to investigate ground state change visually in physical model during centrifuge testing, electrical resistivity survey was adopted. Commercial resistivity survey equipment verified at various in-situ sites was utilized. The resistivity survey equipment installed in centrifuge facility was remotely controlled through intranet and electrical resistivity images obtained while centrifuge testing was being checked by real-time inversion. To verify the stable operation of the developed resistivity survey system, preliminary tests were conducted. Model ground was uniformly constructed using unsaturated soil and saline water was dropped on the ground surface to simulate contaminant flow situation. During the 10 g centrifuge tests, electrical resistivity was continuously detected and the testing results were compared with those of identically carried out 1 g centrifuge tests. In addition, the electrical resistivity was directly measured immediately after the centrifuge test by open cutting the model. Finally, reliability of electrical resistivity survey in the centrifuge test was verified by comparing those testing results.
요 지
원심모형실험 중 지반모형의 상태 변화를 입체적으로 파악하기 위한 방법으로 전기비저항 탐사를 시도하였다. 탐사 시스템은 현장에서 널리 사용되는 검증된 상용 장비를 바탕으로 하였다. 컴퓨터 원격 조정으로 실험 시설 내에 설치된 탐사 장비를 통제하고 실시간 해석을 통해 결과 영상을 원심 모형실험 중에 바로 확인할 수 있도록 구성하였다. 구축된 탐사 시스템의 안정적 구동 여부를 점검하기 위해 불포화상태로 조성된 모형 지반 상단에 염수를 떨어뜨려 지반 내부로 이동하게 하고 전기비저항 탐사를 수행하였다. 10g로 원심력을 가한 상태에서 실험을 수행하고 시간대별 염수 침투 상황을 전기비저항 영상으로 확인하였으며 일반 중력장에서 동일하게 실험한 결과와 비교하였다. 실험 종료 뒤 모형지 반 수직 절단면을 이용하여 직접 측정한 전기비저항 값과 획득한 영상을 비교함으로써 신뢰성을 검증하였다.
Keywords : Centrifuge test, Electrical resistivity, Saline water, Monitoring
1 정회원, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 박사과정 (Member, Graduate Student, Dept. of Civil & Environmental Engrg., Korea Advanced Institute of Science & Technology) 2 정회원, 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 선임연구원 (Member, Senior Researcher, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources, Tel: +82-42-868-3091
Fax: +82-42-868-3418, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
3 비회원, 한국지질지원연구원 광물자원연구본부 책임연구원 (Senior Researcher, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources) 4 정회원, 공주대학교 건설환경공학부 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil & Environmental Engrg., Kongju National Univ.)
5 정회원, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil & Environmental Engrg., Korea Advanced Institute of Science & Technology)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2015년 4월 30일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
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1. 서 론
지반구조물의 거동 및 안정성 평가 등을 위해 원심모 형실험이 수행되고 있다. 실대형 구조물을 작게 축소하 고 일반 중력상태(1g)에서 실험하여 그 거동을 평가하 는 단순한 축소모형실험과 달리, 원심모형실험은 축소 모형에 원심력을 통한 인위적인 중력장을 발생시켜 모 형지반 내 응력을 현장응력과 유사한 상태에서 모형실 험을 수행한다. 따라서 주변 지반의 응력상태(구속압)에 크게 영향을 받는 지반구조물의 거동 및 안정성 평가를 더욱 현실적으로 수행할 수 있다. 기초, 터널, 토류구조 물, 해상풍력기초, 지반개량, 댐, 제방 등 지반공학 전 분야에 걸친 적용이 가능하며 지진을 모사할 수 있는 진동대(shaking table)를 탑재하여 지반구조물의 지진 시 거동에 대한 규명도 가능하다(Kim et al., 2013a).
모형실험에서는 여러 가지 현상을 축소된 모형에서 인위적으로 발생시키고 관찰하게 되는데 조성된 모형의 외부 및 내부 상태를 지속적으로 모니터링 하는 것이 필 요하다. 원심모형실험에서는 일반 중력상태(1g)가 아닌 고속으로 회전하는 고중력장(Ng) 상태에서 실험이 수행 되기 때문에 실험 중 모형지반의 상태를 평가하는 기술 의 성숙도가 결과 해석 및 고찰에 주요한 영향을 미친다.
일반적으로 모형실험 수행 시 카메라를 이용하여 외부 상태를 육안으로 관찰하며 가속도계, 간극수압계, 토압 계(loadcell), 변위계(LVDT), 변형률계(strain gauge) 등 의 측정 장비로 지반 모형 상태를 모니터링 한다. 원심 모형실험 중 모형지반의 물성평가를 위해 소형 콘 관입 시험기(miniature CPT)를 활용한 콘관입저항치(Bolton et al., 1993; Chung et al., 2006; Kim et al., 2013b), 베인 시험기(vane), 소형 티바(T-bar) 등을 통한 비배수 전단 강도(Bolton et al., 1993; Davies and Parry, 1982) 획득 등이 시도되고 있다. 또한, 모형 지반 조성 시 미리 매설 된 벤더 엘리먼트 어레이를 통해 전단파 속도 주상도를 획득하거나 토모그래피 영상으로 지반상태를 비파괴적 으로 평가한 사례도 있다(Kim and Kim, 2010). 모형지반 의 물성평가를 위해 일반적으로 사용되는 기법은 계측 기가 설치된 특정 지점에 대한 측정치만을 제공하므로 필요한 경우 내삽(interpolation) 혹은 외삽(extrapolation) 을 통해 모형지반 전체 상태를 추정하기도 한다. 이렇게 획득된 모형지반의 물성은 측정 장비로 계측된 지반 및 지반구조물의 공학적인 거동과 연계하여 실험 결과를 해석하는데 사용된다.
전기비저항 탐사 기법은 대표적인 물리탐사 기법으 로 전통적 적용 대상인 자원탐사, 지질조사 분야 외에 토목지반조사 용도로도 널리 사용되고 있다. 영상화가 가능하므로 지반상태를 보다 입체적으로 평가할 수 있 다. 또한 실험 수행 및 해석에 있어 그 과정이 비교적 간단하고 반복성이 뛰어나 특정 시점에서의 지반 상태 를 일회성으로 평가하는 것 외에 지속적 탐사를 통해 지반 상태 변화를 파악하는 즉, 모니터링 용도로 각광 받고 있다. 보고자 하는 대상이 주변 지반과 뚜렷한 전 기비저항 차이를 나타낼 경우 전기비저항 모니터링 탐 사가 유용하며 수위 변화, 침투 등으로 인한 댐, 제방의 안정성 검토, 강우로 인한 산사태 예측, 지반 내 오염물 질 침투 등에 적용되고 있다(Kim et al., 2007; Ko et al., 2012; Oh and Sun, 2004; Oh, 2008; Oh and Suh, 2008).
원심모형실험을 수행하면서 전기비저항 탐사기법을 적용한 사례가 보고되고 있는데 Hensley 등(1993)은 2 개 혹은 4개의 전극을 이용한 프루브(probe)를 제작하 여 원심모형실험 중 오염물질 침투 모니터링의 목적으 로 사용한 바 있다. Kechavarzi와 Soga(2002) 역시 특정 지반시료에 대해 포화도와 전극 프로브로 측정한 비저 항의 관계식을 1g 상태에서 정립 후 원심모형실험(20g) 에서 포화된 모형지반에 물을 배수시킴에 따라 감소되 는 포화도를 프루브를 통한 전기비저항 측정을 통해 추 정한 바 있다. 이와 같은 사례들은 전극 프루브를 통한 비저항의 점측정을 통해 기 정립한 비저항과 지반물성 과의 관계를 이용한 사례들로 측정 지점에 대한 모니 터링은 가능하지만 지반 내부의 영상화를 통한 모니터 링과는 거리가 있다. Harris 등(2000)과 Depountis 등 (2001)은 모형토조 바닥과 조성되는 모형지반 상부에 다수의 전극을 설치하고 1g와 10g 원심모형실험 중 모 형지반의 전기비저항 토모그래피(tomography) 획득을 시도하였다. 모형지반 상부에 염수를 주입해 침투시험 을 실시하였고, 염수의 이동을 감지하고자 하였다. 국내 에서는 최근 원심모형실험을 활용한 다양한 연구가 활 발히 수행됨에도 불구하고, 제대로 된 전기비저항 탐사 기법 적용을 통한 모형지반의 물성평가는 수행된 적이 없다.
국내 전기비저항 탐사 기술 수준은 탐사 장비를 제한 적이나마 국내에서 자체 제작을 하고 있으며 역산기술 의 발전으로 인해 지하 구조의 3차원 영상뿐만 아니라, 시간 개념을 추가한 4차원 모니터링 탐사도 가능한 수 준에 이르렀다(Kim et al., 2009). 전기비저항 탐사 수행
Fig. 1. Centrifuge facility at KAIST
Fig. 2. Electrical resistivity measurement system installed on the central axis of centrifuge
의 성공 여부는 적합한 장비 사용 및 역산 기술 적용에 달려있다. 원심모형실험 특성상 지반상태 변화 또한 일 반 중력장 상태보다 가속되어 있으므로 빠르게 변화하 는 지반상태를 모니터링하기 위해서는 안정적이고 빠 른 계측이 이루어져야 한다. 또한 특정 경계가 존재하는 모형지반에서 전기비저항 탐사가 수행되므로 지반을 반 무한체로 가정하고 정모델링을 수행하는 기존 역산 기 법을 그대로 이용하기 위해서는 검증이 필요하며 문제 가 있다면 기존 역산 기법에 대한 개선이 필요하다. 본 논문에서는 이러한 연구의 기초적 단계로 KAIST에 설 치되어 있는 원심모형실험 시설에 상용 장비를 기반으 로 한 전기비저항 탐사 수행 시스템을 설치하였다. 구축 된 시스템에 대한 검증 및 고찰을 위해 불포화토 지반에 대한 염수주입실험을 실시하였다. 원심모형실험 장비를 가동하지 않은 상태와 가동한 상태에서 전기비저항 탐 사를 지속적으로 실시하여 구축된 시스템이 올바르게 작동하는지 점검하였다. 모형 지반내로의 염수 침투 상 황을 실시간으로 해석된 전기비저항 영상으로 관찰하 고자 하였으며 실험 종료 뒤 모형지반 수직 절개단면에 대해 직접적으로 도출한 전기비저항 값과의 비교를 통 해 결과를 검증하고 구축된 시스템의 문제점 및 향후 적용성에 대해 고찰하였다.
2. 원심모형실험 장비 내 전기비저항 탐사 모니터 링 시스템 구축
2.1 전기비저항 탐사 장비 구축
KAIST에 구축된 원심모형실험 장비는 프랑스 ACTIDYN SYSTEMES SA의 C72-2 모델이며, 회전반경 5.0m, 유
효반경 4.5m 크기의 실험 장비로서, 최대 2,400kg의 모 형하중을 100g까지 가속할 수 있는 최대 용량 240g-tons 의 장비이다. 빔(Beam) 형태의 원심모형실험기로서 Fig.
1과 같다(Kim et al., 2013a). 원심모형실험 장비 내 전기 비저항 탐사 모니터링 시스템 구축을 위해 상용 전기비 저항 탐사장비인 미국 AGI(advanced geosciences inc.)의 8채널 대지비저항 측정기 Supersting R8을 활용하였다.
원심모형실험은 인위적인 중력장 생성을 위해 모형지 반을 고속으로 회전시킨 상태에서 실험이 수행되기 때 문에 현장에서와 같이 대상 지반 옆에서 수행자가 탐사 장비를 직접 조작할 수가 없다. 원심모형실험 장비 작동 중에 전기비저항 탐사를 수행하기 위해서는 전기비저 항 탐사 장비를 회전하는 실험 장비 밖에 놓고 수행자가 직접 조작하거나 탐사 장비를 실험 장비 안에 놓고 원격 조정하는 방법이 있다. 탐사장비를 밖에 놓고 직접 조작 하기 위해서는 슬립링(slip ring)을 이용하면 되지만 채 널수의 제한이 있으며 잡음이 더해질 수 있어 제대로 된 신호 획득을 보장하지 못한다. 따라서 원격 조정 방 식을 시도하였는데 전기비저항 탐사 장비, Supersting R8 을 컴퓨터 원격 조정 방식으로 조작하기 위해서는 탐사 장비 본체와 서버 컴퓨터, 전원공급 장치를 하나의 시스 템으로 연결하여 주는 인터페이스 박스(interface box)가 필요하다. 일반적으로 원심모형 실험 시 데이터 계측, 전 원공급, 장비제어 등의 설비는 원심력으로 인한 하중이 크지 않은 회전축 중심 공간을 사용하는데 원격 조정을 위한 전기비저항 탐사 장비들 또한 이 공간에 설치하였 다. 외부 제어실의 다른 컴퓨터에서 서버 컴퓨터를 원격 접속하여 전기비저항 탐사 장비를 조작할 수 있다. 전기 비저항 탐사장비가 회전축 중심 공간에 설치된 모습은
Table 1. Physical properties of Saemangeum sand
USCS dmin
(t/m3)
dmax
(t/m3)
Fine contents (passing #200)
D50
(mm) Cu Gs k
(cm/sec)
SM 1.20 1.65 47 % 0.08 2.11 2.67 4.74×10-5
Fig. 2와 같다.
전기비저항 탐사를 위해 모형지반에 설치되는 전극 의 형태는 모형의 특성에 따라 적절하게 고안하여 설치 하면 된다. 고중력장에서도 문제가 발생하지 않도록 견 고해야 하며 지반 모형에 좁은 간격으로 설치하므로 전 극위치에 오차가 없도록 노력해야 한다. 본 연구에서는 탄소봉을 이용한 전극을 모형 지반에 삽입하거나 스테 인레스 스틸 전극을 일정 간격으로 부착한 아크릴 판을 모형 지반 상단에 덮는 방식 등을 시도하였다. 분전반 (distributing board)은 바스켓 옆에 위치시켜 전극과 리 본 케이블로 연결하였으며 분전반과 회전축 중심에 설 치된 배전반(switch box)과는 견고하게 제작된 다심 케 이블로 연결하였다.
2.2 자료 해석
원심모형실험 시설 내부에서 전기비저항 탐사 장비 로 계측된 자료는 서버 컴퓨터로 저장된다. 외부 제어실 (control room) 컴퓨터에서 원격조정을 통해 계측된 자 료에 대한 실시간 해석이 가능하다. 자료 처리 프로그램 으로는 3차원까지 확장된 역산 프로그램인 DCPro(Kim, 2012)를 적용하였다. 자료 처리 프로그램을 통해 전위 (potential) 및 겉보기 비저항 영상을 확인할 수 있으며 역산을 통해 전기비저항 영상을 도출할 수 있다. 현 버 전의 DCPro는 대상 지반을 반무한체로 가정하고 있지 만 토조를 이용하는 모형실험은 특성상 이러한 가정에 위배된다. 현재 모형실험 등 반무한체 가정에 위배된 조 건에서 수행된 전기비저항 탐사 결과를 제대로 해석하 기 위해 경계 정보를 고려하는 개선된 3차원 역산 기법 을 개발 중에 있다. 본 연구에서는 현 버전의 DCPro를 그대로 사용하는 대신 관찰하고자 하는 대상보다 지반 모델을 최대한 크게 제작함으로써 경계영향을 줄이고 자 하였다.
3. 검증 실험의 수행
원심모형실험 시설 내 구축된 전기비저항 탐사 모니
터링 시스템을 검증하기 위해 염수주입실험을 수행하 였다. 불포화토 상태의 지반 표면에 염수가 뿌려지면 지 반 내로 흡수된다. 염수가 계속 뿌려질 경우 지반 내로 염수는 지속적으로 침투하여 그 영역이 확대되는데 염 수는 전기전도도가 큰 유체로 전기비저항 탐사에서 이 러한 영역이 저 비저항 이상대로 나타난다. 원심력을 가 하기 전, 즉 일반 중력 상태(1g)에서 염수주입실험을 실 시하고 동일 모형 지반을 이용하여 연이어 원심력을 가 해 고중력 상태(10g)에서 동일 실험을 수행하였다. 앞서 언급한 Harris 등(2000)과 Depountis 등(2001)에 의해 실 시된 염수주입실험은 1g와 10g 실험마다 모형지반을 조 성해 실험을 실시하였고, 전극전기비저항 토모그래피 획득을 위해 토조 바닥에 전극을 설치하고 모형지반 상 부에 전극을 설치하였다. 본 연구에서는 추후 원심모형 실험을 통한 다양한 연구에 전기비저항 탐사 기법의 적 용성 향상을 위해 조성된 모형지반의 상부에만 전극을 설치하여 하부 지반을 모니터링 하고자 하였다.
3.1 모형지반 조성
길이 1100mm, 폭 700mm, 높이 700mm의 내부크기 를 갖고 재질이 알루미늄인 토조를 사용하여 모형 지반 을 조성하였다. 토조의 전면은 아크릴로 제작되어 있어 다양한 실험 수행 시 측면에서 실험 관찰이 용이한 장 점이 있다. 이에 반해 전면부 아크릴은 알루미늄으로 제작된 다른 삼면과 달리 절연체인 특성이 있다. 해당 토조는 원심모형실험 장치에 설치할 수 있는 박스형 토 조 중 최대 크기이다. 모형지반 재료는 전라북도 부안 군 인근 새만금에서 채취한 시료이며 해당 시료의 기본 물성은 Table 1에 나타내었다. 전기비저항 탐사에 소요 되는 시간에 비해 염수의 침투가 빠른 지반일 경우 특정 시점에서의 염수 침투 형상을 얻어내기가 쉽지 않다. 반 면에 점토질 지반같이 투수계수가 매우 작을 경우 염수 침투 형상을 관찰하기 위해서는 실험 소요 시간이 매우 길어지게 된다. 따라서 모형 지반 재료로 점토 성분이 적 은 실트질 모래를 택했으며 투수계수는 4.74×10-5cm/sec 이다.
(a) Compacting model ground (b) Completed model ground Fig. 3. Construction of model ground
(a) Injection and measurement system for saline water (b) Schematic diagram Fig. 4. Saline water injection and measurement system
모형지반 조성에는 모형지반 전체를 균일한 단일 층 으로 조성하는 다짐기법인 과소다짐법을 적용하였다.
모형지반을 5개 층으로 나누어 한 번에 동일한 무게의 시료를 다짐하였으며, 상부층으로 갈수록 다짐기의 낙 하횟수를 증가시키는 방법으로 다짐에너지를 비례적 으로 증가시켰다. 경계영향을 줄이고자 큰 토조를 사용 하고 모형 지반의 높이 또한 높게 하고자 하였으며 조 성된 모형지반의 최종 높이는 37cm 이다. Fig. 3은 모형 지반의 조성과정과 조성 완료된 모형지반을 보여주고 있다.
3.2 전극 설치
원심모형실험용 모형 지반에 전극을 설치하는데 있 어 주의할 점은 크게 두 가지이다. 하나는 원하는 위치
에 전극을 정확히 설치하는 것으로 전극 간격이 넓을 경우에는 약간의 오차는 무시할 수 있지만 전극 간격 이 수 cm 이내로 좁을 경우 불규칙한 전극 위치 및 간 격, 전극의 굵기, 지반 내 삽입되는 전극의 길이 등 전 기비저항 탐사 결과에 영향을 주는 요소들이 많다. 두 번째로 지반과의 접촉성이 중요한데 특히 원심모형실 험 중에 실험이 진행되면서 접촉성이 점차 결여되지 않도록 견고히 설치하는 것이 중요하다. 염수주입실험 을 위한 지반 모델은 상단이 평평하므로 전극 설치의 문제점을 줄여줄 수 있도록 아크릴 판을 활용하였다.
아크릴 판(acrylic plate)에 일정 간격으로 홈을 파고 전 극을 고정시킴으로써 전극 간격을 일정하게 유지시키 고자 하였다. 전극은 바늘 형태로 전도가 잘 되며 부식 저항성이 큰 스테인리스 스틸(stainless steel)로 제작되 었다. 따라서 아크릴 플레이트를 활용할 경우 지반 모
Fig. 5. Electrical resistivity distribution of model ground with respect to distance from the model box wall
델 상단을 덮는 형태로 간단하게 전극을 설치 할 수 있으며, 원심력을 가한 상태에서도 전극과 지반이 안 정적인 접촉성 유지하는 장점이 있다. 전극은 리본 케이 블(ribbon cable)로 제작된 단자와 결합되어 배전반과 연 결된다. 전극용 아크릴 판에는 계획된 위치에 전극 설치 를 용이하게 하기 위함과 토조 벽면의 경계 효과 등을 규명하기 위해 폭 방향으로 5cm 간격으로 총 13개 측선, 하나의 측선 당 2.5cm 간격으로 41개의 전극이 고정되 어 있다.
3.3 모형토조 경계효과 분석
현장여건과 다른 유한한 경계조건을 갖는 모형토조
에서 전기비저항 탐사를 수행하므로 그 영향을 사전에 검토하여야 한다. 모형토조의 경계 영향을 검토하기 위 해 염수주입실험에서 사용되는 모형지반과 동일한 지 반을 동일한 토조에 조성하고 경계효과를 분석하고자 하였다. 전극 설치용 아크릴 판의 길이 방향 13개 측선 중 등간격의 5개 측선에 41개씩의 전극을 연결하고 전 기비저항 탐사를 실시하였다. 측선 간의 거리는 15cm 이며, 가장자리에 위치한 두 측선과 모형토조 벽면과의 거리는 각각 5cm 였다. 1번 측선(line 1)은 알루미늄 재 질의 벽면에 가까이 위치시켰으며 5번 측선(line 5)은 전 면 부 아크릴 재질의 벽면에 가깝게 위치시켰다. 2번, 3번, 4번 측선은 1번과 5번 측선 사이에 등 간격으로 위 치하며, 따라서 3번 측선은 알루미늄 벽면과 아크릴 벽
Fig. 6. Resistivity image of ground model just before saline water injection
면 정중앙에 위치하게 된다. Fig. 5에 각 측선에서 계측 한 전기비저항 탐사 결과를 도시하였다. 그림에서 알루 미늄 벽면에 가까이 위치한 1번 측선과 아크릴 벽면에 가까운 5번 측선의 결과는 2번, 3번, 4번 측선의 결과보 다 전기비저항 변화의 폭이 큰 것을 확인할 수 있다.
각 측선의 결과에서 역산된 최대 전기비저항의 최소 전 기비저항에 대한 백분율을 살펴보면, 1번 측선부터 5번 측선까지 각각 496%, 244%, 226%, 267%, 1159%에 이 른다. 5번 측선의 경우 절연체인 아크릴 벽면이 전기비 저항 증가에 지대한 영향을 미치는 것으로 판단되며, 1번 측선의 경우에도 알루미늄 벽면의 영향으로 벽면 으로부터 상대적으로 멀리 떨어진 2번, 3번, 4번 측선 보다 전기비저항 변화의 폭이 큰 것을 알 수 있다. 이에 반해 2번, 3번, 4번 측선은 전기비저항 변화의 폭이 상 대적으로 작은데, 이러한 적은 폭의 변화는 모형지반 심도에 따른 변화 혹은 모형지반 조성 시 부득이하게 동반되는 지반의 불균질성에 기인한 변화일 것으로 보 이며 토조 경계로 인한 영향은 미미한 것으로 판단된 다. 이 중에서도 가운데에 위치한 3번 측선은 최소, 최 대 전기비저항의 비가 최소인 것으로 미루어 토조 경계 가 결과에 미치는 영향이 최소일 것으로 생각된다. 따 라서 경계효과에 관한 면밀한 추가 연구가 수행되어야 하겠지만, 탐사 관심 심도 이상으로 토조 벽면에서 떨 어진 곳에서 실험수행 시 경계로 인한 영향이 최소화 될 것이라 예상된다.
3.4 염수 주입 및 계측 시스템
주입할 염수는 전기비저항 측정 시 모형지반 침투경 로의 전기전도도를 증대시키기 위해 염화나트륨(sodium chloride, NaCl)을 이용하여 0.25M의 농도로 제조하였 다. 또한 침투경로 시각화를 위해 Universal PH indicator 용액을 첨가하였다. 실험 중 염수의 주입과 주입되는 염 수의 유량을 계측하기 위해 Fig. 4와 같은 염수 주입 및 계측시스템을 구성하였다. 주입되는 염수 유량을 계측
하기 위하여 염수 탱크(container)에 비중이 1보다 작은 폴리프로필렌(polypropylene) 수지로 제작한 반사판을 띄우고 레이저 변위계(laser sensor)를 통하여 염수가 주 입되는 동안 그 위치 변화를 계측하도록 하였다. 원심모 형실험 중 계획한 양의 염수를 모형지반으로 주입하기 위하여 미소 유량조절밸브(needle valve)와 솔레노이드 밸브(solenoid valve)를 이용하였다. 실험 전 미소 유량 조절밸브의 눈금 조절을 통하여 튜브를 통하여 염수가 흐를 때 계획된 양의 염수가 밸브를 통과하여 모형지반 으로 유입되도록 고안하였다. 솔레노이드 밸브는 염수 탱크에서 미소 유량조절밸브로 염수를 주입하기 위해 이용하였다. 솔레노이드 밸브의 경우, 원심모형실험 중 원격으로 스위치를 작동하여 밸브의 개폐를 조작할 수 있다. 이에 관한 모식도를 Fig. 4(b)에 표현하였다. 염수 주입을 위한 주입구는 아크릴 플레이트 중앙부인 폭 방 향의 1/2 위치, 길이방향의 각 1/3, 2/3 위치에 위치시켰 다. 일반 중력장 상태(1g) 실험, 고중력장 상태(10g) 실 험에 각각 다른 염수 주입구가 사용되었다.
3.5 염수 주입 및 전기비저항 탐사의 수행
전기비저항 탐사를 위한 측선은 전극 플레이트에 중 앙에 위치한 41개 전극을 이용하였다. 앞서 언급한 것처 럼 모든 전극 간 간격은 2.5cm로 동일하다. 전극 배열 형태는 쌍극자(Dipole-Dipole) 배열이며 하나의 측선에 대한 계측에 5분 20초가 소요되었다. 염수 주입 전에 조 성된 모형지반에서 대조실험(blank test)을 수행하였고 그 결과를 Fig. 6에 도시하였다. 전체 영상에서 비교적 균일한 전기비저항 분포를 확인되는데 전기비저항 측 면에서 모형지반이 균질하게 조성되었고 3.3 절에서 언 급한 바와 같이 경계 영향으로 인한 자료 취득의 오류 또한 미비한 것으로 판단된다.
1g 조건에서의 실험 후 동일한 모형지반에 대해 10g 상태 즉, 원심모형실험 장비를 가동시킨 상태에서 실험을 이어서 실시하였다. 10g 실험에서는 목표 중력장(g-level)
(a) Model cutting (b) Measurement using Mini-Ohm Fig. 7. Measurement of resistivity value at the vertical cutting section of model
인 10g 도달 이후 모형지반의 안정화를 위하여 5분간 중 력장 상태를 유지한 뒤 실험을 수행하였다. 실제 1g 및 10g 조건의 각 염수 주입 단계에서 각각 21회에 걸쳐 연 속적으로 전기비저항 탐사를 수행하였으며 1g 실험 전 단계, 1g와 10g 실험 중간 및 10g 실험 종료 후에도 비교 를 위해 몇 회에 걸쳐 탐사를 수행하였다. 염수는 1g 실 험에서 6.1cm3/min의 속도로 주입되었으며, 총 630cm3 의 염수를 주입하였다. 10g 원심모형실험에서는 13.4cm3/min 의 속도로, 총 1370cm3의 염수가 주입되었다. 1g 및 10g 실험에서 염수 주입속도를 동일하게 하고자 솔레노이 드 밸브 조건을 동일하게 하였으나 원심력이 가해진 상 태에서 염수 저장소(reservoir)의 압력 또한 증가하여 10g 실험에서는 1g 실험보다 2배 이상 빠른 속도로 염수가 주입이 되었다. 따라서 총 주입된 염수의 총량도 2배 이 상이 되었다.
3.6 모형지반의 절단 및 단면에 대한 전기비저항 직접 측정
모형지반의 전기비저항 단면 획득을 위해 지표에 설 치된 전극만으로 여러 가지 조합을 통해 2차원 역산 단 면을 획득하였다. 지중에 관입이나 센서 설치 등이 없이 심도별로 전기비저항 값을 얻을 수 있으며 이는 비파괴 시험의 장점이라 할 수 있다. 이러한 비파괴 전기비저항 탐사에 대한 검증은 수치해석 및 현장 검증 실험 등을 통해 지속적으로 이루어져 왔으며, 본 연구에서도 특정 상황에서 획득한 2차원 전기비저항 역산 단면을 검증하 기 위해 모형지반 시편 단면에 대한 전기비저항 값을
직접 측정하였다. 원심모형실험 종료 후 실험 측선을 기 준으로 하여 Fig. 7(a)와 같이 모형지반의 반을 굴착하여 지중 단면을 노출시켰다. 10g 실험에서 염수 주입량이 지반에 흡수되는 것에 비해 과다하여 염수가 지표면에 넓게 퍼져 있었던 흔적을 확인할 수 있다. 상대적으로 1g 실험 주입 위치의 흔적은 영역이 작다. 모형지반의 절단 단면에 대해 일정 간격으로 나누어 그리드를 설정 하고 각 지점에 대해서 4극 전극법 중 웨너 배열(Wenner array)을 이용하여 Fig. 7(b)와 같이 전기비저항 값을 직 접 측정하였다. 전극간격은 모두 2cm이며 측정에 사용 된 장비는 OYO사의 미니옴(mini ohm)이다.
4. 실험 결과
일반 중력장 상태(1g)에서의 실험 결과를 Fig. 8에 나 타내었다. 2개의 염수 주입구 중 왼쪽 편에 염수를 주입 한 결과이다. 전기비저항 한 단면을 얻기 위해 5분 20초 가 걸렸으므로 어떤 특정 시간대의 정확한 전기비저항 단면을 의미하는 것은 아니지만 각 단면별로 전기비저 항 단면의 변화를 확인할 수 있으며 이로부터 염수 침투 범위 및 침투상황을 추정할 수 있다. 지면상 모든 결과 를 도시하지 않고 2회 측정 간격, 즉 10분 40초마다 측 정한 결과를 Fig. 8에 도시하였다. 저비저항 이상대가 시간에 따라 염수 주입 지점으로부터 반원 형태로 확대 되어 나가는 것을 볼 수 있으며 염수 침투에 기인한 것 임을 알 수 있다. 불포화토에서의 유체 이동의 요인은 여러 가지에 기인한다. 우선적으로 모관흡수력을 들 수 있다. 간극의 크기에 따라 중력방향의 반대방향으로도
Fig. 8. Electrical resistivity distribution of model ground with respect to saline water injection (1 g)
유체를 어느 정도 끌어 올릴 수 있다. 그 다음으로 압력 의 차이에 의한 유체 이동이다. 무중력상태에서 간극이 있는 매질에 특정 압력을 가지는 유체가 주입될 경우 유체는 압력을 줄이기 위한 가장 쉬운 길을 찾게 된다.
간극이 커 유체의 이동이 수월한 지점이 될 것이며 유체 압력보다 유효응력이 작을 경우에는 매질의 입자이동 을 유발하여 유체의 이동 통로를 스스로 만들기도 한다. 중력 상태에서는 유체 자체의 압력에 중력방향으로의
Fig. 9. Comparison of the resistivity images between last phase of 1g injection test (1-P21) and zero phase of 10 g injection test (2-P0)
Fig. 10. Electrical resistivity distribution of model ground with respect to saline water injection (10 g)
Fig. 11. Comparison of the resistivity images measured by Supersting R8 (upper) and Mini-ohm (lower) just after 10 g injection test
힘이 더해지게 되므로 유체의 이동 방향은 중력방향의 영향을 받게 된다. 투수계수가 큰 혹은 간극이 큰 매질 의 경우에는 염수 침투 범위가 횡방향 보다 중력방향이 매우 지배적이겠지만 모형 지반의 재료인 새만금 실트 질 모래는 간극이 비교적 작은 편으로 횡방향으로의 침 투 또한 상당히 진행된 것을 볼 수 있다.
Fig. 9에 1g 실험 단계에서의 마지막 전기비저항 영상 과 10g 실험 전 단계에서 측정한 전기비저항 단면을 비 교하여 도시하였다. 1g 실험 종료 후 10g 실험까지 여러 가지 준비로 인해 6시간 정도 시간차가 있었는데 1g 실 험에서 형성된 반원 형태의 저 비저항체(low resistivity) 가 약해지면서 작아지고 대신 하부에 새로운 저 비저항 체가 생긴 것을 볼 수 있다. 이는 상부 반원체에 존재하 였던 염수가 시간이 경과함에 따라 이동하여 생긴 결과 로 보이는데 주입된 염수가 전체적으로 흩어진 것이 아 니라 중력 방향으로 주되게 침투된 것이다. 1g 실험 종 료 후 추가적인 염수 주입이 없는 상태에서 지반내 염수 는 주변 지반으로의 침투를 가능케 했던 압력을 더 이상 유지할 수 없는 상태가 되었으며 자중에 의한 중력방향 으로의 침투만이 가능하게 된 결과로 판단된다.
10g의 고중력장 조건에서 염수를 주입하면서 수행한 전기비저항 탐사 결과를 Fig. 10에 도시하였다. 염수 주 입 후 나타나는 염수 침투 경향은 1g 실험의 결과와 유 사한 경향을 띄고 있으나 1g 염수주입실험에 비해 빠르 고 범위가 큰 것을 볼 수 있다. 그리고 횡방향 폭에 비해 중력방향으로 빠르게 그 영역이 확대되는 것을 볼 수 있다. 이는 유체의 침투 영향인자인 간극의 크기, 모관 흡수력(capillary force) 등은 1g와 동일한데 반해 유체의 압력, 중력은 열배가 된 것에 기인하는 것으로 판단된 다. 또한 앞서 언급한 바와 같이 의도치 않게 10g 염수
주입실험에서 1g 염수주입실험보다 염수를 빠른 속도 로 주입되었고 총 주입량도 2배 가량 많았던 것도 이러 한 결과에 영향을 준 것으로 판단된다. 염수 주입 위치 의 변화 외에 전기비저항 영상 전체적으로 값의 변화가 생기는 것을 볼 수 있다. 이는 탈수 현상(spin dry effect) 에 의한 것으로 불포화토 내부의 수분(간극수)들이 하 부로 이동하여 매질의 함수비 감소로 인해 전기비저항 이 높아진 것이며 이러한 현상은 10g 실험이 종료될 때 까지 지속적으로 진행되었다. 탈수 현상에 의한 모형 지 반의 전기비저항 증가 현상은 원심모형실험에서 피할 수 없는 현상으로 생각되며 원심모형실험 수행에 있어 전기비저항 탐사를 적용할 시에 이러한 영향에 대해 추 가적인 주의가 필요할 것으로 판단된다.
Fig. 11에 실험 후 모형지반 단면에 대해 직접 계측한 전기비저항 결과를 도시하였다. 이 결과를 10g 실험에 서 마지막으로 수행한 전기비저항 탐사의 역산단면과 비교하였다. 미니옴을 통한 계측 결과가 우측 주입구 하 부의 저 비저항 분포영역이 하부로 확대된 것을 볼 수 있는데 이는 10g 원심모형실험 종료 후 장비 해체, 모형 지반 절단 및 전기비저항 직접 측정 실험까지의 시간차 에 기인하는 것으로 Fig. 9에서의 현상과 동일하다. 전 반적으로 상당히 유사한 결과를 도출하는 것으로 나타 났으며 원심모형실험 장비 내 구축된 전기비저항 탐사 모니터링 시스템이 토조 내 모형지반 및 고중력장 조건 에서도 효과적으로 작동됨을 확인할 수 있었다.
5. 고 찰
전기비저항 탐사조건과 역산과정에서의 가정사항이 동일해야 신뢰성 있는 전기비저항 영상 단면이 도출된
다. 현장적용을 목적으로 한 3차원 지형까지 고려하는 역산기술이 개발되었지만 이는 현장의 반무한체 지반 을 바탕으로 하고 있다. 이에 반해 원심모형실험에서 사 용되는 모형토조는 현장과는 달리 유한한 경계조건으 로 기존 역산기술을 원심모형실험에 적용하기 위해 보 고자 하는 영역에 비해 지반 모델을 크게 제작하고 적합 한 측선을 설계하였다. 경계영향 등을 확인하기 위한 대 조실험 결과, 토조 중앙부는 토조 벽면과 유한한 지반경 계로 인한 왜곡이 미비한 것으로 판단되었고, 이후 수행 된 본 실험인 염수주입실험에서도 전기비저항 영상 변 화를 효과적으로 관찰할 수 있었다. 본 연구의 염수주입 실험에서는 기존 역산기술을 적용함에 큰 문제가 없었 지만 원심모형실험에서 보다 다양한 지반 모델에 활용 하기 위해 모형토조의 경계효과와 모형의 지형효과까 지도 고려하는 개선된 역산 기법 개발이 필요하다고 판 단된다.
6. 결 론
원심모형실험 수행 중 모형지반에 대한 내부 상태 모 니터링을 목적으로 상용 전기비저항 탐사장비(Supersting R8)에 기반한 전기비저항 탐사 수행 시스템을 KAIST 원심모형실험 장비 내에 구축하였다. 구축된 원심모형 실험 장비 내 전기비저항 탐사 모니터링 시스템의 검증 을 위하여 1g 및 10g 상태에서 염수주입 모형실험을 실 시하였다.
염수주입실험에서 획득한 시간대별 전기비저항 영상 을 통해 지반내의 유체이동에 대해 시각적으로 관찰할 수 있었으며 모형 지반 절단면에서 직접 측정한 값과의 비교를 통해서도 탐사결과가 높은 신뢰성을 가지는 것 을 알 수 있었다. 이는 원심모형실험 장비 내에 전기비 저항 탐사 수행 시스템이 성공적으로 구축되었음을 의 미하며 추후 지속적인 개선을 통해 이를 활용한 다양한 분야에 대한 적용이 예상된다. 기존 전기비저항 탐사기 법이 적용되는 댐, 제방과 같은 현장을 원심모형실험에 서 모사하여 다양한 매개변수 연구가 가능할 것으로 판 단되며, 뿐만 아니라 다양한 원심모형실험 모형지반의 물성변화 자체를 모니터링 할 수 있는 요소기술로 활용 되어 지반의 전기비저항 탐사결과와 공학적 물성치와 의 상관관계 규명 등에 대한 연구에 활용도 기대되고 있다.
감사의 글
이 연구는 한국지질자원연구원 기본사업인 ‘지하 물 성 4차원 융합 물리탐사 기술 개발’ 사업의 일환으로 수 행되었습니다.
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Received : March 21st, 2014 Revised : August 26th, 2014 Accepted : September 17th, 2014
