IEG 환경지질연구정보센터

절취사면의 안정성평가를 위한 AE 계측사례

Application of AE measurement for estimating the cut slope stability

이 호 경 Ho-Kyeung Lee

, 정 대 석 Dae-Seouk Chung

, 김 경 수 Kyeong-Su Kim

1)

(주)비에스이엔지, BS ENG Co., Ltd.

2)

중부대학교 토목공학과, Dept. of Civil Engineering, Joongbu University

3)

한국지질자원연구원 지구환경연구본부, Geologic Environment Division, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources

* 교신저자:

[email protected]

주요어: 절취사면, 파괴거동, AE 계측시스템, 현장적용

1. 서언

AE(Acoustic emission)는 재료의 붕괴과정에서 나타나는 특징적인 탄성파로써 최근에는 암반 지반의 안정성을 감지하는 목적으로도 적용되는 추세에 있다. 토질재료 요소실험에 AE 기법의 적용은 伯野元彦(1968), 谷本喜一(1975) 및 Koerner and Lord Jr(1972)의 연구가 대표적으로 알 려져 있다. 국내의 경우 (주)유경기술단(2009)에서 암반사면으로부터 발생되는 음파를 측정하여 사면안정성을 파악하는 방법을 개발하고 신기술을 취득하였으며 이 기술의 현장적용을 위한 관 련 연구를 수행한 바 있다. 이 연구는 실내시험을 통해 설정한 파괴규준을 실제 사면현장에 적 용하여 절취사면의 파괴가능성을 평가함으로써 그 적합성을 검토하고자 하였다. 이를 위해 도 로변의 대절취사면에 AE 계측기를 설치하여 일정기간 계측을 실시한 결과들을 사례로 정리하 였다.

2. 현장계측

2 .1 대상사면 및 계측시스템 설치

사전연구를 통해 실내실험으로부터 설정한 파괴규준을 실제현장에 적용하였다. 이를 위해 연

구대상인 강원도 강릉시 옥계면 도직리에 위치한 높이 50m의 대절취사면에 수직으로 2공을 천

공하여 공당 4개 씩 총 8개의 센서를 설치하고 계측을 실시하였다. 그리고 계측자료 중 2007년

3월부터 12월까지 10개월 동안의 계측자료를 분석하였다. AE 센서 및 계측시스템의 설치위치는

높이 20m 소단에 No.1, 높이 40m 소단에 No.2를 설치하였다(그림 1). 그리고 주변에 AE 데이

터를 측정하여 저장할 수 있는 AE 계측시스템을 센서케이블의 최대길이가 200m가 되지 않는

지점에 설치하여 지속적으로 데이터를 측정하였다.

month days hole No.1

ring down count hole No.2

ring down count average max average max

3 31 27 7.1 21.5 224 9.8 36.5

4 29 2 420 10.9 26.0

5 23 0 14 11.9 22.5

6 7 0 0

7 14 224 7.2 57.5 1,563 10.4 47.0

8 11 91 8.4 25.5 240 10.5 48.5

9 11 182 9.1 31.0 2,106 10.9 38.0

10 31 2 30.5 39.5 9 33.4 69.5

11 30 115 8.7 32.0 401 9.9 56.5

12 12 3 2.1 4.5 198 5.1 117.0

20m소단설치위치(hole No.1) 40m소단설치위치(hole No.2) 계측시스템 설치

그림 1. 대상사면 및 계측시스템 설치위치

2 .2 계측자료

계측시스템으로부터 관측된 월별 이벤트 및 최대이벤트의 횟수를 표 1에 나타내었다. 계측사 이트에 설치된 웨이브가이드는 공벽의 붕괴를 방지하기 위해 사용된 금속제 케이싱관이 제거되 지 않아 종래의 웨이브가이드 개념과 다르기 때문에 주변암반 사이사이의 잠재균열의 동향을 잘 반영하고 있지 않을 가능성이 있다. 이후 같은 계측을 실시할 경우 공벽의 붕괴를 방지할 필요가 있을 경우는 주변암반의 움직임을 방해하지 않는 부드러운 재질(예를 들면 염화비닐관 등)을 사용하는 등의 방법을 강구해야 할 필요가 있다. 또 당초 본 계측사이트에서의 AE 계측 은 센서, 케이블, AE장치, 또는 외부노이즈가 계측되어 다량의 노이즈가 AE 활동에 혼입되고 있을 가능성이 있다 따라서 평가는 주로 히트 및 이벤트로 수행하고 AE 활동을 우선적으로 분 석한 뒤 AE 파라미터를 분석하였다.

표 1. 월별 이벤트 및 최대이벤트의 횟수

AE 활동은 계측공 No.1과 비교해서 계측공 No.2가 더 활발하고, 또 두 계측공 모두 심층부

와 비교해서 표층부에서 두드러진 AE 활동이 관측되었다. 검출된 AE 이벤트의 규모를 나타내

는 카운트는 양쪽 다 경미한 레벨이고 계측 사이트에 큰 변형은 없는 것으로 판단했다. 이번

분석은 AE 계측 결과만을 대상으로 하였지만 암반의 성질이 충분히 파악되지 않은 초기단계로,

암반사면의 거동을 상세하게 조사하기 위해서는 사면변형을 나타내는 다른 계측 데이터와 크로

스체크에 의한 검증이 필요할 것이다. 10월부터 노이즈대책을 강구하여 9월까지 다량으로 발생

한 AE 히트가 적어진 것을 고려해 보면, 계측을 계속하고 상세한 검토를 실시할 경우에는 앞으 로 비교적 양호한 계측환경의 데이터를 중심으로 검토할 수 있을 것으로 판단된다.

대상사면의 계측지점에서는 대체적으로 매월 10,000회 이상의 AE 히트가 관측되었고, 특히 7 월은 1개월간 약 500,000회에 가까운 AE 히트가 관측되었다. 그러나 AE 히트 수에 비해 검출 된 AE 이벤트가 적은 것으로 미루어 보아 관측된 AE 히트 중 전기 노이즈 또는 환경 노이즈 에 기인하는 것도 다수 포함되어 있는 것으로 추정하였다. 검출된 AE 이벤트 수는 계측기간 동 안 계측공 No.2가 계측공 No.1 보다 많았고, 계측공 No.2 부근 사면의 변동이 계측공 No.1 보 다 활발한 것으로 판단하였다(그림 2). 또한, 월별 AE 이벤트 결과를 보면 특히 활발한 반응을 나타내고 있는 것은 7월이었는데, 추후 같은 기간의 계측사이트의 기후변화 등 사면의 상태변 형을 나타내는 다른 계측결과들을 이용해서 검증하는 등 복합적으로 검토함으로써 더욱 더 상 세한 분석이 가능할 것이다(그림 3).

그림 2. 계측시스템에 의한 월별 AE 히트

그림 3. 계측시스템에 의한 월별 AE 이벤트

3. 계측결과 분석

계측기간 중 채널마다 일별 AE 발생수를 그림 4 및 5에 그래프로 나타내었다. 그림 4(a)의

계측공 No.1(계측공 안쪽부터 채널 1,2,3,4임)에서는 채널 2와 4에서 AE 히트가 두드러지게 발

생되었다. 한편, 채널 1은 계측기간을 통해서 AE 히트의 관측수가 적은 것으로 보아 계측공

No.1의 심층부는 비교적 안정되어 있는 것으로 판단되었다.

그림 4(b) 계측공 No.2(계측공 안쪽부터 채널 5,6,7,8임)에서는 채널 5와 8에서 AE 히트가 두 드러지게 발생하고 있는 것을 알 수 있고, 특히 계측공 No.2의 채널 8에서 관측된 AE 히트수 가 월등히 많았음을 알 수 있다. 이러한 결과는 채널 8은 계측공 No.2의 최상부에 위치하는 센 서이기 때문에 계측공 No.2 주변의 표층부에서 활동이 많이 감지된 것으로 생각되었다.

한편, 그림 6은 계측위치별로 일차원 위치표정을 나타낸 것이다. AE 원의 크기는 위치표정에 사용한 히트의 카운트 평균치에 의해 그 직경을 반영한 것이다. 그림 6(a)에서 계측공 No.1의 표층부근(채널 3과 4사이)에서 AE 이벤트가 많이 감지되고 있는 것으로 미루어볼 때 지표면으 로부터 깊이 4～6m 정도인 표층부의 변동이 활발한 것으로 판단된다. 그리고 이벤트의 규모를 표현하는 카운트 대부분이 10회 전후에 불과하여 매우 경미한 변동이 있었음을 알 수 있다. 한 편, 그림 6(b)의 계측공 No.2에서는 전체적으로 미세한 변동이 있었으며 카운트 또한 작고 경미 한 규모인 것으로 파악되었다.

(a) (b)

그림 4. 계측공 No. 1의 경시변화 : (a), AE 히트; (b), 누적 AE 히트

(a) (b)

그림 5. 계측공 No. 2의 경시변화 : (a), AE 히트; (b), 누적 AE 히트

(a) (b)

그림 6. 계측위치별 일차원 위치표정 : (a), 계측공 No. 1; (b), 계측공 No. 2

4. 결언

실내시험에서 설정한 파괴규준은 파라미터를 크기별로 분류하여 평가하였지만 실제 암반사면 과 같이 다량의 노이즈가 혼입되는 조건 하에서는 여러가지 파라미터를 사용하여 사면에 대한 안정성을 분석할 경우 노이즈에 의해 잘못된 결과를 도출할 수 있는 가능성이 많음을 알 수 있 었다. 본 연구에서 대상으로 한 암반사면에서는 케이블, AE 계측장치, 또는 외부에서의 노이즈 가 계기가 되어 다량의 노이즈가 AE 활동으로 혼입되고 있는 경향성을 보였다. 앞으로 AE 센 서를 이용한 계측을 수행하는 경우 확실한 노이즈 처리가 선행되어야 할 것이다. 이번 현장적 용에서는 여러가지 파라미터를 이용하여 파괴의 세부적인 경향을 파악하기 보다는 사면내부의 변형에 의해 발생한 AE 히트 수를 얼마나 많은 센서에서 동시에 측정하였는지 즉, AE 이벤트 가 어떠한 경향을 가지고 발생하는 지를 분석해 보는 것에 주안을 두었다. 따라서 AE 계측시스 템의 암반사면 현장 적용성은 추후 장기간의 계측자료를 종합하여 분석함으로써 검토가 가능할 것이다.

사사

이 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 “토질 및 골재시험” 과제의 일환으로 수행되었습니 다.

참고문헌

(주)유경기술단, 2009, 사면내부에 설치된 센서내장형 파괴음감지장치 및 분석프로그램을 이용한 위험사면 조기예측기술, 자연재해저감 신기술 제6호.

M. Koerner and A. E. Lord Jr, 1972, Acoustic Emission in a Medium Plasticity Clayey Silt, J ournal of Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE , Vol. 98, No. SM 1, Proc.

Paper 8618, pp.161-165.

伯野元彦, 1968, 砂の構造破壊時に出す音に関する一研究, 第3回 土質工学研究発表会講演概要集, pp. 277-282.

谷本喜一, 1975, 砂質土の三軸せん断におけるAEの測定法について, 日本土木学会 第30回

年次学術講演会講演概要集, pp. 233-234.