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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.2 pp.1-5
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.2.001

Evaluation of Ground Conditions Based on the Correlation between Electrical Resistivity Survey and Pneumatic Cone penetration Test

Cho Dongwhan1, Kim Minsu2, Jeongho Oh3
1Manager, Track Engineering Office 2, Seoul Metro
2Researcher, Railway Technology Institute, Korea National University of Transportation
3Associate Professor, Dept. of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National University of Transportation
Corresponding author: Oh, Jeongho Dept. of Railroad Infrastructure System Engineering, Korea National University of Transportation, Uiwang 637-715, Korea. Tel: +82-31-460-0566, Fax: +82-31-462-8205, E-mail: j-oh@ut.ac.kr
February 22, 2018 April 26, 2018 May 15, 2018

Abstract


Underground cavities are frequently taking place in urban areas due to soil loss caused by structural defects of underground buried pipes. In this study, a field experimental program was conducted to detect ground condition using the electrical resistivity survey and the pneumatic cone penetration test. In addition, we proposed a method to estimate the weighted mean resistivity value by quantifying the electrical resistivity measurements through image analysis in order to compare the results of pneumatic cone penetration test. Consequently, it was found that as the weighted average resistivity value decreased, the smaller the N-value (penetration depth per blow number) from the pneumatic cone penetration test results. Based on the limited number of field experimental measurements, the correlation between weighted average resistivity value and the N-value of pneumatic cone penetration test is deemed promising in assessment of ground conditions associated with developing underground cavitation.



전기비저항 탐사와 공압콘관입시험 간의 상관관계를 통한 지반 상태평가

조 동환1, 김 민수2, 오 정호3
1서울교통공사 사원
2한국교통대학교 철도융합기술연구소 연구원
3한국교통대학교 철도인프라시스템공학과 부교수

초록


    1 서 론

    최근 도심지에서 지중매설관의 구조적 결함에 의한 토사유실로 인해 지하 공동이 빈번하게 발생하고 있 으며, 이는 지반침하 및 땅꺼짐을 야기시켜 시민들의 불안감을 높이고 있다. 이러한 지반의 이상 조건을 탐 지하는 방법은 비파괴 탐사와 지지력 평가 시험 등이 적용되고 있다. 서울시 경우 2010년 이후에 발생한 도 로함몰이나 포트홀 발생추이를 집계하고 그 주 원인 이 하수관 손상에 의한 토사유실로 보고하였다. 또한 2015년 9월 11일자 KBS에서 전국 땅꺼짐 위험지도를 주제로 방영한 사례가 있다. Fig. 1은 전극 144개 땅 꺼짐 발생지역을 보여주는 웹기반 지도를 보여주고 있으며, 주로 서울 수도권을 포함 지방 광역시 주변에 서 주로 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 지하공동 발생에 대한 수도권 철도노선에 대한 안전성 평가를 위한 연구가 진행되었으며 (Oh et al., 2016), 수도권 철도노선을 따라 지반 및 상하수도 데이터를 구축하 고 확률론적 통계 기법을 활용하여 지하공동 위험도 를 작성하였다.

    미국 플로리다 지역에서는 석회암으로 구성된 지 반이 많으며 지하수와의 상호작용으로 싱크홀이 발생 하는 사례가 많은 것으로 보고되고 있으며 이러한 싱 크홀 재해를 방지하기 위해서 정적 콘관입시험과 지 표투과레이더 (Ground Penetrating Radar)를 조합한 지반탐사법을 제시하였다 (Bullock, 2003). 국내에서도 강원도 지역에서 석회 공동과 과잉 양수에 의한 침하 지역에 전기비저항 물리 탐사를 적용하여 공동 분포 를 확인한 사례가 있다 (Kim et al., 2005). 일반적으 로, 지표투과레이더 탐사법의 경우 주파수 영역에 따 라 가탐심도가 결정되며 저주파수 신호 200∼600 MHz를 이용하여 3m 이내 깊이에서의 지반 변화를 탐지한다. 그러나 지표투과레이더 탐사 결과를 해석하 는데 있어서는 많은 경험 및 지식이 축적된 전문가가 투입되어야 한다. 또한, 데이터 처리 기술에 의한 측 정치 분석 결과에 대한 정확도의 차이가 나며, 정량적 인 분석을 하는데 어려움이 있다는 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 현장 실험을 통해 지하 공동 발생 위 험 인자를 평가하는데 있어 신뢰성 및 현장 적용성이 좋은 전기비저항, 지표투과레이더 탐사를 병용하고, 이상 지역대에 대한 지지력 평가를 위해 공압콘관입 시험을 수행하여 상관관계를 도출하고자 한다.

    2 본 론

    2.1 현장실험 위치 선정

    Oh et al (2016)은 도심지 철도 주변에서의 지하공동 발생 위험도 산정 모델을 시추 데이터 및 상하수도 데이터베이스를 이용하여 제안하였으며 이를 반영한 수도권 철도 노선에 대한 재해도 시스템을 Fig.2와 같이 개발하였다. 이를 검증하기 위한 현장실험을 수 행하였으며 지반 이상 조건 및 위험 수준을 고려하여 현장실험 위치를 선정하였다. Fig. 2에서 볼 수 있듯 이, 위험도 수준별 영역을 명암의 차이로 파악할 수 있으며, 작업 여건 및 현장 조건 등을 고려하여 총 8 개 현장실험 개소를 선정하였다. 또한, 기존 연구에서 수행한 수치해석 결과를 바탕으로 선로 중앙을 기준 으로 양방향 50m 이내로 탐사 영역을 선정하였으며, 작업 시 관련기관 협조를 통해 작업 안전성을 확보 하였다 (Oh et al., 2016).

    2.2 현장실험 방법

    현장 실험은 측선 25m를 산정한 후, 전기비저항 및 지하레이더 탐사를 선수행하고, 탐사 결과 이상영역으 로 추정되는 곳과 정상적으로 분석된 개소를 각각 선 정하여 공압콘관입시험을 수행하였다. 전기비저항 탐 사는 한 쌍의 전극에서 매질의 전기전도도에 따라 상 이한 전위차를 측정하여 지하의 전기비저항 분포를 파악하는 방법으로 지반의 비저항 분포를 조사하여 지반 상태를 평가할 수 있다 (ASTM-D257, 2012). 본 논문에서는 쌍극자(dipple-dipole)배열을 사용하여 전극을 1m간격으로 설치한 후 전극 전개 수를 12개 까지 측정하였다. 지표투과레이더탐사는 500MHz 안 테나를 사용하여 Radar system사에서 개발한 prism2 소프트웨어를 이용하여 데이터 분석을 수행하였다. 공 압콘관입시험은 공기압에 의해 추를 일정한 낙하고에 서 반복 낙하하여 콘을 관입시키고 타격 횟수에 따른 관입량을 측정하는 방법이다 (DIN ISO 22476-2, 2002). 공압콘관입시험은 동적콘관입시험에 비하여 강 성이 큰 로드와 콘을 사용하고, 인력으로 하중을 가하 는 경우보다 오차를 줄일 수 있어 더욱 향상된 신뢰 성을 확보할 수 있다. 또한, 재하 하중을 30kg까지 설 정할 수 있어 깊은 심도까지 지지력 변화를 확인할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 지중매설물이 존재하지 않는 경우, 관입 깊이 2m까지 시험을 수행 하였으며 비파괴 시험 구간 내 이상 지역으로 판단되 는 곳과 그렇지 않은 곳을 구별하여 수행함으로써 지 지력의 변화를 측정하였다. Fig. 3은 현장시험 수행 모습을 보여주고 있다.

    2.3 현장 실험 수행 및 결과

    2.3.1 “A” 역 부근

    “A” 역은 재해도 시스템에서 위험등급 상위지역으로 구분되며, 해당 지역에서 전기비저항, 지표투과레이더 및 공압콘관입 시험을 수행하였다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이, 전기비저항탐사 결과를 살펴보면 전체적으로 10∼200 Ohm-m의 전기비저항값이 분포하고 있으며, 측선 하부 3 m이상 구간에서 10 ohm-m 이하의 저 비저항 이상대가 나타나고 있다. GPR 시험 결과 약 1.5m 심도에 미약하게 반사면이 보이는 것으로 보아 물성변화가 크지 않은 지층경계로 예상되며, 2 m 하 부에 나타나는 포물선은 속도로 볼 때 공기 중 지장 물에 의한 반사파일 것으로 판단된다.

    Table 1 은 공압콘관입 시험 측정결과를 보여주고 있다. 각 개소별 지지력 차이를 비교하기 위해서 N50, N100, N150, N200을 산정하였다. 예를 들어, N50은 50cm 관입하기 위해서 요구되는 타격횟수를 의미하 며 동일한 관입깊이에 대한 타격횟수가 클수록 지지 력이 큰 것으로 간주한다.

    2.3.2 “B” 역 부근

    본 현장은 재해도 시스템에서 상대적으로 위험도가 낮은 지역으로 분류된 곳으로 상기 동일한 현장 실험 을 수행하였다. 전기비저항탐사 결과를 살펴보면 전체 적으로 140∼300 Ohm-m의 전기비저항값이 분포하고 있으며, 측선 하부 2m 이상 구간에서 상대적으로 낮 은 139 ohm-m 이하의 낮은 비저항대가 나타나고 있 다. GPR 탐사 결과를 살펴보면 앞선 지역과 비교하 였을 때 반사파를 4m 심도까지 확인 가능하였으며 이는 철도노선 근처의 성토다짐으로 인해 깊은 심도 까지 지반이 균질한 것에 기인한 것으로 판단된다.

    또한, 지하매설물로 인한 반사파는 확인할 수 없 었으며, 이는 재해도상 데이터와 일치하는 것으로 보 인다.

    공압콘관입 시험 결과를 보면 위험도가 높은 “A” 개소와 비교하였을 때, 전체적으로 지지력이 높은 것 으로 판단되며, 이는 재해도상 위험도 경향을 잘 반영 한 것으로 판단된다.

    2.4 전기비저항과 공압콘관입시험 측청치 상관관계

    본 연구에서는 전기비저항시험 결과치를 활용하여 정 량적인 대푯값을 산정한 후, 공압콘관입시험 측정치와 의 상관관계를 도출하고자 한다.

    2.4.1 전기비저항 측정값 정량화

    전기비저항 측정값은 Fig. 45에서 볼 수 있듯이, 지표투과레이더 측정치와 달리 깊이 및 조사측선거리 에 따라 비교적 전기비저항값의 분포를 명확히 볼 수 있는 장점이 있다. 이에 본 논문에서는 각기 다른 전 기비저항값의 분포를 차지하고 있는 면적을 고려하여 전체 단면에 대한 가중치 평균값을 산정하여 대푯값 을 산정하고자 하였다. Table 3은 본 논문에서 적용 한 절차를 보여주고 있다. 이를 위해 상용 프로그램인 MATLAB을 이용하여 각 영역의 픽셀을 인식할 수 있는 프로그램 코딩을 하였다. 전기비저항 측정 데이 터를 입력치로 한 후 프로그램을 수행하게 되면, 전기 비저항 값들로 구성되는 각 영역의 면적을 전체 면적 에 대한 비율로 산정하게 된다. 그리고, 최종적으로 해당면적의 평균 전기비저항값을 곱하여 전체 탐사 영역에 대한 전기비저항 대푯값을 산정하게 된다. Table 2

    2.4.2 전기비저항 대푯값과 공압콘관입시험 측정치 상 관관계

    앞서 산정한 각 개소에 대한 전기비저항 대푯값과 공 압콘관입시험 측정치를 비교하여 상관관계 여부에 대 한 분석을 하였다. 이를 위해, Table 4와 같이 결과를 정리하였다. 공압콘관입시험 경우 50 및 100 cm 관입 시 타격횟수를 이용하여 상관관계를 도출하였다. 이는 몇 개의 개소 경우 지중매설물이 존재하여 그 이상의 깊이에서 공압콘관입시험이 완료되지 않은 경우도 있 기 때문이다.

    Fig. 6은 상기 절차를 통해 산정된 각 개소별 대 표 전기비저항값과 공압콘관입시험 측정치간의 상관 관계를 보여주고 있다. 상관관계 분석결과, 평균 전기 비저항값이 증가할수록 공압콘관입 지지력 지수 N50, N100 역시 증가하는 경향을 보였다. 제한적인 데이터 수를 고려할 때 통계적으로 좋은 유의관계는 확보하 지 못했지만, 지표면 근처 얕은 심도에서의 지지력 (N50)이 전기비저항값과 보다 나은 상관관계가 있는 것을 확인하였고, 추후 현장시험을 통해 이를 검증할 필요가 있다고 판단된다.

    3 결 론

    • (1) 철도노반 주변 지하공동 발생 여부를 파악하기 위 해 비파괴 및 지지력 시험을 조합한 현장시험법을 제 안하였으며, 전기비저항, 지표투과레이더탐사, 공압콘 관입시험 측정치의 상관관계가 있음을 확인하였다. 실 험 결과, 대체적으로 전기비저항값 크기가 큰 지역이 공압콘관입시험의 타격 횟수당 관입량 역시 증가하는 것을 확인하였다. 이는 지반의 지지력이 전기비저항값 과 지지력지수(N)와 비례관계로 나타나 이를 통해 지 반 지지력을 파악할 수 있다고 판단된다.

    • (2) 전기비저항 시험은 지표투과레이터탐사 시험 과 비교하였을 때, 전기비저항 값의 분포를 깊이 및 측선거리에 따라 비교적 명확히 볼 수 있는 장점이 있다. 이에 본 연구에서는 전기비저항값 분포를 고려 하여 해당개소의 대표 전기비저항값을 산정할 수 있 는 방법을 제시하여 지반의 지지력 및 이완영역을 평 가하였다.

    • (3) 산정된 대표 전기비저항값과 공압콘관입시험 측정치와의 상관관계를 분석한 결과, 지반조건이 지하 공동 발생 위험 수준이 높은 경우 콘관입시험치가 감 소하고 대표 전기비저항값 역시 감소하는 유의한 결 과를 도출하였으며, 추후 다양한 지반조건에서 현장시 험 수행을 통해 상관관계를 검증 및 보완할 필요가 있다고 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 한국교통대학교 2017년도 교내학술진흥사 업에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-9-1_F1.gif

    A snapshot of sinkhole risk map

    KOSACS-9-1_F2.gif

    A snapshot of underground cavity risk map system along Fig. 1 A snapshot of sinkhole risk map the railway (Oh et al., 2016)

    KOSACS-9-1_F3.gif

    A snapshot of field experimental program (Oh et al., 2016)

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    A snapshot of electrical resistivity survey and GPR test at “A” site

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    A snapshot of electrical resistivity survey and GPR test at “B” site

    KOSACS-9-1_F6.gif

    Correlation between ER and N-value

    Table

    Results of pneumatic cone penetration test at “A” site

    Results of pneumatic cone penetration test at “B” site

    Procedure for estimation of weighted average value of electrical resistivity values

    Comparison of test results

    Reference

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