서 론
현대 사회는 인간이 생활하기 편리한 환경을 만들기 위해 다양한 구조물들을 구축하고 있다. 그 구조물들의 하중을 지지하는 지반이 연약한 경우 지반을 치환 또는 보강하여 구조물을 구축하게 된다. 이러한 경우 발생되는 비탈면 등에 대한 보강으로 파일(pile)을 사용하는 경우가 있고, 지반 내부에 설치되는 파일(pile)의 특성 상 설치 후 그 상태를 파악하기 어렵다. 앵커의 경우 그 상태를 확인하기 위해 인발시험 등을 수행하고 성능이 설계에 미치지 못하면 추가적인 보강 등의 조치를 할 수 있다. 하지만 파일(pile)의 경우 인발 등을 할 경우 시설물의 안정성에 영향을 주어 비파괴 형태의 조사 방법이 필요하다.
지반 내부의 상태를 확인하기 위한 다양한 비파괴 검사 방법으로 물리탐사가 널리 이용되고 있다. 물리탐사는 지표면에서 수행하는 지표탐사법과 시추공 등을 활용한 공내 탐사법으로 크게 나눌 수 있다. 지표탐사법의 대표적인 방법으로 지표면에서 인력, 발진장비 또는 발파 등의 방법을 이용하여 진동을 발생시킨 후 지표면에 설치된 수진 장치에 도달하는 진동파장의 속도를 분석하여 지반 내부의 상태를 파악하는 탄성파탐사가 있다. 또한 사용하는 파장의 종류에 따라 음파탐사, 전기탐사 등 다양한 지표탐사법이 있다. 공내 탐사법은 지반 내부를 확인하기 위한 시추조사 에서 굴착된 시추공 또는 시험을 위해 굴착된 시험공을 사용하는 방법이다. 공 내부 혹은 지표에서 탄성파, 전기 등으로 발진을 하고 지표 혹은 또 다른 공 내부에 수진 장치를 설치한 후 도달하는 신호를 분석하여 지반 내부의 상태를 확인하는 방법이다(Im, 2011).
지반 내부에 설치된 파일(pile)의 근입 깊이를 확인하는 방법에는 다양한 탐사방법이 사용될 수 있다. 일례로 해저 지반에 설치된 시트파일(sheet pile)의 근입 심도를 확인하기 위해서 자력탐사가 사용된 적이 있다(Kim et al., 2007). 지구 물리적인 성질 중 하나인 지자기장을 이용한 자력탐사를 활용하였고, 유한 선형 자기 쌍극자 모델을 활용하여 폭이 좁고 길이가 유한한 자기 이상체에 대한 설치 깊이를 확인하였다. 다만, 실제 현장에는 다양한 철재 구조물이 존재하기 때문에 다른 구조물에 의한 노이즈를 최대한 제거하는 것이 정확도를 높이기 위해 중요하다.
본 연구에서는 금속물질로 제작된 시트파일(sheet pile)의 지반내 근입된 깊이를 확인하기 위하여 공내탐사법을 이용하였다. 현장에 존재하는 다양한 지중 구조물에 의한 노이즈 제거 및 검증을 위해 P파를 이용한 P파 검층과 전기비저항을 이용한 전기검층 두 가지 검층을 활용하였다. 파일(pile)의 상부에 해머를 이용한 타격에너지를 발생시켜 전달되는 P파를 분석하는 P파 검층과, 전기비저항탐사의 단극-단극(pole-pole) 및 단극-쌍극(pole-dipole) 탐사 방법을 응용한 전기검층으로 시트파일(sheet pile)의 근입 깊이를 분석하였다.
근입 심도 확인을 위한 물리검층 원리
P파 검층의 원리
탄성파탐사에서 사용되는 P파의 지반내부 이동속도를 이용한 탐사방법으로 Fig. 1과 같이 시트파일(sheet pile)에 최대한 가깝게 시추공을 굴착한 후 시트파일(sheet pile) 상부를 해머로 타격하여 탄성파를 발생시킨다(Fig. 2a). 시추공 내부에는 3성분 지오폰을 수진기로 배치하여 해머타격으로 발생된 P파를 수진하여 그 도달 시간을 분석하여 근입 깊이를 추정하였다(Fig. 2b). 물리검층의 원리 상 시추공과 기초의 거리가 멀어지는 경우 시트파일(sheet pile)과 지반의 유효한 속도차이를 얻지 못할 가능성이 있으므로 시추공을 최대한 가까운 거리에 위치시켜야 한다(Kim and Jang, 1998; Jo et al., 2006). 일반적인 탄성파 탐사의 경우 지반과 기초의 속도차이를 이용하게 된다. 본 현장에서는 탐사의 해상도를 높이기 위해 3성분 지오폰(수진기)를 사용하여 시트파일(sheet pile)로부터 전달되는 운동방향을 함께 분석하였다(Hong et al., 2005). 또한, 지반에서 전달되는 P파와 시트파일(sheet pile)에서 전달되는 P파를 구분하기 위하여 시트파일(sheet pile)을 타격하는 동일한 방법으로 지표면을 타격하여 비교 분석하였다. 이러한 타격에너지 수진을 시추공 깊이 1 m단위로 나누어 1~26 m까지 1 m간격으로 측정하였다.
전기검층의 원리
전기검층은 시추공내의 전극배열에 따른 겉보기 비저항을 측정하는 기법이다. 전기비저항은 전류의 흐름에 저항하는 물질의 특성으로 지층의 공극률과 수분의 함량을 결정하는데 중요한 역할을 한다(Cho, 2020). 일반적으로 매우 건조한 모래의 비저항치는 매우 높지만, 포화된 상태에서의 비저항치는 현저히 낮아진다. 즉 양질의 전도체인 물이 건조 상태의 모래나 점토를 포화시키게 되면, 물이 입자의 공극에 충전되어 공극과 공극 사이를 서로 연결시켜 주는 역할을 하기 때문이다(Lee et al., 2003).
일반적으로 토사층에 굴착된 시추공의 붕괴 방지를 위해 지반에 케이싱을 설치한다. 시추공에 설치된 케이싱은 전류 흐름을 차단하기 때문에 시트파일(sheet pile)의 근입 깊이를 확인하는 전기검층을 위해서는 케이싱 내외부에 전류가 흐를 수 있는 유공관을 설치하는 것이 필요하다(Fig. 3).
파일근입 심도 탐지를 위한 전기검층은 전기비저항탐사의 단극-단극(pole-pole) 및 단극-쌍극(pole-dipole) 탐사 방법을 응용한 방법으로 Fig. 4와 같이 시트파일(sheet pile)에 근접한 시추공에 측정 전극을 설치하고 시트파일(sheet pile)에 전류를 주입하여 전위차를 측정하는 방법이다.
Fig. 4a는 단극-단극(pole-pole) 방법으로 한쌍의 전류전극 C1을 시트파일(sheet pile)에 접촉시키고, C2를 충분히 떨어진 원거리에 접지시킨 후, 한쌍의 전위전극 P1을 시추공에 설치하고 P2를 충분히 떨어진 곳에 접지시켜 P1-P2의 전위차를 측정하는 방법이다. 전류전극 C1에 의해 발생한 전류는 금속체인 시트파일(sheet pile)을 중심으로 동심원상으로 전파한다. 시트파일(sheet pile) 구간에서의 전류는 평면장의 등전위선을 발생시킨다. 시트파일(sheet pile)과 일정간격 떨어진 시추공은 등전위선 상에 위치하기 때문에 시추공 내의 각 지점에서의 전위차는 일정하게 가장 큰 값을 보이게 된다. 전위전극이 시트파일(sheet pile) 선단을 벗어나면서 측정되는 전위차는 점점 작아지게 된다. 단극-단극(pole-pole) 방법에서 파일근입 심도 탐지 지점은 전위차가 일정하다가 급격히 감소하는 지점이 시트파일(sheet pile) 선단 부분에 해당한다(Hong et al., 2019).
Fig. 4b는 단극-쌍극(pole-dipole) 방법으로 한쌍의 전류전극 C1을 시트파일(sheet pile)에 접촉시키고, C2를 충분히 떨어진 원거리에 접지시킨 후, 한쌍의 전위전극 P1, P2를 시추공에 설치하여 P1-P2의 전위차를 측정하는 방법이다. 전류전극 C1에 의해 발생한 전류는 금속체인 시트파일(sheet pile)을 중심으로 동심원상으로 전파한다. 시트파일(sheet pile) 구간에서의 전류는 평면장의 등전위선을 발생시킨다. 시트파일(sheet pile)과 일정간격 떨어진 시추공은 등전위선 상에 위치하기 때문에 시추공 내의 P1-P2의 전위차는 0에 수렴하게 된다. 전위전극 P1-P2가 시트파일(sheet pile) 선단을 벗어나는 순간 등전위선의 가장 큰 차이가 발생하며, 이 지점에서 측정되는 전위차는 가장 큰 전위차를 갖는다. 전위전극 P1-P2가 시트파일(sheet pile)에서 멀어질수록 측정되는 전위차는 점점 작아진다. 단극-쌍극(pole-dipole) 방법에서 파일 근입 심도 탐지 지점은 전위차가 0에 수렴하다가 급격히 증가하는 지점이 시트파일(sheet pile) 선단 부분에 해당한다(Park et al., 2006).
시험현장의 지반 조건
본 연구를 위해 시트파일(sheet pile)이 설치된 지역(Fig. 5)의 지반조건을 확인하기 위하여, 시험을 위한 시험공 굴착 시 시추조사 및 표준관입시험을 수행하였다. 해당 지역은 매립층으로 자갈 섞인 실트질 모래와 모래질 점토가 나타났으며, 풍화토는 점토질 실트, 연암은 이암의 연암으로 조사되었다(Fig. 6). 1 m단위로 표준관입시험을 수행하였고, 그 결과는 Table 1과 같다. 해당 지역은 대부분 미고결 퇴적층이 전체적으로 분포하는 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2021). 특히, 연구를 위해 수행한 시험 현장의 경우는 풍화된 이암이 지배적으로 나타나고 있는 것으로 확인 되었다.
Table 1.
Results of standard penetration testing
시험결과 및 분석
P파 검층
지반 타격 시 결과
시추공 주변 지반속도 산출을 위해 심도 26 m 깊이까지 P파 검층을 수행하였다. 그 결과는 Fig. 7과 같으며, 지층 속도분포는 3개 층으로 분류되며, 심도 5 m 깊이까지 380 m/s, 심도 5~13 m 구간은 930 m/s, 심도 13 m 이상 깊이에서는 1,600 m/s로 측정되었다.
시트파일(Sheet Pile) 타격 시 결과
시트파일(sheet pile) 타격 시의 속도 산출을 위해 시트파일(sheet pile) 상단에서 타격에너지를 발생시켜 시추공 심도 26 m 깊이까지 P파 검층을 수행하였다. 그 결과는 Fig. 8과 같으며, 지층 속도분포는 3개 층으로 분류되며, 심도 2 m 깊이까지 280 m/s, 심도 2~9 m 구간은 600 m/s, 심도 9 m 이상 깊이에서는 1,600 m/s로 측정되었다.
P파 검층 결과 분석
원지반과 파일기초 상단에서 타격에너지를 송신하여 시추공내 지오폰에서 파형을 기록하고 도달시간을 계산하여 주시곡선과 지반속도를 산출하였다. 또한 보다 정밀한 결과를 얻기 위해 파일 기초 상단에서 시추공 내 3성분 지오폰에 기록된 수직-수평성분의 파형을 통해 운동방향을 분석하였다. 그 결과는 Fig. 9와 같다.
시추공과 파일기초 거리가 8 m 이격되어 있으며, 신뢰성 있는 자료산출을 위해 시추공과 파일 기초 거리를 1.0~2.0 m로 보정한 파일기초 송신 주시곡선 분석결과는 4,000~5,000 m/s 범위의 속도값으로 분석되었다.
지표에서 시추공과 파일기초까지의 거리는 8.0 m, 지하수위는 GL.-1.5 m로 측정되었으며, 시추공과 파일기초의 거리가 멀어질수록 근입 심도 해석에 오차가 좀 더 발생할 수 있으므로, 추가적으로 오빗(orbit)의 운동방향 분석을 수행하고 속도분석결과와 비교분석을 통해 검증함으로써 파일근입심도 해석의 정밀도를 높였다.
오빗(orbit)의 운동방향 분석결과 심도 1.0~8.0 m 구간에서는 수평성분이 상대적으로 크게 반응하였으나, 심도 약 8.0~10.0 m 구간부터 수직성분이 상대적으로 크게 나타나기 시작하였다. 따라서, 지반과 파일의 속도분석 및 오빗(orbit) 수직-수평 운동방향 분석 결과 파일근입 심도는 Fig. 10과 같이 약 9.0 m (GL.-9.0 m, ±1.5 m)로 판단되었다.
전기검층
단극-단극 법(Pole-Pole Method) 결과 분석
지표면 부근에서 가장 전 전위차를 보이는 곡선이 심도 7.5 m 깊이까지 일정하게 감소한다(Fig. 11). 파일 기초가 건전한 상태일 경우 이 구간의 전위 값은 일정하거나 매우 작게 감소하게 된다. 측정 결과와 같이 감소 값이 비교적 큰 이유는 지층이 불균질하거나 파일 기초 주변에 불순물이 끼어 있다고 볼 수 있다. 전위 곡선은 심도 약 7.5 m 깊이에서 급격히 감소한다. 이 지점이 파일 기초 선단으로 추정되며, 파일 기초 끝에서 멀어질수록 측정되는 전위 값은 일정하게 감소한다. 이는 측정 전위전극이 신호 전류원에서 멀어지기 때문이다.
단극-쌍극 법(Pole-Dipole Method) 결과 분석
지표면에서 심도 7 m 깊이까지 일정한 크기의 전위차가 측정되었다(Fig. 12). 이 구간은 시추공을 따라 등전위선이 분포하기 때문에 이론적으로 0에 수렴하는 값을 가져야 하나 지층의 불균질성과 파일 기초의 건전성 여부에 따라 미세한 전위차 떨림이 발생된 것으로 보인다. 전위 곡선은 심도 약 7.5 m 깊이에서 급격히 증가한다. 이 지점이 파일 기초를 벗어나는 지점으로 추정되며, 파일 기초 끝에서 멀어질수록 측정되는 전위 값은 크게 감소한다. 크게 감소하는 이유는 전위전극 간격이 0.5 m로 짧기 때문이다.
결 론
지표면에서 지반 내부에 설치된 시트파일(sheet pile)의 근입 깊이를 확인하기 위하여 P파 검층과 전기검층을 수행하였고, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 원지반과 파일기초 상단에서 타격에너지를 송신하여 시추공내 지오폰으로 수신하였다. 시추공 내 3성분 지오폰에 기록된 수직-수평성분의 파형을 통해 운동방향을 분석한 결과 파일근입 심도는 약 9.0 m (GL.-9.0 m, ±1.5 m)로 판단되었다.
(2) 전기탐사의 단극-단극 법(pole-pole method)을 적용한 결과 전위 곡선은 심도 약 7.5 m 깊이에서 급격히 감소하여, 말뚝의 근입 심도는 약 7.5 m로 확인되었다.
(3) 전기탐사의 단극-쌍극 법(pole-dipole method)을 적용한 결과 전위 곡선은 심도 약 7.5 m 깊이에서 급격히 증가하여, 말뚝의 근입 심도는 약 7.5 m로 확인되었다.
(4) 시험결과를 토대로 시트파일(sheet pile)의 근입 깊이는 약 7.5 m이며, 현장의 특성 상 다양한 물질이 존재하고, 차량 진동 등 여러 탄성파가 공존하는 경우 P파 탐사 대비 전기탐사에서 노이즈가 적은 것으로 확인되었다.
(5) 지반 내부 및 지상의 장비 등 다양한 물질이 존재하고 시추공과의 거리가 멀어지는 등 현장 조건에 따른 노이즈 등으로 인해 P파 검층의 오차율이 높아질 수 있다. 이 경우 전기탐사 등 다종분석을 통해 파일의 근입 심도 추정의 신뢰도를 더 높일 수 있을 것으로 확인되었다.
