서론
측정 장비와 연구 방법
3D Laser Scanner
연구 방법
자료 조사 결과 및 비교 분석
현장암반 직접 측정 조사 결과
3D Laser Scanner의 암반 굴곡도 조사측정 결과
현장 암반 직접 측정조사 결과와 3D Laser Scanner 조사 측정 결과 비교 분석
결론
서론
국토의 약 70%가 산지인 우리나라는 오늘날 급격한 산업의 발달에 따라 도로, 철도, 부지조성 등의 토목공사가 빈번하게 이뤄지며, 이 과정에서 불가피하게 암반사면으로 이루어진 지반을 절취하는 경우가 많다(Jo, 2010). 이러한 과정에서 굴착사면이 증가하며, 굴착사면의 규모도 점점 커지는 추세이다. 그 중 암반 내에 존재하는 불연속면은 암반의 강도, 변형 및 수리특성 등에 영향을 미친다(Kim, 2005). 암반은 불연속면에 의하여 불연속성 및 이방성 등의 특성을 지니고 있으며, 이에 따른 강도 및 변형 특성의 변화는 암반의 역학적 거동에 대한 평가를 어렵게 하고 있다. 따라서암반의 역학적 및 수리적 특성을 고찰함에 있어 불연속면에대한 확고한 이해는 매우 중요하다. 불연속면의 전단강도와 불연속면의 거칠기는 절리성 암반의 역학적 특성을 규명하는데 있어서 가장 중요한 요소 중 하나이며(Barton and Bandis, 1990), 불연속면의 전단강도를 추정하기 위해서는 불연속면의 기하학적 및 역학적 특성에 대한 정밀한 기재가 필요하다. 현재까지 많은 학자들이(Barton and Choubey, 1977), (Tse and Cruden, 1979) 거칠기를 정량화시키려고 많은 노력을 기울여 왔으나, 현재 암반 내의 불연속면의 특성을 파악할 경우, 현장에서 실제 암반의 불연속면과 유사한 절리면을 포함한 암석을 채취하여 실내에서 암석 실내시험을 실시하여 ISRM에 제시된 Barton and Coubey (1977)의 절리 거칠기 계수표에 의존하고 있다. 그러나, 이러한 실내시험은 실제 붕괴 사면의 작은 시추공 하나에서 채취한 것이므로 이 시료가 실제 붕괴사면의 전체 암반특성을 대변하기는 어렵다고 판단 된다(Hencher and Lichards, 1989). 따라서, 대형불연속면의 거칠기를 조사하기 위해선 Fecker and Rengers (1971)가 제시한 Roughness 보정법을 사용한 실측치(ISRM, 1978), (Goodman, 1989)와 대규모 스캔이 가능한 3D Laser Scanner 장비를 활용하여 대규모 굴곡도를 측정치와 비교 분석하고자 한다.
측정 장비와 연구 방법
3D Laser Scanner
3D Laser Scanner는 지상 레이져 시스템의 한가지로 대상체의 표면으로부터 3차원(x, y, z)공간 좌표를 Point Data로 기록하므로 기존의 Total Station과 같은 1점 만을 측량할 수 밖에 없었던 것에 비해 더욱 발전된 장비이다((RIEGL Laser Measurement Systems, 2014). Total Station과 비교해 3차원적으로 도면을 작성할 수 있으며, 우연오차나 데이터 손실을 최소화 할 수 있다.
3D Laser Scanner는 짧은 시간에 대상 물체에 레이저를 동시 다발적으로 발사하고 수신 하여 3차원적으로 실물을 측정하고(RIEGL Laser Measurement Systems, 2014), 데이터를 점집합(Point-Cloud)으로 변환 시킨 후 CAD 모델에서 3 차원으로 형상을 구성한다.
따라서 3D Laser Scanner는 신속하고 정확히 3차원 모형을 사용하는 자동차, 항공, 문화재, 및 터널 등 많은 곳에서 활용되고 있다(Pack, et al., 2015), (Cynthia and Hwang, 2001). 그 외에도 신성모(2005)는 3D Laser Scanner와 현장측정을 통하여 절리방향, 거칠기 등을 비교분석 하였으며, 3D Laser Scanner를 사용하여 암반의 안정성 연구가 이루어지고 있다(Kveldsvik et al., 2008).측정방법으로는 시간화 방식과 삼각측량 방식이 있다. 따라서 본 연구에 사용된 측정 장비는 미국 RIEGL 사의RIEGL VZ-1000을 사용하였다. 이 장비의 제원은 아래 Table 1과 같으며 높은 해상도와 플래시 메모리를 내장하고 있으며 GPS, 기울기센서, 레이저 구심, 디지털 나침반 등이 통합되어 있다.
측정방법으로는 시간화 방식과 삼각측량 방식이 있다. 따라서 본 연구에 사용된 측정 장비는 미국 RIEGL 사의RIEGL VZ-1000을 사용하였다. 이 장비의 제원은 아래Table 1과 같으며 높은 해상도와 플래시 메모리를 내장하고있으며 GPS, 기울기센서, 레이저 구심, 디지털 나침반 등이통합되어 있다.
연구 방법
본 연구는 울산 혁신도시 O O 지구 내 북측 인접 사면상부에 인장 균열이 발생한 대상사면에 대한 안정성 검토에 대해 현장 측정 굴곡도와 3D Laser Scanner를 사용한 굴곡도를 비교 분석 하였다.
첫 번째로, 3D Laser Scanner와 현장 Disc-Clinomete측정결과의 비교를 위해 현장에서 직접 10~40cm 크기 별 Disc-Clinometer를 가지고, 굴착공사 중에 길이 45m 폭 55m인 대규모로 노출된 불연속면의 굴곡도를 격자형식으로(가로, 세로) 총 61곳을 각기 다른 크기(10, 20, 30, 40(cm))의 Disc-Clinometer로 측정하였다(Fig. 1).
두 번째, 3D Laser Scanner를 가지고 연구대상 Data(Point Clouds)를 획득하였다(Fig. 2).
세 번째, 획득한 Point Clouds를 병합(Merge), 필터링(Filter Noise) 등의 과정을 통하여 실제 암반의 형상을 가지는 3D 모델을 생성하였다(Fig. 3).
네 번째, 생성된 3D 생성 모델을 Auto CAD(3D 모델링)에 불러와 실제 Disc-Clinometer 같은 원판을 생성하여 굴곡도를 측정하였다(Fig. 4).
다섯 번째, 추출된 굴곡도와 현장에서 실측한 Data를 비교 분석 하였다.
Fig. 5는 Disc-Clinometer로 측정한 개념도를 보여주는데, 현장에서 직접 대규모 암반사면의 표면 굴곡도를 여러 크기(10cm, 20cm, 30cm, 40cm)의 Disk-Clinometer로 측정하는 경우에, 크기가 작은 Disk-Clinometer로 측정하는 경우엔 불연속면의 작은 굴곡도에 큰 영향을 받지만, 이에 비하여 크기가 큰 Disk-Clinometer로 측정하는 경우엔 불연속면의 작은 굴곡도에 영향이 비교적 적다는 것을 보여준다. 따라서 대형 불연속면의 굴곡도를 측정 할 시 다른 크기의(10~40cm) Disc-Clinometer를 사용하여 불연속면의 굴곡도를 측정하여야 한다(Lee and Hencher, 2013; Rasouli andHarrison, 2004).
자료 조사 결과 및 비교 분석
현장암반 직접 측정 조사 결과
현장에서 직접 대규모 암반사면의 표면 굴곡도를 측정한 총 61 곳의 10cm, 20cm, 30cm, 40cm Disk-Clinometer로 조사 결과를 평사투영한 결과 Fig. 6와 같았고, Table 2에서 ‘Mean Dip’는 실제로 클리노메터로 측정한 평균경사를 의미하고, ‘Mean i’는 평균경사와 각각의 경사 측정값간의 차이들의 평균 값인 평균 편차를 나타내었다.
Fig. 6와 같이 평사투영 결과 Disc-Clinometer 판의 크기가 변하였지만 평균경사(Mean Dip)의 크기가 1o 내외로 크지 않아 폴의 위치가 비슷한곳에 선정되어 평사투영으로는 변화를 쉽게 확인할수 없었지만. Table 2에서 Mean i 값은 판의 크기가 커질수록 점차 줄어드는 경향을 보였으며, 이는 판의 크기가 커질수록 점차 경사의 편차가 줄어든다는 것을 알 수 있었다.
3D Laser Scanner의 암반 굴곡도 조사측정 결과
3D Laser Scanner 로 대규모 암반사면의 표면 굴곡도를 10cm, 20cm, 30cm, 40cm 원으로 측정한 결과의 평사투영한 내용은 Fig. 7와 같고, ‘Mean Dip’는 3D Laser Scanner로 측정한 평균경사를 의미하고,‘Mean i’는 평균경사와 각각의 경사 측정값 간의 차이들의 평균 값인 평균 편차를 나타내었다.
Fig. 7과 같이 평사투영 결과 Disc-Clinometer 판의 크기가 변하였지만 평균경사(Mean Dip)의 크기가 1o 내외로 크지 않아 폴의 위치가 비슷한 곳에 선정되어 평사투영으로는 변화를 쉽게 확인 할 수 없었지만. Table 3에서 Mean i 값은 판의 크기가 커질수록 점차 줄어드는 경향을 보였으며, 이는 판의 크기가 커질수록 점차 경사의 편차가 줄어든 다는 것을 알 수 있었다.
현장 암반 직접 측정조사 결과와 3D Laser Scanner 조사 측정 결과 비교 분석
Fig. 8는 3D Laser Scanner조사 결과의 신뢰도를 분석하기 위하여 현장암반에서 직접측정한 결과 Table 2와 3DLaser Scanner로 측정하여 얻은 굴곡도 결과 Table 3을 비교한 그래프이다.
Fig. 8과 같이 Face Mapping와 3D Laser Scanner 비교한 결과에 따르면, 약 0.8~1o 가량 차이를 볼 수 있었다.이러한 이유는 직접 Disc-Clinmeter 로 측정할 시 측정자의 객관적인 요소가 포함될 수 있기 때문이라고 판단된다.
그리고 Ewan and West (1981)는 클리노미터의 조사자에 따른 경사의 측정오차는 ±5o, 측정 장비의 기계오차 ±1~2o가 발생할 수 있다고 하였다. 따라서, 평균값의 약 1o의 오차는 신뢰성이 있다고 판단된다. 그리고 Fig. 8에서 판의 크기가 커질수록 Mean i 값은 점차 내려가는 것을 볼 수 있었다. 이는 판의 크기가 커지면서 작은 굴곡들은 무시되어 Fecker and Rengers (1971)가 제시한 Roughness 보정법과 동일하게 줄어드는 것을 볼 수 있었다.
결론
본 연구에서는 기존 대형 암반사면 굴곡도 조사 방법의 단점을 보완할 수 있는 새로운 측정방법을 제안하기 위하여 3D Laser Scanner를 이용하여 울산에 위치한 대형암반사면에 대한 굴곡도를 측정하였으며, 직접 측정한 61 개소에 대해 굴곡도를 3D Laser Scanner를 이용하여 대형암반의 굴곡도를 측정한 결과는 다음과 같은 결과를 도출 하였다.
(1) Face Mapping한 Disc-Clinometer의 크기를 10cm~40cm로 변경시켜 가면서 측정한 결과 평균편차(Mean i)값이 2.0763, 1.65546, 1.5597, 1.3431로 점차 줄어드는 것을 알 수 있었다. 그래서 Disc-Clinometer 의 크기를 크게 할수록 작은 굴곡도는 무시되어 편차가 줄어드는 것을 알 수있었다.
(2) 3D Laser Scanner를 사용한 원의 크기를 10cm~40cm 로 변경시켜 가면서 측정한 결과 평균편차(Mean i)값이 2.6402, 2.3783, 2.2553, 1.9564로 점차 줄어드는 것을 알 수 있었다. 그래서 원의 크기를 크게 할수록 작은 굴곡도는 무시되어 편차가 줄어드는 것을 알 수 있었다.
(3) Face Mapping과 3D Laser Scanner 측정결과 에서는 경사 / 경사방향의 차이가 10cm에서는 0.8360o / 0.5639o, 20cm에서는 0.9180o / 0.7229o 30cm에서는 0.9180o / 0.6955, 40cm에서는 1.0100o / 0.6132o의 차이가 나는걸 알 수 있었으며, 0.9179o / 0.5948의 평균 차가 나는 걸 알 수 있었으며 Ewan and West (1981)가 제시한 ±5o의 오차 범위 안에속하므로 신뢰할만한 수준의 자료로 판단된다.
(4) 현장 암반의 굴곡도를 직접 측정시 보다 3D Laser Scanner로 측정시 3배 이상의 처리속도를 확인 할 수 있었으며(Kim, Y. 2016), 조사자가 직접 암반 위를 돌아다니지 않는 편리함과 급경사지, 위험지역에 노출되지 않을 수 있어 안정성을 확보 할 수 있었다.
(5) 측정한 자료는 컴퓨터로 저장되어 있으며 3D Laser Printer를 사용하여 실제사면을 축소된 모형의 사면으로 제작 가능하여 사후 사면관리에 용이하기 때문에(Kim, Y.2016) 정확한 대안을 강구하는 자료로 활용 할 수 있다고 판단된다.
결론적으로, 본 연구를 통하여 기존의 Disc-Clinometer와 3D Laser Scanner 의 측정 결과를 비교 하여 신뢰성을 얻을 수 있었으며, 3D Laser Scanner를 사용하여 대규모 암반의 굴곡도를 측정 하는 것이 신속성, 안정성, 주관적인 평가 및 차후관리에 더 효율성이 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 대규모 암반의 굴곡도를 측정 시 일정간격의 격자형식을 이루어 준다면 원하는 임의의 위치의 굴곡도를 측정할 수 있을 것이라고 판단되며, 좀더 가까운 거리에서 3DLaser Scanner를 측정하고, 측점간격을 좁히면 좀 더 정확한 측정결과가 나올 것 이라고 판단된다.
