물리탐사 - 굴절법탄성파탐사

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O 굴절법 탄성파탐사의 개요

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1) 탄성파 탐사는 탄성파의 전파속도는 구성암상과 밀도, 온도, 압력 등의 차이에 따라 다른 점을 이용하여 지질구조대를 파악(저탄성파 속도-파쇄대, 단층, 균열이 많은 암반)하는 지구물리 탐사법의 일종으로서 인공적인 송신원(햄머링 혹은 발파)에 의해 지하매질내를 전파하여 지표에 도달하는 탄성파를 수진기에 기록하고, 도달시간과 거리로부터 탄성파속도를 계산하여 지층의 분포심도와 지질구조를 파악하는 탐사법이다.

 

2) 지표에서 인위적으로 발생시킨 탄성파는 지하매질을 주행하다 속도가 다른 두 매질의 경계면에서 그 에너지의 일부는 반사되고 일부는 하부 매질로 굴절되는데, 이때 반사 또는 굴절되어 지표로 되돌아오는 신호를 분석하여 지하구조를 조사하는 것이 탄성파 탐사의 기본원리이다.

 

3) 탄성파 굴절법탐사는 적용규모로 볼때 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 즉, 지진파를 이용한 지구 내부 구조의 규명, 발파를 통한 심부 지각 조사, 공학적인 적용으로 천부 지층조사가 있다. 굴절법탐사의 장점은 굴절면의 깊이와 속도의 수평적인 변화를 비교적 쉽게 파악할 수 있다는 데 있다. 특히 지층의 속도는 가장 일반적으로 얻어지는 물성으로서 이 정보는 암석강도, 굴착난위도, 유체 함량과 같은 많은 지반공학적인 요소들을 평가하는 데 중요한 자료가 된다.

 

 

 

 

 

 

O 굴절법 탄성파탐사의 원리 및 방법

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굴절법 탄성파탐사 모식도

 

 

1) 굴절법 탐사는 매질의 탄성특성에 의해 전파되는 탄성파 중 지표 바로 아래를 통해 도달한 직접파와 지하 매질 내 경계면으로부터 굴절되어 지표에 도달한 굴절파를 기록하고 가장 먼저 도달하는 초동을 발췌하여 주시곡선을 작성하고, 이를 해석함으로써 지층의 심도 및 지하의 속도구조를 규명하는 탐사법이다.

 

2) 발파, 해머 등 여러가지 수단을 사용하여 인공적인 탄성파를 발생시켜 지층 경계면에서 굴절되거나 반사되는 탄성파를 기록하고 이를 분석함으로써 지하에 대한 정보를 얻을 수 있다.

 

3) 지표상에 배치된 수진기(Geophone)에서 발파 등에 의해 발생된 진동을 감지하여 지층의 탄성파 속도를 규명하는 방법으로서 지표에서 발생된 탄성파가 속도가 다른 서로 다른 지층을 통과하면서 반사되는 선두파(Head wave)의 도달시간을 기록, 분석함으로써 지층구조를 파악할 수 있다.

 

4) 탐사방법

① 1측선 5m 간격으로 수진기를 설치

② 각각의 발진에 대한 각 채널에서 파형을 기록

③ 측정된 파형으로부터 파의 처음 도달한 시간(초동)을 읽어 들임

④ 주시곡선도에 나타난 각 직선의 기울기를 통해 각 지층의 속도를 구한 후 각 층의 심도를 구함

⑤ 시추조사 및 기타 조사 결과와 비교 검토

 

 

 

해머를 이용하여 인공탄성파 발생

 

 

 

 

 

 

O 암석의 탄성파 속도

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1) Barton은 1991년 현장탄성파속도에 의하여 구한 암반속도 Vp와 Q-System 값과의 관계를 수식으로 다음과 같이 표현하였으며 Q값과 P파의 개략적인 관계를 아래와 같이 나타내었다.

 

 

 

Vp(m/s)	500	1,500	2,500	3,500	4,500	5,500	6,500	비고
Q	0.001	0.01	0.1	1	10	100	1,000

< 탄성파 속도와 Q값과의 대략적인 관계 >

 

 

 

2) 일반적으로 국내에서 사용하고 있는 탄성파 속도와 지반분류 기준은 <표 6.1-2>에서 나타낸 바와 같이 건설 표준품셈과 지질조사 표준품셈이 주로 사용된다.

 

암분류	건설표준품셈			지질조사 표준품셈		비고
	암종분류	탄성파속도 Vp(km/sec)	내압강도 (kgf/cm2)	탄성파속도 Vp(km/sec)	내압강도 (kgf/cm2)
토 사	A	0.7 이하	300 이하	-	-
	B	1.0 이하	100 이하
풍화암	A	0.7～1.2	300～700	1.2 이하	125 이하	A:사암 석회암 역암 B:셰일 이암
	B	1.0～1.8	100～200
연 암	A	1.2～1.9	700～1,000	1.2～2.5	125～400
	B	1.8～2.8	200～500
보통암	A	1.9～2.9	1,000～1,300	2.5～3.5	400～800
	B	2.8～4.1	500～800
경 암	A	2.9～4.2	1,300～1,600	3.5～4.5	800～1,200
	B	4.1 이상	800 이상
극경암	A	4.2 이상	1,600 이상	4.5 이상	1,200 이상

 

* 풍화암 : 일부는 곡괭이를 사용할 수 있으나 암질이 부식되고 균열간격이 1～10cm 정도로서 굴착 또는 절취에는 약간의 화약을 사용해야 함

* 연 암 : 균열간격이 10～30cm 정도로서 굴착 또는 절취에는 화약을 사용해야 하나 석축용 으로는 부적합한 암질

* 보통암 : 굴착 또는 절취 시에 화약을 사용해야 하며 균열간격이 30～50cm 정도의 암질

* 경 암 : 굴착 또는 절취시에 화약을 사용해야하며 균열상태가 1m 이내로서 석축용으로 쓸 수 있는 암질

* 극경암 : 암질이 아주 밀착된 견고한 암질

 

 

3) 대표적인 물질의 탄성파속도(지반환경물리탐사, 손호웅 외, 1999)

미고결 물질(m/sec)		고결 물질(m/sec)
풍화층	300 ~ 900	화강암	5,000 ~ 6,000
토양	250 ~ 600	현무암	5,400 ~ 6,400
충적층	500 ~ 2,000	변성암	3,500 ~ 7,000
점토	1,100 ~ 2,500	사암,혈암	2,000 ~ 4,500
모래(불포화)	200 ~ 1,000	석회암	2,000 ~ 6,000
모래(포화)	800 ~2,200	기타(m/sec)
모래와 자갈(불포화)	400 ~ 500	물	1,400 ~ 1,600
모래와 자갈(포화)	500 ~ 1,500	공기	331.5
빙하 퇴적물(불포화)	400 ~ 1,000
빙하 퇴적물(포화)	1,700
압측	1,200 ~ 2,100

 

 

 

 

 

 

 

O 탄성파속도에 의한 분류

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토목공사를 위한 지반의 절취방법 측면에서 흙 및 암반의 구분은 중장비작업에 해당하는 토사, 리퍼작업에 해당하는 리핑암, 그리고 발파에 의해 절취되는 발파암으로 구분된다. 절취방법 조사는 시추조사, 현장조사, 기시공된 공사기록의 조사, 현장 탄성파 탐사, 암석에 대한 일축압축강도와 탄성파 속도 시험 등을 통해서 판단한다.

 

암질	매우양호	양호	보통	불량	매우불량
풍화도	신선	다소풍화	보통풍화	많이 풍화	완전 풍화
탄성파속도 (m/s)	> 2,150	1,850 ~ 2,150	1,500 ~ 1,850	1,200 ~ 1,500	450 ~ 1,200
Rippability	발파	리핑 곤란, 발파	리핑 매우 어려움	리핑 어려움	쉽게 리핑

 <암질, 풍화도 및 탄성파속도에 따른 Rippablilty 분류(Weaver, 1975>

 

 

토공작업 구분	토질 상태	N - Value	탄성파속도(m/s)	코어회수율(TCR)	작업 기준
토사	표토층 및  풍화잔류토층	15cm이하/50회	1,000 이하	-	-
리핑암	풍화암층	15cm이상/50회	1,000 ~ 1,800	15 ~ 20%	30ton Dozer
발파암	연암 및 경암	-	1,800 이상	15 ~ 25% 이상	-

<건설교통부 암반분류 기준표>

 

 

 

구분	탄성파속도(m/s)
	연질	중질	경질
사암	1,000 이하	1,000 ~ 1,500	1,500 ~ 2,000
점판암	1,000	1,000 ~ 1,500	1,500 ~ 2,000
석영반암	900	900 ~ 1,200	1,200 ~ 1,500
석회암	600	900 ~ 1,000	1,100 ~ 1,500
화강암	600	900 ~ 1,000	1,100 ~ 1,500

<2023 건설표준품셈, 암질과 탄성파속도와의 관계>

 

 

 

※ 참고자료

2023.03.24 - [강박사의 토목이야기] - 우리나라의 암반분류(암판정)

2023.08.08 - [강박사의 관련법령집] - 굴착공사 표준안전 작업지침[시행 2023.7.1]

2023.08.16 - [강박사의 토목이야기] - RMR에 의한 암반 분류