가. 기계식 발진기
스프링식 발진기의 개념도는 그림 5.2.3과 같다(목영진 외, 2003a; Mok et. al., 2003b).
트리거(trigger) 라인 안쪽의 트리거 케이블(Trigger Cable)로 트리거 공이(Trigger Arm) 를 회전시키면, 스프링으로 장진된 충격 공이(Impact Pestle)가 공벽을 때리는 동시에 재 장진스프링(Return Spring)에 의해 다시 장진 된다. 공기 주머니(Air Bag)에 압축공기를 주입하여, 발진기를 공벽에 밀착시켜 충격에너지를 극대화한다. 이 발진기의 특징은, 장치 가 비교적 간단하며 견고하고, 충격 에너지도 커서 토사지반에 적합한 것으로 판명되었다.
또한 기계식이어서 전기를 사용하지 않으므로 전원을 공급하는 부대시설이 필요치 않다.
발진기를 가동시키기 위한 와이어(wire)는 방수성과 힘을 가한 경우에 감지기가 발진기의 가동으로 인한 영향을 안 받게 하기 위해서 이중으로 보호되어진 와이어를 사용하였다.
그림 5.2.4는 이차 개량한 발진기의 모습이다. 몸체뚜껑부분을 MC나이론을 사용하여 조 립 및 해체가 쉬워졌고, 자중을 줄였으며, 크기 또한 작게 줄였다.
정면도(상), 측면도(중), 분해도(하) 그림 5.2.3 스프링식 발진기의 개요도 그림 5.2.4 스프링식 발진기
나. 전기-기계식 발진기
앞의 기계식 발진기는 와이어를 잡아 당겨 발진기를 가동(triggering))하였다. 이 때 문에 반복적인 트리거로 인해 와이어의 손상이 잦았으며, 트리거에 사용되는 와이어는 기 성품이 없어 구입이 용이하지 않았다. 그리고 약 50m 정도가 되는 와이어를 시험 시에는 곧바로 펴주어야 트리거가 가능하므로 시험 현장에 트리거를 위해 와이어를 펼칠 수 있는 공간이 확보되어야 했으며, 트리거를 위한 별도의 인력이 필요하였다. 이런 문제를 해결 하기 위해 그림 5.2.5와 같이 감속모터와 캠을 이용한 트리거 장치가 개발 장착되었다(목 외, 2004).
그림 5.2.5 모터를 이용한 삼차 스프링식 발진기 분해도(좌), 세부도(우)
다. 속도 감지기
석유탐사나 탄성파 지반조사 목적으로 널리 사용되고 있는 지오폰(geophone)은 그림 5.2.6과 같이 추-스프링-자석(mass-spring-magnet)으로 이루어져 있다. 한 질량을 갖는 추가 스프링으로 지반위에 놓인 지지대에 매달려 있다. 이 추에 코일이 부착 되어 있고 이 코일의 질량은 추의 질량에 포함된다. 지반이 움직이면 지지대에 부착된 자석이 지반 의 진동에 따라 움직이는 반면, 추는 관성에 의해 정지상태를 유지하려는 경향이 있어 자 석보다 뒤늦게 움직이게 된다. 따라서 코일이 자기장내에서 상대적으로 움직이게 된다.
자기장내에서 코일이 움직이면 전압이 발생하게 되는데, 전압의 크기는 움직이는 속도에 비례한다. 따라서 지오폰을 속도 감지기라고 부른다. 이 지오폰의 고유진동수(natural frequency)는 감쇠가 없는 이론적인 경우의 진동수를 말하며, 추의 질량과 스프링의 스프 링계수의 비(m/k)에 좌우된다. 즉, 추의 질량과 스프링의 강성에 따라 고유진동수가 결정 된다. 발생되는 전압의 크기는 코일의 길이와 코일에 수직으로 작용하는 자기장 밀도 (flux density)의 곱에 따라 비례한다. 이 지오폰이 다운홀 탐사콘에 장착되어 있다. 일 반적으로 토사층에서는 저 진동수(4-20 Hz)의 지오폰을, 암반과 같이 단단한 매질에서는
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고 긴동수(20 Hz 이상)의 지오폰을 사용한다. 이 인홀 시험에 사용한 속도 감지기의 사 양은 표 5.2.1과 같다.
SPRING MASS
PIGTAIL
CONDUCTOR
ELECTRICAL OUTPUT
N S
그림 5.2.6 Geophone의 개념도 표 5.2.1 속도 감지기의 사양
모델명 : Geo Space (GS-14-L9) Damping Constant 738 Sensitivity (±15%) 600mV/ips Displacement Limit 0.09in Natural Frequency (±20%) 28Hz Inertial Mass 0.076oz
Coil Resistance (±5%) 1500ohms Orientation Angle ±180°
Coil inductance 90mh Damping Factor (±30%) 0.28
라. 인홀 프로브 성능 검증
경희대 구내 화강암 풍화토 현장에서 인홀 시험을 위해 파워오거를 사용하여 한 개의 홀을 심도 2.8m 까지 굴착 한 후 실험을 수행하였다. 인홀시험 프로브는 발진기와 감지 기를 1m 간격으로 연결재를 조합하였고, 케이싱의 영향을 배제하기 위해 케이싱은 설치하 지 않았다. 그림 5.2.7은 인홀 시험에서 얻은 전단파 신호이고, 각 신호에서 전단파 초동 (도달시점)이 화살표로 표시되어 있다. 인홀시험 결과를 검증하기 위하여 홀 간격을 2.68m로 하여 추가로 굴착하여 크로스홀 시험을 수행하였다. 발진기와 수진기는 인홀프 로브에 사용한 것을 그대로 사용하였다. 그림 5.2.8은 크로스홀 전단파 신호이고 마찬가지 로 화살표로 전단파 초동을 표시하였다. 그림 5.2.9는 이 전단파 도달시간에서 구한 전단 파속도 분포이다. 인홀시험 결과가 크로스홀시험 결과와 잘 일치하고, 전단파 초동 판별 도 용이한 우수한 전단파 신호를 얻을 수 있어 만족할 만한 성능을 입증하였다.
그림 5.2.7 인홀 전단파 신호 그림 5.2.8 크로스홀 전단파 신호
0
0 . 5
1
1 . 5
2
2 . 5
3
0 2 0 0 4 0 0 6 0 0
S h e a r w a v e v e l o c i t y ( m / s )
Depth (m)
C r o s s - h o l e te s t I n - h o l e te s t
그림 5.2.9 경희대 부지의 전단파 속도 주상도
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