3-1. 물리탐사 및 재료원 조사에 의한 자료 제시
학습 목표
• 지질구조 및 지층의 물성 파악을 위해 시추조사와 병행하여 물리탐사를 수행할 수 있다.
• 공사용 재료의 공급 계획에 따라 인근 지역에 재료원 위치를 선정하고, 국․내외 관 련 시방기준 및 지침에 따라 구조물용 재료로서의 적합성 여부를 판단할 수 있다.
• 물리탐사 및 재료원 조사 결과에 따라 설계에 필요한 자료를 제시할 수 있다.
필요 지식 /
물리탐사
1. 물리탐사 개요 (1) 광역 물리탐사
지표지질도 및 원격탐사로부터 얻어지는 구간 선도 등을 근거로 그 지역의 대체적인 지반 공학적 상태를 알아내는 데 이를 광역 물리탐사라 부르며, 주로 광역중력, 항공 자력, 항공방사능탐사 등이 있다.
(2) 개략 물리탐사
지역 내의 수평, 수직적인 지질 구조 등에 대한 개략 정보를 알기 위해 측정 간격이 비교적 좁은 중력탐사, 항공자력탐사, 항공방사능검사 및 MT탐사, SDAMT 등을 수행하 여 얻거나 획득되어 있는 자료를 종합, 해석하는데, 이를 개략 물리탐사라고 부른다.
(3) 정밀 물리탐사
정밀 물리탐사는 토양층, 풍화대층, 기반암에 대한 깊이, 강도, 경사 등과 구조적인 위
(4) 물리검층 및 시추공 내 물리탐사 및 시추 공간 물리탐사
(가) 위에서 얻은 변수들은 지표에서 얻은 자료이므로 직접적인 증명이 불가능하다.
EK라서 물리탐사로 추출한 변수들이 추정한 대로 공간적 분포를 하고 있는가 를 확인하기 위해서 가능한 한 정밀하게 시추공을 이용하여 시추공 내 물리검 층 및 필요한 경우에는 시추공 간의 탄성파 토모그래피, 레이더 토모그래피, 시 추공 영상촬영 등을 수행한다.
(나) 이러한 여러 가지 시추공 내 물리탐사적 방법들로부터 얻은 자료와 위의 (1), (2), (3) 탐사에서 얻은 자료를 서로 비교해서 종합적으로 해석하여 최종 결론을 얻는다.
(다) 이 밖에도 물속에서 용존 물질의 양, pH, EH, 전기 전도도 등의 지구·화학적 변수를 비롯 시추공 내에서 행하는 온도, 수두, 파쇄대 및 지하수 유입 지점 확 인, 유속 등 수리·지질학적 변수 등을 추출한다.
2. 물리탐사의 분류
다음 표에는 물리탐사의 분류와 적용을 나타내었다.
탐사 장소 탐사 방법 탐사 결과 이용 범위 적용 분야
공중에서의 탐사
원격탐사 스펙트럼
화상
고유의 디지털 데이터로부터 지
질구조 등을 파악함. 산사태, 지진 공중 전자탐사 비저항 겉보기 비저항의 차이를 이용해
서 지열, 지하수 분포를 파악함.
지하수, 지열, 산 사태
해상에서의 탐사
반사법 탐성파 탐사
비저항 속 도층 단면
- 해저의 지질 구조를 조사함.
- 신기 퇴적물의 퇴적 상황과 상 태 변화를 조사함.
교량, 해저터널, 해 양 구조물, 발전소
지표에서의 탐사
굴절법 탐성파
탐사 탄성파 속도
지반의 속도층 구조로부터 터널 의 암반 분류와 굴착성 등을 파 악함.
산악터널, 댐, 발전소, 절토사면, 산사태
천층반사법
탄성파 탐사 탄성파 속도
- 천부의 지질 구조 탐사에 많이 이용됨.
- 최근에는 내진설계에 직접 이용 할 수 있는 S파 탐사도 이용됨.
댐, 산악터널, 대규 모 암반 공동
2차원비저항
탐사 비저항 - 단층, 지하수맥 검출함.
- 최근에는 암반 분류
산악터널, 댐, 발전 소, 산사태 전기탐사법 비저항 10m~1km의 탐사 심도에 적용 가
능함.
산악터널, 댐, 대규 모 암반 공동
<표 3-1> 물리탐사의 분류와 적용
탐사 장소 탐사 방법 탐사 결과 이용 범위 적용 분야
터널 및 시추공을 이용한 탐사
HSP법 탄성파
속도
탄성파를 사용하여 터널 막장 전 방의 암반내부 구조를 파악하여 굴착에 따른 영향을 평가하여 시 공관리에 반영시킴.
산악터널, 해저터널
TSP법 P파 속도 S파 속도
지층구분 및 암반분류의 지표로 이용됨.
절토사면, 교량, 댐, 산악터널, 항만 BIPS 화상 암반의 균열 상태를 파악함. 절토사면, 대규모
암반 공동
지 오 토 모 그 래 피
탄성파 P파 속도
- 공간의 탄성파 속도를 구함.
- 지질 구조, 암반 분류 및 지반 개량 효과 판정에 이용됨.
댐, 산악터널, 지반 개량
비저항 비저항
- 공간의 비저항 분포도를 구함.
- 단층 및 파쇄대의 검출, 지반 개량 효과의 판정, 지하수 변 화 등의 모니터링에 이용됨.
절토사면, 댐, 산악 터널, 지반 개량
3. 지표 물리탐사
(1) 굴절법 탄성파탐사(Seismic refraction survey, ASTM D 5777)
굴절법 탄성파탐사는 지표 부근에서 발생시킨 인공에너지로 탄성파(P파, S파)를 발생시 켜 속도가 다른 지층 경계에서 굴절되어 돌아오는 굴절파를 지표에서 측정·기록하여 지층의 심도 및 지하 구조에 대한 정보를 얻는 탐사법이다. 기존의 시추 결과 및 지질 자료 등과 얻어진 탄성파 속도를 종합적으로 분석하여 탐사 지역에 대한 속도층을 표 현하고, 기반암 및 토층의 두께를 산출한다.
[그림 3-2] 굴절법 탄성파탐사 결과 단면
(2) 반사법 탄성파탐사(Seismic reflection survey, ASTM D 7128)
(가) 반사법 탄성파탐사는 지표 부근에서 발생시킨 인공 에너지로 탄성파(P파, S파) 를 발생시켜 속도가 다른 지층 경계에서 반사되어 돌아오는 반사파를 지표 혹 은 해상에서 측정 기록하여 지하 구조를 파악하는 방법이다. 굴절법 탄성파탐 사에 비해 탐사 과정과 해석이 어려워 주로 수십 미터 이하의 심부 지하 구조 를 파악하는데 사용된다.
[그림 3-3] 반사법 탄성파탐사 모식도
(나) 반사법 탄성파탐사는 단층을 규명하거나 공동 탐지, 파쇄대 탐지 등 다양한 분 야에서 활용될 수 있다.
(다) 다음 91쪽의 [그림 3-4]는 반사법 탄성파탐사를 통한 퇴적층과 기반암을 도시 한 결과이다.
(a) 반사시간 단면도
(b) 해석시간 [그림 3-4] 반사시간 단면도 및 해석결과
(3) 전기 비저항탐사(Electrical resistivity surveys)
(가) 전기 비저항탐사는 지하의 전기적 물성 차이에 의한 전위차를 측정함으로써 지 하 구조를 조사하는 탐사법이다. 지하의 전기 비저항 분포를 추정하여 지하의 파쇄대나 단층 등의 지질 구조 조사, 지하수나 지역조사, 환경오염대 파악, 토 목 지반조사 등에 적용되고 있다.
(나) 전기 비저항탐사기는 전류계, 전압계, 전원, 전극, 전선 등으로 구성된다. 전극 은 금속막대를 사용하여 탐사에 사용되는 전선은 탐사계획에 따른 전극 설치 간격에 맞춰 준비하여야 한다. 현재는 전류계와 전압계가 내장되어 있으며 전 류를 직접 송출하여 한 번에 다수의 데이터를 자동 측정기록하건 판독할 수 있 는 탐사기기들이 다수 존재하고 있다.
(다) 전기 비저항탐사 방법에는 수직탐사, 수평탐사, 2차원 탐사법이다. 수직탐사는 지층 구조가 수평 층서 구조에 가까운 경우 심도 방향의 전기 비저항 분포를 탐사하는 경제적인 방법이다. 수평탐사는 수평 방향의 전기 비저항 분포를 조 사하여 비교적 지표 부근 지질의 불연속성, 매설물, 지하수 상황 등을 파악하는
(라) 탐사 방법에 따라 전극 배열은 웨너 배열, 슐럼버저 배열, 쌍극자 배열, 단극- 쌍극자 배열, 단극 배열 등이 있다. 여러 가지 전극 배열에 대해 측정된 전류 I 와 전위 V로부터 전기 비저항을 다음 식으로 계산한다.
여기서 G는 거리계수(geometric factor)라 하며, 전극 배열, 전극 간격(a) 및 전극 전개수(n)에 의해 결정되는 계수이다. 또한 여기서 계산된 전기 비저항은 지반 의 평균적인 전기 비저항을 나타내고 있기 때문에 겉보기 비저항이라고 부른다.
·
여기서, I : 전류(A) V : 전위(V) : 전기비저항
G : 거리계수(geometric factor)
(마) 아래 그림은 터널 예정 구간에 대한 전기 비저항탐사를 실시하고, 전기 비저항과 RMR값과의 상관관계를 분석하여 RMR 등급에 따라 단면을 구현한 결과이다.
[그림 3-5] 전기비저항 탐사결과 단면
4. 시추공탐사
(1) 크로스홀 탄성파기법 (Crosshole seismic method, ASTM D 4428)
(가) 크로스홀 탄성파기법(Stroke and Wood, 1972)은 가진원에서 수진공으로 전파된 탄성파의 속도를 측정하는 방법이다. 크로스홀 기법은 2차원 단면 결정을 위한 토모그래피 기법과는 달리 일반적으로 가진공과 수진공 사이의 1차원적인 탄성 파 속도 주상도를 결정하기 위하여 주로 활용된다. 시험의 목적은 토층 또는 기반암의 물성치 도출, 불연속면, 단층, 지하공동을 탐지하는 데 있으며, 응용 분야는 기초지반 조사, 지진공학, 내진설계, 댐의 안정성 분석, 인공적 발파에 의한 지하구조 모니터링 등에 활용할 수 있다.
[그림 3-6] 탄성파탐사 크로스홀 현장 시험 개요도
[그림 3-7] 기존 시설물의 내진성능 평가를 위한 크로스홀 탄성파기법의 적용결과
(2) 업홀 탄성파기법(Uphole seismic method)
업홀 탄성파기법은 다운홀기법과는 반대로 지중에서 발생한 가진에 의해 지표면으로 전파되는 탄성파를 획득하여 지반의 압축파 및 전단파속도 주상도를 도출하는 기법이 다. 업홀 탄성파 기법의 수행은 현장 실험을 통한 깊이별 탄성파 신호의 획득, 도달시 간 정보의 추출, 탄성파 속도 주상도 도출의 3단계로 구성된다. 지중에서의 가진 방식
[그림 3-8] SPT 업홀 탄성파 기법 현장 시험 개요도
(2) 다운홀 탄성파 기법(Downhole seismic method, ASTM D 7400)
다운홀 탄성파 기법은 거리를 알고 있는 특정 구간에 대해 탄성파의 이동 시간을 도 출함으로써 그 구간의 탄성파 속도를 도출할 수 있다는 원리를 기초로 하고 있다. 지 표면에서 압축파 및 전단파를 발생시켜 시험공 내부의 3성분 지오폰으로 수신되는 최 초 도달 시간을 기록하여 지층별 탄성파 속도 및 동적 물성치를 파악한다. 다운홀 탄 성파기법 시험 영역에서 지반의 층상 구조는 수평한 것으로 간주하고 해석하며, 1차원 적인 탄성파 속도 주상도를 도출하게 된다.
[그림 3-9] 다운홀 탄성파 기법 현장 시험 개요도