굴절법 탄성파탐사

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굴절법 탄성파탐사 1. 시작

해설 굴절법 탄성파탐사는 속도가 서로 다른 지층의 경계에서 굴절되어 지표로 되돌아오는 파를 기록하여

지하의 속도구조를 해석하는 방법이다. 이 방법은 토목을 대상으로 오래 전부터 이용되어 온 관계로 토목 분야에서 말하는 탄성파탐사는 주로 이 굴절법 탄성파탐사를 의미한다. 굴절법 탐사에서는 주로 P파의 초동을 판독하고 해석하는 것이 일반적이지만 측정에는 여러 방법들이 있다. 탐사 대상별 적용으로는 ① 건설 중인 터널이나 시험굴착 중인 수평 갱내의 벽 및 하부 암반의 속도

측정, ② 지표면에 발파점과 수진점을 배치하여 표층부의 대략적인 구조를 구하는 시간지연법, ③ 심부 탄성기반을 파악하기 위한 대규모 굴절법 탄성파탐사, ④ 토질 지반에서의 S파를 이용한 굴절법 탄성

파탐사 등을 들 수 있다. 땅 속에 전파되는 실체파에는 P파와 S파가 있는데 굴절법 탐사는 이 중에서 P파를 일반적으로 이용

한다. 이에 비해 S파를 이용하는 방법은 주로 토질 지반을 대상으로 평탄한 지형조건에서 실시되는 경우가 많다. 여기서는 P파를 이용한 굴절법 탄성파탐사를 중심으로 설명한다. 그림-1.1은 굴절법 탐사에 대한 모식도이다. 최근 들어 측정 장치는 그 크기가 작아지고 자료기록 장치는 디지탈화, 다중채널화되고 있다. 자료분

석에 있어서도 컴퓨터에 의한 자동 해석이 가능하고 그 결과 또한 보다 정밀해지고 해석 시간도 크게 단축되고 있다. 또한 토모그래피 해석을 굴절법 탄성파탐사에 적용시켜 지반의 속도구조를 상세히 파악하는 해석도 이루어지고 있다.

속도 경계

굴절파

다이나마이트

직접파

수신케이블

자료기록장치

발파표시

발파기중계선

발파모선

수진기

그림-1.1 굴절법 탄성파탐사 측정 시스템 모식도

2. 적용 대상

해설

굴절법 탄성파탐사는 지하 구조가 그다지 복잡하지 않고 하부층 속도가 상부층보다 큰 경우에 적용

된다. 일반적으로 지반은 심부에서 고결도(固結度)가 높고, 표층에서 심부로 갈수록 순차적인 풍화를 받기 때문에 대부분의 경우 굴절법 탄성파탐사의 만족한다. 그러나 이것이 적용될 수 없는 지반 조건도 존재하기 때문에 적용에 앞서 기존의 지질 자료 등을 충분히 검토할 필요가 있다. 지반의 속도층 구분

굴절법 탄성파탐사에는 탐사 대상에 따라 몇 가지 변형된 방법들이 있지만 여기서는 P파 초동을 이용하는 일반적인 방법에 관하여 설명한다.

1) 굴절법 탄성파탐사는 심부로 갈수록 지반의 탄성파 속도가 커진다는 가정을 전제로 한다. 대부분

의 경우 이와 같은 지반 조건을 만족하므로 굴절법 탐사는 터널 주변의 지반상황 파악이나 댐 기초암반의 평가를 비롯한 토목 분야의 많은 조사에 폭넓게 이용될 수 있다. 탐사에서 얻어지는 속도구조는 지질 분포, 강도 또는 균열의 정도, 풍화⋅변질대 등의 지질 상황, 단층 파쇄대의 유무나

규모 등의 지질구조를 파악하는 데 이용된다.

굴절법 탄성파탐사

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은 암석의 종류, 고결도, 풍화·변질 및 균열의 정도 등과 같은 복합적 요인에 의해 정해지기 때문에 같은 지질⋅지층이라도 풍화의 정도에 따라 다른 속도층으로 구분되고, 이와 반대로 서로 다른 지층들도 같은 속도층으로 파악되는 경우도 있다. 지하 심부로 갈수록 속도가 커지는 경우, 각 속도층의 속도대비가 클수록 속도 구분이 쉽고 층 두께

의 결정에 대한 정밀도가 높다. 예를 들어 풍화가 안된 경질 암반 위에 고결도가 낮은 퇴적물이 분포

하는 경우에는 퇴적층의 두께는 쉽게 구해진다. 이에 비해 기반암 상부의 풍화가 꽤 진행되어 있는 경우에는 속도 변화가 점진적이기 때문에 앞의 경우와 비교할 때 지층경계의 심도나 지층의 두께를 구하

는 데 정밀도가 떨어진다. 지질 조사의 대표적인 조사 방법의 하나인 굴절법 탄성파탐사는 토목 분야에서 그 적용 범위가 넓어

댐, 도로, 터널, 교량, 산사태, 부지 조성을 대상으로 많이 사용된다. 특히 터널 주변의 지반 평가나 댐의 기초암반 평가, 사면 경사도의 결정 등과 같은 구조물의 기초조사 및 불안정한 흙과 관련된 공학적 판단의 중요한 지표를 얻기 위한 조사 수단으로서 이용되고 있다. 또한 도로나 댐 사업을 예로 들면 동일한 대상이라도 예비⋅개략적 조사 단계, 설계⋅시공을 위한 정밀조사 단계, 시공 단계, 유지⋅관리 단계

까지의 모든 단계에서 토목공학적인 평가 자료의 지침으로서 폭넓게 이용되고 있다. 굴절법 탄성파탐사는 ① 적용 대상 분야가 넓고, ② 지표에서 실시할 수 있고, ③ 관측이 쉬운 P파의

초동을 측정 대상으로 하기 때문에 적용하기 쉽다는 장점이 있다.

3. 계획 입안

3.1 자료 검토 및 기본 계획

해설

굴절법 탄성파탐사를 계획하는 데 있어서는 조사 목적에 맞추어 사전에 지형도, 지질도, 토지 이용도, 지질조사 보고서, 주변의 공사 기록 등 기존 자료를 수집·정리하고, 조사 지역의 지형, 토질, 지질 등의 특성을 파악한다. 예비 조사나 개략적인 조사의 단계에서는 기존 자료가 없는 경우가 대부분이지만, 만약 지질이 같은 지역에 대한 자료 등이 있으면 이를 참고하여 기본 계획을 세운다면 더욱 효과적일 것이다. 굴절법 탄성파탐사를 적용하는 데 있어서 그 한계에 대해서도 충분히 검토하고 다른 조사 방법(반사

법 탄성파탐사, 전기탐사, 전자탐사, 각종 검층, 지질답사, 시추 조사 등)과의 병행이나 대체도 고려하여 조사 목적을 달성하기 위한 최적의 탐사 계획을 세운다. 굴절법 탄성파탐사에 대한 해석 원리상의 한계나 측정 기술상의 적용 한계는 다음과 같으며 이와 같

은 지질조건이 예상되는 경우에는 다른 탐사법도 포함시키는 탐사 계획을 세우도록 한다.

(1) 해석 원리상의 적용 한계 주시곡선의 해석은 굴절파의 초동을 판별하여 수행하는 것으로서 주시곡선에는 각 층으로부터의 굴

절파가 초동으로 기록되어야 한다. 따라서 굴절법 탄성파탐사에 적합한 속도구조는 다음 조건을 만족

해야 한다.

a) 각 층의 속도는 심부로 갈수록 증가할 것 일반적으로 지하 심부로 내려갈수록 속도는 커지기 때문에 굴절법 탄성파탐사의 적용성은 매우 높다.

그러나 화산암 지대, 심층 풍화나 파쇄를 받은 연암 위에 용암 등의 경암이 분포하는 지역, 호층을 이루는 신생대 제3기 이후의 퇴적암 등에서는 그림-3.1과 같이 지표 부근이 심부 지층에 비해 상대적으로 속도가 높거나 중간층이 상대적으로 속도가 높을 경우가 있다. 이와 같은 상황에서는 하부 저속도층에 의한 굴절파는 지표에서 측정되지 않기 때문에 별도로 반사법 탄성파탐사나 음파검층 등을 계획하는 것이 좋다.

1) 탐사 계획을 세울 때는 기존 자료를 충분히 파악하고 지형의 급한 경사나 기복의 정도, 지질 및풍화, 경암 및 연암 분포, 박층의 존재, 단층의 경사 등에 대하여 미리 검토한다.

2) 필요할 경우 반사법 탄성파탐사, 전기탐사, 전자탐사, 음파검층 등의 다른 탐사 방법들을 함께 사용할 것을 검토한다.

굴절법 탄성파탐사

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지표

지표 지표

지표

V1 = 1.5~ 2.0 km/s ( )화산성쇄설암

V2 = 3.5~ 4.0 km/s ( )안산암질용암

V3 = 2.0~ 2.5 km/s

( )웅회암

V V V2 > 3 > 1

고속도층

V1

V1

V2

굴절법해석결과

굴절법해석결과

속도 인안산암질용암의속도가높기때문에V2 속도 인응회암이탐지되지않는다V3 .

화산분출물분포지역

화산분출물분포지역

V1 = 3.5~ 3.8 km/s ( )안산암질용암

V2 = 2.4~ 2.6 km/s ( )웅회각력암

V V1 > 2 인속도역전의경우

V1 . 층 외에는해석할수없다

탐사범위

탐사범위

그림-3.1 굴절법 탄성파탐사가 적용되기 어려운 지질 조건

b) 각 층은 어느 정도 두꺼울 것 층은 일반적으로 심부로 갈수록 두꺼워진다. 그러나 속도가 심도에 따라 커지는 경우에도 심부 지층

의 두께가 어느 정도 이하로 얇을 경우에는(그림-3.2) 얇은 층에 의한 굴절파는 초동으로 관측되지 않는다. 이와 같은 층을 숨은층(hidden layer)이라 한다. 이것은 속도비나 두께비에 관계되지만 일반적으로

하부층이 상부층보다 그 두께가 얇을 때 숨은층이 되기 쉽다. 따라서 이와 같은 지질 상황이 예상되는 경우에는 음파검층 등을 병행하도록 한다.

T 1

T 2

T 3

V1

V 1

V 2

V 2

V 3

V3

h1

h2

X1X2

얇은 층의 존재

측선

V1 = 2.6 km/s

V2 = 4.6 km/s ( )고속도층 안산암암맥

V1 = 2.6 km/sA Bx

평

면

도

주시곡선

측선에 평행하게 고속도층이 분포하기 때문에 로 부터의 굴절파는 고속도층을 전파하여 측선하부의 구조를보여주지 않는다

A

.

측선에 평행하게 고속도층이 존재하는 경우

그림-3.2 얇은 층의 존재 1) 그림-3.3 측선에 평행으로 고속도층이 존재할 경우 c) 측선에 평행 또는 예각으로 교차하는 고속도층이 존재하지 않을 것 측선 근처에 측선과 평행 혹은 예각으로 교차하는 상대적인 고속도층이 분포하는 경우에는 그림-3.3

에서와 같이 굴절파는 고속도층에서 전파된 파동이 초동으로 전파되기 때문에 측선 바로 밑의 속도구

조가 나타나지 않게 된다. 이와 같은 현상은 암맥과 같이 강도 차이가 큰 지층경계가 존재할 때 나타

나는 경우가 많은데 이와 같은 상황이 예상되는 구간에서는 측선을 교차시키는 등의 측선 설정을 통하

여 측선 직하부의 지하 구조에 대한 해석 정밀도를 높이는 탐사 계획을 세운다.

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(2) 측정 기술상의 해석 한계 굴절법 탄성파탐사의 정밀도와 그 한계를 한마디로 말하기는 그리 쉬운 일이 아니다. 굴절법 탄성파

탐사는 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 굴절한 파의 초동주시(초동 도달시간)를 판독하여 속도구조를 결정하는 탐사법이다. 천부의 속도 분포는 발파점 부근의 수진점에서 관측된 초동주시, 심부의 속도 분포

는 발파점에서 멀리 떨어진 수진점에서의 초동주시를 기초로 하여 결정한다. 일반적으로 심부로 갈수

록 탄성파의 전파경로에 불확실한 요소들이 포함되기 때문에 해석의 정밀도는 그만큼 떨어진다. 또 고주파수 탄성파는 빨리 감쇠하기 때문에 발파점에서 먼 지점에서의 초동주시는 더욱 판독하기 어려워진

다. 게다가 심부는 지표 부근과 비교하여 속도값이 크기 때문에 시간의 정밀도가 같은 경우에 두께 또는 깊이로 변환되면 오차는 더욱 커지게 된다. 굴절법 탄성파탐사에서 측정되는 파동의 우세 주파수(dominant frequency)는 일반적으로 20∼100 Hz 이

고 초동의 판독은 1 ms 단위로 하였을 경우, 탄성파 속도를 고려하면 층두께의 해석 정밀도는 좋은 조건일 경우 지표 부근에 있어서는 1 m 정도, 심부에서는 수 m ∼ 10 m 정도의 오차를 보인다. 따라서 심부 단층 파쇄대 등의 정확한 구조를 파악하기 위해서는 시추조사를 병행하거나 토모그래피

해석 등을 염두에 둔 탐사 계획을 세워 해석의 정밀도를 높일 필요가 있다.

3.2 측정 계획

해설

굴절법 탄성파탐사 결과의 정밀도를 높이기 위해서는 먼저 조사 지역의 지형이나 지질 상황을 고려

하여 조사 목적에 맞는 측정 계획을 짜는 것이 중요하다. 측정 계획이 불충분하면 양호한 자료를 얻을 수 없고 해석 정밀도 및 지질 해석에도 큰 영향을 미치기 때문에 이에 대한 충분한 준비가 필요하다. 굴절법 탄성파탐사의 해석에는 하기와라 방법 및 이를 확장시킨 방법이 있다. 이 방법은 발파점이

서로 다른 주시 자료를 기초로 하는데 지형과 각 속도층의 경계면이 비교적 평탄하다는 것을 전제로 해석한다. 그러므로 산지 등 기복이 심한 지형에 대한 지하 심부의 속도구조를 구하는 것은 곤란하다. 해석 정밀도를 향상시키기 위해서는 <3.3 측선 설정>에 설명된 사항들을 최대한 만족시켜 측정 계획을 짜는 것이 필요하다. 굴절법 탄성파탐사 해석을 위한 처리 방법으로 최근에는 주시 역산을 통한 탄성파 굴절법 토모그래

피가 널리 이용되고 있다. 토모그래피 역산법은 매개변수를 이용하는 방법에 따라 셀(cell) 매개변수법

과 블록(block) 매개변수법으로 분류할 수 있다. 셀 매개변수법은 지층을 아주 작은 요소로 나누어 각각

의 요소마다 속도를 달리하여 사용하는 방식으로 시추공간 토모그래피 등에 많이 사용되며, 블록 매개

변수법은 지층을 일정한 블록으로 나누는 방식으로서 지층을 층서로 구성하여 지층 경계면의 모양을 변화시킬 때 편리하다. 역산을 수행하는 동안 매 반복마다 이론 주시가 필요한데, 이를 계산하기 위해서는 파선추적법(ray

tracing)이 널리 사용되고 있으며, 이는 음원에서 수진기로 도달하는 파의 경로 및 도달시간을 스넬의 법칙이나, 페르마의 원리(Fermat’s principle)를 이용하여 결정하는 방법이다. 파선추적법은 초고주파수의 탄성파 에너지가 파선추적법 방정식에 의해 결정되는 궤도를 따른다는 개념에 기초하고 있으며 굴곡법

(bending method), 발사법(shooting method) 등이 있다. 이중 발사법은 스넬의 법칙에 따라 수진기에 파가 도착할 때까지 음원에서 발사되는 파의 방향을 반복적으로 수정하는 방법이며, 다른 한 방법인 굴곡법

은 음원과 수진기 사이의 파선경로와 지층경계면의 교점을 페르마의 원리를 만족하도록 반복적으로 수정하는 방법이다.

하지만, 고전적인 파선추적법은 종종 실제의 초동 주시를 계산해 내지 못하는 경우가 생기는데, 예를 들어 저속도층과 같이 파선이 전파하지 못하는 암영대가 생길 수도 있으며, 굴절이나 회절이 일어날 경우 최소 주시를 찾아내는 데 문제를 일으키기도 한다. 최근 이런 현상을 줄이기 위해 사각형 셀과 절점을 이용해 유한차분법으로 파면을 구한 후 파선을 구해내는 방법이 제안되기도 하였다.

3) 측정 계획은 해석의 신뢰성, 정밀도, 결과의 해석⋅평가에 큰 영향을 미친다. 그러므로 사전에 조

사 지역의 지형이나 기존 자료에 대한 지질조건을 검토하고 조사 목적, 탐사심도 등을 충분히 고

려할 필요가 있다. 측선 계획에는 기본적으로 측선의 전개와 길이, 발파점과 수진점의 전개간격,

최대 수진점 간격 등이 포함된다.

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3.3 측선 설정

해설 측선은 탐사 지역의 적절한 위치에 설정한다. 측선에는 주측선, 보조측선 등이 있다. 측선은 지형이

평탄하거나 경사가 일정하고 기복이 심하지 않은 곳에 설정한다 (그림-3.4). 복잡한 지형에서 얻어진 주시곡선은 해석하는데 그만큼 정밀도가 떨어진다.

바람직한 측선 설정 방법 기복의 변화에 대응한 발파점 배치

(사면의 기복이 약간 일정하게 경사를 가질 경우)

경사가 변화하는 경우의 측선 설정 방법

벼랑 지형을 피하는 측선 배치 탐사심도와 측선 길이(최대 수진거리)의 설명

그림-3.4 측선전개의 방향 2)

주측선은 예를 들어 터널과 같은 선형 지하구조물의 조사에서 지질상황을 가장 잘 파악해야 하는,

구조물의 계획 노선 직상부에 설정하는 측선을 말한다. 점판암이나 결정편암 등과 같은 층상 지질, 연암 분포 지역에서의 관입암, 경암 또는 강도의 변화가 큰 지질경계 등의 주향과 주측선이 평행 또는 예각으로 교차하는 경우에는 굴절파는 전파속도가 상대적으로 큰 고속도층을 주행하기 때문에 해석 결과는 측선 직하부의 단면을 보이지 않을 수 있다. 이와 같은 지질 상황이 예상되는 경우에는 사면의 최대 경사방향이나 고속도층의 연장 방향과 직교하는 방향으로 보조측선을 전개하여 탐사를 행한다.

4) 측선은 탐사 목적을 고려하여 적절한 위치에 설정한다. 5) 측선은 평탄하거나 경사가 일정한 사면에서 가능한 한 심한 기복이 없는 곳에 설정한다. 6) 단층, 파쇄대 등과 같은 지질공학적 구조선의 형상을 파악하고자 할 경우에는 가능한 한 주향과

직각에 가까운 각도로 측선을 취하는 것이 효과적이다. 이와 같은 전개가 주측선에서 곤란할 경우

에는 보조측선을 이 방향으로 운영한다. 7) 측선 길이는 조사하고자 하는 범위나 심도를 고려하여 적절하게 조정한다. 측선 길이는 탐사심도

h로부터 결정되는 최대 수진거리(일반적으로 7h∼10h) 보다 크게 잡는다. 지표 조건 등으로 이 길이를 확보할 수 없을 경우에는 측선 연장선상의 적절한 위치에 원격 발파점을 설치하여 그 길이

를 보충하는 것이 바람직하다.

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또한 터널의 갱구 부근이나 절토사면의 조사에 있어 지하 속도구조가 사면의 측선전개 방향과 다를 것으로 예상되는 지형⋅지질 조건의 경우에는 속도구조와 직교하는 방향으로 측선을 전개한다. 특히 단층 파쇄대의 폭이나 형상을 파악하는 경우에는 파쇄대의 주향에 거의 직각 방향으로 측선을 설정하면 효과적이다. 댐에 대한 기초조사의 경우에는 측선을 댐 축을 중심으로 격자 모양으로 설정하기 때문에 특별히 주

측선이라는 표현은 사용하지 않는다. 굴절법 탄성파탐사에 있어서 측선 길이는 예를 들어 터널에서는 한쪽 갱구에서 다른쪽 갱구까지의

연장, 댐에서는 댐 축에 해당하는 길이가 기준이 되지만 이와 같은 구조물의 범위에 해당되는 길이 외에 탐사 대상의 심도에 따라 정해지는 최대 수진거리가 있다. 최대 수진거리는 발파점에서 발생시킨 탄성파가 얼마나 멀리 떨어진 수진점까지 측정될 수 있는가를 가리키는 거리이다. 최대 수진거리는 적어도 탐사 대상 심도의 7~10 배는 되어야 한다. 측선 길이를 결정할 때에는 이와 같은 사항들을 고려

하여 결정하는데, 경우에 따라서는 측선이 구조물의 계획 범위 밖까지 전개되어야 할 때도 있다. 터널 조사에서는 일반적으로 계획선의 바로 위를 따라 주측선을 설정한다. 일반적으로 산악 터널은

갱구 부근의 피복층은 얇고 중앙부에서 두껍다. 따라서 탐사심도 또한 갱구 부근은 얕고 중앙부는 깊어져서 갱구 부근의 최대 수진거리는 비교적 짧지만 중앙부의 최대 수진거리는 길어진다. 이와 같이 같은 측선이라도 최대 수진거리는 탐사심도에 따라 달라진다. 따라서 실제 계획에 있어서는 구체적인 상황들을 모두 고려하여 측선 길이를 결정하는데, 경우에 따라서는 원격 발파점의 병행도 계획한다. 최대 수진거리를 계산으로 결정하는 예를 들어보자. 2층 구조를 가정하여 교차거리를 구하고 그 결과

로부터 대략적인 최대 수진거리를 계산한다 (식 3.1). )/()(2 1212 VVVVhAX A −+= (3.1)

여기서 AAX 는 교차거리(m), h는 탐사심도(m), 1V 은 1층의 속도(m/s), 2V 는 2층의 속도(m/s)이다.

표-3.1 탐사심도와 최대 수진거리와의 관계

예상 지질구조 속도주시의 해석범위 x (m) 측선길이 또는 최대 수진거리 X (m) 속도비

1

2

VKV

= 탐사심도

h (m)

교차거리

(m)AAX 500

800

1,200

2,000

3,000

0.40

25 50

100 200

75155305610

350190

——

650490190

—

1,050890590

—

1,850 1,690 1,390

780

2,850 2,690 2,390 1,780

0.45

25 50

100 200

80165325650

340170

——

640470150

—

1,400870550

—

1,840 1,670 1,350

700

2,840 2,670 2,350 1,700

0.50

25 50

100 200

85175345690

330150

——

630450110—

1,030850510

—

1,830 1,650 1,310

620

2,830 2,650 2,310 1,620

0.55

25 50

100 200

95185370740

310130

——

610430

60—

1,010830460

—

1,810 1,630 1,260

520

2,810 2,630 2,260 1,520

0.60

25 50

100 200

100200400800

300100

——

600400

——

1,000800400

—

1,800 1,600 1,200

400

2,800 2,600 2,200 1,400

최대 수진거리는 교차거리보다 커야 한다. 표-3.1은 (3.1)식을 이용하여 최대 수진거리를 설정한 예이

다. 예를 들어 1층과 2층의 속도비가 1/2이고 그 경계가 25 m 깊이에 있을 경우 2층에서의 굴절파는 발파점에서 85 m 이상 떨어진 수진점에서 관측된다는 것을 의미한다. 따라서 측선 길이가 500 m이고 최대 수진거리가 500 m일 때 측선의 양단 85 m를 제외한 중앙부 330 m 구간에서 2층에서의 굴절파가 측정되므로 이 구간에서는 2층의 속도와 층두께를 구할 수 있다. 한편 측선의 양단 85 m 구간에서는 1층의 속도만 구할 수 있고 2층의 속도나 층두께는 구할 수 없다. 만일 측선의 양단 85 m의 구간에서 2층의 속도와 층두께를 구하고자 할 때는 85 m 구간의 양단에서 85 m이상 떨어진 발파점에서의 측정기록

굴절법 탄성파탐사

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이 추가로 필요하다. 2층의 속도나 층두께를 보다 정확하게 구하기 위해서는 하기와라 방법을 적용할 수 있는 구간이 어느 정도 필요하고, 탐사심도도 예상한 것과 크게 달라질 경우도 있기 때문에 최대 수진거리는 약간 크게 설정하는 것이 바람직하다. 측선의 시작점 또는 끝점 근처에서 탐사심도가 깊은 경우 또는 탐사심도에 비해 측선길이가 짧은 경우에는 측선의 연장선상에 원격 발파점을 설정하는 것이 바람직하다. 수치적인 방법을 이용하는 해석법에서도 최대 수진거리의 설정에 관한 기본적인 사항

은 마찬가지이다. 3.4 측점 간격

해설

토목 분야에서 굴절법 탄성파탐사는 수진점 간격을 5 m 또는 10 m로 하는 것이 일반적이다. 탐사 심도가 얕은 경우에는 5 m, 깊은 경우 10 m를 많이 사용한다. 탐사심도가 꽤 깊을 때는 20 m 정도인 경우

도 있지만 천부 속도구조의 정밀도가 심부의 해석에 큰 영향을 미치기 때문에 탐사심도가 깊다는 이유

만으로 수진점 간격을 크게 하는 것은 피하는 것이 좋다. 반대로 대상 심도가 5∼20 m 인 경우에는 수진점 간격을 단축하여 1∼3 m 간격으로 하는 경우도 있다. 발파점은 측선 안쪽에서는 일반적으로 30∼60 m 간격으로 한다. 또 기복이 심한 지형의 변환점 등에

는 발파점을 추가로 설정한다. 탐사심도가 깊을 경우에는 통상적으로 발파점 간격을 넓게 설정하지만 발파점 간격을 넓히면 그만큼 표층의 속도구조를 결정하기 어렵고 그 영향이 하부 속도구조에도 미치

기 때문에 탐사 범위 및 해석 정밀도를 고려하여 발파점을 잡는다. 원격 발파점은 측선의 연장선상에서 필요한 거리만큼 떨어진 발파점이다. 이것은 측선이 짧을 경우

측선 구간 내의 발파점의 기록만으로는 목적하는 탐사심도를 충분히 얻을 수 없는 경우에 설정한다. 원격 발파점을 설치하면 대상 심도에서의 굴절파가 측선상의 수진기에 충분히 기록되어 해석상 유효한 자료가 될 수 있기 때문에 가능한 한 병행하는 것이 바람직하다. 측정할 때에는 앞의 사항 등을 고려하여 발파 계획을 포함한 탐사 계획을 작성하여 현장 측정에 반

영한다 (그림-3.5, 그림-3.6).

1 전개 전개 끝의 발파점

전개 중의 발파점 원격발파점

그림-3.5 발파점 간격 1) 그림-3.6 발파점 계획 1)

3.5 탄성파 발생원

8) 수진점의 간격은 일반적으로 탐사심도가 얕을 때는 5 m, 깊을 때는 10 m로 하는 경우가 많다. 9) 발파점의 간격과 위치, 원격 발파점의 위치는 탐사심도와 예상 지질구조, 탐사 대상의 구조에 대한 해석의 정밀도를 고려하여 계획한다. 일반적으로는 30∼60 m 간격으로 설정하는데 기복이 심한

지형에서는 경사 변화가 큰 곳에도 발파점을 설치하여 해석의 정밀도를 효과적으로 높인다. 10) 원격 발파점의 위치는 탐사심도를 고려하여 설정한다.

11) 탄성파는 일반적으로 다이나마이트(폭약)를 사용하여 발생시킨다. 특히 탐사심도가 깊은 경우에는

다이나마이트 발파방법이 주로 쓰인다. 탐사심도가 깊어서 1 회 발파에 사용할 다이나마이트의 양이 많아질 경우에는 효과적인 발파 및 보안상의 관점에서 시추공내 발파를 계획하는 것이 좋다．

12) 탐사심도가 약 20 m 이하인 경우에는 다이나마이트를 사용하지 않고 중력추 또는 해머 타격으로

발생시킬 수 있다.

굴절법 탄성파탐사

- 68 -

해설 탄성파 발생원으로는 일반적으로 에너지가 크고, 수진거리를 향상시킬 수 있는 다이나마이트가 사용

된다. 다이나마이트의 양을 늘리면 수진거리를 향시킬 수는 있지만 폭약을 지표 근처에서 대량으로 소비하는 것은 위험하고 지반 손상이나 발파 잡음이 발생한다. 또한 발생 에너지가 지하에 효과적으로 전파되지 않는다. 이 때문에 피복이 두꺼운 터널을 대상으로 하는 탐사와 같이 탐사심도가 깊을 경우

에는 수중 발파나 시추공내 발파를 계획한다 (표-3.2). 통상적인 발파는 일반적으로 흙 속에서 발파하고, 토사의 비산 대책으로서 흙포대나 방폭시트 등으

로 덮는 경우가 많다. 수중 발파는 늪이나 강 등을 이용하고 흙 속에서의 발파에 비해 보다 작은 양으

로 보다 큰 파동 에너지를 내기 때문에 유리하다. 시추공내 발파는 가능한 한 멀리 떨어진 수진점까지 굴절파를 도달시키고자 시추 굴착하고 그 공 속

에 다이나마이트를 장착하여 발파시키는 것으로서 지표에서 실시하는 것보다 소량으로 양질의 기록을 효과적으로 얻을 수 있고, 지상의 피해도 작기 때문에 유리하다. 최대 수진거리와 사용한 다이나마이트 양의 관계는 사용한 다이나마이트의 양과 발파점 부근의 지질상황에 따라 다르기 때문에 한마디로 말할 수는 없지만 표-3.3은 수진거리와 사용한 다이나마이트(폭약) 양의 관계, 그림-3.7은 최대 수진거리와 다이나마이트 양의 일반적인 관계를 나타낸다. 발파점 부근에 인가나 구조물 등의 보호대상이 있는 경우에는 이들에 대한 피해를 막기 위해 시추공내 발파를 계획하는 경우도 있다. 탐사 심도가 20 m 정도보다 얕은 경우에는 다이나마이트 대신 중력추 등에 의한 방법도 생각할 수

있다. 또한 탐사심도가 5 m 내외로 얕은 경우에는 해머(sledge hammer)로 지면을 타격하여 파를 발생시

킬 수 있다. 이러한 경우에는 수-수십 회에 걸쳐 실시한 동일한 조건에서의 발파 기록을 합치는 중합 측정법을 종종 사용한다.

표-3.2 발생원별 표준 수진거리 2)

발생 원

지표 발파

시추공내 발파

수중 발파

중력추

해머 타격

에어건

수진 거리 (km).1 .2 .3 .4 .5 .6 .7 .8 .9 1.

표-3.3 수진거리와 다이나마이트(폭약)사용량의 관계 2)

사 용 폭 약 량 (kg) 수진거리 (km) 0.1 0.1 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0 지 표 발 파 0.1~0.2 0.4~0.7 시추공내 발파 0.1~0.2 0.7~1.0 2.5~4.0 7~10 30~40 70~100

시추공내발파

수중발파

지표발파

폭약량

(kg)

최대수진거리(km) 그림-3.7 최대 수진거리와 다이나마이트(폭약) 사용량의 관계 2)

굴절법 탄성파탐사

- 69 -

4. 현장 측정

4.1 측정 장치

해설 측정 장치를 그림-1.1의 측정 시스템 모식도를 가지고 설명해보자. 수진기는 상하 진동 성분의 속도

형(움직코일형) 지오폰으로서 고유 주파수가 10∼40 Hz 정도인 규격을 일반적으로 사용한다. 수신 케이

블은 일반적으로 12개의 수진기가 하나의 케이블에 부착될 수 있도록 12개의 단자가 붙어 있는 24심의 케이블이 사용된다. 중계선으로서 24수진점 성분을 동시에 측정할 수 있도록 24성분(48심)의 다심 전선

이 사용된다. 증폭기로서는 24수진점을 1전개로 할 때 24채널의 증폭기가 사용된다. 최근에는 48채널 이상의 증폭기를 사용하는 추세이다. 동시에 수신할 수 있는 채널수를 증가시키면 측선 길이가 긴 경우에 전개 수와 발파횟수를 대폭 줄일 수 있고 동시에 전개의 연결 부분이 그만큼 줄기 때문에 해석의 정밀도가 향상되는 효과가 있다. 자료기록 장치에는 아날로그 형태와 디지탈 형태가 있다. 아날로그 형태의 기록 장치로서는 전자식 오실로그래프가 쓰이고 파형 기록과 함께 시간 간격을 나타내는 시간 표시선(timing line)과 발파 시간을 나타내는 발파 표시점(shot mark)이 동시에 기록된다. 최근에는 자료기록 장치는 반사법 탄성파탐사에서와 같이 디지탈 형태로 변하고 있다. 디지탈 형태의 기록 장치는 증폭기

가 자체에 들어있다. 기록이 디지탈화됨에 따라 컴퓨터를 사용한 관측 파형의 신호처리나 각종 해석용 소프트웨어의 활용이 용이해지고 해석기술이 더불어 고도화되고 있다. 중합 측정에서는 중합 또는 신호향상 기능을 가지는 장치를 사용한다. 발파기는 다이나마이트를 발생원으로 할 때 사용하는 기기로

서 전기뇌관의 폭발에 필요한 전류를 발생시키고 기록기에 트리거를 보내는 기능이 있다.

4.2 현장 출입의 승낙 및 허가

해설

현장을 출입할 때에는 사전에 들어갈 조사 지역내의 토지 소유주, 토지 이용자 등의 관계자들을 파악하여 작업 내용 등을 잘 설명하고 승낙을 얻도록 한다. 출입 허가 등에 관한 절차는 현장 작업의 공정을 크게 좌우하는 경우가 많기 때문에 원활한 협의 체제가 바람직하고, 예상 소요 기간을 충분히 고려하여 공정을 계획할 필요가 있다. 특히 국공립공원 또는 보안림 등에서 실시하는 경우에는 정지 작업에 상당히 긴 기간이 소요되는 경우가 많다. 발생원으로 다이나마이트를 사용하는 경우에 우리나라에서는 사용지 관할 경찰서에서 화약류 사용

허가증을 교부받아야 하고, 사용 전일에 화약류 운반신고를 하여야 하며, 사용 당일에 관할 파출소에 운반신고필증을 접수하여야 한다. 화약류 사용 허가를 위한 민원 서류는 12종으로 화약류 사용허가서, 화약류 양수허가 신청서, 공사 계약서 사본, 현장약도(개략, 상세) 및 현장 사진 등이 필요하다.

4.3 측선 측량

해설

측선 측량은 수진점마다 측선의 시작점으로부터 수진점 번호 또는 거리를 기록한 말뚝을 설치하고 실시한다. 측선 길이는 일반적으로 수평 거리로 나타내며 수진점 간격도 수평 거리로 잰다. 단, 지표의 사면이 급하고 측선설정 구간의 사면 기복이 작고 일정하다고 간주되는 경우에는 경사 거리로 측선을 설정하는 경우도 있다. 또한 수진점의 표고도 측량한다.

1) 측정 장치는 일반적으로 수진기, 수신 케이블, 중계선, 자료기록 장치(증폭기 포함), 발파기로 구성된다. 이러한 측정 장치는 현장 측정에 앞서 그 작동 상태를 확인하는 것이 좋다. 특히 수진기

의 출력 전압이나 파형 이상의 유무, 케이블의 단선이나 누선, 발파기의 안전성, 자료기록 장치의

작동 상태에 관하여 점검한다.

2) 현장 탐사는 사전에 출입할 조사 지역 내의 토지 소유주, 토지 이용자, 현지 주민, 관계기관의 승낙을 얻고 동시에 법령에 정해진 인⋅허가 사항에 대하여 행정구역이나 도로관리자 등의 허가를 얻은 뒤에 수행한다.

3) 현장 기준점이나 위치가 명확히 알려진 지점으로부터 계획된 측선을 측량하여 설정한다.

굴절법 탄성파탐사

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측량에는 트랜싯(전경의)과 나침반, 수준기, GPS 등을 이용하고 이를 자료처리⋅해석 단계에서의 측선 단면도를 작성할 때 사용한다. 측량할 때 벌목을 해야 할 경우에는 먼저 토지 소유주의 허가 또는 승낙을 얻도록 한다.

4.4 측정 준비

해설

전개 작업은 수진기를 지표에 설치하고 수신 케이블에 접속한 다음 이를 측정 본부까지 연결하는 일체 작업을 말한다. 수진기는 수진기의 최대 반응방향이 지표면과 수직이 되도록 표토 중에 단단히 고정하고 물에 젖지 않도록 하거나 방수 수진기를 사용한다. 발파 준비는 전개 작업을 하는 동안에 동시

에 실시한다.

4.5 측정

해설 측정 준비가 끝나면 우선 수진기의 작동 상황이나 발파기로부터의 트리거가 정확히 들어가는가를 확

인한다. 그리고 조사 지역의 잡음 크기에 따라 증폭기의 이득을 설정하고 잡음이 작은 순간에 안전을 확인한 다음에 발파·측정하고, 순차적으로 발파시켜 전체 자료를 얻는다. 기록에서는 초동진폭의 상태

나 발파 표시점의 유무, 시간선의 명확도 등에 대한 자료의 질을 점검한다. 발파에서 측정 완료까지의 작업을 개별 수진기 전개마다 실시하고 전체 측선이 완료될 때까지 이와

같은 작업을 순차적으로 반복 실시한다. 하나의 측선에 대하여 여러 차례의 수진기 전개를 할 때는 수진기 전개 방향의 끝에 있는 수진점이 다음 수진기 전개에서 첫 번째 수진점이 되도록 중복 측정하여 측선이 연속되도록 한다.

4.6 보안 사항

해설

화약류를 사용하는 경우는 화약류 관리 보안 책임자 또는 화약기사가 화약류 단속법에 근거하여 작업한다. 주변 작업자에게 안전을 철저히 주지시키고 운반, 화약고의 관리, 발파 등과 관련된 법령 등을 준수한다. 가파른 사면에서 작업을 할 때는 작업자와 기자재의 추락 및 낙하사고에 대하여 충분한 주의를 기울인다.

5. 자료처리

5.1 자료 정리

4) 측정 본부와 발파 작업자 사이의 원활한 연락 및 발파기로부터 기록계로의 트리거를 위해 측선

전체 길이에 걸쳐 트리거 케이블 또는 전화선(발파기에 별도의 장치가 있는 경우)을 설치한다． 5) 전개(spread) 작업에서는 양질의 기록을 얻기 위해 각 수진기를 지표에 단단히 고정·설치하고 수신

케이블에 접속한 다음 이를 측정 본부까지 연결하는 것을 1전개로 하여, 각 전개마다 같은 작업을

반복한다.

6) 측정 작업에 있어서는 작업 계획서를 현장에 지참하여 그것에 따라 작업을 실행한다. 7) 측정 자료의 품질을 검토하고 증폭기의 이득 조정이나 필요에 따라서 필터계수들을 설정한다. 필요할 경우 양질의 자료를 얻기 위해 재측정에 들어간다.

8) 측정 작업에서는 서로 이웃한 수진기 각 전개단위의 끝이 다음 전개단위의 시작점이 되도록 설치

하여 그 지점에 대한 중복 측정으로 연속된 측선을 유지한다.

9) 현장 작업에서는 사고 방지에 만전을 기하지 않으면 안된다.

1) 주시곡선을 작성하기 위해 현장 측정시의 전개 번호，수진점과 발파점의 위치, 발파점의 심도 등을 정리·기록한다.

굴절법 탄성파탐사

- 71 -

해설 그림-5.1은 자료처리 및 해석 작업의 흐름도를 나타낸다. 각 파형 기록에 대하여 수진기 전개번호, 발

파점 위치, 발파심도 및 수진점과 기록상의 해당 채널 등을 쉽게 알 수 있도록 자료기록 노트와 대조

하며 정리한다.

관측 파형 기록

자료 정리

초동주시 발췌

주시곡선 작성

주시곡선의 검토 및 조정

주시곡선의 선정

속도주시 계산

심도주시 계산

속도층 단면 작성

경사보정

파선 계산에 의한 검토 및 수정

그림-5.1 해석 작업의 흐름도 1)

5.2 초동의 도달시간 판독

해설

측정된 파형 기록으로부터 초동의 도달시각을 판독하여 야장 등에 기입한다. 아날로그 형태의 측정

기록은 그림-5.2의 측정(파형)기록의 예에서 보듯이 일정 간격의 시간 표시선과 수신파형 및 발파시각

을 나타내는 발파 표시선이 나타나거나 발파 표시선 없이 발파 시간부터 기록된 기록이 표시된다. 굴절파의 초동 시각은 수신파형의 시작부(파형의 상향 또는 하향부)로 잡는다. 초동의 도달시간은 발파표

시선과 초동 시각의 시간차로서 이 시간을 주시라고 하는데 보통 1 ms 단위로 판독(디지탈 장비의 경우 1 ms 이하로 함)한다.

그림-5.2 측정(파형) 기록과 판독 결과의 예 1)

2) 측정된 파형 기록으로부터 초동의 도달시각을 판독하여 기록하는데 굴절법 탄성파탐사에서는 일반적으로 1 ms 단위로 판독한다.

굴절법 탄성파탐사

- 72 -

5.3 주시곡선의 작성

해설 주시곡선은 가로축에 거리, 세로축에 주시를 표현하여 작성한다. 1 mm 방안용지를 사용하는 경우 거

리를 나타내는 가로축의 수진점 간격은 1 cm(축척 1：1000일 때 10 m, 축척 1：500일 때 5 m)에 맞추어 표시한다. 이때 세로축의 시간은 1 cm에 각각 10 ms와 5 ms로 표시하는데 이 경우 그래프상의 기울기가 45°인 직선은 1 km/s의 속도를 나타내므로 해석 작업이 훨씬 수월해진다.

5.4 주시곡선의 점검과 조정

해설

하기와라 방법과 이를 확장시킨 방법의 적용에 있어서 해석의 출발점이 되는 주시곡선은 관측 오차, 판독 오차 및 읽기 오류 등을 점검하여 주시곡선의 기하학적 조건이 만족되도록 조정한다. 이러한 조건을 만족하지 않는 주시곡선은 해석에 모순을 초래하여 해석이 불가능하든지 큰 오차를 낳는 원인이 되기 때문에 충분한 점검과 조정이 필요하다. 주시곡선의 작성에 필요한 구체적인 점검 사항은 다음과 같다. 또한 주시곡선은 일반적으로 관측 오차 등이 있기 마련이나 최대 오차범위를 2∼3 ms 정도로 억제하는 것이 바람직하다.

(1) 전체 주시의 일치

2개의 발파점 A, B 사이의 전체 주시를 TAB, TBA라 하면 TAB와 TBA는 서로 일치한다. 이것은 파의 전파

경로가 서로 동일하다는 것을 뜻하고 발파점 간격이나 속도 구조에 관계없이 성립한다. 예를 들어 그림-5.3과 같이 발파점이 A, B, C, D 4개가 있는 경우 주시곡선이 복잡한 형태를 하고 있어도 각각의 전체 주시는 일치한다. 즉 TAB＝TBA, TAC＝TCA, TAD＝TDA, TBC＝TCB, TBD＝TDB, TCD＝TDC이 항상 성립한다.

A B C D 그림-5.3 전체 주시의 일치 1)

옳음틀림

평행이동

전개의연결부분

그림-5.4 주시의 읽기 오류에 기인한 그림-5.5 전개의 연결 부분에서의 전체 주시의 불일치 1) 주시의 불일치 1)

전체 주시가 일치하지 않는 원인으로서는 그림-5.4, 그림-5.5와 같이 주시의 읽기 오류, 수진기 전개의

연결 부분에 대한 주시의 불일치에 의한 것 등이 있다. 또한 수중 발파의 경우(그림-5.6)에도 전체 주시

가 일치하지 않는 경우가 있다. 이것은 수중 발파점 부근에 암반이 노출되어 주변의 표토와 속도가 크게 다른 지질이 분포하고 현장 조건상 수중에 수진기를 설치할 수 없어 표층부에 수진기를 설치한 경

3) 주시곡선은 측선 거리，수진점 간격, 주시를 기초로 작성한다. 가로축과 세로축에 각각 거리와 시간을 표현하는데 거리의 축척은 일반적으로 1/500 또는 1/1000, 이에 대한 시간축은 각각 5 ms와10 ms를 1 cm로 표시한다.

4) 주시곡선은 해석 작업의 기본이 되므로 초동주시를 읽고 그리는데 실수가 없도록 충분히 점검하

고 조정한다. 또한 작성된 주시곡선은 필요한 정밀도 이내에서 ① 전체 주시(total time)의 일치，②

시간절편(intercept time)의 일치，③ 주시곡선의 평행성 등의 조건을 충족하고 있는지 확인한다.

굴절법 탄성파탐사

- 73 -

우 등에 해당된다. 이와 같이 해석에 앞서 전체 주시가 일치하지 않을 때는 그 원인을 검토하고 주시

곡선 전체를 예상하면서 전체 주시가 모두 일치하도록 점검·조정한다.

불일치

늪

조정

평행이동

늪에서 수진한주시추정

발파점수신점표토

암반

그림-5.6 수중 발파의 경우 전체 주시의 불일치 1)

(2) 시간절편의 일치

시간절편은 각 속도층에 대한 주시곡선의 기울기를 발파점(원점)까지 그었을 때 시간축과 만나는 점의 주시이다 (그림-5.7). 각 발파점에서 좌우 양방향으로 확장된 주시곡선들 중에서 같은 층을 통과하는 주시곡선의 기울기를 나타내는 시간절편은 서로 일치한다. 시간절편이 일치하지 않는 것은 전체 주시

의 조정이 불완전한 경우이므로 (1)에서 설명한 전체 주시를 다시 점검하고 조정한다. 단 발파점 부근

의 바로 아래에 속도층 경계면의 심도가 크게 다른 구조가 있는 경우에는 시간절편이 일치하지 않을 수 있다는 점을 염두에 두고 주시곡선을 충분히 점검·조정한다.

그림-5.7 시간절편의 일치 1)

주시차곡선

평행부 평행부 평행부

파선경로

주시곡선

발파점

그림-5.8 주시곡선의 평행성 1) 그림-5.9 주시곡선의 요철 경향의 일치 1)

굴절법 탄성파탐사

- 74 -

(3)주시곡선의 평행성 그림-5.8과 같이 2개의 발파점에서 같은 방향으로 확장한 주시곡선은 서로 평행이 되는 부분이 존재

한다. 이들은 동일한 속도층의 경계면에 대한 굴절파의 주시로서 이러한 현상을 주시곡선의 평행성이

라 말한다. 그림-5.9에서 주로 지표 부근의 요철이나 암반 등의 노출에 기인하는 주시곡선은 요철이 있어도 평행성은 성립한다. 6. 해석

6.1 주시곡선의 식별

해설 해석에 있어 주시곡선의 각 부분이 어느 속도층으로부터 나온 굴절파인지를 적절하게 식별해야 한다.

식별이 부적절하면 해석 결과에 큰 오차가 생긴다. 실제 주시곡선은 요철이 많아 꺾인 점을 명확하게 판독할 수 있는 경우가 많지 않기 때문에 주시곡선의 평행성 등의 성질을 최대한 이용하여 (그림-6.1) 각 층의 주시곡선에 해당되는 꺾인 점을 명확히 판독한다. 또한 모든 발파점들의 조합에 있어 속도층

에 대한 꺾인 점들 수가 양쪽에서 같은가를 점검한다 (그림-6.2).

그림-6.1 주시곡선의 평행성을 이용한 꺾인 점의 결정 1)

그림-6.2 꺾인 점의 점검 방법 1)

6.2 속도층 단면의 작성

해설

해석은 하기와라 방법 및 이를 확장시킨 방법으로 한다. 이것은 지형이나 지하의 속도층 경계에 기

1) 해석 작업에서는 지하의 어느 속도층에서 나온 굴절파인가를 주시곡선에서 식별하고 또한 이러한

식별을 주시곡선상에 표현한다. 한 조의 주시곡선에 있어서 각 주시곡선상에서 식별된 부분 또는

꺾인 점의 수는 같아야만 한다. 이러한 점을 효과적으로 판별하기 위해서는 이에 대한 속도 주시

곡선들을 한 그림에 함께 포함시키는 것이 바람직하다.

2) 계획된 해석법을 이용하여 순서에 따라 해석하고 올바르게 조정된 주시곡선으로부터 측선에 대한

속도층 단면을 구한다．또한 가능하면 이 속도층 단면에 주요 발파점으로부터 수신점에 이르는

굴절파의 경로를 그리고 그 전파 시간이 주시곡선상의 해당 위치에 정확히 찍혀있는지 확인하는

것이 바람직하다.

굴절법 탄성파탐사

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복이 있는 경우에 사용되는 방법으로서 일본에서 굴절법 탄성파탐사의 해석은 대부분 이 방법을 사용

한다. 주시곡선(그림-6.3a)에서 속도주시의 계산이 가능한 범위에서 속도주시를 구하고, 각 층에 대한 속도

주시의 기울기와 각 수진점에 대한 각 층의 심도주시로부터 각 층의 속도와 두께를 계산하여 속도층 단면을 작성한다.

그림-6.3b는 속도층 경계가 반드시 같지 않은 2 층 구조의 경우에 하기와라 방법에 의한 해석 모식도

를 보인다. 파선으로 나타낸 T`AP 및 T`BP는 속도주시 또는 T`곡선이라 부르는데 이것은 제2 층의 상부

면을 굴절하여 전파되는 파동의 주시에 해당된다. 또한 임의의 수신점 P에 대한 주시와 속도주시의 차이 'P AP APd T T= − 를 P점에 대한 심도주시 또는 지연시간이라 부른다. 층두께 hP는 그림 6.4의 모형을 참

조하여 다음 식들로부터 차례로 구해진다.

121

coscosV

ihVAP

Vih

T CPCAAP ++≅

121

coscosV

ihVBP

Vih

T CPCBBP ++≅

121

coscosV

ihVAB

Vih

T CBCAAB ++≅ (6.1)

0

1

2 cos_ P C

AP BP ABh i

t T T TV

= + = (6.2)

21

0'

cos2

)(2

'Vx

VihTTTT

tTTT CAABBPAP

APAPAPAP +≅−+

−=−== (6.3)

2

)(22

)(2

' 0 BPAPABABBPAPAPAPAP

TTTTTTTt

TT −+=

−+−=−= (6.4)

1

0 cos'

2 Vih

TTt

d CpAPAPP =−== (6.5)

C

PP i

Vdhcos

1= (6.6)

여기서 1V 은 1층의 속도, Ci 는 1층과 2층에 대한 임계굴절각이다. 따라서 각 수신점의 위치에서 반경

hP의 원호들을 그려 그 포락선이 속도층 경계면의 구조가 된다. 3층 이상의 다층 구조에서도 이와 같은 순서를 확장하는 방식으로 속도층 경계를 구할 수 있다.

(T T )/2AP BP—

T /2AB

T＇BP

TBP

TAP

TAB

T TAP BP—

A P B

속도주시가 계산가능한 범위

T＇BP

TBP TAP

A P B

T＇AP

dP

그림-6.3 하기와라 방법 그림-6.4 속도주시 계산을 위한 파선경로 (a) 속도주시 개념, (b) 해석방법

굴절법 탄성파탐사

- 76 -

그림-6.5는 주시곡선(상)으로부터 얻어진 속도층 단면(하)의 작성 예를 보이고 있다. 주시곡선에는 최하부 층(4.4 km/s 층)의 속도주시 곡선을 함께 나타냈다. 해석 과정과는 역으로 속도층 구조를 주고 주시를 계산하는 것을 경로계산이라고 말한다. 경로계산에서는 속도층 구조에 대해 어떤 발파점에서 수진점에 이르는 굴절파의 경로를 스넬의 법칙에 따라서 추적하여 두 점 사이의 주시를 구한다. 해석에 의하여 구해진 속도구조와 그 구조에 대한 경로계산의 결과는 거의 일치해야만 한다. 가능하면 최적 경로에 대한 계산 결과를 속도층 단면 중에 포함시킨다 (그림-6.6). 최근에는 컴퓨터에 의한 해석도 가능하고 그림-6.7에서와 같이 경로계산 결과(이론 주시)와 관측주시

가 허용 오차 범위 이내에서 일치하도록 속도층 구조를 수정해가는 방법들이 이용되고 있다.

주시곡선도

거리 (m)

거리 (m)

속도층단면도

시

간

0.01초

표

고

m

그림-6.5 주시곡선 및 속도층 단면도 해석 예

거리 (m)

표

고

m

표

고

m

파선도 발파점( : 92.5m)

그림-6.6 굴절파의 파선경로 예

굴절법 탄성파탐사

- 77 -

거리

거리

주시

표고

관측주시

이론주시

그림-6.7 경로계산

6.3 해석상의 한계 및 오차

해설

<3.1 자료검토 및 기본계획>에서 설명했지만 굴절법 탄성파탐사를 계획할 때는 해석 원리상 또는 측정기술상의 측정 한계를 충분히 고려할 필요가 있다. 이와 같은 조건에서 측정하고 이에 대한 해석으

로 얻어진 속도층 단면에 해석상의 한계 밖의 결과가 포함되어 있는지 점검한다. 점검 항목별로 유의

점을 살펴보자.

(1) 저속도 중간층 지하 천부가 심부의 속도층에 비해 상대적으로 고속도층인 경우 또는 속도구조의 중간층에 상대적으

로 저속도층이 끼어있는 경우(그림-6.8), 하부층의 굴절파는 관측되지만 중간층의 굴절파는 관측되지 않아 결국 해석 결과에서 상부 속도층의 층두께는 실제 상부층과 중간층을 합한 두께보다 크게 해석된다. 이 경우 정확한 해석을 위해 음파검층 등을 실시할 필요가 있다. (2) 숨은층

속도가 심부로 갈수록 점차 커지는 경우에도 중간층의 층두께가 작은 경우에는 중간층은 숨은층이 되어 이에 대한 굴절파는 더 이상 초동으로 나타나지 않는다. 숨은층이 생기는 조건은 각 층의 속도비, 층의 두께비, 측점 간격 등에 따라 정해진다.

(3) 폭이 좁은 단층 파쇄대 단층 등으로 인한 저속도대가 존재하면 속도 주시곡선은 특징적인 형상을 나타낸다. 저속도대가 어

느 정도의 폭을 가지며 상부 속도층의 두께가 얇은 경우에는 주시곡선상에 1개의 시간차가 생긴다 (그림-6.9a). 그러나 저속도대의 폭이 상부층의 두께보다 작은 경우에는 주시곡선상에 2개의 시간차가 생긴

다 (그림-6.9b). 따라서 저속도대의 실제 위치와 폭에 관해서는 기존 조사 자료가 있는 경우에는 그것을 참고하여 상부 속도층의 두께와 저속도대의 폭 등에 대한 해석 결과의 타당성을 점검하도록 한다.

3) 해석으로 얻어진 속도층 단면에 해석상의 한계를 넘는 결과가 표현되어 있는지 점검한다．점검할

사항으로는 ① 저속도 중간층, ② 숨은층, ③ 폭이 좁은 단층 파쇄대, ④ 경사각이 작은 단층 파쇄

대 등이 있다.

굴절법 탄성파탐사

- 78 -

T1

T3

V1

V3

V2V1

V3V >V >V2 1 3

그림-6.8 속도역전층의 존재 1)

수평 방향의 속도 변화가 있는 경우의 속도주시곡선

V 1

V2 V2

ΔT

ΔT

주시곡선

속도주시곡선

저속도대

V1

V2 V2ΔT

ΔT

ΔT/2

ΔT/2

주시곡선

속도주시곡선

저속도대

(a) 저속도대의 폭이 넓고 천부에 존재할 경우 (b) 저속도대의 폭이 좁고 심부에 존재할 경우

그림-6.9 저속도대가 있는 경우의 속도주시곡선 1)

(4) 경사각이 작은 단층 파쇄대 저속도대가 지표면과 평행 혹은 작은 각도로 비스듬히 교차하고 있는 경우에는 저속도대의 폭을 정

확하게 파악할 수 없는 경우가 있다. 이와 같은 단층 파쇄대의 출현이 예상되는 경우에는 시추, 음파검

층 등을 병행하여 해석의 정밀도를 높이고 가능한 한 저속도대의 정확한 속도값과 형상을 파악하도록 한다.

왼쪽 아래의 3층 구조 모델로부터

계산된 주시곡선은 저속도층의 존

재로 인하여 2층 구조로 나타난다.

이 주시곡선을 2층 구조로 해석하

면 오른쪽 아래와 같게 된다.

굴절법 탄성파탐사

- 79 -

7. 자료처리 결과의 해석⋅성과품

7.1 자료처리 결과의 해석

해설

굴절법 탄성파탐사의 자료처리 결과에서 얻어지는 속도층 단면은 지반의 상태를 탄성파 속도라는 물리량으로 표현한 단면이다. 따라서 속도층 구조에 영향을 주는 요인들을 정리하여 자료처리 결과를 해석할 필요가 있다. 자료처리 결과의 해석은 탐사결과 분석전문가가 기존 자료를 포함한 광범위한 지질

학적인 소견에 입각하여 수행하는 것이 바람직하지만, 그렇지 못할 경우에는 지질 전문가와도 충분히 논의하여 조사 목적이나 해석 조건의 전제 등에 대해서 재확인한 다음 효율적이면서 종합적으로 작업

을 진행할 필요가 있다.

(1) 속도층 구조의 해석

a) 지형 조건이 속도층 단면에 미치는 영향 탐사 계획에 근거한 측선전개와 사면 경사의 관계, 발파점의 위치 등을 확인한다. 지형 조건이 속도

층의 해석에 미치는 영향은 가파르고 험준한 지형의 산정상이나 계곡 등에서 크게 나타나는데 속도층 구조에 대한 해석에서 이와 같은 지형 조건 등을 모두 고려해야 한다.

b) 탄성파 속도와 지질적인 요인

충적층

홍적층

제

기층

3

중고생대층

화성암

변성암

표 토 테일 러 스 건 사 력 함 수 사 력 롬 및 점토 사 력 화 산 쇄설암 셰 일 규 질 셰 일 사암 및 역암 응 회 암 응 회 각력암 집 괴 암 점 판 암 사암 및 역암 경 사 암 석 회 암 규 암 휘록응회암 화 강 암 섬 록 암 반 려 암 감 람 암 반 암 빈 암 휘 록 암 부석질 용암 석영조 면암 안 산 암 현 무 암 천 매 암 석묵 편 암 석영 편 암 녹색 편 암 편 마 암 사 문 암 호온 펠스

탄성파속도 (V )p

0 1 2 3 4 5 6 7(km/s)

그림-7.1 주요 지층⋅암석의 현장 탄성파 속도 3)

1) 자료처리에 의하여 얻어진 속도층 단면은 조사 목적을 다시 한번 확인한 다음 기존 자료, 보충

측정 자료 등을 활용하여 종합적으로 해석해야 한다. 2) 탐사 결과와 관련하여 속도층의 깊이나 두께 및 지질해석，저속도층의 위치나 규모·경사 등에 대해 달리 해석할 여지가 있으면 그 경우에 대해서도 설명하는 것이 바람직하다.

굴절법 탄성파탐사

- 80 -

탄성파 속도에는 지반을 구성하는 토질⋅암석 자체의 광물 조성이나 입자 구성, 입자의 고결도, 공극

률, 풍화⋅변질 상태, 암반 전체의 균열 상태, 지압 상황이 반영된다. 지반과 탄성파 속도와의 일반적인 관계(그림-7.1)에서 보듯이 화성암 중에서 맥암과 화산암은 염기성암일수록 속도가 큰 값을 나타내지만 심성암은 상대적으로 이러한 경향이 작다. 이것은 심성암의 경우에는 염기성암 분포 영역이 화강암 등의 산성암 분포 영역과 비교할 때 전반적으로 균열이나 변질이 진행되고 있을 가능성이 있다는 것을 시사하고 있다. 변성암은 균열이나 풍화⋅변질 외에 암석 자체의 이방성 문제나 편리 등이 복잡하게 얽힌 층상이라는 암반 특유의 공학적 문제가 있어 해석에 고려할 요소들이 많이 존재한다. 이와 같이 동일한 속도층이라도 속도층을 해석할 때는 지질 종류별로 그 특성을 충분히 파악할 필요가 있다. 그림-7.2는 암석의 유효공극률과 P파 속도와의 관계이다. 공극이 작을수록 탄성파 속도가 커지고 구

성 광물 자체의 탄성파 속도에 가까워진다. 그림-7.3은 P파 속도와 일축 압축강도와의 관계를 보여주는 결과이다. P파 속도가 클수록 일축 압축강도도 크다. 그림-7.4은 밀도가 2.7 g/cm3이상인 고철질(유색) 광물이 주성분인 경우의 속도와 밀도의 관계를 보여주는데, 고철질 광물의 조성이 많아짐에 따라 P파 속도가 큰 값을 가진다는 것과 고철질 광물의 함유량이 암석의 탄성파 속도에 영향을 준다는 것을 알 수 있다. 그림-7.5(1), (2)는 주로 제4기 충적세나 홍적세 및 제3기층의 비교적 새로운 지질시대의 퇴적물을 대

상으로 한 N 값 및 토질별 탄성파 속도와의 관계를 보이는데 토질 구분이나 고결 정도가 P파 보다 S파에서 그 상관관계가 명료하다. 따라서 이런 종류의 지반에서는 S파 검층이나 S파를 이용한 굴절법 탄성파탐사, 천부 반사법 탄성파탐사를 실시하여 지질을 해석하는 것이 바람직하다.

속

도

화성암퇴적암 고생대·중생대( )퇴적암 신생대 제 기( 3 )변성암

유효공극률(%) 그림-7.2 탄성파 속도와 유효공극률의 관계 4)

일축압축강도

속도 Vp

화성암퇴적암 고생대·중생대( )퇴적암 신생대 제 기( 3 )변성암

포아송비

속

도

(km/s)

Vp

밀 도 (g/cm )3

P파퇴적층 퇴적암,

퇴적층 퇴적암,

변성암 화성암,

변성암 화성암,

S파

그림-7.3 탄성파 속도와 일축 압축강도의 관계 4) 그림-7.4 P파 속도와 밀도의 관계 5)

굴절법 탄성파탐사

- 81 -

그림-7.5(1) 탄성파 속도와 N 값의 관계 6) 그림-7.5(2) 토질별 탄성파 속도 6)

c) 해석상의 문제가 되기 쉬운 지질 암반의 탄성파 속도는 그림-7.6에서처럼 일반적으로 지표에서 심부로 내려감에 따라 풍화층에서 암반

층으로 바뀌기 때문에 점차 커진다. 그러나 다음과 같은 지질 분포의 경우에는 각 지질에 해당되는 속도층을 해석하는데 각별한 주의가 필요하다.

제 속도층

표토 부식토 및 화강암의 마사토형 풍화부제 속도층

마사토형제 속도층

풍화암반제 속도층 보다도 풍화나 균열의 정도가 약하다

제 속도층

대략 신선한 암반

1 V =200~500 m/s

( ) 2

V =600~1,300 m/s

3 V =1,500~2,500 m/s

( 2 ) 4

V =5,100~6000 m/s

p

p

p

p

상기 속도층의 두께는 화강암의 조립·세립의정도가 하상부근 산지 등장소에따라각양각색으로변화한다

,

.

그림-7.6 화강암의 일반적인 풍화 상태와 속도층7)

① 층상의 중⋅고생대층이나 혼재암 및 결정편암 셰일, 사암, 처트의 호층은 전반적으로 층상의 구조를 나타내며 이방성이 있다. 즉 주향 방향의 측선

에서 암반의 속도가 상대적으로 크고 직교하는 측선에서는 속도가 작아지는 경향이 있다. 특히 결정편

암은 편리면의 영향에 따라 이방성이 두드러진다. 또 지반의 속도는 지압에 의해 비교적 큰 값을 나타

내지만 터널 굴착 등에 의해 응력이 개방되면 잠재된 균열이 표면화되어 작은 조각으로 되기 쉽고, 풍화 정도의 차이로 말미암아 소성 지압이 발생하기 쉽다. 예를 들어 편리 구조를 갖는 편마암의 지반에 있어서 편리의 주향과 터널 축선이 이루는 각도가 극

히 작은 지질구조에서는 지반의 P파 속도가 5.0 km/s 임에도 불구하고 굴착이 어려운 경우가 있다. 편마암이 층상 구조를 나타내고 터널 굴착에 의한 응력개방으로 편리면이나 균열이 노출되어 붕락이나 붕괴가 쉽게 일어나는 지반 환경이 이런 경우이다. 이러한 특성은 사면이나 터널 지반의 평가에 큰 영향을 주게 된다.

② 사문암 사문암은 초고철질암(감람석, 휘석 등)이 열수에 의한 변질작용이나 광역변성작용에 의하여 형성되므

로 괴상이나 엽편상 및 이들의 복합된 분포 형태를 나타낸다. 일반적으로 사문암의 엽편상부(葉片狀部)는 역학 강도가 약하여 응력 개방 등에 의한 변형이 일어나기 쉽기 때문에 터널 굴착 등에서 종종 팽

굴절법 탄성파탐사

- 82 -

창성 등으로 문제가 발생되는 지질이다. 또한, 괴상부(塊狀部)와 엽편상부가 불규칙하게 분포하는 경우, 굴절법 탐사에서 속도는 양자의 평균속도로 나타나게 되어 속도가 작은 엽편상부가 탐지되지 않는 경우가 있다. 터널 굴착이나 사면 굴착 등으로 이와 같은 엽편상 부분의 분포가 시공상 문제가 되는 경우도 있기 때문에 엽편상 부분의 주향과 직교하는 방향으로 측선을 추가로 설정할 필요가 있다. 또한 지질답사에서 확인된 사항 및 음파검층 등의 결과도 포함시켜 지반 상황을 예상하여 해석 결과에 반영

시키는 것이 바람직하다.

③ 강도 변화가 있는 지층 화산쇄설암과 용암의 불규칙한 호층, 용암 등을 포획한 화산이류, 단구 퇴적물층의 점토와 모래와 미

고결 자갈층의 호층, 신생대 제3기의 이암⋅사암의 호층 등에서는 같은 시대의 지층에서도 속도의 변화

가 심하다. 용암이 두껍게 분포하고 있는 부분에서는 속도가 크고, 용암이 얇은 지역이나 용암의 하부

에 퇴적한 이류나 모래층 또는 연약층이 분포하는 경우는 굴절법으로 그 형상을 파악할 수 없는 경우

가 있다. 이때는 측정 기록이나 주시곡선을 주의 깊게 추적하고, 저속도대나 돌출주시에 의한 효과가 있을 수 있으므로 지질 상황을 염두에 둔 해석⋅평가를 하는 것이 바람직하다. 또한 음파검층이나 반사

법 탄성파탐사 등을 별도로 실시할 경우에는 이러한 결과들을 추가하여 종합적인 해석을 한다.

④ 열수 변질대 변질대가 어느 정도 이상의 폭이 있고, 변질대의 속도가 주변보다 작은 경우에는 단층이나 파쇄대

등과 같은 저속도대로 파악된다. 또한 변질대는 일반적으로 불규칙하게 분포하며 변질 정도도 일정하

지 않은 경우가 많기 때문에 변질대가 분포하는 영역 전체가 저속도층이 되는 경우도 있다. 그러므로 변질대의 분포가 예상되는 지역에서는 가능한 한 주변의 노출 상태나 지질의 대략적인 조사 결과에 의한 변질대의 분포나 연속성의 특징을 파악하여, 속도구조 결과에 지반 상황에 대한 해석을 포함시킨다.

7.2 토목 분야 적용의 예

속도층과 지형·지질 상황과의 대비 해석에 있어 굴절법탐사 결과는 다음과 같은 토목 분야의 구조물

이나 토공의 설계·시공에 광범위하게 이용되고 있다.

표-7.2 암반 분류 8)

대분류 소분류 암 종 암 반 분 류 탄성파 속도

연암A 흑연편암,사암,응회암,사문암,화강

암,집괴암,편마암,녹니편암,점판암,섬록암,안산암,감람암

풍화가 진행되어 변색도 일부 수반하고, 균열이 발달되고(간격 10 cm 이하), 해머로 두드리면 결을 따라서 깨짐.

2.0 km/sec 정도 이하

연암B 이암 및 반고결 점토, 고결 실트 1.0∼3.0 km/sec 정도

연암C 응회암, 화강암, 편암, 편마암, 역암 등이 풍화된 것.

풍화가 심하며 균열이 발달하여(간격 1∼5 cm 정도) 해머로 두드리면 쉽게 깨짐. 암반 굴착은 수압

파쇄에 의한 시공이 효과적임. 굴착후 상태는 대부

분 토사 상태(자갈상으로는 안됨)가 됨.

1.0 km/sec 정도 이하

연 암

연암D 전석이 많이 혼입된 토사 원칙적으로 전석의 혼합률이 20%이상인 토사.

경암A 집괴암,편마암,석회암,greywacke,각암,사암,역암,안산암,빈암,점판암,현무암,감람암,응회암

응회질로 단단히 고결되어 있음. 암반 자체는 변질

되지 않고 큰 균열이 분포하며(10∼50 cm정도) 큰 해머로 수 차례 두드려 깨짐.

2.0∼3.5 km/sec 정도

경암B 화강암,천매암,섬록암,안산암,현무

암,사암,각암, greywacke

신선하고 단단함. 균열이 적고 밀착되어 있으며 암질이 매우 견고함. 큰 해머로 여러 번 두드려야 겨우 깨지거나 그렇지 않으면 튀어 올라와 쉽게 깨지지 않음.

3.5∼6 km/sec 정도

경 암

경암C 용암

3) 굴절법 탄성파탐사의 결과는 암반 분류나 원지반의 구분 등에 이용된다.

굴절법 탄성파탐사

- 83 -

(1) 굴착 대상 암반의 분류 기준 암반의 분류에는 P파 속도가 사용되는 경우가 많은데 이것은 암석의 강도 구분의 지표로 사용될 수

있고(표-7.2) 암반의 굴착난이도(rippability)를 평가하는 목적으로도 이용되고 있다 (표-7.3). 그림-7.7은 굴착난이도를 P파 속도로 평가한 예로서 굴착 계획의 기초자료로 사용될 수 있다. 표-7.3 굴착난이도에 의한 암반 및 흙의 분류 9)

명 칭 설 명 적 요 통일 토질분류법에

의한 간이분석

경 암 균열이 전혀 없거나 또는 작음. 잘 밀착되어 있음. 탄성파 속도 3000 m/sec 이상

중경암 풍화가 그다지 진행되지 않음(균열 간격 30∼50 cm정도) 탄성파 속도 2000∼4000 m/sec

연 암 고결의 정도가 좋은 제4기층. 풍화가 진행된 3기층 이전의

것. 리퍼에 의한 굴착 가능. 700∼2800 m/sec

전 석 크고 작은 전석이 밀집되어 있고, 굴착이 매우 곤란함.

암 석

암괴·옥석 암괴·옥석이 혼합되어 굴착하기 힘들고 버킷(bucket)속에서

공극을 잘 형성시킴. 옥석이 섞인 흙, 암괴, 파쇄된 암석

자갈이 섞인 흙 자갈이 혼입되어 굴착할 때 능률이 저하됨.

자갈이 많은 모래. 자갈이 많은 사질토 자갈이 많은 점토

자갈{G} 역질토{GF}

모래 버킷에 담을 때 잘 쌓여지지 않음. 해안사구의 모래또는 흙 모래{S}

보통 흙 굴착이 용이하고, 버킷 등에 잘 쌓이며 공극이 적은 것 사질토 또는 입자분포가 좋은 모래 조건이 좋은 롬

모래(S} 사질토{SF} 실트{C}

점토 버킷 등에 부착이 잘되며 공극이 많은 상태가 되기 쉬움. 이동성이 문제 되기 쉬움.

롬 점토

실트{M} 점토{C}

고함수비 점토 버킷 등에 부착되기 쉽고 이동성이 나쁨

조건이 나쁜 롬 조건이 나쁜 점토 화산회질 점토

실트{M} 점토{C} 화산재질점토{V} 유기질토{O}

토양

(유기질토) 고유기질토{Pt}

주) 상기 표는 출현빈도가 높은 것들에 대한 설명으로서 특히 흙의 성질은 그 상태에 따라 크게 변하므로 주의할 것.

탄성파속도 × ( 1,000 m/s )0 1 2 3 4

95 t 급

60 t 급

46 t 급

화 성 암 화 강 암 현 무 암

화 성 암 화 강 암 현 무 암

화 성 암 화 강 암 현 무 암

퇴 적 암 셰 일 사 암 역 암 석 회 암

퇴 적 암 셰 일 사 암 역 암 석 회 암

퇴 적 암 셰 일 사 암 역 암 석 회 암

변 성 암 편 암 점 판 암

변 성 암 편 암 점 판 암

변 성 암 편 암 점 판 암

굴착가능영역 굴착불가능영역한계영역

그림-7.7 탄성파 속도와 굴착난이도(문헌 10 에서 편집)

굴절법 탄성파탐사

- 84 -

(2) 절토면 경사의 안정성 기준 지반의 탄성파 속도가 얻어지면 그림-7.8에서 절토면 경사의 관계로부터 안정 영역의 경사를 경험식

으로 구할 수 있다．또한 암편 시료의 초음파 속도로부터 지반 전체의 균열 발달상태의 기준이 되는 균열계수를 구하여 지반의 종합 평가에 이용한다.

경

암

연

암

상

향

경

사

도( )

불안정성

중·고생 층 화성층

붕괴상향면

건전상향면

경계영역

안정성

지반의 탄성파 속도 Vp (km/sec) 그림-7.8 탄성파 속도－절토면의 경사와 안정성 10)

(3) 구조물 기초의 암반 분류 표-7.4，표-7.5는 일본 각 기관들이 제시한 터널, 댐 등의 대형 구조물기초의 암반 분류에 사용되는

탄성파 속도의 규격을 나타낸다. 이 자료는 탄성파 속도는 정량적으로 표현될 수 있기 때문에 구분하

기 쉽고 속도가 커짐에 따라 지반 상황은 양호하다는 일반적인 조건을 설계에 적용한 예이다.

표-7.4 암반 분류에 있어서 탄성파 속도의 이용 11)

분류방식

분

류

의 단

계

수

분류의 단계 좋음 나쁨

암

석

의

종

류

고

결

상

태

풍

화

의

정

도

균

열

상

태,간

격

탄

성

파 속

도

채

취

율RQD

암

석

의

강

도

암

반

의

유

형

특

성

지

반

강

도

비

용

수 영

향

토

압

의

상

태 비 고

재 래 4 Ⅳ,Ⅲ,Ⅱ,Ⅰ ○ ○ ◎ ○

NATM용 9 ⅤN, ⅣN, ⅢN, ⅡN, ⅠS, ⅠL,

특S, 특L ○ ○ ○ ○ ◎ ◎ ○ ○ IS, IL, 특S, 특L 특수

국

철

池田 방식 7 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ○ ○ ○ ○ ◎ ○ ○

건 설 성 5 A, B, C, D, E ○ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ○ E는 특수한

경우

도로공단 5 A, B, C, D, E ○ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ◎ E는 특수한

경우 농 림 성 4 A, B, C, D, ○ ○ ○ ○ ◎ ◎ ○

수자원공단 5 A, B, C, D, E ○ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ○ E는 특수한

경우 仲野 방식 5 (지반강도비) ◎ ○

田中 방식 6 A, B, CH, CM, CL, D ○ ○ ○ 댐

전

력 菊地 방식 6 A, B, CH, CM, CL, D ○ ○ ○ ○ ◎ ◎ ◎

○ : 정성적 기술 ◎ : 정량적 기술 지반강도비= qu (γ · Η)

굴절법 탄성파탐사

- 85 -

표-7.5 탄성파 속도에 기초한 암반 분류의 비교 11)

분류방식 건설성 일본도로공사, 일본철도·철도건설공단 농림성 수자원공 단

본사공단 전연

화강암 괴상암반

탄

성

파

속

도

Vp

탄

성

파

속

도

Vp

암

종

분

류

* 5m

안쪽폭이하

의터널대상

α 고생층·중생층심성암·반심성암화산암·변성암

β 박리성이현저한변성암미세한 층리가발달한 고생층·중생층화산암고제 기층의일부

γ 고제 기층 신제 기층

δ 신제 기층 홍적층홍적층 충적층표토·붕괴토

:

: 3

: 3 ~ 3

: 3 ~ ~

A :

B :

C : 3

D : 3 ~ 3

E : 3

F : 3

G :

고성층·중생층·변성암반심성암·화산암·변성암

박리성이 현저한변성암

고생층·화산암고제 기층의 일부

고제 기층 신제 기층

신제 기층

홍적층·신제 기층의일부

표토·붕적토등

a : ( , )

b :

c : ( , )

d : 3 d1 : qu 200 kgf/cm d2 : qu <

변성암변성암 반려암 감람암

고성암 및중생층

화산암맥 암심성암 화강암 섬록암

제 기층및 하부홍적층

상부홍적층

> 2

200 kgf/cm

e :

2

7.3 해석 결과의 정밀도 및 제안

해설

기존의 지질조사 자료 등을 참조하여 굴절법 탄성파탐사에서 해석된 속도층 단면으로부터 지층의 두께, 단층의 존재, 그 규모 등에 관하여 설명하는 것이 바람직하다. 해석으로부터 얻어진 속도구조와 지반을 구성하는 지층이 반드시 서로 대응하지 않는 경우도 있다. 굴절법 탄성파탐사에서 얻어진 탄성파 속도는 지질·지층의 강도, 지질 구조, 풍화·변질 정도, 함수 정도, 지하수의 포화 정도 등을 반영하고 있지만 속도만으로는 이러한 상황이나 상태를 해석할 수 없다. 따라서 해석의 정밀도를 높이기 위해서

는 지형·지질 자료 등이 필수적이다. 일반적으로 굴절법 탄성파탐사 이전에 입수할 수 있는 자료는 제한적이겠지만, 지층의 두께나 단층의 유무에 관한 지형 지질 상황이 어느 정도 파악된 경우에는 다음

과 같은 사항을 염두에 두고 해석에 임한다.

(1) 지층과 풍화대의 두께 화강암 등의 고강도 괴상암체에서 지반에 단층이나 변질대 등과 같은 지질 연약대가 작은 경우에는

풍화대의 구조 파악은 쉬운 일이다. 특수한 구조로서 화강암 등에 보여지는 것처럼 지표에서 심부로 감에 따라 명확한 속도층 경계를 갖지 않고 속도가 심도에 따라 점진적으로 증가하는 경우를 생각할 수 있다. 이 구조를 미라주(mirage) 구조라고 부르는데 그림-7.9는 이에 의한 특유의 주시곡선을 보여준

다. 이와 같은 경우는 심부로 갈수록 풍화암에서 신선암으로 점진적으로 변하는 지질 상황에 기인한다. 미라주 구조를 편의적으로 몇 개의 속도층으로 분할하여 해석하면 속도구조가 실제보다 얕게 구해지기 때문에 시추공을 이용한 음파검층을 병행하여 지질 해석의 정밀도를 향상시킬 필요가 있다. 단, 화강암 지역에서는 파쇄대나 균열이 발달되어 있고 좁은 범위에서도 풍화의 정도가 크게 다른 경우도 있기 때

4) 지층의 두께, 단층의 존재와 그 규모 등에 대하여 해석 결과가 어느 정도 타당한가를 최대한 자세히 설명한다.

5) 굴절법 탄성파탐사의 적용 한계 때문에 탐사 결과가 당초의 목적을 충분히 달성하고 있지 않다고

판단되는 경우에는 그 취지를 설명하고 그 목적을 달성하기 위해 새로운 방법에 의한 조사 계획

을 제안한다.

굴절법 탄성파탐사

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문에 각별한 주의가 필요하다. 미고결이나 반고결의 두꺼운 퇴적층이 분포하는 지역 또는 신생대 제3기의 퇴적암 지역에서도 미라

주 구조를 나타내는 경우가 있다.

x/2

V0

x

주

시

심

도

거리원호의 중심

1/V0

1/Vm

V k0/

Vm

zm

z

지표

지질상황은 점진적으로양호하게 변화한다

.

파선은 원호의일부로 된다

.

모래 형태풍화

( )

( , )괴상 화강암약한 풍화 신선

심부

그림-7.9 미라주 구조의 지질과 주시곡선1)

(2) 다른 지층이면서 같은 속도층으로 나타나는 경우 서로 다른 지층일지라도 속도에 차이가 없는 경우는 동일한 속도층으로 구분된다. 경암이 풍화된 풍

화암, 신생대 제3기 퇴적연암, 화산 지역에 분포하는 덜 굳은 화산성 쇄설 퇴적물이나 고결도가 낮아 잘 부서지는 용암 등의 분포영역에서는 지층은 변하지만 동일한 속도를 나타내는 경우가 있어 속도만

으로는 지층을 구분할 수 없다 (그림-7.10∼그림-7.13). 특히 속도가 같아도 경암의 풍화층과 제3기의 신선한 퇴적연암과 같이 성질이 다른 암석에서는 터널굴착 분류나 절토면 경사 등의 평가가 달라진다. 그러므로 동일한 속도층에서 각 지질에 따른 해석이 필요한 경우에는 시추 조사나 음파검층 등을 병행

하여 이 정보들을 지질 해석에 포함시킬 필요가 있다.

a) 중⋅고생대층 및 화성암 등의 지질로 구성된 경암과 관입암

탐사심도

안산암 (V1=3.5~4.0km/s)

빈암 암맥 (V2=3.5~4.0km/s)

V1=3.5~4.0km/s

빈암은 안산암을 관입하고있지만굴절파와 동일한 속도를 가지므로동일층으로 인식된다

(실제의 지반 상황) (해석결과)

그림-7.10 안산암층 내에 경암이 관입한 경우

b) 신생대 제3기 마이오세·플라이오세∼플라이오세의 퇴적암과 중⋅고생대층이나 화성암 등 풍화대를 구성하는 풍화연암부의 경계

이암 (V1=2.2~2.4km/s)

셰일 중고생대층 풍화대 ( , ) (V2=2.2~2.4km/s)

탐사심도

V1=2.2~2.4km/s

제 기 이암과중고생대층셰일의풍화대는부정합으로겹치지만속도차가 없으므로경계가 구별되지 않는다

3

.

(실제의 지반 상황) (해석 결과)

그림-7.11 신생대 제3기층과 중·고생대층 풍화대 분포의 경우

굴절법 탄성파탐사

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c) 신생대 제3기 마이오세∼플라이오세의 퇴적암류나 중·고생대층 등의 풍화연암의 상부에 제4기 플라

이스토세의 함수 모래자갈층이나 경암 자갈로 구성된 치밀한 자갈층이 분포하는 경우

고위단구자갈층 (V1=2.0~2.5km/s)

이암 연암( ) (V2=2.0~2.5km/s)

V1=2.0~2.5km/s

V1=V2

.

이므로 지층이 달라도속도층의구분만으로는지층경계가 구별되지않는다

탐사심도

(실제의 지반 상황) (해석 결과)

그림-7.12 동일 속도층으로 해석되어 지질 구분이 곤란한 경우 d) 신생대 제3기층, 특히 플라이오세의 신선부와 풍화대

탐사심도

플라이오세 사암이암호층 풍화대 ( ) (V1=1.5~1.8km/s)

사암이암호층 신선부( ) (V2=1.6~1.9km/s)

V1=1.6~1.8km/s

신선부 및 풍화부의 속도비가명확하지 않으므로 속도층 경계로서나타나지 않는다

.

(실제의 지반 상황) (해석 결과)

그림-7.13 플라이오세 퇴적암의 신선부와 풍화대 분포의 경우

(3) 단층의 존재 및 그 규모 단층 등의 지질 연약대는 주위와 비교하여 속도가 상대적으로 느린 저속도대로 나타난다. 그러나 그

림-7.14에서 두 종류의 구조에 대한 주시곡선은 서로 같은 모양으로 나타나므로 이것이 저속도대에 의한 것인지 또는 요철이 있는 속도층 분포의 영향인지 판단하는 것은 상당히 어렵다. 따라서 탐사 지역

의 지형 및 지질 정보를 가능한한 많이 입수하여 저속도대가 단층 파쇄대에 기인한 것인지 또는 지질 경계에 의한 것인지를 정확하게 판단하여 해석해야 한다. 기존의 지질 자료가 없고 탐사 목적에 비추

어 볼 때 저속도대의 형상이 중요한 문제가 되는 경우에는 효과적으로 측선을 전개하거나 주요 지점에

서 시추를 실시함과 아울러 음파검층 등을 실시하는 것이 바람직하다.

그림-7.14 속도주시곡선의 해석 오류에 의한 두 종류의 구조 1)

굴절법 탄성파탐사

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8. 성과품⋅보고서

해설 굴절법 탄성파탐사의 보고서는 조사 단계와 목적을 명확히 하고 또한 얻어진 주시곡선과 해석된 속

도구조 및 자료처리에 관하여 알기 쉽게 설명하는 것이 필요하다. 또한 조사 목적에 비추어 해석 결과

가 어느 정도 달성되었는지를 총괄적으로 설명하고 차후 조사에 관한 제안 사항도 필요할 경우 포함시

킨다. 굴절법 탄성파탐사만으로는 종합적인 해석을 내리기 어려운 점도 있겠지만, 다른 탐사 자료나 당시 수집했던 자료를 참고하여 종합적인 지질 해석을 내릴 필요가 있다. 성과품은 위탁자측의 공통 시방서나 특기 시방서의 내용이 따로 정해져 있는 경우는 이것에 따른다. 보고서는 다음 사항에 유의하여 작성한다. ① 조사 개요에는 사업명, 조사 위치, 조사 목적, 조사 기간, 조사물량, 조사담당자 등을 명기한다. ② 측정 방법에서는 계획 단계에서의 목적을 달성하기 위해 실시한 측선배치 계획도 포함시켜 기술

한다. 또한 자료처리와 해석 방법 등을 처리 순서에 따라 기술한다. ③ 조사 결과로서 주시곡선과 해석 결과에 관하여 기술하고 동시에 측정이나 측정 자료, 자료처리,

해석 단계에서 문제가 있는 경우에는 그 대책과 대책 결과를 명시하여 해석이나 고찰의 기초 자료

로 삼는다. ④ 해석의 근거를 명확히 나타내고, 해석 그림이나 참고자료를 이용하여 알기 쉽게 표현한다. 문제점

이 있는 경우 또는 다음 단계의 조사 계획이 필요한 경우에는 차후 과제와 대책, 차후 조사계획도 함께 기술한다.

인용⋅참고 문헌

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1) 성과품은 다음과 같다． ① 조사위치도 ② 주시곡선도 ③ 해석단면도 (속도층 단면도)

2) 보고서의 내용에는다음 항목을 포함시킨다． ① 조사 개요 (사업명，위치，목적，공사 기간，조사물량，담당자，위치도) ② 조사 방법 (측정 방법，측정 기준，사용 기기) ③ 조사 결과 (측정, 자료처리, 해석) ④ 조사 결과의 해석 및 고찰