다운홀 시험이란?
다운홀 시험은 지표에서 충격을 주어 발생시킨 탄성파가 시추공 내부의 수진기에 도달하는 시간을 측정하여 지반의 탄성파 속도를 파악하는 현장 시험입니다. 마치 땅속에 메아리를 보내 그 속도를 측정하는 것과 같습니다. 이 시험을 통해 얻어진 탄성파 속도(특히 횡파 속도, Vs)는 건물의 내진 설계 시 필수적인 동적 물성치를 산정하는 데 중요한 역할을 합니다. 국내에서는 하향식 탄성파 탐사라고도 불립니다.
다운홀 시험 방법: 땅속 메아리 측정 과정
다운홀 시험은 다음의 단계를 거쳐 진행됩니다.
1. 대상 지반 시추 및 시험 장비 설치
- 시추 : 시험 대상 지반에 대해 지층 구조와 깊이 정보를 담은 시추 주상도를 확보합니다. 탄성파 속도 분석의 기초 자료가 되고 현장시험을 하기 위한 장소가 됩니다.
- 시험 장비
- 3성분 지오폰 : 시추공 내부에 설치되어 수직(1성분) 및 수평(2성분) 방향으로 전달되는 탄성파를 감지하는 센서입니다.
- 분석기 : 지오폰에서 수신된 탄성파 신호를 기록하고 분석하는 장치입니다.
- 지표 발진 장치 : 탄성파를 발생시키는 역할을 하며, 일반적으로 고정된 플레이트와 이를 가격하는 해머로 구성됩니다.
2. 지표 발진기에서 탄성파 발생
- 해머를 사용하여 지표에 고정된 수직 및 수평 플레이트를 가격합니다.
- 수직 가격 시 : 주로 **종파(P파)**가 발생합니다. 종파는 파의 진행 방향과 입자의 진동 방향이 일치하는 파입니다. 마치 스프링을 압축했다 놓았을 때의 움직임과 유사합니다.
- 수평 가격 시 : 주로 **횡파(S파)**가 발생합니다. 횡파는 파의 진행 방향과 입자의 진동 방향이 수직인 파입니다. 마치 뱀이 옆으로 움직이는 모습과 비슷합니다.
3. 공내 수진기에서 전달파 수신
- 시추공 내부에 설치된 3성분 지오폰은 지표에서 발생한 종파와 횡파를 각각의 방향 성분으로 정확하게 감지합니다.
4. 탄성파 속도 측정 및 분석
- 수신된 탄성파 신호에 대해 다음과 같은 전처리 과정을 거칩니다.
- 초동주시 발췌 : 각 심도별로 탄성파가 처음 도달한 시간(초동주시)을 정확하게 측정합니다.
- 주시 곡선 작성 : 심도에 따른 초동주시 변화를 그래프로 나타냅니다.
- 심도별 탄성파 속도(Vp, Vs) 산출 : 주시 곡선을 분석하여 각 지층별 종파 속도(Vp)와 횡파 속도(Vs)를 계산합니다.
5. 동적 물성치 산정
- 측정된 탄성파 속도를 이용하여 지반의 전단 탄성 계수(G), 포아송비(ν) 등 내진 설계에 필요한 다양한 동적 물성치를 간접적으로 산정합니다
시험 결과 사례
아래는 직접 조사 의뢰하여 받았던 하향식 탄성파탐사의 지반조사 결과 자료입니다. 이런 식으로 결과가 작성된다는 것을 예시로 확인하시면 좋겠습니다. 최종적으로 시험결과 테이블을 보시면 내진설계를 위한 지반등급이 결정되어 나오게 됩니다.
종파 수진 결과(예시)
횡파 수진 결과(예시)
시험 결과 그래프(예시)
시험 결과 테이블(예시)
특징 및 평가
- Crosshole Test 대비 : 하나의 시추공만을 이용하여 시험이 가능하므로 경제적이고 효율적입니다.
- 심도에 따른 신뢰도 : 시험 심도가 깊어질수록 탄성파 에너지 감쇠로 인해 시험 결과의 신뢰도가 다소 낮아질 수 있습니다.
- 간접적인 물성치 산출 : 각 지층의 정확한 물성치는 프로그램을 이용하여 탄성파 속도 분석을 통해 간접적으로 산출됩니다.
- 내진 설계 활용 : 최종적으로 측정된 횡파 속도(Vs)를 기반으로 설계 지반 등급을 제시하여 내진 설계에 중요한 자료로 활용됩니다.
- 건축구조기준(2016) : 전단파 속도(Vs), 표준관입시험 N치, 비배수 전단강도(Su)를 기준으로 Sa ~ Se 등급으로 분류합니다.
- 건축물 내진설계기준(2019) : 기반암 깊이와 전단파 속도(Vs)를 기준으로 S1 ~ S6 등급으로 분류합니다.
- 다운홀 시험은 지반의 탄성파 속도를 효과적으로 측정하여 안전한 건축물 설계를 위한 중요한 정보를 제공하는 필수적인 지반 조사 방법입니다.
아쉽지만 저는 동적물성치를 가지고 내진설계를 해본 경험이 없습니다. 주로 간편하고 많이 사용되는 진도법을 사용하기 때문입니다. 다음에 내진설계 경험이 생긴다면 꼭 그 경험을 공유드리겠습니다. 감사합니다.
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