다운홀 탄성파 기법(Downhole seismic method, ASTM D 7400)

1. 개요

다운홀 탄성파 기법은 거리를 알고 있는 특정 구간에 대해 탄성파의 이동시간을 도출함으로써 그 구간의 탄성파 속도를 도출할 수 있다는 원리를 기초로 하고 있다. 지표면에서 압축파 및 전단파를 발생기켜 시험공 내부의 3성분 지오폰으로 수신되는 최초 도달시간을 기록하여 지층별 탄성파 속도 및 동적물성치를 파악한다. 다운홀 탄성파 기법 시험 영역에서 지반의 층상구조는 수평한 것으로 간주하고 해석하며 1차원적인 탄성파 속도 주상도를 도출하게 된다.

2. 탐사장비

① 가진원 시스템

㉮ 스프링식 가진원

㉯ 스프링-감속모터식 가진원

②수진기 시스템

㉮ 3성분 지오폰

㉯ 가진원과 수진기 연결바

㉰ 공병 접촉 장치

㉱ 수진기 방향 조절 롯드

③ 자료획득 시스템

㉮ 가진원의 탄성파 발생 시의 트리거 신호획득

㉯ 수진기로부터의 탄성파 신호 획득

㉰ 자료 획득 간격 50㎲ 이상

㉱ 중합, 평균, 필터, 중첩 출력 기능 등이 포함된 장비

④ 내·외부 잡음에 안정적인 장비

3. 탐사 방법

① 가진판은 시험공으로부터 2m~3m정도 떨어진 지점에 위치시킨다.

② 가진판과 해머에 트리거 장치를 설치한다.

③ 대상 심도에 수진기 설치 후 방향조절장치로 가진판과 수진기 위치를 일치시킨다.

④ 공벽 접촉 장치로 수진기를 공벽에 밀착시킨다.

⑤ 수직방향과 수평방향 타격을 통해 압축파 및 전단파 신호를 획득한다.

⑥ 정확한 전단파를 식별하기 위하여 180°의 위상차를 두고 가격

⑦ 설정된 시험간격 만큼 수진기를 이동하여 반복 측정함으로써 전체 깊이별 탄성파 신호를 획득한다.

⑧ 시험간격은 통산 1m로 실시하지만 자세한 지층정보가 알고 싶다면 간격을 줄인다.

4. 자료처리 및 해석

① 획득된 수진기 자료로부터 탄성파의 초기 도달 시점을 판독(초동 발췌)

② 직접법 (그림 2 참조)

㉮ 초동시간, 가진판과 수진기의 거리를 이용하여 구간별 속도 도출

㉯ 주시곡선 상에서 기울기가 유사한 구간을 분할

㉰ 탄성파의 진행방향을 직선으로 가정하므로 오차가 발생

③ 평균 굴절 경로법(그림 2 참조)

직접법과 다르게 굴절 경로를 고려하여 결과를 도출

④ 간접법

상부층의 속도를 고려하지 않고 단순한 방식으로 결과를 도출

⑤ 수정간접법

간접법과 달리 상부 층의 속도를 고려하나 직선경로를 가정하여 해석을 수행

⑥ 다운홀 탄성파 속도 도출 결과비교(그림 3 참조)

5. 주의사항

① 적절한 그라우팅 작업을 통해 케이싱과 지반 사이의 이벽현상을 방지

② 감지기가 충분한 압력이 걸린 상태로 공벽에 밀착되어 있는지 확인

③ 가진원 방향과 감지기 방향을 반드시 일치시켜 전단파 성분을 극대화

④ 전단파 성문 획득 과정중에 서로 반대위상(180° 차이)을 가지는 전단파 성분이 도달 되는지를 확인

⑤ 압축파 및 전단파 속도 주상도를 도출할 시에는 해당 부지의 시험 목적 및 도달시간 정보의 정확성 등을 고려한 적합한 해석기법을 적용

⑥ 지반 내 물의 포화도가 99% 이상(지하수위 아래)일 경우 지반의 압축파 속도는 물의 탄성파 속도(약1.492m/s)와 동일하게 되므로 압축파 속도(Vp) 및 포아송비(Poisson's ratio)의 산출에 있어 주의를 요함

6. 현장 적용 사례

경기도 남양지 00부지에서 시험 시추공 1개소에 대하여 다운홀 탄성파 기법을 수행하였다. 대상 부지의 동적지반정수 산출과 내진설계를 위한 지반의 역학적 특성 파악을 위하여 BH-11 공에서 수행한 다운홀 탄성파 시험을 소개하고자 한다.

본 조사에서 가진기는 탄성파 발생용 플레이트와 슬레지 해머를 사용하였고, 수진기는 OYO 사의 3성분 지오폰을 이용하였다. 기록장치는 일본 OYO 사의 McSEIS NX Series 가 사용되었다. 현장 시험을 통해 획득한 깊이별 압축파 및 전단파의 속도와 기존의 밀도시험 자료를 이용해 계산한 동적 물성치를 지층별로 도시하였다. 표 2와 그림 4는 직접법을 통해 산출된 BH-11 시추공에서의 다운홀 탄성파 기법 시험결과이다.