흙막이벽 배면부 이상구간 탐지 및 식별을 위한 지하투과레이더의 적용 = Detection and Identification of Ground Anomalies Subsurface Earth-retaining Walls Using Ground Penetrating Radar

국문 초록 (Abstract)

지하공간 개발이나 사면안정에 필요한 흙막이벽과 같은 강성을 가지는 구조물의 내부 또는 배면부 지반에 균열 혹은 이완부와 같은 이상 구간이 발생할 경우, 급격한 변형과 취성 파괴를 유발할 수 있으며, 이러한 이상 구간들을 조사하기 위하여 기존에는 코어링이나 시추와 같은 직접조사방법이 주로 적용되어 왔다. 이러한 조사 방법들은 대상 지반이나 구조물을 직접적으로 교란하거나 손상을 유발할 가능성이 있어 비파괴 지구물리탐사, 특히 빠르고 간편한 탐사가 가능한 지하투과레이더(GPR) 탐사가 많이 활용되고 있다. 하지만, 기존의 GPR 탐사에서는 전자기적 임피던스가 상이한 경계면의 깊이만을 산정하므로 역학적 거동에 직접적인 영향을 주는 경계면 구성 물질의 특성을 파악하지 못한다.
본 연구에서는 반사 전자기파 신호의 극성과 진폭을 정량적으로 분석하여, 강성 구조물의 배면부에 존재하는 물질의 전자기적 물성을 규명하고자 하였다. 흙막이벽과 배면부 지반을 모사하기 위하여, 서로 다른 두께의 시멘트 모르타르 시편 두개를 제작하고, 두 시편 사이에 공기, 건조 사질토, 포화 사질토, 물 네 종류의 재료들을 충진하였으며, 시편 표면에 대하여GPR 탐사를 수행하였다.
반사 전자기파 분석 결과, 표층 재료에 비해 비유전율이 낮은 충진재에서는 경계면 반사파가 표면 반사파와 반대의 극성을 나타냈고, 비유전율이 높은 충진재에서는 동일한 극성을 나타냈다. 상대유전율의 차이가 클수록 표면 반사 진폭이 증가하였으며, 시편 두께의 증가에 따른 표면 반사 진폭의 감쇠를 확인하였다. 경계면 구성물질의 유전율 차이와 시편 두께에 따른 표면 반사 진폭의 관계에 대한 분석 결과, 표층 재료의 감쇠 특성과 반사파의 위상, 진폭 특성이 배면부 재료의 전자기적 물성과 연관됨을 확인하였다. 본 연구에서 제안된 반사 전자기파 분석 방법론은 흙막이벽 배면부에 존재하는 이상구간을 탐지하고 식별하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The development of underground spaces and above-ground spaces in urban areas has increased the demand for rigid earth-retaining structures such as slurry walls and gravity walls. When anomalies such as cracks or loosened zones develop within these stiff layers of adjacent ground, they may induce rapid deformation and brittle failure of the earth-retaining structures. Although direct investigation methods such as coring and drilling have traditionally been used to detect such anomalies, these methods can cause disturbance or permanent deformation to the target structures. Therefore, non-destructive geophysical techniques, particularly Ground Penetrating Radar (GPR), which enable rapid and convenient surveys, have been increasingly adopted. However, conventional GPR surveys primarily estimate the depth of electromagnetic impedance contrasts and do not provide information on the material properties at the interface, which directly influence the mechanical behavior of the structure.
In this study, the polarity and amplitude of reflected electromagnetic waves were quantitatively analyzed to characterize the electromagnetic properties of materials located behind the rigid earth-retaining structures. To simulate rigid earth-retaining wall structures and their backfill conditions, two cement mortar specimens with different thicknesses were prepared, with the space between them filled with air, dried sand, saturated sand and water. GRP surveys were conducted on the surfaces of the cement mortar specimens.
Analysis of the reflected signals showed that fill materials with lower permittivity than the surface layer produced interface reflections with opposite polarity to the surface reflection, whereas materials with higher permittivity produced reflections with the same polarity. Greater contrasts in relative permittivity led to larger reflection amplitudes, and attenuation of the surface reflection amplitude with increasing specimen thickness was also observed. These findings indicate that the relationship among permittivity contrast, specimen thickness, and reflection amplitude reflects how the attenuation characteristics of the surface layer, along with the phase and amplitude behavior of reflected waves, are directly governed by the electromagnetic properties of the materials behind the wall. Therefore, the analytical methodology suggested in this study is expected to be applicable for detecting and identifying anomalies zones behind rigid earth-retaining wall structures.

목차 (Table of Contents)

• 1장. 서론 0
• 1.1 연구 배경 0
• 1.2 연구 목적 1
• 2장. 지하투과레이더(GPR) 3
• 2.1 전자기파 이론 3
• 2.1.1 자유공간에서의 맥스웰 방정식 5
• 2.1.2 물질 공간에서의 맥스웰 방정식 7
• 2.1.3 전자기파의 특성 9
• 2.2 GPR 시스템 9
• 2.2.1 GPR 시스템의 구성 요소 9
• 2.2.2 일반적인 GPR 신호 해석 방법 10
• 2.3 GPR 신호 해석 시 고려사항 12
• 2.3.1 손실유전체에서의 전자기파 신호 강도 감쇠 12
• 2.3.2 경계면에서의 전자기파 반사와 굴절 14
• 2.3.3 분해능(Resolution) 18
• 2.4 GPR 데이터 처리 21
• 2.4.1 시간 영점 조정 21
• 2.4.2 신호 필터링(Filtering) 22
• 2.4.3 이득 함수(Gain function) 24
• 3장. 배면 물질의 식별을 위한 GPR 활용 흙막이벽 벽체 모사 실험 26
• 3.1 실험 구성 및 결과 26
• 3.1.1 실험 구성 26
• 3.1.2 실험 결과 30
• 3.2 배면 물질의 전자기적 물성 평가 30
• 3.2.1 경계면 반사계수에 따른 반사 전자기파의 진폭 33
• 3.2.2 강성 표면층 내 감쇠에 따른 반사 전자기파의 진폭 35
• 4장. 요약 및 결론 38
• 참고문헌 40