보정된 SBAS-InSAR 시계열을 이용한 연약지반 장기 압밀 거동의 정량적 역해석 = Quantitative back-analysis of long-term consolidation behavior of soft ground using corrected SBAS-InSAR time series

국문 초록 (Abstract)

대규모 매립 연약 지반상에 건설되는 공항 시설의 사용성과 안전성을 확보하기 위해서는 장기 침하 및 잔류침하에 대한 정량적 평가가 필수적이다. 특히 새만금과 같이 심도가 깊은 연약 점토층이 분포하고 매립고가 높은 부지에서는 준공 이후에도 압밀 침하가 장기간 지속될 가능성이 크므로, 허용 침하 기준의 만족 여부를 신뢰성 있게 검토할 수 있는 분석 수단이 요구된다. 그러나 새만금 신공항 부지와 같이 시추조사 시점과 실제 착공 시점 사이에 장기간의 시간적 공백이 존재하고 초기 계측 자료가 확보되지 않은 경우, 설계 단계에서 산정된 압밀 정수만으로 현장의 실제 장기 거동을 규명하는 데에는 본질적인 불확실성이 수반된다.
이러한 한계를 보완하기 위한 대안으로 광역 변위 모니터링이 가능한 SBAS-InSAR 기법이 주목받고 있으나, 위성 시계열에는 대기 지연, 궤도 오차, 환경 요인 등에 기인한 노이즈 및 누적 편향 오차가 포함될 수 있어 이를 압밀 해석에 직접 활용할 경우 해석 결과가 왜곡될 우려가 있다. 본 연구에서는 새만금 5·6공구 및 신공항 부지를 대상으로 SBAS-InSAR 시계열의 신뢰성을 체계적으로 검증하고, 침하판 계측 자료 및 실내 압밀시험 결과와 연계하여 장기 압밀 거동을 역 해석할 수 있는 보정 기법과 평가 절차를 제안하였다.
먼저, Sentinel-1 기반 SBAS-InSAR 시계열을 새만금 5·6공구의 침하판 계측 자료와 시·공간적으로 정합하여 SBAS-InSAR 시계열을 주성분 분석을 통해 잠재 벡터로 축약하고, 강우량 및 토양 수분을 환경 변수로 결합한 기계 학습 기반 보정 모델을 구축하였다. 또한 성토 이력에 따른 거동 차이를 반영하기 위해 자료를 구간별로 구분하여 학습·검증 자료를 구성하였다. 다층 퍼셉트론, 랜덤 포레스트, XGBoost 등 다양한 알고리즘을 LOPO 교차 검증하여 잠재 벡터와 강우량, 토양 수분을 입력 변수로 활용한 XGBoost 모델을 선정하였으며, 보정된 시계열이 실제 압밀 거동의 핵심 특성인 기울기와 곡률을 안정적으로 유지하도록 Savitzky-Golay 필터와 기울기 제약 단조 스무딩을 결합한 하이브리드 필터링 기법을 적용하였다. 이 과정을 통해 확보된 보정 SBAS-InSAR 시계열은 침하판 실측 자료가 부족한 구간에서 장기 침하 해석을 위한 대표 입력 자료로 활용되었다.
새만금 5·6공구에 대해 Asaoka 법과 쌍곡선 법을 적용한 결과, 보정 시계열은 실측 자료와 유사한 침하 수렴 특성을 나타내며 장기 압밀 거동을 합리적으로 모사함을 확인하였다. 이를 신공항 부지에 적용하여 압밀 정수를 역산한 결과, 산정된 2차 압밀계수는 동일 지점의 불교란 시료를 이용한 실내 압밀시험 결과와 유사한 범위에 위치하여 위성 자료 기반 역해석 결과가 실내시험에서 제시된 물성 범위와 정합함을 확인하였다.
또한 2차 압밀 구간의 log t–S 관계에 대한 선형성을 평가한 결과, 원본 및 칼만 필터 적용 시계열에서 역산된 압밀계수는 다수 지점에서 실내시험 상한을 초과하는 경향을 보였으나, 보정 시계열은 모든 지점에서 2차 압밀 단계의 이론적 선형 거동에 가장 근접한 특성을 나타내었고, 전 지점에서 실내 압밀시험 결과 범위 내에 위치하였다. 역산된 압밀 정수를 이용하여 새만금 공항 주요 시설물의 준공 후 30년 장기 침하량을 예측한 결과, 일부 구간에서는 허용 침하 기준을 초과할 가능성이 있는 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 계측 자료가 제한적인 대규모 간척지에서 SBAS-InSAR 기반 기계 학습 보정 기법과 압밀이론을 유기적으로 결합하여 연약지반의 장기 거동을 구명할 수 있는 새로운 분석 체계를 제시하였으며, 향후 유사한 대규모 매립 인프라 프로젝트의 설계 및 유지관리 의사결정에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 2
• 1.3 연구 방법 4
• Ⅱ. 연구사 8
• 2.1 연약지반 압밀 침하 연구 동향 8
• 2.2 SAR 위성분석 관련 연구 동향 12
• Ⅲ. 이론적 고찰 16
• 3.1 연약지반 압밀 침하 이론 16
• 3.2 SAR 영상레이더 원리 19
• 3.3 InSAR 간섭위상 원리 20
• 3.4 기계 학습 학습 이론 24
• Ⅳ. SBAS-InSAR 신뢰성 검증 및 보정 모델 선정 28
• 4.1 SBAS-InSAR 자료 및 시계열 분석 방법 28
• 4.1.1 연구지역 및 자료 구성 28
• 4.1.2 SAR 영상 처리 및 SBAS-InSAR 시계열 산정 31
• 4.1.3 SBAS-InSAR 및 침하판 계측 자료 정리 36
• 4.2 SBAS-InSAR·침하판 비교 및 보정 모델 구축 방법 42
• 4.2.1 SBAS-InSAR-침하판 정합 및 평가 지표 42
• 4.2.2 성토 이력 자료 구성 44
• 4.2.3 보정 전·후 시계열 적용 스무딩 기법 44
• 4.2.4 SBAS-InSAR 시계열 보정 모델 구성 47
• 4.2.5 성토 이력 고려 여부 및 조합 설정 55
• 4.2.6 모델 검증 및 후처리 전략 59
• 4.3 보정 전 SBAS-InSAR 시계열 및 필터 기반 개선 효과 60
• 4.3.1 보정 전 SBAS-InSAR 오차 특성 61
• 4.3.2 보정 전 SBAS-InSAR 시계열 필터별 비교 결과 68
• 4.3.3 필터 기반 개선 및 SBAS-InSAR 단독 활용 한계 83
• 4.4 SBAS-InSAR 보정 모델 성능 및 성토 이력 고려 효과 85
• 4.4.1 보정 후 모델별 성능 평가 86
• 4.4.2 보정 후 SBAS-InSAR 시계열의 필터별 특성 및 최적 기법 선정 100
• 4.4.3 필터 적용 보정 모델별 성능 평가 115
• 4.4.4 성토 이력 고려 여부에 따른 보정 성능 비교 124
• 4.5 보정 시계열의 압밀 해석 적용성 평가 128
• 4.5.1 적용성 평가 기준 및 절차 128
• 4.5.2 2차 압밀 거동 평가 방법 129
• 4.5.3 침하량 예측 결과 130
• 4.5.4 2차 압밀 거동 비교 결과 137
• 4.5.5 한계 및 향후 개선 방향 139
• 4.6 SBAS-InSAR 보정 결과 및 고찰 140
• Ⅴ. 새만금 신공항 부지 장기 침하 거동 분석 142
• 5.1 연구 대상지 및 지반 특성 142
• 5.1.1 연구 대상지 개요 및 지층 현황 142
• 5.1.2 신공항 부지 SBAS-InSAR 시계열 구축 149
• 5.2 분석 방법 및 검증 절차 151
• 5.2.1 SBAS-InSAR 시계열의 물리적 타당성 검증 방법 151
• 5.2.2 SBAS-InSAR 기반 현장 압밀계수 역해석 방법 152
• 5.2.3 하중 시나리오 및 장기 침하량 산정 방법 153
• 5.3 지반 거동 분석 결과 및 고찰 155
• 5.3.1 SBAS-InSAR 시계열의 물리적 타당성 검증 결과 155
• 5.3.2 현장 압밀계수 역해석 결과 및 타당성 검증 156
• 5.3.3 하중 시나리오 기반 장기 침하예측 및 잔류침하 관리구간 검토 164
• 5.3.4 수치해석 기반 예측값 검토 및 접속부 부등침하 거동 분석 168
• Ⅵ. 결론 174
• 참고문헌 177
• Abstract 196