실시간 지반변위 계측을 위한 다절점 지중경사계 개발 및 검증 = Development and Verification of a Multi-joint Inclinometer system for Real-Time Ground Displacement Measurement

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study developed a MEMS IMU based multi-segment ground displacement sensor integrated with a groundwater-level sensor to overcome the limitations of conventional manual inclinometers for continuous and unmanned field monitoring. Indoor verification using a jointed aluminum-profile frames revealed that displacement errors may increase under certain conditions due to assembly tolerances at joints, accumulated orientation errors, and inter-axis coupling. To mitigate these effects, a linear correction matrix A accounting for cross-axis coupling was introduced, and its application demonstrated error-reduction capability in the indoor validation.
An in-situ comparison test-bed was then used to impose lateral deformation in three incremental pulling steps and to compare the proposed sensor with a manual inclinometer. The maximum error ratio was within 2.91% for the manual inclinometer and within 5.66% for the multi-segment sensor, confirming practical accuracy while highlighting a key advantage of the embedded multi-segment approach: measurements can continue even when casing curvature prevents probe passage. The groundwater-level sensor was also evaluated in a triaxial pressure chamber up to an equivalent head of 30 m, confirming reliable pressure-to-head conversion. Finally, a ~10-month site deployment recorded a maximum lateral displacement of 16.15 mm and groundwater level fluctuations within 5.04-9.29 m, demonstrating long-term, integrated displacement-water-level monitoring from a single borehole.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 01
• 1.1연구배경 및 목적 01
• 1.2 연구동향 03
• 1.3 연구방법 06
• 제 2 장 지반계측 모니터링 시스텝 08
• 2.1 지반계측 08
• 2.1.1 지반계측 일반 08
• 2.1.1 계측대상과 계측항목 11
• 2.2 지중경사계 13
• 2.2.1 기존의 지중경사계 13
• 2.2.2 지중경사계를 통한 지중변위 측정 이론 14
• 2.3 다절점 지중경사계 17
• 2.3.1 다절점 지중경사계의 요구성능 17
• 제 3 장 다절점 지중변위 측정 센서의 개발 20
• 3.1 다절점 지중경사계 구성센서 20
• 3.1.1 MEMS IMU 센서 20
• 3.1.2 지하수위 센서 22
• 3.1.3 모듈형 계측 시스템의 구현 25
• 3.2 다절점 지중경사계의 지중변위 산정 29
• 3.2.1 MEMS IMU 센서의 자세 각 29
• 3.2.2 다절점 지중경사계의 자세 및 공간좌표 산정법 30
• 제 4 장 지반 변형 계측방법 및 모니터링 시스템 35
• 4.1 다절점 센서의 변위 검증 35
• 4.1.1 인공환경의 변위 측정 실험 구성 35
• 4.1.2 다절점 센서를 통한 변위 검증 38
• 4.1.3 선형 보정 기반 오차 저감 방법 58
• 4.2 기존 지중경사계와의 비교 61
• 4.2.1 지중변위 측정 테스트베드 조성 61
• 4.2.2 지중변위 비교실험 63
• 4.2.3 지중변위 비교실험 결과 66
• 4.3 지하수위에 대한 검증 54
• 4.3.1 지하수위계의 성능평가 54
• 제 5 장 지반 변형 계측방법 및 모니터링 시스템 74
• 5.1 무인계측 시스템의 구성 76
• 5.1.1 다절점 지중변위 센서 76
• 5.1.2 데이터로거 및 전력공급 장치 78
• 5.1.3 IoT 통신 및 계측 웹 80
• 5.2 다절점 지중변위 센서의 현장계측 적용 83
• 5.2.1 적용현장 개요 83
• 5.2.2 현장 계측 한계 85
• 5.2.3 다절점 지중변위 센서의 현장계측 결과 87
• 5.2.4 일별 계측결과 92
• 제 6 장 결 론 106
• 참고문헌 107
• Abstract 113