EVALUATION OF INFILTRATION PROPERTY OF POROUS MEDIA USING DIELECTRIC METHOD

KIM MAN-IL,NISHIGAKI MAKOTO,JEONG GYO-CHEOL,PARK CHANG-KUN 한국수자원학회 2005 한국수자원학회 학술대회 Vol.2005 No.1

불포화토 유효공극 내 추적자 침윤선 거동 특성 평가

김만일 ( Man Il Kim ),( Makoto Nishigaki ) 대한지질공학회 2007 지질공학 Vol.17 No.1

강우에 의한 지질 매질 내에서의 침투수 거동 및 함수비 특성은 매질이 가지는 고유 유전율 반응 특성으로부터 파악할 수 있다. 침투수에 의한 침윤선은 매질의 유효공극을 통해 중력방향으로 불투수층 상단부까지 침투가 진행되면서 최종적으로 사면 변위를 발생시킨다. 본 연구는 침윤선 거동 특성을 파악하기 위해 물의 비중과 동일하게 제작된 에탄올 혼합 추적자를 이용하여 연직침투시험을 수행하였다. 이를 위해 유전율혼합모델과 추적자모델을 제안하였으며, 이들 모델을 적용하여 침윤선의 거동을 지배하는 매질의 유효공극률을 산정하였다. 유효공극률은 매질의 공극을 통해 추적자의 침투 특성을 나타내는 침윤선 및 체적함수비의 변화를 실시간 유전율 변화 양상으로부터 파악하였다. 유전율 측정법을 적용해 강우에 의해 발생되는 침투수 거동에 의한 침윤선 및 체적함수비 변화로부터 사면의 안정성 평가를 위한 실시간 모니터링 기법으로의 활용에 있어 유용할 것으로 판단된다. Geotechnical phenomena such as landslide, groundwater recharge and groundwater fluctuation due to rainfall can be explain to use a dielectric response and infiltration variation by the movement of a wetting front in the subsurface. The infiltration of a wetting front is infiltrating to the connected pores which are distributed in unsaturated soil. In this study we carried out to laboratory experiment of a vertical infiltration column test using ethanol mixing tracer which has same the specific gravity of water. All physical values are detected to use a variation of dielectric constant and calculated to use a dielectric mixing model and tracer test model. This dielectric method measured by each dielectric constant of geological soil porous materials should be offer the geotechnical information and useful a field monitoring technique for detecting the variations of the volumetric water content and the wetting front, which are insignificant the key parameter to understanding the landslide by rainfall.

흙사면의 체적함수비 계측을 통한 사면파괴 예측기법 개발

김만일 ( Man Il Kim ),( Makoto Nishigaki ) 대한지질공학회 2006 지질공학 Vol.16 No.2

강우에 의한 사면파괴의 초기단계 및 과정을 규명하기 위하여 실내 사면모델 시험결과를 분석하였다. 이 파괴 초기단계와 관련된 수리학적 상호관계를 파악하기 위해 인공강우 살포동안 사면모델 내 체적함수비 변화를 측정하는데 목적을 두었다. 사면파괴의 과정은 인공강우동안 사면 하단부의 유출면 발달에 의해 파괴를 발생시키는 요인으로 작용하였다. 따라서 국부적인 사면파괴를 예측하기 위해서는 강우에 의해 발생된 침투수의 침투특성에 대한 장기적인 계측이 매우 중요하다. 사면 내에서 강우에 의한 침윤선의 침투 및 지하수위 상승과 밀접한 연관성을 갖는 체적함수비 변화를 3가지의 침투변화(phase I, phase II, phase III)로 나누어 사면파괴를 계측할 수 있는 수리학적 측면으로 접근하였다. 따라서 체적함수비가 급격히 증가하는 phase III 단계부터는 사면파괴 발생 가능성이 매우 증가함을 파악하였다. 그러므로 사면 내체적함수비 변화를 연속적으로 계측함으로써 강우에 의한 사면파괴의 발생을 효율적이고 실질적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다. This study presents the results of a series of laboratory scale slope failure experiments aimed at clarifying the process and the condition leading to the initiation of rainfall-induced slope failures. For the evaluation of hydrologic response of the model slopes in relation the process of failure initiation, measurements were focused on the changes in volumetric water content during the initiation process. The process leading to failure initiation commences by the development of a seepage face. It appears reasonable to conclude that slope failures are a consequence of the instability of seepage area formed at the slope surface during rainfall period. Therefore, this demonstrates the importance of monitoring the development seepage area for useful prediction about the timing of a particular failure event. The hydrologic response of soil slopes leading to failure initiation is characterized by three phases (phase I, II and III) of significant increase in volumetric water content in association with the ingress of wetting front and the rise of groundwater level within the slope. The period of phase III increase in volumetric water content can be used to initiate advance warning towards a failure initiation event. Therefore, for the concept outlined above, direct and continuous monitoring of the change in volumetric water content is likely to provide the possibility for the development of a reliable and effective means of predicting the occurrence of rainfall-induced slope failures.

Estimation of infiltration characteristics for weathered soils using permittivity method

Man-Il Kim,Makoto Nishigaki 대한지질학회 2007 대한지질학회 학술대회 Vol.2007 No.0

유전율법에 따른 다공질 매질의 특성 파악을 위한 실험적 연구

김만일 ( Man Il Kim ),니시가끼마코토 ( Makoto Nishigaki ) 대한지질공학회 2003 지질공학 Vol.13 No.4

지반을 구성하고 있는 매질에 대한 체적함수비 및 포화 정도를 측정하는 것은 지반의 물리적 성질, 강우에 의한 지하수 함량 및 자연 사면 파괴를 이해하는데 매우 중요한 요소 중의 하나이다. 이러한 지반의 요소들을 파악하기 위해 전자기파를 이용한 유전율법은 지반의 유전율상수의 특성에 따라 평가되어지므로 다양한 분야에 적용되고 있다. 본 연구에서는 전자기파의 측정 주파수 범위 1 - 18 GHz를 사용하는 유전율 시스템인 FDR-V (Frequency domain reflectometry with vector network analyzer)를 적용하여 1 GHz와 18 GHz에서의 두 주파수 범위에 대한 표준사 (Standard sand)와 화강풍화토 (Granitic weathered soil)의 밀도, 온도 및 염분농도 의존성에 따른 유전율상수의 반응에 대해 검토하였다. 실험결과에서, 흙의 밀도 의존성은 체적함수비의 증가에 따라 유전율상수도 증가하는 것으로 측정되었으나, 이들의 밀도 의존성은 다소 낮은 것으로 판단된다. 그리고, 1 GHz 실수부 (Real part)에 대한 온도 의존성 실험에서는 온도의 증가에 따라 물과 표준사의 유전율상수는 점진적으로 감소하는 경향을 보이나 에탄올의 유전율상수는 증가하는 것으로 측정되었다. 따라서, 온도 변화에 따른 각 매질의 유전율상수는 측정 온도에 대한 영향을 고려하여야 한다. 염분농도에 따른 유전율상수의 변화는 1 GHz 허수부(Imaginary part)에서 염분농도의 증가에 따라 유전율상수의 측정치도 함께 증가하는 것으로 나타났다. 이상과 같이, 다양한 조건하에 대한 유전율상수의 의존성들을 기초로 하여 다공질 매질의 특성을 파악하기 위한 FDR-V 시스템의 적용성을 충분히 검토하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 1 GHz의 측정 주파수범위 내에서 다공질 매질의 염분오염도를 충분히 정량적으로 측정할 수 있는 것으로 생각된다. Measurements of volumetric water content and saturation of porous media are very important factors in understanding the physical characteristics of soil, groundwater recharge by rainfall, pollutant movement, and slope failure. To measure such physical parameters, a permittivity method using electromagnetic wave is applied and use is made of the special permittivity response of understand to water and ethanol. In particular, the estimation is required because permittivity is influenced by the nature of the underground environment. In this study, we carried out experiments on the relative dependency of soil density, temperature and salinity of standard sand and granitic weathered soil using FDR-V system (Frequency domain reflectometry with vector network analyzer) within a frequency range of 1 - 18 GHz. The results of the study showed that the dielectric constants of standard sand and granitic weathered soil increased with increased volumetric water content of soil. However, the dependency of soil density was found to be a little low. Changes of dielectric constant with temperature appeared definitely in the real part of 1 GHz. That is, the dielectric constant of real part at 1 GHz of water and standard sand increased with the rise of temperature. However, ethanol showed decreased tendency. The study also showed that dielectric constant increased with increase in salinity at imaginary part of 1 GHz. It could be concluded from this study FDR-V system can adequately measure the physical properties of soil and the degree of salinity concentration of porous media within 1 GHz frequency range using dielectric constant.

Evaluation of geotechnical properties of saturated soil using dielectric responses

Man-Il Kim,Byung-Gon Chae,Makoto Nishigaki 한국지질과학협의회 2008 Geosciences Journal Vol.12 No.1

In the field of geotechnical environment, physicalparameters of soil such as volumetric water content, degre of sat-uration, porosity and effective porosity are important hydrologicalfactors. Especialy, these parameters can be aplied to the analysissubstances into the ground by rainfall. In the case of a landslideinduced by heavy rainfall, landslide monitoring is one of impor-tant technologies that detects the distribution of volumetric watercontent, wetting front movement, and infiltration characteristicsfor the earth materials. The infiltration of water mainly occursthrough pores of porous media. Infiltration of fluid substances iscontrolled by the connectivity of pore spaces. Therefore, it isexplained by the concepts of porosity and effective porosity. In thisstudy, the applicability of dielectric methods and proposed dielec-oratory test is performed for measuring effective porosity of fullysaturated sand using the permittivity method. This study showedthat the ratios of effective porosity to porosity of saturated stan-dard sands and river sands were 0.856 and 0.843, respectively.Based on the experimental results, using the frequency domainreflectometry (FDR) and frequency domain reflectometry withvector network analyzer (FDR-V) systems, the relative effectiveporosity is almost over 85 % of the relative porosity in the satu-rated standard sands and river sands. Consequently, the dielectricthe physical parameters of saturated soil. Moreover, this dielectricmethod can contribute to estimate porosity and effective porosityof saturated porous media because it is easier and faster than theprevious in-situ methods.

유전율법을 이용한 다공질 매질의 공극률 및 유효공극률의 측정에 관한 연구

김만일 ( Man Il Kim ),니시가끼마코토 ( Makoto Nishigaki ) 대한지질공학회 2003 지질공학 Vol.13 No.4

지반을 대상으로 지하수의 이동 및 오염물질 침투에 대한 평가를 위해, 지반을 구성하고 있는 매질의 공극률과 유효공극률을 파악하는 것은 매우 중요하다. 이들은 물질 이동을 결정하는 중요한 물리적 파라메터이다. 본 연구에서는 새로운 유전율 시스템인 FDR-V (Frequency domain reflectometry with vector network analyzer)를 적용하여 표준사 (Standard sand)와 강모래 (River sand)에 대한 공극률 및 유효공극률을 측정하기 위한 실험적 연구를 실시하였다. 또한, 이들을 측정하기 위해, 다공질 매질에 대한 유전율상수의 특성을 고려한 유전율 믹싱모델 (dielectric mixing model)을 제안하였다. 포화된 두 종류의 흙에 대한 유효공극률을 측정하기 위한 실내 실험은 FDR-V 시스템을 적용한 주입실험 (Injection test)과 주입물질의 농도를 측정하는 치환실험 (Replacement test)을 수행하였다. 두 종류의 실험 결과치를 비교한 결과, 측정된 유효공극률을 공극률과 비교해 보면, 약 85 - 92 %의 범위 내에 존재하는 것으로 측정되었다. 일반적인 흙의 유효공극률은 공극률에 대해 약 90 % 범위 내에 분포하고 있는 것으로 알려져 있으나, 본 연구에서는 다소 낮은 결과치를 보이고 있다. 이러한 현상은 시스템의 측정 프로브의 측정 범위가 직경 0.36 cm의 동축측정프로브 끝부분에서 이루어져 비교적 작기 때문에 제작된 흙 시료전 체적에 대한 유효공극률의 결과치이기 보다는 프로브가 위치한 지점에 대한 측정치로 판단된다. 이러한 측정 프로브의 특성을 고려해 볼 때, FDR-V 시스템은 연구자가 의도한 연구에 따라 특정 지점에 대한 지반의 정밀한 물리적 특성을 파악할 수 있을 것으로 사료된다. In order to evaluate groundwater movement and the infiltration of contaminants, such as petroleum products, the determination of porosity and effective porosity is very important. Porosity and effective porosity are important physical parameters that determine the transfer and movement of water and solutes in porous media. Various methods of determining these parameters have been developed, with varying degrees of accuracy and applicability. Most of the existing methods produce static results. They do not produce instantaneous and real time of porosity and effective porosity in a porous media. In this study, we used a new permittivity method called Frequency Domain Reflectometry with Vector analyzer (FDR-V) to determine the porosity and effective porosity of some sand samples in the laboratory. The advantage of the FDR-V method is that it instantaneously determines the temporal variation of dielectric constants of porous media. Then, the porosity and the effective porosity of porous media are computed using well established empirical equations. Results obtained from the FDR-V method compared favorably with results from other permittivity methods such as gravimetric, injection and replacement tests. The ratio of effective porosity to porosity was 85 - 92 %, when FDR-V was used. This value compared favourably with 90 %, which has been usually quoted in previous studies. Considering the convenience and its applicability, the FDR-V permittivity holds a great potential in porous media and contaminant transport studies.

Determination of Geotechnical Property of Soil Media Using the Dielectric Responses

( Man Il Kim ),( Gyo Cheol Jeong ),( Byung Gon Chae ),( Makoto Nishigaki ) 대한지질공학회 2007 국제학술발표회 논문집 Vol.2007 No.-