AR 모델을 이용한 산사면에서의 지하수위 예측

이인모,박경호,임충모,Lee, In-Mo,Park, Gyeong-Ho,Im, Chung-Mo 한국지반공학회 1993 지반 : 한국지반공학회지 Vol.9 No.3

우리나라는 많은 산막지역으로이루어져 있으며 우기에 많은산사태의 발생으로 인하여 인명과 재산의 손실을 입고 있다. 따라서, 산사태의 발생에 대한 예측 시스템과 위험도 분석 연구가 필요하며, 본 연구의 목적은 관측된 지하수위의 분석을 통하여 산사태 발생을 예측하는 가능성에 대한 것이다. 이를 위하여 AR 모델을 사용하여 모델계수를 일정하게 하는 경우와 변화시키는 경우로 나누어 분석하였다. AR모델계수를 일정하게 하는 경우에는 AR(1), AR(2), AR(3) 모델을 선택하여 각 각의 모델계수를 구하였고, AR모델계수를 변화시키는 경우에는 변형된 AR(1)과 전형적인 AR (2) 모델을 과정 모델로 이용하여 Kalman Filtering 기법에 의하여 모델계수를 구하였다. 그 결과, 모델계수를 변화시키는 실시간 예측 방법이나 AR모델계수가 일정한 경우 모두 산사면 에서의 지하수위를 잘 예측해주며, 지하수위 뿐만아니라 시간별 강우강도를 고려함으로써 더욱 정 확한 예측을 할 수 있을 것으로 사료된다. Korea being composed of a number of mountains has been damaged and destroyed in lives and properties by the occurrence of many landslides during the wet seasons. Therefore, it is necessary to study the forecast system and risk analysis for the occurrence of landslides : the rise of groundwater levels due to rainfall is the main cause of landslides. In this paper, the autoregressive models are used to predict the grondwater levls using cases of both time invariant and time -varing autoregressive coefficients. In the former case, AR(1), AR(2), and AR(3) models are selected and their single-valued parameters are estimated to fit them to the observed groundwater level series. In the latter case, modified AR(1) and typical AR(2) models are used as process model and a discrete Kalman Filtering technique is utilized to estimate the parameters which are themselves a function of time. The results show that the real time forecast system using the time-varying autoregressive coefficinets as well as time -invariant AR model is good to predict the groundwater level in hillside slopes and we might get better result if we use the time-hourly rainfall intensity as well as the observed groundwater level.

파쇄대에 접근하는 터널의 내공변위 변화 해석

이인모,이승주,이주공,이대혁,Lee, In-Mo,Lee, Seung-Ju,Lee, Joo-Gong,Lee, Dae-Hyuck 한국터널지하공간학회 2002 터널기술 Vol.4 No.3

The purpose of this study is to figure out the tendency of tunnel convergence during excavation and to present a methodology for the prediction of a fault zone ahead of a tunnel face by analyzing three dimensional displacements in various ways. 3-D numerical analysis was performed to investigate changes of tunnel convergence vectors near a fault zone and to propose a flow chart for predicting fault zones. Results of the site investigation and results of trend line analysis of in-situ data were compared to verify the usefulness of a trend line analysis. It is concluded that the orientation of faults can be predicted by using stereonets and the direction of initial stresses can be predicted from the arm length of a displacement vector as a tunnel approaches fault zones. The results of the trend line analysis coincided with those of the site investigation, and a methodology for the prediction of a fault zone was proposed. 본 연구는 터널 굴착시 막장 전방의 지반변화를 사전에 예측할 수 있는 방법을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 막장 전방에 파쇄대가 방향성을 가지고 존재 할 때 터널의 3차원 해석을 통하여 터널의 내공변위의 변화 경향을 살펴보았으며, 이를 통하여 막장전방의 지반 변화를 파악하고자 하였다. 이러한 터널의 내공변위의 변화는 경향선과 영향선을 이용하여 표현할 수 있으며 이를 이용하여 막장 전방에 존재하는 파쇄대를 예측하고자 하였다. 수치해석 결과에 의하면 막장전방에 파쇄대가 존재 할 경우 막장이 파쇄대에 접근할 수록 급격한 경향선의 변화가 나타난다. 또한 파쇄대가 방향성을 가지고 있는 경우에는 경향선의 급격한 변화 외에 측벽부의 변위 경향이 비대칭을 이루므로 인하여 평사투영도 상에 나타난 변위가 비대칭을 형성하는 것으로 파악되었다. 이러한 수치해석결과에 의한 내공변위 해석결과를 현장 계측 자료와 비교하였으며, 현장에서 계측한 오차를 줄일 수 있도록 계측데이터가 정규분포 한다고 가정하여 현장데이터를 분석한 결과 막장전방의 파쇄대의 존재 유무를 파악할 수 있는 것으로 나타났다.

상한치 이론에 근거한 터널 막장의 안정성 연구

이인모,이재성,남석우,Lee, In-Mo,Lee, Jae-Sung,Nam, Seok-Woo 한국터널지하공간학회 2003 터널기술 Vol.5 No.1

터널 시공 시 막장의 안정은 주요 관심사이다. 그러나, 터널 지보재에 비해 상대적으로 터널 막장의 안정성 문제는 그리 많은 연구가 이루어지지 않은 실정이다. 또한 지하수위 하에서 터널 시공 시 터널 내로 지하수 흐름에 의해 발생된 침투수력은 막장의 안정성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 본 논문에서는 두 가지 요소를 고려하여 터널 막장의 안정성을 평가하였다. 하나는 극한이론 중 상한치 이론으로 산출된 유효응력이며, 다른 하나는 정상류 흐름조건에서 수치해석으로부터 산출된 침투수력이다. 열악한 지반조건에서 터널 시공 시 터널의 안정과 인접 구조물의 손상을 방지하기 위해 보조공법이 적용된다. 강관 다단 그라우팅 공법은 근래 국내에서 적용되고 있는 보조공법 중의 하나이다. 본 논문에서는 강관 다단 그라우팅으로 보강된 터널의 막장 안정성도 함께 평가되었다. Face stability of a tunnel is a main concern during tunnel excavation. However, there has been only a few studies on this problem while a lot of researches on the support systems have been carried out. In addition, when tunneling is performed below the groundwater level, the groundwater flows into the tunnel so that the seepage forces generated on the tunnel face might give rise to a serious potential for the face instability. In this study, the face stability was evaluated by simultaneously considering two factors: one is the effective stress calculated by upper bound theorem; the other is the seepage forces acting on the tunnel face obtained by numerical analysis under the condition of steady-state groundwater flow. Tunneling in difficult geological conditions often requires auxiliary techniques to guarantee safe tunnel excavations and/or to prevent damage to structures and services around the tunnel. The steel pipe-reinforced multistep grouting has been recently applied to tunnel sites in Korea. Face stability of a tunnel with the steel pipe-reinforced multistep grouting was also analyzed in this study.

웨이블릿 변환을 이용한 터널 콘크리트 라이닝의 두께 검사법

이인모,전일수,홍은수,이주공,Lee, In-Mo,Cheon, Il-Soo,Hong, Eun-Soo,Lee, Joo-Gong 한국터널지하공간학회 2003 터널기술 Vol.5 No.1

콘크리트 라이닝의 안정성을 검토하기 위해 지난 수년간 많은 연구가 이루어졌으며, 많은 비파괴 조사 기법들이 개발되고 발전하였다. 이러한 비파괴 조사 기법들은 그 신호 해석 과정에서 대부분 푸리에 이론을 근간으로 하고 있다. 그러나 진동신호에 대하여 푸리에 해석을 적용할 경우 결과는 단지 주파수 영역상에서 확인될 뿐이며, 이러한 결과로는 정확한 대상 신호의 분석을 기대할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 충격하중으로 인하여 발생한 비정상 파의 해석을 위하여 웨이블릿 이론을 적용하였으며, 웨이블릿 변환의 적용성을 확인하기 위하여 콘크리트 라이닝을 모사한 모형을 대상으로 실험을 수행하고, 제안된 이론을 바탕으로 콘크리트 라이닝의 두께를 추정하였다. 본 연구로부터 푸리에 변환에 비해 웨이블릿 변환이 뛰어난 분해능을 제공함을 확인할 수 있었으며, 분산성을 갖는 파를 해석함에 있어서도 웨이블릿 변환이 뛰어난 신호 해석법임을 확인할 수 있었다. To investigate the safety and stability of a concrete lining, numerous studies have been conducted over the years and several methods have been developed. Most signal processing techniques of NDT have been based on Fourier analysis. However, the application of Fourier analysis to analyze recorded vibrational signal shows results in the frequency domain only, and it is not enough to analyze transient waves precisely. In this study, Wavelet theory was employed for the analysis of non-stationary wave induced by mechanical impact on tunnel concrete lining. The Wavelet transform of transient signals provides a method for mapping the frequency spectrum as a function of time. To verify the availability of Wavelet transform as a time-frequency analysis tool, model experiments have been conducted and the thickness of the concrete lining was estimated based on the proposed theory. From this study, it was found that the contour map by Wavelet transform provides more distinct results than the power spectrum by Fourier transform and it was also found that Wavelet transform was also an effective tool for the analysis of dispersive waves in tunnel concrete linings.

다짐 풍화잔적토의 거동특성 연구

이인모,이승철,김용진,Lee, In-Mo,Lee, Seung-Cheol,Kim, Yong-Jin 한국지반공학회 1996 지반 : 한국지반공학회지 Vol.12 No.6

삼축압축시험의 결과를 이용해 2차광물성분을 많이 포함하고 있는 모앙이 편마암인 풍화잔적토의 압축 및 강도특성을 분석하여, 모암 및 광물성분비가 다른 기존의 연구결과와 비교하여 풍화잔적토의 모암과 광물성부네 따른 강도정수의 차이 및 거동특성을 파악하기 위한 근간을 제시하고자 본 연구를 수행하였으며, 치를 위하여 CIV, CID, CKoU, CKoD 등의 삼축압축시험을 실시하였다. 기원 및 광물성분이 다른 풍화잔적토라도 정규압축곡선(NCL)의 기울기는 유사한 양상을 보이며, 압축시 입자파쇄효과로 인하여 약 85%의 소성변형량을 나타냈다. 전단시 또이동 시료는 김천 및 안동 시료와는 다르게 응력연화현상을 나타내 기원 및 구성광물에 따라 다른 거동을 보여줌을 알 수 있었다. 펀단저항각은 시료가 석영과 장석성분 등의 1차 광물과 2차광물의 구성성 분에 따라 달라짐을 알 수 있었으며, 반면에 간극수압계수는 기원 및 광물성분을 막론하고 1 이상의 큰 값을 나타냈다. The purpose of 1,his study is to analyze the compression and strength charactefistics of the decomposed -weathered soil originating from biotite gneiss or fine grained gneiss sampled from Poidong, Seoul : to figure out the behavioural characteristics of the decomposed -weathered soil in accordance with mineral composition and origin by comparing experimental results of residual soils. originating from granites and sampled from Bulam, Andong and Kimchun area. A series of CIU, CID CKoV, CKoD tests were car lied out. Although weathered soils have different origin and mineral composition, the slope of the NCL A was similar. It was also shown that plastic strain ratio was about 85% mainly due to the particle crushing effect during compression. The Poidong soil showed strain softening phenomenon unlike the Kimchun and Andong soils. this implies that the behavioural characteristics are affected by the origin and the mineral composition of the soil particles. Moreover, it was found that the angle of the shear resistance$(\phi')$ was dependent on the mineral composition. On the oher hand, measured Af values of decomposed weathered soils were more than one regardless of the origin and the mineral composition.

정상류 조건하의 토사터널의 해석 및 설계

이인모,남석우,이명재,Lee, In-Mo,Nam, Seok-Woo,Lee, Myung-Jae 한국지반공학회 1994 지반 : 한국지반공학회지 Vol.10 No.2

지하수위 하에서 터널이 시공될 경우, 터널막장은 시공 중 용수에 의한 영향을 받게 되며 지보 System은 시공 후 지하수 흐름이 문제시 될 수 있다. 븐 연구는 터널막장 및 라이닝에 대해 배수조건에 따른 지하수 흐름을 고려한 적절한 해석 및 설계방법을 제시하고 있다. 첫째, 시공 완료 후 터널 라이닝이 배수조건에 따라 받게 되는 지하수의 영향을 라이닝에 작용하는 응력 및 변위로써 검토하고 각 배수조건별로 적절한 해석 및 설계방법을 제안하였다. 둘째, 시공 중 굴착에 의한 지하수의 흐름이 문제가 되는 터널막장에 대해서 지하수 흐름의 3 차원 모델링을 수행하였으며, 그 결과를 막장의 안정성에 대한 이론적 검토에 반영하여 침투력이 막장의 안정성 미치는 영향에 대하여 검토하였다. 또한 막장을 평면변형률조건(plane strain condition)으로 모델링 하여 침투 고려시와 지하수의 미고려시에 막장면에 작용하는 응력 및 변위를 산출하여 침투력이 막장면에 미치는 영향을 검토하였다. 연구 결과, 터널 시공시 지하굴착 및 배수에 의한 지하수위 저하가 크지 않은 구간에서 터널막 장은 정상류 흐름에 의한 침투력을 고려한 적절한 안정대책이 요구되며, 터널 라이닝 또한 침투를 고려한 배수개념이나 내부 라이닝이 정수압을 견뎌야 하는 비배수 개념에 의해 설계 및 시공이 이루어져야 함을 보여준다. Under the groundwater level, the tunnel face is affected by the seepage force and the groundwater flow may cause a trouble to the tunnel support systems. The appropriate methods of analysis and design in the tunnel face and the lining, considering groundwater flow according to tunnel drainage condition are presented in this thesis. First, the effect of seepage on the stability of tunnel face was studied. Seepage force was estimated by the 3-D finite element analysis and the stability of tunnel face was checked by analytical method. Furthermore, using the finite difference method the stress and displacement on the face were computed for either case, where the seepage force is or is not considered, and the effect of seepage on the tunnel face stability was evaluated. Second, the effect of seepage force on the tunnel lining when construction is finished and steady state seepage flow occurs was studied and a design methodology considering seepage effect was made. Consequently, in case where the groundwater level remains almost unchanged and the steady state groundwater flow occurs, the proper countermeasures for face staility are required according to the condition of groundwater flow. Moreover, the tunnel lining should be designed and constructed considering the seepage force occuring by the groundwater flow toward the tunnel linings.

다층지반에서의 아칭현상에 의한 수직갱 토압

이인모,문홍표,이대수,김경렬,조만섭,Lee, In-Mo,Moon, Hong-Pyo,Lee, Dea-Su,Kim, Kyung-Ryeol,Cho, Man-Sub 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.1

본 연구에서는 사질토 지반에 설치된 수직갱에 작용하는 토압에 대한 기존 제안식을 수정하였다. 이를 검증하기 위하여 깊이에 관계없이 동일한 반경방향 변위를 일으킬 수 있는 실내 모형시험장치를 개발하였으며, 벽면마찰각과 상대 밀도를 변수로 시험하였다. 실내 모형시험 결과는 수정식에서 접선방향 토압계수(수직응력에 대한 접선방향 응력 비)인 $\lambda$값을 $\lambda=1-sin\phi$와$\lambda=1$을 사용하였을 경우의 토압 사이에 분포하였다. 다층지반에 설치된 원형수직갱 배면지반의 파괴면을 가정하고 수정식을 적용하여 다층지반에 설치된 원형수직갱에 작용하는 토압 산정방법을 제안하였다. 시공현장의 3개의 수직갱으로부터 계측 데이터를 획득하였으며 이를 토압으로 환산하여 제안된 방법을 검증하였다. 계측 데이터로부터 환산된 대부분의 환산 토압은 제안된 방법의 토압과 잘 일치하였다. A new earth pressure equation acting on the vertical shafts in cohesionless soils has been proposed by modifying the equations proposed by others. In order to verify the modified equation, model tests which can control uniform wall displacement with depth to radial direction were conducted. Model tests were performed with three different wall friction angles and two different relative densities. The measured values were larger than estimated values when assuming $\lambda=1$ ; smaller than those when assuming $\lambda=1-sin\phi$. The parameter, $\lambda$ is the ratio of tangential stress to vertical stress and is the most critical value in proposed equation. A method which can estimate the earth pressure on vertical shafts in layered soils is also proposed by reasonably assuming the failure surface of layered soils and using the modified equation. In order to verify the proposed method, in-situ measurement data have been collected from the three in-situ vertical shafts installed in layered soils. Most of earth pressures converted from measured data match reasonably well with estimated values using proposed method.

유도파에 대한 푸리에 및 웨이브렛 변환을 이용한 록볼트의 건전도 평가

이인모,김현진,한신인,이종섭,Lee, In-Mo,Kim, Hyun-Jin,Han, Shin-In,Lee, Jong-Sub 한국터널지하공간학회 2007 한국터널지하공간학회논문집 Vol.9 No.4

터널과 같은 지하공간 구조물에 있어서 록볼트는 숏크리트와 함께 주요 지보재 중의 하나이며, 그러므로 록볼트 시공품질 정도에 따라 이러한 지중구조물의 안정성에 큰 영향을 미치게 된다. 본 연구의 목적은 록볼트를 따라 전파되는 유도파에 대하여 푸리에 및 웨이브렛 변환을 이용하여 록볼트의 건전도를 평가하는데 있다. 각기 다른 결함비율을 가진 다섯 개의 록볼트 시험체를 제작하여 콘크리트 블록에 매설한 후, PZT($Pb[Zr_xTi_{1-x}]O_3$: lead zirconate titanate) 엘리먼트로 유도파를 발생시키고 AE(acoustic emission) 센서를 이용하여 신호를 측정하였다. 수집된 신호는 푸리에 변환을 이용하여 주파수 영역에서 분석하였고, 가버 웨이브렛을 사용한 웨이브렛 변환을 이용하여 시간-주파수영역에서 분석하였다. 푸리에 변환을 이용하여 얻은 스펙트럼을 분석하면 록볼트의 결함비율이 증가함에 따라 고주파 대역 에너지의 비율이 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 시간-주파수 영역에서의 각 파군별 최대 에너지가 나타나는 지점의 시간차는 각 반사파군 간의 이동 시간차를 나타내며, 이를 통해 계산된 유도파의 에너지 속도는 록볼트의 공동결함비율이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구는 스펙트럼 비와 에너지 속도가 록볼트의 건전도 평가에 있어서 하나의 지표가 될 수 있음을 보여준다. As rock bolts become one of the main support systems in tunnels and underground structures, the integrity of the rock bolts affects the safety of these types of structures. The purpose of this study is the evaluation of rock bolt integrity using Fourier and wavelet transforms of the guided ultrasonic waves. After five rock bolt specimens with various defect ratios are embedded into a large scale concrete block, guided waves are generated by a PZT (lead zirconate titanate) element and measured by an acoustic emission (AE) sensor. The captured signals are analyzed in the frequency domain using the Fourier transform, and in the time-frequency domain using the wavelet transform based on a Gabor wavelet. The spectrum obtained from the Fourier transform shows that a portion of high frequency contents increases with increase in the defect ratio. Peak values in the time-frequency domain represent the interval of travel time of each echo. The energy velocities of the guided waves increase with the defect ratio. This study shows that the spectrum ratio and the energy velocity may be indicators fur the evaluation of rock bolt integrity.

보조기층재료의 MR 특성에 관한 실험적 연구

이인모,김상균,이석근,이우진,Lee, In Mo,Kim, Sang Gyun,Rhee, Suk Keun,Lee, Woo Jin 대한토목학회 1994 대한토목학회논문집 Vol.14 No.4

본 연구에서는 국내에서 사용되고 있는 보조기층재료에 대해 변형측정정치의 위치 및 포화도에 따른 $M_R$값의 변화양상을 파악하고, 시료내의 입자크기(particle size)에 따른 치수효과(size effect)를 파악하여 적절한 $M_R$ 관계식을 제시하였다. 외부변형측정장치를 사용한 경우의 $M_R$값은 회복변형율을 과대평가 하기 때문에 내부변형측정장치를 사용한 경우보다 작았고, 포화도에 따른 $M_R$값은 wet 상태($S_r$=70%)가 damp 상태 ($S_r$=40%)보다 10% 정도 작게 나타났으며 시편을 구성하는 입자의 치수효과는 과대 입자(oversize particle)를 제거함에 따른 간극비의 변화와 직접적인 관계가 있음을 알 수 있었다. 이와같은 결과를 종합하여 보조기층의 $M_R$ 관계식은 damp 상태의 포화도에서, $M_R=3960{\cdot}{\theta}^{0.60}$ psi.로 제안할 수 있다. The resilient behavior of subbase materials, locally used in Korea. were evaluated in this study by performing laboratory MR tests. The variations of the MR value according to LVDT's location in experiments and moisture conditions, respectively, were evaluated. And, in order to determine the relevant MR characteristics of the prototype materials, laboratory model tests containing smaller particles than those of the prototype were conducted. Based on above results, the relationship of the MR and the bulk stress (${\theta}$) was suggested. The case using internal LVDT. gave much larger $M_R$ value than that using external LVDT, since the external LVDT somewhat overestimates the resilient strain. The measured $M_R$ in damp conditions ($S_r$=40%) was larger than that in wet conditions ($S_r$=70%) by about 10%. The relationship between the $M_R$ and the void ratio was linear according to particle size effect. The relationship of the $M_R$ and the bulk stress (${\theta}$) on subbase materials in damp conditions to be used in Korea could be recommended as $M_R=3960{\cdot}{\theta}^{0.60}$ psi.

산사태 위험도 추정을 위한 간극수압 예측에 관한 연구(II) -산사면에서의 지하수위 예측 모델의 개발-

이인모,박경호,임충모,Lee, In-Mo,Park, Gyeong-Ho,Im, Chung-Mo 한국지반공학회 1992 지반 : 한국지반공학회지 Vol.8 No.2

The physical-based and lumped-parameter hydrologic groundwater flow model for predicting the rainfall-triggered rise of groundwater levels in hillside slopes is developed in this paper to assess the risk of landslides. The developed model consists of a vertical infiltration model for unsaturated zone linked to a linear storage reservoir model(LSRM) for saturated zone. The groundwater flow model has uncertain constants like soil depttL slope angle, saturated permeability, and potential evapotranspiration and four free model parameters like a, b, c, and K. The free model parameters could be estimated from known input-output records. The BARD algorithm is uses as the parameter estimation technique which is based on a linearization of the proposed model by Gauss -Newton method and Taylor series expansion. The application to examine the capacity of prediction shows that the developed model has a potential of use in forecast systems of predicting landslides and that the optimal estimate of potential 'a' in infiltration model is the most important in the global optimum analysis because small variation of it results in the large change of the objective function, the sum of squares of deviations of the observed and computed groundwater levels. 본 논문에서는 가파른 산사면에서 산사태의 발생을 예측하기 위한 수문학적 인 지하수 흐름 모델을 개발하였다. 이 모델은 물리적인 개념에 기본하였으며, Lumped-parameter를 이용하였다. 개발된 지하수 흐름 모델은 두 모델을 조합하여 구성되어 있으며, 비포화대 흐름을 위해서는 수정된 abcd 모델을, 포화대 흐름에 대해서는 시간 지체 효과를 고려할 수 있는 선형 저수지 모델을 이용하였다. 지하수 흐름 모델은 토층의 두께, 산사면의 경사각, 포화투수계수, 잠재 증발산 량과 같은 불확실한 상수들과 a, b, c, 그리고 K와 같은 자유모델변수들을 가진다. 자유모델변수들은 유입-유출 자료들로부터 평가할 수 있으며, 이를 위해서 본 논문에서는 Gauss-Newton 방법을 이용한 Bard 알고리즘을 사용하였다. 서울 구로구 시흥동 산사태 발생 지역의 산사면에 대하여 개발된 모델을 적용하여 예제 해석을 수행함으로써, 지하수 흐름 모델이 산사태 발생 예측을 위하여 이용할 수 있음을 입증하였다. 또한, 매개변수분석 연구를 통하여, 변수 a값은 작은 변화에 대하여 목적함수값에 큰 변화를 일으키므로 a의 값에 대한 최적값을 구하는 것이 가장 중요한 요소라는 결론을 얻었다.