1. 서 론

쏘일네일 공법은 록볼트와 함께 쇼크리트를 주지보재로 사용하는 NATM (New Austrian Tunneling Method)과 유사한 개념의 공법으로 최근 40년간 유럽과 북미의 다양한 토목공사 현장에서 널리 사용되고 있다(Singla, 1999). 국내에서는 1993년 가시설 흙막이 벽체에 처음으로 적용된 후 현재 굴착면의 안정, 사면 안정 및 보강, 터널의 지보체계, 옹벽구조물 및 기존 옹벽의 보강, 인접구조물의 보강 등 다양한 분야에서 적용되고 있다. 특히 최근에는 국내에 쏘일네일의 원리를 터널에 적용한 ‘spile reinforcement system’ 공법이 소개되어 강관다단 그라우팅이나 파이프 루프(pipe roof system)에 비해 시공이 간편하고 저렴하며, 그 자체가 영구지보체계를 확보하고 있어 시공성과 경제성을 갖춘 공법으로 평가되고 있다(Kim and Lee, 2011; Kim, 2001).

터널 설계 시 토층이 비교적 얇고 미고결 지반을 통과하는 경우, 무지보 자립시간(stand-up time)이 충분히 확보되지 않으면 터널 자체는 물론 인접 구조물의 안정까지 문제시 될 수 있다. 이러한 경우에는 터널 굴착 후 주변 지반을 보강하는 개념의 공법 보다는 터널 굴착 이전에 선보강하여(prereinforcement) 원지반 자체의 전단강도를 증대시키는 공법이 유용할 수 있다(Kim, 2001). 쏘일네일링은 지반에 일정한 간격으로 보강재(그라우팅 철근)를 프리스트레싱 없이 설치하여 쏘일네일 주변 흙과 쏘일네일과의 마찰력에 의해 인장응력과 전단응력 및 휨모멘트에 저항하도록 하는 공법으로 굴착 도중 또는 굴착 후 발생할 수 있는 지반의 변위를 방지함으로써 지반을 안정시킨다.

2000년대 이후 인구의 증가는 대부분 도심지에 집중되고 있으며, 포화된 지상 구조물의 대안으로 지하 공간의 활용은 점점 더 중요한 과제가 되고 있다. 터널은 지상의 미관과 생활권을 보존함과 동시에 혼잡한 교통량을 조절하는 등 지하 구조물로써의 유용성이 높기 때문에 적용의 확대와 더불어 구조적 안정성 여부에 대한 평가의 중요성도 함께 대두되고 있다. 지반 보강 구조물로써의 쏘일네일은 터널의 안정성에 매우 중요한 역할을 하기 때문에 이에 대한 정확한 평가가 요구된다. 쏘일네일의 안정성을 평가하기 위한 시험적 방법으로 인발시험(pull-out test)을 실시하여 흙과 쏘일네일의 사이의 상호작용, 즉 마찰특성을 파악하고 있다. 인발시험은 쏘일네일에 인발하중을 가해 마찰력 부족으로 인해 발생하는 쏘일네일의 변위를 측정하여 설계하중에 견디는지 검토하는 방법으로 궁극적으로는 유효 그라우트 길이 당 최대 인발력의 비를 계산하여 단위 주면마찰력을 결정한다. 한편 시공된 쏘일네일의 안정성을 평가하기 위한 해석적 방법으로는 한계평형해석법(limit equilibrium analysis)이 있다. 한계평형해석법은 Stocker 등(1979)이 기존의 사면안정 해석법을 기초로 하여 처음 개발한 방법으로 재료의 강도를 고려하여 가상파괴면을 원호나 직선으로 가정한 후 평형조건을 사용하여 쏘일네일의 인발 마찰저항력과 휨모멘트, 전단저항력 등을 분석함으로써 구조물의 전체적인 안정성을 해석하는 방법이다. 한계평형해석법에 관한 연구는 계속되어 현재에는 전체적인 안정성을 해석하는 한계모멘트평형법(Schlosser 등, 1983), 한계힘평형법(Shen et al., 1981), 수정된 한계힘평형법(Elias and Juran, 1991) 및 국부적인 안정성을 해석하는 운동학적해석법(Juran et al., 1990)이 사용되고 있다.

인발시험이나 한계평형해석법의 결과만으로는 시공된 쏘일네일의 안정성을 해석하기에는 신뢰성에 한계가 있다. 만약 인발시험으로 측정된 인발 저항력이 설계 값보다 적은 경우 그 원인이 시공된 쏘일네일의 길이가 설계보다 짧기 때문인지 아니면 쏘일네일에 그라우트가 완전히 되어 있지 않아 그라우트의 길이가 짧기 때문인지 파악하기 어렵다. 또한 한계평형해석법의 경우 해석 결과가 설계기준안전율 이상을 만족하면 안정한 것으로 판단하는데, 만약 쏘일네일의 길이가 짧은 경우 설계기준안전율을 만족하고도 발생변위가 과다하여 사용상에 문제가 발생할 수 있다(Kim and Lee, 2011). 그러므로 인발시험과 한계평형해석법을 통해 검토된 안정성에 신뢰를 더하기 위해서는 실제 시공된 쏘일네일의 길이를 정확히 파악해야 한다. 따라서 본 연구에서는 비파괴기법을 이용하여 지중에 설치된 쏘일네일의 길이를 평가할 수 있는 기법을 개발하고자 한다.

그동안 국내외에서는 지반 보강 구조물의 안정성을 평가하기 위해 비파괴기법을 적용한 다양한 연구가 수행되어 왔다. Liao 등(2008)은 sonic echo와 impulse response test를 통해 쏘일네일의 길이를 산정하였다. 하지만 그라우팅의 품질 여부가 쏘일네일의 길이를 산정하는데 어려움을 주는 한계를 보였다. Park 등(2010)은 TDR을 이용하여 쏘일네일의 거동을 파악하는 연구를 수행하였으며, 인발시험시 인발력이 쏘일네일 상부에만 발생하기 때문에 사면의 거동에 의해 발생하는 전단력을 측정해야 한다는 결론을 제시하였다. Yu 등(2013)은 록볼트의 건전도 평가를 위해 유도 초음파를 이용하였다. 록볼트 그라우트의 충진률이 줄어들수록 유도초음파의 속도가 증가하였으며, 이러한 경향으로부터 그라우트의 충진률을 평가하였다. Hong 등(2013)은 강간다단그라우팅의 건전도를 평가하기 위해 유도초음파의 속도와 주파수를 이용하였으며, 그라우트 충진률이 줄어들수록 유도초음파의 속도는 증가하고 주파수는 높아지는 경향이 나타났다.

본 연구는 비파괴기법을 이용하여 시공된 쏘일네일의 길이를 파악하기 위한 선행 연구로써, 공기 중 그라우팅되지 않은 쏘일네일에 대해 탄성파와 전자기파를 이용하여 실내실험을 수행하였다. 철근에 전파하는 신호에 커플러가 미치는 영향을 파악하기 위해 가속도계와 AE 센서를 이용하여 탄성파를 측정하였고, TDR 장비를 이용하여 전자기파를 측정하였다. 커플러에 의한 영향이 없이도 철근의 길이를 평가할 수 있는 전자기파를 이용하여 철근 길이에 따른 전자기파의 전파 특성에 대한 실험을 수행하였으며, 신호의 도달시간과 철근의 길이와의 상관관계를 분석하였다. 또한 지중에 이미 설치된 쏘일네일에 대해서도 적용이 가능하도록 동축 케이블의 외부도체를 접지선으로 연결한 후 다양한 길이의 철근에 전파하는 전자기파의 도달시간을 분석하였다.

2. 이론적 배경

2.1탄성파의 반사법(Reflection Method of Elastic Wave)

탄성파는 역학적인 에너지를 수반하며 탄성매질 내에서 전파되는 파로써 말뚝의 건전도 평가(ASTM D5882; ASTM D6760), 말뚝 동재하시험(ASTM D4945), 지반의 전단탄성계수 산정(Lee et al., 2010) 등 다양한 지반공학분야에서 널리 이용되고 있다. 탄성파가 전파될 때 파장이 매질의 직경보다 큰 경우 파의 속도는 Young’s modulus에 영향을 받으며 다음과 같이 나타낼 수 있다(Santamarina et al., 2001).

 (1)

여기서, E는 매질의 Young’s modulus이고, ρ는 매질의 밀도이다. 쏘일네일은 직경이 작고 길이가 긴 매질로써 식 (1)을 따른다.

반사법은 대상 시험체에 탄성파를 발생시키고 임피던스 변화(impedance mismatches)나 불연속면(disco-ntinuities)에 의해 반사되는 파를 가속도계나 음향방출센서 등의 초음파 센서를 이용하여 측정하는 시스템이다(Fig. 1 참조). 지중에 설치된 쏘일네일은 두부만 노출되어 있기 때문에 반사법을 적용해야 한다. 반사법을 이용하여 반사파의 도달시간으로부터 쏘일네일의 길이를 산정할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

 (2)

여기서, D는 쏘일네일의 길이, V_L은 쏘일네일에 전파되는 탄성파의 속도, t₀는 타격에 의해 파가 발생된 시간, t₁은 철근 끝단에서 반사된 파의 도달시간이다.

2.2전자기파의 시간영역 반사법(Time Domain Reflectometry, TDR)

시간영역 반사법(Time Domain Reflectometry, TDR)은 1950년대에 전화선이나 TV 케이블과 같은 전송선(transmission cable)에 발생한 결함(절단이나 손상)의 위치를 탐지하기 위해서 처음으로 개발되었다(O’Connor and Dowding, 1999). TDR은 전기적 펄스(electrical pulse)가 동축 케이블이나 두개의 도선(twin-conductor)으로 이루어진 전송선로(transmission line)를 따라 전송되다가 전송선에 존재하는 불연속선(discontinuities)과 같은 임피던스 차이(impedance mismatches)가 발생하는 곳에서 반사되는 신호를 수신하는 원리이다. TDR은 사면의 전단면 모니터링, 지하수위 측정, 흙의 함수비 측정과 같은 지반공학 분야에도 널리 사용되고 있다(O’Connor and Dowding, 1999; Siddiqui et al., 2000).

쏘일네일 철근과 한 개의 도선을 나란하게 연결하면 동축 케이블이나 두 개의 도선이 평행하게 연결되어 있는 전송선로와 비슷한 개념으로 구성된다. 이렇게 구성된 쏘일네일에 전파되는 전자기파 신호는 전송선로 이론으로 해석할 수 있다. 전송선로에 전파되는 전자기파의 속도는 다음과 같이 정의된다(Harper, 1972).

 (3)

여기서, L은 유도계수(inductance)이며, 전류의 변화가 유도기전력이 되어 나타나는 성질로 단위는 헨리(H)이다. C는 전기용량(capacitance)로 전하를 저장할 수 있는 능력을 나타내는 물리량으로 단위는 패럿(F)이다.

쏘일네일은 흙과 시멘트 그라우트, 그리고 철근으로 이루어진 복합체이다. 전가기파의 속도(V_p)는 재료의 유전율에 영향을 받기 때문에 유전율을 고려해서 산정해야 한다. Topp 등(1980)은 전송선로에 전파되는 전자기파의 속도와 유전율의 관계를 다음과 같이 정의하였다.

 (4)

여기서, V_c는 진공에서의 빛의 속도(3 × 10⁸ m/s)이며, ε는 유전율(dielectric permittivity)로 전하 사이에 전기장이 작용할 때, 그 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향 또는 매질이 저장할 수 있는 전하량을 나타내는 물리적 단위이다. 일반적으로 공기의 유전율은 1, 시멘트 그라우트의 유전율은 10, 물의 유전율은 80이다.

쏘일네일에 전파하는 전자기파를 측정하기 위한 TDR 측정 시스템을 Fig. 2에 나타내었다. TDR 장비로부터 발생된 전기적 펄스로부터 전자기파가 발생된 후 임피던스 변화가 발생하는 부분(그림에서는 철근의 끝단)에서 반사되어 돌아오는 신호를 TDR 장비로 수신한 후 PC에 저장 후 분석한다. 이 때 반사되어 돌아오는 신호의 도달시간으로부터 쏘일네일의 길이를 산정할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

 (5)

여기서, D는 쏘일네일의 길이, V_p는 쏘일네일에 전파되는 전자기파 속도, t₀는 전기적 펄스가 발생한 시간, t₁은 반사되어 돌아오는 신호의 도달시간이다.

3. 실험 방법

3.1 커플러 유무에 따른 특성

쏘일네일 철근이 커플러로 연장된 경우 커플러 연결부에서 임피던스 변화가 발생하여 신호가 반사될 수 있다. 이 경우 신호가 철근의 끝단까지 전달되지 않을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 탄성파와 전자기파를 이용하여 커플러의 유무에 따라 신호의 특성이 어떻게 달라지는지를 파악하기 위해 실험을 수행하였다.

3.1.1 탄성파 측정

길이 2 m의 SD500 (D29) 이형철근 단본과 길이 3 m와 2 m 철근을 커플러로 연결한 길이 5 m 철근에 대해 탄성파를 이용하여 실험을 수행하였다. 신호의 측정은 탄성파의 저주파와 고주파 영역에서의 비교를 위해 가속도계와 AE 센서를 사용하였다. 사용된 가속도계와 AE 센서의 측정 주파수 대역은 각각 0.3∼12 kHz와 15∼100 kHz이다. 신호의 발생과 측정은 유도초음파의 반사법(Yu et al., 2013)을 적용하였다. 가속도계와 AE 센서를 이용한 측정은 Fig. 1과 같이 수행되었다. 신호를 발생시키기 위해 철근의 두부를 해머로 타격하였다. 발생된 신호는 철근을 따라 전파하다 철근의 끝단에서 반사되어 되돌아와 두부에 설치된 가속도계와 AE 센서로 측정되었다. 이 신호를 각각 시그널 컨디셔너와 AE amplifier를 이용하여 증폭시켰으며, 증폭된 신호는 오실로스코프를 통해 PC에 저장하였다.

3.1.2 전자기파 측정

5 m 길이의 SD500 (D29) 이형철근 단본과 길이 3 m와 2 m 철근을 커플러로 연결한 길이 5 m 철근에 대해 실험을 수행하였다. 전자기파를 이용한 실험을 위해 시간영역 반사법을 적용하였으며, 측정을 위해 TDR (Time Domain Reflectometer) 장비를 사용하였다(Fig. 2 참조). 전자기파 신호를 발생시키기 위해 Fig. 3과 같이 TDR 장비에 동축 케이블(coaxial cable)을 연결하여, 내부도체(inner conductor)는 철근과 외부도체는(outer conductor)는 구리선(copper wire)과 연결하였다. 구리선의 길이는 철근과 동일한 5 m이며, 철근과 구리선은 3 cm 간격으로 평행하게 위치시켰다. TDR 장비로 전기적 펄스(electrical pulse)를 발생시켰으며, 이 신호는 철근 두부에 전달되어 철근을 따라 전파하다가 철근의 끝단에서 반사되어 다시 TDR 장비로 수신되었다. 수신된 신호는 PC에 저장하였다.

3.2 철근 길이에 따른 전자기파 신호 양상

본 실험에서는 SD500 (D29) 이형철근을 길이 1 m ∼15 m로 준비하여 각 길이별로 나타나는 전자기파 신호의 양상을 측정하고 비교하였다. TDR 장비에 동축 케이블을 연결하여 실험을 수행하였으며, 내부도체는 철근에 연결하고 외부도체는 철근과 평행하게 위치시킨 구리선과 연결하였다. 구리선의 길이는 철근 길이가 1 m∼5 m인 경우는 5 m로 하였고, 철근 길이가 5 m∼10 m인 경우는 10 m, 철근 길이가 10 m∼15 m인 경우는 15 m로 하였다. 추가로, 커플러로 연결된 철근과의 비교를 위해 전체 길이가 3 m∼15 m인 철근의 몇몇 곳을 커플러로 연결하였으며, 단본으로 구성된 철근(1 m, 2 m, 5 m, 10 m)과 비교하였다. 또한 철근의 길이가 같아도 커플러의 연결부 위치에 따라 신호가 달라지는지 여부를 측정하기 위해 11 m, 12 m인 철근은 길이가 동일하지만 커플러로 연결된 위치가 다르게 준비하였다. 철근과 구리선의 간격은 3 cm로 철근 두부에서 끝단까지 평행하게 일치시켰다.

동축케이블의 외부도체를 철근과 평행하게 위치시켜서 측정하는 방법은 지반에 이미 설치된 쏘일네일에 대해서는 적용하기 어렵다는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 동축케이블의 외부도체를 철근과 평행하게 위치시키지 않고도 이미 설치된 쏘일네일에도 적용 가능한 방법을 개발하기 위해 동축케이블의 외부도체를 접지로 연결한 실험도 수행하였다. 접지 케이블의 길이는 22 m로 모든 길이의 철근에 대해 동일하게 적용하였다. 전기적 펄스를 발생시키기 위해 TDR 장비를 이용하였으며, 철근 끝단에서 반사되어 되돌아오는 신호를 다시 TDR 장비로 수신하였다. 수신된 신호는 PC에 저장하였다.

4. 실험 결과

4.1 커플러 유무에 따른 특성

4.1.1 탄성파 실험 결과

길이 2 m 철근과 커플러로 연결된 길이 5 m (3 m + 2 m) 철근에 대해 탄성파를 발생시켜 가속도계와 AE 센서로 측정하였으며, 그 결과를 각각 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. 길이 2 m인 철근에 대해 가속도계와 AE 센서로 측정한 결과(Fig. 4)를 보면 철근 끝단에서 반사되는 신호가 약 0.756 ms 간격으로 지속적으로 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 가속도계와 AE 센서로 측정한 결과에서 동일하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이를 속도로 환산하면 약 5,200 m/s이다.

길이 3 m와 2 m의 철근을 커플러로 연결한 5 m 철근에 대해 가속도계와 AE 센서를 이용한 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5를 보면 약 1.207 ms 부근에서 첫 번째 반사파가 나타나고, 2.271 ms 부근에서 두 번째 반사파가 나타나는 것을 볼 수 있다. 커플러로부터 센서까지의 거리가 3 m인 것을 고려해 볼 때 첫 번째 반사파의 속도는 약 5,200 m/s로 산정된다. 이는 첫 번째 반사파가 철근과 철근이 연결된 지점에서 반사된 것임을 보여준다. 두 번째 나타난 반사파의 속도는 약 4,300 m/s이다. 본 실험에 사용된 철근에서의 탄성파 속도가 5,200 m/s인 것과 비교해 약 900 m/s 정도 느리게 나타났다. 이는 탄성파가 철근을 따라 전파하다가 커플러로 연결된 부위에서 철근으로 파가 직접 전달되지 않고 커플러를 통해 전달되었기 때문으로 판단된다. 반사파가 발생되는 시간은 가속도계와 AE 센서로 측정한 경우 모두 유사하게 나타나지만, AE 센서로 측정한 결과가 더 뚜렷하게 나타났다.

4.1.2 전자기파 실험 결과

길이 5 m 철근 단본과 3 m와 2 m 길이의 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 TDR을 이용하여 전자기파를 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 결과를 보면, 초기 펄스 신호 이후에 약 36.475 ns에서 임피던스(impedance) 차로 인해 철근의 끝단에서 신호가 반사되어 기울기가 급격하게 변화는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 길이 5 m인 단본 철근과 커플러로 연결된 철근에서 유사하게 나타난다. 결과로부터 커플러로 연결되어 있어도 커플러로 인한 신호의 영향이 없으며, TDR을 이용하여 신호의 측정이 잘 이루어질 수 있음을 알 수 있다.

4.2 철근 길이에 따른 전자기파 신호 양상

Fig. 7과 같이 길이 1 m∼15 m 철근에 대해 TDR 기법을 이용하여 전자기파 신호를 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8을 보면 철근의 길이가 증가함에 따라 신호가 반사되는 구간이 길어져 신호의 도달 시간이 늘어나는 것을 볼 수 있다. Fig. 8에서 나타난 것과 같이 길이 1 m 철근의 경우 도달 시간이 6.7 ns로 측정되었고, 길이가 증가함에 따라 도달 시간이 점점 길어져 길이 15 m 철근에서는 108.4 ns에서 전자기파 신호가 측정되었다. 측정된 신호로부터 철근 길이에 따른 전자기파 신호의 도달 시간을 Fig. 9에 그래프로 나타내었다. Fig. 9를 보면 철근의 길이가 증가함에 따라 도달 시간이 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 커플러로 연결된 철근의 경우도 단본인 철근과 같은 길이에서의 도달 시간이 거의 동일하게 나타나는 것을 볼 수 있다. 길이 5 m 철근의 경우 철근 단본과 커플러로 연결된 경우의 도달 시간이 각각 36.0 ns와 36.3 ns로 거의 동일한 측정 결과를 보여준다. 또한 길이 10 m 철근의 경우에도 철근 단본과 커플러로 연결된 경우의 도달 시간이 모두 72.3 ns로 동일하게 나타난다. 길이는 같지만 커플러의 연결부 위치가 다른 길이 11 m, 12 m 철근을 결과를 보면, 길이 11 m 철근의 경우 커플러 연결부의 위치가 5 m, 10 m로 두 지점인 경우와 연결부 위치가 10 m 한 지점인 경우의 전자기파 도달 시간이 각각 78.1 ns, 77.7 ns로 거의 동일하게 나타난다. 또한 길이 12 m 철근에서도 커플러 연결부의 위치가 5 m, 10 m로 두 지점인 경우와 연결부 위치가 10 m 한 지점인 경우의 전자기파 도달 시간이 각각 87.0 ns, 87.7 ns로 거의 동일하게 나타난다. 전자기파의 이동 속도는 2.77 × 10⁸ m/s 정도로 나타났다.

Fig. 10과 같이 1 m∼15 m 철근에 대해 동축케이블의 외부도체를 접지 케이블(ground cable)과 연결하여 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 그림에서 보면 길이 1 m 철근에서 측정된 전자기파의 도달 시간은 6.8 ns이고, 철근의 길이가 증가함에 따라 반사되는 신호가 나타나는 구간이 길어져 길이 15 m 철근에서 측정된 도달 시간은 108.4 ns로 나타나는 것을 볼 수 있다. 측정된 전자기파 신호로부터 철근 길이에 따른 신호의 도달 시간을 Fig. 12에 그래프로 나타내었다. Fig. 12를 보면 철근의 길이가 증가함에 따라 신호의 도달 시간도 선형적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 이러한 경향은 동축 케이블의 외부도체를 철근과 평행하게 위치시키고 실험한 결과와 유사하다. 철근 단본과 커플러로 연결된 철근에서 측정한 전자기파의 도달시간을 보면, 길이 5 m 철근의 경우 각각 36.6 ns, 36.3 ns로 거의 동일하다. 또한 길이 10 m 철근의 경우에도 신호의 도달시간이 모두 72.2 ns로 동일하다. 길이 11 m와 12 m 철근처럼 길이는 같지만 커플러로 연결된 지점이 다른 철근에 대해서도 모두 유사한 결과를 보인다. 11 m 철근의 경우, 연결부 위치가 5 m, 10 m 두 지점일 때의 도달 시간은 77.9 ns이고, 10 m 한 지점일 때의 도달 시간은 77.6 ns로 거의 동일하게 나타난다. 또한 12 m 철근의 경우 연결부 위치가 5 m, 10 m 두 지점일 때의 도달 시간과 10 m 한 지점일 때의 도달 시간은 모두 87.9 ns로 동일하게 나타난다.

5. 분석 및 고찰

5.1 커플러 유무에 따른 특성

철근이 단본인 경우와 철근이 커플러로 연결된 경우에 나타나는 탄성파와 전자기파의 신호 특성을 연구하기 위한 실험을 수행하였다. 길이 2 m인 철근 단본과 길이가 각각 3 m와 2 m인 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 탄성파를 이용하여 철근의 길이를 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 또한 길이 5 m인 철근 단본과 길이가 각각 3 m와 2 m인 철근을 커플러로 연결한 철근에 대해 전자기파를 이용하여 철근의 길이를 평가하기 위한 실험을 수행하였다. 탄성파는 가속도계와 AE 센서로 측정하였으며, 전자기파는 TDR 장비를 이용하여 측정하였다.

탄성파 측정 결과 가속도계와 AE 센서로 측정한 결과가 유사하게 나타났으며, AE 센서로 측정한 결과에서 반사파의 특징이 더 두드러지게 나타났다. 이는 AE 센서가 가속도계보다 더 큰 고주파의 신호를 수진하기 때문으로 판단된다. 커플러로 연결된 철근의 경우, 첫 번째 반사파 속도가 약 5,200 m/s로 나타났으며, 이는 커플러로 연결부에서 반사되어 돌아오는 신호이다. 두 번째 반사파는 철근 끝단에서 반사된 신호로 반사파의 속도는 약 4,300 m/s로 나타났다. 이는 파가 철근으로 직접 전달되지 않고 커플러를 통해 전달되었기 때문으로 판단된다. 탄성파를 이용한 측정 결과는 커플러 연결부에서 신호가 반사되는 특징을 두드러지게 보여준다. 이러한 특징은 지반에 설치된 쏘일네일의 길이를 평가하는데 어려움을 줄 수 있다. 지반에 설치된 쏘일네일의 길이를 미리 알고 있지 않은 경우, 반사된 신호가 커플러에서 반사된 신호인지 철근의 끝단에서 반사된 신호인지 구분하기 쉽지 않다. 따라서 지반에 설치되어 있는 쏘일네일의 길이를 탄성파를 이용하여 평가하기 위해서는 보다 더 많은 연구가 필요하다.

TDR 기법을 적용하여 전자기파를 측정한 결과, 커플러로 연결된 철근과 그렇지 않은 철근의 경우 동일한 시간에서 신호가 반사되는 것으로 나타났다. 이는 전자기파를 이용한 기법이 커플러의 영향을 받지 않고 철근의 길이를 평가할 수 있는 방법임을 보여준다. 따라서 TDR 기법을 적용하여 전자기파를 측정하면, 커플러의 영향 없이 지반에 설치되어 있는 쏘일네일의 길이를 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

5.2 철근 길이에 따른 전자기파 신호 양상

TDR을 이용하여 철근 길이에 따라 달라지는 전자기파 신호의 양상을 측정하였다. 실험에 사용된 철근의 길이는 1 m∼15 m로 1 m씩 길이를 증가시켰다. 1 m, 2 m, 5 m, 10 m 길이의 철근은 단본으로 준비하였고 이를 제외한 3m 이상의 철근들은 커플러로 연결하였다. TDR을 이용한 전자기파 신호 측정 결과, 철근의 길이가 증가함에 따라 전자기파 신호의 도달 시간이 선형적으로 증가하였다. 철근이 커플러로 연결되어 있어도 도달 시간이 선형적으로 증가하는 경향을 나타냈으며, 단본 철근과 커플러로 연결된 철근의 길이가 같은 5 m, 10 m 철근의 경우 도달 시간이 거의 동일했다. 또한 길이가 11 m와 12 m인 철근에서 측정된 결과와 같이 커플러의 연결부 위치가 달라도 철근의 길이가 같으면 도달 시간이 거의 동일하게 나타났다. 본 실험의 결과가 철근의 길이에 따라 전자기파의 도달시간이 증가하고, 커플러로 연결된 철근도 단본인 철근과 거의 동일한 결과를 보이는 것으로 볼 때, TDR을 이용하여 전자기파를 측정하는 방법이 쏘일네일의 길이를 평가하기 위해 적용 가능한 방법임을 보여준다.

동축 케이블의 외부도체를 접지선으로 연결하여 철근 길이에 따라 달라지는 전자기파 신호의 양상을 측정하였다. 길이 1 m∼15 m의 철근에 대해 실험을 수행한 결과 길이가 증가함에 따라 전자기파 신호의 도달 시간이 선형적으로 증가하였다. 길이 5 m와 10 m 철근의 경우, 철근 단본과 커플러로 연결된 경우 모두 신호의 도달 시간이 유사하게 나타났다. 또한 길이는 같고 커플러 연결 지점이 다른 길이 11 m와 12 m 철근의 경우에도 신호의 도달 시간이 모두 유사하게 측정되었다. 이러한 결과는 동축 케이블의 외부도체를 철근과 평행하게 배치(평행 구리선)하여 실험한 결과와 유사한 경향을 보인다. 외부도체를 접지선으로 연결하여 측정한 전자기파 신호의 도달 시간을 외부도체를 철근과 평행하게 배치하여 측정한 전자기파 신호의 도달 시간과 비교하여 Fig. 13에 나타내었다. Fig. 13을 보면 두 실험에서 측정된 전자기파의 도달 시간이 거의 동일한 결과를 보여주고 있음을 볼 수 있다. 본 실험의 결과는 동축 케이블의 외부도체를 접지선으로 연결하는 방법이 이미 지반에 설치된 쏘일네일에 대해서도 적용 가능한 방법이 될 수 있음을 보여준다.

6. 결 론

커플러로 연결된 철근에 대해 탄성파 실험을 수행한 결과, 커플러 연결부에서 반사되는 신호와 철근 끝단에서 반사되는 신호가 함께 나타났다. 만약 철근의 길이와 커플러의 위치를 미리 알고 있지 않다면 이를 구분하기는 쉽지 않기 때문에 탄성파를 이용하는 방법은 더 많은 연구가 요구된다. 반면, 전자기파를 이용하여 실험을 수행한 결과, 커플러로 연결되어 있어도 그 영향 없이 전자기파 신호의 도달 시간으로부터 철근의 길이를 쉽게 산정할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 쏘일네일의 길이 평가를 위한 비파괴 기법으로 전자기파를 이용하였다.

동축케이블의 외부도체를 철근과 평행하게 배치하여 길이 1 m∼15 m의 철근에 대해 전자기파를 측정하였으며, 커플러로 연결되어 있어도 철근의 길이가 증가함에 따라 도달시간이 선형적으로 증가하였다. 이는 쏘일네일의 길이를 평가하는데 있어서 전자기파가 유용한 방법이 될 수 있음을 보여준다.

외부도체를 철근과 평행하게 배치하는 방법은 이미 시공된 쏘일네일 철근에 대해서는 적용하기가 어렵기 때문에 이를 개선할 수 있는 방법이 필요하다. 따라서 동축케이블의 외부도체를 접저선으로 연결하는 방법을 적용하여 지중의 쏘일네일에서도 적용이 가능하도록 하였다. 전자기파 측정 결과, 철근의 길이가 증가함에 따라 도달 시간이 증가하였으며, 외부도체를 철근과 평행하게 배치한 결과와 거의 유사하였다.

본 실험의 결과는 TDR을 이용한 전자기파 측정 방법이 쏘일네일의 길이를 평가하는데 적용 가능한 기법임을 보여준다. 또한 외부도체를 접지선으로 연결하는 방법을 사용하면 지중에 이미 설치된 쏘일네일의 길이도 평가가 가능할 수 있음을 보여준다.