rotary sounding[로터리 사운딩], stepped blade(ISB;Iowa stepped blade) & tapered blade, 수압파쇄시험(hydraulic fracturing method)

시추 시의 저항으로 지반의 강도를 추정코자 하는 sounding 방법으로, 시추 속도․회전속도․선단 비트에의 시추 저항(비트에의 하중․torque․마모율)․이수의 수압(압력) 등을 비트 바로 위에 내장 설치된 센서와 지상의 프로그램이 내장된 data logger로 연결․측정․기록하는 방법이다.

 

이는 센서를 탑재한 sensing machine을 중심으로 sensing rod(로드 선단의 배럴에 해당되어 비트부․센서부․계측 메모리부․배터리부로 구성)와 지상 계측 및 해석장치 (해석 소프트웨어 내장)로 구성되어 있다.

 

이는 석유탐사에서 시도된 이래 토목기초처리 분야에 응용되어, 연약지반 고화개량의 품질관리 수단으로 활용되고 자료가 연속적으로 얻어지기 때문에 개량체 강도를 연속적으로 파악할 수 있으므로 심층 혼합처리 공법의 성과에 이용되기도 하나 적용빈도가 낮아 보편화되지 못하여 별도로 적용한다.

 

* stepped blade(ISB;Iowa stepped blade) & tapered blade

ISB는 수평 방향의 정지토압을 간이 수평재하시험기(DMT) 시스템을 응용하여 측정코자 개발된 것으로, blade부가 step으로 선단에서 순서(차례)대로 두께가 두꺼운 step by step 형식이며, 각 step의 중앙에 소형 토압판이 내장되어 있는 구조로 재하시험이 아닌 토압계가 내장된 토압측정기이다.

 

blade 선단의 각 step은 두께가 5․7․9㎜인 3 step이며, 폭이 80㎜이고, 길이는 step당 70㎜정도 내에 각각 수압판이 내장되어 blade head부의 센서부와 결합되어 code로 연결된다.

 

tapered blade는 ISB를 응용하여 7개의 수압판을 내장한 taper형(t＝6.35～12.7, ℓ≒350, ω=95.25㎜)으로 blade의 두께를 taper식으로 변화시켜서 토층내에 삽입시 연속적으로 blade 선단부 두께가 변화하므로 시험의 신뢰성을 좀더 높인 시험기라고 주장하기도 하나 보편화되지 못하고 있다.

* 수압파쇄시험(hydraulic fracturing method)

본 시험은 지반내 지하공간에 구조물시공(주로 터널)을 설계할 때, 현지암반의 초기응력(virgin stress) 상태․특히 터널 단면 설계에서의 수평응력 성분에 영향을 미치는 측압 계수(수평․연직성분비) 산정을 위하여, 지반조사 단계에서의 시추공을 이용한 암반의 공학적 설계에 중요한 요인으로 이용되는 초기응력을 직접 측정하여, 지진의 예측 및 메커니즘을 규명하므로서, 응력에 의해 발생되는 터널의 불안정성을 밝혀내고자 하는 현장 원위치시험이다.

 

터널이 굴착되면 초기 응력이 교란되어 유도응력(induced stress)으로 재배치되고, 중력(gravitational)․지체(지각운동․plate tectonics) 및 지각의 물리․화학적 변화에 의한 침식 후의 잔류(residual) 응력으로 분류되게 된다.

이러한 응력을 측정하는 방법으로서는 대개 응력보상법(flat jack) 또는 회복법(recovery)과 음향방출(AE)법이 이용되며, 응력개방(해방)법(over coring)으로서는 공경(diametral)․공저(doorstoper)․공벽(Leeman) 변형법과, 수압파쇄(hydraulic fracturing)법이 활용된다.

 

수압파쇄시험은 시추공을 이용하므로, 굴착 이전 단계에서 지하심부까지 직접응력을 측정하여 설계에 반영할 수 있어서, 여러 가지 시험결과에 의해 얻어진 탄성계수로 응력을 환산하는 과정에서의 오차(error)가 줄어드는 유용한 기법으로, 방법과 해석 등의 과정이 복잡하고 난해하였으나, 시험장비와 전산 프로그램의 발전으로 근래에 도입․실용화되어, 터널 설계에 많이 활용되는 시험이다.

 

수압파쇄시험에서는 먼저 시추공내의 상태가 체크되어 시험 위치가 선정되어야 하므로, boring core logging과 함께 borehole caliper(공경), borehole scanner(OBI․BIPS․borehole camera TV․ABI․televiewer) logging의 수행자료가 검토되어야 하며, 검토 선정된 구간에는 1단계로 stradle packer system으로 packing하고, 물 또는 유체를 고압펌프로 가압하여, 암반이 break down(임계치)되어 인장파괴(tension failure)가 일어나면 압입을 중지하고, 압력저하를 관찰(계측)하는 과정을 3～4회 반복하여, 압력-시간곡선에서 수압파쇄 균열의 거동을 조사하고, 지반의 응력성분 중 최대․최소 수평 주응력을 산정한다. 또한 공방향 측정기(gyroscope)가 내장된 impression(압입) packer나 scanning(주사)으로 최대수평주응력의 균열 방향을 측정하고, 수직응력(대개 심도×암반의 평균밀도)에 대한 비(ratio)로 측압계수(K)를 산정한다.

 

공내시험은 주로 시추 장비를 이용하는 로드형과, 고압 호스를 활용하는 수정보안된 rod type system이 이용되나, 고압 호스 3개․signal cable 2개․filter cable 5개를 일체화시켜 가운데(center)의 bearing wire와 함께 outer jacketing한 특수한 multihose의 steelcable wireline type도 개발 이용되지만, 비용과다와 문제 발생시의 수리 난제 등이 단점이기도 하다. 그러므로 시추공 상태가 불량하거나 심도가 얕은 공에서는 로드형이 운영되고, 지하에너지(유류․가스) 비축기지․양수발전소․도수 터널․핵폐기물 처분장 등 깊은 심도의 시추공에 대한 시험에서는 wireline과 로드형이 복합된 별도의 단일 또는 복수 고압 호스형의 wireline 시스템이 운영되기도 한다.

 

자료의 해석은 초기파쇄(initial breakdown)․균열파쇄(shut-in)․균열 확장 또는 개구(fracture propagation 또는 reopening) 압력(Pb․Ps․Pp or Pr)과 균열의 방향이 필수적인 변수이며, Pb는 첫 번째 가압 싸이클에서의 최대구간압이므로 쉽게 결정되나, Ps는 Pb 관찰 후 가압을 중지하면 균열 유지 필요압으로 균열면에 수직으로 작용하는 최소수평주응력(minimum horizontal principle stress;Sh)으로 나타나서 Sh=Ps가 된다.

한편 균열파쇄이후 다시 가압하면 Pb보다 낮은 일정압력에 도달하게되는 2차파쇄(secondary breakdown) 압력(Psb)을 Pr(균열개구압력)이라 하며, 현장 암반의 인장강도(in-situ tensile strength) T는 T=Pb-Psb를 이용하고 시험 측정치로서 응력해석이 가능해진다. 그러나 압력-시간곡선에서 압력값을 유추하는 과정에서, 시험자나 해석자의 주관적 판단이 포함될 가능성이 농후하여, 이를 배제하고자 확률론적 접근 방법을 통한 자료처리 프로그램이 개발되어, 압력-시간곡선․압력-유량곡선에서 매개변수가 결정된다.

 

지반거동을 평가하는 수치해석법에서 터널의 안정성 해석에는, 유한차분법을 사용한 동적과정의 지반거동 연속체 모델 해석프로그램과, 개별요소법 이론에 입각한 불연속체 모델 프로그램 등으로, 터널의 안정성을 해석하고 현지지반의 강도 및 변형특성, 초기 지압의 상태(수평/수직응력비)․터널 단면형태 및 지보보강 패턴을 결정할 수 있도록 하였다.