지반 및 지하 구조물의 거동을 정확히 파악하는 것은 굴착 공사의 안전 관리, 사면 안정성 평가, 댐·제방 건전성 모니터링에 있어 핵심적인 과제이다. 지반 계측(geotechnical monitoring)은 지반 내부의 응력, 변형, 수분 상태를 실시간으로 감시하여 위험 징후를 조기에 파악하고 보수·보강 조치를 취할 수 있게 한다.
지반 계측의 주요 측정 대상은 다음과 같다.
지반 응력: 토압, 간극수압
지반 변형: 수평 변위(경사), 연직 침하
지하수: 수위, 수압
지반 물성: 함수비, 밀도(TDR)
2. 토압계 (Earth Pressure Cell)
2.1 원리
토압계는 지반 내부 또는 구조물 표면에 설치하여 작용 토압(earth pressure)을 측정한다. 수압 방식과 저항 방식이 주로 사용된다.
진동현식 토압계 출력:
\[ p = K \cdot (R^2 - R_0^2) + C \cdot (T - T_0) \]
여기서 \( R \): 현재 주파수, \( R_0 \): 기준 주파수, \( K \): 교정 계수, \( C \): 온도 보정 계수
2.2 종류
종류
원리
적용
진동현식 (VW)
다이어프램 변형 → 현의 진동수 변화
성토체, 지중벽
저항식 (스트레인 게이지)
다이어프램 변형 → 저항 변화
구조물 표면
광섬유식 (FBG)
광섬유 격자 파장 변화
장기 모니터링
수압식
오일 또는 수압을 압력 센서로 전달
댐, 제방
2.3 설치 방법
매립식 (Embedded): 성토 중 지반 내에 매립, 세립토로 덮어 밀착 접촉 확보
접촉식 (Contact): 구조물(옹벽, 지중벽) 표면에 직접 부착
※ 아칭 효과(Arching Effect) 주의
강성이 높은 토압계 주변 지반은 아칭으로 인해 실제보다 낮은 토압이 측정될 수 있다. 토압계 두께와 강성이 주변 지반과 유사할수록 오차가 줄어든다.
3. 간극수압계 (Piezometer)
3.1 원리
간극수압계는 지반 내 특정 위치에서의 간극수압(pore water pressure, u)을 측정한다. 간극수압은 유효 응력(effective stress) 계산 및 지반 안정성 평가에 직접 영향을 미친다.
유효 응력 원리 (Terzaghi):
\[ \sigma' = \sigma - u \]
여기서 \( \sigma' \): 유효 응력, \( \sigma \): 전응력, \( u \): 간극수압
3.2 종류
종류
특징
응답 속도
개방형 스탠드파이프
구조 단순, 저비용
느림 (수 시간~일)
진동현식 (VW)
원격 데이터 취득 가능
빠름 (실시간)
공압식 (Pneumatic)
배선 불필요, 긴 관로 가능
중간
전기식 (저항형)
고정밀, 빠른 응답
매우 빠름
3.3 정수압 변환
수위로부터 간극수압 계산:
\[ u = \gamma_w \cdot h_w \]
여기서 \( \gamma_w \): 물의 단위중량 (9.81 kN/m³), \( h_w \): 압력 수두 [m]
3.4 적용 현장
연약지반 위 성토 중 압밀 진행 모니터링
댐·제방 침투 해석 및 내부 침식 감시
깊은 굴착 시 배면 지반 수압 변화 관리
사면의 강우에 따른 수압 상승 모니터링
4. 경사계 (Inclinometer)
4.1 원리
케이싱(casing)을 지중에 매설하고, 경사 센서(가속도계 또는 MEMS)를 탑재한 탐침(probe)을 삽입하여 깊이별 수평 변위를 산정한다.
고정식 경사계 (In-place Inclinometer, IPI): 특정 깊이에 영구 고정하여 연속 모니터링. 위험 구간 집중 감시에 적합
MEMS 경사계: 소형 저전력 센서로 무선 통신과 결합하여 원격 모니터링 가능
4.3 적용
사면 활동(landslide) 깊이 및 변위 속도 모니터링
깊은 굴착 시 흙막이벽 수평 변위 관리
연약지반 측방 유동 감시
터널 굴착에 따른 주변 지반 변형 모니터링
5. 침하계 (Settlement Gauge)
5.1 지표 침하 측정
지표면의 연직 침하를 측정하는 방법으로는 레벨링, 진동현식 침하계, 광섬유 분포형 센서 등이 활용된다.
5.2 지중 침하계 (Extensometer / Settlement Plate)
침하 플레이트는 지반 내 특정 깊이에 설치되어 그 지점의 절대 침하량을 측정한다. 다점 연장계(Multi-point Borehole Extensometer, MPBX)는 단일 시추공 내 여러 깊이에서 동시에 침하를 관측한다.
압밀 침하 예측 (Terzaghi):
\[ S_c = \frac{C_c}{1+e_0} \cdot H \cdot \log\frac{\sigma'_0 + \Delta\sigma'}{\sigma'_0} \]
여기서 \( C_c \): 압축 지수, \( e_0 \): 초기 간극비, \( H \): 압밀층 두께
5.3 수평 변위-침하 연계 모니터링
연약지반 위 성토 시 경사계(수평 변위)와 침하계(연직 침하)를 함께 설치하여 안정 관리 기준(Matsuo-Kawamura 도표 등)에 따라 성토 속도를 제어한다.
6. TDR 계측 (Time Domain Reflectometry)
6.1 원리
동축 케이블에 전자기 펄스를 발사하여 케이블 손상이나 지반 변형에 의한 임피던스 변화 지점에서 반사된 신호의 도달 시간을 분석한다.
TDR 위치 결정:
\[ d = \frac{v_p \cdot t_{reflected}}{2}, \quad v_p = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_r}} \]
여기서 \( v_p \): 전파 속도, \( t_{reflected} \): 반사 신호 도달 시간
6.2 지반 함수비 측정
토양의 유전율은 함수비에 매우 민감하게 반응하므로, TDR 로 전파 속도를 측정함으로써 체적 함수비(Volumetric Water Content, VWC)를 산정할 수 있다.