PURPOSES: The purpose of this study is to evaluate different types of Ground Penetrating Radar (GPR) testing for characterizing the road cavity detection. The impulse and step-frequency-type GPR tests were conducted on a full-scale testbed with an artificial void installation. After analyzing the response signals of GPR tests for detecting the road cavity, the characteristics of each GPR response was evaluated for a suitable selection of GPR tests. METHODS: Two different types of GPR tests were performed to estimate the limitation and accuracy for detecting the cavities underneath the asphalt pavement. The GPR signal responses were obtained from the testbed with different cavity sizes and depths. The detection limitation was identified by a signal penetration depth at a given cavity for impulse and step-frequency-type GPR testing. The unique signal characteristics was also observed at cavity sections. RESULTS: The impulse-type GPR detected the 500-mm length of cavity at a depth of 1.0 m, and the step-frequency-type GPR detected the cavity up to 1.5 m. This indicates that the detection capacity of the step-frequency type is better than the impulse type. The step-frequency GPR testing also can reflect the howling phenomena that can more accurately determine the cavity. CONCLUSIONS : It is found from this study that the step-frequency GPR testing is more suitable for the road cavity detection of asphalt pavement. The use of step-frequency GPR testing shows a distinct image at the cavity occurrences.

본 연구진은 도로함몰 동공평가를 위한 선행연구를 바탕으로 LFWD 장비를 이용한 건전구간과 비건전구간의 처짐값을 비교하여 동공 유무 예측식을 개선하였다. 기존 연구의 경우, 도로함몰이 발생한 구간에서의 건전 구간과 비전건 구간의 도로의 처짐을 비교한 결과로 처짐비가 1.5∼2.5에 수렴하는 것으로 나타났으며. 대부분의 깊이비가 1.5이내의 제한을 가지고 있음을 알 수 있었다 또한 기존의 DB구간의 데이터가 아닌 타 구간의 데이터를 기존에 제시한 동공규모 관계식에 적용한 결과 동공규모 예측 시에 오차가 큼을 알 수 있었다. 본 연구진은 이러한 오차의 이유로 크게 두 가지의 이유로 구분하여 개선하고자 하였다. 첫 번째로, 기존 제안식에서 고려하지 않은 함몰평가 인자가 존재 할 수 있다는 점이었다. 따라서 본 연구진은 제안식 안의 여러 인자 분석을 진행하였으며, 분석결과 현재 처짐비의 제곱값과 동공깊이를 추가 고려한 인자로 채택하였을 때, 동공규모 예측을 개선할 수 있었다. 두 번째로는 깊이비가 1.5이상인 심도가 깊은 곳일 경우 건전구간과 비건전구간의 LFWD(Light Falling Weight Deflectometer) 처짐 값의 차이가 상이하지 않았다. 이에 처짐값의 차이를 비교 분석하여 깊이비가 1.5이상인 도로함몰에서의 LFWD 처짐값을 이용한 동공 존재 예측이 가능한지 여부에 대한 지속적인 연구가 필요함을 알 수 있었다.

OBJECTIVES: The objective of this study is to detect road cavities using multi-channel 3D ground penetrating radar (GPR) tests owned by the Seoul Metropolitan Government. METHODS: Ground-penetrating radar tests were conducted on 204 road-cavity test sections, and the GPR signal patterns were analyzed to classify signal shape, amplitude, and phase change. RESULTS : The shapes of the GPR signals of road-cavity sections were circular or ellipsoidal in the plane image of the 3D GPR results. However, in the longitudinal or transverse direction, the signals showed mostly unsymmetrical (or symmetrical in some cases) parabolic shapes. The amplitude of the GPR signals reflected from road cavities was stronger than that from other media. No particular pattern of the amplitude was found because of nonuniform medium and utilities nearby. In many cases where road cavities extended to the bottom of the asphalt concrete layer, the signal phase was reversed. However, no reversed signal was found in subbase, subgrade, or deeper locations. CONCLUSIONS: For detecting road cavities, the results of the GPR signal-pattern analysis can be applied. In general, GPR signals on road cavity-sections had unsymmetrical hyperbolic shape, relatively stronger amplitude, and reversed phase. Owing to the uncertainties of underground materials, utilities, and road cavities, GPR signal interpretation was difficult. To perform quantitative analysis for road cavity detection, additional GPR tests and signal pattern analysis need to be conducted.

PURPOSES : Road subsidence occurs owing to road cavities, which cause many social and environmental problems, especially in cities. Recently, road cavities were detected by various ground radars and repair works were carried out against the detected cavities. The condition assessments related to the road cavities are necessary to understand the potential risk of the cavities. Therefore, in this study, a numerical study was performed to assess the various conditions of road cavities. METHODS : The numerical method adopted in this study is the discrete element approach, and it is suitable for analyzing the condition because it can consider the movement of the soil particles in the surrounded cavity areas. In addition, the triaxial test was modeled and performed under various cavity conditions inside the specimens. RESULTS: The conditions of different cavity locations and shapes were analyzed to identify the effect of cavity state. Three general cases of particle size distributions were formulated to identify the effect of surrounding ground conditions. As a result, the degree of decrement and volumetric strain were varied depending on the locations and shapes of the cavity. Only minor changes were observed when the particle size distributions were altered. CONCLUSIONS: The strength reduction was higher when the cavity formed was larger and located in the upper zone. Similar to the cavity shape, strength reduction and volume deformation are more influenced by the width than the length of the cavities. There is an influence from ground conditions such as the particle size distribution, especially on the wide cavity.

최근 도로하부에 생성된 동공으로 인한 도로함몰이 빈번하게 발생되고 있다. 동공의 주요 발생 요인으 로는 굴착복구 시 다짐불량, 노후 하수관 파손, 대형공사장 지하수처리 미비 등으로 알려져 있다. 서울시 에서는 도로함몰을 사전에 예방하기 위하여 지표투과레이더(GPR, Ground Penetrating Radar)를 이용 한 동공탐사를 2015년부터 본격적으로 실시하였다. GPR 시험에서는 전자기파가 유전율이 상이한 재료 경계부에서 반사되는 특성을 이용하여 포장층 두께, 지하매설물의 위치 등을 탐지할 수 있다. GPR 안테 나는 주파수 대역, 채널 수, 설치방법 등에 따라 다양한 형식을 가진다. 서울시의 경우 도로함몰로 발전할 확률이 높은 1.5m 내외의 얕은 심도의 동공을 탐지하기 위하여 250MHz 또는 500MHz 접촉식 안테나를 사용하고 있다. 조사연장이 긴 차도에는 조사 효율성이 높은 16채널 안테나를 사용하고, 좁은 폭의 차도 및 보도에는 단채널 안테나를 사용하고 있다. 본 연구에서는 서울시에서 실시한 GPR 시험으로부터 획득 한 GPR 신호로부터 동공 및 지하매설물, 자갈 등을 구분하기 위한 정성적 패턴 분석을 실시하였다. 일반 적으로 원형, 연속적인 형태를 가지는 하수관에서 반사된 GPR 신호는 위로 볼록한 포물선 형상으로 되어 있고 반사강도가 크게 나타난다. 반면 동공 대부분은 비정형, 불연속 형태이므로 신호패턴이 찌그러진 비 대칭형 포물선으로 나타내고, 반사파의 강도가 약하거나 (+)신호와 (–)신호가 뒤바뀌는 경향으로 나타났 다. 또한 지하매설물은 1.0~1.5m 사이에 위치하므로 약 30cm 두께의 아스팔트 포장층에서 1.0m 이상 깊은 곳에서 신호가 나타난다. 반면 동공의 경우 포장층 직하부에 주로 존재하므로 포물선의 상부가 포장 층에 가까이 나타났다. 그러나 포장하부에 존재하는 건설폐기물, 자갈 등도 동공신호와 유사하게 나타나 므로 탐지율을 향상시키기 위해서는 더 많은 GPR 신호 패턴이 필요하다.

PURPOSES : The objective of this study is to determine the optimal frequency of ground penetrating radar (GPR) testing for detecting the voids under the pavement. METHODS : In order to determine the optimal frequency of GPR testing for void detection, a full-scale test section was constructed to simulate the actual size of voids under the pavement. Voids of various sizes were created by inserting styrofoam at varying depths under the pavement. Subsequently, 250-, 500-, and 800-MHz ground-coupled GPR testing was conducted in the test section and the resulting GPR signals were recorded. The change in the amplitude of these signals was evaluated by varying the GPR frequency, void size, and void depth. The optimum frequency was determined from the amplitude of the signals. RESULTS: The capacity of GPR to detect voids under the pavement was evaluated by using three different ground-coupled GPR frequencies. In the case of the B-scan GPR data, a parabolic shape occurred in the vicinity of the voids. The maximum GPR amplitude in the A-scan data was used to quantitatively determine the void-detection capacity. CONCLUSIONS: The 250-MHz GPR testing enabled the detection of 10 out of 12 simulated voids, whereas the 500-MHz testing allowed the detection of only five. Furthermore, the amplitude of GPR detection associated with 250-MHz testing is significantly higher than that of 500-MHz testing. This indicates that 250-MHz GPR testing is well-suited for the detection of voids located at depths ranging from 0.5~2.0 m. Testing at frequencies lower than 250 MHz is recommended for void detection at depths greater than 2 m.

지난해 6월말경 제2롯데월드 건축공사장 주변에서 작은 규모의 도로침하가 발생했다. 이런 사례가 외국의 싱 크홀 사례와 대비되어 SNS, 매스컴 등을 통해 전파되면서 시민불안이 확산되었고, 이에 서울시는 전국 최초로 지난해 8월말에 도로함몰 특별관리대책을 수립하고 노후하수관, 지하수, 굴착공사, 노면하부 동공 등에 대한 종합적인 대책을 시행해 오고 있는 바, 현 시점에서 노면하부 동공탐사는 도로함몰 예방의 유일한 대책이다. 이에 서울시는 세계 최고수준의 노면하부 동공탐사기술을 보유한 지오서치(주)를 2014.11에 초빙하여 주요 도로 4개 권역, 차로연장 61㎞에 대해 2014.11.30.~12.4에 무상으로 시범탐사를 실시했고 19일까지 분석을 완료한 결과 총 41개소의 동공이 탐지되었다. 또한 도로함몰 대응기술이 고도로 축적된 도쿄도를 2015.2에 방문하여 다양한 관리정책을 소개 받았고,「도로함몰 대응업무 기술협력에 관한 행정 합의서」 를 체결(2015.2.2) 하여 인적교류를 통해 서울시는 조기에 개념적인 도로함몰 예방대책을 갖추게 되었다. 도로함몰 발생과정과 원인을 규명하고 서울시 여건에 맞는 실질적인 도로함몰 방지대책을 수립하기 위 하여 탐지된 동공 41개소 중 위험등급 A급과 B급 29개(A급 18개, B급 11개, C급 12개)를 대상으로 2015.3.28까지 굴착조사를 실시했다. 조사결과 25개는 동공으로 나머지 4개는 동공이 아닌 것으로 확인 되었다. 동공이 아닌 4개는 특정물체에 대한 GPR 반사신호의 데이터를 잘못 분석한 사례이거나 일본의 노면하부 구조와 다른 특성으로 인한 분석사례 미보유로 동공 판단이 어려웠던 것으로 추정된다. GPR 자 료를 통해 분석오류가 있었던 지반의 매개체는 매립된 순수 자갈층, 아스팔트덩이, 흙시멘트, 전력관보호 커브 등이다. 동공으로 확인된 25개에 대해서 원인별로 나누어 보면 ʻ물이 흐르는 관로의 결함ʼ(11개, 44%)과 ʻ굴착복구 미흡으로 인한 장기침하ʼ(14개, 56%)였다. 구체적으로 살펴보면 먼저 물이 흐르는 관로 의 결함은 하수관이 9개(36% 전체구성비), 전력관과 통신관이 각각 1개였다. 그리고 굴착복구 미흡으로 인한 장기침하는 전력관 복구 4개, 지하철 복구 4개, 상수관 복구 4개, 하수박스 복구 1개, 통신관 복구가 1개였다. 확인된 동공을 대상으로 분석한 결과 동공의 구성은 동공의 함몰을 좌우하는 상부의 토피, 동공 대부분을 차지하는 몸체, 동공의 발생 근원지로 연결되는 꼬리로 되어 있다. 동공 위험등급 A급과 B급 중 동공 토피는 대부분 아스팔트 혼합물층이였고 아스팔트 혼합물층(평균두께 30cm)보다 두꺼운 토피는 3개(12%)였다. 동공 몸체는 투수계수가 높고 유실이 쉬운 모래‧자갈층인 기층 및 보조기층에 주로 형성되어 있었다. 동공 꼬리는 대 부분 토사유실 속도가 느린 점질토층에 형성되었으며 본 조사결과에 의하면 꼬 리 길이는 원형관 구간 0.2m, 하수박스 구간 0.8m, 지하철 박스구조물 구간 1.9m 등 매설물의 심도와 지반의 토질에 따라 다르게 형성된 것을 확인하였다. 본 연구에는 2014.6.30 이후 발생한 도로함몰 발생사례 37건도 참고하였다. 동공이 생성되는 형태, 즉 흙이 유출되는 경로의 형태를 네가지 유형으로 분류된다. 그 네개 유형은 ʻ하수관 유입형ʼ, ʻ매설관로 공간하부 유입형ʼ, ʻ매립재 공간 유입형ʼ, ʻ구조물‧공사장 배면에서의 유입형ʼ으로 분류해 볼 수 있다. 결론적으로 동공발생에 따른 도로함몰을 예방하기 위해서는 신규공사의 경우 하수관 연결, 맨홀과의 접합, 지반조사, 차수대책, 복구재료, 다짐 등 의 시공법을 의무준수하고 유지관리의 경우 포장면을 통한 물 침투 방지, 각종 매설관 또는 박스 구조물의 정기조사를 실시하여 손상부나 틈새를 상시 보수하고 관리하는 것이 가 장 중요하다.

A new research project entitled 「Development of Evaluation and Analysis Technologies for Road Sink」 was initiated last year under the sponsorship of Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement and Ministry of Land, Infrastructure and Transport. In this article, outlines of this project is briefly introduced including research goal, scope, current major activities, etc.