토목관련 천부층 조사에서 다중 모드 표면파 역산의 효과

Effectiveness of multi-mode surface wave inversion in shallow engineering site investigations

최근 들어 토목관련 천부층 조사에 다중 모드 표면파 위상 속도의 역산이 많은 관심을 받고 있다. 감도 분석, 그리고 합성탄성파자료와 현장자료의 역산 결과는 이 방법이 기본 모드만을 이용하는 것에 비해 매우 효과적임을 보여주고 있다. 이중 모드 레일리 파의 위상속도들에서 층의 두께와 전단파 속도에서의 조그만 변화는 고차 모드의 감도들을 (a) 다른 주파수 대역들에 모이게 하고 (b) 심도가 깊어질수록 기본 모드보다도 더 크게 한다. 이 관찰을 통해 다중 모드 위상 속도 역산을 이용하면 기본 모드 자료들만의 역산에 비해 변수값들을 더 잘 구분해 낼 수 있고 깊은 구조, 특히 속도 역전이 일어난 구조에 대해 보다 나은 영상을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 20 m 깊이에 저속도층이 존재하는 모델에서 이론적인 위상 속도들의 역산은 1차 모드만 첨가될 때 단지 연암층만을 영상화할 수 있다. 이 사실은 측정 가능한 가장 낮은 주파수가 단지 6 Hz 일 때 특히 중요하다. 현장시험들이 시추공과 PS 검층을 이용하여 조사된 지역들에서 행해졌다. 첫 번째 지역에서는 일본에서 심부 지질조사에 주로 이용되는 microtremor 배열 탐사가 35 m 깊이까지 토양층을 탐사하기 위해 사용되었다. 두 번째 지역에서는 12 m 깊이까지 조사하기 위해 sledgehammer 음원과 선형 다중 채널 수진기 전개를 이용하여 자료가 얻어졌다. 분산곡선 분석을 위해서 주파수-파수 파워 스펙트럼법이 사용되었고 각각의 시험에서 2차 모드의 속도까지 구해졌다. 다중 모드 역산 결과는 PS 검층기록과 잘 일치한다. 하지만 단지 기본 모드만을 이용하여 얻어진 결과는 매립지 아래의 천부 연암층까지의 깊이를 매우 작게 평가하였다.

Inversion of multi-mode surface-wave phase velocity for shallow engineering site investigation has received much attention in recent years. A sensitivity analysis and inversion of both synthetic and field data demonstrates the greater effectiveness of this method over employing the fundamental mode alone. Perturbation of thickness and shear-wave velocity parameters in multi-modal Rayleigh wave phase velocities revealed that the sensitivities of higher modes: (a) concentrate in different frequency bands, and (b) are greater than the fundamental mode for deeper parameters. These observations suggest that multi-mode phase velocity inversion can provide better parameter discrimination and imaging of deep structure, especially with a velocity reversal, than can inversion of fundamental mode data alone. An inversion of the theoretical phase velocities in a model with a low velocity layer at 20 m depth can only image the soft layer when the first higher mode is incorporated. This is especially important when the lowest measurable frequency is only 6 Hz. Field tests were conducted at sites surveyed by borehole and PS logging. At the first site, an array microtremor survey, often used for deep geological surveying in Japan, was used to survey the soil down to 35 m depth. At the second site, linear multichannel spreads with a sledgehammer source were recorded, for an investigation down to 12 m depth. The f-k power spectrum method was applied for dispersion analysis, and velocities up to the second higher mode were observed in each test. The multi-mode inversion results agree well with PS logs, but models estimated from the fundamental mode alone show f large underestimation of the depth to shallow soft layers below artificial fill.