공주 마곡사 오층석탑의 비파괴 지반탐사와 안전진단 및 거동계측 2006年 11月 지 윤 정 지도교수 : 이찬희
目 次 목차 ⅱ 표 목차 ⅲ 국문요약 ⅳ Ⅰ. 서 언 1 Ⅰ -1. 연구배경 및 목적 1 Ⅱ. 현 황 3 Ⅱ -1. 역사적 미술사학적 의미 3 Ⅱ -2. 보존과학적 현황 6 Ⅲ. 지반탐사 9 Ⅲ -1. 굴절파 탄성파탐사 9 Ⅲ -2. 지하레이더탐사(GPR) 23 Ⅲ -3. 전기비저항탐사 31 Ⅳ. 거동계측 40 Ⅳ -1. 구조적 거동계측 40 Ⅳ -2. 강수량과 거동특성 49 Ⅴ. 보존과학적 고찰 53 Ⅵ. 결 론 54 참고문헌 56
목차 1-1. 마곡사의 위치. 3 1-2. 마곡사 전경과 오층석탑의 모습. 5 1-3. 오층석탑의 부재 및 훼손현황. 7 1-4. 풍화훼손도와 구조적 불안정. 8 2-1. 여러 가지 파에 대한 거리에 따른 도달시간. 10 2-2. 수평 2 층 구조에서의 굴절파 경로. 1 2-3. 수평 N층 구조에서의 T-X Diagram. 13 2-4. 2 층 경사구조와 주시곡선간의 관계. 14 2-5. 마곡사 오층석탑의 탄성파탐사 측선도. 16 2-6. 탄성파탐사 측선별 단면도. 19 2-7. 마곡사 오층석탑의 GPR 탐사 측선도. 26 2-8. GPR 탐사 측선별 단면도. 27 2-9. 전기비저항 탐사에서의 웨너배열 모식도. 32 2-10. 웨너배열시 측성지점 모식도. 3 2-11. 마곡사 오층석탑 전기비저항탐사 측선도. 35 2-12. 심도별 전기비저항 수평분포도. 36 2-13. 2 차원 전기비저항 측선별 단면도. 37 3-1. Tiltmeter. 센서의 구조와 전기적 특성 42 3-2. 자동계측 시스템 구성도. 42 3-3. 자동데이터 취득 프로그램 Logger Net. 43 3-4. 마곡사 오층석탑에 설치된 거동 계측장비. 4 3-5. 마곡사 오층석탑 5 층 탑신부의 거동계측 결과. 48 3-6. 마곡사 오층석탑 기단부의 거동계측 결과. 48 3-7. 마곡사 일대의 월별 강수량 분포. 49 3-8. 오층석탑 탑신부에 대한 강수량과 이동변위량과의 관계 52 3-9. 오층석탑 기단부에 대한 강수량과 이동변위량과의 관계 52
표 목차 표 표 표 1-1. 건설부 표준품셈의 암반분류 기준. 18 1-2. 탄성파탐사 결과. 18 2-1. 마곡사 오층석탑의 거동방향. 46 표 2-2. 마곡사 오층석탑의 일정 기간별(1 개월 주기) 거동방향. 74 표 2-3. 마곡사 일대 2006 년 일평균 강수량. 05 표 2-4. 마곡사 오층석탑의 강수량에 대한 이동변위량과의 관계. 51
국문요약 충남 공주시 사곡면에 위치한 마곡사는 독특한 가람배치와 지정문화재로 역 사적 문화적 가치가 크지만 창건설화만 있을 뿐 신빙성 있는 창건연대를 알 수 없는 실정이다. 연구대상인 마곡사 오층석탑은 국내 다른 석탑에서는 볼 수 없는 라마식의 독특한 풍마동 상륜부를 가지고 있어 고려 말기에 조성된 것으로 추정된다. 때문에 연대추정을 할 수 있는 오층석탑의 양식은 중요한 의미를 갖는다. 마곡사 오층석탑은 1973년 대웅보전의 화재로 인해 원래의 위 치에서 전면으로 이동한 기록이 있으며, 로 이질석재로 대체되었다. 수차례의 보수공사를 통해 부분적으 이 석탑은 균열과 박리박락이 주요 훼손현상으로 나타나고 있으며 기단부는 생물의 피도도 높다. 특히 현재 3층 탑신부부터 북 서방향으로 경사지고 있어 구조적 문제점이 제기되고 있다. 본 연구는 마곡사 오층석탑의 석탑의 구조적 불안정의 정확한 원인을 규명 하기 위하여 비파괴 지구물리탐사인 탄성파탐사, 지하레이더탐사, 전기비저항 탐사를 통해 지반환경을 파악하고 거동을 계측하여 그 경향성을 분석하였다. 먼저 오층석탑 지반의 강도 산정 및 취약부위의 분포 양상 등을 파악하 기 위해 굴절파 탄성파탐사를 실시하였는데, 그 결과 석탑 하부지반은 총 4 개의 지반으로 104~2857m/s의 탄성파 속도의 범위를 보이는 풍화토~보통암 의 지반임을 알 수 있었으며, 남북측선에서 석탑 하부지반은 북고남저 형태의 지반임을 알 수 있었다. 또한 천부의 지반 구조, 지하 매설물 등을 영상화 하여 살펴보는 지하레이더탐사를 적용하였는데, 석탑에서 동쪽으로 조금 떨 어진 심도 2m 부근에 지하 배수관에 의한 구조물이 나타났으나 그 외 특별한 이상대는 파악되지 않았다. 그리고 전기비저항탐사로 오층석탑 부지내의 배 수경로, 지하 암체의 매질 경계부 및 주변부 구조를 규명하였다. 그 결과, 겉보기 비저항 분포는 약 7~4,500Ωm의 변위를 보였으며 석탑 주변지반의 전기비저항 분포는 석탑의 서쪽이 동쪽보다 낮은 경향을 보였다. 또한 탐사지 역의 심도별 수평적인 전기비저항 분포를 분석해 심도 약 하게 석탑의 북서쪽이 저비저항대를 보이는 것을 확인하였다. 거동계측은 고감도 센서를 석탑의 기단부와 과 남북방향의 센서를 각각 2.5m 부터는 뚜렷 5층 탑신부 서측면에 동서방향 2개씩 부착하여 시간에 따른 경사변화를 측정하였 - iv -
다. 계측기간은 2006년 02월 10일부터 2006년 07월 06일까지이며 20분 간격으 로 측정하였다. 계측결과, 탑신부 센서의 년간변화량은 북쪽으로 0.044mm, 서 쪽으로 0.122mm 이었고, 기단부센서의 년간변화량은 북쪽으로 0.079mmm 서쪽 으로 2.280mm 이었으며, 두 곳 모두 센서를 중심으로 북서쪽으로 회전하는 경 향을 보였다. 기상환경 중 마곡사의 풍화에 가장 큰 영향을 미칠것으로 예상 되는 강수량을 위의 계측결과와 대비하여 석탑의 거동과의 상관관계를 해설하 였다. 그 결과, 강수량이 증가함에 따라 전반적으로 이동변위량이 증가하였음 을 알 수 있었다. 본 논문의 연구결과는 석탑이 남측으로 이동하기 이전의 원위치 추정이 가 능할 것으로 해석된다. 또한 석탑의 변위량에 대한 장기적인 관측 및 전체적 인 구조해석이 필요하며 북서쪽 연약지반에 대한 지질공학적 보강방안을 수립 하고 집중강우에 대한 석탑의 이동변위 대책이 필요한 것으로 사료된다. 그뿐 아니라 탑의 원위치 확인과 원형회복을 위한 계획수립이 필요하다. 따라서 이 석탑은 변위에 대한 장기관측 및 3D스캐닝을 이용한 전체적인 구조해석이 필요하며 북서쪽 연약지반의 강도와 지지력 산출을 위한 지반탐사 를 병행하여 그 결과에 따른 보강기법을 강구해야 한다. 또한 지속적인 기상 계측을 통해 집중강우에 대한 대책을 수립하고 장기적인 보존을 위한 탑의 원 위치 확인을 해야 한다. - v -
Ⅰ. 서언 Ⅰ-1. 연구 배경 및 목적 문화재 발굴과 보존에 대한 인식이 새로워짐에 따라 합리적인 발굴, 과학적 인 보존을 위한 정확한 탐사 및 진단의 필요성이 제기되고 있다. 이러한 요구 에 따라 문화재 발굴과 안전진단 분야에도 지구물리탐사기법이 적용되는 추세 이다. 이러한 적용은 선진 외국에서는 이미 수 십 년 전부터 이루어져 오고 있으나 우리나라에서는 국립연구소나 대학 등에서 실험적인 연구사례를 포함 하여도 10 년 내외의 일천한 경험을 보이고 있을 뿐이다.(2004, 이효진) 문화재 안전진단은 매장문화재 발굴탐사와는 다른 지구물리탐사법과 건조물 안전진단에서 채택되는 비파괴 시험법이 혼용되고 있다. 비파괴 시험법은 기 본적인 원리를 지구물리탐사법과 공유하지만 현장측정과 해석은 약간의 차이 가 있다. 문화재 발굴 및 안전진단 분야에도 여타분야의 거의 모든 지구물리 탐사기법이 고려되어야 하며 조건에 따라 가장 적합한 방법을 선택하여 적용 하여야 한다. 문화재 분야에 적용되고 있는 물리탐사기법으로는 자력탐사, 레 이더 탐사, 탄성파 탐사, 전기비저항탐사, 초음파시험 등을 거론 할 수 있다. 이중 안전진단에 적용되는 탐사기법으로는 레이더탐사와 초음파시험이 가장 널리 사용되고 있다.(2004, 이효진) 마곡사 오층석탑의 풍화와 훼손 및 구조적 불안정에 대해서는 연구된 바 있 다( 공주시 외, 2006). 이 연구에서는 기울기 변위측량을 통해 탑의 2층 탑신 까지는 비교적 안정을 유지하고 있으나 3층 이상부터 현저하게 구조적 불안 정이 나타나고 있음을 확인하였으며, 탑신의 3층 북측면의 파쇄를 그 원인으 로 추정하고 있다. 또한 부재의 이격, 지반침하, 중심침하 등도 구조적 안정 성의 위협을 가하는 복합적 요인으로 판단하여 다양한 정밀안전진단과 중장 기적 모니터링을 통해 구조적 불안정의 정확한 규명 및 보존방안을 위한 탑 을 구성하는 부재의 거동을 면밀히 검토할 것을 제기하였다. 이 연구에서는 탑의 구조적 불안정에 대한 근본 원인을 보다 명확히 규명 하기 위해 탄성파탐사, 지하레이더탐사, 전기비저항탐사를 실시하였으며, 석탑 - 1 -
의 거동을 모니터링하여 탑의 거동경향을 규명하고 기상환경 중 강수량이 미치는 거동특성을 파악하였다. 이 연구는 획득한 모든 자료를 통해 마곡사 오층석탑에 발생된 구조적 문제 점의 원인을 밝혀 대상구조물의 안전성을 확보할 것이며, 석탑의 거동에 대한 상시 모니터링을 통하여 보존과학적 문제점을 명확히 파악하고 보다 효율적이 고 근본적인 보존수복을 위한 자료로써 제공될 것이다. 또한 보수정비 후의 훼손방지 대책을 수립하는 과정에서도 효과적으로 이용될 것으로 기대된 다. - 2 -
Ⅱ. 현황 Ⅱ-1. 역사적 및 미술사학적 의미 1-1. 마곡사의 위치. (A) 마곡사의 위치. (B) 마곡사 가람배치평면도 및 탑의 위치 연구대상이 있는 마곡사는 택리지 나 정감록 에서 전란을 피할 수 있 는 우리나라의 십승지지 에 속한다고 전해진다. 마곡사의 창건연대나 사력을 확인할 수 있는 내용은 지리지나 역사서에서 찾아보기 어려우나 다만, 사찰에 대한 기록은 1851 년 작성된 것으로 보이는 필자 미상의 태화산 마곡사 사적 입안 만 있을 뿐이다. 이 기록에 따르면 마곡사는 당정관 17 년(643) 에 신라의 자장율사에 의해 창건된 것으로 전하고 있다. 마곡사에는 두 가지 전래되는 창건설화가 있는데, 하나는 앞에서 말한 백제 의자왕 때에 신라의 자장율사가 창건하였다고 하는 설화로써 사찰의 이름이 마곡사인 것 또한 자장율사가 당 나라에 유약할 때 그의 스승이었던 마곡 보철화상을 기려 마곡사라 했다는 것 이다. 또 하나의 설화는 고려 명종 2 년(1172) 에 재건했다는 내용으로 보조국사 가 중창하여 크게 일어섰다는 것이다. 하지만 이 두 설화는 마곡사의 입지와 유물 유적, 가람배치 등으로 미루어 보아 신빙성이 결여되어 있다. 하지만 마 곡사는 비록 뚜렷한 창건연대를 알 수 없지만 사찰의 규모나 가람의 구조에 - 3 -
있어서 종합사찰로서의 면모를 갖추고 있으며, 지정문화재가 많아 의미가 크 다. 특히 연구대상인 마곡사 오층석탑은 국내 유일한 라마식의 독특한 풍마동 상륜부를 가지고 있어 조성시기를 원의 침략기인 고려 말기로 추정하게 한다. 때문에 연대추정을 할 수 있는 오층석탑의 양식은 중요한 의의를 갖는다. 일 명 다보탑이라고도 하는 마곡사 오층석탑은 대광보전 정면 중앙에 자리하고 있다. 전체 높이 867m 로 체감률이 낮아 전체적으로 세상한 느낌이며, 그 때문 에 안정감이 없다. < 마곡사 실측조사보고서 마곡사 오층탑 개관> 이 탑은 방형의 높은 이중의 기단을 안정된 형태로 만들고 그 위에 세장된 탑 신을 올렸다. 이 상하 기단의 폭은 거의 동인한데 비해, 높이는 훨씬 높기 때 문에 단층기단으로 오인하기 쉽다. 이때 상대 기단의 높이가 하대 기단의 높 이보다 높다( 1-2-B, C). 이층으로 구성된 기단은 지대석을 250 240cm의 범위에 걸쳐 설치하고 그 위에 기단의 하대부를 구성하고 있다. 이때 지상으로 노출된 지대석의 상단은 안상을 각한 몰딩이 있는 장식을 가하였으나, 상 하대 갑석은 장대석으로 구성 되고 몰딩이나 부가적 장식이 없다. 그리고 하대중석은 탱주나 우주가 없으며 상대중석은 재래의 각주형 우주와는 달리 2개의 둥근 돌출선을 조출하여 형식 적 우주만을 특이하게 표현하고 있다. 그리고 옥신의 각 면에는 우주가 모각 되어 있는데 원형 기둥 2개가 1조가 되어 조성되었고 탱주는 사각으로 구성하 였다. 상대갑석은 5 매로 조성하고, 옥신받침을 2단으로 조성하고 있으며 이 받침 은 별석으로 처리한 것인데 하단은 상단보다 큰 별석으로 둔중하다. 초층 옥 신은 2중의 우주를 양각하고 있으며 전면의 옥신면 중앙에는 문비시설이 양각 되어 있다. 양각되어 있다. 운문이 이층의 옥신에는 우주가 조각되어 가운데에 아미타여래가 사방에 더불어 각 여래는 두광과 신광을 조각하면서 두광의 좌우에 2개 표현된 것과 두면과 연기 및 연꽃을 표현한 두면으로 구분된다. 이층 탑신 이상의 옥신에는 우주를 양각하는 점 이외의 특별한 조각은 확인되지 않는다. 3, 4, 5층 옥신석의 우주는 부주가 첨가된 모습으로 초층이나 2층과는 형태 를 달리한다. 각 층의 옥석 받침은 매우 서약하게 2단으로 천각하였으며 2층 - 4 -
을 제외하곤 나머지 옥개의 낙수면의 구배가 많다 공통적으로 옥개 전각 사우 의 반전과 추녀마루( 우동) 의 곡솔이 심하여 원주곡선에 가까운 고려 후기 탑 의 특색을 보이고 있다 옥개는 2단의 층급받침을 두면서 우각이 심하게 반전되는 형태로 만들었으 며 현재 오층의 옥개석에는 풍탁 1 개가 남아 있다. 옥개의 전각마다 풍경을 달았던 흔적이 보이는데, 이 옥개의 추녀에는 모두 이 풍탁이 있었던 것으로 보인다. 그리고 2 층 탑신( 옥개, 옥신) 과 최상부 풍마동이 놓인 노반은 석재 재질과 그 형태가 다른 부재들과는 판이하게 다른 것으로 보아 후세에 복원된 후보물 로 오인되기 쉬운 부분이어서 향후 좀 더 조사연구가 뒤따라야 할 것이다. 탑이 만들어진 시기는 상륜 풍마동 머리장식의 독특한 모습으로 보아 원나 라의 영향을 받았던 고려 후기 즈음으로 여겨진다. 즉 고려 후기 당시 원나라 와의 문화 교류가 활발히 이루어지면서 라마교 계통의 문화도 고려에 들어오 게 되는데 이 탑은 그 문화의 한 예라고 할 수 있다( 문화재청). 1-2. 마곡사전경과 오층석탑. (A) 오층석탑 북서쪽에서 바라본 마곡사 전경. (B) 1917 년 조선고적도보에 실린 마곡사오층석탑 (C) 오층석탑의 현황.. 남측면에서 바라본 마곡사 - 5 -
Ⅱ-2. 보존과학적 현황 마곡사 오층석탑이 있는 마곡사는 태화산이 둘러싸고 있는 형세이며 탑의 전면은 남쪽(S) 으로 10 정도 동쪽으로 치우쳐 있고 마곡천이란 계곡물이 흐르고 있르고 있다. 그리고 탑의 후면으로는 대웅보전과 대광보전이 위치하고, 우측으로는 고방과 심검 당이 위치하며, 마곡사탑의 좌측으로는 응진전이 위치하고 있다( 1-1-B). 그리고 수리환경을 살펴보면 사찰을 들어오기 전부터 전면방향인 남쪽으로 흐르고 있음을 확인할 수 있다. 마곡천은 마곡사 탑의 전면부 남쪽으로 개천 이 흐르고 있는데, 현재 제방이 제법 깊고 넓기 유로를 확보하고 있기 때문에 홍수 등으로 인해 범람할 우려는 적어 보인다. 하지만, 개천은 새벽마다 안개 등의 자연현상을 야기하고, 주변에 습기의 영향력이 커지기 때문에 전면에 흐르는 마곡천의 계곡물이 탑에 미치는 영향력 고려할 필요가 있다( 정영상, 2006). 연구대상인 마곡사 오층석탑의 보수연혁을 살펴보면 1972년 해체 및 수리 를 하였는데, 현재 당시의 기록이 남아 있지 않은 상태이며, 단순히 1972년에 해체 수리를 할때 합자 1 개, 쇠로 만든 향로 2 개, 문고리 3 개, 卍 자가 새겨진 금포 1 장이 출토되었다는 기록만이 전해질 뿐이다. 또한 1973년 대웅보전의 화재로 인하여 훼손된 탑을 약간 전면으로 이동시켜 흑운모 화강암으로 대체 복원하였고 이 역시 상세 기록이 미미한 상태이다. 2003년 보수공사는 보수 전 후로 자세히 기록되어 있는데 당시 보수내용은 석탑 해체 후 기단부의 이질 석재교체, 균열과 훼손 부분을 보수하고, 기존 보호책을 철거한 뒤 AL-CASTING 보호책을 설치하는 것 이었다. 2004년 석탑 주위의 잔디를 제거 하고, 시멘트를 깔고 그 위에 마사토를 깔았으며, 부식된 방형의 낮은 보호 철 책 것을 새로운 것으로 변경하였다( 공주시청). 마곡사 오층석탑은 사찰경내의 평탄지에 위치하고 있는데, 현재 시멘트 위에 깔 은 마사토가 부분적으로 유실되어 있어 미관을 해치기 때문에 보존처리 이후의 사 후관리도 필요하다고 생각된다. - 6 -
1-3. 오층석탑의 부재 및 훼손현황. (A) 주구성암석인 암회색 석영섬록암. (B) 대체부재인 조립질의 흑운모 화강암. (C) 강수의 부분적 침투. (D) 탈락이 가장 심한 북측면 모습. (E) 반점상으로 산출되는 기단부의 고착지의류 및 엽상지의류. (F) 북측 면 기단부의 암흑색 변색. 야외 정밀조사와 실내연구를 통하여 마곡사 오층석탑을 이루는 암석의 주석 재는 섬록암질암임을 확인하였다. 섬록암질암의 조직은 중립질이며 부분적으 로 반정( 사장석) 도 관찰된다. 암석의 전반적인 색은 암회색이며 단일 암석으로 구성되어 있다( 1-3-A). 부석재는 조립질의 흑운모 화강암으로써 대체된 신부재이다( 1-3-B). 균열된 부분은 시멘트로 접착, 보수하였으며 원래의 석질과는 다른 암석을 대체석으로 사용하여 이질감을 주고 있다. 마곡사 오층석 탑은 부재의 배치가 수직방향으로 이루어져 있으나 비가 온 뒤 강수의 배출이 원활하지 못하여 여러 번 걸쳐 시행된 부재의 해체 수리로 인해 형성된 부재 와 부재 사이의 이격과 내부의 잡석다짐의 변형 등이 원인인 것으로 판단된다 ( 이찬희 외, 2006). 이 탑에서는 비가 온 뒤 암석 표면에 잔존하는 강수의 흔 적이 관찰되었으며, 배수가 원활하지 못해 표면에 형성된 균열대를 따라 이동 하고 있는 모습을 볼 수 있다( 1-3-C,1-4-A). 마곡사 오층석탑도 야외에 노출된 대부분의 석조문화재와 마찬가지로 위와 같은 일련의 풍화과정을 겪고 있으며 부재의 박리, 박락과 마모 및 균열현상이 가중되고 있어 - 7 -
석탑의 물리적 풍화훼손이 가장 두드러진다. 특히 북측면이 가장 심각하게 파 손되어 있는데, 이는 석탑의 구조적 불안정과도 관계가 있다( 1-3-D, 1-4-D). 각 층의 양쪽 옥개석은 깨짐과 마모가 나타나고 있으며 탑신부에서는 균열이 주로 나타나고 있으며 마곡사 오층석탑은 기단부에 생물학적 오염이 집중되어 있으며 균류, 조류, 지의류나 선태류등 다양한 생물종이 암석의 표면에 고착되어 기생하면서 황갈색, 청남색 또는 진녹색의 반점상으로 산출된다. 이들은 성장을 멈추면 암흑색 또는 흑갈색으로 변색되어 미관을 해치는 것은 물론 암석 표면에 고착되어 암편의 박락을 유발한다. 이와 같이 조류 및 지의류의 고사체 로 인한 암흑색 변색은 석탑의 기단부에서 뚜렷하게 관찰된다( 1-3-E, 1-4-B). 이 석탑은 이차적 오염물질에 의한 표면변색이 심하며, 주로 암갈 색 또는 적갈색과 암흑색의 오염양상이 나타나는데, 이는 강수의 유동흔 적을 따라 나타나는 누수의 영향 때문인 것으로 판단된다. 대부분의 부재 표면은 암갈색 및 암흑색 변색이 발생되었는데, 이런 부분은 망간산화물 로 인해 변색된 것으로 판단된다. 또한 해체 보수 시 구조적 불안정을 해결하기 위해 부재의 틈 사이에 끼워 넣은 철편을 중심으로 암갈색, 갈색의 철수산화물이 강수의 유동흔적을 따라 형성되었는데, 적 이는 강수와 철편의 산화로 인해 형성된 오염물로 판단된다( 1-3-F,1-4-C). 1-4. 풍화훼손도와 구조적 불안정. (A) 표면 풍화도. (B) 생물 오염도. (C) 표면 변색도. (D) 구조적 불안정. - 8 -
Ⅲ. 지반탐사 Ⅲ-1. 탄성파탐사 Ⅲ-1-1. 굴절법 탄성파탐사 원리 지반의 탄성파 탐사는 지진파가 폭파원에서 도달하는데 요하는 시간을 측 정함으로써 균열 분포여부 및 상태, 탄성파 전달속도 측정을 통한 석탑지 반의 강도 산정 및 취약부위의 분포 양상 등을 판정한다. 이 도달시간은 지 표의 폭파점을 포함한 일직선상의 일정한 간격을 둔 측점에서 측정한다. 탐사에는 보통 굴절법과 반사법이 적용된다( 2-1). 탄성파 굴절법은 지표면에 수진기를 설치한 후, 이 해머 또는 폭발물에 의하 여 인공지진을 일으켜 발생한 지진파가 도달하는 시간을 거리별로 측정한다. 탄성파의 전파과정에서 임계굴절( 굴절각 90 ) 이 일어날 수 있는 경우에만 사용 될 수 있다. 즉, 속도가 낮은 상부층에서 속도가 높은 하부층에 임계각으로 입 사하는 파는 층의 경계면에 평행하게 굴절된다. 이때 에너지는 경계면을 따라 하부층의 속도로 전파하며 에너지의 일부는 연속적으로 상부층으로 재굴절하 여 지표면에 도달하게 된다( 민경덕 외, 1986). 임계각으로 입사한 파는 90 o 의 굴절을 일으켜 경계면 하부층의 속도로 전 파되어, 상부층으로 전달되는 직접파보다 빨리 수진기에 도착하게 된다. 이러 한 파를 선두파라하며, 탄성파 굴절법은 이들 선두파의 신호를 분석하여 지층 의 속도와 두께를 알아내는 방법이다. 또한, 주시곡선도에서 직접파와 굴절파 의 기울기의 역수를 취하면 각층의 속도를 구할 수 있으며 교차거리 및 절단 시간을 이용하여 층의 두께(h) 와 주시시간(t) 을 구해 낼 수 있다( 민경덕 외, 1986). - 9 -
2-1. 여러 가지 파에 대한 거리에 따른 도달시간. - 10 -
Ⅲ-1-1-1. 수평 2층 구조 지하 모델에서 탄성파탐사를 실시하였을 때, 지하의 암반이 2층 구조일 경 우에 굴절법 탄성파 탐사( 2-2) 는 임계각으로 입사하여 굴절각 90도인 선 두파(head wave) 를 이용하여 각 층의 속도와 두께를 계산하는데 수평 2층 구 조의 수식전개는 아래와 같다. A x D h h/cosθ c θ c θ c B v 1 C h tanθ c v 2 h tanθ c 2-2 수평 2층 구조에서의 굴절파 경로 임계굴절파의 주시 T는 T = A B + BC + C D v 1 v 2 v 1 = 2h v 1 cos θ + x - 2htanθ v 2 = 2h v 1 cos θ + x v 2-2hsinθ v 2 cos θ Snell's law에 의해 = = 2h v 1 cosθ [ 1 - ( v 1 v 2 ) 2 ] + x v 2 sin 2 θ c + cos 2 θ c = 1 에 의해 2h v 1 cos θ cos 2 θ c + x v 2 = 2h v 2 2 2 - v 1 + x v 1 v 2 v 2 = 1 v 2 x + t i - 11 -
----------------------------------- (1) 위의 (1) 식은 주시곡선도에서 기울기가 1/ v 2 이고 절편이 t i 인 직선을 나타낸다. 여기서 t i = 2h V 2 2 2 - V 1 v 1 v 2 이므로 상부두께 h는 h = t i 2 v 1 v 2 v 2 2 - v 1 2 이다. Ⅲ-1-1-2. 수평 다층구조 지하의 암반이 다층 구조일 경우에는 굴절법 탄성파탐사는 임계각으로 입 사하여 굴절각 90 인 선두파를 이용하여 각 층의 속도와 두께를 구하는 방법 이다. 지하에 수평한 n 개의 층이 존재할 경우 탄성파원-수신기간의 거리 X 에 따른 탄성파 도달 시각 T x 는 다음의 함수로 나타낼 수 있다. T x = X V n + T i n - 1 ------------------------- (2) T i n - 1 = 2 n - 1 m = 1 Z m V m [ 1 - ( V m V n ) 2 ] 1 2 --------------------- ---- (3) 여기서, 식 (2) 는 T=f(x) 형태의 일차 함수인 여러 개의 직선식을 나타내 며, 1/V n 은 각 직선의 기울기를 나타내고 제 2항은 각 일차 함수의 절편을 의미하며 절단시간(intercept time) 을 나타낸다. 이들 관계식들은 모두 절단시 간과 기울기가 다른 1 차 함수들로서 그래프로 나타내면 다음의 같다( 그 - 12 -
림 2-3). T T in-1 1/V 2 1/V 3 1/V n T i2 1/V 1 T i1 0 거리 X 2-3. 수평 N층 구조에서의 T-X Diagram. 주시선상의 각 직선의 기울기를 구하여 역수를 취함으로서 각층의 속도 V 1, V 2, V 3 를 구할 수 있고 각 직선의 절단 시간과 다음 식을 이용하여 각 층의 두께 Z 1, Z 2,... Z n-1 을 구할 수 있게 된다. Ti n - 1 = 2 n - 1 Z m m = 1 V m [ 1 - ( V m V n ) 2 ] ------------------------ (4) 1 2 Ⅲ-1-1-3. 2층 경사구조 지층의 경계면이 경사진 경우에는 굴절파 주시곡선의 기울기로부터 직접 구한 속도는 지층의 실제 속도가 아니며, 이를 겉보기 속도라고 한다. 이 겉보 기 속도는 발파점과 수진점의 배열 방향에 따라 다르게 나타나기 때문에 경사 2 층 구조에서는 왕복측정이 필요하게 된다. 왕복측정이란 탐사측선의 양 끝에 서 각각 발파를 하여 측선상의 각 수진기가 양쪽에서 오는 파를 모두 기록하 게 하는 방법이다( 2-4). 이때, 발파가 하향경사(down-dip) 의 방향으로 실시된 경우, 발파점으로부터 수진점의 거리가 멀어질수록 상부층 내에서의 파의 전파거리는 길어지므로 굴 절층의 겉보기 속도는 실제 속도보다 낮게 나타난다. 한편 상향경사(up-dip) - 13 -
방향으로 발파할 경우에는 겉보기 속도가 실제 속도보다 높게 나타난다. T i m T D o w n I n t e r c e p t U p Slope = I n t e r c e p t D i s t a n c e X Zd Dd ic ic Zu Du α V 0 V 1 2-4. 2 층 경사구조와 주시곡선간의 관계. 상향경사(up-dip) 및 하향경사(down-dip) 방향 굴절파의 주시T d 와 T u T d = T u = 2 Zd cos ic V 0 + X V 0 sin ( ic + α ) 2 Zu cos ic V 0 + X V 0 sin (ic - α ) 임계각 ic 와, 경사각 α ic = 1 2 ( sin - 1 V 0 m d + sin - 1 V 0 m u ) α = 1 2 ( sin - 1 V 0 m d - sin - 1 V 0 m u ) 2층 속도 V 1-14 -
구한 ic, V 1 = V 0 sin i c α각도를 Tid와 Ti u 식에 대입하여 이를 구하고 Ti d 와 Ti u 를 각각 Zd와 Zu식에 대입하여 Z d, Z u 를 구한다. T i d = 2 Z d cos i c V 0 Z d = V 0 T i d 2 cos i c T i u = 2 Z u c os i c V 0 Z u = V 0 T i u 2 c os i c 끝으로, Z d 와 Z u 로부터 D d, D u 를 구하면 얻고자하는 심도가 나온다. D d = D u = Z d cos α Z u cos α Ⅲ-1-2. 탐사방법 탄성파 탐사에 이용된 에너지원-수진기 배열방식은 end-on spread 방법을 이용하였으며, 남북방향의 S1, S2, S3, S4, 동서방향의 S5, S6, S7, S8 의 전체 Spread( 발파점- 최종수진기) 길이는 184m 로 하였다. 수진기(Geophone) 간격은 모두 1m 로 하였으며, 발파점(sledge hammer) 과 최초수진기(Geophene) 간의 거 리(offset) 또한 1m 로 하였다( 2-5). 사용된 에너지원은 2kg sledge hammer 였으며, 1회 타격 후 도달되는 파 형을 획득하여 굴절파를 관찰할 수 있는 자료를 기록하였다. 수진기는 natural frequency가 100Hz인 OYO GEOSPACE사의 Geophone을 사용하였으며 탄성 파기록은 GEOMETRICS사의 Strata Visor NZII(24 channel) 를 사용하였다. 현장에서 기록된 탄성파자료는 디지털 자료로 저장하여 각종분석을 용이하 게 하였다. 실험실내에서 자료처리는 기존의 방식은 대형크기로 plotting하여 채널 각각의 초동시각(first arrival time) 을 전산화하여 시간-거리 도표 (time-distance diagram) 를 작성하였다. 측점별로 작성된 T-D diagram 상에 - 15 -
2-5. 마곡사 오층석탑 탄성파탐사 측선도 서 기울기가 달라지는 구간을 나누어 최소자승법을 이용한 최적직선식을 찾아 각 직선의 기울기와 절편을 구하였다. 탄성파 기울기의 역수를 취하여 각층의 전달 속도를 구하였으며 탄성파속도와 절편 값을 이용하여 각 층의 두께를 구하였다. 또한, RAYFRACT Program을 이용한 Delta-t-v법을 활용 하였다. 야외에서 취득한 디지털 자료는 RAYFRACT Program을 적용하기 위 해서 각각의 자료에 대해서 offset 과 수진기간 거리, shot position을 정확히 파악해야 한다. 본 Program의 rayfract.exe를 실행시킨 후 profiles import shots shot gather 주시곡선 설정(picking) shot break Delta-t-v 과정을 거쳐 DELTATV.scv 파일이 생성되며, 이때 생성된 자료는 Surfer Program 을 이용하여 속도분포도를 도시화하였다. Ⅲ-1-3. 결과고찰 남북방향의 측선 S1, S2, S3, S4 의 탄성파 탐사 결과, 1층은 탄성파 속도가 684.0m/s 이하의 속도를 보이는 다져지지 않은 매우 연약한 지반이며 2층은 - 16 -
740.0~1,194.0m/s의 탄성파 속도를 갖는 weathered rock( 풍화암) 층에 해당한 다. 3층은 1,212.0~1,818.0m/s의 탄성파 속도를 갖는 soft rock( 연암) 층에 해 당한다. 4층은 2,000.0~2,666.8m/s의 속도를 갖는 good rock( 보통암) 층에 해 당한다. 층간 경계면 분포를 살펴보면 1층과 2층의 경계면은 지표에서 약 5.21m 사이의 분포를 보이며, 2층과 3층의 경계면은 2.00~8.54 m 범위의 깊이 분포 를 갖고 있다. 3층과 4층의 경계면은 4.50~13.04m 범위의 깊이 분포를 갖고 있다( 표 1-1,2, 2-1~8). 측선 S5, S6, S7, S8 의 탄성파 탐사 결과, 1층은 탄성파 속도가 677.2m/s 미만의 속도를 갖는 다져지지 않은 매우 연약한 지반이며, 2층은 727.2~ 1,194.0m/s의 탄성파 속도를 갖는 weathered rock( 풍화암) 층에 해당한다. 3층 은 1,217.2~1,842.0m/s의 탄성파 속도를 갖는 soft rock( 연암) 층에 해당한다. 4층은 1,904.0~2,857.2m/s의 속도를 갖는 good rock( 연암) 층에 해당한다. 층간 경계면 분포를 살펴보면 1층과 2층간 경계면은 지표에서 약 5.82 m 에 서 발견될 수 있고, 2층과 3층 경계면은 2.48 ~ 6.97m 범위의 깊이에서 층의 분포를 확인할 수 있다. 3층과 4층의 경계면은 2.7~10.15m 범위의 깊이에서 층의 분포를 확인할 수 있다( 표 1-1, 2, 2-6~13). - 17 -
표 1-1. 건설부 표준품셈의 암반분류 기준. 암 종 그 룹 자연상태의 탄성파속도 (m/s) 비 고 풍화토(Weathered soil) 풍화암(Weathered rock) 연 암(Soft rock) 보통암(Good rock) 경 암(Hard rock) 극경암(Very hard rock) A B A B A B A B A B A B 700 이하 700-1,200 1,000-1,800 1,200-1,900 1,800-2,800 1,900-2,900 2,800-4,100 2,900-4,200 4,100 이상 4,200 이상 A: 편마암, 사질편암, 녹색편암, 각암, 석회암, 사암, 휘록응회암, 역암, 화강암, 섬록암, 감 람 암, 사문암, 유문암, 셰일, 안산암, 현무암 B: 흑색편암, 녹색편암, 휘록응회암, 셰일, 니암, 응회암, 집괴암 표 1-2. 탄성파탐사 결과. 측 선 명 지 층 속 도(m/s) 층 깊 이(m) 1층 2층 3층 4층 1층 2층 3층 S1(NS) ~ 665.2 767.2 ~ 1,212.0 ~ - 2.20 1,053.2 2.64 ~ 8.54 6.7 ~ S2(NS) ~ 667.2 575.2 ~ 1,290.0 ~ - 2.69 1,194.0 2.00 ~ 8.04 4.89 ~ S3(NS) ~ 684.0 740.0 ~ 1,233.2 ~ 2,000.0 ~ 2.00 ~ ~ 2.27 1,111.2 1,818.0 2,666.0 7.09 3.10 ~ S4(NS) ~ 598.0 769.2 ~ 1,290.0 ~ 2,307.2 ~ 2.46 ~ ~ 4.88 1,176.0 1,599.2 2,666.8 7.46 3.25 ~ S5(EW) ~ 634.0 737.2 ~ 1,454.0 ~ 1,999.2 ~ 2.75 ~ ~ 5.70 1,194.0 1,777.2 2,712.0 6.34 6.35 ~ S6(EW) ~ 677.2 813.2 ~ 1,245.6 ~ 1,904.0 ~ 2.55 ~ ~ 5.82 1,182.0 1,840.0 2,857.2 6.74 4.85 ~ S7(EW) ~ 635.2 727.2 ~ 1,217.2 ~ 1,904.0 ~ 3.3 ~ ~ 5.80 1,142.0 1,481.2 2,352.0 6.97 2.70 ~ S8(EW) ~ 677.2 842.0 ~ 1,487.2 ~ 2,041.2 ~ 2.48 ~ ~ 3.65 1,126.0 1,842.0 2,857.2 6.53 3.55 ~ - 18 -
2-6-1. S1 측선의 탄성파탐사 단면도. 2-6-2. S2 측선의 탄성파탐사 단면도. - 19 -
2-6-3. S3측선의 탄성파탐사 단면도 2-6-4. S4 측선의 탄성파탐사 단면도. - 20 -
2-6-5. S5 측선의 탄성파탐사 단면도. 2-6-6. S6 측선의 탄성파탐사 단면도. - 21 -
2-6-7. S7 측선의 탄성파탐사 단면도. 2-6-8. S8 측선의 탄성파탐사 단면도. - 22 -
Ⅲ-2. 지하레이더 탐사 Ⅲ-2-1. 지하레이더탐사 원리 GPR(Ground Penetrating Rader) 탐사법은 얕은 심도의 지반을 조사할 수 있는 간편한 지구물리 탐사법의 하나이다. 이는 빛, 음파, 전파 등과 같은 성 질의 전자기파를 이용한다. 전자기파는 빛이나 음파와 같이 전파하며 반사, 굴 절, 회절, 간섭, 감쇠, 발산, 분산, 흡수 등의 일반적인 파동의 성질을 가지고 있다. 지하에서 전자기파의 전파에 영향을 미치는 요소로는 지하 매질의 유전율 과 투자율 그리고 전기전도도 등이 있다. 매질들은 서로 다른 전기적 성질을 갖는데, 여기서 전기적 특성이란 매질의 유전율과 투자율에서 유도되는 고유 의 임피던스를 말하며, 이 고유임피던스 Z는 Z = j ω μ r σ + j ω ε r ----------------------------------------- (1) 로 나타난다. ω는 각주파수, σ는 매질의 전기전도도, ε r 은 매질의 유전율, 그 리고 μ r 는 매질의 투자율이다. 서로 나란한 두 매질의 임피던스를 각각 Z 1, Z 2 라고 했을 때, 이 경계를 통과하는 전자기파의 반사계수 K는 K = Z 2 - Z 1 Z 2 + Z 1 ----------------------------------------- (2) 로 나타낼 수 있으며, 이는 두 개의 서로 다른 매질의 경계면에서 입사파와 반사파의 진폭 비를 말한다. 이 때 투과계수는 1-K 이다. μ r 의 투자율과 ε r 의 - 23 -
유전율을 갖는 매질에서의 전자기파 속도 V는 V = c μ r ε r ----------------------------------------- (3) 이고, 감쇠상수 α는 α = ω σ μ r 2 ----------------------------------------- (4) 가 된다. c 는 진공에서의 전자기파 속도이다. GPR 탐사는 전자기파가 지하의 어떤 두 매질의 경계에서 반사되어 돌아온 신호를 받아 지하 지질구조를 영상화하게 되는데, 일어나려면 매질간의 고유임피던스의 차이가 커야 한다. 두 매질 사이에서 반사가 앞의 식에서와 같이 고유임피던스는 유전율, 투자율, 그리고 전기전도도에 의해 결정되는데, 투자 율은 강자성 물질을 제외한 대부분의 유전체에서 거의 1 의 값을 가지며, 전기 전도도는 보통 매우 작은 값을 가지므로 전자기파의 전파 특성을 좌우하는 요 소는 유전율이 된다. GPR 탐사에서 이용하는 주파수대역(1-1000MHz) 에서 대부분의 물질은 낮 은 전기전도도를 보인다. 그러나 물로 포화된 점토층은 탐사에 큰 장애물이 된다. 우리나라의 경우 대부분 지표가 점토층으로 피복되어 있는데, 보통 점토 층( 젖어있는 점토의 전기전도도 1-0.1 mho/m) 은 기반암( 화강암의 전기전도도 0.00000001 Ω/m) 에 비하여 전기전도도가 매우 높다. 이렇게 전기전도도가 높 으면 전자기파의 감쇠가 심하게 일어난다(Smith and Jol, 1992). 수신된 전자기파 신호에는 전자기파의 주시와 진폭에 대한 정보가 포함되 어 있다. 주시로부터 매질의 두께를 유추할 수 있으며, 진폭으로 매질의 감쇠 - 24 -
특성을 파악할 수 있으나, 수신된 신호에는 많은 잡음이 포함되어 정보가 많 이 교란되어 있다. 실제 정보를 정확하게 하기 위해서는 잡음을 제거하고 신 호이득을 보정해 주는 등 자료처리과정이 따라야 한다. GPR 탐사의 가장 기본적인 용도는 무엇보다도 지하 지질구조를 밝히는 것 이라고 할 수 있다. 그러나 지하 지질구조는 무척 복잡하고 다양하다. GPR 탐 사 결과는 지하 매질의 전기적 성질, 즉 암석의 종류, 공극률, 물의 포화정도 등에 따라 심하게 변화하며(Knoll and Knight, 1994), 일반적으로 빙하, 균질 한 모래, 그리고 산성암 등에서 좋은 결과를 보여준다고 알려져 있다(Tillard, 1994). Ⅲ-2-2. 탐사방법 이 탐사에서는 스웨덴 MALA GeoScience의 RAMAC/GPR 탐사 장비를 이용하였다. 이 장비는 조사 심도 및 해상도에 따라서 25, 50, 100, 250, 400, 그리고 1000MHz 의 안테나를 선택적으로 사용할 수 있는데, 여기서는 중심주 파수 250MHz 의 쉴드 안테나를 선택하였다. GPR 탐사는 측선 길이가 33 m인 남북방향의 G1, G2 와 동서방향의 G3, G4의 4개 측선과 측선 길이가 6 m인 남북방향의 G5, G6, G7, 동서방향의 G8, G9, G10, G11의 7개 측선에서 실시 하였다. 측선에서의 탐사간격은 5cm, 트레이스당 샘플수는 512, 샘플링 주파수 는 7914.22MHz, 그리고 stacking은 4~8 로 하여 탐사를 실시하였다( 2-7). 실제 지하의 모습을 정확하게 알기 위해서는 잡음이 섞이고 왜곡되어진 신 호를 전산처리하여야 하는데, 이 일련의 처리 과정을 자료처리라고 한다. 이상 적인 자료처리는 두 매질 사이에서의 반사강도를 나타내는 반사계수로 구성되 는 영상을 얻는 것이다(Fisher et al., 1994). 전자기파는 지하 매질로 방사됨에 따라 그 진폭이 기하급수적으로 감쇠하 게 된다. 이렇게 감쇠되어 미약하게 나타나는 반사파를 전체 시간대역에서 반 사파 진폭이 균일하게 나타나도록 하기 위하여 이득보정을 실시하게 된다. 또 한 탐사 자료에는 잡음이 상당히 많이 섞여 있는데, 잡음을 감쇠시키고 부드 러운 영상을 얻기 위해 인접샘플의 평균값을 계산하여 그 값을 중심 샘플의 - 25 -
값으로 정하는 평균 필터링을 거친다. 이렇게 처리된 탐사 결과를 2-8- 1~11 에 나타내었다. 2-7. 마곡사 오층석탑 GPR 탐사 측선도. Ⅲ-2-3. 결과고찰 GPR 탐사는 측선길이가 33m인 남북방향의 G1, G2와 동서방향의 G3, G4 의 4개 측선과 측선길이가 6 m인 남북방향의 G5~G7, 동서방향의 G8~G11의 7 개 측선에서 실시하였다. 측선에서의 탐사간격은 5cm, 트레이스당 샘플수는 512, 샘플링 주파수는 7914.22MHz, 그리고 stacking은 4~8로 하여 탐사를 실 시하였다. - 26 -
GPR 탐사 결과 전체적으로 심도 2m 부근까지는 선명한 영상을 얻을 수 있었다. G3의 2m 부근과 G4의 2m 부근에는 지하 배수관에 의한 구조물이 나 타나고 있으며, G9와 G10의 1m 부근에서는 오층석탑에 설치한 Tiltmeter의 전선에 의한 영향으로 포물선 형태의 이상대가 나타나고 있다. 2-8-1. GPR탐사 G1 의 단면도. - 27 -
2-8-3. 2-8-2. GPR 탐사 G3 G2 의 단면도. 2-8-4. GPR탐사 G4 의 단면도. - 28 -
2-8-5. GPR탐사 G5 의 단면도. 2-8-6. GPR탐사 G6 의 단면도. 2-8-7. GPR탐사 G7 의 단면도. 2-8-8. GPR탐사 G8 의 단면도. - 29 -
2-8-9. GPR탐사 G9 의 단면도. Ⅲ 2-8-9. GPR탐사 G10 의 단면도. 2-8-10. GPR탐사 G11 의 단면도. - 30 -
-3. 전기비저항 탐사 Ⅲ-3-1. 탐사원리 전기비저항(electrical resistivity) 이란 전류의 흐름에 저항하는 물질의 특성 을 나타내는 물리량으로 매질의 크기와 모양에 관계없이 일정하게 나타나는 고유한 값을 말한다. 이런 전기비저항을 이용한 것을 전기비저항탐사 (electrical resistivity survey) 라 한다. 전기비저항 탐사법은 대지에 공급된 전류의 크기와 이것으로 발생되는 전 원의 크기를 측정함으로써 전기 비저항치의 변화양상을 탐지하고 이들을 해석 함으로써 지하 하부의 지질구조 및 광상, 지하수, 지열지대 등의 보존여부 및 부존 양상을 탐사하는 것이다. 전기비저항 탐사법은 전류의 크기, 각 전극에서 의 전위의 크기 및 각 전극간의 거리 등 정량적으로 측정 가능한 값들을 취급 함으로써 정량적인 해석이 가능하다. 탐사 장비들은 조작이 매우 간단하며 전원, 전류- 전위계, 전극 및 전선이 필수품이다. 탐사에 사용되는 전류전극의 종류, 전류전극과 전위전극의 배열 방법, 전극간의 간격 등에 의해 여러 방법들로 나뉜다. 이런 방법들은 탐사목 적에 따라 또는 배열 방법에 따라 나뉜다. 탐사목적에 따른 방법으로는 일정 깊이 이내의 전기비저항치의 수평적 변화를 조사하기 위한 수평탐사( 水 平 探 査, electrical profiling) 와, 일정 지점 하부의 수직적인 전기비저항치의 수직적 인 변화를 조사하기 위한 수직탐사( 垂 直 探 査, electrical sounding) 가 있다. 하다. 수직탐사(vertical sounding) 는 전류전극만을 이동하므로 탐사 과정이 간편 전체 작업 과정에서 전위전극의 위치는 고정되었으므로 전위전극 부근 의 지표면의 국부적인 불균질 매질에 의한 잡음 효과도 모든 측정에서 동일하 게 됨으로, 더 좋은 탐사효과를 얻을 수 있다. 일반적으로 수직탐사를 실시하 기 전에 수평탐사를 수행한다. 대부분 두 방법은 탐사 목적이 주로 수평 방향 의 지질 변화를 대상으로 하는 것인지 수직방향의 지질변화를 목적으로 하는 것인지에 따라 결정하지만 상호보완적 성격을 지니고 있어 두 방법을 적절히 병행하여 사용한다. 배열방법으로는 웨너배열(Wenner array), 슐럼버져배열 (Schlumberger array), 쌍극자배열(dipole-dipole array) 등이 있다. - 31 -
전극배열에 있어서 통상적으로 전류전극간격이 전위전극간격의 5배보다 커 야한다. 만일 전류간격이 수 배 이상 증가할 경우 탐사기기의 민감도 (sensitivity) 가 떨어진다. 그러면 전위전극의 간격이 큰 값으로 증가하게 되는 것이다. 일반적으로 탐사지역의 탐사범위는 한정되어 있는 것을 유념해야 된 다. 이에 본 탐사에선 수평, 수직 모두 웨너배열이 사용되었다( 2-9). 웨너 배열의 경우 전극간격이 증가하여도 탐사기기의 민감도를 증가시킬 필요가 없 으며, 정량적으로 해석하기가 쉽다. 육상에서의 전기비저항 측정은 대지에 2 개의 전류전극(current electrode) 을 통하여 인위적으로 전류를 흐르게 한 후, 그 전류전극 내에 2개의 전위전극 (potential electrode) 을 설치하여 전위차를 측정하는 것으로 이루어진다. I V a a a P 2 C 1 P 1 C 2 r 1 r 2 r 3 r 4 2-9. 전기비저항 탐사에서의 웨너배열 모식도. P 1 과 P 2 사이의 전위차 V 는 균질 무한한 구형체로 가정하였을 때 옴(ohm) 의 법칙에 의하여 다음과 같이 정의된다. Δ V = V p1 - V p2 = ρ I 2π 1 { 1 r 1-1 r 2-1 r 3 + 1 r 4 } ----------------- (1) 여기서 전위차 알려지므로 대지의 비저항 V와 각 전극간의 상대거리 ρ를 측정할 수 있게 된다. r 1, r 2, r 3, r 4 는 야외측정에 의해 - 32 -
ρ = 2 π ------------------ (2) 본 탐사는 r 1 =r 4 =a, r 2 =r 3 =2a 인 경우로서, 거리계수 G=a가 되므로 겉보기 전기 비저항치는 Δ V I ρ a = 2 π a Δ V I 1 { 1 r 1-1 r 2-1 r 3 + 1 r 4 } ------------------ (3) 이다. 이 배열에서는 거리계수가 a 이므로, 전기비저항 산출식이 쉬우며, 또한 현장작업에서도 전극배열이 쉬운 장점이 있는 반면, 전극 4개를 모두 이동시 켜야 하는 불편이 있다( 2-10). S N a = 1m a = 1m a = 1m C1 P1 P2 C2 1 m 1 m 1 m 2-10. 웨너배열 시 측정지점 모식도. 3D 전기탐사가 지구물리탐사의 일환으로 사용된 이래 1D(difference) 및 2D, 층상구조의 전기탐사 모델링 연구가 과거 수십 년 동안 꾸준히 수행되어 왔다. 특히 2D에 대한 연구는 수치 계산적인 측면과 실제 자료 해석 측면에서 유용하게 적용될 수 있어 1970 년대 이후에 많은 연구가 수행되어 왔다. 최근 에는 2D 및 3D 전기비저항탐사법이 개발되어 그 이용이 급격히 확대되고 있 다. - 33 -
이 탐사기법은 수직탐사와 수평탐사를 조합, 병행하는 방법으로 측선 상에 배치된 전극을 사용하여 얻은 여러 점의 측정자료를 method) 및 FDM(finite difference method) FEM(finite element 기법을 이용한 역산 모델링을 실 시하여 지하단면 구조를 2D 및 3D 영상화하여 고밀도의 해석을 가능하게 한 다. 이에 이번 탐사에서는 전기비저항탐사로부터 얻은 자료를 이용하여 지하 지질구조에 대한 2D 전기비저항 모델을 결정하기 위하여 INTERPEX사에서 개발된 RESIX IP2DI v4 프로그램을 이용하였다. 이 방법의 장점은 여러 가지 다른 유형들을 가진 값들에 맞게 Damping Factor 와 Flatness Filter를 조정 할 수 있다는 것이다. 해석에 사용된 2D(difference) 모델은 지하 지질구조를 많은 사각형으로 나누는데 블록의 배열은 가상단면도 상에서 측점의 분포에 연관된다. 블록의 분포와 크기는 블록의 수가 측점의 수를 초과하지 않도록 프로그램 에 의해 자동적으로 생성되며 블록 맨 아래 열의 깊이는 대략 가장 큰 전극간 격을 갖는 측점의 조사 깊이와 같도록 조정된다. 이 프로그램의 목적은 실제 측정과 일치하는 겉보기 전기비저항 가상단면도를 만드는 사각형 블록의 전기 비저항 분포를 결정하는 것이다. Ⅲ-3-2. 탐사방법 탑을 중심으로 남북방향 4개 측선과 동서방향 2개에 대하여 수평적 변화와 수직적 변화를 살펴보기 위해서 웨너배열의 전기비저항 탐사를 실시하였다( 그 림 2-11).. 각 측선의 길이는 40 m 이며, 전극간격은 1m 로 유지한 후, 이동하 는 전류전극( C 1 C 2 ) 전위전극( P 1 P 2 ) 를 설치하여 자료의 신뢰성을 높이 기 위해 한 측점에서 4 회씩 반복 측정하였으며, 측정수치가 일정치 않을 경우 재차 반복 측정을 실시하여 조사의 정확성을 기하였다. 수평비저항 탐사 자료는 웨너 전극배열에 맞는 겉보기 비저항(apparent resistivity) 공식을 유도한 후, 이를 이용하여 겉보기 비저항치로 전환하였다. 전환된 겉보기 비저항치들을 이용하여 각 측선별로 비저항의 분포와 지하의 변화경향을 도시하였다. - 34 -
2-11. 마곡사 오층석탑 전기비저항탐사 측선도. Ⅲ-3-3. 결과고찰 석탑 주변의 겉보기비저항 분포는 약 7~4,500Ω-m의 범위를 보이고 있으 며, 석탑 주변지반의 저비저항분포는 심도가 깊어질수록 석탑의 서쪽이 낮아 지는 경향을 보인다( 2-12,2-13). 탐사지역의 심도별 수평적인 전기비저항 분포를 분석해보면 심도 약 2.5m 부터는 뚜렷하게 석탑의 서쪽이 동쪽보다 저비저항대를 보이는 것이 확인되었다. - 35 -
2-12. 심도별 전기비저항 수평분포도( 웨너배열). - 36 -
2-13-1. 2 차원 전기비저항 단면도(R1) 2-13-2. 2 차원 전기비저항 단면도(R2) - 37 -
2-13-3. 2 차원 전기비저항 단면도(R3) 2-13-4. 2 차원 전기비저항 단면도(R4) - 38 -
2-13-5. 2 차원 전기비저항 단면도(R5) 2-13-6. 2 차원 전기비저항 단면도(R6) - 39 -
Ⅳ. 거동계측 Ⅳ-1. 구조적 거동계측 Ⅳ-1-1. 조사개요 우리가 살고 있는 지구에서 일어나는 변형을 감시하는(monitoring) 주목적 은 지각을 포함한 지구 내부구조와 저주파 동력학을 연구하려는데 있다. 응용분야로는 지진, 화산폭발, 산사태 등 자연적 재해의 예측이나 대형구조물 및 건물 등의 안정성 상실을 사전에 알아내어 인류와 생명체들이 지구에서 안 전하게 그 삶을 영유하도록 하고자 하는데 있다. 변형(deformation) 은 이동(translation, movement) 및 회전(rotation) 등으로 구성되므로(Hobbs et al., 1976) 변위, 스트레인(normal and shear) 및 회전을 성분별로 면밀히 측정, 관측하면 물체의 변형을 파악할 수 있다. 그러나 이동, 뒤틀림 및 회전이 독립적으로 일어나는 일은 거의 없으므로 이들 중 어느 것 을 관측하여도 변형의 유무를 파악할 수 있다. 시간경과에 따른 경사(tilt) 의 변화는 완벽하지는 않지만 변형의 역사(deformational history) 와 정보를 내포 하고 있다는 점에서 변형의 장기관측에 중요한 측정변수(parameter) 가 된다. 본 조사는 마곡사 오층석탑에 대하여 그 20 분 간격으로 거동계측을 수행하여, 마곡사 오층석탑에 대한 이동경향을 파악함은 물론, 차후 실시할 보존대책 수 립에 기초자료를 제공하기 위해 수행되었다. 따라서 마곡사 오층석탑에 대하 여 2 축 틸트변화를 장기관측하고 그 자료를 처리, 분석함으로써 상기와 같은 문제점을 사전에 파악하고 이에 대비하고자 하는데 그 목적이 있다. Ⅳ-1-2. 조사방법 마곡사 오층석탑에 대한 벽체 경사변화의 상시모니터링 자료해석에 있어 2006년 2월 1일부터 2006년 7월 6일까지 5개월에 걸쳐 수행된 자료를 이용하 였다. - 40 -
Ⅳ-1-2-1. 구조거동 측정원리 마곡사 오층석탑의 거동계측 조사에 사용된 벽체 경사변화 계측기는 미국 의 AGI (Applied Geomechanics Inc.) 사의 모델로써, 지구의 중력방향을 기준 으로 하는 고도로 정밀한 센서이다. Tiltmeter 의 형식은 전해관식(electrolytic type) 으로 기포관의 원리를 이용한 것이다. 즉, 전해액이 삽입된 기포관의 입 력단자로 입력된 전압은 전해액을 통과하면서 출력전압으로 바뀌어 출력되며, 기포관이 수평을 유지할 때, 출력전압은 0 이 된다. 구조물이 경사변형을 일으키면 기포관내의 기포가 기울어지게 되며, 이때 동일한 입력전압에서 출력되는 출력전압이 변한다. Tiltmeter 센서의 구조와 전기적 특성을 나타낸 것이다. Tiltmeter의 센서는 측정기준이 지구의 중력방 향이므로 기준점의 변동에 의한 오차가 없고, 기계적인 마찰이 발생하지 않으 므로 반영구적이다. 또한 센서의 정밀도가 높고( 정밀도 0.1μradian, [0.6, 1.0 μ radian 도 가능]), 센서가 가벼우므로 설치작업에 있어서 마곡사 오층석탑 면에 영향을 미치지 않으며 원하는 시간 간격으로 자동계측이 가능하다. 5-38은 Tiltmeter 센서의 구조와 전기적 특성을 나타낸 것이다. 마곡사 오층석탑 5 층 탑신부에 설치된 센서의 변환계수(calibration factor) 는 0.1 μradian/mv 이며, 마곡사 오층석탑 기단부에 설치되어진 센서의 변환계 수(calibration factor) 는 0.6 μradian/mv 의 초정밀 계측장비이다. 5-39는 벽체거동 자동계측시스템 구성도를 나타낸 으로, 마곡사 오층석탑에 설치된 총 4개의 Tilt sensor로부터 미약하게 출력되는 전압을 1대의 Signal Conditioner 를 통하여 증폭시켜 Data Logger 에 경사변화 데이터를 기록한다. Data Logger 에 저장된 자료는 데이터 통신전용 핸드폰 모뎀(011-9772-8730, 011-9776-8730)을 통하여 연구실의 자료처리용 컴퓨터와 연결하여 자료처리를 수행하였다. - 41 -
3-1. Tiltmeter 센서의 구조와 전기적 특성. Telephone line Tilt Sensor Signal Conditione Data logger PC ( 자동계측시스템 구성도) 3-2. 자동계측 시스템 구성도. - 42 -
Ⅳ-1-2-2. 자동계측 이 조사에서는 마곡사 오층석탑의 5 층 탑신부(Sensor 1) 와 기단부(Sensor 2)에서 발생되는 변형을 수개월 동안 연속적으로 측정하여 각각의 장기적인 변형을 관찰하고, 그 결과로써 마곡사 오층석탑의 안전성을 판단하는 것이다. 3-3. 자동데이터 취득 프로그램 Logger Net. 이때 자동계측기를 이용하지 않고 수동계측을 수행할 경우 7일에 한 번씩 직접 연구원이 방문하여 수동으로 계측을 수행해야 한다. 그러나 1 회/7일 정 도의 측정 빈도로는 변형정도를 정확하게 파악할 수 없으므로 자동계측시스템 및 핸드폰 모뎀시설을 설치하여 짧은 측정간격(1 회/20 분) 으로 장기간 계측할 수 있는 체제를 구축하여 보다 정확한 자료를 획득할 수 있었다. - 43 -
Ⅳ-1-2-3. 거동상태 마곡사 오층석탑의 5 층 탑신부(Sensor 1, T1, T2) 와 기단부(Sensor 2, T3, T4) 의 거동여부 및 그 경향을 파악하기 위하여 방향이 다른 센서 각각 2개씩 총 4개의 정밀 Tiltmeter 를 부착시키고, 20분 간격으로 연속 측정한 자료를 기 록하였다. 거동계측은 2006년 2월 1부터 2006년 7월 6일까지 대체로 큰 지장 없이 계 속되었다. 이번 조사에서는 센서 장착 후 안정화 되는 시간을 고려하여 2004 년 2월 10일부터 2006년 7월 6 일까지의 자료를 이용하여 해석하였다. 3-4. 마곡사 오층석탑에 설치된 거동 계측장비. - 44 -
(1) 마곡사 오층석탑 5층 탑신부 마곡사 오층석탑 5 층 탑신부에는 남북방향(T1), 동서방향(T2) 에 성분을 측 정할 수 있는 Tilt sensor 를 설치하였다(sensor1). 전산처리 된 틸트 자료는 그 림 3-5 에 나타내었으며, 그래프의 횡축은 측정시각을 일(day) 단위로 표시하 였으며 종축은 경사변화를 μradian 단위로 나타내었다. 2006년 2월 1일부터 2006년 7월 6 일까지 취득한 틸트미터 자료처리 결과, 마곡사 오층석탑을 전면에서 볼 때 남북방향(T1) 센서는 북쪽(+) 으로 17.122μ rad, 동서방향(T2) 센서는 서쪽(+) 으로 47.316μrad의 틸트변화 경향을 보이고 있다. 마곡사 오층석탑의 5층 탑신부에 설치된 두 방향의 틸트센서의 변화경향을 볼 때, 센서가 설치된 마곡사 오층석탑의 5층 탑신부 중심을 기점으로 북서쪽 으로 회전경향을 보이고 있다( 표 3-1, 3-5). 이석탑을 전면에서 볼 때 남북방향(T1) 센서의 변위량을 1m 기준으로 환 산할 때, 0.017mm/m로 연간 경사변화량으로 환산하면 0.044mm/m y의 값을 보이며, 동서방향(T2) 센서의 변위량은 0.047mm/m로 연간 경사변화량으로 환 산하면 0.122 mm/m y 이다. (2) 마곡사 오층석탑 기단부 마곡사 오층석탑의 기단부 벽체거동 경향을 3-6에 나타내었다 (sensor2). 석탑을 전면에서 볼 때, 남북방향(T3), 동서방향(T4) 에 대하여 Tilt sensor 를 설치하였다. 그래프의 횡축은 측정시각을 일(day) 단위로 표시하였으 며 종축은 경사변화를 μradian 단위로 나타내었다. 마곡사 오층석탑을 전면에서 볼 때 남북방향(T3) 센서는 북쪽(+) 으로 30.892 μrad, 동서방향(T4) 센서는 서쪽(+) 으로 887.186 μrad의 틸트변화 경향을 보인다. 마곡사 오층석탑 기단부에 설치된 두 방향의 센서의 틸트변화 경향을 볼 때, 센서가 설치된 마곡사 오층석탑 기단부 중심을 기점으로 북서쪽으로 회전경향을 보이고 있다( 표 3-1, 3-6). 마곡사 오층석탑을 전면에서 볼 때 남북방향(T3) 센서의 변위량을 1m 기준 - 45 -
으로 환산할 때, 0.031mm/m로 년간 경사변화량으로 환산하면 0.079mm/m y 의 값을 보이며, 동서방향(T4) 센서의 변위량은 0.887mm/m로 연간 경사변화 량으로 환산하면 2.280 mm/m y 이다. 마곡사 오층석탑 기단부에 설치된 센서 T3의 경우 거동계측기간 중 2006 년 5월 10일까지는 -( 남) 쪽 방향의 이동양상(69.429μrad) 을 보여주었으며, 5월 10 일( 중간보고회) 이후에는 +( 북) 의 방향의 거동양상(100.322 μrad) 을 보여주 고 있다. 또한 센서 T4의 경우 2006년 5월 10까지는 712.618μrad의 급격한 이 동양상을 보여주었으나, 5월 10 일 이후( 중간보고회) 에는 급격한 이동양상이 안 정화(174.568μrad) 되는 가는 모습을 보여주고 있다. 표 2-1. 마곡사 오층석탑의 거동방향. 변화량 Sensor 관측기간 μ rad mm/m 년간변화 량 방향 비고 mm/m y Sensor 1 T1 X 방향 06.02.01-06.07.06 17.122 0.017 0.044 + 북 (801H) T2 Y 방향 06.02.01-06.07.06 47.316 0.047 0.122 + 서 Sensor 2 T3 X 방향 06.02.01-06.07.06 30.892 0.031 0.079 + 북 (801S) T4 Y 방향 06.02.01-06.07.06 887.186 0.887 2.280 + 서 X 방향 : 마곡사 5 층석탑을 남쪽에서 볼 때 앞(S) 으로 기울면 - Y 방향 : 마곡사 5 층석탑을 남쪽에서 볼 때 왼쪽(W) 으로 기울면 + 기준시점 : 2006년 2월 10일 0시 정각 기준종점 : 2006년 7월 6일 0시 정각 - 46 -
표 2-2. 마곡사 오층석탑의 일정 기간별(1 개월 주기) 거동방향. Sensor 관측기간 변화량 μ rad mm/m 방향 비고 X T1 방향 06.02.10-06.03.10 12.601 0.013 + 06.03.10-06.04.10 5.812 0.006-06.04.10-06.05.10 6.912 0.007 + 06.05.10-06.06.10 3.438 0.003 + + 남 Sensor 1 (801H) 06.06.10-06.07.06 0 0 06.02.10-06.03.10 19.687 0.020 + T2 Y 방향 T3 X 방향 06.03.10-06.04.10 7.156 0.007 + 06.04.10-06.05.10 13.875 0.014 + 06.05.10-06.06.10 2.182 0.002-06.06.10-06.07.06 8.779 0.009 + 06.02.10-06.03.10 7.121 0.007-06.03.10-06.04.10 34.662 0.035-06.04.10-06.05.10 27.646 0.028-06.05.10-06.06.10 27.646 0.028 + + 서 + 남 Sensor 2 (801S) 06.06.10-06.07.06 72.676 0.073 + 06.02.10-06.03.10 246.824 0.247 + Y T4 방향 06.03.10-06.04.10 233.525 0.234 + 06.04.10-06.05.10 232.268 0.232 + 06.05.10-06.06.10 90.687 0.091 + 06.06.10-06.07.06 83.881 0.084 + + 서 X 방향 : 마곡사 5 층석탑을 남쪽에서 볼 때 앞(S) 으로 기울면 - Y 방향 : 마곡사 5 층석탑을 남쪽에서 볼 때 왼쪽(W) 으로 기울면 + 기준시간 : 각일 0시 정각 - 47 -
3-5. 마곡사 오층석탑 5 층 탑신부의 거동 계측결과. 3-6. 마곡사 오층석탑 기단부의 거동 계측결과. - 48 -
Ⅳ-2. 강수량과 거동특성 본 조사지역인 충남 공주시는 앞의 기상환경에서도 언급했듯이 비교적 강 수량이 많은 지역이다 따라서 강수( 우) 량에 의한 마곡사 오층석탑의 영향을 분석하기 위해 2006년 1월 1일부터 7월 13 일사이의 강수량을 조사하였으며, 이를 거동자료와 비교분석하였다( 표 2-4, 3-8,9). 조사기간 동안 마곡사 일대에는 735.3mm 강수량을 기록한 것을 알 수 있다( 3-7). 3-7. 마곡사 일대의 월별 강수량 분포. - 49 -
표 2-3. 마곡사 일대 2006 년 일평균 강수량. 강수량(mm) 2006 1월 2월 3월 4월 5월 6월 7월 1일 0.0 1.0 0.0 18.5 0.0 0.0 47.5 2일 0.0 0.0 0.0 1.5 0.0 0.0 0.0 3일 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 4일 0.0 0.0 0.0 4.5 0.0 0.0 26.5 5일 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 6일 0.0 0.5 0.0 0.0 57.0 0.0 45.5 7일 0.0 8.0 0.0 0.0 0.5 0.0 14.0 8일 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 9일 0.0 0.0 0.0 102.8 0.0 0.0 7.0 10일 0.0 0.0 0.0 39.0 11.5 22.5 16.0 상순평 균 0.0 10.0 0.0 166.3 69.0 22.5 157.0 11일 0.0 0.0 0.0 5.0 0.0 0.0 10.0 12일 3.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 42.5 13일 19.5 0.0 3.0 0.0 0.0 0.0 2.5 14일 0.0 10.5 0.0 0.0 0.0 58.5 15일 0.0 2.0 0.0 0.0 0.0 0.0 16일 0.0 0.0 3.0 0.0 0.0 0.0 17일 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 18일 0.0 0.0 2.0 0.0 0.0 0.0 19일 0.0 0.0 0.0 38.0 22.5 0.0 20일 0.0 0.0 0.0 2.5 0.0 0.0 중순평 균 23.0 12.5 8.0 45.5 22.5 58.5 55.0 21일 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 2.0 22일 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 34.0 23일 0.0 0.0 0.0 0.5 0.0 0.0 24일 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 25일 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 1.5 26일 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 2.0 27일 0.0 0.0 0.0 0.0 1.0 0.0 28일 0.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.0 29일 0.0-0.0 0.0 0.0 22.5 30일 0.0-0.0 0.0 4.0 9.5 31일 7.5-0.0-0.0 - 하순평 균 7.5 0.0 1.0 0.5 5.0 71.5 평균 30.5 22.5 9.0 212.3 96.5 152.5 212.0-50 -
조사기간 동안의 강수량에 대한 거동량을 계산하여 도시화 한 결과 각 센 서별 강수량에 대한 이동변위량의 비례식을 산출할 수 있었다. 3-8,9는 공주지역의 강수량에 대한 이동변위량을 비교하여 강수량에 대한 이동변위량 상관성을 도시한 이다. 3-8,9에서와 같이 강수량이 증가함에 따라 전반적으로 이동변위량이 증가함을 알 수 있었으며, 이는 현재 마곡사 오층석탑이 외부 기상환경에 노 출되어 있기 때문인 것으로, 지속적인 거동계측을 통한 집중강우에 대한 대책 을 수립하는데 기초자료를 제공하여야 할 것이라고 판단된다. 표 2-4. 마곡사 오층석탑의 강수량에 대한 이동변위량과의 관계. Sensor 강수량에 대한 이동변위량 비고 Sensor 1 (801H) Sensor 2 (801S) T1 X 방향 T2 Y 방향 T1 X 방향 T2 Y 방향 y = 0.0001 x + 0.0099 y = 0.0004 x + 0.0112 y = 7E - 05 x + 0.0042 y = 3E - 05 x + 0.0042-51 -
3-8. 마곡사 오층석탑 5층 탑신부에 대한 강수량과 이동변위량과의 관계 3-9. 마곡사 오층석탑 기단부에 대한 강수량과 이동변위량과의 관계. - 52 -
Ⅴ. 보존과학적 고찰 본 연구는 마곡사 오층석탑의 구조적 불안정의 정확한 원인을 파악하기 위하여 석탑의 탄성파 탐사, GPR 탐사, 전기비저항탐사 및 거동 계측을 실시하 였다. 탄성파탐사 결과 풍화토~보통암의 지반으로 나타났으며 남북측선에서 석탑하부의 지반이 북고남저의 형태를 보였다. 이는 석탑이 남측으로 이동하 기 이전의 원위치 추정이 가능할 것으로 해석된다. 지하레이더 탐사결과 심도 2.5m 이내에서는 지반의 특별한 이상대는 파악되지 않았다. 탐사결과 나타난 서쪽의 배수경로는 우리가 볼 수 있는 것으로 탑의 구조적 문제점과는 상관 없을 것으로 예상된다. 전기비저항탐사 결과, 석탑 주변 지반의 저비저항 분포 는 심도 약 2.5m 부터 뚜렷하게 석탑의 북서쪽이 상대적으로 저비저항대를 보였다. 그러므로 북서쪽 연약지반에 대한 보강기법을 강구해야 하겠다. 거동 계측결과 석탑은 현재 북서쪽으로 회전현상을 보이고 있으며, 강수량 이 증가함에 따라 전반적으로 이동 변위량도 증가함을 알았다. 이는 집중강우 에 대한 대책을 모색해야 함을 지시한다. 이 연구결과로 마곡사 오층석탑은 석탑의 변위량에 대한 장기적인 관측 및 3D 스캐닝을 이용한 전체적인 구조해석 및, 이동변위 대책이 필요한 것으로 사 료된다. 그리고 북서쪽 연약지반의 강도와 지지력 산출을 위한 지반탐사를 병 행하여 그 결과에 따른 보강기법을 강구해야 한다. 또한 지속적인 기상계측을 통해 집중강우에 대한 대책을 수립하고 장기적인 보존을 위한 탑의 원위치 확 인과 원형회복을 위한 계획수립이 필요하다. - 53 -
Ⅵ. 결 언 1. 마곡사 오층석탑은 충남 공주시 사곡면 운암리 마곡사 경내에 위치한 탑으로 보물 제 799 호이다. 이 탑에서 가장 독특한 부분은 상륜부로서 상륜부 를 장식한 청동제의 풍마동은 라마식 보탑과 유사한 것으로 국내에서는 유일 한 것이며, 이 탑의 조성 시기에 대한 연대를 추정할 수 있게 하는 중요한 단 서가 된다. 2. 마곡사 오층석탑은 정조 6 년(1782) 에 큰 화재를 입어 500여 칸에 이르던 전각들이 이 때 모두 불났으며 특히 대광보전에 화재가 났을 때 오층석탑의 북쪽부분이 큰 손상을 입었다. 1974년도에는 석탑의 원래 위치보다 좀 더 앞 으로 옮겨 세웠고 손상된 부분은 원래의 석재가 아닌 화강암으로 개수하기도 하였다. 3. 마곡사 오층석탑은 전체적으로 부재의 탈락과 균열, 박리박락이 주를 이 루며 특히 북측면의 훼손은 매우 심각하고 이는 구nffl적 풍화를 받은 곳은 인 위적인 피해보다 강수량등 기상환경에 의한 풍화가 더 심한 것으로 이 곳을 중심으로 수분 침투와 이차광물화 작용에 따른 변색이 나타나고 있다. 4. 이 탑의 생물학적 훼손을 살펴보면, 전체적으로 조류에 의한 피해가 심 각하며 조류 및 지의류의 고사체로 인한 암흑색 변색과 기단석과 지대석의 부 재 사이에 자라는 초본식물 등이 관찰된다. 5. 지반에 대한 탄성파탐사 결과, 104~2,857m/s의 범위를 보이는 풍화토~ 보통암의 지반이다. 남북측선에서 석탑 하부의 지반은 북고 남저의 형태를 보 이고 있는데 이는 고문헌에 기록된 바와 같이, 석탑이 남측으로 이동하기 전 원래 위치 추정이 가능할 것으로 해석 된다. 6. 지반에 대한 지하레이더탐사 결과 G3,G4의 측선에서 지하 배수관에 의한 구조물이 나타나고 있으며 그 외 천부 별한 이상대는 파악되지 않았다. 2.5m 내에서는 탐사에 따른 지반의 특 7. 지반에 대한 전기비저항탐사 결과, 전반적으로 7~4,500Ωm의 범위를 보 이고 있으며, 석탑 서측 지점의 지반이 주변보다 저비저항대를 보여 지반이 상대적으로 연약함을 보이고 있어 석탑의 경사모니터링 결과와 함께 장기적인 관측이 요구된다. - 54 -
8. 마곡사 오층석탑 5 층 탑신부와 기단부에 대하여 거동을 계측한 결과, 5층 탑신부에서는 탑신부 중심을 기준으로 북서쪽으로 회전경향을 보이고 있으며, 북쪽으로(T1) 년간 0.044mm/m yr, 서쪽으로(T2) 년간 0.122mm/m yr의 변 위량을 보이고 있다. 기단부에서는 기단부 중심을 기준으로 북서쪽으로 회전 경향을 보이고 있으며, 북쪽으로(T3) 년간 0.079mm/m yr, 서쪽으로(T4) 년 간 2.280mm/m yr 의 변위량을 보이고 있다. 또한 강수량에 대한 석탑의 거동 량을 계산하여 도시한 결과, 이 증가함을 알 수 있었다. 강수량이 증가함에 따라 전반적으로 이동변위량 9. 따라서 이 석탑은 변위에 대한 장기관측 및 3D스캐닝을 이용한 전체적인 구조해석이 필요하며 북서쪽 연약지반의 강도와 지지력 산출을 위한 지반탐사 를 병행하여 그 결과에 따른 보강기법을 강구해야 한다. 또한 지속적인 기상 계측을 통해 집중강우에 대한 대책을 수립하고 장기적인 보존을 위한 탑의 원 위치 확인이 필요한 것으로 사료된다. - 55 -
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