SPS vs Full Wave Sonic: 파형은 같아도 대체는 불가능한 이유

한 입 지식

SPS vs Full Wave Sonic: 파형은 같아도 대체는 불가능한 이유

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1. 한눈에 보는 SPS vs FWS

“둘 다 탄성파를 이용하는 검층인데, 굳이 둘 다 해야 해?” 현장에서 이런 질문, 한 번쯤 들어보셨을 겁니다. 실제로 Suspension P-S Logging(SPS)와 Full Wave Sonic Logging(FWS)는 모두 지반이나 암반 내부의 P파와 S파를 측정하고, 탄성파의 전파 특성을 분석한다는 점에서 공통점이 있습니다.

하지만 조금만 깊이 들어가면 둘은 마치 ‘망원경과 현미경’처럼 서로 다른 스케일과 목적을 가진 도구라는 걸 알게 됩니다. 오늘은 그 차이를 구체적으로 짚고, 왜 이 둘이 서로 완전한 대체가 불가능한지를 하나하나 파헤쳐보겠습니다.

"같은 파형이라도, 보는 눈이 다르면 읽어내는 세계도 다릅니다."

2. 기본 개념: 탄성파 검층의 두 갈래

📌 Suspension P-S Logging (SPS)란?

SPS는 지반공 내에 센서를 매달아 직접 탄성파를 발생시키고 수신하며, 수직 방향으로 이동하면서 지반의 전반적인 P파와 S파 속도 구조를 해석하는 방식입니다. 주로 지반의 동적특성 해석, Vs30 산정, 지진 응답 해석 등에 사용되며, 낮은 주파수(수백 Hz~수 kHz)를 사용하여 비교적 깊은 지층까지 파형을 분석할 수 있습니다.

📌 Full Wave Sonic (FWS)란?

FWS는 보링공 내에 다채널 수신기를 고정하고 고주파 탄성파(10~30kHz)를 발사하여, 공벽 인근 수십 cm~수 m 범위의 정밀한 암석 특성 및 층서 구조를 분석하는 고해상도 검층 방식입니다. NATM 설계, RMR/RQD 보조, 경계면 식별 등에 주로 쓰입니다.

🔍 공통점은 무엇인가요?

• 둘 다 탄성파(P파/S파)를 사용한다.
• 굴절, 반사, 직접파 등 파형의 전파 특성을 분석한다.
• 지반 또는 암반 내부 구조 해석에 활용된다.

이렇게 비슷한 점이 많은데도 왜 ‘대체 불가’라는 말이 나오는 걸까요? 그 이유는 다음 챕터부터 본격적으로 비교해가며 설명해 드릴게요.

3. 주파수, 파장, 해상도의 결정적 차이

가장 중요한 차이점 중 하나는 바로 “주파수 대역”입니다. 이 요소는 곧 파장의 길이, 해상도의 차이, 신호의 침투 깊이 등을 결정합니다.

구분	Suspension P-S Logging (SPS)	Full Wave Sonic Logging (FWS)
주파수	500 Hz ~ 5 kHz (저주파)	10 ~ 30 kHz (고주파)
파장	수 m 이상 (심부 분석)	수십 cm (세밀 해석)
공간 해상도	낮음 (매크로 단위)	높음 (미시적 구간 해석)

SPS는 넓은 구간에 대한 속도 구조를 파악하는 데 적합하고, FWS는 수십 센티미터 단위의 층간 경계나 이완대, 균열대를 식별하는 데 탁월합니다. ‘설계 목적’에 따라 어느 쪽이 필요한지 달라지며, 두 방식은 서로를 완벽히 대체할 수 없습니다.

4. 측정 장비의 구조와 데이터 수집 방식

측정 장비의 구조 또한 두 방식의 근본적인 차이를 만들어냅니다.

• SPS: 센서를 서스펜션(와이어)에 달아 공 안을 수직으로 이동하며 한 지점씩 측정합니다. 송수신부는 하나로, 각각의 깊이에서 데이터를 누적합니다.
• FWS: 수신부가 다채널 어레이로 구성되어 있고 고정되어 있으며, 파형은 한 번의 발파로 여러 깊이에서 동시 수신됩니다.

즉, SPS는 전체 깊이에 걸쳐서 지반의 전반적 구조를 느리지만 정밀하게 스캔하는 반면, FWS는 특정 구간을 고속으로 고해상도로 촬영하듯 분석합니다. 서로 다루는 ‘해석 단위’가 다르죠.

5. 파형 해석의 깊이와 정밀도 차이

두 방식 모두 P파와 S파를 분석하지만, 해석의 깊이와 정밀도에서 큰 차이가 있습니다.

✔ SPS: 속도 중심의 정량 해석

SPS는 각 지점의 P파·S파 도달 시간(T0)을 기반으로 Vs, Vp를 산정하며, T-x 곡선 및 교차법으로 속도분포를 해석합니다. 즉 ‘수직 속도 구조 모델’을 만드는 데 특화되어 있습니다.

✔ FWS: 파형 전체의 특성 해석

FWS는 단순 도달 시간뿐 아니라, 전체 파형의 위상, 진폭, 감쇠, 왜곡도 등을 분석합니다. 이로써 공벽 주변의 균열대, 이완대, 층 경계의 명확한 판별이 가능하며, Q-value, RQD 등 지질공학적 지표와도 연계됩니다.

결론적으로, SPS는 속도 값, FWS는 파형의 모양 자체에서 정보를 얻습니다. 이는 활용 목적의 범위에도 큰 영향을 줍니다.

6. 적용 분야: 어디에 쓰이는가?

적용 분야	SPS	FWS
지진응답해석	◎ (Vs30, 1D 구조 분석)	△ (정밀 국부 분석용)
터널 설계 (NATM)	△	◎ (층경계·암질 구분 정확)
암반분류(RMR, Q)	△ (보조적)	◎ (직접 사용)
이완대/균열대 식별	△	◎
속도구조 모델링	◎	△

이 표만 보더라도 알 수 있듯, FWS는 암반 중심의 정밀 구조 해석과 경계 식별에 강하고, SPS는 지반 전체의 속도 구조 모델링과 지진 동특성 분석에 강점을 갖습니다. 즉, 단순히 ‘속도 측정’이라는 공통된 측면만으로는 서로를 대체할 수 없습니다.

7. 실무 사례로 보는 병행 활용

이론적인 비교를 넘어, 실무에서 두 검층 방식을 병행했을 때 어떤 시너지가 나오는지 구체적인 사례로 살펴보겠습니다.

📌 사례 ①: NATM 터널 설계 시

한 도심지 터널 공사에서는, 터널 상부 암반의 이완대와 균열대를 정밀히 파악하기 위해 FWS를 적용했습니다. 그러나 해당 구간이 지진 영향구역에 해당되어 Vs30 산정이 필요했기에 SPS도 병행 측정하였습니다.

결과적으로, FWS 검층은 고해상도 데이터를 통해 공벽 근접부의 이완대 존재를 정밀하게 파악하는 데 활용되었고, SPS 검층은 반복적인 측정을 통해 전단파 속도 구조를 해석함으로써 지반응답분석의 기초 자료를 제공했습니다.

이 두 방식의 보완적 데이터를 통합하여, 지보재의 배치 계획과 진동 저감 설계를 동시에 만족시키는 최적의 설계를 도출할 수 있었습니다.

📌 사례 ②: 연약지반 단면조사

연약지반구간에서 설계안 변경을 검토하던 중, FWS에서는 특정 구간의 저속 파형만 나타났고, 해석이 불분명했습니다. 이때 SPS를 통해 그 하부 지반 전체가 일관된 저속층이라는 것이 확인되었고, 성토 구간의 두께 조정과 파일 기초 설계에 반영되었습니다.

이처럼 FWS는 근접 해석, SPS는 전체 구조 파악이라는 성격이 다르기 때문에, 병행 사용이 가장 이상적인 조합이 됩니다.

"현미경과 레이더를 함께 사용하듯, FWS와 SPS는 서로를 보완할 때 진가를 발휘합니다."

8. 결론: 대체보다 병행이 해답

Suspension P-S Logging과 Full Wave Sonic Logging은 둘 다 탄성파 기반의 검층 방식이며, P파·S파를 측정하고 지반 특성을 해석하는 공통점을 가집니다. 그러나 그 측정 주파수, 해석 단위, 파형 활용 방식, 적용 분야는 명확히 다릅니다.

FWS는 정밀한 고해상도 해석에, SPS는 지반 전반의 속도 구조 파악에 유리합니다. 따라서 이 둘은 ‘대체’ 관계가 아니라 ‘보완’ 관계로 활용되어야 하며, 병행 사용 시 해석의 신뢰도와 설계 효율성이 극대화됩니다.

현장의 지질 조건, 설계 목적, 해석 스케일을 고려해 적절한 조합을 구성하는 것이 실무자의 판단력이자, 지반조사의 정밀도와 안전성을 높이는 핵심 포인트입니다.

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※ 본 글은 오락가락 먹깨비 블로그의 카테고리 한 입 지식 시리즈입니다.