지중경사계란? 설치 방법과 측정 원리 및 지반변위 분석

지하 굴착공사, 흙막이 가시설, 터널 및 사면보강 공사에서는 지반 내부의 변형과 이동을 지속적으로 확인하는 것이 중요하다.

특히 깊은 굴착공사에서는 흙막이벽이 토압과 수압의 영향을 받으면서 수평방향으로 변형될 수 있다. 이러한 변형이 증가하면 인접 지반의 침하나 주변 구조물의 손상으로 이어질 가능성이 있다.

또한 사면에서는 지반 내부에 활동면이 형성되면서 특정 깊이를 중심으로 수평변위가 집중될 수 있다.

이러한 지반의 변형을 확인하기 위해 활용되는 대표적인 계측장비가 지중경사계(Inclinometer)이다.

지중경사계는 지반 내부에 설치한 경사계관의 기울기 변화를 측정하여 깊이별 수평변위를 산정하는 계측장비이다.

일반적으로 지반에 시추공을 형성한 후 경사계관을 설치하고, 관 내부에 경사계 프로브를 삽입하여 일정한 깊이 간격으로 경사각을 측정한다.

이때 측정된 경사각의 변화량을 이용하면 깊이별 상대 수평변위를 계산할 수 있으며, 이를 누적하여 지반의 수평변위 분포를 분석할 수 있다.

지중경사계는 흙막이 굴착공사에서 벽체의 변형을 관리하거나 사면의 활동 여부를 판단하는 데 활용된다.

다만 지중경사계의 측정값은 계측기 자체의 정밀도뿐 아니라 경사계관 설치상태, 기준점의 안정성, 측정 방향 및 데이터 처리방법 등에 영향을 받는다.

따라서 정확한 지반변위 분석을 위해서는 적절한 설치와 반복 계측, 초기값 관리 및 계측자료의 검토가 필요하다.

이번 글에서는 지중경사계의 정의와 구조, 설치방법, 측정 원리, A축·B축의 의미, 수평변위 계산 공식, 가상 계산 예제, 지반변위 분석 및 현장 계측관리 방법을 자세히 설명한다.

1. 지중경사계란 무엇인가?

지중경사계는 지반 내부의 기울기 변화를 측정하여 깊이별 수평변위를 산정하는 지반계측장비이다.

영어로는 Inclinometer라고 하며, 현장에서는 지중경사계 또는 경사계라고 부른다.

일반적으로 지중경사계는 지반 내부의 수평변위를 측정하는 데 활용된다.

지중경사계의 주요 기능

1. 지반 내부의 수평변위 측정
2. 흙막이벽의 변형 분석
3. 사면의 활동 여부 확인
4. 지반변위가 집중되는 깊이 파악
5. 굴착 단계별 지반 거동 분석
6. 지반 안정성 평가를 위한 계측자료 확보

지중경사계는 지표면의 이동만을 측정하는 장비와 다르다.

지반 내부의 여러 깊이에서 발생하는 변형을 확인할 수 있다는 점이 주요 특징이다.

2. 지중경사계의 구조와 주요 구성 요소

지중경사계는 일반적으로 경사계관, 프로브, 케이블 및 데이터 수집장치 등으로 구성된다.

2.1 경사계관(Inclinometer Casing)

경사계관은 지반 내부에 설치되는 관이다.

일반적으로 내부에 측정 방향을 안내하는 홈이 형성되어 있다.

2.2 경사계 프로브(Probe)

프로브는 경사계관 내부를 이동하면서 기울기를 측정하는 장치이다.

일반적으로 경사센서와 안내 바퀴 등을 포함한다.

2.3 측정 케이블

측정 케이블은 프로브의 위치를 조절하고 계측장치와 연결하는 역할을 한다.

2.4 데이터 수집장치

데이터 수집장치는 경사계 프로브에서 측정한 데이터를 기록하고 저장한다.

지중경사계 구성 요소 비교표

구성 요소	주요 기능	확인사항
경사계관	측정 경로 형성	수직도, 홈 방향
프로브	기울기 측정	센서 정밀도
안내 바퀴	관 내부 이동	홈과의 접촉
케이블	깊이 조절 및 데이터 전달	길이, 손상 여부
데이터 수집장치	측정값 기록	설정 및 저장 상태

3. 지중경사계의 종류와 특징

지중경사계는 측정 방식과 설치 형태에 따라 여러 종류로 구분할 수 있다.

3.1 이동식 지중경사계

이동식 지중경사계는 경사계 프로브를 관 내부에 삽입하여 일정한 깊이 간격으로 측정하는 방식이다.

대표적인 특징은 다음과 같다.

• 여러 깊이에서 경사각 측정
• 반복 계측을 통한 변위 분석
• 흙막이 및 사면 계측에 활용

3.2 고정식 지중경사계

고정식 지중경사계는 지반 내부의 특정 위치에 센서를 설치하여 변형을 측정하는 방식이다.

3.3 자동계측형 지중경사계

자동계측형 지중경사계는 센서와 데이터 수집시스템을 연결하여 일정한 시간 간격으로 측정자료를 확보할 수 있다.

지중경사계 종류 비교표

구분	이동식	고정식	자동계측형
측정방식	프로브 이동	센서 고정	자동 데이터 수집
측정간격	계측 시 설정	센서 배치에 따름	설정 주기에 따름
주요 장점	깊이별 측정	특정 구간 관측	연속적인 자료 확보
주요 검토사항	측정 반복성	센서 설치 위치	통신 및 전원

4. 지중경사계의 측정 원리

지중경사계는 경사계관의 기울기를 측정하고, 초기 측정값과의 차이를 이용하여 수평변위를 산정한다.

4.1 초기 측정

경사계관 설치 후 기준이 되는 초기 측정값을 확보한다.

4.2 반복 측정

굴착이나 성토 등 공사가 진행되는 동안 동일한 위치에서 반복적으로 경사각을 측정한다.

4.3 경사각 변화

지반이 이동하면 경사계관의 형상이 변화할 수 있다.

이에 따라 각 깊이에서 측정되는 기울기가 달라진다.

4.4 수평변위 계산

측정된 경사각의 변화량을 이용하여 각 구간의 상대 수평변위를 계산한다.

4.5 누적변위 산정

각 구간의 상대 수평변위를 누적하여 깊이별 수평변위 분포를 산정한다.

지중경사계는 일반적으로 경사계관의 기울기 변화를 측정하므로 초기 측정값과 비교하는 과정이 중요하다.

5. 지중경사계 A축과 B축의 의미

지중경사계는 일반적으로 서로 직교하는 두 방향의 기울기를 측정할 수 있다.

이러한 방향을 A축과 B축이라고 한다.

5.1 A축

A축은 경사계관 내부의 한 측정 방향을 의미한다.

흙막이 현장에서는 주요 변위 방향과 일치하도록 설치하는 경우가 많다.

5.2 B축

B축은 A축과 직교하는 방향이다.

5.3 A축과 B축의 관계

두 방향의 변위를 함께 분석하면 지반의 수평변위 방향을 보다 종합적으로 파악할 수 있다.

5.4 측정 방향 관리

지중경사계는 설치 시 측정 방향을 명확하게 설정해야 한다.

특히 초기 측정과 반복 측정에서 동일한 방향 기준을 유지해야 한다.

A축과 B축 비교표

구분	A축	B축
방향	기준 측정 방향	A축과 직교
주요 목적	주 변위 분석	직교 방향 변위 분석
설치 시 확인	기준 방향 설정	직교 방향 확인
분석 시 주의	부호와 방향	부호와 방향

6. 지중경사계 수평변위 계산 공식

지중경사계의 수평변위는 경사각과 측정 구간 길이를 이용하여 계산할 수 있다.

6.1 구간 수평변위

경사계관의 기울기를 수직축에 대한 각도 θ로 정의하면, 구간 길이를 수직거리 Δz로 취급하는 이상화된 기하학적 관계는 다음과 같다.

Δx = Δz × tanθ

여기서,

• Δx : 구간 수평변위(m)
• Δz : 구간의 수직거리(m)
• θ : 수직축에 대한 경사각(° 또는 rad)

단, 실제 이동식 지중경사계는 프로브 길이와 센서 출력 방식에 따라 sinθ를 이용하거나 별도의 환산계수를 적용할 수 있다.

따라서 실제 계측자료는 사용 장비의 측정 원리와 제조사 환산방법에 따라 처리해야 한다.

6.2 초기값과의 비교

초기 경사각을 θ₀, 현재 경사각을 θ₁이라고 하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

δx = Δz × (tanθ₁ − tanθ₀)

여기서,

• δx : 초기 측정 대비 구간 수평변위(m)
• Δz : 측정 구간의 수직거리(m)
• θ₀ : 초기 경사각
• θ₁ : 현재 경사각

이 식은 경사각의 변화에 따른 구간 변위를 설명하기 위한 단순화된 관계식이다.

6.3 누적 수평변위

여러 구간에서 계산한 변위를 누적하면 다음과 같다.

X = Σδxᵢ

여기서,

• X : 누적 상대 수평변위
• δxᵢ : 각 구간의 수평변위

단, 누적변위는 기준 깊이의 변위가 어떻게 설정되었는지에 따라 달라진다.

7. 지중경사계 수평변위 계산 예제

이번에는 가상의 지중경사계 측정자료를 이용하여 수평변위를 계산해 보자.

※ 다음 사례는 계산 원리를 설명하기 위한 가상 조건이며 실제 현장 계측자료가 아니다.

7.1 가상 측정 조건

항목	설정값
측정 구간 길이 Δz	0.5m
초기 경사각 θ₀	0.2°
현재 경사각 θ₁	0.5°

7.2 초기 구간 수평차 계산

Δx₀ = 0.5 × tan0.2°

tan0.2° ≈ 0.003491

Δx₀ ≈ 0.001746m

Δx₀ ≈ 1.75mm

7.3 현재 구간 수평차 계산

Δx₁ = 0.5 × tan0.5°

tan0.5° ≈ 0.008727

Δx₁ ≈ 0.004364m

Δx₁ ≈ 4.36mm

7.4 초기 대비 구간 변위 계산

δx = Δx₁ − Δx₀

δx = 4.36 − 1.75

δx ≈ 2.61mm

따라서 이 가상 조건에서 초기 측정 대비 해당 구간의 상대 수평변위는 약 2.61mm이다.

7.5 계산 결과의 의미

위 계산 결과는 하나의 측정 구간에서 발생한 상대 수평변위를 나타낸다.

실제 지중경사계에서는 여러 깊이의 측정자료를 누적하여 수평변위 분포를 산정한다.

따라서 특정 깊이의 변위만으로 전체 지반의 거동을 판단해서는 안 된다.

8. 지중경사계 설치방법과 단계별 시공 순서

지중경사계의 설치방법은 지반조건과 계측 목적에 따라 달라질 수 있다.

일반적인 설치 순서는 다음과 같다.

1단계. 설치 위치 선정

흙막이벽의 변형이나 사면의 활동을 확인할 수 있는 위치를 선정한다.

2단계. 시추공 굴착

설계에서 정한 깊이까지 시추공을 형성한다.

3단계. 시추공 상태 확인

시추공의 깊이와 상태를 확인한다.

4단계. 경사계관 준비

경사계관의 손상 여부와 연결부 상태를 확인한다.

5단계. 경사계관 설치

경사계관을 시추공 내부에 삽입한다.

6단계. 측정 방향 설정

A축과 B축의 방향을 확인한다.

7단계. 그라우팅

설계에서 정한 방법으로 경사계관과 시추공 사이를 충전한다.

8단계. 관 상부 보호

경사계관 상부에 보호시설을 설치한다.

9단계. 초기 측정

설치 후 안정된 상태에서 초기 측정값을 확보한다.

10단계. 반복 계측

공사 진행에 따라 정해진 주기로 반복 측정한다.

실제 설치에서는 경사계관의 재질과 연결방식, 그라우팅 재료 및 설치 깊이를 설계조건에 맞게 결정해야 한다.

9. 지중경사계 측정방법과 데이터 분석

지중경사계의 데이터 분석은 초기값과 반복 측정값을 비교하여 깊이별 변위 분포를 확인하는 과정이다.

9.1 초기값 확보

초기 측정값은 이후 변위 분석의 기준이 된다.

9.2 깊이별 측정

설정된 깊이 간격으로 경사각을 측정한다.

9.3 반복 측정

동일한 방향과 깊이에서 반복 측정한다.

9.4 데이터 보정

장비의 측정방식과 제조사 지침에 따라 필요한 보정과 데이터 검토를 실시한다.

9.5 누적변위 계산

구간별 변위량을 누적하여 깊이별 변위 분포를 산정한다.

9.6 변위 그래프 작성

깊이를 세로축, 수평변위를 가로축으로 하여 변위 분포를 작성한다.

지중경사계 데이터 분석 항목

분석 항목	주요 목적
초기 측정값	기준 상태 설정
반복 측정값	시간에 따른 변화 확인
구간 변위	깊이별 변형 확인
누적변위	전체 변위 분포 분석
최대변위	주요 변형 위치 확인
변위속도	변형 진행 여부 평가

10. 지중경사계를 이용한 지반변위 분석

지중경사계는 흙막이 굴착공사와 사면의 안정성 평가에 활용된다.

10.1 흙막이 굴착공사

굴착이 진행되면 흙막이벽과 주변 지반에 수평변위가 발생할 수 있다.

지중경사계는 깊이별 변위 분포를 확인하는 데 활용된다.

10.2 사면 안정성 평가

사면 내부에서 특정 깊이에 변위가 집중되면 활동면이 존재할 가능성을 검토할 수 있다.

10.3 변위속도 분석

시간에 따른 변위 증가량을 비교하면 변형의 진행 여부를 평가할 수 있다.

10.4 최대변위 위치 분석

깊이별 변위 분포를 이용하여 최대변위가 발생하는 위치를 확인할 수 있다.

10.5 지반 안정성 검토

지중경사계 측정자료는 다른 계측자료와 함께 지반의 안정성을 검토하는 데 활용된다.

다만 지중경사계 측정값만으로 지반의 안전성을 최종 판단해서는 안 된다.

굴착 깊이, 지하수위, 지반조건 및 다른 계측자료를 종합적으로 검토해야 한다.

11. 지중경사계 계측관리와 실무 체크리스트

지중경사계의 정확한 측정을 위해서는 설치상태와 측정방법 및 데이터 관리가 중요하다.

11.1 설치 깊이

경사계관이 설계에서 정한 깊이까지 설치되었는지 확인한다.

11.2 기준점 안정성

변위 산정의 기준이 되는 구간이 안정적인지 확인한다.

11.3 측정 방향

A축과 B축의 방향을 일관되게 유지한다.

11.4 측정 간격

동일한 깊이 간격으로 반복 측정한다.

11.5 데이터 이상값

갑작스러운 측정값 변화가 발생하면 장비 이상이나 설치상태를 확인한다.

11.6 계측주기

굴착 단계와 현장 위험도에 따라 적절한 계측주기를 설정한다.

지중경사계 계측관리 항목 비교표

관리 항목	주요 목적	확인사항
설치 깊이	변위 구간 확보	설계 깊이
측정 방향	데이터 일관성	A축·B축
초기값	기준 상태 설정	초기 계측자료
측정 간격	깊이별 분석	측정 위치
기준점	누적변위 신뢰성	기준 구간 안정성
데이터 검토	이상값 확인	반복 측정

실무 검토 체크리스트

1. 설치 위치가 적절한지 확인한다.
2. 경사계관의 설치 깊이를 확인한다.
3. A축과 B축의 방향을 기록한다.
4. 초기 측정값을 확보한다.
5. 동일한 깊이 간격으로 측정한다.
6. 측정값의 반복성을 확인한다.
7. 구간별 수평변위를 계산한다.
8. 누적변위 분포를 작성한다.
9. 최대변위와 변위속도를 분석한다.
10. 다른 계측자료와 함께 지반 안정성을 검토한다.

12. 지중경사계에 관한 자주 묻는 질문(FAQ)

Q1. 지중경사계란 무엇인가요?

지중경사계는 지반 내부에 설치한 경사계관의 기울기 변화를 측정하여 깊이별 수평변위를 산정하는 계측장비이다.

Q2. 지중경사계는 무엇을 측정하나요?

지중경사계는 일반적으로 지반 내부의 기울기 변화를 측정하고 이를 이용하여 수평변위를 산정한다.

Q3. 지중경사계는 어디에 설치하나요?

흙막이 굴착공사, 사면, 터널 및 지반변위가 우려되는 구간 등에 설치할 수 있다.

Q4. 지중경사계 A축과 B축은 무엇인가요?

A축과 B축은 서로 직교하는 두 측정 방향을 의미한다.

두 방향의 변위를 분석하여 지반의 수평변위 방향을 파악할 수 있다.

Q5. 지중경사계 수평변위는 어떻게 계산하나요?

경사각과 측정 구간 길이를 이용하여 구간별 수평변위를 계산하고 이를 누적하여 깊이별 변위 분포를 산정한다.

실제 계산은 사용 장비의 측정 원리와 환산방법에 따라 수행해야 한다.

Q6. 지중경사계 설치 깊이는 어떻게 결정하나요?

계측 목적, 지반조건, 예상 변위 범위 및 안정적인 기준 구간의 확보 가능성 등을 고려하여 결정한다.

Q7. 지중경사계의 개량효과는 어떻게 확인하나요?

지중경사계는 지반개량 효과 자체를 직접 측정하는 장비가 아니라 지반변위를 측정하는 장비이다.

따라서 지반개량 전후의 변위 변화와 다른 계측자료를 비교하여 개량효과를 평가할 수 있다.

Q8. 지중경사계 측정 시 가장 중요한 주의사항은 무엇인가요?

초기값 확보, 측정 방향의 일관성, 기준점 안정성, 측정 반복성 및 데이터 이상값 검토가 중요하다.

결론

지중경사계는 지반 내부의 기울기 변화를 측정하여 깊이별 수평변위를 산정하는 대표적인 지반계측장비이다.

지중경사계는 흙막이 굴착공사, 사면 안정성 평가 및 지반변위 관리 등에 활용된다.

일반적으로 경사계관을 지반 내부에 설치하고 프로브를 이용하여 일정한 깊이 간격으로 기울기를 측정한다.

이후 초기 측정값과 반복 측정값을 비교하여 구간별 수평변위를 계산하고, 이를 누적하여 깊이별 변위 분포를 산정한다.

특히 A축과 B축의 측정자료를 함께 분석하면 지반의 수평변위 방향을 보다 종합적으로 파악할 수 있다.

그러나 지중경사계의 측정값은 설치상태와 측정방향, 기준점 안정성 및 데이터 처리방법 등에 영향을 받는다.

따라서 정확한 지반변위 분석을 위해서는 적절한 설치와 초기값 확보, 반복 측정 및 데이터 검토가 필요하다.

또한 지중경사계 측정자료만으로 지반의 안정성을 최종 판단해서는 안 된다.

굴착 단계, 지하수위, 지반조건 및 다른 계측자료를 종합적으로 검토해야 한다.

결국 지중경사계 계측의 핵심은 깊이별 수평변위의 크기와 변화 양상을 정확하게 파악하고, 지반의 변형이 진행되는 위치와 속도를 분석하여 시공 중 안정성 관리에 활용하는 데 있다.

참고문헌 및 관련 기술자료

1. Dunnicliff, J. Geotechnical Instrumentation for Monitoring Field Performance. Wiley.
2. ASTM D6230. Standard Test Method for Monitoring Ground Movement Using Probe-Type Inclinometers.
3. FHWA. Geotechnical Instrumentation Reference Manual.
4. Mikkelsen, P. E. Advances in Inclinometer Data Analysis.
5. 한국지반공학회. 지반계측 및 흙막이 굴착 관련 학술자료.
6. 국토교통부. 국가건설기준(KDS·KCS) 중 지반계측 및 흙막이 관련 기준.

※ 본문에 제시한 수평변위 계산 사례는 개념 설명을 위한 가상 조건이다. 실제 계측에서는 사용 장비의 측정 원리, 제조사 환산방법, 초기 측정자료 및 기준점 안정성을 종합적으로 검토해야 한다.