• Hazard-Consistent Ground Displacement Estimation for Seismic Input of Underground Utility Tunnels in Korea

    국내 재해도에 상응하는 공동구의 지반변위 산정

    Kim, Dae-Hwan, Lim, Youngwoo, Chung, Yon-Ha and Lee, Hyerin

    김대환, 임영우, 정연하, 이혜린

    Underground utility tunnels, which contribute to supply of electricity, communication, water and heat, are critical lifelines of an urban area. In case …

    전력, 통신, 상수, 난방, 중수 등의 공급망을 구성하는 지하공동구는 도시기능을 유지하기 위한 핵심 기간망이며, 재난 및 재해로 서비스의 정지 및 일시적 중단이 …

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    Underground utility tunnels, which contribute to supply of electricity, communication, water and heat, are critical lifelines of an urban area. In case service is discontinued or functional disruption happens, there will be a huge socio-economic impact. For the improved seismic design and evaluation of underground structures, this study proposes a ground displacement measure when the site is subjected to a scenario earthquake based on hazard-consistent source spectra and site amplification/attenuation. This measure provides a rational estimation of ground displacement and can be an alternative to existing response displacement methods.


    전력, 통신, 상수, 난방, 중수 등의 공급망을 구성하는 지하공동구는 도시기능을 유지하기 위한 핵심 기간망이며, 재난 및 재해로 서비스의 정지 및 일시적 중단이 발생하는 경우 대규모 사회경제적 손실을 가져온다. 본 연구에서는 지중구조물에 대한 개선된 내진설계 및 평가를 위하여 국내 지진환경에 부합하는 지진원 스펙트럼으로부터 대상 지반의 증폭 및 감쇠 효과를 반영한 시나리오 지진에 기반한 지반변위 예측 방법을 제시하였다. 코사인법으로 통용되는 기존의 단순화 가정법 및 지반응답해석과의 비교를 통해서 본 연구가 제시하는 재해도에 상응하는 지반변위 산정 방법이 합리적이며 공학 실무에서 충분히 적용 가능한 것을 확인하였다.

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    31 December 2021
  • Numerical Study of Thermo-hydraulic Boundary Condition for Surface Energy Balance

    지표면 열평형의 열-수리적 경계조건에 대한 수치해석

    Shin, Hosung and Jeoung, Jae-Hyeung

    신호성, 정재형

    Boundary conditions for thermal-hydraulic problems of soils play an essential role in the numerical accuracy. This study presents a boundary condition considering …

    지반의 열-수리 현상에 대한 수치해석에서 경계조건은 해석결과의 정확도에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 지반과 대기의 상호작용을 고려한 열-수리 경계조건을 제시하였다. 지면의 에너지 …

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    Boundary conditions for thermal-hydraulic problems of soils play an essential role in the numerical accuracy. This study presents a boundary condition considering the thermo-hydraulic interaction between the ground and the atmosphere. Ground surface energy balance consists of solar radiation, ground radiation, wind convection, latent heat from water evaporation, and heat conduction to the ground. Equations for each heat flux are presented, and numerical analyses are performed in conjunction with the FEM program for the thermal-hydraulic phenomenon of unsaturated soils. Numerical results using the weather data at the Ulsan Meteorological Observatory are similar to the measured surface temperature. Latent heat caused by water evaporation during the daytime lowers the surface temperature of the bare soil, and a thermal equilibrium is reached at nighttime when the effect of the ground condition is significantly reduced. The temperature change of the surface ground is diminished at the deeper ground due to its thermal diffusion. Numerical analysis where the surface ground temperature is the primary concern requires considering the thermo-hydraulic interaction between the ground and the atmosphere.


    지반의 열-수리 현상에 대한 수치해석에서 경계조건은 해석결과의 정확도에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 지반과 대기의 상호작용을 고려한 열-수리 경계조건을 제시하였다. 지면의 에너지 평형은 태양복사, 지구복사, 바람에 의한 대류, 수분 증발에 대한 잠열 그리고 지중으로의 열전도로 구성된다. 각각의 열흐름에 대한 방정식을 제시하고, 불포화 지반의 열-수리 현상에 대한 해석프로그램과 연계하여 수치해석을 수행하였다. 울산기상대에서 관측된 기상데이터를 이용한 수리-열적 해석에서 실측된 지표면 온도와 수치해석 결과가 매우 유사하였다. 낮시간의 수분 증발에 의한 잠재열은 비포장 지면의 온도를 낮추며, 야간시간에는 지면조건의 영향이 감소한 열적평형 상태에 도달하였다. 지면의 온도변화는 지중으로 깊어질수록 열확산으로 감소하였다. 지표면의 온도가 주요 관심사인 수치해석에서는 지반과 대기의 열-수리적 상호작용을 고려한 수치해석을 수행해야 한다.

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    31 December 2021
  • Proposal of Predictive Equations of Normalized Shear Modulus and Damping Ratio Curves for Loose Medium Sand Reinforced by Vinyl Strip-cement

    비닐스트립-시멘트로 보강된 느슨한 중간 모래의 정규화 전단탄성계수 및 감쇠비 곡선 산정식 제안

    Kim, Jong-Min

    김종민

    In this study, predictive equations of the normalized shear modulus and the damping ratio curves for loose medium sands reinforced by vinyl …

    본 연구에서는 비닐스트립-시멘트로 보강된 느슨한 중간 모래의 정규화 전단탄성계수 및 감쇠비 산정식을 제안하였다. 상대밀도 40%의 모래시편을 다양한 비닐스트립 혼합비(0.0, 0.1, 0.3, 0.4%)와 …

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    In this study, predictive equations of the normalized shear modulus and the damping ratio curves for loose medium sands reinforced by vinyl strip-cement are proposed. Based on the results of a series of resonant-column tests (Yu et al., 2018) conducted under the confining stresses of 15, 30, 60 kPa on sand specimens prepared with 40% relative density and reinforced by various contents of vinyl strip (0.0, 0.1, 0.3, 0.4%) and cement (0, 1, 2%), the equations estimating the normalized shear modulus and the damping ratio are proposed as functions of reinforcing conditions and confining stresses. The comparison between predicted and measured values of shear modulus and damping ratio shows a good agreement and the reliability of proposed predictive equations are validated by high R2-value greater than 0.9. Therefore, it is expected that the time and the cost required for constructing the normalized shear modulus and the damping ratio curves will be much reduced by using proposed equations in this study since those can easily be estimated without conducting resonant-column test.


    본 연구에서는 비닐스트립-시멘트로 보강된 느슨한 중간 모래의 정규화 전단탄성계수 및 감쇠비 산정식을 제안하였다. 상대밀도 40%의 모래시편을 다양한 비닐스트립 혼합비(0.0, 0.1, 0.3, 0.4%)와 시멘트 혼합비(0, 1, 2%)로 보강한 후 15, 30, 60kPa의 구속압조건에서 수행한 공진주시험 자료(Yu et al., 2018)를 분석하여 정규화 전단탄성계수와 감쇠비 산정식을 보강조건과 구속압조건의 함수로 제안하였다. 제안된 산정식을 적용한 결과와 시험결과를 비교한 결과 결정계수 0.9 이상의 높은 신뢰도를 보여주었다. 본 연구에서 제안된 산정식을 이용하면 비닐스트립-시멘트로 보강된 느슨한 중간모래의 전단탄성계수와 감쇠비를 공진주시험 수행없이 간단히 산정할 수 있어 시간과 비용이 절감될 것으로 기대한다.

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    31 December 2021
  • Assessment of the Correlation between Segregation Potential and Hydraulic Conductivity with Fines Fraction

    세립분 함유량에 따른 동상민감성 지수와 수리전도도의 상관관계 평가

    Jin, Hyunwoo, Kim, Incheol, Eun, Jongwan, Ryu, Byung Hyun and Lee, Jangguen

    진현우, 김인철, 은종완, 유병현, 이장근

    The cryosuction (negative pore pressure) in freezing soils causes groundwater migration from the frozen fringe to freezing front for ice lens formation. …

    영하의 온도에 의해 지반이 동결되며 발생하는 음의 간극수압은 frozen fringe로부터 간극수 이동을 유발해 ice lens를 형성시키며, ice lens 형성으로 인한 흙의 동상 …

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    The cryosuction (negative pore pressure) in freezing soils causes groundwater migration from the frozen fringe to freezing front for ice lens formation. Frost heave and heaving pressure by ice lens cause damage to ground infrastructure. In order to prevent damage by the frost heave, various frost susceptibility criteria have been proposed. The SP (Segregation Potential) is the most widely used classification criterion for frost susceptibility in cold regions. The expansion of the ice lens by the migration of the groundwater is a key role in frost heave mechanism, and thus it is necessary to evaluate the hydraulic conductivity. In this paper, soil mixtures of coarse-fines (sand-silt) were prepared in various weight fractions and used for frost heave and column permeability test. For each case, the SP and the hydraulic conductivity were derived and correlations were analyzed. As a results, the transition threshold of the SP and the hydraulic conductivity were shown at 20% and 50% of the silt weight fraction, respectively. Although there are difference between these transition thresholds, these two coefficients show a specific correlation. In the future, additional study should be conducted for detailed analysis of the threshold transition values between SP and hydraulic conductivity.


    영하의 온도에 의해 지반이 동결되며 발생하는 음의 간극수압은 frozen fringe로부터 간극수 이동을 유발해 ice lens를 형성시키며, ice lens 형성으로 인한 흙의 동상 및 동상팽창압은 지반구조물의 피해를 발생시킨다. 동상에 의한 피해를 방지하기 위해 다양한 동상민감성 판정이 수행되고 있으며, 그 중 가장 활발하게 활용되는 방법은 SP(Segregation Potential)를 이용한 동상민감성 판정이다. 또한, 간극수 이동에 의한 ice lens의 확장은 동상 메커니즘의 핵심 원인으로 작용하기 때문에 수리전도도에 관한 평가가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 모래와 실트를 다양한 중량비로 혼합해 동상실험 및 투수실험에 활용하였으며, 각 경우에 대해 SP 및 수리전도도를 도출하여 비교분석하였다. 그 결과 SP 및 수리전도도가 급격하게 변화하는 임계 전이값이 각각 실트 함유량이 20% 및 50% 인 경우에 나타났다. 이러한 임계 전이값의 차이에도 불구하고 SP는 수리전도도가 감소함에 따라 일정 값에 수렴하는 상관관계를 나타내고 있으며, 향후 임계 전이값 사이에 관한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

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    31 December 2021
  • Evaluation of Seismic Performance of Pile-supported Wharves with Batter Piles through Response Spectrum Analysis

    응답스펙트럼해석을 통한 경사말뚝이 설치된 잔교식 안벽의 내진성능 평가

    Yun, Jung-Won, Han, Jin-Tae and Kim, JongKwan

    윤정원, 한진태, 김종관

    The pile-supported wharf is the port structure in which the upper deck is supported by piles or columns. By installing batter piles …

    잔교식 구조물은 상판을 말뚝 또는 기둥으로 지지하는 형식의 항만 구조물로서, 경사 말뚝을 설치하여 지진하중과 같은 수평하중을 부분적으로 축력으로 분담하도록 설계할 수 있다. …

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    The pile-supported wharf is the port structure in which the upper deck is supported by piles or columns. By installing batter piles in this structure, horizontal load such as earthquake loads can be partially delivered as axial forces. The codes suggests using the response spectrum analysis as a preliminary design method for seismic design of pile-supported wharf, and suggests modeling the piles using virtual fixed points or soil spring methods for this analysis. Recently, several studies have been conducted on pile-supported wharves composed of vertical piles to derive a modeling method that appropriately simulates the dynamic response of structures during response spectrum analysis. However, studies related to the response spectrum analysis of pile-supported wharves with batter piles are insufficient so far. Therefore, this study performed the dynamic centrifuge model test and response spectrum analysis to evaluate the seismic performance according to the modeling method of pile-supported wharves with batter piles. As a result of test and analysis, it is confirmed that modeling using the Terzaghi (1955) constant of horizontal subgrade reaction (nh) most appropriately simulates the actual response in the case of the pile-supported wharf with batter piles.


    잔교식 구조물은 상판을 말뚝 또는 기둥으로 지지하는 형식의 항만 구조물로서, 경사 말뚝을 설치하여 지진하중과 같은 수평하중을 부분적으로 축력으로 분담하도록 설계할 수 있다. 기준서에서는 잔교식 구조물 내진설계 시 예비 설계 방법으로 응답스펙트럼해석법을 활용하도록 설명하고 있으며, 응답스펙트럼 해석 시 말뚝을 가상고정점 방법 및 지반스프링 방법을 적용하여 모델링하도록 제시하고 있다. 최근 응답스펙트럼해석 시 구조물의 동적 응답을 적절히 모사하는 모델링 방법을 도출하기 위해 연직 말뚝으로 구성된 잔교식 구조물에 관한 몇몇 연구들이 수행되어 왔으나, 현재까지 경사말뚝이 적용된 잔교식 구조물에 대한 응답스펙트럼해석 관련 연구는 부족한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 경사말뚝이 설치된 잔교식 구조물의 모델링 방법에 따른 내진성능을 평가하기 위해 동적원심모형실험과 더불어 응답스펙트럼 해석을 수행하였다. 실험 및 해석을 비교한 결과, 경사말뚝이 설치된 잔교식 구조물의 경우 실제 응답을 적절히 모사하기 위해 Terzaghi(1955)가 제시한 수평지반반력상수를 활용하여 모델링을 수행하는 것이 적절한 것으로 나타났다.

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    31 December 2021
  • Evaluation of Seismic Performance of Pile-supported Wharves Installed in Saturated Sand through Response Spectrum Analysis and Dynamic Centrifuge Model Test

    동적원심모형실험 및 응답스펙트럼해석을 통한 포화지반에 관입된 잔교식 안벽의 내진성능 평가

    Yun, Jung-Won, Han, Jin-Tae and Lee, Seokhyung

    윤정원, 한진태, 이석형

    Pile-supported wharf is a structure that can transmit and receive cargo, and it is mainly installed on saturated inclined ground. In the …

    잔교식 구조물은 선박을 안전하게 접안하여 화물을 송수신할 수 있는 구조물로서, 포화된 경사지반에 주로 설치된다. 이러한 잔교식 구조물의 내진설계 시 기준서에서는 예비 설계 …

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    Pile-supported wharf is a structure that can transmit and receive cargo, and it is mainly installed on saturated inclined ground. In the seismic design of these structures, the codes suggest using the response spectrum analysis method as a preliminary design method. However, guideline on modeling method for pile-supported wharf installed in saturated soil is lacking. Therefore, in this study, the dynamic centrifuge model test and response spectrum analysis were performed to evaluate the seismic performance of pile-supported wharf installed into the saturated soil. For the test, some sections (3×3 pile group) among the pile-supported wharf were selected, and they were classified into two model (dry and saturated sand model). Then the response spectrum analysis was performed by using the soil spring method to the test model. As a result of test and analysis, the moment difference occurred within a maximum of 51% in the dry sand model and the saturated sand model where liquefaction does not occur, and it was found that the pile moment by depth was properly simulated. Therefore, in the case of these models, it is appropriate to perform the modeling using the Terzaghi (1955) constant of horizontal subgrade reaction (nh).


    잔교식 구조물은 선박을 안전하게 접안하여 화물을 송수신할 수 있는 구조물로서, 포화된 경사지반에 주로 설치된다. 이러한 잔교식 구조물의 내진설계 시 기준서에서는 예비 설계 방법으로 응답스펙트럼해석법을 활용하도록 제시하고 있으나, 현재 포화지반에 관입된 잔교식 구조물의 모델링 방법에 대한 지침은 부족한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 포화지반에 관입된 잔교식 구조물의 내진성능을 평가하기 위해 동적원심모형실험 및 응답스펙트럼해석을 수행하였다. 동적원심모형실험을 위해 잔교식 안벽 말뚝 중 일부 구간(3×3 군말뚝)을 선정하였으며, 지반 포화 여부에 따라 2가지 모델(건조, 포화)로 분류하였다. 이후 실험 모델에 지반 스프링 방법을 적용하여 응답스펙트럼해석을 수행하였다. 실험 및 해석을 비교한 결과, 건조지반 모델 및 액상화가 발생하지 않는 포화지반 모델의 경우 모멘트 차이가 최대 51% 이내로 발생하였으며, 깊이 별 모멘트를 적절히 모사하는 것으로 나타났다. 그러므로 본 모델의 경우 Terzaghi (1955)가 제시한 수평지반반력상수를 활용하여 모델링을 수행하는 것이 적절한 것으로 판단된다.

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    31 December 2021
  • Numerical Evaluation of Dynamic Behavior of Retaining Structure in a Deep Excavation

    수치해석을 통한 대심도 흙막이 시설물의 동적 거동 평가

    Yang, Eui-Kyu, Yu, Sang-Hwa, Kim, Jong-Kwan, Kim, Dong-Chan, Kim, Seok-Jung and Han, Jin-Tae

    양의규, 유상화, 김종관, 김동찬, 김석중, 한진태

    In this paper, feasibility study was carried out to evaluate necessity of seismic design of earth retaining structures in a deep excavation. …

    본 논문에서는 흙막이 시설물 내진설계의 필요성을 살펴보기 위한 기초 연구로서, 유한차분해석 프로그램인 FLAC을 이용하여 가상의 대심도 흙막이 구조물을 대상으로 내진해석을 수행하고, 지진하중이 …

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    In this paper, feasibility study was carried out to evaluate necessity of seismic design of earth retaining structures in a deep excavation. Dynamic behavior of retaining system was analyzed using FLAC, a finite difference analysis program. It was shown that maximum bending moments of retaining walls and axial forces of supports were increased up to 98% and 87% during earthquake, respectively, compared to final excavation step, which indicates that dynamic earth pressure has a large effect on a retaining system. The stability of retaining system designed according to current design specifications was evaluated using structural forces obtained by numerical analysis, and effect of earthquake loading on structural design was analyzed.


    본 논문에서는 흙막이 시설물 내진설계의 필요성을 살펴보기 위한 기초 연구로서, 유한차분해석 프로그램인 FLAC을 이용하여 가상의 대심도 흙막이 구조물을 대상으로 내진해석을 수행하고, 지진하중이 흙막이 시설물의 동적 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 그 결과 지진하중 작용 시 벽체에 발생하는 모멘트와 지보재의 최대 축력이 지진하중 작용 전 최종 굴착단계와 비교하여 각각 98%, 87%까지 증가하는 것으로 나타나, 동적 토압이 구조물에 미치는 영향이 매우 큰 것으로 분석되었다. 또한 동해석 결과로 얻은 부재력을 이용하여 현행 기준에 따라 설계된 흙막이의 안정성을 재평가하고, 지진하중이 구조물의 설계에 미치는 영향을 분석하였다.

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    31 December 2021
  • Evaluation of Liquefaction Resistance of Sandy Soil Layer in Songlim-park, Pohang, Using Undisturbed Sample

    불교란시료를 활용한 포항시 송림공원 사질토층의 액상화저항강도 평가

    Kim, Jongkwan1, Han, Jin-Tae2, Park, Ka-hyun3 and Lee, Seokhyung4*

    김종관, 한진태, 박가현, 이석형

    In this study, a set of laboratory liquefaction test has been conducted using undisturbed samples collected from Songlim-park, Pohang where liquefaction phenomenon …

    본 연구에서는 2017년 포항지진 시 액상화 현상이 목격된 포항시 송림공원에서 불교란 시료를 채취하여 액상화 실내실험을 수행하였다. 채취한 불교란시료는 현장에서 동결시킴으로써 이동 및 …

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    In this study, a set of laboratory liquefaction test has been conducted using undisturbed samples collected from Songlim-park, Pohang where liquefaction phenomenon had been observed in 2017. Soil samples were frozen right after tube sampling to minimize the disturbances during transport, storage, and test preparation. Cyclic triaxial test has been carried out to evaluate the liquefaction resistance ratio of undisturbed soil samples. As a result, the liquefaction resistance ratio of samples collected from 8.0~8.8 m and 11.0~11.8 m were almost similar, and these values were approximately 0.04~0.07 larger than values estimated by simplified assessment method using field test results. It is expected that the application of undisturbed sample for the evaluation of liquefaction resistance could contribute to the economical design of geotechnical structures.


    본 연구에서는 2017년 포항지진 시 액상화 현상이 목격된 포항시 송림공원에서 불교란 시료를 채취하여 액상화 실내실험을 수행하였다. 채취한 불교란시료는 현장에서 동결시킴으로써 이동 및 보관, 그리고 실내실험 시 발생할 수 있는 교란을 최소화 하는 방법을 적용하였다. 동결 보관한 불교란시료를 활용하여 반복삼축압축실험을 통해 액상화저항강도를 산출하였다. 그 결과 심도 8.0~8.8m 및 11.0~11.8m에서 채취한 시료는 유사한 액상화 저항강도를 나타냈으며, 간편법을 통해 산출한 액상화저항강도와 비교하여 0.04~0.07가량 큰 값을 나타냈다. 이는 연대효과 및 간편법의 경우 안전측 설계를 위하여 하한선을 채택하고 있기 때문으로 판단된다. 이를 통해 불교란 시료를 활용할 경우 경제적설계에 기여할 수 있을 것으로 보인다.

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    31 December 2021
  • Development of Random Forest Model for Sewer-induced Sinkhole Susceptibility

    손상 하수관으로 인한 지반함몰의 위험도 평가를 위한 랜덤 포레스트 모델 개발

    Kim, Joonyoung, Kang, Jae Mo and Baek, Sung-Ha

    김준영, 강재모, 백성하

    The occurrence of ground subsidence and sinkhole in downtown areas, which threatens the safety of citizens, has been frequently reported. Among the …

    시민의 안전을 위협하는 지반재해 중 하나인 지반함몰이 최근 도심지에서 빈번하게 보고되고 있다. 다양한 지반함몰 발생 메커니즘 중, 하수관 손상부를 통한 토사 유실이 …

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    The occurrence of ground subsidence and sinkhole in downtown areas, which threatens the safety of citizens, has been frequently reported. Among the various mechanisms of a sinkhole, soil erosion through the damaged part of the sewer pipe was found to be the main cause in Seoul. In this study, a random forest model for predicting the occurrence of sinkholes caused by damaged sewer pipes based on sewage pipe information was trained using the information on the sewage pipe and the locations of the sinkhole occurrence case in Seoul. The random forest model showed excellent performance in the prediction of sinkhole occurrence after the optimization of its hyperparameters. In addition, it was confirmed that the sewage pipe length, elevation above sea level, slope, depth of landfill, and the risk of ground subsidence were affected in the order of sewage pipe information used as input variables. The results of this study are expected to be used as basic data for the preparation of a sinkhole susceptibility map and the establishment of an underground cavity exploration plan and a sewage pipe maintenance plan.


    시민의 안전을 위협하는 지반재해 중 하나인 지반함몰이 최근 도심지에서 빈번하게 보고되고 있다. 다양한 지반함몰 발생 메커니즘 중, 하수관 손상부를 통한 토사 유실이 서울시에서 발생하는 지반함몰의 주요원인으로 나타났다. 본 연구에서는 서울시 하수관 정보와 지반함몰이 발생한 위치 정보를 기반으로 머신러닝 기법 중 하나인 랜덤 포레스트 알고리즘을 이용하여 하수관 정보로부터 손상 하수관으로 유발되는 지반함몰의 발생 여부를 예측하는 모델을 학습하였다. 모델 성능 평가 결과, 본 연구에서 도출한 모델이 지반함몰을 상당히 훌륭하게 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 입력변수로 사용한 하수관 정보 중 하수관 길이, 해발고도, 경사, 매립 심도, 하수관 순서로 지반함몰 발생 위험에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 지반함몰 위험도 지도 작성, 지하공동 탐사 계획 수립 및 하수관 정비 사업 계획 수립의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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    31 December 2021