1. 서 론
2. 액상화 가능성 지수
3. 국내외 항만시설 액상화 평가에서의 LPI 적용
4. 국내 항만시설에 대한 액상화 가능성 지수의 적용성 검토
4.1 가상의 액상화 발생지반을 고려한 LPI 산정예
4.2 실제 국내 항만에 대한 액상화 평가 및 LPI 산정
5. 결 론
1. 서 론
2016년 9월 국내 관측사상 최대인 지진규모 5.8의 경주지진이 발생한 후, 2017년 11월에는 지진규모 5.4의 포항지진이 발생한 바 있다. 특히, 포항지진(규모5.4)에서는 경주지진(규모5.8)에 비해 지진규모가 작음에도 불구하고 지반증폭현상과 더불어 액상화 현상이 발생하는 등 경주지진보다 건축물 피해가 훨씬 크게 발생하였다. 또한, 영일만항 컨테이너부두에서 약 6센티미터의 크랙이 발생하여 크레인 레인이 틀어지는 현상이 발생하여 항만 운영에 큰 영향을 준 바 있다.
액상화의 경우, 1964년 일본의 Niigata 지진에서 액상화 피해가 처음으로 알려진 후, 20세기 말에는 1994년 미국의 Northridge 지진과 1995년 일본의 Hyogoken_Nanbu 지진에서 그 피해가 크게 발생하여 전 세계에 액상화의 위험성이 알려졌다. 특히, Kobe의 항만지역인 Port 섬과 Rokku 섬에서 발생한 액상화로 인해 세계적인 물류항인 Kobe 항이 항만기능을 상실한 바 있다. 21세기 들어서는 2011년 New-zeal land Christ-church에서 액상화로 인해 도로가 파괴되거나 지반의 부등침하로 건축물 피해가 발생하였으며 미국, 일본, 뉴질랜드가 공동으로 이에 대한 연구를 활발하게 진행하고 있는 실정이다.
항만이 위치한 연안지역은 오랜기간 퇴적된 연약점토지반으로 구성되어 있는 경우가 일반적이며 항만 조성을 위해 사질토 계열의 매립토를 사용하는 경우가 많아 액상화가 발생하기 좋은 지반조건을 갖추고 있어 미국 및 일본 등 강진지역의 국가에서는 액상화 발생 여부를 예측하고 대책마련에 많은 노력을 다하고 있다. 이러한 점으로부터 우리 나라에서도 상위개념의 내진설계기준Ⅱ(EESK, 1997)가 제안된 이후, 국내 액상화 평가에 관한 내용이 해양수산부 주관으로 편찬된 항만 및 어항시설 내진설계표준서(EESK, 1999)에 수록되었으며 이를 공동구(MOLIT, 2018), 기초(MOLIT, 2018), 비탈면(MOLIT, 2018), 터널(MOLIT, 2018), 댐(MOLIT, 2019) 등 타시설물 기준에서 인용해 온 실정이다.
이러한 가운데 대한민국 역사상 최대규모의 지진인 경주지진과 최대피해을 발생시킨 포항지진이 발생한 이후, 우리 나라 내진설계기준의 재정비를 위해 국내 적합한 지반분류체계와 표준응답스펙트럼의 개정을 담은 내진설계 공통기준사항(MOIS, 2018)이 발표된 바 있으며 20여년간 큰 변화없이 사용해 온 액상화 평가방법에 대한 보완 연구가 국토교통부와 해양수산부 주관으로 수행되고 있는 실정이다. 특히, 해양수산부의 경우, 항만 시설물별 내진해석방법과 액상화 평가방법을 새롭게 정비한 내진설계기준(MOF, 2018)을 발표한 바 있는데, 이때, 액상화 평가방법에 있어서 액상화 가능성 지수(LPI, Liquefaction Potential Index)(Iwasaki, 1978)를 인용한 것이 특징적이다.
이 연구에서는 해양수산부의 항만 및 어항시설 내진설계기준(MOF, 2018)에 인용된 액상화 가능성 지수를 중점적으로 고찰하고 국내외 설계기준에서의 이용 상황에 대한 분석과 함께 다양한 사례를 중심으로 이 지수의 국내 적용성 연구를 수행함으로써 이 지수를 국내 적용할 경우에 발생 가능한 문제점을 파악하고 이에 대한 개선방향을 제시하고자 한다.
2. 액상화 가능성 지수액상화 가능성 지수
2011년 뉴질랜트 크라이스트처치에서 액상화 피해가 크게 발생한 이후, 미국과 일본, 그리고 뉴질랜드는 공동으로 액상화 피해 예측연구와 액상화 발생시 시설물의 피해연계 연구를 활발하게 진행하고 있으며, 특히, CPT(Cone Penetration Test) 자료를 기반으로 LSN(Liquefaction Severity Number)지수를 이용한 액상화 위험도 작성연구(Lacorsse et al., 2017; Leung et al., 2017; Korff et al., 2017; Storie et al., 2017)가 크게 주목받고 있는 실정이다. 그러나, 우리 나라의 경우, CPT 시험은 주로 연약한 점토 지반을 대상으로 수행하고 모래 지반에 대해서는 표준관입시험을 수행하는 것이 일반적이기 때문에 국내 액상화 위험도 작성 연구사례의 경우, 대부분 Iwasaki(1978)가 제안한 액상화 가능성 지수, LPI를 이용하고 있는 실정이다. Fig. 1은 LPI 산정과정을 그림으로 나타낸 것이다.
Fig. 1에서 나타난 바와 같이 액상화 가능성 지수, LPI는 액상화 평가를 통한 평가안전율(FL)을 기반으로 다음의 식을 이용하여 산정할 수 있다.
여기서, z는 대상지반의 심도이고 w(z)는 깊이별 가중치, w(z)=10-0.5z, F(z)는 액상화 안전율로 표현되며 산정식은 F(z)=1-FL(이때, FL>1.0인 경우, F(z)=0)이다. 또한, Iwasaki(1962)는 63개의 액상화 발생지역과 22개의 액상화 미발생 지역을 대상으로 LPI와 액상화 피해정도와의 상관관계를 다음과 같이 제안한 바 있다.
식 (1)을 통해 산정되는 LPI는 액상화 평가가 지층별로 액상화 발생가능성을 판단하는 것과 달리 액상화 평가심도 20m 이내의 모든 액상화 평가결과를 종합하여 한 지점에서의 액상화 발생가능성 여부를 나타내는 위험도 지수이다. 특히, 기존의 내진설계에서 수행하던 액상화 평가결과를 이용하는 만큼 이 지수를 도입하여 액상화 발생가능성을 예측하는 것에 대해서는 일정부분 타당성이 있는 것으로 판단된다.
LPI를 이용한 국내 액상화 위험도 작성연구를 보면, 곽창원(Kwak, 2001)의 연구를 시작으로 구태진(Ku, 2010)과 진영지 등(Jin et al., 2014)이 서울시를 대상으로 한 액상화 위험도를 작성한 바 있으며 곽민정 등(Kwak et al., 2015)의 연구를 통해 Eurocode(1998)의 방법을 이용하여 지반분류에 따른 지반증폭계수를 적용하는 Macro기반의 액상화 위험도 작성기법이 정립된 바 있다. 또한, 2017년 포항지진에서 액상화 현상이 발견된 이후, 여러 국내 연구자들(Ahn et al., 2018; Baek et al., 2018; Park et al., 2018)에 의해 포항 액상화와 관계된 액상화 위험도가 발표된 바 있으며 이후, Baek and Choi는 수도권을 중심으로 한 액상화 위험도(Baek and Choi, 2019)와 개정된 증폭계수의 영향을 고려한 액상화 위험도(Baek and Choi, 2020)를 작성한 바 있다.
Table 1.
Level of liquefaction damage by LPI (Iwasaki et al., 1982)
| Range of LPI value | Level of liquefaction damage |
| 0 | No damage |
| 0＜LPI≤ | Minor damage |
| 5＜LPI≤ | Medium damage |
| 15＜LPI＜100 | Extensive damage |
3. 국내외 항만시설 액상화 평가에서의 LPI 적용
2016년 경주지진 발생 후, 액상화 가능성 지수, LPI에 대한 국내 연구자료들이 언론을 통해 일반인에게 소개되면서 이에 대한 국내 연구가 크게 주목받기 시작했으며 이후, 포항지진 발생시 액상화 현상이 발견되면서 이에 대한 관심이 더욱 증폭되기 시작했다. 이러한 국내 현실을 반영하여 국내 항만 및 어항시설 내진설계기준의 개정(MOF, 2018)에서는 Fig. 2와 같이 액상화 평가방법에 액상화 가능성 지수, LPI를 인용하였으며 이때, 적용된 LPI 기준은 5이다.
국외의 경향을 보면, 2011년 크라이스처치 지진으로 큰 액상화 피해가 발생한 뉴질랜드를 대상으로 미국 및 일본의 연구기관과 뉴질랜드 학회 등이 공동으로 다양한 액상화 위험도 예측방법과 이와 관련된 지수들을 연구하기 시작하였으며 이를 토대로 뉴질랜드정부에서는 Table 2와 같이 6단계의 액상화 피해단계별 액상화 평가기준을 제정한 바 있다.
Table 2에서 LSN(Liquefaction Severity Number) 지수는 깊이에 따른 액상화 피해 가중치를 나타내는 것으로 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
Table 2.
Level of liquefaction damage (NZGS and MBIE, 2016)
여기서, εv는 깊이 z(m)에서 계산되는 지진 이후 체적변형율이다.
LPI가 안전율 1 미만인 경우에 대해서만 계산하는 반면, LSN은 안전율 2 미만인 경우를 포함하고 있는 것이 특징적이며 식 (2)에서 체적변형율을 계산하기 위해 CPT 데이터를 이용한 방법(Zhang et al., 2002)과 Ishihara and Yoshimine(1992)의 방법 등을 사용할 수 있다. 특히, 2010년과 2011년 뉴질랜드 캔터베리에 발생한 액상화 피해 결과와 LPI 및 LSN의 예측결과를 비교한 Fig. 3과 4를 자세히 살펴보면, 두 가지 지수 모두 일정 부분 액상화 피해를 잘 예측하는 것으로 나타났으며 LSN의 결과가 좀 더 정확한 것으로 연구발표된 바 있다(Tonkin and Taylor, 2015). 다만, 앞서 언급한 바와 같이 이 연구에는 모래지반에 대한 CPT 결과를 이용한 것이 특징적이라 LSN을 국내 액상화 평가에 인용하기에는 아직 무리가 있을 것으로 판단되며 Fig. 3을 통해 알 수 있듯이 LPI를 통한 액상화 위험도 예측 또한, 신뢰성이 일정수준 이상이므로 현시점에서는 국내 액상화 평가에 LPI를 인용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
또한, Table 2를 보면, LEVEL L2의 경우, 안전율 1, LPI<5로 규정하고 있음을 볼 수 있으며 이 부분이 Fig. 2의 개정된 항만설계기준의 내용과 부합한다. 다만, LEVEL L2의 세부내용을 보면, 액상화가 제한된 지반층(약 10% 또는 그 이하의 비율) 또는 상대적으로 적은 침하량의 경우라고 추가 설명하고 있음을 볼 수 있다. 이러한 점을 고려하여 이 연구에서는 가상의 지반 및 실제 항만 지역을 대상으로 LPI를 산정하고 이를 통해 LPI에 대한 국내 적용성 검토를 수행하고자 한다.
4. 국내 항만시설에 대한 액상화 가능성 지수의 적용성 검토
이 연구에서는 해양수산부에서 개정한 내진설계기준(MOF, 2018)에 인용된 액상화 가능성 지수, LPI에 대한 국내 적용성 연구를 위해 가상의 액상화 발생지반과 실제 국내 항만을 대상으로 한 액상화 평가를 수행하고 산정된 LPI를 통해 국내 적용성 검토를 수행하였다.
4.1 가상의 액상화 발생지반을 고려한 LPI 산정예
Fig. 1과 식 (1)에 나타난 바와 같이 액상화 가능성 지수는 액상화 평가 안전율을 토대로 산정된다. 그리고, 실제 LPI가 0 이상의 값을 가지려면, 액상화 평가 안전율이 1보다 작아야 한다. 이 점을 고려하여 액상화 평가심도 20m 이내에서 액상화 평가 안전율이 1이하의 값을 갖는 지반의 두께를 1m, 2m, 3m, 4m인 경우로 가정하여 각각의 LPI를 산정하였으며 이때, 액상화 평가 안전율도 0.7, 0.8, 0.9로 변화시켜 LPI를 산정비교하였다. 이때, 지하수위가 지표에 있는 것으로 가정하여 LPI를 산정한 내용을 그림으로 표현하면 Fig. 5∼Fig. 8에 나타난 바와 같으며 각 그림에서 위 쪽에 나타낸 그림은 액상화가 발생하는 지반의 두께를 1m 2m, 3m, 4m로 가정한 내용을 나타내고 있고 아래 쪽의 그림은 액상화 발생한 지반의 액상화 평가 안전율이 각각 0.7, 0.8, 0.9인 경우를 비교한 것이다.
Fig. 5∼Fig. 8의 LPI를 비교해 보면, 액상화 발생지반의 안전율이 0.9인 경우에는 액상화 발생 지반의 두께에 관계없이 LPI가 5 이하인 것으로 나타났다. 안전율이 0.8인 경우에는 액상화 발생 지반의 두께가 3m이고 발생 지반의 깊이가 5m 이내인 경우, LPI가 5를 상회하였으며 액상화 발생 지반의 두께가 4m인 경우에는 발생 지반의 깊이가 9m까지 확장되는 것으로 나타났다. 안전율이 0.7인 경우에는 액상화 발생지반의 두께가 1m인 경우를 제외하고 발생지반의 지반두께가 2, 3, 4m로 커질 때마다 발생지반의 깊이도 4m, 10m, 13m로 깊어지는 것으로 나타났다.
또한, 이 연구에서는 해양수산부에서 개정한 내진설계기준(MOF, 2018)에 인용된 액상화 가능성 지수, LPI 기준에 대한 타당성 검토를 위해 LPI 기준을 5, 3, 1로 정한 경우, LPI 기준 이하로 액상화에 대해 안전하게 판정되는 경우를 나타내었다. Fig. 5∼Fig. 8에 나타 난 바와 같이 지표에 가까울수록 LPI값이 커지는 경향을 반영하여 지표에서부터 LPI 기준을 만족하는 경우를 순차적으로 나타내였으며 이때, 액상화 평가 안전율이 1이하인 경우를 0.9와 0.8인 경우로 구분하여 적용하였다. 이 내용을 정리하면 Fig. 9∼Fig. 11과 같다. 여기서, Fig. 9는 대부분 LPI가 4∼5인 경우이며, Fig. 10은 LPI가 2∼3이고 Fig. 11은 LPI가 0∼1인 경우를 나타낸 것이다.
Fig. 9∼Fig. 11을 비교해 보면, LPI가 5와 3인 경우를 만족하는 액상화 발생지반의 두께가 액상화 평가심도 20m의 10%인 2m가 넘는 것으로 나타났으며 LPI가 1인 경우, 액상화 발생지반의 안전율이 0.9인 경우에는 지반 깊이가 10m 이내, 0.8인 경우에는 15m 이내인 경우에서 액상화 발생의 두께가 2m를 넘지 않는 것으로 나타났다.
이상의 분석을 통해 해양수산부에서 개정한 내진설계기준(MOF, 2018)에서 인용된 LPI 기준 5는 액상화 발생지반의 범위, 분포 등을 고려할 때, 다소 문제점이 있을 것으로 판단되며, 이 연구의 적용성 검토 상에서 Table 2의 뉴질랜드 기준에 언급된 내용을 만족하는 LPI 기준은 1이 적당한 것으로 나타났다.
4.2 실제 국내 항만에 대한 액상화 평가 및 LPI 산정
본 연구에서는 실제 항만이 위치한 지역을 대상으로 액상화 평가를 통한 LPI의 수준을 검토하여 국내 적용성 검토를 추가로 수행하였다. 이때, 전라남도가 지진구역 Ⅱ구역에서 지진구역 Ⅰ로 변경된 국토교통부의 개정안(MOLIT, 2017)을 참고하여 주로 서남해안에 위치한 항만을 검토 대상으로 하였다. 평가대상 항만은 10개소이며 지반조사자료는 총 22개소 자료가 이용되었다. 평가대상 항만을 해양수산부 홈페이지의 전국항만위치도 위에 나타내면 Fig. 12와 같다.
액상화 평가시, 지반조사자료를 토대로 액상화 생략조건을 우선 적용한 후, 평가대상으로 선택된 지반을 대상으로 지진시 지반응답해석을 동반한 액상화 간이평가를 수행하였다. 지반조사자료에서는 토질분류, 지하수위, 단위중량, 표준관입시험결과 등이 이용되었으며 지반응답해석에서는 국내에서 일반적으로 사용하는 동적물성(Sun et al., 2005)을 사용하였으며 지진가속도는 Fig. 13의 재현주기 500년 수준의 지진재해도를 이용하였다. 이때, 재현주기 500년을 선택한 이유는 대부분의 항만시설이 내진 2등급 시설물인 점이 고려되었으며 항만의 위치에 따라 0.06g에서 0.09g의 값이 적용되었다. 또한, 지진시 지반응답해석에 있어서는 국내 설계응답스펙트럼을 만족하는 인공합성 지진기록을 이용하였으며 이는 Fig. 14에 나타난 바와 같다.
이상의 내용을 토대로 22개소 지역에 대해 지반응답해석을 동반한 액상화 간이평가를 수행한 결과, 3개 지역에서 액상화 평가가 1미만인 결과를 도출하였다. 평가결과에 대한 상세내용(지하수위, 보링지층고, 평가대상 지층 및 표준관입저항치 보정치, 지반 최대가속도 등)과 이를 토대로 산정된 액상화 평가안전율과 LPI 값을 나타내면 Table 3∼5와 같다.
Table 3.
Result of liquefaction potential assessment (A port, W.T=1.4m, Final soil depth=24.3m)
Table 4.
Result of liquefaction potential assessment (B port, W.T=7.3m, Final soil depth=39.2m)
Table 5.
Result of liquefaction potential assessment (C port, W.T=4.5m, Final soil depth=53.5m)
Table 3∼5에서 result항에 screening으로 표시된 내용은 액상화 발생가능성이 낮은 지반으로 액상화 평가에서 제외되는 경우를 나타낸 것이다. 적용성 검토결과, Table 3∼5에 나타난 바와 같이, 액상화 평가안전율이 1미만으로 NG 판정을 받은 경우는 3개소이며 해당지반의 깊이는 3개소 모두 15m 이상인 것으로 나타났으며 이때, LPI는 1미만인 것으로 나타났다. 특히, B항만과 C항만의 경우에는 시추종료깊이가 40m 이상인 점으로부터 지진시 지반증폭으로 인해 액상화가 발생한 것으로 판단된다. 이에 반해, A항만의 경우에는 상대적으로 높은 지하수위와 지반의 강성이 상대적으로 낮아 액상화 발생가능성이 높게 평가된 것으로 판단되며 앞서 언급한 바와 같이 지진구역의 상향조정으로 액상화 평가시 입력가속도 수준이 높아진 점도 간과할 수 없다고 판단된다.
5. 결 론
이 연구에서는 해양수산부에서 개정한 내진설계기준(MOF, 2018)에 LPI가 인용된 내용에 대해 국내 적용성 검토를 수행하였다. 이를 위해 LPI를 이용하는 뉴질랜드의 관련 기준을 우선적으로 고찰하였다. 또한, 국내 적용에 있어서 액상화 평가 안전율이 1보다 작은 경우의 지반을 가상으로 조성하여 여러 케이스에 대한 LPI 값을 산정 비교하였으며 실제 10개 항만시설의 22개소 지반조사자료를 이용하여 지진시 지반응답해석을 동반한 액상화 간이평가를 수행하고 이를 토대로 LPI 값을 산정 비교하였다.
연구결과, 얻어진 결론은 다음과 같다.
(1) 국내외 기준에 대한 고찰결과, New-zeal land에서 이용하고 있는 액상화 가능성 지수, LPI가 국내 항만 및 어항시설 내진설계기준에 일부 인용된 것으로 나타났다. 다만, 인용된 액상화 평가안전율 1과 LPI 5의 기준외에 LPI 기준발생지층이 평가지층의 10% 이내라고 언급한 세부내용은 인용되지 않은 것으로 나타났다.
(2) 액상화 평가 안전율이 각각 0.7, 0.8, 0.9로 액상화가 발생하는 지반의 두께가 1m, 2m, 3m, 4m인 경우로 가정한 가상의 지반에 대해 LPI를 산정 비교한 결과, 액상화 발생지반의 안전율이 0.9인 경우에는 액상화 발생 지반의 두께에 관계없이 LPI가 5이하인 것으로 나타났다. 안전율이 0.8인 경우에는 액상화 발생 지반의 두께가 3m이고 발생지반의 깊이가 5m 이내인 경우, LPI가 5를 상회하였으며 액상화 발생지반의 두께가 4m인 경우에는 발생지반의 깊이가 9m까지 확장되는 것으로 나타났다. 안전율이 0.7인 경우에는 액상화 발생지반의 두께가 1m인 경우를 제외하고 발생지반의 두께가 2, 3, 4m로 커질 때마다 발생지반의 깊이도 4m, 10m, 13m로 깊어지는 것으로 나타났다.
(3) LPI 기준에 대한 타당성 검토를 위해 LPI 기준을 5, 3, 1로 정한 경우, 액상화 발생지반이 있음에도 LPI 기준 이하로 액상화에 대해 안전하게 판정되는 경우를 분석한 결과, LPI가 5와 3인 경우에는 대부분 액상화 발생지층의 두께가 2m가 넘는 것으로 나타난 반면, LPI가 1인 경우, 깊은 심도에서 액상화 발생지반이 존재하는 경우를 제외하고는 액상화 발생지반의 두께가 2m를 넘지 않는 것으로 나타났다.
(4) 이상과 같이 가상의 액상화 발생지반에 대한 적용성 검토 결과, New-zeal land에서 이용하고 있는 LPI 적용사항 중 액상화 발생지층이 평가지층의 10% 이내라는 조건을 만족하는 경우는 LPI 1이하인 경우로 나타났다.
(5) 실제 항만지역의 지반조사자료를 토대로 지진시 지반응답해석과 액상화 평가를 수행하고 이를 토대로 액상화 가능성 지수, LPI를 산정한 결과, 22개소 중 3개소에서 지반고 15m가 넘는 지층에서 액상화 발생가능성이 있는 것으로 나타났으며 3개소 모두, LPI는 1 이하로 산정되었다.
(6) 이상의 국내 적용성 연구를 통해 현재 개정된 항만 및 어항시설 내진설계기준에서 제안한 LPI 기준인 5는 액상화 발생으로 인한 지진시 피해를 방지하는데에는 문제가 있을 것으로 판단되며 추가적인 연구를 통해 LPI 기준이 제안될 필요가 있다고 판단된다.
