1. 서 론

2017년 11월 발생한 포항 지진은 국내에서 드물게 도심 지역에서 액상화 현상이 직접 관찰된 사례로, 구조물 및 인프라에 실질적인 피해를 초래하였다. 특히 연약한 충적층이 분포한 포항 지역에서 도심 내 액상화가 발생한 것은, 국내에서도 액상화가 현실적인 지반 위험임을 명확히 보여준 사례로, 지반의 동적 거동을 보다 정밀하게 평가할 필요성을 일깨워 준 사건이었다.

액상화는 포화된 사질토 지반 등이 지진이나 발파와 같은 동적 하중을 받을 때, 과잉 간극수압이 증가하고 유효응력이 감소하여 지반이 일시적으로 액체와 유사한 거동을 보이는 현상이다. 이러한 액상화로 인해 건축물이나 기반 시설물이 기울거나 파괴되며, 그 결과 인명 및 재산 피해가 발생할 수 있다. 1964년 알래스카 지진과 니가타 지진을 계기로 전 세계적으로 액상화에 관한 연구가 본격화되었으며, 이후 다양한 예측 및 평가 기법이 개발되었다. 그러나 최근 발생한 2024년 일본 노토반도 지진에서도 도심 지역을 중심으로 액상화 피해가 광범위하게 관찰되었다. 이러한 사실은 액상화가 여전히 현대 도시 인프라에 실질적인 위협으로 존재하며, 지반 조건과 지진 특성에 따른 동적 거동의 정밀한 이해가 여전히 중요함을 시사한다.

국내의 경우, 경주 지진(2016) 및 포항 지진(2017)을 계기로 지진 및 액상화에 대한 관심이 크게 증가하였다. 이에 따라 지진으로 인한 피해를 저감하고 건축물 및 기반 시설물의 내진 성능 목표를 제시하기 위해 「내진설계일반(KDS 17 10 00)」이 제정되었으며, 본 기준에는 액상화 평가 및 대책에 관한 내진설계 지침이 포함되었다.

국내의 액상화 평가는 「내진설계일반(KDS 17 10 00)」에 따라 SPT, CPT, 또는 전단파속도(Vs) 시험결과를 이용하여 반복응력비(CSR)와 반복저항응력비(CRR)를 비교함으로써 수행되고 있다. 이 방법은 절차가 명확하고 실무 적용성이 높지만, 1차원 등가선형 해석을 기반으로 하여 실제 지반의 비배수 거동이나 2차원 응력집중 효과를 충분히 반영하기는 어렵다.

본 연구에서는 포항 지역의 대표 시추공(CH-1~CH-5)을 대상으로 SHAKE2000, DEEPSOIL, PLAXIS 2D를 이용한 1차원 및 2차원 지반응답해석을 수행하였다. 동일한 입력 조건하에서 산정된 반복응력비(CSR), 반복저항응력비(CRR) 및 액상화 안전율(FS = CRR/CSR)을 비교함으로써 해석기법 간의 차이와 적용성을 분석하였다. 또한 SPT 및 Vs 기반 CRR 산정법을 병행하여 입력 변수의 차이가 평가 결과에 미치는 영향을 검토하고, 포항 지역과 같은 복합 사질토 지반에 대한 보다 현실적이고 신뢰성 있는 액상화 평가 방향을 제시하고자 한다.

2. 액상화 평가 방법 및 수치해석 개요

2.1 액상화 평가 방법

액상화 평가는 지진시 지반에 발생하는 반복전단응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)와 반복저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)를 비교하여 안전율(Factor of Safety, FS)을 산정하는 방법이 일반적으로 사용되며, FS ≤ 1.0일 경우 액상화 발생으로 판정한다.

이 평가는 「내진설계일반(KDS 17 10 00, 국토교통부, 2024)」 제4.7절의 기준을 따르며, 동 기준에서는 액상화 평가를 지반응답해석 기반 반복전단응력비 계산과 현장시험 기반 반복저항응력비 산정의 두 단계로 구분하여 수행하도록 규정한다(Fig. 1).

Fig. 1

Flowchart of liquefaction assessment procedure in seismic design code (KDS 17 10 00, 2024)

CSR은 지진 시 지반에 발생하는 최대전단응력(τmax)을 연직유효응력(σv')으로 정규화한 값으로, 지진하중에 대한 지반응력의 상대적 크기를 나타낸다. Seed and Idriss(1971)은 이를 다음과 같이 제안하였으며, 동일한 식이 내진설계일반에서도 반복전단응력비 산정식으로 제시되어 있다.

여기서, 0.65는 유효응력의 진폭 감소를 고려한 경험계수로, 실제 지반의 비선형 응답특성과 진동 지속시간 효과를 반영하기 위한 값이다. 본 연구에서는 SHAKE2000, DEEPSOIL, PLAXIS 2D 해석을 통해 각 지점의 τmax를 계산하고, 각 심도별 연직유효응력(σv')을 적용하여 CSR을 산정하였다.

CRR은 지반이 반복하중에 저항할 수 있는 능력을 나타내는 지반 고유의 강도 지표이며, SPT, CPT, 또는 전단파속도(Vs) 등 현장시험 결과를 기반으로 산정한다. 내진설계일반에서는 Idriss and Boulanger(2008), Andrus and Stokoe(2000)등의 경험식을 근거로 SPT, CPT, Vs 기반 CRR 산정 방법을 공식적으로 제시하고 있다(Kayen et al., 2013). 이때 세립분 함량(FC), 상재압, 규모보정계수(MSF) 등을 고려하며, 각 시험방법에서 얻은 결과 중 가장 작은 CRR 값을 적용하도록 규정한다. 본 연구에서는 대상지반의 SPT와 Vs결과를 활용하여 CRR을 산정하였으며, 지반조사 결과에서 CPT 자료가 확보되지 않아 포함할 수 없었다. 이에 모든 해석에서는 동일한 입력값을 적용함으로써 해석기법 간 비교의 일관성을 확보하였다.

2.2 수치해석 개요

본 연구에서는 동일한 입력조건(지층 정보, 지진파, 경계조건 등)하에서 SHAKE2000, DEEPSOIL, PLAXIS 2D 해석을 수행하여 각 해석기법별 CSR, FS 값을 산정하여 결과를 비교하였다.

SHAKE2000은 등가선형(Equivalent-linear) 1차원 지반응답해석 프로그램으로, 지층별 전단탄성계수(G/Gmax)와 감쇠비(D)를 반복적으로 갱신하며 선형화된 응답해석을 수행한다. 계산 효율이 높고 절차가 단순하나, 비선형 거동의 시간적 누적이나 간극수압 발생은 고려되지 않는다.

DEEPSOIL은 비선형 1차원 지반응답해석 프로그램으로, 사용자 정의 전단강성 저하곡선과 감쇠곡선을 이용한 비선형 이력모델을 통해 전단강성 저하와 이력감쇠를 직접 모사한다. 이 프로그램은 주파수 의존 감쇠와 비선형 응력–변형률 관계를 반영하여 SHAKE2000보다 현실적인 응답을 제시하지만, 지반의 수평적 불균질성이나 층경계에서의 국부적 응력 변화 등과 같은 2차원 거동은 고려할 수 없다.

PLAXIS 2D는 유한요소해석(FEM) 기반의 2차원 비선형 유한요소 프로그램으로, 사질토층에는 UBC3D-PLM 모델, 풍화암 및 점토층에는 HS-Small 모델을 병용하였다. UBC3D-PLM 모델은 반복전단 하에서의 비배수 응력경로, 전단강성 저하, 과잉간극수압 생성을 모사할 수 있어 액상화 거동 해석에 적합하다. 반면 HS-Small 모델은 작은 변형률 영역에서의 탄성강성 저하와 비선형 변형률 의존 거동을 정밀하게 표현할 수 있어, 상대적으로 강성도가 높은 풍화암·점토층의 변형특성을 안정적으로 재현하는 데 유리하다. 이러한 구성은 지반의 비선형 응력–변형률 거동을 다층적으로 고려하여 1차원 해석보다 정밀한 응답 특성을 분석하기 위함이다(Byrne et al., 2004; Park et al., 2005).

3. 대상 지반 및 해석조건

3.1 대상 지반

본 연구에서는 2017년 포항지진(Mw 5.4)과 관련하여, 진앙지 인근 및 포항시 일대의 5개 지점에 대해 국립재난안전연구원(NDMRI, 2017)에서 수행한 지반조사 결과를 활용하였으며, 이후 Kim et al.(2020)의 현장실험 및 동적실내시험을 통한 평가를 통해 해당 지반물성에 대한 신뢰성이 검증되었다. Fig. 2와 Table 1은 각각 NDMRI에서 수행한 시추공의 위치와 정보을 나타내며, 각 지점의 지층 분포는 Fig. 3의 시추주상도로 정리하였으며, 다음과 같은 특징을 지닌다.

Fig. 2

Distribution of boreholes (CH-1 to CH-5) and the epicenter of the 2017 Pohang earthquake

Table 1.

Summary of borehole information and liquefaction evidence from NDMRI (2017)

Fig. 3

Soil stratification and SPT N-value profiles of the boreholes: (a) CH-1, (b) CH-2, (c) CH-3, (d) CH-4, (e) CH-5

1. 액상화로 인한 분사 현상(sand boiling)은 진앙 인근 지역(CH-1, CH-2)과 송도동(CH-4)에서 관측되었으며, 이들 지점은 지하수위가 0.6~1.0m로 매우 얕고 표층이 사질토로 구성된다는 공통적 특성을 보인다.

2. 진앙 인근 지역(CH-1, CH-2)과 매산리(CH-3)는 기반암이 약 20m 전후의 얕은 심도에서 나타나는 반면, 송도동(CH-4)과 포항기상대(CH-5)는 기반암 심도가 약 50m 내외로 상대적으로 깊게 분포한다.

3. 망천리(CH-1)는 사질토와 점성토가 반복되는 충적지반으로, 상부 10m 이내에 액상화 가능성이 높은 실트질 모래층이 분포한다.

4. 흥안리(CH-2)는 상부에 실트질 모래와 점성토가 섞여 분포하는 충적층으로 구성되며, 특히 5~10m 구간의 실트질 모래층은 낮은 N값과 높은 세립분 함량으로 액상화 민감도가 높다.

5. 매산리(CH-3)는 상부에 얕은 실트질 모래층이 나타나며, 9~20m 구간에서는 비교적 두터운 풍화토 및 풍화암층이 발달한 것이 특징이다.

6. 송도동(CH-4)은 약 45m 심도까지 사질토와 점성토가 반복되는 두터운 충적층으로 구성되어 있으며, 평균밀도가 낮아 전반적으로 연약한 지반으로 평가된다.

7. 포항기상대(CH-5)는 상부 약 55m가 사질토와 점성토가 반복하는 충적층으로 구성되고, 그 아래로 풍화토층과 풍화암층을 거쳐 약 60m 이후에 연암층이 나타나는 깊은 기반암 구조를 가진다.

3.2 해석조건

지반응답해석은 각 프로그램의 매뉴얼 등을 참고문헌으로 하여, 동일한 입력지층 및 지진파 조건 하에서 수행하였다(Ordóñez, 2018; Hashash et al., 2024; Bentley, 2023).

SHAKE2000과 DEEPSOIL은 1차원 수직방향 해석으로, 각 프로그램의 기본 경계조건(fixed base, compliant base)을 적용하였다. 전단계수 감소곡선(G/Gmax-γ)과 감쇠비 곡선(D-γ)은 사질토의 경우 Seed et al.(1970)에서 제안한 평균 곡선을, 점성토의 경우 Vucetic and Dobry(1991)의 제안 곡선을 사용하였으며, 추가적으로 Darendeli(2001)의 경험식을 참고하여 비선형 거동에 대한 감쇠 특성을 보정하였다.

PLAXIS 2D의 경우, 2차원 평면변형률(plane strain) 조건에서 유한요소해석을 수행하였으며, Fig. 5는 해석영역의 요소 구성, 경계조건, 및 적용된 구성모델을 나타낸다. 모델의 좌·우측 경계는 자유변위 경계(free-field boundary)를 적용하였고, 하부는 수직방향을 고정하고 수평방향으로 지진하중을 입력하는 compliant base boundary로 설정하였다. 상부는 자유표면(free surface) 조건으로 두었다. 층별로는 사질토층에는 UBC3D-PLM, 점토 및 풍화암층에 HS-small 모델을 각각 적용하여 지반의 층상 특성을 반영한 2차원 비선형 해석모델을 구성하였다(Fig. 4). 이때 UBC3D-PLM 모델과 HS-small 모델에 필요한 입력변수는 시추조사 결과, 전단파속도(Vs) 검층자료, 및 기존 상관식을 활용하여 산정하였다. 특히 사질토층의 경우 정규화된 N값((N1)60)을 기반으로 탄·소성 전단강성 계수를 계산하였고, 점토·풍화암층은 Vs 기반 초기전단강성(G0)과 삼축·압밀시험 관련 상관식을 이용하여 강성계수를 산정하였다. 주요 파라미터의 산정 결과는 대표 시추공(CH-1)의 SM1층 및 WR층을 대상으로 Table 2에 정리하였다.

Fig. 4

Finite element model and boundary conditions used in PLAXIS 2D analysis for the CH-1 site

Table 2.

Representative input parameters for PLAXIS 2D constitutive models (UBC3D-PLM & HS-small)

입력지진파는 2017년 포항지진 발생 시 PHA2 관측소에서 계측된 지진파의 NS 성분을 사용하였다. 그러나 Ahn et al.(2018)에서 지적한 바와 같이, 관측기록을 보정 없이 그대로 사용하는 경우 대상 지반과의 거리 차이 및 전달 특성을 적절히 반영하지 못한다는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 Ji et al.(2021)이 제안한 방법을 참고하여, 진앙거리 변화에 따른 주파수 성분의 감쇠 특성을 고려한 보정 절차를 적용하였다. 보정 결과, 진앙에 보다 근접한 CH-2 시추공에서는 최대 지반가속도(peak ground acceleration, PGA) 0.341g, 상대적으로 먼 CH-5 시추공에서는 0.303g의 보정 지진파가 생성되었으며, 관련 결과는 Fig. 5에 제시하였다.

Fig. 5

Comparison of original and corrected input ground motions: (a) PHA2, (b) CH-1, (c) CH-2, (d) CH-3, (e) CH-4, (f) CH-5

4. 해석결과 및 비교

본 장에서는 SHAKE2000, DEEPSOIL, PLAXIS 2D을 활용하여 동일한 입력조건(단위중량, 전단파속도, 감쇠비, 세립분 함량, 거리 보정된 지진파 등) 하에서 수행한 지반응답해석 결과를 비교·분석하였다. 프로그램별 응답해석으로 산정한 CSR을 비교하고, SPT 및 Vs 기반 산정식으로 계산된 CRR을 함께 제시하여 심도별 반복저항 특성을 고찰하였다.

4.1 반복전단응력비(CSR) 결과

Fig. 6은 CH-1~CH-5에 대한 각 해석기법에서 산정된 심도별 CSR을 나타낸 것이다. SHAKE2000은 모든 시추공에서 상대적으로 큰 CSR 값을 산정하였으며, 이는 등가선형 기법으로 인한 강성 저감 반영 방식의 차이에서 기인한 것으로 보인다. DEEPSOIL은 비선형 감쇠 증가 효과가 적용되어 SHAKE2000 대비 작은 CSR 값을 나타냈고, 상부 사질층에서 그 차이가 두드러졌다. PLAXIS 2D는 두 프로그램의 중간 범위에 해당하는 CSR을 보이며, CH-2와 CH-5에서는 일부 심도에서 변화폭이 크게 나타났다. 이러한 차이는 프로그램별 비선형 거동 고려 방식과 지반 구성의 차이에 따른 것으로, 각 시추공의 층상 구조 및 동적 특성에 따라 CSR 분포가 서로 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6

Comparison of cyclic stress ratio (CSR) profiles obtained from SHAKE2000, DEEPSOIL, and PLAXIS 2D analyses for boreholes: (a) CH-1, (b) CH-2, (c) CH-3, (d) CH-4, (e) CH-5

4.2 반복저항응력비(CRR) 결과

SPT 결과를 이용한 CRR 산정은 Idriss and Boulanger(2008)의 경험식을 근거로 하며, 세립분 보정된 표준 관입치 N160cs를 활용하여 식 (3)과 같이 계산된다. 먼저, 식 (5)에 따라 에너지 및 장비 조건을 고려한 정규화 관입치N160을 산정하였다. 이후 식 (6)을 이용하여 세립분 함량(FC)에 따른 보정량 ∆N160을 계산하고, 이를 적용하여 식 (4)의 N160cs을 구하였다. 또한 심도에 따른 유효상재응력 보정을 위해 식 (7)을 사용하여 상재압 보정계수 CN을 산정, 보정시 필요한 지수항의 계수 m은 식 (8)에 따라 계산하였다.

다만, 식 (3)~(8)에서 산정된 CRR7.5는 규모 7.5수준의 반복하중 조건을 기준으로 하므로, 실제 지진 규모 및 상재압 조건을 반영하기 위해 추가적인 보정이 필요하다. 이에 따라 본 연구에서는 Boulanger and Idriss(2014)가 제안한 보정식을 적용하였다. 먼저, 최종 CRR은 식 (9)와 같이 계산하였다. 여기서 상재압 보정계수 Kσ는 식 (10)에 제시된 바와 같이 유효상재응력비 σv'/Pa와 보정계수 Cσ을 이용하여 산정하였으며, 이때 사용되는 Cσ는 식 (11)의 경험식에 따라 N160cs의 함수로 산정되며, 제안된 상한값 0.3을 넘을 수 없다.

한편, 규모보정계수(MSF)는 식 (12)의 관계식에 따라 기본적인 보정값을 적용하였으며, 이 값은 최대 규모보정계수 MSFmax와 연관된다. MSFmax는 식 (13)에서와 같이 N160cs의 함수로 산정되며, 제안된 상한값 2.2을 적용하여 규모에 따른 과도한 보정이 발생하지 않도록 하였다. 이와 같은 절차를 통해 본 연구에서는 심도별 실제 현장 조건을 반영한 최종 CRR을 산정하였다.

전단파속도(Vs)를 이용한 CRR 산정은 Kayen et al.(2013) 및 Andrus and Stokoe(2000)에서 제안한 경험식을 근거로 하였다. 두 연구 모두 지반의 전단파속도, 유효상재응력, 세립분 함량(FC) 등을 고려하여 지진 규모 7.5에 대한 기준 저항비CRR7.5를 산정하는 경험식을 제시하고 있다. 본 연구에서는 이 중 Andrus and Stokoe(2000)의 상관식(이하 방법 2라 칭함)을 적용하였다. 이는 Kayen et al.(2013)의 식(이하 방법 1이라 칭함)에 비해, FC에 따른 보정항 VS1*을 포함하고 있어 세립분 함량이 높은 지반에 대한 적용성이 우수하며, 포항 지역의 토질 특성과 같이 유사한 퇴적물의 특성을 반영할 수 있기 때문이다.

실제로 동일한 지반조건을 적용하여 두 방법을 비교한 결과, 방법 1로 산정된 CRR 값은 방법 2에 비해 약 2배에서 최대 10배 이상 크게 평가되는 것으로 확인되었으며, 이로 인해 안전율(FS)이 과대평가 되는 경향을 보였다. 따라서 본 연구에서는 보수적인 평가를 위해 방법 2를 적용하여 각 시추공의 CRR7.5을 산정하였다.

방법 2에 따라 산정된 CRR7.5는 식 (14)에 제시된 바와 같이 전단파속도 정규화값 VS1과 세립분 보정항 VS1*을 이용하여 계산하였다. 여기서 VS1은 식 (15)의 관계식에 따라 보정계수 CV와 전단파속도 VS롤 곱하여 산정하였다. 보정계수 CV는 식 (16)의 경험식으로부터 결정되며, 상한값 1.4을 적용하여 유효상재응력 보정의 과대 반영을 방지하였다. 세립분 보정항 VS1*은 식 (17)에서와 같이 FC 구간에 따라 구분된 보정식을 사용하여 산정하였다.

마지막으로, 식 (14)~(17)에서 산정된 CRR7.5에 규모보정계수(MSF=1.2987)를 곱하여 최종 CRR을 산정하였다.

Fig. 7은 CH-1~CH-5 시추공에 대해 각 기법으로 산정된 심도별 CRR 분포를 나타낸 것이다. 모든 시추공에서 방법 2로 산정된 CRR은 SPT 기반 CRR 및 방법 1에 비해 전반적으로 낮은 값으로 평가되었다. 방법 2 기반 CRR 곡선은 심도 전 구간에서 비교적 완만하고 연속적인 형태를 보이며, SPT 및 방법 1 결과에 비해 국부적인 요철이 뚜렷하게 적게 나타난다. 이는 세립분 보정항을 포함한 방법 2 산정식이 입력값의 국지적 변화에 과도하게 민감하지 않도록 구성되어 있어 층상 지반의 전단강도 특성을 보다 안정적으로 반영하기 때문이다. 반면, SPT 및 방법 1에서는 SPT N값이 특정 임계구간(예: N ≈ 8 전후)을 지나면서 CRR이 급격하게 변동하는 경향을 보이며, 이러한 불연속적 변화는 동일 지반층에서도 과도한 민감도 또는 비일관적인 평가 결과를 초래할 수 있다. 이러한 특성을 종합하면, 방법 2 산정식이 상대적으로 보수적이며, 현장 액상화 평가에서 요구되는 안정성과 일관성 측면에서 보다 신뢰성 있는 평가기법으로 판단된다.

Fig. 7

Comparison of cyclic resistance ratio (CRR) profiles based on SPT results and shear wave velocity (Vs) holes for boreholes: (a) CH-1, (b) CH-2, (c) CH-3, (d) CH-4, (e) CH-5

5. 액상화 안전율 비교 및 고찰

본 장에서는 4장에서 산정한 CSR과 CRR을 기반으로 안전율(FS)을 산정하고, 시추공별 액상화 가능성을 비교·평가하였다. 또한, PLAXIS 2D에서 산정한 과잉간극수압비(Ru)를 보조 지표로 활용하여 FS 결과의 일관성과 실제 관측된 액상화 발생 여부를 함께 검토하였다.

Fig. 8은 SPT 기반으로 산정된 심도별 액상화 안전율(FS)을 나타낸 것이다. 모든 시추공에서 표준관입치(N)가 8 이상인 구간에서는 FS가 과대평가되는 경향을 보였으며, 이로 인해 실제 액상화 여부와 차이를 보였다. 전체적으로 CH-1과 CH-2는 액상화 발생을, CH-3, CH-4, CH-5는 액상화 미발생을 예측하였다.

Fig. 8

Comparison of liquefaction safety factor (FS = CRR/CSR) profiles based on SPT results obtained from SHAKE2000, DEEPSOIL, and PLAXIS 2D analyses for boreholes: (a) CH-1, (b) CH-2, (c) CH-3, (d) CH-4, (e) CH-5

CH-1에서는 0~5m에서 해석기법 간 FS 차이가 컸으나, 8~10m에서는 세 기법 모두 FS < 1.0으로 일관되게 액상화 가능층으로 평가되었다. CH-2는 0~5m에서 세 기법의 FS가 유사하게 나타나 액상화 가능층으로 평가되었다. CH-3에서는 0~2m와 4~6m 구간에서 세 기법 모두 FS가 1.0 이상으로 산정되어 비액상화층으로 평가되었다. CH-4와 CH-5에서는 DEEPSOIL이 각각 0~14m, 0~16m를 비액상화층으로 평가한 반면, SHAKE2000과 PLAXIS 2D는 일부 구간(4~6m, 12~14m / 5~16m)을 액상화 가능층으로 산정하여 기법 간 차이가 크게 나타났다. 이러한 경향은 Kim et al.(2020)이 SPT 및 CPT 결과를 이용해 포항지역의 액상화 위험도를 평가한 연구에서도 유사하게 보고된 바 있다.

Fig. 9는 Vs 기반 방법 2로 산정된 심도별 액상화 안전율(FS)을 나타낸 것이다. 전체적으로 CH-1, CH-2, CH-3, CH-4는 액상화 발생을, CH-5는 액상화 미발생을 예측하였다.

Fig. 9

Comparison of liquefaction safety factor (FS = CRR/CSR) profiles based on shear wave velocity (Vs) obtained from SHAKE2000, DEEPSOIL, and PLAXIS 2D analyses for boreholes: (a) CH-1, (b) CH-2, (c) CH-3, (d) CH-4, (e) CH-5

CH-1은 0~5m 및 7~10m에서 기법 간 최대 0.36의 FS 차이가 발생했으나, 모든 기법이 FS < 1.0을 보여 일관되게 액상화 가능층으로 평가되었다. CH-2는 0~5m에서 최대 0.45의 FS 차이가 나타났지만, 동일하게 액상화 가능층으로 해석되었다. CH-3에서는 4~6m 구간이 액상화 가능층으로 평가되어 실제 미발생 결과와 상반되는 오차가 나타났다. CH-4는 DEEPSOIL과 다른 기법 간 FS 차이 평균이 0.61로 크게 나타났으며, DEEPSOIL은 0~12m를 비액상화층으로 평가한 반면, SHAKE2000과 PLAXIS 2D는 1~14m 구간을 액상화 가능층으로 산정하여 기법 간 해석 차이가 크게 나타났다. CH-5에서도 DEEPSOIL과의 FS 차이 평균이 0.58로 크게 나타났으나, 세 기법 모두 0~6m를 비액상화층으로 평가하고, 10~16m를 액상화 가능층으로 평가하였다.

Fig. 10은 PLAXIS 2D를 통해 얻은 과잉간극수압비(Excess Pore Water Pressure Ratio, Ru)를 나타낸 것이다. Ru는 식 (18)과 같이 지진하중에 의해 증가한 과잉간극수압(Δu)을 초기 유효상재응력(σ′v0)으로 나눈 값으로 정의되며, 일반적으로 Ru ≥ 1인 경우 액상화가 발생한 것으로 판단한다. Ru는 시간 및 심도에 따른 유효응력 소산 과정을 직접적으로 나타내므로, 액상화 발생 시점과 발생 깊이를 가장 명확하게 파악할 수 있는 지표이다.

Fig. 10

Excess pore pressure ratio (Ru) profiles obtained from PLAXIS 2D analysis for boreholes: (a) CH-1, (b) CH-2, (c) CH-3, (d) CH-4, (e) CH-5

SHAKE2000과 DEEPSOIL은 등가선형 또는 비선형 단일응력 해석기법으로, 유효응력 변화 및 과잉간극수압을 직접 계산하지 못한다. 따라서 동일 지표로 Ru를 비교하기보다는, PLAXIS 2D에서 산정된 Ru를 실제 액상화 발생 여부와의 일치성을 검토하기 위한 보조 지표로 활용하였다. 그 결과, 실제 액상화가 보고된 CH-1, CH-2, CH-4에서는 Ru가 1 이상으로 나타나 액상화 발생이 재현되었으며, 액상화가 관측되지 않은 CH-3와 CH-5에서는 Ru가 1 미만으로 유지되어 액상화 미발생을 확인할 수 있었다.

SHAKE2000의 결과는 모든 시추공에서 가장 작은 FS 값을 보이며 액상화 위험성을 보수적으로 평가하는 경향을 나타냈다. 등가선형 기법의 특성상 비선형 거동이 단순화되어 CSR이 과대 산정되는 경향이 있으며, 이에 따라 CH-1, CH-2, CH-4와 같은 상부 사질층에서는 FS < 1.0으로 평가되어 액상화 발생 심도가 다소 깊게 예측되었다.

DEEPSOIL의 결과는 전반적으로 FS가 크게 산정되어 액상화 위험성을 작게 평가하는 경향을 보였다. 이는 비선형 이력모델 적용에 따른 감쇠 증가와 응력 전달의 완화 효과에 기인한다. 특히 CH-4와 CH-5에서는 다른 해석기법 대비 CSR 차이가 크게 발생하여 FS 분포 또한 상이하게 나타났다. 다만 DEEPSOIL은 1D 해석 방식이므로, 지반의 수평적 변화나 복잡한 동적 거동을 충분히 반영하기 어렵다는 한계가 존재한다.

PLAXIS 2D의 결과는 SHAKE2000과 DEEPSOIL사이의 중간 수준으로 산정되었으며, CH-1과 CH-4에서는 실제 포항지진 당시 보고된 액상화 발생 구간과 유사한 FS 분포를 보였다. UBC3D-PLM과 HS-Small 모델을 병용함으로써 비배수 거동, 구속압 변화, 간극수압 누적과 같은 비선형 효과를 직접 고려할 수 있었고, 이에 따라 보다 현실적인 FS 평가가 가능하였다.

한편 SPT 기반과 Vs 기반 CRR 산정결과를 비교하면, SPT 기반 FS가 전반적으로 Vs 기반 방법 2 보다 높게 산정되었다. 이는 얕은 심도에서 상재압 보정계수(C_ₙ)와 세립분 보정항(Δ(N₁)₆₀)이 크게 적용되면서 (N1)60cs가 과대 산정된 영향으로 해석된다. 반면 Vs 기반 방법 2는 전단파속도의 연속적 분포를 반영하여 국부적 불균질성의 영향을 완화하며, 실제 피해가 발생한 구간에서 FS < 1.0으로 산정되어 현장 액상화 여부와 더 잘 부합하였다. 따라서 Vs 기반 방법 2는 SPT 기반 방법보다 지반의 전단강성 특성과 실제 동적 응답을 보다 일관성 있게 반영하여, 세립분이 혼입된 포항 지역 사질토의 액상화 평가에 더 적합한 기법으로 판단된다.

6. 결론 및 요약

본 연구에서는 포항지진 피해지역의 지반조사 자료를 바탕으로 SHAKE2000, DEEPSOIL, PLAXIS 2D를 이용한 지반응답해석을 수행하고, 각 해석기법으로 산정된 반복전단응력비(CSR), 반복저항응력비(CRR), 및 액상화 안전율(FS)을 비교·분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 모든 해석기법에서 상부 사질층에서 FS가 낮게, 하부로 갈수록 비교적 높게 산정되는 경향을 보였으나, 이는 일정한 증가 형태가 아니라 지층 구성과 상대밀도 변화에 따라 불연속적인 변동을 나타냈다. 특히 사질층과 점토층이 교호하는 구간에서 FS의 급격한 변화가 발생하였으며, 이는 반복전단 하에서 강성과 감쇠비 차이에 따른 응력집중 효과가 원인으로 판단된다.

(2) SHAKE2000은 등가선형 해석 특성으로 인해 CSR이 과대 산정되어 가장 보수적인 FS 결과를 제시하였다. 반면 DEEPSOIL은 비선형 이력모델 적용에 따른 감쇠 증가 효과로 인해 SHAKE2000보다 FS가 높게 산정되며, 비교적 비보수적인 경향을 나타냈다. PLAXIS 2D는 2차원 해석을 통해 구속압 변화, 비배수 거동, 간극수압 누적 등 실제 현장에서 발생하는 비선형 거동을 직접 고려함으로써 두 기법의 중간 수준에 해당하는 FS를 산정하였고, 보다 현실적인 액상화 거동을 재현하였다.

(3) SPT 기반 FS는 상재압 보정계수(C_ₙ)와 세립분 보정항(Δ(N₁)₆₀)의 영향이 얕은 심도에서 크게 작용하여 일부 구간에서 과대평가되는 경향을 보였다. 반면 Vs 기반 방법 2는 전단파속도의 연속적인 분포를 반영하여 국부적 불균질성에 대한 민감도를 줄였으며, 실제 액상화가 보고된 구간과 FS < 1.0 결과가 더 잘 일치하였다. 이는 Vs 기반 CRR 산정식이 지반의 전단강성 특성과 동적응답을 보다 일관성 있게 반영하기 때문으로 판단된다.

(4) 종합적으로, SHAKE2000과 DEEPSOIL은 계산 효율성이 높아 설계 초기 단계에서의 개략적 위험도 평가에 유용하며, PLAXIS 2D는 비선형 응답과 응력 변화를 세부적으로 고려할 수 있다는 점에서 정밀한 액상화 예측 및 성능기반 내진설계(PBD)에 적합한 도구로 판단된다. 또한 Vs 기반 방법 2는 세립분이 혼입된 사질토와 같은 복합지반에서 SPT 기반 평가보다 일관성과 재현성이 높아 보다 신뢰성 있는 액상화 평가 기법으로 판단된다.