1. 서 론
2. 액상화 평가 방법 및 기준
2.1 액상화 평가 과정
2.2 국내 액상화 평가 기준
3. 해석 대상 지역
4. 지진파 선정
4.1 GMPE 적용
5. 진동전단응력비(CSR) 결과
6. 진동전단저항비(CRR) 결과
7. 액상화 평가 결과
8. 결론 및 요약
1. 서 론
2017년 발생한 포항지진은 국내 계기 지진 관측 이래 두 번째로 큰 모멘트 규모(Mw=5.4)의 지진으로 27,846건의 시설 피해를 기록했을 뿐만 아니라 약 546억 원의 재산피해와 135명의 부상자를 발생시켰다(MOIS, 2018). 포항지진의 특이점 중 하나는 지반 액상화 현상이 관측되었다는 점이다.
액상화 현상은 느슨한 지반에 반복하중을 가할 시 과잉간극수압의 발현으로 지반이 액체처럼 거동하는 현상이다. 이때 발생한 간극수압은 지반의 전단강도와 유효응력을 상실시켜 지하시설물과 구조물에 손상을 입힌다. 지진 시 지반 액상화에 대한 공학적 접근은 1964년 일본 니가타 지진 이후 액상화 원인 규명과 대책 마련을 위해 시작되었다. 이는 액상화 발생 여부와 피해 예측 및 평가를 중심으로 발전하였으며 Kim et al.(2020)은 액상화 평가를 위한 간편법의 시대적 변화를 정리하였다.
국내의 액상화 연구는 포항지진 이전에도 활발히 진행되었으나 포항지진을 계기로 더욱 활발히 진행되고 있다. Kwak et al.(2002)은 재현주기에 대응하는 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)로 연안 지역의 액상화 구역도 작성 방법을 제안하였다. Seo et al.(2009)는 현장 실험자료를 토대로 서해안 일대의 액상화 가능지수를 산정하였다. Kwak et al.(2002)과 Seo et al.(2009)는 지반 액상화 지수(LPI)를 통한 국내 지역 액상화 위험도를 작성 방법을 구체화하였다. Koo(2010)는 지반 분류를 고려한 액상화 재해도 작성 방법을 제안하였다. 해당 연구는 국내에서 처음으로 Saeed-Ullah et al.(2016)은 반복단순전단시험에 기반하여 실내실험결과를 현장실험 결과와 결합할 수 있는 정규화 방안을 제시하였다. Baek et al.(2018)은 지진위험도로 추정한 최대지반가속도(PGA)와 응력저감계수(Stress reduction factor, rd)로 광범위한 포항 지역의 액상화 위험도를 평가하였다. Ahn et al.(2018)은 Baek et al.(2018)의 연구를 바탕으로 지반응답해석을 통해 지진하중을 직접 산정하여 액상화 발생 위험도를 재평가하였다. Baek et al.(2018)과 Ahn et el.(2018)은 지진 시나리오를 기반으로 포항 지역의 액상화 위험도를 평가한 의의가 있다. Choi et al.(2016)는 국내 동남권 지반을 대상으로 지반응답해석과 액상화 재해도를 이용하여 광범위한 영역의 액상화 발생 가능성을 평가하였다. Yoo et al.(2019)는 지반응답해석을 통해 국내 액상화 설계기준을 분석하였다. Jang et al.(2020)은 포항지진을 포함한 국내외 지진파를 통해 지반 분류에 따른 시추공별 액상화 발생 가능성을 평가하였다. Yoo et al.(2019)와 Jang et al.(2020)은 액상화 평가에 사용되는 지진 응력을 고찰한 의의가 있다. Kim et al.(2020)은 액상화 간편법의 문헌 연구와 액상화 평가의 해외 기준을 비교하였다.
국내의 액상화 평가는 ‘KDS 17 00 00 내진설계일반(MOF, 2018)’과 ‘KDS 11 50 25 기초내진설계기준(MOF, 2016)’을 준용하여 이뤄지고 있다. 이 기준들은 ‘2020 기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령(MOF and KISC, 2020)’에 이르러 내용이 상세하게 보완되었으나 포항지진과 같은 실제 액상화 발생사례를 바탕으로 한 전반적인 평가과정에 대한 설명은 부족하다. 한편, 내진성능 평가요령은 설계 지진파와 설계 응답스펙트럼을 이용하여 지진력을 산정할 것을 권고하고 있다. 그러나 상기 방법으로는 포항 지진의 특성을 정확하게 반영하기 어려울 뿐만 아니라, 설계 스펙트럼을 일괄 적용할 경우 거리에 따른 감쇠를 제대로 반영하지 못하는 문제점이 있다.
본 연구에서는 포항지진 기록을 사용하여 포항 지역 5개소의 액상화 위험도를 평가하였다. 각 지역의 CRR은 ‘2020 기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령(MOF and KISC, 2020)’의 내용을 기반으로 산정하였다. CSR 산정에 필요한 지진파는 포항지진 시 관측소의 계측기록과 지반운동예측식(Ground Motion Prediction Equation, GMPE)을 적용하여 거리에 따른 감쇠를 반영하여 사용하였다. 이후 CSR 산정을 위해 필요한 매개변수들을 반영하여 평가의 정확성을 높였다. 한편, 간편법에 의한 액상화 평가는 시추 방식과 지반 조건에 따라 다르게 나타나기 때문에 이를 고려하여 각 관측소의 액상화 평가를 비교, 분석하였다. 마지막으로, 액상화 피해 결과분석을 위해 지반 액상화 지수(LPI)로 각 지역의 액상화 피해 정도를 정량화하였으며 기존 포항지진 백서(MOIS, 2018) 연구 결과와 비교하였다.
2. 액상화 평가 방법 및 기준
2.1 액상화 평가 과정
지반 액상화의 평가과정은 민감도(Susceptiblity), 유발(Triggering) 그리고 결과(Consequence)로 분류된다. 본 연구는 액상화 간편법(Simplified method)(Seed and Idriss, 1971)을 통해 포항 일대의 액상화 유발(Triggering) 여부를 고찰하였다. 액상화 간편법은 깊이별 액상화 발생 가능성을 진동전단응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)와 진동저항전단응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)의 비로 평가하는 방법이다. 식 (1)과 Fig. 1(a)에 해당 관계를 도시하였다. 이때, 안전율 1 미만(FS < 1)의 지반은 액상화가 발생하는 것으로 판단한다.
| $$FS=\frac{CRR_{M=7.5,\sigma'_v=1}}{\left(CSR_{M,\sigma'_v}/(MSF\times K_\sigma)\right)}$$ | (1) |
여기서, CRRM=7.5,σv'=1은 1기압, 규모 7.5 수준의 진동전단저항비, MSF(Magnitude scaling factor)는 규모보정계수, Kσ는 상부압력보정계수(Overburden correction factor, Kσ)이다.
CSR은 액상화를 유발하는 깊이별 지진 하중이다. CSR은 깊이별 응력과 깊이별 최대지반가속도(PGA, Peak ground acceleration)를 통해 표현된다. 깊이별 응력은 지반조사를 통해 산출되며 최대지반가속도는 Fig. 1(b)에 도시된 방법들을 통해 결정될 수 있다. Kwak et al.(2002), Baek et al.(2018)은 지질위험도와 재현주기를 이용하여 국내 지역의 액상화 위험도를 평가하였다. 상기 방식은 넓은 지역의 액상화 발생 여부를 평가할 수 있으나 이는 검증 단계에서 지반별 특성과 지반 증폭 특성을 반영하기 어렵다.
Fig. 1.
Liquefaction occurrence: (a) factor of safety; and (b) determination process for CSR (Kim et al., 2020)
Ahn et al.(2018), Choi et al.(2016), Ha and Oh(2020)는 국내 설계 지진파 혹은 해외 기록 지진파를 이용한 지반응답해석 결과를 바탕으로 액상화 위험도를 평가하였다. 한편, Jang et al.(2020)은 국내 지반 환경에 적합한 지진파를 선정하여 지반분류별 대표 시추공의 액상화 발생 가능성을 평가하였다. 해당 방식은 지질위험도보다 정확하며 지반주상도의 영향을 반영할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 해당 방식을 이용할 경우 포항지진의 기록 지진파가 부족하여 특정 지역의 액상화 평가 시 적합한 지진파를 선정하거나 진원으로 부터의 거리 감쇠를 반영하기 어렵다.
지반운동예측방정식(Ground Motion Prediction Equations, GMPE)은 지진과 지반 정보를 바탕으로 최대지반가속도를 예측하는 방법이다. GMPE는 거리에 따른 감쇠를 반영할 수 있으며 부족한 지진기록에도 합리적인 결과를 도출할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 해당 식은 지진과 단층, 지반에 대한 전반적인 정보를 요구한다. 본 연구에서는 GMPE와 지반응답해석을 바탕으로 최대지반가속도를 추정하였다.
CRR은 현장실험자료(SPT-N값, CPT-qc값, Vs 등)을 통해 산정한 지진 시 지반의 액상화 저항값이다. CRR은 지반의 관입저항치와 세립분을 매개변수로 표현된다. 해당 경험식은 지진 시 액상화가 발생한 현장 자료를 토대로 수정되어왔다. 한편, CSR 혹은 CRR은 동일한 조건으로 보정하는 과정이 필요하다. 해당 과정에 필요한 보정계수는 규모보정계수(Magnitude scaling factor, MSF)와 상부압력보정계수(Overburden correction factor, Kσ)로 표현된다. 해당 계수는 CSR값에 곱하거나 CRR값에 나누어 적용한다.
2.2 국내 액상화 평가 기준
기존 국내 액상화 평가는 ‘KDS 17 00 00 내진설계 일반(MOF, 2018)’과 ‘KDS 11 50 25 기초내진설계기준(MOF, 2016)’를 통해 이루어진다. 한편, 국토교통부와 시설안전공단은 기존 평가요령의 개선된 연구결과를 반영하여 ‘2020 기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령(MOF and KISC, 2020)’을 발행하였다. 본 논문에서는 해당 평가요령(MOF and KISC, 2020)의 내용을 적용하였다. 해당 기준에서 액상화 평가는 예비평가와 본평가로 구분된다(Fig. 2). 예비평가 생략 조건에서 벗어난 지반은 평가 흐름도에 따라 본평가를 적용한다. 본평가는 Seed and Idriss(1971)의 액상화 간편법을 수정하여 제시하였으며 기존 설계에는 반영하지 않았던 세립분 함량과 입도분포를 고려하였다. 본평가는 지반응답해석을 사용하여 CSR을 계산할 것을 명시하고 있다. 이때, 실지진기록을 활용한 지반운동 시간이력을 입력 지진파로 사용 할 경우 표준설계응답스펙트럼에 맞추어 실기록 지진파를 보정한 결과가 입력 지진파로 사용된다. 이후 지반의 CSR은 식 (2), (3)을 사용하여 계산할 수 있다. 지반의 깊이별 해석 결과는 식 (2)를 적용하여 계산한다.
| $$CRS=0.65\frac{\tau_{\max,depth}}{\sigma'_v}$$ | (2) |
여기서, τmax,depth는 지반응답해석으로 얻어진 각 깊이의 최대전단응력, σ'v는 평가 깊이에서의 유효수직응력이다.
본평가의 CRR 산정은 현장실험 결과 중 SPT-N, CPT-q, Vs를 이용한 방법을 명시하고 있다. 이중 표준관입시험(SPT, Standard Penetration Test)과 콘관입시험(CPT, Cone penetration test)을 이용한 방법은 세립분 보정식(Idriss and Boulanger, 2008)을 사용하여 등가의 깨끗한 모래(Clean sand)로 치환할 것을 제안하고 있다. 반면, 전단파속도(Vs)는 별도의 보정식을 사용하지 않는다. CPT를 이용한 방법은 세립분 함량에 따라 5%, 15%, 30%, 70% 미만에 해당하는 CRR 곡선을 개별적으로 제시하고 있다. SPT의 CRR은 기존 Youd et al.(2001)의 개선된 형태인 Idriss and Boulanger(2008)의 경험식을 적용할 수 있다. 반면, CPT와 Vs의 CRR은 각각 Boulanger and Idriss(2014)와 Kayen et al.(2013)의 식을 준용한다. 한편, 지진 규모 보정(MSF, Magnitude Scaling factor)은 Youd et al.(2001)의 논문을 통해 상한값과 하한값이 제안되었으며 지진규모 6.5에 해당하는 1.5의 값을 추천한다. Youd et al.(2001), Cetin et al.(2004), Boulager and Idriss(2014)는 지반에 대한 상재 하중 보정 계수(Kσ)를 제안하고 있다. 그러나, 해당 기준은 이를 별도로 명시하고 있지 않다. 국내 액상화 기준은 FS≥1일 때 액상화에서 안전한 것으로 판단한다. 이때, FS<1인 지반에서 반드시 액상화로 인한 피해가 발생하는 것은 아니다. 해당 지반의 액상화로 인한 피해는 실내반복실험, 동적수치해석, 원심모형실험, 액상화 발생 가능지수(LPI, LSN) 등을 통해 판단할 수 있다.
3. 해석 대상 지역
본 연구는 포항지진이 발생한 흥해읍과 남송리 인근을 대상지로 선정하였다. 시추공 정보는 국립재난안전연구원의 선행연구(NDMRI, 2017) 5개소 자료와 본 연구에서 수집한 3개소 자료를 사용하였다. Fig. 3과 Table 1은 각각 재난안전연구원 시추공 위치와 정보를 도시하였다. 액상화에 의한 분사 현상(Sand boiling)은 흥해읍과 송도동 인근(CH-1, CH-2, CH-4) 지역에서 관측되었다(Ha and Jung, 2018; Park et al., 2018). 수집된 시추공 자료를 기반으로 개략적인 지반주상도를 Fig. 4(a)에 도시하였다. 시추공 지역의 지반은 다음과 같은 특징을 나타낸다.
Table 1.
Site characteristics for each borehole (NDMRI, 2017)
Fig. 4.
Schematic of soil profiles at each borehole position (NDMRI, 2017) of (a)CH-1, CH-2, CH-3, CH-4, CH-5 and (b) CH-1B, CH-2B, CH-4B
1. 액상화 발생 지역의 지하수위는 0.2~0.6m 깊이로 추정되며, CH-3 지역과 CH-5 지역의 경우 각각 5.1m, 1.0m의 지하수위로 추정된다. CH-1B, CH-2B, CH-4B의 지하수위는 0.2~1.2m로 확인된다.
2. 흥해읍(CH-1, CH-2) 지반은 5~15m 사이 점토질 모래 혹은 실트질 점토층을 포함하고 있다. 해당 층의 소성지수(PI)는 12 이상으로 액상화가 아닌 동적 연화(Cyclic Softening)가 발생하는 것으로 간주된다(Idriss and Boulanger, 2008).
3. 흥해읍의 지반은 깊이에 따라 점성토 / 자갈섞인 실트질 모래 / 점성토 / 자갈섞인 모래로 이루어져 있다. 각 층의 두께는 2.1~5m 이내이다.
4. 흥해읍(CH-1, CH-2) 지역의 기반암은 20m 전후인 반면, 송도동 일대의 기반암은 40m 보다 깊은 층에서 나타나는 경향을 보인다.
5. 송도동(CH-4, CH-5) 지역은 세립분 함량이 적은 단일 사질토층으로 이루어져 있다. 시추공 별 입도 분포를 Fig. 5에 도시하였다.
6. 여기서, CH-1B, CH-2B, CH-4B 시추공은 액상화 발생 지역 5m 내 인근을 재시추한 결과이다. Fig. 4(b)는 해당 시추공의 지반주상도 및 (N1)60값을 개략적으로 도시하였다. 기존 시추 결과(CH-1, CH-2, CH-4)는 수세식시추법을 사용하였으며 추가 시추결과(CH-1B, CH-2B, CH-4B)는 무수시추법을 사용하였다. 인근 지반의 관입 값은 시추 방식 별 근소한 차이를 보이며 세립층 평균 관입치는 9회 / 30cm으로 두 방식이 모두 같았다.
7. 재시추 결과 기반암 깊이가 기존시추결과보다 2~9m 깊게 나타났으나, 각 지반 층의 전이 깊이와 층상구조는 높은 유사성을 보인다. CH-1B 시추공은 CH-1 시추공과 약 0.5m의 거리로 유사한 지반층 변화를 보인다. 한편, CH-1B 시추공은 4~5m, 8~9m에서 급격한 (N1)60값의 상승을 나타낸다. 이는 해당 지역의 자갈층으로 인한 것으로 CRR값의 급격한 상승을 야기할 수 있다. CH-2B 시추공은 CH-2 시추공에서 수평으로 약 4.5m 떨어진 것으로 확인된다. 전반적인 지반구성은 CH-2 시추공과 비슷한 경향을 보이나, 풍화토층이 29m 깊이까지 이어진다. CH-2와 CH-2B의 (N1)60값은 근소한 차이를 보이며 CH-2B의 경우 약 12m 이하의 깊이에서 급격한 (N1)60값의 상승을 보여준다. CH-4B 시추공은 CH-4 시추공에서 수평으로 약 0.2m 정도 떨어진 거리의 시추공으로 실트질 모래 와 실트질 점토로 구성된다. 두 시추공은 실트질 모래층에서 동일한 평균 (N1)60값을 보인다. 본 연구에서는 시추 방식에 따른 표준관입치(SPT-N) 차이는 크지 않았다.
4. 지진파 선정
본 연구에서는 2017년 발생한 포항지진 시 계측된 지진파를 사용하였다. 2017 포항지진 시 관측소 위치와 진앙 거리를 Fig. 6에 도시하였다. 관측소별 계측된 지진파의 특징 및 정보를 Table 2에 요약하였다. 여기서, CHS, DKG, HAK, Old port는 암반(Within rock)기록이며, New port, PHA2는 지표면(Free field)기록이다. Old port, New port, PHA2 지진파는 진원으로부터 10km 이내의 지역으로 0.26~0.33g의 PGA를 나타낸다. HAK, CHS, DKJ는 진원으로부터 약 23~28km의 지역으로 0.03~0.05g의 PGA를 나타낸다. 본 연구는 지형효과(topographic effect)가 발생한 것으로 예측되는 PHA2를 제외한 5개의 관측소 기록을 사용하였다. Fig. 7은 사용된 지진파의 응답 스펙트럼을 나타낸다. New port 기록을 제외한 모든 응답스펙트럼은 약 0.1-0.3s에서 많은 에너지를 갖는 것을 알 수 있다. DKJ 기록을 제외한 기반암 기록은 약 0.1-0.3s에서 많은 에너지를 갖는다.
Table 2.
Each input motion characteristic at the Pohang station
4.1 GMPE 적용
본 연구는 시추공과의 거리 감쇠를 산정하기 위해 지반운동예측방정식(Ground Motion Prediction Equation, GMPE)을 사용하였다. GMPE는 발생 지진들의 회귀분석을 바탕으로 개발되었으며, 이를 통해 지표면 혹은 암반노두에서의 응답스펙트럼을 예측할 수 있다. Bae et al.(2018)은 2016 경주 지진 지진파와 NGA-West2 모델들로 예측한 지반운동을 비교한 바 있으며, Kim et al.(2020)은 GMPE의 NGA-WEST2모델의 전반적인 변수를 설명하였다.
NGA-East는 진앙 주변에서 과한 단주기 지반운동 가속도를 예측하는 면이 있어 국내 지반운동을 정확히 예측할 수는 없다(Kim et al., 2020, Bae et al., 2018). NGA-West2는 국내와 다른 환경의 지진 기록을 토대로 산정되었으므로 단주기 영역에서는 과소평가, 장주기 영역에서는 과대평가될 수 있지만 높은 예측도를 보여준다. 따라서, 본 연구에서는 GMPE 모델 중 NGA-West2 모델을 적용하였다. NGA-West2는 예측모델 결정과 활성단층 및 지반의 정보가 필요하다. 예측 모델은 총 5개(i.e., ASK14, BSSA14, CB14, CY14, I14)가 있으며 본 연구에서는 I14를 제외한 모델별 응답스펙트럼의 산술평균값을 사용하였다. 활성단층 및 대상 지반의 정보는 다음 사항을 가정하였다.
- 해당 단층의 파열면의 평균 각도(dip)은 직각이다. (Dip=90°)
- 해당 단층은 지표면과 맞닿아 있다. (ZT0R=0)
- 해당 지진의 단층 직교면과의 수평거리는 0(Ry0=0)으로 가정되었다.
- 해당 가정은 불확실한 지진정보를 바탕으로 낮은 PGA를 설정하기 위한 근거로 활용되었다. 함수는 거리 관련 함수, 사건 관련 함수, 부지 관련 함수로 구성된다. 거리 관련 함수는 진원거리(Rrup), 최인접거리(RJB), 단층 직교면과의 수직거리(RX), 단층 직교면과의 수평거리(Ry0)로 구성된다. 각각의 입력 값은 가정하거나 관측된 정보를 사용하였다. 사건 관련 함수는 역단층(FRV), 정단층(FNM), 단층의 역방향(Hanging wall fault, FHW)등으로 구성된다. 본 연구에서는 행정안전부(MOIS)의 보고서(MOIS, 2018)를 바탕으로 사건 관련 함수를 역단층으로 적용하였다. 부지 관련 함수는 30m의 평균 전단파속도(Vs,30), 전단파속도가 1km/s가 되는 깊이(Z1.0), 전단파속도가 2.5km/s가 되는 깊이(Z2.5) 그리고 단층 넓이(W), 진원깊이(ZHYP), 단층상부면의진앙거리(ZT0R), 단층면파괴각도(Dip)로 구성된다. Vs,30값은 기반암의 응답 스펙트럼을 획득하기 위하여 30m의 평균 전단파속도 대신 기반암의 전단파 속도를 적용하였다. 한편, 단층 넓이, 전단파속도가 2.5km/s가 되는 깊이, 진원 깊이 값은 각각 미지수(Unknown)로 가정하는 값인 999를 대입하였다. NGA-WEST2로 얻은 응답 스펙트럼과 국내설계기준 S4지반의 1000년 재현주기 응답 스펙트럼을 Fig. 8에 도시하였다. GMPE 스펙트럼은 관측소별로 다양한 PGA를 보인다. 포항 지진파의 NS성분과 EW성분의 기하평균 및 GMPE 응답스펙트럼 결과를 각각의 PGA로 정규화시켜 Fig. 9에 도시하였다. 모든 기반암 응답 스펙트럼은 0.04~0.07s에서 GMPE로 구한 응답스펙트럼을 상회한다. 따라서, GMPE 응답스펙트럼은 기록 지진파에 비해 단주기 영역에서 과소평가가 예상된다. 이는 액상화 발생 가능성의 과대평가를 방지할 수 있다.
5. 진동전단응력비(CSR) 결과
‘기존 시설물(기초 및 지반) 내진성능 평가요령(MOF and KISC, 2020)’은 지반응답해석을 통한 CSR 산정을 명시하고 있다. 이는 식 (2)에 해당한다. 한편, 응력감소계수(rd)를 적용한 CSR 산정은 식 (3)과 같이 표현되며, 이는 지반응답해석의 대안으로 사용될 수 있으나 국내적용을 위해선 추가적인 연구가 필요하다(Yoo et al., 2019). 지반응답해석 수행을 위해선 지진파의 가속도-시간 이력과 지반 물성이 필요하다. 지진파의 가속도-시간 이력은 관측소의 기록 지진을 GMPE 응답스펙트럼에 보정(Spectral matching)하여 사용하였다. 포항 지진 기록을 GMPE 스펙트럼에 보정한 결과 중 CH-2 사례를 대표적으로 Fig. 10에 도시하였다. CH-2 지역에 해당하는 지진파의 응답스펙트럼 보정 전후의 가속도-시간 이력을 Fig. 11에 도시하였다. 보정된 지진파들은 주파수 성분의 큰 차이 없이 시간-가속도 영역의 증폭을 보여준다. 한편, 진앙과 거리가 가까운 Old port 지진파는 오히려 감쇠가 발생하였다. 이는 4절에서 언급하였듯, GMPE로 구한 응답스펙트럼의 단주기 영역이 과소평가 되었기 때문이다. 한편, 지반 물성은 국립재난안전연구원(NDMRI, 2017)의 시추자료와 본 연구의 재시추 자료를 참조하였다. 지반응답해석은 해당 지진파와 지반 물성을 바탕으로 DEEPSOIL v7.0(Hashash et al. 2001) 프로그램의 등가선형해석을 이용하였다. 사질토와 점성토는 각각 Seed and Idriss(1970)의 평균(Mean)곡선과, Vucetic and Dobry(1992)가 제안한 강성감쇠 및 댐핑 곡선을 적용하였다. 풍화토 자료는 Sun et al.(2005)과 Kim et al.(2001)의 국내 지반 평균 곡선을 적용하였다.
시추공과 지진파 별 CSR 결과를 Fig. 12에 도시하였다. 깊이별 CSR은 해당 결과 중 전체 지진파 결과의 산술평균을 대표로 표기하였다. 해당 결과는 거리와 지반 조건에 영향을 받으며 액상화가 발생한 흥해읍(CH-1, CH-2) 지역은 가장 높은 CSR을 나타낸다. Fig. 13은 재시추 결과(CH-1B, CH-2B, CH-4B)의 CSR을 기존 결과 (CH-1, CH-2, CH-4)와 비교한 그림이다. 이중 CH1-B결과와 CH-2B결과는 1~2m 인근에서, CH1과 CH2는 3~4m 인근에서 최대 CSR을 나타낸다.
6. 진동전단저항비(CRR) 결과
‘기존 시설물(기초 및 지반) 내진 성능 평가 요령(MOF and KISC, 2020)’은 SPT, CPT, Vs를 이용한 CRR 산정을 준용한다. 본 연구에서는 이 중 SPT와 CPT를 이용한 CRR 산정을 포항 지역에 적용하여 평가하였다. 한편, 해당 평가 요령(MOF and KISC, 2020)은 상부응력보정계수(Kσ)를 적용하고 있지 않다. 또한, MSF의 경우 규모 6.5에 해당하는 특정 값(1.5)을 제안한다. 본 연구에서는 정밀한 평가를 위해 CPT의 세립분 보정을 적용하였으며 MSF와 Kσ는 지반 물성을 고려한 Boualger and Idriss(2014)의 식을 사용하였다. 해당 보정계수와 수식을 Table 3에 정리하였다. MSF의 규모 값은 포항 지진의 모멘트 규모인 5.4을 적용하였다. 이때, Kσ식의 세립분 보정 관입저항치는 각각 (N1)60cs ≤ 3, qc1Ncs ≤ 2117 값을 넘어갈 수 없다.
Table 3.
The parameters for liquefaction evaluation (Boulanger and Idriss, 2014)
| Parameter | Equation |
|
MSF (Magnitude scaling factor) | |
(Overburden correction factor) |
CRR은 수직응력 보정, 깨끗한 모래(Clean sand) 보정, 경험식 적용 과정을 거쳐 계산된다. 식 (4), (5)는 SPT와 CPT의 수직응력 보정식을 나타내었다.
| $$q_{c1N}=C_Nq_{cN}=C_N\frac{q_c}{P_a}$$ | (3) |
| $${\left(N_1\right)}_{60}=C_NN_{60}$$ | (4) |
여기서, CN은 관입 저항치 수직응력 보정계수, N60는 에너지 보정된 표준 관입치, qc는 콘 선단 관입치이다.
이후, 수직응력을 보정한 관입치는 지반의 세립분(Fine contents, FC) 함량에 따라 깨끗한 모래(Clean sand)로 치환한다. 세립분 함량은 SPT의 현장 시료를 통해 직접적으로 추정하거나 CPT 결과를 이용해 간접적으로 추정한다(Kim et al., 2020; Bong et al., 2019). 본 연구에서는 Table 4의 세립분 결과를 Boulanger and Idriss(2014)의 세립분 보정식에 적용하였다.
Table 4.
Fine contents at each borehole (NDMRI, 2017)
| Borehole | CH-1 | CH-2 | CH-3 | CH-4 | CH-5 |
| Fine contents (%) | 13 | 13 | 16 | 16 | 27 |
| $$\triangle q_{c1N}=\left(11.9+\frac{q_{c1N}}{14.6}\right)\exp\left\{1.63-\frac{9.7}{FC+2}-\left(\frac{15.7}{FC+2}\right)^2\right\}$$ | (5) |
| $$q_{c1Ncs}=q_{c1N}+\triangle q_{c1N}$$ | (6) |
| $$\triangle{(N_1)}_{60}=\exp\left\{1.63+\frac{9.7}{FC+0.01}-\left(\frac{15.7}{FC+0.01}\right)^2\right\}$$ | (7) |
| $${(N_1)}_{60cs}={(N_1)}_{60}+{\triangle(N_1)}_{60}$$ | (8) |
여기서 FC는 세립분함량, qc1Ncs는 세립분 보정된 콘 선단 저항치, (N1)60cs는 세립분 보정된 표준 관입치이다.
이후 세립분이 보정된 현장 관입치(qc1Ncs, (N1)60cs)는 경험식을 통해 CRR로 도출된다. 해당 경험식은 식 (10), (11)와 같다.
여기서, CRRM=7.5,σv'=1은 1기압, 규모 7.5 수준의 진동전단저항비이다.
다음 식은 1기압과 7.5 규모로 산정되며 시추공 조건에 적합한 보정이 필요하다. 해당 보정은 CSR 혹은 CRR 중 하나를 택하여 적용하며 본 연구에서는 CRR을 기준으로 적용하였다. 한편, 상기 식은 점토와 자갈에도 일괄적으로 적용하였다.
| $$CRR_{M,\sigma_v'}=CRR_{M=7.5,\sigma_v'=1}\times MSF\times K_\sigma$$ | (11) |
규모와 상부응력을 보정한 CRRM=5.4,σv'=1 값을 Fig. 14에 도시하였다. 액상화 발생 시추공(CH-1, CH-2, CH-4)의 CRR 값은 0.2 전후로 나타난다. 이 중 CH-1과 CH-2의 CRR값은 자갈층에서 급격히 증가한다. 한편, CH-4의 CRR 값은 지표면을 기준으로 9~13m 층에서 급격히 증가한다. 해당 CRR 값의 증가는 7~9m 층에서 1mm의 자갈과 패각류가 혼재하기 때문이며 재시추 결과에서도 이를 확인할 수 있다. CH-3과 CH-5의 CRR은 각각 높은 관입치와 26%의 세립분 함량으로 높은 값을 나타낸다. 한편, 재시추결과(CH-1B, CH-2B, CH-4B)는 액상화 발생 시추공(CH-1, CH-2, CH-4)과 유사한 결과를 나타낸다. 해당 시추공의 CRR값은 Fig. 4의 (N1)60값과 비례하여 증가 혹은 감소하는 경향을 보인다. CRR 값의 변화는 CH-2B, CH-4B 모두 기존 시추공과 동일한 경향을 보인다. 반면, CH-1B는 4~5m, 8~9m 구간에서 급격한 변화를 나타낸다. 이는 시추 과정 중 각각의 깊이에서 1~5cm 자갈과 1~3cm 자갈이 혼재했기 때문이다. 또한 SPT의 CRR이 표준관입치(SPT-N)와 세립분 함량에 비례하여 증가함을 보여준다. 또한, CRR 값의 상승은 자갈 혹은 패각류에 영향을 받음을 확인하였다. 재시추지역의 SPT, CPT의 CRR값의 비교를 Fig. 15에 도시하였다. CPT의 CRR값은 SPT의 CRR값에 비해 정밀한 측정 간격을 보여준다. 그러나, 해당 결과는 접촉지반에 따라 급격한 상승을 보여주며 자갈과 혼합된 지반의 경우 실험 결과의 부정확성이 증가하는 것을 알 수 있다.
7. 액상화 평가 결과
본 연구에서는 포항 기록 지진파를 사용하여 ‘2020 기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령(MOF and KISC, 2020)’방식 뿐만 아니라 Boulanger and Idriss(2014)의 보정계수를 적용한 액상화 평가를 수행하였다. 사용된 지진파는 포항 관측 기록을 GMPE 응답스펙트럼에 보정한 지진파이다. 각 시추공 별 CSR 결과는 등가선형해석을 통한 지반응답해석을 수행한 후 각 지진파의 결과에 산술평균을 적용하여 산정하였다. CRR은 Boulager and Idriss(2014)의 공식을 기반으로 상부응력, 세립분 보정, 규모 보정을 적용하였다. 해당 결과들은 식 (1)을 통해 깊이별 안전율로 계산되었다.
국립재난안전연구원(NDMRI) 자료의 SPT를 이용한 액상화 안전율 결과를 Fig. 16에 도시하였다. 해당 결과는 CH-1, CH-2, CH-4 지역에서 액상화 발생을 CH-3, CH-5 지역에서 액상화 미발생을 예측하였다. CH-1 지역의 안전율 결과는 1~4m, 7~10m 깊이에서 액상화 발생 가능성이 높은 것을 나타낸다. 한편, 해당 지반의 5~7m, 10~14m 구간은 점성토로서 액상화가 발생하지 않을 것으로 예측된다. CH-1의 8~9m의 사질토층은 1 이하의 안전율임에도 점성토로 고립되어 있으므로, 실질적인 침하와 현장에 미치는 영향은 적을 것으로 예측된다(Cubrinoski et al., 2019). CH-2 지역의 안전율 결과는 1~5m 깊이에서 액상화 발생 가능성이 높은 것으로 확인되었다. 해당 지반의 5~10m 구간은 점성토로 액상화가 발생되지 않을 것으로 예측된다. CH-4 지역은 1m와 5~6m 깊이에서 액상화 발생이 확인되며 F.S < 1구간이 상대적으로 적어 피해가 크지 않을 것으로 예상된다. 한편, CH-3 지역은 매우 조밀한 토사 지반으로 가장 높은 안전율을 보인다. CH-5 지역은 26%의 세립분 함량과 시추공 중 가장 먼 진원 거리로 전 구간이 액상화가 불가능한 것으로 추정된다.
Fig. 17은 CH-1, CH-2, CH-4 지역과 재시추공인 CH-1B, CH-2B, CH-4B 지역의 SPT를 이용한 액상화 안전율 결과를 비교하였다. 여기서, CH-1(B), CH-2(B), CH-4(B)는 각각 동일지역에 해당하는 국립재난연구원 시추(CH-1, CH-2, CH-4)(NDMRI, 2017) 결과와 재시추 결과(CH-1B, CH-2B, CH-4B)을 동시에 나타낸 것이다. 시추결과 CH-1을 제외한 시추공의 안전율 차이는 크지 않았다. 한편, CH-1B 시추공은 6절에서 자갈로 인한 CRR 값의 급격한 CRR 증가를 확인한 바 있다. 이에 따라 3~5m, 9~10m 깊이에서의 안전율이 증가하였다. 한편, CH-1B, CH-2B, CH-4B 지역의 CPT를 이용한 액상화 안전율 결과를 Fig. 18에 비교하였다. 해당 결과는 SPT를 이용한 결과와 높은 유사성을 보여준다. 한편, CH-4 지역의 안전율 결과는 7m 인근, 8~9m 깊이에서 액상화가 가능한 것으로 확인된다. 이는 SPT를 이용한 CH-4 지역의 안전율 결과보다 깊은 지반에서의 액상화 발생을 예측한다.
액상화 위험 정도는 액상화가능지수(Liquefaction potential index, LPI)를 통해 정량적으로 평가될 수 있다. LPI(Iwasaki et al., 1978; Luna et al., 2002)는 안전율을 깊이별로 가중치를 두어 평가하는 지수로 식 (13)과 같이 표현된다.
| $$LPI=\int_0^{20m}f(z)\cdot w(z)dz$$ | (12) |
여기서, z는 해당 지반의 깊이이며, f(z)는 안전율 함수(1-F.S), w(z)는 깊이별 가중치(=10-0.5z), dz는 깊이 변화량이다. 이때, F.S>1인 경우는 f(z)는 0을 적용하며 CPT의 dz는 관입 간격을 m로 환산하여 산정한다.
점성토의 경우 LPI를 과도하게 산정할 수 있기 때문에, 본 평가에서 CPT결과 중 지반거동지수(Soil type index, Ic)가 2.6을 넘는 지반과 점성토로 판정된 지반은 모두 LPI 평가에서 제외하였다. LPI 결과와 액상화 피해 정도의 관계를 Table 5에 도시하였다. 해당 지수는 1~100까지의 값을 가지며 해당 값을 통해 피해 단계를 4단계로 구분한다. 행정안전부(MOIS)와 본 연구를 통해 산정한 LPI 결과를 Fig. 19에 도시하였다. 해당 결과는 국립재난안전연구원(NDMRI, 2018) SPT 결과(NDMRI-SPT), 재시추 CPT 결과(CPT(B)), 재시추 SPT 결과(SPT(B)), 행정안전부(MOIS, 2018)의 LPI(Iwasaki et al., 1978; Luna et al., 2002)결과로 구성되어있다. 본 연구의 결과는 행정안전부의 결과보다 높은 LPI 값을 나타낸다. 이는 진원으로부터 이격거리가 적은 CH-1(B), CH-2(B) 지역에서 가장 컸으며 CH-4(B)에서 가장 작은 것으로 드러났다. CH-1(B) 지역은 결과에 따라 중간(Moderate)~심각(Major) 정도의 액상화 피해를 나타낸다. 그러나, 8~9m층의 경우 점성토로 인한 고립(Isolation)이 발생할 수 있어 표면 액상화에 기여하는 바는 적을 것으로 예측된다(Cubrinoski et al., 2019). CH-2(B) 지역은 모든 결과에서 중간(Moderate) 정도의 액상화를 나타내며, 행정안전부 결과(MOIS, 2018)와 가장 큰 차이를 보여준다. CH-4(B) 지역은 모든 결과가 경미한(Minor) 액상화 피해를 예측하며 행정안전부의 결과(MOIS, 2018)와 가장 작은 차이를 보여준다.
Table 5.
liquefaction damage range of LPI (Luna et al., 2002)
| LPI | Level of liquefaction damage |
| 0 | No liquefaction |
| 0<LPI<5 | Minor damage |
| 5<LPI<15 | Moderate damage |
| 15<LPI<100 | Major damage |
8. 결론 및 요약
본 연구에서는 2017 포항지진 시 액상화 가능성이 높았던 5곳의 부지를 분석하였다. 상기 분석은 액상화 간편법(Simplified method)을 사용하여 액상화 발생 및 위험도 평가를 수행하였다. 액상화 간편법은 진동전단응력비(CSR)와 진동전단저항비(CRR)의 비로 액상화 발생 여부를 판단한다. 액상화 발생은 깊이별 안전율로 평가되며, 국내에서는 ‘2020 기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령(안)(MOF and KISC, 2020)’ 통한 평가 방법을 제안하고 있다. 각각 수행된 액상화 평가 결과는 대상 지역의 액상화 발현 여부와 일치하였다. 결론 및 요약은 다음과 같다.
(1) CSR은 최대지반가속도(PGA)와 깊이별 응력에 관한 함수로 표현될 수 있다. 깊이별 CSR은 지반응답해석 시 등가선형응답해석을 적용하여 산정하였다. 지반응답해석을 위한 입력 지진파는 포항 지진파를 GMPE 응답스펙트럼에 보정하여 사용하였다. 해당 결과는 진원거리, 지반조건, 지하수위 등에 영향을 받는 것이 확인되었다.
(2) 간편법을 통한 안전율(Factor of Safety)은 CH1, CH2, CH4를 액상화 가능지역으로 CH3, CH5를 액상화 불가 지역으로 나타낸다. 해당 결과는 실제 발현 여부와 높은 연관성을 보인다.
(3) 본 연구는 액상화 피해 정도를 평가하기 위해 액상화가능지수(Liquefaction potential index, LPI)를 사용하였다. 액상화가능지수(LPI) 결과는 기존 행정안전부의 결과보다 높은 값을 나타낸다. 이는 행정안전부(MOIS, 2018)의 방법과 거리감쇠를 고려하는 방식의 차이로 판단된다.
