광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션과 상시미동 표면파 분석을 활용한 낙동강 삼각주 퇴적층의 액상화 평가
Analysis of Liquefaction Triggering in the Nakdong-river Delta Sediments Based on Broadband Hybrid Ground Motion Simulation and Microtremor Array Method
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Abstract
본 연구는 부산시 강서구 및 사상구 일대에 위치한 낙동강 삼각주 지대를 대상으로 상시미동 표면파 분석 및 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션 기법을 적용하여 국내 기준에 근거한 지반 액상화 평가를 실시하였다. 동래단층에 규모 6.2의 지진을 가정하였을 때, 연구 대상지의 지반운동은 전반적으로 국내 설계응답스펙트럼을 상회하였으며 액상화 발생 가능성 또한 높은 것으로 확인되었다. Idriss and Boulanger (2008)의 간편법에 의한 반복전단응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)는 전반적으로 비선형 지반응답해석의 깊이별 최대전단응력으로 산정한 값보다 크게 나타났다. 표준관입시험에 의한 CRR은 전반적으로 분산이 작았으나, 전단파 속도에 기반한 CRR은 전단파 속도의 작은 변화에도 민감하게 변하는 특성이 있으므로, 전단파 속도에 기반하여 CRR을 평가할 때는 전단파 속도의 정확도 및 깊이별 변화를 적절히 고려하여야 할 것으로 판단된다.
Trans Abstract
We present a case study of liquefaction triggering analysis performed in the Nakdong-river delta region, based on the shear wave velocities obtained by the Microtremor Array Method and the ground motions generated by the broadband hybrid ground motion simulation. Assuming a Mw6.2 earthquake occuring at the Dongrae fault, the ground motions at the studied sites exceeded the design spectra provided by the Korean Design Standard and many of the studied sites exhibited low factors of safety against liquefaction triggering. We found that the Idriss and Boulanger (2008) method yields larger Cyclic Stress Ratios (CSR), compared with the site response analysis based method. Cyclic Resistance Ratios (CRR) estimated from the shear wave velocity were sensitive to small changes in the velocity, which suggests that high accuracy and depth resolution are desired when the shear wave velocity is used to estimate the CRR.
1. 서 론
지반 액상화는 포화된 느슨한 사질토 지반이 지진과 같은 반복하중에 의하여 다져지면서 지반 내에 과잉 간극 수압이 발생하고 일시적으로 흙의 전단강도가 소실되어 액체처럼 거동하는 현상을 말한다(Seed and Idriss, 1971; Youd and Idriss, 2001). 흙의 전단강도가 일시적으로 소실되므로 다양한 형태의 지반 파괴가 발생 할 수 있으며, 지반 액상화 발생시 대표적인 현상으로는 모래 분사, 측방 유동, 지지력 파괴로 인한 기초 침하 등이 있다. 포화된 느슨한 모래질 지반에서 발생하므로 바다와 인접한 강 하류 인근 평야지대에서 주로 발생하며, 과거 사례들을 보면 주로 규모가 큰 (M > 6.5) 지진이 발생 했을 때 액상화 현상이 관측되었다(Kramer, 1996).
국외에서는 1964년 니가타 지진, 1971년 산 페르난도 지진, 2011년 동일본대지진(Mw9.1), 2011년 크라이스트처치 지진(Mw6.3) 등 여러 사례에서 지반 액상화 현상으로 인한 피해가 보고되었다. 국내의 경우 지진 관측 이래 두번째로 규모가 컸던 2017년 포항지진(Mw5.4) 당시 지반 액상화 현상이 최초 관측되었고, 포항 지진 이전에는 국내에서 지반 액상화 현상이 관측된 사례가 없었던 것으로 알려져 있다. 포항지진 당시 액상화 현상이 관측된 것도 상대적으로 작은 지진 규모를 고려하면 이례적인 사례라 할 수 있는데, 이는 5 km로 얕았던 진원 깊이와 포항 분지의 지반운동 증폭 작용 때문일 것으로 생각된다. 포항지진 당시 27,846건의 시설 피해가 기록되었으며, 약 546억 원의 재산피해와 135명의 부상자가 발생하였다(MOIS, 2017). 이 중 주거지 및 학교 시설물에 지반침하와 관련된 피해가 많이 발생하였으며 포항 지진 당시 발생한 지반 액상화 현상은 이러한 피해의 주요 원인으로 알려져 있다(Hwang and Lee, 2018).
건설산업기본법 제2조제4호에서 정하고 있는 건설공사의 내진설계의 경우 지진화산재해대책법 시행령 제10조에서 정한 내진설계기준 대상 시설에 대하여 KDS 17 10 00을 준용하여 내진설계가 이루어 져야 하며, 이는 액상화 평가를 포함한다. KDS 17 10 00 (4.7)에 따르면 “액상화 본평가에서 액상화 발생 가능성은 대상 현장에서 액상화를 유발시키는 진동저항전단응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)를 지진에 의해 발생되는 진동전단응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)로 나눈 안전율로 평가한다”라고 되어 있으며, “진동전단응력비는 구조물의 내진등급을 고려하여 부지응답해석을 수행하여 결정하고, 진동저항전단응력비는 현장시험 결과(N값, qc값, VS값 등)을 이용하여 결정한다.”라 명기되어 있다.
한반도 동남권 일대는 다수의 활성단층이 존재하는 것으로 파악되어 지진 재해도가 국내에서는 상대적으로 높을 것으로 예상되고, 부산 강서구 및 사상구 일대는 낙동강의 퇴적 작용으로 생성된 느슨한 모래질 및 실트질 지반이 낙동강 주변에 널리 분포하고 있어 인근에서 지진 발생 시 지반 액상화 현상의 발생 가능성이 높을 것으로 예상된다. 따라서, 해당 지역에서 향후 액상화 평가를 실시해야 할 경우가 많을 것으로 생각되나, 현재 국내 기준에 적용된 방법은 포항 지진의 경우를 제외하면 국내에서 검증된 사례가 없고 여태까지는 액상화 평가의 실무 적용 사례가 많지 않아 실무에서 액상화 평가 시 많은 어려움이 있다.
본 연구는 규모 6.2의 동래단층 가상지진에 대한 낙동강 델타 지역 내 5개소에서 액상화 평가를 실시하여, 가상 지진 시나리오에 대한 대상 지역의 액상화 발생 가능성을 검토하고 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)에 의한 N값과 상시미동 표면파 시험에 의한 Vs에 기반한 CRR 산정 방법의 적용성을 각각 검토하고자 한다.
각 위치에서 KDS 17 00 00 (4.7) 및 기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령(MOLIT, 2020)을 준용하여 CRR은 지반정보포탈에서 획득한 시추주상도 상의 N값과 상시미동 표면파 탐사로 도출한 Vs를 이용하여 결정하였으며, CSR은 Deepsoil V7.0을 이용한 비선형 1차원 지반응답 해석으로 결정하였다. 또한, 지반응답 해석의 입력 지진파는 Graves and Pitarka (2010, 2015)의 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션 방법을 적용하여 생성하였다. 평가 대상 지역에서 SPT-N 및 표면파 탐사 기반 Vs를 활용하여 결정된 CRR을 비교하여 두 가지 방법의 일관성을 검토하였다. 또한 가상 지진파에 의해 결정된 CSR을 SPT-N 및 Vs에 근거해 결정된 CRR과 비교하여 각 위치에서의 안전율을 산정하고, 가상 지진 시나리오에 대한 대상 지역의 액상화 발생 가능성을 검토하였다.
2. 이론적 배경
2.1 일반적 액상화 평가 절차
액상화 재해 평가의 단계는 일반적으로 액상화 민감도(susceptibility), 유발(triggering) 여부, 피해(damage) 발생 여부 평가의 세 단계로 이루어진다(Seed and Idriss, 1971). 흙의 지질 특성 및 토질 특성에 따라 액상화 민감도를 평가 할 수 있으며(Boulanger and Idriss, 2006; Bray and Sancio, 2006), 대상 지역의 지반이 액상화에 민감하다고 판단 될 시에는 유발(triggering) 여부 분석을 통해 액상화 발생 가능성을 평가 하게 된다. Seed and Idriss (1971)는 지반 액상화 유발 여부를 깊이별 안전율(Fs)로 평가하는 간편법(Simplified Mehthod)을 제안하였으며, 깊이별 안전율은 Eq. (1)과 같이 액상화 저항력을 나타내는 지표인 CRR과 지진 시 전단응력의 크기를 나타내는 지표인 CSR의 비로 평가한다.
CSR은 일반적으로 지반에 작용하는 최대 전단응력과 유효수직응력의 비에 비례하는 것으로 가정하며 다음 식으로 산정할 수 있다:
여기서, τmax는 깊이별 최대 전단응력, σv’는 유효 연직응력, amax는 지반 최대 가속도, g는 중력 가속도, 그리고 rd는 응력감소계수를 의미한다.
CRR은 주어진 하중 재하 횟수에서 지반 액상화가 발생하는 데 필요한 CSR값을 의미하며, SPT-N, CPT-qc, 전단파 속도 VS와 같은 현장 지반조사 결과를 통하여 경험적으로 결정된다. 일반적으로 지진 규모 Mw7.5의 지진 발생 시에 해당하는 CRR을 그래프 또는 수식을 이용하여 산정하게 되며, 상이한 규모의 지진에 대해 액상화 평가를 실시할 때는 규모 보정 계수(magnitude scaling factor, MSF)을 적용하게 된다.
2.2 국내 액상화 평가 절차
국내의 액상화 평가는 KDS 17 00 00:2018 내진설계 일반(MOLIT, 2018)을 준용하여 이루어지고 있다. 이 기준을 바탕으로 기존 시설물(기초및지반) 내진 성능 평가요령(MOLIT, 2020)에서는 내진설계 시 구체적인 액상화 평가 요령을 제시하고 있다. Fig. 1은 국내 기준에 의한 액상화 평가 흐름을 개괄적으로 보여 준다. 국내 기준에서 액상화 평가는 예비평가와 본평가로 나뉘어지며, 예비평가에서는 지하수위 위에 위치한 지층, 깊이가 20 m를 초과하는 지층, 세립토 함유랑이 35% 이상인 지층 등과 같이 액상화 현상이 흔히 나타나지 않는 조건에서는 본평가를 생략할 수 있도록 하고 있다.
Flowchart of Liquefaction Hazard Analysis
본평가에서는 Eq. (4)와 같이 Seed and Idriss (1971)의 액상화 간편법에 의해 안전율을 평가하도록 하고 있다.
여기서, CRR7.5은 지진 규모 7.5일 때의 반복전단저항응력비, CSR은 반복전단응력비, MSF는 규모 보정계수를 의미한다
2.2.1 CSR의 산정
액상화 본평가를 위하여 CSR의 산정할 때 KDS 17 10 00:2018은 “진동전단응력비는 구조물의 내진등급을 고려하여 부지응답해석을 수행하여 결정하고”라 명시하고 있다. 국외에서는 대상 지반 설계지반운동의 최대가속도에 경험적 응력감소계수 rd를 적용하여 Eq. (3)를 적용하여 간편하게 CSR을 산정하는 방법이 일반적으로 적용되고 있다. 다만, 기존 시설물(기초및지반) 내진 성능 평가요령(MOLIT, 2018)에서는 지반응답해석으로 깊이별 최대전단응력을 산정하여 응력감소계수를 이용하지 않고 지반의 동적특성을 반영한 깊이별 전단응력비를 필요한 깊이에서 직접 구하여 Eq. (2)로 CSR을 산정하도록 권고하고 있다.
Eq. (3)으로 지표 최대 지반 가속도와 깊이에 따른 응력감소계수를 적용하여 CSR을 산정하는 경우에는 지반운동 시간이력을 결정 할 필요는 없으며, 최대지반가속도는 설계스펙트럼, 지진재해도(Seismic hazard), 관측소의 지진기록, 지반운동예측식(Ground Motion Prediction Equation, GMPE) 등을 통해 결정될 수 있다(Kim et al., 2020). 그러나 KDS 17 00 00:2018을 준용할 경우 CSR은 부지응답해석을 수행하여 결정하여야 하므로 암반 깊이에서의 지진파 기록이 필요하다. 암반 지진파는 실 지진기록을 활용하거나 또는 인공합성 지반운동 시간이력을 사용할 수 있도록 하고 있으며, 실 지진 기록의 경우 국내와 유사한 판 내부 지역에서 계측된 지진파를 표준설계응답스펙트럼에 부합하도록 수정하여 적용하도록 하고 있다.
2.2.2 CRR의 산정
KDS 17 10 00:2018 (4.7)은 “진동저항전단응력비는 현장시험 결과(N값, qc값, VS값 등)을 이용하여 결정한다.”라 명기하고 있다. 해당 기준은 CSR을 구하는 상세 절차는 명시하고 있지 않으나, 기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령(MOLIT, 2020)은 Youd and Idriss (2001), Idriss and Boulanger (2008), Boulanger and Idriss (2014), 및 Kayen et al. (2013)에 근거한 CRR 및 CSR의 결정 방법을 권고하고 있다. Idriss and Boulanger (2008)은 Eq. (5)와 같이 SPT-N값에 상재압력, 해머 에너지 효율, 세립분 함량에 대한 보정을 실시한 (N1)60cs에 근거하여 CRR을 산정하는 방법을 제안하였다.
Kayen et al. (2013)은 표면파 탐사법의 일종인 주파수영역 표면파 해석기법(Spectral Analysis of Surface Waves, SASW)를 사용하여 일차원 전단파속도를 도출하였으며, 이를 활용하여 CRR 산정법을 제시하였다. 1기압(1 atm)의 조건에 대하여 보정된 현장 전단파 속도 Vs1을 이용하여 Kayen et al. (2013)이 제안한 CRR 산정식은 다음과 같다.
여기서, MW는 지진의 모멘트 규모, σ’vo는 유효상재하중, FC는 세립토 함유량(%)을 나타낸다.
3. 연구 대상 지역 및 가상 지진 시나리오
3.1 연구 대상 지역
본 연구의 대상 지역인 낙동강 델타 지역은 신생대 4기 퇴적층이 넓고 깊게 분포하고 있다. 선행연구에 따르면 이 지역의 기반암 깊이는 60~80 m에 달하며, 지진 발생시 상당한 지반운동 증폭 현상이 예상된다(Kim and Jeong, 2022). 또한, 최상층부에는 액상화 현상에 취약할 것으로 예상되는 느슨한 홀로세 모래질 퇴적층이 넓게 분포하고 있고, 인근 지역의 지진재해도가 상대적으로 높으므로 국내 타 지역에 비해서 액상화 위험도가 상대적으로 높을 것으로 예상된다.
본 연구에서는 Fig. 2와 같이 낙동강 인근에서 5개의 위치를 대상으로 액상화 평가를 실시하였다. 연구 대상지를 선정할 때는 낙동강 델타 지역 내의 공간적 지질 특성 변화를 고려할 수 있도록 대상지들이 상류측과 하류측 간에 적절히 이격되어 위치하도록 하였고, 표면파 시험으로 전단파 속도를 획득하기에 충분한 공간 확보가 가능한 장소들을 선정하였다. 또한, 전단파 속도 외에 액상화 평가에 필요한 지반 정보는 대상지 인근의 기존 지반조사 보고서들과 국토지반정보포털의 시추 주상도 자료를 활용하였다(https://www.geoinfo.or.kr).
Map of Studied Sites
Fig. 3은 연구 대상지를 기준으로 가장 가까운(반경 최소 1 m 이내에서 최대 300 m 이내) 시추공에서 획득한 토질주상도들을 보여 준다. Site 1의 경우 삼각주 외곽에 위치하며 세립토층이 존재하지 않는 특성을 보였다. 낙동강 삼각주 지역의 세립토는 해침이 일어나 해수면이 상승했던 시기에 주로 퇴적된 것으로 알려져 있으며, 따라서 Site 1은 해침의 영향을 거의 받지 않은 것으로 판단된다. Site 2는 상층부의 매립토층과 자연퇴적층에 자갈이 혼재되어 있어 일부 표준관입시험의 N값이 높게 측정되었으며, 지하수위가 6.8 m로 다른 Site들에 비해 상대적으로 깊게 측정되었다. Site 3은 Site 2와 지층 구성은 유사하였으나 상대적으로 지하수위가 높은 특징을 보였다. Site 4와 5도 지층 구성은 유사하였으나 바다에 가장 가깝게 위치한 Site 5가 상대적으로 더 두터운 세립토층을 가지고 있으며 기반암층도 더 깊은 것으로 나타났다.
Geologic Profiles of Studied Sites
3.2 가상 지진 시나리오
낙동강 델타 지역 인근에는 활성단층으로 알려진 양산단층, 울산단층을 포함하여 여러 단층대가 분포하고 있으며, 그중 양산단층은 델타지역을 관통하고 4기 역층 퇴적 이후에도 활동했음으로 알려져 있다(Kyung, 2010). 또한, Park et al. (2021)이 한반도를 대상으로 한 지진재해도 분석 결과는 동남권의 지진재해도가 국내 타 지역에 비해서 높은 수준임을 시사하고 있다.
본 연구는 낙동강 델타지역에서 액상화 피해를 유발할 수 있을 만한 위치에서 가상의 지진을 가정하여 Graves and Pitarka (2010, 2015)의 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션으로 연구대상지의 지진파를 생성하고 액상화 평가에 활용해 보고자 하였다. 연구 대상지 인근 주요 단층으로는 양산단층, 동래단층, 일광단층, 밀양단층 등이 있으며, 본 연구는 동래단층에서 규모 6.2의 지진이 발생하는 경우를 가정하였다. Fig. 2와 같이 진앙은 부산시 금정구 일대에 위치하는 것으로 가정하였으며, 가장 가까운 Site 1까지는 약 8 km, 가장 멀리 위치한 Site 5까지는 약 27 km 가량 떨어져 있다.
4. 연구 방법
4.1 상시미동 표면파 탐사
본 연구는 선행 연구인 ‘상시미동 표면파 분석에 의한 김해평야 퇴적층 심부 전단파속도 결정(Kim and Jeong, 2022)의 자료에 기반하여 각 사이트의 전단파 속도 주상도를 도출하였다. 상시미동 표면파를 측정하고 분산곡선을 도출하기 위하여 Nanometrics사의 이동식 속도 지진계 Trillium Compact 20s 6기를 원형의 배열로 설치하였다. 센서 배열로 표면파 분산곡선을 도출 할 경우 측정 가능한 파장의 범위는 센서간 최소 및 최대 간격에 의해 달라지기 때문에, 최대한 넓은 대역폭에서 분산곡선을 도출하기 위해 Fig. 4와 같이 다양한 직경의 원형 배열(예, 5 m, 15 m, 50 m, 150 m, 400 m)로 설치하여 각 사이트에서의 지반의 상시미동을 각 배열당 1시간씩 계측하고, High-resolution frequency-wavenumber (HFK) 방법으로 주파수-파수 영역에서 빔포밍 분석을 실시하여 레일리파 분산 곡선을 도출하였다(Capon, 1969).
Installed Portable Seismometer and an Example of Sensor Array for the Microtremor Array Method
도출한 고유모드 레일리파 분산곡선을 타겟으로 하여 역해석 프로그램 Dinver를 사용하여 표면파 분산곡선 역해석을 수행하였다. 액상화 평가 시 깊이 20 m 이내 천부 퇴적층 물성치의 깊이에 따른 변화를 세밀하게 반영할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 모든 사이트에서 단주기 대역의 분산곡선 확보를 위해 지진계 배열의 최소 직경을 5 m로 충분히 작게 설정하였다. 역해석시 17개의 지층을 가정하였으며, 기반암층은VS =3500m/s의 반무한층으로 가정하였다. 전단파 속도 역전을 유발할만한 지질 조건(예, 퇴적층 상부에 화산암층과 같은 단단한 층이 존재하는 경우)은 없으므로 전단파 속도 역전은 일어나지 않는 것으로 가정하였다. Fig. 5는 역해석으로 도출된 각 사이트의 전단파 속도 주상도를 보여 준다. 역해석시, 각 사이트당 약 25만개의 트라이얼 주상도가 고려되었다. Fig. 5에서 회색 실선들은 역해석 결과 misfit 값이 작은 순서대로 1,000개의 전단파 속도 주상도를 나타내며, 검은색 실선은 misfit 값이 제일 작은 속도 주상도를 나타낸다.
Vs Profiles of Studied Sites Obtained by the Microtremor Array Method. Gray Lines Represent the Best 1000 Vs Profiles in Terms of the Misfit Value. Solid Black Lines Represent the Vs Profiles of the Lowest Misfit
4.2 지반운동 결정
KDS 17 10 00:2018은 액상화 평가를 위해 CSR을 결정 할 때 대상지의 지반응답해석을 수행하도록 하고 있다. 지반응답해석을 위해서는 대상지 암반층에서의 설계 지진파가 결정되어야 하는데, 암반에서의 설계 지진파는 국내여건과 유사한 판 내부 지역의 암반에서 계측된 실지진 기록을 표준설계응답스펙트럼에 맞추어 수정 적용하거나 인공합성 지진파를 사용할 수 있다.
그러나 실무에서 액상화 평가 또는 지진응답해석을 위해 지진파를 선정하다 보면 대상지의 지진 환경 및 지각 구조와 유사한 환경에서 기록된 지진파를 확보하기가 어려운 경우가 많다. 본 연구는 Graves and Pitarka (2010, 2015)의 물리기반 광대역 하이브리드 시뮬레이션 기법을 적용하여 동래단층 상에 MW6.2의 가상 지진을 대상으로 시뮬레이션을 실시하여 연구 대상지의 암반 지진파를 생성하였다.
광대역 하이브리드 시뮬레이션 기법은 운동학적(kinematic) 유한단층 지진원 모델을 생성하여 단층면의 크기, 단층면 상의 변위, 파열 시간 및 면선각(rake)의 불확실성이 지진파에 미치는 영향을 모사할 수 있다. 본 연구는 Graves and Pitarka (2010, 2015)의 방법을 적용하여 운동학적 유한단층 지진원 모델을 생성하였다. 지진원 모델 생성에 사용된 입력값들은 Table 1에 정리되어 있으며, Fig. 6은 생성된 지진원 모델의 크기, 위치 및 단층면 상의 변위 분포의 보여 준다. 지진 발생시 단층의 파열 면적은 모멘트 규모와 상관관계를 보이는 것으로 알려져 있는데, 본 연구에서는 판 내부 지역을 대상으로 개발된 Leonard (2010)의 규모-단층면적 관계식을 이용하여 모멘트 규모로부터 단층 파열면의 면적을 추정하였다.
Location and Fault Parameters of the Hypothetical Earthquake
Surface Projection of the Hypothetical Fault Slip Distribution
본 연구에서 지진파의 저주파 성분은 3차원 점탄성 파동방정식을 유한차분법(staggered-grid finite- difference scheme)으로 계산하였다. 이 과정에서 한반도 지각 내에서 일어나는 지진파의 전파 양상을 최대한 사실에 가깝게 모사하기 위해 Kim et al. (2017)의 남한지역 3차원 지각 속도구조 모델을 적용하였다. Fig. 7은 저주파 성분의 시뮬레이션에 적용된 3차원 속도구조 모델의 단면들을 보여 주고 있다. 저주파 성분에 대한 지반운동 시뮬레이션은 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 운용 중인 슈퍼컴퓨터 5호기 누리온에서 Xeon Phi 코어 1,600개를 사용해 4시간 정도 소요되었다.
Surface Projection of the Hypothetical Fault Slip Distribution
고주파 성분의 지진파는 단층 파열면을 다수의 부분단층으로 분할하여 각각의 부분단층에 대한 지진원 스펙트럼을 생성하고 등가의 1차원 지각속도구조 모델에 해당하는 단순화된 그린함수(Green’s function)를 적용하여 계산한다(Graves and Pitarka, 2010). 본 연구에서는 고주파 대역의 시뮬레이션에 Kim et al. (2011)의 속도모델을 채택하였는데, 해당 모델은 최상층부의 두께가 3.56 km로 천부층의 해상도가 낮아 해당 층 내의 속도구조가 지반운동에 미치는 영향을 효과적으로 반영하지 못할 것으로 판단되어 미국 동부지역 1차원 속도모델의 최상층 부분과 병합하여 사용하였다. 주요 입력 파라미터로는 고주파 감쇠 상수 Q, 스펙트럼 감쇠 상수 κ와 Brune stress parameter Δσ가 입력값으로 필요하며, 국내 선행연구를 참조하여 κ=0.016 (Jo and Baag, 2003), QS =150 VS, QP =2QS, Δσ=5.0MPa을 적용하였다.
f <1Hz의 저주파 대역의 지진파는 3차원 유한차분법을 통한 저주파 시뮬레이션으로 생성하고, f >1Hz의 고주파 대역의 지진파는 1차원 그린함수를 적용한 단순화된 방법으로 생성한 후 저주파와 고주파 대역의 지진파를 4차 버터워스(Butterworth) 필터를 적용한 매치-필터링 기법으로 병합하여 광대역 지진파를 생성하였다. 지반운동 시뮬레이션에 적용된 속도모델에는 낙동강 델타지역 퇴적층 구조는 반영되어 있지 않으므로 생성된 광대역 지진파는 액상화 분석에서 지반응답해석의 입력값으로 필요한 암반 지진파로 간주할 수 있다.
4.3 지반응답 해석 및 CSR 산정
가상 지진에 대한 암반 지진파를 입력 지진파로 적용하여 DEEPSOIL V7.0 프로그램으로 비선형 지반응답해석을 수행하였다. 지반응답 해석시 흙의 비선형 거동은 일반적으로 변형율의 크기에 따른 G/Gmax 곡선 및 감쇠 곡선을 통해 표현하는데, 본 연구에서 사질토는 Seed and Idriss (1970)가 제안한 사질토의 G/Gmax 평균 곡선을 적용하였으며, 점성토는 Vucetic and Dobry (1991)가 제안한 식을 사용하였다. 또한, 전단응력과 전단변형율과의 관계는 General Quadratic/ Hyperbolic (GQ/H) 모델을 적용하였다(Groholski et al., 2016).
Fig. 8은 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션으로 도출한 연구 대상지 암반층의 지반운동과 지반응답해석의 결과를 통해 도출한 지표면 지진파를 보여 준다. Site 1이 진앙에서 가장 가까운 곳에 위치하고 Site 번호가 커질수록 진앙에서 멀어지므로 도달 시간이 지연되고 전반적으로 진폭이 줄어드는 경향을 확인할 수 있다. 연구 대상지는 퇴적층의 깊이가 깊고 지반이 연약하여 지표면 지진파에서 장주기 대역의 파형이 발달함을 확인할 수 있다. 반면, 암반 지진파에 비해 지표에서는 대상 지역 모두에서 단주기 성분이 다소 감소하였으며, 최대 지반 가속도(Peak Ground Acceleration, PGA) 또한 지표에서 다소 감소하였다.
Acceleration Time Series Obtained from the Ground Motion Simulation and the Site Response Analyses at the Studied Sites
Fig. 9는 연구 대상지의 암반 및 지표 지진파의 가속도 응답스펙트럼들을 보여 준다. 본 연구에서 고려한 MW6.2의 동래단층 가상 지진시 연구 대상지 전체에서 국내 내진설계 기준의 표준설계응답스펙트럼을 크게 상회하는 결과가 나타났다. 진앙에서의 거리가 8 km로 다소 가깝게 위치한 Site 1에서는 암반 지진파의 PGA가 0.4 g를 상회하는 것으로 나타났고, 진앙에서 20 km 이상 떨어진 Site 5에서도 암반 지진파의 PGA가 0.2 g 이상으로 설계기준을 다소 상회하는 결과가 나타났다.
Acceleration Response Spectra Obtained from the Rock and Surface Ground Motions at Each Site, Compared with the Standard Design Spectrum for S1 (rock) Sites
각 사이트에서의 CSR은 지반응답해석의 결과로부터 깊이별 τmax를 도출하고 Eq. (2)를 적용하는 방법과 Idriss and Boulanger (2008)가 제안한 지표최대가속도와 응력감소계수를 적용하는 방법 모두를 사용하여 도출하였다. Fig. 10은 비선형 지반응답해석을 통하여 산정한 CSR값과 Idriss and Boulanger (2008)의 간편법을 통하여 산정한 CSR값을 비교하고 있다. 본 연구에서 고려된 모든 사이트에서 Idriss and Boulanger (2008)의 간편법을 통한 CSR 값이 크게 산정되었으며, 따라서 해당 방법이 비선형 지반응답해석의 깊이별 τmax를 적용하는 방법보다는 안전율을 낮게 산정하여 보수적인 평가가 되는 것으로 생각할 수 있다.
CRR, CSR, Fs Calculated at Each Site by the SPT-based Approach and the Vs-based Approach. CSRs were Calculated by the Stress Reduction Factor Method (Idriss and Boulanger, 2008) and the Non-linear Site Response Analysis Method (MOLIT, 2018)
4.4 SPT-N값 및 Vs를 이용한 CRR 산정
SPT의 경우 관입 제약 조건이 적으며, 시료 회수를 통해 깊이별 주상도를 확인할 수 있지만 액상화에 취약한 얇은 지반층에 대한 분석이 어려우며, 전단파속도의 경우 자갈층과 같이 SPT나 CPT의 적용이 어려운 지반에도 적용이 가능하나, 비파괴 검사 특성상 미소 변형율 영역에서의 거동 특성만을 직접적으로 고려할 수 있다는 특징이 있다.
각각의 현장시험 방법들은 고유의 장단점을 가지고 있으므로, 가능하다면 여러 현장시험 방법들을 상호 보완적으로 동시에 적용 하는 것이 바람직하다. 국외에서 개발된 여러 현장시험 기반 CRR 산정식들은 개발 당시 활용된 데이터 중 상당수가 중복으로 활용되었을 것이며, 개발 당시 활용된 데이터가 얻어진 지반 조건과 유사한 지반에서 적용된다면 다양한 현장시험 기반 CRR 산정식들이 전반적으로 일관성 있는 결과를 도출할 수 있을 것으로 예상된다. 그러나, 현재 실무에서 통용되는 여러 CRR 산정식들은 국내에서 발생한 액상화 발생 자료를 포함하고 있지 않으므로, 다양한 현장시험에 기반한 CRR 산정식을 국내에서 동일한 위치에 동시에 적용했을 때 일관성 있는 결과를 보이는지 여부는 확인이 필요하다.
본 연구는 Eq. (5)의 (N1)60,CS 기반 CRR 산정식(Idriss and Boulanger, 2008)과 Eq. (6)의 VS1기반 CRR 산정식(Kayen et al., 2013)을 적용하여 각 사이트의 CRR을 산정하고, 두 방법의 일관성을 검토하고자 하였다. Idriss and Boulanger (2008)의 방법으로 CRR을 산정할 때는 각 사이트 인근의 시추주상도를 국토지반정보포탈을 통하여 획득하고 시추주상도 상의 N값을 유효수직응력, 에너지 효율 및 세립토 함유량에 대한 보정을 통하여(N1)60,CS으로 변환하였다. 이때, 유효수직응력 결정에는 시추주상도 상의 지하수위 및 주변 흙의 일반적인 단위중량을 가정하였고, 세립토 함유량은 각 사이트 인근의 지반조사 보고서들을 참조하여 가정하였다.
Kayen et al. (2013)의 방법으로 CRR을 산정할 때는 평가대상 깊이에서의 유효응력을 고려하여 1기압 조건에 대하여 보정된 현장 전단파 속도 Vs1를 적용하였다(Robertson et al., 1992). 이 때, 전단파 속도 주상도는 역해석 결과 중 최소의 misfit을 가지는 주상도를 사용하였다. 또한, Kayen et al. (2013) 방법에 기반한 CRR 산정시에도 세립분 보정을 실시하였다.
지반 액상화 현상은 지속적으로 작용하는 반복하중에 의해 신속하게 과잉간극수압이 축적되며 발생하므로, 반복하중의 지속 시간이 길어질수록 액상화 현상의 발생이 쉽다. 일반적으로 규모가 큰 지진일수록 단층 파열 면적이 넓어지며, 이에 따라 지진동의 지속 시간이 길어지는 경향이 있다. 현재 실무에서 통용되는 대부분의 CRR산정식은 규모 7.5의 지진을 대상으로 개발되어 있으며, 더 작은 규모의 지진에 적용시는 지진파의 반복하중 지속시간이 짧아짐에 따라 CRR을 상향 보정하는 것이 일반적이다.
KDS 17 10 00:2018은 액상화 평가시 설계지진 규모는 지진구역 I, II 모두 규모 6.5를 적용할 것을 규정하고 있다. 또한, 기존 시설물(기초 및 지반) 내진 성능 평가 요령(MOLIT, 2020)은 규모 6.5에 대응하는 규모보정계수로 MSF=1.5를 추천한다. Fig. 10은 MSF=1.5를 적용하여 두 시험에 의한 CRR을 모두 규모 6.5에 관한 값으로 환산하여 나타내고 있다. 두 가지 다른 방법에 의한 CRR 값이 일관적인 경향을 보였으면 좋았겠지만, 안타깝게도 본 연구지역에서 Idriss and Boulanger (2008) 방법과 Kayen et al. (2013) 방법은 전반적으로 상이한 결과를 나타내고 있으며, 두 방법의 일관성 여부는 한 사이트 내에서도 깊이에 따라 큰 변동성을 보임을 확인하였다.
5. 액상화 평가 결과
Idriss and Boulanger (2008)의 응력보정계수 기반 간편법 및 깊이별 τmax를 직접적으로 적용하는 방법 모두를 적용하여 5개의 사이트에서 CSR을 평가하였다. 또한, Idriss and Boulanger (2008)의 (N1)60,CS기반 산정식 및 Kayen et al. (2013)의 Vs1기반 산정식을 적용하여 CRR을 평가하였다. MSF=1.5을 적용하고 CSR과 CRR을 평가하는 데 적용된 모든 방법을 조합하여 Fig. 10과 같이 깊이별 안전율을 계산하였다.
이때, 액상화 예비평가를 통해 액상화 현상에 대해 안전하다고 여겨지는 깊이는 안전율 계산에서 제외하였다. 낙동강 델타 지역은 지표층에 약 10~15 m에 달하는 사질토층이 분포하고, 깊이가 증가함에 따라 해수면 상승의 영향을 받은 세립질 해성 퇴적층이 두텁게 존재한다. 본 연구에서도 델타지역 외부 상류지역에 위치한 Site 1을 제외한 모든 사이트에서 10 m 전후 깊이에서 점토층이 시작되었으며 해당 지층은 안전율 계산에서 제외하였다. 또한, 지하수위보다 얕은 층은 본평가에서 제외하였는데, 특히 Site 2는 다른 사이트에 비해 지하수위가 6.8 m로 다소 깊게 분포하여 지표에서 20 m까지의 깊이 중 대부분이 안전율 계산에서 제외되었다.
규모 6.2 동래단층 가상지진에 대한 액상화 안전율 평가 결과, Site 1, 3, 4에서 전반적으로 액상화 발생 가능성이 높은 것으로 판단된다. Site 2는 액상화 발생 가능 지층에서의 안전율은 다소 낮으나, 지하수위가 상당히 낮고 전반적으로 액상화 발생 가능 지층의 두께가 얕음이 확인되었다. Site 5는 모든 방법의 조합에서 1 이상의 안전율을 나타내었고, 이는 Site 5에서 상대적으로 진앙에서 멀고 높은 감쇠비가 높은 점토층이 두텁께 분포함과 관련이 있을 것으로 생각된다.
앞서 언급하였듯이, 5개의 사이트 모두에서 Idriss and Boulanger (2008)의 간편법에 의한 CSR이 비선형 지반응답해석을 통해 도출한 깊이별 τmax에 비해 다소 큰 것으로 나타났다. Idriss and Boulanger (2008)의 방법으로 (N1)60,CS에 기반하여 산정한 CRR은 깊이에 따른 변화가 있기는 하지만 고려된 모든 사이트에서 CRR=0.15 ∼ 0.25로 어느 정도 일정하게 분포하는 것을 확인하였다. 그러나 Kayen et al. (2013)의 VS1기반 CRR은 변동 폭이 다소 큰 것으로 나타났다. 이는 VS1=200m/s전후에서 CRR값이 급격히 변하는 VS1기반 CRR 산정식의 특징과 연관이 있는 것으로 보인다. 본 연구에서는 Site 1과 5에서 타 사이트들과 비교했을 때 (N1)60,CS대비 큰 VS값을 확인하였으며, 결과적으로 VS1에 의한 안전율이 (N1)60,CS에 의한 안전율보다 현저히 크게 평가되었다.
(N1)60,CS와 VS1에 의한 CRR의 평가가 일관성 있는 결과를 나타내면 바람직하겠지만, 흙의 종류 및 구성에 따라 (N1)60,CS와 VS1간의 상관관계가 상이할 것이며, 이에 따른 CRR 값의 차이가 존재 할 것으로 예상된다. 또한, 표면파 탐사법에 의한 전단파 속도 주상도는 해당 방법의 비고유성(non-uniqueness)때문에 상당히 큰 불확실성을 내포할 수 있는데, 전단파 속도의 오차는 CRR 값에 미치는 영향이 상당히 크므로 표면파 탐사법을 액상화 평가에 활용할 때는 얕은 깊이에서의 정확도를 확보하고 깊이에 따른 속도의 변화를 충분히 반영할 수 있도록 각별한 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다.
6. 결 론
동래단층에 규모 6.2의 가상지진 시나리오를 가정하고 낙동강 델타 지역 내 5곳의 위치에서 액상화 평가를 수행하여, 가상지진에 대한 대상 지역의 액상화 발생 가능성을 검토하고 표준관입시험과 상시미동 표면파 시험에 기반한 CRR 산정 방법의 적용성을 각각 검토하였다. 연구 대상지는 고려된 가상지진에 대하여 전반적으로 높은 액상화 발생 가능성을 나타내었다.
연구 대상지에서 6기의 속도지진계를 활용하여 다양한 직경의 원형 배열로 상시미동을 측정하고, 레일리파 분산곡선을 역해석하여 전단파 속도 주상도를 도출하고 Kayen et al. (2013)의 방법을 적용하여 VS1기반 CRR을 산정하였다. 또한, 각 사이트 인근의 토질 주상도에서 깊이별 토질 분류 및 N값을 획득하고 Idriss and Boulanger (2008)의 방법을 적용하여 (N1)60,CS기반 CRR을 산정하였다.
연구 대상지에서 CRR을 평가함에 있어 Idriss and Boulanger (2008)의 방법과 Kayen et al. (2013)의 방법은 다소 상이한 결과를 나타내는 것을 확인하였다. 흙의 종류 및 구성에 따라 (N1)60,CS와 VS1간의 상관관계가 상이함에 따른 CRR 값의 차이가 다소 클 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 전단파 속도의 오차가 CRR에 미치는 영향이 상당히 크므로 얕은 층에서 전단파 속도의 정확도를 확보하고 깊이에 따른 변화를 충분히 반영할 수 있도록 해야 할 것으로 판단된다.
Leonard (2010)의 지진규모-단층면적 상관관계를 적용하여 가상지진의 단층 파열 면적을 추정하고 Graves and Pitarka (2010, 2015)의 광대역 하이브리드 지반운동 시뮬레이션 기법을 적용하여 가상지진에 대한 연구 대상지역의 암반 지진파를 생성하였다. 생성된 암반 지진파는 KDS 17 10 00에서 제안하는 설계응답스펙트럼을 상회하는 것으로 확인되었다.
역해석으로 획득한 전단파 속도 주상도와 시뮬레이션으로 생성한 암반지진파를 적용하여 비선형 지반응답해석을 실시하고 지표 지반운동 시간이력, 최대 가속도 및 깊이별 최대 전단응력을 도출하였다. Idriss and Boulanger (2008)의 간편법 및 계산된 깊이별 τmax를 적용하는 방법 모두를 적용해 CSR을 산정하였다. 본 연구의 결과에서는 Idriss and Boulanger (2008)의 간편법이 계산된 깊이별 τmax를 적용하는 방법보다 CSR을 더 크게 평가하는 것을 확인하였다.
감사의 글
이 논문은 2021~2022년도 창원대학교 자율연구과제 연구비 지원으로 수행된 연구결과임.