Investigation of Pohang Earthquake Liquefaction Using 1D Effective-Stress Site Response Analysis

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(1)한국지반공학회논문집 제34권 8호 2018년 8월 pp. 37 ～ 49 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY Vol.34, No.8, August 2018 pp. 37 ～ 49. ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2018.34.8.37. 1차원 유효응력개념의 지반응답해석을 통한 포항지진의 액상화 현상 규명 Investigation of Pohang Earthquake Liquefaction Using 1D Effective-Stress Site Response Analysis 안 재 광. 1. 최 재 순. 3. 백. Ahn, Jae-Kwang. 곽. Choi, Jae-Soon. 우 현. 2. 동 엽. 4. Baek, Woo-Hyun Kwak, Dong Youp. Abstract Since the observation of ground motions in South Korea, liquefaction manifestation was the first to be observed in Pohang earthquake in 2017 with ML 5.4. Because liquefaction causes ground settlement and lateral spread damaging in-ground or super structures, various researchers have been analyzing the Pohang liquefaction case history to better understand and predict liquefaction consequence and to prevent future disasters. In prior research at the 2018 EESK conference, a map of Liquefaction Potential Index (LPI), indicating the severity of liquefaction, in Pohang was created and compared with damage observations. The LPI correlated well with the observations, but the severity categorized by LPI range was significantly higher than the actual observations in most regions. The prior LPI map was created evaluating ground motions using the simplified approach. In this research, we perform the effective site response analyses with porewater pressure generation model for the detailed evaluation of liquefaction on the liquefied sites in Pohang. We found that the simplified approach for LPI evaluation can overestimate the severity.. 요. 지. 지진에 의해 액상화 현상이 발생하면 지반의 침하 혹은 측방유동으로 지중 및 상부 구조물의 손상을 유발하기 때문에 이를 사전에 예측·대비하는 것이 매우 중요하다. 2017년 11월 15일에 발생한 ML = 5.4의 포항지진은 국내 지진 관측이래 액상화 피해사례가 처음으로 접수되었으며 연구자들이 이에 대한 분석을 수행 중이다. 2018년 춘계 한국지진공학회에서 발표된 포항지역의 액상화 위험지도의 경우 지반조사 결과만을 활용하여 LPI(Liquefaction Potential Index)를 계산하고 대상지역의 피해를 추정하였다. 이때 보고된 결과에 따르면 포항지역이 전반적으로 액상 화에 취약하며 상대적으로 위험해 보이는 지역은 실제 피해가 발생했던 지역과 유사하였다. 하지만 액상화 위험도는 실제 발생한 피해보다 과대 예측하였기에 액상화 피해수준 범위에 문제점이 제기되었다. 따라서 본 연구에서는 액상 화 현상이 관측된 구간에서 1차원 지반응답해석을 수행하여 액상화 발생가능성을 분석하였다. 그 결과 지반분류에 따른 평가로부터 얻어진 LPI는 액상화 위험지도를 작성 시에 과대예측 할 수 있는 것으로 나타났다. 1 2 3 4. 정회원, 기상청 지진화산연구과 연구사, 공학박사 (Member, Researcher, Earthquake and Volcano Research Division, KMA) 비회원, 서경대학교 토목건축공학과 연구원 (Researcher, Dept. of Civil & Architecture Engrg., Seokyung Univ.) 정회원, 서경대학교 토목공학과 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil & Architecture Engrg., Seokyung Univ.) 정회원, 한양대학교 건설환경공학과 조교수 (Member, Assistant Prof., Dept. of Civil and Environmental Engrg., Hanyang Univ., ERICA, Tel: +82-31-400-5141, [email protected], Corresponding author, 교신저자). * 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2019년 2월 28일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.. Copyright © 2018 by the Korean Geotechnical Society This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.. 1차원 유효응력개념의 지반응답해석을 통한 포항지진의 액상화 현상 규명. 37.

(2) Keywords : Liquefaction, LPI, Liquefaction potential index, CSR-N curve, Site response. 실제 액상화 사례와 비교한 결과는 Fig. 2에 도시하였으. 1. 서 론. 며, 액상화에 ‘매우 위험’으로 판정된 지역에서 피해들 2017년 11월 15일 포항지진(ML = 5.4)으로 인해 포항. 이 또한 확인되었다. 여기서 ‘매우 위험(LPI > 15)’ 등급. 지역에서 국내 기상 관측 이래 최초의 액상화 현상이. 은 액상화로 인한 심각한 피해가 발생할 수 있음을 의미. 관측되었다(Fig. 1). 그 후 포항지역 액상화에 대한 연구. 한다. 하지만 Fig. 2에 제시된 위치에서 조사된 액상화. 가 활발히 진행되고 있다. Baek et al.(2018)은 포항지역. 피해는 경미한 수준으로 확인되었다. 따라서 LPI의 계산. 액상화 위험지도를 Iwasaki et al.(1978)가 제안한 LPI. 법과 액상화의 LPI의 산정은 CSR과 CRR의 비로 계산되. (Liquefaction Potential Index)기법을 사용하여 제안하였. 는 안전율(CRR/CSR)에 기반을 두고 있다. CSR의 경우. 다. LPI는 진동전단응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)와. 지반분류에 따른 증폭계수를 적용하여 지표면에서의 최. 진동저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)의 비로. 대지반가속도를 구한 후 Seed and Idriss(1971)이 제안한. 결정되는 각 심도별 안전율의 합을 기반으로 평가되며,. Simplified Method를 이용하거나 지반응답해석 결과를. 계산된 LPI 범위에 따라 대상 지반의 액상화 피해정도. 바탕으로 산정한다. CRR의 경우 주로 콘관입시헙(Cone. 가 예측된다. Baek et al.(2018)의 위험지도를 바탕으로. Penetration Test, CPT), 표준관입시험(Standard Penetration. Fig. 1. Liquefaction sites in Pohang (MOIS, 2018 Feb 7): (a) locations, (b) soil boiling in Mangchun-li. Fig. 2. Liquefaction hazard map in Pohang with respect to PGArock = 0.14g (Baek et al., 2018). 38. 한국지반공학회논문집 제34권 제8호.

(3) Test, SPT) 결과 혹은 전단파속도(Shear-wave Velocity,. 여기서 z는 깊이, w(z)는 액상화 발생 깊이를 고려하. Vs)와의 연관식을 통해 산정하며, 일부 자갈지역의 경우. 기 위한 가중치함수 [w(z) = 10 - 0.5z], 그리고 F(z)는. BPT(Becker Penetration Test) 결과를 이용하기도 한다.. 각 깊이에서의 액상화에 대한 안전율(Fs = CRR/CSR)의. 국내의 경우 구축된 자료양이 많은 SPT의 결과를 주로. 함수이다. 기준 안전율이 1보다 작은 경우에는 F(z) =. 활용하고 있다.. 1 – Fs로 정의되며 안전율이 1보다 클 경우에는 0으로. Iwasaki et al.(1978)는 기존지진사례로부터 액상화와. 정의된다.. 비액상화 지역을 분류하고 대상구간별 SPT의 N값을 이 용하여 진동저항응력을 산정한 후 LPI를 계산하였다. 이. 2.1 진동저항응력비(CRR). 를 바탕으로 LPI와 피해 규모의 경험적 상관성을 최초 로 제시하였다. Toprak and Holzer(2003)는 USGS(U.S.. 다양한 연구자들이 진동저항응력비(CRR)의 산정법. Geological Survey)에서 수행된 CPT DB를 바탕으로 LPI. 을 제안하였지만 본 연구에서는 SPT를 기준으로 제안. 를 산정하고 피해유형의 상관성을 분석하였다. Lee et. 된 Idriss and Boulanger(2010)의 모델을 이용하였다:. al.(2004)은 Chi-Chi 지진으로 발생한 대만지역의 액상 화 사례와 CPT 자료를 기반으로 CRR를 산정한 후 LPI 를 계산하였으며 이때 얻어진 결과를 바탕으로 피해 규 모를 제시 하였다. Papathanassiou(2008)도 과거 피해사 례와 수집된 자료를 통해 계산된 LPI에 대한 새로운 피 해강도 기준의 등급범위를 제안하였는데, 이때 CRR는 SPT 결과를 사용하였다. 위 연구자들이 제안한 액상화 로 인한 피해정도는 피해사례를 기준으로 제시된 범위. CRRM 7.5. 2 ⎛ N  ⎛  N1 60CS ⎞ 1 60CS ⎜  exp ⎜ ⎟ ⎜ 14.1 ⎝ 126 ⎠ ⎝ 3 4 ⎞ ⎛  N1 60CS ⎞ ⎛  N1 60CS ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟  2.8 ⎟ ⎟ (2) ⎝ 23.6 ⎠ ⎝ 25.4 ⎠ ⎠.  N1 60CS   N1 60    N1 60. (3).  N1 60  CN CE CRCBCS N M. (4). 인 점에서 동일하지만, 적용된 CRR 계산방법 및 제안된 피해정도 범위가 다르다. 이와 같이 액상화 위험도 작성 시 피해정도 기준의 설정은 여전히 어려운 문제이다 (Maurer et al., 2014). 따라서 국내 액상화 위험도를 작 성할 때에도 액상화 위험 지수 계산방법 및 액상화에 따른 피해정도 가이드라인이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 액상화 의심 구간에 수행된 SPT 지반 조사 결과를 바탕으로 해당지역의 다양한 액상화 평가 를 수행하였다. CSR 산정시 유효응력 지반응답해석을 수행하였으며, Iwasaki et al.(1978)가 제안한 액상화로 인한 피해정도와 실제 피해수준을 비교하였다. 또한 LPI와 유효응력 지반응답해석의 간극수압비, 지진정보 등의 상관성을 분석하였다.. 2 ⎛ 9.7 ⎛ 15.7 ⎞ ⎞   N1 60  exp ⎜ 1.63  ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ FC  0.1 ⎝ FC  0.1 ⎠ ⎟⎠ (5) ⎝. 여기서 (N1)60CS는 등가 순수 사질토의 N치, (N1)60는 응력 및 관입 에너지 보정 N치, Δ(N1)60는 세립분 함유 량에 따른 증가분이다. NM은 현장에서의 측정 N치, CN 은 상재하중에 대한 보정, CE는 해머효율에 대한 보정, CB는 굴착공 직경에 대한 보정, CR은 롯드길이에 대한 보정, CS는 샘플러에 대한 보정이다. 이를 통해 계산되는 진동저항응력비는 M = 7.5일때의 값으로 규모에 따른 보 정이 필요하다. 규모보정계수(Magnitude Scaling Factor,. 2. LPI산정. MSF)산정은 Idriss(1999)가 제안한 식을 사용하였으며. Iwasaki et al.(1978)가 제안한 LPI는 식 (1)과 같이 계 산된다:. 이는 아래와 같다:. ⎛ M MSF  6.9 exp ⎜ ⎝ 4. ⎞ ⎟  0.058  1.8 ⎠. (6). 20. LPI  ∫ F ( z ) w( z )dz 0. (1). 여기서 M은 모멘트 규모이고 계산된 MSF가 1.8보다. 1차원 유효응력개념의 지반응답해석을 통한 포항지진의 액상화 현상 규명. 39.

(4) 크면 일률적으로 1.8을 적용한다. 본 연구에서는 실제. 대전단응력(τmax)을 통해 CSR을 산정하였으며 식은 아. 발생했던 지진을 기준으로 액상화 구간을 검토하였기. 래와 같다:. 에 포항지진 지역규모(ML) 5.4에 상응하는 MSF 값을 적 용하였다.. CSR  0.65.  max  v'. (9). 2.2 진동전단응력비(CSR) 진동전단응력비(CSR)는 지반분류에 따라 계산된 지 표면의 가속도에 감쇠계수를 적용하거나, 지반응답해석 을 수행하여 심도별 전단응력 혹은 가속도를 산정한다. 지반분류를 기준으로 CSR을 계산한 할 경우 Seed and Idriss (1971)가 제시한Simplified Method를 적용하였으 며 이는 식 (7)과 같다.. 심도별 최대전단응력은 주파수 영역의 등가선형 혹 은 시간영역의 비선형 지반응답해석을 통해 산정할 수 있다. 이때 수행되는 해석은 전응력해석으로 지진동에 따른 간극수압의 변화는 확인할 수 없다. 본 연구에서 추가적으로 수행된 유효응력해석은 3장에 자세히 기술 하였다.. 3. 응력 기반 간극수압 모델. s a   0.65  max  rdd  v' g v v. (7). 여기서 σv는 연직전응력, σv’는 연직유효응력, rd는 감 쇠계수이다. amax는 지표면의 최대지반가속도이다. 감쇠 계수 rd는 Golesorkhi(1989)이 제안한 경험식을 통해 계 산할 수 있다.. 흙 속의 정수압은 유효응력에 큰 변화를 유발하지 않 지만 비배수 상태에서의 반복하중이 작용하면 간극수 압이 증가하고 이로 인해 흙의 유효응력은 감소한다. 반 복하중 재하 시 흙의 간극수압은 분석방법에 따라 다양 한 모델들이 개발되어 있으며, 등가반복횟수(Seed et al., 1975), 누적 전단변형율 / 전단응력(Dobry et al., 1985; Ivsic, 2006), 그리고 누적에너지(Green and Mitchell, 2004). rdd  exp  ( z )   ( z )  M . 등의 모델들이 대표적으로 사용된다.. ⎛ z ⎞  5.133 ⎟ 11.73 ⎝ ⎠ z ⎛ ⎞  ( z )  0.106  0.118sin ⎜  5.142 ⎟ 11.28 ⎝ ⎠. Park and Ahn(2013)은 시간영역에서 간극수압의 상승.  ( z )  1.012  1.126sin ⎜. 을 예측하기 위해 Ivsic(2006)이 제안한 Damage parameter (8). (D)의 개념을 적용한 응력 기반모델을 개발하였다. Park and Ahn(2013)의 모델은 실내실험이나 문헌을 통해 얻 은 CSR – N곡선을 기반으로 입력변수 α, β, Dru=1.0, CSRt. 여기서, z는 심도, M은 모멘트 규모이다. 본 연구에. 를 비교적 쉽게 얻을 수 있고 이를 이용할 경우 지반의. 서 지반분류와 증폭계수는 행정안전부(MOIS, 2017)에. 간극수압의 상승을 잘 예측할 수 있는 것으로 보고된. 서 제정한 기준을 적용하였으며 이는 Table 1에 정리하. 바 있다(Park et al., 2015). 또한 Park and Ahn(2013)모. 였다.. 델은 각 시간단계별 수압증가의 모사가 가능하기에 시. 지반응답해석을 수행할 경우 응답해석으로 수행된 최. 간영역 동적 해석 프로그램에서 사용 할 수 있으며, 이. Table 1. Site classification (MOIS, 2017) Standard. Ministry of Interior Safety (2017). Site class. Bedrock depth, H (m). Average Vs, (m/s). Amplification factor. S1. < 1. -. -. S2. 1 ≤ H ≤ 20. > 260. 1.4. S3. 1 ≤ H ≤ 20. < 260. 1.5. S4. > 20. > 180. 1.4. S5. > 20. < 180. 1.3. S6. 40. 한국지반공학회논문집 제34권 제8호. Required specific site response.

(5) 는 1차원 지반응답해석인 Deepsoil v.6(Hashash et al.,. 다. 본 연구에서는 토출물이 발견된 망천리(MCL) 및 송. 2015)에 탑재 되어있다. 제시된 간극수압모델은 Park and. 도동(SDD) 2곳을 선정하여 유효응력 지반응답해석을 수. Ahn(2013)에 상세히 묘사되어 있다.. 행하고 LPI를 계산하였다. 망천리(MCL)의 시추공 위치 는 지표 토출물이 발견된 곳으로부터 10m 이격된 거리 이며, 기반암인 풍화암대는 심도 17.7~20.0m에 분포한. 4. 액상화 평가. 다. 송도동(SDD)은 송림그린공원으로 지표 토출물 발견 장소 인근에서 시추하였으며, 시추조사가 수행된 지표. 4.1 대상 구간 지반정보. 하부 25m까지 퇴적층이 나타났다. 대상구간의 지하수위 포항지진 이후 2017년 11월에 기상청과 국립재난연구. 는 지표하부 0.5~0.6m 지점에 존재한다. 시추조사 결과. 원에서는 액상화 의심사례 발생지역에 표준관입시험과. 및 전단파속도 주상도는 Table 2와 Fig. 3에 도시하였다.. Suspension PS logging 혹은 downhole tests를 수행하였. Fig. 3. Profiles for MCL and SDD: (a) SPT, (b) shear wave velocity Table 2. Layer properties Site. Layer. Thickness (m). Depth (m). Soil classification. Buried layer. 4.5. 4.5. ML. Soft. 1.1. 5.6. SM. Loose. 2.2. 7.8. CL. Soft. 0.7. 8.5. SC. Loose. 2.5. 11.0. SM. Medium. 4.4. 15.4. CL. Soft ~ Hard. Accumulation layer MCL. 2.3. 17.7. GM. Medium ~ Dense. Weathered soil. 1.3. 19.0. ML. Dense. Weathered rock. 1.0. 20.0. WR. 1.0. 21.0. SR. 7.0. 7.0. SM. Loose. Soft rock Accumulation layer SDD. Relative density or consistency. 7.3. 14.3. SM. Medium. Accumulation layer. 10.7. 25.0. CL. Soft. Soft rock. 1.0. 26.0. SR. 1차원 유효응력개념의 지반응답해석을 통한 포항지진의 액상화 현상 규명. 41.

(6) 곡선은 PI 지수와 깊이별 구속압 조건을 고려 할 수 있. 4.2 동적곡선 결정. 는 Darendeli(2001) 곡선을 사용하였고 자갈층과 풍화 본 연구에서는 심도별 수압의 변화를 확인하기 위하. 토는 흙 알갱이의 입도를 고려할 수 있는 Menq(2003). 여 1차원 지반응답해석 프로그램인 Deepsoil v6.0(Hashash. 곡선을 적용하였다. 흙의 유효응력 모사는 Park and Ahn. et al., 2015)을 사용하였다. 이때 점토와 사질토의 동적. (2013)의 모델을 사용하였다. 이때 시추조사가 수행된. Fig. 4. CSR-N curve : (a) Jumunjin sand (Park et al., 2011), (b-d) Nakdong river sand (Park et al., 2011), (e) silt (Boulanger and Idriss, 2006), (f) clay (Boulanger and Idriss, 2006) Table 3. Parameters of the excess pore water pressure for G/P&A model Soil component ML SM. SC. SP. 42. Relative density or consistency. α. β. Dru. 1.81. 1.6. 0.066. 0.17. 1.90. 1.0. 0.080. 0.14. Medium. 1.26. 1.2. 0.624. 0.175. Loose. 2.25. 1. 0.027. 0.10. Cu. D50. PI. Medium (hard) Loose (soft). 10. CSRt. Dense. 1.70. 1.4. 0.954. 0.15. Medium. 1.18. 1.1. 1.195. 0.13. Loose. 2.54. 0.9. 0.006. 0.10. Medium. 3.35. 1.6. 0.003. 0.05. Loose. 2.41. 1.3. 0.012. 0.05. CL. Soft. 6.69. 1.6. 2.370. 0.17. GM. Medium. 3.09. 6.17. 27. 0.93. 1.8. 2.668. 0.22. ML. Medium. 1.1. 17.39. 0.93. 1.6. 2.668. 0.22. 한국지반공학회논문집 제34권 제8호.

(7) 곳에 진동삼축실험과 같은 실내시험이 수행하지 않았. 로 모사하기 위해서는 계측기록이 필요하다. 진원과 가. 기에 지반 분류와 상대밀도를 고려하여 CSR-N곡선을. 장 가까운 관측소는 PHA2이나 대상구간과 PHA2관측. 결정하였다. 본 연구에서 사용된 CSR-N곡선은 Park et. 소가 서로 상이한 지질 구조에 위치하기에 PHA2를 기. al.(2011)의 국내 시료와 Boulanger and Idriss(2006)문헌. 반암 운동으로 사용하기에는 다소 문제가 있다(Ahn et. 에 제시된 Romero(1998)의 실트, Azzouz et al.(1989)와. al., 2018). 또한 대상 구간의 기반암 위치와 이곳에 도달. Andersen et al.(1988)의 점토 재료실험 결과를 활용하였. 한 지진파의 크기도 정확하게 파악하기 어렵다. 따라서,. 으며 이는 Fig. 4에 도시하였다. 최종적으로 해석시 사. 이와 같은 문제점을 보완하기 위하여 대상구간의 지진. 용된 입력변수는 Table 3에 정리하였다.. 환경(진원과의 이격거리, 규모, 지반 특성 등)을 고려한 강진기록을 PEER web site를 통해 수집하였다. 이때 설 정된 목표 지진 환경은 포항지진으로 발생된 액상화 구. 4.3 입력지진파 결정. 간의 환경과 유사하게 설명하였으며, 이때 깊이는 4km,. 포항지진으로 유발된 대상구간의 액상화를 수치적으. 규모는 5.4, 기반암 평균 전단파속도는 VS30=500m/s, 이. Fig. 5. Input motion response spectrums and target response spectrum of NGA2-West GMPE Table 4. Information of input motions No. Earthquake name Year. Station name. Magnitude. Fault mechanism. Rjb (km). Arias Rrup Vs30 PGA intensity (km) (m/sec) (g) (m/s). 1. Lytle creek. 1970. Wrightwood - 6074 Park. 5.33. Reverse Oblique. 10.7 12.14. 2. Coalinga. 1983. Anticline Ridge FF. 5.18. Reverse. 5.56 10.95 478.63. 3. Coalinga. 1983. Anticline Ridge Pad. 5.18. Reverse. 5.56 10.95 478.63. 0.25. 0.7. 4. Coalinga. 1983. Palmer Ave.. 5.18. Reverse. 9.89 13.84 458.09. 0.20. 0.2. 5. Coalinga. 1983. Skunk Hollow. 5.18. Reverse. 7.18 11.95 480.32. 0.18. 0.1. 6. Coalinga. 1983. Transmitter Hill. 5.18. Reverse. 4.16 10.03 477.25. 0.18. 0.3. 3.63 12.01 549.75. 0.21. 0.2. 10.57 15.25 545.66. 0.17. 0.2. 7. Whittier narrows. 1987. Alhambra - Fremont School. 5.27. Reverse Oblique. 8. Northridge. 1994. Beverly Hills - 12520 Mulhol. 5.28. Reverse. 486. 0.20. 0.1. 0.27. 0.7. 9. Northridge. 1994 Jensen Filter Plant Generator Building. 5.28. Reverse. 6.99 14.75 525.79. 0.16. 0.5. 10. Northridge. 1994. 5.28. Reverse. 10.21 17.33 508.08. 0.23. 0.2. 11. Northridge. 1994. Olive View Med FF. 5.28. Reverse. 9.15 16.63 440.54. 0.18. 0.2. 12. Northridge. 1994. Tarzana - Club House. 5.28. Reverse. 6.98 13.02 476.32. 0.26. 0.4. 13. 14383980. 2008. Olinda. 5.39. Reverse Oblique. 11.93 17.19 414.77. 0.13. 0.1. 14. Pohang. 2017. PHA2. 5.4. Reverse. 0.27. 0.2. Pacoima Kagel Canyon. -. -. -. 1차원 유효응력개념의 지반응답해석을 통한 포항지진의 액상화 현상 규명. 43.

(8) 격거리(Rrup)은 10~20km으로 설정하였다. 수집된 강진기. No. 14지진파로 수행된 MCL구간의 부지응답 유효응력. 록 13개와 PHA2에 기록된 포항지진(ML=5.4, 2017.11.15). 해석 결과를 시간에 따른 가속도 이력, S-Transform(ref). 을 해석에 적용하였으며, 적용된 지진파는 Table 4에 정. 를 이용한 시간대별 주파수 특성, 등가하중 반복횟 수. 리하였고 지진파의 응답스펙트럼은 Fig. 5에 도시하였다.. (equivalent number of uniform stress cyclic, N)를 도시 하였다. 이때 등가하중 반복횟수(N)은 Liu et al.(2001) 가 제시한 액상화 평가 시 사용할 수 있는 모델을 이용. 5. 해석결과 분석. 했으며 지진과 같은 불규칙한 반복 응력운동을 정현하 중의 등가 수로 나타낸 것이다.. 5.1 대상 구간의 유효응력 해석. MCL의 응답해석 결과, No. 2 지진파를 적용할 경우. 본 연구에서는 우선 간극수압의 증가를 모사하기 위. 심도 6m부터(Fig. 7b, e) 5초 이후 단주기 성분의 진동. 해 유효응력해석을 수행하였으며 이를 통해 계산된 깊. 이 증가하다 지표면에서 크게 감소하는 것으로 나타난. 이별 결과는 Fig. 6에 도시하였다. 간극수압비(P.W.P ratio). 반면 No. 14의 응답해석결과는 지표면에서 단주기성분. 가 1인 경우 액상화가 발생하였다 볼 수 있으며, 사용된. 의 진동이 지표면에서도 유지되는 것을 확인할 수 있다.. 14개의 입력 지진파 중 2개의 지진파(No. 2, No. 3)에서. 이에 대한 원인을 분석하기 위해 시간에 따른 간극수압. MCL과 SDD 모두 간극수압비가 1로 계산되었다. 수치. 비의 변화를 Fig. 9에 도시하였다. No. 2와 No. 14지진. 모의상 액상화는 매우 얕은 심도에서 발생한 것으로 나. 파를 적용한 결과, 심도 4m부터 간극수압비는 2초 이후. 타났으며 이는 MOIS(2018 Feb 7)의 GPR 탐사로 파악. 부터 증가하는 것으로 나타났다. 이때 No. 2 지표면의. 된 액상화 발생 구간의 결과와 유사하다. No. 2와 No. 3. 경우 간극수압비가 1이 된 시점부터 진동이 급격히 감. 지진파의 경우 Arias 계수는 0.7m/sec이고, PGA는 0.25g. 소함을 확인할 수 있다(Fig. 8a). 하지만 No. 14의 지진. 이상이다. 이와 같이 액상화를 발생시킨 두 지진의 PGA. 파가 적용된 해석결과에서는 이와 같은 현상은 발견되. 는 0.25g 이상으로 액상화와 PGA가 밀접한 관계가 있. 지 않았으며, 주요 진동이후에 단주기 진동의 증폭이 간. 는 것으로 보여 진다. 하지만 No. 12와 No. 14 지진파도. 극수압 증가에 추가적인 영향을 미치지 않는 것으로 나. PGA가 0.25g이상임에도 불구하고 간극수압은 1이하로. 타났다.. 계산되었다. No. 12와 No. 14지진파를 액상화가 모사된. 유효응력 지반응답해석결과, Arias 계수가 큰 지진은. 지진(No. 2, No. 3)과 비교한 결과, Arias 계수에 차이를. 포항지역의 얕은 심도에서 액상화를 유발시킬 수 있는. 보인 것으로 나타났다.. 것으로 확인되었고, 이는 MOIS(2018)의 보고와 일치한. Fig. 7에는 PGA가 같고 Arias 계수가 다른 No. 2와. 다. 포항지진으로 PHA2 관측소에 계측된 기록(No. 14). Fig. 6. Maximum porewater pressure Ratio by depth. 44. 한국지반공학회논문집 제34권 제8호.

(9) Fig. 7. Acceleration, S-transform, and number of cycles for No.1 and No.14 motions: (a) EQ2 surface motion (b) EQ2 EL -6 m motion (c) EQ2 input motion (d) EQ14 surface motion (e) EQ14 EL -6 m motion (f) EQ14 input motion. Fig. 8. Results of site response based on effective stress: (a, c, e) No. 2 (b, d, f) No. 14 (Continued). 1차원 유효응력개념의 지반응답해석을 통한 포항지진의 액상화 현상 규명. 45.

(10) Fig. 8. Results of site response based on effective stress: (a, c, e) No. 2 (b, d, f) No. 14. Fig. 9. Ratio of CSRs between one using simplified method and one using site response analysis. 으로는 액상화 현상의 수치적 모사가 되지 않은 반면. 와 앞서 산정된 유효응력해석으로 계산된 상부지층의. 동일한 PGA이지만 Arias 계수가 더 큰 Coalinga지진. 간극수압비를 정리하였다. 두가지 방법의 비교 결과, 지. (No. 2)에서는 액상화가 발생하는 것으로 나타났다. 따. 반분류에 따라 계산된 LPI는 응답해석을 이용할 경우보. 라서, 본 검토 구간에 전달된 기반암 운동은 최대가속도. 다 대부분 크게 산정되었는데 이는 액상화 가능 구간에. 및/혹은 진동 주기, Arias 계수, 등가하중 반복수 등이. 서 CSR이 단순히 증폭계수와 감쇠계수만을 이용하여. PHA2 계측기록보다 컸을 것으로 추정된다.. 계산될 경우 응답해석을 통해 산정된 값보다 크기 때문 이다(Fig. 9).. 5.2 LPI 산정. Fig. 10은 분석 방법별 LPI 계산 결과를 입력지진파 의 PGA와 유효응력 해석결과의 간극수압비로 비교하. LPI산정은 두가지 방법(지반분류 기준, 응답해석 적. 였다. 포항지역의 경우 MOIS(2018)에서 피해가 경미한. 용)을 통해 도출하였다. 우선 지반분류가 적용된 방법은. 수준으로 보고되었는데 이는 Iwasaki et al.(1978)가 제시. 앞서 선정된 14개의 지진파의 PGA값을 기반암 가속도. 한 LPI 기준에서 ‘경미한 수준(0 < LPI ≤ 5)’에 해당한. 로 가정하고 2.2절에서 설명된 바와 같이 지반분류별 증. 다. 입력지진파의 PGA가 0.25g 이상에서 지반분류에. 폭계수를 기반암가속도에 적용시켜 지표면의 가속도를. 따른 LPI는 5이상으로 계산된 반면 응답해석 이용시 입. 구하고 감쇠계수를 적용하여 깊이별 진동전단응력비를. 력지진의 크기와 상관없이 모두 5이하로 계산되었다.. 산정하였다. 이때 증폭계수는 MOIS(2017)에서 제정한. 따라서 실제 발생했던 피해규모로 견주어 볼 때 응답해. 기준을 준용하였다. 응답해석은 각 지진파의 1차원 지. 석을 이용한 평가가 지반분류에 따른 평가보다 신뢰할. 반응답해석을 통해 산정된 깊이별 가속도를 적용하여. 수 있는 것으로 확인되었다.. 진동전단응력비를 계산하였다. Table 5는 각 방법별 LPI 46. 한국지반공학회논문집 제34권 제8호. Fig. 11과 Fig. 12는 등가 반복 수(N)과 Arias 계수(I).

(11) Table 5. Results of response analyses Earthquake. MCL. SDD LPI. No.. Arias (m/s). TP (sec). TP/Ts. Maximum P.W.P. 1. 0.1. 0.1. 0.172. 0.237. 1.492. 2. 0.7. 0.17. 0.293. 1.000. 3. 0.7. 0.17. 0.293. 1.000. 4. 0.2. 0.18. 0.310. 5. 0.1. 0.17. 6. 0.3. 0.36. 7. 0.2. 8. 0.2. 9. LPI. TP/Ts. Maximum P.W.P. 2.449. 0.158. 0.284. 1.142. 1.893. 2.245. 6.102. 0.268. 1.000. 1.117. 10.064. 3.396. 4.738. 0.268. 1.000. 0.716. 7.607. 0.351. 1.787. 2.052. 0.284. 0.508. 1.128. 1.191. 0.293. 0.077. 0.000. 1.186. 0.268. 0.367. 0.000. 0.155. 0.621. 0.443. 1.243. 1.180. 0.567. 0.255. 1.300. 0.141. 0.15. 0.259. 0.227. 1.386. 2.992. 0.236. 0.369. 0.483. 3.028. 0.17. 0.293. 0.467. 0.693. 0.953. 0.268. 0.946. 1.026. 0.000. 0.5. 0.16. 0.276. 0.254. 1.692. 0.681. 0.252. 0.223. 3.175. 0.000. 10. 0.2. 0.32. 0.552. 0.290. 3.568. 3.829. 0.504. 0.461. 3.928. 4.942. 11. 0.2. 0.38. 0.655. 0.267. 1.442. 1.345. 0.599. 0.364. 1.893. 0.492. 12. 0.4. 0.12. 0.207. 0.648. 0.013. 5.384. 0.189. 0.986. 0.000. 8.750. 13. 0.1. 0.16. 0.276. 0.078. 0.000. 0.000. 0.252. 0.141. 0.000. 0.000. 14. 0.2. 0.057. 0.098. 0.324. 1.496. 5.999. 0.090. 0.434. 1.540. 9.877. Site response Site classification. Site response Site classification. Fig. 10. LPI comparison using both methods: PGA of input motion. Fig. 11. LPI using site response analyses versus motion information of equivalent number of cycles and Arias intensity: (a, b) Input motion, (c, d) response motion at El. -6m. 1차원 유효응력개념의 지반응답해석을 통한 포항지진의 액상화 현상 규명. 47.

(12) Fig. 12. Porewater pressure ratio versus equivalent number of cycles and arias intensity: (a, b) input motion, (c, d) response motion at El. -6m. 에 대하여 응답해석으로 계산된 LPI와 유효응력으로 계. 력해석을 통해 액상화 현상 예측이 가능할 것으로. 산된 간극수압비의 상관성을 각각 도시하였다. 간극수. 나타났다.. 압비는 N혹은 I가 커질수록 비례증가관계를 확인할 수. (2) 포항의 일부지역에서 액상화 현상이 발생하였으며. 있는 반면, LPI는 N 혹은 I와 뚜렷한 상관성을 보이지. 피해수준은 경미한 것으로 보고되었다. Iwasaki가. 않는다. 이는 실제 간극수압의 증가가 불규칙적으로 반. 제시한 액상화로 인한 피해정도를 고려할 경우, 포. 복되는 진동의 크기와 횟수에 밀접한관계가 있으나 LPI. 항지역은 LPI는 5이하로 계산되어야 하는데 지반분. 계산 시에는 이를 고려하지 못하기 때문이다.. 류를 기준으로한 평가법은 이보다 큰 값이 계산될 수 있는 것으로 나타났다. 반면, 응답해석 적용시. 6. 결 론. LPI는 입력지진의 크기에 상관없이 5이하로 계산되 어 실제 피해정도와 상응하는 결과가 도출되었다.. 본 연구에서는 액상화 발생구간의 지반정보와 참고. (3) 지반분류에 따른 증폭계수와 깊이감쇠계수를 이용. 문헌으로 얻어진 지반의 동적특성을 반영하여 대상구. 하여 LPI를 산정할 경우 응답해석을 이용할 경우보. 간의 유효응력해석을 수행하였으며 이때 다양한 지진. 다 LPI를 과대예측할 수 있는 것으로 나타났다. 따. 시나리오를 적용하였다. 추가적으로 LPI를 계산하고 이. 라서, LPI를 통한 대상구간의 액상화로 인한 피해정. 를 유효응력 해설결과와 비교하였다. 본 연구를 통해. 도를 결정할 경우 분석방법에 따른 기준이 필요할. 얻어진 결과는 다음과 같다.. 것으로 판단된다. 또한, 기존 LPI 산정 시 가속도 혹 은 전단응력 크기의 최댓값만이 기준이 되기에 액. (1) 포항지역 대상구간의 지반정보를 활용하여 유효응. 상화 평가에 한계가 있다. 따라서 불규칙적으로 반. 력해석을 수행한 결과, 입력지진의 최대 가속도가. 복되는 진동의 특성을 고려한 수 있는 LPI 산정 방. 크고 Arias계수가 높을 때 상부지층에서 액상화 현. 법 개발이 필요할 것으로 사료된다.. 48. 상이 발생할 것으로 나타났다. 실제 MOIS에서 수. (4) 본 연구는 대상구간에 수집된 정보를 바탕으로 설. 행된 GPR탐사결과에 따르면 상부지층에서 액상화. 정된 기반암 운동 생성의 한계점을 내포하고 있어,. 피해가 발생하였고, 이는 No. 2와 No. 3의 지진파를. 포항지진으로 유발된 액상화 현상의 규명에 제한적. 적용한 유효응력해석 결과와 같다. 따라서 유효응. 인 결과를 도출하였다. 따라서, 포항지역의 액상화. 한국지반공학회논문집 제34권 제8호.

(13) 현상을 면밀하게 규명하기 위해서는 추가적인 지반 조사 및 정보가 필요할 것으로 사료된다.. 감사의 글 본 연구는 기상청 ‘수치예보･지진 업무 지원 및 활용 연구’의 지원과 행정안전부 극한 재난대응 기반기술개 발사업의 연구비 지원(2017-MOIS31-001)에 의해 수행 되었습니다. 연구지원에 감사합니다.. 참고문헌 (References) 1. Ahn, J.K., Cho, S., Jeom, Y.S., and Lee, D.K (2018), “Response Characteristics of Site-specific using Aftershock Event”, Journal Of The Korean Geotechnical Society, Vol.34, No.8, pp.51-64. 2. Andersen, K.H., Kleven, A., and Heien, D. (1988), “Cyclic Soil Data for Design of Gravity Structures”, Journal of Geotechnical Engineering, Vol.114, No.5, pp.517-539. 3. Azzouz, A.S., Malek, A.M., and Baligh, M.M. (1989), “Cyclic behavior of Clays in Undrained Simple Shear”, Journal of Geotechnical Engineering, Vol.115, No.5, pp.637-657. 4. Baek, W.H., Choi, J.S., and Ahn, J.K. (2018), “Seismic Scenarios-based Liquefaction Hazard Map for Pohang Area”, EESK J Earthquake Eng., Vol.22, No.3, pp.219-224. 5. Boulanger, R.W. and Idriss, I. 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