1. 서 론
2. 진동대 모형실험
2.1 대상지반 및 박스구조물
2.2 실험조건 및 실험방법
3. 모형실험 결과 및 분석
4. 유효응력해석을 통한 분석
4.1 해석조건 및 해석방법
4.2 해석결과 분석
5. 결 론
1. 서 론
도심지 확장 및 산업단지 부족 등의 문제를 해소하기 위한 방안으로 해안지역에 대한 대단위 매립공사가 점차 증가하는 추세이다. 또한, 과거에 발생한 주요 지진으로는 1968년 동해지진(규모 5.4), 1978년 속리산지진(규모 5.2), 1978년 홍성지진(규모 5.0) 등이 기록되었으며, 최근에는 2016년 경주지진(규모 5.8), 2017년 포항지진(규모 5.4) 등으로 많은 인명과 구조물 피해가 발생되어 지진에 대한 국가적 관심이 높아졌다.
특히 매립지반 중에서 낙동강 하구지역은 연약한 점성토 및 사질토 지반이 깊게 분포하여 지진 발생 시 지진파의 증폭현상으로 인해 천층부에 위치한 지중구조물의 피해 가능성이 크다. Inagaki et al.(1996)은 고베 지진 시 케이슨 안벽의 피해양상을 분석하기 위해 진동대 실험을 수행하여 기초지반 하부의 과잉간극수압이 구조물의 변형에 미친 영향을 평가하였다. 국내에서는 Hwang et al.(2004), Yoon et al.(2011), Shin et al.(2011)이 진동대 모형실험을 통해 지진발생시 구조물에 발생하는 변위, 가속도, 간극수압의 변화 등을 분석하여 지진하중에 의한 구조물과 하부지반의 상호관계를 분석하였다. 또한, Kim and Kim(2017)은 연약지반에 위치한 안벽 구조물의 전응력 및 유효응력 수치해석을 분석하여 유효응력 효과를 고려한 동적해석의 필요성을 확인하였다.
국내의 진동대 실험 연구는 대부분 항만 및 수리구조물에 한정되어 있으며, 연약심도가 깊은 지반의 천층부에 위치하는 박스구조물에 대한 내진 연구는 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 다층으로 구성된 지반 내 박스구조물에 대해 진동대 모형실험을 수행하여 지진 시 구조물 및 주변지반의 동적 거동특성을 분석하였다. 실험방법은 상사율을 고려하여 제작된 모형토조 하부에 장주기파(Hachinohe), 단주기파(Ofunato) 특성의 실지진 기록과 표준설계응답스펙트럼에 부합하는 인공지진파 및 경주와 포항지역의 실지진파 등 5개의 지진파를 발생시켰으며, 지진하중 가진시 가속도계, 변위계 및 간극수압계 등의 계측을 수행하여 구조물 및 주변지반의 동적 거동특성을 분석하였다. 또한, 모형실험과 동일한 조건으로 유효응력 및 시간이력을 고려한 동적해석을 수행하여 지진파의 종류에 따라 박스구조물에 발생하는 변위특성과 과잉간극수압의 영향정도를 파악하여 진동대 모형실험 결과와 상호 비교분석하였다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 대상지반 및 박스구조물
국내의 해안지역 매립지반 중 낙동강 하구지역은 연약한 점성토(N≤6이하) 및 사질토(N≤10이하) 지반이 깊게 분포하며 지진발생 시 지진파가 기반암으로부터 토사지반을 통과하면서 증폭현상을 나타낸다.
연구대상 지반은 성토층-매립층-모래층-점토층-풍화대층의 다층지반으로 구성되어 있으며, 박스구조물(4련 수로암거)은 매립층 상단에 위치한다. 실험지반의 단면구성은 Fig. 1과 같다.
2.2 실험조건 및 실험방법
모형실험을 통해 지반구조물의 동적 거동을 정량적으로 평가하기 위해서는 원형거동과 모형거동이 같아야 한다. Scott(1989)과 Iai(1989)는 원형과 모형에서 평형방정식, 구성법칙, 변위와 변형률 관계와 같은 기본방정식을 이용하여 지반-구조물-유체 시스템에 대한 상사법칙을 제시하였다. 흙의 변형이 반복유동성 거동을 보이는 경우, 지반-구조물 시스템의 동적거동을 이해하기 위해서는 변형률에 대한 상사비 λε을 고려하는 것이 매우 중요하다. 모형 지반의 전단파 속도를 알 때에는 변형률에 대한 상사비 λε은 식 (1)에 의해 결정된다(제 1형태). 그렇지 않다면 전단탄성계수가 구속압의 제곱근에 비례한다는 가정 하에 변형률에 대한 상사비 λε을 식 (2)로부터 구할 수 있다(제 2형태).
| $$\lambda_\varepsilon=\lambda\;\left[\frac{{\left({\mathrm V}_{\mathrm s}\right)}_{\mathrm m}}{{\left({\mathrm V}_{\mathrm s}\right)}_{\mathrm p}}\right]^2$$ | (1) |
| $$\lambda_\varepsilon=\lambda^{0.5}$$ | (2) |
여기서, (Vs)m과 (Vs)p은 각각 모형지반과 원형지반의 전단파 속도이다.
흙의 변형이 변형률 연화거동을 보일 경우에는, 큰 변형이 발생하기 때문에 변형률에 대한 상사비 λε을 도입할 수 없으며, 원형지반의 거동을 모사하기 위하여 모형지반의 상대밀도를 원형지반의 상대밀도보다 낮게 조성하게 된다(Roscoe 1968; Scott 1989). 이 경우 제 3형태의 상사법칙을 적용할 수 있다.
본 연구에서는 실험대상 지반이 진동하중하에서는 계속 변형되다가 진동이 멈춘 순간에 변형도 멈추는 거동 형태인 반복 유동성 거동(cyclic mobility type)을 나타내고(Whitman and Liao, 1985) 모형지반의 전단파 속도를 파악할 수 없으므로 Iai(1989)가 유도한 상사법칙 중에서 제2형태를 적용하였다. 모형은 원형의 1/60 크기로 제작하였으며, Table 1은 실험에 적용된 상사법칙이다.
Table 1. Law of Similarity
| Physical quantity | Similitude ratio | 1/60 scale |
| Length | λ | 60 |
| Time | λ0.75 | 21.56 |
| Acceleration | 1 | 1 |
| Displacement | λ1.5 | 464.76 |
| Stress | λ | 60 |
| Strain | λ0.5 | 7.75 |
실험순서는 상사비를 고려하여 조성한 모형체를 진동대상에 거치하고 모형구조물 주변에 가속도계, 변위계 및 간극수압계 등의 계측기를 설치한 후 하부의 진동대에서 지진파를 가진하여 박스구조물과 주변지반의 동적거동을 계측하였다. 모형체 조성을 위해 박스구조물은 강재를 이용하여 상사율에 따라 제작하였으며, 토조는 외부에 투명아크릴 재질로 제작하여 진동대 실험 중 지반 거동을 확인할 수 있게 하였다. Fig. 2는 진동대 모형실험기의 제원을 나타낸 것이다.
Fig. 3과 같이 모형지반은 실제 현장조건의 단위중량을 고려하여 다짐하였으며, 박스구조물은 매립층 상단에 거치 후 성토층으로 뒷채움하였다. 지진하중 작용 시 모형지반내의 지반가속도 증폭을 측정하기 위해 구조물의 상부와 하부에는 가속도계, 구조물의 변위 특성을 분석하기 위해 모형구조물상에는 연직 및 수평변위계(LVDT), 과잉간극수압의 변화를 계측하기 위해 기초하부의 모래질 지반에는 간극수압계를 설치하였다. Fig. 4는 실험에 사용된 계측기 설치위치를 나타낸 것이다.
실험에 사용한 입력지진파는 최대 지진가속도 0.154g(내진1등급, 붕괴방지수준 고려)로 변환한 장주기파(Hachinohe), 단주기파(Ofunato) 특성의 실지진 기록과 표준설계응답스펙트럼에 부합하는 인공지진파 및 최근 경주와 포항지역에서 발생한 실지진파 등 5가지의 지진파를 선정하여 모형토조 하부에 작용시켰다. Fig. 5는 실험에 사용된 입력지진파별 가속도 시간이력을 나타낸 것이다.
3. 모형실험 결과 및 분석
본 연구에서는 지진하중 발생 시 다층지반 내 박스구조물의 동적거동을 분석하기 위해 상사율 1/60의 축소모형을 제작하여 진동대 실험을 수행하였다. 모형토조내 가속도계, 변위계, 간극수압계를 설치하여 지진파의 종류에 따른 지반가속도, 연직 및 수평 변위, 구조물 하부의 과잉간극수압을 측정하였다. Fig. 6은 입력지진파별 진동대 모형실험 결과를 나타낸 것이다.
진동대 모형실험 결과, 장주기파(Hachinohe) 가진 시 최대지반가속도는 구조물 상부에서 0.212g를 보였으며, 최대 연직 및 수평변위는 15.9mm 및 7.7mm, 영구 침하량은 11.0mm로 나타났다. 단주기파(Ofunato) 가진 시 최대지반가속도는 구조물 상부에서 0.241g를 보였으며, 최대 연직 및 수평변위는 16.0mm 및 7.9mm, 영구 침하량은 14.6mm로 나타났다. 인공지진파 가진 시 최대지반가속도는 구조물 하부에서 0.317g를 보였으며, 최대 연직 및 수평변위는 19.1mm 및 10.5mm, 영구 침하량은 17.5mm로 나타났다. 경주지진파 가진 시 최대지반가속도는 구조물 상부에서 0.158g를 보였으며, 최대 연직 및 수평변위는 12.8mm 및 5.6mm, 영구 침하량은 12.3mm로 나타났다. 포항지진파 가진 시 최대지반가속도는 구조물 상부에서 0.167g를 보였으며, 최대 연직 및 수평변위는 12.6mm 및 5.1mm, 영구 침하량은 9.6mm로 나타났다.
Fig. 7에서와 같이 지진파의 종류별 지반가속도는 구조물 하부지반에서 구조물 상부지반으로 증폭되는 경향을 보였지만, 최대가속도는 인공지진파 작용시 구조물 하부지반에서 0.317g로 나타났다. 지진파 가진에 따른 모형구조물의 발생변위는 연직변위가 수평변위에 비해 크게 나타났으며, 상사법칙에 따라 실제 단면비의 값으로 환산한 최대연직 및 수평변위는 인공지진파 작용시로 19.1mm 및 10.5mm로 나타났다. 또한, 지진하중 작용시 구조물 하부지반의 간극수압 측정을 통한 과잉간극수압비 변화량 분석결과, 장주기파 및 단주기파에서는 하부 모래층(P2)에서 큰 값을 보였으며, 인공지진파, 경주지진파 및 포항지진파에서는 침투수압의 영향으로 모래층 상부의 매립층(P1)에서 큰 값을 나타내었다.
4. 유효응력해석을 통한 분석
4.1 해석조건 및 해석방법
지진발생 시 구조물의 피해정도를 예측하기 위한 수치해석법 중 유효응력해석법은 지반에 발생하는 과잉간극수압을 계산하여 유효응력의 변화를 지반응답 특성으로 고려할 수 있으며(Ministry of Oceans and Fisheries, 2014), Park et al.(2006)과 Tran et al.(2017)은 지반의 액상화 가능성 및 구조물의 내진 평가를 위해 간극수압의 변화를 고려할 수 있는 Finn and Byrne Model을 이용한 유효응력해석을 수행하였다.
본 연구에서는 다층지반 내 박스구조물에 지진하중이 작용할 경우의 동적 거동특성을 파악하기 위하여 유효응력 및 시간이력을 고려한 내진해석을 수행하였다. 수치해석은 범용 유한차분법 해석프로그램인 FLAC 2D를 사용하였으며, 해석 모델링은 Fig. 8과 같고 좌우 경계면에서 발생하는 지진파의 반사 영향을 최소화하기 위하여 자유장 경계요소(free field boundary)를 적용하였다. 지반은 탄성-완전소성 모델인 Mohr-Coulomb 항복 모델을 적용하였으며, 과잉간극수압의 영향을 고려할 수 있는 유효응력해석으로 Finn and Byrne Model을 적용하였다. 이 모델은 Byrne(1991)이 제안한 간편식을 이용하여 지하수위 아래의 지반을 완전포화된 조건으로 가정한 후 반복하중이 가해질 때 발생하는 과잉간극수압의 증가를 모사할 수 있다.
내진해석은 지진파를 해석경계면 바닥에 작용시켜 수행하였으며, 입력지진파는 진동대 모형실험에 적용한 지진파를 사용하였다. Table 2와 Table 3은 각각 수치해석에 사용된 지반의 공학적 특성값과 동적 특성값을 나타낸 것이다.
Table 2. Soil properties of the modeling
Table 3. Dynamic properties
4.2 해석결과 분석
Table 4와 Fig. 9는 유효응력을 고려한 내진해석 결과를 나타낸 것으로서, 구조물에 발생하는 최대연직변위는 22.0～24.0mm로 지진파의 종류와 상관없이 유사한 경향을 나타냈으며, 최대수평변위는 인공지진파에서 27.0mm가 발생하였다. 구조물 하부지반의 과잉간극수압비도 인공지진파 적용 시 0.96으로 최대값을 나타내었다. Fig. 10은 5개의 지진파 중에서 인공지진파 적용 시 연직변위, 수평변위, 과잉간극수압, 전단변형 등의 분포도를 나타낸 것이다. 또한, 박스구조물의 연직변위가 상부로 융기하는 경향을 나타내는 것은 주변지반보다 작은 단위중량의 박스구조물이 지반의 액상화에 근접한 과잉간극수압의 발현으로 인해 부상하는 현상으로 판단된다(Kang, 2011).
Table 4. Result of analysis as seismic wave
5. 결 론
본 연구에서는 다층으로 구성된 연약지반 내 박스구조물에 대해 지진하중 작용 시 지반 및 구조물의 동적 거동특성을 규명하기 위하여 진동대를 이용한 모형실험과 유효응력을 고려한 내진해석을 수행하였다. 입력지진파는 장주기파(Hachinohe), 단주기파(Ofunato) 특성의 실지진 기록과 표준설계 응답스펙트럼에 부합하는 인공지진파 및 경주와 포항지역에서 발생한 실지진파 등 5개의 지진파를 사용하였으며, 모형실험 결과와 수치해석 결과를 비교분석하여 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 진동대 모형실험 결과, 최대지반가속도는 인공지진파 작용 시 0.317g로 발생하였으며, 구조물 하부지반에서 상부지반으로 증폭되는 경향을 나타내었다. 모형구조물에 발생한 최대연직 및 수평변위는 각각 19.1mm 및 10.5mm로 연직방향 변위가 수평방향 변위에 비해 크게 나타났다. 또한, 과잉간극수압은 느슨한 모래층에서 최대 0.35～0.68로 나타났다.
(2) 유효응력 및 시간이력을 고려한 내진해석 결과, 구조물에 발생하는 지진파별 최대연직변위는 22.0～24.0 mm로 유사한 결과를 나타냈으며, 최대수평변위는 인공지진파에서 27.0mm 발생하였다. 기초지반 하부의 최대과잉간극수압비는 인공지진파에서 0.96으로 액상화 발생에 근접한 결과를 나타냈다.
(3) 지진하중 작용 시 박스구조물의 동적거동은 모형실험에 비해 수치해석 결과가 큰 값을 보였으며, 과잉간극수압비도 유사한 결과를 나타냈다. 이를 통해 기초지반 하부의 과잉간극수압 증가는 상부지반 및 지중구조물의 변위를 유발하였다. 또한, 수치해석 결과에서 박스구조물의 연직변위가 상향으로 발생하였는데 이는 주변지반보다 작은 단위중량의 박스구조물이 액상화에 근접한 과잉간극수압비 발생에 따라 부상한 것이다.
(4) 모형실험 및 수치해석 결과, 지진파의 종류에 따라 지반 및 구조물에 발생한 가속도, 변위 및 간극수압 등은 실지진파에 비해 인공지진파 작용 시 크게 나타났다. 이를 통해 다층으로 구성된 연약지반 내 박스구조물에 대한 내진안정성 검토 시 인공지진파의 적용이 안전측의 결과를 유도할 수 있을 것이다.
