1. 서 론
2. 액상화 검토
2.1 액상화 간편예측법
2.1.1 지진에 의한 반복응력비
2.1.2 지반의 액상화 반복저항비
2.1.3 지진특성을 고려한 지진규모 수정계수
2.1.4 지진응답해석
2.2 액상화 상세예측법
3. 지진규모별 특성 비교
3.1 설계지반운동 수준으로 수정된 지진파 에너지
4. 방파제 수평변위 검토
4.1 동해석 입력 물성치 산정
4.2 지진규모별 방파제의 최대 수평변위
4.3 지진규모별 Geotextile의 변화
4.3.1 Geotextile의 최대 수평변위 변화
4.3.2 Geotextile의 인장력
5. 결 론
1. 서 론
낙동강 하구에 위치한 부산지역은 매우 잘 발달된 퇴적층 및 매립층에 의해 지진이 발생한다면 이러한 지층 등에서 증폭현상이 발생하여 모래 퇴적층과 성토 및 매립지반에 액상화 발생 가능성이 매우 높아진다. 이러한 지층에서 액상화 현상이 일어난다면 지진 피해를 더욱 더 크게 가중시켜 막대한 피해를 야기하게 된다. 그러므로 부산지역의 기반시설인 항만, 방파제, 방조제 및 해안 그리고 강 하구 등에 위치한 중요 시설물에 대해 지역적 특성을 고려한 지반의 동적 특성 연구와 그에 따른 액상화 현상예측, 그리고 액상화 현상에 미치는 변수들에 대한 연구가 절실히 요구되어지고 있다. 본 연구는 내진설계기준연구와 항만 및 어항설계기준을 이용하여 인공지진과 대표적인 장주기 및 단주기 지진파인 Hachinohe 지진파와 Ofunato 지진파 등을 포함한 14개의 지진파를 이용하여 부산항 신항 서방파제 일부구간에 대하여 액상화 발생 가능성을 평가하고 또한 언급된 지진파에 대하여 지진규모에 따른 지진에너지를 파악하고 가속도 응답스펙트럼에 대한 특성을 분석하여 설계기준에 제시된 가속도 표준 설계응답스펙트럼에 근접하는 지진파를 파악한 후 이를 이용하여 방파제 하부 모래치환층의 N치 변화에 따른 동적 안정성과 Geotextile의 변위와 인장력의 변화 등을 비교 ․ 분석하고자 한다.
2. 액상화 검토
본 연구에 사용된 지진규모별 지진파는 National Geo-physical Data Center의 자료와 “모래층의 액상화 가능성 평가방법에 관한 비교연구”(Yoon, 2002)에 사용된 지진파이며 다음 Table 1과 같으며, 연구대상지역은 Fig. 1 ~ Fig. 2와 같다(Busan Port Construction Office, 2007).
2.1 액상화 간편예측법
2.1.1 지진에 의한 반복응력비
Seed와 Idriss(1971)는 많은 지진기록에 대한 분석을 통해 지진력을 최대전단응력의 65%인 등가전단응력으로 표현함으로써 보다 간편하게 산정할 것을 제안하였다.
Eurocode에서는 Seed 이론을 토대로 지진에 의한 반복응력비(Cyclic Stress Ratio : CSR) 산정을 위해서 지진응답해석을 수행해야 하는 경우는 지반이 매우 연약한 경우로 국한하고 이외의 지반인 경우에는 기본가속도 계수와 지반계수를 이용하여 산정하도록 규정하고 있다.
Kim(1998)은 Seed와 Idriss 방법을 기본으로 하고 있는데 감소계수를 사용하지 않고 지진응답해석을 통해 소정의 깊이에서의 지진가속도를 구하여 이를 이용해 CSR을 산정하도록 하고 있다.
2.1.2 지반의 액상화 반복저항비
Seed et al. (1985)는 많은 지진기록 및 피해사례에 대한 분석을 통해 보편적으로 획득하기 용이한 표준관입저항 N값과 지진규모 7.5에 대한 액상화 반복저항비(Cyclic Resistance Ratio : CRR)와의 관계를 세립분함유량에 따라 도시한 도표를 작성하여 간편하게 이용할 수 있도록 하였다. Blake (1996)는 세립분의 소성도와 함유량을 동시에 고려한 계수를 적용하여 세립분 함유량 5%미만의 사질토에 대한 값으로 변환한 (N1)60cs를 통하여 CRR7.5를 식 (1)과 같이 나타낼 수 있음을 제안하였다.
max × (σv/σ’v)CRR7.5=[(0.04844-0.004721(N1)60cs+0.0006136(N1)260cs-1.673E-05(N1)360cs)] /[(1-0.0.1248(N1)60cs+0.009578(N1)260cs-0.00032853714E-06(N1)360cs+3714E-06(N1)460cs)]
(1)
(N1)60cs = 
+ 
(N1)60 (2)
여기서, 
, 
: 세립분 함유량 5%미만의 사질토에 대한 등가 환산계수
(N1)60 = CN‧N (3)
CN = √(10/
’) (4)
여기서, (N1)60 : 환산 N값, CN : 유효연직상재응력에 따른수정계수
’ : 평가대상지층의 유효연직응력
Eurocode는 Seed와 Idriss의 방법을 기초로 하고 있는데 유효응력과 에너지 효율을 고려한 수정N치를 이용해서 CRR을 평가하도록 하고 있다. CRR을 평가하기 위한 또 다른 방법으로 전단파 속도를 이용하는 방법이 있다. 크로스홀시험, 다운홀시험, 진동콘관입시험, 또는 표면파 시험을 통해서 측정된 현장의 전단파속도 VS는 유효응력을 고려하여 보정한 후 식 (6)을 이용해서 CRR7.5를 평가하게 된다(Robertson et al., 1992).
VS1 = VS(Pa/
’)0.25 (5)
CRR7.5=a(VS1/100)2+b[(1/(VS1C-VS1))-(1/VS1C)] (6)
여기서, VS1 : 수정 전단파속도(m/s), Pa : 대기압(100kPa),
’ : 액상화를 평가하고자 하는 깊이의 총 유효상재압(kPa)
2.1.3 지진특성을 고려한 지진규모 수정계수
중약진 지진지역에 위치한 국내 지진특성을 고려하는 항목은 지진규모별 수정계수(Magnitude Scaling Factor ; MSF)이며 국내에서는 설계지진규모를 6.5로 선정하고 있다. 그러므로 액상화 안전율(FS)는 CRR7.5와 CSR의 비에 수정계수를 곱하여 산정한다(식 (7)).
FS=(CRR7.5/CSR)MSF (7)
2.1.4 지진응답해석
지진응답해석은 지반의 동적물성치(변형률 수준별 전단계수 및 감쇠비)를 토대로 파의 전파특성을 해석하는 것으로 지진응답해석을 통한 심도별 최대가속도는 액상화 평가 시 지진에 의한 CSR을 산정하는데 이용된다. 본 연구에서 수행한 액상화 가능성 평가 대상지반은 부산항 신항 서방파제 중 BL-1으로 선정하였고, 지진응답해석은 다중반사모델을 바탕으로 하여 작성된 ProShake를 이용하였으며 지진응답해석에 사용된 지진파 제원은 Table 1에 제시한 바와 같다. 설계지진가속도는 항만 및 어항설계기준에 제시되어 있는 내진II등급, 지진구역 I, 붕괴방지수준에 해당하는 기반암에서의 입력 설계가속도와 지진재해도(Fig. 4 ~ Fig. 5)를 비교하여 0.08g을 적용하였다(Table 4. 참조). 연구대상지반에서 수행한 지진응답해석 결과는 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 지진기록에 따른 가속도의 증폭형태는 지반조건과 각 지진의 특성에 따라 각각 다르게 나타나는데 지표면 최대가속도는 작게는 0.074g에서 크게는 0.127g까지 증폭되는 것을 볼 수 있다.
2.2 액상화 상세예측법
액상화 간편예측법에서 안전율(FS)이 1.5미만을 나타내고 있어 실내 진동삼축시험 결과를 이용하여 액상화 상세예측법을 수행하였다. 액상화 상세예측법은 Seed & Idriss 간편예측법과 전체적인 판단 방법은 유사하나 지진응답해석을 이용하여 얻은 액상화 반복응력비(CSR)와 진동삼축시험을 하여 산정된 반복저항비(CRR)를 적용한다. 액상화 반복저항비(CRR)는 진동재하 횟수에 따른 액상화 전단 저항 응력비 특성곡선(Fig. 7)을 이용하여 산정하며, 이때 액상화 반복저항비는 특성곡선에서 지진규모 6.5에 해당하는 진동재하횟수 10회시의 값으로 산정한다(Fig. 8). 그리고 특성곡선에 이용되는 실내 진동삼축시험 결과는 현장 지반조건 및 지진특성 등을 고려해 식 (8)을 이용하여 보정작업이 수행하였다(Busan Port Construction Office, 2009).
CRR = C1 ‧ C2 ‧ (CRR)TX (8)
여기서, C1 : 0.9(지진의 방향성에 따른 보정계수), C2 : (1+2K0)/3(현장 응력상태에 대한 보정계수)
K0 : 지진하중 작용전의 정지토압계수(=0.5), (CRR)TX : 진동삼축압축시험에서 얻어진 전단응력비
치환모래층에 대한 공진주시험 결과는 Fig. 9와 같으며 이 값을 지진응답해석에 이용하였다. 액상화 간편예측법(Seed&Idriss 방법)과 상세예측법의 액상화 평가 결과를 Fig. 10에 나타내었다.
3. 지진규모별 특성 비교
3.1 설계지반운동 수준으로 수정된 지진파 에너지
지진계에서 관측된 가속도 시간이력을 다음 식 (9)을 이용하여 지진파의 에너지를 구하였다(Park et al., 2008).
(9)
여기서, TE(t) : 지진계에서 주어진 시간t에서 지진계의 전체에너지
a(t) : 지진계에 의해 기록된 가속도 진폭의 크기
지진규모별 지진파의 설계지반운동수준은 지진재해도에서 구한 값인 0.08g과 0.04g로 하였다(Table 4). 지진파의 에너지는 지진규모가 커질수록 증가하는 것을 Fig. 11 ~ Fig. 12에서 나타낸 것과 알 수 있다.
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Fig. 11. Seismic energy for design ground motion | Fig. 12. Seismic energy for earthquakes applied to the ground |
Fig. 13은 지진파의 가속도 응답스펙트럼을 분석하여 가속도 표준설계응답스펙트럼에 근접하는 지진파를 분류하였다. 이렇게 분류된 지진파를 이용하여 방파제의 동적 안정성 검토에 사용하여 방파제의 변화를 확인하도록 하였다.
4. 방파제 수평변위 검토
본 연구에서는 방파제의 지진시 거동을 분석하기 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS를 사용하여 Standard earthquake boundaries, Linear Elastic 모델, Mohr- Coulomb 모델, 해수면 적용 등 다양한 입력조건을 선택해서 동적해석을 수행하였다. 방파제의 지진에 대한 안정성 검토를 확인하기 위하여 수평변위를 이용하였으며 항만 및 어항 설계기준에 언급되었듯이 붕괴방지수준의 수평변위의 허용범위는 30cm를 초과하지 않을 시 안전한 것을 기준으로 하였다.
4.1 동해석 입력 물성치 산정
동해석에서 사용된 대상지반의 물성은 지반조사 자료를 바탕으로 국내 항만시설물에 사용되는 물성과 경험식을 이용하여 산정하였다(Table 7).
모래치환층에 대해서는 탄성계수 및 내부마찰각만을 변화시키며 지진에 대한 수평변위에 대한 특성을 확인하였다.
4.2 지진규모별 방파제의 최대 수평변위
지진규모에 따른 방파제의 수평변위를 비교하기 위해서 Table 6에 나타낸 8개의 지진파를 이용하여 방파제에 대해서 동해석을 수행하였다. 각각의 경우에 대하여 하부 치환모래층의 N치를 변화시켰을 때의 수치해석 결과는 N치가 15일 때까지 최대 수평변위는 큰 폭으로 감소한 후 둔화하는 것으로 나타났다. Fig. 15에서 그래프의 y축은 방파제의 상단 중심에서 발생한 최대수평변위를 나타내며 x축은 N치 변화를 나타낸다. 또한, 동일한 설계 지반가속도 수준으로 수정된 지진파를 입력하여도 강진규모 지진파에 의한 동적 수평변위가 중약진규모 지진파에 의한 동적 수평변위보다 크게 발생함을 알 수 있다. 지진시 방파제의 최대 수평변위의 감소율을 N치의 변화에 대하여 Table 8에 나타내었다. 지진규모에 따라 수평변위의 감소율은 일정한 경향성을 보이지는 않으나, 방파제의 최대 수평변위에 가장 큰 영향을 끼치는 변수는 하부지반 조건임을 알 수 있다.
4.3 지진규모별 Geotextile의 변화
방파제 하부 치한모래층에 Geotextile(10t/m)이 설치되어 있다. 이에 대하여 치환모래층의 N치 변화에 따른 Geotextile 변위의 변화를 확인하였다.
4.3.1 Geotextile의 최대 수평변위 변화
지진규모별 Geotextile의 최대 수평변위를 모래치환층의 N치 변화에 대해 확인한 결과, N치가 15이전까지 급격한 변화를 이루고 있으나 N치가 15이상 일 때는 완만한 변화를 나타내고 있다(Fig. 16).
4.3.2 Geotextile의 인장력
치환모래층 N치의 변화에 따른 Geotextile의 인장력 변화는 지반이 단단해질수록(N치 증가) 줄어드는 것으로 나타났다(Fig. 17). 지진규모가 7.0이상일 경우 실지진파가 더 크게 나타났으며 중약진에서는 0.08g이 더 크게 나타나는 것으로 확인되었으며, Geotextile의 최대 인장력는 92.40kN/m로 설치된 Geotextile의 최대 인장강도 98kN/m (10t/m)를 만족하는 것으로 나타났다. Table 9는 모래치환층의 N치를 5로 기준으로 하였을 때Geotextile의 수평변위량과 인장력의 차이를 각각 N=15, 25에 대하여 수치적으로 나타낸 것이다.
5. 결 론
본 연구는 지진규모별 방파제의 특성을 알아보기 위하여 설계지진규모 6.5의 붕괴방지수준에 대한 액상화 평가를 수행하였으며, 방파제의 특성을 확인하기 위해 동해석을 수행하여 방파제 구조물의 최대 수평변위 및 Geotextile의 변위 및 인장력에 대하여 검토하였다. 이에 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)지진파의 규모 선정은 국내에 발생하고 있는 지진규모와 국내 설계지진규모 6.5를 고려하였고 또한 내진설계에 널리 사용되는 Hachinohe 지진파와 Ofunato 지진파 등을 이용하였다.
(2)지진규모가 다른 14개의 지진을 사용하여 내진Ⅱ등급에 해당하는 붕괴방지수준(0.08g)에 대해 액상화 평가를 실시한 결과, 간편예측법으로 평가 시에 액상화 안전율(FS=1.5이상)을 만족하지 못하는 것으로 판정되어 상세예측법으로 재평가를 실시한 결과 액상화 안전율(FS=1.0이상)을 만족하는 것으로 나타났다.
(3)지진에너지는 지진규모가 커질수록 증가하는 것을 연구대상지반에서도 확인하였고, 지진파의 가속도 응답스펙트럼을 분석하여 가속도 표준설계응답스펙트럼에 근접하는 지진파를 분류하여 방파제의 동적해석에 사용하였다.
(4)방파제에 대하여 모래치환층의 N치 변화에 따른 동해석을 수행하여 방파제의 최대 수평변위를 확인한 결과, 중약진에서는 최대 1.94 ~ 16.28cm가 발생하였으며, 국내 내진설계에 이용되는 Hachinohe Eq.와 Ofunato Eq. 그리고 인공지진에서는 19.13 ~ 27.96cm의 최대 수평변위가 발생하는 것으로 나타나 설계기준(붕괴방지수준 30cm)를 만족하고 있으며, N치별 평균 수평변위 감소율은 N=5을 기준으로 N=15일 때 평균 8.00%, N=25일 때 평균 9.85%로 나타나는 것을 확인하였다.
(5)Geotextile의 평균 최대 수평변위 감소율은 N=5을 기준으로, N=15일 때 평균 43.54%, N=25일 때 평균 50.23%이며 인장력의 평균 감소율은 N=15일 때 평균 15.87%, N=25일 때 평균 23.28%로 나타났다.
