1. 서 론

최근 전 세계적으로 지진이 빈번하게 발생하고 있으며, 항만 및 해운의 물류 중심 항 선점을 위한 투자가 증가하고 있다. 또한, 해양플랜트 사업에 관한 관심이 높아지고 있으며, 관련 사업이 다양하게 진행되고 있다. 이에 따라 해양구조물에 대한 안정성 문제가 나타나고 있다.

대규모 항만시설물의 경우 지진으로 인해 기능에 문제가 된다면 경제적인 손실이 막대하게 발생할 것으로 예측이 된다. 액상화 현상으로 인한 피해는 국내에서 1978년 홍성지진, 2016년 경주지진으로 건물 붕괴 피해사례는 많이 발생하였으나(Park et al., 2018) 액상화 현상은 발생하지 않았다. 하지만 2017년 포항지진이 발생하였을 때 처음으로 간극수가 도로나, 공원, 논밭 지표면에 표출되는 액상화 현상이 발생하였다.

국외의 경우에는 1964년 일본 니가타 지진으로 인해 액상화 현상이 발생하였고, 니가타현에서 아파트가 기울어지고 교량 상판이 붕괴되는 피해가 발생하였다. 1976년 중국 탕산 대지진에도 액상화 현상이 발생하여 건물들이 무너져 약 24만 명의 주민이 사망하였다. 2011년 뉴질랜드 크라이스처치에 도시 전역에 걸친 액상화 현상으로 인한 지반침하가 발생하여 피해가 생겼다(Park et al., 2018).

액상화 현상은 일반적으로 지진 등 동적 하중이 지반에 작용하게 되어 간극수압이 증가하고 유효응력이 감소하여 초기 유효응력과 간극수압이 같아지면서 액상화 현상이 발생하게 된다. 액상화 현상이 발생하게 되면 구조물에 큰 피해가 발생하게 된다(Kang, 2011). 지진 시 지반 액상화에 관한 관련 연구는 Casagrande(1936)에 의해 최초로 연구되었다. 니가타 지진 시 액상화 현상에 의한 피해가 심각하게 발생하여 그 시점부터 많은 연구자가 관심을 가지기 시작했다. 니가타 지진 피해조사 결과로 액상화 현상은 주로 사질토 지반에서 발생하는 사실을 알게 되었으며, Seed and Idriss(1967)는 포화된 지반에 반복하중에 의한 액상화 현상을 비배수 상태일 때 발생한다고 가정을하여 반복삼축시험을 통해 액상화 발생 여부에 관한 간편법을 제안하였다(Seed and Idriss, 1971).

국내에서도 액상화 현상 관련 유효응력해석에 대한 연구가 다양하게 진행이 되었다. Park(2008)은 매립지반을 대상으로 등가선형해석 및 유효응력해석을 이용하여 액상화 평가 연구를 수행하였으며, Kim et al.(2019)은 포항시에서 발생한 지진에 의한 피해(Fig. 1)에 대한 케이슨식 안벽의 안정성 평가를 위한 2차원 유효응력 해석을 통해 케이슨식 안벽의 안정성에 대한 평가를 수행하였다. 케이슨식 안벽에 비해 잔교식 안벽은 국내에서는 연구가 미비한 실정이다. 따라서 본 연구는 지진 시 지반개량에 따른 잔교식 안벽의 동적거동에 대한 수치해석을 수행하였다.

Fig. 1.

Damage of caisson-type quay walls at Yeongilman port (Kim et al., 2019)

2. 수치해석을 이용한 잔교식 안벽의 거동

2.1 2차원 유효응력해석

본 연구에서 지진 시 지반 거동의 모사를 위해 만들어진 FLIP(Finite Element Analysis Program of Liquefaction Process)을 이용하였다. FLIP은 유한요소법 기반의 지반 진동에 의한 지반-구조물 동적상호작용 거동 프로그램으로 Kim et al.(2019) 등 많은 국내 연구에 사용이 되었고 주로 지반 진동으로 인한 액상화 현상의 피해 및 해안구조물 피해 예측에 자주 사용된다. 흙의 응력-변형에 대한 비선형 거동에 대한 예측을 위해 Towhata and Ishihara(1985)에 의해 제안된 다중전단메커니즘을 사용하였고, Fig. 2와 같이 전단변형영역과 무한개의 가상스프링 경계의 연결로 정의되는 이동절점으로 나타내며 각 스프링은 다양한 방향을 가지는 실제 다중전단메커니즘이라고 할 수 있고 이를 통해 흙의 탄소성 거동을 모사한다(Iai et al., 1992a).

Fig. 2.

Schematic diagram for multiple simple shear mechanism model (Iai et al., 1992a)

2.2 수치해석개요

본 연구에서 수치해석 시 적용한 단면은 해양수산부 항만시설물 설계사례집(MOF, 2019)에 대표단면을 사용하였다. Fig. 3에 있는 수직말뚝의 형태 잔교식 안벽을 참고하여 Fig. 4와 같이 모델링을 하였다. 모든 요소는 Multi-spring model 요소를 사용하였으며, Iai’s model을 통하여 과잉간극수압 발생을 현실화하였다. Fig. 4에서 N1, N2, N3, N4는 잔교식 안벽 및 뒤채움 지반의 수평변위 및 지반의 응답 가속도를 산정하기 위한 출력절점을 나타낸다. E1, E2 지점은 Silty sand 및 Sand 층의 지반 내의 과잉간극수압 및 흙의 유효응력경로를 산정하기 위한 출력 요소를 나타내고 있다. 단면의 경계조건은 하단은 고정단, 단면의 좌·우 경계조건은 점성 경계로 설정하여 경계면에서의 지진파 반사 및 응력집중 현상을 최소화하였다. 수치해석은 Case 1 ~ Case 3까지 수행하였으며, Case 1은 지반개량을 하지 않았을 경우(Clay), Case 2는 D.C.M 50% 개량지반, Case 3는 D.C.M 100% 개량지반으로 각각 비교하였다.

Fig. 3.

Cross-sectional plan for pier-type quay wall

Fig. 4.

Mesh for dynamic analysis

Table 1은 대표적인 지반물성을 나타내며, 말뚝은 규격 SKK400을 사용하였으며, beam 요소를 적용하였다. 표에 나타나지 않은 모든 물성은 해양수산부 항만시설물 설계사례집(MOF, 2019)을 참고하여 작성하였다. Table 2는 Fig. 2의 액상화 프런티어 관련하여 과잉간극수압의 증가에 의한 유효응력의 소실을 모사하는 액상화 관련 입력변수(Iai et al., 1992b)를 나타내며, shear Lock problem(WG, 2009)의 간편법을 통해 배후지반의 액상화 입력변수를 산정하였다. 또한, 해양수산부 항만시설물 설계사례집(MOF, 2019)과 Kim et al.(2019) 등을 참조하여 결정하였다.

2.3 입력 지진파

입력 지진파로는 Fig. 5와 같이 최대가속도가 0.3m/s², 0.5m/s², 1m/s²의 점진적으로 증가하는 Sin 파를 사용하였다. 실제 지진파의 경우 지속시간 및 진폭 외에 파악하기 어려운 지진 고유의 특성들이 포함되어 있다. 반면 Sin 파는 순수하게 진폭과 지속시간만을 고려할 수 있으며, 진동수의 영향을 배제할 수 있기 때문에 본 연구에서는 입력 지진파가 점진적으로 증가하며, 주파수 1.25Hz, 주기 0.8의 Sin 파를 적용하였다.

Fig. 5.

Input seismic waves

3. 수치해석

3.1 응답가속도

Fig. 6은 Case 1의 수치해석 결과이며 Fig. 7은 Case 2, Fig. 8은 Case 3의 결과이다. 잔교식 안벽 상단부(N1) 및 뒤채움 지반의 지표면(N2, N3) 지점에서 시간에 따른 응답가속도를 나타내고 있다.

Fig. 6.

Responded accelerations (Case 1)

Fig. 7.

Responded accelerations (Case 2)

Fig. 8.

Responded accelerations (Case 3)

Case 1의 경우 응답가속도가 1.0m/s²일 때 N3 지점에서 2.61m/s²로 가장 크게 일어나는 것을 확인할 수 있다. Case 2의 경우 N2 지점에서 3.43m/s², Case 3의 경우 N1 지점에서 3.62m/s²로 응답 가속도가 가장 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 입력 가속도가 증가함에 따라 각 지점에 응답가속도가 커지는 것을 확인할 수 있으며, 개량지반일 경우 개량하지 않은 지반보다 지진파의 전달속도가 빨라 응답가속도가 크게 나타나는 것으로 판단된다.

3.2 과잉간극수압비 및 유효응력경로

Fig. 9는 Case 1 ~ Case 3의 입력가속도가 1m/s² 일 떄 과잉간극수압 분포를 나타내는 것이며, Fig. 10, Fig. 11은 E1 지점의 과잉간극수압비와 유효응력 경로를 나타낸다. 초기유효응력과 과잉간극수압의 비로 표현한 과잉간극수압비는 1인 경우 과잉간극수압과 초기유효응력이 동일해져 유효응력이 “0”이 된 것으로 이는 지반이 액상화된 것을 의미한다. Case 1 경우 E1 지점에서 입력가속도가 1m/s²일 때 액상화 현상이 발생하는 것으로 판단되며, Case 2, Case 3 경우 입력가속도가 0.5m/s²이상 일 때 액상화 현상이 발생하는 것으로 판단된다. 이는 지진파의 전달속도가 개량지반일수록 더 빠르게 나타나 액상화 현상이 더 낮은 가속도에서도 일어나는 것으로 판단된다. 또한 유효응력경로는 입력가속도가 증가함에 따라 파괴포락선에 가까워지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

Distribution of excess pore water pressure ratio

Fig. 10.

Excess pore water pressure ratio E1

Fig. 11.

Effective stress path E1

Fig. 12, Fig. 13은 E2 지점에 과잉간극수압비 및 유효응력 경로를 나타낸 것이다. Case 2, Case 3 경우 입력가속도가 1m/s²일 때 하부 Sand 층에 액상화 현상이 발생한다. 이는 개량 전 지반과 연암층 사이의 강성차이보다 개량지반과 연암층의 강성차이가 더 크게 나타나 액상화 현상이 발생하는 것으로 판단된다. 개량지반일 경우 하부 Sand 층에 의한 피해가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 12.

Excess pore water pressure ratio E2

Fig. 13.

Effective stress path E2

3.3 말뚝의 수평변위

Fig. 14, Fig. 15, Fig. 16은 Case 1 ~ Case 3의 가속도 증가 및 지반개량에 따른 말뚝의 변위이다. 점선은 개량지반을 깊이를 나타내는 것이며, 말뚝은 Pile 1번부터 해상측을 나타낸다. 먼저 Fig. 14는 Case 1의 경우이며, 입력가속도가 1m/s²일 때 말뚝의 변위가 약 40cm의 발생하였다. Fig. 15, Fig. 16은 Case 2, Case 3 결과를 나타내며 약 30cm의 변위가 생기는 것을 확인할 수가 있다. 하지만 말뚝의 하단부에서 지반과 함께 밀리는 경향을 보인다. 이는 앞서 언급된 하부 Sand층에 강성차이로 인해 생긴 액상화 현상에 의한 피해인 것으로 판단된다. 또한, Case 3일 경우 개량 깊이(점선)인 약 20m 이하에서 말뚝의 변위가 더 적게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 14.

Pile horizontal displacement (Case 1)

Fig. 15.

Pile horizontal displacement (Case 2)

Fig. 16.

Pile horizontal displacement (Case 3)

3.4 말뚝의 휨모멘트

Fig. 17, Fig. 18, Fig. 19는 가속도 및 지반개량에 따른 말뚝의 휨모멘트이다. 먼저 Case 1 경우 말뚝의 휨모멘트가 전체적으로 피해를 받는 것을 확인할 수 있다. Case 2, Case 3의 경우 개량부분에 말뚝의 피해가 감소되는 것을 확인할 수 있으며, 말뚝이 육상측으로 갈수록 피해가 커지는 것을 볼 수 있다. 또한, 개량지반의 하부에서 휨모멘트가 발생되는 이유는 앞서 언급된 하부 Sand층의 액상화 현상 및 지진에 의해 비대칭적인 하중이 가해져 휨모멘트가 발생하는 것으로 판단된다.

Fig. 17.

Bending moment of pile (Case 1)

Fig. 18.

Bending moment of pile (Case 2)

Fig. 19.

Bending moment of pile (Case 3)

4. 하부 Sand층 비액상화

4.1 응답가속도

Fig. 20, Fig. 21은 하부 Sand층의 액상화 현상이 발생하지 않도록 가정하였다. 대표단면을 사용할 경우 개량지반일 때 연암층과의 강성차이로 인해 하부 Sand층의 액상화 현상이 발생하여 피해가 나타는 것을 확인하였다. 따라서 하부 Sand층에 액상화 현상이 발생하지 않는다고 가정을 할 경우 다음과 같은 결과가 나타났다. Case 2은 N1 지점에서 3.47m/s², Case 3는 N2 지점에서 3.12m/s²의 응답가속도가 나타났다.

Fig. 20.

Responded accelerations (Case 2)

Fig. 21.

Responded accelerations (Case 3)

4.2 과잉간극수압비 및 유효응력경로

Fig. 22는 입력가속도가 1m/s²일 때 과잉간극수압 분포를 나타내는 것이며, Fig. 23, Fig. 24는 과잉간극수압비와 유효응력 경로를 나타내는 것이다. 앞서 언급한 것처럼 과잉간극수압은 1인 경우 과잉간극수압과 초기유효응력이 동일해져 유효응력이 “0”이 된 것으로 이는 지반이 액상화 된 것을 의미한다. Fig. 9와 Fig. 22를 비교하였을 때 하부 Sand층에서 액상화 현상이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 22.

Distribution of excess pore water pressure ratio

4.3 말뚝의 수평변위

Fig. 25, Fig. 26은 하부 Sand층의 액상화 현상이 일어나지 않게 가정하였을 때 말뚝의 수평변위 결과이다. Case 2는 약 20cm, Case 3은 약 10cm의 변위가 나타난 것을 확인할 수 있다. 앞서 나타난 결과와 비교하였을 때 약 10 ~ 20cm의 결과 차이가 나타나며, Case 2, Case 3의 결과를 Case 1과 비교하였을 때 약 20 ~ 30cm의 말뚝의 수평변위가 저감되는 효과를 나타내었다. 결과적으로 개량지반은 하부 Sand층의 액상화 현상이 발생하지 않을 경우 말뚝의 변위가 약 2배정도 저감되는 것을 확인하였다.

Fig. 23.

Excess pore water pressure ratio E1

Fig. 24.

Effective stress path E1

Fig. 25.

Pile horizontal displacement (Case 2)

Fig. 26.

Pile horizontal displacement (Case 3)

4.4 말뚝의 휨모멘트

Fig. 27, Fig. 28은 하부 Sand층의 액상화 현상이 일어나지 않게 가정하였을 때 말뚝의 휨모멘트 결과이다. 앞서 나타난 Fig. 18, Fig. 19와 결과를 비교하였을 때 확연한 차이를 보이게 된다. 앞서 언급된 하부에 휨모멘트가 발생하게 된 것은 액상화 현상 및 지진에 의한 비대칭적인 하중에 의해 발생되었다. 하지만 비액상화 지반이라 가정하고 수치해석 한 결과 지진 시 비대칭적인 하중에 의한 휨모멘트만 발생하는 것으로 판단된다.

Fig. 27.

Bending moment of pile (Case 2)

Fig. 28.

Bending moment of pile (Case 3)

5. 결 론

포항지진으로 인해 액상화 현상이 국내에 처음 발생하였다. 해양구조물에 액상화 현상으로 인한 피해로 의심되는 것이 발생하였고, 안벽구조물은 조금의 피해도 크게 나타날 수 있다. 본 연구에서는 2차원 유효응력해석을 통해 지진 가속도에 따른 변화 영향과 개량지반의 효과에 대해 수치해석을 수행하였다. 결론은 다음과 같다.

(1)2차원 유효 응력해석 수행 결과, 뒤채움 지반에서는 입력가속도가 1m/s²일 때 Case 1의 경우 액상화 현상이 발생하고, Case 2, Case 3의 경우 0.5m/s² 이상일 때 액상화 현상이 발생한다. 하부 Sand층에 의한 액상화 현상은 Case 2, Case 3에서만 나타나며 입력가속도가 0.5m/s² 이상일 때 액상화 현상에 근접한다.

(2)입력가속도가 1m/s²일 때 잔교식 안벽의 수평변위는 Case 1에서 약 40cm, Case 2, Case 3에서 약 30cm가 발생하였다. Case 2, Case 3에서는 하부 Sand 층에서 개량지반과 연암층 사이의 강성차이로 인해 액상화 현상이 발생하여 피해가 생겼다. 하지만 하부 Sand 층에 액상화 현상이 발생하지 않는다고 가정할 경우, Case 2는 약 20cm, Case 3는 약 10cm 수평변위가 발생한다. 개량지반의 경우 하부 Sand층이 비액상화지반으로 가정 하였을 때 수평변위가 약 2배 정도 저감되는 효과를 나타난다. 개량지반일 경우 액상화 현상에 대해 추가적인 보강이 필요한 것으로 판단된다.

(3)말뚝의 경우 가속도가 클수록, 육상측에 가까울수록 휨모멘트가 크게 나타나며, 지진에 의해 말뚝 선단부에 비대칭적인 하중에 의해 휨모멘트가 발생한다. 또한, 추가적으로 액상화 현상 발생 시 더 큰 피해가 발생하는 것으로 판단된다.

본 연구의 경우 해양수산부 항만시설물 설계사례집(MOF, 2019)의 대표단면을 사용하여 해석한 것으로 다양한 단면 및 지진파를 적용하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.