1. 서 론
2. 수치해석을 이용한 케이슨안벽의 거동
2.1 2차원 유효응력해석
2.2 수치해석개요
2.3 입력 지진파
3. 수치해석
3.1 응답가속도
3.2 과잉간극수압비
3.3 케이슨 침하량
4. 결 론
1. 서 론
지진은 전 세계적으로 빈번하게 발생하고 있다. 최근에는 항만 및 해양 물류산업 등 해양플랜트 관련 사업이 활발히 진행되면서, 해양 구조물의 안정성 문제가 중요한 이슈로 부각되고 있다. 특히 대규모 항만시설의 경우, 지진으로 인해 기능에 이상이 생길 경우 막대한 경제적 손실을 초래할 가능성이 크다. 외국에서는 지진으로 인한 피해가 빈번히 발생함에 따라 지진 데이터 및 피해 분석을 기반으로 피해를 최소화하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 우리나라는 큰 규모의 지진이 상대적으로 적어 지진 관련 데이터가 부족하며, 이로 인해 지진 설계 및 유지보수에 대한 연구도 아직 뒤처진 상황이다. 하지만 2016년 경주지진과 2017년 포항지진으로 인해 피해가 발생하면서, 우리나라에서도 지진에 대한 관심이 크게 높아진 상태다. 액상화는 포화된 사질토 지반에서 동적 하중에 의해 발생하는 대표적인 지반거동으로, 구조물의 안정성에 심각한 영향을 미친다. 액상화가 발생하면 간극수압의 급격한 상승으로 유효응력이 감소하며, 이로 인해 지반이 흘러내리거나 큰 변형이 발생할 수 있다. 이는 구조물의 침하, 기울어짐, 붕괴와 같은 치명적인 결과로 이어질 수 있다. 일본에서는 1964년 니가타 지진 당시 아파트가 기울고 교량 상판이 붕괴되는 등 액상화로 인한 대표적인 피해 사례가 보고되었다(Park et al., 2018a). 또한 1976년 중국 탕산 대지진에서는 액상화로 인해 약 24만 명의 주민이 사망하는 대참사가 발생했다. 우리나라의 경우, 1978년 홍성지진과 2016년 경주지진 당시 일부 구조물 피해가 보고되었으나, 액상화 현상은 발생하지 않았다. 하지만 2017년 포항지진에서는 국내 최초로 액상화 현상이 관찰되었다. 포항지진 이후 영일만항에 대한 긴급 정밀안전진단 결과, 일부 지역에서 배후지의 침하가 약 10~20cm 발생했으며, 케이슨의 수평 변위는 약 15cm 이하, 침하량은 약 10cm로 관찰되었다(Kim et al., 2019). 지진 응답해석은 주로 비배수 조건에서 수행되는 경우가 많다. 하지만 비배수 조건 해석은 지진 이후 과잉간극수압이 소산하면서 발생하는 추가적인 변위를 고려하지 못하는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 배수 조건을 고려한 해석이 요구된다. 특히 지진 시 과잉 간극수압의 소산 시간이 매우 짧은 경우, 비배수 조건 해석은 지진 후 발생하는 간극수압 소산과 이에 따른 침하 현상을 설명할 수 없다. 이러한 이유로 배수 조건을 고려한 해석 이론이 제안되었으며, 대표적으로 Iai et al.(2011)의 연구가 이를 뒷받침하고 있다. 따라서 본 연구에서는 지진 시 배수 조건 및 지반개량에 따른 케이슨식 방파제의 동적 거동을 분석하는 데 중점을 두고 연구를 수행하였다.
2. 수치해석을 이용한 케이슨안벽의 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 국내 연구에 사용되었다. 주로 지반 진동으로 인한 액상화 현상의 피해 및 해안구조물 피해 예측에 사용된다. 해석모델은 비배수 조건 해석에서 Multi- spring model(Towhata and Ishihara, 1985)을 적용하고 배수해석에서는 Multi-spring model을 기반으로 한 Cocktail- glass model을 사용한다. 각 모델은 Iai et al.(1992a, 1992b) 및 Iai et al.(2011), Iai et al.(2013)에 명시되어 있다.
2.2 수치해석개요
본 연구는 지진 발생 시 케이슨식 방파제와 지반의 상호작용을 분석하고, 지진 후 과잉간극수압 소산이 침하 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 2차원 유한요소 해석을 수행하였다. 해석 모델은 영일만항 방파제 단면을 참고하여 구축하였으며, Fig. 1은 하부 점토층만 개량한 사례, Fig. 2는 모래지반과 점토층 모두를 추가 개량한 사례를 나타낸다. 지반 및 구조물의 동적 거동을 정밀히 분석하기 위해 다음과 같은 경계 조건을 설정하였다. 하단 경계는 고정 조건으로 설정하였고, 좌우 경계는 점성 경계를 적용하여 지진파 반사 및 응력 집중을 최소화하였다.
해석의 주요 출력 변수는 응답가속도와 과잉간극수압으로 설정하였으며, 지반 및 구조물 상부의 응답가속도(D 지점)와 지반 내부의 과잉간극수압(E 지점)을 집중적으로 분석하였다. 또한, 지진 후 소산에 따른 침하를 검토하기 위해 소산해석을 수행하였으며, 해석 시간은 과잉간극수압이 충분히 소산될 것으로 예상되는 7일(604,800s)로 설정하였다.
Table 1은 해석에 사용된 지반 물성을 나타내며, 이는 설계시 수행한 지반조사와 포항지진과 관련되어 수행된 결과(Mun, 2018; Park et al., 2018b)를 기반으로 결정하였다. Table 2는 배수조건에서의 액상화 파라미터를 나타낸다. 액상화 파라미터는 영일만항 지질조사 보고서에서 제시된 동적 시험 결과를 바탕으로 FLIPCSIM 프로그램을 활용하여 각 요소의 동적 응답 곡선에 적합하도록 결정하였다. 개량지반 물성의 경우 기존 문헌 및 현장조사 보고서를 토대로 결정하였다.
Table 1.
Soil parameters for dynamic
Table 2.
Soil parameters for liquefaction
| Type |
PHIP () |
EPSCM () |
repsdc () |
q1 () |
q2 () |
rkpp () |
| Sand | 28 | 0.07 | 0.34 | 8 | 0.5 | 0.1 |
| Type | rk () | plk () | s1 () | c1 () | q4 () | rrmtmp () |
| Sand | 28 | 0.07 | 0.34 | 8 | 0.5 | 0.1 |
2.3 입력 지진파
Fig. 3에 제시된 바와 같이 사인파를 입력 지진파로 사용하였다. 실제 지진파는 지속시간과 진폭 외에도 지진 고유의 복잡한 특성을 포함하고 있다. 반면, 사인파는 진폭과 지속시간만을 순수하게 고려할 수 있으며, 진동수의 영향을 배제할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 주파수 1.25Hz, 주기 0.8초의 사인파를 입력 지진파로 적용하였으며, 점진적으로 진폭이 증가하는 형태로 설정하였다.
3. 수치해석
3.1 응답가속도
Fig. 4는 Case 1의 응답가속도 결과이며, Fig. 5는 Case 2의 응답가속도 결과이다. 먼저 Case 1은 기초사석(D4) 지점에서 응답가속도 2.89m/s2으로 나타났으며, 케이슨 상단부분(D5) 지점에서는 1.82m/s2의 응답가속도가 발생하였다. Case 2는 기초사석(D2) 지점에서 응답가속도 2.25 m/s2으로 나타났으며, 케이슨 상단부분(D3) 지점에서는 3.30m/s2의 응답가속도가 발생하였다. Case 2의 경우 개량지반으로 인해 케이슨 상단의 응답가속도가 Case 1의 경우보다 더 큰 것을 확인할 수 있다.
3.2 과잉간극수압비
Fig. 6과 Fig. 7은 시간 경과에 따른 과잉간극수압비의 변화를 나타내며, Case 1과 Case 2에서의 과잉간극수압 분포를 비교하였다. 과잉간극수압비는 초기 유효응력에 대한 과잉간극수압의 비로 정의되며, 값이 1에 도달하면 과잉간극수압이 초기 유효응력과 같아져 유효응력이 0이 되는 상태를 의미한다(Kang, 2011). 이는 지반이 액상화된 상태임을 나타낸다. Case 1에서는 케이슨 하부의 모래층에서 과잉간극수압이 증가하여 액상화로 인한 피해가 발생하는 것으로 나타났다. 다만, 배수 해석의 경우 케이슨의 하중으로 인해 과잉간극수압이 빠르게 소산되어 약 0.6 수준으로 나타나며, 완전한 액상화 상태는 나타나지 않았다. 그럼에도 불구하고 반복하중과 잔류 과잉간극수압의 영향을 받아 침하가 발생한 것으로 판단된다. 반면, Case 2에서는 개량지반으로 인해 과잉간극수압이 발생하지 않아 액상화로 인한 피해가 발생하지 않는 것으로 분석되었다. Fig. 8, Fig. 9는 E1~E4 지점의 과잉간극수압비 변화 경향을 나타낸다. E1~E4 지점의 과잉간극수압은 약 0.9까지 증가하여 액상화 현상으로 인한 추가 피해가 발생할 것으로 판단된다. 두 케이스 모두 약 300~400초 내에 과잉간극수압이 완전히 소산되는 것으로 확인되었다.
3.3 케이슨 침하량
Fig. 10, Fig. 11는 케이슨의 침하량 변화를 나타낸다. L, C, R은 케이슨 상단부의 좌측, 중앙, 우측을 각각 나타내는 지점이다. Case 1에서는 지진에 의해 약 39.3cm의 침하가 발생하였으며, 이후 과잉 간극수압의 소산 과정에서 추가 침하가 7.4cm 발생했으며, 총 침하량은 46.7cm로 나타났다. 이 침하는 지진에 의한 초기 동적 하중과 액상화된 모래층에서 소산된 과잉간극수압으로 인한 침하가 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 반면, Case 2에서는 지진 발생 시 침하량이 약 1.7cm로 상대적으로 적었고, 액상화 현상이 발생하지 않아 추가적인 소산에 의한 침하량은 발생하지 않았다. 해석 결과 지진과 액상화 현상이 침하량에 중요한 영향을 미친다는 점이 확인되었다. Case 1에서는 두 가지 요소가 복합적으로 작용하여 큰 침하를 일으킨 반면, Case 2는 액상화 현상이 발생하지 않아 침하가 적었던 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 지진 시 케이슨 하부 모래층의 동적 거동과 과잉간극수압 소산 과정을 2차원 유효응력 해석을 통해 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
1.Case 1에서는 지진에 의해 약 39.3cm의 침하가 발생하였으며, 이후 과잉간극수압 소산과정에서 7.4cm의 추가 침하가 발생하여 총 침하량은 46.7cm로 확인되었다. 반면, Case 2에서는 지반 개량의 영향으로 액상화 현상이 발생하지 않아 지진 발생 시 침하량이 1.7cm로 나타났으며, 액상화 현상이 발생하지 않아 추가적인 소산 침하량은 발생하지 않았다.
2.배수조건을 고려한 해석에서는 과잉간극수압 소산과정에서 침하가 추가적으로 발생함을 확인하였으며, 이는 비배수조건 해석의 한계를 보완할 수 있는 중요한 요소로 작용한다. 과잉간극수압은 약 300~400초 이내에 소산되었지만 Case 1의 경우 7일까지 배수하는 과정에서 침하가 지속적으로 진행되었으며, 이를 통해 배수조건을 고려한 해석을 통해 액상화로 인한 침하를 보다 정확히 예측할 수 있음이 증명되었다.
3.Case 1에서는 비개량지반 상태에서 모래층의 액상화 현상으로 인해 피해가 발생하였다. 이를 통해 지진 시 모래층에서 발생할 수 있는 액상화 가능성을 완전히 차단하기 위해서는 추가적인 지반 보강 대책이 필요함을 확인하였다. 반면, Case 2와 같이 개량지반이 적용된 경우에는 액상화 현상이 발생하지 않아 케이슨 구조물의 안정성 확보에 효과적인 역할을 수행하는 것으로 분석된다.
본 연구는 액상화와 동적 하중이 해양 구조물의 안정성에 미치는 영향을 분석하고, 배수조건 해석과 개량지반의 효과를 기반으로 구조물 설계의 방향성을 제시하였다. 향후에는 다양한 지진파와 단면 조건을 반영한 추가 연구를 통해, 해양 구조물의 안전성 평가를 더욱 정밀히 수행할 필요가 있다.
