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문제 정의
- 조성되는 안벽의 배후지에 대한 액상화평가는 항만시설 전체의 내진 안정성 확보를 위해 최우선으로 해결해야 할 문제인 것이다. 이번 연구에서는 현재 국내에서 건설되고 있는 항만의 대표적인 안벽 단면에 대하여 '항만 및 어항 시설의 내진설계 표준서(해양수산부, 1999), 에서 제시한 액상화판정방법을 토대로 엄밀한 실내실험과 합리적인 평가과정을 통해 지반의 액상화에 대한 안정성을 평가하였다. 또한, 지진에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 일본에서 사용하고 있는 港灣施設£0技術上8 基準.
- 이번 연구에서는 현재 시공 중에 있는 4개 항만의 대표적인 안벽 단면에 대한 액상화평가를 수행하였다. 액상화 평가를 위한 지진응답해석은 1차원 중복반사파 이론을 적용하였으며, 지반의 응력-변형 모델은 등가선형화 이론을 적용하였다(Idriss and Sun, 1992).
가설 설정
- 액상화강도 결정에 필요한 표준관입시험은 지반 매립이 완료된 상태가 아니기 때문에 가정하여 적용하였다.
제안 방법
- 입력 지진파에 따라 지진응답해석 결과를 비교해 보면 증폭과 감쇠가 발생하는 위치는 다소 차이가 있지만 전체적인 가속도 및 전단응력 응답특성은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. Fig. 13에서는 항만 및 어항시설의 내진설계표준서(해양수산부, 1999)와 일본 항만시설의 기술상의 기준(일본항만협회, 1999)에 의한 방법으로 각각 액상화 평가를 실시한 결과를 비교하였다. 두 방법 모두 상부층에서는 액상화가 발생할 것으로 나타났으나, 하부층에서는 평가 방법에 따라 액상화 발생 가능성이 다소 차이를 보이고 있다.
- 액상화평가는 표준관입시험의 결과와 입도분포를 이용한 간편법을 사용하였다. 계산의 편리성과 일관성을 위해 해석 프로그램을 제작하여 사용하였다(권 등, 2000).
- 시험을 수행하였다. 기본 물성시험으로 입도분포 시험을 실시하였으며, 현장에서 불교란 상태로 시료를 채취할 수 없기 때문에 침강.매립되는 과정을 실내에서 모사한 자중 압밀시험을 실시하여 현장의 단위중량을 결정하였다.
- 대표적인 장주기와 단주기 지진파인 Tokachi-Oki 지진(Hachinohe, 1968)과 Miyagi-Oki 지진(Ofunato, 1978)을 사용하였다. 또한, '항만 및 어항시설의 내진설계표준서(해양수산부, 1999), 에 제시된 것과 같이 지진 지역구분과 토사지반조건에 따라 결정된 인공지진 스펙트럼을 적용하여 인공지진파를 제작하여 적용하였다.
- 매립되는 과정을 실내에서 모사한 자중 압밀시험을 실시하여 현장의 단위중량을 결정하였다. 또한, 추가적인 1차원 압축재하시험을 실시하여 '상재하중에 의한 지반의 압축 특성을 고찰하였다. Fig.
- 기본 물성시험으로 입도분포 시험을 실시하였으며, 현장에서 불교란 상태로 시료를 채취할 수 없기 때문에 침강.매립되는 과정을 실내에서 모사한 자중 압밀시험을 실시하여 현장의 단위중량을 결정하였다. 또한, 추가적인 1차원 압축재하시험을 실시하여 '상재하중에 의한 지반의 압축 특성을 고찰하였다.
- 설계도서에 제시된 대표적인 안벽의 단면에 대하여 해석을 수행하였다. Fig.
- 17은 해석에 사용한 안벽의 대표단면의 표준단면도를 간략하게 나타낸 것이다. 시공 순서는 심층 혼합치환 공법을 적용하여 원 지반을 개량한 후 사석 마운드를 거치하고 케이슨식 안벽을 설치하였으며, 안벽의 배후를 준설점토로 매립하여 안정화시킨 후, 산토 매립을 실시하여 배후지반을 형성하였다., 안벽의 전면 지반은 준설로 인하여 그림에서와 같이 경사면을 형성하고 있다.
- 변형률 의존곡선을 결정하였다. 시료를 채취하지 못한 지반에 대해서는 설계도서의 지질주상도를 참조하여 지반 조건을 결정하였다.
- 액상화평가를 위해 먼저 대상 지반의 지반조건을 검토한 후, 현재 매립 중이거나 매립 예정인 매립재료를 채취하여 실내 실험을 통하여 지반의 전단탄성계수와 감쇠비의 변형률 의존곡선을 결정하였다. 시료를 채취하지 못한 지반에 대해서는 설계도서의 지질주상도를 참조하여 지반 조건을 결정하였다.
- 이번 연구에서는 현재 건설 중인 4개 신항만의 대표적인 안벽 단면에 대한 액상화평가를 수행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 식과 같이 계산할 수 있다. 지반 최대 가속도는 기반암에서의 가속도를 지진응답해석을 통해 구한다.
- 지빈-의 전단탄성계수는 미소변형에서 최대값을 나타내기 때문에 현장시험에서 측정한 값을 사용하여야 하지만, 현장시험을 실시하지 못하였기 때문에 실내 공 진주시험에서 측정된 최대전단탄성계수를 안전 측으로 사용하였다. 최대전단탄성계수는 변형률에 무관하게 일정한 값을 보이는 한계변형률(threshold strain) 이하에서 측정하였다.
- 지진구역은 지진 2등급 붕괴방지수준에 해당하는 평균재현 주기 500년을 기준으로 해당 항만의 위치를 고려하여 적용하였으며, 지반조건은 연약한 토사지반인 SE 조건을 사용하였다. Figs.
- 최대전단탄성계수는 변형률에 무관하게 일정한 값을 보이는 한계변형률(threshold strain) 이하에서 측정하였다. 공진주시험에서 사용한 시료는 1차원 압축재하시험에서 측정된 단위중량으로 제작한 재성형시료를 사용하였다.
- 20은 해석에 사용한 안벽의 대표단면의 표준단면도를 간략하게 것이다. 콘크리트 블록식 안벽의 배면에 대립을 통하여 배후 지반을 조성하는 방법으로 계획되었다. 이 지역은 지진구역 분류에 의해 지진 I 구역에 해당하여 설계지반운동 가속도 시계열의 최대지반가속도를 0.
- 11과 같다. 해당 지반은 기존 해저 면(DL-12m)으로부터 DL-40m까지 연약한 점성토 지반으로 구성되어 있으며, 안벽의 건설을 위해 케이슨 안벽 하단의 원 지반은 심층혼합처리공법을 적용하여 지반을 개량하며, 배후 지반 하단의 원 지반은 배수공법(PDB) 을 적용하여 지반을 개량하도록 설계되었다. 케이슨 안벽의 전면은 선박의 접안을 위해 DL-11.
- 해석 단면의 대표적인 매립재료를 채취하여 기본적인 실내 시험을 수행하였다. 기본 물성시험으로 입도분포 시험을 실시하였으며, 현장에서 불교란 상태로 시료를 채취할 수 없기 때문에 침강.
대상 데이터
- 최대전단탄성계수는 변형률에 무관하게 일정한 값을 보이는 한계변형률(threshold strain) 이하에서 측정하였다. 공진주시험에서 사용한 시료는 1차원 압축재하시험에서 측정된 단위중량으로 제작한 재성형시료를 사용하였다. Table 1 은 공진주시험에서 얻어진 최대전단탄성계수를 요약한 것이며, 등가선형화이론을 적용할 때 사용되는 전단탄성계수와 감쇠비의 변형률 의존곡선은 Fig.
- 설계도서에 제시된 안벽 단면 중에서 대표 단면으로 20, 000 DWT급 일반부두의 표준단면을 선택하였으며 , 간략한 단면도는 Fig. 11과 같다. 해당 지반은 기존 해저 면(DL-12m)으로부터 DL-40m까지 연약한 점성토 지반으로 구성되어 있으며, 안벽의 건설을 위해 케이슨 안벽 하단의 원 지반은 심층혼합처리공법을 적용하여 지반을 개량하며, 배후 지반 하단의 원 지반은 배수공법(PDB) 을 적용하여 지반을 개량하도록 설계되었다.
- 입력 지진파 시계열은 내진해석에서 많이 사용되고 있는 대표적인 장주기와 단주기 지진파인 Tokachi-Oki 지진(Hachinohe, 1968)과 Miyagi-Oki 지진(Ofunato, 1978)을 사용하였다. 또한, '항만 및 어항시설의 내진설계표준서(해양수산부, 1999), 에 제시된 것과 같이 지진 지역구분과 토사지반조건에 따라 결정된 인공지진 스펙트럼을 적용하여 인공지진파를 제작하여 적용하였다.
- 5~8은 입력지진파로 사용한 실지 진의 가속도 시계열과 제작한 인공지진의 설계스펙트럼과 가속도 시계열을 나타낸 것이다. 지진 응답해석에서 지진파는 기반암 위치에서 작용하는 것으로 보았으며, 사용지진파는 시간영역에서 최대가속도에 대한 비례계수를 적용하여 사용하였다.
데이터처리
- 또한, 지진에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 일본에서 사용하고 있는 港灣施設£0技術上8 基準.同解說(日本港灣協會, 1999)에서 제안하고 있는 액상화 판정 방법을 사용하여 액상화를 평가한 결과를 비교 . 검토하였다.
이론/모형
- 액상화 평가를 위한 지진응답해석은 1차원 중복반사파 이론을 적용하였으며, 지반의 응력-변형 모델은 등가선형화 이론을 적용하였다(Idriss and Sun, 1992). 액상화평가는 표준관입시험의 결과와 입도분포를 이용한 간편법을 사용하였다.
- 액상화 평가를 위한 지진응답해석은 1차원 중복반사파 이론을 적용하였으며, 지반의 응력-변형 모델은 등가선형화 이론을 적용하였다(Idriss and Sun, 1992). 액상화평가는 표준관입시험의 결과와 입도분포를 이용한 간편법을 사용하였다. 계산의 편리성과 일관성을 위해 해석 프로그램을 제작하여 사용하였다(권 등, 2000).
성능/효과
- 결과를 나타낸 Figs. 15 및 16을 살펴보면, 항만 및 어항시설의 내진설계표준서(1971)와 일본 항만시설의 기술상의 기준(1999)에서 제안된 방법을 적용한 모든 경우에서 상부층에서 액상화가 발생하며 GL-3.0m 이하의 지반에서는 액상화에 안정한 것으로 나타났다. 그러나, 매립지반의 상부 2〜3 m의 토층은 완전 포화상태로 보기 어렵기 때문에 B 항만의 안벽 배후지는 액상화에 안정한 것으로 판단할 수 있다.
- 또한, 추가적인 1차원 압축재하시험을 실시하여 '상재하중에 의한 지반의 압축 특성을 고찰하였다. Fig.9는 입도분석 결과를 나타낸 것으로 D항의 매립 모래와 B항의 매립모래는 중간 정도 굵기에 입도분포가 좋게 나타났으며, A항의 매립모래는 조개껍질이 많이 함유되어 있고 비교적 균등한 입도분포 특성을 가진 것으로 나타났다. C항에서 매립재료로 사용된 토사는 입도 분포가 좋은 조립토로 나타났다.
- ② 액상화 검토 결과, 4개 항만 중에서 2개 항만의 안벽에서만이 액상화에 안정한 것으로 평가되었으며, A 항만.의 경우 평가기법에 따라 다소 차이는 있지만 세부적인 액상화 검토가 필요한 것으로 나타났다.
- ③ 대표적으로 액상화를 평가하기 위한 간편법으로 사용되고 있는 두 방법을 비교한 결과, 일본 항만시설 기술상의 기준(일본항만협회, 1999)에서 액상화가 쉽게 발생하지 않는 입도분포를 가지는 지반에서의 액상화 평가 결과와 항만 및 어항시설의 내진설계 표준서(해양수산부, 1999)에 따른 평가결과는 차이를 보일 수 있음을 알 수 있었다.
- ④ 항만 및 어항시설의 내진설계 표준서(해양수산부, 1999) 방법에 의한 액상화 판정이 일본 항만시설 기술상의 기준(일본항만협회, 1999)에 의한 방법보다 보수적인 안전측의 결과를 얻을 수 있었다.
- 12를 살펴보면, 복합지반의 특성을 반영하여 기반층에서 입력된 지진 파가 증폭과 감쇠를 반복하는 것으로 나타났다. 입력 지진파에 따라 지진응답해석 결과를 비교해 보면 증폭과 감쇠가 발생하는 위치는 다소 차이가 있지만 전체적인 가속도 및 전단응력 응답특성은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. Fig.
후속연구
- 이것은 전자의 방법이 지반가속도 응답을 사용하는 것에 반하여 후자에서는 전단응력 응답을 사용하기 때문이며, 이러한 차이는 판정 기법의 차이와 함께 지반의 동적 물성치(전단탄성계수와 감쇠비)의 부정확성으로 인해서도 발생할 수 있다. 따라서, A 항만의 검토 단면에 대한 정확한 액상화 판정을 위해서는 좀 더 정밀한 지반조사와 액상화에 대한 상세평가가 실시되어야 할 것으로 판단된다.
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