기존의 액상화 평가방법은 대부분 미국, 일본 등 지진 발생빈도가 높고 그로 인한 액상화 피해가 빈번한 국가에서 주도적으로 연구가 진행되었으며, 개발된 액상화 평가방법들은 큰 지진규모(M=7.5)에 기초하고 있다. 국내에서도 1997년 실제적인 내진연구가 시작된 이래 액상화 평가의 구체적 규정이 제정되었으나, 내진설계기준에서는 실지진하중을 등가의 전단응력으로 간편화한 경험적인 방법과 실내진동실험에 의한 액상화 상세평가 방법을 통해 액상화 평가를 수행하도록 되어있다. 그러나 이러한 경우 실제 지진하중의 특성을 평가과정에서 반영하지 못하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 실제 지진파 고유의 특성을 적용한 진동삼축실험을 통하여 상대밀도와 실트질함유량의 변화에 따른 액상화 저항강도를 산정하였다. 실험결과를 토대로 국내의 대표적인 항만지역의 지진응답해석 결과와 비교 분석하여 중진지역에 적합한 액상화 평가 생략기준을 제시하였다. 또한 액상화 평가시 정현하중 사용의 문제점을 개선하기 위하여 쐐기하중 및 선형증가쐐기하중 실험을 수행하여 하중 변화에 따른 액상화 저항강도 특성을 분석하였다.
기존의 액상화 평가방법은 대부분 미국, 일본 등 지진 발생빈도가 높고 그로 인한 액상화 피해가 빈번한 국가에서 주도적으로 연구가 진행되었으며, 개발된 액상화 평가방법들은 큰 지진규모(M=7.5)에 기초하고 있다. 국내에서도 1997년 실제적인 내진연구가 시작된 이래 액상화 평가의 구체적 규정이 제정되었으나, 내진설계기준에서는 실지진하중을 등가의 전단응력으로 간편화한 경험적인 방법과 실내진동실험에 의한 액상화 상세평가 방법을 통해 액상화 평가를 수행하도록 되어있다. 그러나 이러한 경우 실제 지진하중의 특성을 평가과정에서 반영하지 못하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 실제 지진파 고유의 특성을 적용한 진동삼축실험을 통하여 상대밀도와 실트질함유량의 변화에 따른 액상화 저항강도를 산정하였다. 실험결과를 토대로 국내의 대표적인 항만지역의 지진응답해석 결과와 비교 분석하여 중진지역에 적합한 액상화 평가 생략기준을 제시하였다. 또한 액상화 평가시 정현하중 사용의 문제점을 개선하기 위하여 쐐기하중 및 선형증가쐐기하중 실험을 수행하여 하중 변화에 따른 액상화 저항강도 특성을 분석하였다.
Conventional methods for the assessment of liquefaction potential were primary for severe earthquake regions $(M{\geq}7.5)$ such as North America and Japan. In Korea, an earthquake related research has started in 1997, but most contents in the guidelines were still quoted from literature ...
Conventional methods for the assessment of liquefaction potential were primary for severe earthquake regions $(M{\geq}7.5)$ such as North America and Japan. In Korea, an earthquake related research has started in 1997, but most contents in the guidelines were still quoted from literature reviews of North America and Japan, which are located in strong earthquake region. Those are not proper in a moderate earthquake regions including Korea. Also the equivalent uniform stress concept (Seed & Idriss, 1971) using regular sinusoidal loading which is used, in a conventional method for the assessment of liquefaction potential, can't reflect correctly the dynamic characteristics of real irregular earthquake motions. In this study, cyclic triaxial tests using irregular earthquake motions are performed with different earthquake magnitudes, relative densities, and fines contents. Assessment of liquefaction potential in moderate earthquake regions is discussed based on various laboratory test results. From the results, screening limits in seismic design were re-investigated and proposed using normalized maximum stress ratios under real irregular earthquake motions. Also from the tests using constant wedge loading and incremental wedge loading, the characteristics of liquefaction resistance of saturated sand under irregular ground motions are investigated.
Conventional methods for the assessment of liquefaction potential were primary for severe earthquake regions $(M{\geq}7.5)$ such as North America and Japan. In Korea, an earthquake related research has started in 1997, but most contents in the guidelines were still quoted from literature reviews of North America and Japan, which are located in strong earthquake region. Those are not proper in a moderate earthquake regions including Korea. Also the equivalent uniform stress concept (Seed & Idriss, 1971) using regular sinusoidal loading which is used, in a conventional method for the assessment of liquefaction potential, can't reflect correctly the dynamic characteristics of real irregular earthquake motions. In this study, cyclic triaxial tests using irregular earthquake motions are performed with different earthquake magnitudes, relative densities, and fines contents. Assessment of liquefaction potential in moderate earthquake regions is discussed based on various laboratory test results. From the results, screening limits in seismic design were re-investigated and proposed using normalized maximum stress ratios under real irregular earthquake motions. Also from the tests using constant wedge loading and incremental wedge loading, the characteristics of liquefaction resistance of saturated sand under irregular ground motions are investigated.
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문제 정의
본 연구에서는 국내 지진자료의 부족 및 위에서 언급한 문제점들을 개선하기 위해 기존의 정현하중을 이용하는 실내진동실험이 아닌 실지진파를 모사할 수 있는 실내진동실험을 통해 중진규모의 지진을 이용하여 국내지반의 액상화 저항 강도 특성을 분석하고, 국내에 적합한 액상화 평가 방법을 제시하였다. 또한 다양한 입력 하중을 이용한 삼축실험을 통하여 하중형태에 따른 액상화 거동 특성을 분석하였다.
제안 방법
(1) 국내의 액상화 생략기준을 개정하기 위하여 지진 응답해석을 수행하여 진동삼축실험결과와 비교하였다. 실 트질 함유량 0%, 상대밀도 75%인 경우 액상화 평가가 필요하지 않은 것으로 나타났으며, 실트질 함유량 20%, 상대밀도 70%인 경우 또한 액상화 평가가 필요하지 않은 것으로 나타났다.
국내의 액상화 평가 방법을 개선하기 위하여 불규칙 지진하중을 입력하중으로 하여 상대밀도와 실트질 함유량을 변화시켜가며 진동삼축실험을 수행하였다. 또한 다양한 하중 형태의 진동삼축실험을 통하여 과잉간극수압의 발현 및 축차 응력, 응력경로 등의 실험결과로부터 동적거동을 분석하였다.
다양한 죽하중에 따른 액상화 발생 특성을 비교하기 위해 쐐기 하중과 선형증가 쐐기 하중을 이용하여 진동삼축실험을수행하였다. 그림 13은 본 연구에서 사용된 쐐기하중과 선형증가 쐐기하중의 모식도를 나타낸 것이다.
않다. 따라서 다양한 동적 하중의 특성을 보다 더 효과적으로 반영하기 위하여, 새로운 응력-시간이력 무차원계수 &를 다음과 같이 제안하였다.
제시하였다. 또한 다양한 입력 하중을 이용한 삼축실험을 통하여 하중형태에 따른 액상화 거동 특성을 분석하였다.
진동삼축실험을 수행하였다. 또한 다양한 하중 형태의 진동삼축실험을 통하여 과잉간극수압의 발현 및 축차 응력, 응력경로 등의 실험결과로부터 동적거동을 분석하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
이 장비는 사용자가 임의의 진동하중을 작성하여 입력할 수 있고, 70Hz의 높은 진동수까지 재하 가 가능하여 실제 지진 하중을 구현할 수 있는 장비이다. 본 연구에서는 실트질 함유량이 0%, 10%, 20%, 30%인 주문진 표준사를 제작하여 진동삼축실험을 수행하였다. 그림 1은실험에 사용된 주문진 표준사의 입도분포를 나타낸 것으로 Tsuchida( 1970)0)가 제시한 액상화 가능성 영역과 함께 도시하였다.
본 연구에서는 초기 액상화 시점을 상태변환선(PTL)을 이용하여 정의하였다. 그림 16(a)와 (b)는 각각 최대 축차 응력 및 누적에너지에 따른 &값을 나타낸다.
불규칙한 지진하중과 정현하중에 의한 액상화 저항 강도를 비교하기 위하여 추가적인 실험을 수행하였다. 유효구속압 WOkPa, 상대밀도 60%의 조건에서 실트질을 함유하지 않은 주문진 표준사를 대상으로 실험을 수행하였다.
진동삼축실험 대상 시료의 직경은 70mm, 높이는 140mm 이며, 수중 침강법을 이용하여 시료를 성형하였다. 실험과정은 시료거치후 간극수압계수 B값이 0.97 이상이 되었을 때를 완전포화상태로 가정하여 포화 과정을 거치고 유효구속압 lOOkPa에서 등방압밀 과정을 수행한 후 진동하중을 시료에 가하였다.
그림 13은 본 연구에서 사용된 쐐기하중과 선형증가 쐐기하중의 모식도를 나타낸 것이다. 쐐기하중은 정현 하중과 같은 방법으로 일정한 크기의 축차응력을 반복재하하여 액상화를 일으키는 반면 선형증가 쐐기하중은 실지진하중과 같은 방법으로 하나의 입력파에서 최대, 최소 축차 응력의 크기를 변화시켜 액상화를 일으켰으며 선형증가 쐐기 하중의 경우 하중작용시간차, 厶t를 0.2, 0.4, 1.0초로 바꿔 총 지속시간을 달리하여 실험하였다.
대상 데이터
만약 어느 지진규모에서 전단응력이 액상화 저항응력보다 크다면 그 흙은 액상화를 일으킬 것이다. 다양한 조건에서의 전단응력을 계산하기 위해서 국내 9개 항만 지역 132개의 시추공에 대하서 지진응답해석을 수행하였으며, 이때 사용된 입력 지진파는 국내의 지진규모를 고려하여 지진규모 6.4, 6.5, 6.6의 세 개의 지진파를 이용하였다. 입력지진파의 최대가속도 수준은 0.
본 연구에서 사용된 실험기는 영국의 ELE사가 개발한진동삼축실험기이다. 이 장비는 사용자가 임의의 진동하중을 작성하여 입력할 수 있고, 70Hz의 높은 진동수까지 재하 가 가능하여 실제 지진 하중을 구현할 수 있는 장비이다.
표 2에서 유효지속시간(Abrahmson과 Silva, 1996)(3)은 5-95% RMS(Root- Mean-Square) 지속시간을 나타낸다. 액상화 생략기준에 대한 분석을 하기 위해 Ormond, Bigbear, Hyogo-Ken Nanbu 지진기록을 사용하였다.
비교하기 위하여 추가적인 실험을 수행하였다. 유효구속압 WOkPa, 상대밀도 60%의 조건에서 실트질을 함유하지 않은 주문진 표준사를 대상으로 실험을 수행하였다. 실험에 적용된 액상화 저항강도비는。.
각각의 시료에 대한 기본 물성실험결과를 표 1에 정리하여 나타내었다. 진동삼축실험 대상 시료의 직경은 70mm, 높이는 140mm 이며, 수중 침강법을 이용하여 시료를 성형하였다. 실험과정은 시료거치후 간극수압계수 B값이 0.
데이터처리
국내에 적합한 액상화 평가 생략기준을 조사하기 위하여 지진 규모 6.5 주변의 불규칙한 지진파를 이용한 실험결과와 1차원 지진응답해석 프로그램인 SHAKE91 (Schnabel 등, 1972)°)을 이용하여 산정한 전단응력을 비교하였다. 만약 어느 지진규모에서 전단응력이 액상화 저항응력보다 크다면 그 흙은 액상화를 일으킬 것이다.
k값의 물리적 의미는 값이 클수록 액상화 발생시 까지 흙에 작용한 외력(시간에 따른 축차 응력의 합계)이 크다는 것을 의미한다. 제안된 파라미터 从의 타당성을 검증하기 위하여, k값을 누적에너지와 비교하였다. 누적에너지는 응력-변형률곡선의 면적으로부터 계산된다.
성능/효과
(2) 응력-시간이력의 무차원계수 K를 제안하였고, 제안된 K 와 누적에너지를 통한 분석 결과 정현하중을 이용한 액상화 저항강도 산정의 경우 저항특성치를 과다 산정함을 확인할 수 있었다.
(3) 액상화 발생시까지의 누적에너지를 분석한 결과 선형 증가 쐐기 하중을 이용한 실험결과와 실지진하중을 이용한 실험 결과가 비슷한 경향을 나타냈으며, 이를 통해 정현하증을 이용한 실험결과보다 선형증가쐐기하중을 이용한 액상화 해석이 보다 더 합리적임을 확인할 수 있다.
이는 축차응력의 크기가 큰 경우 액상화 도달까지의 시간이 짧기 때문이다. 또한 k값이 비슷한 경우 하중 형태에 따른 액상화 발생시까지의 누적에너지를 분석해보면, 정현하중 및 쐐기하중을 이용한 실험의 경우 누적 에너지의 크기가 비정현하중의 결과와 큰 차이를 보이며, 선형 증가 쐐기 하중을 이용한 실험결과가 실지진하중을 이용한 결과와 유사함을 확인할 수 있다. 그림 17로부터 액상화 발생시까지의 누적 에너지는 최대 축차응력이 증가함에 따라 감소하며 최대 축차 응력에 따른 누적에너지가 감소함에 따라 K값은 증가함을 확인할 수 있다.
그림 8은 실 트질 함유량이 0, 10, 20%인 시료에 대한 실험을 통하여 상대 밀도 변화가 액상화 저항강도에 미치는 영향을 보여준다. 상대 밀도가 클수록 액상화 저항강도가 크게 나타났으며 순수모래와 실트질을 함유한 모래 모두 상대밀도에 대한 영향이 크다는 사실을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 순수 모래에 대한 이전의 연구결과(Mulilis, 1975; Vaid와 Sivathayalan, 1996)&6)와 유사한 결과를 보여준다.
그림을 보면 대부분의 전단응력 비가 액상화 저항강도보다 작은 값을 나타냄을 확인할 수 있다. 서로 다른 상대밀도와 실트질 함유량에 대한 실험 결과와 국내 항만 지역에 대한 지진응답해석 결과를 고려할 때, 실트질 함유량 0%, 상대밀도 75% 조건 이상인 경우 액상화가 발생하지 않았으며, 따라서 이러한 지반의 경우 액상화 평가를 생략할 수 있다고 판단된다. 또한 실트질 함유량 20%,상대밀도 70%인 경우도 위와 유사한 경향을 나타내었다.
그림 10은 실트질 함유량 증가에 따른 액상화 저항강도 증가를 나타낸다. 세 개의 상대 밀도에 대한 결과로부터 실트질 함유량이 증가할수록 액상화 저항 강도가 증가하는 경향을 확인할 수 있다.
실 트질 함유량 0%, 상대밀도 75%인 경우 액상화 평가가 필요하지 않은 것으로 나타났으며, 실트질 함유량 20%, 상대밀도 70%인 경우 또한 액상화 평가가 필요하지 않은 것으로 나타났다.
그림 9와 10은 실트질 함유량이 액상화 저항강도에 미치는 영향을 보여준다. 실트질 함유량이 증가할수록 실트 질 모래의 액상화 저항강도는 증가하는 경향을 나타냈다. 그림 9를 살펴보면, 실트질 함유량이 0에서 30%로 증가할 때 상대 밀도 60%인 경우는 90%의 액상화 저항강도 증가를, 상대 밀도 70%인 경우는 30%의 액상화 저항강도 증가를 나타냈다.
또한 누적에너지의 경우에도 비정 현하 중을 가한 경우 100미만의 값을 보이나, 정현 하중의 경우 100보다 큰 값을 보인다. 이러한 결과들에 근거하여, 정현하중을 이용한 경우 실제 지진하중을 이용한 경우보다 큰 누적에너지를 산출함으로써 액상화 저항강도를 과다산정하는 문제점을 내포할 수 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
또한 실트질 함유량 20%,상대밀도 70%인 경우도 위와 유사한 경향을 나타내었다. 비록 추가적인 조사가 필요하지만, 본 연구를 통해 얻은 결과는 국내의 액상화 평가 생략기준에 사용될 수 있을 것이다.
참고문헌 (10)
Seed, H. B. and Idriss, I. M., 'Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential,' J. Geotech. Engrg. Div, , ASCE, Vol. 97, No. 9, 1971, pp. 1249-1273
Tsuchida, H., 'Prediction and remedial measures against liquefaction of sandy soil,' Annual Seminar of Port and Harbor Research Institute, No.3, 1970, pp. 1-33(in Japanese)
Abrahamson, N. and Silva, W., Empirical ground motion models, Draft Rep., Brookhaven National Laboratory, 1996
Seed, H. B., Idriss, I. M., Makdisi, F. and Banerjee, N., 'Representation of irregular stress time histories by equivalent uniform stress series in liquefaction analysis,' Report, No. EERC 75-29, Earthquake Engineering Research Center, Univ. California, Berkeley, 1975
Mulilis, J. P., 'The effects of method of sample preparation on the cyclic stress strain behavior of sands,' Report, No. EERC 75-18, Earthquake Engineering Research Center, Univ. California, Berkeley, 1975
Vaid, Y. P. and Sivathayalan, S., 'Static and cyclic liquefaction potential of Fraser Delta sand in simple shear and triaxial tests,' Can. Geotech. J., Vol. 33, No.2, 1996, pp. 281-289
Chang, N. Y., Yeh, S. T. and Kaufman, L. P., 'Liquefaction potential of clean and silty sands,' Proc., 3rd Int. Earthquake Microzonation Conf., 1982, pp. 1017-1032
Dezfulian, H., 'Effects of silt content on dynamic properties of sandy soils,' Proc. 8th World Conf. on Earthquake Engrg., 1982, pp. 63-70
Schnabel, P. B., Lysmer, J. and Seed, H. B., 'A computer program for earthquake response analysis of horizontally layered sites,' Report, No. EERC 72-12, Earthquake Engineering Research Center, Univ. California, Berkeley, 1972
최재순, 박근보, 서경범, 김수일, '포화사질토의 동적거동규명을 위한 교란상태개념의 이용', 한국지진공학회 2003년도 춘계학술대회 논문집, 2003, pp. 140-147
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