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문제 정의
- Fig. 3에서는 표준편차 (standard deviation, σ) 범위를 고려한 정규분포의 차별적 도시와 함께 전단파속도의 50m/s 단위별 자료빈도를 원자료 참고 목적으로 중첩 제시하였다.
- 반면, 연암 및 그 이상 경도의 암반에서는 현실적으로 표준관입시험을 수행할 수 없으므로 코어버렐로 채취한 암반 시료의 상태를 실측하여 TCR(total core recovery) 및 RQD(rock quality designation)를 공학적 상태변수로 제시한다. 본 고찰에서는 이러한 시추조사로부터의 정량적 정보와 전단파속도를 비교하여 지질 및 지반공학 현장변수에 따른 두 암반층의 강성 변화를 직관적으로 파악해 보고자 하였다. Fig.
- 그 중에서도 기반암의 적절한 선정은 지표면이나 지중의 지반운동에 정량적 영향을 미치는 매우 중요한 요소들 중의 하나이다. 여기에서는 국내 시추조사에서 보편적으로 구분하여 보고하는 주요 암반층들을 대상으로 지반의 대표 동적특성인 전단파속도(shear wave velocity, VS) 분포를 조사하고, 이를 토대로 적합한 공학적 기반암을 선정하고자 하였다.
제안 방법
- 기존 또는 제한적 상황의 지반자료를 활용한 합리적 지진지반운동 평가 및 체계적 내진설계의 일환으로, 일반적인 시추조사로부터 확인되는 풍화암과 연암에 대해 지진공학적 기반암으로서의 소요 특성을 고찰하고자, 신뢰성 높게 수행되고 분석된 시추공 탄성파시험의 전단 파속도 자료를 취합 분석하였다. 대상 암반층들의 전단 파속도 자료에 대해 확률밀도 분포를 도출하여 공학적 기반암의 최소 전단파속도 기준인 750 m/s와 비교한 결과, 연암층 전단파속도 분포에서는 기반암 기준이 평균보다 상당히 작은 −1σ와 −2σ 사이에 분포하였으나 풍화암층에서는 평균과 +1σ 사이에 분포하였다.
- 모든 대상 시험 부지에서는 우선 시추조사를 풍화암 종료(하부)심도 또는 연암 시작(상부)심도부터 최소 약 5m 정도까지 확인하고자 수행하였으며, 일부 부지들에서는 수 m 정도의 비교적 얕은 토사 두께 분포에 따라 더 깊은 암반심도까지 시추조사를 수행하기도 하였다. 시추 종료후 현장 탄성파 시험을 위한 PVC 케이싱을 설치하고 시추공과 시험용 케이싱 주변을 모래시멘트로 충진하여 시험 환경을 조성하였다.
- 국내 현장 시추조사에서 풍화암의 경우 대개 표준관입시험이 수행되고 그에 따라 조사보고서에는 N 값이 제시되며, 대부분 50 cm 두께 관입 시 타격수의 형식으로 표현하게 된다. 반면, 연암 및 그 이상 경도의 암반에서는 현실적으로 표준관입시험을 수행할 수 없으므로 코어버렐로 채취한 암반 시료의 상태를 실측하여 TCR(total core recovery) 및 RQD(rock quality designation)를 공학적 상태변수로 제시한다. 본 고찰에서는 이러한 시추조사로부터의 정량적 정보와 전단파속도를 비교하여 지질 및 지반공학 현장변수에 따른 두 암반층의 강성 변화를 직관적으로 파악해 보고자 하였다.
- 모든 대상 시험 부지에서는 우선 시추조사를 풍화암 종료(하부)심도 또는 연암 시작(상부)심도부터 최소 약 5m 정도까지 확인하고자 수행하였으며, 일부 부지들에서는 수 m 정도의 비교적 얕은 토사 두께 분포에 따라 더 깊은 암반심도까지 시추조사를 수행하기도 하였다. 시추 종료후 현장 탄성파 시험을 위한 PVC 케이싱을 설치하고 시추공과 시험용 케이싱 주변을 모래시멘트로 충진하여 시험 환경을 조성하였다. 일부 부지에서는 크로스홀 시험과 다운홀 시험이 병행되기도 하였다.
- 5에는 풍화암에서의 표준관입시험 N 값과 전단파속도간의 자료를 이산화 분포로 제시하였다. 여기서 N 값은 현장고유 비선형 관계의 도출 적용이 바람직하지만(Sun et al., 2013), 절대비교 기준이 전단파속도이므로 효율성을 고려하여 30 cm 관입 조건으로 단순 선형환산하여 적용하였다.
- , 2005). 이와 같은 이유로 본 연구에서도 시추공 탄성파 시험만을 대상으로 고려하였으며, 여러 시추공 방법들 중에서도 상대적으로 오랫동안 지반 지진공학 분야에서 수행되어 온 크로스홀(crosshole) 및 다운홀(downhole) 탄성파 시험을 선정하였다. 여기서는 본 연구진이 직접 시험을 수행하고 분석하여 결과에 대한 전문적 신뢰도가 확보된 자료들 대상으로 하였다.
- 여기서는 본 연구진이 직접 시험을 수행하고 분석하여 결과에 대한 전문적 신뢰도가 확보된 자료들 대상으로 하였다. 주로 금세기 초반에 역사 및 계기 지진 피해지역들에서 부지특성 평가를 위해 수행한 시추공 탄성파 시험의 결과들(Sun, 2010)이며, 연암이상의 단단한 암반까지 시험이 성공적으로 완료된 자료들을 취합 분석하였다.
- 비록 지진공학적 기반암의 최소 정량적 기준(VS > 760m/s)이 일반적인 풍화암과 연암의 구분 기준들과 물리적 의미에서 일치하지 않을 수는 있지만, 공학적 활용성과 보수성을 고려하여 공학적 기반암의 필요 조건을 파악해 보고자 대부분 1m 단위로 획득된 현장 전단파속도 자료를 정리하였다. 총 66개인 풍화암 전단파속도 자료와 총 60개의 연암(일부 보통암 및 경암 포함) 자료를 토대로 그들의 정규 확률밀도 분포를 도출하여 Fig. 3에 제시하였다. Fig.
- 일부 부지에서는 크로스홀 시험과 다운홀 시험이 병행되기도 하였다. 풍화암을 포함한 연암, 보통암(경암 포함)의 암반층에서의 탄성파 자료 획득 간격은 대부분 1m로 설정하고 진행하였으며, 획득한 탄성파 신호를 시험 기법별로 분석하여 시험 심도별 전단파속도를 결정하였다(Kim et al., 2005; Sun and Mok, 2006). 이 연구를 위한 암반층의 구분은 시추조사 과정의 지층 분류에 따라 이루어 졌으며, 암반층에서의 전체 자료 수는 126개이다.
대상 데이터
- 이와 같은 이유로 본 연구에서도 시추공 탄성파 시험만을 대상으로 고려하였으며, 여러 시추공 방법들 중에서도 상대적으로 오랫동안 지반 지진공학 분야에서 수행되어 온 크로스홀(crosshole) 및 다운홀(downhole) 탄성파 시험을 선정하였다. 여기서는 본 연구진이 직접 시험을 수행하고 분석하여 결과에 대한 전문적 신뢰도가 확보된 자료들 대상으로 하였다. 주로 금세기 초반에 역사 및 계기 지진 피해지역들에서 부지특성 평가를 위해 수행한 시추공 탄성파 시험의 결과들(Sun, 2010)이며, 연암이상의 단단한 암반까지 시험이 성공적으로 완료된 자료들을 취합 분석하였다.
- , 2005; Sun and Mok, 2006). 이 연구를 위한 암반층의 구분은 시추조사 과정의 지층 분류에 따라 이루어 졌으며, 암반층에서의 전체 자료 수는 126개이다. 이 중 풍화암은 66개, 그리고 연암 및 그 이상 경도 암반(이 연구에서는 보통암 및 경암)은 60개이다.
- 이 연구를 위한 암반층의 구분은 시추조사 과정의 지층 분류에 따라 이루어 졌으며, 암반층에서의 전체 자료 수는 126개이다. 이 중 풍화암은 66개, 그리고 연암 및 그 이상 경도 암반(이 연구에서는 보통암 및 경암)은 60개이다.
성능/효과
- 대상 암반층들의 전단 파속도 자료에 대해 확률밀도 분포를 도출하여 공학적 기반암의 최소 전단파속도 기준인 750 m/s와 비교한 결과, 연암층 전단파속도 분포에서는 기반암 기준이 평균보다 상당히 작은 −1σ와 −2σ 사이에 분포하였으나 풍화암층에서는 평균과 +1σ 사이에 분포하였다.
- 자료의 확률적 대칭분포를 나타내는 정규분포에서 풍화암과 연암의 전단파속도 평균은 각각 665 m/s와 1775 m/s였으며, 표준편차(σ)는 각각 194 m/s와 881 m/s 였다. 두 암반의 평균 전단파속도는 ANSS 공학적 기반암의 최소 전단파속도 기준인 750 m/s에 비해 풍화암은 작게 그리고 연암은 크게 나타났다. 750m/s 기준을 Fig.
- 자료의 확률적 대칭분포를 나타내는 정규분포에서 풍화암과 연암의 전단파속도 평균은 각각 665 m/s와 1775 m/s였으며, 표준편차(σ)는 각각 194 m/s와 881 m/s 였다.
- 전단파속도 획득 결과 없이 시추조사 자료만 존재하는 경우에 대해 부지증폭관련 지진응답을 평가하고자 한다면, 공학적 관점의 보수성을 감안해 볼 때, 풍화암 보다는 연암을 지진공학적 기반암으로 선정해야 할 것으로 판단된다. 전단파속도와 두 대상 암반의 지질지반공학 현장획득 변수들인 풍화암의 N 값 그리고 연암의 TCR 및 RQD를 비교하였으며, 대체적으로 변수들이 증가함에 따라 전단파속도 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 특히, RQD가 20% 이상인 암반의 전단파속도는 모두 750m/s를 상회하는 분포를 보였다.
- 전단파속도와 두 대상 암반의 지질지반공학 현장획득 변수들인 풍화암의 N 값 그리고 연암의 TCR 및 RQD를 비교하였으며, 대체적으로 변수들이 증가함에 따라 전단파속도 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 특히, RQD가 20% 이상인 암반의 전단파속도는 모두 750m/s를 상회하는 분포를 보였다. 본 연구는 신뢰성이 담보된 전단파 속도 자료 확보라는 이유로 국내 다양한 조건 및 충분한 수량의 자료가 처리 분석되지는 못했으며, 향후 보다 확대된 자료의 수집 및 추가 고찰을 통해 개선된 결과와 그에 따른 토의가 진행될 수 있을 것이다.
후속연구
- , 2013). 그 영향 요소 중의 한 가지가 모암의 종류이므로(Sun et al., 2006a), 향후 다양한 암반 조건에 대한 신뢰성 높은 국내 전단파속도 자료의 추가 확보 및 분석을 통해 지질학적 암반 종류과 전단파속도 간의 정량적 규명이 요구된다.
- 이런 이유로 분석을 위한 수량적 한계가 존재하고 그에 따라 다양한 관점의 지질공학적 분석이 어렵기는 하지만, 현재까지의 자료 분포에 근거해 볼 때 지극히 보수적인 관점에서는 연암 이상 경도의 암반이 지진공학적 기반암으로 적합할 것으로 판단된다. 그렇다 할지라도, 향후 다양한 조건에 대한 신뢰성 높은 현장 탄성파 시험 수행 및 자료 확보를 통해 여러 수준의 암반 종류를 포함한 조건들에 대한 체계적 정량화가 있어야 할 것으로 보인다.
- 그러나 과반수 이상의 자료들이 공학적 기반암 최소 조건인 750m/s 미만의 전단파속도를 보이고 있고, 그 하한 분포 범위 또한 상한 분포에 비해 기준 값과 큰 차이를 나타내고 있다. 따라서 전단파속도 분포가 획득되지 않은 채 시추조사만 수행된 지층 정보에서 풍화암 상부를 지진공학적 기반암 상부로 선정하고 대상 부지의 지진응답을 평가하게 되면 상당한 오류가 포함될 수 있을 것으로 보인다. 그렇다 할지라도, 신뢰성 높게 전단파속도 주상도가 결정되고 이로부터 전단파속도 750m/s를 연속적으로 상회하는 심도가 풍화암 내에 존재하게 되면, 이 위치를 공학적 기반암 선으로 고려할 수 있다.
- 특히, RQD가 20% 이상인 암반의 전단파속도는 모두 750m/s를 상회하는 분포를 보였다. 본 연구는 신뢰성이 담보된 전단파 속도 자료 확보라는 이유로 국내 다양한 조건 및 충분한 수량의 자료가 처리 분석되지는 못했으며, 향후 보다 확대된 자료의 수집 및 추가 고찰을 통해 개선된 결과와 그에 따른 토의가 진행될 수 있을 것이다.
- RQD는 비록 넓은 전단파속도 범위이기는 하나 완만한 기울기로 전단파속도와 선형 비례하는 양상을 나타낸다. 연암 역시 더 다양한 조건과 다수의 신뢰성 높은 전단파속도 자료 확보에 따른 추가 고찰을 통해 보다 정량적인 상관관계의 도출이 가능할 수 있을 것이다. 무엇보다도 Fig.
- 6에서 가장 직관적으로 확인할 수 있는 사항은 거의 대부분의 전단파속도가 지진공학적 기반암 기준인 750m/s를 상회하고 있다는 것인데, TCR과는 달리 RQD에서는 20% 이상인 경우는 모두 공학적 기반암 조건을 만족하고 있다. 이러한 연암의 전단파속도 분포에 근거해 볼 때, 전단파속도가 획득되지 못한 시추 조사 부지에 대한 지진응답을 예측하고자 해석을 수행할 경우 연암 상부를 기반암 선으로 고려할 수 있을 것으로 판단된다. 특히, RQD가 20 % 이상인 암반에 대해서는 기반암으로서의 공학적 신뢰도가 상당히 높을 것으로 보인다.
- 대부분의 연암 전단파속도 자료는 750 m/s에 비해 큰 분포를 보여 공학적 기반암의 조건을 만족하지만, 풍화암은 40 % 정도만이 조건을 만족하였다. 전단파속도 획득 결과 없이 시추조사 자료만 존재하는 경우에 대해 부지증폭관련 지진응답을 평가하고자 한다면, 공학적 관점의 보수성을 감안해 볼 때, 풍화암 보다는 연암을 지진공학적 기반암으로 선정해야 할 것으로 판단된다. 전단파속도와 두 대상 암반의 지질지반공학 현장획득 변수들인 풍화암의 N 값 그리고 연암의 TCR 및 RQD를 비교하였으며, 대체적으로 변수들이 증가함에 따라 전단파속도 역시 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
- 현재 자료 수준에서의 풍화암 전단파속도 분포 현황에 근거해 볼 때, 향후 보다 많은 조건과 수량의 신뢰성 높은 풍화암 전단파속도 자료의 확보 분석을 통해 평균적 의미에서 국내 풍화암이 지진공학적 기반암으로 고려될 수 있을 지를 더 심도있게 고찰해 봐야 할 것이다. 그렇다 할지라도, 기반암에 대해 750 m/s라는 최소 전단파속도 기준과 암반 지층의 평균 값만으로 비교하여 의미를 부여하는 것은 공학적 측면의 근거로는 부적합할 것으로 판단된다.
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