[논문]액상화 가능 지수를 활용한 확률적 액상화 재해도

정재원

doi:10.12652/ksce.2014.34.6.1831

액상화 가능 지수를 활용한 확률적 액상화 재해도
Preparation of Probabilistic Liquefaction Hazard Map Using Liquefaction Potential Index 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.34 no.6, 2014년, pp.1831 - 1836

정재원 (미주리과학기술대학교 지질공학과)

초록
AI-Helper

공학적 측면에서 확률론적 액상화 재해 작성법이 점차 요구됨에 따라, 본 연구에서는 실제 액상화 피해 현장의 액상화 가능 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)를 이용한 로지스틱 회귀분석으로 액상화 피해 확률을 예측하였다. 또한 이 분석을 바탕으로 광역지역의 액상화 재해도 기법을 제시하였다. 사례 연구로서 미국 세인트루이스 지역 홍수평야의 표준관입시험(273 곳) 결과를 대상으로 LPI를 산정하였고 최대지반가속도를 코크리깅의 이차변수로 적용하여 보간하였다. 연구결과, 일부 구역에서 연약지반과 얕은 지하수위로 인해 LPI 값이 5이상으로 나타나, 액상화로 인한 지반 피해 확률이 0.5 이상으로 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Probabilistic liquefaction hazard map is now widely needed for engineering practice. Based on the Liquefaction Potential Index (LPI) calculated from liquefied and non-liquefied cases, we attempted to estimate probabilities of liquefaction induced ground failures using logistic regression. We then applied this approach for the regional area. LPIs were calculated based on 273 Standard Penetration Tests in the floodplains in the St. Louis area, USA and then interpolated using cokriging with the covariable of peak ground acceleration. Our result shows that some areas of $LPI{\geq}5$, due to soft soil layers and shallow groundwater table, appear probabilities of ground $failure{\geq}0.5$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 우리나라에 크고 작은 지진들이 잇따라 발생하면서, 지진 발생시 연약지반에 액상화 발생 가능성을 배제할 수 없게 되었다. 본 연구에서는 LPI 기반의 로지스틱 회귀분석으로 액상화 피해 확률을 예측하고 이를 바탕으로 광역지역의 액상화 재해도 작성기법을 제시하였다. 미국 세인트루이스 지역의 LPI는 SPT 결과로부터 산정하였고 공간적 LPI는 PGA를 이차변수로 적용한 코크리깅으로 보간하였다.
이 연구의 목적은 로지스틱 회귀분석(logistic regression analysis)으로 LPI 수치에 따른 액상화 피해 확률을 분석하고 GIS를 이용한 확률적 액상화 재해도 작성기법을 제시하는데 있다. 표준관입시험결과(Standard Penetration Test, SPT)에서 도출한 LPI의 로지스틱 회귀분석은 Papathanassiou (2008)에 의해 제시되었지만, 액상화 피해를 가늠하는 LPI 수치가 19로서, Iwasaki et al.

가설 설정

연구지역의 지반의 Vs30는 Wald and Allen (2007)가 제시한 대로 500m 해상도의 수치표고모델을 기반으로 획득하였다. 시나리오 지진으로, 뉴마드리드 지진대에서 M_W7.5 지진이 재발할 경우를 가정하였다. PGA는 부지증폭계수와 지진 시나리오 및 단층과의 거리(180-240km)를 Eq.

제안 방법

LPI≥5일 경우, 액상화 피해 확률은 50%이상으로 나타나, 본 연구에서는 LPI 값 5를 기준으로 액상화 피해 유무를 예측하였다.
코크리깅은 주변수와 이차변수가 상관관계를 보일 경우 정확한 예측값을 보이는 것으로 알려져 있다(Isaaks and Srivastava, 1989). PGA 값이 클수록 LPI가 커지는 상관관계를 가지므로, PGA를 이차변수(500m grid)로 적용하였으며 각 지질단위에 대한 LPI의 코크리깅 수치를 구한 뒤 하나의 LPI 지도로 제작하였다(Fig. 4). LPI 값을 로지스틱 회귀분석에 적용한 확률적 액상화 재해도는 Fig.
각 지층의 액상화 가능성(potential)은 지하수위와 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration; PGA)를 이용하여 안전율(Factor of Safety, FS)이 1.0보다 클 경우 ‘안전’, 1.0보다 작을 경우 액상화 ‘가능’으로 평가한다.
(1982)의 LPI 수치(=5)보다 지나치게 높고, 액상화 안전지반의 예측확률이 44%로 낮아 예측불확실성을 내포한다. 본 연구에서는 Iwasaki (1986)의 SPT 원자료를 기반으로 액상화 피해 확률을 도출하였다. 사례 연구지역인 세인트루이스(St.
연구지역의 LPI 측점간의 LPI는 코크리깅(cokriging)을 이용하여 보간(interpolation)하였다. 코크리깅은 주변수와 이차변수가 상관관계를 보일 경우 정확한 예측값을 보이는 것으로 알려져 있다(Isaaks and Srivastava, 1989).

대상 데이터

본 연구에서는 Iwasaki (1986)의 SPT 원자료를 기반으로 액상화 피해 확률을 도출하였다. 사례 연구지역인 세인트루이스(St. Louis metropolitan area)는 미국 중부에 위치한 도시로, 1811-1812년에 일어난 지진으로 인해 충적층 지대에 액상화 현상이 발생한 바 있어 지진이 재발할 경우 교량과 건축물에 액상화로 인한 피해가 예상되는 지역이다.
연구지역의 LPI 계산을 위해 주립 지질조사국 및 민간 건설사에서 조사한 총 273 곳의 SPT 자료를 수집하여 분석하였다(Fig. 2). 지질단위별 SPT 자료의 숫자는 다음과 같다: 성토층(66), 충적층(182), 하안단구(25).

데이터처리

여기서, Y=종속변수(액상화 피해확률), X=독립변수(LPI), 그리고 B0=B1=회귀계수이다. 본 연구에서는 Iwasaki (1986)의 액상화 피해 사례(Table 1)의 LPI를 대상으로 로지스틱 회귀분석을 수행하였다. 통계 패키지 SPSS 20를 이용하여 분석한 결과, 추정된 B₀와 B₁ 는 각각, -0.

이론/모형

PGA는 미국 중부지역의 실제 지진자료와 시뮬레이션을 기초로 Atkison and Boore (2006)가 제시한 감쇠식을 이용하여 예측하였다(Eq. (6)).
지하수 깊이는 SPT 현장시험 당시 관측된 값을 취하였다. 본 연구에서는 Seed and Idriss (1982)의 방법에 따라 각 지층의 액상화를 선별(screening)한 후 Eqs. (1)-(4)를 이용하여 각 SPT에 대한 FS와 LPI를 산정하였다(Fig.
(7) and (8)에 각각 제시되어있다. 연구지역의 지반의 Vs30는 Wald and Allen (2007)가 제시한 대로 500m 해상도의 수치표고모델을 기반으로 획득하였다. 시나리오 지진으로, 뉴마드리드 지진대에서 M_W7.

성능/효과

액상화 피해가 일어나지 않은 곳은 분석결과 69.6%의 정확도를 보였고, 액상화 피해가 일어난 곳은 90.6%의 정확도를 보였다 (Table 2). 전체 85.
4와 같다. 연구결과, MW7.5 지진시 이 지역의 북동부와 남동부 구역은 LPI가 5이상 값을 보여 액상화로 인한 지반 피해 확률은 50% 이상으로, 그 이외의 구역은 50% 이하로 예상되었다. 확률 50% 이상을 보이는 구역은 미시시피강 지류에 위치한 곳으로 다른 구역에 비해 사질토가 두껍게 퇴적되어 있고 지하수 깊이가 비교적 얕은 (<2m) 곳이다(Grimley and Philips, 2006).
연구결과, 뉴마드리드 지진대에서 MW7.5 지진이 발생할 경우, 북동부와 남동부 구역에서 액상화 피해 확률이 50%이상(LPI≥5)으로 예상되었다.
확률 50% 이상을 보이는 구역은 미시시피강 지류에 위치한 곳으로 다른 구역에 비해 사질토가 두껍게 퇴적되어 있고 지하수 깊이가 비교적 얕은 (<2m) 곳이다(Grimley and Philips, 2006). 이로 인해 높은 LPI 수치를 보여 확률 50% 이상으로 평가되었다. 현재 이들 구역은 농지로 사용 중이나, 향후 개발이 이루어질 경우, 지진시 액상화로 인한 지반피해 가능성이 있으므로 보다 면밀한 현장 조사가 요구된다.
6%의 정확도를 보였다 (Table 2). 전체 85.1%의 정확도를 보여 대체로 높음을 알 수 있다. 또한, Cox and Snell R²와 Nagelkerke R²가 각각 0.
이 연구의 목적은 로지스틱 회귀분석(logistic regression analysis)으로 LPI 수치에 따른 액상화 피해 확률을 분석하고 GIS를 이용한 확률적 액상화 재해도 작성기법을 제시하는데 있다. 표준관입시험결과(Standard Penetration Test, SPT)에서 도출한 LPI의 로지스틱 회귀분석은 Papathanassiou (2008)에 의해 제시되었지만, 액상화 피해를 가늠하는 LPI 수치가 19로서, Iwasaki et al. (1982)의 LPI 수치(=5)보다 지나치게 높고, 액상화 안전지반의 예측확률이 44%로 낮아 예측불확실성을 내포한다. 본 연구에서는 Iwasaki (1986)의 SPT 원자료를 기반으로 액상화 피해 확률을 도출하였다.

후속연구

, 2014). 따라서, 향후 연구에서는 액상화 피해 지반뿐 아니라, 액상화 안전 지반의 사례를 바탕으로 점토질 층의 두께와 깊이를 수치화 하여 LPI의 보조적 수단으로 이용한다면, 보다 정확한 지진 액상화 피해 예측이 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반의 액상화는 어떠한 현상인가?	지반의 액상화(liquefaction)는 주로 지진동에 의해 토층이 액체와 같은 상태가 되는 현상으로, 과잉간극수압과 유효응력 감소로 인해 토층이 전단강도를 잃게 될 때 일어난다(Kramer, 1996; Youd et al., 2001).
	지반의 액상화는 어느경우 일어나는가?	지반의 액상화(liquefaction)는 주로 지진동에 의해 토층이 액체와 같은 상태가 되는 현상으로, 과잉간극수압과 유효응력 감소로 인해 토층이 전단강도를 잃게 될 때 일어난다(Kramer, 1996; Youd et al., 2001).
	지반의 액상화에 취약한 지역은 무엇인가?	, 2011). 충적층 및 해안매립지가 액상화에 취약하며 토층의 현장시험 또는 실내시험 결과를 바탕으로 액상화 가능성을 판단한다(JSSMFE, 1993; Yasuda, et al., 2012).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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