정규화LPI와 전단파 속도의 상관관계를 활용한 서울과 경주 지역 액상화 위험도 평가 Assessment of Liquefaction Potential Using Correlation between Shear Wave Velocity and Normalized LPI on Urban Areas of Seoul and Gyeongju원문보기
최근 경주와 포항에서 발생한 지진으로 국내에서 액상화 현상에 대한 관심이 커지고 있다. 지반의 액상화는 포화된 상태에서 지진과 같은 동하중을 받았을 때 과잉간극수압이 발생하여 흙이 강도를 상실하고 물과 같이 거동하는 현상이며 지반 침하와 상부구조물의 전도와 같은 심각한 문제를 야기한다. 따라서 액상화 발생 가능성을 미리 파악하고 대비할 필요가 있다. 액상화의 발생 가능성과 액상화 피해 정도는 일반적으로 액상화 가능 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)에 의해 정량적으로 평가된다. LPI의 계산은 시추공 별로 이루어지며 지반응답해석이 필수적인 작업으로 선행되어 많은 시간과 노력이 필요하다. 본 연구에서는 다양한 지하수위 분포를 가지는 넓은 지역의 액상화 평가를 간단히 수행할 수 있도록 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도(${\bar{V}}s^{\prime}liquefiable$)와 액상화 가능 층의 두께로 나누어 정규화한 정규화 LPI의 상관관계를 분석하여 지하수위 별로 다양한 암반노두가속도에 대해 적용 가능한 상관관계식을 제시하고 이용한다. 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법의 적용성을 확인하기 위해 서울특별시의 104개 시추조사자료를 이용하여 지하수위 0m, 1m, 2m, 3m에 대해 상관관계식을 제시하였으며 제시한 상관관계식을 이용하여 서울특별시와 경주시의 액상화 발생 가능성을 평가하였다. 지반응답해석을 이용해 계산한 LPI와 상관관계식을 이용해 계산한 LPI를 비교하였으며 제안된 액상화 평가 방법의 적용성을 확인하였다. 마지막으로 제안된 액상화 평가 방법에 따라 결정된 LPI의 분포를 지구통계학적 기법인 크리깅을 통해 지도로 나타내었다.
최근 경주와 포항에서 발생한 지진으로 국내에서 액상화 현상에 대한 관심이 커지고 있다. 지반의 액상화는 포화된 상태에서 지진과 같은 동하중을 받았을 때 과잉간극수압이 발생하여 흙이 강도를 상실하고 물과 같이 거동하는 현상이며 지반 침하와 상부구조물의 전도와 같은 심각한 문제를 야기한다. 따라서 액상화 발생 가능성을 미리 파악하고 대비할 필요가 있다. 액상화의 발생 가능성과 액상화 피해 정도는 일반적으로 액상화 가능 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)에 의해 정량적으로 평가된다. LPI의 계산은 시추공 별로 이루어지며 지반응답해석이 필수적인 작업으로 선행되어 많은 시간과 노력이 필요하다. 본 연구에서는 다양한 지하수위 분포를 가지는 넓은 지역의 액상화 평가를 간단히 수행할 수 있도록 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도(${\bar{V}}s^{\prime}liquefiable$)와 액상화 가능 층의 두께로 나누어 정규화한 정규화 LPI의 상관관계를 분석하여 지하수위 별로 다양한 암반노두가속도에 대해 적용 가능한 상관관계식을 제시하고 이용한다. 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법의 적용성을 확인하기 위해 서울특별시의 104개 시추조사자료를 이용하여 지하수위 0m, 1m, 2m, 3m에 대해 상관관계식을 제시하였으며 제시한 상관관계식을 이용하여 서울특별시와 경주시의 액상화 발생 가능성을 평가하였다. 지반응답해석을 이용해 계산한 LPI와 상관관계식을 이용해 계산한 LPI를 비교하였으며 제안된 액상화 평가 방법의 적용성을 확인하였다. 마지막으로 제안된 액상화 평가 방법에 따라 결정된 LPI의 분포를 지구통계학적 기법인 크리깅을 통해 지도로 나타내었다.
Recent earthquakes in Gyeongju and Pohang have raised interest in liquefaction in South Korea. Liquefaction, which is a phenomenon that excessive pore pressure is generated and the shear strength of soil is decreased by repeated loads such as earthquakes, causes severe problems such as ground subsid...
Recent earthquakes in Gyeongju and Pohang have raised interest in liquefaction in South Korea. Liquefaction, which is a phenomenon that excessive pore pressure is generated and the shear strength of soil is decreased by repeated loads such as earthquakes, causes severe problems such as ground subsidence and overturning of structures. Therefore, it is necessary to identify and prepare for the possibility of liquefaction in advance. In general, the possibility of liquefaction is quantitatively assessed using the Liquefaction Potential Index (LPI), but it takes a lot of time and effort for performing site response analysis which is essential for the liquefaction evaluation. In this study, a simple method to evaluate the liquefaction potential without executing the site response analysis in a downtown area with a lot of borehole data was proposed. In this simple method, the correlation between the average shear wave velocity of the target location ground and the LPI divided by thickness of liquefiable layer was established. And the applicable correlation equation for various rock outcrop accelerations were derived. Using the 104 boreholes information in Seoul, the correlation equation between LPI and the shear wave velocity (ground water level: 0m, 1m, 2m, 3m) is obtained and the possibility of liquefaction occurrence in Seoul and Gyeongju is evaluated. The applicability of the proposed simple method was verified by comparing the LPI values calculated from the correlation equation and the LPI values derived using the existing site response analysis. Finally, the distribution map of LPI calculated from the correlation was drawn using Kriging, a geostatistical technique.
Recent earthquakes in Gyeongju and Pohang have raised interest in liquefaction in South Korea. Liquefaction, which is a phenomenon that excessive pore pressure is generated and the shear strength of soil is decreased by repeated loads such as earthquakes, causes severe problems such as ground subsidence and overturning of structures. Therefore, it is necessary to identify and prepare for the possibility of liquefaction in advance. In general, the possibility of liquefaction is quantitatively assessed using the Liquefaction Potential Index (LPI), but it takes a lot of time and effort for performing site response analysis which is essential for the liquefaction evaluation. In this study, a simple method to evaluate the liquefaction potential without executing the site response analysis in a downtown area with a lot of borehole data was proposed. In this simple method, the correlation between the average shear wave velocity of the target location ground and the LPI divided by thickness of liquefiable layer was established. And the applicable correlation equation for various rock outcrop accelerations were derived. Using the 104 boreholes information in Seoul, the correlation equation between LPI and the shear wave velocity (ground water level: 0m, 1m, 2m, 3m) is obtained and the possibility of liquefaction occurrence in Seoul and Gyeongju is evaluated. The applicability of the proposed simple method was verified by comparing the LPI values calculated from the correlation equation and the LPI values derived using the existing site response analysis. Finally, the distribution map of LPI calculated from the correlation was drawn using Kriging, a geostatistical technique.
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문제 정의
LPI 계산 시 액상화 안전율이 먼저 결정되어야 하며 이때 지반응답해석이 선행되어야 한다. 따라서 액상화 평가 대상 위치 별로 요구되는 지반응답해석 수행을 최소화하고 소요되는 시간을 줄이기 위한 새로운 LPI 평가 방법을 개발하였다. 지반의 지진 특성평가에 활용되고 넓은 지역에 대해 쉽게 얻을 수 있는 인자인 전단파 속도와 액상화 가능층의 두께로 나누어 정규화한 LPI의 상관관계를 도출하고 상관관계식을 이용하여 LPI를 구하고자 하였다.
지반의 액상화는 일반적으로 포화된 느슨한 사질토에서 발생하기 때문에 지반의 구성 물질과 강도 그리고 지하수위 변화와 밀접하게 연관되어 있다. 본 연구에서는 지반의 강도가 액상화와 밀접한 관계가 있고 지반의 강도가 전단파 속도와 연관되어 있다는 점을 고려하여 지반의 전단파 속도와 LPI로 표현되는 액상화 가능 지수의 상관관계를 도출하고 이를 이용한 새로운 액상화 평가 방법을 제안하였다. 제안된 액상화 평가 방법을 이용할 경우 대규모 도심지와 같이 많은 시추 조사 자료를 포함하는 지역에 대해 빠르고 높은 정확도로 액상화 평가가 가능하다.
따라서 액상화 평가 대상 위치 별로 요구되는 지반응답해석 수행을 최소화하고 소요되는 시간을 줄이기 위한 새로운 LPI 평가 방법을 개발하였다. 지반의 지진 특성평가에 활용되고 넓은 지역에 대해 쉽게 얻을 수 있는 인자인 전단파 속도와 액상화 가능층의 두께로 나누어 정규화한 LPI의 상관관계를 도출하고 상관관계식을 이용하여 LPI를 구하고자 하였다.
가설 설정
제안된 상관관계식의 검증을 위해 서울특별시의 별도의 170개 시추공을 대상으로 상관관계식을 이용하여 계산한 LPI(corr)와 지반응답해석을 이용하여 계산한 LPI(sra)를 비교하였다. 적용된 암반노두가속도는 0.15g이며 지하수위는 지표면에 위치한다고 가정하였다. 따라서 Eq.
제안 방법
(2) 상관관계식의 도출을 위해 서울특별시의 지반 특성을 고려하여 104개 시추 조사 자료를 선택하고, 다양한 지하수위와 암반노두가속도 조건에 대해 #와 정규화된 LPI와의 상관관계를 분석하였다.
(4) #와 정규화 LPI의 상관관계 분석 시 여러 암반노두가속도와 지하수위 조건에 대해 지반응답해석을 수행함으로써 여러 조건에 적용 가능한 상관관계식을 제시하였다. 제시된 상관관계식을 다양한 지하수위를 보이는 경주시에 적용하여 여러 지하수위 조건에 대해 제시된 상관관계식의 적용성을 확인하였다.
4) 3)에서 선정된 자료들을 대상으로 여러 지하수위를 가정하고 여러 암반노두가속도에 대해 지반응답해석을 수행하여 CSR을 계산한다. 지반응답해석 시 Pro-shake 등을 이용하며 입력 지진파로는 장주기파와 단주기파를 포함한 세 가지 지진파를 사용하고 각 층의 최대가속도는 세 지진파의 평균으로 한다.
8) 가 미리 결정된 전체 지반 조사 자료에 대해 상관관계식을 적용하여 LPI를 계산한다.
이때 세립분 함량이 5% 이상일 경우 CRR에 대한 보정이 필요하다. 그러나 본 논문에서 제시하는 액상화 평가 방법은 대량의 시추 조사 자료를 활용하는 것이므로 시추주상도에 포함되지 않는 정보인 세립분 함량을 고려하지 않았다. 단, 시추주상도 상의 정보를 통해 주구성물질이 모래 및 자갈이고 부구성 물질이 점토가 아닌 경우를 대상으로 Eq.
그러나 역사적 특성 상 지반 내에 많은 문화재가 묻혀 있어 충분한 시추 조사를 진행하는 것이 힘들다는 특징이 있다. 따라서 경주시 일부 지역을 대상으로 서울특별시 자료를 이용하여 결정된 4가지 상관관계를 적용해 액상화 평가를 진행하고 그 결과를 일반적인 액상화 평가 방법의 결과와 비교하였다. 이때 활용한 경주시의 지반 조사자료에 나타난 지하수위는 액상화 가능 층이 존재하는 경우 모두 3m 이내였으며 자료에 나타난 지하수위에 따라 해당하는 상관관계식을 적용하였다.
위의 액상화 평가 과정에서 여러 지하수위에 대해 상관관계를 분석하는데 이는 액상화가 지하수위에 매우 민감하기 때문이다. 따라서 본 연구에서 제안하는 액상화 평가 방법에서는 여러 지하수위에 대해 상관관계를 분석하고 지하수위 변화에 맞춰 적합한 상관관계식을 적용할 수 있도록 하였다.
이는 LPI가 액상화 발생 가능성이 있는 지층의 액상화 안전율과 심도, 두께를 고려하여 계산되기 때문이다. 또한 지하수위 변화에 따라 액상화 위험도가 크게 달라짐(Chung and Rogers, 2013)을 고려하여 다양한 지하수위 조건에 대해 상관관계식을 제시하였으며 이를 이용해 임의의 지하수위에 대해 액상화 평가가 가능하도록 하였다. 마지막으로 새로운 액상화 평가 방법을 일부 지역에 적용하여 대규모 지역에 대한 적용성을 확인하였다.
또한 지하수위 변화에 따라 액상화 위험도가 크게 달라짐(Chung and Rogers, 2013)을 고려하여 다양한 지하수위 조건에 대해 상관관계식을 제시하였으며 이를 이용해 임의의 지하수위에 대해 액상화 평가가 가능하도록 하였다. 마지막으로 새로운 액상화 평가 방법을 일부 지역에 적용하여 대규모 지역에 대한 적용성을 확인하였다.
새로운 액상화 평가 방법의 적용성을 확인하기 위해 서울특별시의 지반 조사 자료를 이용하여 #와 정규화 LPI의 상관관계를 분석하였다.
선정된 104개의 시추공을 대상으로 4가지 지하수위 조건(0m, 1m, 2m, 3m)에 대해 다양한 지진 재현 주기(500년, 1000년, 2400년, 4800년)에 해당하는 암반노두가속도(0.11g, 0.15g, 0.22g, 0.28g)로 지반응답해석을 수행하였다. 이는 지진구역Ⅰ에 해당하는 지진구역 계수(0.
액상화 가능 층의 평균 전단파 속도(#)와 액상화 가능 층의 두께로 나누어 정규화한 LPI의 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법을 제안하고 서울특별시와 경주시 일부 지역에 적용하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
액상화 평가 대상 지역의 전체 지반 조사 자료로부터 대표성을 가지는 위치의 자료를 일부 선정하여 #와 정규화 LPI의 상관관계를 분석한다.
(9)과 같이 산술평균으로 계산하고 상관관계 분석에 이용하였다. 여기서 액상화 가능 층은 국내 내진설계 기준의 액상화 평가 생략 기준을 참고하여 SPT-N값이 20미만이고, 심도가 20m 미만인 포화된 사질토 지반으로 하였다.
(2013)이 국내 지반 특성에 맞게 제시한 전단파 속도와 SPT-N값의 상관관계를 이용하였다. 이때 모든 종류의 흙에 대한 식을 적용하여 SPT-N값으로부터 전단파 속도를 계산하였다. 상관관계 분석 시 SPT-N값이 아닌 전단파 속도를 이용하므로 시추 조사가 어려워 SPT-N값의 측정이 불가능한 경우에도 표면파 기법(SASW) 등을 통해 측정한 전단파 속도를 이용할 수 있다는 장점이 있다.
지반응답해석의 입력 지진파로는 장주기파인 Hachinohe 지진파와 단주기파인 Ofunato 지진파 그리고 인공지진파를 사용하였다. 이때 장주기파와 단주기파의 특성을 모두 고려하기 위해 각 층의 최대가속도(amax)로 3가지 지진파에 의한 해석 결과를 평균하여 사용하였다. 총 4992회(104개 시추공×4개 지하수위×4개 암반노두가속도×3개 지진파)의 지반응답해석 결과를 이용하여 CSR을 계산하고 지반 조사 자료에 포함된 SPT-N값을 이용하여 CRR을 계산하였다.
따라서 경주시 일부 지역을 대상으로 서울특별시 자료를 이용하여 결정된 4가지 상관관계를 적용해 액상화 평가를 진행하고 그 결과를 일반적인 액상화 평가 방법의 결과와 비교하였다. 이때 활용한 경주시의 지반 조사자료에 나타난 지하수위는 액상화 가능 층이 존재하는 경우 모두 3m 이내였으며 자료에 나타난 지하수위에 따라 해당하는 상관관계식을 적용하였다. 지하수위가 0m, 1m, 2m, 3m가 아닐 경우 내삽을 통해 LPI를 계산하였다.
총 4992회(104개 시추공×4개 지하수위×4개 암반노두가속도×3개 지진파)의 지반응답해석 결과를 이용하여 CSR을 계산하고 지반 조사 자료에 포함된 SPT-N값을 이용하여 CRR을 계산하였다. 이후 각 층별 액상화 안전율로부터 정규화 LPI를 구하였다. 마지막으로 SPSS를 이용하여 Table 3과 같이 각 지하수위 조건 및 암반노두가속도에 대해 정규화 LPI와 #의 상관성을 분석하였다.
와 정규화 LPI의 상관관계 분석 시 여러 암반노두가속도와 지하수위 조건에 대해 지반응답해석을 수행함으로써 여러 조건에 적용 가능한 상관관계식을 제시하였다. 제시된 상관관계식을 다양한 지하수위를 보이는 경주시에 적용하여 여러 지하수위 조건에 대해 제시된 상관관계식의 적용성을 확인하였다. 따라서 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법을 이용하면 지하수위가 다양한 깊이로 분포하는 넓은 지역에 대해 간단히 액상화 평가가 가능하며 지하수위 변화와 지진의 크기에 따라 액상화 위험도 평가가 가능할 것으로 판단된다.
4) 3)에서 선정된 자료들을 대상으로 여러 지하수위를 가정하고 여러 암반노두가속도에 대해 지반응답해석을 수행하여 CSR을 계산한다. 지반응답해석 시 Pro-shake 등을 이용하며 입력 지진파로는 장주기파와 단주기파를 포함한 세 가지 지진파를 사용하고 각 층의 최대가속도는 세 지진파의 평균으로 한다.
이때 활용한 경주시의 지반 조사자료에 나타난 지하수위는 액상화 가능 층이 존재하는 경우 모두 3m 이내였으며 자료에 나타난 지하수위에 따라 해당하는 상관관계식을 적용하였다. 지하수위가 0m, 1m, 2m, 3m가 아닐 경우 내삽을 통해 LPI를 계산하였다.
총 4992회(104개 시추공×4개 지하수위×4개 암반노두가속도×3개 지진파)의 지반응답해석 결과를 이용하여 CSR을 계산하고 지반 조사 자료에 포함된 SPT-N값을 이용하여 CRR을 계산하였다.
제안된 액상화 평가 방법을 이용할 경우 대규모 도심지와 같이 많은 시추 조사 자료를 포함하는 지역에 대해 빠르고 높은 정확도로 액상화 평가가 가능하다. 한편, 제안된 액상화 평가 방법에서 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 도출할 때 단순히 지반의 평균 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 분석하지 않고 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도와 액상화 가능 층의 두께로 나누어 정규화한 LPI의 상관관계를 도출하였다. 이는 LPI가 액상화 발생 가능성이 있는 지층의 액상화 안전율과 심도, 두께를 고려하여 계산되기 때문이다.
대상 데이터
1) 액상화 평가 대상 지역의 시추 조사 자료, 탄성파탐사 자료 등 지반 조사 자료를 수집한다.
20,803개 시추공의 # 분포 비율과 동일한 비율로 104개의 대표 시추공을 무작위 선정하였으며 Fig. 2에서 이를 확인할 수 있다.
와 정규화 LPI의 상관관계를 분석하였다. 서울특별시 지반정보통합관리 시스템에 등록된 20,803개의 시추공을 대상으로 DB를 구축하고 Excel을 이용하여 #를 계산하였으며 #의 크기 별 분포 비율을 Fig. 2와 같이 나타내었다.
6)를 곱한 값이다. 지반응답해석의 입력 지진파로는 장주기파인 Hachinohe 지진파와 단주기파인 Ofunato 지진파 그리고 인공지진파를 사용하였다. 이때 장주기파와 단주기파의 특성을 모두 고려하기 위해 각 층의 최대가속도(amax)로 3가지 지진파에 의한 해석 결과를 평균하여 사용하였다.
데이터처리
제안된 상관관계식의 검증을 위해 서울특별시의 별도의 170개 시추공을 대상으로 상관관계식을 이용하여 계산한 LPI(corr)와 지반응답해석을 이용하여 계산한 LPI(sra)를 비교하였다. 적용된 암반노두가속도는 0.
이론/모형
대규모 지역의 액상화 평가에 전단파 속도를 활용하기 위해서 Table 2와 같이 Sun et al.(2013)이 국내 지반 특성에 맞게 제시한 전단파 속도와 SPT-N값의 상관관계를 이용하였다. 이때 모든 종류의 흙에 대한 식을 적용하여 SPT-N값으로부터 전단파 속도를 계산하였다.
5이상인 지점이 대다수라는 점을 고려하여 비보수적으로 개발된 Chung et al.(2014)가 제시한 기준에 따라 액상화 피해 정도를 예측하였다.
또한 83%의 시추 자료에서 LPI(corr)와 LPI(sra)를 Chung et al.(2014)이 제시한 기준에 따라 동일한 LPI 범위로 평가하였다. 액상화 평가 시 Table 1과 같은 평가 기준에 따라 액상화 피해 정도를 예측한다는 점을 고려할 때 83%는 유의미한 수치이다.
(4)에서 알 수 있듯이 액상화 안전율과 심도, 두께를 함께 고려하여 심도 20m까지의 액상화 가능성을 적분한 값이지만#는 액상화 전단파 속도의 평균 값만을 고려한 값이다. 따라서 LPI를 Hliquefiable로 나눈 값을 정규화 LPI (Normalized LPI)라고 정의하고 상관관계 분석에 이용하였다.
성능/효과
(1) 기존 액상화 평가 시 모든 평가 위치에서 지반응답해석을 수행하는 것과 달리 제안된 평가 방법에서는 대표로 선정된 일부 지반 조사 자료를 대상으로만 지반응답해석을 수행하며 그 결과를 이용하여 도출한 #와 정규화 LPI의 상관관계를 통해 LPI를 계산하기 때문에 작업 소요시간이 짧고 넓은 영역에 적용할 수 있다는 장점이 있다.
(3) 서울특별시와 경주시 일부 지역을 대상으로 상관관계식을 적용하여 제안된 액상화 평가 방법의 적용성을 확인하였다. 기존의 액상화 평가 방법과 상관관계를 이용한 방법에 의해 각각 계산된 LPI를 Chung et al.
그러므로 액상화 평가 대상 지역이 넓고 지반응답해석의 대상이 되는 시추 조사 자료의 수가 많다면 지반응답해석에 소요되는 시간이 늘어난다. 결과적으로 액상화 평가 방법(간편법, 상세법)에 상관 없이 액상화 평가에 소요되는 시간이 증가한다. 특히 서울의 경우 많은 개발이 이루어져 충분한 시추 조사 자료를 포함하고 있기 때문에 시추 조사 자료가 없는 미지점이 적어 넓은 지역임에도 효과적으로 액상화 평가 수행이 가능하다는 장점이 있는 한편 전체 지역에 대해 액상화 평가 시 많은 시간을 필요로 한다는 문제가 있다.
이를 통해 본 연구에서 제안한 상관관계에 근거한 액상화 평가방법의 적용성을 확인할 수 있다. 다만, 심도가 깊어짐에 따라 지반의 강성이 증가하지 않고 감소하는 경우 참값인 LPI(sra)와 상관관계를 통해 구한 LPI(corr)의 편차가 큰 이상치(outlier)가 나타났다.
(2014)이 제시한 기준에 따라 분류할 때 동일한 LPI 위험 등급으로 나타났다. 따라서 서울특별시의 자료를 이용하여 4가지 지하수위 조건에 대해 결정된 정규화 LPI와 #의 상관관계가 경주시 지역에서도 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
국내도시철도 내진설계 기준에서는 이를 고려하여 지하수위 상부 지반, 주상도상의 표준관입시험값(SPT-N값)이 20이상인 지반, 대상지반심도가 20m이상인 지반, 소성지수(PI)가 10이상이고 점토성분이 20%이상인 지반, 세립토 함유량이 35%이상인 지반, 상대밀도가 80%이상인 지반에 대해 액상화 평가를 생략하도록 하고 있다(MLIT, 2017). 따라서 액상화가 일정 강도 이하의 느슨하고 포화된 사질토에서 발생한다는 점을 고려하여 Vs30, Vs, soil이 아닌 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도를 Eq. (9)과 같이 산술평균으로 계산하고 상관관계 분석에 이용하였다.
(2014)이 제시한 액상화 위험도 판단기준에 따라 비교하였을 때 서울시의 경우 83%, 경주시의 경우 94%의 정확도로 두 방법이 동일한 액상화 피해를 예측하였다. 또한 임의의 액상화 평가 위치에서 15 이하의 LPI(sra)을 가지는 경우 LPI(corr)는 LPI(sra)보다 과대평가되고 15 이상의 LPI(sra)을 가지는 경우 LPI(corr)는 LPI(sra)보다 과소평가되는 경향이 확인되었다.
분석 결과 상관관계를 이용하여 계산한 LPI는 지반응답해석을 이용하여 계산한 LPI에 비해 약 4% 작은 값을 가졌다. 이때 LPI가 15보다 작은 경우 LPI(corr)은 LPI(sra)에 비해 상대적으로 큰 값을 보이며 LPI가 15보다 클 경우 LPI(corr)은 LPI(sra)보다 작은 값을 보이는 경향이 나타났다.
마지막으로 SPSS를 이용하여 Table 3과 같이 각 지하수위 조건 및 암반노두가속도에 대해 정규화 LPI와 #의 상관성을 분석하였다. 분석 결과 한 가지 경우를 제외하면 상관계수(R)가 0.5 이상이며 모든 조건에 대해 상관관계가 0.01수준에서 유의한 것으로 나타났다. 따라서 정규화 LPI와 #가 선형의 상관관계를 가지는 것을 확인하였다.
와 정규화된 LPI와의 상관관계를 분석하였다. 분석 결과를 이용하여 0m~3m의 지하수위 조건에 대해 0.11g~0.28g의 암반노두가속도까지 적용 가능한 상관관계식을 도출하였으며 제시한 4가지 상관관계식은 지하수위가 얕은 심도에 위치할수록 큰 R2을 가졌다. 이를 통해 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법이 지하수위가 얕은 심도에 위치한 경우에 대해 효과적임을 확인하였으며 이는 지하수위가 깊은 심도에 위치할수록 액상화 층의 심도의 영향이 커지기 때문으로 판단된다.
28g의 암반노두가속도까지 적용 가능한 상관관계식을 도출하였으며 제시한 4가지 상관관계식은 지하수위가 얕은 심도에 위치할수록 큰 R2을 가졌다. 이를 통해 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법이 지하수위가 얕은 심도에 위치한 경우에 대해 효과적임을 확인하였으며 이는 지하수위가 깊은 심도에 위치할수록 액상화 층의 심도의 영향이 커지기 때문으로 판단된다.
본 연구에서는 지반의 강도가 액상화와 밀접한 관계가 있고 지반의 강도가 전단파 속도와 연관되어 있다는 점을 고려하여 지반의 전단파 속도와 LPI로 표현되는 액상화 가능 지수의 상관관계를 도출하고 이를 이용한 새로운 액상화 평가 방법을 제안하였다. 제안된 액상화 평가 방법을 이용할 경우 대규모 도심지와 같이 많은 시추 조사 자료를 포함하는 지역에 대해 빠르고 높은 정확도로 액상화 평가가 가능하다. 한편, 제안된 액상화 평가 방법에서 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 도출할 때 단순히 지반의 평균 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 분석하지 않고 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도와 액상화 가능 층의 두께로 나누어 정규화한 LPI의 상관관계를 도출하였다.
후속연구
제시된 상관관계식을 다양한 지하수위를 보이는 경주시에 적용하여 여러 지하수위 조건에 대해 제시된 상관관계식의 적용성을 확인하였다. 따라서 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법을 이용하면 지하수위가 다양한 깊이로 분포하는 넓은 지역에 대해 간단히 액상화 평가가 가능하며 지하수위 변화와 지진의 크기에 따라 액상화 위험도 평가가 가능할 것으로 판단된다.
32이다. 따라서 지하수위가 얕은 심도에 위치할 경우 상관관계식을 이용한 액상화 평가를 보다 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 지하수위가 깊어질수록 R2이 감소하는 이유는 LPI가 액상화 가능 층의 심도를 고려하여 계산되는 반면 #는 액상화 가능 층의 심도를 고려하지 않는데 지하수위가 깊어짐에 따라 액상화 가능 층이 위치하는 심도가 깊어지고 결과적으로 LPI가 받는 심도의 영향 더 커지기 때문이다.
액상화 평가 시 Table 1과 같은 평가 기준에 따라 액상화 피해 정도를 예측한다는 점을 고려할 때 83%는 유의미한 수치이다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 상관관계에 근거한 액상화 평가방법의 적용성을 확인할 수 있다. 다만, 심도가 깊어짐에 따라 지반의 강성이 증가하지 않고 감소하는 경우 참값인 LPI(sra)와 상관관계를 통해 구한 LPI(corr)의 편차가 큰 이상치(outlier)가 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지반의 액상화란?
최근 경주와 포항에서 발생한 지진으로 국내에서 액상화 현상에 대한 관심이 커지고 있다. 지반의 액상화는 포화된 상태에서 지진과 같은 동하중을 받았을 때 과잉간극수압이 발생하여 흙이 강도를 상실하고 물과 같이 거동하는 현상이며 지반 침하와 상부구조물의 전도와 같은 심각한 문제를 야기한다. 따라서 액상화 발생 가능성을 미리 파악하고 대비할 필요가 있다.
지반의 액상화가 야기하는 문제는?
포화된 사질토 지반에 지진 등의 동하중이 작용하면 과잉간극수압이 발생하고 유효 응력이 감소하여 전단 강도를 완전히 상실하여 물처럼 거동하게 되는데 이를 액상화 현상이라고 한다. 따라서 지진이 발생하게 되면 지진하중에 의한 구조물의 파괴 외에도 지반의 액상화에 의해 상부 구조물의 피해가 유발될 수 있다. 국내외 여러 연구진들은 액상화에 대한 연구를 진행하고 있으며 국내에서는 특히 해안, 항만 지역을 중심으로 액상화 관련 연구가 활발히 이루어지고 있다(Park and Kim, 2013; Seo et al.
액상화 발생 가능성을 미리 파악하고 대비하기 위해 사용되는 지수는?
따라서 액상화 발생 가능성을 미리 파악하고 대비할 필요가 있다. 액상화의 발생 가능성과 액상화 피해 정도는 일반적으로 액상화 가능 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)에 의해 정량적으로 평가된다. LPI의 계산은 시추공 별로 이루어지며 지반응답해석이 필수적인 작업으로 선행되어 많은 시간과 노력이 필요하다.
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