액상화는 지진이후 동반되는 2차 피해로서 국내의 경우 현대적 지진 관측이 실시된 이후에는 액상화 현상이 거의 보고되지 않았다. 그러나 최근 한반도 남동부에 위치한 양산단층 인근에서 2016년 9월 12일 규모 5.8의 경주지진과 2017년 11월 15일 규모 5.4의 포항 지진이 발생하였고, 포항 지진 당시 최초로 액상화 현상이 발생하여 한반도 또한 액상화의 안전지대가 아닌 것으로 나타났다. 본 연구에서는 낙동강과 인접해 있으며 양산단층이 통과하는 김해시의 액상화 위험성을 예측하기 위하여 김해시 지역의 표준관입시험(274공) 결과를 바탕으로 각 행정구역과 양산단층과의 거리 산정, 지진규모 5.0, 6.5에 따른 최대지반가속도 값을 도출, 액상화 가능지수 산출, 지리정보체계를 이용한 크리깅의 순차적 연산을 통하여 액상화로 인한 시설물 피해 평가를 실시하였다. 그 결과, 지진 규모 5.0 적용 시 김해시 액상화 발생 지역과 시설물 피해는 미미한 것으로 나타났으나 지진 규모 6.5 적용 시 낙동강 일대에 근접한 행정구역에 액상화 현상이 넓게 분포하였고, 시설물 피해도 상대적으로 크게 발생하는 것으로 나타났다.
액상화는 지진이후 동반되는 2차 피해로서 국내의 경우 현대적 지진 관측이 실시된 이후에는 액상화 현상이 거의 보고되지 않았다. 그러나 최근 한반도 남동부에 위치한 양산단층 인근에서 2016년 9월 12일 규모 5.8의 경주지진과 2017년 11월 15일 규모 5.4의 포항 지진이 발생하였고, 포항 지진 당시 최초로 액상화 현상이 발생하여 한반도 또한 액상화의 안전지대가 아닌 것으로 나타났다. 본 연구에서는 낙동강과 인접해 있으며 양산단층이 통과하는 김해시의 액상화 위험성을 예측하기 위하여 김해시 지역의 표준관입시험(274공) 결과를 바탕으로 각 행정구역과 양산단층과의 거리 산정, 지진규모 5.0, 6.5에 따른 최대지반가속도 값을 도출, 액상화 가능지수 산출, 지리정보체계를 이용한 크리깅의 순차적 연산을 통하여 액상화로 인한 시설물 피해 평가를 실시하였다. 그 결과, 지진 규모 5.0 적용 시 김해시 액상화 발생 지역과 시설물 피해는 미미한 것으로 나타났으나 지진 규모 6.5 적용 시 낙동강 일대에 근접한 행정구역에 액상화 현상이 넓게 분포하였고, 시설물 피해도 상대적으로 크게 발생하는 것으로 나타났다.
Liquefaction is one of secondary damages after earthquake and has been rarely reported until earthquake except Mw = 5.4 15 November 2017 Pohang earthquake in Korea. In recent years, Mw = 5.8 12 September 2016 Gyeongju earthquake and Mw = 5.4 15 November 2017 Pohang earthquake, which induced liquefac...
Liquefaction is one of secondary damages after earthquake and has been rarely reported until earthquake except Mw = 5.4 15 November 2017 Pohang earthquake in Korea. In recent years, Mw = 5.8 12 September 2016 Gyeongju earthquake and Mw = 5.4 15 November 2017 Pohang earthquake, which induced liquefaction, occurred in fault zone of Yangsan City located at south-eastern part of Korea. This explains that Korea is not safe against liquefaction induced by earthquake. In this study, the distance between the centroid of administrative district and the epicenter located at Yangsan fault, peak ground velocity (PGA) induced by both Mw = 5.0 and 6.5, and liquefaction potential index (LPI), which is calculated by using groundwater level and standard penetration test results of 274 in the area of Gimhae city located in adjacent to Nakdong river and across Yangsan fault, have been estimated and then kriging method using geographical information systems has been used to evaluate liquefaction effects on the damage of facilities. This study presents that Mw = 5.0 earthquake induces a small and low level of liquefaction resulting in slight damage of facilities but Mw = 6.5 earthquake induces a large and high level of liquefaction resulting in severe damage of facilities.
Liquefaction is one of secondary damages after earthquake and has been rarely reported until earthquake except Mw = 5.4 15 November 2017 Pohang earthquake in Korea. In recent years, Mw = 5.8 12 September 2016 Gyeongju earthquake and Mw = 5.4 15 November 2017 Pohang earthquake, which induced liquefaction, occurred in fault zone of Yangsan City located at south-eastern part of Korea. This explains that Korea is not safe against liquefaction induced by earthquake. In this study, the distance between the centroid of administrative district and the epicenter located at Yangsan fault, peak ground velocity (PGA) induced by both Mw = 5.0 and 6.5, and liquefaction potential index (LPI), which is calculated by using groundwater level and standard penetration test results of 274 in the area of Gimhae city located in adjacent to Nakdong river and across Yangsan fault, have been estimated and then kriging method using geographical information systems has been used to evaluate liquefaction effects on the damage of facilities. This study presents that Mw = 5.0 earthquake induces a small and low level of liquefaction resulting in slight damage of facilities but Mw = 6.5 earthquake induces a large and high level of liquefaction resulting in severe damage of facilities.
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문제 정의
지진 발생과 함께 동반되는 최대지반가속도는 지질의 특성, 이격거리, 발생 심도에 따라 그 편차가 매우 큰 요소이며 지진관련 피해 예측, 영향 평가 연구 시 가장 실제와 근접한 값이 산정되어야 하는 항목이다. 최대지반가속도는 진앙지 부근에서 가장 크게 발생하며 이격거리가 증가할수록 점점 감소하기 때문에 본 연구에서는 지진 발생 시 액상화 피해 영향을 모사하기 위하여 각 행정구역별 이격거리 산정후 감쇠식을 바탕으로 최대지반가속도 값을 산정하였다.
제안 방법
그러므로 본 연구에서는 김해시 17개 행정구역의 각 중앙 지점과 활성단층으로 판정된 양산단층과의 이격거리를 산정, 행정안전부 지진재해대응시스템에 적용중인 감쇠식(Attenuation equations)을 바탕으로 최근 국내에 발생한 지진 규모 5.0과 국내 원자력발전소 내진설계기준인 최대지반가속도 0.2g에 해당하는 규모 6.5의 지진이 발생한 경우 액상화 가능 지수를 산출하여 김해시 시설물의 안정성을 평가 하였다. 그러나 본 연구는 현존하는 표준관입시험을 바탕으로 액상화 발생 가능 지역에 대한 예비평가를 실시하였으므로 추후 상세평가가 필요한 경우에는 보다 정확한 지반특성을 반영할 수 있는 콘관입시험 데이터를 바탕으로 액상화 현상을 규명하는 것이 바람직하다.
CRR(Cyclic Resistance Ratio)은 저항응력비를, CSR(Cyclic Stress Ratio)은 전단응력비를 나타내며 지진 규모에 따라 보정계수(Magnitude Scaling Factor, MSF)를 사용한다. 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 국내 액상화 가능 지수 판정 흐름도를 바탕으로 액상화 가능지수를 산정하였고 CSR은 표준관입시험 결과를 바탕으로, CRR은 지반계수를 바탕으로 산정할 수 있다[12].
포항지진 당시 국내에 처음으로 발생 사례가 보고된 액상화 현상은 지진과 함께 동반되는 위험요소로서 사전에 예방대책이 반드시 이루어져야 하는 재해이다. 본 연구에서는 지진 규모(5.0, 6.5)의 지진발생시 김해시 액상화로 인한 시설물 피해 평가를 실시하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
앞서 언급한 바와 같이 SPT 데이터의 위치가 통일된 좌표로 기재되어 있지 않고 타원체(GRS80, Bessel 등), 원점(서부, 중부, 동부, 동해 등), 원점가산(2009년 12월전, 후), 10.405초 보정(1998년 5월 전, 후)에 따른 위치편차가 매우 심하므로 좌표를 통일하여 위치를 산정하고 크리깅 기법을 사용하여 액상화 가능지수 등치선을 작성하였다. 또한, Fig.
이정모와 박창업 감쇠식이 국내·외 자료와 비교해 볼 때 진앙지 이격거리에 따른 최대지반가속도가 서로 유사하므로 본 연구에서는 박창업 감쇠식을 이용하여 최대지반가속도를 산정하였다.
대상 데이터
연구 대상 지역의 액상화 가능 지수 산정을 위하여 국토지반 정보 포털사이트와 김해시, 민간 건설사를 통해 총 903개의 Standard Penetration Test (SPT) 데이터를 수집하여 분석하였다. 그러나 국내 SPT 데이터의 양식불일치, 중요 계수 정보 누락 등으로 인하여 다량의 데이터가 자료로서의 가치를 상실하여 분류 작업 후 신뢰성 있는 274개의 시추조사 데이터를 선정하였다. 이러한 데이터를 지리정보체계(Geo Information System)로 도시화하여, Fig.
본 연구 대상 지역인 경상남도 김해시는 활성단층으로 판정된 양산단층이 행정구역 주위를 가로지르고 있어 Fig. 3과 같이 김해시 정 중앙지점과 양산단층간의 최단지점을 진앙지로 선정, 17개 행정구역에 따른 이격거리를 산정하였다. Fig.
본 연구 수행 시 적용된 김해시 시설물은 Table 5와같이 총 9개 시설로 구성되어 있다.
연구 대상 지역의 액상화 가능 지수 산정을 위하여 국토지반 정보 포털사이트와 김해시, 민간 건설사를 통해 총 903개의 Standard Penetration Test (SPT) 데이터를 수집하여 분석하였다. 그러나 국내 SPT 데이터의 양식불일치, 중요 계수 정보 누락 등으로 인하여 다량의 데이터가 자료로서의 가치를 상실하여 분류 작업 후 신뢰성 있는 274개의 시추조사 데이터를 선정하였다.
성능/효과
1. 지진규모 5.0 적용 시 김해시 행정구역 내의 액상화 가능 지수 발생 비율은 피해정도 ‘매우 낮음’ 지역이전체 지역의 94%(433.5km2)로서 대부분의 지역을 차지하는 것으로 나타나 액상화로 인한 시설물의 위험도는 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
2. 지진규모 6.5 적용 시 김해시 행정구역 내의 액상화 가능 지수 발생 비율은 피해정도 ‘매우 낮음’ 지역이 82.7%(381.4km2), “높음” 지역이 2.5%(11.5km2) 인 것으로 나타나 지진규모 5.0 적용 시에 비해 각각 약 11.3%, 2.3% 감소한 반면에 피해정도 ‘낮음’ 과 ‘매우 높음’ 지역이 7.6%(35.1km2), 6.0%(27.7 km2) 증가한 것으로 나타났다.
3. 지진 규모에 따른 시설물 피해 평가 결과 지진 규모 5.0 적용 시, 피해정도 “매우 높음” 지역에 있는 시설물은 도로, 배수관로, 공공시설물 뿐이며 해당 시설물들 또한 0.1% 미만의 매우 낮은 비율로 나타났다.
4. CSR 산정을 위해 조사된 SPT 자료와 액상화 가능지수 값을 통하여 액상화로 인한 시설물 피해평가를 검토한 결과, 김해시 낙동강 일대와 서 낙동강 일대는 퇴적층 및 매립층의 분포가 상당히 넓어 액상화로 인한 피해가 다른 행정구역에 비해 상대적으로 크게 발생하는 것으로 나타났다. 특히, 양산단층이 직접적으로 관통하는 행정구역은 지진발생 시 지반의 특성에 따른 지반증폭현상이 동반 될 가능성이 매우 커 피해가 극대화 될 것으로 예상되며 이에 대한 대비가 우선적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
경전철로를 제외한 모든 시설물이 피해정도 “매우 낮음” 지역에 80% 이상 있어 전반적으로 액상화 발생 지역이 많지 않아 액상화로인한 시설물 피해 또한 높지 않은 것으로 나타났다.
또한, 액상화 피해정도 “낮음”, “높음” 지역에 있어 시설물이 최소 5% 에서 최대 30%까지 증가하여 시설물의 액상화 피해 영향이 매우 크게 증가하는 것으로 나타났다.
6%)이다. 산정된 수치를 분석하면 각지진 규모에 따른 액상화 가능 지수 분포 면적이 전체면적 대비 변화가 크지 않은 것으로 보이나 평지에서는 상대적으로 차이가 큰 것을 알 수 있다. 지진규모 증가에 따라 액상화 피해 발생가능 지역이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
지진 규모 5.0 적용 시 김해시 전체 면적에서 액상화가능 지수가 ‘매우 높음’에 속하는 면적은 2km2(0.2%)이며 ‘높음’에 속하는 면적은 22.1km2(4.8%)이며 대부분의 지역이 ‘매우 낮음’ 지역(94.0%)에 속하는 것으로나타났다.
지진 규모 5.0 적용에 비해 규모 6.5 적용시 전체적으로 시설물 피해정도가 증가하는 것으로 나타났으며 액상화 피해정도 ‘매우 낮음’ 지역에 시설물은 없는 것으로 나타났다.
지진규모 5.0 적용 시 대부분의 지역은 액상화 피해정도가 “매우 낮음”으로 나타났으나 지진규모 6.5 적용 시에는 액상화 피해정도 “매우 높음” 이 넓게 분포하여 김해시 전 지역에서 액상화로 인한 위험이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
지진규모 5.0 적용 시 터널 및 철로의 경우 모든 시설물이 피해정도 ‘매우 낮음’ 지역에 있는 것으로 나타났으며 경전철로를 제외한 나머지 시설물 모두 피해정도 ‘매우 낮음’ 지역에 80.0% 이상의 시설이 있는 것으로나타났다.
산정된 수치를 분석하면 각지진 규모에 따른 액상화 가능 지수 분포 면적이 전체면적 대비 변화가 크지 않은 것으로 보이나 평지에서는 상대적으로 차이가 큰 것을 알 수 있다. 지진규모 증가에 따라 액상화 피해 발생가능 지역이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
피해정도 ‘낮음’ 지역에 있는 시설물 중 비율이 5.0% 이상인 시설물은 경전철로(2.8km(11.2%))와 하수도관(75.1km (5.0%))뿐인 것으로 나타났으며, 피해정도‘높음’ 지역에 있는 시설물 중 비율이 5.0% 이상인 시설물은 교량(29개소(7.0%)), 경전철로(2.2km(9.2%)), 도로(61.8km(5.4%)), 상수도관(109.9km(8.2%)), 구조물(5997개소(6.2%))로서 피해정도 ‘낮음’ 지역에 있는 시설물 보다 ‘높음’ 지역에 있는 시설물이 상대적으로 많은 것으로 나타났다.
피해정도 ‘낮음’에 있는 시설물 중 터널(0개소(0.0%)), 옥외대피시설(6개소(22.2%))을 제외한 나머지 시설물은 10%대에 있는 것으로 나타났으며 피해정도‘매우 높음’ 지역의 경우 터널(0개소(0.0%)), 철로(0km(0.0%))를 제외한 나머지 시설물이 있는 비율은 9% 이상인 것으로 나타나 전체적으로 피해정도 ‘매우위험’에 있는 시설물의 비율이 증가하는 것으로 나타났다.
피해정도 ‘매우 낮음’ 지역에 있는 시설물 중가장 높은 비율의 시설물은 터널(14개소(93.3%))이며가장 낮은 비율은 경전철로(6.3km(25.7%))인 것으로 나타났고 나머지 시설물 또한, 피해정도 ‘매우 낮음’에 있는 비율이 최소 6.7%에서 최대 31.2%인 것으로 나타났다.
후속연구
5의 지진이 발생한 경우 액상화 가능 지수를 산출하여 김해시 시설물의 안정성을 평가 하였다. 그러나 본 연구는 현존하는 표준관입시험을 바탕으로 액상화 발생 가능 지역에 대한 예비평가를 실시하였으므로 추후 상세평가가 필요한 경우에는 보다 정확한 지반특성을 반영할 수 있는 콘관입시험 데이터를 바탕으로 액상화 현상을 규명하는 것이 바람직하다. 또한, 김해지역에 넓게 분포한 충적 사질퇴적층 지반 특성을 반영할 수 있는 감쇠식 개발이 필요하다.
그러나 본 연구는 현존하는 표준관입시험을 바탕으로 액상화 발생 가능 지역에 대한 예비평가를 실시하였으므로 추후 상세평가가 필요한 경우에는 보다 정확한 지반특성을 반영할 수 있는 콘관입시험 데이터를 바탕으로 액상화 현상을 규명하는 것이 바람직하다. 또한, 김해지역에 넓게 분포한 충적 사질퇴적층 지반 특성을 반영할 수 있는 감쇠식 개발이 필요하다.
세 가지 감쇠식을 검토한 결과 연관희의 감쇠식은 국내·외 자료와 비교해 볼 때 거리에 따른 최대지반가속도가 너무 과도하게 산정되므로 본 연구에서는 제외되었으나 추후 연구를 통하여 연관희의 감쇠식 그리고 행정안전부에서 제시한 세가지 감쇠식 조합에 대한 적정성 검토가 필요함을 알 수 있다.
그러므로 기존에 조사된 SPT 자료와 추후에 조사될 SPT 자료의 조사자료 양식을 통일화하고 액상화 산정을 위한 계수 정보 등을 체계적으로 수립하는 방안이 이루어져야 한다. 추후에는 지반의 특성을 보다 정확하게 반영하는 CPT(conepenetration test) 자료를 이용한 액상화 발생 가능성과 비교 · 검토가 필요하며 본 연구에서는 선형적으로 분포한 시추조사 자료를 바탕으로 공간분석을 수행하였으나 추후에는 현 시추조사 주변지반의 자료를 추가하여 신뢰도가 높은 공간분석을 실시하는 것이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액상화(liquefaction) 현상이란?
액상화(liquefaction) 현상은 지하수위가 높고 연약한모래, 사질토 지반에서 지진동으로 인해 지반 전체가 액체와 같은 유동성의 형태가 되는 것을 말한다. 이는 과잉간극수압과 유효응력의 감소, 토층의 전단강도 상실 등으로 인해 발생한다[1,2].
광역지역 액상화 피해 평가에서 최대지반가속도 크기를 평가 대상 지역 전체에 동일하게 적용했을 때 문제점은?
현재 국내에서수행된 광역지역에 대한 액상화 피해 평가는 지진으로인하여 발생한 최대지반가속도 크기가 평가 대상 지역전체에 동일하게 적용되고 있다. 그러나 이러한 접근 방법은 지진발생 시 지하수위 및 지반특성을 반영한 액상화 피해와는 개연성이 부족한 것으로 판단된다.
액상화 안전율을 이용한 평가방법의 문제점은?
0 미만인 경우 ‘발생 가능’으로 평가한다. 그러나 이러한 액상화 안전율을 이용한 평가방법으로는 지반의 세부적인 피해정도를 예측할 수 없으며 넓은 지역의 액상화 피해 평가 시 국부적인 지역을 제외한광역지역의 피해를 예측할 수 없는 단점이 있다[7]. 이러한 이유 때문에 최근 이루어지는 액상화 평가 연구는 대부분 Iwasaki et al.
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