[논문]2차원 유효응력 해석에 의한 지진시 포항 안벽구조물의 변형 사례 분석

김승종; 황웅기; 김태형; 강기천

doi:10.7843/kgs.2019.35.7.15

2차원 유효응력 해석에 의한 지진시 포항 안벽구조물의 변형 사례 분석
A Case Study on Earthquake-induced Deformation of Quay Wall and Backfill in Pohang by 2D-Effective Stress Analysis 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.35 no.7, 2019년, pp.15 - 27

김승종 (경상대학교 토목공학과) , 황웅기 ((주)지오알앤디) , 김태형 (한국해양대학교 건설공학과) , 강기천 (경상대학교 토목공학과)

초록
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본 연구는 2017년 11월 15일에 발생한 규모 5.4의 포항지진을 대상으로 영일만항 안벽 및 배면에서 발생한 피해의 메커니즘을 규명하는 것이 목적이다. 현장조사 등에 의해 영일만항은 케이슨이 5cm~15cm 정도의 수평변위가 발생하였고, 뒤채움 지반에서는 10cm 이상의 침하가 발생하였다. 이에 대한 원인을 규명하기 위해 2차원 유효응력해석을 수행하였다. 입력 지진하중은 포항구항의 기반암에서 계측된 지진가속도($3.25m/s^2$)를 이용하였다. 수치해석 결과 배후지의 뒤채움 지반내 국부적으로 과잉간극수압이 증가하여 유효응력이 감소한 것으로 밝혀졌다. 이로 인해 케이슨의 경우 수평방향으로 약 14cm의 변위가 발생하였고, 3cm 정도 침하하였다. 뒤채움 지반의 경우 6cm~9cm 정도 침하한 것으로 나타났다. 이는 현장조사와도 유사한 결과임이 밝혀졌다. 또한, 뒤채움 지반내 유효응력 경로 및 응력-변형률 거동으로부터 반복적 하중에 의해 지반이 Mohr-Coulomb의 파괴선에 근접하는 것으로 나타났고, 이는 과잉간극수압의 증가에 따른 유효응력의 소실에 의한 지지력의 감소로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the mechanism about damages occurring at quay wall and backfill in Youngilman Port during Pohang earthquake (M5.4) on November 15, 2017. In the field investigation, the horizontal displacement of the caisson occurred between 5 cm and 15 cm, and the settlement at backfill occurred higher than 10 cm. 2D-effective Stress Analysis was performed to clarify the mechanism for the damage. The input earthquake motion used acceleration ($3.25m/s^2$) measured at bedrock of Pohang habor. Based on a numerical analysis, it was found that the effective stress decreased due to the increase of excess pore pressure in the backfill ground and the horizontal displacement of the caisson occurred by about 14 cm, and the settlement occurred by about 3 cm. In backfill, the settlements occurred between 6 cm and 9 cm. This is similar to field investigation results. Also, it was found that the backfill soil was close to the Mohr-Coulomb failure line due to the cyclic loading from the effective stress path and the stress-strain behavior. It may be related to decreasing of bearing capacity induced by the reduction of effective stress caused by the increase of the excess pore water pressure.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Damage of coastal structure by liquefaction (Sugano et al., 2014)
그림 Fig. 2. Youngilman Port
그림 Fig. 3. Damages to Youngilman habor during earthquake
그림 Fig. 4. Representive cross-sectional plan
그림 Fig. 5. Acceleration station during Pohang earthquake
그림 Fig. 6. Acceleration of Pohang Earthquake measurement
그림 Fig. 7. Schematic diagram for multiple simple shear mechanism model (Iai, 1992a)
그림 Fig. 8. Schematic diagram for liquefaction front, state variable (S) and shear stress ratio (Iai et al., 1992a, 1992b)
그림 Fig. 9. Mesh for dynamic analysis
그림 Fig. 10. grain-size distribution curve at Youngilman (Mun, 2018)
표 Table 1. Soil parameters for the 2-D effective stress analysis
표 Table 2. Parameters of the excess pore water pressure generation model
그림 Fig. 11. Responded Accelerations
그림 Fig. 12. Distribution of excess pore water pressure ratio
그림 Fig. 13. Excess pore water pressure ratio
그림 Fig. 14. Displacement of caisson and backfill ground
그림 Fig. 15. Shear stress-strain at E1
그림 Fig. 16. Shear stress-strain at E4

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 2017년 11월 15일 경상북도 포항시에서 발생한 지진에 대해 영일만항의 피해에 대해 그 원인을 규명하는 것이 목적이다. 지진에 의해 케이슨식 안벽의 안정성 평가를 위해 2차원 유효응력 해석을 통해 지반내 과잉간극수압의 누적과 유효응력의 감소에 의한 케이슨 안벽의 안정성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 2017년 11월 15일에 발생한 경상북도 포항시의 지진을 대상으로 영일만항의 피해에 대한 원인규명을 밝히기 위해 2차원 유효응력해석을 수행한 경과 아래와 같은 결론이 도출되었다.
본 연구에서는 2017년 11월 15일 경상북도 포항시에서 발생한 지진에 대해 영일만항의 피해에 대해 그 원인을 규명하는 것이 목적이다. 지진에 의해 케이슨식 안벽의 안정성 평가를 위해 2차원 유효응력 해석을 통해 지반내 과잉간극수압의 누적과 유효응력의 감소에 의한 케이슨 안벽의 안정성을 평가하고자 한다.

가설 설정

다중전단메커니즘에서 원형고정경계는 Fig. 7과 같이 전단변형영역에 무한의 가상스프링경계가 연결되어 있다고 가정한다. 각각의 스프링은 다양한 방향에 대한 실제의 단순 전단메커니즘이라고도 할 수 있으며, 이는 지반내에 흙의 탄소성에 관한 응력-변형률의 복잡한 관계를 잘 표현할 수 있다.
, 2000, Shin, 2003). 뒤채움지반의 경우는 N=15, 케이슨 하부의 실트질모래는 N=20으로 가정하여 산정하였다. 또한, 수치해석은 뒤채움지반과 하부지반을 액상화로 고려한 Case1과 과잉간극수압을 고려하지 않은 전웅력 개념의 경우인 Case2에 대해서 실시하였다.

제안 방법

뒤채움지반의 경우는 N=15, 케이슨 하부의 실트질모래는 N=20으로 가정하여 산정하였다. 또한, 수치해석은 뒤채움지반과 하부지반을 액상화로 고려한 Case1과 과잉간극수압을 고려하지 않은 전웅력 개념의 경우인 Case2에 대해서 실시하였다. Case2의 경우는 액상화파라메타를 “0”으로 설정 하였다.
(2018)은 1차원 유효응력개념의 지반응답해석을 통한 액상화현상을 규명하고자 하였다. 여기서는 LPI(Liquefaction Potential Index)를 산정함에 있어 1차원 유효응력해석에 의해 지반응답해석을 수행하였고, 기존의 지반조사결과로 추정된 LPI와 비교하여 정확도가 향상된 것을 확인하였다.
(2001)를 포함한 수많은 지반공학자들이 액상화 예측 방법 및 보정방법 등에 대해서 연구를 수행하였다. 즉, 연구의 초기 단계에서는 현장 데이터 및 실내시험에 의해 지진과 같은 반복하중에 의한 흙의 거동에 대해서 연구를 하였다. 그리고 지난 반세기 동안 컴퓨터 기술의 발달로 연속체역학을 이용하여 유한요소해석 등에 의한 지반의 동적인 거동을 모사하는 방법들이 제안되었고 액상화 현상을 규명하는 연구들이 진행되어 왔다(Martin et al.

대상 데이터

5는 포항지진 발생시 가속도 설치 위치를 나타내고 있다. 비교된 관측소는 총 4개로 포항구항, 포항관측소(PHA2), 청송관측소(CHS), 학계리관측소(HAK) 이다. 각 관측소는 진앙지로부터 각각 7km, 9km, 23km, 25km 떨어져 있다.
유효응력경로는 평면변형률 조건에서 많이 사용하는 p’, q’ 좌표를 이용하였다.
Case2의 경우는 액상화파라메타를 “0”으로 설정 하였다. 입력지진동은 Fig. 6(a)에 나타낸 포항항 지역내 시추공에 의한 기반암 설치된 계측된 가속도를 사용하였다.
2726m/s²로 진앙지로부터 거리가 멀어질수록 관측 가속도는 작아지는 경향이 나타났다. 현 논문에 적용된 입력하중은 포항 구항에 시추를 통한 기반암에 설치되어 있는 가속도에서 측정된 데이터이며, 실제로 영일만항과는 약 8km 떨어져 있으나, 진앙지로부터는 포항항과 영일만항의 거리는 각각 반경 6km와 7km로 이며, 이를 입력가속도로 사용하였다. 포항지진의 경우는 상대적으로 큰 지진동이 발생하여 항만 부두시설에 피해를 입힌 것으로 예상되지만, 해외 지진과 비교하였을때는 지속시간이 5초 정도로 짧은 편이다.

이론/모형

지반정수는 설계시 수행한 지반조사 자료와 최근 포항지진과 관련되어 수행된 Mun(2018), Park et al.(2018)와 및 Shin(2003) 등을 참조하여 결정하였다. Table 2는 Fig.
본 연구에서는 지반의 액상화 거동을 모사하기 위해서 FLIP(Iai et al., 1992ab)을 사용하였다. FLIP은 일본 항만항공연구소(PARI)에서 해안･항만 구조물을 대상으로 지진시 지반액상화에 의한 피해 예측을 위해 개발되었다.
, 1992b)를 나타내고 있다. 일본 항만기술연구소(PARI)에서 실험을 통해 N치에 대응하는 파라메타를 제안하였고 이를 이용하였다(Morita et al., 1997; Iai et al., 2000, Shin, 2003). 뒤채움지반의 경우는 N=15, 케이슨 하부의 실트질모래는 N=20으로 가정하여 산정하였다.

성능/효과

(1) 포항항의 기반암에서 계측된 지진가속도(3.25m/s²)를 입력지진동으로 사용하여 응답해석을 수행한 결과, 케이슨의 상단에서는 약 1.86m/s²의 가속도가 응답된 반면에 뒤채움 지반에서는 최대 4.75m/s²의 가속도가 응답되어 약 1.5배 증폭한 것으로 나타났다.
(2) 관측된 지진동을 입력지진파로 사용하여 2차원 유효응력 해석을 수행한 결과 주로 배후지 뒤채움지반에서 과잉간극수압비가 0.5 정도까지 증가하여 국부적으로 지반의 유효응력이 감소한 것으로 나타났다.
(3) Case1의 결과로부터 반복적인 지진하중에 의해 과잉간극수압이 발생하고, 지반의 유효응력이 감소하여 케이슨의 경우 수평방향으로 약 14cm, 수직방향(침하)으로 약 3cm의 변위가 발생하였다. 뒤채움 지반의 경우 6cm∼9cm 정도 침하한 것으로 나타났다.
3 정도로 증가하였다. 과잉간극수압의 증가 시기는 뒤채움 지반의 증폭이 발생된 3.1초 이후로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 포항지진에 의해 영일만항의 케이슨 배후지인 뒤채움에서는 국부적으로 과잉간극수압이 증가하여 유효응력이 저감된 것으로 나타났다.
1초 이후로 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 포항지진에 의해 영일만항의 케이슨 배후지인 뒤채움에서는 국부적으로 과잉간극수압이 증가하여 유효응력이 저감된 것으로 나타났다. 케이슨 배후지의 뒤채움 지반에서 유효응력이 감소되어, 지진시 케이슨에 작용하는 수평 관성력이 증가되어 케이슨의 수평변위를 유발하였고, 케이슨 하부의 지반에서도 유효응력이 감소로 인한 지지력 저하에 따른 케이슨의 침하가 유발된 것으로 판단된다.
2초 정도로 약간 지연되어 크게 증폭한 것으로 나타났다. 반면에 과잉간극수압을 고려하지 않은 Case2의 경우는 케이슨 상단은 유사한 가속도 크기가 관측되었으나, 배후지 지반에서는 각각 1.85m/s², 1.67m/s²의 가속도가 응답되어 Case1에 비교하여 크게 감소한 것을 알수 있고 최대 가속도도 약 3.0초 정도에서 응답하여 Case1보다 가속도의 전파가 빠른 것으로 나타났다. 이는 과잉간극수압을 고려하지 않은 것에서 기인한 것으로 판단된다.
그리고 초기 평균유효응력과 축차응력은 #와 #로 나타낸다. 본 연구에서 적용된 모델은 비배수 상내에서 작용되는 반복적인 하중에 대해 발생하는 변형량의 증감을 표현할 수 있다. 본 연구의 유효응력해석 기법은 지진과 같은 동적인 외력으로 발생하는 지반-구조물의 상호작용 및 피해에 대한 다양한 수치해석으로 검증되었다(Iai et al.
포항 지진 이후 긴급 정밀안전진단을 수행한 결과, 케이슨 배후지의 침하(약 10cm∼20cm), 케이슨의 수평변위(약 5cm∼ 15cm), 케이슨의 침하(약 10cm 이하)가 국부적으로 발생한 것이 관찰되었다. 분사된 토질은 조립질 사질토로 액상화가 발생가능한 토질로 조사되었다. Fig.
Park(2008)은 국내 매립지반을 대상으로 유효응력해석과 등가선형해석을 이용하여 액상화 평가 연구를 하였다. 이 연구에 따르면 유효응력해석은 지반의 비선형을 고려하여 과잉간극수압과 침하량을 산정할 수 있는 반면에, 지반의 비선형성을 고려하지 않고 선형적 탄성거동으로 묘사한 등가선형해석은 지반의 전단응력을 과대평가 할 수 있으며 유효응력해석보다 액상화가 일어나기 쉬운 것으로 예측되었다. Park(2009)는 간편예측법과 유효응력에 의한 지반응답해석을 통한 액상화 예측 연구를 수행하였고 그 결과 간편예측법은 유효응력 지반응답해석에 비하여 액상화 발생 가능성을 과대평가하여 예측하는 것으로 나타났으며 예측된 지층 내 과잉간극수압의 분포형상에도 상당한 차이가 있는 것으로 확인됨에 따라 간편예측법은 액상화 발생가능성의 초기 예측에는 사용될 수 있으나 보다 정확한 판단을 위해서는 고급해석이 필요하다고 판단된다.
따라서 포항지진에 의해 영일만항의 케이슨 배후지인 뒤채움에서는 국부적으로 과잉간극수압이 증가하여 유효응력이 저감된 것으로 나타났다. 케이슨 배후지의 뒤채움 지반에서 유효응력이 감소되어, 지진시 케이슨에 작용하는 수평 관성력이 증가되어 케이슨의 수평변위를 유발하였고, 케이슨 하부의 지반에서도 유효응력이 감소로 인한 지지력 저하에 따른 케이슨의 침하가 유발된 것으로 판단된다. 이는 지진과 같은 반복하중에 의해 과잉간극수압이 발생하여 유효응력이 소실되어 지지력이 감소된 것으로 판단할 수 있다.
포항 지진 이후 긴급 정밀안전진단을 수행한 결과, 케이슨 배후지의 침하(약 10cm∼20cm), 케이슨의 수평변위(약 5cm∼ 15cm), 케이슨의 침하(약 10cm 이하)가 국부적으로 발생한 것이 관찰되었다.

후속연구

(4) 영일만항의 경우 지진에 의한 피해는 현장조사와 수치해석 결과로부터 배후지 뒤채움 지반의 국부적인 과잉간극수압 증가에 따른 유효응력의 감소로 기인한 것으로 판단되며, 이러한 결과로부터 지진과 같은 동적인 외력에 의한 거동해석은 유효응력 해석이 필요할 것으로 판단된다. 또한, 현재보다 더 크고 지속시간이 긴 지진이 발생하면 더 큰 피해가 야기될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영일만항은 무엇인가?	영일만항은 포항제철을 통해 국내 제1의 철강도시로 성장한 포항이 물류 중심도시로의 재도약을 준비하면서 신설 중인 항만시설이다. 사업기간은 1992년에서 2020년으로 총 2조 8,000억원의 동해권의 국제물류 거점항만사업이다.
	2017년 11월 15일 발생한 포항지진이 2016년 9월 11일 발생한 경주지진보다 상대적인 피해가 큰 이유는 무엇인가?	2016년 9월 11일에 발생한 규모 5.8의 경주지진과 비교하여 진원 깊이가 상대적으로 얕기 때문에 그 피해 또한 경주지진과 비교하여 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 특히 포항지진으로 인해 국내에 최초로 액상화 현상이 발생하였지만 실제로 액상화에 의한 피해는 없는 것으로 보도되었다.
	액상화 현상이 발생하는 원인은 무엇인가?	4 규모의 지진으로 인해 도로, 공원 또는 논밭 등지에서 액상화로 인해 모래와 물이 동시에 지표면으로 분출되는 현상이 국내 처음으로 발생하였다. 일반적으로 지진같은 반복하중으로 지반의 전단변형이 발생하고, 배수가 허용되지 않은 비배수 상태에서 급격한 전단변형은 과잉간극수압이 증가하여 유효상재하중보다 커지게 되면 토립자가 서로 떨어져 물에 부유하는 상태로 액상화 현상이 발생하게 된다. 즉, 액상화로 인해 지반은 전단강도를 거의 상실하게 되어 상부구조의 손상이나 간극수의 배출로 인한 지반의 침하가 발생하게 된다(Yi, 2006).

저자의 다른 논문 :

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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