[논문]UBC3D-PLM 모델을 이용한 1차원 유효응력해석에 의한 액상화 평가

김정회; 진현식

doi:10.9720/kseg.2023.1.151

UBC3D-PLM 모델을 이용한 1차원 유효응력해석에 의한 액상화 평가
Liquefaction Evaluation by One-Dimensional Effective Stress Analysis Using UBC3D-PLM Model 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.33 no.1, 2023년, pp.151 - 167

김정회 (한국가스기술공사 엔지니어링사업처) , 진현식 ((주)HNG컨설턴트 지질및지반 연구부)

초록
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본 연구는 LNG저장탱크가 설치될 느슨한 포화사질지반을 대상으로 개정된 액상화 평가법과 UBC3D-PLM 모델을 이용한 1차원 유효응력해석에 의한 액상화 평가법을 비교한 것이다. 이를 위해 여러가지 실내 및 현장시험을 실시하여 필요한 Parameter를 산정하였다. 검토결과, 지진응답해석결과와 SPT N 값을 이용하는 개정 액상화 평가법은 액상화 발생 가능성을 높게 평가하였지만, 다양한 액상화 저항인자를 고려할 수 있는 유효응력해석법은 액상화에 다소 안정한 것으로 분석되었다. UBC3D-PLM 모델을 이용한 1차원 유한요소해석을 할 경우 보다 간편하게 액상화 안정성 검토가 가능하였고, 액상화 보강 영역을 최소화 할 수 있었다. 또한, LNG저장탱크의 기초를 고려한 2·3차원 수치해석 시에는 액상화 발생 시 내진설계 및 거동특성을 규명하는 것에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study compares the revised method in loose saturated sandy ground where the LNG storage tank will be installed with an evaluation method by one-dimensional effective stress analysis using the UBC3D-PLM model. Various laboratory and field tests were conducted to establish the parameters necessary for evaluation. The revised liquefaction evaluation method using the seismic response analysis result and N value from standard penetration testing evaluated the possibility of liquefaction as high, but assessment using effective stress analysis, which can consider various liquefaction resistance factors, found the site to be somewhat stable against liquefaction. One-dimensional finite element analysis using UBC3D-PLM modeling facilitated easier assessment of stability against liquefaction than the other methods and minimized the area required for reinforcement against liquefaction. In addition, it is expected that two-and three-dimensional numerical analysis considering the foundation of the LNG storage tank can identify the seismic design and behavior when liquefaction occurs.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. LNG storage tank.
그림 Fig. 2. Geological characteristics by borehole investigation.
표 Table 1. Liquefaction preliminary evaluation result
표 Table 1. Continued
표 Table 2. Liquefaction main evaluation result
그림 Fig. 3. Relationship between shear modulus and shear strain (Atkinson and Sallfors, 1991).
그림 Fig. 4. Evaluation depth of liquefaction by borehole and one dimensional finite element.
그림 Fig. 5. Standard response spectrum and artificial seismic wave used for liquefaction evaluation.
표 Table 3. Displacement and dynamic boundary conditions for each analysis step
표 Table 4. UBC3D-PLM model parameter
표 Table 5. HS Small model parameter
그림 Fig. 6. Characteristics of time-excess pore pressure during earthquakes.
표 Table 5. Continued
표 Table 6. Linear elastic model parameter for soft rock
그림 Fig. 6. Continued.
그림 Fig. 7. Characteristics of depth-excess pore pressure during earthquakes.
그림 Fig. 8. Characteristics of depth-pore pressure during earthquakes.
그림 Fig. 9. Characteristics of depth-Effective vertical stress during earthquakes.
그림 Fig. 10. Characteristics of depth-pore pressure ratio during earthquakes.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구는 2020년 개정된 액상화 예비평가 및 본 평가 결과(지진응답해석과 N값을 이용)와 유효응력해석에 의한 액상화 평가결과를 비교하고자 한다. 유효응력해석법에 의한 액상화 평가 시에는 지층모델링은 1차원으로 하였고, 예비 평가 및 본평가를 통해 확인된 액상화 발생 가능성이 있는 지층에는 UBC3D-PLM 모델을 적용하였다.

제안 방법

(2) 보다 상세한 액상화 발생 가능성을 평가하기 위해 UBC3D-PLM 모델을 이용한 “유효응력해석을 통한 액상화 평가”를 수행하였다
10개의 시추공에 대해 액상화 예비평가, 액상화 본 평가를 수행한 결과 BT-10, BT-15, BT-16 시추공 일부 지층에서 액상화 발생 가능성이 예측되었고, 이에 보다 더 신뢰성 있고 상세한 액상화 발생 가능성을 예측하기 위해 유효응력해석을 통한 액상화 평가를 수행하였다.
따라서, 본 연구는 2020년 개정된 액상화 예비평가 및 본 평가 결과(지진응답해석과 N값을 이용)와 유효응력해석에 의한 액상화 평가결과를 비교하고자 한다. 유효응력해석법에 의한 액상화 평가 시에는 지층모델링은 1차원으로 하였고, 예비 평가 및 본평가를 통해 확인된 액상화 발생 가능성이 있는 지층에는 UBC3D-PLM 모델을 적용하였다. 특히 UBC3D-PLM모델이 적용된 지층은 1 m간격으로, SPT조사 간격과 같게 모델링 함으로써 가급적으로 동일한 조건에서 이 둘을 비교하였다.
유효응력해석법에 의한 액상화 평가 시에는 지층모델링은 1차원으로 하였고, 예비 평가 및 본평가를 통해 확인된 액상화 발생 가능성이 있는 지층에는 UBC3D-PLM 모델을 적용하였다. 특히 UBC3D-PLM모델이 적용된 지층은 1 m간격으로, SPT조사 간격과 같게 모델링 함으로써 가급적으로 동일한 조건에서 이 둘을 비교하였다.

대상 데이터

Fig. 2에서 LNG기초지반을 형성하기 위해 인공적인 매립이 이루어졌음을 알 수 있고, 좌측 및 우측 LNG 기초지반의 지층구조와 공학적 특성을 파악하기 위하여 10개의 시추조사와 다양한 실내 및 현장시험이 실시되었다. 10개의 시추조사를 통해 확인된 지층구조는 매립층(자갈/모래), 풍화토, 풍화암, 연암 및 보통암 순으로 분포하고 있었며, 매립층(자갈/모래)는 대부분 느슨한 층(N < 25)으로 확인되었다.
4는 BT-10, BT-15 및 BT-16 시추주상도별 1차원 유한요소망을 보여주고 있다. 액상화 예비평가 및 본평가를 통해 액상화 발생 가능성이 있는 지층은 1 m간격으로 모델링 하였으며, 최하단 연암층도 1 m로 모델링하였다. 유한요소해석단계는 초기응력설정, 지진하중적용으로 총 2단계로 설정하였다.

이론/모형

(2) 보다 상세한 액상화 발생 가능성을 평가하기 위해 UBC3D-PLM 모델을 이용한 “유효응력해석을 통한 액상화 평가”를 수행하였다. 액상화 발생 가능성이 있는 지층의 지반모델은 UBC3D-PLM 모델을, 연암층은 Linear Elastic 모델을, 연암층을 제외한 지층의 지반모델은 HS Small 모델을 적용하였다.
해석단계별 변위 및 동적경계는 Table 3에 나타내었다. 특히 지진하중 적용 시 좌우측면의 변위경계는 Free로 동적경계는 Tied Degrees of Freedom을 적용함으로써 1차원 유효응력 액상화모델링이 가능하도록 설정하였다.

성능/효과

(4) 지진하중에 의한 심도별 과잉간극수압, 심도별 간극수압 및 심도별 연직유효응력 분석을 통해 지진발생시 지반거동을 예측할 수 있었으며, 특히 심도별 간극수압비(Ru) 검토를 통해 지하수위 이하의 느슨한 매립층(자갈/모래)의 액상화 발생 가능성을 평가할 수 있었다.
10개의 시추조사를 통해 확인된 지층구조는 매립층(자갈/모래), 풍화토, 풍화암, 연암 및 보통암 순으로 분포하고 있었며, 매립층(자갈/모래)는 대부분 느슨한 층(N < 25)으로 확인되었다.
이는 등가선행해석 및 간편예측법은 액상화 발생 가능성을 과대평가하기 때문이다. 또한 유효응력해석에 필요한 지반해석 모델은 여러 가지 액상화 저항인자를 고려할 수 있고, 2 ‧ 3차원 모델링이 가능하며, 액상화 발생 후 과잉간극수압을 예측할 수 있는 UBC3D-PLM 모델이 가장 적합한 모델로 분석되었다.
지진하중으로 인한 과잉간극수압의 증가량은 BT-10 > BT-15 > BT-16 시추공 순으로 나타나고 있으며, 과잉간극수압의 증가량이 큰 BT-10 시추공이 액상화에 가장 취약한 것으로 평가할 수 있다.

후속연구

(6) 따라서 향후 지하수위이하의 느슨한 매립층(모래/자갈)에서 액상화 발생 가능성을 평가하기 위해서는 N값 및 세립분함유량을 이용한 액상화 평가는 가급적 지양하고, 다양한 액상화 저항인자를 고려할 수 있는 유효응력해석법을 이용한 액상화 평가를 실시하여 안전하고 보다 경제적인 기초설계를 해야 할 것이다.
국내 해안가의 지반은 연약한 점토 및 느슨한 모래층의 출현빈도가 높아 LNG저장탱크 기초공법으로는 주로 강관말뚝이 많이 이용되고 있다. 또한 기초지반조건이 느슨한 모래층일 경우에는 반드시 액상화에 대한 안정성 검토가 필요하다. Fig.

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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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