Journal of the Korean Geo-Environmental Society ISSN:1598-0820(Print) 2714-1233(Online) 한국지반환경공학회 논문집

도심지 터널굴착, 대규모 지하공간 개발 및 인접 굴착공사에서는 지반침하와 수평변위가 함께 발생하여 인접 구조물에 3차원 변형을 유발할 수 있다. 기존의 2차원 벽체별 손상평가는 특정 벽체의 손상 가능성을 평가하는 데 실무적으로 유용하지만, 벽체, 바닥판, 지붕판 및 기초가 연결된 실제 구조물의 공간적 변형상태를 충분히 설명하는 데에는 한계가 있다. 본 논문은 육면체 구조단위의 8개 모서리에서 계측되는 x, y, z 방향 변위자료를 이용하여 평균 3차원 변형률 텐서와 최대 주인장변형률을 산정하는 실시간 3차원 손상평가 방법을 제시한다. 제안 방법은 8개 모서리의 변위자료로부터 평균 affine 변위장, 변위구배 및 변형률 텐서를 산정하고, 변형률 텐서의 최대 고유값을 손상등급별 한계 인장변형률과 비교하여 손상 가능성을 평가한다. 이 방법은 기존 2차원 벽체별 평가를 대체하기 위한 것이 아니라, 인접 구조물을 하나의 3차원 구조체로 보았을 때 평균적인 공간 변형상태와 손상위험 변화를 실시간으로 추적하기 위한 평가절차로 활용될 수 있다.

본 연구에서는 연약지반 상에 축조되는 저수지를 대상으로 단계성토 및 성토 완료 후 담수와 운영이 요구되는 구조물 특성을 고려하여 PBD(Plastic Board Drain) 배치간격에 따른 압밀거동과 경제성을 분석하였다. 다양한 PBD 배치간격과 미설치 조건에 대한 수치해석을 수행하여 침하량, 압밀도 및 압밀도 90 % 도달시간을 비교하였으며, 현장계측자료와 원심모형실험 결과를 이용하여 해석 결과의 적용성을 검토하였다. 분석 결과, PBD 배치간격이 감소할수록 수평배수거리가 단축되어 성토 초기의 압밀이 촉진되고 압밀도 90 % 도달시간이 단축되었다. 반면, 배치간격이 증가하거나 PBD를 설치하지 않은 경우에는 압밀 진행이 지연되어 장기침하가 지속되는 경향을 보였다. 경제성 분석에서는 배치간격 감소에 따라 공사비가 증가하였으나, 압밀 완료시점이 앞당겨져 운영이익이 증가하는 상충관계가 나타났다. 공사비와 운영이익을 종합적으로 고려한 결과, 1.4 m에서 가장 높은 순편익이 나타났으며, 대상 저수지 조건에서는 약 1.4~1.5 m의 PBD 배치간격이 압밀성능과 경제성을 함께 고려한 합리적인 범위로 평가되었다.

본 연구는 4개의 하단 고정식 연직 원통형 해상 구조물 주변의 다방향 불규칙파의 회절을 예측하는 것을 목적으로 한다. 파랑장은 2차원 평면으로 고려되었으며, 원통형 실린더의 배치는 4개의 원형 구조 형태로 지정되었다. 수치 시뮬레이션 기법은 2차원 경계 적분(boundary integral approach)을 통해 얻은 단색파의 회절해를 중첩하고, Green 정리를 활용하여 개발되었다. 입사파 조건은 실제 해양 환경을 더 잘 모사하기 위해 피어슨-모스코위츠(Pierson-Moskowitz) 방향 스펙트럼의 이산화 형태를 사용하여 지정되었다. 개발된 수치 모델은 Eatock Taylor와 Sincock(1989)의 기존 발표 데이터와의 비교를 통해 검증되었으며, 이전 연구 결과와 우수한 일치성을 보였다. 이러한 검증을 바탕으로 4개 원통형 실린더의 중심 간격, 입사파 각도, 원통 직경 등 다양한 조건에 따른 관심 영역 내 불규칙파 회절 현상을 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 통해, 본 수치 모델이 하단 고정식 해양 구조물 주변의 파랑장을 예측하는 데 있어 정확하고 효율적인 도구임을 확인하였다.

최근 기후변화에 따른 집중호우의 빈도와 강도가 증가하면서, 배수시설이 설치된 절토부 옹벽에서의 붕괴 사고가 반복적으로 발생하고 있다. 현행 국가건설기준(KDS 11 80 05)은 옹벽 배면에 배수층과 배수공을 설치하면 수압이 작용하지 않는 것으로 가정하여, 주동토압만을 설계 하중으로 고려하도록 규정하고 있다. 그러나 실제 현장에서 배수공은 유한한 통수 단면적을 가진 오리피스(Orifice) 개념의 거동을 하며, 장기적인 배수층의 막힘(Clogging) 현상과 배후 사면으로부터의 대량 유입수를 실시간으로 처리하는 데 역학적 한계를 지닌다. 본 연구에서는 수리학적 연속방정식과 Darcy의 법칙, Terzaghi의 유효응력 이론을 결합한 물수지 기반 집중정수형 수치모델(Water balance-based lumped-parameter numerical model)을 구축하여, 강우 시 옹벽 배면에 발생하는 동적 피크 수압(Peak Transient Pore Water Pressure)을 정량적으로 산정하였다. 특히 본 모델은 배수 경로가 가장 직선적이고 단순화된, 지표 유출을 배제한 보수적 한계조건을 가정하여 수압의 한계 거동을 증명하도록 하였다. 해석 결과, 배수 시스템이 100 % 정상 작동하는 조건에서도 배후 사면의 집수면적이 넓고 투수계수가 큰 사질토 지반에서는 배수공의 방류 한계를 초과하는 빗물 유입으로 인해 옹벽 높이의 74%에 해당하는 수두가 형성되며, 이로 인해 총 측압이 설계 하중 대비 약 90 % 증가하는 것으로 확인되었다. 본 논문은 이러한 보수적 경계 조건에서의 한계 입증을 통해, 배수시설 설계 시 수압을 고려하지 않는 것으로 가정하는 경우의 역학적 모순을 밝히고, 설계 수압의 동역학적 반영 필요성을 제언하였다.

본 연구에서는 동일한 제방 단면의 지진응답을 원심모형실험과 FLAC 2D 비선형 수치해석으로 재현하고, 비교를 통해 수치모델의 적용성을 검토하였다. 원심모형실험의 단면 형상, 지층 구성, 입력지진파 및 계측 위치를 반영하여 수치모델을 구축하였으며, 기반암에서 계측된 수평가속도 시간이력을 하부 입력운동으로 적용하였다. 초기 동적 물성은 공진주 시험(Resonant Column Test, RCT) 결과를 바탕으로 산정하고 벤더 엘리먼트 시험(Bender Element Test, BE 시험) 결과와 비교하였다. 지반의 변형률 의존적 비선형 거동은 RCT 및 Darendeli 경험식 기반 동적특성곡선을 FLAC의 sig3 함수에 층별로 피팅하여 적용하였다. Hachinohe, Northridge 및 Ofunato 지진파에 대해 가속도 시간이력, PGA 심도분포와 공간분포, 응답스펙트럼 및 누적침하를 비교하였다. 원심모형실험과 수치해석은 주요 가속도 응답의 발생 시점과 전반적인 양상에서 유사한 결과를 보였다. 또한 제방 상부로 갈수록 PGA가 증가하는 분포, 0.2–0.4 s 부근의 주요 증폭 주기대역 및 중앙부 L2에서 최대 침하가 발생하는 특성이 공통적으로 나타났다. 비교 결과, 적용한 FLAC 2D 모델링 절차는 제방의 주요 가속도 증폭 및 잔류변형 특성을 적절히 재현하였으며, 유사한 조건의 제방에 대한 비선형 지진응답 평가에 활용될 수 있는 것으로 판단된다.

지진 시 포화된 느슨한 사질토 지반에서는 반복하중으로 인해 과잉간극수압이 증가하고 유효응력이 감소하여 구조물 침하와 같은 액상화 피해가 발생할 수 있다. 시트파일을 이용한 액상화 피해 저감에 관한 기존 연구는 대부분 청정사(clean sand) 조건을 대상으로 수행되어 실제 자연지반 및 매립지반에서 흔히 나타나는 세립분 함유 조건을 충분히 반영하지 못하였다. 본 연구에서는 비소성 실트질 세립분 함량과 시트파일 근입비(EDR)가 액상화 지반의 거동 및 인접 구조물의 침하에 미치는 영향을 평가하기 위하여 1-G 진동대 모형실험을 수행하였다. 주문진 표준사에 실트질 실리카샌드를 혼합하여 세립분 함량 FC=13% 및 27%의 지반을 조성하였으며, 각 지반에 EDR=0(비보강), 0.65, 0.75 및 0.85 조건을 적용하였다. 또한 Kim et al.(2025)의 청정사 조건(FC=0%) 실험 결과를 비교 기준으로 활용하였다. 실험 결과, 비보강 조건의 구조물 침하량은 세립분 함량이 증가함에 따라 162mm(FC=0%)에서 145mm(FC=13%) 및 132mm(FC=27%)로 감소하였으며, 모든 세립분 함량 조건에서 근입비가 증가할수록 침하량이 감소하였다. EDR=0.65에서는 침하 저감률이 세립분 함량에 따라 21.0~41.7%로 큰 차이를 보였으나, EDR=0.75 및 0.85에서는 각각 약 55~57% 및 65~67%로 수렴하였다. 일부 보강 조건에서는 최대 과잉간극수압비가 1.0을 초과하였음에도 침하량이 감소하였다. 이는 시트파일이 액상화 발생 자체를 억제하기보다 액상화 이후의 지반 변형을 제한하는 변형 제어형 보강요소로 작용하였음을 나타낸다. 실험 결과를 바탕으로 세립분 함량과 근입비를 동시에 고려한 통합 시그모이드형 최대 침하량 경험식을 제안하였으며, 실험범위 내 침하량 감소 경향을 잘 기술함을 확인하였다(적합도 기준 R²=0.990, RMSE=3.76mm).