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

대한민국 기상청(KMA)은 지진조기경보(EEW)와 연계하여 지역별 예상 진도를 산정하고, 이를 지진 대응 의사결정에 활용한다. 예상진도는 EEW에서 추정된 지진원 정보를 입력으로 지반 운동 모델(GMM)과 부지증폭 모델을 적용하여 산정되며, 사용되는 모델은 과거 관측기록을 바탕으로 개발 혹은 검증된 경험식을 기반으로 한다. 그러나 이와 같은 경험식 기반 체계는 관측 자료의 시·공간적 제한과 학습·검증 이벤트의 편중에 영향을 받기 때문에, 적용 범위를 벗어나는 조건에 대해서는 예측 불확실성을 내포하고 있다. KMA 예상진도 산정 체계는 주로 국내 기록을 중심으로 검증되어 왔으며, 일본 등 국외에서 발생한 대규모 지진에 대한 체계적 검증 사례는 제한적이다. 이에 본 연구는 일본 대규모 지진 발생 시 한반도에 체감 혹은 피해를 줄 수 있는 장주기 지진동에 주목하였다. JMA에서 활용되는 장주기 예측 경험식의 적용 가능성과 예측 편향을 평가하고자 하였다. 분석 결과, 한반도 방향 관측 값은 일본과 동일(유사) 거리라도 더 작은 것으로 나타났다. 이는 단층 방향에 대한 지진원 효과(Source effect), 해역 횡단 경로 효과(Path effect), 그리고 지역에 따른 달라지는 감쇠 효과 (site effect) 차이의 영향이 존재할 가능성이 있음을 시사하였다. 따라서 일본 대규모 지진에 대한 국내 장주기 예측의 신뢰도 향상을 위해서는, 단층 움직임 방향, 전파 경로, 부지 특성을 고려한 장주기형 GMM의 구축이 필요하다.

입상체의 투수계수는 공극률뿐 아니라 유동에 실제로 기여하는 연결 경로의 발달, 병목 구조의 존재, 그리고 공극 구조의 공간적 배열에 의해 좌우된다. 본 연구에서는 동일한 생성 조건에서 다수의 무작위 패킹 시료를 구축한 뒤, 공극 네트워크 기반 유동 시뮬레이션으로 투수계수를 산정하고, 투수성 변화를 설명하는 미시구조 지표의 유효성을 비교·검증하였다. 분석 결과, 공극률 및 국부 공극률 관련 지표가 증가할수록 투수계수가 전반적으로 증가하여, 전체 공극량보다 유효 유로의 집중과 분포 특성이 중요함을 확인하였다. 또한 x 방향 연속성을 대변하는 공극 현 길이 지표가 클수록 투수계수가 증가해, 유동 방향으로 이어지는 연결 경로가 유동 저항을 완화하는 핵심 요인임을 보였다. 반면 공극(또는 throat) 크기 분포의 비대칭성 및 극단성이 커질수록 투수계수가 감소하는 경향이 나타났고, 작은 크기에 민감한 대표 반경 지표는 병목 협착의 지배 가능성을 시사하였다. 나아가 공극률 중심 경험식과 비교하여, 연결성·병목·국부 채널화·분포 비대칭성을 함께 반영하는 8개 핵심 미시지표 조합이 투수계수 예측의 설명력을 개선할 수 있음을 확인하였다. 종합하면, 무작위 패킹 시료의 투수성은 방향성 연속성과 유효 유로 발달에 의한 증가 요인과, 병목 및 구조적 불균질성에 의한 감소 요인의 경쟁으로 설명될 수 있으며, 제안 지표 체계는 구조 기반 투수 예측식 및 설계·평가 모델 개발에 활용될 수 있다.

본 연구는 기존 철도노반을 대상으로 수행된 시추조사 결과를 활용하여 시간 경과에 따른 지반 조건의 변화를 분석하고, 이를 수치해석 기법을 통해 변화에 따른 안전율을 평가함으로써 철도노반의 안정성을 검토하는 것을 목적으로 한다. 대상 구간은 강원도 정선군 일원에 위치한 철도 시설로, 초기 철도노반 형상 및 설계 개념과 최근 수행된 시추조사 결과를 비교·분석하였다. 시추조사 결과, 상부 매립층 및 붕적층의 분포 특성과 연암·경암의 출현 심도가 초기 설계 단계에서 가정한 지반조건과 일부 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 이러한 지반조건 변화를 반영하여 2차원 수치해석 모델을 구축하고, 한계평형해석법을 이용한 안정성 평가를 수행하였다. 그 결과, 시간 경과에 따른 지반 특성 변화가 철도노반의 전체 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 제시할 수 있었으며, 향후 철도노반 유지관리 및 보강 설계에 유용한 기초자료를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

지진 시 구조물의 동적 거동은 지반, 무리말뚝 및 상부구조물의 상호작용에 의해 영향을 받으며, 지진파의 입사방향 또한 구조물의 응답특성에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 지진파의 입사방향을 고려한 지반-무리말뚝-상부구조물의 동적 응답에 대한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 건조 사질토 지반에 설치된 무리말뚝과 상부구조물로 구성된 지반-무리말뚝-상부구조물을 대상으로 지진파의 입사방향이 가속도 응답 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 1 g 진동대 모형실험을 수행하였다. 실험 결과 지표면, 말뚝캡 및 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 지진파의 입사방향에 따라 변화하는 것으로 나타났으며, 특히 지진파의 입사방향이 증가하면 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 증가하는 경향으로 나타났다.

지진 시 구조물의 동적 거동은 지반, 말뚝기초 및 상부구조물의 상호작용에 의해 영향을 받으며, 지진파의 진행방향 또한 구조물의 응답특성에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 지진파의 진행방향을 고려한 지반-무리말뚝-상부구조물 시스템의 동적 거동에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 건조 사질토 지반에 설치된 상부구조물을 지지하는 3×3 배열의 선단지지 무리말뚝을 대상으로, 지진파의 진행방향을 변화시켜 1 g 진동대 모형실험을 수행하였다. 실험 결과 무리말뚝 내 말뚝 위치에 따른 동적 p-y 곡선은 지진파의 진행방향에 따라 변화하는 것으로 나타났으며, 최대 휨모멘트 및 최대 휨모멘트 발생위치는 지진파의 진행방향에 따라 변화하는 것으로 나타났다.

지진 시 발생하는 액상화 현상은 포화된 사질토 지반에서 구조물 침하 및 기초 불안정성을 유발하는 주요 원인 중 하나로 알려져 있다. 액상화는 구조물 침하, 부등침하 및 전도와 같은 심각한 구조적 피해를 야기하며, 도시 기반시설의 기능 상실로 이어질 수 있다. 기존 액상화 피해 저감 기술은 대부분 신규 구조물이나 광범위한 시공 공간을 필요로 하는 현장을 대상으로 개발되어, 기존 구조물이 밀집된 지역에서는 적용이 제한되는 문제점을 가진다. 본 연구에서는 기존 구조물에 인접하여 설치된 시트파일의 근입비 변화에 따른 구조물 침하 거동을 분석하기 위하여 1-G 진동대 모형실험을 수행하였다. 모형지반은 주문진 표준사를 사용하여 조성하였으며, 액상화층은 상대밀도 45 %, 비액상화층은 상대밀도 85 %로 구성하였다. Iai(1989)의 상사법칙을 적용하여 1/50 축척 모델을 제작하였고, 입력파는 가속도 0.6 g, 주파수 10 Hz의 정현파를 적용하였다. 시트파일 근입비(EDR)는 0.55~0.85 범위에서 7단계로 세분화하였다. 실험 결과, 시트파일 설치 시 구조물 침하량은 비보강 조건 대비 최대 약 67 % 감소하였다. 또한 근입비 증가에 따라 침하 감소 효과는 증가하였으나, EDR 0.8 이상에서는 침하량 감소가 수렴하는 경향을 나타냈다. 구조물과 시트파일의 이격거리 유무에 따른 침하량 차이는 약 2 % 수준으로 나타나, 액상화 피해 저감 성능에 있어 이격거리보다 근입깊이가 지배적인 설계 변수임을 확인하였다. 본 연구 결과는 기존 구조물 주변 액상화 저감 설계 시 적용 가능한 실무적 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 유사정적 방법의 성능을 평가하기 위해 3차원 동적 비선형 유한요소해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 유사정적 방법은 관성 상호작용만을 고려하기 때문에, 운동학적 상호작용과 말뚝-지반 경계면에서의 축방향과 횡방향 응답의 상호작용을 고려하지 않는 한계점이 있다. 3차원 동적해석모델은 원심모형시험 계측값과의 비교를 통해 검증하였다. 적용한 비선형 지반 구성모델이 계측된 응답의 최대 지반 반력과 깊이에 따른 모멘트를 유사하게 예측하는 것으로 나타났다. 3차원 동적해석 모델에서 도출한 p-y 곡선은 유사정적 해석에서 사용한 API 곡선의 최대 지반 반력의 6배 큰 것으로 나타났다. API 곡선을 사용한 유사정적해석의 경우 최대 휨모멘트를 계측값과 비교하면 최대 70 %의 차이를 보였다. 이러한 결과는 API 기반 유사정적 방법이 지반 반력을 크게 과소평가할 수 있음을 시사하며, 적절한 보정이 수반되지 않는 경우 적용에 주의가 필요하다.

최근 도로 및 철도 건설 사업의 증가로 대규모 절토공사가 확대됨에 따라 절토사면의 안정성 확보가 중요해지고 있다. 본 연구에서는 절토사면의 안정성을 평가하기 위해 Plaxis 2D를 이용한 수치해석과 강도감소법을 적용하였다. 판넬식 옹벽의 체결 조건(Free, Fixed)과 강우 조건(Dry, Rainfall)을 변수로 총 4개 Case를 구성하였으며, 시공 단계 및 시간 경과에 따른 안전율과 변형 거동을 분석하였다. 해석 결과, Fixed 조건에서 더 높은 안전율이 나타났으며, 변위는 Free 조건에 비해 크게 발생하였다. 또한 강우 조건에서는 지하수위 상승의 영향으로 안전율이 감소하고 변위가 증가하는 경향을 보였다. 따라서 절토사면의 안정성 평가 시 판넬 체결 방식과 강우 조건을 함께 고려할 필요가 있다.