1. 서 론
1.1 연구 배경
1.2 연구 목적 및 방법
2. 선행연구 분석
2.1 장비 및 프로그램
2.2 지반조성 및 계측센서
2.3 기존 구조물 구현
3. 수치해석 모델링
3.1 수치해석 방법
3.2 수치해석 모델링
4. 수치해석 결과 및 분석
4.1 선행연구 calibration
4.2 case별 결과 분석
5. 요약 및 결론
1. 서 론
최근 국외뿐만 아니라 국내에서도 지진 발생 빈도가 증가함에 따라 지진 피해 및 구조물 안전에 대한 사회적 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 특히 2021년 이후 규모 4.0 이상의 지진이 반복적으로 발생하면서, 구조물 피해를 유발할 수 있는 중·대규모 지진 발생 가능성이 커지고 있다. 2017년 포항 지진에서는 국내에서 처음으로 액상화 현상이 관측되었으며, 이는 대한민국 또한 지진 및 액상화로부터 안전하지 않음을 보여주는 대표적인 사례이다.
액상화 현상은 지진 시 반복적인 동적 하중으로 인해 지반 내 과잉간극수압이 급격히 증가하면서 유효응력이 감소하고, 그 결과 토사의 전단강도가 급격히 저하되어 지반이 액체와 유사한 거동을 보이는 현상이다(Ishihara, 1985). 이러한 액상화는 구조물의 침하, 기울어짐 및 지지력 상실을 초래하여 지진 피해를 증폭시키는 주요 원인으로 작용한다. 일본, 미국, 뉴질랜드 등 지진 다발 국가에서는 과거 대규모 지진을 통해 액상화 피해가 반복적으로 보고되었으며, 이에 따라 액상화 방지 및 저감 공법에 대한 연구가 활발히 수행되어 왔다.
반면, 국내의 액상화 관련 연구 및 기술 개발은 상대적으로 초기 단계에 머물러 있다. 현행 내진 설계 기준에 따라 신축 건축물에 대해서는 내진 설계가 의무화되어 있으나, 기존 건축물의 내진 설계 적용 비율은 여전히 낮아 지진 발생 시 심각한 피해가 우려된다. 특히 기존 구조물은 액상화에 대한 보강이 어려워 지진 발생 시 더욱 취약한 상황이다.
기존의 액상화 방지 공법으로는 선행재하공법, 연직배수공법, 진동다짐공법 등이 제안되어 왔으나, 이들 공법은 대부분 신규 구조물을 대상으로 적용되며, 이미 시공된 기존 구조물에는 적용이 어렵다는 한계를 가진다. 이에 따라 기존 구조물에도 적용이 가능하고, 도심지 시공 시 소음 및 주변 환경에 미치는 영향이 상대적으로 적은 액상화 방지 공법에 대한 연구가 필요하다.
최근에는 시트파일 공법을 활용한 액상화 방지 연구가 일부 수행되고 있으며, 수치해석 및 실험을 통해 기존 구조물에 대한 적용 가능성과 액상화 저감 효과가 보고되고 있다. Tanaka et al.(2020)는 유한요소해석을 통해 시트파일 공법의 적용성을 검토하였으며, Bray & Dashti(2010)는 실제 액상화 발생 사례 분석을 통해 지반개량 및 액상화 방지 기술의 필요성을 제시하였다. 또한 Sim et al.(2020)은 시트파일의 근입비에 따른 구조물 변위 및 간극수압 거동을 분석하여 시트파일 공법의 액상화 방지 효과를 평가하였다. 그러나 시트파일의 다양한 조건과 지반 조건을 고려한 체계적인 연구는 여전히 부족한 실정이다.
1.2 연구 목적 및 방법
기존 구조물에 적용 가능한 액상화 방지 공법으로는 선행재하공법, 연직배수공법, 진동다짐공법 등이 제안되어 왔다. 선행재하공법은 성토하중을 이용하여 지반을 사전에 압밀시켜 침하를 저감하는 공법이며, 연직배수공법은 배수 경로를 단축시켜 과잉간극수압의 소산을 촉진함으로써 액상화 발생을 억제하는 방법이다(Brennan & Madabhushi, 2022). 또한 진동다짐공법은 지반을 조밀화하여 지지력을 증가시키고 지반가속도를 감소시켜 과잉간극수압 발생을 저감하는 공법이다. 특히 반복하중 조건에서 지반 내 간극수압의 축적과 유효응력 감소는 액상화 발생의 주요 원인으로 작용하며, 이러한 거동은 동적 하중 조건에서의 지반 응답을 평가하는데 중요한 요소로 고려된다(Das & Ramana, 2011). 또한 이러한 공법들은 대부분 신설 구조물을 대상으로 적용되며, 이미 시공된 기존 구조물에는 적용이 어렵다는 한계를 가진다.
이에 따라 기존 구조물에도 적용이 가능하고, 건물 외부에서 시공할 수 있는 액상화 피해 저감 공법에 대한 연구가 요구되고 있다. Bray et al.(2017)은 실험 및 수치해석을 통해 액상화로 인한 건물 침하 발생 조건과 지반 특성을 분석하고, 액상화 방지 공법 개발의 필요성을 제시하였다. Towhata et al.(2015)은 1-G 진동대 실험을 통해 시트파일로 구조물 기초를 보강할 경우 기대할 수 있는 액상화 방지 효과를 분석하였으며, 시트파일과 구조물 간의 이격거리 및 시트파일 근입 깊이에 따른 효과 차이를 제시하였다(Fig. 1).
또한 Yoon et al.(2023)은 1-G 진동대 실험을 통해 그라우팅 공법의 액상화 방지 효과를 평가하고, 그라우팅 비율과 구조물 침하량 간의 상관관계를 분석하였다.
그러나 기존 연구들은 개별 공법의 액상화 방지 효과를 정성적으로 비교하는 데에 주로 초점이 맞추어져 있으며, 부재 조건이나 지반 조건 변화에 따른 액상화 발생 및 저감 효과를 체계적으로 분석한 연구는 제한적이다. 이에 본 연구에서는 기존 구조물에 적용 가능한 시트파일 공법을 대상으로, 다양한 조건 변화에 따른 액상화 방지 효과를 정량적으로 비교·분석하고자 한다.
본 연구에서는 수치해석 프로그램 PLAXIS 2D를 사용하여 선행 연구에서 수행된 시트파일 진동대 실험과 동일한 지반 조건 및 시트파일 근입 깊이를 적용한 수치해석 모델을 구축하였다. 선행 실험 결과와 수치해석 결과 간의 캘리브레이션을 통해 해석의 신뢰성을 확보하였으며, 이를 바탕으로 시트파일의 근입 깊이, 강성, 구조물과 시트파일 간의 이격거리를 주요 변수로 설정하여 다양한 Case에 대한 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 시트파일 공법의 액상화 방지 효과를 종합적으로 평가하였다.
2. 선행연구 분석
2.1 장비 및 프로그램
2.1.1 진동대 시험 장치
Yoon et al.(2023)은 1-G 진동대 실험을 통해 기존 구조물에 적용 가능한 시트파일 공법의 액상화 방지 효과를 연구하였다. 해당 연구에서는 동적 하중을 재현하기 위해 진동대 시험장치를 구성하였으며, 실제 지진 하중과 유사한 조건을 모사할 수 있도록 설계하였다.
모형토조는 아크릴 재질로 제작되었으며, 길이 800 mm, 폭 400 mm, 높이 700 mm의 크기를 가진다. 또한 강성 토조의 측면에는 두께 50 mm의 스티로폼 완충재를 설치하여, 진동대 작동 시 측면 반사파 및 경계 효과로 인한 입력파 왜곡을 최소화하도록 하였다.
선행 연구에서는 다양한 액상화 방지 공법 중 기존 구조물에도 적용이 가능한 시트파일 공법을 적용하였다. 실험에 사용된 시트파일은 두께 2 mm, 폭 260 mm, 높이 110 mm의 스테인리스 재질로 제작되었다.
2.1.2 시트파일
지반은 수중낙사법을 이용하여 조성하였으며, 구조물 외곽에 시트파일을 근입하여 액상화 방지 효과를 분석하였다. 시트파일은 근입비에 따라 총 4가지 Case로 구분하여 실험을 수행하였으며, 여기서 근입비는 시트파일의 길이를 액상화 발생 가능 깊이인 150 mm로 나눈 값으로 정의하였다. 즉, 본 연구에서의 근입비는 시트파일 길이와 액상화 발생 가능층 깊이의 비를 의미한다.
한편, 실제 현장에서 주로 사용되는 시트파일은 KSF4604 규격의 SP-11 단면을 가지나, 본 연구에서는 단면 모멘트 및 강성 산정의 편의성을 고려하여 직사각형 단면의 시트파일을 제작하였다. 이에 따라 향후 연구에서는 시트파일 단면 형상에 따른 액상화 발생 및 저감 효과에 대한 추가적인 비교·분석이 필요할 것으로 판단된다.
2.1.3 실험 프로그램
진동대 실험을 수행하기 위해 동적 하중을 제어할 수 있는 전용 프로그램을 사용하였다. 해당 프로그램은 0.1 Hz에서 10 Hz까지의 주파수 설정이 가능하며, 액추에이터 변위는 −300 mm에서 +300 mm 범위까지 제어할 수 있다. 주파수 및 변위를 설정하여 실험을 수행함으로써 실제 지진 하중과 유사한 동적 거동을 모사할 수 있다.
선행 연구에서는 10 Hz의 주파수와 0.6 g의 최대 가속도를 적용하여 실험을 진행하였으며, 입력 지진파는 sin 함수 형태의 정현파로 구성되어 실제 지진 계측파형과는 차이가 있으며, 이에 따라 향후 연구에서는 보다 실제 지진파에 근접한 입력파형을 적용하기 위한 보정이 필요할 것으로 판단된다.
2.2 지반조성 및 계측센서
2.2.1 지반 기본 물성치
선행 연구에서는 지반 조성을 위해 주문진 표준사를 사용하였으며, 실험에 앞서 모래의 기본 물성을 파악하기 위해 입도분포시험을 수행하였다. 또한 액상화 지층 조성 시 목표 상대밀도를 산정하기 위해 최소 및 최대 건조단위중량 시험을 실시하였다. 주문진 표준사의 기본 물성치는 Table 1과 같다.
Table 1.
Properties of Jumunjin standard sand
입도분포시험 및 실내시험을 통해 도출된 주문진 표준사의 입도분포곡선과 기본 물성치는 이후 액상화층 및 비액상화층의 지반 조건을 설정하는 데 활용되었다.
2.2.2 계측센서
가속도계, 간극수압계, 토압계, 그리고 LVDT(Linear Variable Displacement Transducer)를 설치하여 지반 및 구조물의 동적 거동을 측정하였다.
가속도계는 시간에 따른 지반 가속도의 변화를 계측하여 동적 하중 작용 시 지반의 거동을 분석하는 데 사용되었으며, 가속도의 단위는 g를 사용하였다. 간극수압계는 지진 하중 작용 시 액상화 발생에 따라 증가하는 간극수압의 변화를 측정하기 위해 사용되었으며, 계측 단위는 kPa이다. 토압계는 시간에 따른 지반 내 토압 변화를 계측하여 지반의 안정성 및 응력 변화를 분석하는 데 사용되었으며, 계측 단위는 kPa이다. LVDT는 구조물의 수직 침하량을 계측하기 위해 구조물 상부에 설치되었으며, 변위의 단위는 mm를 사용하였다.
2.2.3 지반 조성 및 계측센서 설치
주문진 표준사를 이용하여 액상화층과 비액상화층으로 구분된 지반을 조성하였다. 지반 조성에는 건조낙사법과 수중낙사법을 적용하여 일정한 높이에서 모래를 낙하시켜 목표 상대밀도를 확보하였다.
전체 지반 높이는 230 mm로 구성하였으며, 액상화층은 상대밀도 45 %의 지반으로 50 mm씩 총 3층을 적층하여 150 mm 두께로 조성하였다. 비액상화층은 상대밀도 85 %의 지반으로 구성하였으며, 지반 하부에 50 mm, 상부에 30 mm 두께로 각각 조성하였다.
각 지층의 동적 거동을 계측하기 위해 가속도계, 간극수압계, 토압계를 층별로 설치하였으며, 구조물의 침하량을 측정하기 위해 구조물 상부에 LVDT를 설치하였다. 또한 모형 토조의 양 측면에는 지진파의 반사 및 증폭을 최소화하기 위해 두께 50 mm의 우드락 완충재를 설치하였다.
지반 조성 과정 중에는 두께 2 mm의 시트파일을 설치하여, 시트파일 적용에 따른 액상화 방지 효과를 실험적으로 분석할 수 있도록 하였다.
2.3 기존 구조물 구현
Iai(1989)는 지반–구조물 상호작용 문제에 대해 변위와 변형률의 관계, 구성방정식 및 평형방정식을 기반으로 1-G 진동대 모형시험에 적용 가능한 상사법칙을 제안하였다. 본 연구에서는 제안된 상사법칙 중 Type 3(Strain softening type)을 적용하여 모형시험의 상사성을 확보하였다.
모형 구조물은 부산 지역에 위치한 길이 12 m, 폭 7 m 규모의 실제 구조물을 대상으로 하였으며, 이를 1/50 축척으로 축소하여 제작하였다. Jeon(2006)은 1-G 진동대 모형시험에서 구조물의 축척비가 실제 크기의 1/50 보다 작아질 경우 시험 결과의 신뢰도가 저하될 수 있음을 제시한 바 있으며, 이를 고려하여 본 연구에서도 1/50의 상사비를 적용하였다.
이에 따라 제작된 모형 구조물은 아크릴 재질로 길이 250 mm, 높이 100 mm의 크기를 가지며, 무게는 8 kg이다. 모형 구조물에 작용하는 유효상재압은 3.136 kPa로 산정되어, 실제 구조물의 하중 조건을 상사법칙에 따라 모사하였다.
3. 수치해석 모델링
3.1 수치해석 방법
지반–구조물 거동을 해석하기 위한 수치해석 기법은 지반반력모델, 연속체모델, 불연속체모델로 구분할 수 있다. 지반반력모델은 구조물과 지반의 상호작용을 단순화하여 구조물의 변형과 지반 반력을 효율적으로 예측할 수 있으나, 지반의 연속성 및 전단 변형을 충분히 고려하기 어려워 액상화와 같은 비선형 거동을 모사하는 데에는 한계가 있다. 불연속체모델은 입자 간 상호작용을 직접 고려할 수 있어 입자성 재료의 거동을 정밀하게 모사할 수 있으나, 해석에 필요한 상세한 지반 정보가 요구되며, 계산 비용이 커 실무적 적용에는 제약이 따른다.
연속체모델 중 유한차분법(FDM)은 계산 효율이 우수하나 복잡한 경계 조건과 다층지반, 구조물–지반 상호작용을 고려하는 데에는 한계가 있다. 반면 유한요소법(FEM)은 해석 과정이 비교적 복잡하고 계산 시간이 증가하는 단점이 있으나, 지반의 비선형 거동과 구조물–지반 상호작용을 정밀하게 모사할 수 있으며, 단계별 해석을 통해 시공 순서 및 하중 이력을 고려할 수 있다는 장점이 있다.
본 연구에서는 실내 1-G 진동대 시험을 수치적으로 재현하고, 액상화 발생 여부에 따른 지반 조건 변화와 시트파일 설치에 따른 구조물 거동을 분석하기 위해 유한요소법을 적용하였다. 특히 지반의 비선형 거동을 고려할 수 있고, 단계별 시공 과정 및 동적 하중 조건을 효과적으로 모사할 수 있는 PLAXIS 2D를 수치해석 프로그램으로 사용하였다(Elgamal et al., 2002).
3.2 수치해석 모델링
3.2.1 수치해석 적용 모델 및 parameter 선정
본 연구에서는 PLAXIS 2D에서 제공하는 다양한 지반 구성모델 중, 지진 하중에 따른 모래 지반의 비선형 거동과 액상화 현상을 효과적으로 모사할 수 있는 UBC3D-PLM 모델을 적용하였다(PlAXIS, 2012).
UBC3D-PLM 모델은 Beaty & Byrne(1998)에 의해 처음 제안된 구성모델로, 동적 하중 작용 시 모래 지반의 응력–변형률 관계 및 간극수압의 발생과 소산 과정을 고려하여 액상화 거동을 모사할 수 있도록 개발되었다. 본 모델은 지진 하중과 같은 반복 동하중에 대한 모래 지반의 응답을 효과적으로 예측할 수 있으며, 탄성 영역에서는 비선형 탄성 거동을, 소성 영역에서는 소성 변형을 고려함으로써 유효응력 감소에 따른 액상화 현상을 합리적으로 재현할 수 있다.
또한 UBC3D-PLM 모델은 큰 변형과 응력 의존성을 고려할 수 있으며, 비등방성 거동을 포함하여 실제 지반 조건을 비교적 현실적으로 반영할 수 있다는 장점이 있다. 본래 3차원 해석을 기반으로 개발된 모델이지만, PLAXIS 2D에서도 적용이 가능하여 액상화 발생 여부 및 지반의 동적 응답을 효율적으로 분석할 수 있다.
UBC3D-PLM 모델의 구성 파라미터는 배수 삼축압축시험과 같은 실내시험 결과 또는 표준관입시험(SPT), 콘관입시험(CPT)과 같은 현장시험 결과를 통해 산정할 수 있으며, 주요 파라미터는 강성 계수, 강도 계수 및 액상화 관련 계수로 구성된다.
그러나 본 연구에서는 실내시험 및 현장시험 자료 확보의 한계로 인해, Beaty & Byrne(2011)이 제안한 SPT 기반 간편식을 이용하여 UBC3D-PLM 모델의 입력 파라미터를 산정하였다. 또한 표준관입시험 N값과 상대밀도 간의 관계를 제시한 Meyerhof(1957)의 경험식을 적용하여 상대밀도 기반 파라미터를 산정하였다. SPT실험 및 CPT실험와 같은 현장 지반조사 기법은 지반의 상대밀도 및 강성 특성을 간접적으로 평가하는 데 널리 활용되고 있으며, 특히 SPT N 값은 지반의 상대밀도 및 액상화 저항성과 밀접한 상관관계를 가지는 것으로 보고되고 있다. 또한 최근 연구에서는 동적 콘관입시험(DCP)을 활용한 지반 평가 기법을 통해 지반 특성을 보다 효율적으로 추정할 수 있음이 제시되었으며, SPT 수행 시 에너지 전달 특성을 고려한 보정 연구를 통해 N값의 신뢰도를 향상시키는 연구가 수행되고 있다(Song et al., 2021; Kim et al., 2022).
이와 같이 산정된 입력 파라미터를 바탕으로 수치해석을 수행함으로써, 선행 진동대 실험에서 관측된 액상화 발생, 구조물 침하 및 간극수압 변화 거동을 합리적으로 모사하고자 하였다.
3.2.2 지반의 parameter 및 조건 선정
선행연구와의 비교 및 결과의 일관성을 확보하기 위하여 주문진 표준사를 사용하여 지반을 조성하였다. 지반 조건 또한 선행연구와 동일하게 3층 지반 구조로 설정하였다.
액상화가 발생하는 중간 지층은 상대밀도 Dr=45 %로 설정하였으며, 상부층과 하부층은 액상화가 발생하지 않는 조건을 모사하기 위해 상대밀도 Dr=85 %로 구성하였다.
지반 물성치는 앞서 간편식을 통해 산정한 매개변수와 상대밀도와의 관계식을 이용하여 결정하였다.
3.2.3 시트파일 및 interface 설정
선행연구와 동일한 조건에서 수치해석을 수행하기 위하여 시트파일을 스테인리스 재질로 모델링하였으며, 크기는 가로 260 mm, 세로 11 mm로 설정하였다. 시트파일의 탄성계수는 일반적인 스테인리스강의 물성치를 반영하여 200 GPa로 적용하였다.
구조물과 지반 간의 상호작용을 현실적으로 모사하기 위하여 시트파일과 주변 지반 사이에 interface 요소를 적용하였다. Interface를 고려하지 않을 경우 구조물–지반 접촉 거동이 단순화되어 해석 결과의 신뢰도가 저하될 수 있으므로, 본 연구에서는 접촉면에서 발생하는 변위 및 전단 거동을 보다 정확하게 반영하고자 interface를 설정하였다.
Interface 요소의 강성은 수치해석의 안정성을 고려하여 일반적으로 사용되는 가상 두께 개념을 적용하였으며, 시트파일과 지반 사이의 마찰 및 저항 효과를 반영하기 위해 강성 보정계수를 적용하였다. 이를 통해 지반과 구조물의 거동을 분리하여 해석할 수 있도록 하였으며, 실제 거동과 유사한 구조물–지반 상호작용을 수치해석에 반영하였다.
3.2.4 지반 경계 조건 선정
모형토조 내 지반, 시트파일 및 구조물을 모사하기 위하여 적절한 지반 경계조건을 설정하였다. 시트파일과 구조물은 PLAXIS 2D의 plate 구조요소로 모델링하였으며, 구조물–지반 및 시트파일–지반 간의 상호작용을 반영하기 위하여 interface 요소를 적용하였다.
실제 진동대 실험에서는 모형토조 측면에서 발생하는 지진파 반사를 억제하기 위해 완충재를 설치하였으며, 이러한 조건을 수치해석에 반영하기 위하여 지반 측면에 점성 감쇠 조건을 적용하였다. 이를 통해 측면 경계에서의 반사파를 흡수하여 동적 하중의 중복 작용으로 인한 거동 왜곡을 최소화하였다.
지반 하부 경계조건은 지반의 재료 특성과 지진파의 발생 위치를 고려하여 탄성 기초 조건으로 설정하였다. 본 연구 대상 지반은 모래로 구성되어 있으며, 지진 하중은 외부에서 전달되는 조건이므로 하부 경계에서 지진파의 전달 및 반사를 현실적으로 모사할 수 있는 경계조건을 적용하였다. 이를 통해 실제 진동대 실험과 유사한 지반–구조물 동적 거동을 수치해석에 반영하고자 하였다.
3.2.5 지진파 및 하중 선정
실내 진동대 실험과 동일한 조건을 재현하기 위하여 구조물 및 지진 하중 조건을 설정하였다. 구조물은 질량 8 kg, 폭 250 mm, 깊이 100 mm, 높이 100 mm로 모델링하였으며, 이에 따른 유효 상재압은 3.136 kPa로 적용하였다.
지진 하중은 최대 가속도 0.6 g, 주파수 10 Hz의 정현파 형태(Fig. 2)로 설정하였으며, 실제 실험 조건을 반영하여 지진파의 초기 및 종료 구간에서는 가속도가 점진적으로 증가 및 감소하는 형태를 적용하였다. 수치해석에서는 실험에 사용된 지진파 데이터를 시간 이력 형태로 입력하여 지반 및 구조물의 동적 응답을 모사하였다.
이를 통해 수치해석 결과가 실험 조건과 동일한 하중 이력을 기반으로 도출되도록 하여, 진동대 실험 결과와의 직접적인 비교 및 검증이 가능하도록 하였다.
본 연구에서 적용한 입력 지진파는 실제 지진파의 복잡한 주파수 특성을 완전히 재연하기 위한 것이 아니라, 반복하중 조건에서의 지반 거동과 액상화 발생 특성을 명확히 분석하기 위한 이상적인 입력 조건으로 설정되었다. 또한 1-G 진동대 실험에서는 상사법칙의 제약으로 인해 실제 지진파의 성분을 그대로 재현하기에 어려움이 있으며, 이에 따라 이상적인 주파수를 적용하는 것이 일반적으로 사용되는 방법이다(Iai, 1989).
종합적으로 지반, 구조물, 시트파일의 물성치 및 경계조건, interface를 설정하여 모델링한 최종 결과는 다음과 같다(Fig. 3).
4. 수치해석 결과 및 분석
4.1 선행연구 calibration
기존 진동대 실험 결과를 재현하기 위해 수치해석 모델에 대한 calibration을 수행하였다. 초기 물성치는 기존 간편식을 통해 산정하였으나, 구조물의 최종 수직침하에서 실험 결과와 차이를 보여 구조물 침하량을 기준으로 물성치를 단계적으로 조정하였다. 그 결과, 실험 결과와 가장 유사한 거동을 보이는 최종 물성치를 도출하였다(Table 2).
Table 2.
Calibrated model parameters
보정된 물성치를 적용한 수치해석 결과, 구조물의 최종 수직침하량은 기존 진동대 실험 결과와 약 4 mm의 오차를 보였으며, 이는 전체 침하량의 10 % 이내에 해당한다. 이를 통해 본 연구에서 사용한 수치해석 모델의 타당성과 신뢰성을 확보하였다. 본 연구에서는 수치해석 모델의 calibration 과정에서 구조물의 최종 침하량을 주요 비교 지표로 활용하였다. 이는 침하량이 액상화에 따른 지반의 전단강도 저하 및 변형 특성을 종합적으로 반영하는 대표적인 지표이기 때문이다. 일반적으로 간극수압 및 가속도 응답을 포함한 다중 물리량 비교가 필요하나, 본 연구에서는 실험 데이터의 한계로 인해 침하량을 기준으로 정합성을 확보하였다. 다만, 간극수압의 최대값 및 변화 경향을 함께 분석하여 액상화 거동을 합리적으로 모사함을 확인하였다. 이후 모든 수치해석은 해당 물성치를 기준으로 수행하였다.
4.2 case별 결과 분석
시트파일 보강 조건에 따른 구조물 거동을 분석하기 위해 총 90개의 수치해석 case를 수행하였다. 해석 변수는 시트파일의 근입비, 구조물과 시트파일 간 이격거리, 그리고 시트파일의 강성으로 설정하였다. 근입비는 0.55에서 1.0까지 총 10단계로 설정하였으며, 이격거리는 0.5 cm, 1 cm, 2 cm의 세 가지 조건을 고려하였다. 시트파일의 강성은 두께 1 mm, 2 mm, 3 mm에 해당하는 EA 및 EI 값을 적용하여 모사하였다(Fig. 4).
근입비는 기존 진동대 실험 결과를 바탕으로, 근입비 0.55 이하에서는 비보강 조건과 비교하여 구조물 침하 및 간극수압 저감 효과가 미미한 것으로 나타나, 유의미한 거동 변화가 관찰되는 0.6 이상을 중심으로 분석하였다. 이격거리는 상사비 1:50을 적용하여 실험 조건을 모사하였으며, 최대 이격거리 2 cm는 실제 지반에서 약 1 m에 해당하는 값으로 시공성을 고려하여 설정하였다.
시트파일의 강성은 PLAXIS 2D 해석 특성을 고려하여 두께 변화 대신 EA 및 EI 값을 조정하여 구현하였다. 최대 두께 3 mm는 실제 시공 가능성을 반영한 값이며, 최소 두께 1 mm는 Towhata(2015)가 제시한 바와 같이 동적 하중에 대한 보강 효과를 기대할 수 있는 최소 조건으로 설정하였다.
4.2.1 최종 침하량 분석
(1) 근입비에 따른 최종 침하량 분석
시트파일의 근입비에 따른 구조물의 최종 침하량을 분석한 결과, 근입비가 증가할수록 구조물의 수직침하가 전반적으로 감소하는 경향을 보였다(Fig. 5). 이는 시트파일 근입 깊이가 증가함에 따라 구조물 하부 지반의 변형이 효과적으로 억제되었기 때문으로 판단된다.
특히, 근입비가 0.7에서 0.75로 증가하는 구간에서 침하 저감 효과가 가장 크게 나타났으며, 근입비 0.7의 경우 0.65 대비 평균 약 19 %의 침하 감소가 확인되었다. 또한 근입비 0.75에서는 0.7 대비 평균 약 16 %의 추가적인 침하 감소가 발생하였다. 전체 해석 결과를 종합하면, 근입비 1.0에서는 구조물의 최종 침하량이 최대 약 35 % 수준으로 감소하였으며, 근입비 0.75 조건에서는 약 52 %의 침하 저감 효과가 나타났다.
(2) 시트파일의 두께에 따른 최종 침하량 분석
시트파일의 두께에 따른 구조물의 최종 침하량을 분석한 결과, 시트파일의 두께가 증가할수록 구조물의 침하량이 뚜렷하게 감소하는 경향을 보였다(Fig. 6). 이는 시트파일의 강성이 증가함에 따라 지진하중에 대한 저항 능력이 향상되어 구조물 하부 지반의 변형이 효과적으로 억제되었기 때문으로 해석된다.
정량적으로, 두께 1 mm 조건에서는 구조물의 최종 침하량이 평균 약 53 % 감소하였으며, 두께 2 mm 및 3 mm 조건에서는 각각 약 67 % 및 74 %의 침하 저감 효과가 나타났다. 반면, 시트파일의 두께가 감소할수록 시트파일 자체의 변형이 증가하는 경향을 보였다.
(3) 구조물과 시트파일 간 이격거리에 따른 최종 침하량 분석
구조물과 시트파일 간 이격거리에 따른 구조물의 최종 침하량을 분석한 결과, 이격거리가 감소할수록 구조물의 침하 저감 효과는 증가하는 반면 시트파일의 변형은 확대되는 경향을 보였다(Fig. 7). 즉, 이격거리는 구조물 보호 성능과 시트파일의 구조적 거동 간의 상충 관계를 지배하는 주요 변수로 나타났다.
정량적으로, 이격거리 0.5 cm 조건에서는 구조물의 최종 침하량이 평균 약 70 % 감소하였으며, 이격거리가 1 cm 및 2 cm로 증가함에 따라 침하 저감 효과는 각각 약 65 % 및 60 %로 점진적으로 감소하였다.
근입비 변화에 따른 구조물의 최종 침하량을 비교한 결과, 전반적으로 근입비 증가에 따라 침하량이 감소하는 경향이 나타났으나, 시트파일 두께 및 이격거리 조건에 따라 일부 구간에서는 변동성이 나타나는 것으로 확인되었다. 특히 일정 수준 이상의 근입비 조건에서는 추가적인 침하 저감 효과가 크게 증가하지 않고 완만해지는 경향을 보였다. 이는 시트파일 근입에 따른 지반 구속 효과와 함께 다른 변수의 영향이 복합적으로 작용한 결과로 판단된다.
본 연구에서 수행한 90개의 수치해석 결과를 종합적으로 비교한 결과, 구조물의 침하 거동은 단일 변수에 의해 결정되기보다 시트파일 근입비, 두께 및 이격거리의 복합적인 상호작용에 의해 결정되는 것으로 나타났다. 예를 들어, 동일한 근입비 조건에서도 시트파일 두께 및 이격거리 변화에 따라 침하량의 차이가 발생하였으며, 특히 이격거리가 감소할수록 시트파일의 구속 효과가 증가하여 침하 저감 효과가 더욱 뚜렷하게 나타나는 경향을 보였다. 반면, 시트파일 두께의 증가는 구조적 강성을 증가시키는 역할을 수행하나, 그 영향은 근입비 및 이격거리 조건에 따라 상대적으로 제한적으로 나타나는 경우도 확인되었다. 이와 같이 본 연구 결과는 시트파일 보강 효과가 단일 설계 변수에 의해 결정되는 것이 아니라, 각 변수의 조합에 따라 달라지는 복합적인 거동 특성을 가지는 것을 보여준다.
4.2.2 최대 간극수압 분석
간극수압의 변화는 액상화 발생 여부를 판단하는 주요 지표로, 본 연구에서는 최대 간극수압 값을 중심으로 액상화 거동을 평가하였다. 따라서 시트파일 조건에 따른 액상화 거동을 평가하기 위해 최대 간극수압을 분석하였다. 액상화는 지진하중 작용 시 간극수압의 증가로 인해 유효상재압이 소실될 때 발생하는 현상으로, 유효상재압은 전체 응력에서 간극수압을 차감한 값으로 정의된다.
여기서, 는 유효상재압(kPa), 는 전체 응력(kPa), 는 간극수압(kPa)을 의미한다. 본 연구에서는 구조물의 유효 상재압이 3.136 kPa임을 고려하여, 최대 간극수압이 해당 값을 초과하는 경우 액상화 발생 가능성이 있는 것으로 판단하고 이를 기준으로 수치해석 결과를 분석하였다.
(1) 근입비에 따른 최대간극수압 분석
시트파일의 근입비에 따른 최대 간극수압을 분석한 결과, 근입비가 증가함에 따라 최대 간극수압은 전반적으로 감소하는 경향을 보였다. 특히 근입비가 0.65 이상일 경우, 모든 해석 조건에서 최대 간극수압이 유효 상재압인 3.136 kPa 보다 작은 값을 나타내어 액상화 발생 가능성이 현저히 감소하는 것으로 확인되었다(Fig. 8).
이러한 경향은 시트파일이 차수벽으로 작용하여 외부에서 발생한 간극수압의 내부 유입을 효과적으로 차단한 결과로 해석된다. 반면, 근입비가 0.65 미만인 경우에는 차수벽 길이가 충분하지 않아 외부 간극수압이 시트파일 내부로 유입되면서 최대 간극수압이 유효 상재압을 초과하는 경향을 보였다.
한편, 근입비가 0.8을 초과하는 경우에는 근입비 증가에 따라 최대 간극수압이 소폭 증가하는 현상이 관찰되었다. 이는 시트파일 내부에서 간극수압의 소산이 원활히 이루어지지 않으면서 내부에 간극수압이 축적된 결과로 판단된다. 정량적으로, 근입비 0.85에서는 0.8 대비 최대 간극수압이 약 15 % 증가하였으며, 근입비 1.0에서는 약 65 % 증가하는 경향을 보였다.
(2) 시트파일과 구조물 간 이격거리에 따른 최대간극수압 분석
시트파일과 구조물 간 이격거리에 따른 최대 간극수압을 분석한 결과, 이격거리가 좁을수록 최대 간극수압이 증가하는 경향을 보였다(Fig. 9). 이는 시트파일 내부에서 지진파의 증폭이 더 많이 일어나면서 간극수압이 더 많이 발생한 것으로 판단된다. 이격거리 0.5 cm, 1 cm, 2 cm 조건에서 최대 간극수압은 각각 약 57 %, 68 %, 71 % 감소하였으며, 특히 이격거리가 0.5 cm에서 1 cm로 증가할 때 최대 간극수압 감소 폭이 가장 크게 나타났다.
(3) 시트파일의 두께에 따른 최대간극수압 분석
시트파일의 두께에 따른 최대 간극수압을 분석한 결과, 근입비가 0.7인 경우를 제외하면 대부분의 조건에서 시트파일의 두께가 증가하더라도 최대 간극수압은 큰 변화를 보이지 않았다(Fig. 10). 따라서 시트파일의 두께 증가는 구조물의 침하 저감에는 효과적이나, 간극수압 감소 효과는 제한적인 것으로 판단된다.
5. 요약 및 결론
본 연구에서는 기존 구조물에 적용 가능한 액상화 방지 공법으로서 시트파일 공법의 적용성을 검토하기 위해, 시트파일의 근입비, 구조물과 시트파일 간 이격거리, 시트파일의 강성에 따른 구조물의 최종 침하량과 최대간극수압의 변화를 수치해석적으로 분석하였다. 이를 위해 선행 1-G 진동대 실험 결과를 기반으로 수치해석 모델을 구축하고, 실험 결과와의 캘리브레이션을 통해 해석의 신뢰성을 확보한 후 총 90개의 Case 해석을 수행하였다.
선행 연구와의 캘리브레이션 결과, 지반 물성치 및 해석 파라미터를 적절히 조정함으로써 구조물의 최종 침하량을 기준으로 실험 결과와 매우 유사한 수치해석 결과를 도출할 수 있었으며, 이를 통해 본 연구에서 적용한 수치해석 모델의 타당성을 확인하였다.
수치해석 결과, 구조물의 최종 침하량은 시트파일의 근입비가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 특히 근입비가 0.7~0.75인 경우 침하 저감 효과가 가장 크게 나타났다. 이는 시트파일이 액상화층을 효과적으로 차단함과 동시에 구조물 주변 지반의 변형을 억제하는 역할을 수행하기 때문으로 판단된다.
시트파일과 구조물 간 이격거리가 좁을수록 구조물의 침하량은 감소하는 경향을 보였는데, 이는 이격거리가 작을수록 시트파일 내부 토체의 하중이 감소하여 전체 침하가 저감되기 때문으로 판단된다. 다만, 이격거리가 감소할수록 지진 하중에 의해 시트파일에 작용하는 모멘트가 증가하여 시트파일의 변형이 상대적으로 커지는 경향을 보였으나, 시트파일의 강성이 충분히 커 구조적 안정성에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다.
시트파일의 강성이 증가할수록 구조물의 최종 침하량은 감소하는 경향을 보였으며, 이는 강성이 큰 시트파일이 지진 시 발생하는 동적 하중에 대한 저항 능력이 우수하기 때문으로 판단된다. 특히 시트파일 두께가 1 mm에서 2 mm로 증가할 때 침하 저감 효과가 가장 크게 나타났으며, 그 이상의 강성 증가는 침하 저감 효과가 상대적으로 제한적인 것으로 분석되었다.
최대간극수압의 경우, 모든 Case에서 시트파일의 근입비가 0.65 이상일 때 최대간극수압이 구조물의 유효상재압(3.136 kPa)보다 작게 나타나 액상화 발생이 억제되는 것으로 판단되었다. 이는 시트파일이 차수벽과 유사한 역할을 수행하여 외부에서 발생한 간극수압의 유입을 차단한 결과로 해석된다. 반면, 근입비가 0.65 미만인 경우에는 이러한 차수 효과가 충분히 발휘되지 못하였다.
근입비가 0.8 이상인 경우 최대간극수압이 다시 증가하는 경향을 보였는데, 이는 시트파일의 길이가 과도하게 증가함에 따라 시트파일 내부에서 발생한 간극수압이 외부로 원활히 소산되지 못한 결과로 판단된다. 또한 시트파일과 구조물 간 이격거리가 좁을수록 내부 지반에서 지진파의 증폭 효과가 커져 최대간극수압이 증가하는 경향을 보였다. 반면, 시트파일의 강성 변화는 최대간극수압의 크기에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다.
종합적으로, 구조물의 침하와 간극수압 저감 효과를 동시에 고려할 때 시트파일의 최적 조건은 근입비 0.7~0.75, 구조물과의 이격거리 1 cm, 시트파일 두께 2 mm로 판단된다.
본 연구에서 확인된 시트파일 보강 효과는 단순한 침하 저감 결과뿐만 아니라 지반과 구조물의 상호작용과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단된다. 근입비 증가에 따른 침하 저감은 시트파일에 의한 지반 구속 효과(confining effect)와 관련된 것으로 보이며, 이는 지반의 측방 변형을 억제하는 경향과 연관된 것으로 해석된다. 또한 시트파일 두께 증가는 구조물 주변 지반 변형에 대한 저항 특성과 관련이 있는 것으로 판단되며, 구조물과 지반 상호작용에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이와 함께 구조물과 시트파일 간 이격거리는 구속 효과의 전달 범위와 관련된 변수로 작용하며, 이격거리가 감소할수록 침하 저감 효과가 나타나는 경향을 보였다.
한편, 본 연구결과는 단일 지반 조건과 상대밀도 변화에 기반하여 도출된 것이나, 시트파일의 근입비 및 강성이 액상화 저감에 미치는 영향은 다양한 지반 조건에서도 유사한 경향을 보일 것으로 판단된다. 특히 시트파일에 의한 지반 구속 효과와 간극수압 발생 및 소산은 액상화 거동을 지배하는 주요 인자로 작용하므로, 본 연구에서 도출된 결과는 다층지반 조건 및 실제지반 조건에서도 유효한 설계 지침으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
향후 연구에서는 다양한 지반 조건과 실제 지진파를 고려한 추가적인 검증을 통해 본 연구 결과의 적용성과 신뢰성을 더욱 향상시킬 필요가 있다.
