1. 서 론
2. 1g 진동대 모형실험
2.1 모형시험장치 및 지진파
2.2 모형 지반재료
2.3 모형 상부구조물 및 무리말뚝
2.4 실험내용
3. 실험결과 및 분석
3.1 지반 최대 응답가속도
3.2 말뚝캡 최대 응답가속도
3.3 상부구조물 최대 응답가속도
4. 결 론
1. 서 론
국내·외에서 건설되는 사회기반시설인 도로, 철도, 항만 및 발전소 등과 같은 대형 구조물의 하중을 단단한 지지층까지 전달할 수 있는 기초로 말뚝기초가 보편적으로 사용되고 있다. 말뚝기초는 사회기반시설과 같은 상부구조물로부터 전달되는 하중을 안전하게 지지할 뿐만 아니라 토압, 풍압, 파력, 온도, 지진 등과 같은 수평하중을 지지하는 저항체로서의 역할까지 고려되고 있다(Kim et al., 2023).
지진과 같은 동적하중으로 인한 심각한 지반의 변형 및 파괴는 상부구조물을 지지하는 말뚝기초 및 상부구조물에 부분적 또는 전체적 파괴를 초래할 수 있으며, 1964년 알래스카 지진(규모 9.2)과 니가타 지진(규모 7.5)에 의해 발생된 지반의 변형과 파괴로 인해 상부구조물과 이를 지지하는 말뚝기초에 상당한 손상이 발생했음을 확인하였다. 국내에서도 2016년 경주지진(규모 5.8)과 2017년 포항지진(규모 5.4)을 계기로 규모 5.0 이상 지진의 발생빈도가 높아짐에 따라 상부구조물 및 말뚝기초에 대한 안정성을 위한 내진설계의 관심이 높아졌다. 상부구조물 및 말뚝기초에 대한 안정적인 내진설계를 위해서는 상부구조물과 말뚝기초 및 이를 지지하는 지반의 동적 특성과 거동에 대한 이해가 필요하다. 이를 위해 지반의 동적 특성 및 거동에 대한 연구뿐만이 아닌 지반, 말뚝기초, 상부구조물의 동적 상호작용에 관한 다양한 연구가 수행되고 있다(Kim et al., 2002; Han et al., 2010; Han et al., 2021; Chung et al., 2023).
지진으로 인한 지반의 변형 및 파괴는 지반의 입도분포, 상대밀도, 공극률, 평균유효응력, 반복 변형율 및 편차응력진폭 등과 같은 다양한 요인에 영향을 받는 것으로 확인되었다(Yasuda et al., 2012; Cubrinovski et al., 2012; Kim et al., 2020; Song et al., 2022). 그러나 지반을 구성하는 입도분포가 지반의 동적 특성에 영향을 미치는 중요한 영향 인자로 알려졌지만(Chang & Ko, 1989; Martinez, 2007; Wichtmann & Triantafyllidis, 2010), 광범위한 입도분포로 인한 체계적으로 연구된 바는 미비한 실정이며, Kim et al.(2008)은 말뚝의 동적 p-y 거동에 지반을 구성하는 입자크기가 지반반력에 영향을 미치는 것을 확인하였으나 지진으로 인한 지반의 변형 및 파괴로 인한 지반, 말뚝기초 및 상부구조물의 동적거동에 관한 연구는 대부분 상대밀도 및 포화 유무가 고려되었을 뿐 입도분포가 지반, 말뚝기초, 상부구조물의 동적거동에 미치는 영향을 확인하기 위한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 사질토 지반의 입도분포 특성이 지반-말뚝기초-상부구조물의 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 인공규사를 이용해 사질토 지반의 입도분포특성을 변화시켜 1g 진동모형실험을 수행하였으며, 지반, 말뚝캡 및 상부구조물에서의 응답가속도를 분석하여 사질토 지반의 입도분포특성이 지반-기초-구조물의 응답가속도에 미치는 영향을 확인하였다.
2. 1g 진동대 모형실험
2.1 모형시험장치 및 지진파
지진 시 사질토 지반의 입도분포가 지반-기초-상부구조물의 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위해 최대 입력가속도는 1.0g까지 적용할 수 있고, 0.001 ⁓ 1,000Hz 범위의 주파수를 적용할 수 있는 진동대의 크기가 1,000mm × 1,000mm인 1축 변위제어방식의 1g 진동대 모형실험장치를 사용하였다(Fig. 1). 그리고 모형지반을 조성하기 위한 모델박스는 지반의 분리거동과 모델박스 벽면에서의 반사파를 방지하기 위해 단일구조와 스프링으로 구성된 내부크기가 500mm(L) × 500mm(W) × 550mm(H)인 적층구조의 모델박스를 사용하였다(Fig. 2). 1g 진동모형실험을 위한 상사성은 Iai(1989)가 제안한 상사법칙 중 제2법칙(Table 1)을 고려하였으며, 모델박스의 크기와 모형 말뚝의 휨강성을 고려하여 43.7의 상사성을 1g 진동모형실험에 적용하였다.
Table 1.
Similitude for 1g shaking table test (Iai, 1989)
| Quantity | Scaling factors (TypeII) |
| Length | λ |
| Density | 1 |
| Time | λ0.75 |
| Frequency | λ-0.75 |
| Acceleration | 1 |
사질토 지반의 입도분포에 따른 지반-기초-상부구조물의 응답가속도를 확인하기 위한 입력 지진파는 Fig. 3과 같이 고유주기가 0.056초(원형조건 0.371초)인 단주기 특성을 갖는 정현파와 고유주기가 0.281초(원형조건 1.857초)인 장주기 특성을 갖는 정현파를 고려하였으며, 지진파의 진폭을 변화시켜 지진하중 크기가 0.1g, 0.3g, 0.5g인 지진파를 1g 진동모형실험에 적용하였다.
2.2 모형 지반재료
사질토 지반의 입도분포가 지반-말뚝기초-상부구조물의 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위한 모형지반의 재료로 인조규사를 사용하였다. 서로 다른 입도분포를 갖는 지반재료를 조성하기 위한 인조규사는 2mm ⁓ 5mm의 입자크기를 갖는 2호와 0.4mm ⁓ 0.9mm의 입자크기를 갖는 5호, 0.1mm ⁓ 0.3mm의 입자크기를 갖는 7호를 혼합하여 사용하였으며, 1g 진동모형실험에 사용한 서로 다른 입도분포를 갖는 지반재료의 입도분포는 Fig. 4와 같다. 서로 다른 입도분포를 갖는 지반재료의 유효입경(D10) 및 균등계수(Coefficient of uniformity, Cu), 곡률계수(Coefficient of curvature gradation, Cc)는 Table 2와 같으며, 지진 시 사질토 지반의 입도분포가 지반-말뚝기초-상부구조물의 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위해 동일한 밀도를 갖는 모형지반을 적용하였다. 서로 다른 입도분포를 갖는 지반재료에 대하여 동일한 밀도를 조성하기 위해 1g 진동대 모형실험장치를 이용한 수평진동다짐을 수행하였다. 수평진동다짐을 통한 서로 다른 입도분포를 갖는 지반재료 별 주파수에 따른 건조밀도의 관계는 Fig. 5와 같이 나타났으며, 서로 다른 입도분포를 갖는 지반 재료 별 건조밀도의 크기는 다르게 나타났으나 주파수가 증가하면 건조밀도가 증가하다 최대 건도밀도에 근접하면서 수렴하는 경향으로 나타났다. 1g 진동모형실험을 위한 서로 다른 입도분포를 갖는 지반재료의 동일한 밀도는 16 kN/m3를 선정하여 적용하였다.
Table 2.
Properties of test soil
| Classification | D10 | Cu | Cc | USCS |
| Case1 | 0.100 | 2.671 | 1.037 | SP |
| Case2 | 0.104 | 3.692 | 0.899 | SP |
| Case3 | 0.126 | 4.603 | 0.720 | SP |
| Case4 | 0.156 | 4.496 | 1.160 | SW |
| Case5 | 0.193 | 3.961 | 1.633 | SP |
2.3 모형 상부구조물 및 무리말뚝
지반, 말뚝기초, 상부구조물의 상호작용에 상부구조물의 관성학적 상호작용을 고려하기 위한 상부구조물은 국내의 지진특성(Yoon et al., 2006)과 공진에 의한 영향을 제외하기 위해 고유주기가 0.174초인 단주기 특성을 갖는 1자유도 모형 상부구조물을 알루미늄으로 Fig. 6(a)와 같이 제작하여 1g 진동모형실험에 적용하였다. 무리말뚝은 현장에서 보편적으로 사용되는 기성 콘크리트 말뚝(500D)으로 말뚝중심간격은 3D이고 말뚝의 배열은 3 × 3 정방향 배열인 무리말뚝을 원형으로 상사비를 고려해 Fig. 6(b)와 같은 모형 무리말뚝을 제작하여 1g 진동모형실험에 적용하였다. 모형 무리말뚝의 외경은 12mm이고 두께는 2mm인 중공형 알루미늄 파이프를 사용하였으며, 말뚝캡은 강체거동을 위해 알루미늄 판재를 사용하였다. 1g 진동모형실험 시 모형 상부구조물과 말뚝캡의 연결 및 말뚝캡과 말뚝의 연결, 말뚝과 모델박스의 연결은 강결조건으로 연결하였다.
2.4 실험내용
지진 시 사질토 지반의 입도분포가 지반-말뚝기초-상부구조물의 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위한 1g 진동모형실험은 Fig. 7과 같이 지반, 말뚝기초, 상부구조물이 조성되도록 ①무리말둑의 말뚝 선단을 모델박스의 바닥면에 고정시켜 수평 및 수직변위가 발생하지 않도록 고정 시킨 후, ②모델박스에 지반재료를 5회에 나누어 투입하고 소요 밀도가 되기 위한 주파수를 적용한 후 수평진동다짐을 통해 모형지반을 조성하였다. 모형지반 조성이 완료된 후, ③무리말뚝과 말뚝캡 및 상부구조물을 연결하고 입력 지진파을 적용한 1g 진동모형실험을 수행하였다. 1g 진동모형실험은 서로 다른 입도분포 별로 수행하였으며, 지반, 무리말뚝, 상부구조물에서의 응답가속도를 확인하기 위해 가속도계를 Fig. 7과 같이 설치하여 사질토 지반의 입도분포가 지반, 말뚝기초, 상부구조물의 응답가속도에 미치는 영향을 분석하였으며, 입도분포를 표현하는 유효입경, 균등계수 및 곡률계수 중 지반의 동적특성과 연관성이 높은 균등계수를 고려하여 분석하였다(Chang & Ko, 1989; Wichtmann & Triantafyllidis, 2010).
3. 실험결과 및 분석
3.1 지반 최대 응답가속도
지진 시 사질토 지반의 입도분포가 지반 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위해 Fig. 8 ⁓ Fig. 9와 같이 지반 내 최대 지반 응답가속도를 입도분포 별로 비교하였으며, 지반 내 최대 지반 응답가속도는 지진하중의 크기, 지진파의 고유주기 특성, 지반을 구성하는 입도분포에 영향을 받는 것으로 나타났다.
고유주기가 0.056초인 단주기 지진파 조건에서 입도분포에 따른 지반 내 최대 지반 응답가속도는 Fig. 8과 같이 낮은 지진하중의 경우 입력 지진하중에 비해 지표면에서의 최대 지반 응답가속도는 최대 75.57%까지 증가하는 것으로 나타났으나 지진하중의 크기가 증가하면 증가된 수평변위로 인한 감쇠효과(댐핑계수 증가)로 최대 지반 응답가속도는 최대 29.45% 감소하는 경향으로 나타났다. 입도분포에 따른 지반 내 최대 지반 응답가속도는 지진하중의 크기가 0.1g인 경우(Fig. 8(a))는 균등계수가 작은 Case 1의 경우가 가장 크게 나타났으며, Case 1을 기준으로 균등계수가 증가하면 최대 지반 응답가속도는 2.13 ⁓ 27.14% 감소하는 경향으로 나타났다. 그러나 지진하중의 크기가 0.2g 이상인 경우(Fig. 8(b) ⁓ (c))는 0.1g인 경우와 다르게 Case 1을 기준으로 균등계수는 증가하지만 유효입경이 작은 Case 2 및 Case 3의 경우는 최대 지반 응답가속도가 8.66 ⁓ 28.19% 감소하는 반면 유효입경이 큰 Case 4 및 Case 5의 경우는 최대 지반 응답가속도가 1.95 ⁓ 47.46% 증가하는 경향으로 나타났다.
그리고 고유주기가 0.281초인 장주기 지진파 조건의 경우는 Fig. 9와 같이 낮은 지진하중의 경우 입력 지진하중에 비해 지표면에서의 최대 지반 응답가속도는 최대 71.00%까지 증가하는 것으로 나타났으나, 지진하중의 크기가 증가하면 최대 지반 응답가속도는 최대 30.08% 감소하는 경향으로 나타났다. 입도분포에 따른 지반 내 최대 지반응답가속도는 지진하중이 0.1g인 경우(Fig. 9(a))는 균등계수가 큰 Case 3에서 최대 지반 응답가속도가 크게 나타났으며, Case 3을 기준으로 균등계수가 감소하면 최대 지반 응답가속도는 0.34 ⁓ 12.71% 감소하는 경향으로 나타났다. 그러나 지진하중의 크기가 0.2g 이상의 경우(Fig. 9(b) ⁓ (c))는 0.1인 경우와 다르게 Case 3을 기준으로 균등계수가 감소하고 유효입경이 작은 Case 1 및 Case 2의 경우는 최대 지반 응답가속도는 1.43 ⁓ 13.04% 증가하는 반면 유효입경이 큰 Case 4 및 Case 5의 경우는 최대 지반 응답가속도가 1.29 ⁓ 20.42% 감소하는 경향으로 나타났다.
3.2 말뚝캡 최대 응답가속도
사질토 지반의 입도분포가 말뚝캡의 최대 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위해 Fig. 10 ⁓ Fig. 11과 같이 입도분포에 따라 말뚝캡에서의 최대 응답가속도를 비교하였다. 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 지반 내 최대 응답가속도와 유사하게 지진하중의 크기, 지진파의 고유주기 특성, 지반을 구성하는 입도분포, 지반 및 상부구조물과의 상호작용에 영향을 받는 것으로 나타났다.
고유주기가 0.056초인 단주기 지진파 조건에서 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 Fig. 10과 같이 입력 지진하중에 비해 최대 2.12배 증가하는 것으로 나타났으며, 지반 최대 지반응답가속도에 비해 최대 71.90% 증가하는 것으로 나타났고 지진하중의 크기가 증가함에 따라 최대 3.58배 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 입도분포에 따른 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 균등계수가 작은 Case 1에서 가장 크게 나타났으며, Case 1을 기준으로 균등계수가 증가하면 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 2.75 ⁓ 16.48% 감소하는 경향으로 나타났다. 그리고 고유주기가 0.281초인 장주기 지진파 조건에서 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 Fig. 11과 같이 입력 지진하중에 비해 최대 2.22배 증가하는 것으로 나타났으며, 지반 최대 지반응답가속도에 비해 최대 46.81% 증가하는 것으로 나타났고 지진하중의 크기가 증가함에 따라 최대 3.81배 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 입도분포에 따른 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 지진하중의 크기와 관계 없이 지진하중의 크기가 0.1g인 지반 내 최대 지반 응답가속도와 유사하게 균등계수가 큰 Case 3에서 가장 크게 나타났으며, Case 3을 기준으로 균등계수가 감소하면 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 3.56 ⁓ 28.47% 감소하는 경향으로 나타났다.
3.3 상부구조물 최대 응답가속도
사질토 지반의 입도분포가 상부구조물의 최대 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위해 Fig. 12 ⁓ Fig. 13과 같이 입도분포에 따라 상부구조물에서의 최대 응답가속도를 비교하였다. 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 지진하중의 크기, 지진파의 고유주기 특성, 지반을 구성하는 입도분포, 지반 및 상부구조물과의 상호작용에 영향을 받는 것으로 나타났다.
고유주기가 0.056초인 단주기 지진파 조건에서 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 Fig. 12와 같이 입력 지진하중에 비해 최대 77.98% 감소하는 것으로 나타났으며, 지반 최대 지반응답가속도에 비해 최대 77.30% 감소하는 것으로 나타났으나 지진하중의 크가가 증가함에 따라 최대 3.99배 증가하는 것으로 나타났다. 입도분포에 따른 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 말뚝캡의 경우와 유사하게 균등계수가 작은 Case 1에서 가장 크게 나타났으며, Case 1을 기준으로 균등계수가 증가하면 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 2.66 ⁓ 43.50% 감소하는 경향으로 나타났다.
그러나 고유주기가 0.281초인 장주기 지진파 조건에서 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 Fig. 13과 같이 입력지진하중에 비해 지진하중 크기가 0.1g인 경우는 최대 2.73배 증가하는 것으로 나타났으나 0.3g 이상인 경우는 42.68% 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 지진하중의 크기가 증가함에 따라 최대 2.73배 증가하는 것으로 나타났으며, 지진하중의 크기가 0.3g 이하인 경우에는 최대 지반 응답가속도에 비해 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 최대 79.35% 증가하나 지진하중의 크기가 0.3g 초과인 경우에는 최대 24.27% 감소하는 것으로 나타났다. 입도분포에 따른 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 지반 및 말뚝캡의 경우와 다르게 유효입경의 크기가 작은 Case 1에서 가장 크게 나타났으며, Case 1을 기준으로 유효입경이 감소하면 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 8.37 ⁓ 38.00% 감소하는 경향으로 나타났다.
4. 결 론
사질토 지반의 입도분토 특성이 지반-말뚝기초-상부구조물의 응답가속도에 미치는 영향을 확인하기 위해 1g 진동모형실험을 수행하고 입도분포 특성에 따른 지반, 말뚝캡 및 상부구조물에서의 응답가속도를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 지반 내 최대 지반 응답가속도는 사질토 지반의 입도분포 특성 및 지진파의 고유주기 특성에 따라 크기가 다르게 나타났다. 이는 기존 연구(Chang & Ko, 1989; Oh et al., 2022)와 유사하게 지진파의 고유주기 특성에 따라 지반의 증폭 특성이 다르게 나타나기 때문이며, 입도분포 특성인 균등계수 및 유효입경이 지반의 동적특성에 영향을 미치는 바와 같이 지반 응답가속도에도 영향을 미치기 때문인 것으로 보인다.
(2) 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 말뚝기초에 인접한 지반의 입도분포 특성에 따라 크기가 다르게 나타났으며, 입력 지진하중 및 지반 내 최대 응답가속도에 비해 크게 나타났다. 이는 지반-말뚝기초-상부구조물의 상호작용으로 인해 지반 내 말뚝기초를 통해 전달되는 지진에너지를 말뚝캡이 흡수함에 따른 제진효과로 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 증가하나 상부구조물에서의 응답가속도는 감소하는 것으로 나타났다. 또한 말뚝기초에 인접한 지반의 입도분포 특성에 영향을 받기 때문인 것으로 보인다.
(3) 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 입력 지진하중 및 지반 최대 지반 응답가속도에 비해 크기가 다르게 나타났다. 이는 지반-말뚝기초-상부구조물의 상호작용에 의한 말뚝캡에서의 제진효과 뿐만 아니라 지반의 입도분포 특성에 의한 영향이 복합적으로 나타났기 때문인 것으로 보인다.
(4) 지반-말뚝기초-상부구조물의 응답가속도 특성은 말뚝기초에 인접한 지반의 입도분포 특성에 영향을 받으므로 말뚝기초 및 상부구조물의 안정적인 설계를 위한 동적거동을 예측하기 위해서는 지반의 상대밀도 뿐만 아니라 지반을 구성하는 다양한 입도분포 특성을 고려한 추후 연구가 필요할 것으로 보인다.
