1. 서 론
2. 1g 진동대 모형실험
2.1 실험장치 및 상사성
2.2 지반 재료 및 모형마이크로파일
2.3 모형비탈면의 제원 및 지진파
2.4 실험내용
3. 실험결과 및 분석
3.1 파괴 시 지진하중 및 지반 가속도 거동
3.2 비탈면 내 최대 지반 가속도
4. 결 론
1. 서 론
철도, 도로, 산업단지와 같은 주요 사회기반시설에 인접한 자연 및 인공 비탈면의 파괴는 해당 시설에 직간접적으로 심각한 피해를 초래할 수 있다. 비탈면의 파괴를 유도하는 외적 요인으로 중력, 강우 지진 등이 있으며, 국내의 경우 집중호우가 비탈면 파괴의 주요 원인임에 따라 대부분의 연구는 주로 강우에 의한 비탈면 파괴 메커니즘에 중점을 두고 진행되어 왔다(Oh & Park, 2014; Jun & Yune, 2015). 그러나 2016년 경주지진(규모 5.8)과 2017년 포항지진(규모 5.4)을 계기로 규모 5.0 이상 지진의 발생 빈도가 높아짐에 따라 지진으로 인한 비탈면 파괴에 대한 연구의 필요성이 요구되고 있어 비탈면의 내진 안정성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(Jeon et al., 2014; Jeon & Beak, 2019; Kwag & Hahm, 2019). 지진에 의한 비탈면의 내진 안정성을 분석하기 위한 다양한 분석 방법 중 유사정적해석과 Newmark 변위해석법이 실무에서 보편적으로 사용되고 있다. 이들 기법을 통해 내진 안정성을 분석하기 위해서는 비탈면 내 최대 지반 가속도가 정의되어야 한다. 비탈면 내 최대 지반 가속도는 설계기준에 제시된 지진계수를 기반으로 산정하며, 이 지진계수는 평평한 지반의 지표면에서 확인된 최대 지반 가속도를 기반으로 제시하고 있다. 그러나 실제 비탈면에서의 지반 가속도는 산마루에서 크게 증폭하며, 비탈면의 구배에 따라 지반 가속도의 크기가 증가하는 것으로 알려진 바와 같이 비탈면에서의 지진계수는 수평 지반에서의 지진계수와는 차이가 나타날 수 있다. 그러므로 비탈면에 대한 정확한 내진 안정성을 분석하기 위해서는 비탈면의 기하학적 특성이 고려된 지진계수가 제시되어야 하며, 이를 위해 비탈면의 기하학적 특성이 반영된 최대 지반 가속도의 예측이 필요하다. 비탈면의 기하학적 특성을 반영한 최대 지반 가속도를 예측하기 위한 연구는 다양한 연구자들(Rathje & Bray, 2001; Ashford id="kges_2025_2608_41_ Sitar, 2002; Park et al., 2013)에 의해 진행되고 있지만 아직 미비한 실정이다. 지진 시 비탈면의 파괴를 방지하는 방법으로 다양한 공법이 사용되고 있다. 이 중 마이크로파일은 좁은 공간에서의 시공성 확보와 높은 인발저항력 및 전단저항력, 보강 방법의 유용성, 내진 성능 확보 등의 장점으로 비탈면의 파괴를 방지하기 위한 보강공법으로 사용되고 있다. 마이크로파일을 통한 지반 보강 및 내진 성능을 확인하기 위한 연구(FHWA, 2005; Oh et al., 2015; Abdollahi & Mortezaei, 2015; Hussain et al., 2019; Hwang et al., 2020; Kim et al., 2020; Lee & Beak, 2009)는 대부분 평평한 지반을 대상으로 확인되었을 뿐 비탈면과 같이 기하학적 형상을 갖는 지반에 설치된 마이크로파일이 비탈면의 보강 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 지진 시 마이크로파일 보강 전후의 비탈면에서의 지반 가속도를 비교하여 마이크로파일에 의한 비탈면 보강이 비탈면의 지반 가속도 증폭 특성 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 1g 진동 모형실험을 수행하였다.
2. 1g 진동대 모형실험
2.1 실험장치 및 상사성
지진 시 비탈면에 설치된 마이크로파일이 비탈면의 지반 가속도의 증폭 특성 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 1g 진동 모형 실험 장치는 Fig. 1(a)와 같이 1축 변위제어방식의 모형 실험 장치를 사용하였다. 1g 진동 모형 실험 장치의 규격은 100 × 100cm이고, 주파수는 0.001 ⁓ 1,000Hz를 적용할 수 있으며 최대 입력가속도는 1.0g까지 적용할 수 있다. 모형 비탈면을 조성하기 위한 모델박스는 Fig. 1(b)와 같은 강성 모델박스를 사용하였으며, 모델박스의 크기는 106 × 83 × 28cm(내경 100 × 80 × 20cm)이다. 모형실험 시 강성 벽면에서 반사되는 반사파의 영향을 감소시키기 위해 Hwang(2023)의 연구를 고려해 두께 5cm의 스펀지를 모형 실험에 적용하였다. 1g 진동 모형실험을 위한 상사성은 Iai(1989)가 제안한 상사성 중 제2법칙(Table 1)을 적용하였으며, 모델박스의 크기와 모형마이크로파일의 휨강성을 고려해 28.6의 상사성을 모형 실험에 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 |
2.2 지반 재료 및 모형마이크로파일
모형 비탈면을 조성하기 위한 지반 재료로 국내에서 널리 분포하고 있는 화강풍화토를 모형 실험에 사용하였다. 모형 실험에 사용한 화강풍화토의 입도분포 및 물리·역학적 특성은 Fig. 2 및 Table 2와 같이 유효입경은 0.146mm이고 균등계수는 5.62, 곡률계수는 1.08로 통일분류법에 따라 SW로 분류되는 시료를 모형 비탈면을 조성하기 위해 사용하였다. 모형 비탈면을 조성하기 위한 상대밀도는 Table 2의 최소 및 최대 건조단위중량을 고려하여 중간 정도의 상대밀도를 갖는 비탈면으로 반복 층 다짐을 통해 조성하였다. 실험 중 조성된 상대밀도를 확인하기 위해 Fig. 3과 같이 강성캔을 모형 비탈면 조성 시 사용하였으며, 실험종료 후 강성캔 내 시료의 무개를 통해 상대밀도를 확인하였다. 모형실험에 사용된 모형지반의 상대밀도는 중간 정도의 상대밀도로 56+5%를 갖는 것으로 확인되었다.
Table 2.
Properties of weathered granite soil
비탈면 보강을 위해 사용한 마이크로파일은 Han et al.(2013)의 연구를 고려하여 직경 180mm인 기성 마이크로파일을 선정하였으며, 모형 실험을 위한 모형 마이크로파일은 원형 마이크로파일의 휨강성을 고려하여 직경 5mm인 알루미늄 환봉을 사용하였다. 모형 실험에 사용한 직경 5mm인 알루미늄 환봉의 휨강성은 1지점 하중시험을 통해 확인하였으며, 모형 마이크로파일의 휨강성 및 제원은 Table 3과 같다. 모형 마이크로파일의 길이는 모형 비탈면의 단면과 연성말뚝 거동을 고려하여 선정하였으며, 모형 비탈면 내 마이크로파일의 위치는 Han et al.(2011)의 연구를 고려하여 비탈면 중앙에 설치하는 것으로 고려하였다. 지진 시 마이크로파일 보강이 비탈면의 지반 가속도 증폭 특성 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 모형 마이크로파일은 Fig. 4와 같이 1열 마이크로파일과 3열 마이크로파일을 고려하여 모형 실험에 적용하였다. 3열 마이크로파일의 파일 간격은 소단의 크기를 고려해 4D를 적용하였으며, 1열 및 3열 마이크로파일의 1행에서의 파일 간격은 파일간의 간섭효과를 줄이기 위해 9D를 적용하였다. 그리고 강성 모델박스와 마이크로파일의 벽면 경계효과를 줄이기 위해 강성 모델박스와 마이크로파일 행의 좌우끝단을 2D 간격으로 이격하여 모형실험에 적용하였다.
Table 3.
Properties of model micro-pile
| Classification | Value |
| Material | Aluminum round bar |
| Diameter (mm) | 5 |
| Elastic modulus (E, GPa) | 35.84 |
| Flexural rigidity (EI, N·m2) | 1.099 |
| Length (mm) | 450 |
2.3 모형비탈면의 제원 및 지진파
모형 비탈면은 비탈면 설계기준(KDS 11 70 00) 및 기존 연구(Han et al., 2011; Jeong et al., 2022; Hwang et al., 2024)를 고려하여 Fig. 5와 같은 모형 비탈면을 선정하여 모형실험에 적용하였다. 모형 비탈면의 비탈면 높이는 35cm(원형조건 20m)를 적용하였으며, 비탈면 하부 지반두께는 비탈면 높이와 동일하게 35cm를 적용하였다. 비탈면은 모델박스 중앙에 위치하도록 조성하였으며, 비탈면 설계기준(KDS 11 70 00)에 따라 높이 10m에 1개의 소단을 조성하였다. 소단을 중심으로 하부 및 상부 비탈면의 높이는 17.5cm(원형조건 10m)이고, 비탈면의 기울기는 1:1.0을 갖도록 하였다. 비탈면 보강을 위한 마이크로파일은 비탈면 중앙인 소단에 설치하는 것으로 고려하였다.
지진 시 비탈면 보강을 위해 설치된 마이크로파일이 비탈면의 지반가속도 증폭 특성 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 지진파는 Fig. 6과 같이 고유주기가 0.028초(원형조건 0.15초)인 단주기 특성을 갖는 정현파와 고유주기가 0.28초(원형조건 1.5초)인 장주기 특성을 갖는 정현파를 모형실험에 적용하였다. 지진하중은 비탈면의 파괴를 유도하기 위해 0.1g⁓0.6g까지 0.1g 간격으로 총 6개의 지진하중을 모형실험에 적용하였다.
2.4 실험내용
지진 시 마이크로파일 보강이 비탈면의 지반가속도 증폭 특성 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하기 위한 1g 진동 모형 실험은 Fig. 5와 같은 모형 비탈면이 조성되도록 ① 강성 모델박스에 화강풍화토를 총 7층으로 나누어 투입하고 1층당 정적 다짐을 수행하여 소요 상대밀도를 갖도록 수평지반을 조성한 후 절토하여 비탈면을 조성하였다. ② 무보강 비탈면의 경우는 비탈면 내 지반 가속도를 측정하기 위한 가속도계는 ①을 진행하는 과정 중 Fig. 3과 같은 위치에 설치하였으며, 보강 비탈면의 경우 마이크로파일은 마이크로파일을 설치 위치에 고정한 후 다짐을 진행하여 설치하였다. 보강 비탈면의 경우 가속도계는 무보강 비탈면의 경우와 동일한 위치에 지반을 조성하면서 설치하였다. 그리고 ③ 모형 비탈면의 조성이 완료된 후 입력지진파를 적용하여 모형실험을 수행하였다. 모형실험은 Table 4와 같은 실험조건으로 보강유무에 따라 지진하중 별로 수행하였으며, 실험 중 보강 전후의 모형 비탈면에서 계측된 응답 지반 가속도를 확인하여 마이크로파일 보강이 비탈면의 지반 가속도 증폭 특성 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하였다.
Table 4.
Experimental condition
3. 실험결과 및 분석
3.1 파괴 시 지진하중 및 지반 가속도 거동
지진 시 상대밀도가 중간 정도인 모형 비탈면에서 비탈면의 파괴는 무보강인 경우 지진파의 주기적 특성과 관계없이 동일한 하중인 0.3g 이상부터 파괴가 발생하는 것으로 나타났으며, 파괴 양상은 Fig. 7과 같이 균질한 사질토 지반에서 나타나는 파괴형태로 상부 토사가 하부로 유동하면서 파괴는 유동파괴 형태로 나타났다. 그러나 마이크로파일로 보강된 보강 비탈면에서 비탈면의 파괴 양상은 무보강 비탈면의 경우와 유사하나 주기적 특성에 따라 파괴 시 지지하중의 크기가 다르게 나타났다.
비탈면 파괴 시 지진파의 주기적 특성에 의한 영향을 확인하기 위해 무보강 비탈면과 마이크로파일로 보강된 비탈면의 파괴 시 지진하중 크기를 Fig. 8과 같이 비교하였다. Fig. 8에서 3열 마이크로파일로 보강된 비탈면의 경우 지진파의 고유주기가 0.28초이고 지진하중이 0.6g인 조건에서 비탈면의 파괴가 발생하지 않아 0.6g 이상으로 표기하였다. 마이크로파일로 보강된 비탈면의 경우 Fig. 8과 같이 무보강 비탈면의 경우에 비해 파괴 시 지진하중이 크게 나타났으며, 마이크로파일이 1열로 보강된 비탈면의 경우 고유주기가 0.028초인 지진파에서는 무보강 비탈면에 비해 1.3배 큰 지진하중에서 파괴가 발생하였으나 고유주기가 0.28초인 지진파에서는 무보강 비탈면의 경우와 유사한 지진하중에서 파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 그러나 마이크로파일이 3열로 보강된 비탈면의 경우 무보강 비탈면에 비해 고유주기가 0.028초인 지진파의 경우 2배, 고유주기가 0.28초인 지진파의 경우 2배 이상의 큰 지진하중에서 비탈면 파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 그리고 동일한 보강조건에 따른 비탈면 파괴 시 지진하중의 크기는 지진파의 고유주기에 영향을 받는 것으로 나타났다. 마이크로파일이 1열로 보강된 비탈면의 경우 고유주기가 0.028초인 경우가 고유주기가 0.28초인 경우에 비해 크게 지진하중 크기가 나타났으며, 마이크로파일이 3열로 보강된 비탈면의 경우 고유주기가 0.28초인 경우가 고유주기가 0.028초인 경우에 비해 지진하중 크기가 크게 나타났다.
모형 비탈면의 파괴 시 비탈면 내 지반 가속도 거동을 확인하기 위해 고유주기가 0.028초인 지진파를 적용한 경우를 대표로 비탈면 하부 및 상부에서의 가속도 거동을 Fig. 9와 같이 나타내었다. 비탈면 파괴 시 지반 가속도 거동은 Fig. 9와 같이 마이크로파일 보강 유무와 관계없이 비탈면 상부에서에의 가속도 거동은 하부에서의 가속도 거동과 다르게 1초 이후 가속도가 급격히 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 비탈면의 파괴로 인한 비탈면의 변형으로 비탈면에 전달되는 지진에너지의 감소로 지진 가속도가 감소한 것으로 보인다.
3.2 비탈면 내 최대 지반 가속도
지진 시 마이크로파일에 의한 비탈면 보강이 비탈면의 지반 가속도 증폭 특성 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 비탈면 내 최대 지반 가속도를 Fig. 10과 같이 비탈면 보강 유무에 따라 비탈면 내 최대 지반 가속도를 비교하였다.
Fig. 10과 같이 지진하중 별 비탈면 내 최대 지반 가속도는 지진파의 주기적 특성과 마이크로파일의 보강 유무에 영향을 받는 것으로 나타났다. 지표면(G.L. + 0cm) 하부 지반(G.L. - 20cm)에서의 최대 지반 가속도는 고유주기가 0.028초인 지진파에서는 입력지진파에 비해 최소 8% ⁓ 최대 73% 작게 나타났으나 고유주기가 0.28초의 지진파에서는 입력지진파에 비해 최소 30% ⁓ 최대 57% 크게 나타났다. 그리고 하부 지반(G.L. - 20cm)를 기준으로 지표면(G.L. + 0cm)까지 최대 지반 가속도는 고유주기가 0.028초의 지진파에서는 지진하중이 0.2g 이상인 경우는 최소 5% ⁓ 최대 48% 감소하는 경향으로 나타났으며, 지진하중이 0.1g인 경우는 최소 3% ⁓ 최대 32% 증가하는 경향으로 나타났다. 이는 고유주기가 0.028초인 경우 낮은 지진하중 조건에서 최대 지반 가속도는 고유주기 특성에 의한 영향이 작기 때문인 것으로 보인다. 그리고 고유주기가 0.28초의 지진파에서는 지진하중의 크기에 관계없이 하부 지반을 기준으로 지표면까지 최대 지반 가속도는 최소 8% ⁓ 최대 52% 증가하는 경향으로 나타났다. 지진파의 고유주기에 의한 영향은 기존 연구(Mohamed et al., 2025)와 유사하게 중간 정도의 상대밀도 조건에서 단주기 지진파의 경우 고주파 성분의 감쇠에 의한 영향으로 최대 지반 가속도가 감소한 것으로 보이며, 장주기 지진파의 경우는 저주파 성분의 증가에 의한 영향으로 최대 지반 가속도가 증가한 것으로 보인다.
그리고 지표면(G.L. + 0cm) 상부 비탈면에서의 최대 지반 가속도는 상대밀도 및 지진파의 고유주기 조건과 관계없이 최대 지반 가속도는 지표면(G.L. + 0cm)을 기준으로 비탈면 상부(G.L. + 30cm)까지 최소 1.01배 ⁓ 최대 3.66배 증가하는 경향으로 나타났다. 이는 지진파의 고유주기에 의한 영향보다 비탈면의 기하학적 특성에 의한 영향이 크게 작용하였기 때문인 것으로 보인다. 그러나 비탈면 파괴에 따라 지표면(G.L. + 0cm)에서 비탈면 상부(G.L. + 30cm)까지 최대 지반 가속도는 무보강 비탈면의 경우 감소하는 경향으로 나타났으나 마이크로파일로 보강된 비탈면의 경우 보강 조건에 따라 비탈면 상부(G.L. + 30cm)에서 최대 지반 가속도가 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 마이크로파일로 인한 보강 효과로 비탈면의 내진 성능을 향상시켰기 때문인 것으로 보인다.
마이크로파일로 보강된 비탈면에서의 최대 지반 가속도는 무보강 비탈면에서의 최대 지반 가속도에 비해 최소 9% ⁓ 최대 51% 작게 나타났으며, 3열 마이크로파일로 보강된 경우가 1열 마이크로파일로 보강된 경우에 비해 최대 지반 가속도가 최소 7% ⁓ 최대 53% 작게 나타났다. 이는 마이크로파일로 인한 보강 효과로 비탈면의 내진 성능이 향상하였기 때문인 것으로 보인다.
4. 결 론
지진 시 마이크로파일에 의한 비탈면 보강이 비탈면의 지반 가속도 증폭 특성 및 내진 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 1g 진동 모형 실험을 수행하여 무보강 비탈면과 마이크로파일로 보강된 비탈면에서의 지반 가속도를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 중간 정도의 상대밀도를 갖는 사질토 비탈면에서 지진 시의 파괴양상은 지진파의 주기적 특성과 보강유무에 관계없이 균질한 사질토 지반에서 나타나는 유동파괴 형태로 나타나며, 파괴를 유도하는 지진하중의 크기는 지진파의 주기적 특성과 마이크로파일 보강유무에 따라 마이크로파일로 보강한 경우가 높은 지진하중에서 파괴되는 것으로 나타났다.
(2) 비탈면 파괴 시 지반 가속도 거동은 마이크로파일 보강 유무와 관계없이 지반 가속도가 급격히 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 비탈면에 전달되는 지진에너지가 비탈면의 파괴로 인한 변형으로 변환되면서 지진에너지가 감소하였기 때문인 것으로 보인다.
(3) 비탈면 내 최대 지반 가속도는 비탈면의 상대밀도와 지지파의 주기적 특성, 비탈면의 기하학적 특성, 마이크로파일의 보강 유무에 영향을 받는 것으로 나타났다. 지표면 하부 지반에서의 최대 지반 가속도는 상대밀도와 지진파의 주기적 특성에 의한 영향으로 중간 정도의 상대밀도 조건에서 고유주기가 단주기인 경우는 감소하고 장주기인 경우 증가하는 경향으로 나타났으나, 지표면 상부 비탈면에서의 최대 지반 가속도는 비탈면의 기하학적 특성에 의한 영향으로 최대 지반 가속도가 증가하는 경향으로 나타났다. 이는 비탈면에서 최대 지반 가속도의 증가에 영향을 미치는 요인은 상대밀도 및 지진파의 고유주기 보다 비탈면의 기하학적 특성에 의한 영향이 크기 때문인 것으로 보인다. 그러므로 비탈면에서의 최대 지반 가속도의 예측은 비탈면의 기하학적 특성을 고려하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
(4) 마이크로파일의 보강 유무에 따른 비탈면에서의 최대 가속도는 무보강인 경우에 비해 작게 나타났으며, 1열 마이크로파일로 보강된 경우에 비해 3열 마이크로파일로 보강된 비탈면에서의 최대 지반 가속도가 작게 나타났다. 이는 마이크로파일로 인한 보강 효과가 비탈면의 지반 가속도 증폭 특성을 감소시키고 내진 성능을 향상시키기 때문인 것으로 보인다.
