1. 서 론
2. 1g 진동대 모형실험
2.1 모형실험장치 및 입력지진파
2.2 모형 비탈면지반 및 모형 마이크로파일
2.3 실험내용
3. 실험결과 및 분석
3.1 마이크로파일의 수평변위 및 전단력
3.2 마이크로파일의 휨모멘트
3.3 마이크로파일과 비탈면지반의 동적상호작용
4. 결 론
1. 서 론
산지가 많은 국내에서 사회기반시설에 인접한 자연 및 인공 비탈면의 파괴는 광범위한 지역의 황폐화 및 인접한 구조물에 심각한 위협을 가할 수 있으며, 경우에 따라 많은 인명피해까지 초래할 수 있다. 따라서 비탈면의 안정성을 확보하는 일은 사회적 및 경제적 측면에서 매우 중요하다 할 수 있다. 비록 평상시에는 안정성이 충분히 보장된 비탈면이라 하더라도, 지진 발생 시 지반의 관성력 증가로 인한 수평변위가 증가하게 되면 비탈면 파괴가 일어날 수 있다.
경주지진(2016)과 포항지진(2017)이 발생한 이후 빈번한 지진발생으로 사회기반시설 및 인근 자연 및 인공 비탈면은 직간접적으로 지진의 영향을 받을 확률이 점점 증가하고 있다. 이에 따라, 지진 시 비탈면의 거동을 제어하고 전단변형을 억제하기 위한 내진 공법의 도입이 필요하다.
비탈면의 전단변형을 제어하는 직접적이고 적극적인 방법으로는 억지말뚝 공법이 사용되고 있다(Hong et al., 2003; Song, 2003). 이 공법은 활동 토체를 관통하여 부동 지반까지 말뚝을 설치함으로써, 비탈면의 활동력은 말뚝을 통해 부동 지반으로 전달하는 방식으로 비탈면의 내진 보강을 위해 효과적으로 적용될 수 있으며, 이미 국내 일부 내진설계지침(Korea land and housing corporation, 1999)에 소개된바 있다. 이러한 억지말뚝은 보편적으로 H형 말뚝 및 기성말뚝이 말뚝재료로 사용되고 있으나 시공 시 대단히 큰 천공장비와 비교적 넓은 작업공간이 필요한 단점이 있어 이를 보완하기 위한 방안으로 소규모장비를 사용하고 비교적 작은 작업공간을 필요로하는 마이크로파일이 사용되고 있다.
마이크로파일의 장점으로 인해 사용성이 높아짐에 따라 마이크로파일의 지지특성에 대한 관심증가로 이에 대한 연구가 활발히 진행되었다(FHWA, 2005; Lee & Back, 2009; Lee & Im, 2006; Tsukada et al., 2006; Hwang et al., 2012). 마이크로파일의 지지특성은 마이크로파일에 인접한 지반 특성과 마이크로파일 특성의 상호작용에 따라 달라질 수 있다(Hwang et al., 2015; Oh et al., 2015). 지반과 마이크로파일의 상호작용에 따른 마이크로파일의 지지특성을 확인하기 위한 연구는 대부분 마이크로파일 두부에 정적 및 반복하중을 가하는 조건에 국한되어 확인되었을 뿐 지진과 같은 동적하중 조건에서 마이크로파일과 마이크로파일의 주변 지반의 동적상호작용에 의한 영향을 함께 고려한 연구는 미비한 실정이다(Rovithis et al., 2009; Yoo et al., 2013). 이에 본 연구에서는 지진 하중 하에서 비탈면에 설치된 마이크로파일과 비탈면지반과의 동적상호작용을 분석하고 비탈면지반의 내진 보강공법으로서 마이크로파일의 적용성을 확인하기 위해 1열 마이크로파일과 3열 마이크로파일에 대하여 동일한 비탈면 조건으로 1g 진동모형실험을 수행하였다.
2. 1g 진동대 모형실험
2.1 모형실험장치 및 입력지진파
지진 시 비탈면지반에 설치된 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 동적상호작용을 확인하기 위한 1g 진동모형실험장치로 최대 입력가속도는 1.0g까지 적용할 수 있고 0.001Hz ⁓ 1,000Hz 주파수 범위를 적용할 수 있는 1,000mm × 1,000mm의 진동대 크기를 갖는 1축 변위제어방식의 진동대 모형실험장치를 사용하였다(Fig. 1). 그리고 모형지반을 조성하기 위한 모델박스는 길이 1,000mm, 폭 200mm, 높이 800mm의 크기로 스테인레스판을 이용해 제작한 강성 모델박스(Fig. 2)를 모형실험에 적용하였으며, 진동모형실험 시 모델박스의 강성 벽면에서 반사되는 반사파의 영향을 감소시키기 위해 강성 벽면에 50mm의 스폰지를 설치하였다(Hwang, 2023; Han et al., 2011). 1g 진동모형실험을 위한 상사성은 Iai(1989)가 제안한 상사법칙 중 제2법칙(Table 1)을 고려하였으며, 모델박스의 크기와 모형 마이크로파일의 휨강성을 고려하여 28.6의 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 |
1g 진동모형실험을 위한 입력 지진파는 Fig. 3과 같이 고유주기가 0.28초(원형조건 1.5초)인 장주기 특성을 갖는 정현파를 모형실험에 적용하였으며, 지지하중에 의한 비탈면의 파괴를 유도하기 위해 입력 지진파의 진폭의 크기를 0.1g에서 0.6g까지 0.1g 간격으로 총 6개의 지진하중을 모형실험에 적용하였다.
2.2 모형 비탈면지반 및 모형 마이크로파일
비탈면지반에 설치된 마이크로파일과 비탈면지반의 동적상호작용을 확인하기 위한 1g 진동모형실험에 적용한 모형 비탈면지반은 기존 연구(Han et al., 2011; Jeong et al., 2022; Hwang et al., 2024; Kim & Ahn, 2025)를 고려하여 Fig. 4와 같이 모델박스 중앙에 모형 비탈면지반이 위치하도록 하였으며, 비탈면지반의 높이는 350mm(원형조건 20m)를 적용하였고 비탈면지반의 하부지반은 비탈면지반과 동일하게 350mm의 두께를 적용하였다. 모형 비탈면지반은 비탈면 설계기준(KDS 11 70 05)을 고려하여 1개 소단을 조성하였으며, 소단을 중심으로 높이가 175mm(원형조건 10m)이고 경사가 1:1인 상부 및 하부 비탈면지반을 조성하였다. 모형 비탈면지반을 조성하기 위해 지반 재료는 SW로 분류되는 화강풍화토를 사용하였으며, 화강풍화토의 입도분포 및 물리역학적 특성은 Fig. 5 및 Table 2와 같다. 모형 비탈면지반을 조성하기 위한 상대밀도는 중간 정도의 상대밀도를 갖도록 반복 층 다짐을 수행하여 조성하였으며, 조성된 모형 비탈면지반의 상대밀도를 확인하기 위해 모형 비탈면지반 조성 시 강성캔을 사용하였다. 실험 종료 후 강성캔 내의 시료 무게를 확인한 결과 모형 비탈면지반의 상대밀도는 56±5%로 확인되었다.
Table 2.
Properties of weathered granite soil (Kim & Ahn, 2025)
모형 마이크로파일은 Kim & Ahn(2025)의 연구에서 사용한 탄성계수가 35.84 GPa이고 직경이 5mm인 알루미늄 환봉을 모형 마이크로파일로 사용하였으며, 제원은 Table 3과 같다. 모형 마이크로파일의 길이는 연성거동과 모형 비탈면지반의 단면을 고려하였으며, 모형 비탈면지반 내 모형 마이크로파일의 위치는 Han et al.(2011)의 연구를 고려하여 비탈면지반의 중앙인 소단 중심에 설치하는 것으로 고려하였다. 지진 시 비탈면지반에 설치된 마이크로파일과 비탈면지반의 동적상호작용을 확인하고 마이크로파일의 내진 공법으로서의 사용성을 확인하기 위해 Fig. 6과 같은 1열 마이크로파일과 소단의 폭을 고려한 3열 마이크로파일을 고려하였다. 마이크로파일의 열방향에서의 파일간 간격은 파일과 파일의 간섭효과를 줄이기 위해 9D를 적용하였으며(Hwang et al., 2020), 3열 마이크로파일의 횡방향 파일간 간격은 소단의 길이를 고려하여 4D를 적용하였다. 그리고 마이크로파일의 두부는 2mm 두께의 알루미늄 판을 이용하여 일체화시켰으며, 모델박스 벽면과 마이크로파일의 벽면 경계효과를 줄이기 위해 마이크로파일와 모델박스간 간격을 2D로 이격시켜 모형실험에 적용하였다.
Table 3.
Properties of model micropiles (Kim & Ahn, 2025)
| 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 실험내용
지진 시 비탈면지반에 설치된 마이크로파일과 비탈면지반의 동적상호작용을 분석하고 비탈면지반의 내진 공법으로 마이크로파일의 적용성을 확인하기 위한 1g 진동모형실험은 Fig. 4와 같은 형상의 소요 상대밀도를 갖는 모형 비탈면지반이 조성되도록 모델박스 내에 7층으로 나누어 화강풍화토를 투입하고 반복 층 다짐을 수행하여 수평지반을 조성한 후 절토하여 모형 비탈면지반을 조성하였다. 모형 비탈면지반 조성 시 지반 가속도를 측정하기 위해 Fig. 4와 같은 위치에 모형 비탈면지반 조성 시 가속도계를 설치하였다. 모형 마이크로파일의 설치는 모형 비탈면지반 조성 시 Fig. 6과 같은 소요 위치에 고정시킨 후 다짐을 진행하여 매립하였으며, 마이크로파일의 휨모멘트를 측정하기 위해 4개의 변형율계를 Fig. 4 및 Fig. 6과 같은 위치에 설치하였다. 1g 진동모형실험은 모형 비탈면지반의 조성이 완료된 후 입력지진파를 진동대에 지진하중 별로 적용해 수행하였다(Table 4). 실험 중 지반 가속도와 마이크로파일에서 발생한 변형율을 확인하여 마이크로파일의 내진 공법으로서의 적용성 및 마이크로파일과 비탈면지반의 동적상호작용을 확인하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 마이크로파일의 수평변위 및 전단력
지진 시 비탈면지반에 설치된 마이크로파일과 비탈면지반의 상호작용에 따른 마이크로파일의 최대 수평변위는 Fig. 7과 같이 마이크로파일 두부에서 나타났으며, 지진하중에 따라 비탈면지반의 하부 방향으로 증가하는 것으로 나타났으나 1열 마이크로파일의 최대 수평변위가 3열 마이크로파일의 최대 수평변위에 비해 20 ⁓ 76% 작게 나타났다. 그리고 지진하중에 따른 비탈면지반의 파괴는 1열 마이크로파일이 설치된 경우는 0.4g 이상에서 3열 마이크로파일이 설치된 경우는 0.6g에서 발생하는 것으로 확인되었다. 이는 지진 시 비탈면지반의 내진 공법으로서 1열 마이크로파일에 비해 3열 마이크로파일의 저항력이 높기 때문인 것으로 보인다. 그리고 비탈면지반 파괴 시 마이크로파일의 최대 수평변위는 1열 마이크로파일의 경우 0.20cm 이상에서 3열 마이크로파일의 경우는 비탈면에 인접한 MP 1에서 0.23cm가 발생한 경우 비탈면지반의 파괴가 나타났다. 이는 지진하중에 관계없이 비탈면지반의 파괴는 마이크로파일의 최대 수평변위가 0.2cm 이상인 경우 비탈면지반이 파괴되는 것으로 예측할 수 있을 것으로 보인다.
비탈면지반의 파괴 시 파괴면을 확인하기 위해 Fig. 8과 같이 지진하중에 따른 마이크로파일 내에서의 최대 전단력을 비교하였다. 최대 전단력은 지진하중에 따라 증가하고 발생 위치는 깊어지는 것으로 나타났다. 비탈면지반의 파괴를 유도하는 지진하중에서 1열 마이크로파일의 경우(0.4g) 전단력의 발생 위치는 G.L. - 9.00cm에서 나타났으며, 3열 마이크로파일의 경우 최대 전단력 발생 위치는 MP 1에서는 G.L. - 12.50cm에서 MP 2에서는 G.L. - 10.5에서, MP 3에서는 G.L. - 4.10cm에서 나타났다. 3열 마이크로파일의 최대 전단력 발생위치가 1열 마이크로파일의 최대 전단력 발생 위치보다 더 깊게 나타났으며, 이는 3열 마이크로파일이 1열 마이크로파일에 비해 저항력이 높기 때문에 파괴면의 위치가 깊에 나타난 것으로 보인다.
3.2 마이크로파일의 휨모멘트
지진 시 비탈면지반과 마이크로파일의 상호작용에 의해 마이크로파일 내에서 발생한 최대 휨모멘트는 Fig. 9와 같이 나타났다. 최대 전단력과 유사하게 지진하중에 따라 최대 휨모멘트는 증가하고 발생위치는 깊어지는 것으로 나타났으며, 최대 전단력이 발생한 위치(G.L. - 4.1 ⁓ 12.50cm)에 비해 낮은 위치(G.L. - 3.8 ⁓ 11.6cm)에서 최대 휨모멘트가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 비탈면지반에 설치된 마이크로파일에서 수동말뚝과 주동말뚝 거동이 복합적으로 나타났기 때문인 것으로 보인다. 그리고 1열 마이크로파일에 비해 3열 마이크로파일에서의 최대 휨모멘트 발생 위치가 비교적 더 깊은 위치에서 발생하는 것으로 나타났다. 이는 3열 마이크로파일이 1열 마이크로파일에 비해 저항력이 높기 때문인 것으로 보인다.
3.3 마이크로파일과 비탈면지반의 동적상호작용
지진 시 마이크로파일과 비탈면지반의 동적상호작용을 확인하기 위하여 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 힘인 p와 상대변위인 y의 관계를 나타내는 동적 p-y 곡선을 확인하였다. 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 힘인 p는 Eq. (1)과 같이 말뚝 깊이에 따른 휨모멘트 분포 곡선을 통해 결정할 수 있으며, 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 상대변위인 y는 Eq. (2)를 통해 계산된 마이크로파일의 수평변위에서 지반의 수평변위를 빼서 결정할 수 있다. 깊이에 따른 마이크로파일의 휨모멘트 분포 곡선 및 지반의 수평변위 분포 곡선은 임의 깊이에서 측정된 마이크로파일의 휨모멘트와 지반의 수평변위를 이용하여 Cubic spline 방법을 통해 결정하였다.
여기서, 는 마이크로파일의 길이에 따른 휨모멘트 곡선식, 는 마이크로파일의 휨강성, 는 마이크로파일의 길이, 는 마이크로파일의 수평변위이다.
Fig. 10⁓11은 최대 전단력이 발생한 파괴면 위치를 기준으로 파괴면 상부(G.L. +0cm)와 파괴면 하부(G.L. -13.1cm)에서 얻어진 동적 p-y 곡선을 나타내었다. 파괴면을 기준으로 파괴면 하부에서의 동적 p-y 곡선은 기존 파일 연구(Yang, 2009; Yoo et al., 2013)와 유사하게 1사면분과 3사분면에서 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 힘이 최소 및 최대로 나타났다. 그러나 파괴면 상부에서는 기존 연구와 다르게 2사분면과 4사분면에서 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 힘이 최소 및 최대로 나타났다. 이는 비탈면지반에 설치된 마이크로파일이 비탈면지반의 파괴로 수동말뚝으로 거동함에 따라 파괴면 하부에서 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 힘(p)은 주동말뚝조건으로 지반반력으로 작용한 반면 파괴면 상부에서 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 힘(p)은 수동말뚝조건으로 측방유동압으로 작용하였기 때문인 것으로 보인다.
그리고 3열 마이크로파일의 경우 파괴면 하부에서 지반반력은 비탈면에 인접한 MP1과 MP2에 비해 MP3에서 높게 나타나지만, 비탈면 상부에서 측방유동압은 MP3에 비해 MP1과 MP2에서 높게 나타났다. 이는 무리효과에 의한 영향으로 비탈면에 인접한 마이크로파일에 비해 비탈면으로부터 떨어진 마이크로파일에서의 저항력이 높기 때문인 것으로 보인다.
4. 결 론
지진 시 비탈면지반에 설치된 마이크로파일과 비탈면지반과의 동적상호작용을 확인하고 내진 보강공법으로써 마이크로파일의 적용성을 확인하기 위해 1g 진동모형실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 지진하중에 따른 비탈면지반의 파괴는 마이크로파일의 최대 수평변위가 0.2cm 이상에서 발생하며, 최대 수평변위는 1열 마이크로파일에 비해 3열 마이크로파일이 작게 나타났다. 그리고 비탈면지반의 파괴 시 파괴면을 확인하기 위한 최대 전단력은 3열 마이크로파일이 1열 마이크로파일에 비해 더 깊게 나타났다.
(2) 마이크로파일의 최대 휨모멘트는 주동말뚝과 수동말뚝 거동이 복합적으로 나타나 파괴면(최대 전단력 발생위치) 상부에서 나타났으며, 발생 위치는 3열 마이크로파일이 1열 마이크로파일에 비해 비교적 더 깊은 위치에서 나타났다. 이는 1열 마이크로파일에 비해 3열 마이크로파일의 저항력이 높기 때문인 것으로 보이며, 지진 시 비탈면지반의 파괴를 방지하기 위한 내진 보강공법으로 1열 마이크로파일에 비해 3열 마이크로파일이 내진 보강공법으로 우수할 것으로 보인다.
(3) 비탈면지반과 마이크로파일의 동적상호작용을 나타내는 동적 p-y 곡선에서 마이크로파일과 비탈면지반 사이의 힘인 p는 파괴면을 기준으로 수동말뚝으로 작용하는 파괴면 상부에서는 측방유동압으로 주동말뚝으로 작용하는 파괴면 하부에서는 지반반력으로 나타났으며, 3열 마이크로파일의 경우 무리효과로 인해 마이크로파일의 위치에 따라 측방유동압 및 지반반력이 다르게 나타났다.
(4) 지진 시 비탈면지반에 설치된 마이크로파일의 동적거동은 마이크로파일에 작용하는 측방유동압 및 지반반력에 영향을 받으므로 마이크로파일의 정확한 동적거동을 예측하기 위해서는 마이크로파일에 작용하는 측방유동압 및 지반반력에 영향을 미치는 파일길이 및 파일간격, 비탈면지반의 기하학적 형상을 고려한 추후 연구가 필요할 것으로 보인다.
