1. 서 론

최근 대규모 지진이 해외 각지에서 발생하고 있다. 특히 불의 고리라고 불리는 환태평양 지진대를 중심으로 많은 지진이 발생하고 있으며 환태평양 지진대에 위치한 나라인 일본, 칠레, 에콰도르에서 각각 규모 9.0(일본, 2011), 8.3(칠레, 2015), 7.8(에콰도르, 2016)의 지진이 발생한 바 있다. 국내의 경우 환태평양 지진대와 같은 판의 경계가 아닌 유라시아판 내부에 위치하여 일반적으로 중약진 지역으로 평가되고 지진으로부터 안전하다고 여겨졌다. 그러나 2016년 9월 12일 규모 5.8의 경주 지진에 이어 2017년 11월 15일 규모 5.4의 포항 지진이 발생함에 따라 지진에 안전하지 않음이 확인되었다.

포화된 사질토 지반에 지진 등의 동하중이 작용하면 과잉간극수압이 발생하고 유효 응력이 감소하여 전단 강도를 완전히 상실하여 물처럼 거동하게 되는데 이를 액상화 현상이라고 한다. 따라서 지진이 발생하게 되면 지진하중에 의한 구조물의 파괴 외에도 지반의 액상화에 의해 상부 구조물의 피해가 유발될 수 있다. 국내외 여러 연구진들은 액상화에 대한 연구를 진행하고 있으며 국내에서는 특히 해안, 항만 지역을 중심으로 액상화 관련 연구가 활발히 이루어지고 있다(Park and Kim, 2013; Seo et al., 2012; Sitharam et al., 2004; Kim et al., 2012). 이는 일반적으로 해안, 항만 지역에서 매립토층이 두텁게 분포해 지진의 증폭이 크고 지반의 강도가 낮아 액상화 위험도가 높기 때문이다. 국내의 경우 내륙 지역은 기반암 상부의 토층이 얇게 분포하며, 단단한 화강풍화토로 이루어져 일반적으로 액상화에 대하여 안전하다(Choi et al., 2003). 그러나 대규모 도심지의 경우 다양한 지형 특성 및 지층 구성을 보이고 계절에 따라 지하수위가 얕게 분포하는 경우가 있어 액상화에 대하여 안전하다고만 볼 수 없다. 또한 도심지에는 물적, 인적 자원이 매우 밀집되어 있으므로 액상화 발생 시 피해 규모가 매우 클 것으로 예상된다. 따라서 해안, 항만 지역 외에도 여러 도심지에 대한 액상화 평가가 필요하다. 특히 포항 지진의 진앙지 인근에서 액상화 현상이 발생하여 도심지를 대상으로 하는 액상화 연구의 중요성이 강조된다.

국내 대표적 도심지인 서울과 같이 대규모 지역을 대상으로 액상화에 대한 안전 여부를 평가할 필요가 있는데 이를 위해서는 충분한 수의 지반 조사 자료가 필요하다. 액상화에 대한 안전율을 계산하기 위해 국토교통부의 국내 도시철도 내진설계 기준에서는 액상화 평가 간편법과 상세법을 제시하고 있으며 두 경우 모두 지반응답해석이 선행되어야 한다(MLIT, 2017). 그러므로 액상화 평가 대상 지역이 넓고 지반응답해석의 대상이 되는 시추 조사 자료의 수가 많다면 지반응답해석에 소요되는 시간이 늘어난다. 결과적으로 액상화 평가 방법(간편법, 상세법)에 상관 없이 액상화 평가에 소요되는 시간이 증가한다. 특히 서울의 경우 많은 개발이 이루어져 충분한 시추 조사 자료를 포함하고 있기 때문에 시추 조사 자료가 없는 미지점이 적어 넓은 지역임에도 효과적으로 액상화 평가 수행이 가능하다는 장점이 있는 한편 전체 지역에 대해 액상화 평가 시 많은 시간을 필요로 한다는 문제가 있다. 따라서 현재의 액상화 평가 방법은 지반응답해석의 대상이 되는 시추 조사 자료의 수가 많은 대규모 도심지에 적용할 경우 소요되는 시간이 많다는 한계가 있으며 이를 해결하기 위한 방안이 필요하다.

지반의 액상화는 일반적으로 포화된 느슨한 사질토에서 발생하기 때문에 지반의 구성 물질과 강도 그리고 지하수위 변화와 밀접하게 연관되어 있다. 본 연구에서는 지반의 강도가 액상화와 밀접한 관계가 있고 지반의 강도가 전단파 속도와 연관되어 있다는 점을 고려하여 지반의 전단파 속도와 LPI로 표현되는 액상화 가능 지수의 상관관계를 도출하고 이를 이용한 새로운 액상화 평가 방법을 제안하였다. 제안된 액상화 평가 방법을 이용할 경우 대규모 도심지와 같이 많은 시추 조사 자료를 포함하는 지역에 대해 빠르고 높은 정확도로 액상화 평가가 가능하다. 한편, 제안된 액상화 평가 방법에서 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 도출할 때 단순히 지반의 평균 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 분석하지 않고 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도와 액상화 가능 층의 두께로 나누어 정규화한 LPI의 상관관계를 도출하였다. 이는 LPI가 액상화 발생 가능성이 있는 지층의 액상화 안전율과 심도, 두께를 고려하여 계산되기 때문이다. 또한 지하수위 변화에 따라 액상화 위험도가 크게 달라짐(Chung and Rogers, 2013)을 고려하여 다양한 지하수위 조건에 대해 상관관계식을 제시하였으며 이를 이용해 임의의 지하수위에 대해 액상화 평가가 가능하도록 하였다. 마지막으로 새로운 액상화 평가 방법을 일부 지역에 적용하여 대규모 지역에 대한 적용성을 확인하였다.

2. 액상화 가능 지수를 이용한 액상화 피해 예측 방법

지진에 의한 지반 액상화 현상은 지반의 강도 상실을 일으키며 이로 인해 지반이 상부 구조물을 지지하지 못하게 되므로 지반공학에서 매우 중요한 문제이다. 도시철도 내진설계 기준이 제시하는 액상화 평가 방법은 액상화 안전율을 계산하여 안전 여부를 판단하는 것이다. 액상화에 대한 안전율(, Factor of Safety)은 일반적으로 구성 심도 별로 계산되며 Eq. (1)와 같이 하중으로 작용하는 전단응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)과 저항으로 작용하는 전단저항강도비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)의 비로 결정된다. 는 규모 7.5에 대한 액상화 강도이다. 하중값인 CSR은 Eq. (2)와 같이 결정된다(MLIT, 2017).

 (1)

 (2)

이때 는 각 심도별 최대가속도이며 일반적으로 지반응답해석을 통해 결정된다. 또한 는 대상 심도의 총 상재압, 는

유효 상재압, (Magnitude Scaling Factor)는 지진 규모

보정계수이다. 이때 이다(Youd

et al., 2001). 저항값인 CRR은 간편법의 경우 표준관입시험값(SPT-N값), 콘관입시험값(CPT값) 또는 전단파 속도를 이용하여 결정하며 상세법에서는 진동삼축시험과 같은 실내시험을 통해 결정한다. 국내에서는 SPT-N값을 이용하는 방법이 일반적으로 사용된다. SPT-N값을 이용할 경우 CRR은 Eq. (3)와 같이 계산된다. 이때 세립분 함량이 5% 이상일 경우 CRR에 대한 보정이 필요하다. 그러나 본 논문에서 제시하는 액상화 평가 방법은 대량의 시추 조사 자료를 활용하는 것이므로 시추주상도에 포함되지 않는 정보인 세립분 함량을 고려하지 않았다. 단, 시추주상도 상의 정보를 통해 주구성물질이 모래 및 자갈이고 부구성 물질이 점토가 아닌 경우를 대상으로 Eq. (3)를 적용하여 CRR을 계산하였다. 은 에너지 효율 60%와 상재하중 100kPa에 대하여 보정된 SPT-N값이다.

(3)

Iwasaki et al.(1978)은 심도 20m까지의 심도별 액상화 안전율과 함께 심도, 두께를 함께 고려하여 액상화 안전 여부와 함께 액상화에 의한 피해 정도를 예측할 수 있는 액상화 가능 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)를 제시하였다. LPI는 Eq. (4)을 이용하여 계산된다.

 (4)

 (5a)

 (5b)

 (6a)

 (6b)

는 Eqs. (5a) and (5b)와 같이, 는 Eqs. (6a) and (6b)와 같이 결정되며 는 층별 두께, 는 평가 대상 심도, 는 평가 대상 심도의 액상화 안전율이다. 본 논문에서는 CRR값 계산 시 SPT-N값을 이용하였으며 불연속적인 SPT-N값의 특성에 적합하도록 Luna and Frost(1998)이 제시한 Eq. (7)을 이용하여 LPI를 계산하였다.

 (7)

LPI를 이용한 액상화 피해 정도 및 액상화 위험도를 판단하기 위해 Table 1과 같이 여러 기준이 제시되었는데 이는 지역별로 지반 특성이 다르기 때문에 하나의 기준을 대표 기준으로 사용할 수 없기 때문이다(Juang et al., 2008). 본 연구에서는 국내 주요 항만 지역의 액상화 평가 결과 액상화 안전율이 1.5이상인 지점이 대다수라는 점을 고려하여 비보수적으로 개발된 Chung et al.(2014)가 제시한 기준에 따라 액상화 피해 정도를 예측하였다.

Table 1. Degree of Liquefaction Damage According to LPI Value

3. 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법

LPI 계산 시 액상화 안전율이 먼저 결정되어야 하며 이때 지반응답해석이 선행되어야 한다. 따라서 액상화 평가 대상 위치 별로 요구되는 지반응답해석 수행을 최소화하고 소요되는 시간을 줄이기 위한 새로운 LPI 평가 방법을 개발하였다. 지반의 지진 특성 평가에 활용되고 넓은 지역에 대해 쉽게 얻을 수 있는 인자인 전단파 속도와 액상화 가능층의 두께로 나누어 정규화한 LPI의 상관관계를 도출하고 상관관계식을 이용하여 LPI를 구하고자 하였다.

3.1 액상화 발생 가능 층의 평균 전단파 속도

다양한 현장 탄성파 시험과 실내 시험, SPT-N값과의 상관관계식을 이용하여 획득할 수 있는 전단파 속도()는 지반 및 지진공학 분야에서 내진 설계 및 내진 성능 평가를 위한 대표적 지반 동적 특성으로 이용된다(Sun et al., 2008). 국내에서는 지반 상부 30m의 평균 전단파 속도인 을 Eq. (8)와 같이 계산하여 내진 설계를 위한 지반 분류에 이용한다. 여기서 와 는 각각 각 층의 두께(m)와 전단파 속도(m/s)이다. 전단파 속도는 지반의 강성에 비례하므로 을 통해 지진 시 증폭 정도를 어느정도 예측할 수 있다. 그러나 은 미국 서부 지역을 대상으로 제시된 값으로 기반암의 심도가 얕은 우리나라에는 맞지 않다. 최근 국내에서는 대신 기반암 상부 토사층의 평균 전단파 속도인 을 활용한 지반분류방법을 대안으로 제시하고 있다(Cho et al., 2016).

 (8)

한편, 액상화는 포화된 느슨한 사질토 지반에서 발생한다. 국내 도시철도 내진설계 기준에서는 이를 고려하여 지하수위 상부 지반, 주상도상의 표준관입시험값(SPT-N값)이 20이상인 지반, 대상지반심도가 20m이상인 지반, 소성지수(PI)가 10이상이고 점토성분이 20%이상인 지반, 세립토 함유량이 35%이상인 지반, 상대밀도가 80%이상인 지반에 대해 액상화 평가를 생략하도록 하고 있다 (MLIT, 2017). 따라서 액상화가 일정 강도 이하의 느슨하고 포화된 사질토에서 발생한다는 점을 고려하여 , 이 아닌 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도를 Eq. (9)과 같이 산술평균으로 계산하고 상관관계 분석에 이용하였다. 여기서 액상화 가능 층은 국내 내진설계 기준의 액상화 평가 생략 기준을 참고하여 SPT-N값이 20미만이고, 심도가 20m 미만인 포화된 사질토 지반으로 하였다.

 (9)

대규모 지역의 액상화 평가에 전단파 속도를 활용하기 위해서 Table 2와 같이 Sun et al.(2013)이 국내 지반 특성에 맞게 제시한 전단파 속도와 SPT-N값의 상관관계를 이용하였다. 이때 모든 종류의 흙에 대한 식을 적용하여 SPT-N값으로부터 전단파 속도를 계산하였다. 상관관계 분석 시 SPT-N값이 아닌 전단파 속도를 이용하므로 시추 조사가 어려워 SPT-N값의 측정이 불가능한 경우에도 표면파 기법(SASW) 등을 통해 측정한 전단파 속도를 이용할 수 있다는 장점이 있다.

Table 2. Correlation between the Shear Wave Velocity and the Measured SPT-N Values in South Korea (Sun et al., 2013)

3.2 전단파 속도와 LPI의 상관관계를 이용한 LPI 계산

Fig. 1은 본 연구에서 제안하는 액상화 평가 방법의 순서도로 LPI와 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도 사이의 상관관계를 분석하고 이를 통해 LPI를 계산한다. 액상화 평가 대상 지역의 전체 지반 조사 자료로부터 대표성을 가지는 위치의 자료를 일부 선정하여 와 정규화 LPI의 상관관계를 분석한다. 이때 LPI는 Eq. (4)에서 알 수 있듯이 액상화 안전율과 심도, 두께를 함께 고려하여 심도 20m까지의 액상화 가능성을 적분한 값이지만 는 액상화 전단파 속도의 평균 값만을 고려한 값이다. 따라서 LPI를 로 나눈 값을 정규화 LPI (Normalized LPI)라고 정의하고 상관관계 분석에 이용하였다.

새로운 액상화 평가 방법은 다음과 같은 순서에 의해 수행된다.

1)액상화 평가 대상 지역의 시추 조사 자료, 탄성파탐사 자료 등 지반 조사 자료를 수집한다.

2)전체 지반 조사 자료에 대해 를 계산한다(SPT- N값에 대한 정보만 있을 경우 SPT-N와 의 관계식을 사용하여 결정한다).

3)대상 지역 전체의 분포 비율과 동일한 비율로 대표성을 가지는 자료를 선정한다.

4)3)에서 선정된 자료들을 대상으로 여러 지하수위를 가정하고 여러 암반노두가속도에 대해 지반응답해석을 수행하여 CSR을 계산한다. 지반응답해석 시 Pro-shake 등을 이용하며 입력 지진파로는 장주기파와 단주기파를 포함한 세 가지 지진파를 사용하고 각 층의 최대가속도는 세 지진파의 평균으로 한다.

5)3)에서 선정된 자료들을 대상으로 Eq. (3)를 이용해 CRR을 계산한다.

6)3)에서 선정된 자료들을 대상으로 CSR과 CRR의 비로 각 심도의 액상화 안전율을 계산하여 LPI를 결정한다.

7)가정된 여러 지하수위에 대해 각각 와 LPI/의 상관관계를 설정한다.

8)가 미리 결정된 전체 지반 조사 자료에 대해 상관관계식을 적용하여 LPI를 계산한다.

Fig. 1.

Flowchart for LPI Assessment using Correlation between the Shear Wave Velocity of Liquefiable Layer and Normalized LPI

위의 액상화 평가 과정에서 여러 지하수위에 대해 상관관계를 분석하는데 이는 액상화가 지하수위에 매우 민감하기 때문이다. 따라서 본 연구에서 제안하는 액상화 평가 방법에서는 여러 지하수위에 대해 상관관계를 분석하고 지하수위 변화에 맞춰 적합한 상관관계식을 적용할 수 있도록 하였다.

또한 지반 조사 자료가 존재하지 않는 지역에 대해서는 LPI값을 알 수가 없으므로 지구통계학적 기법인 크리깅(kriging)을 이용하여 LPI를 계산할 필요가 있다. 이렇게 전체 대상 지역에 대해 결정된 LPI는 GIS system을 이용하여 LPI 지도로 도출할 수 있다.

4. 상관관계를 이용한 액상화 평가 결과 및 분석

4.1 액상화 가능 층의 평균 전단파 속도와 정규화 LPI의 상관관계 분석

새로운 액상화 평가 방법의 적용성을 확인하기 위해 서울특별시의 지반 조사 자료를 이용하여 와 정규화 LPI의 상관관계를 분석하였다. 서울특별시 지반정보통합관리 시스템에 등록된 20,803개의 시추공을 대상으로 DB를 구축하고 Excel을 이용하여 를 계산하였으며 의 크기 별 분포 비율을 Fig. 2와 같이 나타내었다.

Fig. 2.

Histogram of of Entire and Selected Boreholes in Seoul, South Korea

20,803개 시추공의 분포 비율과 동일한 비율로 104개의 대표 시추공을 무작위 선정하였으며 Fig. 2에서 이를 확인할 수 있다. 20,803개 시추공에 대해 계산된 에 대해 크리깅을 이용하여 서울특별시 전체 영역에 대한 분포를 구하였다. Fig. 3은 서울특별시의 분포와 선정된 대표 시추공의 위치를 보여준다.

Fig. 3.

Location of Selected Boreholes for Correlation and Map in Seoul, South Korea

선정된 104개의 시추공을 대상으로 4가지 지하수위 조건(0m, 1m, 2m, 3m)에 대해 다양한 지진 재현 주기(500년, 1000년, 2400년, 4800년)에 해당하는 암반노두가속도(0.11g, 0.15g, 0.22g, 0.28g)로 지반응답해석을 수행하였다. 이는 지진구역Ⅰ에 해당하는 지진구역 계수(0.11g)와 각 재현주기에 해당하는 위험도계수(1.0, 1.4, 2.0, 2.6)를 곱한 값이다. 지반응답해석의 입력 지진파로는 장주기파인 Hachinohe 지진파와 단주기파인 Ofunato 지진파 그리고 인공지진파를 사용하였다. 이때 장주기파와 단주기파의 특성을 모두 고려하기 위해 각 층의 최대가속도()로 3가지 지진파에 의한 해석 결과를 평균하여 사용하였다. 총 4992회(104개 시추공×4개 지하수위×4개 암반노두가속도×3개 지진파)의 지반응답해석 결과를 이용하여 CSR을 계산하고 지반 조사 자료에 포함된 SPT-N값을 이용하여 CRR을 계산하였다. 이후 각 층별 액상화 안전율로부터 정규화 LPI를 구하였다. 마지막으로 SPSS를 이용하여 Table 3과 같이 각 지하수위 조건 및 암반노두가속도에 대해 정규화 LPI와 의 상관성을 분석하였다. 분석 결과 한 가지 경우를 제외하면 상관계수(R)가 0.5 이상이며 모든 조건에 대해 상관관계가 0.01수준에서 유의한 것으로 나타났다. 따라서 정규화 LPI와 가 선형의 상관관계를 가지는 것을 확인하였다.

Fig. 4는 암반노두가속도별 와 정규화 LPI의 분포를 보여주며 각 암반노두가속도에 대해 와 정규화 LPI의 관계식은 Eq. (10)과 같이 1차식 형태로 표현할 수 있다.

 (10)

Fig. 4.

Correlation between and the Normalized LPI by Seismic Acceleration When the Ground Water Level is (a) 0m, (b) 1m, © 2m, (d) 3m

Table 3. Pearson’s Correlation Coefficient Test Results for Normalized LPI and

이때 암반노두가속도가 증가함에 따라 정규화 LPI가 증가함을 알 수 있다. 또한 지하수위 심도가 깊어짐에 따라 정규화 LPI가 감소함을 알 수 있다. 최소자승법에 의해 결정된 각 식은 다양한 값을 보인다. 지하수위 심도가 깊어짐에 따라 상관관계식의 가 감소하는 경향을 보이는데 지하수위 조건이 0m일 때 는 약 0.6이며 1m일 때는 약 0.55, 2m일 때는 0.47, 3m일 때는 0.32이다. 따라서 지하수위가 얕은 심도에 위치할 경우 상관관계식을 이용한 액상화 평가를 보다 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 지하수위가 깊어질수록 이 감소하는 이유는 LPI가 액상화 가능 층의 심도를 고려하여 계산되는 반면 는 액상화 가능 층의 심도를 고려하지 않는데 지하수위가 깊어짐에 따라 액상화 가능 층이 위치하는 심도가 깊어지고 결과적으로 LPI가 받는 심도의 영향 더 커지기 때문이다.

Eq. (10)의 계수 A와 B를 각각 암반노두가속도에 대해 선형식, 대수식으로 표현하면 Figs. 5 and 6과 같다. 이때 암반노두가속도가 증가함에 따라 A가 감소하다가 다소 증가하는 경향을 보이는데 선형식으로 표현할 경우 이러한 경향을 포함하지 못한다. 또한 대수식의 가 선형식의 보다 크므로 대수식으로 표현하는 것이 바람직하다. 따라서 Eq. (10)은 암반노두가속도를 변수로 하는 1차식으로 표현 가능하고 지하수위 심도 0m, 1m, 2m, 3m에 대해 각각 Eqs. (11a), (11b), (11c) and (11d)처럼 와 정규화 LPI의 관계식을 제시하였다. 전체 대상 자료의 가 미리 결정되어 있으므로 상관관계식을 이용하면 임의의 지하수위와 암반노두가속도에 대해 지반응답해석의 수행 없이 신속하게 대상 위치의 LPI를 구할 수 있다.

Fig. 5.

Linear Correlation between Rock Outcrop Acceleration and (a) Coefficient A, (b) Coefficient B with Various Ground Water Level

Fig. 6.

Logarithmic Correlation between Rock Outcrop Acceleration and (a) Coefficient A, (b) Coefficient B with Various Ground Water Level

 (11a)

 (11b)

  (11c)

 (11d)

4.2 상관관계를 이용한 서울시 액상화 피해 예측

제안된 상관관계식의 검증을 위해 서울특별시의 별도의 170개 시추공을 대상으로 상관관계식을 이용하여 계산한 LPI(corr)와 지반응답해석을 이용하여 계산한 LPI(sra)를 비교하였다. 적용된 암반노두가속도는 0.15g이며 지하수위는 지표면에 위치한다고 가정하였다. 따라서 Eq. (11a)에 암반노두가속도 0.15g를 적용한 Eq. (12)를 이용하여 LPI(corr)를 계산하였다.

 (12)

비교 결과는 Fig. 7와 같으며, Chung et al.(2014)이 제시한 액상화 피해 기준에 따라 구역을 구분하여 표시하였다. 선 주변의 세 정사각형(A, B, C) 내부에 점이 위치한다면 LPI(corr)가 LPI(sra)와 동일한 액상화 피해 범위로 평가되었음을 의미한다.

Fig. 7.

Comparison of LPI Value from Site Response Analysis and LPI Value Obtained from Correlation with for 0.15g Rock Outcrop Acceleration (

분석 결과 상관관계를 이용하여 계산한 LPI는 지반응답해석을 이용하여 계산한 LPI에 비해 약 4% 작은 값을 가졌다. 이때 LPI가 15보다 작은 경우 LPI(corr)은 LPI(sra)에 비해 상대적으로 큰 값을 보이며 LPI가 15보다 클 경우 LPI(corr)은 LPI(sra)보다 작은 값을 보이는 경향이 나타났다. 이 같은 경향은 LPI값의 비교가 아닌 LPI 범위(LPI Range, LPIR)의 비교 결과를 보여주는 Table 4에서도 확인할 수 있다. 또한 83%의 시추 자료에서 LPI(corr)와 LPI(sra)를 Chung et al.(2014)이 제시한 기준에 따라 동일한 LPI 범위로 평가하였다. 액상화 평가 시 Table 1과 같은 평가 기준에 따라 액상화 피해 정도를 예측한다는 점을 고려할 때 83%는 유의미한 수치이다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 상관관계에 근거한 액상화 평가방법의 적용성을 확인할 수 있다. 다만, 심도가 깊어짐에 따라 지반의 강성이 증가하지 않고 감소하는 경우 참값인 LPI(sra)와 상관관계를 통해 구한 LPI(corr)의 편차가 큰 이상치(outlier)가 나타났다.

Table 4. Comparison between LPIR(corr) and LPIR(sra)

4.3 상관관계를 이용한 경주시 지진 피해 예측

경주시는 활성단층인 양산단층지대에 위치하며 최근 경주 지진(M5.8, 2016)이 발생하여 액상화에 대한 대비가 필요하다. 그러나 역사적 특성 상 지반 내에 많은 문화재가 묻혀 있어 충분한 시추 조사를 진행하는 것이 힘들다는 특징이 있다. 따라서 경주시 일부 지역을 대상으로 서울특별시 자료를 이용하여 결정된 4가지 상관관계를 적용해 액상화 평가를 진행하고 그 결과를 일반적인 액상화 평가 방법의 결과와 비교하였다. 이때 활용한 경주시의 지반 조사 자료에 나타난 지하수위는 액상화 가능 층이 존재하는 경우 모두 3m 이내였으며 자료에 나타난 지하수위에 따라 해당하는 상관관계식을 적용하였다. 지하수위가 0m, 1m, 2m, 3m가 아닐 경우 내삽을 통해 LPI를 계산하였다.

평가 대상 지역은 Figs. 8(a) and 8(b)와 같으며 면적은 약 46km²(가로 5.6km×세로 8.2km)이다. 대상 지역 내의 지반 조사 자료의 수는 47개이다(Sun, 2004). 대상 지역은 3개의 강으로 둘러쌓여 있어 상대적으로 지하수위가 얕게 분포한다는 특징이 있다. 또한 중심 평야지대는 기반암 상부에 퇴적층이 상대적으로 두텁게 분포하는 형태이나 서쪽은 다양한 퇴적암과 변성암이 두텁게 분포하고 있다. 특히 경주 지진의 발생위치가 대상 지역으로부터 약 8km 떨어져 있으므로 액상화 평가의 필요성이 있다.

Fig. 8.

Location of target area in Gyeongju, South Korea on (a) Small Scale Map, (b) Large Scale Map

암반노두가속도 0.15g에 대한 LPI(corr) 계산 결과를 크리깅을 통해 Fig. 9(a)와 같이 LPI 지도로 나타내었다. Fig. 9(b)는 동일한 암반노두가속도에 대한 LPI(sra) 계산 결과를 크리깅을 통해 작성한 LPI 지도이다. Figs. 9(a) and 9(b)를 비교하면 Fig. 7의 경우와 마찬가지로 작은 LPI범위에서 LPI(corr)이 LPI(sra)에 비해 큰 값을 가지고 상대적으로 큰 LPI범위에서 LPI(corr)이 LPI(sra)에 비해 작은 값을 가지는 것으로 나타났다.

Fig. 9.

Liquefaction Severity Map of Gyeongju, South Korea for 0.15g Rock Outcrop Acceleration and 0m Ground Water Level (a) using Proposed Correlation Method and (b) Site Response Analysis

대상 지역 서쪽의 경우 암반이 두텁게 존재하여 액상화가 발생할 정도로 약한 지층이 없거나 매우 얇게 분포했다. 따라서 상대적으로 지하수위가 지표면으로부터 가까이 위치하여도 액상화에 대해 안전한 것으로 평가되었다. 평야지대의 경우에는 서쪽에 비해 연약한 지층이 두텁게 분포하나 이러한 지층이 지하수위 상부에 위치하여 LPI가 0으로 결정된 지점이 많다. 따라서 지하수위 변동에 의해 LPI가 크게 증가할 가능성이 있는 것으로 판단된다. 이 경우 제안 방법을 이용하여 지하수위 변동에 따라 다른 식을 적용함으로써 적절한 액상화 평가가 가능하다.

마지막으로 47개 중 44개의 시추공(94%)에서 LPI(corr)와 LPI(sra)를 Chung et al.(2014)이 제시한 기준에 따라 분류할 때 동일한 LPI 위험 등급으로 나타났다. 따라서 서울특별시의 자료를 이용하여 4가지 지하수위 조건에 대해 결정된 정규화 LPI와 의 상관관계가 경주시 지역에서도 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

5. 결 론

액상화 가능 층의 평균 전단파 속도()와 액상화 가능 층의 두께로 나누어 정규화한 LPI의 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법을 제안하고 서울특별시와 경주시 일부 지역에 적용하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)기존 액상화 평가 시 모든 평가 위치에서 지반응답해석을 수행하는 것과 달리 제안된 평가 방법에서는 대표로 선정된 일부 지반 조사 자료를 대상으로만 지반응답해석을 수행하며 그 결과를 이용하여 도출한 와 정규화 LPI의 상관관계를 통해 LPI를 계산하기 때문에 작업 소요시간이 짧고 넓은 영역에 적용할 수 있다는 장점이 있다.

(2)상관관계식의 도출을 위해 서울특별시의 지반 특성을 고려하여 104개 시추 조사 자료를 선택하고, 다양한 지하수위와 암반노두가속도 조건에 대해 와 정규화된 LPI와의 상관관계를 분석하였다. 분석 결과를 이용하여 0m~3m의 지하수위 조건에 대해 0.11g~0.28g의 암반노두가속도까지 적용 가능한 상관관계식을 도출하였으며 제시한 4가지 상관관계식은 지하수위가 얕은 심도에 위치할수록 큰 을 가졌다. 이를 통해 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법이 지하수위가 얕은 심도에 위치한 경우에 대해 효과적임을 확인하였으며 이는 지하수위가 깊은 심도에 위치할수록 액상화 층의 심도의 영향이 커지기 때문으로 판단된다.

(3)서울특별시와 경주시 일부 지역을 대상으로 상관관계식을 적용하여 제안된 액상화 평가 방법의 적용성을 확인하였다. 기존의 액상화 평가 방법과 상관관계를 이용한 방법에 의해 각각 계산된 LPI를 Chung et al.(2014)이 제시한 액상화 위험도 판단 기준에 따라 비교하였을 때 서울시의 경우 83%, 경주시의 경우 94%의 정확도로 두 방법이 동일한 액상화 피해를 예측하였다. 또한 임의의 액상화 평가 위치에서 15 이하의 LPI(sra)을 가지는 경우 LPI(corr)는 LPI(sra)보다 과대평가되고 15 이상의 LPI(sra)을 가지는 경우 LPI(corr)는 LPI(sra)보다 과소평가되는 경향이 확인되었다.

(4)와 정규화 LPI의 상관관계 분석 시 여러 암반노두가속도와 지하수위 조건에 대해 지반응답해석을 수행함으로써 여러 조건에 적용 가능한 상관관계식을 제시하였다. 제시된 상관관계식을 다양한 지하수위를 보이는 경주시에 적용하여 여러 지하수위 조건에 대해 제시된 상관관계식의 적용성을 확인하였다. 따라서 상관관계를 이용한 액상화 평가 방법을 이용하면 지하수위가 다양한 깊이로 분포하는 넓은 지역에 대해 간단히 액상화 평가가 가능하며 지하수위 변화와 지진의 크기에 따라 액상화 위험도 평가가 가능할 것으로 판단된다.