Research Article

Journal of the Korean Geotechnical Society. September 2020. 5-20
https://doi.org/10.7843/kgs.2020.36.9.5


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 지반조사

  •   2.1 대상지역

  •   2.2 연구장비 및 방법

  •   2.3 표준관입시험

  •   2.4 콘관입 및 소산시험

  •   2.5 밀도검층

  •   2.6 다운홀테스트

  •   2.7 전기비저항탐사

  •   2.8 표면파탐사

  •   2.9 지반조사별 결과 비교

  • 3. 실내실험

  •   3.1 시험장비

  •   3.2 시험시료 및 방법

  •   3.3 시험 결과

  • 4. 결 론

1. 서 론

2017년 11월 발생한 포항 지진은 경상북도 포항시 북구를 진원으로 하는 리히터 규모 5.4의 지진으로 국내에서 계기된 지진 최초로 액상화 현상이 공식적으로 보고되었다(NDMI, 2017). 특히 포항시 북구 흥해읍 망천리와 흥안리 일대에서 액상화에 기인하는 샌드 보일링(Sand Boiling) 현상이 다수 발생하였고, 포항시 북구 송도동에 위치한 송림공원 곳곳에서도 샌드 보일링 현상이 나타났다. 액상화는 지진 등의 외력에 의해 포화된 토사층(일반적으로 모래층)의 과잉간극수압이 증가해 유효응력이 0이 되는 현상을 의미한다. 따라서 지중에서 액상화가 발생하게 되면 압력이 증가한 간극수는 동수경사에 의해 지표면을 향해 이동하게 되고, 이에 따라 증가했던 과잉간극수압이 소산된다. 이때 주변의 흙이 같이 이동하면서 지표면에서 분출되고, 이 현상을 샌드 보일링이라고 한다. 샌드 보일링 현상이 목격된 지점은 하부 지층에서 액상화가 발생했다고 추측 할 수 있다.

1964년 알래스카 지진 및 니이가타 지진 이후 지진에 의한 액상화 현상이 다수 보고되었다. 최근 해외에서 보고된 액상화 사례는 대표적으로 2011년 발생한 2011 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake(M9.0, 이하 동일본 대지진)와 2011 Christchurch Earthquake(M6.3)를 들 수 있다. 두 지진 모두 광범위한 영역에 걸쳐 액상화 현상이 발생하였고, 동일본 대지진에서는 도쿄만에 위치한 우라야스시에서 광범위한 액상화로 인해 기간시설 피해가 발생해 많은 복구비용이 발생하였다. 두 지진의 경우, 앞서 언급한 모래층 뿐 아니라 비소성 세립분을 50% 이상 함유한 지층에서 액상화가 발생하여 지표면으로 다량 분출된 특징을 나타낸다(Yasuda et al., 2012; Cubrinovski et al., 2012). 이는 세립분 함유량이 많을수록 액상화 발생 가능성이 낮아진다는 기존 설계 기준과는 상반되는 결과였다. 특히 일본 우라야스시는 진앙지에서 400km나 떨어져 있으며 당시 계측된 지표면 최대가속도가 0.2g 전후로 그다지 크지 않은 점을 보면 지진가속도가 작더라도 지반특성에 따라 액상화가 충분히 발생할 수 있음을 의미한다.

포항 지진은 지진규모 M5.4로 포항지진관측소(PHA2)에서 계측된 지표면 최대가속도는 0.374g로 상당히 컸으나, 2016년 경주 지진(M5.5) 시 울산관측소(USN2)에서 계측된 0.609g에 비해 증폭정도가 작다는 것을 알 수 있다(KMA, 2018). 하지만, 2016 경주 지진에서는 액상화 현상이 목격되지 않은데 반해 비슷한 규모였던 2017 포항 지진에서는 액상화 현상이 관측되었다. 실제 액상화 현상의 발현은 지층구성 및 특성 외에도 지진원 및 경로 측면을 고려한 지진외력의 변동성이 원인이 될 수 있다. 다만, 본 연구에서는 액상화 현상의 다양한 원인 중 포항시의 지층 구성의 측면을 조사하기 위해 상세조사를 수행하였다.

본 연구에서는 포항 지진 시 액상화가 발생한 지역 세 군데를 선정하여, 다양한 현장 지반조사(표준관입시험(SPT), SPT 에너지 효율시험, 콘관입(CPT) 및 소산시험, 밀도검층, 다운홀테스트, 전기비저항탐사, 표면파탐사)를 수행하였다. 특히, SPT, CPT결과를 기존에 제안된 상관식을 바탕으로 전단파 속도(Vs)로 변환하여 다운홀시험에서 측정된 전단파 속도와 비교함으로써 서로 다른 지반조사 방법에 따른 결과를 비교 분석하였다. 추가적으로 액상화 발생 지역 중 하나의 지층을 선정하여 반복삼축시험을 수행하였으며, 실험 결과를 토대로 도시한 액상화 저항 곡선을 통해 액상화 저항 강도(CRR)을 산정하여, 실제 포항 지역에서 채취한 시료의 액상화 저항성을 확인하였다.

2. 지반조사

2.1 대상지역

본 연구에서는 2017년 포항 지진 시 액상화가 발생한 포항시 북구의 송도동, 흥해읍 망천리, 흥해읍 흥안리 3곳을 대상으로 지반조사를 수행하였다(Fig. 1). 지반조사의 항목으로는 표준관입시험(SPT), SPT 에너지 효율시험, 콘관입(CPT) 및 소산시험, 밀도검층, 다운홀테스트, 전기비저항탐사, 표면파탐사를 선정하였다. Table 1은 본 연구에서 수행한 조사 위치별 지반조사 항목을 나타낸다. SPT 에너지 효율실험, 전기비저항탐사, MASW는 Site-1(송도동)에서만 수행하였다. 또한, 현장시료를 채취하여 동적실내실험을 진행하였다. 각 Site의 상세한 조사 위치는 Fig. 2와 같다. 각각의 조사는 서로 간의 간섭을 피하도록 2-3m 간격을 두고 실시하였다.

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Fig. 1.

Locations of In-situ investigation in Pohang area

Table 1.

List of in-situ investigation

Item Site 1 Site 2 Site 3
Standard penetration test (SPT)
SPT energy efficient test
Cone penetration test (CPT)
Density logging
Downhole seismic test
Electrical resistivity survey
Multichannel analysis of surface waves (MASW) △* △*
Soil sampling

* In-situ test data conducted by National disaster management research institute (NDMI, 2017)

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Fig. 2.

Locations of In-situ investigation in each site

2.2 연구장비 및 방법

본 연구에서 각각의 지반조사를 위해 사용한 장비는 Table 2와 같다. 표준관입시험은 국내에서 가장 널리 사용되는 DESCO사의 SP4000을 사용하였다. 각각의 시추공은 회전수세식, 무수보링, 오거보링을 현장상황에 맞게 혼용하였다. SPT 에너지 효율시험에는 Pile Dynamics사의 SPT-A(Standard Penetration Test Analyzer)를 이용하였으며, 특수 제작한 로드에 가속도계 2대, 변형률계 2대를 연결하여 시험을 수행하였다. SPT 해머 타격 시 드릴 로드에 전달되는 에너지의 양은 장비의 종류와 운영조건에 따라 변화하기 때문에 같은 N 값이라 하더라도 에너지 효율에 따라 그 의미가 달라질 수 있다. 따라서 SPT에서 측정된 타격횟수는 다음 식을 활용하여 에너지 효율을 보정한 N60(Seed et al., 1985)로 환산하였다.

Table 2.

Specification of in-situ test equipments

Equipment Manufacturer Name Note
Standard Penetration Test DESCO SP4000
SPT energy efficient test Pile Dynamics SPT-A Accelerometer × 2ea
Strain gauge × 2ea
Cone penetration test (CPT) Customized ASTM Standard D5778
Density logging Robertson
Geologging
Micrologger2
SSDS Probe
Downhole seismic test Geometrics Geode Receiver : Geostuff
Electrical resistivity survey AGI SuperSting R8
Multichannel analysis of surface waves (MASW) Geometrics Geode Receiver : Geospace

$$N_{60}=N_m\frac{ER_m}{60}$$ (1)

여기서, N60, Nm, ERm은 각각 에너지 비 60%에 대한 타격횟수, 측정된 타격횟수, 전달되는 에너지 비(%)를 나타낸다.

콘 관입시험(Cone Penetration Test)은 다른 현장시험과 비교하여 신뢰성이 높고 전 세계적으로 근래 활발히 사용되고 있는 지반조사 방법이다. SPT는 일정한 간격을 두고 지반강도를 측정하는 반면 CPT는 연속적으로 측정할 수 있는 장점이 있다. 또한 콘 내부에 설치된 간극수압계를 통해 콘 관입에 따른 간극수압 변동이 측정가능하다. 본 연구에서는 콘 선단 면적이 10cm2이며, 선단각이 60°, 원추형 콘 상단부 슬리브의 표면적은 150cm2으로서 ASTM Standard D5778을 만족하는 전기식 콘을 이용하였다. 전기식 콘 내부에는 선단 저항력과 슬리브의 주변 마찰력을 측정하는 로드셀(Load cell)이 내장되어 있다. 또한, 콘 내부에 설치된 간극수압계를 이용하여 콘 관입 중에 발생하는 간극수압을 측정하였다.

밀도 검층은 방사선의 일종인 감마선이 물질에 방사되면 상호작용(Compton Effect)을 일으켜 그 에너지가 감소하는 특성을 활용하여 지반의 밀도를 측정하는 시험이다. 시추공 내에서 방사선물질에 의해 방사된 감마선이 지층을 통과할 때 흡수 또는 산란된 감마선을 검출기로 측정하여 지층의 밀도를 산출한다. 밀도 검층은 RG(Robertson Geologging)사의 Micrologger2와 SSDS Probe를 활용하였다.

다운홀테스트는 지표에서 평판을 수직과 수평방향으로 가격하여 탄성파를 발생시키며, 매질의 탄성특성에 의해 전파되는 탄성파의 수직과 수평성분을 시추공 내에 위치한 3성분 Geophone에서 측정하여 탄성파속도를 산출하는 지반조사 방법이다. 심도별 파형의 도달시간은 초동지점 인식(First arrival)과 교차점(Cross over)을 이용하였으며, 탄성파 속도 산출 시에는 직접법(Direct method)과 수정간접법(Modified interval method)를 이용하였다.

전기비저항탐사는 지하매질에 전류를 흘려준 후 지질변화에 따른 전위차를 측정하여 지반상태에 대한 정보를 획득하는 탐사법으로 토목 또는 지질분야에 있어 다양한 분야에 적용되고 있으며, 최근 들어 방재 및 환경 분야에서도 활발히 활용되고 있다. 본 연구에서는 Fig. 2(a)와 같이 총 2개(Line 1 : 남-북 측선, Line 2 : 동-서 측선)을 수행하였으며 전극간격은 5m이고 각각 36개, 24개의 전극을 설치하여 175m, 115m의 탐사측선을 확보하였다. 전극 설치 시 지표를 다져 전극과 지표사이의 접촉면적을 극대화 하였으며, 전극 설치 후 주변에 전해질 용액을 주입하여 접지저항이 최소화되도록 하였다. 전기비저항탐사에 사용된 장비는 AGI사의 SuperString R8/IP이다.

표면파탐사는 지반의 표면을 따라 전파하는 표면파(Rayleigh wave)를 관측하여 약 20-30m 하부 지반의 전단파(S파) 속도 분포를 획득하는 탐사방법이다. 본 연구에서는 여러 개의 수신기를 이용하는 MASW(Multichannel Analysis of Surface Waves)기법을 활용하였다. 조사에는 Geospace사의 수신기와 Geometrics사의 Geode(기록계)를 이용하였고, 자료측정 후 측선 이동이 수월한 Landstream 방식으로 탐사를 진행하였다. 탐사는 24개의 지오폰을 1m 간격으로 설치하고(Landstreamer 방식), 5kg 슬러지 해머를 이용하여 탄성파를 송신하였고, 송신점과 가장 가까운 수신기까지의 거리(Offset)는 2m, 샘플링 간격(Sampling Interval)은 0.125ms, 기록시간(Record Length)은 1.024sec으로 설정하였다.

2.3 표준관입시험

Fig. 3-5는 포항시 북구 송도동, 흥해읍 망천리, 흥해읍 흥안리를 대상으로 수행한 표준관입시험 결과이다.

Site-1(SD-1 시추공, Fig. 3)은 포항시 남구 송도동 253-17 현장에서 G.L. -54.3m까지 굴진을 수행하였다. 퇴적층에서의 토성은 실트 섞인 세립모래, 실트질 점토 및 자갈 섞인 실트질 모래 순으로 구성되어 있으며, 색조는 황갈색-암회색, 암갈색-암회색이다. 상부 모래층의 N 값은 2/30-15/30으로 매우느슨 내지 보통조밀, 하부 모래층의 N 값은 23/30-45/30으로 보통조밀 내지 매우조밀의 상대밀도를 갖는다. 점토층의 N 값은 3/30-22/30으로 연약 내지 매우견고한 상대밀도를 보이고 있다. 기반암인 이암의 풍화암층은 풍화가 심하고 타격 시 점토질 모래로 분해되는 경향을 보이며, 연암층은 G.L. -51.3m에서 3m의 두께를 확인하였으며, 심한풍화에서 보통풍화상태를 보이며, 코아회수율은 100%, 암질지수는 47%로 나타냈다.

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Fig. 3.

SPT-N value and soil profile of Site-1 (Songdo)

Site-2(MC-1 시추공, Fig. 4)는 포항시 북구 흥해읍 망천리 168-12 현장에서 G.L. -25.0m까지 굴진을 수행하였다. 전답토층(1-1.3m)의 토성은 점토질 모래이며, 색조는 황갈색-암갈색이다. N 값은 1/30-3/30으로 매우 느슨의 상대밀도를 가진다. 매립층의 토성은 점토 및 자갈섞인 실트질 모래로 구성되어 있으며, 색조는 암회색-암갈색이다. N 값은 6/30-21/30이며, 매우느슨-보통조밀의 상대밀도를 갖는다. 퇴적층에서의 토성은 점토질 모래, 자갈섞인 세립-중립모래, 실트질 점토 및 모래섞인 자갈 순으로 구성되어 있으며, 색조는 암회색 또는 담회색-암회색이다. 점토질 모래의 상대밀도는 매우느슨-느슨, 자갈섞인 세립-중립모래의 상대밀도는 보통조밀, 실트질 점토의 상대밀도는 매우연약-연약, 모래섞인 자갈의 상대밀도는 조밀로 판단된다. 풍화토층의 토성은 실트질 모래이며, 색조는 암갈색으로 매우조밀한 상대밀도를 보인다. 풍화암층의 토성은 미고결 이암으로 판단되며, 타격 시 실트질 모래로 분해되는 경향을 보인다. 코어회수율은 93%이며, 암질지수는 12%로 나타난다. 연암층의 토성은 미고결 이암으로 색조는 암갈색, 매우심한풍화-보통풍화의 풍화정도를 보인다. 강도는 매우약함-보통강함, 균열정도는 매우심한균열-보통균열로 나타났다. 연암층의 코어회수율은 90%이며, 암질지수는 18%이다.

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Fig. 4.

SPT-N value and soil profile of Site-3 (Mangcheon-ri)

Table 3.

Details of standard penetration test

Site Hole
number
Depth
(G.L. -m)
Ground water level
(G.L. -m)
Site 1 SD-1 54.3 1.2
Site 2 MC-1 25.0 0.3
Site 3 HA-1 36.0 0.2

Site-3(A-1 시추공, Fig. 5)는 포항시 북구 흥안리 848 현장에서 G.L. -36.0m까지 굴진을 수행하였다. 전답토층의 토성은 모래섞인 점토이며, 색조는 황갈색-암갈색이다. N 값은 3/30-6/30으로 연약-보통견고의 상대밀도를 갖는다. 퇴적층에서의 토성은 점토질 모래, 자갈섞인 실트질 모래, 실트질 점토, 모래섞인 자갈, 실트질 모래 순으로 구성되어 있으며, 색조는 암갈색-암회색, 황갈색-암회색이다. 상부 점토질 모래의 N 값은 1/30으로 매우느슨한 상대밀도를 갖는다. 자갈섞인 실트질 모래의 N 값은 13/30-15/30으로 보통조밀한 상대밀도를 갖으며, 실트질 점토의 N 값은 1/30-3/30으로 매우연약-연약한 상대밀도를 보이고 있다. 모래섞인 자갈의 N 값은 35/30-36/30으로 조밀한 상대밀도를 갖는다. 풍화토층의 토성은 실트질 모래이며, 색조는 암갈색, 상대밀도는 조밀-매우조밀, N 값은 36/30-50/19이다. 풍화암층의 토성은 미고결 이암으로 색조는 암갈색, 풍화정도는 완전풍화, N 값은 50/8-50/4이다. 연암층은 미고결 이암으로 구성되어 있으며, 색조는 암갈색, 풍화정도는 매우심한풍화-보통풍화, 강도는 매우약함-보통강함, 균열정도는 매우심한균열-보통균열로 나타나며, 코아회수율을 80-100%, 암질지수는 22-48%로 나타났다.

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Fig. 5.

SPT-N value and soil profile of Site-3 (Heungan-ri)

SPT 에너지 효율 시험결과는 Table 4와 같다. 에너지 효율 시험은 심도 G.L. -2-45.8m까지 총 557회를 수행하였으며, 에너지 전달율은 65.7-90%의 범위로 나타나, 평균값인 77%를 에너지 전달율로 적용하여 식 (1)에 따라 표준관입시험에서 얻어진 타격횟수(N)을 N60으로 환산하였다. Site 2, 3에 대해서는 동일 장비 사용 등으로 인해 동일 에너지 효율이 나타났을 것으로 가정하여 분석을 진행하였다.

Table 4.

Rod energy transfer test result

Site Hole number Depth
(G.L. -m)
Blow number Average rod energy transfer ratio
(%)
Site 1 SD-1 2-45.8 557 77.0

2.4 콘관입 및 소산시험

Fig. 6은 각 지점에서의 콘관입 및 소산시험 결과를 나타낸다. 모든 지점은 포화유지를 위해 각각 심도 G.L. -2.5m, 0.25m, 0.26m까지 굴착한 후 지하수위 이하에서 시험을 진행하였다. 조사결과를 보면 같은 위치에서 수행한 국립재난안전연구원(이하 재난연) 조사결과와 유사한 결과를 나타냈다(NDMI, 2017). Site 1 및 3의 경우 재난연에서 수행한 결과 중 콘 관입저항이 갑자기 크게 변하는 영역이 있는데 이는 큰 자갈 등에 닿았기 때문으로 판단되며, 그 외의 결과는 대체적으로 본 연구에서의 조사결과와 유사한 것을 알 수 있다. 각각의 지점별로 살펴보면, Site 1의 경우 15m부터 존재하는 점토층에서 관입저항이 급격히 감소하고 간극수압이 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 Site 2(심도 9.8-13.8m), Site 3(심도 6.2-11.1m)에서도 동일하게 관찰되었다.

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Fig. 6.

Cone penetration test result

2.5 밀도검층

Fig. 7은 각 지점에서의 밀도검층 결과를 나타낸다. 밀도검층의 경우 사용되는 Probe와 Probe 하반부에 설치된 방사능물질 Source 까지의 총 길이가 2.75m이기 때문에, 지표면부터 2.75m까지의 자료는 측정이 불가능하다. Site 1에서 산출된 지층별 밀도 값은 실트 섞인 세립 모래로 구성된 퇴적층(심도: 0.0-15.0m)은 1.74g/cm3, 실트질 점토로 구성된 퇴적층(심도: 15.0-44.0m)은 1.83g/cm3, 자갈 섞인 실트질 모래로 구성된 퇴적층(심도: 44.0-51.0m)은 2.03g/cm3, 풍화암층(심도: 51.0-51.3m)은 2.10g/cm3, 연암층(심도: 51.3-54.3m)은 2.36g/cm3이다. Site 2의 경우 지층별 평균 밀도 값은 점토 및 자갈섞인 실트질 모래로 구성된 매립층(심도: 1.3-5.2m)은 1.62g/cm3, 점토, 모래 및 자갈로 구성된 퇴적층(심도: 5.2-16.8m)은 1.79g/cm3, 실트질 모래의 풍화토층(심도: 16.8-18.0m)은 1.94g/cm3, 풍화암층(심도: 18.0-19.0m)은 2.09g/cm3, 연암층(심도: 19.0-25.0m)은 2.24g/cm3이다. 마지막으로 Site 3의 경우 지층별 평균 밀도 값은 점토, 모래 및 자갈로 구성된 퇴적층(심도: 2.7-12.9m)은 1.87g/cm3, 실트질 모래의 풍화토층(심도: 12.9-30.0m)은 2.06g/cm3, 풍화암층(심도: 30.0-31.1m)은 2.14g/cm3, 연암층(심도: 31.1-36.0m)은 2.35g/cm3로 나타났다. 밀도검층결과는 약간의 차이는 있으나 재난안전연구원에서 수행한 결과와 유사한 경향을 보였다(NDMI, 2017).

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Fig. 7.

Density logging test result

2.6 다운홀테스트

Fig. 8은 각 지점에서의 다운홀테스트 결과이다. Site 1의 지층별 평균 탄성파 속도(S파)는 실트 섞인 세립 모래로 구성된 퇴적층(심도: 0.0-15.0m)은 151m/sec, 실트질 점토로 구성된 퇴적층(심도: 15.0-44.0m)은 165m/sec, 자갈 섞인 실트질 모래로 구성된 퇴적층(심도: 44.0-51.0m)은 392m/sec, 풍화암층(심도: 51.0-51.3m)은 423m/sec, 연암층(심도: 51.3-54.3m)은 881m/sec으로 나타났다. Site 2의 경우 S파의 지층별 평균 탄성파 속도는 점토 및 자갈섞인 실트질 모래로 구성된 매립층은 189m/sec, 점토, 모래 및 자갈로 구성된 퇴적층은 202m/sec, 실트질 모래의 풍화토층은 396m/sec, 풍화암층은 502m/sec, 연암층은 918 m/sec으로 나타났다. 마지막으로 Site 3의 지층별 평균 S파 속도는 점토, 모래 및 자갈로 구성된 퇴적층(심도 : 1.3-12.9m)은 187m/sec, 실트질 모래의 풍화토층(심도: 12.9-30.0m)은 592m/sec, 풍화암층(심도: 30.0-31.1m)은 887m/sec, 연암층(심도: 31.1-36.0m)은 950m/sec으로 나타났다. 다운홀테스트 결과와 밀도검층으로 획득한 밀도를 이용하여 산출한 동적 물성치를 정리하면 Table 5와 같다. 행정안전부(Ministry of the Interior and Safety, 2018)에서 제시한 지반 분류 체계를 토대로 각 site 별로 지반 분류를 수행한 결과, Site 1, 2, 3에서 각각 S6(부지 고유의 특성 평가 및 지반응답해석이 요구되는 지반), S3(얕고 연약한 지반), S4(깊고 단단한 지반)으로 나타났다. 다운홀테스트의 경우 재난안전연구원에서 수행한 결과와 거의 일치하는 결과를 나타냈다(NDMI, 2017). Site-3의 경우 약 15m 부근부터 약간의 차이가 발생하긴 하나 상부의 모래층에서는 동일한 결과를 나타냈다. 다운홀테스트의 경우 다른 지반조사방법(SPT, CPT 등)과 비교하여 조사시점 및 조사기관에 따른 편차가 상대적으로 적은 것을 알 수 있다.

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Fig. 8.

Downhole test result

Table 5.

Downhole test result and the consequent dynamic properties

Layer Depth
(m)
Vp
(m/sec)
Vs
(m/sec)
Density
(g/cm3)
Poisson
ratio
(ν)
Shear
modulus
(Gd, MPa)
Young's
modulus
(Ed, MPa)
Bulk
modulus
(Kd, MPa)
Site 1
(Songdo)
Sedimentary Layer
(fine sand with silt)
0.0-15.0 1,560 151 1.74 0.495 41 122 4,265
Sedimentary Layer
(clay)
15.0-44.0 1,677 165 1.83 0.495 51 152 5,185
Sedimentary Layer
(silty sand with gravel)
44.0-51.0 1,923 392 2.03 0.478 318 942 7,233
Weathered rock 51.0-51.3 2,269 423 2.10 0.482 383 1,135 10,523
Soft rock 51.3-54.3 2,399 881 2.36 0.422 1.869 5,315 11,370
Site 2
(Mangcheon-ri)
Landfill layer
(silty sand)
1.3-5.2 1,774 189 1.620 0.494 59 176 5,124
Sedimentary Layer
(clay, sand, gravel)
5.2-16.8 1,791 202 1.790 0.494 75 223 5,760
Weathered layer
(silty sand)
16.8-18.0 2,084 396 1.940 0.481 310 920 8,184
Weathered rock 18.0-19.0 2,166 502 2.090 0.472 537 1,582 9,289
Soft rock 19.0-24.0 2,438 918 2.240 0.417 1,926 5,460 11,018
Site 3
(Heungan-ri)
Sedimentary Layer
(clay, sand, gravel)
1.3-12.9 1,745 187 1.870 0.494 67 199 5,721
Weathered layer
(silty sand)
12.9-30.0 2,144 592 2.060 0.459 737 2,149 8,680
Weathered layer 30.0-31.1 2,270 887 2.140 0.410 1,718 4,845 8,962
Soft rock 31.1-36.0 2,522 950 2.350 0.417 2,164 6,135 12,367

2.7 전기비저항탐사

Fig. 9는 Site 1에서의 전기비저항탐사 결과를 나타낸다. 시추조사 결과 퇴적층은 크게 세립모래와 점토의 2층 구조인 것을 감안할 때 상부의 모래층의 전기비저항 값이 점토층에 비해 높게 나타난 것으로 판단된다. Line 1의 경우 세립모래와 점토의 층서 경계가 뚜렷하게 관찰되나, Line 2의 경우 모래와 점토가 일부 혼재된 것으로 보여진다. Line 1의 Dist. 120-140m 구간과 Line 2의 Dist. 50-80m 구간의 경우 상대적으로 고비저항 값을 나타나고 있는데, 이는 퇴적층의 구성성분에 기인한 것으로 판단되며, 상대적으로 모래의 함량이 많은 것으로 추정된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2020-036-09/N0990360901/images/kgs_36_09_01_F9.jpg
Fig. 9.

Electrical resistivity survey result (Site 1)

2.8 표면파탐사

표면파탐사(MASW탐사)의 해석은 기본적으로 1차원 해석이며, 하나 또는 둘 이상의 송신점 기록으로부터 분산곡선을 만들어 심도에 따른 전단파의 속도 값을 산출한다. Fig. 10은 Site 1에서 수행한 MASW탐사 결과이다. 시추조사결과와 비교하여 살펴보면 전반적으로 층서구조를 나타내며 저속도대와 같은 속도 이상대는 관찰되지 않는다. 지층에 따른 전단파 속도는 모래층(0-15m)에 비해 점토층(15-44m)이 높게 나타나고 있는데, 이는 다운홀테스트 결과의 추세와도 일치한다.

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Fig. 10.

Multichannel analysis of surface waves (MASW) result (Site 1)

지층별 전단파 속도는 실트 섞인 모래로 구성된 퇴적층(0-15m)과 실트질 점토로 구성된 퇴적층(15-44m)에서 각각 평균 전단파 속도가 151m/sec, 188.2m/sec로 나타났다. 이 결과는 앞서 언급한 다운홀테스트에서 측정된 전단파 속도와 거의 유사한 것을 알 수 있다. 조사지역의 경우 기반암 출현심도가 G.L. -51.3m이지만 표면파탐사 가탐심도를 넘어서기 때문에 기반암의 전단파 속도는 확인할 수 없었다.

2.9 지반조사별 결과 비교

본 연구에서는 2017년 포항 지진 시 액상화가 발생한 3개소에 대하여 다양한 지반조사 방법을 통해 지반특성을 평가하였다. 지반조사는 조사방법에 따른 장·단점이 있고, 얻을 수 있는 정보(물리량)가 다르다. 일반적으로 지반조사를 수행할 경우 한 가지 또는 두 가지의 방법을 사용하기 때문에 같은 위치라도 조사방법에 따라 지반조사의 결과해석이 달라질 가능성이 있다. 본 연구에서는 다양한 지반조사 방법에 따른 결과를 토대로 비교를 수행했다. 대부분의 조사 결과가 재난안전연구원에서 수행한 결과(NDMI, 2017)와 유사하였으나, 특히 다운홀테스트 결과가 높은 일치성을 보였기 때문에 포항시 3개소에서 진행한 SPT, CPT 결과를 기존에 제안된 상관식을 바탕으로 전단파속도(Vs)로 변환하여 서로 다른 지반조사방법에 따른 결과를 비교하였다. Table 6과 7은 각각 SPT 및 CPT 결과로부터 전단파 속도를 추정하는데 활용한 식을 나타낸다. 상관식은 제안자에 따라 결과의 편차가 존재하기 때문에 토층별로 각각의 식을 활용하여 전단파 속도를 산출한 뒤 평균값을 대푯값으로 설정하였다.

Table 6.

Correlation between SPT and shear wave velocity

Soil type Equation Note
Sand 82.01N600.319 Sun et al. (2008)
128.3N600.386 Jeong (2009)
173.9N600.176 KLHC (2009)
Clay 187.3N600.128 Jeong (2009)
151.2N600.225 KLHC (2009)
Weathered rock 107.94N600.418 Sun et al. (2008)
Table 7.

Correlation between CPT and shear wave velocity

Soil type Equation Note
Clay 3.18qc0.549fs0.025 Hegazy and Mayne (1995)
11.9qc0.269fs0.108D0.127 Piratheepan (2002)
1.75qc0.627 Mayne and Rix (1995)
0.1qc Jaime and Romo (1988)
2.944qc0.613 Long and Donohue (2010)
Sand 134.11+0.0052qc Sykora and Stokoe (1983)
12.02qc0.319fs-0.0466 Hegazy and Mayne (1995)
25.3qc0.103fs0.029D0.155 Piratheepan (2002)

Fig. 11은 각 지점의 SPT, CPT 조사 결과를 전단파 속도로 변환 한 결과를 나타낸다. SPT 및 CPT의 경우 관입 시 자갈 등을 만나게 되면 일시적으로 값이 커지는 경우가 발생하는 현상이 존재한다. 이러한 점을 고려하면 SPT 및 CPT로부터 얻어진 전단파 속도가 다운홀테스트에서 얻어진 결과와 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 특히 모래층이 두껍게 형성되어있는 Site 1(송도동)의 경우 일치도가 더욱 높게 나타났다. SPT 결과는 평균으로부터 얻어진 결과와 선창국(2008, 모래) 및 정남훈(2009, 점토)에 의해 제안된 방법으로 평가한 결과를 같이 나타냈다. 결과를 보면 여러 가지 상관식의 평균값의 경우 전체적인 경향은 일치하나 전단파속도의 차이가 상당히 큰 것을 알 수 있다. 반면 선창국(2008)정남훈(2009)에 의해 제안된 산정식을 이용한 경우 다운홀테스트 결과와 좀 더 일치하는 결과가 도출되었다. 위 결과로부터 지반조사방법에 따라 큰 차이는 발생하지 않는 다는 것을 알 수 있다. 다만, 각 지반조사로부터 얻어진 결과를 변환할 때 사용하는 상관식에 따라서 그 결과가 크게 달라질 수 있기 때문에 적절한 상관식을 선택하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.

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Fig. 11.

Comparison of shear wave velocity resulted from diverse site investigation method

3. 실내실험

3.1 시험장비

반복삼축시험은 Fig. 12와 같이 미국 Geocomp사의 LoadTrac-II 시험장비를 이용하여 수행되었으며, 시험 중에 FlowTrac-II 장비(공기압 및 수압 조절 장치)를 이용하여 구속압 및 배압을 적용하였다. 셀(cell) 내부는 시료 상부와 하부에 각각 캡(cap)과 바닥판이 위치하도록 구성되어 있으며, 캡과 바닥판에 추가적으로 다공질의 스톤(porous stone)을 설치하여 시료의 유출을 방지하였다. 상부의 캡은 로드(rod)와 연결되어 시료에 연직응력을 가할 수 있도록 하였으며, 시료의 외부에는 멤브레인(membrane)을 설치하여 셀 내부의 물이 시료 내부에 유입되는 것을 방지하였다. 시험 중에 로드셀, LVDT(Linear variable differential transformer) 및 간극수압계를 설치하여, 시료에 가해지는 연직 응력, 변위 및 내부 간극수압을 지속적으로 측정하였다.

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Fig. 12.

Testing apparatus for cyclic triaxial tests

3.2 시험시료 및 방법

본 연구에서는 Site-1(송도동)의 심도 1.0-1.8m에 해당하는 빈입도 모래(SP)를 시료로 사용하였으며, 시료의 물성치는 Table 8과 같다. 시료는 직경 71.5mm, 높이 143mm의 크기로 재성형하였으며, ASTM D5311 기준에 의거하여 저다짐법(Ladd, 1978)으로 상대밀도 60%에 맞춰 다짐을 수행하였다. 각 시료는 B-value가 0.95를 넘으면 포화상태로 간주하고 유효구속압 100kPa로 압밀하였다. 압밀 이 완료 된 시료를 대상으로 정현파를 이용하여 0.1Hz의 속도로 반복하중을 가하였다. 반복재하 중 양방향 축변형률이 5%에 도달하면 액상화 발생으로 간주하고 실험을 종료하였다(De Alba et al., 1976; Ishihara and Yamazaki, 1980; NRC, 1985; Vaid and Sivathayalan, 1996; Yoshimi et al., 1984). 시험 조건은 Table 9와 같다.

Table 8.

Physical properties of Pohang sand (Site 1 : 1.0-1.8 m)

Sand D10
(mm)
D30
(mm)
D60
(mm)
Cu Cc Gs emax emin
Pohang sand 0.12 0.17 0.23 1.92 1.05 2.50 0.90 0.64
Table 9.

Test conditions of cyclic triaxial test

Test No. Sand Effective confining stress
(kPa)
Wave type Frequency
(Hz)
Dr
(%)
CSR
1 Pohang sand 100 Sine wave 0.1 60 0.18
2 0.16
3 0.14
4 0.13

3.3 시험 결과

각 시험 별로 연직 반복 하중 재하 중 발생하는 축변형률 및 과잉간극수압을 토대로 다음과 같은 결과를 확인하였다: (1) 반복횟수에 따른 연직변형률, (2) 반복횟수에 따른 과잉간극수압, (3) 응력-변형률 곡선, (4) 유효응력 경로. 각 CSR 별 결과는 대체로 유사한 거동을 보였으며, 대표적 예시는 Fig. 13과 같이 도시하였다(목표 상대밀도 60%, CSR=0.14). 연직 변형률의 경우, 반복 하중 재하 횟수가 증가함에 따라 점진적으로 증가하는 경향이 나타났다(Fig. 13(a)). 다만, 각 하중 재하 단계에서 압축 시보다 인장 시에 연직변형률이 더 크게 나타났는데, 이는 일반적으로 흙이 압축에 대한 저항성보다 인장에 대한 저항성이 더 작기 때문인 것으로 확인된다. 과잉간극수압 역시, 압축과 인장 하중이 반복적으로 재하됨에 따라, 점진적으로 증가하여 액상화 발생 시점에서는 100kPa로 확인되었다(Fig. 13(b)). 이를 통해 과잉 간극수압이 증가함에 따라 유효응력이 0kPa까지 감소하여 액상화가 발생하는 현상을 확인할 수 있었다. 반복 재하 중에 확인된 전단응력-축변형률 곡선과 유효응력 경로의 경우, 모든 구간에서 입력한 CSR 값에 정확하게 도달하였다(Fig. 13(c), (d)). 같은 상대밀도로 조성된 시험에서 첫 정현파가 1/4 지점에 도달할 때까지의 유효응력 경로가 유사한 거동을 나타내었으며, 이를 통해 시료의 재현성이 충분함을 확인할 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2020-036-09/N0990360901/images/kgs_36_09_01_F13.jpg
Fig. 13.

Cyclic triaxial test results (Test 3)

Table 10은 각 시험 조건 별 액상화 발생 시점까지의 반복 재하 횟수를 나타낸다. 가해지는 반복전단응력비에 대한 액상화 발생 시점에서의 반복 재하 횟수의 관계를 토대로 Fig. 14와 같이 액상화 저항 곡선을 도시하였다. 액상화 저항 곡선은 관련 연구에서 주로 사용되는 Idriss and Boulanger(2008)이 제안한 급수함수 형태의 경험식을 적용하였다.

Table 10.

Results of cyclic triaxial test

Relative density 60%
Test No. 1 2 3 4
Nliq 4.8 7.9 19.8 19.9
CRR 0.154
http://static.apub.kr/journalsite/sites/kgs/2020-036-09/N0990360901/images/kgs_36_09_01_F14.jpg
Fig. 14.

Liquefaction resistance curves for Pohang sand

액상화 저항 곡선을 통해 액상화 저항강도(CRR)를 산정할 수 있는데, 국내의 경우 액상화 저항강도(CRR)를 반복 재하횟수 10회 시의 반복전단응력비(CSR)으로 정의하고 있으며(해양수산부, 2018), 이는 지진규모 6.5에 해당하는 액상화 발생 시를 나타낸다. 상대밀도 60%에서 포항 모래의 액상화 저항강도(CRR)는 0.154로 나타났다(Table 10, Fig. 14). 포항 모래의 액상화 저항강도(CRR)을 일반적으로 사용하는 실내시험 시료인 주문진 표준사, Toyoura 모래, Ottawa 모래의 액상화 저항강도(CRR)와 비교한 결과, 본 연구에서 사용된 포항 모래의 경우 기존에 주로 사용되던 모래에 비해 액상화 저항강도(CRR)이 작게 나타났다(Carraro et al., 2003; Choi et al., 2005; Asadi et al., 2018). 이를 통해 포항 지역에서 채취한 흙으로 구성된 지층이 액상화에 취약하다는 사실을 확인할 수 있었다(실제 액상화 발생 현장).

4. 결 론

본 연구에서는 2017년 포항 지진 시 국내 계기지진 이후 최초로 액상화 현상이 발생한 포항시북구의 송림공원, 흥해읍 망천리, 흥해읍 흥안리를 대상으로 표준관입시험, 콘관입시험, 표면파탐사(MASW), 다운홀테스트, 전기비저항탐사, 밀도검층을 수행하였다. 또한 현장에서 채취한 시료를 대상으로 진동삼축압축 시험기를 활용하여 액상화 강도 시험을 실시하였다. 모든 결과는 2017년 국립재난안전연구원에서 수행한 지반조사 결과와 비교하였고, 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 본 연구에서 수행한 SPT, CPT, 다운홀테스트, 밀도검층의 결과는 국립재난안전연구원에서 수행한 조사와 대체적으로 유사한 결과를 나타냈다. SPT 및 CPT의 경우 관입 시 자갈 등 장애물의 영향에 의해 편차가 크게 나타났으나 전단파를 직접 측정하는 다운홀테스트의 경우 국립재난안전연구원 결과의 거의 일치하는 결과를 나타냈다. 이를 통해 본 연구에서 수행한 지반조사는 충분히 신뢰성이 있다고 판단된다.

(2) 지반조사를 수행한 3개 지점 모두 지표면에서 10m 이내에 SPT-N값이 10 이하의 느슨한 모래층이 존재하고, 지하수위가 G.L.-0.2-1.2m로 상당히 높은 점으로부터 액상화가 발생할 가능성이 매우 높은 것을 알 수 있다.

(3) SPT, CPT, 다운홀테스트를 통해 얻어진 물리량은 서로 다르나 기존에 제안된 상관식을 활용하여 전단파 속도로 변환 후 비교하면 대체적으로 유사한 결과를 나타냈다. 다만, 제안된 상관식에 따라 결과의 편차가 상당히 존재하기 때문에 충분한 검토가 필요하다. 특히 SPT시험 결과의 경우 모래 및 점토에서 각각 Sun 등(2008)Jeong(2009)에 의해 제안된 산정식이 CPT 및 다운홀테스트와 가장 유사한 결과를 나타냈다.

(4) 포항시 송림공원에서 채취한 모래의 액상화 저항강도(CRR)는 기존에 주로 사용되던 주문진 표준사, Toyoura 모래, Ottawa 모래에 비해 작게 나왔으며, 이를 통해 포항지역에서 채취한 모래가 주문진 표준사 등에 비해 액상화에 취약하다는 사실을 확인할 수 있었다.

본 연구는 현장시험 결과와 실내시험 결과를 제시하였으며, 이를 통해 포항 지역에서의 전반적인 액상화 관련 특성을 확인할 수 있었다. 다만, 자세한 액상화 저항 특성에 대한 내용은 별도의 논문에서 추가적인 실내시험 결과를 활용하여 고찰하고자 한다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 / 국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었습니다(과제번호 20SCIP-C151438-02). 이에 깊은 감사를 드립니다.

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