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Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강공법 개발
  • 게시일2021-03-24
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Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강공법 개발

 

 

▲ 한진태 인프라안전연구본부 연구위원

 

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들어가며


우리나라는 지진이 자주 발생하는 미국, 일본 등에 비하여 비교적 지진에 안전한 지역이라고 알려져 왔지만 2016년 경주 지진, 2017년 포항 지진으로 인하여 지진에 대한 국민적 관심과 우려가 커지고 있다. 특히 지난 2017년 포항지진으로 인해 1978년 이후 국내 지진계기 관측 사상 최초로 지반 액상화 현상이 발생하였다. 액상화 현상은 일반적으로 모래로 구성된 지하수 아래의 포화된 지반이 지진과 같은 반복하중에 의해 고체에서 액체와 유사한 상태로 변해 지지력을 잃는 상태를 말한다. 따라서 액상화가 발생한 지반 위에 구조물이 있을 경우 침하, 떠오름 등에 따른 피해가 발생할 수 있다.

 

그림 1 포항 지진 시 액상화 현상 사례


미국, 일본, 뉴질랜드 등에서는 이러한 지진발생 시 액상화 현상으로 인해 건축물 및 인프라 구조물에 많은 피해가 발생한 바 있으며, 국내에서도 액상화 현상과 관련하여 포항 지진 이전에 삼국사기, 조선왕조실록, 승정원일기 등에서 피해 사례가 기록된 바 있다. 정부는 2018년 지진방재 개선대책을 통해 지진 연구 개발을 강화하면서 액상화에 대해서는 설계 기준 개선 및 액상화 위험지도를 작성하는 연구를 추진하기로 하였다. 한국건설기술연구원에서도 2018년부터 2020년까지 임무형 주요사업으로 ‘Tech-lead형 액상화 피해 예측 가시화 시스템 및 고효율·저비용 액상화 보강 공법 개발’ 과제를 수행한 바 있다. 이 글에서는 연구과제에서 개발된 핵심 성과 및 향후 활용 방안에 대해 소개하고자 한다.

 

그림 2 연구 목표

 

 

지반 액상화 위험지도


액상화 위험지도를 작성하기 위해서는 액상화 평가를 위한 기본 지반 물성 데이터 수집, 데이터 품질 확보, 액상화 평가, 액상화 평가 지수 표출의 단계를 거쳐야 하며, 각 단계에 대한 표준화를 통해 국내 실정에 적합한 액상화 위험지도를 구축할 수 있다. 기본 데이터로 액상화 평가 대상 지역의 토질정보가 수집되어야 하는데, 한국건설기술연구원에서는 국토교통부의 위탁을 받아 지반조사 성과의 정확한 구축, 국가예산 절감 및 업무 효율화 등을 위하여 국토지반정보 포털시스템(www.geoinfo.or.kr)을 운영하고 있다. 지반조사 성과발생 현장에서 직접 전산 입력하도록 하고, 시추정보 활용·유통을 위한 유통체계를 구축하였는데, 현재 전국 29만여 공의 시추정보가 수집되어 있다. 따라서 국토지반정보 포털시스템을 이용하여 해당 지역의 토질정보를 기본 데이터로 수집할 수 있으며, 자료 검증 및 데이터 미확보 지역의 자료 확보를 위해서는 추가 시추조사를 수행하여야 한다.

 

그림 3 2차원 액상화 위험지도 예


확보된 지반 정보에 대해 신뢰도를 높이기 위한 품질 관리 절차를 진행한 뒤, 액상화 평가를 수행하게 된다. 액상화 평가는 지진하중과 지반의 액상화 저항성을 비교하여 안전율 값으로 나타내게 된다. 액상화 안전율은 지중의 특정 깊이(특정 지층)에서 액상화 발생유무를 나타내는 값이다. 하지만 지중에서 발생한 액상화가 항상 지표면까지 영향을 미치는 것은 아니며, 지표 1m 이하에서 액상화가 발생했을 경우와 지표 10m 이하에서 액상화가 발생했을 경우 지표면에 미치는 영향은 다르다. 또한, 액상화 위험지도를 작성하기 위해서는 3차원 데이터인 깊이 방향의 액상화 안전율을 지표에서의 대푯값인 2차원 데이터로 변환할 필요가 있다.


Iwasaki 등은 액상화 안전율에 심도에 따른 가중치를 곱하고 이를 적분하여 얻어지는 LPI(Liquefaction Potential Index)를 제안하였고, 이값을 이용하여 2차원 액상화 위험지도를 작성하였다. 본 연구에서는 세계 최고 수준의 해상도를 갖는 격자망 크기(250m×250m)로 2차원 액상화 위험지도를 작성하였다. 또한, 지중 내 20m 깊이까지 1m간격으로 지반의 액상화에 대한 안전율 정보가 표출되는 3차원 액상화 위험지도를 작성하였다.

 

그림 4 3차원 액상화 위험지도 예

 

 

액상화 위험지도 가시화 시스템


본 과제에서는 앞서 소개한 2차원 및 3차원 액상화 위험지도 작성 기술을 바탕으로, 지반 정보DB인 국토지반정보 포털시스템과 연계된 액상화 평가 및 가시화 자동화 시스템을 개발하였다. 액상화 평가 및 가시화 자동화 시스템은 시추정보 추출, 시추정보 품질 확보, 지반응답해석, 액상화 평가, 위험지도 작성 및 국토지반정보포털시스템 연계 등 일련의 과정을 자동화하였다.


국토지반정보 포털시스템과 연계된 액상화 평가 및 표출 자동화시스템은 기초 정보인 시추정보가 업데이트 될 경우 액상화 위험지도도 빠르게 갱신할 수 있다. 따라서 지진재난 대책 관련 전문가들이 보다 편리하게 액상화 관련 정보를 활용할 수 있게 되며, 3차원 액상화 위험지도는 지진 시 지중 내 안정성을 평가하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.

 

그림 5 국토지반정보 포털시스템과 연계된 액상화 위험지도

 

 

액상화 지반 보강 공법


본 과제에서는 액상화 위험지도 개발과 더불어, 방향성 굴착기술을 활용하여 기존구조물 하부의 액상화 위험지반을 경제적이며 효율적으로 보강할 수 있는 새로운 액상화 보강공법을 개발하였다. 액상화보강 그라우팅에 특화된 방향성 굴착장비를 신규 제작하였으며, 액상화 위험도가 높은 지반을 대상으로 장비의 성능검증 및 현장실험을 통한 액상화 보강효과를 분석하였다. 현장실험 결과 신규 제작된 액상화 보강용 방향성 굴착장비의 굴착성능은 확보한 것으로 나타났다.


노후된 실제 학교 건축물을 대상으로 기존 보강공법과 신규 개발한 액상화 보강공법의 경제성 및 효율성을 비교 분석한 결과, 기존 공법 대비 약 18.5%의 비용절감 효과가 있음을 확인하였다. 공사시간은 기존 보강공법 대비 약 8.4% 절감되므로 신규 보강공법의 작업효율이 더 뛰어남을 알 수 있었다.


또한, 액상화 보강 그라우팅 공법에서 약액 그라우팅과 압밀 그라우팅 설계 및 적용 시 고려해야 하는 주요 영향 인자를 선별하였으며, 약액 그라우팅과 압밀 그라우팅에 대하여 각각 수치해석과 축소모형실험을 수행하여 보강 지반 조건에 따른 구근의 침투·팽창 범위 및 형상, 유효 반경을 평가하였다. 이를 바탕으로 실제 액상화 취약지반 보강을 위한 그라우팅 공법 시공 시 참고해야 할 그라우트 주입 가이드라인을 정립하였다.

 

그림 6 방향성 굴착에 의한 액상화 보강 공법 개요

 

 

맺음말


지진 시 최초로 보고된 지반 액상화 현상은 우리나라에서도 지진이상부 구조물 뿐만 아니라 기초 지반에도 심각한 피해를 일으킬 수 있음을 보여준 사례이다. 액상화 위험지도는 내진설계를 위한 예비평가로 활용 가능하며, 지진 발생 이후에는 육안으로 확인 불가능한 지중 내 피해 상황을 예측할 수도 있다. 따라서 국내 액상화 위험지도 구축 및 표준화는 필수적이며, 지진 발생이 빈번하고 액상화가 발생하기 쉬운 매립 지반이나 모래층으로 이루어진 지역부터 순차적으로 작성이 이루어져야 한다.


이 글에서 소개한 3차원 지진 액상화 위험지도는 국토교통부 사업인 ‘지하공간통합지도’와 연계하는 연구도 진행중이다. 이를 통해서는 지표면 아래 매설된 각종 상하수도나 통신장비 등의 지진 피해를 예측하고 사전 대책을 체계적으로 수립할 수 있다. 또한 지하공간개발 및 지하안전관리 분야에서 보다 합리적이고 효율적인 체계구축이 가능할 것으로 전망된다.


향후 액상화 위험지도와 상부구조물 또는 지중구조물의 피해를 예측하는 연구도 필요하다. 현재 액상화 위험지도는 지진 시 지반의 위험성을 시각화한 기본 자료인데, 시설물의 지진 피해를 예측하는 지진피해 통합시스템 구축 시 본 자료를 활용하게 되면 더욱 정확하고 신뢰도 높은 지진 피해 예측이 가능할 것이다.

 

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