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ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.29 No.1 pp.9-20
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2025.29.1.009

Scenario-Based Liquefaction Assessment of the Nakdonggang Delta Area Using Synthetic Ground Motions

Oh Jun Su1), Kim Jaehwi2), Jeong Seokho3)*
1)Graduate Student, Department of Civil Engineering, Changwon National University
2)Graduate Student, Department of Civil and Natural Resources Engineering, University of Canterbury
3)Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Changwon National University
*Corresponding author: Jeong, Seokho E-mail: seokho.jeong@changwon.ac.kr
October 25, 2024 November 20, 2024 November 21, 2024

Abstract


In stable continental regions, selecting appropriate ground motions for seismic design and dynamic response analysis presents significant challenges. This study evaluates the liquefaction potential of the Nakdonggang delta region, South Korea, by generating synthetic ground motion scenarios and applying a scenario-based liquefaction assessment approach. We utilized a hybrid broadband ground motion simulation method proposed by Graves and Pitarka (2010, 2015) to create bedrock ground motions for three hypothetical earthquakes (Mw 6.2 and 6.0) occurring along the Dongrae and Miryang faults. The generated synthetic ground motions were used as input for onedimensional nonlinear site response analyses, incorporating shear wave velocity profiles derived from surface wave inversion. The simulated ground motions demonstrated higher responses at short periods and relatively weaker responses at long periods compared to the Korean design spectra. This amplification of long-period components was attributed to the dynamic response of deep sedimentary layers, while high-frequency components were generally deamplified due to damping effects in shallow silty layers. Liquefaction susceptibility was assessed using surface ground motions derived from the site response analyses, following the SPT-based simplified method proposed by Idriss and Boulanger (2008). Results indicated high liquefaction potential across most sites for the Dongrae earthquake scenario, while liquefaction was unlikely for all sites under the Miryang-1 scenario. For the Miryang-2 scenario, liquefaction was predicted at some sites. Overall, liquefaction is expected at PGA values of approximately 0.13 g or higher, with sites exhibiting lower shear wave velocities being more vulnerable to liquefaction


Ground motion , Liquefaction , Site response analysis , Seismic design , Seismic hazard

인공합성 지반 운동을 활용한 낙동강 삼각주 지역의 지진 시나리오 기반 액상화 평가

오준수1), 김재휘2), 정석호3)*
1)창원대학교 토목공학과 석사과정
2)University of Canterbury 토목공학과 박사과정
3)창원대학교 토목공학과 조교수

초록

    1. 서 론

    한반도는 유라시아 판 내부에 위치하며 안정 대륙권(SCR)으로 분류된다[1]. 또한, 필리핀 판, 태평양 판, 북미 판과 경계를 공유하고 있으며, 그 경계로부터 약 400 km 떨어져 있다[2]. 한국은 일본과 미국 같은 판 경계에 위치한 국가들에 비해 지진 발생 빈도가 낮은 것으로 알려져 있지만, 2017년 ML5.4 포항 지진(MW= 5.4)과 2016년 ML5.8 경주 지진(MW= 5.5)과 같은 중규모 이상의 지진이 발생함에 따라 지진에 대한 지속적인 관심과 대비가 필요하다. 이 중 2017년 ML5.4 포항 지진은 상대적으로 작은 규모임에도 불구하고 얕은 진원 깊이와 지층 구성으로 인하여 상당한 피해를 야기하 였으며, 피해 유형에는 액상화, 측방 유동, 지반 침하, 건물 파괴 및 외장재 손상 등이 확인되었다[3].

    한반도 동남권 일대와 낙동강 삼각주 지역은 홀로세 퇴적작용으로 인하여 느슨한 모래, 실트질 점토가 넓고 깊게 분포하는 것으로 알려져 있다. 이는 지진 발생 시 상당한 지반 운동 증폭을 초래할 수 있다. 또한 해당 지역 일대에는 양산, 밀양, 울산 단층과 같은 활성 단층이 존재한다고 알려져있다. Choi et al.[4]에 따르면, 한반도의 대부분의 활성 단층은 동남권 일대에서 관찰되었으며, 이 지역에서 발생 가능한 최대 규모는 약 6.0으로 추정되었다. NEMA[5]에서 발행한 지진 목록에 따르면, 이 지역에서 기록된 역사상 최대 지진 규모는 6.2였다. Park et al.[6]은 한반도 동남권 일대의 지역에서 지진 위험 수준이 높을 것으로 예상하였다. 이러한 특성으로 인하여 다수의 선행 연구에서는 낙동강 삼각주 지역에서의 액상화 발생 가능성이 높을 것이라고 예측하였다[7,8].

    국내의 액상화 평가는 반복전단응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)와 반복저항응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)를 활용한 간편법을 사용하 여 평가되도록 명시하고 있다. CRR은 일반적으로 현장 시험 결과(SPT-N, CPT-qC, Vs)를 사용하여 산정되며, CSR은 표면에서의 최대 지반 가속도 (Peak Ground Accelerataion, PGA)를 사용하거나 지반응답해석을 통하여 산정된다. 국내 내진 설계 기준[9,10]에 따르면, 액상화 평가를 위해서는 기반암에 대해 작성된 시간이력을 사용하여 지반 응답 해석을 수행해야 한다. 지반 응답 해석을 수행할 때에는 기반암의 설계지반운동이 필요하다. 이 때, 사용되는 지반운동은 실 지진 기록을 활용한 시간 이력 또는 인공합성 지반 운동을 사용할 수 있다. 실 지진 기록은 국내 지진환경과 유사한 판 내부 지역에서 계측된 기록을 선택하도록 되어있다. 그러나 실무에서 이러한 요구 사항을 충족하는 것은 어려움이 있다. 이는 유사한 지질 구조를 가진 지역의 지진 기록이 매우 제한적이기 때문이다. 또한 선정된 지진 기록은 암반 지반의 표준설계응답스펙트럼에 맞추어 수정 적용해야 하나 Jang et al.[11] 에 따르면 각 주기 영역에서 스펙트럼 가속도를 조정할 때 왜곡이 발생할 수 있다고 알려져 있다. 이에 따라 인공합성 지반운동이 대안으로 사용되고 있지만, 인공합성 지반운동 역시 국내 지진 환경을 반영하기 어렵거나 특정 조건에서 신뢰성에 한계가 있을 수 있다.

    이러한 한계점을 보완하기 위해 최근 몇 년 동안 인공합성 지반 운동 생성 이론과 방법이 크게 발전하였으며, 이 분야는 빠르게 물리 기반 방법으로 발 전하고 있다[12-17]. 특히, Graves and Pitarka[16,17]가 제안한 광대역 지반운동 시뮬레이션은 저주파(f < 1 Hz)영역에서는 물리 기반 3차원 시뮬레이션을, 고주파(f > 1 Hz) 영역에서는 간소화된 추계학적 방법을 사용한 시뮬레이션을 결합하여 단일 시간 이력을 생성하는 방식이다. 이러한 물리 기반 시뮬레이션 방법은 빠르게 발전하고 있으며, 제한적인 계측 지반 운동 데이터를 보완하여 지진 공학 및 실무에 활용할 수 있다고 평가된다.

    본 연구에서는 광대역 하이브리드 지반 운동 시뮬레이션을 통해 생성된 기반암에서의 인공합성 지반 운동과 비선형 지반 응답 분석을 사용하여 낙동강 삼각주 지역에서의 액상화 평가를 수행한 사례 연구를 제시한다. 속도 모델과 시뮬레이션 매개변수를 고려한 광대역 지반 운동 시뮬레이션을 사용하여 세 가지의 가상 지진 시나리오에 대한 기반암 시간이력을 생성하고, 생성된 지반 운동의 특성을 확인하였다. 그 후, 상시미동 표면파 탐사(Microtremor Array Method, MAM)을 통해 얻은 전단파 속도 주상도를 사용하여 선택된 Site에서 지표면 지반 운동을 얻기 위해 비선형 지반 응답 분석을 수행하였으며, Seed and Idriss[18]가 제안한 간편법(Simplified Method)을 기반으로 국내 내진 설계 기준에 맞추어 액상화 평가를 실시하고, 각 가상 시나리오 지진에 따른 액상화 발생 가능성을 확인하였다.

    2. 연구 방법

    본 연구는 4기 퇴적층 연약지반이 널리 발달한 낙동강 삼각주 지역을 대상으로 인근에서 강진 발생 시 액상화 발생 가능성을 분석하기 위해 광대역 지반운동 시뮬레이션을 활용하였다. 연구 대상지 인근 활성단층의 분포를 고려하여 가상지진 시나리오를 설정하여 광대역 시뮬레이션을 통해 지진파를 생성하고, 낙동강 및 서낙동강 인접 부지 5개소에서 지반응답해석을 수행 하였다. 이를 바탕으로 Seed and Idriss[18]가 제안한 간편법을 적용하여 액상화 평가를 수행하고, 각각의 위치에서 가상의 지진 시나리오에 대한 깊이별 액상화 안전율을 평가였다.

    2.1 액상화 평가 방법

    액상화 현상이란 지진 등과 같은 반복하중에 의하여 포화된 느슨한 사질토 지반에서 과잉간극수압이 발생하고 지반의 전단강도가 소실되면서 흙이 일시적으로 유체처럼 거동하는 현상을 말한다.

    전 세계적으로 지진공학 실무에서의 액상화 평가는 Seed and Idriss[18] 에 의해 제안된 간편법(Simplified Method)에 기반하여 이루어지는 경우가 대부분이다. 간편법은 지진 발생 시에 지반의 액상화 가능성을 예측하기 위해 사용되는 대표적인 경험적 접근 방법으로, 여러 조건을 정량화하여 액상화 발생 여부를 판단하는데 사용되고 있다. 국내 기준 또한 간편법에 기반하여 액상화 발생 여부를 판단하도록 되어있다.

    Seed and Idriss[18]은 액상화 발생 가능성을 깊이별 안전율로 평가하는 방법을 제안하였는데, 깊이별 안전율은 식 (1)과 같이 지진 발생 시 지반에 가해지는 응력의 크기를 나타내는 CSR과 지반의 액상화 저항 강도의 크기를 나타내는 CRR의 비로 평가한다.

    F . S = C R R C S R
    (1)

    2.1.1 CSR 계산

    CSR은 지진 동안 반복되는 전단응력과 그에 대한 유효 수직 응력의 비로 정의된다. CSR은 일반적으로 식 (2)와 같은 식으로 계산된다. 또한, CSR은 지반응답해석으로부터 산정된 지표면 최대 가속도와 응력감소계수를 이용하여 결정할 수도 있으며, 식 (3)을 통하여 산정된다.

    C S R = 0.65 τ max σ ′ υ
    (2)

    C S R = 0.65 σ υ σ ′ υ a max g r d
    (3)

    여기서, τmax는 깊이별 최대 전단응력, σ ′ υ 는 평가 깊이에서의 유효 연직 응력, amax는 지반 최대 가속도, g는 중력가속도, rd는 응력감소계수를 의미한다.

    2.1.2 CRR 계산

    CRR은 특정 하중 조건에서 지반이 액상화에 저항할 수 있는 능력을 나타내며, 액상화가 발생하기 위해 필요한 CSR값을 의미한다. CRR은 일반적으로 현장시험 결과인 표준관입시험 (SPT-N), 콘관입시험 (CPT-qC), 또는 전단파속도 (Vs)를 통하여 경험적 방법으로 결정된다. 일반적으로 규모 7.5 의 지진에 대하여 CRR이 계산되기 때문에, 다른 규모의 지진에 대해서는 액상화 평가 과정에서 규모보정계수(MSF)의 적용이 필요하다.

    표준관입시험은 다양한 종류의 지반에 적용할 수 있으며, 국내 지반공학 실무에서 널리 활용된다. 표준관입시험 결과를 이용하여 CRR 값을 정확하게 계산하기 위해서는 분석 지반의 관입 저항값을 정확하게 산정하는 것이 중요하며 이를 위하여 현장 조건에 따른 보정이 필요하다.

    본 연구는 식 (4)와 같이 Idriss and Boulanger[19]의 방법을 적용하여 유효상재압력, 해머 에너지 효율, 세립분 함유량에 대한 보정을 실시한 (N1)60CS에 근거하여 CRR을 산정하였다.

    C R R 7.5 = exp ( ( N 1 ) 60 c s 14.1 + ( ( N 1 ) 60 c s 126 ) 2 − ( ( N 1 ) 60 c s 23.6 ) 3 + ( ( N 1 ) 60 c s 25.4 ) 4 − 2.8 )
    (4)

    2.2 연구 대상 지역 및 지반 특성 분석

    2.2.1 연구 대상 지역

    낙동강 삼각주 지역은 신생대 제4기 퇴적층이 광범위하게 분포된 것으로 알려져 있다[20,21]. 이러한 퇴적층은 후기 홍적세 및 홀로세 동안의 지구 해수면 변화로 인해 형성되었다. 삼각주 내 약 50 m 깊이에 위치한 가장 오래된 퇴적층은 화강암 또는 풍화암 암반 위에 형성된 모래 및 자갈의 하천 퇴적층으로 구성되어 있다. 그 후 홀로세 해수면 상승에 따라 점토와 실트가 풍부한 해양 퇴적물이 쌓이고, 해수면이 다시 낮아지면서 현재의 삼각주 퇴적 층이 형성되었다[22].

    Kim and Jeong[23]의 선행 연구에 따르면, 이 지역의 암반 깊이는 최대 80 m에 이를 수 있으며, 느슨한 퇴적층 내에서 지진파가 갇혀서 반사되는 현상으로 인해 상당한 지반 운동의 증폭이 예상된다. 더욱이, 상부층에 실트가 풍부한 모래가 분포한 느슨한 홀로세 삼각주 퇴적물로 인해 대규모 지진 시 액상화에 취약할 수 있다.

    Fig. 1는 연구 지역 내에서 선택된 다섯 개의 Site를 보여준다. 연구 대상지를 선택하기 위해 삼각주 지역의 공간적 지질 특성을 고려하여 상류 지역과 하류 지역을 적절히 이격할 수 있도록 선정하였으며, 표면파 탐사를 통해 전단파 속도 데이터를 얻기 위한 충분한 공간을 확보 할 수 있는 곳으로 선정 하였다. 또한, 시추주상도 및 지하 수위와 같은 액상화 평가에 필요한 정보는 국토지반정보포털(https://www.geoinfo.or.kr)에서 획득하였다.

    Fig. 2는 반경 1~300 m 이내에서 가장 가까운 시추주상도를 도식화하였다. 삼각주 외곽 상류 지역에 위치한 Site 1에는 하류 지역에서 발견되는 해성 점토층이 존재하지 않음을 확인하였다. Site 2와 3에서는 상부층에 자갈이 혼합되어 있어 표준 관입 시험 값이 높았으며 Site 4와 5는 바다에 가까운 지역으로 비교적 두터운 점토층이 확인되었다. 지하수위는 전반적으로 약 1~5 m에 위치하였다.

    2.2.2 연구 대상 지역의 전단파 속도 주상도

    Fig. 3는 Kim and Jeong[23]이 도출한 자료에 기반한 전단파 속도 주상도를 보여준다. 분산 곡선을 도출하기 위해 센서 배열을 사용하는 MAM 방법에서는 측정 가능한 파장 범위가 최소 및 최대 센서 간격에 의해 영향을 받는다. 따라서 짧은 파장 범위에서의 분산곡선을 획득하기 위해 최소 배열 직경을 5 m로 설정하여 액상화 평가 과정에서 상부 20 m까지의 천부 퇴적층의 물리적 특성 변화를 반영할 수 있도록 하였다. 또한 제한된 수의 센서를 활용하여 최대한 넓은 대역폭에서 분산곡선을 도출하기 위하여 다양한 직경 (5 m, 15 m, 50 m, 150 m)의 원형 배열을 사용하여 실험을 진행하였다. 각 사이트에서의 상시미동 계측 자료를 원형 배열당 약 1시간 동안 기록하였다. 서로 다른 직경을 가진 각 배열에서 획득한 자료를 Geopsy 프로그램의 High-resolution frequency-wavenumber(HKF) 방법을 사용하여 주파수-파수 도메인 내에서 빔포밍 분석을 수행하여 레일리파 분산 곡선을 도출 하였다[24].

    전단파 속도 주상도 도출은 역해석 프로그램 Dinver[25]을 사용하였으 며 역해석 타겟으로 도출된 레일리파 분산곡선과 지반 고유진동수를 설정하였다. 역해석에서는 암반층을 전단파속도 VS = 3500 m/s를 가지는 반무한 층으로 가정하여, 지반응답에 적용되는 속도 주상도와 지반운동 시뮬레이션에 적용된 속도 모델의 연속성을 확보하였다. 또한, 전단파 속도의 역전은 퇴적층 상부에 화산암층과 같은 단단한 층이 존재하는 등 특정 지질 조건에서 발생할 수 있는데 본 연구 대상지에는 이러한 조건이 없으므로 퇴적층 내에서는 전단파 속도의 역전 현상이 발생하지 않는 것으로 가정하였다. 역해석은 각 사이트에 대해 250,000개의 트라이얼 주상도를 고려하였다. Fig. 3에서는 각 사이트에 대해 오차 값이 작은 순서대로 1000개의 VS프로필을 나타내었다. 각 Site에서 misfit 값이 가장 작은 주상도를 굵은 선으로 표시하였으며, 이는 액상화 평가를 위한 지반 응답해석에 사용되었다.

    Table 1은 도출된 전단파 속도 주상도를 기반으로 계산된 선택된 Site의 VS30 및 VS,Soil 값을 나타내며, 각각 상부 30 m 및 암반 위의 전체 토양에서의 평균 전단파 속도를 나타낸다. Site 1과 5는 상대적으로 지표면 근처에서 높은 전단파 속도를 보였으며, 이는 VS30 값에서도 확인할 수 있다. 반면, Site 4는 가장 낮은 VS30 값을 보였으나, VS,Soil 값은 상대적으로 높았다. 도출된 전단파 속도주상도에서 추정된 연구 지역의 암반 깊이는 일반적으로 50~90 m 범위로 나타났다. 또한 낙동강 삼각주 지반에서 전단파 속도와 암반 깊이는 하류 지역으로 갈수록 증가하는 경향을 보였으며, 이는 삼각주 외곽에 위치한 Site 1을 제외한 모든 사이트에서 확인되었다.

    2.3 광대역 하이브리드 지반 운동 시뮬레이션

    Graves and Pitarka[16,17]가 제안한 하이브리드 광대역 지반 운동 시뮬레이션 방법은 저주파 및 고주파 영역에서 별도로 지반 운동을 계산한 후 이를 결합하여 단일 시간 이력을 생성하는 방식이다. Fig. 4은 시뮬레이션의 흐름을 개괄적으로 보여준다.

    1 Hz 이하의 저주파수 대역에서는 단층 파열을 여러개의 부분단층으로 나누어 단층의 크기 효과를 고려한 운동학적 모델과 지각의 3차원 속도 구조를 고려하여 유한 차분법을 사용해 직접 파동 방정식을 풀었다. 1 Hz 이상의 고주파 대역에서는 단층을 여러 개의 부분 단층로 나누어 단층의 크기 효과를 고려하고, 각 부분단층의 지진원은 Brune[26]의 지진원 스펙트럼 모델로 구현하였다. 고주파 대역의 경로 효과는 남한 지역의 1차원적 지각 속도 모델에 대한 그린 함수(Green’s fuction)를 적용하여 반영하였다.

    저주파 대역 유한 차분 시뮬레이션에서는 Kim et al.[27]이 제안한 한반 도 남부 지역의 3차원 지각 속도 모델을 적용하였다. 지각 내부에서 지진파 의 감쇠 정도에 영향을 미치는 Q값은 전단파 속도에 비례하는 것으로 가정 하였으며, 본 연구에서는 QS = 150VS, QP = 2QS를 가정하였다. 점지진원 가정은 지진의 규모가 충분히 큰 경우에 지진원 근처에서 지반 운동을 정확히 재현하지 못할 수 있으므로, 본 연구에서는 Leonard[28]가 제안한 안정 대륙권(Stable Continental Region, SCR)의 지진 규모-단층 면적 상관관계를 사용하여 운동학적 유한단층 모델을 생성하였다. 유한단층 모델 생성 시 Graves and Pitarka[16,17]의 방법을 적용하여 단층 파열의 무작위성을 고려하였다. 또한, 고주파 대역 시뮬레이션에는 Jo and Baag[29]의 연구를 참조하여, 스펙트럼 감쇠 상수 κ = 0.016을 가정하였고, 지진원 스펙트럼 생성을 위해 일정한 응력 매개변수(stress parameter) Δσ = 5.0 MPa를 가정하였다.

    2.3.1 가상 지진 시나리오

    낙동강 삼각주 지역 근처에는 양산, 울산, 및 밀양 단층을 포함하여 다수의 활성단층이 존재하는 것으로 알려져 있다. 연구 대상지에는 양산 단층의 활동으로 인한 단층 분지가 형성되어 있으며, 이 단층은 신생대 제4기 중에도 활동한 것으로 알려져 있다[30]. Choi et al.[31]에 따르면, 한반도 동남권 지역에서 다수의 활성 단층이 관찰되었으며, 이 지역에서 발생할 수 있는 최대 규모는 약 MW6.0으로 추정되었다.

    본 연구에서는 연구 대상지 인근 활성 단층들을 고려하여 세 가지 경우의 가상 지진 시나리오를 가정하였다. 가상 지진 시나리오는 진앙 거리 및 규모에 차이를 두어 연구 대상지에서 시나리오별로 지반 운동의 강도에 충분한 차이가 발생할 수 있도록 하였다. 이 시나리오들 중 하나는 Mw = 6.2의 동래 단층에서의 지진을 가정하고, 나머지 두 개는 Mw = 6.0의 두 개의 다른 위치 에서의 밀양 단층 지진을 가정하였다. Fig. 5는 시나리오 지진들의 진앙지와 연구 대상지의 위치를 보여준다. 시뮬레이션에 적용된 지진원 관련 주요 입력변수들은 Table 2에서 확인할 수 있다.

    3. 연구 결과

    3.1 암반 지진파 시간 이력 생성

    내진설계 기준에서는 S6지반의 경우 동적 분석을 위한 지반 운동 시간 이력을 결정하기 위해 지반응답해석을 수행해야 한다고 규정하고 있다. 본 연구의 대상지는 암반 깊이가 50 m 이상이므로 기준에 따라 S6지반으로 분류 되었다.

    지반응답해석을 위한 지반 운동을 선택할 때는 대상지에서 기록된 지반 운동을 사용하거나 대상지와 유사한 지진구조 환경을 가진 지역에서 기록된 지반 운동을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나 판 내부 지역에서는 이러한 지반 운동이 매우 제한적이다. 본 연구에서는 앞서 설명한 광대역 지반 운동 시뮬레이션 방법을 사용하여 연구 대상지에서의 인공합성 지반 운동을 생성 하였다. 지반운동 시뮬레이션은 낙동강 삼각주 지역의 퇴적층 구조를 반영하지 않으므로, 생성된 지반 운동은 암반 노두 운동으로 간주하여 지반 응답 해석의 입력 지진파로 적용하였다.

    3.2 지반 응답 해석

    광대역 시뮬레이션을 통하여 NS 방향과 EW 방향의 지반 운동을 산정하였다. 액상화 평가에서는 더 큰 PGA를 가진 운동을 채택하여 지반응답해석을 실시하였다. 광대역 지반운동 시뮬레이션으로 생성된 시간이력은 낙동강 삼각주 지반의 퇴적 구조를 반영하지 않으므로 암반 노두 운동으로 간주하여 지반응답해석의 입력 지진파로 활용하였다. 지반응답해석에는 DeepSoil V7.0을 사용하였다. 지반 응답 해석에서는 일반적으로 토양의 비선형 거동을 변형 크기에 따른 G/Gmax 곡선 및 감쇠 곡선으로 표현한다. 본 연구에서는 Seed and Idriss[18]가 제안한 모래 지반의 G/Gmax 평균 곡선을 적용하였고, 점토 및 실트 지반의 경우 Vucetic and Dobry[32]를 적용하였다. 또한, 반복하중 하에서의 응력-변형률 관계를 모사하기 위해 General Quadratic/ Hyperbolic(GQ/H) 모델[33]을 적용하였다. Fig. 3에 표시된 전단파 속도 주상도를 활용하여 토층의 깊이별 전단 탄성계수를 계산하였다.

    Fig. 6은 지반응답해석을 통해 도출된 동래 지진 시나리오의 지표면 가속도 시간 이력을 암반 지진파와 비교한 것이다. 모든 시나리오에서 진앙과에서 멀어질수록 도달 시간이 길어졌고, 진폭이 작아지는 경향을 보였다. Table 3에 나와 있듯이, 지반 응답 해석 결과 동래 지진의 경우 지표면에서 의 PGA가 감소하는 것으로 나타났다. 밀양 지진 시나리오의 경우 두 지진에서 PGA의 증폭 및 감쇠 현상이 모두 관찰되었다. 상대적으로 가까운 동래 지진(MW= 6.2)의 경우, 가장 가까운 Site에서는 PGA가 0.368 g이었으나, 진앙으로부터 20 km 이상 떨어진 Site 5에서는 0.139 g의 더 낮은 PGA가 관찰되었다. 두 개의 상대적으로 먼 밀양 지진(MW= 6.0)의 경우, Site 1에 서는 각각 0.211 g과 0.144 g의 PGA가 관찰되었다.

    Figs. 7~9는 각 사이트에서의 암반 및 표면 지반 운동으로부터 도출된 가 속도 응답 스펙트럼을 표준 설계 스펙트럼과 비교한 것이다. 시뮬레이션 된 지반 운동은 일반적으로 표준 응답 스펙트럼에 비해 단주기 영역에서 더 증 폭되는 것을 확인하였다. 시뮬레이션을 통해 생성된 지반 운동은 규모와 위 치에 따라 전반적으로 높은 변동성을 보였다. 전반적으로 지표면의 지반 운 동은 상대적으로 깊은 퇴적층의 동적 반응으로 인해 장주기에서 강하게 증폭 되었고, 반면에 연약한 실트질 점토층 내에서는 고주파 운동이 감쇠되어 지 표면 지반 운동은 단주기에서 감소하였다.

    3.3 CSR 및 CRR 계산

    3.3.1 CSR 계산

    Idriss and Boulanger[18]의 최대 지반 가속도 amax를 기반으로 응력 감소 계수 rd를 적용하여 CSR을 계산하였다. 본 연구에서는 비선형 지반 응답 분석 결과로부터 도출된 amax 값을 기반으로 각 깊이에 대한 응력 감소 계수를 적용하여 CSR을 계산하여 Fig. 10에 나타내었다. 동래 지진 시나리오의 경우 CSR = 0.1 ~ 0.3, 밀양 지진 시나리오의 경우 CSR = 0.03 ~ 0.15인 것으로 확인되었다.

    3.3.2 CRR 계산

    본 연구에서는 SPT 프로필에서 얻은 N 값을 유효 연직 응력, 에너지 효율 및 세립분 함유량을 고려하여 (N1)60cs로 변환하였다. 유효 연직 응력은 일반적인 토양의 단위 중량을 가정하여 결정하였고, 선택된 Site 근처의 시추 주상도에서 얻은 정보를 사용하여 세립분 함유량을 결정하였다. 보정된 (N1)60cs 값을 Idriss and Boulanger[19]가 제안한 식 (4)에 적용하여 CRR을 산정하였다.

    내진설계기준[9,10]에 따르면, CRR산정식은 규모 7.5의 지진을 대상으로 개발되었기 때문에 더 작은 규모의 지진에 적용을 위해서는 CRR을 상향 보정하도록 되어있다. 일반적으로 평가에서는 MSF = 1.5를 추천하고 있어 이를 적용하여 환산된 CRR 값을 Fig. 11에 나타내었다. 분석 결과, SPT 에서 도출된 CRR 값은 전반적으로 0.1에서 0.2 사이에 있었다. 그림에서 볼 수 있듯이, 낙동강 삼각주 지역은 특히 자갈이 많은 Site 3과 5에서 상대적으로 지표면 근처에서 더 높은 값을 나타내었으며, 큰 변동성을 보였다.

    3.4 액상화 안전율 평가 결과

    Figs. 12~14는 각 시나리오에 대해 선택된 사이트에서 깊이별 액상화 안전율을 평가한 결과를 보여준다. 액상화에 둔감한 것으로 알려진 점토층은 안전율 계산에서 제외하였다. 동래 지진의 경우, Site 5를 제외한 대부분의 Site에서 액상화 발생 가능성이 높게 나타났다. 밀양-1 지진의 경우에는 액상화 발생 가능성이 낮게 평가되었으나, 밀양-2 지진에서는 Site 1, 2, 4에서 액상화 발생 가능성이 있는 것으로 나타났다. 특히 Site 5는 모든 시나리오에서 큰 안전율을 보여주었는데, 이는 상대적으로 먼 진원 거리를 가지며 두꺼운 점토층이 고주파 지반 운동을 효과적으로 감쇠시켰기 때문으로 추정된다.

    3.4.1 동래 지진

    동래 지진의 진원은 다른 시나리오와 비교하여 선택된 Site와 상대적으로 가까운 곳에 위치한다. 그 결과, 모든 Site에서 상당한 최대 지반 가속도 (PGA)가 관찰되었고, 지진은 2400년의 재현 주기에 해당하는 표준 설계 응답 스펙트럼과 유사한 유효 수평 가속도와 pSA를 생성하였다. 진앙에서 약 8 km 떨어진 가장 가까운 Site1에서는 0.368 g의 PGA가 기록되었으며, 다른 Site들보다 전단파 속도가 높음에도 불구하고 액상화 발생 가능성이 높은 것으로 나타냈다. 진앙에서 약 30 km 떨어진 Site 5를 제외한 모든 Site에서 액상화 발생 가능성이 있는 것으로 평가되었다.

    3.4.2 밀양-1 지진

    밀양-1 지진은 다른 시나리오와 비교하여 상대적으로 멀리 떨어져 있으며, 가장 가까운 Site로부터 약 40 km, 가장 먼 Site로부터 약 55 km 떨어져 있다. 생성된 지반 운동의 pSA는 단주기에서 100년의 재현 주기를 가진 표준 설계 응답 스펙트럼과 유사하였다. 모든 Site에서 액상화 발생 가능성은 낮게 평가되었으며, 심지어 PGA가 가장 큰 Site 1에서도 액상화 가능성은 낮은 것으로 평가되었다.

    3.4.3 밀양-2 지진

    밀양-2 지진은 가장 가까운 Site로부터 약 25 km, 가장 먼 Site로부터 약 35 km 떨어져 있다. 생성된 지반 운동의 pSA는 단주기에서 500년의 재현 주기를 가진 표준 설계 응답 스펙트럼과 유사하였다. 가장 큰 PGA를 보인 Site 1에서는 액상화 발생 가능성이 높았으며, Site 2와 4에서도 액상화 가능성이 있는 것으로 나타났다.

    4. 토 의

    본 논문은 낙동강 삼각주 지역의 지진 시나리오 기반 액상화 평가를 위한 물리기반 광대역 지반운동 시뮬레이션 활용 사례를 제시하였다. 물리기반 시뮬레이션은 국내와 같이 실제 지진 기록이 부족한 상황에서, 대상 지역의 지진학적 특성을 고려하여 가상의 지진 시나리오에 대한 지반운동을 생성할 수 있다. 이와 더불어, 기존의 실제 지진 기록에 의존하는 방식과 달리, 물리 기반 지반운동 시뮬레이션은 입력 변수와 단층 모델링의 유연성을 제공하여 다양한 시나리오를 구현할 수 있다는 장점을 지닌다.

    다만, 지반운동 시뮬레이션의 성능은 설정된 매개변수와 모델에 의존적일 수밖에 없다. 본 연구에서 적용한 지반운동 시뮬레이션 방법은 지각 속도 모델, 지진원 특성 관련 경험적 모델, 지진파 감쇠 특성 등 다양한 요소를 통해 대상 지역의 특성을 반영하고 있다. 본 연구에서는 문헌 자료를 최대한 활 용하였으며 시뮬레이션의 입력 변수와 모델은 추후 지진 관측자료와의 비교 를 통한 지속적 검증이 필요하다. 특히, 퇴적층의 비선형성이나 지진파의 경로 효과 등은 지역에 따라 크게 달라질 수 있으므로, 본 연구의 인공합성 시간 이력 생성 방법이 실제 관측자료와 비교하였을 때 유효한 결과를 도출할 수 있는지에 대해서는 여러 세부적 조건을 반영하여 지속적인 검증을 실시할 필요가 있다.

    본 연구에서는 낙동강 삼각주의 깊은 퇴적층과 전단파 속도 주상도를 반영하여 지반응답해석을 실시함으로써 단주기에서 증폭된 응답과 장주기에 서 감쇠된 응답을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 국내 내진 설계 기준에서 제공하는 표준 설계 스펙트럼과 비교할 때, 대상 지역 지반의 동적 특성을 보다 구체적으로 반영할 수 있다.

    인공합성 지반 운동의 액상화 평가 분야 적용성 확대를 위해서는 다양한 조건에 따른 액상화 평가 결과 및 비교 연구가 수행되어야 한다. 예를 들어, 지질 구조가 상이한 지역이나 단층 특성이 다른 지역에서도 동일한 방법을 적용하였을때의 결과를 비교함으로써, 본 연구에서 제시된 접근법의 일반화 가능성을 평가할 수 있다. 이러한 추가 연구는 본 연구의 액상화 평가 결과가 특정 지역에 제한되지 않고, 보다 넓은 범위에서 활용될 수 있는 방법론으로 발전하는 데 기여할 것이다.

    본 연구는 인공합성 지반 운동을 활용하여 낙동강 삼각주 지역에서의 액상화 평가를 수행한 사례로, 실제 지진 기록의 한계를 보완하고 연구 대상 지역의 특성을 효과적으로 반영한 점에서 중요한 의의를 지닌다. 향후 추가적인 인공합성 지반 운동의 검증과 확장을 통해 본 연구에서 제시된 액상화 평가 방법이 넓은 지역에서의 지진 위험 평가에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 낙동강 삼각주 지역의 액상화 발생 가능성을 평가하기 위해 가상의 지진 시나리오에 대해 물리기반 인공합성 지반 운동을 생성하고, 이를 활용하여 시나리오 기반의 액상화 평가를 수행하였다. 안정대륙권에서의 내진 설계 및 동적 응답 분석을 위해 적절한 지반 운동을 선정하는 데 어려움이 있는 상황에서, 본 연구는 광대역 하이브리드 지반 운동 시뮬레이션을 통해 인공합성 지반 운동을 생성하고 이를 기반으로 한 액상화 평가 사례를 제시하였다.

    Graves and Pitarka[16,17]가 제안한 하이브리드 광대역 지반 운동 시 뮬레이션 기법을 사용하여 동래 및 밀양 단층에서 발생 가능한 세 가지 경우 의 시나리오 지진(Mw6.2, Mw6.0)을 고려하여 기반암 지반 운동을 생성하였다. 생성된 인공합성 지반 운동은 각 Site의 전단파 속도 주상도를 반영한 비선형 지반 응답 해석에 사용되었으며, 이를 통해 각 Site에서의 지표면 지반 운동을 계산하였다. 이러한 접근은 기존의 실제 지진 기록에 의존하는 방식보다 더 많은 변동성을 반영할 수 있어, 연구 대상 지역에 적합한 지반 운동을 제공할 수 있다는 장점이 있다.

    생성된 지반 운동은 국내 내진 설계 기준에서 제공하는 스펙트럼에 비해 단주기에서 더 큰 응답을 보였으며, 장주기에서는 상대적으로 약한 응답을 나타냈다. 연구 대상지는 50~80 m 깊이의 신생대 4기 퇴적층이 분포하고 있는데 퇴적층의 동적 거동에 의해 장주기에서는 지반 운동이 증폭되는 반면, 고주파 성분은 감쇠되는 특성이 나타난 것으로 판단된다.

    액상화 평가는 비선형 지반 응답 해석으로부터 도출된 지표면 지반 운동을 바탕으로 Idriss and Boulanger[19]가 제안한 SPT 기반 간편법을 사용 하여 수행되었다. 결과적으로, 동래 지진의 경우 Site 5를 제외한 대부분의 Site에서 액상화 발생 가능성이 높게 평가되었으며, 밀양-1 지진의 경우 모든 Site에서 액상화 발생 가능성이 낮게 나타났다. 밀양-2 지진의 경우 일부 Site에서 액상화 발생이 예측되었다.

    본 연구는 물리기반 지반운동 시뮬레이션을 통한 인공합성 지반 운동이 지역 특성을 반영한 시나리오 기반 액상화 평가에서 유용한 도구가 될 수 있음을 보여준다. 이는 낙동강 삼각주와 유사한 지질 조건을 가진 다른 지역에도 적용 가능성을 시사하지만, 시뮬레이션 방법에 대한 추가적인 검증 과정을 통해 신뢰성을 확보하는 것이 선행되어야 한다. 이러한 검증이 이루어진다면, 본 연구에서 제시된 접근법은 보다 다양한 지역의 지진 위험 평가에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

    / 감사의 글 /

    이 논문은 2023~2024년도 국립창원대학교 자율연구과제 연구비 지원으로 수행된 연구결과임.

    Figure

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    Map of studied sites

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    Geologic profiles of studied sites

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    VS profiles of studied sites obtained by the Microtremor Array Method. Gray lines represent the best 1000 VS profiles in terms of the misfit value. Bold black lines represent the VS profiles of the lowest misfit

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    Hybrid broadband simulation workflow

    EESK-29-1-9_F5.gif

    Locations of epicenters of earthquake scenarios. The map is created using the “World Imagery” basemap by Esri [34]

    EESK-29-1-9_F6.gif

    Acceleration time series obtained from the ground simulation and site response analyses for the Dongrae earthquake

    EESK-29-1-9_F7.gif

    Dongrae acceleration response spectra obtained from the rock and surface ground motions at each site, compared with the Standard Design spectra for S1 (100, 500, and 2400 years) site

    EESK-29-1-9_F8.gif

    Miryang-1 acceleration response spectra obtained from the rock and surface ground motions at each site, compared with the Standard Design spectra for S1 (100, 500, and 2400 years) site

    EESK-29-1-9_F9.gif

    Miryang-2 acceleration response spectra obtained from the rock and surface ground motions at each site, compared with the Standard Design spectra for S1 (100, 500, and 2400 years) site

    EESK-29-1-9_F10.gif

    CSR calculated by the Idriss and Boulanger (2006) method, based on obtained from non-linear site response analysis

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    CRR calculated at the selected sites by the Idriss and Boulanger (2008) method

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    Factors of safety at the selected sites for the Dongrae earthquake

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    Factors of safety at the selected sites for the Miryang-1 earthquake

    EESK-29-1-9_F14.gif

    Factors of safety at the selected sites for the Miryang-2 earthquake

    Table

    Estimated bedrock depth and VS30 (m/s) / VS,soil for each site

    Input parameters used in the synthetic earthquake scenarios

    Peak surface/bedrock acceleration for each earthquake scenario

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    Journal Abbreviation J. Earthq. Eng. Soc. Korea
    Frequency Bimonthly
    Doi Prefix 10.5000/EESK
    Year of Launching 1997
    Publisher Earthquake Engineering Society of Korea
    Indexed/Tracked/Covered By