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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.49-58
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2025.29.1.049

In Situ Site Characterization Adopting Intensive Geophysical Tests at Seismic Stations in Southeastern Korea

Sun Chang-Guk1), Cho Hyung-Ik2), Kim Han-Saem3), Lee Moon-Gyo4)*
1)Principal Researcher, Earthquake Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
2)Assistant Professor, Department of Civil Systems Engineering, Andong National University
3)Assistant Professor, Department of Civil and Energy System Engineering, Kyonggi University
4)Senior Researcher, Earthquake Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
*Corresponding author: Lee, Moon-Gyo E-mail: mglee@kigam.re.kr
November 17, 2024 December 7, 2024 December 9, 2024

Abstract


There are now many seismic observatory stations, excluding the acceleration monitoring network for infrastructures, of more than 300 operated by several public and governmental organizations across South Korea. The features of the site and properties of the stations were not investigated, and they have been assumed or guessed to estimate the site-specific seismic responses during the 2016 Gyeongju and 2017 Pohang earthquake events. For these reasons, various and intensive geotechnical and geophysical investigations have been conducted to quantify the site characteristics at 15 seismic stations selected in southeastern Korea. The VS profiles were, at first, obtained by performing only a downhole seismic test (DHT) at 7 stations, and were compared with those from a surface wave method. Then, the shear wave velocity (VS) profiles were deduced by combining three types of in situ seismic methods composed of a cross-hole seismic test, DHTs, and full-waveform sonic loggings at the 8 other stations, especially to complement the application limits of DHT and reduce the depth-dependent uncertainty in VS profile. The representative site characteristic profiles for each station regarding VS and VP with borehole stratigraphy and density were determined based on robust investigations. Various site parameters related to seismic responses at the seismic stations of interest were obtained for the site-specific geotechnical information, which would be useful to earthquake engineering practices.


Site characterization , Seismic station , Geophysical test , Shear wave velocity , Borehole seismic tests

한반도 동남부 주요 지진관측소에서의 다양한 지구물리 시험을 통한 원위치 지반특성 평가

선창국1), 조형익2), 김한샘3), 이문교4)*
1)한국지질자원연구원 지진연구센터 책임연구원
2)국립안동대학교 건설시스템공학과 조교수
3)경기대학교 사회에너지시스템공학과 조교수
4)한국지질자원연구원 지진연구 센터 선임연구원

초록

    1. 서 론

    유라시아판 동부에 위치한 한반도는 그 동쪽에 분포하는 판 경계 보다 서쪽의 판 내부 영역에 놓여 있어서 지진발생 환경 관점에서는 중진 지역으로 여겨진다[1]. 우리나라는 1978년부터 본격적인 계기지진 관측 착수 이래로 최근까지도 공학적 유의성 측면에서의 중대규모 발생과 그에 따른 지진 관측 자료 축적은 물론 자료 확보도 매우 미약한 수준이었다. 이런 배경으로 인해 내진 설계나 성능평가를 위한 지진재해도(Seismic hazard maps)는 주로 역사지진 자료를 토대로 작성되었으며[2], ‘국가지진위험지도’라는 명칭으로 2013년 공표되어[3] 지금까지 활용되고 있다.

    지난 2016년 9월 12일 한반도 동남부의 경주에서 지역 규모(Local magnitude, ML) 5.8의 지진이 발생했으며, 1978년 계기지진 관측 이래 현재까지 가장 큰 규모 지진으로 기록되고 있다. 뿐만 아니라, 그 직후인 2017년 11월15일 인접 도시인 포항에서 ML 5.4 지진이 발생하였는데, 이로 인해 다양한 시설물 구조손상을 포함하여 지반 액상화 등 관측 계기지진 중 가장 큰 피해를 경험하게 되었다[4,5]. 한반도 동남부 지역 내 경주와 포항에서 발생한 두 차례 큰 지진은 일부 진앙 인근 지진관측소들에서 기록된 의미있 는 자료들을 제공해 주기도 하였으나, 학술적 측면에서는 보다 다양하고 많은 양질의 관측소 자료가 필요함에 따라, 기존 관측소의 성능 개선은 물론 관 측소 확충을 통한 지진관측 네트워크 확장이 2017년 포항 지진 이후 더욱 활발하게 진행되었다. 현재는 우리나라 전역에 걸쳐 지진 발생특성 분석이나 학술적 목적으로 기상청(KMA)과 한국지질자원연구원(KIGAM)에서 운용하고 있는 관측소가 300개소 이상이며[6], 주요 관측소의 자료는 실시간 공유･활용되고 있다. 이 외에도 ‘지진･화산재해대책법’에 근거한 주요 시설물, 정부나 지자체 청사 등에 대한 지진 가속도 계측이 전국에 걸쳐 수백 개소 이상에서 실시되고 있다[7,8].

    이처럼 수많은 위치에서 지진 관측이 이루어지고 있지만, 관측소 부지에서의 기반암부터 지표면까지의 종합적인 지반특성이 확인되지 않으면 관측 된 지진지반운동(Earthquake ground motions)의 체계적이고 합리적인 분석･활용에 한계가 상존한다. 즉, 우리는 일반적으로 지표면 부근에서 지반운동을 경험하게 되는데, 기반암(Bedrock)에 도달한 지진파(Seismic waves)는 그 상부의 토층(Soil layers)을 통과하면서 부지별 고유 지질조건 및 지반 동적특성과 관련된 부지 효과(Site effects)에 따라 특정 주기 부근에서 증폭/감폭(Amplification/Deamplification)되어 지표면에서의 운동으로 나타난다[1],[9]. 따라서 다양한 관측소에서 획득한 지진운동 자료의 실효적 활용성 극대화를 위해서는 반드시 관측소 부지에 대한 지표면부터 기반암까지의 연속적인 지반조사가 수행되어야 하며, 이를 통한 깊이 분포 형식의 부지고유 지반동적특성 주상도(Profiles)가 확보되어야 한다[10].

    지반지진공학 관점의 필수 대표적 지반동적특성은 전단파속도(Shear wave velocity, VS)이며, 압축파속도(Compressional wave velocity, VP)와 함께 관측소 부지 특성 주상도로 정량화하여 제시할 수 있다. 이러한 지반 특성 주상도는 내진설계를 위한 지반분류는 물론이고 지진 조기경보나 위험도 평가에서 지반조건의 신뢰성 높은 고려･반영에 직접 이용되므로, 지진관측소에 대한 기초 정보로 제공됨이 바람직하다. 부지고유 지진응답특성 정량화는 깊이별 VS 분포나 기반암 심도(Depth to bedrock, H)와 같은 지반 특성 관련 여러 매개변수의 조건 분류를 통해 이루어지며[1],[11], 이 부지고 유매개변수들을 경험적으로 추정하기도 한다[12-14]. 또한, 지진관측소와 같은 주요 위치들에 대한 강성 주상도나 부지 매개변수의 추정･제시를 위해 직접적이고 주동적인 지반조사 대신 상시 잡음이나 주요 관측자료를 이용하는 HVSR(Horizontal to vertical spectral ratio) 방법 등이 간접적이고 수동적인 접근으로 광범위하게 적용되고 있다[15]. 그럼에도 불구하고 관측소와 같은 중요 부지의 경우 가능한 시추가 수반되는 직접적인 조사를 통해 지반지층 분포를 포함한 종합적 지반특성을 확인해야 한다.

    본 연구에서는 한국지질자원연구원 운영 지진관측소 중 한반도 동남부 내 15개소 관측소를 우선 선정하고 시추조사 토대의 원위치 탄성파 시험을 수행하여 부지고유 지반특성을 평가하였다. 지구물리 탐사(Geophysical explorations) 기법 중 지반 재료의 강성 분포 획득 신뢰성이 높은 시추공 탄성파 시험(Borehole seismic tests)을 우선 적용하였으며, 실무에서 보편적 으로 이용되는 하향식 탄성파 시험(Downhole seismic test, DHT)은 물론 시추공간 탄성파 시험(Crosshole seismic test, CHT) 등을 통해 지표면부터 공학적 기반암까지의 VS 및 VP 주상도를 결정하였다. 부지고유 지진응답 특성은 주로 강성이 충분히 큰 기반암까지의 심도(H), 토층의 VS 깊이 분포, 기반암과 토층 간의 VS 변화 등에 직접적이고 밀접한 관계를 보이므로 [1],[9],[16], 이런 관점에서 관측소 부지에 대한 신뢰성 높은 VS 주상도 도출은 매우 중요하다. 이 연구에서 신뢰성 높게 결정된 VS 주상도는 한국지질 자원연구원에서 개발･운영 중인 웹 기반 지진연구정보 공개 플랫폼인 KIGAM Quake 내 지진관측소 부지의 기본적 특성 정보로 제시되었다. 또한, H와 같은 여러 지반조사 성과를 종합하여 대표적 지진응답 매개변수에 해당되는 30m 깊이까지의 평균 VS(VS30), 토층의 평균 VS(VS,Soil), 부지주기(Site period. TG) 등도 정리･제시되었으며, 이를 토대로 관측소 부지에 대한 정량적 조건 구분 목적의 지반분류를 실시하여 KIGAM Quake 내에서 제시하였다.

    2. 지진관측소 부지 지반조사

    유라시아 대륙의 동쪽 가장자리에 위치한 한반도는 오랫동안의 침식과 풍화로 형성된 노년기 지형이 주류를 이루며, 한반도는 일반적으로 동고서저(東高西低)의 조건을 보이는데 동쪽의 산악 지형 보다는 서쪽 지역에서 노년기 지형 특징이 두드러진다. 노년기 지형에서는 언덕이나 구릉과 그 사이 완만한 계곡과 함께 소규모 분지 형상 평야가 발달하는데 우리나라 내륙 지역에서 두드러진다[1]. 한반도는 선캄브리아기부터 신생대까지 형성된 다양한 지질 조건으로 구성되어 있다. 암반 위 토사는 과거 하천 형성 과정이나 범람 등으로 형성된 평야지 충적토나 산지 경계부 토석류 퇴적에 따른 붕적토와 함께 기반암 풍화로 인한 풍화잔류토가 주류를 이룬다.

    본 연구에서는 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진이 발생한 우리나라 동남부 영역 내 KIGAM 운영 관측소 중 Fig. 1과 같이 15개소에 대해 부지 지반특성을 파악하기 위한 원위치 지반조사를 2019년부터 2021년에 걸 쳐 수행하였다. 지반조사는 시추조사와 이를 토대로 VS 및 VP 주상도를 얻기 위한 탄성파 시험이 주요 구성 내역이다. 시추는 강성이 큰 암반 조건인 기반암까지 확인하기 위해 굴진하였으며, 30 m 심도 이전에 암반이 확인되는 부지에서는 최소 30 m까지 시추공 탄성파 시험이 가능할 수 있도록 시추조사 를 실시하였다. 이러한 조사 조건은 내진 설계/성능평가나 지진재해 평가에서 대표적 지반 매개변수로 이용되어 VS30은 물론 H, TG 등과 같은 다양한 매 개변수를 모두 결정하기 위한 것이다[1],[17].

    기반암 또는 30 m 깊이 이상 심도까지의 시추조사가 종료된 이후에는 시추공 탄성파 시험을 위한 시험공 조성을 위해 PVC 관을 설치하고 그라우팅 및 토사 충진을 실시하였다. Fig. 1에서 MGB 관측소에서의 약 6 m 이격의 2개 시추공 위치와 표면파 기법인 MASW(Multichannel analysis of surface waves) 등의 측선을 예시적으로 확인할 수 있다. 한반도 동남부 지진관측소에 대한 지반조사는 2019년에 7개소, 2020년 3개소 및 2021년 5 개소를 선정하여 진행하였다. 조사 관련 세부구성은 각 연차별로 차이가 있는데, 2019년에는 7개 관측소에서 1개 시추조사 및 이를 토대로 한 DHT를 MASW와 함께 수행하였다. 2020년 및 2021년에는 각각 3개 및 5개 관측소를 대상으로 지반조건을 고려하여 3~6 m 정도 간격의 2개 위치 시추조사를 실시하였다. 이 시추공 내에서 CHT, DHT 및 완전파형 음파검층(Full-waveform sonic logging, FWSL)을 수행하였으며, 부지 여건을 고려하여 일부 관측소에서는 MASW도 병행하였고, 2021년 대상 5개 관측소에서는 시추공에서의 밀도 검층(Density logging)도 적용하였다.

    시추와 병행된 표준관입시험(Standard penetration test, SPT)은 지반 재료의 관입 저항값 측정 및 교란 시료 채취 목적으로 적용되며, 풍화암까지 1.0 m 깊이 간격으로 실시하였다. SPT에서는 63.5 kg 해머를 76 cm 높이 에서 낙하시켜서 지중의 시료채취기(Split spoon sampler)가 30 cm 관입할 때의 해머 타격 횟수를 N 값으로 기록하게 된다. Fig. 2에 묘사된 것처럼, 유압식 회전 수세식 시추 장비로 시추 작업을 진행하였으며, 이 장비에는 SPT 해머를 76 cm 높이에서 자유낙하시킬 수 있도록 고안된 기계식 자동 해머(automatic trip hammer)를 탑재하였다[18]. 또한, 각 관측소 부지별 지배적인 지층 내에서 SPT 해머 에너지 효율을 측정하여[19] N 값 보정의 실효적 신뢰성을 높였다.

    지진관측소 부지의 실체파속도(Body wave velocity; VS 및 VP) 주상도 를 신뢰성 높게 측정할 수 있는 시추공 탄성파 시험을 적용하기 위하여[20] 시추조사 이후 시험공을 조성하고, Fig. 3에 개념적으로 묘사한 DHT, CHT 및 FWSL을 수행하였다. CHT와 FWSL은 2020년과 2021년에만 도입･ 실시되었다. 또한, 전체 15개소 관측소 중 11개소에서는 VS 주상도를 결정･ 비교하기 위하여 원위치 비파괴 기법인 MASW 탐사를 실시하였다.

    시추공 탄성파 시험 기법 중 2개 시추공 이상이 요구되는 CHT는 1개 시추공에서 수행하는 DHT나 FWSL에 비해 상대적으로 기법적 신뢰도가 높은 것으로 알려져 있다[1],[21]. CHT에서는 다양한 형식과 특징을 갖는 발 진기(Sources)의 도입･적용이 가능한데, 이 연구에서는 압전형 발진기(Piezoelectric source)를 발진공(Source hole)에 설치하여 관측소 부지에 따라 3~6 m 정도 이격된 수진공(Receiver hole)에서 SH파 및 P파가 우세한 탄성파 신호를 획득하였다. 일반적으로 연직 하향으로 굴진되는 시추는 여러 상호 요인들로 인해 직선형을 유지한 채 수행하기 어렵기 때문에 시추공 절대적 수평 위치는 깊이 변화에 따라 지표면의 위치와 달라질 수 있다. 이러한 위치 변화는 동일 심도의 수평 거리가 분석 변수가 되는 CHT와 같은 시추공 탄성파 시험에서는 매우 중요한 요소가 되므로, 이 연구에서는 각 시추 공의 깊이별 편향도(Deviation)를 측정하여 실제 획득 탄성파 자료 분석에 참고･반영하였다. 단일 시추공이 소요되는 DHT와 FWSL의 경우 CHT가 수행된 2020년과 2021년의 경우 CHT의 발진공과 수진공 모두에서 각각 적용되었다.

    지표면에서 수행되는 비파괴 표면파 기법인 MASW 탐사는 Fig. 4의 현장 전개 개요도[23]와 같이, 일반적으로 동일 간격의 24채널 수진 지오폰(Geophones) 설치 및 수진 탐사 측선 외측의 해머 충격 등의 발진을 통해 수행된다. 이와 같은 탐사 조건에 따라 MASW 적용은 관측소 영역 탐사 측선 전개 여건을 고려하여 일부 부지에서만 제한적으로 이루어졌다. 대상 관측소에서의 MASW 탐사 수행을 통해 VS 주상도를 도출하고 시추공 탄성파 시험의 VS 깊이 분포와 비교하였다.

    지반동적특성 결정을 위한 원위치 지구물리 기법 중에서 적용/수행 뿐만 아니라 분석 측면에서 신뢰도가 가장 높은 시추공 탄성파 시험인 CHT는 최소 2개 이상의 시추가 요구되기 때문에 지진공학 실무에서는 경제적으로 유리한 단일 시추공 탄성파 시험인 DHT가 주로 적용되고 있다. 뿐만 아니라 일반적으로 동일 시험 심도에서의 발진과 수진이 이루어지는 CHT의 신뢰도를 확보하기 위해서는 반드시 시추공곡(Borehole deviation)이 지표면부터 CHT/시추종료 심도까지 측정되어야 한다. 이 연구에서는 시추공 영상 촬영 장비에 탑재된 3성분 자력계와 경사계를 통해 측정된 좌표 정보를 이용하여 깊이 증가에 따른 편향도를 산출하였다. Fig. 5는 30 m 심도 이상까지 분석된 시추공 편향도를 지표면 초기 위치 중심으로 도해한 결과로서, 깊이 30 m에서 최대 1 m 이상의 편향 거리를 확인할 수 있다. 이 연구에서는 이러한 공곡 측정 결과를 토대로 CHT 수행 심도별 전파 거리(Wave travel distance)를 보정하여 획득 탄성파 자료를 분석하고 체적파속도를 결정하 였다.

    3. 지반지진공학 관점 지진관측소 부지 특성

    우리나라 동남부의 KIGAM 운영 지진관측소 중 이 연구에서 선정하여 지반조사를 수행한 곳은 총 15개소로서, SPT가 병행된 시추조사 및 시추공 탄성파 시험과 함께 일부 관측소에서는 VS 주상도 비교를 위한 MASW 탐사도 병행하였다. 2019년 5개 관측소에서 DHT를 시추공 탄성파 시험으로 수행하였고, 그 이후 2020년과 2021년에는 지진관측소 부지특성 평가의 중요성을 고려하여 보다 신뢰성 높은 시추공 탄성파 시험의 적용 및 종합적 기법 적용 연구의 일환으로 기존 DHT는 물론 CHT 및 FWSL을 도입･실시하였다. Fig. 6은 지반공학 관점의 지구물리 기법을 반영한 체계적이고 집중적인 지반조사를 수행하여 지진관측소에서의 원위치 지반특성을 시범적으로 성과를 예시적으로 제시한 것이며, 2019년 수행 DES 관측소와 2020년 수행 UNI 관측소의 깊이 변화에 따른 지반지층, SPT의 N 값 및 VS 분포를 확인할 수 있다. N 값은 현장 측정 값(해머 50회 타격 시까지 30 cm 관입 미 도달한 경우 선형 외삽 추정)과 함께 보정 값(N60 및 (N1)60)을 확보하였으며 [18],[24], 해머 전달 에너지 효율은 각 부지별 실제 측정 시험을 토대로 적용하였다. VS 분포는 관측소 부지에서 실시한 시험/탐사 성과를 모두 포괄하여 제시하였다. 체적파속도와 같은 원위치 지반물성의 결정에는 공학적 불확실성 범주 중에서도 지반재료의 공간적 변동성 및 조사 기법의 불확실성이 상존하게 되며[1],[10], 이런 측면에서 VS 분포는 관측소 내 시험 위치와 기법에 따라 다소 상이하게 나타나고 있다.

    동일 목적으로 수행되는 지반공학 원위치 시험은 기법적 장비와 조건의 차이가 다르고 그에 따라 자료 처리와 분석 방법도 다르며, 심지어는 동일 시험 방법과 획득 자료에 대한 모델링 기반 분석 접근도 다를 수 있다. 이에 따라 조사 방법별 장단점을 고려하여 단점을 극복하고 장점을 극대화 하기 위해 최근까지도 다양한 기술 개발･개선이 진행되고 있다. 지반특성 결정의 불 확실성을 저감하고 신뢰성을 높이기 위해서는 개념적/기술적으로 합리적인 기법을 적극 도입하고 다양한 조건에서의 시험 방법을 종합 적용해야 한다. 이러한 접근은 경제적으로 불리하므로 실무에서는 규정에 근거하여 최소화 수준으로 지반조사가 수행된다.

    본 연구에서는 중요 지진관측소 대상 신뢰성 높은 지반특성 확보와 지반 지진공학 조사 기법 체계화의 일환으로, 일반적 실무와는 달리 지반동적특 성 결정 목적으로 시추공 탄성파 시험을 포함한 종합적인 지구물리 기법을 적용하였다. 특히, 2020년과 2021년에는 DHT와 같은 단일 시험공 탄성파 시험과는 달리 2개 이상 시추공이 이용되고 그에 따라 동일 심도에서의 직접적 발진･수진이 가능하여 시험 신뢰도가 가장 높은 CHT를 실시하였다. DHT 이외 단일 시추공 지구물리 시험으로는 상향식 탄성파 시험(Uphole seismic test, UST), 시험공내 탄성파 시험(Inhole seismic test, IST), FWSL 등이 있으며, 이 연구에서는 DHT만 수행된 2019년과는 다리 2020년과 2021년의 경우 모든 시추공에 대해 DHT와 FWSL을 실시하였다. 즉 CHT 발진공과 수진공에 대해 모두 단일공 적용의 DHT 및 FWSL을 수행 하였고, 각각 DHT-1과 DHT-2 및 FWSL-1과 FWSL-2로 구분하였다.

    표면파 탐사는 수십 미터(meters) 이상의 측선이나 영역에서 실시되는 반면, 시추공 탄성파 시험은 평면 영역 내 국소적 위치에서 수행되므로, 두 기법의 복합 적용은 도출된 VS 주상도의 직접 비교보다는 상대적 비교 및 보완적 활용에 목적이 있다. 이 연구에서는 여러 시추공 탄성파 시험을 통한 기법 간 체적파속도 주상도를 비교하였으며, 향후 후속 연구를 통해 부지에 대한 신뢰성 높은 대표 주상도 도출 체계화를 추진하고자 한다. 이러한 연구 과정에서 원위치 VS 주상도 결정 목적의 주요 조사 기법별 체계적인 불확실성 분석이나 국내 주요 관측소 메타 자료의 지반 조사나 특성 관련 포괄 정보 수준에 대한 정립도 가능할 수 있을 것이다. 우선 현재까지는 여러 시추공 기법 중 단일 시험공을 적용하는 동일 시험(예를 들면, DHT-1과 DHT-2) 성과 값의 기하학적 중간 값(예를 들면, DHT-M)을 결정하고, 다른 시험 기법의 중 간 값 및 2개 공을 모두 이용한 CHT 성과로서의 VS 값을 공학적 종합 판단에 근거하여[1] 대표 주상도를 도출하였다. 주요 지진관측소 부지에서의 시험공 탄성파 시험 기법별 중간 VS 값 및 대표 VS 깊이 분포 결정에 대한 예시를 Fig. 7에서 확인할 수 있다.

    시추공 탄성파 시험을 통해 지반 강성 특성으로 결정한 VS 및 VP는 지반 재료의 밀도(Density, ρ)를 고려하여 변형계수(Deformation moduli)로 제시될 수 있다. 즉 전단계수(Shear modulus, G)는 식 (1)과 같이 VS 및 ρ를 토대로 산정되며, 구속계수(Constrained modulus, M)는 식 (2)에 따라 VP 와 ρ를 이용하여 결정될 수 있다.

    G = ρ V S 2
    (1)

    M = ρ V P 2
    (2)

    또한, 탄성계수(Elastic modulus, E)는 탄성무한 매질 내 전파 이론 토대의 식 (3)에 따라 G와 포아송비(Poisson’s ratio, ν)의 관계로부터 계산할 수 있다. 두 종류의 체적파속도인 VS와 VP 간의 관계인 식 (4)를 이용하여 ν 를 산정할 수 있다. 뿐만 아니라, 체적계수(Bulk modulus, B)는 식 (5)에 따라 E와 ν의 관계로부터 계산할 수 있다.

    E = 2 ( 1 + ν ) G
    (3)

    ν = 0.5 ( V P / V S ) 2 − 1 ( V P / V S ) 2 − 1
    (4)

    B = E / 3 ( 1 − 2 ν )
    (5)

    이러한 여러 변형계수 등의 깊이 분포는 지진 시 지반거동의 파악에 필수적인 변수라고 할 수 있으며, 지하수위 분포와 같은 지하 지반조건 변화의 참고 정보로도 활용될 수 있다[21]. Fig. 8은 산정된 변형계수 주상도를 VS 및 VP 주상도와 그에 따른 포아송 비(ν)의 깊이 분포를 예시적으로 나타낸 것이다. 또한, 깊이에 따른 밀도(ρ) 분포도 제시하였으며, 2021년 대상 5개 관측소의 경우 실제 밀도 검층 결과를 토대로 지반지층의 깊이 분포별 대표 밀도 값을 도출하였다.

    부지고유 지진응답 조건에 따른 지반운동의 정량적 평가를 위한 필수적이고 대표적인 지반 동적특성인 VS는 지표면부터 공학적 기반암까지 연속적인 분포 형식의 VS 주상도가 확보되어야 한다. Fig. 9에서는 2019년부터 2021년까지 각 연차별로 지진관측소에 대해 도출된 DHT의 VS 주상도를 종합하여 제시한 것이다. 이러한 VS 깊이 분포는 해석적 방법 등을 통한 지진 지반운동 평가 뿐만 아니라 대상 부지의 지반 매개변수의 산출에 직접 이용 될 수 있다[25]. 또한, Fig. 10에는 참고 정보로서 대상 15개 관측소 중 11개 소에서 수행된 MASW 탐사로부터 도출한 VS 깊이 분포도 제시하였다.

    4. 지진관측소 부지특성 정보 공유

    지진관측소를 포함한 주요 부지들에 대한 지반 조건은 내진설계 기준의 지반분류 체계의 적용을 통해서도 구분 특성화할 수 있다. 특히 설계 기준의 분류를 통해 구분된 지반 종류에 따라 서로 다른 크기의 정량화된 단주기 및 장주기 지반증폭 계수를 구하게 되고, 이를 통해 지반 조건별로 간편하게 서로 다른 표준 형상의 지진응답 스펙트럼을 도출할 수 있다. 이러한 기본적 지반특성 구분 파악을 위해서는 합리적인 수준으로 결정된 지진공학 관점의 지반 매개변수들이 필요하며, 가장 신뢰성 높은 접근법이 바로 대상 부지에 대한 시추조사 및 시추공 탄성파 시험을 포함한 직접적인 지반조사이다. 기반암까지의 시추공 탄성파 시험 수행을 통한 VS 주상도 확보는 지반지진공학적 매개변수 뿐만 아니라 부지고유 지진응답의 해석적 평가를 위한 입력 자료로도 직접 사용될 수 있다.

    현재 전세계적으로 광범위하게 참고･활용되고 있는 지반지진응답 매개 변수는 지표면부터 30 m 심도까지의 평균 VS(VS30)라고 할 수 있다[11]. 지 하 30 m 지반을 전단파가 전파하는 시간을 토대로 VS30을 식 (6)과 같이 결정할 수 있으며, 시간에 따른 가중치를 고려하기 위한 전파 시간의 평균이므로 산술적으로는 조화 평균에 해당된다.

    V S 30 = 30 / ∑ i = 1 n d i V S i
    (6)

    여기서, di와 VSi는 각각 지하 30m까지 분포하는 i번째 지층의 두께(Σdi = 30 m)와 VS를 의미한다. VS30은 국내에 비해 상대적으로 기반암 심도(H)가 깊은 미국 서부 지역의 경험적 분류 기준이다[1],[20]. 지반강성만을 일원적 변수로 고려하는 VS30과는 달리 부지고유 지진응답이 지반의 동적특성 뿐만 아니라 H와 같은 지반의 기하학적 조건에도 매우 밀접한 관계가 있음을 고려하여 여러 내진설계나 지진재해 평가에서는 부지주기(TG)도 광범위하게 활용되고 있다[26]. TG는 각 부지의 기반암 상부 토사 지층들의 두께(기반암 심도)와 VS를 토대로 식 (7)에 따라 계산할 수 있다.

    T G = 4 ∑ i = 1 n D i V S i
    (7)

    여기서, Di와 VSi는 각각 기반암 상부에 분포하는 i번째 지층의 두께(ΣDi = H)와 VS를 나타낸다.

    우리나라는 미국 서부 등에 비해서 일반적으로 기반암 심도가 얕고 토사 강성이 상대적으로 크게 확인됨에 따라[20], 현재 H와 기반암 상부 토층의 평균 VS(VS,Soil)를 내진설계 지반분류의 기준으로 이용하고 있다[27]. 현재 우리나라 내진설계 기준에서의 지반분류를 위한 이원적 변수 중 하나인 VS,Soil은 식 (8)과 같이 결정할 수 있다.

    V S , S o i l = H / ∑ i = 1 n D i V S i
    (8)

    여기서, Di와 VSi는 각각 기반암 상부에 분포하는 i번째 지층의 두께(ΣDi = H)와 VS를 나타낸다.

    본 연구에서는 원위치 시추공 탄성파 시험을 통해 획득･결정한 VS 주상도 및 이를 통해 산출한 지반응답 매개변수를 지진관측소의 특성화 정보로 도출하고 정리하였다. 이러한 부지 특성 정보는 지진관측 자료의 직･간접적 활용에 있어서 기준 참고 지식으로 절대적인 역할을 하게 되며, 그런 측면에서 제공 정보의 신뢰성은 무엇보다도 중요하다. 이처럼 중요한 정보를 본 연구에서는 매우 신뢰성 높게 결정하고, 연구 전문가 및 지진공학 실무자들에게 관측소 부지특성 정보를 제공하고자 독립적 자료 뿐만 아니라 메타데이터 (Metadata) 세부 요소로도 구성하였다.

    최근 한국지질자원연구원에서는 국내 주요 지진 이벤트 관련 원시/가공 자료 및 연구개발 대표성과 등을 공유할 수 있는 웹 기반 플랫폼인 KIGAM Quake(https://data.kigam.re.kr/quake/)를 개발하였다[28]. 본 연구에서 주요 15개소 지진관측소 부지에서의 지반조사를 통해 확보한 DHT 기반 VS 주상도 및 이를 토대로 결정한 지반 매개변수 등의 특성 정보는 KIGAM Quake 시스템 내의 관측소 상세정보 속성으로 구현하였다. Fig. 11에는 KIGAM Quake 플랫폼 메인 구성 지진관측소 페이지에서의 관측소별 상세정보 확인을 통한 부지 특성 정보 파악에 관한 개념적 예시를 묘사했다. 이러한 관측소 포괄 정보는 지진관측 자료의 직접적 활용 뿐만 아니라 주요 자료의 추가분석이나 축적 활용과 같은 중단기 연구를 위해서도 절대 필수적이다.

    5. 결 론

    한반도 동남부에 위치한 KIGAM 운영 지진관측소 중 15개 관측소에 대한 부지 특성화 목적의 지반조사를 수행하였다. 우선 기반암 확인 심도 또는 최소 30 m 깊이 이상까지 지중 굴진의 시추를 진행하였다. 시추조사와 함께 지반지진공학 관점의 지구물리 기법을 현장 수행 여건 등에 따라 다양하게 실시하였으며, 8개소에서는 2개 위치 시추 토대의 CHT을 적용하여 신뢰성 높게 VS 및 VP 구성의 체적파속도 깊이 분포를 획득하였다. 지진공학 실무에서 보편적으로 적용되어 온 DHT를 15개 관측소 부지 모두에서 수행하여 VS 및 VP 주상도를 도출하였고, CHT 실시 부지들에 대해서 FWSL도 적용하여 시험공 내 수위 이하 지반에 대한 체적파속도 주상도를 획득하였다. 일부 관측소 영역 내 측선 확보가 가능한 경우 MASW 탐사도 비교 목적으로 병행하였다. 시추공 탄성파 시험으로부터 결정한 VS 깊이 분포를 관측소 부지 별로 비교하였으며, 향후 대표 분포를 도출하기 위한 시험 기법별 중간 분석･처리를 실시하였다. 본 연구의 15개소 전체 관측소 부지에서 수행한 DHT 성과로서의 VS 주상도와 지반재료 밀도 반영 변형계수 등의 주상도를 지반거동 관련 자료로 정리･제시하였다. 또한, 각 관측소 부지별 지반응답 매개변수를 지반조사 성과를 이용하여 산출하였고, 지진 정보 플랫폼으로 개발･구현된 KIGAM Quake 내 지진관측소 주요 정보로 VS 깊이 분포와 함께 구성하여 지진공학 연구 분야에서 활용될 수 있도록 제공하고 있다.

    / 감사의 글 /

    본 연구는 한국지질자원연구원 기본사업의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Geographic locations of the 15 seismic stations for site investigations and the inset of MGB station

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    Schematic of borehole drilling and performance of the SPT (modified from[18])

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    Schematics of borehole seismic testing methods applied in this study

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    Schematic of typical MASW measurement[23]

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    Spatial variation of boreholes with depth for CHT sites

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    Typical site investigation results at seismic stations

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    Representative VS profiles derived for seismic stations

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    Typical site investigation results at seismic stations

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    VS profiles deduced from DHTs for seismic stations

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    VS profiles deduced from MASW surveys at 11 locations among seismic stations

    EESK-29-1-49_F11.gif

    Geographic location display of seismic stations and detail information of a station within KIGAM Quake

    Table

    Reference

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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