This study proposes a methodology for assessing seismic liquefaction hazard by implementing high-resolution three-dimensional (3D) ground models with high-density/high-precision site investigation data acquired in an area of interest, which would be linked to geotechnical numerical analysis tools. It is possible to estimate the vulnerability of earthquake-induced geotechnical phenomena (ground motion amplification, liquefaction, landslide, etc.) and their triggering complex disasters across an area for urban development with several stages of high-density datasets. In this study, the spatial-ground models for city development were built with a 3D high-precision grid of 5 m x 5 m x 1 m by applying geostatistic methods. Finally, after comparing each prediction error, the geotechnical model from the Gaussian sequential simulation is selected to assess earthquake-induced geotechnical hazards. In particular, with seven independent input earthquake motions, liquefaction analysis with finite element analyses and hazard mappings with LPI and LSN are performed reliably based on the spatial geotechnical models in the study area. Furthermore, various phenomena and parameters, including settlement in the city planning area, are assessed in terms of geotechnical vulnerability also based on the high-resolution spatial-ground modeling. This case study on the high-precision 3D ground model-based zonations in the area of interest verifies the usefulness in assessing spatially earthquake-induced hazards and geotechnical vulnerability and their decision-making support.

Earthquake event keeps increasing every year, and the recent cases of earthquake hazards invoke the necessity of seismic study in Korea, as geotechnical earthquake hazards, such as strong ground motion, liquefaction and landslides, are a significant threat to structures in industrial hub areas including coastal facilities. In this study, systemized framework of integrated assessment of earthquake-induced geotechnical hazard was established using advanced geospatial database. And a visible simulation of the framework was specifically conducted at two coastal facility areas in Incheon. First, the geospatial-grid information in the 3D domain were constructed with geostatistical interpolation method composed of multiple geospatial coverage mapping and 3D integration of geo-layer construction considering spatial outliers and geotechnical uncertainty. Second, the behavior of site-specific seismic responses were assessed by incorporating the depth to bedrock, mean shear wave velocity of the upper 30 m, and characteristic site period based on the geospatial-grid. Third, the normalized correlations between rock-outcrop accelerations and the maximum accelerations of each grid were determined considering the site-specific seismic response characteristics. Fourth, the potential damage due to liquefaction was estimated by combining the geospatial-grid and accelerations correlation grid based on the simplified liquefaction potential index evaluation method.

느슨한 포화 사질토 층에 위치한 구조물은 지진 시 액상화로 인해 막대한 인적 경제적 피해가 발생하기 때문에 액상화 발생 가능 지반으로 분류된 지역은 구조물의 설계 및 운영 시 액상화 발생 가능성에 주의를 기울어야 한다. 한반도의 경우 중진 지역에 해당되고 역사 문헌의 발생 기록을 제외한 어떤 액상화 피해도 보고되지 않음에 따라 오랫동안 액상화에 대해서는 안전지대로 여겨져 왔다. 하지만, 최근 해외 지진 사례에 의하면 국내 서해안 지역 지반과 유사한 비소성 실트질 흙에서의 액상화 발생과 이로 인한 피해 사례가 종종 보고되고 있다. 본 연구에서는 국내에서의 액상화 가능성 평가 기법 합리화의 일환으로 서해안 두 부지를 대상으로 피에조콘 관입시험(CPTu)과 표준관입시험(SPT) 결과를 이용하여 액상화가능지수(LPI)를 산정하였다. LPI는 심도 20m까지의 액상화 가능성을 통합 적분하여 액상화로 인한 지표면 피해 발생 정도를 지수로 제시한다. 먼저 대상 현장에 대해 시나리오별 액상화 발생 가능성을 평가한 후, CPTu와 SPT로부터 산정된 LPI 값을 비교하였다. 액상화 저항 강도를 의미하는 진동저항응력비(CRR) 값에 의하면, CPTu로부터 구한 보정 콘 선단저항력 (qc1N)CS가 40에서 120 사이인 경우 또는 CRR이 0.23 이하인 경우에 SPT로부터의 산정된 값보다 작게 평가되었다. 또한 CRR 차이는 세립질 함유량이 큰 흙에서 두 방법 간의 차이가 더 크게 나타났다.

다양한 탄성파 시험으로부터 획득할 수 있는 전단파속도(V_S)는 주로 지진공학 분야에서의 내진 설계 및 내진 성능 평가를 위한 대표적 지반 동적 특성으로 강조되어 왔다. 일반적인 지반공학적 부지 조사 기법의 지반지진공학적 활용을 목적으로, 표준관입 시험(SPT)과 피에조콘관입시험(CPTu)을 국내 여러 부지들을 대상으로 다양한 시추공 탄성파시험과 함께 수행하였다. 본 연구에서는 현장시험 자료들의 통계학적 모델링을 통해 전단파속도와 표준관입시험의 타격수(N 값)및 선단저항력(q_t), 주면마찰력(f_s)과 간극수압계수(B_q)로 구성되는 피에조콘관입 자료 간의 상관관계를 도출하고 전단파속도 결정을 위한 경험적 방법으로 제안하였다. 비록 일반적인 지반공학적 관입시험과 시추공 탄성파시험의 대상 변형률 수준이 상이하다 할지라도, 본 연구에서 제안된 상관관계들은 국내 토사 지층의 예비적 전단파속도 산정에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

미국 서부 지역을 근간으로 도출된 30m 심도까지의 평균 전단파속도(Vs30)는 부지 증폭 정도에 따른 설계 지진 지반 운동 결정을 위한 현행 지반 분류 기준이다. 부지의 Vs30을 산정하기 위해서는 현장탄성파 시험으로부터 적어도 30m 심도까지의 전단파 속도(Vs) 분포를 획득해야 한다. 그러나 많은 경우에서 현장의 불리한 여건 및 적용 시험 기법의 제한으로 인해 Vs분포 결정 심도가 30m에 이르지 못할 수 있다. 본 연구에서는 국내 총 72개소 부지들에서 다양한 탄성파 시험 수행을 통해 30m 이상 심도까지 Vs 분포를 획득하여 Vs30과 30m보다 얕은 심도까지의 평균 전단파속도(VsDs)들을 산정하고, 이로부터 Vs30과 VsDs간의 상관관계를 도출하였다. 또한, 모든 Vs 분포 자료의 평균에 근거한 형상 곡선을 작성하여 Vs 분포를 얕은 심도부터 30m까지 외삽할 수 있는 기법을 개발하였다. 얕은 심도 Vs 분포로부터의 Vs30 산정을 위하여 VsDs와 형상 곡선을 이용하는 두 기법은 최하단 Vs를 30m 심도까지 동일하게 연장하는 단순 기법에 비해 편향 정도가 적었으며, 특히 최소 10m 이상 심도까지 확보된 Vs분포의 경우 유용하게 적용될 수 있을 것으로 보인다.

지반의 동적 변형 특성인 전단파 속도(V_s), 압축파 속도(V_p), 그리고 그에 따른 포아송 비(v)는 내진 설계나 내진 성능 평가 외에도 구조물의 거동 평가에 필요한 매우 중요한 지반 정수이다. 지난 수십 년 동안 이러한 지반 정수를 효율적이고 정밀하게 측정하기 위하여, 여러 가지 공내 탄성파 시험 기법들이 개발 및 적용되어 왔다. 본 연구에서는 가장 신뢰성이 높은 현장 탄성파 기법인 크로스홀 탄성파 시험을 지반 동적 물성 획득 기법으로 선정하였다. 지하수위 존재 여부에 관계 없이 토사뿐만 아니라 암반을 대상으로 크로스홀 시험을 성공적으로 수행할 수 있도록, 연직 시추공 안에서 지반을 대상으로 횡방향 가진이 가능한 스프링식 발진 장치를 개발하고, 두 곳의 기존 항만 부두 부지와 신규 LNG 저장 시설 두 부지로 구성된 국내 세 지역을 대상으로 크로스홀 탄성파 시험을 실시하였다. 대상 부지에서의 개발 발진 장치 적용을 통한 크로스홀 시험으로부터 지표 부근 토사부터 하부 공학적 기반암 및 지진학적 기반암으로 구성된 암반까지의 깊이별 V_s,\;V_p 및 v와 같은 지반 동적 특성을 매우 효율적으로 결정하였으며, 적용 대상 시설물인 기존 항만 부두 시설물의 내진 성능 평가 그리고 신규 LNG 저장 시설물의 내진 설계를 위한 근본 자료로 제시하였다.

서울의 두 평야 지역 4km{\times}4km에 대한 부지 고유의 지진 응답 특성 평가를 위하여 대상 지역내 총 350개의 시추 자료를 활용하였다. 국내 내륙 지역의 공내 탄성파 시험의 자료와 시주 자료를 이용하여 N-V_s 상관관계를 도출하고, 이를 토대로 선정된 350 시추 위치에서의 깊이별 전단파 속도(Vs) 분포를 결정하여 등가선형 기법의 부지 응답 해석을 수행하였다. 현행 지반 분류 기준인 심도 30m까지의 평균 Vs (Vs30)는 대상 지역 내에서 250{\~}550 m/s의 분포를 보였고, 그에 따라 대부분의 부지가 지반 분류 C와 D로 분류되었다. 서울 평야 지역의 부지 고유 주기는 국내 지반 증폭 계수의 근간인 미국 서부 지역에 비해 매우 작은 0.1{\~}0.4초의 분포를 보였다. 비록 몇몇 부지에서 토사 층 내에 연약한 지층이 존재함에 따라 기저 고립 효과가 발생하여 현행 단주기 증폭 계수가 지반 운동을 과대평가하기도 하지만, 미국 서부 지역과의 지반 조건 차이로 인해 전반적으로 서울 평야 지역에서는 현행 국내 내진 설계 기준의 단주기(0.1{\~}0.5초) 증폭 계수(Fa)는 지반 운동을 과소평가하고 중장주기(0.4{\~}2.0초) 증폭 계수(Fv)는 지반 운동을 과대평가하고 있다

지반구조물의 동적특성은 미소변형률 수준에서의 변형계수나 이를 결정하기 위한 전단파속도나 압축파속도와 같은 물리적 의미의 체적파속도로 대표되며, 지진과 같은 동적 조건뿐만 아니라 공용상태의 정적 조건의 상태 또는 안정성 평가 과정에서의 중요한 변수이다. 특히, 이러한 체적파속도는 대상 지반 또는 지반구조물에서의 시추공 탄성파시험 수행을 통해 보다 신뢰성 높게 획득할 수 있다. 본 연구에서는 필댐 안정성 평가의 정량적 지표인 댐체 및 기초부의 동적 특성을 결정하기 위한 기법으로 현장 다운홀 탄성파 시험을 수행하고자 하였다. 댐 대상의 다운홀 시험은 추가적인 시추를 통해 시험공을 형성하여 실시하고, 일반적으로 시험 종류 후 시험공을 폐공한다. 이에 기존 댐 대상의 다운홀 시험 과정에 비해 경제적일 뿐만 아니라 댐에 대한 지속적이고 정기적인 동적 특성 평가가 가능한 기법으로서, 지하수위 관측공에 적합한 수진기를 활용한 다운홀 시험을 중심코어형 사력댐을 대상으로 실시하여 댐체와 기초 지반의 전단파속도를 평가하였다. 현장에서의 다운홀 시험은 지하수위 관측공의 초기 설치시 관측공과 지반의 접촉 불량 및 유지 관리 부실로 인해 일부 지하수위 관측공에서는 시험이 성공하지 못하였지만, 관측공 상태가 양호한 경우 깊이별 전단파속도 분포를 용이하게 결정할 수 있었다. 따라서 지하수위 관측공의 설치 및 유지 관리가 적절할 경우 다운홀 탄성파시험을 통해 필댐에 대한 지속적인 동적 특성 결정이 가능하고, 이로부터 중장기적인 안정성 평가와 관련 대책을 수립할 수 있을 것으로 판단된다.

지진재해를 유발하는 지표면 부근 지반운동은 연약한 토사층 두께나 기반암 심도와 같은 기하학적 조건 그리고 토사 강성과 같은 지반동적 특성의 분포에 따라 공간적으로 다르게 표출된다. 이러한 지반특성 차이와 관련된 부지효과로 인해 지반운동은 위치에 따라 크게 증폭되어 종종 막대한 피해를 일으켜 왔다. 이 연구에서는 지반 자료에 관한 통합 GIS 기반의 정보 시스템을 국내 대표적 해안 대도시 권역인 부산 및 울산 지역에서의 지진운동에 대한 지역적 종합대책 수립의 일환으로 우선 구축하였다. 부산과 울산 지역에 대한 GIS 기반 지반정보 시스템을 구축하기 위하여, 먼저 각 연구대상 행정영역과 그 인근을 포함하는 확장영역에 대한 기존 지반조사 자료의 수집이 이루어 졌고, 지표 지반-지식 자료의 확보를 위한 부지 방문조사가 추가적으로 수행하여 체계적 지반 DB를 완성하였다. 자료의 공간확장 연산 효율성을 고려하여 부산과 울산의 각 개별 확장 영역에 대해 지반 DB를 이용한 공간 지반지층 예측을 우선 수행하고, 연구대상 행정영역의 정보를 추출하였다. 두 연구대상 영역의 추출 정보를 병합하여 부산-울산 권역의 공간 지반지층 정보를 합리적으로 구현하고, 이를 토대로 지반지진공학적 특성지표인 기반암 심도 및 부지주기에 관한 공간구역화를 수행하였다. 뿐만 아니라, 부지주기에 따른 부지분류 분포를 도출하여 영역 내 임의 위치에서의 증폭계수 결정을 통한 내진설계 및 내진성능평가를 위한 정보를 제시하였다. 이 연구에서는 또한 부산 및 울산 지역 내의 거점 산업시설들을 선정하고 위치 별로 부지분류에 따른 부지 조건을 도출하여 지반지진공학적 공간구역화 정보의 예비적 내진 활용성을 확인하였다.

지질지반 조건의 공간적 분포와 관련된 부지효과는 지진 시 지반운동의 증폭에 지대한 영향을 미친다. 즉, 지표부근 지질지반의 층상구조와 물성뿐만 아니라 지표면 지형 및 분지 형상이 부지효과의 영향 요인이다. 이러한 부지효과 관련 영향 요소들 중에서 단지 지표부근 지질지반 조건에 따른 증폭 정도만이 미국 서부지역 기준을 근간으로 하는 국내 현행 내진설계 지침에 반영되어 있다. 그럼에도 불구하고, 최근까지의 전 세계 지진 발생 사례들로부터 지표지형 변화에 따른 광범위하고 심각한 피해들을 확인해 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다각적 해석이 가능한 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 인공 절성토 지반을 모사하여 일차원과 이차원 해석을 수행하였다. 일차원 해석 결과는 지형효과의 영향이 반영되지 않았으므로 일차원과 이차원 수치 모델 해석 결과의 지표면 최대가속도 분포의 비교를 통해 각각의 변수가 지형효과에 미치는 영향을 평가하였고 궁극적으로 국내 내진설계기준에 지형효과에 대한 고려 방안을 제시하고자 하였다.