Liquefaction Hazard Assessment according to Seismic Recurrence Intervals Using Simple Estimating Method in Busan City,  Korea

Hyunjee Lim; Rae-yoon Jeong; Dongha Oh; Hyejin Kang; Moon Son

doi:10.9720/kseg.2020.4.589

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Research Article

The Journal of Engineering Geology. 31 December 2020. 589-602
https://doi.org/10.9720/kseg.2020.4.589

Liquefaction Hazard Assessment according to Seismic Recurrence Intervals Using Simple Estimating Method in Busan City, Korea

간이평가법을 이용한 지진재현주기별 부산광역시 액상화 재해 평가

Hyunjee Lim¹

Rae-yoon Jeong²

Dongha Oh³

Hyejin Kang⁴

Moon Son⁵^*

임 현지¹

정 래윤²

오 동하³

강 혜진⁴

손 문⁵^*

¹Ph.D. Student, Department of Geological Sciences, Pusan National University

²Master, Department of Geological Sciences, Pusan National University

³Senior Research Fellow, Urban Environment Research Lab, Busan Development Institute

⁴Master Student, Department of Geological Sciences, Pusan National University

⁵Professor, Department of Geological Sciences, Pusan National University

¹부산대학교 지질환경과학과 박사과정

²부산대학교 지질환경과학과 석사

³부산발전연구원 도시 ‧ 환경연구실 선임연구위원

⁴부산대학교 지질환경과학과 석사과정

⁵부산대학교 지질환경과학과 교수

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

As can be seen in many earthquakes, liquefaction causes differential settlement, which sometimes produces serious damages such as building destruction and ground subsidence. There are many possible active faults near the Busan city and the Yangsan, Dongrae, and Ilgwang faults among them pass through the city. The Busan city is also located within the influence of recent earthquakes, which occurred in the Gyeongju, Pohang, and Kumamoto (Japan). Along the wide fault valleys in the city, the Quaternary unconsolidated alluvial sediments are thickly accumulated, and the reclaimed lands with beach sediments are widely distributed in the coastal area. A large earthquake near or in the Busan city is thus expected to cause major damage due to liquefaction in urban areas. This study conducted an assessment of the liquefaction hazard according to seismic recurrence intervals across the Busan city. As a result, although there are slight differences in degree depending on seismic recurrence intervals, it is predicted that the liquefaction potential is very high in the areas of the Nakdonggang Estuary, Busan Bay, Suyeong Bay, and Songjeong Station. In addition, it is shown that the shorter the seismic recurrence interval, the greater difference the liquefaction potential depending on site periods.

Keywords

liquefaction

liquefaction potential index (LPI)

hazard assessment

hazard map

seismic recurrence interval

과거의 많은 지진 사례에서 볼 수 있듯이 액상화 현상은 부등침하를 일으키고 심한 경우 건물 파괴, 지반 함몰과 같은 심각한 피해를 유발한다. 연구지역인 부산광역시 인근에는 지진발생 가능성이 높은 단층들이 분포하며 양산단층, 동래단층, 일광단층이 도심지를 통과하고 있다. 또한 최근 발생한 경주, 포항, 일본 구마모토 지진의 영향권 내에 위치하며, 도시 내 넓은 단층곡을 따라서 두꺼운 제4기 미고결 충적층이 발달하고 해안 지역에는 해빈 퇴적물과 함께 매립지가 넓게 분포한다. 따라서 부산광역시 인근에서 대형 지진이 발생할 경우 도심지 내에 액상화로 인한 큰 피해가 예상되어, 도시 전 지역을 대상으로 지진재현주기별 액상화 발생 가능성을 평가하였다. 그 결과, 지진재현주기에 따라 정도의 차이는 존재하나 낙동강 하구 평야지대와 부산만, 수영만, 송정역 일대에서 액상화 발생 가능성이 매우 높은 것으로 예측되었다. 또한 짧은 지진재현주기일수록 부지주기에 따라 상당히 다른 결과가 도출된 반면, 재현주기가 길어질수록 부지주기에 관계없이 그 결과는 비슷한 양상을 보였다.

키워드

액상화

액상화 가능지수(LPI)

재해평가

재해지도

지진재현주기

MAIN

서 론
액상화 가능지수 산정
지반정보 활용
지반분류 방법
시추데이터의 보간 방법
지반분류 결과
액상화 발생 가능성 평가 결과
요약 및 결론

서 론

전자식 계기지진 관측 이래로 우리나라에서 가장 큰 규모의 지진으로 기록된 2016년 9월 경주지진(Mw 5.8)과 이은 2017년 11월 포항지진(Mw 5.4)이 도심지 인근에서 발생함에 따라 시설물 파괴, 통신 서비스 마비, 문화재 피해 등과 함께 일시적인 사회적 혼란이 동반되었다. 포항지진의 규모는 경주지진보다 작았으나 진원의 깊이가 약 4 km로 얕고(Chung and Iqbal, 2017; Chung et al., 2018; Kim et al., 2020b) 기반암의 심도가 경주지역에 비해 깊어 상대적으로 두껍고 연약한 지반에 의해 지반증폭과 액상화(liquefaction)가 포항지역에서 발생하였다. 포항지진에 의한 액상화는 진앙으로부터 남쪽 약 9 km 거리 떨어진 포항시 남구까지도 발생하여 모래 화산(sand volcano)들이 곳곳에서 관찰되었으며(Gihm et al., 2018; Lee et al., 2018; Gahng, 2019), 액화된 퇴적물의 분출로 인한 지반침하는 주거지, 학교를 비롯한 각종 시설물에 피해를 입혔다(Hwang and Lee, 2018; Kim et al., 2018).

최근의 이러한 이례적인 지진발생으로 지진에 대한 국민적 관심이 증가하고 보다 큰 규모의 지진발생 가능성이 대두됨으로써, 국가의 지진재난 대응역량 강화를 위하여 지진발생 원인 규명, 지진재해 평가, 내진성능 평가와 향상, 지진회복력 강화 등에 관한 연구들이 활발히 진행 중이다. 이중 액상화 연구는 포항지진과 관련한 액상화 특징과 고지진학적 연구(Lee et al., 2018; Gihm et al., 2018; Jin and Kim, 2020), 실험을 통한 국내 액상화 평가(Kim et al., 2020a; Hwang et al., 2020a, 2020b), 서울, 경기, 경주, 포항 등의 지역별 액상화 재해도 작성(Baek and Choi, 2019a, 2019b) 등으로 다양한 방면에서 이루어지고 있다.

부산광역시는 최근 큰 규모의 지진이 발생한 경주, 포항 그리고 일본의 후쿠오카와 지리적으로 가깝게 위치하고 있으며, 활성단층으로 평가되는 양산단층대의 양산단층, 동래단층, 일광단층이 도심지를 관통하고 있다(Fig. 1). 이들 단층을 따라 형성된 북북동 방향의 단층곡부에는 제4기 충적층이 두껍게 분포하고 대형 빌딩들과 함께 인구 밀집도가 높은 도심화가 집중되어있다. 또한 일제 강점기 이래로 광범위한 매립으로 조성된 해안 지역은 항만시설, 산업시설, 고층 주거시설 등의 밀집도가 높기 때문에 부산광역시는 대규모 지진발생 시 액상화로 인한 피해가 상당할 것으로 예상된다.

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Fig. 1

(a) Location of the study area with the geological boundary of the Gyeongsang Basin in South Korea. (b) Simplified geological map of the Busan city (modified from Lee and Kang, 1964; Lee and Kim, 1964; Park and Yoon, 1968; Son et al., 1978; Chang et al., 1983; Cho et al., 2011) with the distribution of alluvium (unconsolidated deposits) and major faults running through densely populated areas. YF: Yangsan Fault, DF: Dongnae Fault, IF: Ilgwang Fault.

액상화 재해도 작성방법은 여러 연구자들에 의해 개발되어왔으며, 평가방법에는 지반응답해석과 실내시험을 이용한 상세평가법과 표준관입시험(Standard Penetrate Test, SPT) N 값, 콘관입시험(Cone Penetrate Test, CPT) N 값, 전단파속도(Shear wave velocity, Vs) 등을 이용한 간이평가법이 있다. 이번 연구는 국토지반정보 통합 DB센터에 기구축 된 데이터베이스를 활용하여 간이평가법에 기초한 액상화 발생 가능성을 평가하고자 하며, 지진재현주기 100년, 500년, 1,000년, 2,400년에 해당하는 지진가속도를 적용하여 액상화 재해도를 도시화하였다.

액상화 가능지수 산정

Seed and Idriss(1971)와 Seed et al.(1985)에서 액상화 안전율(Factor of Safety, FS)을 식 (1)과 같이 제시하였는데, 이는 지진 발생 시 지반이 액상화에 저항할 수 있는 반복저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)와 지진 발생 시 지반에 작용하는 반복전단응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)로 산정가능하다. 추가적으로 액상화 현상은 지진규모(M_w)에 직접적인 영향을 받기 때문에 지진규모보정계수(Magnitude Scaling Factor, MSF)를 도입하였다. 지진규모보정계수는 Seed et al.(1985)이 제안한 $M S F = \frac{10^{2.24}}{M w^{2.56}}$ 을 이용하였다.

(1)

F S = \frac{C R R}{C S R} M S F

Youd and Idriss(2001)은 SPT-N 값을 이용하여 CRR을 결정할 수 있는 식 (2)를 제시하였다. 이 때, 시추공의 관입직경, 샘플링방법, 유효상재압, 에너지효율 등을 고려한 보정값인 $(N_{1})_{60}$ 을 사용하였다.

(2)

C R R = \frac{1}{34 - (N_{1})_{60}} + \frac{(N_{1})_{60}}{135} + \frac{1}{[10 (N_{1})_{60} + 45]^{2}} - \frac{1}{200}

CSR은 지진 하중의 수평면에 작용하는 반복전단응력( $τ_{c y c}$ )을 유효수직응력( $σ'_{r o}$ )으로 나눈 값을 의미하며 식 (3)과 같이 정의된다(Seed and Idriss, 1971; Seed et al., 1985). 여기서, PGA는 최대지반가속도, g는 중력가속도, $σ_{v o}$ 은 수직응력을 의미한다.

(3)

C S R = \frac{τ_{c y c}}{σ'_{r o}} = 0.65 (\frac{P G A}{g}) (\frac{σ_{v o}}{σ'_{r o}}) r_{d}

r_d은 응력감소계수(Stress Reduction Coefficient)로서, 지반의 두께가 얇아질수록 1에 가까워지는데 이는 지반의 두께가 두꺼워질수록 전단응력은 상대적으로 감소함을 의미한다. 대상지반의 심도(z)에 따라 식 (4)로 산정 가능하다(Liao and Whitman, 1986).

(4)

if z \leq 9.15, r_{d} = 1.0 - 0.00765 z if 9.15 m < z \leq 23, r_{d} = 1.174 - 0.0267 z

Iwasaki et al.(1978)이 제안한 액상화 가능지수(Liquefaction Potential Index, LPI)는 식 (5)로 정의되며, 이는 해당 지층의 액상화 안전율과 평가 지점의 심도에 대한 가중치를 곱한 값을 적분하여 액상화 발생 가능성을 정량적으로 표현한 것이다.

(5)

L P I = \int_{0}^{20} F (z) (10 - 0.5 z) d z

F(z)는 각 깊이에 해당하는 액상화 안전율로서 F(z)가 1을 초과한다면 지진이 발생했을 때 해당 깊이에서 액상화가 발생하지 않음을 의미하기 때문에 F(z) = 0으로 사용되며, F(z)가 1 이하이면 대상 지점에서 액상화 안전율이 낮음을 의미하여 F(z) = 1-FS로 산정한다. Iwasaki et al.(1978)에 제시된 액상화 발생 가능성 단계는 ‘매우 낮음(very low)’, ‘낮음(low)’, ‘높음(high)’, ‘매우 높음(very high)’의 네 가지로 분류된다. 그러나 이 분류법의 ‘매우 낮음’에 해당하는 단계는 ‘액상화 미발생(non-liquefiable)’과 ‘매우 낮음’ 지역을 명확하게 구분할 수 없고, ‘낮음’과 ‘높음’ 단계 사이의 ‘중간(moderate)’ 등급 또한 존재하지 않는다. 따라서 이러한 문제점을 해결하고, 좀 더 세분화된 등급을 사용하게 위하여 Sonmez(2003)의 분류를 이용하였다(Table 1). Sonmez(2003)은 액상화 안전율이 1.20 이상 값을 가질 때 액상화가 발생하지 않음으로 가정하여 F(z) = 0으로 사용하였으며, 액상화 안전율이 0.95 이상 1.20 이하일 경우, F(z)를 산정하는 식을 추가하여 액상화 발생 가능성 단계를 세분화하였다(식 (6)).

Table 1.

Liquefaction potential categories based on LPI. The values of both F(z) term and equivalent FS for LPI values (Sonmez, 2003)

LPI	F(z)	FS	Liquefaction potential category
0	0	1.2 ≤ FS	Non-liquefiable
0 < LPI ≤ 2	0 < F(z) ≤ 0.02	1.00 ≤ FS < 1.20	Low
2 < LPI ≤ 5	0.02 < F(z) ≤ 0.05	0.95 ≤ FS < 1.00	Moderate
5 < LPI ≤ 15	0.05 < F(z) ≤ 0.15	0.85 ≤ FS < 0.95	High
15 < LPI	0.15 < F(z)	FS < 0.85	Very high

(6)

if 1.2 \leq F S, F (z) = 0 if 0.95 \leq F S < 1.2, F (z) = 2 \times 10^{6} e^{- 18.427 F S} if F S < 0.95, F (z) = 1 - F S

지반정보 활용

이번 연구에서 사용된 시추공의 수는 총 7,951개 공이며, 이들 시추공에서 얻어진 총 94,657개의 SPT-N값을 이용하였다.

지반분류 방법

지반 동적 특성은 지진의 진폭, 주파수의 특성, 해당 지역의 지반 조건에 따라 매우 상이하게 나타나기 때문에 액상화 발생 가능성 평가를 위해 지반분류에 따른 증폭계수 산정이 우선적으로 이루어져야 한다. 과거 국내 내진설계 기준(MOCT, 1997)에 따른 지반분류는 제정 당시 미국 서부의 지반을 지표로 하여 작성된 것으로 S_A에서 S_E까지 다섯 종류로 구분된다. 이는 지표면으로부터 심부 30 m까지의 평균 전단파속도인 V_S30을 기준으로 분류되며, 분류된 지반 종류에 근거하여 정량화된 지반증폭계수를 제시하고 있다(MOCT, 1997).

그러나 국내 지반의 경우 미국 서부의 지역보다 기반암의 심도가 얕고 토사의 강성 또한 크기 때문에(Sun, 2010b) 이를 반영하여 2018년 국내 내진설계 기준이 개정되었다(MPSS, 2017). 기반암 깊이와 토층 평균 전단파속도를 근거로 하였을 때 S₁에서 S₆까지 여섯 종류로 구분되며, 지반특성이 지진공학적으로 불리하여 부지 고유의 특성평가와 지반응답 해석이 필요한 지반 종류 S₆의 분류 기준은 다음과 같다(MPSS, 2017).

- 액상화가 일어날 수 있는 흙, 예민비가 8 이상인 점토, 붕괴될 정도로 결합력이 약한 붕괴성 흙과 같이 지진하중 작용 시 잠재적인 파괴나 붕괴에 취약한 지반

- 이탄 또는 유기성이 매우 높은 점토지반(지층의 두께 > 3 m)

- 매우 높은 소성을 띤 점토지반(지층의 두께 > 7 m, 소성지수 > 75)

- 층이 매우 두껍고 연약하거나 중간 정도로 단단한 점토(지층의 두께 > 36 m)

- 기반암이 깊이 50 m를 초과하여 존재하는 지반

부산광역시 서부의 낙동강 하구는 매립지가 광범위하게 발달하고 있으며, 이 지역의 기반암 깊이는 평균 50 m, 최대 약 90 m 값을 보이며 지반 S₆에 해당된다(Fig. 2). 하지만, 개정된 내진설계 기준에 지반 S₆의 지반증폭계수가 제시되어 있지 않기 때문에 이번 연구지역의 지반분류에는 국내 부지 지반응답 해석을 통하여 제안된 Sun(2010b)의 국내 부지 분류 기준을 적용하였다(Table 2).

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Fig. 2

Location of 7,951 boreholes, which are distributed along roads and in urban areas, and depth of earthquake engineering bedrocks showing maximum depth of about 90 m in the Nakkdonggang estuary.

Table 2.

Site classification system with the mean Vs to determine amplification factors based on the site-specific seismic response analysis in Korea (Sun, 2010b)

Generic description	Site class		Criteria		Amplification factors
Generic description	Site class		Vs₃₀ (m/s)	VsDs (m/s)	Fa	Fv
Rock	B		>760	>760 Cs	1.00	1.00
Weathered rock	C	C1	>620	>620 Cs	1.28	1.04
Shallow stiff soil		C2	>520	>520 Cs	1.45	1.09
Intermediate stiff soil		C3	>440	>440 Cs	1.65	1.13
Intermediate stiff soil		C4	>360	>360 Cs	1.90	1.19
Deep stiff soil	D	D1	>320	>320 Cs	2.08	1.23
		D2	>280	>280 Cs	2.26	1.29
		D3	>240	>240 Cs	2.48	1.36
		D4	>180	>180 Cs	2.86	1.43
Deep soft soil	E		≤180	≤180 Cs	1.50	2.00

기반암 심도 30 m 이상의 경우 국내 부지 지반 분류(MOCT, 1997)에 사용된 식 (7) (Borcherdt, 1994)에 적용하였으며, 기반암의 심도가 30 m보다 얕은 곳은 Sun(2010b)이 제안한 식 (8)을 보조적으로 사용하여 V_S30을 산정할 수 있다. 식 (7)의 d_i와 V_Si는 각각 지하 30 m까지의 i번째 지층의 두께와 평균 전단파속도를 의미하며, 식 (8)의 C_S는 Sun et al.(2007)에서 제시된 평균 전단파속도 계수, D_S는 기반암까지의 심도, V_SD_S는 D_S까지의 평균 전단파속도로 정의된다.

(7)

V_{S 30} = \frac{30}{\sum_{i = 1}^{n} \frac{d_{i}}{V_{S i}}}

(8)

V_{S 30} = \frac{V s D s}{C s} = \frac{V s D s}{0.2143 D s^{0.4529}}

지반증폭계수는 부지주기(site period, T_G)에 따라 단주기 증폭계수(Fa), 중장주기 증폭계수(Fv)로 결정된다. 여기서, 부지주기는 지진 발생 시 기반암 상부의 지반의 공진 주기를 의미하며, 이는 기반암 심도와 기반암까지의 각각의 지반 동적 특성에 따라 그 값이 달라질 수도 있다(Sun, 2010a).

이번 연구에서는 현장 시험 수행으로 얻어진 전단파속도 자료를 확보하지 못하였으나, 이러한 경우 SPT-N 값(N)과의 상관관계로 전단파속도를 결정할 수 있다. 국내 지반 실정에 맞게 개발된 Sun et al.(2005)의 식 (9)을 통해 전단파속도를 산출하였다.

(9)

V s = 65.64 N^{0.407}

시추데이터의 보간 방법

연구지역 내의 시추데이터 대부분은 도로, 도시고속도로, 교량, 건축물 지반조사 시 획득된 자료로 일부 지역에 집중되어 나타난다(Fig. 2). 이러한 불연속적인 분포를 가지는 시추 자료의 연속적인 예측방법을 위하여 정규 크리깅(ordinary kriging) 보간법, 단순 크리깅(simple kriging) 보간법, 역거리 가중치(Inverse Distance Weighted, IDW) 보간법 중 평균제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)가 가장 작은 값을 나타내는 정규 크리깅 보간법의 구형모델(Spherical model)에 적용하였다(Table 3).

Table 3.

Root mean square error according to interpolation methods

Method		Root mean square error
Ordinary Kriging	Spherical	0.3560
	Exponential	0.3626
	Gaussian	0.3644
Simple Kriging	Spherical	0.3859
	Exponential	0.3912
	Gaussian	0.3959
Inverse distance weighted		0.358

지반분류 결과

연구지역의 V_S30은 최소 약 30 m/s에서 최대 약 1,190 m/s까지의 넓은 스펙트럼을 보이며, 지반 B부터 E까지 모든 지반 종류가 나타난다(Fig. 3). 지반 B는 개좌산, 백운산, 대운산, 백양산 등의 산지지형에 분포하며, 지반 E는 강서구에 집중적으로 나타나거나 부산만, 수영만, 송정역 일대 에 부분적으로 분포하는 양상을 보인다.

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Fig. 3

Site classification based on shear wave velocity to a depth of 30 m (V_S30).

액상화 발생 가능성 평가 결과

지진재현주기와 부지주기를 구분하여 액상화 발생 가능성을 평가하였으며, 이를 통해 총 8개의 액상화 재해도를 도출하였다(Figs. 4~8). 지진재현주기별 기반암 가속도는 국내 내진설계기준(MOCT, 2018)에서 제시한 100년의 0.0627 g, 500년의 0.110 g, 1,000년의 0.154 g, 2,400년의 0.220 g를 대상으로 하였다. 이는 기반암 가속도 크기를 약 0.05 g 간격으로 적용한 것으로 평가 결과는 다음과 같다.

지진재현주기 100년을 대상으로 한 액상화 평가 결과, 부지주기에 따른 차이가 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있다(Fig. 4; Fig. 8). 먼저 단주기에서는 ‘액상화 미발생’ 단계에서 액상화 발생 가능성이 ‘매우 높음’ 단계까지 다섯 단계가 모두 나타났다. 연구지역 서부의 낙동강 하구 평야지대 일대는 LPI 5를 초과하는 지역이 광범위하게 분포하고, 이중 LPI가 15를 초과하여 ‘매우 높음’ 단계로 평가되는 지역도 나타난다. 반면 중장주기에서는 LPI 15를 초과하는 지역은 나타나지 않으며, LPI가 5를 초과하는 지역 또한 낙동강 하구 평야지대에 국지적으로 나타나는 양상이다.

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Fig. 4

Liquefaction hazard maps expressed as LPI according to the input bedrock acceleration 0.0627 g in (a) short-period and (b) mid-period.

지진재현주기 500년을 적용한 액상화 평가를 지진재현주기 100년을 적용한 것과 비교하면, 부지주기에 관계없이 500년 주기에서 낙동강 하구 평야지대 일원이 두드러지게 액상화 위험성이 높아진 것을 알 수 있다(Fig. 4; Fig. 5). 또한 지진재현주기 100년에서 액상화 미발생(LPI = 0)으로 평가된 지역들 중 일부가 LPI가 0을 초과하는 값을 보인다. 단주기에서는 낙동강 하구뿐만 아니라 장림포구, 감천항, 부산만, 송정역 일대에서 액상화 발생 가능성 ‘매우 높음’이 나타난다. 중장주기에서는 재현주기 100년에서는 보이지 않았던 ‘매우 높음’ 단계가 서부 평야지대에 나타나며, 감천항과 부산만, 송정역 일대에서 ‘높음’ 단계가 나타난다(Fig. 5; Fig. 8)

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Fig. 5

Liquefaction hazard maps expressed as LPI according to the input bedrock acceleration 0.110 g in (a) short-period and (b) mid-period.

지진재현주기 1,000년 0.154 g에서는 부지주기의 구분 없이 서부 낙동강 하구 일원 대부분이 액상화 발생 가능성 ‘매우 높음’을 보인다(Fig. 6). 이와 대조되게 부산광역시 중부와 동부 지역에서는 단주기와 중장주기에서 서로 다른 결과를 보이는데, 단주기에서의 ‘액상화 미발생’ 단계는 중부와 동부 지역에서 산발적으로 나타나지만, 중장주기에서는 중부와 동부에서 연속적인 분포를 보인다.

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Fig. 6

Liquefaction hazard maps expressed as LPI according to the input bedrock acceleration 0.154 g in (a) short-period and (b) mid-period.

마지막으로 지진재현주기 2,400년의 0.220 g 기반암 가속도를 적용한 결과, 단주기와 중장주기의 액상화 평가 결과가 거의 유사하게 나타났다(Fig. 7; Fig. 8). 낙동강 하구 일원, 장림포, 감천항, 부산만, 수영강, 송정역 일대는 액상화 발생 가능성이 대부분 ‘매우 높음’으로 나타나며, 단주기와 중장주기에서 이 비율은 매우 유사하게 나타났다. 2,400년 주기를 적용한 단주기와 중장주기 모두의 ‘액상화 미발생’ 지역은 1,000년을 적용한 결과에 비해 약 50% 감소된 양상이다(Fig. 8).

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Fig. 7

Liquefaction hazard maps expressed as LPI according to the input bedrock acceleration 0.220 g in (a) short-period and (b) mid-period.

동일한 지반과 지하수위를 적용시켰음에도 불구하고, 지진재현주기가 짧을수록 부지주기에 따른 액상화 발생 가능성 평가 결과는 매우 상이하게 나타난다(Fig. 8). 이는 지진규모가 작은 경우의 액상화 발생 가능성은 지진재현주기 즉, 지진규모보다 기반암 심도나 지반의 동적 특성에 더 큰 영향을 받음을 보여준다. 반면에 지진재현주기가 길어질수록 액상화 발생 가능성 평가 결과는 매우 유사한 양상을 보이는데(Fig. 8), 이는 일정 규모 이상의 큰 지진이 발생하면 액상화 발생 가능성은 지반의 동적 특성과 관련된 인자보다는 지진규모에 보다 큰 영향을 받음을 의미한다.

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Fig. 8

Graph showing the percentage change of liquefaction potential categories according to site periods and recurrence intervals. Red: very high, Orange: high, Yellow: moderate, Green: low, Blue: non liquefaction.

요약 및 결론

이번 연구는 부산광역시 전역을 대상으로 총 7,951개의 시추공 자료를 기반으로 LPI에 기초한 간이평가법을 이용하여 액상화 발생 가능성을 평가하였다. 액상화 재해지도는 지진재현주기(100년, 500년, 1,000년, 2,400년)와 부지주기(단주기, 중장주기)의 경우로 구분하여 총 8가지로 작성하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) SPT-N 값을 기준으로 연구지역의 V_S30을 환산한 결과, V_S30은 최소 약 30 m/s에서 최대 약 1,190 m/s까지의 넓은 스펙트럼을 보이며, 모든 지반 종류가 나타난다. 산지지형을 중심으로 지반 B가 분포하며, 낙동강 하구와 부산만, 수영만과 같은 매립지에 지반 E가 넓게 분포한다.

(2) 액상화 발생 가능성 평가 결과, 지진재현주기에 따라 정도의 차이는 있으나 부지주기에 관계없이 모두 낙동강 하구 평야지대와 부산만, 수영만, 송정역 일대와 같이 지반 E에서 액상화 발생 가능성이 상대적으로 매우 높은 것으로 나타났다.

(3) 지진재현주기가 짧을수록 부지주기에 따른 액상화 발생 가능성 평가 결과가 큰 차이를 보이는데, 이는 기반암 가속도가 작은 경우, 액상화 발생 가능성은 지진규모보다 기반암 심도나 지반 동적 특성에 보다 많은 영향을 받는 것을 의미한다. 이와 반대로 지진재현주기가 길수록 부지주기에 따른 액상화 발생 가능성의 결과는 매우 유사한 결과를 보이는데 이는 기반암 가속도가 큰 경우 지반특성보다 지진규모의 영향을 더 많이 받음을 의미한다.

(4) 액상화 발생 가능성이 높은 지역이자 2018 국내 내진설계 기준의 지반 S₆인 연구지역의 서편 낙동강 하구를 중심으로 향후 액상화 상세평가를 위한 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 부산대학교 기본연구지원사업(2년)에 의하여 연구되었다. 심사과정에서 세심하고 건설적인 조언과 비평을 해주신 익명의 심사위원님들께 감사드린다.

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