1. 서론

 

광대한 부지 안에 건설되는 공항에서 지반이 액상화 되면 여러 가지 시설이 기능을 상실할 우려가 있다. 일본에서는 1964년도의 Nigata지진에 의한 Nigata공항 피해 사례가 대표적이다. 당시 공항에서는 터미널 빌딩이 액상화에 의한 지반 지지력 상실에 의해 약 1m정도 침하가 발생하였다. 활주로에서도 액상화에 의한 균열과 부동침하가 발생한 것이 확인되었다. 사진 1은 지진에 의한 활주로 피해사진을 나타낸다.

 

사진1. Nigata공항 활주로 피해

 

피해는 지반 변화에 의한 활주로의 균열, 단차가 일부분에 발생했음에도 활주 거리가 확보되지 않아 공항사용이 제한되었고, 지진시의 정량적인 피해예측과 합리적인 액상화 대책이 중요하다는 것을 시사하고 있다.

또한 1995년도의 Hyogo현 지진시에 의하여 내진설계에서 2단계의 지진동(레벨1, 레벨2)을 고려하여, 기존의 내진설계와 차이를 둔 구조의 안전성이 아닌 시설사용성에 대한 요구가 증대하고 있다. 공항에서는 공항토목시설내진설계요령에 레벨2에서의 각종 시설물의 요구성능이 규정되고 있고, 그림1에 액상화 대책에 대한 흐름도를 나타내었다.

 

2. 물리탐사의 대책

 

공항용지내에서 실시하는 물리탐사수법은, 주로 고밀도 표면파검사, 소규모 미동아레이, 및 전기탐사이고, 비파괴·비침습으로 지반의 역학적 특성을 파악하는 보조적 조사로 각각의 목적을 표1에 나타내었다.

 

 

 

그림1. 액상화대책 책정 Flow

 

 

표1. 물리탐사사례

현장	실시시기	물리탐사수법	목적
Ishikari만신항	2007.10	표면파탐사	활주로 직하에서의 액상화전후 물성값 변화파악
Niegata공항	2008.8	표면파탐사, 전기탐삼	시공이력, 지반개량범위확인, 액상화층의 연속성 파악
Matsuyama공항	2009.2	표면파탐사, 미동아레이, 전기탐사	시공이력확인, 액상화층의 연속성 파악
Miyazaki공항	2010.2	표면파탐사, 미동아레이	액상화 층의 연속성 파악
Tokyo국제공항	2010.12	표면파탐사, 미동아레이, 전기탐사	지반 개량 범위의 파악

 

2.1 파동의 종류와 특징

지진파는 복수로 존재하고 특징에 다르다. P파, S파의 실체파는 물질내부를 전파하는 진동이고, 경계파는 물질의 경계를 전달하는 파동이다. 표면파는 경계파의 일종으로 그 중에서도 레이리파, 러브파 등의 표면파가 존재한다. 이러한 실체파와 경계파의 큰 차이는, 실체파는 분산성을 가지지 않으나, 경계파는 분산성을 가진다는 것이다. 파동의 분산성이란 주파수에 의해 파동의 전파속도가 변화는 것을 말한다.

 

2.2 지반의 S파 속도를 결정하는 여러 인자

기존의 연구에서는 S파속도를 토질공학적 지표에 의해 추정하기 위한 관계식이 수량화 이론에 기초하여 제안되어 있다. 대부분은 N값, 심도, 지질연대 및 토질구분을 설명 변수로 하여, 실측 값과의 비교에 의해 구축되어 있다.

 

2.3 고밀도 표면파 탐사

이 수법은 일반적으로 심도 10~15m부근까지의 지반의 S파 속도 구조를 2차원적으로 파악 하는 것이 가능한 물리탐사수법이다. 활주로와 비슷한 장대구조물인 하천제방에서는 비교적 많이 이용되고 있다. 탐사방법으로는 1m간격으로 수신기 24개를 측선상에 설치하고 측선의 끝 단으로부터 1m 떨어진 위치에서 대형나무망치로 인력으로 지표면을 두들기고 그때 전달되는 파를 측정한다. 1회 타격이 끝나면 측선상에 2m이동하여 같은 방법을 반복한다. 작업 순서는 다음과 같다. 1)수신기·케이블의 설치 2) 가진 점의 준비 3) 가진, 관측 4) 이동 이다.

 

사진2. 수신기 (속도계)

 

사진3. 가진상황

 

고차 모드를 고려한 해석은 표면탐사기가 복수의 수신기를 사용하여 측정함으로 복수의 모드를 분리하는 것이 가능하다. 보고서의 측정값을 보면 깊어질수록 S파 속도가 빠른 지반에서는 저주파일수록 속도가 빠르고, 고주파일수록 속도가 느린 분포곡선이 얻어지고, 이를 기본모드라 한다. 표층의 S파 속도가 고속도인 지반구조, 또는 S파 속도가 고속도인 층이 협소하고, 그 직하의 S파 속도가 느린 지반구조 등, 즉 속도의 역전층이 존재하는 복잡한 지반에서는 빈번하게 고속모드로 생각 되어지는 파가 발생하고, 복잡한 분산곡선이 된다는 것이 알려져 있다. 측정한 값과 상정한 속도 모델에 대하여 정규모드 값으로 산출한 각 주파수에서의 최대진폭이 되는 고차모드의 입상속도를 이론분산곡선으로 생각하고, 이것이 관측 된 분산 곡선에 맞도록 모델을 수정하여 실제 지반의 S파 속도 구조의 추정이 가능하다.

해석에서의 속도구조 초기 모델은 기존 보오링 조사 결과 등을 기초로 작성하기 때문에 사전 조사 결과의 입수가 필요하다. 특히, PS검층 결과, S파 속도와 상관이 있는 N값, 지층구분 등이 기본적인 정보가 된다.

소규모미동 아레이에서의 레이아파의 파장과 탐사심도의 관계에 대해서는 파장이 긴 파장은 심부의 영향을 반영하고 있다 할 수 있다. 간단히 정리하면 연약지반에서는 [S파 속도가 작다 (파장이 길다)]이며, 아레이사이즈를 크게 한다. 한편 대심도에서는 [주파수가 낮다 (파장이 길다)]이며, 아레이 사이즈를 크게 하는 등의 대응이 현장에서 요구 되어진다. 보고서에서는 1회의 데이터 수록시간은 약 32초이며, 20회의 측정을 실시하였다. 얻어진 데이터로부터 분산곡선을 구하고, 수십m의 심도까지 1차원 S파 속도 구조를 구하였다.

 

2.5 전기탐사

전기탐사는 지반재료의 전기적인 특성 차이를 탐사하고, 토질의 분포범위의 추정을 목적으로 하는 수법이다. 시험적으로 적용하였다. 일반적인 전기탐사 에서는 전극봉을 지반에 박을 필요가 있으나, 활주로 에서는 불가능하기 때문에 이 연구에서는 캐퍼시터전극 이라 불리는 원리를 이용하여, 탐사수법을 활주로 상에서 실시하였다. 2극법의 탐사심도는 거의 전극간격과 동등 하다고 생각되기 때문에 전극간격이 1m일 때의 탐사 심도는 1m이다.

 

 

사진4. 전기탐사 상황

 

 

3. 활주로 지반의 물리 탐사 적용 사례

 

3.1 Ishikari만신항

공항토목시설의 내진성과 액상화 대책에 관하여 검토하기 위해, 실물 시설을 현장에 시공하고 제어발파에 의해 지반을 액상화시켜 액상화에 따른 실제 피해상황을 확인하였다. 50mX60m의 실제 활주로와 같은 설계사양의 아스팔트포장을 하고, 활주로 지반의 각 소에 밀도증대공법 및 약액주입 공법에 의한 지반 개량이 시공되었다. 측정은 고밀도 표면파 탐사로 사이트 내에서 7측선 실시되었다. 아스팔트 포장상에서 실시한 측선에서의 액상화 시험 전후의 지하수 이하 GL-10m까지의 S파 속도변화율에 대하여 본 보고서에서 보고하고 있다. 측정 데이터는 분포가 흩어져 있으나 전체적인 경향으로는 초기의 S파 속도가 빠른 개소에서는 S파 속도는 저하하는 경향을 나타내나, S파 속도가 느린 장소에서는 속도의 증가가 나타났다. 속도 증가의 분포범위가 저하 분포범위에 대하여, 약간 상회하는 상태가 확인되었다.

 

3.2 Nigata공항

Nigata공항에서는 매립부 활주로 지반의 지반개량 영역과 비개량 영역의 지반정보와 매립연장공사에 따른 구호안 구조물의 파악을 목적으로 고밀도 표면파 탐사를 실시하였다. 탐사 결과는 기존 보오링데이타와 부근에서 실시한 미니 라무 사운딩의 결과를 병용하여 검토하였다.

 

3.3 Matsuyama 공항

고밀도표면파탐사, 소규모 미동 아레이탐사 및 전기탐사를 실시하였다. 고밀도표면탐사와 전기 탐사에서는 활주로 횡단방향의 동일 측선 상에서 실시하였다. 더불어 공학적 기반을 확인하는 목적으로 실시한 소규모 미동 아레이는 4개소에서 실시하였으며, 그 중 3개소는 활주로 위, 나머지 1개소는 기존 보오링 조사 지점과 근접한 위치에서 실시하였다.

 

3.4 Miyazaki공항

고밀도표면파탐사측선, 소규모 미동 아레이 탐사 위치 평면도 및 기존 조사에 의한 지층상정 단면도를 이용하였다. 고밀도 표면파 탐사에서는 활주로 횡단 방향 및 기존 보오링 조사 장소 부근을 포함 횡단방향으로 4측선 실시하고, 공학적 기반을 확인하는 목적으로 실시한 소규모 미동 아레이는 활주로 상과 활주로 옆의 녹지대의 전체 4개소에서 실시하였다.

 

3.5 Tokyo국제공항

Tokyo국제공항에서는 부분부분 액상화 대책이 시공되어 있는 유도로 위에서 표면파탐사 및 전기탐사를 실시하였다. 액상화 층 및 지반개량범위의 확인을 시도하였다. 시공되어 있는 액상화 대책 공법은 밀도증대공법의 하나인 정적 압입 다짐공법이다. 더불어 소규모 미동 아레이로 정적 압입 다짐 공법에 의한 지반개량심도의 확인 및 공학적 기반의 확인을 1개소에서 실시하였다. 표면파 탐사는 수평방향으로 2m, 연직방향으로는 아스팔트 포장 표면으로부터 0.5m, 1.2m, 1.9m, 2.6m, 3.5m, 5.5m, 6.6m, 7.8m, 9.1m, 10.4m를, 전기탐사에서는 수평방향으로 2.5m, 연직방향으로 0.6m, 1.6m, 3.2m, 5.8m, 10m깊이까지 메슈결과 분포를 나타내었다.

 

4. 피해예측에 적용

 

이 보고서에서는 5개 공항의 활주로지반에서의 물리탐사사례를 나타내었고, 주로 표면파탐사에 의한 보오링 지점간의 공간보강, 지중에 매설된 구조물의 확인 및 지반개량범위의 평가를 실시하였다. 그러나 기존 연구에서 나타내었듯이 각 토질의 S파 속도 및 N값의 관계는 식으로 제안되어 있으나, 현장에서의 정합성과 보다 정밀한 탐사결과를 얻기 위해서는 미리 개략의 지층이 파악된 조건에서 사용하여야 할 것으로 판단한다. Nigata공항과 같은 지층 조건이 비교적 간단한 경우에는 표면파 탐사 만으로 보오링 조사 지점간의 공간보완이 가능하나, Matsuyama공항과 Tokyo공항과 같이 복잡한 시공 이력을 가진 시설은 성층 조건이 복잡하여, 판단할 때는 전기탐사 등의 별도 수법에 의하여 토질을 확인해 둘 필요가 있다.

 

5. 마무리

 

그림1.에 나타낸 액상화 대책 흐름도에서 상정한 레벨2지진동에 의한 미 대책 경우의 피해정도 예측이 필요하다. 특히 장대구조물인 활주로에서는 직하의 지반 상황이 다른 경우가 대부분이다. 따라서 이 연구에서는 통상 약100m마다 보오링 조사 이외의 수법으로 Ishikari만 신항에서의 인공액상화 실험을 실시하였다. 활주로 지반의 액상화 전후의 표면파 탐사 결과로부터 밀증대공법 범위와 미개량 액상화 지반의 S파 속도의 변화를 파악하는 것이 확인됨으로써, 물리탐사에 의한 활주로 지반의 조사를 실시하고, 지반 평가를 시도하였다. 조사 사례에 따른 내용은 다음과 같다.

 

- Nigata공항에서는 시공이력, 지반개량장소 확인 및 액상화 층의 연속성 파악을 목적으로 표면파탐사를 실시하였다. 결과로는 지반개량범위에서의 개략을 파악함과 함께, 공항주변의 지형과 변천을 비교하여, 구 해안선에서의 매설에 의한 매설 구조물의 존재를 파악할 수 있었다.

 

- Matsuyama공항에서는 시공이력확인 및 액상화 층의 연속성 파악을 목적으로 표면파탐사와 전기탐사를 실시하였다. 기존 보오링 조사 결과와 매립시공 이력과의 비교를 통한 표면파 탐사 결과에서는 각 매립 이력에서의 S파 속도 분포의 특징을 파악하였다. 전기탐사에서는 대략적인 토질분포를 파악할 수 있었다.

 

- Matsuyama공항과 Miyazaki공항에서는 표면파탐사 만으로는 공학적 기반면에서의 지반 모델을 구축하는 것이 안되기 때문에 소규모 미동 아레이 탐사측선 상에서 실시하고, 기존 보오링 및 표면파탐사 결과와 종합하여 지층산정단면도를 제시하였다. 소규모미동 아레이의 실시 빈도에 대하여는 사전 보오링 데이터 수에도 따르나, 결정법에 대하여는 검토할 필요가 있다.

 

- Tokyo국제공항에서는 표면파탐사 및 전기탐사를 실시하고, 밀실화한 지반개량범위에 대해 조사하였다.

 

- Matsuyama공항과 Tokyo국제공항에서는 표면파탐사 및 전기탐사결과를 이용하여 액상화 저항 평가를 실시하였다. 이 수법은 S파 속도와 비 저항값의 관계를 정리하고, 액상화의 가능성을 평가하는 수법으로 탐사가능 심도의 범위 만을 평가 대상으로 하고 있다. 얻어진 결과는 외력을 고려하지 않았으나, 활주로 연장 시기마다의 특징과 지반개량범위를 비교적 잘 나타내고 있다고 생각한다.

 

6. 결론

 

활주로의 피해예측을 함에 있어 액상화 층의 연속성과 분포를 파악하는 것이 중요하나, 통상의 보오링에서는 충분한 경우도 많을 것으로 판단한다. 이 보고서의 활용 의미는, 보오링 데이터가 있다는 전제하에 지점간의 지층보완과 조사지에서의 전체상을 파악하고 세밀한 조사가 필요한 장소를 파악하는 것이다. 보오링 조사 계획 전에 다음과 같은 순서에 의해 실시할 필요가 있다고 생각한다.

 

- 기존 보오링 조사 결과 및 미지형도·고지도 등을 이용한 지형·지질의 개략파악

- 물리탐사에 의한 지반의 탄성파 속도구조와 토질분포의 파악

- 기존 보오링 조사 결과 및 물리탐사결과에 기초한 액상화 층의 연속성, 층두께 분포의 개략파악에 의한 위험장소의 축출·범위축소

- 상기에 기초한 상세지반조사계획의 입안

더불어 보고서에서도 서술하였으나, 향후의 액상화 대책은 저개량율과 개량범위 축소에 의한 지반개량이 많아 질 것이다. 따라서 지속적인 조사 사례와 검증을 거쳐, 개량범위와 개량효과의 성능파악에 활용에 대하여도 탐사 정밀도의 향상과 함께 적용범위의 확대를 도모해 나아갈 예정이다.

 

 

 

▣ 원문제목 : 空港用地？における液？化被害予測のための物理探査事例

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

 

요지

1. 서론

2. 물리탐사의 개요

3. 활주로 지반의 물리탐사 적용 사례

4. 피해 예측에 적용

5. 마무리

6. 결론