representative shear wave velocity of geotechnical layers by … · representative shear wave...

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The Journal of Engineering Geology, Vol.22, No.3, Septembers, 2012, pp. 293-307

http://dx.doi.org/10.9720/kseg.2012.3.293

현장 탄성파시험 자료 종합을 통한 국내 지반지층의 대표 전단파속도 제안

선창국1*·한진태2·조완제3

1한국지질자원연구원 지진연구센터, 2한국건설기술연구원 Geo-인프라연구실, 3단국대학교 토목환경공학과

Representative Shear Wave Velocity of Geotechnical Layers

by Synthesizing In-situ Seismic Test Data in Korea

Chang-Guk Sun1*, Jin-Tae Han2, and Wanjei Cho3

1Earthquake Research Center, Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources2Geotechnical Engineering Research Division, Korea Institute of Construction Technology

3Department of Civil and Environmental Engineering, Dankook University

지구물리학적 현상을 이해하고 지반공학 관련 문제를 해결하기 위한 주요 요소로서 전단파속도가 강조되어 왔다. 특

히, 내진설계와 내진성능평가를 위한 지반지진공학 분야에서 전단파속도의 중요성이 보편적으로 인지되고 있다. 국내 183

개소 부지들에서의 다양한 현장 탄성파시험 수행을 통해 대상 조사 부지들에서의 대표적 지반 동적물성으로서의 깊이별

전단파속도 분포들을 결정하였다. 대상 부지들의 지하 토사와 암반 지층을 지반지진공학적 간편 활용을 위한 매립토, 퇴

적토, 풍화토, 풍화암 및 기반암의 5 종류 지반지층으로 재분류하였다. 현장 탄성파시험의 전단파속도 분포들을 종합하

여 5 종류 지반지층들의 평균적인 전단파속도 주상들을 도출하였으며, 이를 토대로 지진학 및 지반지진공학에서의 유용

을 위한 각 지층별 대표 전단파속도 값을 도출하였다.

주요어 :전단파속도, 지반지층, 현장 탄성파시험, 지반 동적물성, 부지 특성화

Shear wave velocity is commonly invoked in explaining geophysical phenomena and in solving geotechnical

engineering problems. In particular, the importance of shear wave velocity in geotechnical earthquake engineering

has been widely recognized for seismic design and seismic performance evaluation. In the present study, various in-

situ seismic tests were performed to evaluate geotechnical dynamic characteristics at 183 sites in Korea, and shear

wave velocity profiles with depth were determined to be representative of the dynamic properties at the investi-

gated sites. Subsurface soil and rock layers at the target sites were reclassified into five geotechnical layers: fill,

alluvial soil, weathered soil, weathered rock, and bedrock, taking into account their general uses in geotechnical

earthquake engineering practice. Average shear wave velocity profiles for the five geotechnical layers were

obtained by synthesizing the shear wave velocity profiles from seismic tests in the field. Based on the profiles, a

representative shear wave velocity value was determined for each layer, for use in engineering seismology and geo-

technical earthquake engineering.

Key words : shear wave velocity, geotechnical layers, in-situ seismic test, geotechnical dynamic properties, site

characterization

서 론

지난 세기 후반 국내 내진 설계 관련 규정과 시설물

별 세부 사항의 체계화가 시작된 이래로 현재까지 국내

에서의 내진설계 및 내진성능평가는 연구와 실무 적용

이 병행되고 있다(Sun et al., 2007b). 특히, 금세기 들

어 한반도 주변을 포함한 세계 각지에서 더욱 빈번하게

발생하고 있는 강진으로 인해 야기된 막대한 인명과 구

*Corresponding author: [email protected]

294 선창국·한진태·조완제

조물 피해 사례들이 보고되고 있다(Green et al., 2011;

Kim, 2011; Lee et al., 2012). 이러한 사례들로 인해

국내의 지역적 지진 안전성에 관련된 다각적 우려와 경

각심이 대두되고 있는 가운데, 지진 운동의 중요한 영향

인자인 지반에 대한 지역적 특성 규명 연구 및 이를 통

한 실무적 활용 방안 체계화가 요구되고 있다(Sun,

2004). 이와 같은 지반 및 지진공학적 요구를 충족시키

기 위해서는 무엇보다도 지질 조건 및 동적 물성을 포

함하는 지반 특성을 정확히 파악하고 부지 효과와 관련

된 지진 전파 및 증폭 특성을 평가해야 한다.

부지 효과로 인하여 지진파는 기반암 상부의 토사 구

성 지반을 통해 전달되는 과정 중에 특정 진동수

(frequency) 범위에서 대개 증폭되며, 그 증폭 정도의 정

량적 크기는 주로 지반 특성에 따라 좌우된다. 인위적

구조물은 대부분 지반 재료를 토대로 하게 되므로, 구조

물의 지진시 거동의 신뢰성 높은 평가를 위해서는 지반

특성에 대한 올바른 반영이 전제되어야 한다. 최근에는

지반과 구조물을 따로 분리하여 지진시 거동을 파악하

거나 이를 중첩하여 전체적인 평가를 하던 고전적인 접

근 보다는 지반-구조물 상호작용(soil-structure interaction)

이나 지반-기초-구조물 상호작용(soil-foundation-structure

interaction)과 같은 진일보된 현실적 접근들이 지진 거동

평가를 위해 이루어지고 있다(Pitilakis et al., 2010;

Kim et al., 2011). 또한, 지역적 지진재해 예측을 통한

체계적 대책 수립을 위한 노력으로 중역적 또는 광역적

수준으로 예측된 재해 정보를 제공하려는 노력들이 진

행되고 있는 가운데(Sun, 2004; Sun et al., 2008b), 토

대 자료로서의 지반동적 물성인 전단파속도(shear wave

velocity, VS)의 합리적이고 신뢰성 높은 파악 및 적용이

필요하게 되었다.

본 연구에서는 지진공학 관련 다각적 접근의 기반이

되는 지역적 지반 동적 특성의 체계적 정량화의 일환으

로, 국내 다양한 부지에서 직접 수행된 전단파속도 자료

를 종합하고 분석하였다. 이 과정을 통해 국내 환경에서

의 다양한 토사와 암반 지층들에 대해 지진공학 실무

측면에서 간편하게 정의되어 온 지반지층들(geotechnical

layers 또는 geo-layers)의 분류별 대표 전단파속도를 제

시하였다.

지반지층별 전단파속도의 활용

전단파속도와 전단계수의 결정 기법

여러 형태의 지반동적 물성(geotechnical dynamic

properties) 중 대표적 특성으로 이용되고 있는 전단파속

도(VS)는 지반의 지진시 거동뿐만 아니라 공용 하중 상

태의 지반 거동의 정적 평가에도 매우 중요한 변수로서,

동적 재하나 초기 정적 재하 상태인 미소 전단 변형률

(< 10−3%)에서 지반의 변형 특성을 나타낸다(Sun, 2004;

Kim et al., 2005a; Sun et al., 2006b). 즉, Fig. 1에

서와 같이 지반의 전단계수(shear modulus, G)는 변형

률에 따라 선형한계 전단변형률(γte)을 중심으로 선형과

비선형 영역으로 구분되며, 선형 영역에 비해 상대적으

로 넓은 변형률 범위에서 비선형적 변화를 보이게 된다.

전단파속도를 통해 선형한계 변형률보다 작은 선형영역

의 전단계수(G)인 미소변형률(최대) 전단계수((maximum)

shear modulus at small strain, G0 (= Gmax))를 결정할

수 있으며(Sun et al., 2006b), 지반의 밀도(density, ρ)

와 전단파속도를 이용하여 식 (1)에서 제시한 바와 같이

미소 변형률 전단계수, G0를 산정할 수 있다.

(1)

미소변형률 수준에서의 최대 전단계수를 구하기 위한

대표적 방법은 크게 현장 시험과 실내 시험으로 구분해

볼 수 있으며, Fig. 2에서 대표적인 시험 방법들을 확인

해 볼 수 있다(Schneider et al., 2001; Sun, 2004). 실

내에서는 불교란 시료를 이용하거나 채취된 교란 시료

를 재성형하여 공진주/비틂전단 시험(resonant column/

torsional shear test), 벤더엘리먼트 시험(bender elements

test) 등과 같은 몇몇 기법의 적용을 통해 미소 변형률

수준의 전단계수나 이에 상응하는 전단파속도를 도출하

게 된다. 비교적 방법론적으로 제한적인 실내 시험과는

달리, 원위치에서 수행하는 현장 시험은 다양한 형식적

접근이 가능하다. 기본적으로 현장 시험은 비파괴 탄성

G0 ρVS

2

=

Fig. 1. Shear modulus reduction curve with strain of soil.

현장 탄성파시험 자료 종합을 통한 국내 지반지층의 대표 전단파속도 제안 295

파 및 표면파시험, 시추공 탄성파시험, 그리고 관입 탄

성파시험으로 구분된다(Kim et al., 2005b).

비파괴 시험으로는 표면파 기법인 SASW (spectral

analysis of surface waves)과 굴절법이나 반사법 탄성파

탐사 등이 있다. 지반 및 지질공학 측면에서 주로 활용

되는 비파괴 시험은 주로 표면파 기법이며, SASW 기

법 이외에도 여러 기법들이 최근 학술적 또는 실용적으

로 개발 적용되고 있으나(Kim et al., 2005b; Sun et

al., 2006b), MASW (multichannel analysis of surface

waves) 기법이 실무 조사 분야에서 많이 활용되고 있다.

이러한 비파괴 기법은 경제성이나 시험의 간편성에도 불

구하고 해석상의 여러 가정, 난해함 등으로 인해 적용

지층조건에 일부 한계를 가지고 있다.

시추공 탄성파시험으로는 크로스홀(crosshole) 시험,

다운홀(downhole) 시험, 그리고 부유식 PS 검층

(suspension P- and S-wave logging)이 소개되어 있다.

이 외에도 시추공 내에서 발진하고 지표면에서 수진하

는 업홀(uphole) 시험 기법과 단일 시험시추공 내에서

발진과 수진을 동시에 수행하는 인홀(inhole) 시험 기법

이 현재 국내 일부에서 제한적으로 적용되고 있다(Sun

et al., 2005a). 관입 탄성파시험으로는 기본적인 개념이

다운홀 시험과 동일한 탄성파콘(seismic cone) 및 탄성

파딜라토미터(seismic dilatometer) 관입 시험이 제시되어

있다(Sun et al., 2006b). 위에서 열거된 여러 실내외

시험 기법들은 그 고유의 장단점들을 가지고 있으며, 대

개 시험 목적이나 현장 여건에 따라 이러한 장단점들을

파악하여 단일 또는 복합 적용으로 전단파속도나 전단

계수와 같은 지반 강성(stiffness)을 결정하게 된다(Sun

et al., 2006a).

전단파속도의 지반지층별 도출을 통한 공학적 활용

현장과 실내에서의 다양한 조건의 시험 기법들을 적

용하여 결정한 전단파속도 또는 최대전단계수는 기법에

따라 여러 형식으로 제시된다. 이를 테면, 실내 공진주

시험이나 벤더엘리먼트 시험의 경우 특정 위치(심도)의

점 자료(point data)로 나타내어 질 수 있고, 현장 시추

공 탄성파시험은 소정 심도까지의 연속적 분포 형태의

주상 자료(profile data) 또는 일정심도 간격의 점 자료

군(a series of point data)으로 정리될 수 있다(Sun et

al., 2006a). 시험 결과로 제시된 전단파속도 자료는 대

상 지반이나 구조물의 거동 평가와 같은 실용적 분야에

활용되는데, 도출 자료를 직접 이용하거나 일정 심도 범

위나 지반지층별로 재가공하여 이용된다. 이와 같은 전

단파속도의 선택적 사용과 재가공 과정은 지반동역학이

나 지반 및 지질공학 전문 지식을 토대로 이루어져야

한다.

일반적인 상황의 공용 하중 조건이나 주변 소음진동

조건에서의 지반이나 구조물의 거동 예측에 전단파속도

Fig. 2. In-situ and laboratory testing methods for determining shear wave velocity.


가 기본 자료로 사용되기도 하지만, 전단파속도는 주로

지진 발생에 따른 지반 및 구조물의 응답 평가나 피해

예측과 같은 지진공학 관련 분야에 필수 자료로 광범위

하게 활용되고 있다. 일차원적 지반 위치 조건을 대상으

로 하는 부지고유 지진응답 평가(site-specific seismic

response analysis)는 최근 국내외에서 가장 활발하게 적

용되고 있는 수치적 평가 기법들 중의 하나이며, 주로

국부적 부지의 상세한 지진응답 특성을 파악하기 위해

수행한다(KGS, 2010).

부지고유 지진응답 평가의 대표적 입력 자료는 전단

파속도 주상(VS profile)인데, 가능한 한 정밀한 전단파

속도 분포의 사용을 통해 보다 정확한 결과 응답이 가

능하다. 특히, 지표면부터 토사 지층을 포함한 기반암

(bedrock)까지의 전반적인 깊이별 전단파속도 자료가 필

요하므로(Kim et al., 2002), 일차원 부지 지진응답 평

가를 위해서는 전단파속도 자료의 획득을 위한 현장 탄

성파시험 계획과 수행의 전체 과정에서 철저히 자료 요

구 사항들을 염두에 두어야 한다. 현장 탄성파시험이 수

행되지 않았거나 현장 시험을 통해 획득한 전단파속도

분포 자료가 응답 해석을 위한 입력 자료로서 완벽하지

못한 경우에는 입력 자료 신뢰도가 낮아질 수는 있으나,

여러 경험적 방법들로 깊이에 따른 전단파속도 주상을

결정하거나 완성할 수도 있다(Sun et al., 2007a; KGS,

2010; Sun et al., 2012).

국부적 지반에 대한 정밀한 지진 부지응답 해석과는

달리 전단파속도가 입력 자료로 이용되는 대부분의 지

진응답 평가와 지진피해 예측에서는 지진공학적 활용을

위해 경우에 따라 정의되거나 이상화(idealization) 및 단

순화(simplification)된 지반지층 별로 단일 대표 값의 전

단파속도를 사용하게 된다(Sun, 2012). 다양한 구성 재

료의 지반을 몇 종류의 지층으로 분류하는 과정이나 불

균질한 공간적 변화 분포 양상을 보이는 전단파속도를

단일 값으로 정리 도출하는 과정은 지반공학, 지질공학

그리고 지진공학의 여러 전문 지식과 경험이 복합적으

로 요구된다. 특히, 대상 지역의 공학적 지반특성 뿐만

아니라 지형이나 지질에 관한 배경적 특성들도 파악되

어야 하고, 정량적 값의 도출은 반드시 다양한 조건들이

반영된 실질 자료들을 토대로 수행되어야 한다.

지반지층 구분 및 각 지층별 대표 전단파속도를 반영

하여 지반이나 구조물계를 모델링하고 지진응답을 평가

하는 최근의 연구들(Sun and Chung, 2008; Sun,

2009b; Kim et al., 2012)에서는 원지반에서의 여러 현

장 탄성파시험 수행 결과들을 토대로 그 대상 지역의

지층별 단일 전단파속도를 도출하여 이용하였다. 지표면

부터 그 아래를 구성하는 재료인 흙과 암반은 여러 물

성적 특성을 가지게 되는데, 전단파속도(VS)와 같은 강

성의 경우 Fig. 3에서와 같이 국부적으로는 공간적 불균

질 분포 변화를 보일 수 있다. 그렇다 할지라도 지반

강성은 보다 포괄적 영역 범위에서는 심도가 깊어짐에

따라 일반적으로 증가하고, 각 지반지층별로도 일부를

제외하고는 대개 일정 범위의 정량적 값을 보이게 된다

. 다른 측면에서는 전단파속도를 포함한 지반 특성의 정

Fig. 3. Simplified geotechnical layers and their shear wave velocities.


량적 차이에 따라 지반지층이 구분될 수도 있다. 이러한

이유로 복잡한 지반 전단파속도 분포의 직접적 적용보

다는 Fig. 3의 개념과 같이 공학적 관점에서 분류된 지

반지층별 단일 강성 값의 적용을 통해 수치적 및 경험

적 지반거동 평가와 예측의 합리화를 도모하게 된다.

지반지층별 전단파속도 단일 값의 공학적 적용의 가

장 활발한 분야 중의 하나로서 수치해석을 통한 지진응

답 평가를 살펴볼 수 있다. Fig. 4는 광범위한 도시 지

역에 대해 시간영역 지진파 전파해석 기법을 통한 이차

원 및 삼차원 지진응답 평가를 위해 대상 지역을 유한

요소 모델로 구성한 것이다. 이차원 모델에서는 기반암

(bedrock) 상부의 토사를 대상 지역의 지배적 지층인 퇴

적토(alluvial soil)과 풍화지층(weathered layer)의 두 종

류로 분류하여 모델링하였으나(Sun and Chung, 2008),

Fig. 4. Multi-dimensional finite element ground models for seismic response analysis.


삼차원 모델에서는 단일 토사(soil) 지층으로만 구성하여

모델링의 편의성을 고려하였다(Sun, 2012). 각 해석 모

델들의 지층에 대해서는 대상 지역 내의 여러 현장 탄

성파시험 결과들을 종합하여 기반암, 퇴적토, 풍화지층

그리고 단일 토사 지층의 대표 전단파속도를 결정하였

고, 이 값들을 해석에 입력하고 공진주 시험으로부터의

전단계수 감소변화 곡선을 입력 자료화하여 비선형 거

동을 모사하였다.

또한, 일차원 지반-구조물 상호작용계의 지진응답 평

가를 보다 신뢰성 높게 수행하기 위한 목적으로 반무한

지반 영역의 이차원 유한요소 모델 및 구조물 이상화

모델의 복합 구성도 Fig. 5를 통해 살펴볼 수 있다

(Kim et al., 2012). 이 모델링에서는 지반지층을 기존

Sun(2004)과 Sun et al.(2005b)이 지진공학적 관점에서

제안한 구분에 따라 연암 이상의 경질 암반에 대해서는

기반암(bedrock), 그리고 그 상부 토사 지층을 매립토

(fill), 퇴적토(alluvial soil), 풍화토(weathered soil) 및

풍화암(weathered rock)으로 세분화하였고, 각 지층별로

국내 다양한 전단파속도 자료에 근거한 대표 값을 도입

하여 해석 자료로 입력하였다.

수치적 접근을 통한 해석 기반의 지진응답 평가뿐만

아니라, 광역적 대상 지역 전체에 대한 지진유발 피해

예측과 이에 따른 지역적 지진재해 대책 수립을 위하여

지리정보시스템(geographic information system, GIS)

Fig. 5. Finite element analysis model used to evaluate seismic site response considering soil-structure interaction (modified

from Kim et al., 2012).

Fig. 6. Conceptual flow for the spatial seismic zonation of each site (after Sun, 2009a).


기반의 경험적 전문가 지식 적용 기법도 최근 국내외에

서 활발하게 제시되고 있다(Sun, 2012). 국내에서도 선

도적 정보기술 역량을 적극 도입하여 대도시 지역에 대

한 체계적 지진피해 예측의 일환으로, 부지주기(site

period, TG)라는 지진공학적 지표의 공간적 분포를 예측

하고 이로부터 지진시 대상 영역 내 구조물 취약도

(structural vulnerability) 및 부지 증폭(site amplification)

정도에 관한 정보를 제시하기도 하였다(Sun, 2009a).

Fig. 6은 국내 내륙 대도시 한 지역에서의 부지주기에

대한 공간 지진 구역화(spatial seismic zonation)를 개념

적으로 제시한 것으로서, 기존 국내 현장 탄성파시험 자

료들을 토대로 위의 5 종류 지진공학적 지반지층들에

대해 경험적 대표 전단파속도 값을 할당하여 적용하였

다. 그러나 이 연구에서는 광범위하고 체계적인 전단파

속도 분포 자료의 수집과 제시가 결여되어 있으며, 보다

종합적인 국내 지역 현장 탄성파시험 자료 취합 분석을

통한 지층별 대표 전단파속도의 합리적 도출이 필요한

실정이다.

국내 현장 탄성파시험 결과 자료의 수집

최근 국내 내진설계 합리화 및 지진재해 정량화 과업

들의 일환으로 국내 여러 지역의 부지들에서 지반동적

특성을 결정하기 위한 다양한 현장 탄성파시험들이 수

행되어 왔다(Sun et al., 2008a). 본 연구에서는 다양한

위치에서 수행되어 온 현장 탄성파시험 결과로서의 전

단파속도 자료들을 수집하고 지반동역학 전문가 관점에

서 보다 체계적으로 검토 정리하였다. 수집된 자료들의

대부분은 본 연구진에 의해 직접 수행된 것들이며(Sun,

2004; Sun et al., 2008a), 그 외 자료들의 경우도 본

연구진에 의해 분석되거나 시험 진행이나 분석 과정에

일부 기여한 자료들로 구성되어 있다. 따라서 이 연구를

위해 수집된 모든 자료들은 신뢰성 측면에서 지반동역

학 전문가적 관점의 기본적인 품질 관리(quality control)

가 이루어졌다. 본 연구의 대상 자료들은 원지반에서의

지층 구성 정보를 함께 파악할 수 있는 자료들로 구성

되어 있으며, 깊이 증가에 따른 지층 변화와 함께 전단

Fig. 7. Location of study areas including the number of target sites for in-situ seismic tests.


파속도의 정량적 분포를 확인하면서 자료들을 분석 정

리하였다.

현장에서는 수행 목적에 따라 여러 탄성파시험 방법

중에서 선별적으로 선택된 단일 시험이 실시되거나 여

러 방법이 복합 적용되기도 하였다. 복합 적용 부지에

대해서는 일반적인 시험 방법의 신뢰도를 반영하여(Sun

et al., 2005c), 부지에 대한 깊이 증가에 따른 대표 전

단파속도 분포를 도출하였다. 적용된 시험 방법들을 살

펴보면, 크로스홀(crosshole), 다운홀(downhole), 업홀

(uphole) 및 인홀(inhole) 시험 그리고 부유식 PS 검층

과 같은 시추공 탄성파시험(borehole seismic test)과 더

불어 표면파를 이용한 SASW 시험이 있다. 뿐만 아니

라 다운홀 탄성파 방법이 복합 적용되는 하이브리드 시

험인 탄성파 피에조콘 관입시험(seismic piezocone

penetration test, SCPTu)도 일부 부지들에서 수행하였다.

Fig. 7은 본 연구의 대상 부지들에 대한 30 개소 지역

위치로서 각 지역별 부지의 개수를 파악할 수 있다. 각

위치 부지들의 자료 수집과 검토 분석 과정 중에서 상

당수 부지 자료들은 일부 필요 정보들의 부재로 인해

제외시키고, 총 183 개 부지들에 대한 자료를 대상으로

선정하였다.

일반적으로 시추를 수행하게 되면 다양한 지층에 대

한 세부적 구성을 파악하여 제시하게 되는데, 지반지진

공학 실무적 활용성 측면에서는 다소 비효율적일 수 있

다. 이러한 배경에 따라 Sun et al.(2005b)은 매립토,

퇴적토, 풍화토, 풍화암, 그리고 기반암의 총 5 종류로

구분하였으며, 이렇게 분류된 지반지층들(geotechnical

layers)은 이미 고찰 제시한 기존 공학적 활용 사례들을

포함하여 여러 지반지진공학 응용 연구들(Sun et al,

2005; 2008b; Sun and Chung, 2008; Sun, 2009a;

Kim et al., 2012)에서 도입 적용되어 왔다. 본 연구에

서도 이 지반지층 구분 개념을 도입하여 조사 자료들의

지층 구성을 5 종류의 지층으로 재분류하고 각 지층별

로 전단파속도의 깊이 분포를 할당하였다.

현장 원위치에서의 탄성파시험을 통해 결정하는 VS의

깊이에 따른 분포는 시험 방법에 따라 시험 심도에서의

단일 값 또는 지표면부터 소정의 심도까지의 심도 구간

별 단계식 연속 값인 주상(profile)의 형태로 제시된다.

본 연구에서는 대상 부지 자료로부터 우선 주상 형태의

단일 대표 전단파속도 분포를 결정하였다. 대표 전단파

속도 주상은 그 부지에 대해 단일 기법의 현장 탄성파

시험이 수행된 경우에는 이 자료로부터 연속적 분포의

형태로 결정하였으며, 여러 기법들이 적용된 경우에는

수행된 시험 기법들의 일반적 신뢰도(Sun et al., 2005c)

와 적용된 기법들의 일반적 조건이나 가진원(source)에

따른 해상도(Kim et al, 2005b; Sun et al., 2005a;

2006a)를 고려하여 결정하였다.

결정된 각 부지별 대표 전단파속도 주상은 통계 자료

Fig. 8. Construction of a representative shear wave velocity profile and extraction of data from the profile for statistical

analysis.


로서의 사용을 위해 다시 지표면 아래의 지하 1 m 심도

부터 매 미터(meter) 단위 깊이마다(1 m 간격)의 자료로

재구성되었다. Fig. 8에는 이 연구의 대상 자료 중 비교

적 여러 시험기법들이 적용된 경우의 전단파속도 분포

를 예시로 제시하였으며, 좌측 삽입 그래프와 같이 대표

전단파속도 주상을 결정하고 우측 삽입 그래프와 같이

이로부터 다시 미터별 자료를 추출하였다. 본 연구를 위

한 각 부지의 자료 수는 자연스럽게 그 부지의 시험 심

도에 따라 결정되며, Fig. 8의 사례에서 대상 부지의 자

료 수는 16 개가 된다. 대상 부지의 자료는 다시 지층

구분 심도에 따라 설정된 기존 5 종류의 지반지층별로

할당하여 각 지층별 자료로 구분하였다.

국내 지반지층별 전단파속도 도출

국내 지반지진공학적 실무활용을 위해 구분된 지반지

층 분류에 따라 연구 대상 부지들에 대한 1 m 심도 간

격의 전단파속도 자료를 정리하였다. 지반지층별 자료의

기본적 구성은 심도와 전단파속도 값이며, 자료의 총 개

수는 5,228 개다. 각 지층별 자료의 개수는 매립토의

경우 242 개, 퇴적토의 경우 1,224 개, 풍화토의 경우

1,064 개, 풍화암의 경우 911 개, 그리고 기반암의 경우

1,787 개로서, 일반적 국내 지반조사 과정에서 연암, 보

통암, 경암, 극경암으로 일컬어지는 기반암의 자료 개수

가 상대적으로 가장 많았다. 이러한 이유는 수집된 현장

Fig. 9. Distribution of shear wave velocity data with depth for geotechnical layers.


Fig. 9. continued.


시험 결과의 많은 대상들이 상당한 깊이의 기반암까지

전단파속도 분포를 획득했기 때문인데, 많은 표면파시험

결과들 뿐만 아니라 일부 시추공 탄성파시험 결과들에

서도 깊은 기반암 심도까지의 전단파속도 분포를 확인

할 수 있었다.

본 연구에서는 지반지층별 전단파속도 자료 분포를

파악하고 이로부터 지층에 따른 대표 전단파속도를 결

정하고자 하였다. 연구 대상으로 확보 분석된 단위 미터

심도별 전단파속도 자료들을 매립토(FL), 퇴적토(AS),

풍화토(WS), 풍화암(WR), 기반암(BR)의 5 종류 지층

분류에 따라 할당하고 그 지층별 자료 분포를 Fig. 9에

도시하였다. 각 지층별 그래프는 좌측과 우측의 2 종류

로 구성되어 있으며, 좌측 그래프에는 통계 분석을 위한

지층별 전체 자료의 분포와 함께 각 단위 심도별 자료

의 개수 분포도 중첩 제시하였다. 이로부터 지층별 자료

들이 가장 많이 분포하는 심도를 직관적으로 파악할 수

있다. 가장 상부에 존재할 수 있는 인위적인 구성 특성

의 매립토부터 시작하여 그 하부에 존재할 수 있는 퇴

적토, 풍화토, 풍화암, 그리고 기반암의 순서대로 지층의

최대 자료 분포 심도가 증가함을 확인할 수 있다. 비록

현재까지의 제한적 자료 개수를 통한 분포 분석이고 향

후 보다 다양하고 많은 자료의 추가 확보와 축적이 필

요하지만, 현재까지의 자료만을 토대로 한 최대 자료 분

포 심도를 살펴보면, 매립토는 1 m, 퇴적토는 4 m, 풍화

토는 7 m, 풍화암은 15 m, 기반암은 30 m이다.

심도별 전단파속도 자료 개수를 토대로 심도에 따른

지반지층별 자료 분석을 통한 정규(normal) 및 대수정규

(lognormal) 확률 밀도 분포(probability density distri-

bution)를 도출하여(Devore, 1991; Sun et al., 2005c;

Sun et al., 2007a) Fig. 9의 우측 그래프로 제시하였다.

정규 분포의 경우 자료의 대칭적 분포에 대한 경향을

보여주게 되는데, 깊은 심도에 비해 지표면(심도 0 m)

부근에 자료가 상대적으로 밀집하여 분포하게 되는 지

층들에 대해서는 실제 자료 빈도(frequency of occur-

rence)의 이산 분포(discrete distribution)와는 그 경향이

차이를 보이고 있다. 뿐만 아니라 정규 분포는 0 및 음

수의 변수도 범위로 포함하게 되므로 지표면 위의 자료

부재 조건을 제대로 반영하지 못하게 된다(Sun et al.,

2007a; Sun, 2010). 이에 따라 실제 자료 분포의 지표

면 제한과 이산적 형상을 연속적 밀도로 파악해 보기

위하여 대수정규 분포를 비교 도시하였다(Devore,

1991).

지표면 부근에 자료가 집중하는 지층들에 대해서는

이산 분포와 대수정규 분포가 비교적 잘 상응하고 있음

을 알 수 있으나, 기반암과 같이 상대적으로 깊은 심도

에 자료가 집중되는 지층들에 대해서는 대수정규 분포

에 비해 정규 분포가 일반적 경향을 다소나마 잘 나타

내고 있는 것으로 파악되었다. 특히, 정규 분포로부터의

통계 분석 결과인 평균(average)과 표준편차(standard

deviation(StDev), σ)를 토대로 각 지층의 지배적인 분포

범위를 현재까지의 자료에 기반하여 정량적으로 파악할

수 있다(Sun et al., 2005c). 평균 ± 2σ 범위는 지표면

위까지 분포하는 지층들이 다수 있으므로, 평균 ± σ로 파

악해 본 각 지층별 지배적인 분포 심도 범위는 매립토

의 경우 0.2~6.2 m, 퇴적토의 경우 3.6~20.1 m, 풍화토

의 경우 2.3~20.4 m, 풍화암의 경우 10.1~32.8 m, 그리

고 기반암의 경우 14.1~33.1 m이다. 이렇게 제시한 지반

지층별 지배적 분포 심도 범위는 절대적이거나 신뢰성

이 높은 정보는 아닐 수 있지만, 국내 전단파속도 획득

결과를 지반지층별로 구분하여 도출한 시도이며, 향후

보다 다양한 자료의 축적 및 적용을 통해 신뢰도 증진

이 진행될 수 있을 것이다.

심도 변화에 따른 전단파속도 자료의 확률 밀도 분포

파악 이후, 5 종류 지반지층별 자료를 토대로 역시 심

도에 따른 분포 경향을 살펴보고자, 평균적인 전단파속

도 주상을 Fig. 10과 같이 산정하여 도시하였다. Fig.

10의 그래프에서는 평균(Average 또는 Ave)과 함께 양

(+)과 음(−)의 표준편차(StDev)를 고려한 주상 형태의

분포들도 파악해 볼 수 있다. 배경에 제시한 자료 분포

와 함께 구분 지반지층에서의 심도에 따른 전단파속도

주상들을 비교 확인할 수 있다.

뿐만 아니라 Fig. 10에는 각 지반지층별 대표 전단파

속도(Representative VS)도 심도 변화에 관계없는 상수

형태로 중첩 제시하였는데, 이 대표 전단파속도는 기본

적으로는 전체 자료들의 평균값을 토대로 10 m/s 단위

의 반올림 정리를 통해 도출한 것이다. 다만, 전단파속

도 값의 크기들이 가장 큰 기반암 지층에 대해서는 100

m/s 단위의 수치 정리를 실시하였다. 이러한 지반지층들

에 대한 전단파속도의 정량적 수치 정리는 공학적 편의

성을 도모하기 위한 과정이다. 이 연구에서 도출한 5 종

류 지반지층들에 대한 단일 값 형태의 대표 전단파속도

를 정리해 보면, 매립토는 190 m/s, 퇴적토는 280 m/s,

풍화토는 350 m/s, 풍화암은 650 m/s, 그리고 기반암은

1,300 m/s이며, Table 1에 지반지층별 도출 결과들을 정

리하여 제시하였다. 본 연구에서 국내 전단파속도 자료

종합 분석을 통해 도출한 지반지층별 대표 전단파속도


Fig. 10. Average shear wave velocity profiles and representative shear wave velocity values for geotechnical layers.


는 기존 몇몇 연구들(Sun and Chung, 2008; Sun,

2009a; Kim et al., 2012)에서 적용해 온 전단파속도들

과는 다소의 값 차이를 보이는데, 이는 본 연구에서 자

료를 추가 확보하여 적용하고 보다 체계적인 분석을 수

행했기 때문이다. 따라서 이번 연구를 통해 상대적으로

신뢰성 높게 도출된 지반지층별 대표 전단파속도들은 이

미 사례 및 문헌 고찰에서 열거한 여러 공학적 분야에

직간접적으로 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

지층별 평균 전단파속도는 매립토, 퇴적토, 풍화토, 풍

화암, 기반암의 순서로 각각 186 m/s, 283 m/s, 353 m/

s, 651 m/s, 1,276 m/s였으며, 쉽게 예상할 수 있었던 바

와 같이 가파르게 증가하는 경향을 보였다. 평균에 대한

전단파속도의 표준편차를 각 지층별로 살펴보면, 경도

변화가 다양한 여러 암반 지층을 포괄하는 기반암의 표

준편차가 가장 커서 556 m/s였으며, 상대적으로 가장 좁

은 자료 값의 범위를 보이는 매립토가 가장 작아서 99

m/s였다. 표준편차의 크기도 매립토부터 기반암으로 일

반적인 지층 분포 심도가 증가할수록 커지긴 하였으나,

평균 전단파속도 변화와 같이 퇴적토, 풍화토 및 풍화암

의 변화에 따라 가파르게 변화하진 않았다. 또한, 분석

대상 자료의 수가 가장 많은 퇴적토의 경우 비교적 전

단파속도 값의 분포 집중도(concentrativeness)도 양호해

서 자료 개수가 작은 풍화암과 비교해 볼 때 전단파속

도의 표준편차는 상당히 작았다.

풍화암은 퇴적토와는 달리 풍화 정도에 따라 전단파

속도가 큰 범위에서 폭넓게 변화할 수 있고 시추와 같

은 지반조사 과정에서도 연암이나 풍화토와의 구분이 모

호할 수 있는 상황들이 반영될 수 있다. 이러한 경향

및 상황들이 이 연구에서 풍화암의 전단파속도 분포 범

위를 상대적으로 넓게 만든 요인으로 보이며, 향후 국내

풍화암 및 그 상하부 지반지층들에 대한 전단파속도 등

의 동적 특성 정량화 목적의 체계적 연구가 필요할 것

으로 판단된다. 뿐만 아니라 본 연구의 현재 자료 조건

이나 수량의 제한적 상황을 극복하고 발전시킬 수 있는

다양한 국내 부지와 지반에서의 전단파속도 자료 획득

및 축적을 통한 포괄적이고 심도 있는 추가 연구가 요

구되며, 각 지층의 생성 발달 조건, 모암(mother rock)

및 지형 특성, 지구환경적 특성 등에 따른 정량적이고

체계적인 분석 연구도 필요할 것으로 보인다.

결 론

다양한 공학적 예측 및 평가 분야에 광범위하게 이용

되고 있는 대표적 지반동적 물성으로서의 전단파속도에

대한 지역적 고유 체계화의 일환으로, 본 연구에서는 국

내 여러 지역 내 부지들에서 수행한 현장 탄성파시험

결과들을 수집 분석하였다. 현장 탄성파시험 결과인 깊

이별 전단파속도 자료를 재구성하여 부지별 단일 전단

파속도 주상을 결정하고 단위 미터별로 자료화하였으며,

기존에 지반지진공학적 실무 활용 목적으로 구분된 매

립토, 퇴적토, 풍화토, 풍화암 및 기반암의 5 종류 지반

지층에 따라 자료들을 할당하여 분포 경향을 분석하였

다. 전단파속도 자료에 기반한 확률 밀도 분포를 확인한

결과, 국내 지층들의 최대 자료 분포 및 지배적인 분포

심도는 매립토부터 기반암까지의 일반적 깊이 증가 순

서대로 깊어지는 경향을 보였는데, 매립토는 0.2~6.2 m,

퇴적토는 3.6~20.1 m, 풍화토는 2.3~20.4 m, 풍화암은

0.1~32.8 m, 기반암은 4.1~33.1 m이었다. 또한, 각 지반

지층에 대하여 현재 자료들 토대의 평균적인 전단파속

도 주상도들을 산출 도시하였으며, 공학적 편의성을 고

려한 활용 정보 제시를 위해 지층별 단일 평균값의 전

단파속도를 수치 정리한 대표 전단파속도를 도출 제시

하였다. 매립토의 경우 대표 전단파속도는 190 m/s, 퇴

적토의 경우 280 m/s, 풍화토의 경우 350 m/s, 풍화암의

경우 650 m/s, 그리고 기반암의 경우 1,300 m/s이다. 이

렇게 본 연구에서 제시된 여러 가시적 전단파속도 분포

Table 1. Quantitative values from statistical analyses of shear wave velocity data for geotechnical layers in Korea.

Geotechnical layers Number of dataShear wave velocity, VS (m/s), deduced in this study

Average Standard deviation Representative

Fill 242 186 99 190

Alluvial soil 1,224 283 149 280

Weathered soil 1,064 353 151 350

Weathered rock 911 651 202 650

Bedrock 1,787 1,276 556 1,300


나 값들은 주로 현재까지 본 연구진에 의해 수행된 자

료들 위주로 취합 분석된 것이므로, 향후 보다 다양한

부지와 지반 조건에서의 현장 탄성파시험 수행 결과들

의 추가 확보와 분석을 통한 지속적 보완이 필요하며,

이와 연계하여 보다 포괄적인 지반지층 특성의 체계적

정량화 연구도 필요할 것으로 판단된다.

사 사

본 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 ‘한반도 동

부지역 잠재적 위험 지진원 평가’ 과제와 한국연구재단

일반연구자 지원 사업(2012-0003341)의 일환으로 수행

되었습니다.

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원고접수일 : 2012년 9월 07일

수정본채택 : 2012년 9월 21일

게재확정일 : 2012년 9월 24일

선창국

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