The shear wave velocity ($V_S$) has been used as an essential input parameter for dynamic studies, such as geotechnical earthquake engineering, but recently its application has widened to an engineering property to solve static deformational problems. In this doctoral dissertation the application of $V_S$ to geotechnical problems are discussed separately in two parts including three cases: (1-1) Evaluation of $K_O$ and OCR values using $V_S$ in centrifuge model, (1-2) Settlement prediction of shallow footings using $V_S$ , (2) Evaluation of earthquake ground motions in Korea.
In the first part of this doctoral dissertation, in-flight stress states of centrifuge model grounds such as $K_O$ and OCR values are evaluated based on $V_S$ measurement, since the VS represents the stress states of ground. A centrifuge test is conducted with centrifuge acceleration variation to cause stress history on centrifuge model ground and the $V_S$ and vertical effective stress were measured at each level of acceleration. For the evaluation of $K_O$ , a $V_S-K_O$ relationship, which requires one horizontally propagating $V_S$ and vertical effective stress shows feasibility. The $K_O$ values determined using the $V_S-K_O$ relationship vary with respect to location in the model. $K_O$ at the center is greater than that near the boundary for unloading stages because the OCR is higher at the center as a results of insignificant effects from the arching effect. A relationship between $G_{max}$ and OCR based on $V_S$ measurement is also established to identify the stress history of centrifuge model. By establishing the relationship, in-flight stress states of centrifuge model ground could be investigated in terms of OCR. The OCR evaluation according to the established $G_{max}$ relationship accomplishes that the OCR value of centrifuge model could be estimated based on $V_S$ measurements irrespective of NC or OC loading conditions even for cohesionless soil. Finally, it is expected that the causes of stress history on centrifuge model such as compaction, g-level variation and past overburden load can be analyzed quantitatively.
New settlement prediction method based on $V_S$ measurement and nonlinearity of soil was developed and verified by centrifuge tests. The development was derived from the conceptual framework of Schmertmann’s method (1978), which is one of the commonly used methods in engineering practice. The procedures for obtaining confinement and strain dependent modulus values from $V_S-profile$ considering pressure distribution under the footing were developed. To verify the developed method, load-settlement curves for footings having different length to breadth ratio, together with VS-profiles, were obtained by centrifuge modeling, and then compared with the predictions from the developed method. The developed method was refined considering stress history of ground based on OCR evaluation, which was proposed in this study, to incorporate plastic deformation of soils on settlement calculation. A coefficient $(f)$ was adopted to consider the plastic deformation over elastic region, empirically. Based on the evaluated OCR, the empirical coefficient f was determined, and adopted in the refined settlement prediction method. The refined method based on empirical coefficient f was validated by comparison of the predictions with centrifuge testing results even for NC loadings.
The second part of this doctoral dissertation is related to earthquake ground motions in Korea. Korea is part of a region of low to moderate seismicity located inside the Eurasian plate with bedrock located at depths less than 30 m, generally. However, the spectral acceleration obtained from site response analyses based on the geologic conditions of inland areas of the Korean peninsula are significantly different from the current Korean seismic code. Therefore, suitable site classification scheme and design response spectra (DRS) based on local site conditions in the Korean peninsula are required to produce reliable estimates of earthquake ground motion. In this study, site-specific response analyses are performed at more than 300 sites with at least 100 sites at each site categories of $S_C$ , $S_D$ , and $S_E$ as defined in the current seismic code in Korea. The process of creating a huge database of input parameters - such as shear wave velocity profiles, normalized shear modulus reduction curves, damping curves, and input earthquake motions - for site response analyses are described. The response spectra and site coefficients obtained from site response analyses are compared with those proposed for the site categories in the current code. Problems with the current seismic design code are subsequently discussed.
In order to develop a new site classification system and DRS using results of the site-specific response analyses, bedrock depth (H) and average $V_S$ of soil above the bedrock ( $V_{S,Soil}$ ) are adopted as parameters to classify the sites into sub-categories because these two factors mostly affect site amplification, especially for shallow bedrock region. The 20 m of depth to bedrock are selected as the initial parameter for site classification based on the trend of site coefficients obtained from the site-specific response analyses. The sites having less than 20 m of depth to bedrock (H1 sites) are sub-divided into two site classes using 260 m/s of $V_{S,Soil}$ while the sites having greater than 20 m of depth to bedrock (H2 sites) are sub-divided into two site classes at VS,Soil equal to 180 m/s. The integration interval of 0.4 ~ 1.5 sec period range is adopted to calculate the long-period site coefficients ( $F_v$ ) for reflecting the amplification characteristics of Korean geological condition. In addition, the frequency distribution of depth to bedrock reported for Korean sites is also considered in calculating the site coefficients for H2 sites to incorporate sites having greater than 30 m of depth to bedrock. The relationships between the site coefficients and rock shaking intensity are proposed and then subsequently compared with the site coefficients of similar site classes suggested in other codes.
The proposed site classification system and the DRS are compared with those in other seismic codes and verified by different methods. Firstly, the DRS are compared with the DRS in Eurocode 8, KBC 2016 and MOCT 1997 to estimate quantitative differences and general trends. In addition, site coefficients from real earthquake records measured in Korean peninsula are used to compare with the proposed site coefficients. In addition, dynamic centrifuge tests are also performed to simulate the representative Korean site conditions, such as shallow depth to bedrock and short-period amplification characteristics. The test results are compared with the proposed DRS. Finally, site coefficients from real earthquake records measured in Korean peninsula are used to compare with the proposed site coefficients. A series of Gyeongju earthquakes occurred in September 2016 are also adopted for the verification. The overall results showed that the proposed site classification system and DRS reasonably represented the site amplification characteristic of shallow bedrock condition in Korea.
전단파속도는 지반지진공학 등 동적인 지반공학 분야에서 필수적인 물성치로서 활용되어 왔으며, 최근에는 지반공학 내 변형과 관련된 정적인 분야에서도 그 적용성이 주목받고 있다. 본 학위논문에서는 지반공학 분야 내 정적, 동적 분야와 관련된 주제를 각각 선정하고 전단파속도를 활용하여 연구를 수행하였다. 정적 분야의 주제로 얕은 기초의 침하량 예측기법을 전단파속도에 기초하여 개발하고자 하였다. 연구는 원심모형실험을 통해 수행되었으며 기초가 설치되는 모형 지반의 응력상태 평가를 위해 정지토압계수, 과압밀비를 전단파속도에 근거하여 결정하였다. 동적인 분야와 관련한 주제에서는 국내 내진설계기준의 공통적용사항인 지반분류체계 및 응답스펙트럼을 국내 지반의 지진증폭특성에 적합하도록 개발하여 제안하였다.
원심모형실험을 활용한 얕은 기초의 침하량 산정기법 개발을 위해 우선적으로 기초가 설치되는 모형 지반의 응력상태를 평가하고자 하였다. 지반의 응력상태를 대변하는 정지토압계수, 과압밀비를 전단파속도를 활용하여 평가하였다. 원심모형실험 중 모형지반에 응력이력을 유발시키도록 원심가속도를 변화시키며 실험을 수행하였고, 일정 원심가속도 수준마다 전단파속도를 측정하였다. 측정된 전단파속도와 전단파속도-정지토압계수 간의 관계식을 활용하여 정지토압계수를 산정하였다. 산정된 정지토압계수는 모형지반의 위치에 따라 변화하였는데 제하상태에서 중앙부에 큰 과압밀비로 인하여 중앙부에서 주변부보다 큰 정지토압계수를 도출하였다. 이에 반해 모형지반 주변부는 토조의 벽면 마찰이 유발하는 아칭효과로 인한 낮은 과압밀비로 정지토압계수가 작았다. 또한, 최대전단탄성계수와 과입밀비의 관계식을 활용하여 모형 지반의 응력이력을 과압밀비로서 정량화하고자 하였다. 해당 관계식을 이용한 과압밀비 산정은 압밀 상태에 관계없이 조립토 지반의 과압밀비를 전단파속도에 기초하여 산정할 수 있게 하였다. 더불어 모형지반에 응력이력을 유발시키는 다양한 인자에 관계없이 전단파속도에 근거하여 과압밀비를 정량화 할 수 있었다.
모래지반에 설치된 얕은 기초의 침하량 예측을 위해 Schmertmann이 제안한 간편법에 전단파속도를 적용하는 기법을 제안하였고, 원심모형실험을 통하여 검증하였다. 지반 강성의 전단변형률에 따른 비선형적 감소 및 구속압 증가에 의한 증가 특성을 고려하였다. 제안한 예측식의 검증을 위해 정사각형 기초와 직사각형 기초를 모사하여 원심모형실험을 실시하였다. 실험결과, 제안한 예측식이 과압밀 상태에서는 기초의 하중-침하 거동을 적절히 예측하였으나, 정규압밀 상태의 지반에 대해서는 침하량을 과소평가하였다. 정규 압밀상태의 지반에 대한 제안식의 적용성 증대를 위해 지반의 소성변형을 반영할 수 있는 계수를 경험적으로 결정하여 적용하였다. 전단파속도에 기초해 지반의 과압밀비를 평가하고, 설계하중으로 인한 지중 응력증가를 비교하여 경험계수를 결정하였고, 침하량 결정에 반영하였다. 경험계수를 활용하는 개선된 제안식은 정규압밀 상태에서의 침하량 또한 적절히 예측하였다. 연구를 통해 지반의 변형특성 평가 및 이에 기초한 기초의 침하량 예측에 전단파속도가 활용될 수 있음을 증명하였다.
동적인 분야와 관련하여서는 국내 내진설계기준의 공통적용사항으로 명시된 지반분류체계 및 응답스펙트럼을 국내 지반의 지진 시 증폭특성에 적합하도록 개발하여 제안하고자 하였다. 국내 지반은 일반적으로 기반암이 30m 이내에 존재하므로 인해 단주기적 증폭특성을 띄고 있다. 그러나 현행 내진설계기준(내진설계기준II 1997)에 제시된 지반분류별 스펙트럴 가속도는 국내 지반에 대해 수행된 지반응답해석으로부터 도출된 스펙트럴 가속도와 상당한 차이를 도출하고 있다. 따라서 합리적인 지진 시 지반운동의 설계 반영을 위해 국내 지반의 증폭특성에 적합한 지반분류체계 및 그에 따른 설계응답스펙트럼의 개발이 요구된다. 본 연구에서는 국내 300개 지반의 부지 고유의 지반응답해석을 통해 지반분류체계 및 설계응답스펙트럼을 개발하고자 하였다. 지반응답해석에 요구되는 대규모 국내 지반의 지반조사자료 획득 및 지반응답해석 절차에 대해 상세히 기술하였다. 더불어 해석결과로 도출된 응답스펙트럼과 이로부터 획득한 지반증폭계수를 현행 내진설계기준과 비교하여 현행 기준의 문제점을 분석하고 개선방향에 대해 논의하였다.
국내 대규모 지반의 부지 고유의 지반응답해석으로 도출된 해석결과를 통해 지반분류체계 및 설계응답스펙트럼을 새롭게 제안하였다. 국내 지반의 주요 특성과 같이 얕은 깊이에 기반암을 가지는 지반에서 지진 시 지반증폭에 지배적인 영향을 미치는 기반암 깊이와 토층 평균 전단파속도를 지반분류의 기준으로 활용하였다. 지반응답해석으로 도출된 증폭계수의 경향을 바탕으로 기반암 깊이 20m를 지반분류의 첫 번째 기준으로 결정하였다. 20m 이하의 기반암 깊이를 가지는 지반을 H1 지반으로 분류하였고, 토층 평균 전단파속도 260m/s를 기준으로 다시 두 개의 지반으로 분류하였다. 동시에 기반암 깊이가 20m를 초과하는 지반을 토층 평균 전단파속도 180m/s를 기준으로 두 개의 지반으로 분류하여, 토사지반을 총 4개의 지반으로 분류하였다. 지반분류에 따른 증폭계수 결정 시에는 0.4~1.5초의 적분구간이 장주기 증폭계수 결정에 새로이 적용되어 국내 지반의 증폭특성을 합리적으로 반영하고자 하였다. 또한 해석결과와 국내외 기준을 비교하여 지진세기에 따른 증폭계수를 결정하여 비선형 증폭특성을 반영하고자 하였다.
국내 지반의 지반응답해석으로 제안된 지반분류체계 및 설계응답스펙트럼을 국내·외 기준과 비교하여 그 정량적 수준을 평가하였다. 현행 설계기준과 유럽설계기준(Eurocode 8), 건축구조기준(KBC 2016)을 비교대상으로 하였다. 실험적 검증을 위해 국내 지반을 대표하는 모형지반을 조성하여 동적원심모형실험을 수행하였고, 제안된 설계응답스펙트럼과 모형지반에서 계측한 동적응답을 비교하였다. 더불어 국내에서 계측된 실지진 기록을 활용하여 제안된 증폭계수의 경향을 비교하고자 하였다. 특히 2016년 9월 발생한 규모 4.5 이상 경주지진 기록을 활용하여서는 실지진기록을 통해 도출된 응답스펙트럼과 제안된 설계응답스펙트럼의 직접비교하여 그 적합성을 검증하였다. 다양한 시도를 통한 비교·검증으로 본 연구에서 제안된 지반분류체계 및 설계응답스펙트럼이 국내 지반의 지진 시 증폭특성을 면밀히 반영하고 있으며, 현행 내진설계기준의 공통적용사항을 적절히 대체할 수 있을 것으로 판단한다.
