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1) 폭발로 발생한 지반 진동의 성질과 상태

폭발이 지표면이나 지하에서 발생하면 폭원에서 발생한 진동이 지표면이나 땅속에서 전파하여 지상 건물에 피해를 줄 수 있다. 폭발할 때 지반이 진동하는 현상도 지진과 거의 비슷하다. 다음 표와 같이 폭발과 지진으로 발생하는 지반 진동의 가장 큰 차이는 주파수와 진동 지속 시간의 차이이다.

표. 지반 진동의 성질과 상태 비교

표와 같이 폭발과 지진의 지반 진동은 다음과 같은 차이가 있다.
① 폭발로 발생한 지반 진동의 주파수는 지진의 1/10 정도의 고주파이다.
② 폭발로 발생한 지반 진동의 지속 시간은 매우 짧다.

폭원 근처에 건물이 있을 땐 폭발로 발생한 지반 진동이 너무 크면 건물이 무너질 수 있다. 하지만 소규모 일반 건물의 고유진동수는 약 2~10Hz이기 때문에 보통 폭발의 지반 진동으로 발생하는 건물의 응답은 매우 작다.

2) 지반 진동의 요인과 영향

폭발의 지반 진동은 폭원에서 건물까지의 보안거리 , 폭약의 종류와 폭약량, 주변 상태나 깊이 등 폭발 조건과 지반의 토질 등 많은 요인의 영향을 받는다. 이러한 요인 중 폭원에서의 거리(D [m]), 폭약량(W [kg]), 진동(가속도, 속도 또는 변위 진폭의 최댓값)의 관계를 수많은 폭발실험을 거쳐서 만든 공식은 다음 식과 같다.

$$ A = C \cdot W^m \cdot D^{-n} $$

여기서 거리와 토질 등의 상수 C는 100~2,000, m은 2/3~3/4, n은 1~3이다.

보안거리(safety distance, distance for storage of explosion): 화약류 제조시설, 저장시설(화약고)과 보안 대상까지의 거리 D (m)로, 최대 저장량이 W [kg]일 때 $D = KW^{1/3}$ (K는 보안 대상에 따른 계수)로 계산한다.

2) 지반 진동이 지상 구조물, 건물에 미치는 영향

지상의 구조물이나 건물에 영향을 미치는 지반 진동의 요인은 주로 주파수, 진폭의 크기와 지속시간이다. 또한, 수직이나 수평, 흔들림의 방향도 영향을 줄 수 있다. 진동(振動)이라는 물리적 현상은 변위($x$), 속도($v$) 및 가속도($a$)로 파악할 수 있다. 여기서 속도($v$)는 단위 시간당 변위($x$)의 변화($v=\Delta x / \Delta t$)이며, 가속도($a$)는 단위 시간당 속도의 변화($a=\Delta v / \Delta t$)이다. 일반적으로 지진으로 생긴 건물이나 구조물의 피해 정도는 가속도로 평가하는 경우가 많지만, 폭발로 생긴 지반 진동의 경우 주파수와 작용 시간의 차이로 계산한 지반의 변위 속도를 사용하여 평가하는 것이 적절하다.

다음 그림은 지금까지 보고된 지반의 최대 변위 속도와 건물 피해의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 최대 변위 속도가 10cm/s를 초과하면 건물에 피해가 발생하는 것을 알 수 있다. 그러나 가옥 구조, 재질, 입지 지반의 차이나 국가의 차이 등 현재 대상으로 하는 건물 피해를 추정하는 데 적용할 수 있는지 여러 가지 조건을 고려할 필요가 있다. 예를 들면, 랑게포스(Langefors)의 데이터는 암반 위의 가옥, 베니크(Banik)의 데이터는 충적층과 같이 조건이 나쁜 지반 위의 건물이고, 랑게포스(Langefors)는 스웨덴, 에드워드(Edwards)는 캐나다, 부마인스(Bumines)는 미국, 독일에서 연구한 것이다.

또한, 같은 지반에 있는 건물도 목조와 콘크리트 구조는 층수에 따라 진동 응답이 다르다. 다음 표는 발파할 때 지반과 건물 진동을 측정한 결과이다.

다음 표에서 속도는 모두 mm/s의 단위이며 매우 작다. 이것은 측정 위치의 환산거리가 26~140ｍ/kg^1/3이며, 폭원에서 원거리이기 때문이다. 어쨌든 같은 지반에서도 목조와 철근콘크리트 구조는 속도 응답 비율이 한 자릿수 이상 서로 다르며, 목조 1층과 2층은 4배 정도 다른 것을 알 수 있다.

표. 발파에 의한 지반과 건물 진동의 관계

환산거리는 폭약량 W [kg]과 보안거리 D [m]의 관계를 $ D = K / \sqrt [3] {W} $ 식을 이용하여 산정하도록 정해져 있다. 이 수식은 K 계수로써 환산거리와 같은 정의이며, 일반적으로 K값이라고 한다. K 값은 단위 [m/kg^1/3]을 생략하고 호칭 표시하는 경우가 많다.

참고로 다음 표는 진도(震度)와 건물 피해의 관계이다. 또한, 표에서 진도(S)와 지반의 진동 속도(V)의 관계는 $ \log V = 0.5 S - 1.4 $에서 얻은 값이다. 건물에 피해가 발생하는 진도는 5 이상이며, 이때 지반의 진동 속도는 약 20cm/s 이상이다.

표. 기상청 진도와 건물 피해의 관계

1900년부터 2017년까지 지진(M6.0+)