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2 0 1 8 년 8 월 석사학위논문

모래의 입도분포와 세립분 함유량에 따른 액상화 특성

조 선 대 학 교 대 학 원

토 목 공 학 과

서 혁

모래의 입도분포와 세립분 함유량에 따른 액상화 특성

Characteristics of Liquefaction with the Sand Particle Distribution and Fine Content

2018년 8월 24일

조 선 대 학 교 대 학 원

토 목 공 학 과

모래의 입도분포와 세립분 함유량에 따른 액상화 특성

지도교수 김 대 현

이 논문을 공학 석사학위 논문으로 제출함.

2018년 4월

조 선 대 학 교 대 학 원

토 목 공 학 과

서 혁

서혁의 석사학위논문을 인준함.

위원장 조선대학교 교수 박 정 웅 (인) 위 원 조선대학교 교수 김 성 홍 (인) 위 원 조선대학교 교수 김 대 현 (인)

2018년 5월

- i -

목 차

ABSTRACT

제1장 서 론 01

1.1 연구배경 및 목적 01

1.2 국내·외 연구동향 02

1.3 연구내용 및 방법 04

제2장 이론적 배경 07

2.1 액상화의 정의 05

2.1.1 유동액상화 07

2.1.2 Cyclic mobility 10

2.2 액상화의 발생 원인 12

2.3 액상화 발생 영향인자 12

2.3.1 상대밀도 12

2.3.2 입도분포 14

2.3.3 세립분의 영향 14

2.3.4 유효연직하중 15

2.3.5 재하진동수 16

2.3.6 포화도 17

2.3.7 과압밀비 17

2.4 실트질 모래지반의 액상화특성 18

2.4.1 실트질 모래지반의 액상화강도 18

2.4.2 실트질 모래지반의 입자구조와 한계실트 함유량 21

2.5 액상화의 예측 23

2.5.1 Seed ＆ Idriss의 간편예측법 23

2.5.2 Ishihara의 간편예측법 29

2.5.3 반복삼축시험을 이용한 상세예측법 33

제3장 실험방법 및 반복삼축시험장치의 특성 36

3.1 시료 36

3.1.1 시료의 물리적 특성 36

3.2 시험기기 32

3.3 실험방법 39

3.3.1 공시체의 준비 39

3.3.2 포화 및 압밀 40

3.3.3 반복 전단응력비(CSR; cyclic shear stress ratio) 40

3.3.4 반복삼축시험 41

제4장 반복삼축시험의 결과 42

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4.1 반복삼축시험의 결과 42

4.1.1 SP – 세립분 함유율 0%, 상대밀도 70% 42 4.1.2 SW – 세립분 함유율 0%, 상대밀도 70% 51 4.1.3 SW – 세립분 함유율 20%, 상대밀도 70% 60 4.2 반복삼축시험에 따른 액상화 강도의 변화 69 4.2.1 상대밀도에 따른 액상화 강도의 변화 69 4.2.2 세립분 함유량에 따른 액상화 강도의 변화 78

제5장 결 론 78

참 고 문 헌 79

표 목 차

표 2.1 정현파의 지진규모별 반복횟수 ···25

표 3.1 모래의 입도분포에 따른 따른 시료의 물리적 특성 ···36

표 3.2 반복삼축 실험조건 ···41

표 4.1 각 시료의 상대밀도에 따른 CSR 결괏값 ···69

- v -

그 림 목 차

그림 2.1 액상화 발생에서 종료까지의 과정 ···5

그림 2.2 Stress path of monotonic undrained behavior at constant relative density ···7

그림 2.3 Flow liquefaction surface in stress path space ···8

그림 2.4 Schematic undrained response of a saturated, contractive sandy soil ···8

그림 2.5 Three cases of cyclic mobility ···10

그림 2.6 상대밀도와 액상화 강도비의 관계 ···13

그림 2.7 액상화가 발생 가능성이 있는 입도분포도 ···14

그림 2.8 액상화 강도와 유효구속압 ···15

그림 2.9 다른 재하진동수의 영향 ···16

그림 2.10 반복응력비와 OCR과의 관계 ···17

그림 2.11 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 증가 ···19

그림 2.12 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 감소 ···19

그림 2.13 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 감소 후 증가 ···20

그림 2.14 이원입자혼합물에서 실트의 함유량에 따른 다른 입자구조의 형태 ···21

그림 2.15 Seed& Idriss액상화 평가의 순서도 ···23

그림 2.16 다양한 지반조건에 대한 응력감소계수의 범위 ···24

그림 2.17 등가전단응력개념 ···26

그림 2.18 액상화 전단강도비와 환산N치와의 관계 ···27

그림 2.19 실트질 모래에서 세립분 함유량에 따른 반복응력비와 



__ 과의 관계 ···28

그림 2.20 균등계수가 작은 사질토 ···29

그림 2.21 균등계수가 큰 사질토 ···30

그림 2.22 등가 N치 계산을 위한 도표 ···31

그림 2.23 등가 치와 등가 가속도를 이용한 지층의 분류 ···32

그림 2.24 Ishihara(1993)액상화 평가방법의 순서도 ···33

그림 2.25 반복삼축시험에 적용되는 하중조건 ···34

그림 2.26 반복삼축시험시 시료에 작용하는 응력상태 ···35

그림 2.27 양진폭축변형률의 의미와 액상화 발생시점 ···35

그림 3.1 세립분 함유량에 따른 입도분포 곡선 ···37

그림 3.2 반복삼축장비(GTS24-NO1) ···38

그림 3.3 공시체 성형방법 ···39

그림 3.4 삼축시험시 포화단계 입력라인 모식도 ···40

그림 4.1 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 50kPa, 구속압 100kPa ···42

그림 4.2 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 50kPa, 구속압 100kPa ···43

그림 4.3 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 50kPa, 구속압 100kPa ···43

그림 4.4 축변형률과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 50kPa, 구속압 100kPa ···44

그림 4.5 유효구속압과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 50kPa, 구속압 100kPa ···44

그림 4.6 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 60kPa, 구속압 100kPa ···45

그림 4.7 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 60kPa, 구속압 100kPa ···46 그림 4.8 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차

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응력 60kPa, 구속압 100kPa ···46 그림 4.9 축변형률과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 60kPa, 구속압 100kPa ···47 그림 4.10 유효구속압과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 60kPa, 구속압 100kPa ···47 그림 4.11 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 70kPa, 구속압 100kPa ···48 그림 4.12 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 70kPa, 구속압 100kPa ···49 그림 4.13 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 70kPa, 구속압 100kPa ···49 그림 4.14 축변형률과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 70kPa, 구속압 100kPa ···50 그림 4.15 유효구속압과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 70kPa, 구속압 100kPa ···50 그림 4.16 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 60kPa, 구속압 100kPa ···51 그림 4.17 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 60kPa, 구속압 100kPa ···52 그림 4.18 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 60kPa, 구속압 100kPa ···52 그림 4.19 축변형률과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 60kPa, 구속압 100kPa ···53 그림 4.20 유효구속압과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 70kPa, 구속압 100kPa ···53 그림 4.21 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응

력 70kPa, 구속압 100kPa ···54 그림 4.22 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 70kPa, 구속압 100kPa ···55 그림 4.23 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 70kPa, 구속압 100kPa ···55 그림 4.24 축변형률과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 70kPa, 구속압 100kPa ···56 그림 4.25 유효구속압과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 70kPa, 구속압 100kPa ···56 그림 4.26 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 80kPa, 구속압 100kPa ···57 그림 4.27 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 80kPa, 구속압 100kPa ···58

그림 4.28 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축

차응력 80kPa, 구속압 100kPa ···58 그림 4.29 축변형률과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차응 력 80kPa, 구속압 100kPa ···59 그림 4.30 유효구속압과 축차응력 관계(세립분 0%, 상대밀도 70%, 축차 응력 80kPa, 구속압 100kPa ···59 그림 4.31 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 35kPa, 구속압 100kPa ···60 그림 4.32 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 35kPa, 구속압 100kPa ···61 그림 4.33 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축 차응력 35kPa, 구속압 100kPa ···61 그림 4.34 축변형률과 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차

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응력 35kPa, 구속압 100kPa ···62 그림 4.35 유효구속압과 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축 차응력 35kPa, 구속압 100kPa ···62 그림 4.36 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 40kPa, 구속압 100kPa ···63 그림 4.37 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 40kPa, 구속압 100kPa ···64 그림 4.38 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축 차응력 40kPa, 구속압 100kPa ···64 그림 4.39 축변형률과 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 40kPa, 구속압 100kPa ···65 그림 4.40 유효구속압과 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축 차응력 40kPa, 구속압 100kPa ···65 그림 4.41 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 45kPa, 구속압 100kPa ···66 그림 4.42 반복횟수와 축변형률 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 45kPa, 구속압 100kPa ···67 그림 4.43 반복횟수와 각극수압비 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축 차응력 45kPa, 구속압 100kPa ···67 그림 4.44 축변형률과 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 45kPa, 구속압 100kPa ···68 그림 4.45 반복횟수와 축차응력 관계(세립분 20%, 상대밀도 70%, 축차 응력 45kPa, 구속압 100kPa ···68 그림 4.46 반복횟수과 반복응력비 관계(SP 100%, 구속압 100kPa) ··· 70 그림 4.47 반복횟수과 반복응력비 관계(SW 100%, 구속압 100kPa) ···· 71 그림 4.48 반복횟수과 반복응력비 관계(SW 90% : 세립분 10%,, 구속압

100kPa) ···72

그림 4.49 반복횟수과 반복응력비 관계(SW 80% : 세립분 20%,, 구속압 100kPa) ···73

그림 4.50 반복횟수과 반복응력비 관계(SW 70% : 세립분 30%,, 구속압 100kPa) ···74

그림 4.51 반복횟수과 반복응력비 관계(상대밀도 40%) ···75

그림 4.52 반복횟수과 반복응력비 관계(상대밀도 55%) ···76

그림 4.53 반복횟수과 반복응력비 관계(상대밀도 70%) ···77

- xi -

A B ST R A C T

Characteristics of Liquefaction with the Sand Particle Distribution and Fine Content

Seo, Hyeok

Advisor : Prof. Kim, Daehyeon, Ph.D.

Department of Civil Engineering, Graduate School of Chosun University

Liquefaction refers to losing shear strength as pore water stress within the ground rises and effective stress drops. In other words, effective stress becomes 0 and soil flows like liquid by losing shear strength.

The number of over 3.0-magnitude earthquake has recently risen in the Korean peninsula. In 2016, a 5.8-magnitude earthquake in Gyeongju was the largest disaster. Although earthquakes are more frequent in Japan than South Korea, these cases suggest that the peninsula is no safety zone from the earthquake.

In this study, liquefaction stress was assessed and a comparative experiment was conducted to see the characteristics of liquefaction stress according to gran-size distribution, fine-grained amount, and relative density of sands.

Grain-size distribution was implemented by using Jumunjin standard sand(SP) and weathering soil(SW). Fine-grained amounts of both ingredients turned out 0%. A comparative experiment on relative density revealed 40%, 55%, and 70%.

In addition, undrained repeated triaxial test on 70% of relative density was performed as weathering soils are added with 10%, 20%, and 30% of fine-grained amounts.

Tests have shown that the liquefaction stress decreased as the fine content increased and the liquefaction stress tended to increase as the relative density

increased. Results suggest that gran-size distribution and relative density are the main factors affecting liquefaction

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제 1 장 서 론

1.1 연구배경 및 목적

최근 포항 지진 이후 국내 최초로 관측된 액상화 현상은 국내 실정에 맞는 평가기법 과 공통기준을 마련하고 전국 액상화 위험도를 작성하는 등 우리나라 내진기준에 큰 영향을 미쳤다. 액상화 현상이란 지진에 의해 지하수의 수압이 높아지면서 지하수가 퇴적물 상부를 뚫고 올라와 지반이 늪처럼 변하는 것을 의미한다. 수도권에서는 여의 도를 비롯한 한강 주변이 액상화 위험지역으로 꼽히고 있다.

2017년 발생한 포항과 경주지진은 우려할 수준은 아니라고 판명됐지만, 액상화 현상 으로써는 한반도에서 최초로 발생하였다. 이로 미루어보아 더 이상 우리나라도 지진 안전지대가 아니라는 경각심과 동시에 국내 학계에서도 비상한 관심이 집중되고 있다.

일반적으로 국내 액상화에 관한 연구는 반복삼축시험, 진동대 장비를 이용하여 사질 토 지반이나 기존에는 매립지반을 기준으로 세립분을 함유한 사질토의 액상화에 대한 연구가 진행되었다. 세립분은 액상화 강도에 영향을 주는 인자로써 세립분 및 자갈 혼 합토에 따른 액상화 연구 또한 진행이 되었다. 이로 미루어 보아 액상화 특성에 관한 연구는 특정 해안지역의 모래나 주문진표준사의 세립분 함유량에 따른 연구나, 자갈- 모래 혼합토에 관한 시험이 이루어졌으나 모래의 입도분포와 그에 따른 세립분 함유량 에 대한 연구는 부족한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 모래의 입도분포와 세립분 함유량에 따른 액상화 특성을 평가 하기 위하여 비배수 반복삼축압축시험을 수행하였다. 또한 세립분의 함유량에 따라 시 료를 성형하여 최대간극비 및 최소간극비의 특성을 알아보고 액상화가 발생하는데 상 대밀도와 축차응력, 구속압 및 세립분 함유량이 미치는 영향을 파악하여 모래의 액상 화 특성을 평가하는데 그 목적이 있다.

1.2 국내·외 연구동향

액상화에 관한 연구는 1969년 Casagrande의 한계간극비 이론에서부터 시작되었다 (Korean Geotechnical Society, 1997). Casagrande는 액상화 현상을 한계간극비로 설명 하고자 한계간극비를 기준으로 느슨한 사질토와 조밀한 사질토로 구분하였고, 한계간 극비보다 더 느슨한 상태의 포화모래에 진동하중이 작용할 경우 모래의 부피가 감소하 면서 과잉간극수압이 발생한다는 이론을 설명하였다.

액상화에 대한 연구는 알래스카 Good Friday지진(1964년)과 Niigata지진(1964년) 이 후 본격적으로 시작 되었다. Seed and Idriss(1966)은 Niigata의 지진피해를 조사한 후, 액상화 현상이 포화 비배수상태의 사질토 지반에 반복전단하중이 작용했을 때 발생한 것이라고 전제하였고 1971년 진동삼축실험을 이용한 간편 액상화 예측법을 제안하였 다. 진동삼축을 이용하여 액상화 현상을 평가하기 위해서 불규칙한 지진파를 정현파로 재현하여 Seed et al.(1975)이 불규칙한 지진파에 대한 분석을 통하여 규칙적인 정현파 로 재현하는 내용에 대한 연구결과를 발표하였다. Iwasakiet al.(1978)은 액상화 발생 가능성 정도를 가늠할 수 있는 액상화가능성지수(Liquefaction Potential Index, 이하 LPI)를 제안하였고, Seed(1979)는 액상화 발생에 영향을 미치는 인자들을 조사하여, 대 상지반에 대해 액상화 평가를 진행하였다. 그 후 Seed et al.(1983)은 현장시험결과를 이용하여 액상화 가능성을 평가하는 방법을 제안하여 실내시험을 통해 액상화 평가 결 과와 비교하는 연구를 진행하였으며, Tokimatsu and Yoshimi(1983)는 현장시험자료인 표준관입저항치를 통한 액상화 평가에 대한 연구를 수행하였다. Youd and Perkins(1987)는 과거 지진 자료와 지질학적 연구자료를 이용하여 액상화 발생가능성 에 대한 구역도를 작성하고 이에 필요한 액상화 지표 LSI(Liquefaciton Secerity Index)를 제안하였다.

최근 국외 액상화 위험도에 관한 연구는 캘리포니아 오클랜드 주변에서 Holzer et al.(2006)이 CPT데이터를 통해 액상화 위험도를 작성한 바 있고, Heidari and Andrus(2010)가 CPT데이터 바탕으로 LPI를 구하여 South Carolina지역에 대한 액상 화 위험도를 작성한 바 있다. Valverde-Palacios et al.(2014)은 스페인 광역지역에 대 한 액상화 위험도를 작성하였는데, Tokimatsu and Seed 방법과 Pradel방법에 대해 액 상화 평가를 실시하여 분석 하였다. Rahman et al.(2015)은 SPT-N value를 활용하여 방글라데시 다카 지역에 대한 액상화 위험도를 작성하였는데, 이때 지반 및 지역적 특

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성을 반영한 Zonation기법을 사용하여 위험도 작성을 한 바 있다.

국내 액상화 연구의 경우, 1990년대부터 지진 위험도에 관한 연구가 본격적으로 시작 되었다. Shin(1999)은 진동삼축시험을 통해 국내 지진특성을 고려하여 액상화 평가기 법 개선방안에 관한 연구를 하였고, Kwak(2001)은 Iwasaki et al.(1978)이 제안한 액상 화 가능성 지수(LPI)를 산정하여 국내 연안 매립지역을 중심으로 하여 액상화 위험도 를 작성하였다. 또한 2003년 Kim et al.은 중진지역에 적합한 액상화 평가 생략기준에 관한 연구를 통해 미국, 일본, 그리고 유럽의 액상화 평가방법에 대한 문헌연구를 실시 하여 각 방법의 특징 등을 분석하고 국내에 적합한 지진규모를 고려한 수정 방법을 발 표 한 바 있다. Ku(2010)는 다양한 지반조건을 고려한 국내 액상화 재해도 작성기법 개발을 통해 국내 지반 및 지역특성을 고려한 액상화 위험도 작성기법을 Eurocode8(ECS, 1998)에서 제안한 지반종별 지반증폭계수를 사용하여 작성하였고, Kwak(2014)은 지반증폭을 간편화한 광역지역의 액상화 위험도 작성 기법 개발에서 확 률분석을 통해 분류된 지반의 증폭계수를 국내실정에 맞게 새로이 제안하고 서울지역 을 대상으로 하는 액상화 위험 지수(LPI)를 산정해 제안한 증폭계수를 검증하였다.

Baek(2015)은 광역지역 지반정보를 이용한 실시간 액상화 위험도 개발에서 액상화 간 편 예측법을 이용한 액상화 평가프로그램을 개발하여 수도권과 그 주변 광역지역의 액 상화 위험도를 작성하고, LPI-지반가속도의 상관관계 분석을 광역지역의 실시간 액상 화 위험도 작성의 기본을 다졌다.

1.3 연구내용 및 방법

액상화 가능성을 판단하는 방법은 지진에 의해 발생된 전단응력과 시험을 통해 획득 한 진동저항응력을 비교하여 평가한다. 이를 가지고 지진하중을 고려한 현장시험을 수 행하여 구하는 것이 바람직할 수 있으나 실제 이 시험은 수행가능성이 불가능하므로 대부분의 경우 일정한 정현하중을 재하하여 액상화 저항강도를 산정하는 반복삼축시험 과 같은 실내시험을 이용하며, 국내의 경우 액상화평가시 설계지진규모 6.5에 대응되는 등가진동재하횟수를 10회로 간주하고 있다. 본 시험에서도 반복삼축시험에 의한 액상 화 강도시험을 수행하였다.

본 연구에서는 모래의 입도분포와 세립분 함유량에 따른 액상화 특성을 평가하기 위 하여 비배수 삼축압축시험을 수행하였다. 모래의 입도분포는 주문진표준사(SP)와 풍화 토(SW)로 나누어 실험을 진행하였고 풍화토(SW)에 세립분함유량을 변화시켜 상대밀 도 및 세립분 함유량의 변화에 따른 액상화 특성을 비교하는 실험을 진행하였다.

각 시험의 단계마다 상대밀도는 40%, 55%, 70%로 맞추어 3회의 축차응력을 가하였 으며, 세립분의 함유량은 10%, 20%, 30%로 추가하여 실험을 진행하였다. 실험을 통해 상대밀도와 축차응력, 세립분 함유량이 액상화 특성에 미치는 영향을 분석하였다.

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제 2 장 이론적 배경 2.1 액상화의 정의

일반적으로 액상화란 ‘지반 내에 작용하는 전단응력에 의해 생기는 과잉간극수압이 토립자를 구속하고 있었던 초기 유효응력과 같아져, 유효응력이 0이 되는 현상’이라고 정의할 수 있다. 또는 지반이 진동하중, 지진 등의 급속하중에 의해 포화사질토가 전단 저항력을 상실하고 마치 유체와 같이 거동하는 현상을 의미한다.

느슨한 사질토가 비배수 상태 하에 있게 되는 경우는 과잉간극수압이 소산되는 시간 보다 빠른 재하속도를 갖는 동하중을 받게 되는 경우이다. 비배수 상태하에 있는 사질 토는 일정한 체적을 유지하려하는 상태에서 변형을 받게 된다. 즉, 진동하중 하에서 토 립자는 변형, 재배열을 하게 되지만 포화토체의 체적 유지성에 의해 토립자의 변형률 및 재배열량 만큼 간극수압이 상승하게 된다.

그림 2.1은 모래의 액상화의 발생과정을 나타낸 것이다.

a) 액상화 전의 느슨 한 상태의 모래

(b) 액상화한 순간 전

입자가 부유상태

에 있다.

(c) 하부는 액상화가 종료된 상태, 상

부는 액상화가

진행되고 있다.

(d) 액상화가 모두 종 료되고, 모래는 조 밀하게 쌓여있다.

그림 2.1 액상화 발생에서 종료까지의 과정(이수근, 2009)

그림 2.1(a)와 같이 느슨한 모래에 간극수압이 상승하여 유효응력이 감소한 결과, 그 림 2.1(b)와 같이 전단강도를 잃는 것을 액상화라 한다. 액상화가 일어난 후 에는 침전 이 시작되어 하부부터 순차적으로 침강이 완료되게 된다. 액상화는 유효응력 0의 상태 와 같고, 그때 간극수압이 전응력과 같아질 때까지 상승한다.

한계동수경사(Critical hydraulic gradient)를 가진 상향 침투수에 의하여 모래는 완전 히 액상화한 상태를 유지할 수 있다. 보통 지진에 의한 사질토지반의 액상화는 비배수 조건에 가까운 상태가 되면 전단응력이 반복적으로 작용함에 따라 과잉간극수압이 점 차 쌓여가는 경우가 많다고 판단된다.

따라서 포화토 공시체에 대한 비배수 조건하에서 반복전단응력(Cyclic shearstress)을 작용시켜 액상화 저항(Liquefaction resistance)을 정량적으로 구하려는 연구가 지속적 으로 진행되고 있다. 액상화 저항이란 어느 횟수의 반복전단에 의해 유효응력이 0으로 전단변형률 진폭이 어느 값(예를 들어 양진폭 5% ,10% 변형률)에 달하게 되는 상태를 말하며, 실내시험에 의하면 모래의 액상화 저항은 초기 밀도, 유효응력, 입도분포, 응력 변형률, 세립분 함유율, 포화도 등의 영향을 받는다. 이러한 액상화 현상은 유동액상화 (Flow liquefaction)와 Cyclic mobility로 나눌 수 있다.

유동액상화는 토체 내부의 정적 평형상태에서의 전단응력이 대상 토체의 전단강도 보다 큰 경우에 발생하는 현상이다. 이로 인한 대규모 변형은 실제로 정적 전단응력에 의해서 발생한다. 이 유동액상화는 액상화와 관련된 모든 현상 중에서 유동파괴(flow failure)라고 하는 심각한 결과를 가져온다.

1925년과 1971년에 있었던 Shefield Dam과 Lower San Fernando Dam의 파괴는 유 동액상화의 대표적 사례 중 하나이다. 유동액상화는 지진이 계속 진행되는 동안이나 끝난 직후에 갑자기 발생하고, 느슨한 흙에서만 발생되며 주로경사지반에서 일어나는 특징이 있다. 이에 반해 Cyclic mobility는 포화된 사질토가 일정한 함수비에서 반복된 하중을 받아 일어나는 진행성 연화 현상(Progressive softening)이라 정의 되며 이는 Casagrande가 1969년에 처음 사용한 용어이다. 이는 유동액상화와 다르게 정적전단응 력이 액상화토의 전단강도보다 적은 상태로 반복전단 응력에 의해서 일어난다.

이 변형은 지진발생 도중에 증가하며 느슨한 모래와 조밀한 모래 지반 모두 발생할 수 있는 반면에 밀도가 커질수록 변형은 크게 감소하는 경향을 보이고 있다. 이런 Cyclic mobility는 명확한 시작점은 정해지지 않았으나 영구변형은 점차적으로 증가되 고 크기는 정적응력의 크기와 지진 지속 시간에 의해 결정된다.

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2.1.1 유동액상화

유동액상화는 비배수 전단시 포화된 느슨한 모래에 대한 변형-연화과정을 말하며 이 는 정적전단응력의 크기가 정상상태보다 커졌을 때 발생한다.

여러 종류의 크기가 다른 유효구속응력으로 압밀시킨 동일한 상대밀도를 갖는 공시 체의 단일재하(Monotonic loading) 결과를 그림 2.2에 나타내었다.

평균유효응력(′_{)과 삼축축차응력(})의 평면상에 표시된 정상상태선 아래의 초기 간 극비를 가진 A, B는 전단에 대하여 팽창거동을 보이고, 정상상태선 위에 있는 공시체 C, D, E는 수축 거동을 하게 된다. 공시체 C, D, E는 각각의 첨두 비배수 강도에 도달 했을 때 이 첨두점에서 유동액상화가 진행되어 정상상태로 급격하게 변하게된다. 이 유동액상화 시작점을 연결하면 직선이 되고 그 연장선은 원점을 통과하게 된다(Vaid and Chern, 1983). 이 연결선을 응력경로 공간상에서 유동액상화면(Flow Liquefaction Surface, FLS)이라고 말한다.

그림 2.2 Stress path of monotonic undrained behavior at constant relative density (Kramer, 1996)

초기 간극비가 정상상태선을 기준으로 아래에 있을 때는 유동액상화가 일어나지 않 으며, 그림 2.3과 같이 수평으로 잘라서 나타낸다. 결국 유동액상화면은 비배수전단시 의 안정 상태와 불안정 상태의 경계선을 표시하며 만약 지반내 한 점의 응력상태가 비

배수상태에서 유동액상화면에 도달하게 되면 재하 형태가 단일재하 혹은 반복 재하거 나 상관없이 유동액상화가 시작되고 정상상태강도로 감소하게 된다.

그림. 2.3 Flow liquefaction surface in stress path space (Kramer, 1996)

그림. 2.4 Schematic undrained response of a saturated, contractive sandy soil (Kramer, 1996)

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이러한 거동은 그림 2.4처럼 정적전단응력(_{})이 액상화 상태(정상상태)의 전단강 도(_)보다 큰 느슨한 모래에서 발생된다. 이방압밀 초기상태에서는 초기 유효주응력 비(′_′_)가 커질수록 유동액상화면의 경사(_{)는 급해진다.}

이러한 거동은 제방, 기초 또는 경사지반 하에서 일어날 수 있다. 유동 파괴의 사례 는 Nerlerk Berm(Been, 1987)이나 Fort Peck 댐(Casagrande, 1965)과 같은 비배수 변 형이나 정적하중에 의해 나타난 파괴와 Lower San Fernando 댐(Castro, 1989)과 Sheffield 댐(Seed et al., 1969)과 같은 지진하중에 의해 발생된 파괴 등이 있다.

2.1.2 Cyclic mobility

그림 2.5와 같이 정적전단응력이 흙의 정상상태 전단강도보다 작은 경우에 Cyclic mobility가 발생하며, 그 범위는 느슨한 상태의 모래부터 조밀한 상태의 모래까지이다.

Cyclic mobility는 반복삼축시험시 발생되는 흙의 반응으로 설명할 수 있고 초기응력상 태, 반복재하조건의 3가지 조건으로 설명가능하다.

그림 2.5 Three cases of cyclic mobility (Kramer, 1996)

첫 번째 조건은 그림 2.5(a)에서처럼 정적전단응력(^)과 반복전단응력(_{), 정상상} 태강도(_{)와의 관계가} _ _ _, _ _ _ 로 유효응력경로가 왼쪽으로 이동하여 정상상태의 파괴포락선에 도달하게 된다. 이 때 유효응력경로는 배수 파괴포 락선 이상이 될 수 없다고 판단되고 응력경로는 포락선을 따라 위아래로만 움직이게 된다. 이 결과 유동형태의 변형은 일어나지 않으나 유효구속응력이 감소되어 강성이 작아지면서 결국 큰 영구변형이 일어나게 된다.

두 번째 조건은 그림 2.5(b)와 같이 _ _ _, _ _ _{ 로 반복재하에} 의해서 유효응력경로가 왼쪽으로 이동하고 유동액상화면에 도달하면 일시적으로 불안 정한 상태가 된다. 이 때 정적전단응력이 정적전단강도보다 커지게 되면 매우 큰 영구 변형이 일어나게 된다.

세 번째 조건은 그림 2.5(c)처럼 _ _ _, _ _ _ 인 경우이다. 이 때 는는 반복 재하시 전단응력의 방향도 같이 변하면서 압축과 인장을 포함하는 응력반 전(stress reversal)의 경우로써 Mohamad et al.(1986)에 의하면 응력반전의 정도가 커

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질수록 과잉간극수압의 발생률 또한 증가한다고 하였다. 따라서 유효응력경로가 왼쪽 으로 더 빨리 이동하여 배수 파괴포락선에 접하게 되고 파괴포락선의 압축과 인장부분 을 따라 이동한다. 이 경우 상당히 큰 영구변형이 누적되어 발생하지만 유동파괴는 일 어나지 않는다(Kramer, 1996).

2.2 액상화 발생 원인

사질지반속을 흐르는 상향의 침투류의 동수구배가 어느 한계치를 이상이 되면 보일 링이 일어나고 흙속의 느슨한 모래가 지상으로 분출하기도 하며, 골격구조가 불안정한 지반은 초예민성이므로 작은 외력으로도 액상화 상태가 되기 쉽다. 또한 매립지반과 같이 퇴적기간이 단기간인 다짐이 되지 않은 모래 지반에 지진동과 같은 동적인 외력 이 작용하게 되면, 부의 체적팽창(Dilatancy)이 발생하여 액상화가 진행된다.

2.3 액상화 발생 영향인자

액상화 발생에 영향을 미치는 요소를 정확히 파악해야 액상화 발생의 영향을 해석할 수 있다. 하지만 발생요인과 변수가 모두 다르고 지반역시 그 특성이 모두 달라 정량 적인 해석이 이루어지지 못하는 실정이다. 또한 지진이 빈번한 일본과는 그 규모나 지 반이 상이하기 때문에 국내지반조건과 부합되는 변수의 값을 산정한다는 것 또한 어 렵다고 볼 수 있다.

따라서 이에 대한 연구가 더 진행되어야 한다. 액상화 발생 영향인자는 상대밀도, 입 도분포, 반복축차응력, 재하속도, 세립분 함유율, 시료성형방법, 초기유효구속압, 과압밀 비등이 있다(Amini and Qi, 2000).

2.3.1 상대밀도

입자가 조밀하게 배열되어 있을수록 액상화가 어려운 것은 당연한 사실이다. 그 이 유는 액상화는 토립자의 골격주조가 파괴하는 것에 따라 일어나기 때문이다. 또 조립 한 모래로는 액상화가 발생한다하더라도 유동적이라기보다 변형하는 것에 그친다. 이 러한 이유로 액상화 현상은 밀도와는 크게 무관하다고 판단 할 수 있으며 이로 인해 상대밀도는 액상화 강도를 판단할 수 있는 중요한 변형 인자 중 하나이다.

그림 2.6에는 상대밀도가 증가함에 따라 액상화 강도비가 증가하는 것을 알 수 있다.

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그림 2.6 상대밀도와 액상화 강도비의 관계(이수근, 2009)

2.3.2 입도분포

일반적으로 일정한 입경을 갖는 잔모래나 중모래는 액상화 되기 쉬운데 이것은 세립 분 함유율이 증가하게 되면 점성이 생기며 토립자의 맞물림으로 인한 결속력의 증가로 파괴가 어려워진다. 반면에 자갈이나 입자의 표면이 거친 경우는 전단저항이 크고 높 은 투수성 때문에 비배수상태가 된다고 보기 어렵다. 따라서 간극수압의 소산이 빠르 게 진행되어 액상화 발생도 어려워진다.

그림 2.7는 액상화 발생 가능성이 높은 입도분포에 대한 그림이다. 대체적으로 실트 및 점토의 함유량이 10% 이하이고, 평균입경



_=0.075～2.0mm이고 ,균등계수  _<

5～10인 경우로 나타난다.

그림 2.7 액상화가 발생 가능성이 있는 입도분포도(이수근, 2009)

2.3.3 세립분의 영향

느슨한 밀도의 모래에서 발생하는 액상화 현상이 비소성이거나 점토함유량 5～10%

이하의 점토함유량의 세립분이 포함된 지반에서도 발생한다는 연구결과 이후 세립분에 대한 연구가 많이 진행되었다(Dorby and Alvarez(1961), Lee and Fitton(1968)).

Fei(1991)는 실트질 흙의 액상화 저항은 세립분 함유량이 증가할수록 높다고 하였으 며 이와 반대로 Fin et al.(1994), Vaid(1994), Zlatovic and Ishihara(1997)은 실트 함유

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량이 증가하게되면 액상화 강도가 감소한다고 발표한 바 있다..

Law and Ling(1992), Koester(1994)은 일정한 간극비에서 실험한 결과 액상화 강도 는 세립분의 함유량에 따라 증가시 초기에 감소하지만 일정량의 세립분 함유율을 기준 으로 재상승 한다고 하였다.

지금까지는 세립분에 관한 연구도 모래의 액상화 현상에 관한 연구만큼 많이 진행되 어왔으나 세립분 함유량에 따른 모래의 액상화 저항에 대한 연구는 서로 다른 연구결 과를 보인다. 이에 비소성 실트함유량이 모래의 액상화 특성에 끼치는 영향을 알기 위 해서는 실험실조건과 현장의 대한 조건을 일정하게 맞추는 것이 필요하다.

2.3.4 유효연직하중

Seed and Lee(1996)는 제안한 액상화 강도와 유효구속압과의 관계를 그림 2.8에 나 타내었다. 그림에서처럼 유효구속압이 증가함에 따라 액상화 강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 일반적으로 모래는 유효연직하중에 따라 전단강도가 변화되는데 이는 입자의 마찰력의 영향을 뜻하며 구속압이 증가함에 따라 액상화 강도 또한 증가한다는 것을 의미한다.

그림 2.8 액상화 강도와 유효구속압 (Seed and Lee, 1996)

2.3.5 재하진동수

Lee and Fitton(1968)과 Mulilis(1975)는 다양한 조사를 통하여 하중의 재하 속도에 대한 영향을 시험하였다. Lee and Fitton이 느린 진동주기에서 낮은 동적강도를 나타 낸다는 반면 Mulilis는 이와는 반대의 결과를 도출하였다.

초기액상화가 일어나는 반복횟수와 반복응력비의 관계를 Monterey모래를 이용하여 그림 2.9에 나타낸 것이며, 초기액상화가 일어나는 반복횟수와 반복응력비의 관계를 나 타낸 것이며 반복횟수 10회와 15회 모두에서 1/2Hz와 1Hz사이에 별다른 차이가 없다 는 것을 알 수 있다.

그림 2.9 다른 재하진동수의 영향(Polito, 1999)

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2.3.6 포화도

액상화는 입자의 맞물림이 어긋나 간극수 중에 입자가 뜬 상태가 되어 발생하게 되 는데, 이같은 차원에서 포화도가 낮은 상태로 공기가 찬 경우 주위의 압력에 의해 압 축되기 때문에 토립자가 뜨기 어려워지며 발생 가능성이 낮아진다. 따라서 포화도는 액상화 강도에 큰 영향을 미친다.

2.3.7 과압밀비

흙이 과거에 경험한 최대응력하에서 평형이 유지되고 있는 상태를 “정규압밀상태”에 있다고 말하며, 과거에 경험했던 응력보다 더 작은 응력하에서 평형상태에 있는 상태 를 “과압밀상태”에 있다고 말한다. 일반적으로 과압밀된 모래의 동적 강도는 크게 평 가 되지만 상대밀도에 따른 동적강도의 증가는 적다고 한다. 입자의 거칠기나 맞물립 은 과압밀에 의해 효과적으로 나타나고, 모래가 전단되려는 과과정에서 수축하려는 경 향을 보이는 중대한 영향을 미친다.

그림 2.10은 반복회수(N)가 20회 일 때 액상화 강도와 과압밀비의 관계를 압밀응력 비에 따라 그래프로 나타내었다. 그림에서처럼 상대밀도가 55%인 모래에 대하여 압밀 응력비가 증가함에 따라 같은 반복횟수(N=20회)에서 액상화 강도가 과압밀비의 증가 와 함께 커진다는 것을 판단할 수 있다.

그림 2.10 반복응력비와 OCR과의 관계(Ishihara and Takasu, 1979)

2.4 실트질 모래지반의 액상화 특성

2.4.1 실트질 모래지반의 액상화 강도

실트의 함유율에 따른 연구 결과는 상대밀도나 구속압의 영향 이외에 다른 연구결과 들이 있다. 그림 2.10은 실트질 모래를 이용한 실험으로 실트의 함유율이 0～10%까지 는 동적강도비가 감소하다가 10% 이후 60%까지 증가하는 결과를 보여주고 있다. 이 는 함유율 10% 전에는 모래의 입자와 입자가 맞물려 있으나 후부터는 모래 입자가 실 트입자들에 의해 떠있게 된다고 Kaufuman(1982)이 주장하였다.

반면 실트의 함유량이 증가함에 따라 반복응력비의 감소를 주장하는 연구자들도 있 다. 그림 2.11은 실트의 함유량에 따른 반복횟수와 반복응력비의 관계를 나타낸 그래프 이다. Tronsco and Verdugo(1985)등은 실트함유율이 낮을 때가 실트함유일이 높을 때 보다 반복응력비가 더 증가한다고 하였다. 일정한 간극비에서 실트 함유율이 증가할수 록 흙은 팽창보다는 압축적이라고 보게 된다. 보았다. 그림에서와 같이 실트 함유율이 30%에서 10%로 감소함에 따라 반복응력비가 감소하였다. 이는 실트 함유율이 22%, 30% 일 때보다 0～15% 일 때가 세립분의 함유율에 더 영향이 크다는 것을 알 수 있 다.

이 외에도 그림 2.12는 실트함유량이 증가함에 따라 반복응력비가 감소하고 어느 일정 함유량을 기점으로 다시 증가한다는 연구도 있다. Koester(1994)는 상대밀도 50%

이며 모래골격간극비로 만들어진 500여개의 시료를 대상으로 비배수 반복삼축시험을 실시하였다. 그 결과, 세립분 함유율이 20～26%일 때 가장 낮은 반복강도를 나타내고 있으며 좋은 입도분포를 가지는 모래의 경우 세립분 함유율이 20～30%일 때 액상화 강도가 가장 낮다고 판단하였다.

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그림 2.11 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 증가(Chang et al. 1982)

그림 2.12 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 감소(Tronsco and Verdugo, 1985)

그림 2.13 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 감소 후 증가(Koester, 1994)

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2.4.2 실트질 모래지반의 입자구조와 한계실트 함유량

실트질 모래 지반을 구성하는 요소로 모래 입자와 실트 입자로 나누어 생각할 수 있 다. Kerbis et al.(1988), Lade et al.(1998)은 비구형 이원 입자 혼합물에서 입자구조는 작은 입자의 양에 따라 달라진다고 하였다.

그림 2.14는 실트의 양과 간극비와의 관계를 보여주는 그림이다. 점A에서 점B까지의 구간은 실트함유량에 최대밀도가 증가한다. 점B는 모래간극이 실트로 거의 채워진 상 태이며 점B에서 점 C구간에서는 작은 입자들에 의해 큰 입자가 떠 있는 상태가 된다.

그림 2.14 이원입자혼합물에서 실트의 함유량에 따른 다른 입자구조의 형태(Kerbis et al., 1988)

Kerbis(1994), Polito(1999), Polito and Martin(2001)은 실트함유량이 0%일 때, 순수 모래 입자로 이루어진 점A와 같은 구조를 모래 골격구조라 하고 순수 모래 지반에 실 트 또는 비소성 세립분의 함유량을 추가시키면 모래 골격 구조에 의해 간극에 생긴다 고 하였다. 이때의 구조를 모래골격구조라 하였다.

그리고 실트의 함유량이 증가하여 비어있는 간극을 다 채우면 모래 입자가 실트 입 자 사이에 머무르게 됨으로써 모래골격구조를 더 이상 유지하지 못하게 된다고 판단하 였다. 점B에서 점C구간에서의 이 골격구조를 실트구조라 하였다.

김욱기 등(2007)은 점토혼합모래에 대하여 모래의 골격구조와 세립분 함유율이 액상 화 강도에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 활성상태인 점토와 모래를 혼합하여 모 래하나만으로 이루어진 입상구조로부터 세립분이 입자구조를 구성하는 상태에 이르는 다양한 공시체를 제작하여 삼축압축실험을 진행하였다.

그 결과 비배수 반복전단강도는 모래가 골격을 형성하고 있는 세립분 함유율 20%의 영역에서는 모래의 골격구조가 강도발현의 주체가 되며 20%이상에서는 점토매트릭스 구조가 강도발현의 주체가 되어 점토자체의 강도에 의해 지배된다고 하였다. 또한 30% 이상에서의 반복전단강도는 일정하게 나타나 점토와 동일한 강도를 나타낸다고 하였다.

Polito(1999), Polito and Martin(2001)은 모래골격구조를 유지하되 비어있는 간극에 채워질 수 있는 실트의 최대량을 한계 실트 함유량이라 말하였고, Mitchell(1993)은 포 화된 점토와 모래의 혼합토의 중량과 체적관계로부터 식 (2.1)을 유도하였다. 또한 이 를 검증하기 위해 37case의 모래와 5case의 실트를 혼합하여 실험을 진행하였고 그 결 과 혼합산태의 시료 62%가 한계실트함유량의 범위로 25～45% 사이를 보였으며, 25%

이하의 한계실트함유량을 갖는 시료는 없다고 주장하였다. 한계실트함유량은 그림 2.9 에서 점B와 같이 모래구조에서 실트구조로 가는 구간이라고 주장하였다.

한계실트함유량  



_  _·max



_·_·max

(2.1)

여기서



_{ : 실트의 비중}



_{ : 모래의 비중}

_·max : 실트의 최대간극비

_·max : 모래의 최대간극비

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2.5 액상화의 예측

액상화의 예측의 방법은 크게 간편예측법과 상세예측법으로 나누어 정의한다. 간편 예측법은 입도분포, 표준관입시험(SPT)등의 비교적 쉽게 얻을 수 있는 값을 적용하는 방법이며 상세예측법은 공진주비틈시험 및 반복삼축시험 등의 실내시험을 이용하여 지 반의 액상화 강도를 산정하는 방법이다.

2.5.1 Seed and Idriss의 간편예측법

Seed and Idriss의 방법은 일본건축물의 내진설계기준의 경험적 액상화 평가방법으 로 사용되고 있는데, 우선적으로 지진력을 표현하는 지진의 최대 전단응력비는 지진응 답해석 또는 국가별로 제안된 기본가속도와지반계수를 통해 구해진 지표면 최대가속도 를 토대로 선정한다. 그림 2.15는 Seed and Idriss의 액상화 평가과정이다.

그림 2.15 Seed and Idriss(1971) 액상화 평가의 순서도

그림 2.15의 내용을 보면 지반내에 발생하는 지진의 최대전단응력은 지진응답해석 또는 국가별 규정을 통해 산정한 지표면 최대가속도(_max)를 다음의 식 (2.2)에 적용 하여 구한다.

_ 



× _ 



_{× }



_max_{ (2.2)}

여기서 _{는 지반의 심도,} 는 지반의 단위중량, _{는 중력가속도,} _{max는 지표면 최} 대가속도,



는 진도에 따른 보정계수, _는 지반심도에 따른 응력감소계수로 지반심도 의 변화에 따라 9m미만일 경우 0.9, 심도가 9m보다 이상일 경우는 다음의 식 (2.3)을 이용한다.

    

 (2.3)

그림 2.16은 응력감소계수는 상재압에 따라 전단응력의 감소를 고려한 것으로 이 값 의 적용범위를 조사하기 위해 사질토층에 대해 지반 및 지진특성을 다양하게 변화시켜 가며 해석한 결과이다.

그림 2.16 다양한 지반조건에 대한 응력감소계수의 범위(Andrus, 2000)

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그림 2.16에서 가운데 위치하고 있는 선은 시험결과 나타난 응력감소계수의 평균값 이다.

비교적 상대밀도가 낮은 지반에서 지진파의 증폭량이 더 크게 나타나므로 이에 적절 한 응력감소계수의 적용이 필요하다. 또한 지진규모에 따른 보정계수는 많은 지진자료 를 분석한 결과 다음의 식을 이용하여 산정한다.



  × 



_

^ _(2.4)

여기서, 은 반복횟수로 표 2.1을 통하여 산정된다.

표 2.1 정현파의 지진규모별 반복횟수

지반내 지진활동에 매우 큰 영향을 미치는 유효상재압을 고려하여 식 (2.2)를 고쳐쓰 면 최대등가전단응력비가 산정되고 그 산정식은 식 (2.5)와 같다.

′_

  



_{× }

′_

_





_{× }

′_

_

_{ (2.5)}

여기서, _{는 전상재압,} ′_는 유효상재압을 의미한다.

발생가능한 지진에 대한 원지반의 거동을 조사하는 시험이 어려움에 따라 일반적으 로 불교란시료에 대한 규칙적인 반복하중을 재하하는 실내시험을 통해 지진시 지반의

지진규모(



₎ 반복횟수(



_)

5.25 2~3

6.00 5~6

6.75 10

7.50 15

8.50 26

전단저항력을 산정한다. 하지만 지진은 단층의 파괴로 인해 발생하는 충격파로 그 진 동은 균일한 진폭과 주기를 갖지 않고 임의의 형식의 파동특성을 가지므로 실내시험 진행시 이와 유사한 파를 재현하는 것은 어렵다고 판단된다. 이에 반복삼축시험과 같 은 실내시험 수행 시 일반적으로 그림 2.17처럼 일정한 진폭 및 주기를 갖는 정현파형 의 반복하중을 재하 한다.

그림 2.17 등가전단응력개념(Seed et al., 1971)

그림 2.17은 지진계측기에 의해 측정된 불규칙한 실제 불규칙한 지진파를 전단응력 이 일정한 정현파로 보정한 것으로 등가전단응력 개념이 도입된 그림이다.

Seed and Idriss(1971)는 지반의 액상화 전단강도 산정시 이러한 파의 불규칙성 및 시간이력 등 지진파의 특성 및 원지반의 상태 등을 고려하기 위해 여러 보정계수를 사 용하도록 제안하고 있다. 또한 반복삼축시험 등의 실내시험을 통한 액상화 평가가 매 우 많은 시험대상과 그에 따라서 소용되는 인적, 물적 경비의 과중함에 따라 보다 간 편하게 액상화 전단강도를 산정할 수 있는 방법을 제안하였다.

이 방법의 특징은 많은 실내시험자료를 모아 분석하여 일반적으로 많이 수행되고 있 는 표준관입시험(SPT)의 결과와 기본물성결과를 이용할 수 있도록 하였다. 간편 액상 화 평가방법을 보면, 우선적으로 표준관입저항치를 식 (2.6)를 통해 보정하여 환산



치



_을 산정하고 이를 이용하여 지진규모별 액상화 전단강도비를 다음의 그림 2.18을 통해 제안하였다.

- 27 -



_



_·



_(2.6)

여기서,



_은 유효응력에 따른 보정계수로 ′_^을 이용하여 산정하고 이 때, 유효상재압의 단위는 tonf/㎡이다.

그림 2.18 액상화 전단강도비와 환산N치와의 관계(이수근, 2009)

그림 2.18에서와 같이 지진규모가 커질수록 액상화에 대한 지반의 전단강도비는 작 아짐을 알 수 있다. 통상 높은 양의 실트질 성분을 포함하는 지반에서는 액상화전단강 도비가 증가하는 경향을 보이고 있다. 그림 2.19는 지진규모 7.5인 경우, 입도분석시험 을 통해 실트질 성분의 함유량을 산정하고 이에 따라 지반의 전단강도비가 변화하는 것을 나타낸 그림이다. 실트질 모래에서 세립분 함유량의 증가에 따라 지반의 전단저 항력이 증가하는 경향을 보여주고 있다.

최종적인 액상화 평가는 식 (2.5)를 기준으로 산정된 전단응력비와 그림 2.18과 그림 2.19로 산정된 지반의 액상화 전단강도비를 비교하여 안전율을 산정함으로써 수행된다.

안전율 산정식은 다음의 식 (2.7)과 같다.

그림 2.19 실트질 모래에서 세립분 함유량에 따른 반복응력비와 



__과의 관계(Seed et al., 1985)



_{ }

_′_

_′_

(2.7)

여기서 _′_와 _′_는 각각 액상화 전단강도비와 지진에 의한 전단응력비를 의미 하며



는 안전율로 1.0보다 작을 경우 액상화 발생이 가능하고, 1.0보다 클 경우 액상 화에 대해 안전하다고 평가한다.

- 29 -

2.5.2 Ishihara의 간편예측법

일본 항만내진설계규정에서는 액상화 평가방법으로 입도분포와



_{치를 이용한 간편}

예측법, 반복삼축시험 등을 이용하는 방법 또한 진동대시험을 통하여 방법을 언급하고 관련된 구조물의 중요도에 따라 선택 후 사용하는 제안하고 있다. 일반적으로 입도분 포와



치를 이용한 액상화 평가를 수행하였을 때, 결과가 정확하지 않거나 중요한 구 조물에 대해서는 진동대시험과 반복삼축시험 등의 추가조사를 통해 이를 검증하는 것 이 일반화되어 있다.

입도분포와



치를 이용한 액상화 평가방법을 살펴보면, 먼저 체분석과 같은 입도분 석을 통해 입도분포곡선을 작성하고 이를 그림 2.20에 적용하여 액상화 가능성을 판단 한다.

그림 2.20 균등계수가 작은 사질토(이수근, 2009)

그림 2.20과 그림2.21은 과거 액상화 발생자료를 근거로 작성된 것으로써 흙의 균등 계수(



_)3.5를 기준으로 분류되어 제안되었다. 그림에서



_영역,



_{영역 그리고 영역}



_를 제외한 나머지 영역의 입도분포는 액상화 가능성이 없는 것으로 간주하며, 영역



_{는 영역}



_및



_보다 액상화 가능성이 높음을 나타내고 있다. 만약, 입도분포 곡선 이 두 영역에 걸침에 따라 정확한 분류가 어려운 경우에는 공학자가 적절한 판단이 요 구된다.

그림 2.21 균등계수가 큰 사질토(이수근, 2009)

다음의 절차는 해당지층의



치를 유효상재압 0.66㎏f/㎠을 기준으로 수정하는 것으 로 다음의 식 (2.8)을 이용한다.





_ ′_   



 ′_ 

(2.8)

여기서, ′_와 



_는 단위 ㎏f/㎠의 유효상재압과 등가



치로 각각 3㎏f/㎠ 보다 작아야 하며 



_은 2～40의 범위에 있어야만 한다. 이와 같은 관계를 그림으로 나 타내면 그림 2.22와 같다.

- 31 -

그림 2.22 등가 N치 계산을 위한 도표(이수근, 2009)

그림 2.18의 영역



_와 같은 입도분포를 갖는 지반에 대해 액상화 평가를 수행할 경우 에는 수정 없이 표준관입 저항치를 그대로 사용하도록 제안하고 있다.

다음의 순서는 지진응답해석을 통해 산정된 최대전단응력과 지반의 유효응력 및 중 력가속도를 이용하여 등가 가속도를 산정하는 것으로 등가가속도 산정식은 다음의 식 (2.9)와 같다.

_  × ′_

_max

×  _(2.9)

여기서 _는 등가 가속도(Gal), _max는 지진응답해석을 통해 산정된 대상지층의 최 대전단응력, ′_은 유효상재압, 그리고 는 중력가속도로 980gal의 값을 이용한다.

최종 액상화 평가식은 식 (2.8)과 식 (2.9)를 통해 산정된 등가



_{치와 등가 가속도의}

관계가 그림 2.20로부터 구분된 영역 Ⅰ ～ Ⅵ에 어느 영역에 해당하는가를 결정함으 로써 수행되어 진다.

그림 2.23 등가 치와 등가 가속도를 이용한 지층의 분류(이수근, 2009)

- 33 -

2.5.3 반복삼축시험을 이용한 상세예측법

Ishihara의 평가방법을 그림 2.24와 같이 순서도로 나타내었다.

그림 2.24 액상화 평가방법의 순서도(Ishihara, 1993)

진동삼축시험이나 전단시험을 통해 액상화에 의한 파괴를 초기 액상화 상태에 이르 거나 5%의 동적 변형률 차를 파괴기준으로 사용하여 평가하는 방법이다. 그러나 모래 의 불교란 샘플 채취는 매우 어려우며, 채취 시 단위중량이 상승하여 오차를 수반한다.

또한, 동일조건하에서 동일한 시료로 시험한 결괏값도 상당히 넓은 구간에 분포하여 일정한 패턴을 정하기가 어려운 단점이 있기도 하다.

하지만 반복삼축시험은 모든 종류의 흙에 대해 시험을 수행하기에 적합한 시험방법 으로 응력조건과 배수조건을 임의로 조절할 수 있어 현장지반의 구속압력이나 재하하 중을 재현할 수 있어 신뢰도가 높이 평가된다. 시료를 멤브레인으로 감싸서 압력실 안 에 안치시키고 수압을 통해 구속압력을 가할 수 있고 축차응력을 가하여 시료를 전단 시키며 간극수를 배출시킬 수 있어 체적의 변화뿐만 아니라 간극수압을 측정할 수 있 다.

그림 2.25은 반복삼축시험시의 하중조건을 나타내고 있다.

그림 2.25 반복삼축시험에 적용되는 하중조건(이수근, 2009)

그림 2.26은 반복삼축시 나타나는 응력분포이다.

그림 2.26(a)는 압밀상태의 재현을 위하여 _인 등방구속압을 배수상태로 가한 모습 이다. 또한 이때 수직응력_는 시료의 45°경사면에 작용하고 있는 응력이며, 이 응력을 모아의 응력원 상에 나타내면 그림 2.26(a)의 왼쪽과 같이 나타낼 수 있다.

그림 2.26(b)는 시료에 비배수 상태에서 연직방향응력 _만 증가시킨 모습이다. 여기 서 시료의 45°경사면에는 _인 수직응력과 같은 양의 전단응력이 그림 2.26(b)와 같 이 작용한다. 이중 수직응력 _는 평균압력으로 비배수 상태에서 가해지므로 간극압 계수 B가 1.0에 가깝게 되어 거의 모든 응력이 간극수에 전달된다. 결론적으로 최종 유효응력은 45°면상에 전달되는 전단응력 __뿐이다.

그림 2.26(c)는 응력 재하방향이 역전되어 연직방향에 _인 연직인장응력과 같은 양의 전단응력이 위방향으로 45°면상에 작용하게 된다. 이 경우 또한 수직응력은 비배 수 재하이므로 간극수압으로 전가됨으로 유효응력의 변화는 가져오지 않는다. 따라서 위방향의 전단응력만 중요하게 된다.

그림 2.27은 변형률에 정의를 나타낸 것이다.

반복하중을 가할 때 과잉간극수압이 상승되어 압밀시의 유효구속압과 같아지는 시점,

- 35 -

즉 초기 액상화의 이것을 발생시점으로 정하였으며 이 때의 양진폭 축변형률을 5%로 간주하였다.

그림 2.26 반복삼축시험시 시료에 작용하는 응력상태(Lee, 2009)

그림 2.27 양진폭축변형률의 의미와 액상화 발생시점(Lee, 2009)

제 3 장 실험방법 및 반복삼축시험장치의 특징

본 연구에서는 진동삼축시험을 진행하기 전에 각 시료의 세립분함유율에 따른 물리 적 특성 비중, 입도, 최대·최소 상대밀도 등을 알기 위한 기본물성시험을 실시하였으 며, 반복삼축시험의 시험방법에 대해 나타내었다.

3.1 시료

3.1.1. 시료의 물리적 특성

본 연구에서 사용한 시료는 주문진표준사와 풍화토, 세립분을 사용하였으며, 세립분 은 #200번체를 통과는 시료를 사용하였다. 이렇게 준비된 풍화토와 세립분을 건조중량 비로 100 : 0, 90 : 10, 80 : 20, 70 : 30 으로 혼합하여 상대밀도 40%, 55%, 70%에 따 라 공시체를 제작하여 실험에 이용하였다.

표 3.1 입도분포에 따른 모래의 물리적 특성

여기서



_{ : 비중}

_{ : 최대건조단위중량}

_{ : 최소건조단위중량}

_{max : 최대간극비}

_{min : 최소간극비}

시료



_ _ _ _max _min _max _min

sand MH

SP 0% 2.631 1.588 1.359 0.934 0.656 0.278

SW 0% 2.651 1.803 1.549 0.711 0.470 0.241

- 37 -

그림 3.1 세립분 함유량에 따른 입도분포 곡선

3.2 시험기기

본 연구에서는 그림 3.2와 같이 GEOTM사의 GTS24-NO1을 사용하였다. 장비는 포 화, 압밀, 액상화 순으로 실험진행이 가능하며, 반복횟수와 축차응력 관계, 반복횟수와 축변형률 관계, 반복횟수와 간극수압비 관계, 축변형률과 축차응력 관계, 유효구속압과 축차응력 관계를 도출할 수 있다.

그림 3.2 반복삼축장비(GTS24-NO1)

- 39 -

3.3 실험방법

3.3.1 공시체의 준비

공시체의 성형 방법에는 수중낙하법, 습윤다짐법, 진동다짐법, 공중낙하법 등이 있다.

시료의 성형방법 또한 액상화 강도에 어느정도의 영향을 미치는 인자 중 하나로써 영 향이 크다. 이에 본 연구에서는 세립분의 분리를 막기 위해 진동다짐법 한 가지만 이 용하여 실험을 진행하였다.

공시체의 크기는 직경 50mm, 높이 100mm로써 먼저 하부에 멤브레인을 씌우고 O-ring으로 봉한다. 그리고 진공성형상자(forming jacket)을 하부페디스털과 결합시킨 다. 그 다음 멤브레인을 진공성형상자에 씌운 후 진공압을 가해 멤브레인을 진공성형 상자에 밀착시킨다.

시료는 총 5층으로 나누어 그림 3.3과 같이 낙하고가 없이 5층 또는 여러층으로 나 누어 낙하, 퇴적을 시키고 각 층마다 네 방향에서 성형상자에 약간의 타격을 하여 주 어서 필요로 하는 상대밀도에 맞추어 공시체를 성형하였다.

그림 3.3 공시체 성형방법(이수근, 2009)

3.3.2 포화 및 압밀

필요한 상대밀도로 시료를 성형한 후 상부페디스털을 감싼 후 하부와 마찬가지로 O-ring과 멤브레인으로 밀착시킨다. 그리고 시료에 진공압을 가한 후 성형상자를 제 거, 압력실을 조립하고 물을 채운다. 물이 완전히 시료에 잠기면 그림 3.18과 같이 이 중부압법을 사용하여 시료를 포화시킨다.

3.3.3 반복 전단응력비(CSR; cyclic shear stress ratio)

반복전단응력비는 일정 반복 전단응력을 초기 유효 구속응력으로 나눈 값이다. 진동 대시험이나 단순전담시험에 대한 CSR은 수평면에 작용하는 반복 전단응력(^)을 연 직 유효 압밀응력(^′)으로 나눈 값으로 정의 된다. 즉,

_{ }

′_

_

식(3.1)

반면에 등방 압밀된 반복삼축시험에 대한 CSR은 최대 반복 전단응력(^)을 등방 압밀응력(^′)으로 나눈 값으로 정의된다.

_{ }

′_

_

식(3.2)

그림 3.4 반복삼축시험시 포화단계 입력라인 모식도(이수근, 2009)

- 41 -

3.3.4 반복삼축시험

압밀이 종료된 후 배수밸브를 잠그고 간극수압측정 밸브를 연 후 비배수 반복삼축시 험을 실시하였다. 반복삼축시험에 있어서 진동주기의 경우 점성토 또는 진동주기가 커 짐에 따라 전단강도가 높게 평가되는 것으로 알려져 있지만 순수한 모래를 대상으로 한 반복삼축시험에 있어서 큰 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있다.

진동하중은 응력제어방식을 이용하였고, 사용된 진동파형은 정현파(Sine파)형이다. 그 리고 액상화의 발생 시점은 과잉간극수압이 시료내 유효응력과 같아지는 시점, 즉 유 효응력이 0이 될 때 액상화가 발생하는 것으로 간주하였으며 이는 간극수압과 구속압 의 비가 95%이상이고 양진폭 변형률이 5%이상이 되는 시점이다.

아래의 표 3.2는 실험의 조건들을 나타낸다.

표 3.2 반복삼축 시험조건

시료 세립분

함유량(%) 상대밀도 축차응력

(kPA)

재하속도 (



₎

유효구속압 (kPa)

SP 0

40 30 40 50

0.1 100 55 40 50 60

70 50 60 70

SW

0

40 50 60 70

0.1 100 55 55 60 70

70 60 70 80

10

40 35 40 45 55 35 40 45 70 40 45 50

20

40 30 40 50 55 30 40 45 70 35 40 45

30

40 30 35 40 55 30 35 40 70 30 35 40