모래의 입도분포와 세립분 함유량에 따른 액상화 저항특성 비교

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모래의 입도분포와 세립분 함유량에 따른 액상화 저항특성 비교

서 혁, 김대현^† 조선대학교, 토목공학과

Resistance of sandy soil to liquefaction according to the sand particle distribution and the fine content

Hyeok Seo

^*

, Dae-Hyeon Kim

^†

Department of Civil Engineering, Chosun University, Gwangju, Korea (Received : Jan. 25, 2019, Revised : Feb. 13, 2019, Accepted : Mar. 22, 2019)

Abstract : The liquefaction phenomenon occurs when the groundwater is pumped up through the top of sediments as the pore pressure increases due to the earthquake. There have been many studies on the loose sandy soils and various samples through repeated triaxial compression tests and shaking table tests, but there have been few studies on the effects of particle size distributions and the fine contents of sand on the liquefaction of sand.

In this study, the undrained repeated triaxial compression tests were performed on sands with different particle size distributions, confining pressures, relative densities, and deviatoric stresses. The results of analysis showed that, with increasing relative density, SW(Well-graded sand) samples had higher liquefaction strength than SP(Poor-graded sand) samples. This is due to the lower void ratio of sand in SW samples than in SP samples. It was also found that the liquefaction strength decreased with a high fine content due to he rapid destruction of the filling of fine particles between the soil particles, leading to lower liquefaction strength.

Keyword : Liquefaction, Relative Density, Particle Size Distribution, Fine Particle Content, Repeated Triaxial Compression

1. 서 론

1)

11.1 연구배경 및 목적

최근 최근 포항 지진 이후 국내 최초로 관측된 액상 화 현상은 국내 실정에 맞는 평가기법과 공통기준을 마련하고 전국 액상화 위험도를 작성하는 등 우리나라 내진기준에 큰 영향을 미쳤다. 액상화 현상은 지진에 의해 지하수의 수압이 높아지면서 지하수가 퇴적물 상 부를 뚫고 올라와 지반이 늪처럼 변하는 것을 의미하 는데, 수도권에서는 여의도를 비롯한 한강 주변이 액

†Corresponding Author 성 명 : 김대현

소 속 : 조선대학교 토목공학과

주 소 : 광주 동구 필문대로 309 조선대학교 전 화 : 062-230-7607

E-mail : dkimgeo@Chosun.ac.kr

상화 위험지역으로 꼽히고 있다. 포항과 경주지진으로 인한 피해 인해 더 이상 우리나라도 지진에 대한 안전 지대가 아니라는 경각심과 동시에 국내 학계에서도 비 상한 관심이 집중되고 있다.

일반적으로 국내 액상화에 관한 연구는 반복삼축시 험과 진동대 장비를 이용한 사질토 지반에 관한 연구 와 매립지만을 기준으로 세립분을 함유한 사질토에 대 한 액상화 연구가 진행되었다. 세립분은 액상화 강도 에 영향을 주는 인자로써 세립분 및 자갈 혼합토에 따 른 액상화 연구도 진행되었다. 액상화에 관한 연구는 특정해안지역의 모래나 주문진표준사의 세립분 함유량 에 따른 연구, 자갈 - 모래혼합토에 과한 시험이 수행 되었고 지진파를 가하여 파형에 따른 분석 등이 이루 어졌으며, 모래의 입도분포와 세립분 함유랑에 따른 연구는 미미한 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 모래의 입도분포와 그에 따 른 세립분 함유량에 대한 특성을 비교하기 위하여 비 배수 반복삼축압축시험을 수행하였다. 또한 모래의

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입도분포에 따른 최대 및 최소간극비의 특성을 알아 보고 상대밀도(40%, 55%, 70%)와 축차응력, 구속 압(100kPa) 및 세립분 함유량(0%, 10%, 20%, 30%)에 따른 액상화 저항곡선을 비교분석하였다.

1.2 선행연구 분석

지반의 액상화 관련된 최초의 연구는 1940년 Casagrande[1]의 한계간극비 이론에서부터 시작되었 다. Casagrande는 액상화 현상을 한계간극비로 설명 하고자 한계간극비를 기준으로 느슨한 사질토와 조밀 한 사질토로 구분하였고, 한계간극비보다 더 느슨한 상태의 포화모래에 진동하중이 작용할 경우 모래의 부 피가 감소하면서 과잉간극수압이 발생한다는 이론을 설명하였다.

최근 국외 액상화 위험도에 관한 연구는 2006년 캘 리포니아 오클랜드 주변에서 Holzer et al.[2]이 콘 관입시험(CPT; Cone Penetraition rest)데이터를 통해 액상화 위험도를 작성하였고, 2010년 Heidari and Andrus[3]가 CPT데이터를 바탕으로 액상화 가 능성 지수(LPI: Liquefaction Potential Index)데 이터를 구하여 South Carolina지역에 대한 액상화 위험도를 작성하였다. Valverde-Palacios et al.[4]

은 스페인 광역지역에 대한 액상화 위험도를 작성하였 는데, Tokimatsu and Seed 방법과 Pradel방법에 대해 액상화 평가를 실시하여 분석하였다. Rahman et al.[5]은 SPT-N value를 활용하여 방글라데시 다카 지역에 대한 액상화 위험도를 작성하였는데, 이 때 지반이 미치는 지역적 특성을 반영한 Aonation기 법을 사용하여 액상화 위험도를 작성하였다.

국내 액상화 연구는 1990년대부터 지진 위험도에 관한 연구가 본격적으로 시작되었다. Shin[6]은 진동 삼축압축시험을 통해 국내 지진특성을 고려하여 액상 화 평가기법 개선방안에 관한 연구를 진행하였고, Kwak[7]은 Iwasaki et al(1978)이 제안한 LPI를 산정하여 국내 연안 매립지역을 중심으로 액상화 위험 도를 작성하였다.

Park[8]등은 반복단순전단시험을 이용하여 조립토 의 설계 액상화 저항 곡선에 관해 연구하였고, Song [10]이 LPI와 전단파속도의 상관관계를 활용하여 액 상화 평가를 수행하였다. Choi et al[9]는 국내 항만 및 어항시설 내진설계의 액상화 평가법 개선에 관한 연구 등을 진행하였다.

반복삼축압축시험을 이용한 액상화 연구는

Park[11]이 지진 발생 가능성이 높은 부산 및 인천 의 9개 연안매립지역을 선정하였고 상대밀도 및 세립 분 함유량 변화에 따른 액상화 저항강도를 비교하는 연구를 진행하였고 시험 결과, 실트함유시료의 경우 상대밀도와 실트질함유량이 증가할수록 액상화 강도는 증가하였으나 지진규모가 증가할수록 액상화 저항강도 는 감소하는 것으로 나타났다.

Kim[12]이 세립토인 모래에 조립토인 자갈의 혼합 량을 중량비로 혼합하여 시험을 진행하였다. 시험결과, 자갈혼합률이 증가함에 따라 액상화 강도가 증가하는 결론을 얻었으나 증가의 원인이 자갈의 영향인지 시료

전체의 간극비 감소의 영향인지 판단할 수 없었다.

Kim[13]은 상대밀도 변화에 따른 새만금준설토의 액상화 특성에 관한 특성을 연구하였다. 그 결과 상대 밀도가 증가할수록 액상화 강도는 선형적으로 증가하 였다. 또한 새만금준설토는 다른 모래와 비교해 볼 때, 평균입경과 입도분포가 액상화에 가장 취약한 것으로 확인하였다.

Lee[14]는 세립분 함유량에 따른 새만금준설토의 액상화 특성에 관한 연구를 진행하였고 그 결과, 같은 상대밀도와 반복응력비 조건에서 세립분 합유량이 15%일 때 가장 큰 반복응력비를 나타내었다.

이처럼 액상화 연구는 액상화 위험도 평가, 반복단 순 전단시험 및 반복삼축압축시험을 이용한 액상화 평 가가 연구되어 왔다. 본 연구에서는 모래의 입도분포 와 세립분 함유량에 관한 연구를 진행하고 그에 따른 액상화 저항곡선을 비교분석하고자 하였다.

2. 액상화 2.1 액상화의 개념

액상화란 ‘지반 내에 작용하는 전단응력에 의해 생 기는 과잉간극수압이 토립자를 구속하고 있던 초기 유 효응력과 같아져, 유효응력이 0이 되는 현상’이라고 정 의할 수 있다. 즉, 반복하중하에서 토립자는 변형 및 재배열을 하지만 포화 토체의 일정체적 유지성 때문에 토립자의 변형률 및 재배열량 만큼 과잉간극수압이 발 생하게 된다. 이처럼 발생한 간극수압이 토체 내의 유 효응력과 같은 수준에 도달하게 되면, 토체내의 전단 저항력은 완전히 상실되어 포화 사질토는 액상화에 이 르게 된다.

Fig. 1은 액상화 과정을 설명한 그림이다.

(a) Slack condition

(b) Condition Under Shear Deformation

(c)Rearranged state Figure 1. Liquefaction process

2.2 반복전단응력비의 개념

반복전단응력비(CSR; cyclic shear stress ratio) 는 일정 반복 전단응력을 초기 유효 구속응력으로 나 누 값이다. 진동대시험이나 단순전단시점에 대한 CSR 은 수평면에 작용하는 반복 전단응력(__{)을 연직 유} 효 압밀응력(′_)으로 나눈 값으로 정의 된다. 즉,

_{ }

′_

_

(1)

(3)

반면에 등방 압밀된 반복삼축압축실험에 대한 CSR 은 최대 반복 전단응력(__{)을 등방압밀응력(}′_₎ 으로 나눈 값으로 정의된다.

_{ }

′_

_

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3. 실험방법 3.1 시료의 특성

본 연구에서는 입도분포가 불량한 모래(SP;

poorly graded soil)인 주문진 표준사와 입도분포가 양호한 모래(SW; well graded soil)인 풍화토, 풍화 토에 세립분 10%, 20%, 30% 첨가한 시료에 대하여 반복삼축압축실험을 진행하였으며, 세립분은 #200번 체를 통화하는 시료를 사용하였다. 준비된 시료에 대 하여 모래와 세립분을 건조중량비로 혼합하여 상대밀 도 40%, 55%, 70%에 따라 공시체를 제작 후 반복 삼축압축실험을 수행하였다.

Sand



_

^

^

(^)



_

(^)



_max



_min



_max

 

_min

SP 2.631 1.588 1.359 0.934 0.656 0.278 SW 2.651 1.803 1.549 0.711 0.470 0.241 Table 1. The Physical Properties of Sand by Particle

Distribution

여기서



_ _{: 비중}



_ : 최대건조단위중량 (^₎



_ : 최소건조단위중량 (^₎



_max _{: 최대간극비}



_min _{: 최소간극비}

Figure 2. Particle Distribution of Sand with the fine content

3.2 공시체 제작 방법

공시체의 크기는 직경 50mm, 높이 100mm이고, 멤 브레인(Membrane)을 진공성형상자(Forming jacket) 에 씌운 후 진공압을 가해 멤브레인을 진공성형상자에 밀착시켰다. 공시체의 성형 방법에는 수중낙하법, 습 윤다짐법, 진동다짐법, 공중낙하법 등이 있는데, 시료 의 성형방법이 액상화 강도에 미치는 영향이 크므로 본 연구에서는 세립분의 분리를 막기 위해 진동다짐법 을 이용하여 시료를 성형하였다.

공시체 제작방법은 먼저 하부에 멤브레인을 씌우고 O-ring으로 봉한 다음 진공성형상자를 하부 받침대와 결합시킨 후, 멤브레인을 진공성형상자에 씌워 진공압 을 가해 멤브레인을 진공성형상자에 밀착시킨다. 시료 는 총 5층으로 나누어 Fig. 3과 같이 낙하고가 없이 5층 또는 여러 층으로 나누어 낙하, 퇴적을 시키고, 각 층마다 네 방향에서 성형상자에 약간의 타격을 하 여 주어서 필요로 하는 상대밀도에 맞추어 공시체를 성형하였다. 필요한 상대밀도로 시료를 성형한 후 상 부 받침대를 감싼 후 하부와 마찬가지로 O-ring과 멤 브레인으로 밀착시키고 시료에 진공압을 가한 후 성형 상자를 제거, 압력실을 조립하고 물을 채운다. 물이 완전히 시료에 잠기면 시료를 포화시켜 공시체를 성형 하였다.

Figure 3. Experimental method 3.3 반복삼축압축실험 조건

진동하중은 응력제어방식을 사용하였고, 사용된 진 동파형은 정현파(Sine파)이며, 유효구속압은 지반심도 10m~20m사이에서 지진 시 발생하는 전단응력을 산 정하기 위해 100kPa로 고정하였다.

액상화가 발생하는 최대축차응력을 찾기 위해 먼저 임의의 축차응력으로 실험하였으며, 잔류 간극수압을 측정한다. 축차응력의 크기를 변화시켜가며 잔류간극 수압의 경향을 분석하고, 과잉간극수압이 시료내 유형 응력과 같아지는 시점, 즉 유효응력이 0이 될 때 액상 화가 발생하는 것으로 간주하였다.

이는 간극수압과 구속압의 비가 95%이상이고 양진 폭 변형률이 5%이상이 되는 시점이며, 압밀이 종료되 면 배수밸브를 잠그고 간극수압측정 밸브를 연 후 비 배수 반복삼축압축실험을 수행하였다. 또한 진동주기 의 경우 진동주기가 증가함에 따라 전단강도가 높게 평가되는 것으로 나타났으나, 순수한 모래의 경우 진 동주기가 증가함에 따라 전단강도에 큰 영향을 미치지

(4)

않는 것으로 나타났다.

Sand MH (%)

Dr (%)

′

_

(kPA)

  ′

_

(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 Table 2. Test conditions

4. 실험결과 4.1 반복삼축실험의 결과

반복삼축압축실험의 결과는 일반적으로 반복횟수에 대한 축차응력(

′

_)과 축변형률, 간극수압비와의 관 계와 축차응력과 축변형률, 유효구속압 응력비 등으로 표시하고, 각 시료의 조건과 상대밀도에 따라 그래프 로 결과를 도출할 수 있다. 본 연구에서는 대표적으로 상대밀도 70%, 세립분 0%, 구속압 100kPa일 때 축 차응력에 따라 표준사와 풍화토 시료에 대한 반복횟수 에 따른 축변형률, 간극수압비에 대한 결과를 분석하 였다.표준사의 경우 세립분 0%, 상대밀도 70%, 구속압 100kPa일 때 Fig. 4, 5는 축차응력 50kPa로 반복 횟수는 77회, Fig. 6, 7은 축차응력 60kPa로 반복횟 수는 8회, Fig. 8, 9는 축차응력 70kPa로 반복횟수 는 2회로부터 양진폭변형률이 5%를 넘어 액상화가 발생함을 확인하였으며, 간극수압비도 최대치에 도달 하여 액상화가 발생함을 확인할 수 있었다.

풍화토의 경우 세립분 0%, 상대밀도 70%, 구속압 100kPa일 때 Fig. 10, 11은 축차응력 60kPa로 반 복횟수는 101회, Fig. 12, 13은 축차응력 70kPa로 반복횟수는 18회, Fig. 14, 15는 축차응력 80kPa로 반복횟수는 4회로부터 양진폭변형률이 5%를 넘어 액 상화가 발생함을 확인하였으며, 간극수압비도 최대치 에 도달하여 액상화가 발생함을 확인할 수 있었다.

Figure 4. Correlation of number of cycle and axial strain with deviatoric stress 50kPa, Dr 70% with

sand

Figure 5. Correlation of number of cycle and pore pressure ratio with deviatoric stress 50kPa, Dr

70% with sand

Figure 6. Correlation of number of cycle and axial strain with deviatoric stress 60kPa, Dr 70% with

sand

(5)

70% with sand

Figure 9. Correlation of number of cycle and axial strain with deviatoric stress 70kPa Dr, 70% with

sand

Figure 10. Correlation of number of cycle and axial strain with deviatoric stress 60kPa, Dr 70%

with weathered sand

Figure 11. Correlation of number of cycle and pore pressure ratio with deviatoric stress 60kPa,

Dr 70% with weathered sand

with weathered sand

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Dr 70% with weathered sand

with weathered sand

Dr 70% with weathered sand 4.2 세립분 함유량에 따른 액상화 강도의 변화 Fig. 16~18은 상대밀도 40%, 55%, 70%일 때 세립분 함유량 0%, 10%, 20%, 30%에 따른 반복횟

수와 반복응력비 관계를 비교분석한 그림이다. 같은 상대밀도에서 세립분 함유량이 0%, 10%, 20%, 30%로 증가할수록 Dr = 40%일 때 CSR은 0.321, 0.199, 0.184, 0.160로 감소하였고, Dr = 55%일 때 CSR은 0.336, 0.205, 0.188, 0.168로 감소하 였으며, Dr = 70%일 때 CSR은 0.371. 0.219, 0.194, 0.178로 감소하는 경향을 확인하였다.

이는 흙 입자 사이에 세립분이 채워져 파괴가 빨리 나타나 CSR의 감소 및 액상화 강도가 낮아진 것으로 나타났으며, Lee[14]는 세립분 함유량이 15%이후부 터 액상화 강도가 감소하였으나, 일정함유량 이상부터 는 액상화 강도가 감소하는 것은 본 연구결과와 유사 한 결과를 나타내었다. 또한 Troncoso and Verdugo [16]는 광산의 모래를 이용하여 실험한 결과 세립분 이 증가할수록 액상화 강도는 감소하는 경향이 있다고 하였다. 그러나 Fei[17]는 실트질 흙의 액상화 저항 은 세립분이 증가할수록 증가한다고 하였으며, Chang et al[18]은 실트나 소성이 낮은 세립분 함유량이 증 가할수록 사질토의 액상화 강도가 증가한다고 하였다.

세립분 함유량에 따른 액상화 강도에 관한 연구는 실험조건이나 실험자의 판단에 따라 달라지는 경우가 많아 본 연구에서는 모래의 입도분포와 세립분 함유량 에 따른 실험을 통하여 액상화 연구의 기초자료가 될 것으로 판단된다.

Figure 16. Results of CSR with fine content - Dr 40%

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4.3 상대밀도에 따른 액상화 강도의 변화

Fig. 19~23은 각 시료의 상대밀도에 따른 반복횟 수와 반복응력비 관계를 비교분석한 그림이다. 상대 밀도가 증가함에 따라 Fig. 19의 CSR은 0.193, 0.248, 0.301로 증가하는 경향을 보이고 있다. Fig.

20~23 또한 상대밀도가 높아질수록 CSR은 증가함 을 나타내었다.

Figure 19. Results of CSR with relative density - SP 100%

Figure 20. Results of CSR with relative density - SW 100%

Figure 21. Results of CSR with relative density - SW 90%, MH 10%

이는 상대밀도가 증가할수록 흙입자 사이의 간극비 가 감소하여 CSR 및 액상화 강도가 높아진 것으로 판 단된다. 선행연구에서 언급한 바와 같이 실트나 점토 의 함유량이 증가하는 것과는 무관하게 상대밀도가 증

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가할수록 CSR 및 액상화 강도가 증가하였다.

Table 3는 각 시료의 상대밀도에 따른 CSR 결과 를 식(2)에 의해 나타낸 표이다.

구속압이 100kPa에서 세립분 함유량이 0%인 SP 시료와 SW 시료, SW 시료에 세립분 10%, 20%, 30% 치환된 시료에 대한 반복삼축압축실험 결과, 상 대밀도가 증가할수록 SP는 CSR이 0.193, 0.248, 0.301로 약 22%, 15% 증가하였고, SW는 CSR이 0.321, 0.336, 0.371로 약 4%, 10% 증가하였다.

또한 SW90 - MH10에서는 CSR이 0.199, 0.205, 0.219로 약 00%, 00% 증가하였으며, SW80 - MH20에서는 CSR이 0.184, 0.188, 0.194로 약 2.17%, 3.19% 증가하였고, SW70 – MH30에서는 CSR이 0.160, 0.168, 0.171로 약 5.00%, 1.78%

증가하였다.

SP 보다 SW에서 CSR 및 액상화 강도가 높게 나 타났으며, 이는 SP 보다 SW에서 모래의 공극이 더 낮기 때문인 것으로 판단된다. 또한 SW에서 세립분이 10%, 20%, 30% 증가될 때 흙 입자 사이에 세립분 이 채워져 파괴가 빨리 나타나 CSR의 감소 및 액상화 강도가 낮아진 것으로 나타났다.

Sand Dr

(%) CSR

SP

40 0.193

55 0.248

70 0.301

SW

40 0.321

55 0.336

70 0.371

SW90-MH10

40 0.199

55 0.205

70 0.219

SW80-MH20

40 0.184

55 0.188

70 0.194

SW70-MH30

40 0.160

55 0.168

70 0.171

Table 3. Test conditions

5. 결론

본 연구에서는 반복삼축압축실험을 이용하여 모래의 입도분포와 세립분 함유량이 액상화 강도에 미치는 영향 을 연구하기 위하여 구속압 100kPa, 상대밀도 40%, 55%, 70%에 따른 세립분 함유량 0%, 10%, 20%, 30%로 변화시켜 반복삼축압축실험을 수행하였다. 각 상대밀도와 세립분 함유량에 따라 3회의 축차응력을 주어 실험을 수행한 결과 다음과 같은 연구 결과를 얻 었다.

1. 구속압이 100kPa에서 세립분 함유량이 0%인 SP 시료와 SW 시료에 대한 반복삼축압축실험 결과, 상대밀도가 증가할수록 SP 시료는 반복응 력비가 0.193, 0.248, 0.301로 약 22%, 15%

정도 증가하였고, SW 시료는 0.321, 0.336, 0.371로 약 4%, 10% CSR 및 액상화 강도가 증가하였다. SP 시료 보다 SW 시료에서 더 높 게 CSR이 나타났으며, 이는 SP 시료보다 SW 시료가 모래의 공극이 더 낮기 때문인 것으로 판 단된다.

2. 세립분 함유량에 따른 반복삼축압축실험 결과, SW 시료에서 세립분 함유량이 증가할수록 액상 화 강도가 감소함을 확인하였다. 이는 흙 입자 사이에 세립분이 채워져 파괴가 빨리 나타나 액 상화 강도가 낮아진 것으로 판단된다.

3. 상대밀도에 따른 반복삼축압축실험 결과, 상대 밀도가 증가할수록 CSR 및 액상화 강도가 증가 함을 확인하였다. 이는 상대밀도가 증가할수록 흙 입자의 간극비가 줄어들어 CSR 및 액상화 강도가 높아진 것으로 나타났다. 또한 축차응력 이 증가할수록 반복횟수가 줄어드는 것을 확인 하였다. 이는 증가된 축차응력에 의해 공시체의 액상화가 빨리 나타나 반복횟수가 줄어든 것으 로 나타났다.

4. 기존에 선행되었던 액상화 강도에 관한 시험은 주문진 표준사와 특정지역의 시료와의 비교를 위 한 실험이었다면 본 연구에서는 모래의 입도분포 에 대한 액상화 강도실험을 기초로 실험을 진행 하였으며, 실험결과는 액상화 연구에 기초자료가 될 것으로 판단된다. 추후 진동주기와 표준사 및 SP시료의 세립분 함유량에 따른 실험, 삼축압축 실험의 구속압 변화에 따른 실내실험을 추가로 진행된다면 모래의 액상화 특성을 보다 명확하게 평가할 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

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