• 검색 결과가 없습니다.

저작자표시

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "저작자표시"

Copied!
135
0
0

로드 중.... (전체 텍스트 보기)

전체 글

(1)

저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국 이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게

l 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다. 다음과 같은 조건을 따라야 합니다:

l 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건 을 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저작권자로부터 별도의 허가를 받으면 이러한 조건들은 적용되지 않습니다.

저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다. 이것은 이용허락규약(Legal Code)을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다.

Disclaimer

저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다.

비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다.

변경금지. 귀하는 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공할 수 없습니다.

(2)

2021년 2월 박사학위논문

반복삼축압축시험과 수치해석을 통한 모래의 액상화 거동특성 분석

조 선 대 학 교 대 학 원

토 목 공 학 과

서 혁

[UCI]I804:24011-200000373871

[UCI]I804:24011-200000373871

(3)

반복삼축압축시험과 수치해석을 통한 모래의 액상화 거동특성 분석

Analysis of Behavioral Characteristics of Liquefaction of Sand through Repeated Triaxial Compression Test and Numerical Analysis

2021년 2월 25일

조 선 대 학 교 대 학 원

토 목 공 학 과

서 혁

(4)

반복삼축압축시험과 수치해석을 통한 모래의 액상화 거동특성 분석

지도교수 김 대 현

이 논문을 공학박사학위신청 논문으로 제출함

2020년 10월

조 선 대 학 교 대 학 원

토 목 공 학 과

서 혁

(5)

서혁의 박사학위논문을 인준함.

위원장 조선대학교 교수 김 성 홍 (인) 위 원 조선대학교 교수 박 정 웅 (인) 위 원 조선대학교 교수 장 우 식 (인) 위 원 조선이공대학교 교수 박 경 호 (인) 위 원 조선대학교 교수 김 대 현 (인)

2020년 12월

조 선 대 학 교 대 학 원

(6)

목 차

ABSTRACT

제 1 장 서론

··· 1

1.1 연구배경과 목적··· 1

1.2 국내·외 연구동향··· 4

1.3 연구내용 및 방법··· 7

제 2 장 이론적 배경

··· 8

2.1 액상화의 정의··· 8

2.1.1 사질토의 액상화 거동특성과 액상화 현상··· 9

2.1.2 한계간극비··· 10

2.2 액상화 발생 영향인자··· 12

2.2.1 상대밀도··· 13

2.2.2 입도분포··· 13

2.2.3 세립분의 영향··· 14

2.2.4 유효연직하중··· 15

2.2.5 재하진동수··· 15

2.2.6 포화도···16

2.2.7 과압밀비··· 16

2.3 실트질 모래지반의 액상화 특성··· 17

2.3.1 실트질 모래지반의 액상화 강도··· 17

2.3.2 실트질 모래지반의 입자구조와 한계실트 함유량··· 20

(7)

2.4 액상화 예측··· 22

2.4.1 Seed & Idriss의 간편예측법··· 22

2.4.2 Ishihara의 간편예측법··· 28

2.5 국내·외 액상화 평가기준··· 32

2.5.1 국외의 액상화 평가기준(미국)··· 32

2.5.2 국외의 액상화 평가기준(일본)··· 34

2.5.3 국내의 액상화 평가기준··· 35

2.5.4 국내의 액상화 평가 생략기준··· 39

2.5.5 LPI지수법(LIquefaction Potential Index)··· 40

2.6 액상화 평가를 위한 반복삼축압축시험··· 42

2.6.1 반복삼축압축시험의 원리··· 42

2.6.2 반복삼축압축시험의 결괏값 추론··· 44

제 3 장 실내실험 및 결과

··· 46

3.1 실내실험 개요··· 46

3.2 시험기기··· 48

3.3 반복삼축압축시험··· 49

3.3.1 공시체의 준비··· 49

3.3.2 포화 및 압밀··· 51

3.3.3 반복 저항응력비(CRR, Cyclic Resistance Ratio)··· 51

3.4 반복횟수에 따른 축변형률과 간극수압의 분석··· 54

3.4.1 반복횟수와 축변형률의 관계··· 55

3.4.2 반복횟수와 간극수압의 관계··· 61

3.5 축차응력에 따른 축변형률과 유효구속압의 분석··· 67

3.5.1 축변형률과 축차응력의 관계··· 68

3.5.2 유효응력과 축차응력의 관계··· 72

(8)

3.6 반복삼축압축실험 결과··· 76

3.6.1 상대밀도에 따른 반복저항응력비··· 76

3.6.2 세립분 함유량에 따른 반복저항응력비··· 81

3.6.3 모래의 입도분포와 상대밀도에 따른 반복저항응력비··· 84

3.6.4 흙의 특성에 따른 반복저항응력비··· 87

제 4 장 액상화 평가를 위한 수치해석

··· 91

4.1 수치해석 프로그램··· 91

4.1.1 PM4Sand Model··· 92

4.2 해석조건··· 94

4.2.1 Soil profile··· 94

4.2.2 경계조건··· 95

4.3 수치해석을 통한 실내실험의 해석적 검증··· 97

4.4 구속압 조건에 따른 액상화 저항 강도 분석··· 100

4.4.1 상대밀도에 따른 모래의 반복저항응력비··· 100

4.4.2 구속압 조건에 따른 모래의 반복저항응력비··· 102

4.4.3 상대밀도와 구속압 조건에 따른 모래의 반복저항응력비··· 104

4.5 주파수 영역에 따른 반복저항응력비··· 106

4.5.1 주파수 영역에 따른 모래의 반복저항응력비 비교··· 112

제 5 장 결론

··· 115

참고문헌

··· 117

(9)

표 목 차

표 2.1 정현파의 지진규모별 반복횟수 ··· 24

표 2.2 진동저항응력비 산정을 위한 시험의 종류 ··· 33

표 2.3 국내외 기존 안전율 방법 ··· 35

표 2.4 내진설계기준 – KDS 17 10 00 ··· 36

표 2.5 LPI에 따른 지반의 액상화 위험도 평가 ··· 41

표 3.1 모래의 입도분포와 상대밀도에 따른 간극비 ··· 47

표 3.2 반복삼축압축시험 조건 ··· 53

표 3.3 SP시료의 입력하중(축차응력)에 따른 반복횟수 ··· 55

표 3.4 SW시료의 입력하중(축차응력)에 따른 반복횟수 ··· 57

표 3.5 SW:MH = 90:10 시료의 입력하중(축차응력)에 따른 반복횟수 ··· 59

표 3.6 상대밀도에 따른 CRR 결괏값(SP) ··· 76

표 3.7 상대밀도에 따른 CRR 결괏값(SW) ··· 77

표 3.8 상대밀도에 따른 CRR 결괏값(SW:MH = 90:10) ··· 78

표 3.9 상대밀도에 따른 CRR 결괏값(SW:MH = 80:20) ··· 79

표 3.10 상대밀도에 따른 CRR 결괏값(SW:MH = 70:30) ··· 80

표 3.11 모래의 입도분포에 다른 물성값 ··· 89

표 3.12 세립분 함유량과 상대밀도에 따른 CRR 결괏값 ··· 90

표 4.1 Basic soil parameter ··· 94

표 4.2 구속압 조건에 따른 수치해석 조건 ··· 96

표 4.3 실내실험 및 수치해석을 통한 CRR 결괏값 ··· 114

(10)

그 림 목 차

그림 2.1 액상화 발생과정에 따른 사질토 입자배열변화 모식도 ··· 9

그림 2.2 느슨한 사질토와 조밀한 사질토의 거동특성 ··· 10

그림 2.3 배수·비배수 시험을 통한 느슨한 사질토와 조밀한 사질토의 거동 분석 ··· 11

그림 2.4 한계간극비선을 통한 액상화 가능성 예측 ··· 12

그림 2.5 액상화가 발생 가능성이 있는 입도분포도 ··· 14

그림 2.6 액상화 저항 강도와 유효구속압 ··· 15

그림 2.7 다른 재하진동수의 영향 ··· 16

그림 2.8 반복응력비와 OCR의 관계 ··· 17

그림 2.9 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 증가 ··· 18

그림 2.10 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 감소 ··· 19

그림 2.11 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 감소 후 증가 ··· 19

그림 2.12 이원입자혼합물에서 실트의 함유량에 따른 다른 입자구조의 형태 ··· 20

그림 2.13 액상화 평가의 순서도 ··· 22

그림 2.14 다양한 지반조건에 대한 응력감소계수의 범위 ··· 23

그림 2.15 등가전단응력개념 ··· 25

그림 2.16 액상화 전단강도비와 환산 N치와의 관계 ··· 26

그림 2.17 실트질 모래에서 세립분 함유량에 따른 반복응력비와 과의 관계 ··· 27

그림 2.18 입도분포에 따른 액상화 가능성 ··· 28

그림 2.19 등가 N치 계산을 위한 도표 ··· 30

그림 2.20 등가 N치와 등가 가속도를 이용한 지층의 분류 ··· 31

그림 2.21 미국의 액상화 평가 흐름도 ··· 32

그림 2.22 일본의 액상화 평가 흐름도 ··· 34

그림 2.23 내진설계기준 – KDS 64 17 00 ··· 38

그림 2.24 반복삼축압축시험시 시료에 작용하는 응력상태 ··· 43

그림 2.25 양진폭 축변형률의 의미와 액상화 발생시점 ··· 43

그림 2.26 반복삼축압축시험을 통한 액상화 거동 분석 ··· 45

그림 3.1 세립분 함유량에 따른 모래의 입도분포 곡선 ··· 47

그림 3.2 반복삼축압축시험기(GTS24-NO.1) ··· 48

(11)

그림 3.3 반복삼축압축시험과 단순전단시험의 구속응력 조건 ··· 49

그림 3.4 반복삼축압축시험을 위한 공시체 제작 과정 ··· 50

그림 3.5 반복삼축압축시험시 포화단계 입력라인 모식도 ··· 51

그림 3.6 반복횟수(N) 10회일 때의 액상화 저항 강도 산정 ··· 52

그림 3.7 반복횟수에 따른 축변형률과 간극수압의 관계률과 간극수압의 관계 ··· 54

그림 3.8 상대밀도에 따른 반복횟수-축변형률(SP) ··· 56

그림 3.9 상대밀도에 따른 반복횟수-축변형률(SW) ··· 58

그림 3.10 상대밀도에 따른 반복횟수-축변형률(SW:MH = 90:10) ··· 60

그림 3.11 상대밀도에 따른 반복횟수-간극수압(SP) ··· 62

그림 3.12 상대밀도에 따른 반복횟수-간극수압(SW) ··· 64

그림 3.13 상대밀도에 따른 반복횟수-간극수압(SW:MH = 90:10) ··· 66

그림 3.14 반복횟수와 축변형률의 관계 ··· 67

그림 3.15 상대밀도에 따른 축변형률-축차응력(SP) ··· 69

그림 3.16 상대밀도에 따른 축변형률-축차응력(SW) ··· 70

그림 3.17 상대밀도에 따른 축변형률-축차응력(SW:MH = 90:10) ··· 71

그림 3.18 상대밀도에 따른 유효응력-축차응력(SP) ··· 73

그림 3.19 상대밀도에 따른 유효응력-축차응력(SW) ··· 74

그림 3.20 상대밀도에 따른 유효응력-축차응력(SW:MH = 90:10) ··· 75

그림 3.21 상대밀도에 따른 반복저항응력비 분석(SP) ··· 76

그림 3.22 상대밀도에 따른 반복저항응력비 분석(SW) ··· 77

그림 3.23 상대밀도에 따른 반복저항응력비 분석(SW:MH = 90:10) ··· 78

그림 3.24 상대밀도에 따른 반복저항응력비 분석(SW:MH = 80:20) ··· 79

그림 3.25 상대밀도에 따른 반복저항응력비 분석(SW:MH = 70:30) ··· 80

그림 3.26 세립분함유량에 따른 반복저항응력비 분석(SW + MH - Dr, 40%) ··· 81

그림 3.27 세립분함유량에 따른 반복저항응력비 분석(SW + MH - Dr, 55%) ··· 82

그림 3.28 세립분함유량에 따른 반복저항응력비 분석(SW + MH - Dr, 70%) ··· 82

그림 3.29 세립분 함유량과 상대밀도에 따른 CRR 결괏값 ··· 83

그림 3.30 모래의 입도분포와 상대밀도에 따른 반복저항응력비 분석(SP:SW) ··· 84

그림 3.31 모래의 입도분포에 따른 반복저항응력비 분석(Loose Sand) ··· 86

그림 3.32 모래의 입도분포에 따른 반복저항응력비 분석(Dense Sand) ··· 86

(12)

그림 3.34 모래의 균등계수 비교 ··· 88

그림 4.1 해석에 사용된 프로그램(FLAC V.7.0) ··· 91

그림 4.2 Elemental level calibration : comparison between simulations and experimental results ··· 93

그림 4.3 수치해석시 모델링의 경계조건 ··· 95

그림 4.4 실내실험과 수치해석 비교 ··· 98

그림 4.5 실내실험과 수치해석의 반복저항응력비 ··· 98

그림 4.6 실내실험과 수치해석의 반복저항응력비(Log Graph) ··· 99

그림 4.7 실내실험과 수치해석의 CRR 결괏값 비교 ··· 99

그림 4.8 상대밀도에 따른 반복저항응력비(구속압 50kPa) ··· 100

그림 4.9 상대밀도에 따른 반복저항응력비(구속압 100kPa) ··· 101

그림 4.10 상대밀도에 따른 반복저항응력비(구속압 150kPa) ··· 101

그림 4.11 구속압에 따른 반복저항응력비(Dr, 40%) ··· 102

그림 4.12 구속압에 따른 반복저항응력비(Dr, 55%) ··· 103

그림 4.13 구속압에 따른 반복저항응력비(Dr, 70%) ··· 103

그림 4.14 구속압조건에 따른 반복저항응력비(Loose Sand) ··· 105

그림 4.15 구속압조건에 따른 반복저항응력비(Dense Sand) ··· 105

그림 4.16 액상화 발생 후 주파수의 변화 ··· 106

그림 4.17 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 50kPa, Dr 40%) ··· 107

그림 4.18 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 50kPa, Dr 55%) ··· 108

그림 4.19 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 50kPa, Dr 70%) ··· 108

그림 4.20 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 100kPa, Dr 40%) ··· 109

그림 4.21 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 100kPa, Dr 55%) ··· 109

그림 4.22 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 100kPa, Dr 70%) ··· 110

그림 4.23 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 150kPa, Dr 40%) ··· 110

그림 4.24 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 150kPa, Dr 55%) ··· 111

그림 4.25 주파수영역에 따른 반복저항응력비(구속압 150kPa, Dr 70%) ··· 111

그림 4.26 주파수 영역에 따른 반복저항응력비(Dr 50∼55%) ··· 113

그림 4.27 주파수 영역에 따른 반복저항응력비(Confining pressure 100kPa) ··· 113

(13)

ABSTRACT

Analysis of Behavioral Characteristics of Liquefaction of Sand through Repeated Triaxial Compression Test and Numerical

Analysis

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 zero and soil flows like liquid by losing shear strength.

The Pohang Earthquake that occurred in 2017 showed that Korea is no longer a safe zone from earthquakes. Since then, various studies on liquefaction have been conducted in Korea, including the development of the risk of liquefaction suitable for domestic ground conditions. The government, based on these research results, sought to develop a liquefaction evaluation technique and common standard to suit the Korean situation, and in 2018, the seismic design standard was revised to suit the domestic ground conditions, and accordingly, the liquefaction evaluation standard was also revised.

Since the laboratory experiment for the evaluation of liquefaction basically uses the repeated triaxial compression test or the repeated shear test, in this study, the Cyclic Resistance Ratio(CRR) values were compared and analyzed using the repeated triaxial compression equipment. The repeated triaxial compression tests were performed to analyze the characteristics of the liquefaction strength according to the particle size distribution of the sand and the content of fine particles by

(14)

dividing the relative density of each sample into three sections of 40%, 55%, and 70%.

In addition, a ground motion analysis was performed using FLAC V.7.0., a ground analysis program, to verify the reliability of the repeated triaxial compression test results and, to compensate for the limitations of the existing liquefaction equipments, additional analysis was performed by varying frequency domain and confining pressure. The existing confining pressure was 100kPa, and the calculated depth based on the conditions of and unit weight in water is 12-13 m. The confining pressures for 50kPa and 150kPa are about 6-7m and 18-19m, respectively. Since the liquefaction evaluation standard is less than 20m in depth, the behavioral characteristics of sandy ground for liquefaction from shallow to deep were analyzed by performing experiments additionally in the range of 50kPa and 150kPa.

The results of laboratory tests showed that the measured liquefaction strength of weathered soil is higher than that of Jumunjin Standard Sand, suggesting that the better particle size distribution, due to smaller gap, is associated with being stronger to liquefaction resistance. On the contrary, the higher fine contents tended to decrease the liquefaction strength, which suggested that fine particles filled between the sand particles caused the particles to slip.

(15)

제 1 장 서 론

1.1 연구배경 및 목적

액상화 현상이란 지반이 포화된 느슨한 사질토 지반에 지진과 같은 동적하중이 급속 히 작용할 때 과잉간극수압이 발생하고, 지반이 유효응력을 상실하고 액체화되는 현상 을 이야기한다. 다시 말해서 지진하중을 받은 지반이 전단강도를 잃고 지반 위에 있는 상부구조물을 더 이상 지지하지 못하는 현상을 말한다.

1964년 일본 Niigata 지진(규모 7.6) 시 아파트가 전도되는 현상이 발생하였는데, 이 때부터 액상화 현상에 대한 본격적인 연구가 시작되었다고 볼 수 있다. 그 후 1995년 일본 Kobe 지진(규모 6.9) 시에 항만구조물에 액상으로 인한 피해가 일어났다. 이로 인해 우리나라에서도 1997년 건설교통부에서 내진설계규모(II)라는 내진설계 상위 개념 이 제정되었고 그 상위개념에 따라 지금까지 내진설계의 연구가 진행되어왔다.

이후 국내에서는 2017년 포항 지진 시(규모 5.4)에 국내의 계기지진 계측(1978년) 이 후 최초로 액상화 측정이 보고되었고, 국립재난 안전원에서는 액상화 발생 후 3개월 동안 집중적인 조사를 수행하였다. 행정안전부에서는 포항시 홍해읍이 액상화 현상에 대한 위험도가 높은 지역임을 발표하였다, 포항 지진의 액상화 여파로 인해 우리나라 도 향후 지진과 더불어 액상화 현상이 발생할 가능성이 있는 것으로 확인되었다.

이러한 이유로 국내에서는 액상화 평가에 대한 연구가 대두되었는데, 일반적으로 액 상화 평가를 하기 위해서는 재하하중과 저항의 조건이 모두 충족되어야 한다. 여기서 재하하중이란 지진하중을 의미하며, 저항이란 지반의 액상화(동적하중)에 대해 얼마나 저항할 수 있는지를 의미한다. 액상화에 대해 대상지반이 얼마나 저항할 수 있는지를 액상화 저항 강도인 반복 저항 응력비(Cyclic Resistance Ratio, 이하 CRR)로 확인할 수 있다.

국내 액상화 평가 기준은 ‘항만 및 어항시설의 내진 설계표준서(한국해양연구소, 1999)에 거의 최초로 기술된 이후, 시설물별 특성을 반영한 약간의 차이와 다소의 변 경이 있었지만, 구조물 설계기초기준해설(한국지반공학회, 2016)에 기술된 액상화 평가 기준은 현재까지 그대로 유지되어 왔다.

이러한 국내 액상화 평가 기준이 근 20여 년간 통용되어 왔음에도 불구하고, 평가 기

(16)

준의 적합성 검토에 관한 연구는 거의 없었고, 상기에 제시된 국내 연구사례들에서 알 수 있는 바와 같이 포항지진 시 액상화 현상이 발현된 이후에도 이와 관련된 연구는 거의 진행되지 않았다.

최근 개정된 내진설계일반(국토교통부, 2018)에 기존 기준과 비교하여 주요 내용이 변경되었다. 이는 국내 적용성에 대한 평가결과라기 보다는 평가방법 상 상세평가를 위한 실내반복시험의 실효성 때문인데, 실내반복시험의 경우 불교란 모래시료를 채취 할 수 없다는 점과 국내의 실내반복시험 규정이 없다는 점이 그 이유이다. 하지만 국 내에서는 액상화 평가를 위한 실내실험으로 반복삼축압축시험과 단순전단시험을 20년 가까이 사용해왔고, 실제로 액상화 평가를 가장 신속하게 수행할 수 있는 장점이 있다.

또한 개정된 내용에 대한 국내 적용 타당성에 대한 검토는 아직 이루어지지 않았기 때 문에 추가적인 연구가 필요한 실정이다.

액상화 평가를 위한 실내반복시험은 반복삼축압축시험(Cyclic Triaxial Test)과 반복 단순전단시험(Cyclic Simple Shear Test)을 통해 확인 가능하다. 반복삼축압축시험은 삼축압축시험과 동일하게 공시체를 성형 후 포화시키고 등방압밀을 준 상태에서 수직 하중을 재하한다. 삼축압축시험과는 다르게 Loading과 Unloading을 반복하여 과잉간극 수압이 발생하는 변형률 5%의 시점을 찾는 시험이다. 반복단순전단시험은 포화된 시 료를 전단상자에 넣고 연직하중을 준 상태에서 수평방향으로 반복적인 전단력을 가한 다.

두 시험 모두 액상화 저항 강도를 구하기 위한 시험이나 입력하중의 재하 방식에 차 이가 있다. 일부 선행연구에서는 단순전단시험이 지진하중의 방향을 잘 고려한다고 하 지만 1차원적으로는 한 방향으로 진동을 주어 액상화 발생 시점을 찾는 것은 동일하 다. 단순전단시험의 경우 구속압 조건을 고려할 때 을 이용하여 구현하지만, 반복삼 축압축시험의 경우 와 을 이용하여 등방압밀을 가하기 때문에 구속압 조건에서 신뢰도가 높다고 말할 수 있다. 이러한 이유로 실내시험이나 실무에 적용할 때에도 반 복삼축압축시험이 많이 사용되고 있다.

국내에서는 앞서 말한 두 가지 반복삼축압축시험을 통하여 액상화 평가를 수행하고 있다. 재료적인 측면에서 볼 때 대부분 비교본으로 느슨한 사질토에 대한 액상화 평가 는 통일분류법상 입도분포가 불량한 모래(Poorly Graded Sand, 이하 SP)인 주문진 표 준사를 사용하고 있다. 하지만 국내의 대부분의 지반은 통일분류법상 풍화토(SM) 지 반으로 이루어져 있고, 이를 입도분포 시험을 통해 분석하면 입도분포가 양호한 모래

(17)

(Well Graded Soil, 이하 SW)와 소성이 높은 실트인 세립분(High Plasticity Silt, 이하 MH)으로 구성되어 있다.

반복삼축압축시험을 통한 상세평가의 기준이 대두되는 현시점에서 국내 대부분의 느 슨한 사질토가 풍화토(SM)라는 점에서 통일분류법 상 SP시료인 주문진 표준사 뿐만 아니라 풍화토(SM)지반에 대한 액상화 저항 강도에 대한 분석이 필요하다. 또한 반복 삼축압축시험의 한계점인 구속압 조건과 주파수 영역에 대한 추가적인 해석적 검증이 이루어져야 한다.

구속압 조건의 경우 대부분 장비의 기본값인 100kPa의 구속압을 사용하고 있는데 이 는 일반적인 흙의 단위중량으로 계산하였을 때, 지반의 심도 12∼13m로 매우 제한적 이다. 국내의 액상화 평가 시 반복삼축압축시험의 국내 기준이 없기에 일반적으로 일 본과 미국의 시험방법을 반영하여 시험하고 있다. 일본의 반복삼축압축시험 규정은 0.1

∼1.0Hz 사이이며, 국내의 경우에도 이 반복하중 주기의 범위 내에서 공기압력에 의한 하중 입력방식을 적용하여 0.1Hz를 사용하고 있다. 이는 상대적으로 고주파수의 지진 이 발생하는 국내 조건과는 일치한다고 볼 수 없어, 1.0Hz 이상의 주기를 고려한 액상 화 저항 강도에 대한 분석이 필요한 실정이다.

반복삼축압축시험을 통해 수행한 풍화토 지반에 대한 액상화 평가의 실험결과와 그 에 따른 해석적 검증을 선행연구와 대조하여 비교·분석하여 개정된 내진설계일반 (2018)에 제시된 액상화 평가 기준의 타당성을 검토하고자 하였다.

액상화 저항 강도를 주파수 영역에 따라 확인하고자 하였고, 1.0Hz까지의 주파수는 0.1, 0.5, 1.0Hz의 세 구간으로 나누어 구분하였다. 또한 1.0Hz 이상의 액상화 저항 강 도를 확인하고자, 2.0Hz의 주파수 변화에 대한 액상화 저항 강도를 확인하였다.

본 연구에서는 순수한 모래의 입도분포에 따른 액상화 저항 강도와 세립분 함유량 증가에 따른 액상화 저항 강도를 비교·분석하고자 비배수 반복삼축압축시험을 수행하 였다. 그에 따른 해석적 검증을 수행하기 위하여 수치해석 프로그램인 FLAC V.7.0을 이용하여 반복삼축압축시험의 신뢰도를 검증하고자 하였다. 또한 반복삼축압축시험에 서는 수행할 수 없었던 구속압에 대한 조건과 주파수 영역에 대하여 구속압 조건과 주 파수 영역에 따른 모래 지반의 액상화 저항 강도를 분석하였다.

(18)

1.2 국내·외 연구동향

액상화에 대한 연구는 1964년 일본 Niigata지진(규모 7.6)과 1964년 알래스카 Good Friday지진(규모 8.4) 이후 본격적으로 시작되었다. 이후, 1969년 Casagrande가 한계간 극비 이론(한국지반공학회, 1997)을 주장하면서 액상화 현상을 한계간극비를 기준으로 느슨한 사질토와 조밀한 사질토로 구분하였다. Casagrande는 한계간극비보다 더 느슨 한 상태의 포화모래에 지진과 같은 진동하중이 재하될 때 모래의 체적이 감소하면서 과잉간극수압이 발생한다고 주장하였다.

Seed and Lee(1966)는 Niigata 지진시 발생한 피해를 조사한 후, 액상화 현상이 포화 비배수상태의 사질토 지반에 전단하중이 반복하여 작용했을 때 발생한 것이라고 주장 하였고, 1971년 실내실험인 진동삼축압축실험을 통한 액상화 간편 예측법을 제안하였 다. Seed et al.(1971)은 진동삼축시험을 이용한 액상화 현상을 평가하기 위하여, 불규 적인 지진파를 정현파로 재구성하여 지진파에 대한 액상화 저항 강도의 분석을 수행하 였다. 이를 통해 입력 지진파를 규칙적인 정현파로 재현하는 내용에 대한 연구결과를 발표하였다.

Iwasaki et al.(1978)은 액상화 발생 가능성 정도를 추정할 수 있는 액상화 가능성 지 수(Liquefaction Potential Index, 이하 LPI)를 제안하였고, Seed(1979)는 액상화 발생에 영향을 미치는 영향인자들을 조사하여, 연구대상지반에 대해 액상화 평가를 수행하였 다. 그 후 Seed(1983)는 현장시험결과를 통하여 액상화 가능성을 평가하는 방법을 제 안한 후 실내시험을 이용하여 액상화 평가 결과와 비교하는 연구를 수행하였으며, Tokimatsu and Yoshimi(1983)는 현장시험결과인 표준관입저항치(N치)를 통한 액상화 평가에 대한 연구를 진행하였다. 또한 Youd and Perkins(1987)는 과거 지진발생 자료 와 지질학적 연구데이터를 통하여 액상화 발생가능성에 대한 구역도를 작성하였고, 그 에 따른 액상화지표(Liquefaciton Secerity Index, 이하 LSI)를 제안하였다.

국외에서는 액상화를 평가할 때 LPI 지수를 고려하는 단계를 거치는데 이와 관련해 서 국외 액상화 위험도에 관한 연구는 Holzer et al.(2006)이 CPT데이터를 이용하여 액상화 위험도를 작성하였다. Heidari and Andrus(2010)가 CPT데이터 바탕으로 LPI를 산정한 후에 South Carolina지역에 대한 액상화 위험도 연구를 수행하였다.

Valverde-Palacios et al.(2014)은 스페인 광역 지역에 대한 액상화 위험도 연구를 수행 하였는데, Tokimatsu and Seed 방법과 Pradel 방법에 대해서 액상를 평가하여 분석하

(19)

였다. Rahman et al.(2015)은 표준관입시험치를 이용하여 방글라데시 다카 지역에 대 한 액상화 위험도연구를 수행하였고, 이때 지반 및 지역적 특성을 반영한 Zonation기 법을 사용하여 위험도를 작성하였다.

국내 액상화 연구의 경우, 1995년 일본 Kobe지진과 함께 건설교통부의 내진설계개정 (1997) 이후부터 지진의 위험도에 대한 연구가 본격적으로 시작되었다. 액상화 연구 초 기에는 신윤섭 등(1999)이 진동삼축시험을 통해 국내 지진특성을 고려한 액상화 평가 기법의 개선방안에 대한 연구를 수행하였고, 곽창원(2001)은 Iwasaki et al.(1978)이 제 안한 액상화 가능성 지수(LPI)를 산정하여 국내 연안 매립지역을 중심으로 하여 액상 화 위험도를 작성하였다. 또한 박근보 등(2004)은 중진지역에 적합한 액상화 평가의 생 략기준에 관한 연구를 이용하여 유럽, 미국, 그리고 일본의 액상화 평가방법에 대한 문 헌연구를 실시하였고, 각각의 방법의 특징 등을 분석 후 국내 액상화 평가에 적합한 지진규모를 고려한 수정 방법을 발표하였다.

2017년 포항지진 이후, 국내 액상화에 대한 연구는 액상화 저항 강도와 LPI구역도에 대한 연구로 수행되어왔다. 2018년 액상화 평가 기준이 개정되면서 액상화 상세평가법 인 실내실험의 신뢰성에 대한 부분과 LPI지수에 대한 단계가 추가되었다. 실내실험인 액상화 저항 강도 분석에 대한 연구는 포항지역 모래의 액상화 저항 강도 분석이 주로 이루어졌다.

LPI에 대한 연구에서는 김성환(2018)이 인천해안매립지역에 대한 액상화 평가를 위 하여 장주기인 Hachinohe 지진파와 단주기인 Ofunato 지진파를 적용하여 1차원 지반 응답해석 프로그램인 Pro-shake를 이용하여 액상화 구역도를 작성하였다. 백우현 등 (2018)은 LPI기반의 액상화 위험도와 실제 피해지역을 비교하여 기존 방법의 한계와 문제점을 고찰하였다. 안재광 등(2018)은 1차원 지반응답해석 프로그램인 Deep soil v6.0을 이용하여 포항지진에 대한 액상화 위험도를 작성하였으며, 최재순 등(2018)은 지반의 액상화 현상이 지표면위의 구조물뿐만 아니라 지중의 구조물에 대해서 직접적 인 영향을 줄 수 있다고 판단하여 동남권 지역 전력구를 대상으로 Pro-shake를 통한 액상화 위험도를 평가하였다. 하익수 등(2020)은 액상화 가능 지수(LPI)를 국내 하천제 방에 적용하여 지진취약도 평가를 적용하는 연구를 수행하였다.

포항지진 이후 액상화 저항 강도에 대한 연구는 Mandokhail et al(2016)이 오타와 모 래와 주문진 표준사를 이용하여 그 결과를 토대로 액상화 저항 곡선을 도출하였다. 문 건영(2018)은 포항 지역 액상화 발생지점의 모래와 기존 서해안 실트질 모래와의 상대

(20)

두 시료를 채취하여 상대밀도 및 유효구속응력의 차이를 기반으로 지진하중에 따른 포 항 모래의 액상화 저항 특성을 연구하였다.

또한 이동훈(2019)은 포상 액상화 발생 지역(송도, 흥해) 모래의 강도정수와 액상화 저항 강도에 대한 연구를 수행하였고, 박지호(2020)는 부상 해안모래(7개소)의 액상화 저항특성에 대한 연구를 수행하였다.

국내의 액상화 평가의 경우 대부분 반복삼축압축시험을 통해 수행되었다. 이는 단순 전단시험에 비해 와 를 이용한 등방압밀 조건을 정밀하게 모사할 수 있다는 점에 서 의미가 있다. 또한 대부분의 선행연구에서 입도분포가 불량한 주문진 표준사(SP)에 세립분을 추가하여 액상화 평가 실험이 진행되어 왔다. 균일한 입도를 가지고 있고 대 표적인 물성치를 가진다는 점에서 주문진 표준사를 많이 사용하고 있지만, 국내 지반 의 특성 풍화토(SM)성분이라는 점에서 풍화토 성분에 대한 세부적인 액상화 저항 강 도에 대한 분석이 필요하다. 액상화는 약 20m 이내에서 주로 발생하나 얕은 심도에 대한 액상화 저항평가에 대한 연구가 미미한 실정이다. 액상화는 20m 이내의 지반에 서 발생한다는 것이 일반적이지만 대부분의 실내실험시 구속압을 100kPa(지반의 심도 12∼13m)로 적용하기 때문에 본 연구에서는 구속압 조건을 50kPa(지반의 심도 6∼

7m)를 추가하여 얕은 심도에서의 액상화 거동을 확인하고자 하였다.

따라서 본 연구에서는 구속압 조건이 현장과 유사한 반복삼축압축시험을 이용하여 모래의 입도분포, 세립분 함유량에 대한 지반거동 평가를 분석하였고, 국내 지반을 대 표하고 있는 풍화토(SM)에 대한 액상화 평가를 수행하였다. 또한 얕은 심도에 대한 액상화 저항평가를 위해 낮은 구속압 조건을 고려하여 그에 대한 지반거동 평가를 분 석하였고, 지반응답해석을 수행하여 액상화 실내실험평가의 기준인 0.1Hz 낮은 주파수 영역에서 실험값을 비교하여 해석 결과를 검증하였다. 검증된 해설모델을 이용하여 기 존 0.1Hz에서 2.0Hz까지 증가시켜 재하속도에 따른 지반거동 평가를 분석하였다.

(21)

1.3 연구내용 및 방법

본 연구에서는 순수한 모래의 입도분포에 따른 액상화 저항 강도와 세립분 함유량 증가에 따른 액상화 저항 강도를 비교·분석하고자 하였다. 반복삼축압축시험에 사용할 모래를 입도분포가 양호하고 불량한 정도에 따라 SP Sand와 SW Sand로 나누어 사용 하였고, 세립분으로는 MH를 건조중량비로 추가하여 사용하였다. 이러한 시료의 성형 은 기존 반복삼축압축시험에서 비교본으로 사용하는 SP시료와의 차이점을 분석하고자, 국내 지반의 특성을 고려한 풍화토지반의 모래를 조성하여 사용하였다. 구체적인 연구 내용은 다음과 같다.

(1) 모래의 입도분포와 상대밀도에 따른 액상화 저항 강도를 확인하고, 상대밀도와 세립분 함유량에 따른 액상화 저항 강도를 확인하고자 하였다. 실내실험의 경우 반복삼축압축시험에 의한 액상화 저항 강도시험을 수행하였으며 변형률 5% 등 가재하진동횟수 10회를 기준으로 CRR값을 산정하였다. 각 시험 단계마다 시료의 상대밀도는 40%, 55%, 70%로 맞추어 Case별 3회의 축차응력을 가하여 실험을 수행하였으며, 재하속도는 0.1Hz, 구속압 조건은 100kPa(심도 12∼13m)로 맞추어 실험을 수행하였다.

(2) 실험결과의 신뢰도를 검증하기 위하여 수치해석 프로그램을 이용한 해석적 검증 수행하였다. 구속압 조건에 따른 액상화 저항 강도를 확인하고자, 구속압 조건을 50kPa(심도 6∼7m), 100kPa(심도 12∼13m) 150kPa(심도 18∼19m)로 바꿔가며 지반의 심도에 따른 액상화 저항 강도를 분석하였다.

(3) 액상화 저항 강도를 주파수 영역에 따라 확인하고자 하였고, 1.0Hz까지의 주파수 는 0.1, 0.5, 1.0Hz의 세 구간으로 나누어 구분하였다. 또한 1.0Hz 이상의 액상화 저항 강도를 확인하고자, 2.0Hz의 주파수 변화에 대한 액상화 저항 강도를 확인 하였다.

(22)

제 2 장 이론적 배경

본 장에서는 액상화에 대한 사질토의 거동특성에 대해 알아보고 사질토지반에서 발 생할 수 있는 액상화 현상과 액상화 저항 강도의 산정방법에 대하여 확인하였다. 사질 토지반은 지반의 느슨하고 조밀한 상태에 따라 서로 다른 거동특성을 보이게 되는데 이것은 액상화 현상을 연구하는데 기본적인 기준이 된다.

액상화 현상은 느슨한 사질토 지반에 급속히 하중이 재하될 때 과잉간극수압이 발생 하여 지반이 전단강도를 잃는 현상으로 여러 가지 원인에 의해서 발생할 수 있고, 지 반 및 구조물의 침하나 파괴 등의 심각한 피해를 발생시킨다. 실제 지진이 발생할때 지반의 액상화 저항 강도 산정은 불규칙한 지진하중을 간략화한 Seed and Idriss(1971)의 등가전단응력 개념을 이용한 동적실내시험을 적용한다. 등가전단응력의 개념은 진동삼축압축시험과 같은 동적실내시험시 지반의 액상화가 발생할 때의 등가반 복 재하횟수와 등가전단응력의 관계로 나타낼 수 있다. 이러한 연구내용과 실험방법에 기초하여 지반의 액상화 저항 강도의 산정방법 및 개선방안에 대해 고찰하였다.

2.1 액상화 현상

포화된 사질토의 경우, 지진하중이 작용하기 전에는 토립자들이 상호접촉상태에 있으 며 입자간의 상호접촉을 통해 외력이 전달된다. 이와 같은 원리로 사질토 지반은 전단 력에 대한 저항력을 가지게 되고 사질토체에 변형을 일으킨다. 지진과 같은 급속재하 하중에 의해 발생한 전단력은 본래 수직방향으로 지지하던 접촉점들이 분리되며 간극 수압이 발생하게 되는데 이와 같은 현상을 액상화 현상이라 말한다.

액상화가 시작되면 전단저항을 잃은 사질토는 포화사질토의 단위중량을 가지고 액체 와 같이 유동성있는 거동하게 된다. 액상화가 발생한 이후, 토립자는 재배열되고 간극 수압은 감소하여 토립자는 다시 안정상태를 이룬다(Post-liquefaction). 이때 지반의 체 적변화는 소산된 간극수의 체적과 같다.

이와 같은 토체의 변화과정을 그림 2.1에 도시하였다. 그림 2.1(a)는 지진하중이 적용 되기 전의 느슨한 사질토지반을 나타낸 것이다. 그림 2.1(b)는 지진하중이 가해졌을 때 지반에 전단변형이 일어나고 과잉간극수압이 발생하는 순간, 즉 액상화현상이 시작되

(23)

는 모습을 나타낸 것이다 그림 2.1(c)는 액상화 발생 후 과잉간극수압이 소산되고 지반 침하가 발생 후 다시 안정된 상태를 나타낸 것이다.

(a) 느슨한 상태 (b) 전단변형하에 있는 상태 (c) 재배열된 상태 그림 2.1 액상화 발생과정에 따른 사질토 입자배열변화 모식도

액상화 현상이란 위와 같이 같이 느슨한 사질토지반에 지진과 같은 동적하중이 급속 히 발생할 때 생기는 과잉간극수압으로 인해, 지반이 전단응력을 상실하고 액체화되는 현상을 말한다.

2.1.1 사질토의 액상화 거동특성과 액상화 현상

일반적으로 지반에 발생하는 하중재하속도가 간극수가 소산되기에 충분한 정도로 느 리다면 실제로 과잉간극수압은 발생하지 않을 것이다. 그러나 지반이 급속하중을 받거 나 투수계수가 작을 경우, 간극수의 배수가 안되고 그로 인하여 간극수압의 증가가 발 생된다. 비배수 반복전단응력에 의해 발생되는 과잉간극수압이 초기유효구속압과 같아 졌을 때 액상화의 초기 발생기점으로 정한다. 본 절에서는 포화사질토에서의 과잉간극 수압의 증가로 인해 발생하는 액상화 원리와 액상화 발생에 영향을 미치는 인자들에 대하여 알아보고자 한다.

(24)

2.1.2 한계간극비

사질토 지반의 거동특성을 파악하기 위하여 1940년 Casagrande는 변형률 제어방식 으로 진동삼축시험을 수행하여 상대밀도에 따른 사질토의 거동특성을 확인하였다. 그 림 2.2(a)는 느슨한 사질토와 조밀한 사질토의 응력과 변형률의 관계를 나타낸 것이며 그림 2.2(b)는 응력과 간극비와의 관계를 나타낸 것이다. 느슨한 사질토에서는 변형률 이 증가할 때 응력이 증가하다가 어느 순간 일정해지는 것을 확인할 수 있으며 조밀한 사질토에서는 변형률이 증가함에 따라 응력 또한 같이 증가하다가 일정 시점에서 감소 하여 일정한 수준에 머무는 것을 알 수 있다. 변형률의 크기가 커지게 되면 상대밀도 에 상관없이 사질토는 같은 크기의 응력을 나타내게 된다.

한편 변형률에 따른 간극비의 관계를 보면 느슨한 사질토지반에서는 간극비 감소 (Contraction)현상을 확인할 수 있으며 조밀한 사질토지반에서는 간극비 증가(Dilation) 현상을 확인할 수 있다. 변형률의 크기가 커짐과 동시에 느슨한 사질토와 조밀한 사질 토는 서로 같은 일정한 간극비를 가지게 되는데 이때의 간극비를 한계간극비(Critical Void Ratio)라 한다. 이러한 한계간극비는 조밀한 사질토와 느슨한 사질토를 구분시켜 주는 경계가 되고 액상화 현상을 예측하는데 일정한 기준을 제시해 주는 척도가 된다.

(a) 응력-변형률 관계 (b) 응력-간극비 관계

그림 2.2 느슨한 사질토와 조밀한 사질토의 거동특성(Casagrande, 1940)

(25)

Casagrande는 한계간극비의 크기가 유효구속압에 따라 달라진단는 것을 판단하였고, 이를 배수 및 비배수 시험을 통해 증명하였다. 한계간극비와 유효구속압과의 관계를 그림 2.3과 같이 나타내었다.

(a) 유효구속압(배수)-간극비 관계 (b) 유효구속압(비배수)-간극비 관계 그림 2.3 배수·비배수 시험을 통한 느슨한 사질토와 조밀한 사질토의 거동

분석(Casagrande, 1940)

그림 2.3에서 알 수 있듯이 상대밀도에 따른 사질토는 배수 시험시 초기 응력에 따 라 간극비의 증가 및 감소로 인하여 체적에 변화가 발생한다는 사실을 확인할 수 있 고, 비배수 시험시 간극비는 변하지 않지만 유효응력이 변하여 한계간극비선에 도달하 는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 유효응력이 변할 때는 과잉간극수압(Excess Pore Water Pressure)이 발생하게 된다. 조밀한 사질토의 경우 부의 과잉간극수압이 발생하 고 느슨한 사질토의 경우 양의 과잉간극수압이 발생한다.

그러므로 한계간극비선은 느슨한 사질토와 조밀한 사질토를 구분할 수 있는 경계가 되어 배수 시험시 지반의 부피변화를 예상할 수 있으며 비배수 시험시 유효응력의 변 화를 예측해 액상화 현상을 평가하는데 기준을 제시할 수 있다. 이러한 관계를 그림 2.4에 도시하였다. 이처럼 지반의 간극비관계와 유효구속압이 한계간극비선 아래에 위 치할 때 지반의 액상화 발생 가능성이 없으나 한계간극비선 위에 위치할 경우 액상화 현상이 발생할 가능성이 있다고 볼 수 있다.

(26)

그림 2.4 한계간극비선을 통한 액상화 가능성 예측(Casagrande, 1940)

2.2 액상화 발생 영향인자

사질지반 속을 흐르는 상향의 침투류의 동수구배가 어느 한계치를 이상이 되면 흙속 의 느슨한 모래가 지상으로 분출하거나 보일링이 일어나고, 골격구조가 불안정한 지반 은 초예민성지반이 되므로 아주 작은 외력으로도 액상화 상태가 되기 쉽다. 또한 매립 지반과 같이 단기간에 퇴적되어 다짐이 되지 않은 모래 지반에 지진과 같은 동적인 하 중이 작용하게 되면 부의 체적팽창(Dilatancy)이 발생하여 액상화가 진행된다.

액상화 발생에 직접적인 영향을 미치는 요소를 파악해야 액상화 발생원인과 그 영향 을 확인할 수 있다. 하지만 변수와 발생요인이 모두 다르고 지반 역시 그 특성이 모두 달라 정량적인 해석이 이루어지지 못하는게 현실이다. 또한 지진이 빈번한 일본과는 그 지반상태나 규모가 상이하기 때문에 국내지반조건과 부합되는 변수의 값을 산정한 다는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 이에 대한 연구가 세부적으로 수행행되어야 한 다.

액상화 발생 영향인자는 상대밀도, 입도분포, 반복축차응력, 재하속도, 세립분 함유율, 시료성형방법, 초기유효구속압, 과압밀비 등이 있다(Amini and Qi, 2000).

(27)

2.2.1 상대밀도

밀도(Density)는 물질의 단위부피당 질량을 나타낸다. 지반공학에서 흙의 상대밀도 (Relative Density, 이하 Dr)란 모래나 자갈과 같은 비점착성 흙의 느슨하고 조밀한 정 도를 나탸낸다. 흙의 상대밀도는 간극비를 이용하여 다음 식 (2.1)과 같이 정의할 수 있다.

  

max min

max 

(2.1)

여기서, 는 간극비, max는 최대로 다져진 상태의 간극비, min은 최대로 느슨한 상 태의 간극비를 의미한다.

일반적으로 느슨한 모래  = 30∼40%, 조밀한 모래는  = 70∼80%일때의 상태 를 말한다. 입자가 조밀하게 배열되어 있을수록 액상화가 어려운 것은 당연한 사실이 다. 그 이유는 액상화는 지반내 토립자의 골격주조가 파괴하는 것에 따라 발생되기 때 문이다. 또한 조립질 모래로는 액상화가 발생한다 하더라도 유동적이라기보다 변형하 는 것에 그친다.

이로 인해 상대밀도는 액상화 저항 강도를 판단할 수 있는 중요한 변형 인자 중 하 나이다.

2.2.2 입도분포

일반적으로 균일한 입경을 가지는 잔모래 및 중모래는 액상화 발생이 쉽지만 세립분 함유율이 증가하게 되면 점성이 생기며 토립자의 맞물림으로 인한 결속력의 증가로 파 괴가 어려워진다. 반면에 자갈이나 입자의 표면이 거친 경우 높은 투수성과 전단저항 때문에 비배수상태가 된다고 보기 어렵다. 그러므로 간극수압의 소산이 급속하게 진행 되어 액상화 발생도 어려워진다.

그림 2.5는 액상화 발생 가능성이 높은 흙의 입도분포곡선을 나타낸 것이다. 대체적 으로 실트나 점토의 함유량이 10% 이하이고, 평균입경  = 0.075~2.0mm이고, 균등 계수  < 5~10인 경우로 나타난다.

(28)

그림 2.5 액상화가 발생 가능성이 있는 입도분포도(이수근, 2009)

2.2.3 세립분의 영향

느슨한 밀도의 모래에서 발생하는 액상화 현상이 비소성이거나 점토함유량 10% 이 하의 점토함유량의 세립분이 포함된 지반에서도 발생한다는 연구결과 이후 세립분에 대한 연구가 많이 진행되었다(Lee et al,. 1968).

Fei(1991)는 실트질 흙의 액상화 저항은 세립분 함유량이 증가할수록 높다고 하였으 며 이와 반대로 Zlatovic and Ishihara(1997), Vaid(1994), Finn et al.(1994)은 실트 함 유량이 증가하게 되면 액상화 저항 강도가 감소한다고 발표한 바 있다.

Koester(1994)는 일정한 간극비에서 실험한 결과, 액상화 저항 강도는 세립분의 함유 량에 따라 증가할 때 초기에 액상화 저항 강도가 감소하지만, 일정량의 세립분 함유율 을 기준으로 재상승한다고 판단하였다.

이처럼 지금까지는 세립분에 관한 연구도 모래의 액상화 현상에 관한 연구만큼 많이 수행되어왔으나 서로 다른 연구결과를 보인다. 이에 비소성 실트함유량이 모래의 액상 화 특성에 끼치는 영향을 확인하기 위해서는 현장조건과 실험조건을 일정하게 맞추는 것이 필요하다.

(29)

2.2.4 유효연직하중

Seed and Lee(1966)는 제안한 액상화 저항 강도와 유효구속압과의 관계를 그림 2.6 에 나타내었다. 그림과 같이 유효구속압이 증가함에 따라 액상화 저항 강도가 증가하 는 것을 알 수 있다. 일반적으로 모래는 유효연직하중에 따라 전단강도가 변화되는데 이는 입자의 마찰력의 영향을 뜻하며 구속압이 증가함에 따라 액상화 저항 강도 또한 증가한다는 것을 의미한다.

그림 2.6 액상화 저항 강도와 유효구속압(Seed and Lee, 1966)

2.2.5 재하진동수

Lee and Fitton(1968)과 Mulilis(1975)는 다양한 조사를 통하여 하중의 재하 속도에 대한 영향을 시험하였다. Lee and Fitton(1968)이 느린 진동주기에서 낮은 동적강도를 나타낸다는 반면 Mulilis(1975)는 이와는 반대의 결과를 확인하였다.

그림 2.7은 초기액상화가 일어나는 반복횟수와 반복응력비의 관계를 Monterey모래를 이용하여 나타낸 것이다. 실험결과, 반복횟수 10회와 15회에서 1/2Hz 와 1Hz 사이에 큰 차이점이 없다는 것을 확인할 수 있다.

(30)

그림 2.7 다른 재하진동수의 영향(Polito, 1999)

2.2.6 포화도

액상화는 입자의 맞물림이 어긋나 간극수 중에 입자가 뜬 상태가 되어 발생하게 된 다. 이는 포화도가 낮은 상태로 공기가 찬 경우 주위의 압력에 의해 압축되기 때문에 토립자가 상승하기 어려워지며 액상화 발생 가능성이 작아진다. 따라서 포화도는 액상 화 저항 강도에 큰 영향을 미친다.

2.2.7 과압밀비

흙이 과거에 경험한 최대 응력하에서 평형이 유지되고 있는 상태를 정규압밀상태에 있다고 말하고, 과거에 경험했던 응력보다 더 작은 응력하에서 평형상태에 있는 상태 를 과압밀상태에 있다고 말한다. 일반적으로 과압밀된 모래의 동적 강도는 크게 평가 되었지만 상대밀도에 따른 동적강도의 증가는 적다고 한다. 입자의 거칠기나 맞물림은 과압밀에 의해 효과적으로 나타나고, 모래가 전단되려는 과정에서 수축하려는 경향을 보이는 중대한 영향을 미친다.

그림 2.8은 반복회수()가 20회 일 때 액상화 저항 강도와 과압밀비의 관계를 압밀 응력비에 따라 그래프로 나타내었다. 그림에서처럼 상대밀도가 55%인 모래에 대하여

(31)

압밀응력비가 증가함에 따라 같은 반복횟수(N=20회)에서 액상화 저항 강도가 과압밀 비의 증가와 함께 커진다는 것을 판단할 수 있다.

그림 2.8 반복응력비와 OCR의 관계(Ishihara et al., 1979)

2.3 실트질 모래지반의 액상화 특성

2.3.1 실트질 모래지반의 액상화 저항 강도

실트의 함유율에 따른 연구 결과는 상대밀도나 구속압의 영향 이외에 다른 연구결과 들이 있다. 그림 2.9는 실트질 모래를 이용한 실험으로 실트의 함유율이 0~10%까지는 동적강도비가 감소하다가 10% 이후 60%까지 증가하는 경향을 확인할 수 있다.. 이는 함유율 10% 전에는 모래의 입자와 입자가 맞물려 있으나 그 후부터는 모래 입자가 실 트입자들에 의해 떠 있게 된다고 Chang et al(1982)이 주장하였다.

반면 실트질의 함유량이 증가함에 따라 반복응력비의 감소를 주장하는 연구자들도 있다. 그림 2.10은 실트질의 함유량에 따른 반복횟수-반복응력비의 관계를 나타낸 그 래프이다. Tronsco and Verdugo(1985)등은 낮은 실트함유율이 높은 실트함유율일 때 보다 반복응력비가 더 증가한다고 하였다. 일정한 간극비에서 실트질 함유율이 증가할

(32)

서 10%로 감소함에 따라 반복저항응력비가 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 실트 함유율이 22%, 30% 일 때보다 0~15% 일 때가 세립분의 함유율에 더 영향이 크다는 것을 확인할 수 있다.

이 외에도 그림 2.11은 실트함유량이 증가함에 따라 반복응력비가 감소하고 어느 일정 함유량을 기점으로 다시 증가한다는 연구도 수행되었다. Koester(1994)는 상대밀 도 50%의 모래로 만들어진 500여 개의 시료에 대하여 비배수 반복삼축시험을 실시하 였다. 그 결과, 세립분 함유량이 20~26%일 때 가장 낮은 반복강도를 나타내고 있으며 입도분포가 양호한 모래의 경우 세립분 함유량이 20~30%일 때 액상화에 대한 저항 강도가 가장 낮다고 판단하였다.

그림 2.9 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 증가(Chang et al., 1982)

(33)

그림 2.10 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 감소(Tronsco and Verdugo, 1985)

그림 2.11 실트함유량의 증가에 따른 반복응력비의 감소 후 증가(Koester, 1994)

(34)

2.3.2 실트질 모래지반의 입자구조와 한계실트 함유량

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

그림 2.12는 실트의 양과 간극비와의 관계를 나타낸 것이다. 점 A에서 점 B까지의 구간은 실트함유량에 최대밀도가 증가한다. 점 B는 모래간극이 실트로 거의 채워진 상 태이며 점 B에서 점 C구간에서는 작은 입자들에 의해 큰 입자가 떠 있는 상태가 된 다.

그림 2.12 이원입자혼합물에서 실트의 함유량에 따른 다른 입자구조의 형태 (Lade et al., 1998)

Polito(1999), Polito and Martin(2001)은 실트함유량이 0%일 때, 순수 모래 입자로 이루어진 점 A와 같은 구조를 모래 골격구조라 하고 순수 모래 지반에 실트 또는 비 소성 세립분의 함유량을 추가시키면 모래 골격 구조에 의해 간극에 생긴다고 하였다.

이때의 구조를 모래골격구조라 하였다.

또한 실트의 함유량이 증가하여 비어있는 간극을 채우면 모래 입자가 실트 입자 사 이에 머물러 유지하게 됨으로써 모래골격구조를 더 이상 가지지 못하게 된다고 판단하

(35)

였다. 점 B에서 점 C구간에서의 이 골격구조를 실트구조라 하였다.

김욱기 등(2008)은 점토혼합모래에 대하여 모래의 골격구조와 세립분 함유율이 액상 화 저항 강도에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 활성상태인 점토와 모래를 혼합하 여 모래하나만으로 이루어진 입상구조로부터 세립분이 입자구조를 구성하는 상태에 이 르는 서로 다른 공시체를 성형하여 진동삼축압축실험을 수행하였다.

실험결과, 비배수 전단강도는 모래가 골격을 형성하고 있는 세립분 함유율 20%의 영 역에서는 모래의 골격구조가 강도발현의 주체가 되고, 20% 이상에서는 점토매트릭스 구조가 강도발현의 주체가 되어 점토자체의 강도에 의해 지배된다고 하였다. 또한 30%이상에서의 반복전단강도는 일정하게 나타나 점토와 동일한 강도를 나타낸다고 하 였다.

Polito(1999), Polito and Martin(2001)은 모래골격구조를 유지하되 입자 사ㅇ의 간극 에 채워질 수 있는 실트의 최대량을 한계 실트 함유량이라 주장하였다. Mitchell(1993) 은 포화된 점토와 모래의 혼합토의 중량과 체적관계로부터 식 (2.2)를 유도하였다. 또 한 이를 검증하기 위하여 5case의 실트와 37case의 모래를 혼합하여 실험을 수행하였 고, 그 결과 혼합상태의 시료 62%가 한계 실트함유량의 범위로 25~45% 사이를 보였 으며, 25%이하의 한계실트함유량을 갖는 시료는 없다고 주장하였다. 한계실트함유량은 그림 2.13에서 점 B와 같이 모래구조에서 실트구조로 가는 구간이라고 주장하였다.

한계실트함유량    ·max

··max

(2.2)

여기서  : 실트의 비중

 : 모래의 비중

·max : 실트의 최대간극비

·max : 모래의 최대간극비

(36)

2.4 액상화 예측

액상화의 예측 방법은 크게 간편예측법과 상세예측법으로 나눌 수 있다. 간편예측법 은 입도분포, 표준관입시험(Standard Penetration Test, 이하 SPT)등의 비교적 쉽게 얻을 수 있는 값을 적용하는 방법이며 상세예측법은 반복삼축시험 및 공진주비틈시험 등의 실내시험을 통하여 지반의 액상화 저항 강도를 산정하는 방법이다.

2.4.1 Seed and Idriss의 간편예측법

Seed and Idriss(1971)의 방법은 주로 미국에서 내진설계기준의 경험적 액상화 평가 방법으로 사용되고 있는데, 먼저 지진응력을 표현하는 지진의 최대 전단응력비는 지진 응답해석 또는 국가별로 제안된 지반계수와 기본가속도를 통해 구해진 지표면 최대가 속도를 토대로 선정한다. 그림 2.13은 Seed and Idriss(1971)의 액상화 평가과정이다.

그림 2.13 액상화 평가의 순서도(Seed and Idriss, 1971)

(37)

그림 2.13의 내용을 보면 지반내에 발생하는 지진의 최대전단응력은 지진응답해석 또는 국가별 규정을 통해 산정한 지표면 최대가속도(max)를 Seed and Idriss(1971)가 제안한 식 (2.3)에 적용하여 구한다.

×× 

max (2.3)

여기서 는 진도에 따른 보정계수,는 지반의 단위중량, 는 지반의 심도,는 중 력가속도, max는 지표면 최대가속도,는 지반심도에 따른 응력감소계수로 지반심도 에 따른 변화를 기준으로 9m미만일 경우 0.9, 심도가 9m보다 이상일 경우는 Seed and Idriss(1971)의 식 (2.4)를 이용한다.

    

 (2.4)

그림 2.14는 응력감소계수는 상재압에 따라 전단응력의 감소를 고려한 것으로 이 값 의 적용범위를 조사하기 위해 사질토층에 대해 지진특성과 지반을 다양하게 변화시켜 가며 해석한 결과이다.

그림 2.14 다양한 지반조건에 대한 응력감소계수의 범위(Andrews, 2000)

(38)

그림 2.15에서 가운데 있는 선은 시험결과 나타난 응력감소계수의 평균값이다. 비교 적 상대밀도가 낮은 지반에서 지진파의 증폭량이 더 크게 나타나므로 이에 적절한 응 력감소계수의 적용이 필요하다. 또한 지진규모에 따른 보정계수는 많은 지진자료를 분 석한 결과 Andrews(2000)가 제안한 식 (2.5)를 이용하여 산정한다.

  ×



 (2.5)

여기서, 은 반복횟수로 표 2.1을 통하여 산정된다.

표 2.1 정현파의 지진규모별 반복횟수

지진규모() 반복횟수()

5.25 2∼3

6.00 5∼6

6.75 10

7.50 15

8.50 26

지반내 지진활동에 매우 큰 영향을 미치는 유효상재압을 고려하여 식 (2.3)을 고쳐 쓰면 최대등가전단응력비가 산정되고 그 산정식은 식 (2.6)과 같다.

′

  × 

′



× 

′

(2.6)

여기서,는 전상재압(tonf/m2),′는 유효상재압(tonf/m2)을 말한다.

일반적으로 발생 가능한 지진에 대한 원지반의 거동을 조사하는 시험이 어려움에 따 라 불교란시료에 대한 규칙적인 반복하중을 재하하는 실내시험을 통해 지진시 지반의 전단저항력을 산정한다. 하지만 지진은 단층의 파괴로 인해 발생하는 충격파로 그 진

(39)

동은 균일한 주기와 진폭을 가지지 않고 임의의 파동특성을 가지므로 실내시험 진행시 이와 유사한 파를 재현하는 것은 어렵다고 판단된다. 이에 반복삼축시험과 같은 실내 시험 수행 시 일반적으로 그림 2.15와 같이 일정한 주기 및 진폭을 가지는 정현파형의 반복하중을 재하 한다.

(a) Actual Response (b) Equivalent Response 그림 2.15 등가전단응력개념(Seed et al., 1971)

그림 2.16은 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 산정 시 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 산정하는 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 Seed et al.의 식 (2.7)을 통해 보정 하여 환산 치 을 산정하고 이를 이용하여 지진규모별 액상화 전단강도비를 다음의 그림 2.18을 통해 제안하였다.

(40)

· (2.7)

여기서,은 유효응력에 따른 보정계수로 ′을 이용하여 산정하고 이 때,유 효상재압의 단위는 tonf/m2이다.

그림 2.16 액상화 전단강도비와 환산 N치와의 관계(이수근, 2009)

그림 2.17과 같이 지진규모가 커질수록 액상화에 대한 지반의 전단강도비는 작아짐 을 확인할 수 있다. 일반적으로 높은 양의 실트질 성분을 포함하는 지반에서는 액상화 전단강도비가 증가하는 경향을 보인다. 그림 2.17은 지진규모 7.5일 떄, 입도분석시험을 이용하여 실트질 성분의 함유량을 산정하고 이에 따라 지반의 전단강도비가 변화를 나 타낸 것이다. 실트질 모래에서 세립분 함유량이 증가함에 따라 지반의 전단저항력이 증가하는 경향을 확인할 수 있다.

(41)

최종적인 액상화 평가는 식 (2.5)를 기준으로 산정된 전단응력비와 그림 2.17과 그림 2.18로 산정된 지반의 액상화 전단강도비를 비교하여 안전율을 산정함으로써 수행된다.

안전율 산정식은 Seed et al.의 식 (2.8)과 같다.

그림 2.17 실트질 모래에서 세립분 함유량에 따른 반복응력비와 과의 관계(Seed et al., 1985)

 

′

′

(2.8)

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.

(42)

2.4.2 Ishihara의 간편예측법

일본의 항만내진설계규정에서는 액상화을 평가할 때 입도분포와치를 이용한 간편 예측법, 진동대시험이나 반복삼축시험 등을 이용하는 방법을 언급하고 관련된 구조물 의 중요도에 따라 적용하는 방법을 제안하고 있다. 일반적으로 입도분포와 치를 이 용한 액상화 평가를 수행하였을 때, 결과가 정확하지 않거나 중요한 구조물에 대해서 는 반복삼축시험과 진동대시험 등의 추가조사를 통하여 이를 검증하는 것이 일반화되 어 있다.

입도분포와 치를 이용한 액상화 평가방법을 살펴보면, 먼저 체분석 및 입도분석을 이용하여 입도분포곡선을 작도하고 이를 그림 2.19에 적용하여 액상화 가능성을 판단 한다.

그림 2.18은 과거 액상화 발생자료를 근거로 작성된 것으로써 흙의 균등계수()는 3.5를 기준으로 분류되어 제안되었다. 그림에서 영역, 영역 그리고 영역 를 제외 한 나머지 영역의 입도분포는 액상화 가능성이 없는 것으로 간주하며, 영역 는 영역

및 보다 액상화 가능성이 높음을 나타내고 있다. 만약, 입도분포 곡선이 두 영역 에 걸침에 따라 정확한 분류가 어려운 경우에는 연구자의 적절한 판단이 요구된다.

(a) 균등계수가 작은 사질토

그림 2.18 입도분포에 따른 액상화 가능성(Ishihara, 1977)

(43)

(b) 균등계수가 큰 사질토

그림 2.18 입도분포에 따른 액상화 가능성(Ishihara, 1977)

다음의 절차는 해당지층의 치를 유효상재압 0.66kgf/cm2을 기준으로 수정하는 것으 로 Ishihara(1977)의 식 (2.9)를 이용한다.

 ′  

 ′ 

(2.9)

여기서,′와 는 단위 kgf/cm2의 유효상재압과 등가치로 각각 3kgf/cm2 보 다 작아야 하며 은 2~40의 범위에 있어야만 한다. 이와 같은 관계를 그림으로 나타내면 그림 2.19와 같다.

(44)

그림 2.19 등가 N치 계산을 위한 도표(Ishihara, 1977)

그림 2.18의 영역 와 같은 입도분포를 갖는 지반에 대해 액상화 평가를 수행할 경 우에는 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 Ishihara(1977)의 식 (2.10)과 같다.

  × ′

max

× (2.10)

여기서 는 등가 가속도(Gal),′은 유효상재압, max는 지진응답해석을 통해 산 정된 대상지층의 최대전단응력, 그리고 는 중력가속도로 980gal의 값을 이용한다.

최종 액상화 평가 산정식은 식 (2.8)과 식 (2.9)를 통해 산정된 등가 치와 등가 가 속도의 관계가 그림 2.20로부터 구분된 영역 Ⅰ~ Ⅵ중 해당하는 영역을 결정함으로써 수행되어 진다.

(45)

(a) 입도분포상의 

(b) 입도분포상의 와 

그림 2.20 등가 N치와 등가 가속도를 이용한 지층의 분류(Ishihara, 1977)

(46)

2.5 국내·외 액상화 평가기준

2.5.1 국외의 액상화 평가기준(미국)

미국의 액상화 평가기준은 앞절에서 언급한 Seed and Idriss(1971)의 액상화 평가기준 을 적용하고 있다. 진동전단응력비의 경우 국내에서는 지표면 최대가속도를 지반응답해 석을 통해 산출하지만, 미국의 경우 기반암까지의 깊이가 200∼300m 정도 되기 때문에 지반응답해석의 문제점이 있어 깊이감소계수(응력감소계수)인 를 적용하고 있다.

진동저항응력비의 경우 현장시험의 SPT시험과 실내시험인 진동삼축시험의 두 가지 방법을 적용하고 있다. 현장시험의 경우 SPT 시험을 통해서 보정계수를 적용하고 에 너지 효율 65%에 따라 N값을 산정한다. 실내시험 수행 시 진동삼축시험을 통하여 현 장조건에 따라 보정을 한 후, 진동저항응력비를 구할 수 있다.

그림 2.21은 미국의 액상화 평가 흐름도를 나타낸 것이다.

그림 2.21 미국의 액상화 평가 흐름도(Seed and Idriss., 1971)

참조

관련 문서

막대간격 저항.

국내 인구구조 변화에 따른 소비 트렌드 변화...

본 논문에서는 일정한 목표 저항 값에 대하여 접지전극 시공을 위한 대상 부지 에서 대지 저항률을 측정하고 분석한 결과를 검토하여 접지전극 재료별로 접지저

선박의 주요 치수를 토대로 한 정수 중의 저항(Resistance in calm water) 추정 - 계열 모형 시험 자료, 실험 결과의 통계적 추정식(Holtrop &amp; Mennen의 방법

본 연구에서는 앞서 수행된 분석 결과를 통해 계량화된 해외건설 국가 리스크 요인들 간의 유기적인 관계는, 국내 건설기업들의 진출 지역별로 상이하다는

이에 본 논문은 히트파이프를 적용한 태양열 집열기의 연중 운전조건에 따른 특 성을 해석하여 지역에 따른 연중일사량과 외기온도에 따라 시스템의 용량설계의

본 연구에서는 미생물을 연약지반에 적용하여 미생물 생장을 통해 탄산칼슘(   ) 을 생성시켜 입자 간의 공극을 채워줌으로써 연약지반의 강도를

Baek(2015)은 광역지역 지반정보를 이용한 실시간 액상화 위험도 개발에서 액상화 간 편 예측법을 이용한 액상화 평가프로그램을 개발하여 수도권과 그 주변