액상화

왜 배우는가: 액상화는 지진 시 느슨한 포화 사질토가 강도를 잃어 구조물의 침하·경사·측방유동을 일으키는 대표적 지반 재해다. 설계 단계에서 액상화 가능성을 판정해야 하므로 실무에서 필수이고, 시험에서는 정의, 평가 생략 조건, 발생원인과 대책이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제137회 1교시 8번, 제133회 1교시 12번, 제118회 1교시 2번, 제95회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

액상화는 포화된 사질토가 동하중을 받아 과잉간극수압이 상승하고 유효응력이 감소하여 전단강도를 잃고 액체처럼 거동하는 현상이다.

• 액상화(Liquefaction)
• 과잉간극수압
• 유효응력 감소
• 포화 사질토
• 반복전단응력비(CSR)
• 반복저항응력비(CRR)
• 흐름 액상화와 반복 유동

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 물에 젖은 모래가 흔들리면서 모래알이 떠다니는 상태가 되는 것이다. 지반은 흙알갱이가 서로 맞물려 하중을 버티는데, 흔들림이 빠르게 반복되면 물이 빠져나갈 틈 없이 물압력만 올라간다.

정식으로는 포화된 사질토 등에서 지진동이나 발파하중 같은 동하중에 의해 지반 내 과잉간극수압이 발생하고, 지반의 전단강도가 상실되어 액체처럼 거동하는 현상으로 정의한다(KDS 17 10 00 용어 정의). 유효응력은 전응력에서 간극수압을 뺀 값이므로, 간극수압이 전응력과 같아지면 유효응력은 0이 되고 완전한 액상화에 이른다.

과잉간극수압은 비배수 조건에서 조밀해지려는 경향이 물압으로 나타나서 생긴다. 건조한 사질토는 반복하중에 밀도가 증가하지만, 포화되고 체적 변화가 막힌 상태에서는 같은 경향이 간극수압 증가로 바뀐다.

액상화는 두 유형으로 나눠 설명한다. 흐름 액상화는 정적 전단응력이 지반의 정적 강도를 넘을 때 일어나며 드물지만 피해가 크다. 반복 유동(cyclic mobility)은 반복 전단으로 변형이 누적되며 여러 지반에서 자주 나타나고 피해는 경미한 것부터 심각한 것까지 다양하다.

액상화 판정은 대상 지반의 CRR을 CSR로 나눈 안전율로 한다. 안전율이 1.0 이하이면 액상화 발생으로 판정한다. 이 기준은 KDS 17 10 00 의 액상화 평가 조항에 따른다.

3. 등장 배경과 필요성

액상화라는 용어는 1953년 모가미(Mogami)가 처음 사용하였다. 그 뒤 1953년 이후에는 비배수 조건에서 포화 사질토가 단발하중이나 반복하중에 의해 변형되는 여러 현상을 모두 액상화라 불렀다. 용어가 넓게 쓰인 만큼 정의를 정확히 구분하는 것이 설계 기준에서 중요해졌다.

대규모 지진에서 액상화 피해가 반복적으로 관찰되면서 내진설계에 평가 절차가 들어왔다. 건물은 지반이 액상화되면 침하하거나 기울고, 교량과 매설관은 측방유동으로 손상된다. 1964년 알래스카 지진 사례에서 건물이 지반에 가라앉아 붕괴한 것이 대표적이다. 따라서 설계자는 지진 규모와 지반 조건으로 액상화 가능성을 미리 판정하고, 필요하면 지반을 개량해야 한다.

액상화 가능성은 흙의 종류, 상대밀도, 세립분 함량, 지하수위, 유효상재압, 지진의 강도와 지속시간에 따라 달라진다. 느슨하고 포화된 모래층일수록 위험이 크다. 액상화가 한번 일어나면 지반이 전단력을 전달하지 못하므로 그 뒤의 진동이 상부로 덜 전달되는 감쇠 효과도 있지만, 구조물 피해가 먼저 발생하므로 이 효과를 설계에 기대하지 않는다.