지반 액상화

왜 배우는가: 지반 액상화는 지진 시 기초와 지반의 지지력이 갑자기 상실되는 현상으로, 실무에서 건축물 기초 설계와 내진 대책 수립의 전제가 된다. 건축구조기준의 기초구조 항목과 연계되어 기술사 시험에서 정의, 평가 절차, 대책을 묶어 반복 출제된다.

출제 이력: 제115회 1교시 12번, 제89회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

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

• 액상화(Liquefaction)
• 과잉간극수압(Excess Pore Pressure)
• 유효응력(Effective Stress)
• 반복전단응력비(CSR)
• 반복저항응력비(CRR)
• 액상화 안전율
• 반복연화(Cyclic Softening)
• 지반 액상화 가능성 지도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 흔들릴 때 모래 땅이 물에 뜬 모래처럼 흐물거리는 현상이다. 모래 입자 사이의 물이 빠져나가지 못한 상태에서 흔들림이 반복되면 물의 압력이 올라가고, 모래 입자가 서로를 누르는 힘이 줄어들어 땅이 버티는 힘을 잃는다.

정식 정의는 KDS 17 10 00 용어 정의를 따른다. 포화된 사질토 등에서 지진동, 발파하중 등 동하중에 의해 지반 내에 과잉간극수압이 발생하고, 지반의 전단강도가 상실되어 액체처럼 거동하는 현상을 액상화라 한다.

핵심 용어는 다음과 같다. 과잉간극수압은 동하중으로 흙 골격이 받아야 할 응력이 간극수로 넘어가 생기는 초과 물압이다. 유효응력은 흙 입자 골격이 부담하는 응력으로, 간극수압이 오르면 줄어든다. 흙의 전단강도는 유효응력에 비례하므로 유효응력이 0에 가까워지면 강도도 거의 사라진다.

반복전단응력비(CSR)는 지진 시 해당 깊이에 생기는 전단응력과 유효상재압의 비이다. 반복저항응력비(CRR)는 그 깊이에서 지반이 가진 전단저항응력과 유효상재압의 비이다. 두 값의 비가 액상화 판정의 핵심 지표가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

액상화가 공학의 관심을 끈 계기는 1964년 알래스카 지진과 니가타 지진이다. 두 지진에서 사면 붕괴, 교량과 건축물 기초 붕괴, 지중 구조물의 부유 현상이 나타났다. 특히 니가타에서는 아파트가 기초의 지지력 파괴로 기울어 붕괴했다. 이 사례 이후 액상화는 지반지진공학의 중요한 주제가 되었다.

국내에서도 2017년 포항 지진 때 액상화 피해가 확인되었다. 정부 조사에서 액상화 분포도를 작성했고, 전문가 자문회의는 일반 건축물의 설계기준에서 액상화 고려가 부족하다고 지적하여 《건축구조기준》의 보완을 요청했다. 이 지적은 건축 기초 설계에서 액상화를 검토하는 필요성을 보여준다.

액상화는 흙의 종류, 밀도, 지하수위, 지진 규모에 따라 발생 여부가 달라진다. 일반적으로 느슨한 포화 사질토와 비소성 실트에서 잘 일어나며, 드물게 자갈이나 점토에서도 나타날 수 있다. 따라서 건축물을 짓기 전에 부지의 지반 조건을 조사하고 액상화 가능성을 평가하는 절차가 필요하다.

한편 KDS 17 10 00은 액상화가 일어날 수 있는 흙을 부지 고유의 특성평가와 지반응답해석이 필요한 지반으로 분류한다. 따라서 액상화 검토는 일반 지반 분류 이후의 별도 절차로 다뤄진다.

4. 구성요소·원리·절차

액상화 평가는 지진 유발 응력(CSR)과 지반 저항 능력(CRR)을 비교하는 구조로 정리된다. 두 값의 비가 안전율이며, 안전율이 1.0 이하이면 액상화가 발생한다고 판정한다.

액상화 판정은 안전율 FS = CRR / CSR 이 1.0 이하인지로 한다.

CSR는 지반의 지진 하중 강도를 나타내고, CRR는 지반의 저항 능력을 나타낸다. 두 값을 같은 깊이에서 비교하는 것이 평가의 핵심이다.

원리는 다음과 같다. 포화된 사질토에 반복 전단이 작용하면 흙 입자가 조밀해지려 하고, 배수가 늦으면 과잉간극수압이 쌓인다. 유효응력이 줄어 전단강도가 상실되면 지반은 액체처럼 거동한다. 따라서 평가는 과잉간극수압이 얼마나 쌓일지 대략 추정하는 것과 같다.

액상화 평가 절차는 다음과 같다.

• 지반조사로 시추주상도, 지하수위, SPT 또는 CPT 또는 전단파속도 주상도를 확보한다.
• 액상화 위험 지층의 소성지수와 입도분포 곡선을 결정한다.
• 지반응답해석 또는 간이식으로 깊이별 CSR를 산정한다.
• 현장시험값으로 CRR를 산정하고, 두 개 이상의 현장시험을 쓰면 최소 안전율을 적용한다.
• 깊이별 안전율 FS를 구하고 1.0 이하인 층을 액상화 발생층으로 판정한다.
• 액상화 위험도 지수(LPI) 등으로 지표 피해 정도를 종합한다.

지반응답해석에서 지표면 최대지반가속도는 기반암 유효수평지반가속도에 단주기지반증폭계수를 곱한 값보다 작지 않아야 한다. 이 조건을 빠뜨리면 CSR가 과소평가된다.

평가 결과는 Ishihara 곡선과 같은 액상화 저항 곡선으로 보기도 한다. 횡축은 SPT 보정값, 종축은 CSR이며, 두 값이 교차하는 점이 경계 조건이다. 이 곡선은 정성적 이해용 그림으로 쓰고, 답안에서는 FS 식을 중심에 둔다.

5. 관련 법령·기준·표준

액상화 평가의 기준은 KDS 17 10 00 내진설계 일반에 있다. 이 기준은 「지진ㆍ화산재해대책법」 시행령 제10조제1항의 시설물 중 건설공사 내진설계에 적용된다. 건축구조 분야는 KDS 41 17 00 지진하중 등 건축 설계기준과 함께 쓴다.

액상화 관련 기준 수치를 아래 표로 정리한다.

개정 연혁은 다음과 같다. 2016년 건축구조기준(KBC2016)은 기초구조 장에서 액상화를 별도 고려하도록 정리했다. 현재는 KDS 17 10 00 내진설계 일반 체계에서 액상화 평가와 반복연화 검토를 함께 규정한다.

지진구역계수는 지진구역 I과 II에서 기반암 상 평균재현주기 500년 지진의 유효수평지반가속도를 중력가속도 단위로 표현한 값이다.

특히 내진 특등급 시설물은 실트나 점토에서 액상화보다 반복연화에 의한 대변형이 문제될 수 있다. 이 경우 비배수 반복삼축강도시험 또는 비배수 반복직접단순전단시험으로 검토한다.

관련 시험 기준은 다음과 같다. KS F 2307 표준관입시험방법, KS F 2498 흙의 액상화 평가를 위한 반복 삼축 강도 시험 방법을 쓴다.

6. 유형과 비교

지반 액상화는 발생 기구와 지반 조건에 따라 몇 가지로 나눠 본다. 답안에서는 먼저 발생 원인에 따른 구분(반복하중형과 단조하중형)을 세우고, 이어서 지반 재료에 따른 구분과 평가 방법에 따른 구분을 비교한다. 세 가지 기준을 나란히 두면 채점자가 개념을 정확히 나눴는지 쉽게 확인한다.

표 6-1 발생 원인에 따른 액상화 구분