액상화

왜 배우는가: 액상화는 지진 시 기초와 지반의 지지력을 순간적으로 잃게 만들어 건축물과 지하구조물에 큰 피해를 준다. 기술사 시험에서는 정의, 발생 조건, 평가 방법과 대책을 묶어 반복해서 묻는 핵심 주제다.

출제 이력: 제130회 1교시 5번, 제110회 1교시 1번, 제90회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의(지진·진동 등 반복하중으로 포화된 사질토에 과잉간극수압이 생겨 유효응력이 0에 가까워지고, 지반이 전단강도를 잃어 액체처럼 거동하는 현상)

핵심 키워드

• 과잉간극수압
• 유효응력
• 포화 사질토
• 전단강도 상실
• 반복전단응력비(CSR)
• 반복저항비(CRR)
• 안전율 1.0
• 예비평가·본평가

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물에 젖은 모래가 흔들리면서 모래 알 사이의 물이 빠지지 못해 물이 모래를 떠받치고, 모래가 힘을 받지 못해 죽처럼 흐르는 현상이다. 지반이 단단한 흙이 아니라 물 위에 뜬 것처럼 행동하는 것이다.

정식 정의는 「도시철도 내진설계기준」 제2조 용어 정의와 같다. 포화된 사질토 등에서 지진동, 발파하중 등 충격하중에 의해 지반 내에 과잉간극수압이 발생하여, 지반의 전단강도가 상실되어 액체처럼 거동하는 현상이다.

과잉간극수압은 전단 시 토립자 재배열로 인해 비배수 상태의 간극수가 떠안는 추가 수압이다. 이 수압이 초기 유효응력을 상쇄하면 유효응력이 0에 가까워진다. 유효응력은 토립자가 서로 맞물려 받는 힘이므로, 이것이 사라지면 흙의 전단강도가 사라진다. 완전한 액상화는 유효응력이 0이 되는 상태에 대응하며, 그때 간극수압은 전응력과 같아진다.

포화 사질토는 느슨하고 물에 잠긴 모래·실트질 모래를 말한다. 느슨한 모래는 전단 시 체적이 줄어들려 하므로 비배수 조건에서 수압이 빠르게 올라간다. 반대로 조밀한 모래나 점토는 액상화에 상대적으로 강하다.

반복전단응력비(CSR)는 지진이 흙에 주는 전단응력의 크기를 나타내고, 반복저항비(CRR)는 흙이 액상화에 버티는 능력을 나타낸다. 두 값의 비가 안전율이다. 이 두 개념을 먼저 잡으면 평가 절차를 이해하기 쉽다.

3. 등장 배경과 필요성

액상화가 문제로 부각된 것은 대규모 지진에서 매립지와 충적층의 건축물이 한꺼번에 침하하거나 기울어지는 피해가 반복해서 관찰되면서다. 기초가 액상화된 지반 위에 놓이면 지지력이 갑자기 사라져 구조물이 불규칙하게 침하한다. 얇은 비액상화 상부층이 있으면 펀칭전단 파괴가 생기기도 한다. 지표면으로 물과 모래가 분출하면서 지중 매설 배관과 덕트가 파손되는 피해도 보고된다.

우리나라에서도 액상화 검토가 설계 단계의 필수 항목이 되었다. 「도시철도 내진설계기준」은 기초와 지반이 액상화 피해를 입지 않도록 발생 가능성을 검토하도록 정한다(제18조). 설계 지진규모는 지진구역 I, II 모두 규모 6.5 를 적용한다. 액상화 평가는 구조물 내진등급과 관계없이 예비평가와 본평가의 2단계로 수행한다. 본평가에서 액상화에 대한 안전율은 1.0 을 적용하며, 1.0 미만이면 기초 및 지반 안전성을 평가하고, 1.0 이상이면 액상화에 대해 안전한 것으로 판정한다.

발생 조건은 세 가지로 정리된다. 첫째 포화 상태의 느슨한 사질토나 실트질 토층, 둘째 지하수위가 얕아 간극이 물로 차 있는 상태, 셋째 지진·발파·말뚝 항타 같은 충격하중이다. 모래와 실트로 이뤄진 퇴적층이 두꺼울수록 발생에 유리하다.

4. 구성요소·원리·절차

액상화 평가는 지진에 의해 지반에 걸리는 전단응력(진동전단응력)과 지반이 버티는 저항전단응력의 비로 판정한다. 평가의 세 요소는 지진 하중, 지반의 저항, 그리고 지하수위 조건이다. 세 요소 중 하나라도 빠지면 액상화 가능성이 낮아진다.

이 표는 액상화가 과잉간극수압과 유효응력 감소로 일어난다는 원리를 보여준다. 느슨한 포화 사질토는 진동을 받으면 체적을 줄이려 하지만 물이 빠지지 못해 간극수압이 오른다. 간극수압이 전응력과 같아지면 유효응력이 0이 되어 전단강도가 사라진다.

• 원리: 진동전단응력 증가 → 과잉간극수압 상승 → 유효응력 감소 → 전단강도 상실
• 판정: 안전율 = 진동저항전단응력 ÷ 진동전단응력

액상화 평가 절차는 다음과 같다.

• 지반조사 자료로 액상화 검토 대상 토층을 선정한다.
• 예비평가로 지반 조건을 보고 평가 생략 여부를 정한다.
• 설계 지진규모 6.5를 적용해 진동전단응력을 구한다.
• 표준관입시험 N값 등으로 진동저항전단응력을 구한다.
• 본평가에서 안전율을 산정하고 안전율 1.0 기준으로 판정한다.
• 안전율이 1.0 미만이면 기초와 지반의 안전성을 평가하고 대책공법을 적용한다.

구성도로 보면 지진 하중과 지반 저항이 한 비율로 모인다. 판정 결과에 따라 평가 또는 대책으로 나뉜다. 이 흐름을 답안에 그리면 채점 항목을 한눈에 보여줄 수 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

액상화 평가의 법적 근거는 「도시철도 내진설계기준」 제18조다. 이 기준은 도시철도시설의 기초와 지반이 액상화 피해를 입지 않도록 검토할 것을 정한다. 평가는 예비평가와 본평가의 2단계로 나뉜다. 두 단계는 내진등급과 관계없이 모두 수행한다.

위 표의 값은 액상화 평가에 직접 쓰는 기준값이다. 시추 깊이와 예민비는 평가 대상 토층을 정할 때 쓰인다. 같은 기준의 안전율 1.0은 본평가 판정의 기준이다.

액상화 판정 지진과 관련된 설계지반운동은 제9조와 제12조에 따라 정한다. 지진구역 계수와 위험도계수는 액상화 검토의 입력이 된다. 이 값들은 액상화 평가의 하중 쪽 입력이다.

관련 기준은 도시철도 내진설계기준을 우선 적용한다. 이 기준에 정함이 없으면 교량 내진설계기준, 기초 내진 설계기준 등을 함께 참고할 수 있다.

현행 기준은 2019-01-01 자 고시본을 기준으로 한다. 재검토는 제32조에 따라 3년마다 한다.

6. 유형과 비교

액상화는 발생 메커니즘과 평가 방법에 따라 여러 유형으로 나눠 본다. 답안에서는 흐름 액상화(Flow liquefaction)와 순환 액상화(Cyclic liquefaction)를 구분해 쓰면 원리 이해를 보여줄 수 있다. 두 유형은 하중 형태, 변형 양상, 피해 모습이 다르다.