액상화

왜 배우는가: 액상화는 지진 시 구조물의 침하와 측방유동을 일으키는 대표적 지반 현상이므로 실무의 기초 형식과 지반개량 판단에 직접 쓰인다. 여러 교시에 걸쳐 반복 출제되는 이유도 발생 원리, 판정 절차, 대책이 하나의 흐름으로 묶여 있기 때문이다.

출제 이력: 제135회 3교시 6번, 제126회 1교시 1번, 제122회 1교시 1번, 제119회 2교시 5번, 제116회 2교시 2번, 제113회 2교시 5번, 제90회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

액상화는 지진 등 반복하중을 받는 포화 사질토에서 과잉간극수압이 상승하여 유효응력이 0에 가까워지고, 지반이 액체처럼 거동하는 현상이다.

답안 첫 줄은 이 정의 문장으로 시작하는 것이 기본이다. 정의를 뒷받침하는 핵심 키워드는 다음 여덟 가지이며, 설명의 뼈대가 되는 용어이다.

• 포화 사질토
• 과잉간극수압
• 유효응력
• 비배수 조건
• 상대밀도
• 지하수위
• 액상화 저항비(CRR)
• 반복전단응력비(CSR)

이 여덟 용어는 서로 연결되어 있다. 포화 사질토와 얕은 지하수위가 발생 조건을 정하고, 과잉간극수압과 유효응력이 파괴 메커니즘을 설명하며, CRR과 CSR은 판정 단계에서 지반의 저항과 지진의 작용을 비교하는 수치이다. 용어를 나열하기보다 이 관계를 한 흐름으로 묶어 쓰는 것이 답안의 논리를 살리는 방법이다.

2. 개념 풀이

액상화(Liquefaction)는 포화된 사질토에 반복하중이 작용할 때 간극수압이 증가하여 유효응력이 감소하고, 그 결과 흙이 전단강도를 잃어 액체와 유사하게 흐르거나 크게 변형되는 현상이다. 정의의 핵심은 원인을 간극수압 상승으로 두고, 결과를 강도 상실로 두는 데 있다. 지진 하중에 의한 액상화가 실무에서 주로 다루는 대상이며, 사면과 성토에 급격한 하중 변화가 가해지는 정적 액상화도 같은 원리로 설명된다.

원리는 유효응력 원리에서 출발한다. 흙의 유효응력은 전응력에서 간극수압을 뺀 값이며, 흙의 전단강도는 유효응력에 비례한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$σ′ = σ − u$ $τ_f = c′ + (σ − u) tan φ′$

σ는 전응력, u는 간극수압, c′는 유효점착력, φ′는 유효내부마찰각이다. 간극수압 u가 커지면 σ′가 줄고 τ_f도 함께 줄어든다.

느슨한 사질토는 전단을 받을 때 체적을 줄이려는 경향이 있다. 지진 하중이 짧은 시간에 반복되므로 간극수가 빠져나가지 못하는 비배수 조건이 되고, 이 수축 경향은 간극수압 상승으로 바뀐다. 간극수압이 전응력에 가까워지면 유효응력은 거의 사라지고, 지반은 전단저항을 잃는다.

발생 조건은 네 가지로 정리한다.

• 지반이 포화되어 있어야 한다. 지하수위가 얕아 간극이 물로 채워져야 과잉간극수압이 생긴다.
• 흙이 느슨해야 한다. 상대밀도가 낮을수록 체적 감소 경향이 커서 간극수압 상승이 크다.
• 흙이 입상토여야 한다. 균등한 세사나 비소성 실트질 흙이 전형적 대상이며, 점성토에서는 드물게 발생한다.
• 반복하중이 충분해야 한다. 지진의 규모와 지속 시간이 커야 간극수압이 강도 상실 수준까지 올라간다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 과잉간극수압은 하중 변화로 생긴 간극수압 가운데 정상 상태의 수압을 넘는 부분이다. 반복전단이 누적될수록 이 값이 커지며 액상화 진행의 직접 원인이 된다.
• 비배수 조건은 간극수가 빠져나갈 시간이 없는 상태이다. 지진 하중은 배수보다 빠르게 작용하므로 대부분 비배수 조건에서 액상화가 일어난다.
• 상대밀도는 흙의 촘촘하고 느슨한 정도를 나타내는 지표이다. 상대밀도가 낮을수록 액상화 저항이 작아지므로 느슨한 사질토가 가장 취약하다.

액상화 판정은 저항과 작용을 비교하는 안전율로 한다. 지반의 저항인 CRR을 지진의 작용인 CSR로 나눈 값이 1.0 미만이면 해당 층은 액상화 발생 가능성이 있다고 판정한다.

$FS_L = CRR / CSR$

액상화 발생 후에는 과잉간극수압이 지표로 빠져나오면서 모래분출(sand boil) 현상이 나타난다. 액상화층이 상부 기초를 지지하지 못하면 침하, 부등침하, 지지력 저하가 생기고, 경사지에서는 지반이 옆으로 흘러 구조물을 밀어내는 측방유동이 발생한다. 따라서 피해 평가는 발생 여부와 함께 변형의 크기까지 봐야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

액상화 연구는 지진 피해 조사에서 출발했다. 지진이 발생하면 해안 매립지나 하천 충적층처럼 지하수위가 얕고 느슨한 사질토가 넓게 분포한 지역에서 지반이 갑자기 약화되며, 그 결과 건물 침하, 기울어짐, 지반 균열이 보고된다. 이 피해는 지반 강도의 상실이 원인이므로, 기초 설계 이전에 대상 지반을 따로 검토해야 한다.