액상화

왜 배우는가: 액상화는 지진과 진동으로 느슨한 포화 사질토의 강도가 급격히 사라지는 현상으로, 구조물 기초의 침하·경사·붕괴를 일으켜 실무 설계와 내진 검토에서 반드시 확인해야 하는 문제다. 기술사 시험에서도 정의, 영향인자, 방지대책, 예측기법이 여러 교시에 걸쳐 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제133회 3교시 3번, 제123회 1교시 4번, 제114회 1교시 8번, 제92회 3교시 2번, 제90회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 액상화는 포화된 느슨한 사질토가 동하중을 받아 과잉간극수압이 상승하고 유효응력이 0에 가까워져 전단강도를 잃고 유체처럼 거동하는 현상이다.

핵심 키워드

• 과잉간극수압
• 유효응력
• 비배수 조건
• 반복전단응력비(CSR)
• 반복저항응력비(CRR)
• 표준관입시험(SPT) N값
• 느슨한 포화 사질토

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물에 젖은 모래에 흔들림이 가해졌을 때 모래알 사이의 물이 빠져나가지 못해 모래가 물처럼 흐물거리는 현상이다. 모래알이 서로 맞물려 버티던 힘(유효응력)을 물의 압력(간극수압)이 대신 떠맡게 되기 때문이다.

정식 정의는 다음과 같다. 지반 내 전단응력에 의해 생기는 과잉간극수압이 토립자를 구속하고 있던 초기 유효응력과 같아져 유효응력이 0이 되는 현상이다. 완전한 액상화 상태에서는 간극수압이 전응력과 같아질 때까지 상승한다.

전응력(total stress, σ)은 유효응력(σ')과 공극수압(u)의 합이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\sigma = \sigma' + u$

여기서 σ는 전응력(kPa), σ'는 유효응력(kPa), u는 간극수압(kPa)이다. 유효응력 σ'가 0이 되면 u = σ가 되어 흙은 전단강도를 잃는다.

비배수 조건은 진동 중 간극수가 빠져나갈 시간이 없는 상태다. 느슨한 사질토는 전단을 받으면 체적이 줄어들려 하는데, 물이 빠지지 못하므로 그 체적 감소 경향이 그대로 간극수압 상승으로 바뀐다. 이것이 액상화의 핵심 원리다.

반복하중에 의한 액상화는 지진이나 파랑처럼 응력 방향이 반복적으로 바뀌는 경우다. 단조하중에 의한 액상화는 성토 하중 증가나 사면 선단의 지지력 상실처럼 한 번에 응력이 변하는 경우다. 두 경우 모두 느슨하고 포화된 흙이 가장 취약하다.

액상화가 잘 생기는 흙은 깨끗한 모래나 소성이 없는 실트질 흙이다. 점성토는 원칙적으로 액상화 대상이 아니지만 극히 드문 경우 자갈이나 점토에서도 나타날 수 있다. 입도로 보면 세립분이 많은 느슨한 모래가 가장 위험하다.

3. 등장 배경과 필요성

1964년 알래스카 지진과 같은 대지진에서 액상화로 건물이 지반에 가라앉거나 기울어 붕괴하는 피해가 보고됐다. 이 피해가 계기가 되어 액상화를 설계 단계에서 예측하고 대책을 세우는 체계가 발전했다. 해안 매립지, 하천 충적층, 인공 섬처럼 느슨한 모래가 쌓인 지역은 상시 구조물의 안전에도 영향을 준다.

액상화 예측의 기본 틀은 1971년 Seed와 Idriss가 제안한 간이법이다. 이 방법은 지진으로 생기는 전단응력비(CSR)와 흙의 저항능력인 반복저항응력비(CRR)를 비교한다. 이후 여러 차례 개정되어 표준관입시험 N값, 콘관입시험, 전단파속도(Vs)를 모두 쓰는 방식으로 확장됐다.

지진 시 액상화가 발생하면 전단파가 액체 상태의 지층을 통과하지 못해 지표 구조물에 전달되는 진동이 줄어드는 면도 있다. 그러나 이 효과는 지반 침하, 측방유동, 지지력 상실이라는 큰 피해와 비교하면 부차적이다. 따라서 도시 지역의 지진 위험도를 평가할 때 액상화는 핵心 위험 요인으로 취급된다.