액상화 구조물 피해·대책

왜 배우는가: 액상화는 지진 시 지반 강도가 급격히 떨어지는 현상으로, 같은 지반에서도 기초 형식에 따라 피해 양상이 달라진다. 교각 말뚝, 직접기초, 지중 박스처럼 기초 형식별 문제를 구분해 답하는 능력이 기술사 시험에서 반복해서 요구된다.

출제 이력: 제133회 3교시 5번, 제127회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

액상화는 포화 느슨한 사질토가 지진 하중으로 간극수압이 상승해 전단강도를 잃고 액체처럼 거동하는 현상이며, 기초는 지지력 상실·측방유동·부력 문제를 함께 검토해야 한다.

• 액상화(Soil Liquefaction)
• 간극수압 상승
• 유효응력 감소
• 측방유동(Lateral Spreading)
• 부등침하
• 부상(Flotation)
• 지반개량
• 응답변위법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흔들림을 받은 모래가 물과 섞인 죽처럼 흐물거리는 현상이다. 모래 입자가 서로 맞물려 버티던 힘이 사라지고 물이 그 힘을 떠받치게 되는 것이다. 지반이 버티는 힘을 잃으면 그 위의 구조물은 무게를 지탱할 곳을 잃는다.

정식 정의는 다음과 같다. 포화된 느슨한 사질토에 반복 전단응력이 가해지면 간극수압이 상승하고, 유효응력이 0에 가까워져 전단저항이 소실되는 현상을 액상화라 한다. 이때 지반은 고체에서 액체에 가까운 상태로 변한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 유효응력(Effective Stress): 입자 사이에서 실제로 전달되는 응력이다. 전응력에서 간극수압을 뺀 값이다. 간극수압이 전응력과 같아지면 유효응력은 0이 되고 전단강도가 사라진다.
• 간극수압비(Pore Pressure Ratio): 지진 중 간극수압 상승 정도를 나타내는 무차원 값이다. 1.0에 가까울수록 액상화에 가깝다.
• 측방유동(Lateral Spreading): 경사지나 하천변에서 액상화층 위의 지반이 수평으로 미끄러지는 현상이다.
• 부상(Flotation): 지하 구조물이 주변 액상화 지반 속에서 부력에 의해 위로 떠오르는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

액상화는 1964년 일본 니가타 지진과 신사(Niigata) 지진에서 대규모 피해가 확인되며 본격적으로 주목받았다. 이후 1995년 고베 지진에서도 매립지와 충적층 지역에서 광범위한 액상화가 발생했다. 이 사례들은 사질지반이 지진 하중을 받으면 기초 설계가 무력화될 수 있음을 보여 주었다.

국내에서도 서해안과 남해안의 매립지, 하천 충적층 지역이 액상화 취약지역으로 꼽힌다. 이 지역에 교량, 건축물, 지하 구조물이 늘어나면서 기초 형식별 대응이 설계 단계의 필수 검토 항목이 되었다. 「기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)」도 얕은기초와 깊은기초 모두에 대해 액상화 영향을 지지력, 침하, 측방유동 측면에서 검토하도록 규정하고 있다.

기초 형식마다 액상화에 취약한 방식이 다르다. 말뚝기초는 주변 지반의 횡지지를 잃고, 직접기초는 지지층이 약화되어 침하와 기울어짐이 생긴다. 지중 박스 구조물은 부력 증가와 측방 토압 변화를 받는다. 따라서 세 구조물을 같은 방법으로 설계할 수 없고, 피해 메커니즘과 대책을 각각 짚어야 한다.

이 때문에 시험에서는 액상화 원리, 기초별 피해, 기초별 대책을 한 답안에서 연결하는 능력을 묻는다. 세 기초를 모두 다루는 구조화된 답안이 점수를 얻는다.

4. 구성요소·원리·절차

액상화 피해는 지반이 전단저항을 잃고 구조물이 지지 기반을 잃는 과정으로 나뉜다. 기초 형식마다 지반과 구조물이 상호작용하는 방식이 달라 피해 형태도 다르다. 아래 표는 세 구조물의 구성요소와 피해 원리를 정리한 것이다.

표는 구성요소와 피해 원리를 함께 보여 준다. 말뚝기초는 액상화층이 지지력과 횡저항을 함께 잃는 점이 가장 큰 차이다.

액상화 시 지지층 강도 상실과 측방유동이 구조물 피해의 두 축이다

액상화 피해의 원리는 과잉간극수압 상승과 유효응력 감소에 있다. 유효응력이 0에 가까워지면 흙입자 사이 접촉력이 사라져 지반은 액체처럼 거동한다. 이때 과잉간극수압과 유효응력 감소가 핵심 개념이다. 지반이 수평으로 흐르는 측방유동은 경사지반이나 하천 주변에서 두드러진다.

구조물 피해 절차는 다음과 같다.

• 지진동에 의해 포화 느슨한 사질토에 과잉간극수압이 상승한다.
• 유효응력이 감소하고 지반 전단강도가 급감한다.
• 지지층이 변형되어 기초가 침하하거나 측방으로 밀린다.
• 말뚝은 주면마찰을 잃고 횡하중을 받아 휨·좌굴이 발생한다.
• 직접기초는 지지력 상실로 부등침하와 기울어짐이 생긴다.
• 박스구조물은 부력 증가와 측방토압으로 부상 또는 접합부가 파손된다.

기초 설계는 액상화를 고려한 안정성 검토를 포함해야 한다. 기초 내진 설계기준은 얕은기초에 대해 액상화 영향을 고려한 지반과 기초의 안정성 평가를 요구한다. 말뚝기초는 액상화 가능성이 있는 토층의 주면마찰력을 무시하도록 규정한다.

흐름도로 보면 지진 → 간극수압 상승 → 유효응력 감소 → 지지력·횡저항 상실 → 구조물 피해로 이어진다.

5. 관련 법령·기준·표준

액상화 평가와 기초 설계는 국내 내진설계 기준 체계를 따른다. 기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)은 기초구조물의 내진설계 방법과 거동한계를 규정한다. 액상화 평가 방법은 내진설계 일반(KDS 17 10 00)을 따른다.

기초 내진 설계기준의 주요 규정은 다음과 같다.

표의 값은 기준에 명시된 조건이다. 기준 수치를 외우기보다 어떤 거동을 허용하고 어떤 조건에서 무시하는지를 이해하는 것이 답안에 유리하다.

개정 연혁으로는 2022-12-01 부터 화재안전기준과 같은 체계 개편이 소방 분야에 있었으나 지반 분야 기준의 현행 명칭은 KDS 체계를 따른다.

말뚝 인발 정착 규정에서 10% 는 속채움 없는 강관말뚝, 나무말뚝, 강말뚝에 적용되는 조건이다. 콘크리트 충전 말뚝은 철근 정착으로 인발력을 전달하도록 요구된다.

6. 유형과 비교

액상화 피해는 구조물의 기초 형식에 따라 나타나는 양상이 다르다. 말뚝기초는 지지층 주변 지반의 측방 지지를 잃어 좌굴이나 경사가 생기고, 직접기초는 지지력 상실과 부등침하가 문제이며, 지중 박스구조물은 부력에 의한 부상과 측방 유동 토압이 주된 문제다. 세 가지를 같은 기준으로 비교해야 대책을 선택할 수 있다.

위 표는 기초 형식별 피해의 원인을 구분하기 위한 것이다. 말뚝기초는 지반이 수평으로 이동하는 측방 유동의 영향을 받고, 직접기초는 지지층의 강도 저하가 직접 침하로 나타난다. 박스구조물은 체적에 비해 중량이 작아 부력의 영향을 크게 받는다.

말뚝기초 피해는 지반 강도가 떨어진 층에서 말뚝이 구속을 잃고 횡방향으로 휘는 형태로 나타난다. 기초 설계기준은 액상화 가능 토층에서 주면마찰력을 무시하도록 정한다.