지진 시 모래지반 거동

왜 배우는가: 지진 시 모래지반은 액상화와 지반 변형으로 구조물에 큰 피해를 준다. 상대밀도에 따라 거동이 정반대로 나타나므로 내진 설계와 지반 조사에서 가장 먼저 확인하는 항목이다. 기술사 시험에서도 반복해 출제되는 기본 개념이다.

출제 이력: 제134회 1교시 4번, 제109회 4교시 5번, 제95회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지진 시 모래지반 거동은 진동하중으로 포화 모래의 간극수압이 상승해 전단강도가 저하되는 현상으로, 상대밀도에 따라 액상화 또는 반복 변형으로 나타난다.

• 상대밀도(Relative Density, Dr)
• 간극수압 상승
• 액상화(Liquefaction)
• 반복 전단변형
• 다일러턴시(Dilatancy)
• 반복이동성(Cyclic Mobility)
• 반복한계 전단변형률
• 유효응력 감소

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 흔들리는 동안 모래알 사이의 물이 빠지지 못해 모래가 물처럼 흐르는 현상이다. 모래는 입자끼리 맞물려 힘을 지탱하는데, 진동이 계속되면 입자 사이 물의 압력이 올라가 입자가 서로 힘을 주고받지 못한다.

정식으로는 포화된 사질토가 반복 전단을 받을 때 과잉간극수압이 발생하고, 이로 인해 유효응력(Effective Stress)이 감소하여 전단강도가 급격히 떨어지는 현상을 액상화(Liquefaction)라 한다. 간극수압이 상승하는 원인은 조밀도에 따라 달라진다. 느슨한 모래는 전단될 때 부피가 줄어들려 하고, 조밀한 모래는 부피가 늘어나려 한다.

이 부피 변화 경향을 다일러턴시(Dilatancy)라 한다. 조밀한 모래는 전단 시 입자가 서로 맞물려 있어 위로 밀려 부피가 팽창한다. 비배수 조건에서는 부피가 늘어날 수 없으므로 간극수압이 음(-)의 방향으로 내려가고 유효응력이 증가한다. 그래서 조밀한 모래는 액상화에 강하다. 반대로 느슨한 모래는 전단 시 수축하려 하므로 비배수 상태에서 간극수압이 양(+)으로 상승해 액상화가 일어난다.

반복한계 전단변형률은 반복하중이 가해질 때 전단탄성계수와 감쇠비가 변하거나 비배수 조건에서 간극수압이 발생하기 시작하는 변형률 크기를 말한다. 이 값은 시료의 종류, 상대밀도, 배수 조건, 평균 유효구속응력에 따라 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

1964년 일본 니가타 지진과 알래스카 지진에서 대규모 모래지반 액상화 피해가 보고되면서 이 현상이 실무 문제로 부각되었다. 건물이 기울어지고 지하 매설관이 떠오르는 피해가 많았다. 이후 액상화 평가법이 체계화되었다.

지반 내진설계에서는 지진 시 발생하는 전단응력과 지반의 저항 전단응력을 비교해 액상화 가능성을 판정한다. 이때 상대밀도는 가장 중요한 입력 변수다. 실험 결과와 현장 사례를 보면 상대밀도가 낮을수록 액상화 위험이 커지고, 상대밀도가 높으면 반복 하중에서도 간극수압 상승이 억제된다.

일반적으로 액상화는 상대밀도가 낮은 깨끗하거나 실트가 섞인 포화 모래에서 주로 발생한다고 알려져 있다. 상대밀도가 높은 모래는 액상화가 일어나기 어렵다. 따라서 설계자는 지반의 상대밀도를 정확히 파악해야 하며, 이를 위해 표준관입시험(SPT)이나 콘관입시험(CPT)으로 조밀도를 평가한다.