액상화 평가·대책

왜 배우는가: 액상화는 지진 시 지반 강도가 급격히 상실되어 구조물의 침하·기울어짐·측방유동을 일으키는 대표적 지반재해다. 실무에서는 내진설계 시 액상화 평가가 필수 검토 항목이며, 시험에서는 정의, 평가법, 대책을 묶어 반복 출제된다.

출제 이력: 제136회 1교시 10번, 제129회 3교시 5번, 제128회 4교시 6번, 제126회 4교시 2번, 제123회 3교시 3번, 제114회 3교시 6번, 제111회 2교시 4번, 제104회 4교시 4번, 제90회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

액상화(Liquefaction)는 포화된 사질토가 동하중을 받아 과잉간극수압이 상승하고 유효응력이 감소하여 전단강도를 잃고 액체처럼 거동하는 현상이다.

• 액상화, 과잉간극수압, 유효응력
• 반복전단응력비(CSR), 반복저항응력비(CRR)
• 안전율(FS), 표준관입시험(SPT) N값
• 반복연화, 측방유동

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 물에 젖은 모래가 흔들려서 모래알들이 서로를 지탱하지 못하고 물 위에 뜬 것처럼 흐르는 현상이다. 평소에는 모래알끼리 맞닿은 힘이 무게를 떠받치지만, 지진으로 간극 속 물의 압력이 올라가면 알갱이 사이의 접촉력이 사라진다.

정식 정의는 KDS 17 10 00(1.4)에 따른다. 포화된 사질토 등에서 지진동, 발파하중 등 동하중에 의해 지반 내 과잉간극수압이 발생하고, 지반의 전단강도가 상실되어 액체처럼 거동하는 현상이다.

핵심 원리는 유효응력 식 σ' = σ − u 에 있다. 여기서 σ는 전응력, u는 간극수압, σ'는 유효응력이다. 동하중으로 u가 σ에 가까워지면 σ'가 0에 접근하고, 전단강도 τ = c' + σ' tanφ' 도 함께 0에 가까워진다.

과잉간극수압은 동하중 중 배수가 되지 않아 간극에 남는 추가 수압이다. 유효응력은 흙 입자 골격이 실제로 받는 응력이다. 두 개념의 관계를 이해해야 액상화 원리를 설명할 수 있다.

반복전단응력비(CSR)는 지진이 깊이 z에 주는 전단응력 수준을 유효상재압으로 나눈 값이다. 반복저항응력비(CRR)는 지반이 액상화에 버티는 능력을 같은 방식으로 나타낸 값이다. 안전율은 CRR/CSR로 구하며, 1.0 이하이면 액상화 발생으로 판정한다(KDS 17 10 00 4.7 기준 안전율 개념).

3. 등장 배경과 필요성

액상화는 1964년 알래스카 지진, 1964년 니가타 지진 등 과거 대지진에서 건물의 침하와 전도를 일으키며 주목받았다. 피해가 지표면 구조물에 집중되어 지반공학에서 독립된 검토 항목이 되었다.

Seed와 Idriss는 1971년 SPT 기반 간편법을 제안했고, 이후 여러 차례 개정되어 현재 실무의 기본 틀이 되었다. 간편법은 지반조사 자료(SPT N값, CPT, 전단파속도)와 지진 하중(CSR)만으로 평가할 수 있어 설계 현장에서 널리 쓴다.

국내에서도 지진위험도가 높아지면서 내진설계에 액상화 평가를 반영하도록 KDS 17 10 00이 정비되었다. 사질토, 실트질 지반이 주로 대상이 되며, 특수지반이 아니어도 저지대 충적층이나 매립지반에서는 반드시 검토한다.

지반의 포화 상태 와 느슨한 사질토 조건이 맞을 때 액상화 위험이 크다는 점이 평가의 출발점이다.