지진 시 모래지반 거동

정의

지진 시 모래지반 거동은 진동으로 간극수압이 올라 전단강도가 떨어지는 현상이다.

그 결과는 상대밀도에 따라 액상화 또는 반복 변형으로 나타난다.

이 영상은 상대밀도가 거동을 어떻게 바꾸는지 순서대로 본다.

간극수압과 유효응력

흔들리는 동안 모래알 사이의 물이 빠지지 못하면 간극수압이 올라간다.

간극수압이 오르면 유효응력이 줄고, 입자가 힘을 주고받지 못한다.

유효응력이 0에 가까워지면 전단강도가 급격히 떨어지는 것이 액상화다.

전단강도는 Mohr-Coulomb 식으로 나타내고, 모래는 c'를 0으로 본다.

상대밀도와 체적 변화

조밀한 모래는 전단될 때 입자가 맞물려 위로 밀려 부피가 늘어난다.

느슨한 모래는 전단될 때 부피가 줄어드는 압축 거동을 보인다.

비배수 상태에서 조밀한 모래는 간극수압이 줄고, 느슨한 모래는 올라간다.

그래서 느슨한 모래가 액상화에 더 취약하다.

파괴 형태 구분

상대밀도가 낮은 느슨한 모래는 유동적 액상화로 전단강도가 급감할 수 있다.

상대밀도가 높은 모래는 주기적 이동도가 중심이 되고 반복 저항이 늘어난다.

두 형태는 반복하중 중 응력 역전이 있는지에 따라 구분한다.

응력 역전이 있으면 반복 액상화, 없으면 순환 이동성으로 본다.

계산 예

전응력 100kPa, 간극수압 80kPa이면 유효응력은 20kPa이다.

같은 지반에서 간극수압이 20kPa이면 유효응력은 80kPa이 된다.

유효응력이 전단강도를 결정하므로 전단강도도 함께 달라진다.

간극수압이 전응력에 가까울수록 유효응력은 0에 가까워진다.

직접 풀어 보자.

정리

조밀한 모래는 전단 시 팽창해 간극수압이 줄고, 액상화에 덜 취약하다.

느슨한 모래는 전단 시 압축해 간극수압이 올라 액상화에 취약하다.

채점 시에는 체적 변화 방향, 간극수압 증감, 응력 역전 조건을 모두 쓴다.