1. 서 론
2. 진동삼축시험 개요(CTX test)
2.1 시험 시료
2.2 시험 장비
2.3 시험 조건 및 방법
3. 시험 결과 및 분석
3.1 진동삼축시험 결과
3.2 전단파 속도 측정 결과
4. 기존 문헌 결과와의 비교
5. 전단파 속도(VS)를 활용한 액상화 저항강도 평가
6. 결 론
1. 서 론
지진 발생 시에 포화된 모래 지반에서 순간적인 충격이나 진동으로 인해 과잉간극수압이 증가함에 따라 유효응력이 감소하여, 최종적으로 모래가 액체와 같이 거동하는 현상을 액상화(liquefaction)라 정의한다. 일본, 미국, 중국, 뉴질랜드 등 다양한 국가에서 지진으로 인한 액상화 현상이 보고되었으며(Idriss and Boulanger, 2008), 이로 인해 막대한 규모의 인명 및 재산 피해가 발생하였다. 국내에서도 2017년 포항 지역에서 발생한 규모 5.4의 지진으로 인해 기기 계측 최초로 액상화 현상이 관측되었다. 모래가 물과 함께 지표면으로 분출되는 분사현상(sand boiling)이 관측되었으며, 이로 인해 국내 지반에 대한 액상화 평가 관련 연구에 대한 필요성이 강조되고 있다.
지반의 액상화에 대한 저항력은 SPT-N, CPT-qc, VS를 비롯한 현장시험 결과를 이용한 간이 평가법과 동적실내시험을 통한 평가법으로 구분된다(Ishihara, 1996; Youd and Idriss, 2001). 현장시험을 통한 평가법의 경우, Seed and Idriss(1971)가 최초 현장 시험 결과를 토대로 지반의 액상화 저항강도(CRR) 평가법을 제시한 이후로, Tokimatsu and Yoshimi(1983)는 평가 대상 지반의 세립분 함유량에 따른 표준관입저항치(N-value)과 액상화 저항강도의 상관관계에 대한 연구를 수행하였으며, Seed et al.(1985)는 표준관입시험(SPT)를 이용한 액상화 평가에서 N값 대신 장비 에너지 효율을 고려하여 보정한 (N1)60을 사용할 것을 제안하였다. 또한 Stark and Olson(1995)는 180 곳의 지진 발생 현장조사자료를 기반으로 콘관입저항치(qc)와 액상화 저항강도 사이의 연관성을 확인하였으며, Robertson and Wride(1998)은 콘관입시험을 이용한 액상화 평가 시 대상 지반 흙의 평균 입경 및 세립분 함유량에 대해 고려할 것을 강조하였다. 한편, Andrus and Stokoe(2000)은 지진 발생 현장에서 측정된 전단파 속도(VS) 자료를 기초로 하여 전단파 속도를 활용한 액상화 저항강도 평가법 절차를 정립하였다. 이외에도 다양한 연구자들이 지속적인 연구를 통해 지속적으로 경험식을 수정하였다(Seed, 1979; Seed et al., 1983; Youd and Idriss, 2001; Boulanger and Idriss, 2014).
동적실내시험을 통한 평가법의 경우, Seed and Lee(1966)이 최초로 액상화 발생 메커니즘을 사질토 시료를 사용한 삼축시험에 반복 응력을 작용하여 이에 따른 거동을 분석함으로써 설명하였다. 해외에서는 지반의 액상화 저항강도에 영향을 미치는 인자를 규명하는 연구가 주로 수행되었으며, 다양한 종류의 시료가 사용되었다. Seed and Lee(1966)은 포화 사질토의 액상화 발생 메커니즘을 진동삼축시험을 통해 확인하였으며, 간극비가 크고 구속응력이 작으며, 재하되는 반복 응력의 진폭이 클수록 액상화 발생에 요구되는 반복하중 재하횟수가 줄어들어 액상화가 보다 수월하게 발생한다고 보고하였다. 이후 Ishihara et al.(1978)은 과압밀비와 세립분 함유량이 액상화 저항강도에 미치는 영향을 확인하였다. Ishihara(1993)은 수많은 진동삼축시험 수행 결과를 통해 깨끗한 모래 및 세립질 모래에 대한 실내시험 시 액상화 발생기준을 제안하였다. Chang and Hong(2008)은 모래에 포함된 점토와 실트의 양에 대한 액상화 저항 강도 영향을 확인해보고자 하였으며 점토와 실트 함유량이 증가함에 따라 액상화 저항강도가 선형적으로 증가한다고 언급하였다. Vaid and Sivathayalan(1996)은 모래의 액상화 저항 강도에 대한 상대 밀도와 유효구속응력의 변화가 미치는 영향을 발표하였다.
국내의 경우, 반복직접단순전단시험을 이용한 연구가 주로 진행되었으며, 진동삼축시험을 통한 연구도 함께 수행되었다. Mandokhail et al.(2016)은 오타와 모래와 주문진 표준사를 사용하여 반복직접단순전단시험을 수행하여 그 결과를 토대로 액상화 저항곡선을 도출하였고 기존 문헌과의 비교를 통하여 설계에 활용할 수 있는 새로운 액상화 저항 곡선을 제안하였다. Park et al.(2011)은 낙동강 유역에서 채취한 소량의 세립분이 포함된 모래를 사용하여 진동삼축시험을 수행하였고 세립분 만의 소성지수가 모래 지반의 액상화 거동에 미치는 영향을 보고하였다. Yoon et al.(2007)은 인천 해안 지역에서 채취한 패각질 모래를 사용한 반복직접단순전단시험을 통해 유효구속응력, 상대밀도 그리고 패각 함유량이 액상화 저항 강도에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 포항 액상화 발생 지역 모래를 이용한 연구로는 Park et al.(2018)이 포항 액상화 발생 현장에서 채취한 두 종류의 모래를 사용하여 마찬가지로 반복직접단순전단시험을 수행하였으며 상대밀도 및 유효구속응력 차이를 기반으로 정현파 형태의 하중과 실지진하중을 각각 재하하여 포항 모래의 액상화 저항 특성을 연구하였다.
2. 진동삼축시험 개요(CTX test)
2.1 시험 시료
본 연구에서는 국내에서 실제 액상화 현상이 관측된 경상북도 포항시 송도동의 심도 1.0-1.8m에서 채취한 모래를 시료로 사용하였으며, 해당 시료에 대한 기본 물성시험을 수행하였다. Fig. 1은 진동삼축시험에 사용된 시료의 입도분포를 나타내며, 통일분류법상 빈입도 모래(SP)로 분류되었다. 평균 입경의 크기는 D50=0.21mm로 확인되었으며, 추가적인 물리적 특성은 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Physical properties of sands
| Sand |
D10 (mm) |
D30 (mm) |
D60 (mm) | Cu | Cc | Gs |
rd,max (g/cm3) |
rd,min (g/cm3) |
| Pohang | 0.12 | 0.17 | 0.23 | 1.92 | 1.05 | 2.50 | 1.53 | 1.32 |
실험 수행에 앞서, Fig. 1과 같이 각 시료의 입도분포 곡선을 Yamazaki et al.(1998)가 제시한 입도분포에 따른 액상화 발생 가능성 도표에 함께 도시하였으며, 이를 토대로 시료의 입도분포에 따른 액상화 저항성을 확인하였다. 그 결과, 포항 현장 모래의 경우 액상화 가능성이 높은 (A) 구간에 위치하여 액상화에 대해 취약할 것으로 판단하였다.
2.2 시험 장비
본 연구에 사용된 실험 장비는 미국 Geocomp사에서 제작된 진동삼축압축시험기로, 공압을 통해 Cell pressure를 제어하며 수직 방향 변위를 측정하고, 삼축셀 장착부분의 위에 위치하고 있는 Linear actuator를 이용하여 기계적 모터 방식으로 축차응력을 재하하는 Cyclic - RM과 배압(Back pressure)을 제어하는 FlowTrac-II, 총 두 모듈로 구성되어있다. 컴퓨터 소프트웨어와의 연계를 통해 시험의 전 과정을 입력한 조건에 따라 자동적으로 수행할 수 있으며, 실시간으로 그래프화된 결과 데이터를 확인할 수 있다. 반복전단단계에서는 Load Frame에 고정되어 있는 Linear actuator가 공시체 상부에서 상·하 방향으로 움직이며 반복하중을 재하한다. 발생가능한 최대 수직 변위는 초기 위치로부터 상, 하로 약 35mm로, 본 연구에서 사용된 공시체 높이(142mm)의 25%에 상응하는 범위까지의 축방향 변형이 가능하다. 응력 제어 및 변위 제어 조건 모두 수행 가능하며, 최대 10Hz까지의 주파수를 적용할 수 있다.
전단파 속도 측정에 사용된 장비는 진동삼축시험기와 마찬가지로 미국 geocomp사에서 제작된 P&S WaVeMe로, 상·하부 캡에 설치된 가로·세로 10mm, 두께 5mm의 압전소자(Piezo-ceramic plate)와 신호를 원하는 형태 및 주파수로 정형하여 발생시키는 파형 발생기(waveform generator), 그리고 시간에 따른 입력 전압의 변화를 화면에 출력하는 오실로스코프(oscilloscope)로 구성되어있다. 진동삼축시험기 및 전단파 속도 측정 장비의 구성은 Fig. 2에 나타내었다.
2.3 시험 조건 및 방법
2.3.1 진동삼축시험
본 연구에서는 포항 지역의 액상화 발생 현장에서 채취한 모래를 사용하여 Table 2에 제시된 조건에 따라 진동삼축시험을 수행하였다. 시료는 ASTM D5311(ASTM International, 2013)에 의거하여 직경 71.3mm, 높이 142.6mm로 재성형하였다. 멤브레인을 하부 받침대에 씌우고 O-ring으로 고정시킨 후 진공 몰드를 하부 받침대에 결합시킨다. 이후 시료를 균등한 높이의 7층으로 나눈 후 다짐봉을 통해 연직방향으로 다짐하여 목표 상대밀도에 맞추어 제작하였다. 목표 상대밀도는 시료의 느슨 및 조밀한 상태를 가정하기 위하여 각각 상대밀도 40, 80%로 결정하였다. 시료의 원활한 포화를 위하여 시료 내부에 이산화 탄소를 일정시간동안 주입하여 간극 속에 존재하는 공기를 이산화탄소로 치환하였고, 탈기 장치를 통해 제조된 탈기수를 수두차를 이용하여 시료 내부에 일정시간동안 순환시켰다. Skempton(1954)이 제안한 간극수압계수(B-value)가 0.95 이상의 값에 도달하였을 때를 완전히 포화된 것으로 간주하고 등방 및 배수 조건에서의 압밀을 실시하였다. 압밀 시 유효구속응력으로는 액상화 평가가 통상적으로 심도 20m 이내의 지층에 대해 수행됨을 고려하여 중간 심도인 10m를 기준으로 계산하여 100kPa로 결정하였으며, 이는 동적실내시험 조건으로 주로 사용되고 있다(Vaid and Sivathayalan, 1996; Mandokhail et al., 2016). 과정 중 간극수의 배수량과 공시체의 높이 변화가 컴퓨터 소프트웨어를 통해 자동적으로 기록되며, 체적 변화 및 연직 방향 변위가 더 이상 발생하지 않고 수렴하는 시점을 압밀 종료 시점으로 간주하였다. 이후, 비배수 조건 하에서 응력제어 조건으로 입력한 진동전단응력비(CSR)에 따른 축차응력을 정현파 형태로 반복적으로 재하하였다. 진동전단응력비(CSR)은 지진 시 지반에 가해지는 진동력을 의미하며, 진동삼축시험과 같은 동적실내시험에서는 유효구속압에 따른 축차응력의 비로 표현된다. 정현파의 주파수로는 ASTM D5311에서 제안한 가용 주파수 범위(0.1Hz - 2.0Hz) 중 설정한 진동전단응력비를 안정적으로 재하할 수 있도록 가장 낮은 값인 0.1Hz를 사용하였다. 실험 시 액상화 발생 기준은 일반적으로 유효구속응력에 대한 과잉간극수압 발생량 혹은 축변형률로 판단하며(Ishihara and Yamazaki, 1980; Ishihara, 1993; Jiaer et al., 2004; NRC, 1985), 본 연구에서는 Ishihara(1993)에 의거하여 양진폭 축변형률이 5%에 도달했을 때를 액상화 발생으로 간주하고 시험을 종료하였다.
Table 2.
Test conditions of cyclic triaxial test
| Test No. | Sand |
Confining stress (kPa) | Wave type |
Frequency (Hz) |
Dr (%) | CSR |
| 1 |
Pohang sand | 100 | Sine wave | 0.1 | 40 | 0.19 |
| 2 | 0.17 | |||||
| 3 | 0.14 | |||||
| 4 | 0.11 | |||||
| 5 | 100 | Sine wave | 0.1 | 80 | 0.22 | |
| 6 | 0.19 | |||||
| 7 | 0.18 | |||||
| 8 | 0.17 |
2.3.2 전단파 속도 측정
Fig. 2는 전단파 속도 측정 전체 과정을 도식화하여 나타낸 그림이다. 송신기(transmitter) 역할을 수행하는 하부 캡의 압전소자에서 파형 발생기를 통해 신호를 발생시키며, 이후 시료를 통해 상부 캡의 수신기(receiver)을 담당하는 압전소자에 전달한다. 전달된 신호는 필터링 과정을 거쳐 소프트웨어를 통해 Fig. 4와 같이 출력된다. 이때, Lee and Lee(2006)가 언급한 바와 같이 주변의 고주파수 잡음을 제거하여 보다 정확한 신호를 획득하고자 총 64개의 신호에 대한 스태킹(Stacking)을 실시하였다.
측정된 신호를 토대로 전단파 속도 VS를 산정하기 위하여 아래의 식 (1)을 적용하였다.
| $$V_s=\frac{L_{tt}}t$$ | (1) |
여기서, Ltt는 압전소자 간의 끝단 거리(tip-to-tip distance)를 의미하며 t는 발신기를 통해 전달된 신호가 수신기에 도달하는데 걸리는 시간(travel time)을 뜻한다. 전단파의 도달 시간은 Lohani et al.(1999)이 제시한 바에 따라 입력파와 출력파의 첫 번째 최고점까지의 시간을 전단파의 도달 시간으로 결정하였다(Fig. 3).
본 연구에서 측정한 전단파 속도 결과의 신뢰성 확보를 위해 Yoo and Park(2015)가 제시한 주문진 표준사의 전단파 속도 측정 결과와의 비교를 수행하였다. Yoo and Park(2015)와 동일한 유효구속응력 100kPa를 적용하여 주문진 표준사의 전단파 속도를 측정하였으며, 상대밀도에 따른 측정 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 비교 결과, 상대밀도 40%의 경우 본 연구에서 수행한 전단파 속도 측정 결과는 약 235m/s, 기존 문헌에 제시된 결과는 약 220m/s 정도로 약 6%의 차이를 나타내었으며, 상대밀도 80%의 경우 거의 유사한 값을 나타냄을 확인하여 측정 결과의 신뢰성을 입증하였다.
3. 시험 결과 및 분석
3.1 진동삼축시험 결과
포항 모래를 사용한 진동삼축시험 결과로 축변형률 및 과잉간극수압 등을 확인하였으며, Ishihara(1993)가 제시한 시험 종료 기준을 토대로 각 시험별 액상화 발생 시점에서의 반복하중 재하 횟수(Nliq)를 측정하여 Table 3에 나타내었다. 시료가 느슨하게 성형된 경우, CSR에 따른 Nliq의 차이가 조밀한 경우보다 더 크게 발생하는 경향을 나타내었다. Fig. 6은 시험 결과의 대표적 예시(상대밀도 40%, 80%, CSR=0.17)를 도시하였다. Fig. 6의 (a)와 (b)는 반복하중 재하횟수에 따른 축변형률과 과잉간극수압의 변화를 나타내고 있으며, 액상화 발생 시점을 검정색 점선으로 표시하였다. 이를 통해 시료의 상대밀도에 상관없이 유효구속압 100kPa에 대한 과잉간극수압 발생량이 80% 미만일 경우 축변형률이 거의 발생하지 않다가 80%에 도달한 후 변형이 급격하게 증가하는 경향을 확인하였다. Fig. 6(c)는 응력-변형률 이력 곡선으로, 과잉간극수압 발생량이 유효구속압에 근접함에 따라 이력곡선에서 그려지는 루프의 기울기가 점차 감소함을 확인하였다. 이는 축차응력이 반복적으로 작용함에 따라 과잉간극수압이 증가하여 토립자간의 접촉이 끊어져 시료의 강성이 감소하는 것으로 판단된다. Fig. 6(d)는 응력 경로이며, 과잉간극수압이 증가함에 따라 유효구속응력이 점차적으로 감소하여 0에 거의 도달함을 확인할 수 있었다.
Table 3.
Results of Cyclic Triaxial test
| Relative density | 40% | 80% | ||||||
| Test No. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| CSR | 0.19 | 0.17 | 0.14 | 0.11 | 0.22 | 0.19 | 0.18 | 0.17 |
| Nliq | 2.9 | 5.9 | 22.9 | 63.4 | 4.8 | 5.3 | 13.8 | 26.4 |
Fig. 7은 상대밀도가 각각 40%와 80%일 때 가해지는 반복전단응력비에 대한 액상화 발생 시점에서의 반복 재하 횟수의 관계를 토대로 도시한 액상화 저항 곡선이다. 액상화 저항강도(CRR)는 국내의 경우 해양수산부(2018) 내진설계 기준에 의거한 지진규모 6.5에 해당하는 액상화 발생 시 반복 재하횟수 10회 시의 반복전단응력비(CSR)으로 정의하고 있으며, 국외의 경우 Seed et al.(1985)가 제안한 지진규모 7.5 기준 반복 재하횟수 15회 시의 반복전단응력비(CSR)를 사용하고 있다. 시험 결과를 토대로 도시한 액상화 저항곡선을 통해 국내 기준에 해당하는 액상화 저항강도(CRR)을 상대밀도 별로 산정하였다. 상대밀도가 40%인 경우 반복 재하횟수 10회에서의 액상화 저항강도는 0.15으로 산정되었으며 상대밀도가 80%인 경우에는 0.19로 산정되었다. 이를 통해 Seed and Lee(1966)이 언급한 바와 같이, 상대 밀도가 클수록 간극비가 감소하여 입자간 접촉력이 강해짐에 따라 액상화 저항강도가 증가하는 경향을 나타내었다.
3.2 전단파 속도 측정 결과
전단파 속도(VS)는 지반의 강성(Stiffness)를 나타내는 전단탄성계수(G)와 관련된 정수로서 간극비와 유효구속응력에 대해 큰 영향을 받는다(Hardin and Drnevich, 1972). 지반의 액상화를 평가하는 다른 현장 시험(SPT, CPT 등)과는 달리 지반을 교란시키지 않는 범위 내에서 연속된 지반정보의 획득이 가능하며 관입이 불가능한 지반에서도 측정할 수 있다는 장점들을 가지고 있다(Boulanger and Idriss, 2008).
본 연구에서는 진동삼축시험 과정 동안 벤더 엘리먼트 장비를 통해 정현파 형태의 신호를 2kHz의 주파수로 송출하였으며 보다 정확한 신호 획득을 위하여 총 64개의 신호를 이용하여 스태킹(Stacking)을 수행하였다. 전단파 속도 산정을 위해 끝단 거리와 전단파 도달 시간을 2.3.2절에 제시한 바와 같이 결정하였다. 전단파 속도 VS는 지진 발생 전 지반의 현장 상태 조건을 모사하기 위하여 진동삼축시험 도중 압밀단계 종료 시점에서 측정한 값을 사용하였다. 공시체의 압밀을 완료한 시점에서 측정한 전단파 도달 시간과 식 (1)을 통해 산정된 전단파 속도를 Table 4에 제시하였다. 같은 상대밀도 조건에서 시험별 측정 전단파 속도는 거의 유사하므로, 대표값으로 평균치를 사용하였다. 측정 결과, 상대 밀도 40%의 경우 162m/s, 상대 밀도 80%에서의 전단파 속도는 177m/s로 측정되어 상대 밀도 80%에서의 전단파 속도가 상대 밀도 40%의 경우보다 빠른 것으로 확인되었다. 이는 상대 밀도가 증가함에 따라 간극비가 감소하여 전단파가 시료를 빠르게 통과하기 때문으로 판단된다.
4. 기존 문헌 결과와의 비교
본 연구에서 산정한 포항 송림공원 현장 모래의 액상화 저항강도를 정량적으로 파악하기 위하여 국내 기존 문헌 연구 결과와의 비교를 수행하였다. 본 연구에서 설정한 상대밀도(40%, 80%)와 유사한 조건에서 수행된 진동삼축시험 또는 반복직접단순전단시험을 통해 산정된 액상화 저항강도와 함께 참조한 문헌과 시험 조건 및 사용 시료 등의 자세한 내용을 Table 5에 정리하여 나타내었으며, Fig. 8에 포항 현장 모래의 상대밀도에 따른 CRR 변화와 함께 기존 연구자들이 제시한 사질토의 상대밀도에 따른 CRR 변화를 나타내었다. 등방 조건에서 압밀 후 축방향 응력을 반복 재하하여 시료 내 45° 경사면에 전단응력이 발생하는 진동삼축시험과는 달리 반복직접단순전단시험은 측방향에 구속압을 가하는 대신 와이어 보강 멤브레인 또는 전단링을 통해 측방향 변위를 억제한 채 시료에 연직응력을 재하하여 이방 조건으로 압밀하게 되며, 수평방향으로 직접 전단응력을 반복적으로 가해 시료를 전단시킨다. 이러한 차이로 인해 각 시험을 통해 결정된 액상화 저항강도를 직접적으로 비교하는 것은 무리가 있다 판단하여 Idriss and Boulanger(2008)이 제안한 보정식(식 (2))을 사용하여 반복직접단순전단시험 결과를 진동삼축시험 결과로 보정하였다. Idriss and Boulanger(2008)는 두 동적실내시험에서 시료의 서로 다른 압밀응력상태를 고려하여 반복직접단순전단시험에서의 CRR과 진동삼축시험에서의 CRR의 상관관계를 아래의 식과 같이 제시하였다.
Table 5.
Comparison of Cyclic resistance ratio from this study and reference
| Sand | Test type | Dr (%) | Friction angle (φ') | K0 | CRR | Reference |
|
Pohang sand (Songlim) | CTX | 40, 80 | 30 | 0.50 | 0.15, 0.19 | This study |
| Nakdong River sand | CTX | 45, 82 | 30 | 0.50 | 0.18, 0.38 | Park et al. (2011) |
|
Grey sand (Pohang MC) | CDSS | 40, 85 | 30 | 0.50 |
0.14, 0.19 (0.21, 0.29)* | Park et al. (2018) |
|
Orche sand (Pohang MC) | CDSS | 40, 85 | 30 | 0.50 |
0.15, 0.21 (0.22, 0.31)* | |
| Jumunjin sand | CDSS | 40, 80 | 34 | 0.44 |
0.17, 0.25 (0.27, 0.40)* | Mandokhail et al. (2016) |
| Ottawa sand | CDSS | 40, 80 | 28 | 0.53 |
0.13, 0.24 (0.19, 0.35)* |
| $$CRR_{CDSS}=\left(\frac{1+2K_0}3\right)CRR_{CTX}$$ | (2) |
여기서, CRRCDSS와 CRRCTX는 각각 반복직접단순전단시험과 진동삼축시험을 통해 산정한 액상화 저항강도이며, K0는 사용 시료의 정지토압계수를 의미한다. 정지토압계수 K0는 Jaky가 제안한 산정식을 사용하여 산정하였다(식 (3)). 내부마찰각은 본 연구에서 사용한 포항 송림공원 모래의 경우 직접전단시험을 수행하여 내부마찰각을 30°로 결정하였고 주문진 표준사와 오타와 모래의 경우 기존 연구에서 제시된 값을 사용하였으며(Lee et al., 2013; Santamarina and Cho, 2001), 나머지 사질토의 경우 사질토에서 통상적으로 사용되는 값인 30°로 가정하였다. 비교에 사용된 사질토의 내부마찰각 및 정지토압계수를 Table 5에 나타내었다.
| $$K_0=1-\sin\phi'$$ | (3) |
비교 결과, 본 연구에서 사용한 포항 송림공원 현장 모래의 액상화 저항강도가 두 상대밀도 조건 모두에서 다른 사질토의 저항강도에 비해 가장 낮은 것으로 나타났으며, 그 다음으로 Park et al.(2018)이 사용한 포항 망천리 액상화 발생 지역에서 채취한 두 모래가 낮은 값을 가지고 있음을 확인하였다. 상대밀도가 느슨한 상태(40% - 45%)에서 조밀한 상태(80% - 85%)로 변화함에 따른 액상화 저항강도 증가량은 Mandokhail et al.(2016)가 사용한 주문진 표준사와 오타와 모래, 그리고 Park et al.(2011)이 사용한 낙동강 모래가 각각 48%, 84%, 111%로 나타난 것에 비해 세 가지 포항 모래의 경우 각각 27%, 38%, 47%로 다른 모래의 액상화 저항강도 증가량(48% - 111%)에 비해 최대 64% 정도 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 이를 통해 포항 지역의 모래가 다른 사질토에 비해 액상화에 대해 낮은 저항력을 지니고 있으므로 지진 시 액상화 발생에 취약하다는 사실을 확인할 수 있었다.
추가적으로, 입도분포가 액상화 저항강도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 Yamazaki et al.(1998)가 제시한 액상화 발생 가능성 도표에 포항 모래의 입도분포곡선과 함께 주문진 표준사 및 오타와 모래의 입도분포곡선을 함께 Fig. 9에 도시하였다. 입도분포곡선의 경우, 포항 모래는 본 연구에서 수행한 물성 시험결과 곡선을 사용하였으며, 주문진 표준사 및 오타와 모래의 경우 기존 문헌에 제시된 곡선을 이용하였다(Santamarina and Cho, 2001; Yoo and Park, 2015).
Fig. 9.
Particle distribution of soils having the possibility of liquefaction (Yamazaki et al., 1998)
도시한 결과, 세 시료 모두 액상화 발생 가능성이 있는 구역 내에 위치하고 있으며, 특히 포항 모래의 경우 액상화 발생 가능성이 높은 (A) 구역 내에 위치하고 있음을 확인하였다. 각 시료의 액상화 저항강도는 상대밀도 40% 조건에서 포항 모래, 주문진 표준사, 오타와 모래가 각각 0.15, 0.27, 0.19으로 산정되었다. 상대밀도 80% 조건에서는 포항 모래, 주문진 표준사, 오타와 모래가 각각 0.19, 0.40, 0.35으로 확인되었다. 액상화 저항강도 비교를 통해 액상화 발생 가능성 도표 상 (A) 구역에 위치하고 있는 포항 모래의 액상화 저항강도가 현저히 낮은 것으로 확인되었다. 이와 같은 결과는 Yamazaki et al.(1998)이 제시한 액상화 발생 가능성 도표 결과와 부합하며, 이 도표를 적용하여 입도분포의 영향을 평가하는 것이 적절하다는 사실을 나타낸다.
5. 전단파 속도(VS)를 활용한 액상화 저항강도 평가
앞서 진동삼축시험을 통해 산정한 액상화 저항강도의 적절성을 확인하기 위하여 측정한 전단파 속도와 함께 Andrus and Stokoe(2000)이 제시한 지진규모 7.5 기준에서의 현장 실측 데이터를 기반으로 작성된 세립분 함유량 5% 이하의 깨끗한 모래(Clean sand) 지반의 액상화 저항강도(CRR)과 보정 전단파 속도(VS1)의 관계 곡선에 본 연구에서 수행한 포항 현장 모래 결과를 Fig. 10에 도시하였다. 해당 곡선은 실제 현장 지반의 액상화 평가를 위하여 전단파 속도를 사용하여 평가지반의 액상화 저항강도를 산정하는데 활용되고 있으며, 산정 곡선을 기준으로 현장 조사 결과에 의한 점의 배치에 따라 액상화 발생 여부를 개괄적으로 예측할 수 있다(Boulanger and Idriss, 2008). 먼저 Andrus and Stokoe(2000)가 제안한 아래의 식 (4)를 통해 측정된 VS를 유효 상재압력에 대하여 보정하였다.
| $$V_{S1}=V_S\left(\frac{P_a}{\sigma'_{vc}}\right)^{0.25}$$ | (4) |
여기서, Pa는 대기압이며 σ'vc는 지반에 작용하고 있는 유효구속응력을 뜻한다. Andrus and Stokoe(2000)이 언급한 바에 따라 Pa의 추천 값으로 100kPa를 사용하였다. CRR은 Fig. 7에 제시된 액상화 저항곡선에서 반복하중 재하횟수 15회에 해당하는 CRR 값을 사용하였다.
본 연구에서 산정한 액상화 저항강도는 모두 실내시험을 통해 결정된 값으로, 현장 실측 데이터와의 비교를 위해 현장상태를 고려한 보정 과정이 요구된다. Yoshimi et al.(1989)는 진동삼축시험 결과를 현장에 적용하기 위하여 다음과 같은 보정식을 제안하였다.
| $$CRR_{field}=0.9\left(\frac{1+2K_0}3\right)CRR_{CTX}$$ | (5) |
여기서, CRRfield는 현장에서 평가된 액상화 저항강도이고, CRRCTX는 실내 진동삼축시험을 통해 산정한 액상화 저항강도이다. 또한 0.9는 지진 방향성을 고려한 계수이며, 는 K0 조건에서의 현장응력상태에 대한 보정계수이다. 정지토압계수 K0는 Table 5에 산정한 값을 사용하였다. 일련의 과정을 통해 결정한 보정계수 및 현장조건에 맞게 수정한 액상화 저항강도를 앞서 산정한 보정 전단파 속도(VS1)과 함께 Table 6에 나타내었다. 도시한 결과, 본 연구에서 수행된 결과는 Andrus and Stokoe(2000)가 제안한 현장 액상화 평가곡선에 근접하였다. 이를 통해 본 연구에서 실내 동적시험을 통해 측정된 전단파 속도와 액상화 저항강도가 적절하게 평가되었음을 확인하였다.
6. 결 론
본 연구에서는 포항 지역의 액상화 발생 현장 중 하나인 송도동 송림공원에서 채취한 모래의 액상화 저항 특성을 연구하였다. 이를 위해 두 가지 상대 밀도 조건(40%, 80%)에 맞추어 시료를 제작하였고, 진동삼축시험 및 전단파 속도 측정을 수행하였다. 시험을 통해 액상화 저항강도에 대한 두 가지 인자(입도분포, 상대밀도)의 영향을 확인하였으며 실제 현장에서 사용되는 액상화 평가 곡선과의 비교를 통해 시험 결과의 신뢰성을 확인하였다. 본 연구를 토대로 도출한 결론은 다음과 같다:
(1) 포항 현장 모래의 입도분포곡선을 토대로 Yamazaki et al.(1998)이 제안한 액상화 발생 가능성 도표와 비교하여 예비평가를 실시한 결과, 액상화 발생 가능성이 가장 높은 구간에 위치하여 액상화 평가의 필요성을 확인하였다.
(2) 진동삼축시험 결과, 포항 현장 모래의 액상화 저항강도는 상대 밀도 40% 조건에서 국내기준 0.15이고, 80% 조건에서 0.19로, 상대 밀도가 2배 증가함에 따라 액상화 저항강도의 증가량은 약 27%로 나타났다. 추가적으로 국내 기존 문헌 결과와의 비교를 통해 포항 지역 모래의 액상화 저항강도가 다른 사질토에 비해 낮은 값을 가지고 있음을 확인하였다. 또한 포항 지역 모래의 상대밀도 증가에 따른 액상화 저항강도 증가량은 약 27%에서 47% 정도로 다른 모래의 액상화 저항강도 증가량(48% - 111%)에 비해 다소 낮은 것으로 확인되었다. 이에 대한 원인 분석을 위해 포항 현장 모래를 사용하여 직접전단시험과 같은 정적 시험을 수행하여 본 연구에서 확인한 포항 현장 모래의 동적 특성과 정적 특성에 대한 비교 및 분석을 수행하고, 나아가서 SEM 사진을 통한 입자 형상에 대한 영향을 확인하여 주문진 표준사와 같은 다른 사질토 시료와의 비교를 수행하는 등의 추가적인 연구가 필요할 것이라 판단된다.
(3) 포항 모래와 함께 주문진 표준사 및 오타와 모래의 입도분포곡선을 토대로 국내 액상화 예비 평가에 사용되는 Yamazaki et al.(1998)의 액상화 발생가능성 도표에 도시한 결과, 액상화 발생 가능성이 가장 높은 구역에 위치한 포항 모래의 액상화 저항강도가 다른 두 모래에 비해 현저히 낮은 값으로 산정되어 액상화에 대한 저항력이 약한 것으로 나타났다. 이를 통해 액상화 저항강도에 대한 입도분포의 영향을 확인하였다.
(4) 전단파 속도 측정 결과, 상대 밀도 40%의 경우 전단파 속도는 162m/s이며 상대 밀도 80%의 경우 전단파 속도는 177m/s로 측정되었다. 또한, Andrus and Stokoe(2000)가 제시한 현장 실측 VS1 기반 액상화 저항강도 산정 곡선에 대입한 결과, 해당 곡선에 근접하여 본 연구에서의 액상화 강도 및 전단파 속도가 적절하게 평가되었음을 확인하였다. 향후 추가적인 실험을 통해 포항 지역 현장 지반에 대하여 실제 현장 조건을 모사하여 수행한 결과를 포함하여 다양한 상대밀도 조건에서의 액상화 저항강도 및 전단파 속도 데이터가 확보되어 산정 곡선과의 경향성을 확인한다면, 포항 지반 특성에 부합하는 액상화 강도 산정 곡선을 제시할 수 있을 것이라 판단된다.
