1. 서 론
2. 표준안 개요
2.1 해외기준 현황
국내 표준안
3. 비교실험
3.1 주문진표준사
3.2 실험조건
4. 실험결과
4.1 기존 방법 실험결과
4.2 KS 표준에 따른 실험결과
4.3 KS표준 제정 전·후 실험결과 비교
5. 결 론
1. 서 론
1964년 니이가타 및 알래스카 지진에서 액상화가 발생한 이래 액상화에 관한 많은 연구가 진행되었고 지진 시 흙의 액상화에 대한 저항성을 평가할 수 있는 방법들이 개발되었다. 국내에서도 2017년 발생한 포항지진에서 계기지진이래 최초로 액상화 현상이 보고된 이후 액상화에 대한 국민의 경각심이 고조되었으며, 액상화에 관한 많은 연구가 수행되었다(Park et al., 2018; Kim et al., 2020; Hwang et al., 2020).
흙의 액상화에 대한 저항성은 일반적으로 반복저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)로 나타낸다(Seed and Idriss, 1971; Yoshimi et al., 1997; Finn, 1981). 반복전단응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)는 표준관입시험이나 콘관입시험과 같은 현장시험기반으로 산출하는 간편법(Bounlanger and Idriss, 2004)과 반복삼축강도시험, 반복단순전단시험, 반복전단비틂시험 등의 실내실험으로 산출하는 방법이 있다(Ishihara and Li, 1972; Polito and Marin, 2001; Lentini and Castelli, 2019). 현장시험을 기반으로 한 액상화 저항성평가 방법은 실제 액상화가 발생했던 지점의 데이터(Koizumi, 1966; Kishida, 1966)와 실내실험을 통해 얻어진 데이터를 기반으로 발전되어 왔다(Seed and Idriss, 1971). 최근에는 표준관입시험 뿐만 아니라 콘관입시험과 전단파속도를 바탕으로 한 액상화평가차트도 많은 연구가 수행되었다(Kayabali, 1996; Ji et al., 2022; Shibata and Teparaksa, 1988; Boulanger and Idriss, 2016). 하지만, 최근 연구에 따르면 표준관입시험과 같은 현장시험만으로는 연대효과(Aging effect)와 같은 반복전단응력비에 큰 영향을 주는 인자를 파악하기 어렵다는 한계가 있다(Rahimi et al., 2020). 따라서 보다 상세한 액상화 평가를 위해서는 현장에서 채취한 시료를 활용한 실내 액상화 실험을 통한 반복전단응력비 평가가 필요하다. 하지만, 국내에서는 2018년 12월 국토교통부 설계기준 ‘내진설계일반(KDS 17 10 00)’을 제정하면서 기준 내 액상화 설계기준은 예비평가와 본 평가로 단순화하고, 상세 평가 시 반복삼축강도시험으로 반복전단응력을 평가하는 방법을 삭제하였다.
설계기준에서 반복삼축강도시험을 통한 반복전단응력을 평가하는 방법은 삭제되었지만 설계 시 지반조사를 수행할 때 많은 기관에서 간편법 뿐만 아니라 반복삼축강도시험을 통한 반복전단응력비 산출을 병행하고 있다. 또한, 신뢰도 있는 액상화 수치해석을 위해서는 현장시료의 실내실험을 통한 변형률-전단강성 곡선 및 반복하중 재하시의 과잉간극수압 및 전단변형률 변화와 같은 동적전단특성이 요구된다.
현재 국내에서는 대략 4곳의 품질시험 전문기관에서 연간 200회 내외의 시험이 수행된다고 알려져 있으며, 그 외 연구기관에서 연구를 위한 실험이 진행되고 있다. 그러나 현재 액상화 평가를 위한 반복삼축강도시험에 관한 객관화된 표준이 없어 각 기관별로 상이한 문헌을 참고하여 별개의 방법으로 실험이 진행되고 있는 것이 현실이다. 따라서 동일한 시료라고 하더라도 서로 다른 결과가 도출될 가능성이 상당히 높다. 따라서 본 연구에서는 미국 및 일본의 액상화 평가를 위한 반복삼축강도시험 기준 및 국내 실험장비 실정을 분석하고 국내 환경에 맞는 실험방법 표준화를 진행하였다. 표준화된 실험방법의 효용성을 검토하기 위해 실험방법 표준화 전·후에 여러 기관에 대한 블라인드 테스트를 진행하였다.
2. 표준안 개요
2.1 해외기준 현황
미국과 일본에서는 반복삼축강도시험을 통한 액상화평가 방법에 관한 표준을 만들어 사용하고 있다. 미국의 경우 ‘ASTM D5311 Standard test method for load controlled cyclic triaxial strength of soil’을 통해 반복삼축강도시험장비를 통한 액상화 저항강도 평가 방법을 제시하고 있다. 일본의 경우 ‘JGS 0541-2009 흙의 반복 비배수 삼축압축방법’을 통해 반복삼축강도시험장비를 통한 액상화 저항강도에 관한 방법을 제시하고 있으며, 일본의 경우 해설서를 통해 실험을 수행함에 있어 고려해야 할 사항 등에 관하여 자세하게 설명하고 있다. 반복삼축강도시험을 바탕으로 한 액상화저항강도 평가에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 공시체크기, 공시체작성방법, 포화도, 응력상태(등방 또는 이방), 하중재하 주파수, 액상화 판단기준 등을 들 수 있다. 본 연구에서는 미국과 일본의 실험 표준을 바탕으로 국내 실정에 맞는 표준을 작성하였다.
2.2 국내 표준안
국내 실정에 맞는 액상화 평가를 위한 반복실내시험 표준을 만들고자 미국(ASTM)과 일본(JGS)의 반복삼축강도시험을 통한 액상화 평가법에 대한 분석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 2021년 12월에 ‘흙의 액상화 평가를 위한 반복 삼축 강도 시험 방법(KS F 2498:2021)’이 제정되었다. 본 표준에서는 반복삼축강도시험에 사용하는 공시체 크기를 70mm이상으로 규정하였다. JGS 0541 해설서에 따르면 공시체 직경이 50mm인 경우 70mm이상인 경우와 비교하여 상대적으로 편차가 크며 50mm의 경우가 70mm이상보다 저항강도가 크게 나온다고 명시하고 있다. 이에 따라 국내 표준에서는 보수적인 평가를 위하여 재성형시료의 경우 직경 70mm 이상으로 조성하도록 하였다. JGS 0541의 경우 공시체 크기를 50mm이상으로 규정하면서도 가능한 직경이 큰 공시체를 사용하는 것을 권장하고 있다. 미국의 경우도 51mm이상의 공시체를 사용하는 것을 제시하고 있으나 이는 현장시료를 활용하는 등의 사항을 고려한 것으로 보이며, 이를 고려하여 국내 표준안에서도 현장시료의 경우 50mm공시체를 사용가능하도록 하였다. 표준안에서는 액상화 저항강도에 큰 영향을 줄 수 있는 공시체 성형방법을 불교란시료, 교란시료, 동결시료로 나누어서 제시하였다. 가장 널리 사용되는 교란시료의 경우 다짐법과 자유낙하법을 제시하였으며, 각 방법의 자세한 방식도 함께 제시하였다.
반복삼축강도시험을 통한 액상화 평가 시 공시체의 밀도와 더불어 포화도가 매우 중요한 인자이다. 포화도는 간극수압 계수 B(Skempton, 1954)를 통해서 측정한다. B값은 구속압 증가량에 대한 간극수압 증가량의 비로 표현된다. B값 변화에 따른 액상화 저항강도의 변화를 Fig. 1에 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이, B값 0.95에서 액상화 저항강도가 약 1~7%정도 차이가 발생하며, B값 0.9에서는 액상화 저항강도가 최대 18%까지 차이가 발생한다는 것을 알 수 있다. 다만, B값이 1.0이 되도록 하는 것은 현실적으로 상당히 어렵기 때문에 본 연구에서는 미국과 일본의 기준 및 기존 문헌 등을 참고하여 B값이 0.95이상일 경우 완전포화로 간주하고 실험을 진행하도록 하였다.
시료의 포화 및 압밀이후에는 일정한 하중진폭으로 반복하중을 재하한다. 이때 반복하중은 미국과 일본의 기준을 참고하여 0.1~2Hz의 범위내의 정현파를 사용하도록 하였으며, 가능한 정확한 데이터 취득을 위해 0.1Hz를 권장주파수로 제시하였다. 반복재하 중 1)양진폭변형률이 15%를 초과한 경우, 2)반복하중이 500회를 초과한 경우, 3)하중 파형이 허용 가능한 값을 초과한 경우 중 하나를 만족하면 실험을 종료하도록 하였다. 액상화 평가를 위한 반복전단응력비의 산정은 양진폭변형률 5%를 기준으로 하였다. 최소 3회 이상의 실험을 실시하여 양진폭변형률이 5%가 될떄의 반복횟수를 산출하고 이를 바탕으로 액상화 저항곡선을 작성하도록 하였다. 반복전단응력비는 내진설계를 위해 상정하는 지진규모에 따라 산정하게 되는데 규모 6.5조건에서 반복횟수 10회를 사용하도록 하였다.
Table 1.
Comparison of standard of Korea, USA, and Japan
3. 비교실험
3.1 주문진표준사
본 연구에서 수행된 모든 반복삼축강도시험에서는 주문진표준사를 사용하였다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이, 주문진표준사는 흙입자가 균질한 모래로서, 입도분포가 나쁜 모래로 분류되며, USCS 통일분류법 상 SP(Poorly Graded Sand)에 해당한다.
또한, 최대건조밀도(γd,max) 및 최소건조밀도(γd,min) 시험을 수행하였고, 이를 바탕으로 상대밀도 40%, 60%, 80%에 해당하는 건조단위중량(Dry unit weight)을 산정하였다. Table 2에 나타낸 바와 같이, 상대밀도 40%, 60%, 80%에 해당하는 건조단위중량은 각각 14.294kN/m3, 14.961kN/m3, 15.694kN/m3이며, 이를 반영하여 교란시료를 조성하여 실험을 수행하였다.
Table 2.
Target dry unit weight for each relative density
| Type | Dry unit weight (γd, kN/m3) | |||
|
Maximum dry unit weight (γd,max) |
Minimum dry unit weight (γd,min) | Relative density 40% | Relative density 60% | Relative density 80% |
| 16.503 | 13.122 | 14.294 | 14.961 | 15.694 |
3.2 실험조건
액상화 실내시험 방법의 표준화 제정에 따른 효과를 비교하기 위하여, (A) 기존의 표준화되지 않은 실험방법과 (B) KS표준에 따른 실험방법으로 반복삼축강도시험을 수행하였다. 기존 방법의 경우, 실험을 수행함에 있어 특정 표준 또는 시험법을 제시하지 않고 수행기관에서 자율적으로 참고표준 또는 문헌을 선택하여 실험을 진행하였으며, 총 6개 기관에 실험을 의뢰하는 블라인드 테스트 방식으로 진행되었다. 주문진표준사를 사용하였으며, 목표 초기 상대밀도는 모두 60%에 압밀 시 유효구속압은 100kPa로 통일하였다. KS 표준에 따른 실험의 경우에도 마찬가지로 주문진표준사를 사용하고 압밀 시 유효구속압은 100kPa로 동일하였으나, 목표 초기 상대밀도는 Table 3에 나타낸바와 같이 40%, 60%, 80%로 세분화하여 실험을 수행하였다. 총 5개의 기관에 실험을 의뢰하였으며, 마찬가지로 블라인드 테스트 방식으로 진행하여 결과를 수집하였다. 각 기관별로 다양한 장비를 활용하여 반복삼축강도시험을 수행하였으며, 미국 Geocomp사, 영국 GDS사와 더불어 국내 Geo TM 및 연엔지니어링 등에서 제작된 장비가 사용되었음을 확인하였다.
4. 실험결과
4.1 기존 방법 실험결과
KS 표준 제정 전 반복삼축강도시험에 대한 블라인드 테스트를 실시하였으며, 총 6개(A1~A6)의 기관에서 미국 또는 일본의 반복삼축강도시험법을 바탕으로 각 기관별로 3~4회의 실험을 수행하였다. 그 결과, Table 4에 나타낸 바와 같이 각 기관별로 3~4회의 실험을 수행하여 반복전단응력비에 해당하는 반복 재하횟수(N)를 도출하였다. Fig. 3은 상대밀도 60% 조건에서 기존 방법으로 반복삼축강도시험을 수행하였을 때의 결과를 도시한 것으로서, 반복전단응력비와 반복 재하 횟수의 관계를 의미한다. 그림에 나타낸 바와 같이, 각 기관 별 실험결과 값이 넓게 분포하는 것을 알 수 있다. 또한, 실험결과를 바탕으로 액상화 저항곡선을 도시하기 위하여 Idriss and Boulanger(2008)가 제안한 급수함수를 도출하였다.
Table 4.
Cyclic triaxial strength test results (A1~A6, Dr=60%)
위의 수식에서 a와 b는 곡선의 매개변수이며, 반복저항응력비는 지진규모 6.5 조건에서 반복 재하횟수 10회에 해당하는 반복전단응력비로 정의된다. 시험결과를 바탕으로 각 케이스별 액상화 저항곡선을 도시하였으며, 시험결과의 편차를 확인하고자 N=10, N=15, N=20에 대응하는 반복저항응력비 값을 도출하였다. Table 5는 시험결과 별 맞춤곡선으로부터 도출된 매개변수, 각 케이스별 특정 N값에 대응되는 반복저항응력비와 그 평균, 표준편차를 정리한 결과이다. 반복 재하횟수 10, 15, 20회에 대응되는 반복저항응력비의 평균값은 각각 0.278, 0.262, 0.252이며, 표준편차는 0.053, 0.049, 0.048로 산출되었다. 반복저항응력비의 범위가 0.25~0.28에 분포하는 것을 감안하였을 때, 표준편차의 규모가 비교적 큰 값을 나타내는 것을 확인하였으며, 6개의 각 실험마다 결과의 차이가 크다는 것을 의미한다. 특히, 반복 재하횟수 10회에 해당하는 반복저항응력비의 값의 범위는 0.25~0.35로 가장 큰 편차를 보였으며, 반복삼축강도시험의 목적이 시료의 반복저항응력비를 산정하는 것임을 고려하면 신뢰도가 떨어지는 결과라 할 수 있다.
Table 5.
Liquefaction resistance curve analysis (A1~A6, Dr=60%)
4.2 KS 표준에 따른 실험결과
‘흙의 액상화 평가를 위한 반복 삼축 강도 시험 방법(KS F 2498:2021)’에 따라 실험을 수행한 기관은 총 5개(B1~B5)이며, Fig. 4에 대표 실험결과를 도시하였다. 상대밀도별 특정 반복전단응력비 조건에서의 (a) 반복 재하횟수에 따른 과잉간극수압비, (b) 축차응력과 축변형률의 관계, (c) 유효응력경로를 도시하였다.
Table 6에 나타낸 바와 같이 상대밀도 40%, 60%, 80%의 조건에서 각 기관별 4회씩 실험을 수행하여 반복전단응력비에 해당하는 반복 재하횟수(N)를 도출하였다. 각 실험 케이스별 시료조성 후에 산정한 상대밀도를 분석한 결과, 목표로 설정한 상대밀도와는 다소 차이가 발생하였으나 기관별 편차는 거의 발생하지 않았다. 이는 표준에 따른 일관된 방법에 의해 시료조성 절차를 진행한 결과라 볼 수 있다. 또한, 압밀 후 상대밀도는 시료조성 단계에 비해 평균적으로 약 3% 증가되는 것을 확인하였다.
Table 6.
Cyclic triaxial strength test results (B1~B5, Dr=40%/60%/80%)
또한, 앞서 기존 방법으로 실험한 결과와 마찬가지로 Idriss and Boulanger(2008)가 제안한 급수함수를 도출하여 액상화 저항곡선을 도시하였으며, 이를 Fig. 5에 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이, 상대밀도가 증가할수록 액상화 저항곡선의 편차가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 시료를 조성할 때 상대밀도가 작을수록, 즉 시료를 상대적으로 느슨한 상태로 조성해야 할수록 시료 조성의 난이도가 증가하게 된다. 교란시료의 경우, 자유낙하법에 따라 시료를 조성하는 과정에서 상부층 시료 무게로 인한 압력이나, 시료 조성이 완료된 후 시료 높이를 맞추고 상부 캡을 씌우는 과정에서 발생하는 압력으로 인하여 상대밀도가 증가할 수 있으며, 이로 인해 시료 조성의 편차가 발생할 수 있다. 이에 반해, 상대밀도가 증가할수록 조밀한 시료를 조성하고자 다짐을 통해 목표 밀도에 도달하므로, 상대적으로 민감도가 떨어진다. 따라서 상대밀도가 증가할수록 액상화 저항곡선의 편차가 줄어드는 경향을 나타냈다고 볼 수 있다.
이와 더불어, 액상화 저항곡선으로부터 N=10, N=15, N=20에 대응되는 반복저항응력비 값을 도출하여 분석한 결과를 Table 7에 정리하였다. 상대밀도 40%, 60%, 80%의 조건에서 표준편차는 각각 0.039, 0.021, 0.01로 도출되었으며, 상대밀도가 증가할수록 표준편차가 현저하게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이와 더불어, 상대밀도별 특정 반복 재하횟수에 대응되는 반복저항응력비 값의 분포를 Fig. 6에 나타내었다. 상자로 표현된 영역은 최댓값과 최솟값을 제외한 데이터의 범위를 의미하며, 상자 중간에 선으로 표시된 값이 반복저항응력비의 평균값을 의미한다. 그림에서 알 수 있듯이, 상대밀도가 증가할수록 데이터의 범위가 좁아지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 상대밀도가 증가할수록 높은 재현성을 나타낸다고 볼 수 있다.
Table 7.
Liquefaction resistance curve analysis (B1~B5)
(a) Dr=40%
(b) Dr=60%
(c) Dr=80%
다만, 상대밀도 40%의 경우, B1의 결과를 제외한 나머지(B2~B5) 결과만으로 표준편차를 산정하게 되면 0.018로 크게 감소한다. 이를 감안한다면, KS 표준에 따라 수행한 모든 실험조건(상대밀도 40%/60%/80%)에서 대체로 적은 편차를 나타내었으며, 신뢰성있는 결과를 도출하였다고 볼 수 있다.
반복삼축강도시험을 통해 주문진표준사의 액상화평가를 수행한 기존 연구 결과를 보면, 상대밀도 40%~80% 조건에서 반복저항응력비가 0.20~0.40의 범위에서 결정됨을 확인하였다(Koh and Doh, 1991; Hwang et al., 2020; Seo and Kim, 2021). 본 연구에서 확인된 상대밀도 40%, 60%, 80% 조건에서의 반복저항응력비는 각각 0.198, 0.272, 0.383로 기존 연구결과와 유사하였다.
4.3 KS표준 제정 전·후 실험결과 비교
KS 표준 제정 전·후의 결과를 비교하고자, 상대밀도 60%에 대한 반복삼축강도시험 결과의 비교·분석을 수행하였다. 기존 방법으로 수행한 실험결과, 6개 실험에서의 액상화 저항곡선으로 산정한 값의 평균으로 반복저항응력비를 산정하였으며, 그 값은 0.278로 나타났다. KS 표준에 따른 실험의 경우, 마찬가지로 0.272로 산정되었으며, 두 값에 큰 차이는 없는 것으로 판단하였다. 다만, 반복 재하횟수 10회, 15회, 20회에 대한 반복저항응력비의 표준편차를 계산한 결과, 기존 방법 실험결과의 평균값이 0.050의 큰 값을 나타낸 반면, KS 표준에 따른 실험결과에서는 0.021의 비교적 낮은 수치를 나타내었다. 실험결과의 편차를 보다 직관적으로 비교하고자, Fig. 7에 특정 반복 재하횟수에 대응되는 반복저항응력비의 분포를 도시하였다. KS 표준 제정 전·후의 결과를 비교하였을 때, 제정 후에 수행된 실험결과 값이 현저하게 좁은 범위에 분포하고 있음을 알 수 있으며, 특히 최댓값과 최솟값을 제외한 데이터의 범위를 표현한 상자 크기는 큰 차이를 보였다.
또한, 상대밀도 60% 조건에서 기존 방법과 KS 표준에 따른 방법으로 수행한 모든 실험결과를 Fig. 8에 도시하였다. 그림에서 알 수 있듯이, KS 표준에 따른 실험결과가 좁은 구간에 분포하는 반면, 기존 방법으로 실험한 결과들의 분포는 보다 넓게 퍼져 있음을 알 수 있다. 결론적으로, 표준화된 방법으로 실험을 수행함으로써, 재현성을 향상시키고 신뢰도 높은 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다.
5. 결 론
본 연구에서는 반복삼축강도시험 KS표준(KS F 2498:2021)의 제정에 따른 효과를 비교하고자, 제정 전 기존의 방법으로 수행한 반복삼축강도시험 결과와 KS표준을 바탕으로 수행된 시험결과들에 대한 비교연구를 수행하였다. 기존 방법의 경우, KS표준을 제정하기 전에 총 6개 기관에서 미국 또는 일본의 반복삼축강도시험 표준을 참조하여 주문진표준사를 활용하여 상대밀도 60% 조건에서 실험을 수행하고 결과를 도출하였다. 또한, KS표준에 따라 총 5개의 기관에 동일한 흙을 활용하여 상대밀도 40%, 60%, 80% 조건에서의 실험을 의뢰하였으며, 그 결과들을 바탕으로 도출된 액상화 저항곡선의 매개변수들과 액상화 저항강도 값들을 비교·분석하였다.
KS 표준에 따라 수행된 실험결과들을 분석한 결과, 상대밀도 40%의 조건에서 다른 조건에 비해 큰 편차를 나타내었으며, 이를 바탕으로 상대밀도가 작을수록 시료조성의 난이도로 인하여 액상화 저항강도의 편차가 커지는 것으로 판단할 수 있다. 상대밀도 60%, 80% 조건에서 결과 간의 낮은 편차를 확인하였으며, 상대밀도 40%에서도 B1의 결과를 제외한 결과는 다른 조건과 마찬가지로 비교적 일관된 결과를 도출하였다. 따라서, KS 표준에 따른 실험 절차로 신뢰성 있는 결과를 도출하였다고 판단하였다.
KS 표준의 적용효과를 비교하고자, 상대밀도 60% 조건에 대하여 기존 방법과 KS표준에 따른 결과의 분포를 분석하였다. 그 결과, KS표준에 따른 결과의 편차가 기존 방법에 비하여 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 표준화된 방법으로 실험을 수행하는 것이 연구의 재현성을 향상시키고 신뢰도 높은 결과를 도출할 수 있다는 결론에 도달하였다.
