1. 서 론
2. 불교란시료의 채취, 보관 및 시료 조성
3. 반복삼축압축실험
3.1 시험장비
3.2 대상시료
3.3 시료조성
3.4 실험과정
4. 실험결과
4.1 액상화실험 결과
4.2 간이 액상화평가법에 따른 액상화저항강도
5. 결 론
1. 서 론
액상화는 지진과 같은 외력 특히 반복하중에 의해 포화된 지반의 유효응력이 ‘0’이 되어 액체처럼 거동하는 현상을 말한다. 니이가타지진(1964) 및 알래스카지진에서 액상화가 보고된 후, 지난 60년간 액상화에 관한 연구가 활발하게 진행되었으며, 특히 액상화 발생 메커니즘 뿐만 아니라 실내실험을 통한 액상화 특성을 평가하는 연구가 많이 수행되었다(Seed and Idriss, 1971; Ishihara and Li, 1972; Arulmoki et al., 1985; Iwasaki et al., 1984). 흙의 액상화에 대한 저항성을 나타내는 액상화 저항강도는 현장실험 결과를 바탕으로 산출하는 간편법과 실내 액상화 실험을 통해 도출하는 방법이 있다(Ishihara, 1996; Youd and Idriss, 2001). 현장실험 결과를 바탕으로 액상화 평가를 하는 방법에는 표준관입시험(Seed et al., 1985), 콘관입시험(CPT, Cone Pemetration Test)(Robertson and Wride, 1998), 전단파속도(Andrus and Stokoe, 2000) 등이 있으며 이외에도 여러 연구자들이 다양한 연구를 수행해왔다. 현장실험을 바탕으로 한 액상화 평가방법은 효율적이며 간편하지만 중요구조물 평가 및 안전율 1 부근의 결과가 도출될 경우 보다 상세한 평가가 필요하다. 일본국토교통성 ‘택지의 액상화 피해 가능성 판정에 관한 기술지침 및 해설(2013)’에 따르면 간편법에 따른 액상화 가능성지수(Liquefaction Potential Index, LPI)가 5이상 일 경우 현장시료를 활용한 실내실험을 수행하도록 권고하고 있다.
액상화저항강도를 평가하기 위한 동적실내실험에는 반복삼축시험기(Cyclic Triaxial), 반복중공비틂시험기(Cyclic Hollow Cylindrical Torsional), 반복단순전단시험기(Cyclic Simple Shear) 등이 있으며 반복삼축시험기를 활용하는 방법이 가장 널리 사용된다. 현장시료를 이용하여 동적실내실험을 수행할 때 중요한 것은 현장조건의 재현이다. 현장시료의 동적실내실험을 수행하는 방법은 불교란시료를 활용하는 방법과 교란시료를 채취하여 현장조건에 맞도록 재성형한 시료를 활용하는 방법이 있으나 재성형 시료의 경우 동일한 밀도의 공시체를 만들더라도 불교란시료와 상이한 결과를 나타낸다(Kiyota et al., 2013; Enomoto, 2019). 이는 불교란시료의 경우 연대효과라고 불리우는 인터로킹(Inter-locking)과 교결작용(Cementation)이 존재하나 교란된 재성형시료의 경우 이러한 연대효과가 상실된 상태가 되기 때문이다(Barton, 1993). Yoshimi et al.(1984, 1994), Hatanaka et al.(1985), Goto et al.(1992)에 따르면 동결샘플링방식으로 채취한 불교란 시료의 액상화 저항강도가 재성형시료보다 상당히 큰 값을 나타내며 이러한 차이는 연대효과에 따른 영향이라고 알려져 있다. 따라서 현장에서의 정확한 액상화저항강도를 평가하기 위해서는 불교란 시료를 활용하여 동적실내실험을 수행하는 것이 적절하다고 볼 수 있다.
불교란시료를 채취하는 방법에는 동결채취방식(Frozen sampling method)과 튜브샘플링방식(Tube Sampling) 등 다양한 방법이 있으며 이중에 동결채취방식이 가장 교란이 적다고 알려져 있다. 하지만 지반을 동결시켜 채취하는 방법은 기술적 난이도가 매우 높아 현재 국내에는 도입되지 못했으며 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다(Ghinonna and Porcino, 2006; Kiyota et al., 2009). 튜브샘플링 방식은 채취 시 시료에 교란이 발생하는 것 이외에 이동 및 보관 중에 추가 교란이 발생 할 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 사질토의 경우 샘플러에서 발췌 후 공시체로 성형하여 실험장비에 설치하는 것이 매우 어려워 널리 활용되지 못하고 있다.
본 연구에서는 이러한 튜브샘플링 방식의 단점을 보완하고 튜브샘플링 시료를 활용한 실내액상화실험을 진행하기 위해 현장에서 시료를 채취한 뒤 동결시키는 방식을 고안하였다. 시료를 현장에서 동결시킴으로써 이동 및 보관 중에 발생할 수 있는 교란의 최소화하고 실내실험을 위한 공시체 설치 시 사질토의 경우에도 추가적인 교란 발생 없이 실험 수행이 가능하다. 이를 통해 현장 샘플링 후 동결한 불교란시료를 활용한 실내액상화실험결과의 분석을 통하여 불교란시료 실험의 가능성 및 적절성을 검토하였다.
2. 불교란시료의 채취, 보관 및 시료 조성
본 연구에서 활용한 불교란시료는 2019년 포항 남구 송도동 송림공원 현장에서 채취한 현장시료로서, 해당 현장은 2017년 포항 지진 당시 지반 액상화 현상이 발생한 지역이다. 지진 당시 대표적 액상화 발생지역인 흥안리, 망천리와 같이 진앙지로부터 근거리에 위치한 지역은 아니었으나(Fig. 1), 액상화의 대표적인 현상이라 할 수 있는 샌드보일링(Sand boiling) 현상이 발생하였다.
연구과제(과제명: 흙막이 개착현장 주변의 지반함몰 예측 및 지진 시 액상화 평가 기술 개발)의 일환으로 2019년에 해당 현장에서 현장조사(표준관입시험, 콘관입시험, 탄성파 탐사 등)를 수행함과 동시에 무수 보링을 통한 현장 코어 샘플링을 실시하였다. 송도동 현장에서 채취한 시료는 총 6개의 코어 샘플이며, 채취된 현장시료는 교란을 최소화하기 위하여 즉시 동결시켜 영하 20도를 유지하는 냉동고에 보관하였다.
현장에서 실시한 표준관입시험 및 현장 샘플링 결과를 Fig. 2에 도시하였다. 표준관입저항치(N)와 지층분류 정보를 도시하였으며, 현장 조사 결과 대상 지반은 ‘실트질이 섞인 고운 모래’로 분류되었다. 본 연구에서는 해당 지반의 8.0~8.8m와 11.0~11.8m에서 채취한 불교란시료를 활용하였으며, 반복삼축압축시험을 수행한 후 입도분포시험을 수행하였다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이, USCS 통일분류법에 따라 SP(입도분포가 나쁜 모래)로 판명되었으며, 세립분 함유량은 6%에 불과하였다.
불교란시료는 Thin Wall Tube(황동관)를 활용하여 직경 7.5cm, 길이 1.0m의 코어 형태로 현장에서 채취되어 그대로 냉동보관 되었으며, 반복삼축압축실험 시료 조성을 위하여 수동식 시료발췌기를 사용하였다(Fig. 4). 코어 샘플을 발췌기에 얹어 고정한 후, 수동식 발췌기를 활용하여 시료를 발췌하였으며, 시료가 추출되는 코어 말단에는 마이터 박스를 설치하여 시료 상태를 확인하였다(Fig. 5). 마이터박스는 불교란시료 발췌 및 시료 조성 과정 중에 발생하는 교란을 최소화하기 위하여 제작된 장비로서, 1) 발췌기 높이에 맞춰 시료가 발췌됨과 동시에 단차로 인한 겉면 손실 없이 박스 내부에 자리잡을 수 있고, 또한 2) 반복삼축압축실험 시료 제원에 맞춤 제작됨에 따라 시료 조성 단계 간결화 등의 장점이 있다. 마이터 박스와 시료간의 접촉을 방지하기 위하여 마이터 박스 내부에 OHP 필름을 설치하였으며, 시료 발췌과정이 끝난 후 곧장 시료 상·하부를 정리하여 삼축셀에 시료를 조성하였다.
3. 반복삼축압축실험
3.1 시험장비
본 연구에서 사용된 실험 장비는 미국 Geocomp사에서 제작한 반복삼축압축 실험장비(Load-TracⅡ)로서, Fig. 6에 나타내었다. 이 실험장비는 공기압을 통해 셀압을 제어하며 Linear actuator 모터를 이용하여 축응력 제어가 이루어진다. 간극수압 제어는 일반적인 뷰렛방식이 아닌 주사기와 같이 피스톤을 모터의 직선운동으로 제어하는 방식을 채용하여 정확도를 높였다. 실험 과정 중에 연직 방향 응력 및 변위를 측정하기 위하여 각각 로드셀과 LVDT 2개를 설치하였으며, 고정핀 2개를 활용하여 실험 중에 삼축셀이 횡방향으로 움직이는 것을 방지하였다. 실험의 전과정은 소프트웨어를 통해 제어가 가능하며 결과를 실시간 그래프로 확인할 수 있다.
3.2 대상시료
본 연구에서 수행된 반복삼축압축실험은 포항 송도동 현장조사 대상지반 8∼8.8m, 11∼11.8m층에서 현장채취 된 총 2개의 코어 샘플에서 발췌한 불교란시료를 활용하여 수행되었다. 각각의 지층은 앞서 언급한 바와 같이, USCS 통일분류법에 따라 SP(입도분포가 나쁜 모래)로 분류된 지층이며, 각 심도별로 3개의 시료를 추출 및 조성하여 실험을 수행하였다. 실험 조건은 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Test conditions of cyclic triaxial test (Songdo-dong, Pohang)
| Test No. | Depth (m) | Effective vertical stress (kPa) | Wave type | Frequency (Hz) | CSR |
| 1 | 8.0~8.8 | 74 | Sine wave | 0.1 | 0.25 |
| 2 | 0.27 | ||||
| 3 | 0.29 | ||||
| 4 | 11.0~11.8 | 95 | Sine wave | 0.1 | 0.26 |
| 5 | 0.27 | ||||
| 6 | 0.28 |
3.3 시료조성
불교란시료의 목표 제원은 직경 7.5cm, 높이 15.0cm 이며, 해당 시료의 상태(표면, 지층, 불순물 유무 등)에 따라 조정하였다. 상·하부가 정리된 시료를 삼축셀에 설치하고(Fig. 7), 진공압을 가한 몰드를 이용하여 시료 겉면에 멤브레인을 설치하였다. 시료 겉면 손상 및 교란을 방지하기 위하여, 몰드는 시료 직경(7.5cm)보다 약 0.5cm 큰 직경의 몰드를 사용하였으며, 멤브레인을 씌우고 진공압을 가한 몰드를 시료 외부에 위치시킨 후, 시료 하부에서부터 멤브레인을 설치하였다. 삼축셀 하부받침대와 시료 상부 캡에는 진공 그리스를 도포한 뒤 멤브레인 연결부에 O링 2개씩을 설치하여 누수 및 누기를 방지하였다. 삼축셀에 설치된 시료를 자립시키고자, 시료 내부에 20kPa의 부압을 가한 후 삼축셀을 설치하였다(Fig. 8). 삼축셀을 설치한 후, 일정 간격으로 비접촉식 온도계를 이용하여 셀의 온도를 측정하였으며, 온도 변화를 통하여 시료의 해동 여부를 확인한 후 실험을 진행하였다.
3.4 실험과정
반복삼축압축실험을 수행하고자, 먼저 공시체 하부로부터 이산화탄소(CO2)를 천천히 순환시켜 내부 공기를 이산화탄소로 치환한 후 탈기수로 포화 시켰다. 공시체의 포화도를 확인하기 위하여 B값을 측정하였으며, 0.95 이상일 경우 완전포화로 간주하고 압밀 및 반복재하를 진행하였다. 현장시험 결과를 바탕으로, 대상현장에서 각 지층의 유효연직응력을 산정하였으며, 이 값을 바탕으로 압밀을 실시하였다. 원위치에서의 지반은 이방응력상태이나 현장의 정확한 토압계수(K)를 알 수 없는 점과 실험의 편의성을 위해 본 연구에서는 현장조사 결과를 통해 산출된 유효연직응력으로 등방압밀을 실시하였다. 압밀을 통해 발생하는 체적변형량을 실시간으로 확인하였으며, 법을 통하여 산정한 시간 당 침하량(mm)을 확인하여, 시료가 안정화 단계에 들어섰음을 확인한 후에 반복하중을 재하 하였다. 반복하중의 재하속도는 0.1Hz로 설정하였다.
일반적으로, 반복삼축압축실험기를 활용한 액상화 실내실험 시에 액상화 발생기준은 과잉간극수압비 또는 양방향축변형률로 판단하며(De Alba et al., 1976; Ishihara and Yamazaki, 1980), 본 연구에서는 시험 종료 시점을 양방향 축변형률이 5% 도달 시점으로 결정하여 실험을 수행하였다. 반복삼축압축실험 과정 중에 발생하는 과잉간극수압도 함께 측정하였으며, 과잉간극수압비가 1.0에 도달하는 지 여부도 함께 확인하였다.
4. 실험결과
4.1 액상화실험 결과
Fig. 9는 본 연구에서 수행한 Case 2 및 4의 결과를 나타낸다. 먼저 반복재하가 진행됨에 따라 축변형률이 점차적으로 증가하며 최종적으로 액상화로 판정하는 양진폭변형률 5%에 도달하는 것을 알 수 있다. 과잉간극수압비를 보면 반복재하가 진행됨에 따라 점차 증가하여 1.0에 도달하여 양진폭변형률 뿐 아니라 과잉간극수압비의 관점에서도 액상화가 발생하였다고 판단할 수 있다. Fig. 10은 반복재하 중의 응력-변형률 관계와 유효응력경로를 나타낸다. 과잉간극수압이 증가함에 따라 발생하는 최대 축변형량이 점차적으로 증가하며 루프의 기울기가 감소(할선전단강성 감소)해가는 것을 확인할 수 있다(Fig. 10(a)). Fig. 10(b)는 유효응력 경로이며, 과잉간극수압의 증가와 함께 유효응력이 점차적으로 감소하여 0에 도달하는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 현장에서 채취한 불교란 시료를 대상으로 실험을 수행하였기 때문에 각 공시체별 균일성에 대한 검토가 필요하다. 기존의 연구에서는 벤더엘리먼트 실험을 통해 각 공시체의 균일성을 검토하였으나(Hwang et al., 2020), 본 연구에서는 동결된 상태의 시료를 설치하였기 때문에 벤더엘리먼트 실험을 수행하기 위해 필요한 압전소자를 공시체 상하부에 끼우는 것이 불가능 하였다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 11과 같이 유효응력경로의 파괴선(Failure line)을 비교함으로써 공시체간의 밀도의 균일성을 검토하였다. 비록 불교란시료의 채취 및 설치 과정 등의 영향으로 인해서 유효응력 경로의 초기 1/4의 경향은 상이하나 유효응력이 0에 가까워져 Cyclic Mobility가 발생하는 시점의 파괴선 기울기를 보면 8.0∼8.8m 공시체의 경우 파괴선의 기울기는 대략 1.76로 동일하며 11.0∼11.8m의 경우도 1.67∼1.69로 거의 유사한 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 이를 통해 본 실험에서 활용한 각 심도에서의 불교란시료의 경우 동일한 밀도상태였다고 판단 할 수 있다.
4.2 간이 액상화평가법에 따른 액상화저항강도
본 연구의 실험결과와 간이평가법의 차이를 검토하기 위해 현장조사 결과를 바탕으로 구조물기초설계기준에 따라 다음 식을 이용해 진동저항응력비를 산출하였다.
여기서, 는 지진규모 7.5에 대한 진동저항응 력비(CRR7.5)를 나타내며, (N1)60cs는 에너지 효율 60%,상재하중, 세립분 함유량을 고려한 보정 값이다. 이때, 세립분 함유량은 다음 식을 활용하여 보정하였다.
여기서, (N1)60cs는 에너지효율 60% 및 상재하중을 보정한 N값을 나타낸다. 보정계수 α와 β는 Table 2에 제시되어 있으며 이때 FC는 세립분 함유량을 나타낸다. 지진규모(Magnitude)와 등가반복횟수(Equivalent number of cycles)의 관계에 대해서는 많은 연구가 이루어져 여러 가지 관계식이 제안되었다(Seed and Idriss, 1982; Idiriss and Boulanger, 2006; Verma et al., 2019). 구조물기초설계기준에서는 다음 식을 활용하여 지진규모 보정을 하도록 하고 있다.
Table 2.
Correction factor considering fine contents
| Type | FC≤5% | 5%≤FC≤35% | FC≥35% |
| α | 0 | exp[1.76-(190/FC2)] | 5 |
| β | 1 | [0.99+(FC1.5/1,000)] | 1.2 |
여기서, Mw는 지진규모를 나타낸다. 위의 식을 활용하면 국내에서 내진설계 시 자주 활용되는 지진규모 6.5에 대해서 MSF=1.44를 적용하며 이에 해당하는 반복횟수로 10회를 사용하고 있다. 문제는 Verma et al.(2019)의 연구에서도 알 수 있듯이 지진규모와 등가반복횟수의 관계가 연구자마다 상당히 다르다는 것이다. 본 연구에서는 지진규모 7.5와 6.5를 각각 등가반복횟수 15 및 10회로 간주하고 이를 실험결과와 비교하였다. 본 연구에서 산출한 간이평가 결과는 Table 3과 같다.
Table 3.
Liquefaction resistance ratio of sampling site
Fig. 12는 불교란시료의 액상화실험결과 및 간편법에 따른 액상화 저항강도를 나타낸다. 결과의 비교를 위하여 Hwang et al.(2020)이 수행했던 동일 장소의 심도 1.0∼1.8m에서 채취한 교란시료의 결과도 함께 도시하였다. 불교란 시료의 결과를 보면 심도 8.0∼8.8m와 11.0∼11.8m의 액상화저항강도곡선은 거의 유사한 것을 알 수 있으며 반복횟수 10회 와 15회에서 큰 차이 없이 거의 동일한 약 0.27을 나타냈다. 시추주상도를 바탕으로 간편법으로 산출한 액상화저항강도는 색칠되지 않은 검은색 사각형와 붉은색 원으로 나타냈다. 반복횟수 10회 기준 약 0.23, 15회 기준 약 0.2정도의 액상화저항강도를 가지는 것으로 평가되어, 간편법으로 산출한 액상화저항강도가 본 연구에서 실시한 불교란시료의 액상화저항강도와 비교하여 작은 것을 알 수 있다. 불교란 시료가 교란시료보다 큰 액상화저강도를 나타내는 것은 서론에서 언급했다시피 연대효과의 영향 때문이다. 또한, 간편법의 경우 현장실험결과의 하한치를 바탕으로 설정되었기 때문에 불교란시료를 통한 실내실험보다 작은 값을 나타낸 것으로 추정된다.
다만, 실내실험에서 얻어진 결과는 등방이력상태에서 수행되었고 하중의 방향이 단방향이기 때문에 이에 대한 보정이 필요하다. 본 연구에서는 다음 산정식을 활용하여 현장이력 상태를 고려한 액상화저항강도를 산출하였다(MOF, 2018).
여기서, CRR은 실내실험을 통해 얻어진 액상화 저항강도이며 K0을 0.5로 가정하여 결과를 보정하였다. 그 결과 반복횟수 15회에 대하여는 거의 유사한 결과를 나타냈으나 국내에서 활용하고 있는 반복횟수 10회와 비교하여서는 작은 값을 나타냈다. 다만 지진규모와 반복횟수의 관계는 연구자마다 제시하는 결과가 다르며 반복횟수의 차이에 따른 편차에 관해서서도 MSF 보정계수 등에 관한 추가 연구가 필요한 부분이기 때문에 이에 대한 고찰은 추가연구를 통해 진행하고자 한다.
5. 결 론
본 연구에서는 현장에서 채취한 불교란 시료를 채취 직후 동결시켜 이송 및 보관중의 교란을 방지하였으며, 특히 사질토의 경우 공시체 설치의 용이성을 확보하는 방안을 고안하였다. 채취한 불교란 시료는 반복삼축압축실험기를 통해 실내액상화실험을 수행하여 액상화 저항강도를 평가하였다. 먼저 현장에서 채취한시료를 바로 동결하여 활용함으로써 이동 및 시료설치 시 발생할 수 있는 교란을 최소화하는 방법을 검토하였다. 또한, 기존에 사질토의 경우 불교란시료를 채취하더라도 실내실험에 활용하기 어려웠던 것과 달리 사질토의 경우에도 시료동결을 통해 실내실험 시 공시체설치 등 과정에서 교란을 최소화하여 실험을 진행할 수 있다는 것을 확인하였다. 불교란시료의 반복재하 결과 기존의 재성형시료와 동일하게 양진폭축변형률이 5%에 도달한 시점에서 과잉간극수압비가 1.0에 도달하는 것이 확인되었으며, 반복재하시의 유효응력 경로로부터 각 깊이의 시료가 동일한 파괴선을 나타내는 것을 통해 동일한 상태의 흙임을 확인하였다.
불교란시료의 액상화실내실험을 통해 얻어진 결과를 보면 심도 8.0∼8.8m와 11.0∼11.8m의 결과가 거의 유사하였다. 이는 시추주상도 상 두 심도의 SPT-N값이 거의 유사했기 때문에 타당한 결과로 판단된다. 또한, 간편법을 통해 산출한 액상화저항강도와 비교한 결과 불교란 시료의 액상화 저항강도가 간편법에서 얻어진 값보다 큰 것으로 나타났다. 실내실험에서 산출한 액상화저항강도를 현장에 적용하기 위해서는 응력상태 및 하중재하방향등의 영향을 고려할 경우 반복횟수 15회의 경우 거의 유사한 결과를 나타내나 반복횟수 10회의 경우 상당한 차이가 발생하여 추가 연구를 통해 이에 대한 검토가 필요한 것으로 판단된다.
