Journal of the Korean Geotechnical Society. August 2021. 5-13
https://doi.org/10.7843/kgs.2021.37.8.5

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구대상 시료

  • 3. 반복삼축압축시험

  • 4. 반복삼축압축시험결과 및 분석

  •   4.1 액상화 발생

  •   4.2 축변형률과 반복횟수

  •   4.3 평균유효응력과 축차응력

  •   4.4 과잉간극수압비와 반복횟수

  •   4.5 점토 함유량의 영향

  • 5. 결 론

1. 서 론

포화되어 있는 느슨한 사질지반에 지진과 같은 동적인 반복하중(지진, 폭발, 진동, 파랑 등)이 작용하면 과잉간극수압이 발생하게 된다. 과잉간극수압이 지반의 초기 유효응력과 같아지면 지반은 전단강도를 상실하게 된다. 이와 같은 현상을 지반의 액상화 현상이라 한다. 과잉간극수압이 유효응력만큼 상승하지 못한 경우라도 유효응력은 증가된 과잉간극수압에 비례하여 감소하여 지반의 전단강도가 감소한다(Mogami and Kubo, 1953; Ishihara, 1985; Seed et al., 1985).

액상화 관련 연구는 주로 느슨한 사질토나 실트에 대하여 수행되었는데 일반적으로 흙은 세립분을 많이 포함하고 있다. 즉, 순수 모래나 실트는 일부 지역을 제외하고 거의 없으며 대부분 실트-점토, 모래-점토, 또는 실트-모래 등의 혼합 형태로 존재한다. 1970년대 이후에 흙 종류에 따른 액상화 발생 가능성에 대한 연구가 활발히 수행되었고 흙 종류, 입자의 크기에 따른 액상화 발생 가능성 여부를 검토되면서 세립분이 액상화 발생에 미치는 영향에 대한 연구가 수행되었다(Ishihara, 1985; Park et al., 2011).

Law and Ling(1992), Koester(1994), Hazirbaba and Rathje(2009) 등은 동일한 간극비에서 액상화 저항강도는 세립분의 함유량이 증가함에 따라 초기에 감소하지만 일정량의 세립분 함유률을 기준으로 다시 증가한다고 하였다. Finn et al.(1994), Vaid(1994), Zlatovic and Ishihara(1997) 등은 실트 함유률이 증가하면 액상화 저항강도가 감소한다고 보고하였다. 반면 Fei(1991)는 실트질 흙의 액상화 저항강도는 세립분이 증가할수록 증가한다고 하였으며, Seed et al.(1985)도 사질토에서 단순히 실트의 함유량이 증가할 경우에는 액상화 저항강도는 증가한다고 보았다.

Bouferra and Shahrour(2004)는 모래에 점토를 최대 15%까지 포함시켜 실시한 반복삼축시험에서 점토의 양이 증가함에 따라 액상화 저항강도는 감소하는 경향을 보였다. JGA and CSLT(1979)는 세립분 함유량에 따른 한계 SPT-N치를 제안하였다. 예를 들어, 세립분 함유량이 0%일 때는 한계 SPT-N치가 15이며, 함유량이 증가함에 따라 한계 SPT-N치가 감소하는 것을 제안하였다.

Prakach(1981)는 과잉간극수압의 누적과 액상화에 미치는 입자의 영향을 실내실험을 통해 연구하였다. 그의 연구에서는 입자의 영향을 투수성으로 표현하였는데 투수성이 작을수록 지반이 액상화에 더 민감하게 반응하는 것을 보여주었다.

Gratchev et al.(2006)는 전자현미경(SEM)을 통해서 인공적인 혼합토(실트-점토, 실트-모래)의 미세구조를 연구하였다. 그들의 연구에 따르면 작은 소성를 갖는 혼합토의 경우, 반복전단변형 조건에서 점토 입자가 과잉간극수압의 누적과 최종 액상화에서 중요한 요소인 입자의 재배열이 가능하도록 한다는 것이다. 이러한 지반에서 점토함유량이 증가함에 따라 투수성도 감소하므로 지반의 액상화가 가능성이 증가한다고 보고하였다.

Kim and Seo(2009)는 상대밀도에 따른 모래의 액상화 관련 연구에서 Tanimoto and Suga(1971)가 제안한 식과 비교하면서 액상화에 필요한 전단 응력비가 단순히 상대밀도만의 문제가 아니라 입도와 세립분 함유량의 영향도 크다는 것을 언급하였다. 그러나 그들의 연구에서 구체적인 세립분 함유량은 언급하지 않았다.

앞에 언급된 기존 연구를 보면 세립분이 혼합토의 액상화에 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 세립분 함량에 따라 액상화 저항강도가 증가 또는 감소할 수 있다는 서로 상반된 연구 결과가 존재하는 것을 알 수 있다. 그래서 본 연구에서는 세립분 함유량 50%이상인 두 개의 실트 시료에 대하여 반복삼축압축시험을 실시하여 세립분 증가가 액상화거동에 미치는 영향을 검토하였다. 또한 세립분에 포함된 점토가 액상화에 미치는 영향도 함께 검토하였다. 연구에 사용된 시료는 실험실에서 인공적으로 배합된 시료가 아닌 새만금 지역에서 채취한 자연시료를 사용하였다.

2. 연구대상 시료

본 연구에서는 새만금 방조제 내측지역에서 채취한 시료를 연구대상으로 선정하였다. 새만금 지역의 방조제는 약 33.9km 규모로 1991년 착공하여 2010년까지 19년 만에 완료된 구조물로 2010년에 새만금 내부 토지개발 기본 구상 및 종합실천 계획에 따라 현재 내부 준설매립공사가 진행중에 있다. 시료는 새만금 지역 국제협력용지 내 선도지구 일원(새만금 2호 방조제 우측 새만금 내호 공유수면 일원)의 2지점에서 채취하였다.

시료는 벌크시료를 채취한 후 조개 껍질 등과 같은 이물질을 #40번체를 이용하여 제거한 것을 사용하였다. 채취된 시료에 대한 실내시험 결과는 Table 1과 같으며, 입도분포곡선은 Fig. 1과 같다. 시료는 통일분류법(USCS)에 의해 소성이 낮은 ML로 분류된다. 두 시료의 세립토(실트+점토) 함유량을 보면 No.1 시료는 실트 44.1% 점토 8.8%이며, No.2 시료는 실트 57.2% 점토 12.4%이다. No.2 시료가 No.1 시료에 비해 세립분 함유량이 약 16.7% 정도 많다. 점토의 함유량만 보면 No.2 시료가 No.1 시료 보다 약 3.6% 정도 많다. 투수계수는 세립분이 많은 No.2 시료가 좀 더 작은 값을 가지고 있다.

Table 1.

Physical property of the samples

Sample location No.1 No.2
Depth (GL.-m) 3.0 3.0
Water content (%) 25.8 27.0
Permeability (cm/sec) 2.32E-5 3.13E-6
Specific gravity 2.666 2.666
D10 0.010 0.003
D30 0.036 0.030
D50 0.071 0.050
D60 0.091 0.067
Cu 9.1 22.3
Cc 1.4 4.5
Silt content (%) 44.1 57.2
Clay content (%) 8.8 12.4
USCS ML ML

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Fig. 1

Grain size distribution curves of No.1 and No.2 samples

3. 반복삼축압축시험

지진과 같은 동적 반복하중에 의한 지반의 액상화 가능성을 평가하기 위하여 반복삼축시험을 실시한다. 본 연구에 사용된 실험장비는 GEOCOMP Corporation에서 제작한 반복삼축시험기를 사용하였다(Fig. 2). 시험기의 재하방식은 진동식이며 최대하중은 1ton까지 가능하다. 사용 온도 조건은 -70∼+250°이며 유효시험 폭은 430mm이다. Cross-head 속도는 0.05∼500mm/min이다. 반복하중의 빈도수는 2Hz 이하 0.001Hz∼2Hz까지 재하가 가능하다.

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Fig. 2

Scheme of cyclic triaxial test device

반복삼축압축시험은 다음의 과정을 통해 이루어졌다. 먼저, 습윤다짐법(Kim and Kim, 2008)으로 성형된 공시체를 삼축시험기의 셀에 안치한 후 포화도를 높이기 위해 이산화탄소(CO2)로 공기를 대신해 배압라인으로 넣어 간극내의 공기를 이산화탄소(CO2)로 치환하여 준다. 배수라인을 배수밸브에 연결하고, 배압을 10kPa 까지 점차적으로 가하여 시료를 포화시키고, 간극수압계수 B를 측정하여 0.95이상이 되도록 유지한다. 배압을 일정하게 유지한 상태에서 구속압을 115kPa을 작용시킨다.

그 다음 시료에 등방의 유효구속압 σ'o이 가해지고 있음을 확인하고 시료에 연결된 배수밸브를 잠근다. 정현파 형태의 반복 축차응력을 0.1Hz의 주기를 유지하여 가하면서, 이에 따른 축차응력, 간극수압, 축변형률을 계속 측정한다. 반복 축차응력의 재하횟수가 200회를 초과하거나, 시료의 축변형률이 10%를 초과하면 시험을 종료한다.

반복삼축압축시험에서 반복적인 축차응력은 공시체 내에서 반복적인 전단변형을 일으키고, 비배수조건에서 과잉간극수압이 누적되고, 결국 액상화로 이어질 것이다. 이와 같은 현상은 느슨한 지반에서 더 쉽게 발생할 수 있다. Fig. 3은 느슨한 지반에서 주기적인 전단응력을 가했을 때 전단변형에 따른 입자들의 재배열을 나타낸 것이다. 그림에서 제시된 바와 같이 반복적인 전단응력은 지반 내 간극체적을 감소시키면서 점진적으로 토립자를 재배열 시킨다. 간극체적의 감소는 간극수의 압력을 증가시키고, 비배수 지반의 경우 간극수압의 누적으로 이어진다. 반복작용이 지속됨에 따라 지반내 간극수압은 계속하여 누적될 것이다. 본 연구에서는 반복삼축압축시험에서 공시체는 상대밀도 30%, 50%, 70%로 만든 후 축차응력 40kPa로 반복재하하여 시험을 실시하였다. Table 2는 수행된 실험 조건이다.

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Fig. 3

Periodic shear stresses and their associated shear deformation in the soil will gradually rearrange the soil grain at the expense of the pore volume (Sumer, 2014)

Table 2.

Cyclic triaxial test conditions

Sample location Dr Deviator stress (kPa)
No.1 30 40
50
70
No.2 30 40
50
70

4. 반복삼축압축시험결과 및 분석

4.1 액상화 발생

반복삼축압축시험결과를 통한 액상화 발생은 축변형률과 반복횟수, 평균유효응력과 축차응력, 과잉간극수압비와 반복횟수의 관계를 통하여 파악할 수 있다. 반복삼축압축시험 결과 점토를 포함한 세립분 함유량이 50% 이상인 두 실트 시료 No.1과 No.2 모두에서 액상화가 발생하였다.

이 실험 결과를 기존 연구결과와 비교해 보면, 먼저 점토 성분을 포함한 세립분 함유량이 큰 경우에도 액상화가 발생할 수 있다는 사실과 잘 일치한다(Wang, 1979; Kishida, 1969; Miura et al., 1995). 또한, 실트질 흙의 액상화 저항강도는 세립분이 증가할수록 증가한다고 본 Fei(1991)의 연구 결과와는 반대로 시료에서 세립분 함유량이 증가할수록(No.2 시료) 액상화 저항강도가 감소한다고 보고한 Finn et al.(1994), Vaid(1994), Zlatovic and Ishihara(1997)의 연구 결과와 일치하는 것으로 나타났다.

4.2 축변형률과 반복횟수

본 연구에서는 반복횟수에 따른 축변형률 그래프에서 변형률이 5%에 도달하였을 때 액상화가 발생하였다고 판단하였다. 이유는 일반적으로 액상화는 반복응력에 의하여 흙의 파괴 시 변형률을 정의하는 것으로 응력반전이 있는 경우는 양진폭 변형률(double amplitude strain) 5%정도로 보며 대부분 이 시점에서 초기 액상화가 발생한다고 보고 있다(Kim and Seo, 2009; Park et al., 2011). 따라서 본 연구에서도 양진폭 변형률 5%를 액상화를 판단하는 변형률로 적용하였으며 이 기준은 액상화를 판단하기 위하여 인위적으로 만든 기준이다. Fig. 4는 축변형률과 반복횟수와의 관계를 나타낸 것으로, 상대밀도 30%인 No.1 시료의 경우 반복횟수가 9회까지는 축변형률이 미소하게 변화하고 있으나, 반복횟수 10회에 변형률이 크게 증가하고 있다. 그림에서 액상화에 이르는 반복횟수는 화살표로 표시하였다.

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Fig. 4

Number of cycles vs. amplitude strain

축변형률 5%에 도달하는 시료별 반복횟수를 상대밀도에 따라 도시하면 Fig. 5와 같다. 시료의 상대밀도가 증가함에 따라 변형율 5%에 이르는 필요한 반복횟수가 점차 증가하는데, 세립분이 적은 No.1 시료의 경우가 No.2 시료에 비해 더 많은 반복횟수가 요구된다. 상대밀도가 증가할수록 액상화에 이르는 반복횟수도 증가한다는 기존 연구결과와 같은 경향을 보였다(Tanimoto and Suga, 1971; Ishihara, 1977; Kim and Seo, 2009).

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Fig. 5

Relation between the relative density and number of cycles to reach liquefaction state

4.3 평균유효응력과 축차응력

Fig. 6p' ­ q그림으로 초기평균구속압(초기평균유효응력 σ'o)이 103kPa에서 반복전단에 의한 평균유효응력과 축차응력의 변화를 보여주고 있다. 공시체의 액상화판정은 반복횟수에 따른 축변형률 그래프에서 변형률이 5%에 도달하였을 때로 판단할 수 있지만 평균유효응력(p')의 변화로도 액상화 발생 여부를 판단할 수 있다.

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Fig. 6

Effective mean stress vs. deviator stress

상대밀도 30%인 No.1 시료의 경우 반복횟수 9회까지는 과잉간극수압의 증가에 따라 일정한 형태로 평균유효응력이 감소하다가 반복횟수 10회부터 과잉간극수압이 급증하여 평균유효응력이 거의 0에 가까워졌다. Fig. 6에서 액상화에 이르는 반복횟수는 화살표로 표시하였다. 점토함유량이 상대적으로 많은 No.2 시료의 경우 동일한 30% 상대밀도의 공시체에서는 반복횟수 5회부터 과잉간극수압이 급증하여 평균유효응력이 거의 0에 가까워졌다. 세립분이 많은 No.2 시료가 평균유효응력이 0로 되는데 요구되는 반복횟수가 적은 것을 알 수 있다.

공시체의 상대밀도가 증가함에 따라 평균유효응력이 0으로 되는데 필요한 반복횟수가 점차 증가하며, 세립분이 적은 No.1 시료의 경우가 No.2 시료에 비해 평균유효응력이 0으로 되는데 요구되는 반복횟수가 더 많은 것을 알 수 있다.

4.4 과잉간극수압비와 반복횟수

반복횟수에 따른 축변형률 그래프에서 변형률이 5%에 도달하였을 때(4.1절)와 평균유효응력의 변화(4.2절)로 액상화가 발생하였다고 판단하였는데 반복횟수에 따른 과잉간극수압비(과잉간극수압(ue)/초기유효구속응력(σ'o))로도 공시체의 액상화를 판단할 수 있다. 이를 보여주기 위하여 과잉간극수압과 반복횟수의 관계를 Fig. 7로 표현하였다. 과잉간극수압은 전단 초기에 빠르게 상승하였으며, 그 이후에는 비교적 완만하게 상승하다 액상화 단계에 근접하는 영역에서는 간극수압이 급작스럽게 상승하는 경향을 보인다. 이런 경향은 상대밀도에 관계없이 모든 공시체에서 유사한 경향을 보인다.

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Fig. 7

Number of cycles vs. excess pore water pressure (EPWP)

액상화의 경우 상대밀도 30%인 No.1 시료의 경우 반복횟수 10회(그림에서 화살표로 표시)에 과잉간극수압이 95kPa 이상 도달하는 것으로 나타나 4.2절에 언급한 5% 변형률에 해당되는 반복횟수와 같음을 알 수 있다. 나머지 공시체에 대한 시험 결과도 4.1절과 4.2절에 나온 결과와 동일한 결과를 보여준다.

4.5 점토 함유량의 영향

앞의 결과에서 세립분 함유량이 50% 이상이 시료에서도 액상화가 발생한다는 점과 세립분 함유량의 증가가 시료의 액상화를 더 빨리 발생시키는 것으로 나타났다. 세립분 함유량에 대한 액상화 영향은 기존 연구자들에 의하여 다양하게 수행되었으나 다소 상반된 연구 결과들이 존재하는데 본 연구 결과는 세립분 함유량이 시료의 액상화를 더 쉽게 발생시키는 결과를 보였다. 이런 결과는 연구에 사용된 시료의 세립분에 포함된 점토 함유량의 영향이 있을 것으로 판단된다.

본 연구에 사용된 시료의 경우 점토함유량이 각각 8.8%(No.1 시료), 12.4%(No.2 시료)이다(Table 1). No.2 시료의 경우 점토함유량이 No.1 시료에 비해 약 3.6% 높다. 점토함유량이 상대적으로 많은 No.2 시료의 경우 액상화 발생여부를 판단하는 변형률 5% 발생에 요구되는 반복횟수가 No.1 시료에 비해 적은 것을 알 수 있다(Fig. 4 참조). 과잉간극수압비와 반복횟수의 관계인 Fig. 7을 보면 동일한 상대밀도에서 과잉간극수압비 증가 기울기가 점토 함유량이 많은 No.2 시료의 경우 더 가파르게 과잉간극수압비가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 점토 함유량을 많이 포함한 시료의 경우가 적게 포함된 시료와 비교 시 더 빠르게 액상화가 발생한다는 것이다.

이 결과는 Kirca et al.(2014)이 상대밀도 50% 이하 실트-점토에 대하여 실시한 시험결과와 일치한다. 그들은 blue-clay를 이용하여 시료의 액상화에 미치는 점토 함유량에 대한 연구를 수행하였다. 실험에서 점토의 함유량이 증가할수록 실트-점토 시료에서 액상화가 빨리 발생하는 것을 확인하였다. 다만 그들의 연구에서 점토함유량이 30% 이상에서는 혼합토에서 액상화가 발생하지 않는 것을 관찰하였다(Fig. 8). 본 연구에 사용된 상대밀도 30%와 50% 두 시료 모두 점토함유량이 30%이하(No.1 시료 8.8%, No.2 시료 12.4%)점을 감안하면 Kirca의 연구와 같이 점토함유량이 증가함에 액상화가 빨리 발생하는 것을 알 수 있다. 이것은 점토 함유량 증가에 따른 시료의 투수성 감소(Prakach, 1981)와 낮은 소성의 흙의 경우 Fig. 9(b)와 같이 점토입자가 반복전단변형 조건에서 과잉간극수압의 누적과 최종 액상화에서 중요한 요소인 입자의 재배열이 가능하도록 역할을 하였기 때문으로 보인다(Gratchev et al., 2006).

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Fig. 8

Number of cycles to reach a liquefaction state with clay content in silt (modified from kirca et al., 2014)

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Fig. 9

Microfabric of various mixtures (Gratchev at al., 2006)

5. 결 론

본 연구에서는 점토를 포함한 세립분의 함유량이 50% 이상인 서로 다른 두 자연 실트 시료(No.1 시료는 실트 44.1% 점토 8.8%이며, No.2 시료는 실트 57.2% 점토 12.4%)의 액상화거동을 반복삼축압축시험을 통해 알아보았다. 실험 결과는 다음과 같은 결론을 유출하였다.

세립분 함유량이 50%이상인 실트질 시료의 경우에도 반복하중에 의해 액상화거동이 발생하며, 세립분 함유량이 많은 No.2 시료의 경우 그렇지 않은 시료 No.1에 비해 동일한 상대밀도의 액상화에 도달하는데 필요한 하중의 반복횟수가 적은 것으로 나타났다. 과잉간극수압비와 반복횟수의 관계에서 세립분 함유량에 따른 과잉간극수압비 증가 기울기는 세립분이 많은 No.2 시료의 경우 더 가파르게 과잉간극수압비가 증가하였다. 즉, 세립분 함유량이 증가함에 따라 적은 반복재하 횟수에 시료가 액상화 상태에 도달한다는 것이다.

실트 시료의 액상화 거동은 또한 세립분에 포함된 점토 함유량의 영향도 받는 것으로 나타났다. No.2 시료의 경우 점토함유량이 No.1 시료에 비해 약 3.6% 높은데, 점토함유량이 상대적으로 많은 No.2 시료의 경우 액상화 발생으로 판단하는 변형률에 요구되는 반복횟수가 No.1 시료에 비해 적은 것으로 나타났다. 즉, 점토 함유량이 증가할수록 시료가 더 적은 반복재하 횟수에서 액상화가 발생한다. 이것은 세립분 함유량 증가에 따른 투수성 감소와 낮은 소성의 시료의 경우 점토입자가 반복전단변형 조건에서 과잉간극수압의 누적과 최종 액상화에서 중요한 요소인 입자의 재배열이 가능하도록 역할을 했기 때문이다.

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