1. 서 론
2. 액상화 및 친환경 보강재 관련 연구
2.1 느슨한 사질토지반의 액상화 저항특성 연구
2.2 액상화 방지를 위한 친환경 보강재 연구
3. 실험 재료 및 방법
3.1 실험 재료
3.2 실험 장비 및 방법
4. 실험 결과 및 분석
4.1 반복전단시험 결과
4.2 액상화 저항곡선
5. 결 론
1. 서 론
국내 주요 도심지는 대부분 하천과 해안가를 중심으로 조성되었으며, 지표 가까이는 느슨한 매립층 및 퇴적층으로 구성되어 있다. 이러한 지표 부근 느슨한 사질토 지반에는 상하수도 관로, 가스관, 통신관, 전력구 및 배수박스 등의 사회기반시설과 소형 구조물이 직접기초 형식으로 설치되고 있다. 지하 매설물이 존재하는 느슨한 사질토 지반에서 공사 중 장비 진동 및 지하수 유출, 지진 발생 시 액상화(Liquefaction) 현상으로 인해 땅꺼짐 및 지반침하, 붕괴가 발생하여 심각한 피해를 초래할 수 있다.
이러한 액상화(Liquefaction) 현상은 포화된 느슨한 사질토 지반에서 진동 및 지진과 같은 충격으로 과잉간극수압이 증가하고 유효응력을 상실하여 지반이 액체처럼 거동하면서 발생하는 현상이다.
국외의 액상화 현상 발생 사례는 1964년 일본 니가타(Niigata)를 시작으로 1971년 미국의 산 페르난도(San Fernando), 1975년 중국의 하청(Haicheng), 1976년 중국의 탕산(Tangshan), 1989년 미국의 로마 프리에타(Loma Prieta), 1999년 대만의 치치(Chi-Chi), 2011년 뉴질랜드 크리스트처치(Christchurch) 등 전 세계적으로 약 10,000회 가량 보고되었다(Maurer et al., 2017). 국내에서도 2017년 포항 지역에서 발생한 규모 5.4의 지진으로 인해 도로, 공원 및 논밭 등에서 모래와 물이 지표면으로 분출되는 액상화 현상이 처음으로 관측되었다(Park et al., 2018).
도심지에서 액상화 발생에 따른 지반의 침하 및 붕괴는 도로, 지하 시설물 및 주변 구조물에 심각한 손상을 유발한다. 인구 밀도가 높은 도심지에서 각종 시설 및 구조물의 손상은 필연적으로 인명 등 다양한 사회적 피해를 수반한다. 1995년 고베 지진 당시에도 많은 관로 및 지하 유틸리티 시설물들이 액상화로 인해 파손되었으며, 이는 광범위한 단수 및 가스 누출 등을 발생시켜 2차 피해를 유발하였다. 따라서, 액상화 발생 가능성이 있는 느슨한 사질토 지반에서는 액상화 발생 가능성을 정량적으로 평가하고, 필요시 적절한 지반보강 대책을 수립하여야 한다.
액상화 방지를 위한 대책으로 다양한 공법이 적용될 수 있으며, 현재까지는 주로 시멘트를 주재료로 하는 지반보강 공법이 적용되고 있다. 시멘트는 재료 채굴 과정에서 생태계가 파괴되고 수소 이온농도(pH)가 높은 알카리성 용출수는 지하수 및 토양 오염을 유발하며, 생산 과정에서 많은 양의 이산화탄소(CO2)와 온실가스로 기후변화가 가속되는 등 많은 환경적 피해가 발생하므로 시멘트를 대체할 수 있는 친환경 보강재료의 개발이 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 기존에 사용 되어온 시멘트보다 경제적이고 친환경적인 보강재료를 개발하였으며, 친환경 보강재로 보강한 모래지반을 대상으로 반복전단시험을 실시한 결과 시멘트로 보강한 모래지반에 비해 액상화 저항강도가 큰 것으로 나타났다. 친환경 보강재는 그라우팅, 교반혼합 등 다양한 공법에 적용 가능하며, 지반 및 기초 안정화에 활용도가 높을 것으로 예상된다.
2. 액상화 및 친환경 보강재 관련 연구
2.1 느슨한 사질토지반의 액상화 저항특성 연구
액상화 현상이 관측된 니가타지진(1964) 이후 현재까지 액상화 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 지진 발생 시 지반의 액상화 저항성에 대한 정량적인 평가는 현장실험 결과 기반의 간편법과 동적실내시험을 통해 저항강도를 산출하는 방법이 있다(Ishihara, 1996; Youd and Idriss, 2001).
현장실험 결과를 이용하여 액상화 저항강도를 평가하는 방법은 표준관입시험 N치(SPT-N, Seed et al., 1985), 콘관입시험 qc(CPT-qc, Robertson and Wride, 1998), 탄성파탐사 Vs(Andrus and Stokoe, 2000)를 이용하는 방법이 있으며, 이 외에도 다양한 연구가 수행되었다.
동적실내시험을 실시하여 액상화 저항강도를 평가하는 방법은 진동삼축시험(Cyclic Triaxial), 반복전단시험(Cyclic Simple Shear) 등이 있다. 진동삼축시험은 응력장(Stress Field)이 지진 발생 시 실제 지반에서 발생하는 응력장을 정확히 모사하지 못하므로 결과를 그대로 사용하는 것은 부적절하다고 알려져 있다(Kramer, 1996). 부적절한 결과를 보정하기 위한 다양한 관계식이 제안되었으나 그 정확성은 아직 명확하게 검증되지 않았다(Castro, 1975; Finn et al., 1971; Seed and Peacock; 1971). 현재까지 실제 지진 발생 시 응력장을 유사하게 모사하는 방법은 반복전단시험으로 보고되고 있으며(Kramer, 1996), 국내에서도 이와 관련된 많은 연구가 진행되었다. Mandokhail et al.(2016)은 오타와 모래와 주문진 표준사에 대해 반복전단시험을 수행하여 기존 연구 결과와 비교하고 차이점을 분석하였으며, 실무에 효과적으로 적용할 수 있는 정규화된 액상화 저항곡선을 제안하였다. Lee et al.(2025)은 해저 지반 시료를 대상으로 반복전단시험을 실시하여 액상화 저항강도를 정량적으로 평가하였으며, 입도분포 변화와 폐각질 함량에 따른 액상화 저항강도를 평가하였다.
국내에서 액상화가 발생한 포항지역 모래에 대한 액상화 저항특성 연구로는 반복전단시험 시 상대밀도 및 유효구속응력 차이를 기반으로 정현파 형태의 하중과 실제 지진하중을 가함에 따라 나타나는 포항 모래의 액상화 저항 특성에 관한 연구가 수행되었다(Park et al., 2018). Hwang et al.(2020)은 액상화 저항강도를 진동삼축시험을 통해 산정하고 기존 연구에서 제시된 사질토와 비교하였으며, Kim et al.(2021)은 시료 동결기법을 통해 채취한 불교란시료를 활용하여 진동삼축시험에 의한 액상화 저항강도를 평가하였다.
2.2 액상화 방지를 위한 친환경 보강재 연구
F.Dezi et al.(2021), Erminio et al.(2020), Rouzbeh et al.(2015)은 모래 지반과 실리카 그라우팅 보강 지반에 대해 진동삼축시험을 실시하여 액상화 저항강도를 평가하였으며, 실리카 그라우팅 보강 시 저항강도 개선이 가능함을 확인하였다. 국내의 경우 Lee et al.(2025)은 포항 시료를 젤라틴과 탄닌산 혼합 폴리머로 처리했을 때 액상화 저항강도가 증가하는 것을 반복전단시험을 통하여 확인하였으며, Jang et al.(2024)은 진동삼축시험, Kim et al.(2022)은 반복전단시험을 실시하여 포항 액상화 지반 모사 시료에 바이오폴리머로 처리 시 액상화 저항강도 증가를 확인하였다. 이 외에도 Jung et al.(2024), Ryou et al.(2024), Falihah et al.(2025), Jang et al.(2025), Lee et al.(2025)은 바이오폴리머 처리토의 강도 및 투수특성 등을 연구하였다.
3. 실험 재료 및 방법
3.1 실험 재료
3.1.1 모래
본 연구에서 사용된 흙 시료는 2017년 규모 5.4의 지진으로 인해 국내 첫 액상화 현상이 관측되었던 경상북도 포항시 송도동에서 채취한 흙에 규사와 카올리나이트를 혼합하여 액상화에 가장 취약한 입도분포 조건으로 재조성하였으며(Hwang et al., 2020), 통일분류법에 따라 SP로 분류된다. Fig. 1은 실험에 사용된 시료의 입도분포곡선을 나타내며, 액상화에 매우 취약한 입도분포 범위에 속한다(Iwasaki, 1986). 흙 시료의 물리적 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Physical properties of soil
| Gs | D60 [mm] | D30 [mm] | D10 [mm] | Cu | Cc |
| 2.66 | 0.22 | 0.15 | 0.12 | 1.83 | 0.85 |
3.1.2 시멘트
본 연구에 사용한 시멘트는 KS L 5201에 의하여 생산된 국내 A사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트이며, 물리·화학적 성질은 Table 2와 같다.
Table 2.
Physical properties of cement
| Specific Gravity (g/cm3) | Fineness (cm2/g) | Soundness (%) | Chemical Composition (%) | |||||
| CaO | SiO2 | AL2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 | |||
| 3.15 | 3.144 | 0.05 | 63.4 | 22.0 | 5.27 | 3.44 | 2.13 | 1.96 |
3.1.3 친환경 보강재(GeoCem)
친환경 보강재(GeoCem)는 현재 순환사용이 가능한 고로슬래그, 열병합애쉬, 탈황석고 등의 고기능성 산업부산물들과 최소량의 시멘트를 혼합한 재료이며, 재료 단가가 시멘트에 비해 약 20~30% 정도 저렴한 것으로 조사되었다. 친환경 보강재(GeoCem)의 여러 가지 배합비에 대해 일축압축강도와 유동성(Mini-Flow)에 대한 평가를 기반으로 강도가 크고 유동성이 우수한 최적의 배합비를 선정하였다. Table 3은 배합비별 일축압축강도시험 결과이며, Table 4는 친환경 고화재(GeoCem)의 물리적 특성이다. Fig. 2는 시멘트와 친환경 보강재(GeoCem)의 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석 결과이다. 본 연구에 사용된 친환경 보강재(GeoCem)의 XRD 분석 결과, 시멘트의 4대 광물인 Alite, Belite 상과 탈황석고의 석고상(CaSO4, CaSO4 2H2O)이 존재하며, 여러 원료가 혼합된 배합원료를 분석하면 결정성이 높은 주요 상들만 관찰됨을 알 수 있다.
Table 3.
Results of unconfined compression strength
Table 4.
Physical properties of Geocem
| Specific Gravity (g/cm3) | Fineness (cm2/g) | Chemical Composition (%) | ||||||
| SiO2 | AL2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | TiO2 | ||
| 2.9 | 4718 | 27.5 | 13.0 | 4.1 | 40.4 | 4.8 | 6.8 | 0.69 |
3.2 실험 장비 및 방법
3.2.1 반복전단시험 장비
본 실험에 사용된 반복전단시험 장비는 영국의 GDS INSTRUMENT의 반복전단시험기(GDS Electromechanical Dynamic Cyclic Simple Shear Device)를 사용하였다. GDS사의 반복전단시험장비는 토질의 Simple Shear 특성을 정적 및 동적 조건에서 실험을 진행할 수 있는 고정밀 실내실험장비이다. 특히, 등체적 조건(Constant Volume) 및 정수직 강성(Constant Normal Stiffness)조건을 정확하게 표현할 수 있으며, 지진과 같은 동적 조건을 효과적으로 재현할 수 있다고 알려져 있다.
반복전단시험 장비 구성은 반복전단응력을 정확성 높게 가할 수 있는 전자 기계식 액츄에이터(actuator), 하중을 측정하는 로드셀(load cell), 횡과 축 방향 변형률의 측정을 위한 변형률계, 장비 제어 및 데이터 수집을 위한 소프트웨어로 구성된다. Active Height Control 시스템이 전단 중 시료의 수직 높이를 자동 제어하여 등체적 조건을 유지하며, 이를 통해 실험 중 체적변화 없이, 액상화 조건과 같은 비배수조건 실험이 가능하다는 장점이 있다. 저마찰 Teflon 코팅 링은 시료의 측면을 구속하여 단면적이 일정하게 유지되며, 이는 정밀한 전단시험을 가능하게 한다. 또한 전기기계식 액추에이터(actuator)가 있어 공압, 유압 시스템보다 더 정밀한 하중 재하가 가능하며, 0.1~5 Hz에서 안정적으로 하중을 재하할 수 있다. 마지막으로 초강성구조 프레임으로 38 mm 직경의 지지 기둥과 깊은 서포트 빔이 장비의 구조를 보강하여 실험 중 변형을 최소화함으로써 실험에 대한 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다.
반복전단시험기 타입은 크게 SGI와 NGI 유형이 존재한다. 두 유형의 차이점은 NGI 유형 장치는 와이어로 강화된 고무막 장치를, SGI 유형 장치는 강성링을 사용한다. 최근의 NGI 유형 장치는 SGI 유형 장치와 유사하게 와이어로 강화된 고무막은 무마찰링의 스택으로 대체되고 있다. NGI 타입 일정 체적 시험의 주요 장점은 시료를 완전히 포화 상태가 아니어도 되며, 비배수 일정 체적 실험 조건 시, 유효수직응력의 변화는 실제 비배수 상태에서 발생하는 과잉 간극수압과 같다고 가정할 수 있다(Finn et al., 1985; Dyvik et al., 1987). Fig. 3은 본 실험에 사용된 반복전단시험기이며, 시료가 전단되었을 때의 모식도이다.
3.2.2 반복전단시험 방법
반복전단시험은 시료를 몰드에 설치, 도킹(docking), 압밀, 반복전단응력 재하 순으로 진행된다. 상하부 캡 모양은 정확한 반복전단시험을 실시하기 위한 톱니 모양으로 되어 있으며, 선행압밀 단계에서 도킹 하중을 유지한 상태로 전단변형 주기를 1 Hz, 변위는 0.0038 mm로 설정하여 선행압밀 단계를 진행한다. 선행압밀 단계가 완료되면 12 kPa, 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa 순서로 천천히 압밀시킨다. 100 kPa 하중으로 압밀 시 시료의 수직변형률이 변화하지 않을 때까지 압밀을 진행한다. 액상화 평가가 통상적으로 심도 20 m 이내의 지층에 대해 수행됨을 고려하여 중간 심도인 10 m를 기준으로 계산하여 100 kPa로 결정하였으며, 이는 동적실내시험 조건으로 주로 사용되고 있다(Vaid and Sivathayalan, 1996; Mandokhail et al., 2016). 시료 압밀 후 정현파 형태의 반복전단응력을 재하하여 비배수 반복전단시험을 진행하였고 체적변화가 없는 일정 체적 조건으로 실험하였다. 응력 주기는 응력을 안정적으로 재하 가능한 0.1 HZ를 사용하였다. 액상화 여부는 일반적으로 과잉간극수압이나 전단변형률을 이용하여 평가하고 있다. 과잉간극수압이 공시체 초기 유효구속응력의 90~95%까지 발생하거나 일방향 전단변형률(single amplitude of shear strain)이 3.75%(또는 양방향 7.5%)일 때 액상화로 정의할 수 있다(Hazirbaba and Rathje, 2004). 따라서, 본 연구에서는 양방향 전단변형률이 7.5%일 때 액상화로 판단하였으며, 이것은 반복삼축시험에서 양방향 축변형률 5%에 해당된다(Vaid and Sivathayalan, 1996). 반복저항응력비(CRR)를 산정하기 위하여 동일한 조건의 시료 3개를 조성하였으며, 반복전단응력을 변화시켜 실험을 수행함으로써 반복저항응력비(CRR)를 산정하였다. Table 5는 본 연구에서 수행한 반복전단시험 조건이다.
Table 5.
Cyclic simple shear test conditions
3.2.3 반복저항응력비(CRR)
일반적으로 반복하중은 유효상재하중으로 정규화되며, 이를 반복전단응력비(cyclic stress ratio, CSR)라 한다. 액상화를 유발하는 재하횟수 N에서의 반복전단응력비를 반복강도(cyclic strength), 반복저항강도, 또는 반복저항응력비(cyclic resistance ratio, CRR)라 하며, 액상화 저항강도를 의미한다. 다양한 반복저항응력비와 재하횟수(N) 관계를 곡선 형태로 나타낸 것을 반복저항곡선, 액상화 저항곡선 또는 액상화 저항응력비곡선이라 한다(Ishihara, 1996; Kramer, 1996; Towhata, 2008). 반복저항응력비는 국내의 경우 해양수산부(2018) 내진설계 기준에 의거하여 지진 규모 6.5에 해당하는 액상화 발생 시 반복 재하횟수 10 회 시의 반복전단응력비(CSR)로 정의하고 있으며, 국외의 경우 Seed et al.(1985)가 제안한 지진 규모 7.5를 기준으로 반복 재하횟수 15 회 시의 반복전단응력비(CSR)를 사용하고 있다(Hwang et al., 2020). Fig. 4는 반복전단응력비에 대한 액상화 발생 시점에서의 반복재하 횟수의 관계를 도시한 액상화 저항곡선이다.
4. 실험 결과 및 분석
4.1 반복전단시험 결과
본 연구에서는 포항에서 채취한 느슨한 모래와 시멘트로 보강한 모래, 친환경 보강재(GeoCem)로 보강한 모래의 액상화 저항강도를 정량적으로 평가하기 위하여 반복전단시험을 수행하였다. 반복전단시험 결과를 활용한 액상화 발생 기준은 양진폭 변형률 7.5%를 적용하였으며, 과잉간극수압비 1.0 도달 여부도 함께 검토하였다.
Fig. 5는 느슨한 모래에 대한 반복전단시험 결과이다. 유효구속압 100 kPa에 대한 과잉간극수압 발생량이 80% 미만일 경우 변형률이 거의 발생하지 않다가 80%에 도달한 후 변형률이 급격하게 증가하는 경향이 확인되며, 반복재하가 진행됨에 따라 변형률이 점차 증가하여 최종적으로 액상화로 판정하는 양진폭 변형률 7.5%에 도달한다. 과잉간극수압비 역시 반복재하가 진행됨에 따라 점차 증가하여 1.0에 도달하며, 과잉간극수압비의 관점에서도 액상화가 발생하였다고 판단된다.
Fig. 6은 시멘트로 보강한 모래의 양생 기간별 반복전단시험 결과이다. Fig. 6(b)는 응력-변형률 이력곡선으로 과잉간극수압이 유효응력에 근접할수록 루프의 기울기가 감소한다. 이는 과잉간극수압이 증가하여 입자 간 접촉점에서 흙의 강성 감소에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 6(d)는 유효응력 경로이며, 과잉간극수압의 증가와 함께 유효응력이 점진적으로 감소하여 최종적으로 0에 도달하는 것을 알 수 있다. 시멘트 6% 보강 시 양생기간이 증가함에 따라 액상화가 발생하는데 필요한 반복하중횟수가 증가하며, 간극수압은 반복하중이 가해진 초기에 급격히 증가하고, 그 이후에는 비교적 완만하게 증가하는 것으로 나타났다.
Fig. 7은 친환경 보강재(GeoCem)로 보강한 모래에 대한 반복전단시험 결과이며, 시멘트로 보강된 경우와 유사한 특성을 나타낸다.
Fig. 8은 느슨한 모래와 시멘트로 보강한 모래, 친환경 보강재(GeoCem)로 보강한 모래의 반응특성을 비교한 것이다. 느슨한 모래, 시멘트 보강 모래, 친환경 보강재 보강 모래 순으로 액상화가 발생하는데 필요한 반복하중횟수 및 전단응력이 증가하는 것으로 나타났다.
4.2 액상화 저항곡선
Fig. 9는 각 시료의 반복전단응력비(CSR)에 대한 액상화 발생 시점에서의 반복재하횟수의 관계이다. 시멘트 및 친환경 보강재(GeoCem)의 양생기간이 증가함에 따라 동일한 반복전단응력비(CSR)에서의 반복재하횟수가 증가하는 것을 알 수 있다. 친환경 보강재(GeoCem)는 반복전단응벽비(CSR) 감소에 따른 반복재하횟수가 큰 폭으로 증가하는 반면, 시멘트는 상대적으로 크지 않은 것으로 나타났다.
반복저항응력비(CRR)는 국내의 경우 해양수산부(2018) 내진설계 기준에 의거하여 지진규모 6.5에 해당하는 반복재하횟수 10 회 시의 반복전단응력비(CSR)로 정의하고 있으며, 국외의 경우 Seed et al.(1985)가 제안한 지진 규모 7.5 기준 반복 재하횟수 15 회 시의 반복전단응력비(CSR)를 사용하고 있다. 시료 별 시험 결과를 토대로 도시한 액상화 저항곡선을 통해 국내 기준에 해당하는 반복저항응력비(CRR10)를 산정하였다. Fig. 10은 느슨한 모래와 시멘트로 보강한 모래, 친환경 보강재(GeoCem)로 보강한 모래의 반복저항응력비(CRR10)를 나타낸다. 시멘트 및 친환경 보강재 보강 시 반복저항응력비가 큰 폭으로 증가하며, 양생기간에 따른 증가량은 친환경 보강재가 시멘트보다 큰 것으로 나타났다. 친환경 보강재 보강 시 액상화 저항응력비는 느슨한 모래보다 약 100% 증가하고 시멘트로 보강한 모래보다 약 4% 증가하는 것으로 나타났다.
5. 결 론
본 연구에서는 액상화가 발생하는 느슨한 모래와 시멘트로 보강한 모래, 친환경 고화재(GeoCem)로 보강한 모래에 대하여 반복전단시험을 실시하여 액상화 저항강도를 정량적으로 평가하였으며, 결과는 다음과 같다.
(1) 느슨한 모래는 국내에서 액상화 현상이 최초로 발생한 포항 송도동 모래(SP)를 액상화에 가장 취약한 입도로 재조성하였으며, 시멘트 및 친환경 고화재(GeoCem) 보강 모래는 모래 중량의 6%를 혼합하여 조성하였다. 친환경 보강재(GeoCem)는 재료별 배합비를 달리하여 일축압축강도 및 유동성 시험을 실시하였으며, 강도 및 유동성이 가장 우수한 배합비를 선정하였다.
(2) 반복전단시험 결과 반복저항응력비(CRR10)는 느슨한 모래에 비해 시멘트로 보강한 모래가 약 92%, 친환경 고화재(GeoCem)로 보강한 모래가 약 100% 증가하며, 친환경 고화재(GeoCem)로 보강한 모래가 시멘트로 보강한 모래보다 약 4% 증가하는 것으로 나타났다. 양생기간 증가에 따른 반복저항응력비(CRR10)의 변화는 친환경 고화재가 시멘트보다 증가량이 큰 것으로 나타났다.
(3) 본 연구에서 개발한 친환경 고화재(GeoCem)는 기존에 지반 보강공법에 사용되어 온 시멘트보다 액상화 저항강도가 크고 약 20~30% 정도 경제적이며, 친환경적이므로 지반보강시 시멘트의 대체 재료로 적용성이 우수한 것으로 판단된다.
(4) 시멘트 및 친환경 고화재(GeoCem)의 혼합량에 따른 액상화 저항강도 평가와 최적의 혼합량에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
