1. 서 론

일반적으로 포화된 모래 지반에서 순간적인 충격이나 진동 그리고 지진 시 빠른 간극수압 상승으로 유효응력이 감소하고 순간적으로 전단저항력을 상실하면서 모래가 액체와 같이 되는 현상을 액상화라 하며, 현장에서는 압력을 받은 간극수가 액체 상태로 된 모래와 같이 약한 지층을 뚫고 지표면 위로 분출하기도 한다. 지진 시 액상화로 인한 대표적인 피해 사례는 1964년 일본 니이가타(Niigata)에서 발생한 아파트 기울어짐과 교량 상판의 붕괴 사례이다. 그 이후 1976년 중국 탕산 대지진 시에도 액상화로 인한 건물 붕괴로 약 24만명의 주민이 사망하기도 하였으며, 2011년 뉴질랜드 크라이스처치(Christchurch)에서 도시 전역에 걸쳐 광범위하게 액상화로 인한 지반 침하가 발생하기도 하였다. 이와 같이 세계 곳곳에서 액상화로 인해 지반의 전단저항력이 상실되면서 각종 구조물이 무너지거나, 이로 인한 인명 및 재산 피해가 자주 발생하고 있다. 한편, 국내에서는 1978년 10월 홍성지진과 2016년 9월 경주지진으로 건물 피해 사례는 다수 발생하였으나, 액상화는 발생하지 않았다. 하지만, 지난 2017년 11월 경상북도 포항시에서 발생한 5.4 규모의 지진으로 인해 도로, 공원 또는 논밭 등지에서 액상화로 인해 모래와 물이 동시에 지표면으로 분출되는 현상이 국내 처음으로 발생하였다. Fig. 1은 포항시 망천리 논에서 넓이 1-2m, 높이 0.5m 정도로 모래가 분출한 모습(모래 화산)을 나타내고 있다.

Fig. 1.

Sand volcano due to Pohang earthquake

흙의 액상화에 대한 저항력을 평가하기 위한 실내시험은 대부분 정현파를 사용하고 있으며, 일부 연구자는 실제 지진파와 유사한 전단응력을 공시체에 전달하여 지진 시 지반의 거동을 연구하기도 하였다(Sim et al., 2002; Lee et al., 2010). 한편 흙에 반복하중을 가하는 실내시험기기는 대부분 반복삼축시험기를 사용하고 있으며(Sitharam and Govindaraju, 2007; Jiang et al., 2010), 일부 연구자는 지진에 의한 횡방향 전단변형을 잘 모사할 수 있는 반복직접단순전단시험기를 사용하였다(Kim, 2009; Viana et al., 2015; Mandokhail et al., 2016). 니이가타지진 이후 1970년대부터 액상화 현상과 관련하여 모래에 포함된 세립분의 함유량이나 소성지수, 구속압, 상대밀도, 입도분포 등과 관련된 다양한 연구를 수행해 오고 있다(Seed et al., 1976; Law and Ling, 1992; Koester, 1994; Finn et al., 1994; Vaid, 1994; Zlatovic and Ishihara, 1997). 국내의 경우, Park et al.(2011)은 낙동강모래에 소량의 세립분이지만 세립분의 소성지수에 따라 모래지반의 액상화 거동에 큰 영향을 미칠 수 있다는 결과를 발표하였다. Yoon et al.(2007)은 인천지역 해안에서 채취된 모래로 반복직접단순전단시험을 실시하여 구속압이 50kPa에서 150kPa까지 증가함에 따라 액상화 저항강도가 감소한다는 연구 결과를 얻었다.

본 연구에서는 경상북도 포항시 망천리 지역 논에서 분출한 모래를 채취한 다음, 채취 위치에 따라 포항모래를 2 종류로 분류하고 반복직접단순전단시험을 실시하였다. 포항모래의 상대밀도에 따른 액상화 거동을 연구하기 위하여 느슨한 상태와 조밀한 상태로 재성형한 다음 각각 100kPa와 200kPa의 구속응력을 가한 다음 반복전단시험을 실시하였다. 또한 정현파 뿐만 아닌 포항지역에서 실제 계측된 지진파를 실험기기에 입력하여 액상화 발생 여부를 연구하였다.

2. 포항모래 및 실험방법

2.1 포항모래

본 연구에서는 경상북도 포항시 망천리에 위치한 논에서 액상화로 분출한 모래를 채취하여 이물질을 제거한 후 105±5℃ 건조로에서 건조시킨 다음 4번체를 통과하고 200번체에 잔류한 모래를 사용하였다. 채취한 모래는 Fig. 2와 같이 채취 위치와 색깔에 따라 황토색 모래(Ochre sand)와 회색 모래(Grey sand) 두 종류로 분류하였다. 모래 입자는 Ochre sand가 Grey sand보다 약간 크며, 두 종류 모두 약간 모난 형태를 하고 있다. Ochre sand와 Grey sand의 입도분포곡선은 Fig. 3과 같으며, 통일분류법 상 빈입도 모래(SP)로 분류되었다. 포항모래의 비중은 각각 2.52와 2.48로 낙동강모래에 비해 다소 낮은 값을 나타냈으며, 이는 구성광물의 차이로 판단된다. 최대간극비(e_max)와 최소간극비(e_min)는 JIS 기준(JIS A 1224, 2000)에 따라 실험하였으며, 그 결과 e_max = 0.98 및 0.96이며, e_min = 0.70 및 0.66이며, 기본 물성치를 Table 1에 비교하였다.

Fig. 2.

Photos of sands

Fig. 3.

Grain size distribution curves of Pohang sand

Table 1. Material properties of Ochre sand and Grey sand

2.2 포항 지진파

Fig. 4는 기상청에서 관측된 포항지진의 가속도-시간 곡선으로 최대가속도가 0.268g로 국내에서 기록된 가장 높은 가속도이다. 강한 진동의 지속시간(duration of strong shaking)은 약 3.5초이며, 가속도-시간 이력곡선을 사용하여 ProShake 프로그램(EduPro, 2006)에 입력한 다음 현장 지층별로 발생하는 전단응력을 계산하였다.

Fig. 4.

Acceleration record of Pohang earthquake (by Korea Meteorological Administration)

본 연구에서 사용한 모래를 채취한 포항시 망천리 현장의 시추조사 결과(National Disaster Management Research Institute, 2017)는 Fig. 5와 같이 지하수위가 높고 아래에 포화된 모래층이 존재하고 있다. 또한 모래층이 최대 11m 정도 낮은 심도에도 존재하고 있어 포항지진의 높은 가속도때문에 액상화가 발생한 것으로 판단할 수 있다. 시추조사 결과를 바탕으로 지층분포를 Fig. 5와 같이 16개의 지층으로 나누고 맨 아래 암반층에 지진파를 입력하고 각층의 전단응력을 계산하였다. 여러 지층 중 지표면에서 10m 정도 아래 위치한 Sand 2층의 표준관입시험치인 N값이 4로 액상화 가능성이 있으므로 이 지층을 대상으로 실제 지진하중에 따른 액상화에 대한 저항력을 실험하였다. ProShake에 입력한 지층별 지반정수와 모델은 점토, 실트 그리고 모래의 경우 보편적인 Darendeli(2001) 모델을 사용하였으며, Table 2에 정리하였다. Fig. 6(a)와 같이 ProShake로 계산된 Sand 2층의 중간에 해당하는 Layer 9의 전단응력과 지속시간 관계로부터 최대 전단응력이 22.5kPa로 계산되었다. 즉, 전단시험기에는 Fig. 6(b)와 같이 지진파로 인해 발생하는 전단응력을 전단응력비 형태로 입력하였다.

Fig. 5.

Soil profile used to calculate shear stress by layers

Table 2. Input parameters for ProShake analysis

Fig. 6.

Shear stress time history on layer 9 calculated by ProShake analysis

2.3 실험 조건 및 시료 성형

본 연구에서 사용된 반복직접단순전단시험기는 Geocomp사에서 개발한 ShearTrac-II 시험장비로 일정하게 구속응력을 가하는 방식뿐 아니라 일정하게 공시체의 체적을 유지하는 시험도 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 건조모래를 반복적으로 사용할 수 있는 일정체적시험 조건으로 반복전단시험을 실시하였다. 본 실험장비는 구속응력을 기계적인 방식이 아닌 자동으로 제어하여 시료의 높이를 일정하게 유지함으로써 시료의 체적을 일정하게 유지시킬 수 있는 장비이다. 한편, 공시체의 일정체적 유지 시에 발생되는 구속응력의 변화량은 시료 내 발생하는 간극수압의 변화와 동일하다(Bjerrum and Landva, 1966).

본 연구에서 사용한 반복직접단순전단시험기의 수평방향 변위를 억제하기 위해 링을 사용하지 않고 Fig. 7(a)와 같이 와이어가 들어간 내경 63.5mm의 멤브레인을 사용하였다. 느슨한 시료의 경우 낙사법을 사용하였으며, 조밀한 시료의 경우에는 5층으로 나누어 저다짐방법(Ladd, 1978)을 사용하여 제작하였다. 초기 제작된 공시체 모습은 Fig. 7(b)와 같으며, 높이는 25mm로 성형하였다. 본 연구에서는 현장지반에서 모래층이 위치하는 깊이와 N값 그리고 구속압에 따른 모래의 액상화 저항 특성을 분석하기 위해 구속응력을 각각 100kPa와 200kPa인 상태에서 느슨하거나(약 D_r=40%), 조밀한(약 D_r=90%) 상태로 초기시료를 성형하였다. 전단응력은 0.1Hz의 정현파뿐 아니라 앞서 언급한 포항 지진파도 사용하였다. 정현파를 사용한 경우 반복전단응력비(cyclic stress ratio, CSR)는 느슨한 경우 0.1, 0.15, 0.2, 0.25이며, 조밀한 경우는 0.15, 0.2, 0.25, 0.3을 적용하였다.

Fig. 7.

3. 실험결과 및 비교

액상화 여부는 일반적으로 과잉간극수압이나 전단변형률을 이용하여 평가하고 있다. 과잉간극수압이 공시체 초기유효구속응력의 90-95%까지 발생하거나 일방향 전단변형률(single amplitude of shear strain)이 3.75%(또는 양방향 7.5%)일 때 액상화로 정의할 수 있다(Hazirbara and Rathje, 2004). 본 연구에서는 양방향 전단변형률이 7.5%일 때 액상화로 판단하였으며, 이것은 반복삼축시험에서 양방향 축변형률 5%에 해당된다(Vaid and Sivathayalan, 1996).

Table 3은 두 종류의 포항모래를 느슨한 상태와 조밀한 상태로 성형한 다음 구속응력을 가하고 정현파와 포항 지진파를 입력하여 실시한 반복직접단순전단시험 결과이다. 압밀 후에 공시체의 상대밀도는 느슨한 경우에는 약 3.4-4.3%, 조밀한 경우에는 약 2.0-2.7% 정도 증가하였다.

Table 3. Results of cyclic direct shear test

3.1 정현파를 이용한 실험 결과

Table 3에 언급한 반복전단시험 시 전단응력-변형률 결과 중에서 대표적으로 느슨하거나 조밀한 상태의 Grey sand에 구속응력 100kPa와 전단응력 15kPa를 가한 실험 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8(a)는 유효응력도를 나타내고 있으며, 첫번째 사이클에서 비교적 많은 40-50%의 과잉간극수압이 발생하는 것으로 나타났다. Nevada sand와 Fraser river sand를 사용한 유사 실험의 경우 전단 초기에 20-30% 정도 발생한 것에 비해 다소 높은 것으로 판단된다(Kammerer et al., 2000; Sriskandakumar, 2004). 이는 공시체의 높이가 25mm 정도로 반복삼축시험 공시체에 비해 짧아 상하부 시료 균질성에 영향을 많이 받은 것으로 판단된다. Fig. 8(b)는 전단응력-변형률 관계를 나타내고 있으며, 반복되는 전단응력에 따른 과잉간극수압 발생과 유효응력 감소로 인한 공시체의 강성 저하에 따라 전단변형률이 증가하였으며, 최대 4-6%까지 전단변형률이 발생하였다. Fig. 8(c) &(d)는 반복전단횟수에 따른 과잉간극수압과 전단변형률의 증가를 나타내고 있으며, 이를 이용하여 액상화 시에 반복전단횟수를 구할 수 있다. Table 3에 과잉간극수압과 전단변형률에 기초한 액상화 시 반복전단횟수를 비교하고 있다. 전단응력비가 낮은 경우 그 차이가 비교적 컸으며, 시료의 상태가 느슨한 경우보다 조밀한 경우에 차이가 더 크게 발생하는 경향을 보였다. 특히 조밀한 상태에서 낮은 반복전단응력비(예: CSR=0.15)의 경우에는 2배 정도 차이가 나는 경우도 있었다. 이는 시료 내의 과잉간극수압은 소산과 발생을 반복하지만, 전단변형은 천천히 지속적으로 누적되기 때문으로 판단된다.

Fig. 8.

Result of CSR = 0.15 on Grey sand (σ_v0’=100 kPa)

Fig. 9는 구속응력이 각각 100kPa와 200kPa일 때 두 종류의 모래가 느슨하거나 조밀한 경우에 대한 반복전단응력비와 액상화 시 반복전단횟수의 관계를 비교하고 있다. 구속응력에 관계없이 모래 종류에 따른 차이는 거의 나타나지 않았다. 즉, 모래 종류에 관계없이 모래의 상대밀도가 증가함에 따라 액상화에 대한 저항력이 증가하는 경향을 보였다. 구속응력이 100kPa일 경우, 반복전단횟수 15회에 해당하는 반복전단응력비는 느슨한 경우에 0.12이며, 조밀한 경우에는 0.17이다. 즉, 액상화에 대한 저항력은 느슨한 상태보다 조밀한 상태에서 약 42% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 구속응력이 200kPa일 경우에는 느슨한 상태보다 조밀한 상태에서 약 50% 정도 높게 나타났다.

Fig. 9.

CSR - N_Liq curves for two initial confining stresses

Seed et al.(1983)은 지진으로 발생하는 전단응력에 등가전단응력개념을 사용하였으며, 지진규모가 7.5일 경우 반복전단횟수 15회에 해당되는 반복전단응력비를 액상화 저항강도로 정의하였다. 또한, 대표적인 액상화 발생 판단기준으로 사용하고 있는 NCEER 차트(Seed et al., 1985)에 의하면 구속응력 100kPa인 포항모래의 반복전단응력비 0.12와 0.17에 해당하는 수정표준관입시험치 (N₁)₆₀는 각각 11과 16이다. Skempton(1986)은 식 (1)을 이용하여 수정표준관입시험치와 상대밀도와의 상관 관계를 제안하였으며, 여기서 상수는 35-55 사이로 제시하였다. 본 연구 결과에 의하면 평균 상대밀도 90%로 조밀한 경우 상수는 20이며, 평균 상대밀도 40%로 느슨한 경우는 상수가 69이다. 따라서 기존 Skempton(1986)이 제시한 값의 범위를 초과하였다. 이러한 차이는 모래의 종류가 서로 다르고 (N₁)₆₀을 실험을 아닌 NCEER 차트를 이용하여 간접적으로 구하였기 때문으로 판단된다.

$\frac{{\left({\mathrm{N}}_1\right)}_{60}}{{{\mathrm{D}}_{\mathrm{r}}}^2}=\mathrm{constant}$     (1)

Fig. 10은 각각의 모래에 대해 느슨한 상태와 조밀한 상태에서 구속응력이 100kPa와 200kPa일 경우 반복전단응력비와 반복전단횟수를 비교하고 있다. 초기 상태(상대밀도)가 유사한 경우 구속응력이 100kPa에서 200kPa로 증가함에 따라 약간의 상대밀도 증가로 인해 200kPa인 경우 액상화에 대한 저항력이 더 높은 것으로 나타났다. 특히, 조밀한 Grey sand의 경우 구속응력이 100kPa에서 200kPa로 증가함에 따라 반복전단응력비가 30% 정도 증가하였다. 깨끗한 모래에 반복전단응력을 가하는 경우 구속응력이 증가할수록 모래는 일반적으로 팽창보다는 압축 거동을 나타내므로 액상화 저항력이 감소하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 본 연구에서 사용한 모래에 작용하는 구속응력의 범위가 100-200kPa인 경우에는 이러한 거동의 차이가 크지 않았으며, 압밀 이후 모래의 상대밀도 증가가 반복전단에 따른 과잉간극수압의 발생 즉 액상화에 더 중요한 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 10.

CSR - N_Liq curves for two Pohang sands

포항지진을 Fig. 5와 같은 지층에 입력하고 ProShake로부터 계산된 Layer 9 지층의 반복전단응력비는 0.23이다. Youd et al.(2001)에 의하면 포항지진 규모 5.4에 해당하는 액상화 등가전단응력횟수(number of equivalent stress cycles)는 5회이므로 이에 해당하는 느슨한 포항모래의 액상화저항응력비(cyclic resistance ratio, CRR)는 0.18이므로 포항지진 시 액상화가 발생한 것으로 판단된다. 한편 Layer 9 지층이 조밀한 경우에는 액상화저항응력비가 0.27이므로 액상화가 발생하지 않은 것으로 판단된다.

3.2 포항 지진파를 이용한 실험 결과

포항지진 시 모래 지층에 전달된 전단파는 Fig. 6과 같이 시간에 따른 CSR값으로 표시할 수 있다. 포항지역에는 모래지층이 10m뿐 아니라 더 아래 지층에도 존재하므로 이를 고려하여 구속응력을 100kPa와 200kPa로 실험하였다. 실험 결과, 모래 종류와 구속압에 따른 차이가 크지 않아 Grey sand에 100kPa를 가한 결과만 비교하였다. Fig. 11은 느슨하거나 조밀한 Grey sand 지반에 포항지진이 반복적으로 발생하였을 시 포항 지진파의 입력횟수에 따른 구속응력, 전단응력-변형률, 과잉간극수압 그리고 전단변형률을 비교하고 있다. 느슨한 상태에서 구속응력이 100kPa인 경우 1회 지진 시에는 85% 이상, 2회 지진 시에는 100%에 가까운 과잉간극수압이 발생하였다. 한쪽방향 전단변형률은 1회 지진 시 3%, 2회 지진 시에는 4.5% 이상 발생하였다. 조밀한 상태의 Grey sand에 포항 지진파를 반복적으로 입력한 경우 포항지진이 3회 정도 반복될 경우에 액상화가 발생하였다.

Fig. 11.

Results of real earthquake motion on Grey sand (σ_v0’=100 kPa)

이로부터 상대밀도 40%인 느슨한 포항모래의 경우 (N₁)₆₀값이 11 정도에 해당하므로 본 연구 대상인 포항시 망천리 논 아래 10m 지층의 N값(N₁)₆₀과 거의 동일함)이 4 정도이므로 1회 포항지진 시에 액상화가 발생하였다고 판단된다. 최근 실험장비의 고도화로 인하여 실지진파를 사용할 경우, 지진의 주파수 특성을 고려한 보다 정확한 액상화 평가가 가능할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 경상북도 포항시 망천리에 위치한 논에서 분출한 모래를 채취한 다음 액상화 거동을 연구하기 위하여 느슨한 상태와 조밀한 상태로 성형한 다음 각각 100kPa와 200kPa의 구속응력을 가한 다음 정현파와 포항지역에서 실제 계측된 실지진파를 실험기기에 입력하여 반복직접단순전단시험을 실시하였다. 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 정현파의 전단응력을 입력한 경우 전단변형률과 과잉간극수압비에 기초한 액상화 발생시 반복전단횟수는 비교적 비슷하였으나, 조밀한 시료의 낮은 전단응력비의 경우에는 다소 차이가 발생하였다.

(2) 정현파의 전단응력을 입력한 경우 모래 및 구속응력에 관계없이 액상화저항응력비는 느슨한 모래의 경우 0.12-0.14, 조밀한 모래의 경우 0.17-0.21로 느슨한 상태보다 조밀한 상태에서 42-50% 정도 높은 것으로 나타냈다. 따라서, 모래 액상화 거동에서 구속응력보다 상대밀도가 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

(3) 포항지진 시 계측된 최대가속도를 기준으로 깊이 10m 정도 아래 지층을 대상으로 계산된 전단응력비는 0.135이며, 지층이 Dr=40% 이하로 느슨할 경우에는 액상화에 대한 저항응력비가 0.12 정도이므로 액상화가 발생하는 것으로 나타났다.

(4) ProShake를 이용하여 포항 지진파를 액상화가 발생한 포항지역 논의 지층분포에 입력한 경우 10m 아래 지층에서 발생하는 전단응력은 22.5kPa이며, 최대 전단응력비는 0.23 정도였다.

(5) 포항 지진파를 입력한 경우 모래의 종류에 관계없이 느슨한 시료의 경우에는 2회 입력 시, 조밀한 경우에는 3회 입력 시 액상화가 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 구속응력 100-200kPa 범위 내에서는 유사한 결과를 보여 구속응력에 따른 액상화 거동의 차이는 미미하였다. 이렇게 정현파가 아닌 실지진파를 이용할 경우 지진의 주파수 특성을 고려할 수 있으므로 보다 정확한 액상화 평가가 가능할 것으로 판단된다.