1. 액상화란 ?■■일반적으로 액상화는 「지반내에 작용하고 전단응력에 의해 지반중에 생기는 과잉간극수압이 토립자를 구속하고 있었던 초기 유효응력과 같아져, 유효응력이 0이 되는 현상」이라고 정의되어 있다. 또는, 「지반이 진동하중 또는 지진등의 급속하중에 의해 포화사질토가 전단 저항력을 상실하고 마치 유체와 같이 거동하는 현상」을 의미한다. 액상화현상을 재료의 역학적 거동특성에 기초하여 설명해 볼 때 「지반이 유체와 같이 거동하는 현상」을 의미한다. 느슨한 사질토가 과잉간극수압이 소산되는 시간보다 빠른 재하속도를 갖는 동하중을 받게되면 토체는 비배수상태하에 있게된다. 비배수 상태에 있는 사질토는 일정한 체적을 유지하려는 상태에서 변형을 겪게 된다. 즉, 진동하중하에서 토립자는 변형 및 재배열을 하지만 포화 토체의 일정한 체적 유지성 때문에 토립자의 변형률 및 재배열량 만큼 과잉간극수압이 발생하게 된다. ■이렇게 간극수압이 상승하여 유효응력이 감소한 결과 포화사질토가 전단강도를 잃는 것을 액상화라 한다. 완전한 액상화는 유효응력 0의 상태와 대응하고, 그 때 간극수압은 전응력과 같아질 때까지 상승한다. 한계동수경사(Critical hydraulic gradient)를 가진 상향 침투수에 의하여 모래는 완전히 액상화한 상태를 지속시킬 수 있다. ■동수경사가 임계치에 달한 후 거기에 상향 침투수의 유량이 크게 되면 모래입자가 활발히 유동하는데, 그러한 상태를 보일링(Boiling)이라 한다. ■매우 느슨한 포화사질토는 아주 경미한 자극에 의해서도 액상화되는 경우가 있는데 이것을 돌발적 액상화(Spontaneous liquefaction)라 한다.■■지진에 의한 사질토지반의 액상화는 비배수 조건에 가까운 상태에서 전단응력이 반복작용함에 따라 과잉간극수압이 점차 축적되는 과정을 따르는 경우가 많다고 추정된다. ■따라서 포화토 공시체에 대한 비배수조건하에서 반복전단응력(Cyclic shear stress)을 작용시켜 액상화저항(Liquefaction resistance)으키는 것이다. 일반적으로 조밀한 상태에서는 체적이 증가하고, 느슨한 상태에서는 체적이 수축이 일어난다. 이 중에 액상화에 관계되는 것은 후자의 다일레이턴시이다.3. 액상화에 영향을 미치는 요소(1) 밀도액상화의 발생 메커니즘을 생각하면 입자가 조밀하게 가득차 있을수록 액상화하기 어려운 것은 명백하다. 왜냐하면 액상화는 토립자의 골격주조가 파괴하는 것에 따라 일어나기 때문이다. 또 조밀한 모래로는 액상화가 발생하여도 유동적이 되지 않고, 다소 변형하는 것에 그치기도 한다. 이와 같이 밀도는 액상화에 대하여 크게 영향을 미치게 된다.(2) 입도 분포 및 입자크기일반적으로 세립이면서 입도 분포가 양호한 사질토가 굵은 모래보다 액상화하기 쉽다. 이것은, 입도분포가 불량한 세립분을 함유하고 있는 모래의 경우에는 세립분에 의한 점착력 때문에, 토립자의 골격구조가 파괴되기 어려우며, 또한 입자가 큰 경우에는 간극비가 크기 때문에 투수성이 커져 비배수 상태를 유지하기 어렵고, 간극수압의 소산이 쉽게 이루어져 액상화의 발생 가능성도 그만큼 줄어들게 된다.(4) 포화도액상화는 입자의 맞물림이 어긋나 간극수중에 입자가 뜬 상태가 되어 발생한다. 따라서 포화도가 낮아 간극수에 공기가 포함되어 있는 경우 액상화 되기가 어려워 진다. 이 때문에 흙의 포화도는 액상화 강도에 크게 영향을 준다. 일반적으로 지하수위 이하는 완전히 포화되어 있는 경우가 많고, 반대로 지하수위 보다 위에서는 불포화 상태를 유지하기 때문에 액상화가 발생 하기가 어렵다다.(5) 유효상재압 또는 유효 구속압모래는 유효 연직응력에 의해 전단강도가 크게 변한다. 이것은 모래가 내부 마찰각을 가지기 때문으로 주위에서 구속하는 압력이 늘면 액상화에 저항하는 강도도 증가한다. 즉 유효상재압 또는 유효 구속압은 액상화 하든지, 하지 않는지가 하나의 판정 재료가 된다. 액상화 강도는 유효 구속압에 비례해 증가한다.(6) 진동 특성 (Vibration characteristics)일정한 진동 아래에서는 액상화는 지표의 윗부분에d air)만약 공기가 간극내에 존재한다면 이 공기들은 과잉 간극수압의 소산을 도와 그 만큼 액상화의 가능성을 줄여준다.그림- 액상화에 의한 지반 파괴형태.4. 액상화 평가기법(1) 실내시험실내시험에 의해 액상화를 판단하는 방법은 실내 주기 진동 삼축 시험이나 전단시험을 통해서 "액상화에 의한 파괴"를 초기 액상화 상태에 이르거나 5%의 동적 변형율 차를 파괴 기준으로 사용해왔다. 그러나 모래의 비교란 샘플 채취는 매우 어려운데, 예를 들어 실제로 액상화가 일어나기 쉬운 느슨한 모래를 샘플링을 하면 샘플링 중에 밀도가 높아져 많은 오차를 수반한다. ■또한 Mulilis et al (1977), Ishihara (1993)의 실험에 의하면 밀도를 같게한 같은 종류의 모래를 가지고 한 시험에서도 액상화 저항 값은 상당히 넓은 범위에 걸쳐 분포 하고 있음을 보여 실내시험의 어려움을 보여주었다. ■실내시험을 이용해서 액상화 저항을 평가하는 가장 간편한 방법은 입도분포를 이용하는 방법으로 그림 2에 나와 있다. ■아래의 그림 2의 도표는 과거 액상화 발생 자료를 근거로 한 것으로 균등계수 3.5를 기준으로 구분하였다. ■그림에서 영역 , 그리고 영역 를 제외한 나머지 영역의 입도분포는 액상화 가능성이 없는 것으로 간주하며 영역 A는 영역 , 보다 액상화 가능성이 높음을 나타낸다. ■(2)원위치 시험앞 절에서 보인 바와 같이 실내시험을 통한 액상화 저항의 판단의 어려움과 시험비용이 많이 드는 단점을 극복하기 위해 Seed교수는 1970년대 초반 액상화에 대한 저항값의 계산에서 SPT의 사용을 강조했다. ■하지만 SPT의 경우에는 정확한 판단을 위한 흙의 특성을 알아내기 위해서 추가적인 실내시험을 필요로 한다. ■그럼에도 불구하고 SPT의 경우에는 그 방대한 양의 지반 조사 자료로 인해 널리 이용되어지고 있다. 그리고, CPT도 지반 자료의 연속적인 측정, 조사의 정확성등으로 인해 그 사용이 많이 증가하고 있다. ■그 외에 쓰여지는 방법으로는 전단파 속도, BPT, DMT한 약점을 보완하기 위해서 많은 연구가들은 큰 직경을 가진 관입시험기의 개발에 매달렸고 이렇게 만들어져 시험되는것이 BPT이다. ■Becker 관입 저항은 케이싱을 300mm 관입시키는데 필요한 타격횟수로 나타낸다. ■하지만 BPT는 아직 표준화 되어 있지 못해, 여러 가지 방법의 장비와 방법이 쓰이고 있다. ■이것 때문에 액상화 저항을 직접적으로 판단하는 방법이 개발되어 있지 못하고 경험에 의한 상관식으로 평형 SPT의 타격횟수로 평가한다. ■(3) SPTSPT를 이용한 액상화 저항의 예측은 가장 널리 이용되어지는 방법이다. SPT 자료를 액상화저항의 평가에 적용시키기 위해 많은 N치에 영향을 미치는 많은 요소들에 대한 연구가 이루졌고, 특히 세립분의 함유량에 대한 보정이 반드시 필요함을 알게 되었다. 타격 에너지 60%에 보정으로 구해진 (N1)60값의 CRR은 세립분의 함유량이 증가함에 따라 같이 증가함을 알게 되었다. ■그러나 현재까지 CRR값이 커지는 이유가 아주 큰 액상화 저항때문인지 아니면 세립분의 함유량에 따른 압축성의 증가와 투수성의 감소에 따른 결과인지 그 이유를 정확히 규명하지는 못하고 있다. ■(N1)60cs= ＋ (N1)60여기서, 와 는 FC (입도시험을 통해 알아낸 세립분 함유량)에 따라 다음의 식으로 구한다.■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ = 0 ■FC 5% ■(6a)■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ = exp[1.76 - (190/ )] ■5% < FC < 35% (6b)■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ = 5.0 ■FC 35% (6c)■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ = 1.0 for FC 5% (7a)■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ = [0.99 + ( /1000)] 5% < FC < 35% (7b)■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ = 1.2 ■FC 35% (7c)5. 액상화 대책공법액상화에 대한 검토에 있어서 대상으로 하는 지반이 액상화한다고 판정된 경우에는 봉다짐공법, 바이브로플로테이션공법, 동다짐공법 등을 들 수 있다. 이러한 공법의 적용에 있어서는 다짐에 의해 수평 토압이 증가하므로 인접구조물(예를 들면 안벽)에 악영향을 미칠 가능성이 있다는 것과 특수한 공법인 바이브로플로테이션공법 등을 제외하고 다짐에 의한 진동 소음 등이 크다는 것 등 주변에 대한 배려가 필요하다. ■그 외에 지반의 세립률이 큰 경우에는 다짐이 곤란해지므로 주의를 필요로 한다.5-2 간극수압소산간극수압소산에 의한 액상화대책공법은 지반 내에 투수성이 매우 좋은 쇄석 등의 말뚝을 타설하여 지진시 사질토 내에 발생하는 과잉간극수압 소산을 촉진시켜 액상화 발생을 억제하는 것으로 대표적인 것으로는 자갈배수(gravel drain)공법을 들 수 있다. 이 공법은 다짐에 의한 공법과 비교하여 진동 소음이 적고 주변에 미치는 영향이 적은 장점이 있다. 그러나 이 원리에 의한 공법은 설계에 있어서 말뚝 타설간격 결정에 복잡한 계산을 요하고 그 때에 많은 설계변수가 필요하게 된다. 또한 원래지반의 사질토 자체를 개량하는 것이 아니므로 어느 정도의 과잉간극수압 발생을 용납하는 공법이다.■더욱이 과잉간극수압비가 1.0에 가까워지면 급격히 큰 변형을 일으킬 가능성이 있으므로 점성강도의 부족이 지적되고 있다.■따라서 이 공법은 다짐 등의 다른 공법 적용이 곤란한 경우에 주로 사용된다. 이 공법의 일종으로서 최근 말뚝에 배수기능을 첨가시켜 말뚝 자체의 강도와 배수기능 부가에 의한 과잉간극수압 소산의 양쪽 효과로 액상화대책을 실시하는 공법이 개발되었다. ■즉, 세립분 함유율이 크고 투수성이 낮은 지반에서는 이 공법의 적용이 곤란하다.5-3 고결고결에 의한 액상화대책공법으로서는 심층혼합처리공법과 사전혼합처리공법을 들 수 있다. 이들 중에 심층혼합처리공법은 사질지반 내에 시멘트 등의 안정재료를 혼합하여 지반을 고결시키는 방법이다. 이 공법은 기존건축물 바로 아래 지반의 액상화대책에도 적용이 가능한 방법으로 알려져 있으며 건축물주위의 지반을 심층혼합에 의한 지중벽으로 둘다.
