033. 액상화 (液狀化)
건축시공기술사 기출해설
| 2015-04-08 오전 10:17:07
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033. 액상화 (液狀化)
*71회-용어10. 액상화 (液狀化)
*시공90회1교시-3. 액상화 현상
[요약]
1. 액상화 : 상실지반이 액체와 같이 되는 현상
2. 과정 : 모래지반에서 충격, 지진, 진동으로 간극수압의 상승, 유효응력이 감소, 전단저항상실
3. 액상화의 종류 : 유동액상화와 동적이동
4. 액상화 평가방법 : 표준관입시험 콘관입시험의 간편예측법, 액상화 확률적 평가, 표준관입시험과 입도분포의 간편예측법, 액상화 가능성 지수
5. 액상화의 영향 : 건물의 부동침하, 가벼운 구조물 부상, 지반의 이동
6. 방지대책 : 탈수, 배수, 입도개량, 전단변형억제, 밀도증대
[해설]
1. 액상화의 정의 및 발생과정
(1)정의
-액상화란 모래지반에서 순간충격, 지진, 진동 등에 의해 간극수압의 상승으로, 유효응력이 감소되어 전단저항을 상실하고 지반이 액체와 같이 되는 현상을 말하며 액상화 발생시 건물의 부상 및 부동침하가 발생한다.
-액상화는 포화 사질토가 비배수 상태에서 급작스런 정적(static) 혹은 반복(cyclic) 하중을받게 되면 압축에 의해 과잉간극수압이 발생되고, 동시에 유효응력이 감소하게 된다. 이로인해 전단저항이 대규모로 감소되어 액체처럼 유동하는 현상을 말한다.
(2)발생과정
-자연지반에서 사질토의 경우, 외력이 작용하기 전에 토립자들은 상호 접촉 상태에 있으며 입자간의 상호접촉을통해 외력이 전달된다.
-사질토 지반은 이와 같은 원리로 지표에 있는 구조물에 저항하는전단력을 제공한다. 지진에 의해 발생된 전단력은 사질토에 변형을 일으키게 됨에 따라 본래수직방향으로 지지하던 사질토는 포화 사질토의 단위중량을 가지는 액체와 같이 거동하게된다.
-액상화가 발생한 후, 진동하중의 재하가 그치게 되면, 토립자는 재구성과 함께 간극수압이 소산됨에 따라 토체는 다시 안정화(post-liquefaction)를 이루게 된다(이재진 등, 2010). 이때 발생하는 체적변화는 소산된 간극수의 체적과 같다. 이와 같은 토체의 변화과정을 도시하면
2. 액상화의 종류
(1) 유동 액상화(Flow Liquefaction)
-유동 액상화(flow liquefaction)는 낮은 잔류강도를 가진 토체(soil mass) 내의 정적 평형상태가 정적 또는 동적 하중에 의해 파괴되는 현상이다. 즉 토체 내의 정적 평형상태(staticequilibrium)를 위한 전단응력이 토체의 전단강도(shear strength)보다 클 때 발생한다.
-일단 유동 액상화(flow liquefaction)가 진행되면 큰 변형이 발생하고 상당히 빨리 이동하며 먼 거리까지 이동한다. 그리고 모든 액상화 관련 현상 중에서 유동파괴(flow failure)라고 하는 가장 위험한 결과를 가져온다. 유동 액상화(flow liquefaction)는 지진이 계속되는 동안이나 끝난 후에 발생되며, 느슨한 흙에서만 발생되는데 주로 경사지에서 일어난다.
(2)동적이동(Cyclic mobility)
-동적이동(cyclic mobility)은 포화 사질토가 일정한 함수비에서 반복하중을 받아서 일어나는 진행성 연화현상(progressive softening)으로서 1969년 Casagrande에 의해서 처음으로 사용된 용어이다(Castro와 Poulos, 1977).
-이는 유동 액상화(flow liquefaction)와는 달리 정적 전단응력이 액상화토(liquefied soil)의 전단강도보다 적은 상태에서 일어나며 변형은 정적 전단응력과 반복 전단응력 모두에 의해서 일어난다.
-이 변형은 지진이 계속되는 동안에 점차적으로 증가하면서 일어난다. 측방퍼짐(lateral spreading)이라고 부르는 이러한 변형은 물에 인접하고 있는 평지나 또는 대단히 완만한 경사지반에서 발생하고 구조물이 있을 경우 큰 피해를 줄 수 있다. 동적이동(cyclic mobility)의 특별한 경우가 평지 액상화(level-ground liquefaction)이다.
-수평지반에서는 횡방향 변형을 일으킬 수 있는 수평전단응력이 작용하지 않으므로 평지 액상화는 지반동요(ground oscillation)와 같은 대규모 움직임이 발생될 수 있으나 횡방향 변위는 크지 않다. 평지 액상화(level-ground liquefaction)가 발생하면 지반동요, 지진 후 침하 및 분사 등이 나타난다.
동적이동(cyclic mobility)은 느슨한 모래와 조밀한 모래에서 모두 일어날 수 있으나 밀도가 증가할수록 변형은 크게 감소한다.
3. 액상화 평가 방법
(1) 표준관입시험 및 콘관입시험 결과를 이용한 간편예측법
표준관입시험을 이용한 간편예측법(Seed & Idriss, 1971)은 현장 시추조사 시 병행하여 실시하는 표준관입시험을 통해 지진발생 전단응력비와 지반저항 응력비의 관계로부터 액상화발생을 판단하는 예측방법이다.
(2) 액상화 확률적 평가(Probability of Liquefaction)
하중과 저항에 따른 안전율로 평가하는 방법의 불확실성이 내재되고 있다는 인식하에 액상화의 확률론적 평가방법이 제안되었다.
(3) Arias Intensity 방법
Arias intensity는 칠레 기술자 Arturo Arias(1970)에 의해 제안되었으며, Kayen과 Mitchell(1997)은 Arias intensity는 진동수에 의해 균등하게 개제되어 단순 진동계의 개체에 의해 흡수된 총 에너지는 같으며, 따라서 액상화 가능성을 Arias intensity를 사용하여 평가할 수 있다고 제안하였다.
(4) 표준관입시험과 입도분포를 이용한 간편예측법
우선 입경의 범위가 액상화 발생가능성 범위 안에 있는지를 평가한 후 범위 안에 있는 경우 각 토층의 등가 N치와 등가가속도에 의해 액상화 가능성을 판정한다
(5) 액상화 안전율(Factor of liquefaction, FL)
액상화 안전율(Factor of liquefaction)은 원지반의 액상화 가능성을 판정하기 위한 지표로서 원지반의 흙 요소가 가지는 동적 전단응력비(R)와 흙 요소에 작용하는 지진시 전단응력비(L)의 비(F/L)로서 정의하며, 1.0 이하의토층에 대해서는 액상화가 발생되는 것으로 평가한다.
(6) 액상화 가능성 지수(Potential of Liquefaction, PL)
액상화 가능성 지수(PL)는 Iwasaki(1980) 등이 제안한 방법으로 각 토층마다 구해진 FL 값에 가중함수 w ( z)을 곱하여 깊이방향으로 적분한 값이다.
4. 액상화의 발생원인
(1)포화된 느슨한 모래가 진동과 같은 동하중을 받으면 모래의 부피가 감소되어 간극수압이 발생하여 유효응력이 감소되어 발생
(2)Coulomb의 법칙에서 유효응력을 상실할 때 액상화 발생
S = C + σtanφ
-S : 전단강도
-C : 점착력
-σ : 파괴면에 수직적인 힘(유효응력)
-tanφ : 마찰계수
-φ : 내부마찰각
모래지반 : S = σtanφ
5. 액상화의 영향
(1)건물의 부동침하
(2)가벼운 구조물 부상
(3)지반의 이동
6. 방지대책
(1)탈수공법 : Sand Drain공법, Paper Drain공법, Pack Drain공법
(2)배수공법 : Well Point공법, Deep well공법
(3)입도개량 : 치환공법, 약액주입공법
(4)전단변형 억제 : Sheet pile공법, 지중연속벽
(5)밀도증대 : Vibro Floatation공법, Sand Compaction Pile공법, 동압밀공법
(6)기타 : 구조물 자체강성확보, 액상화 가능지역 구조물 축조금지
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[출처]기존 하구둑 시설물의 액상화 평가방법 및 평가사례에서 참조함
이종근┃한국시설안전공단 수자원팀 과장, 토질 및 기초기술사
최홍석┃한국시설안전공단 수자원팀 대리