1. 연구배경 및 연구목적

지진은 지표 아래 수 킬로미터의 지각변동으로 인해 중력의 역방향으로 작용하는 특성이 있으며 이로 인해 시설물에 영향을 주기 전에 시설물을 지 지하는 지반의 동적거동이 먼저 시작되어 시설물 피해를 가중시키게 된다. 대표적인 지진으로 인한 지반피해는 액상화와 산사태를 들 수 있으며 일반 적으로 이러한 지반피해는 지진규모 6 이상의 강진규모에서 발생하는 것으 로 알려져 있다. 이러한 가운데 2017년 규모 5.4의 포항지진 발생시 액상화 및 sand boiling 현상이 발생하여 그 피해를 가중시킨 바 있다.

포항의 경우, 경주지진 발생 후 수행된 국내 액상회 위험도 작성을 위한 연구성과[1]에 의하면 대부분의 연안지역이 매립지반으로 조성되어 지반 내 지진증폭과 액상화 발생 가능성이 높은 특성을 갖고 있다. 이와 유사한 지진피해 사례로는 1995년 고베지역을 강타한 효고현남부지진을 들 수 있 으며 연안의 매립지반 위에 조성된 항만지역이 강한 직하형 지진동으로 발 생한 액상화로 인해 항만의 기능을 상실할 수준의 피해가 발생한 바가 있다.

액상화가 발생하게 되면, 지반 내 간극수가 지표로 분출되어 간극수가 차지하고 있는 부피만큼 지반이 침하되는 현상으로 상부의 시설물도 크게 피해가 발생하는 현상이 발생한다.

국내에서도 포항지진 발생시 이상과 같은 액상화 현상이 발생한 이후, 액상화 연구가 크게 주목받기 시작하였으며 현재까지도 다양한 국내 연구 가 진행되고 있다. 이에 대한 연구사례를 보면, 실제 액상화 피해지역인 포 항에서의 현장조사를 통한 연구[2-4], 포항현장에서 채취한 시료를 이용한 실험연구, 그리고 관련 국가기준의 재정비를 위한 연구[5,6] 등이 진행되 어 국내 액상화 대책마련을 위한 연구성과들이 발표된 바 있다. 특히, 현장 시료를 이용한 실험연구의 경우, 반복직접전단시험[7,8]과 진동삼축시험 [9,10]이 수행된 바 있다. 특히, 포항지진 이후, 불교란의 조립토시료를 대 상으로 한 진동삼축시험 실험연구가 크게 주목을 받은 바 있다. 교란된 시료 를 바탕으로 재성형된 시료를 이용한 실내시험의 경우 불교란 시료보다 액 상화 저항강도가 상이하게 나타나며 정확한 지반상태를 묘사하기위해 불 교란 시료를 이용한 실내시험을 수행하는 것이 타당하다[11,12]. 하지만 동결채취방식과 튜브샘플링방식 등 기술적 난이도가 매우 높고 비용적 문 제가 큰 단점으로 인해 불교란 시료를 이용한 시험에 어려움이 있어 국내에 서는 이에 대한 적용사례가 전무한 실정이다. 이러한 가운데 튜브샘플링 방 식의 단점을 보완하여 현장채취 시료를 동결시키는 방식을 이용하여 불교 란의 조립토시료를 채취하여 진동삼축시험에 실제 현장상태를 반영하는 연구가 연구[13]가 수행된 바 있다.

이상과 같이 포항지역을 대상으로 한 액상화 연구가 수행되고 있는 가운 데, 포항지진 발생시 액상화 피해로 지반침하가 발생한 지역 중 일부 지역은 액상화 발생가능성이 높지 않은 세립토지반으로 점토성분이 매우 많다는 사실이 현장지반조사를 통해 나타났다. 특히, 점토성분이 많은 세립토지반 은 액상화 평가에서 제외하는 것이 국내에서 일반화되어 있고 실제 국내 내 진시방[14]에서도 액상화 평가 생략조건으로 점토성분이 우세한 지반은 액상화 발생가능성이 낮다고 보고 이를 액상화 평가에서 제외하도록 규정 화되어 있다.

그러나, 국외의 액상화 발생현상을 조사해 보면, 세립분 함유량이 많은 곳에서도 액상화가 발생되었다는 보고가 있으며 점토와 실트와 같은 세립 토 지반에서 발생하는 액상화 현상을 연화거동으로 규정하는 등의 연구가 진행된 바 있다[15-19].

이에 이 연구에서는 포항지진 발생시 점토성분이 우세한 세립토 지반에 서 발생한 지반침하를 상세 분석하고자 포항현장의 시료를 동결시킨 불교 란 시료를 이용한 진동삼축시험을 수행하고 이를 통해 포항지진시 지반의 액상화 거동 특성을 심도있게 규명하고자 한다. 또한, 국내에서 수행되는 여러 액상화 평가방법 중 항만 및 어항설계기준 내진편[14]과 기존 시설물 내진성능평가요령[20]에 제시된 액상화 상세평가법을 통해 실제 액상화 현상이 발현된 고소성의 세립토지반의 액상화 평가를 진행함으로써 기존 평가방법의 적용성 여부도 검토하고자 한다.

2. 시료채취 및 실험방법

2.1 시료 채취

현장의 시료는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 실제 점토지반에서 지반침하 가 발생한 경상북도 포항시 북구 Y동에서 시추조사를 통해 불교란시료를 획득하였다.

Fig. 1에 나타난 위치에서 물을 사용하지 않는 무수형태의 회전식 보링 장비를 이용하여 시추조사를 수행한 결과를 요약하여 나타내면 Fig. 2와 같 으며 시추조사시 불교란시료로 채취된 샘플의 모습은 Fig. 3에 나타난 바와 같다. 이때, 무수타입의 보링장비는 액상화와 연계된 간극수의 현장상태를 좀더 신뢰성높게 재현하기 위해 이용되었으며 시추시 NX타입 시추공(지 름 76 mm)을 이용하여 반복삼축시험에 필요한 시료(70 mm)를 조성하는 데 문제가 없도록 하였다.

Figs. 2와 3에 나타난 바와 같이 시추조사 결과와 획득된 시료의 상태를 보면, Fig. 3(a), (b), (C)의 경우, 회색빛의 점토성분이 많이 포함되어 있으 며 Fig. 3(d)는 황색빛을 띠고 있는 것으로 나타났다. 이 연구에서는 시료의 상태가 양호한 Fig. 3(a)와 (d)의 불교란 시료를 이용하여 반복삼축시험을 수행하였으며 이때, 시추조사위치의 지하수위와 각각의 시료채취 심도를 고려하여 유효구속압을 70 kPa과 150 kPa을 적용하였고 반복삼축시험 시 정현하중의 진동주기는 0.1 Hz로 통일하였다.

2.2 실내 물성시험 결과

Fig. 3(a) 시료를 대상으로 비중, 함수비, 액성한계, 소성한계, 체분석, 비 중계실험 등 실내 물성시험을 수행하였다. 시험결과, 입도분포곡선은 Fig. 4와 같으며 액성한계(LL), 소성한계(PL), 비중, 건조단위중량(γ_d) 실험결 과를 요약해서 나타내면 Table 1과 같다.

Fig. 2(a)에 나타난 시료의 모습은 점토성분이 많은 것으로 확인되어 고 소성의 점토지반일 것으로 예상었으나 실제 실내 물성시험 결과를 토대로 한 토질분류 결과는 소성도표에서 실트와 점토를 구분하는 A선 바로 아래 로 판정되어 최종적으로 통일분류 상 고소성의 실트지반(MH)으로 판명되 었다.

3. 반복삼축시험의 수행 및 시험결과

현장에서 채취한 불교란시료에 대해 반복삼축시험은 다음과 같은 순서 에 의해 시험을 수행하였다.

반복삼축시험은 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 총 9단계로 구성된다. 1단계 는 준비된 시료를 다공판과 함께 Cell 내부에 거치시키는 것이며 2단계에서 는 시료의 지름과 높이에 맞춰 제작된 몰드를 이용하여 시료에 맴브레인을 씌워 Cell 하부를 고무링으로 고정시키고 3단계에서 시료 상부에 다공판을 올려 Cell 상부를 결합하고 고무링을 이용해 Cell 상부와 멤브레인을 고정 시켜 시료 외부에서 물이 들어오는 것을 막는다. 또한, 간극수압 센서와 연결 을 위한 관을 연결하고 시료의 붕괴 또는 변형을 방지하기 위해 20 kPa 부압 을 시료 내부에 작용시키고 이후 외부 커버를 체결한 후, 내부에 물을 채운 다. 4단계는 시료의 포화과정으로 구속압과 배압의 차이를 20 kPa로 유지하 며 탈기수조와 연결된 배압을 시료 내부에 주입한다. 이때, 높은 포화도를 얻 는 시점에 배압의 크기가 높으면 배압과 구속압의 차이인 유효구속압을 맞 출 때 내부 구속압의 크기가 매우 높아져 Cell이 견딜 수 없어 금이 가거나 깨 지는 상황이 올 수 있으므로, 낮은 크기부터 서서히 배압을 올리며 주입하며 이때, 포화도(B value)가 0.95가 되면 포화를 종료한다. 5단계는 시료의 압 밀과정으로 시료의 채취심도(9 m, 27 m)를 고려한 유효구속압(70 kPa, 150 kPa)을 만족하도록 배수밸브를 열어 압밀을 수행한다. 6단계는 실제적인 반 복삼축시험으로 배압과 연결된 밸브를 잠궈 비배수 상태로 만든 후 적정한 반복전단응력비(cyclic shear stress ratio, CSR_TX)에 따라 축차응력값을 계 산해 반복하중을 재하한다. 7단계는 시험의 종료로 반복하중에 의해 과잉간 극수압이 유효구속압만큼 올라가거나, 양방향 축변형률이 5% 이상되면 액 상화가 발생했다고 간주하여 실험을 종료한다[21,22].

8단계와 9단계는 1-7단계를 반복전단응력비를 달리한 시험을 총3회 실 시하게 되며 3회의 시험결과를 정리하여 액상화 저항곡선(cyclic resistance stress ratio, CRR)을 산정하게 된다. 실제 시험에서 각 단계별 모습을 나타 내면 Fig. 6과 같다.

4. 시험결과

Fig. 5의 시험단계를 거쳐 시추심도 9.0 m~9.8 m와 27 m~27.8 m에서 채취된 시료에 대해 각각 유효구속압 70 kPa과 150 kPa을 적용하고 각 케 이스별로 3회의 반복전단응력비(CSR)를 달리한 시험을 수행하여 각각의 결과인 과잉간극수압(r_u)과 변형률(axial strain)을 정리하여 나타내면 Figs. 7-12와 같다.

Figs. 7-12의 결과를 요약해서 나타내면 Table 2와 같다.

Table 2의 결과를 살펴 보면, 모든 실험이 액상화 발생시 반복하중에 대 한 과잉간극수압비가 약 0.5-0.8 수준으로 일반적으로 진동하중으로 유발 되는 과잉간극수압이 초기 유효구속압과 같아지는 수준보다 작은 것으로 나타났으며 실제 파괴는 과잉간극수압이 아닌 양방향 축변형률이 5%에 도 달하여 파괴에 도달한 것으로 나타났다. 즉, 일반적으로 액상화로 전이되는 과잉간극수압비보다 적은 수준인 것으로 나타났다. 특히, 느슨한 사질토의 경우, 대부분 과잉간극수압비가 0.6 수준에서 급격한 과잉간극수압의 증가 와 큰 변형이 함께 발생하는 액상화로의 전이가 시작되는 것[23]과는 다른 양상을 보여주고 있다. 특히, 진동에 따른 변형과정을 살펴보면, 대부분의 시험결과가 최초 눈에 띄는 변형이 시작된 이후 점진적으로 변형이 증가되 어 가는 것으로 나타났다.

이러한 점으로부터 점토지반이 우세한 연약 세립토지반의 경우, 과잉간 극수압의 영향보다는 실제 지반이 보유한 저항강도 자체가 낮아 진동하중 이 재하가 반복되면서 지반침하가 누적하여 발생한 것으로 판단된다. 그리 고, 실제 포항지진시 발생한 Sand boiling 현상은 하부의 세립토지반에서 발생한 지반침하와 함께 일정부분 증가한 과잉간극수압의 영향으로 연약 세립토지반의 흙이 지상으로 분출된 것으로 사료된다.

이상의 분석결과를 토대로, 현재 액상화 평가시 예비평가에서 점토성분 이 많은 지반을 액상화 평가에서 제외하는 항목에 대해서는 추가적인 연구 와 전문가들의 논의를 통해 이를 개선할 필요가 있다고 판단된다.

5. 액상화 발생지층에 대한 내진설계시 액상화 평가검토

이 연구에서는 앞 장에서 언급한 바와 같이 액상화 평가시 액상화 평가대 상지층에서 제외되는 세립분 지반에 대해 액상화 평가를 수행하고 이를 통 해 이러한 지반에 대해 지진시 어떠한 고려가 필요할지 여부를 검토하고자 하였으며 이때, Fig. 2의 지반조사결과와 Figs. 7-9의 반복삼축시험 결과를 이용하여 지반응답해석(Ground Response Analysis)과 함께 액상화 상세 평가를 수행하였다. 이때, 이용된 액상화 평가방법은 국내 액상화 평가를 가 장 먼저 내진설계에 반영한 항만 및 어항시설 내진설계기준의 내용을 이용 하였다. 이 액상화 상세평가의 경우, 액상화 반복전단응력비(cyclic stress ratio, CSR)과 액상화 저항강도비(cyclic resistance ratio, CRR)을 비교하 여 최종 액상화 안전율을 산정하게 한다. 이 연구에서는 국내 액상화 평가 기 준을 바탕으로 해당 지층에서 수행된 지반응답해석을 통해 액상화 반복전단 응력비를 과 진동삼축시험 결과를 이용해 액상화 상세평가를 수행하였다.

5.1 지반응답해석을 이용한 액상화 반복전단응력비 산정

항만 및 어항시설 내진설계기준[14]에서는 액상화 반복전단응력비, CSR을 다음의 식 (1)을 통해 산정하며 기존 시설물 내진성능평가요령[20] 에서는 식 (2)를 통하여 산정한다.

식 (1)에서 σ_υ 와σ_υ ′는 액상화 평가대상지층에서의 전응력과 유효응력 이며 a_max,depth와 τ_max,depth는 액상화 평가대상지층에서의 최대지진가속 도와 최대전단응력으로 지반응답해석의 수행을 통해 획득한다. 이 연구에 서 지반응답해석에 이용된 프로그램은 Pro-Shake이며 지반응답해석시 입 력지진은 Fig. 13에 나타난 바와 같이 실제 포항에서 관측된 지진파(PHA2) 를 사용하였다. 이때, 국내 내진설계 일반에 제시된 암반지반 표준설계응답 스펙트럼 매칭을 통해 산정된 설계지반운동을 적용하고 설계지반운동의 수준은 일반적으로 액상화 평가를 수행해야 하는 내진1등급 및 2등급 수준 으로 정하고 이와 연관하여 유효수평지반가속도(S)는 포항지역의 지진구 역계수인 0.11에 내진1등급(재현주기 1000년), 내진2등급(재현주기 500 년)에 해당하는 위험도계수 1.4와 1를 적용하였다[24].

또한, 지반응답해석시 지반의 입력자료 중 하나인 전단파속도(Shear Wave Velocity)는 현장시추조사에서 획득한 N값을 활용하여 산정하였으 며 이때, Table 3의 경험식을 이용하였으며 지표면부터 기반암까지의 지반 특성을 고려하기 위해 동적곡선은 Darendli(2001) 모델을 사용하였다. 이 상의 입력자료를 이용하여 지반응답해석을 수행한 결과, Figs. 14와 15와 같이 지층별 최대가속도및 최대 전단응력을 획득하였다. 액상화 평가대상 지층인 9.0 m~9.8 m에서의 최대가속도는 중간심도 기준 0.11 g에서는 0.088 g, 0.154 g에서는 0.097 g로 나타났으며 최대 전단응력은 0.11 g에 서는 16.382 kPa, 0.154 g에서는 16.823 kPa로 나타났다.

5.2 액상화 저항강도비 산정 및 액상화 상세평가

액상화 상세평가시 액상화 저항강도비는 실내진동실험을 통해 도시된 액상화 저항강도비 산정곡선을 이용하게 되며 Table 2의 CASE1(유효구 속압 70 kPa 실험결과)에 해당하는 반복전단응력비(CSR_TX)와 액상화 발 생시 반복재하횟수(Number of Cycle, Nc)를 그래프로 나타내면 Fig. 16 과 같이 액상화 상세평가를 위한 액상화 저항강도비(CRR) 산정곡선이 획 득된다.

최종적으로 액상화 저항강도비, CRR은 국내 지진특성을 고려하여 지 진규모 6.5에 해당되는 10회시의 값을 이용하게 된다. Fig. 15에서 반복횟 수(Nc) 10회에 해당하는 값은 0.235이며 이 값에 식 (3)을 적용하여 최종 CRR값으로 0.156을 산정하였다. 이때, 식 (3)에서 정지토압계수, K₀는 점 토지반임을 고려하여 Massarsch(1979)가 제안한 식 (4)를 적용하였으며 식 (4)에서 소성지수, Ip는 Table 1의 액성한계와 소성한계를 통해 산정하 였다.

Fig. 14에서 획득한 액상화 평가대상지층에서의 최대지진가속도값을 식 (1)에 대입하여 지진에 의한 반복전단응력비 CSR과 Fig. 15에서 획득 한 액상화 평가대상지층에서의 최대전단응력을 식 (2)에 대입하여 지진에 의한 반복전단응력비 CSR을 각각 산정하고 이를 Fig. 16을 통해 산정된 액 상화 저항강도비 CRR과 비교하여 산정된 액상화 상세평가 안전율들을 요 약하여 정리하면 Table 4와 같다.

Table 4를 보면, 상세평가시 0.11 g와 0.154 g 설계지반운동 수준에서 안전율(F·S = CRR/CSR)들이 상세평가시 허용안전율 1.0을 훨씬 상회하 여 액상화에 대해 안전하다고 평가되어 내진설계시에는 이 부분에 대해 간 과할 가능성이 높다. 즉, 현재 내진시방에서는 고소성의 세립토지반을 평가 대상에서 제외하고 있는데 만약 이에 대한 내용을 개정하여 이를 포함시켜 액상화 상세평가를 수행하게 되더라도 Table 4의 결과와 같이 액상화에 대 해 안정하다고 평가되는 모순이 발생할 가능성이 있다. 따라서, 향후 이러 한 고소성의 세립토지반에 대한 액상화 발생 여부를 판단하는 방법에 대해 서는 별도의 고려와 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

6. 소결 및 제언

2017년 11월 15일 지진규모 5.4의 지진으로 액상화로 인한 Sand boil 현상이 지표부에서 관측된 포항지역의 세립토지반에서 시추조사를 통해 냉각상태의 불교란시료를 채취하였으며 이 시료 중 적정한 2개 심도의 불 교란시료를 대상으로 반복삼축시험을 수행하고 이를 통해 세립토지반에서 발생한 지반침하현상을 규명하고자 하였다.

이 연구를 통해 획득한 결론은 다음과 같다.