1. 서 론
2. 반복단순전단시험
2.1 시험 개요
2.2 시험 장비
2.3 시료 건조단위중량
2.4 시험 조건 및 시료 조성
3. 시험 결과 및 분석
3.1 반복단순전단시험 결과
3.2 액상화 저항 특성
4. 결 론
1. 서 론
지진에 의해 발생하는 액상화(liquefaction) 현상은 포화된 모래 지반에서 반복적인 전단하중이 작용할 경우 과잉간극수압이 증가하여 유효응력이 급격히 감소하고, 이로 인해 토립자 간 접촉력이 상실되면서 지반의 전단강도가 현저히 감소하는 현상으로 정의된다. 이러한 액상화 현상은 지반 침하, 측방유동(lateral spreading), 구조물 기초의 지지력 상실 등 다양한 지반 공학적 피해를 유발하며, 역사적으로 여러 대규모 지진에서 주요 피해 원인 중 한 가지였다. 대표적인 사례로는 1964년 일본 니가타 지진, 1964년 알래스카 지진, 1976년 중국 탕산 지진 등이 있으며, 이러한 지진에서는 주로 매립지나 연약한 충적 모래 지반에서 광범위한 액상화 피해가 발생하였다. 특히 니가타 지진에서는 다수의 구조물이 기초 지지력을 상실하여 전도되는 현상이 발생하였으며, 이는 지반 액상화의 대표적인 사례로 보고되었다(Bolt, 1978).
최근 국내에서도 지진 발생 빈도와 규모가 증가하는 추세를 보이고 있다. 2016년 울산 동구 해역 지진과 경상북도 경주 지진, 그리고 2017년 11월 15일에 발생한 경북 포항 지진(규모 5.4)은 한반도에서 관측된 대표적인 중규모 지진 사례로, 특히 포항 지진의 경우 국내에서 최초로 공식적인 액상화 흔적이 다수 확인된 바 있다.
부산광역시는 낙동강 삼각주를 중심으로 형성된 두꺼운 충적층 위에 도심이 발달한 지역으로, 해안에서 채취되는 모래층은 해안선을 이어 내륙까지 연속적으로 분포하고 있다. 특히 서부산권의 지역에는 과거 퇴적작용이 활발히 형성된 지반으로 기초의 상하부에도 본 연구 대상과 유사한 사질 모래층이 존재할 수 있다. 매립지반은 다짐이력이 충분하지 않고 지하수위가 높아 포화도가 높게 유지되는 특성을 가지고 있으며, 특히 지진 시 액상화에 취약하다. 현재 모래지반을 대상으로 한 체계적인 실험연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 특히 국내 액상화 연구의 상당수는 현장 시험자료를 기반으로 한 간편 평가 기법 또는 위험도 분석에 집중되어 있으며, 지역 대표 모래 시료를 대상으로 한 실내 반복전단시험 기반의 액상화 저항 특성 비교 연구는 제한적으로 수행되어 왔다.
액상화 현상에 대한 체계적인 연구는 1960년대 이후 본격적으로 진행되었다. Seed & Lee(1966)는 포화된 모래가 반복 전단하중을 받을 경우 간극수압의 축적으로 인해 액상화가 발생할 수 있음을 실험적으로 규명하였으며, 이후 Seed & Idriss(1971)는 지진 시 액상화 가능성을 평가하기 위한 간편 평가 방법(simplified procedure)을 제안하였다. 이러한 연구는 이후 액상화 평가 방법의 기초가 되었으며, 다양한 실내시험 및 현장시험 기반 연구로 확장되었다. Castro(1969)는 포화된 모래의 상태곡선(state diagram)을 이용하여 액상화 거동을 설명하였으며, Ishihara et al.(1975)은 반복하중 조건에서 모래의 비배수 거동과 액상화 발생 메커니즘을 규명하였다. 또한 Vaid & Chern(1985) 및 Vaid & Sivathayalan(1996)은 반복하중 조건에서 모래의 전단 거동과 액상화 저항 특성을 실험적으로 분석하여 액상화 저항에 영향을 미치는 주요 인자로 상대밀도, 초기 응력 상태, 전단 응력비 등을 제시하였다.
현장 기반 액상화 평가 방법 또한 활발히 발전하였다. Iwasaki et al.(1978)은 액상화 가능성 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)를 제안하여 액상화 발생 가능성을 정량적으로 평가하는 방법을 제시하였으며, 이후 다양한 현장시험 자료를 이용한 액상화 평가 기법이 제안되었다.
특히, Seed et al.(1975)는 반복 전단하중을 등가 정적 하중으로 변환하여 액상화 가능성을 평가하는 방법을 제안하였으며, 이는 현재까지도 액상화 평가의 대표적인 방법으로 활용되고 있다.
최근에는 표준관입시험(SPT), 콘관입시험(CPT), 전단파속도(Vs) 등을 활용한 현장 기반 액상화 평가 방법이 활발히 연구되고 있으며, 지역별 지반 특성을 반영한 액상화 위험도 평가에 대한 연구도 증가하고 있다.
그러나 국내의 경우 대부분 현장시험 자료 기반의 간편 평가 방법에 집중되어 있으며, 특정 지역 해안 모래를 대상으로 한 반복전단시험 기반의 실험적 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.
이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 부산광역시 연안의 대표적인 4개 해안 지역(송도, 해운대, 송정, 일광)을 선정하고, 각 지점에서 채취한 원지반 모래 시료를 대상으로 액상화 저항 특성을 실험적으로 평가하였다. 각 시료의 상세 채취 위치는 Fig. 1에 제시되어 있다. 실내 시험은 직접단순전단(Direct Simple Shear, DSS) 시험을 적용하여 수행하였으며, 상대밀도 50 %의 중간조밀 상태와 유효구속응력 100 kPa 조건에서 반복 전단하중을 재하하였다. 최대 전단변형률 γ_max 기준은 단순전단 조건에서 제안된 7.5 %를 적용하였으며, 시험 결과로부터 액상화 전단저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)를 산정하여 지점별 액상화 저항 특성을 비교·분석하였다.
본 연구는 부산 해안 모래지반의 지진 시 액상화 저항 특성을 실험적으로 규명하고, 지역별 특성 차이를 정량적으로 제시함으로써 향후 부산 지역 해안 및 매립지반의 내진 설계 및 액상화 평가를 위한 기초 자료를 제공하는 데 그 목적이 있다.
2. 반복단순전단시험
2.1 시험 개요
포화된 모래의 액상화 거동을 평가하기 위해서는 반복하중 조건에서의 토질 거동을 실험적으로 규명할 필요가 있다. 모래의 반복 전단 거동은 일반적으로 반복삼축시험(cyclic triaxial test), 반복단순전단시험(cyclic simple shear test), 반복직접전단시험(cyclic direct shear test) 등을 통해 평가된다. 이 중 반복단순전단시험은 지진 시 지반 내에서 발생하는 전단응력 상태와 비교적 유사한 응력 조건을 재현할 수 있다는 장점이 있어 액상화 연구에서 널리 활용되고 있다.
Bjerrum & Landva(1966)는 wire-reinforced membrane을 이용한 단순전단시험 장치를 제안하여 점토 및 모래의 전단 거동을 평가하였으며, 이후 해당 시험 방법은 다양한 반복전단시험 연구에 적용되어 왔다.
반복단순전단시험에서는 시료의 상하부 면을 일정한 수직응력 상태로 유지한 상태에서 수평 전단응력을 반복적으로 가하여 토립자의 변형 및 간극수압 변화를 측정할 수 있다.
모래의 액상화는 반복 전단하중 작용 시 간극수압이 점진적으로 증가하면서 유효응력이 감소하고, 일정 조건에서 유효응력이 거의 0에 도달함으로써 발생한다. 이러한 현상은 Seed & Lee(1966)에 의해 실험적으로 규명되었으며, 이후 다양한 반복하중 시험을 통해 액상화 발생 조건과 토질 특성 간의 관계가 연구되었다.
특히, 반복단순전단시험은 실제 지반에서 발생하는 응력 경로를 비교적 잘 모사할 수 있다는 점에서 반복삼축시험보다 현장 조건에 더 근접한 시험 방법으로 평가된다. Ishihara et al.(1975)은 반복전단하중 조건에서 모래의 비배수 변형 거동을 분석하여 간극수압 증가와 전단변형률 축적이 액상화 발생의 주요 메커니즘임을 제시하였다.
또한, Vaid & Sivathayalan(1996)은 단순전단시험과 삼축시험을 비교하여 단순전단 조건에서 모래의 액상화 거동이 보다 현실적인 지반 응력 상태를 반영할 수 있음을 보고하였다.
이에 본 연구에서는 부산 해안 모래의 반복하중 거동과 액상화 저항 특성을 평가하기 위하여 반복단순전단시험을 수행하였다.
2.2 시험 장비
본 연구에서는 GEOCOMP사의 직접단순전단(Direct Simple Shear, DSS) 장비를 사용하여 반복단순전단시험을 수행하였다. 해당 장비는 압밀 단계와 전단 단계의 하중/변위 제어가 가능한 자동 제어 시스템과 연속 데이터 계측·저장 기능을 갖추고 있어, 동적 반복전단시험 및 정적 전단시험 수행이 가능하다.
Shear Trac Ⅱ–DSS는 Bjerrum & Landva(1966)가 제안한 wire-reinforced membrane 개념을 참고하여 개발된 장비로, 단순전단시험 및 액상화 관련 반복전단시험에 적용될 수 있다. 본 장비는 시료의 초기 응력 상태 및 응력경로를 현장 조건에 상대적으로 근접하게 구현할 수 있으며, 시험 중 연직변형(축변형) 및 전단하중을 설정 조건에 따라 안정적으로 제어할 수 있다는 장점이 있다.
하중 재하는 주기 및 속도 조절이 가능한 마이크로 스텝 모터(micro step motor)에 의해 수행되며, 내부 제어 박스를 통해 수평 및 연직 하중을 정밀하게 제어할 수 있다. 또한 장비는 다단 압밀을 순차적으로 수행할 수 있어, 압밀 과정에서의 하중 단계 설정과 전단 단계에서의 하중·변위 제어가 가능하다. 직접단순전단(Direct Simple Shear, DSS) 조건에서는 시료의 부피를 기준으로 변위를 감지하고, 피드백 제어를 통해 설정된 경계조건을 유지하도록 설계되어 있다. 시험 중 수직하중 및 전단응력의 변화는 실시간 그래프를 통해 모니터링할 수 있으며, 단계별 계측 데이터는 자동 저장된다.
본 장비는 ASTM D6528(Undrained Direct Simple Shear) 표준을 준용하여 구성·운용되었다. 참고로 본 연구에서 적용한 시험기 구성은 시료의 초기조건을 정지토압(K0) 상태로 제공하도록 설계되어 있으며, 전단응력 재하 시 주응력면 회전(principal stress rotation)이 발생할 수 있다. 특히 동적 반복하중 조건에서는 경계조건 특성으로 인해 주응력면이 불연속적으로 변화하는 jump rotation이 나타날 수 있다. 상부에서 유효수직응력을 재하하여 목표 심도의 지반 조건을 모사한 후, 정지토압 상태에서 측방 변형을 구속한 상태로 전단응력을 가하는 방식으로 현장 재하 조건을 재현하였다.
2.3 시료 건조단위중량
본 연구에서는 부산 해안 4개소(송도, 해운대, 송정, 일광)에서 채취한 비교적 균등한 모래 시료를 사용하였다. 시료의 기본 물성을 파악하고 상대밀도 제어를 위한 기준값을 확보하기 위해 최대 및 최소 건조단위중량을 측정하였다. 최대 및 최소 건조단위중량은 JSF T161-1990(1990) 및 BS 1377(1990) 규정을 준용하여 수행하였으며, 측정된 최대 및 최소 건조단위중량을 이용하여 상대밀도 50 % 조건에 해당하는 건조단위중량을 산정하였다(Table 1).
Table 1.
Test results of maximum and minimum dry unit weights
| No. | Coastal site | Dry unit weight (g/cm3) | ||
| Maximum | Minimum | Relative density (Dr = 50%) | ||
| 1 | Songdo | 1.700 | 1.379 | 1.523 |
| 2 | Haeundae | 1.757 | 1.471 | 1.601 |
| 3 | Songjeong | 1.559 | 1.290 | 1.412 |
| 4 | Il-gwang | 1.629 | 1.343 | 1.472 |
Lambe & Whitman(1979)은 상대밀도 35~65 % 범위를 중간조밀(medium dense) 상태로 분류하였으며, 본 연구에서는 모든 시료를 동일한 조건에서 비교하기 위하여 상대밀도 Dr = 50 % 조건으로 통일하였다.
2.4 시험 조건 및 시료 조성
본 연구에서 반복단순전단시험에 사용한 시료의 제원은 직경 63.5 mm, 높이 23.4 mm로 설정하였다. 초기 상대밀도는 50 %로 통일하였으며, 시험 과정에서 발생하는 시료 높이 변화는 상대밀도에 미치는 영향이 미미한 수준으로 판단되어 별도로 고려하지 않았다.
실내 전단시험은 일반적으로 직접전단시험 또는 단순전단시험이 적용되며, 단순전단시험의 전단 제어 방식은 응력 제어(stress-controlled)와 변형 제어(strain-controlled)로 구분된다. 본 연구에서는 변형 제어(strain-controlled)방식으로 실험을 진행하였다. 응력 제어 방식은 전단응력을 일정한 속도로 증감시키는 방법으로 실제 지진 하중 조건과 유사하다는 장점이 있으나, 시험 제어가 상대적으로 복잡하다는 단점이 있다. 반면 변형 제어 방식은 일정한 변위 속도로 전단을 가하는 방식으로 시험 제어는 용이하나, 실제 지진 시 하중 조건과의 차이가 존재할 수 있다.
지진 시 반복하중에 따른 동적 거동을 보다 현실적으로 재현하고, 변형률 기반 거동 특성을 정밀하게 평가하기 위해 반복단순전단시험이 개발·적용되어 왔다. 본 연구에서도 직접전단시험의 한계를 보완하고 반복하중 하에서의 전단변형 특성을 면밀히 분석하기 위해 반복단순전단시험을 적용하였다. 다만 반복단순전단시험은 전단력을 모터를 통해 제어하는 방식이므로, 안정적인 시험 수행을 위해 숙련된 조작이 요구된다. 본 연구에 사용한 시험기는 step motor를 이용하여 전단력을 제어하는 구조로, 시험 조건 설정 및 제어 과정에서 주의가 필요하였다.
본 연구에서는 양진폭 전단변형률(double-amplitude shear strain) 및 영구 전단변형률 15 %를 파괴 기준으로 적용하였다(Vaid et al., 1996). 시료는 얇은 철사 링으로 보강된 멤브레인으로 둘러싸여 횡방향 변형이 구속된 상태에서 정지토압(K0) 조건을 모사하도록 구성하였다. 전단응력 재하에 앞서 유효 수직압밀응력 100 kPa를 적용하여 목표 심도의 지반 응력 상태를 재현하였으며, 전단 과정 중 시료 높이 변화가 발생하지 않도록 충분한 압밀 과정을 거친 후 반복단순전단시험을 수행하였다.
시편 성형은 건조 낙사법(dry pluviation)과 건조 진동다짐법(dry vibration compaction)을 병행하여 수행하였다. 깔때기를 이용하여 몰드 내부로 시료를 낙하시켜 멤브레인 하부까지 고르게 포설하였으며, 시료를 총 5층으로 분할하여 성형함으로써 목표 상대밀도를 균일하게 확보하였다. 상대밀도 50 %에 해당하는 시편 높이는 최대·최소 건조단위중량 시험 결과를 바탕으로 역산하여 결정하였다. 일반적으로 건조 낙사법에 의한 상대밀도는 낙하 높이 및 입자의 침전 속도 등에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
시험용 시편의 준비는 반복단순전단시험 결과에 큰 영향을 미치는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 원지반 상태의 비교란 시편을 확보하는 데 한계가 있어 교란 시료를 이용하여 재성형 시편을 제작하였다. 시료 성형 방법이 시험 결과에 영향을 미친다는 점은 잘 알려져 있으나, 국내에서는 의 동적 시험에 대한 연구 축적이 충분하지 않으며, 공시체 제작 방법 또한 연구자별로 상이한 실정이다. 이에 본 연구에서는 DIN 18126(1996)을 참고하여 시편 제작 절차를 설정하였다. 의 상대밀도는 시료 질량을 기준으로 조절하였으며, 시험 중 적용되는 진동저항응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)는 GEOCOMP Shear Cyclic 프로그램을 이용하여 단계적으로 제어하였다.
3. 시험 결과 및 분석
3.1 반복단순전단시험 결과
본 연구에서는 GEOCOMP사의 반복단순전단시험기(Shear Trac II–DSS)를 이용하여 부산 연안 4개 해안 지역(송도, 해운대, 송정, 일광)에서 채취한 모래 시료에 대해 반복단순전단시험을 수행하였다. 시험 시, 시료의 상대밀도 Dr = 50 %의 중간조밀(medium dense) 상태로 조성하였으며, 유효 수직응력 σv' = 100 kPa 조건에서 시험을 수행하였다. 시험 과정에서는 전단응력을 단계적으로 증가시키면서 전단변형률과 간극수압 변화를 계측하였다.
반복단순전단시험에서 액상화 발생 여부는 일반적으로 전단변형률의 급격한 증가 또는 간극수압의 급격한 상승을 기준으로 판단한다. Seed & Lee(1966)는 반복하중 작용 시 포화된 내부에서 간극수압이 누적되며 유효응력이 감소하여 액상화가 발생한다고 보고하였다. 본 연구에서도 반복하중이 작용함에 따라 전단변형률이 점진적으로 증가하고, 동시에 간극수압이 상승하는 경향이 관찰되었다.
시험은 진동저항응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)를 단계적으로 증가시키는 방식으로 수행하였으며, 전단변형률 및 간극수압(또는 과잉간극수압) 변화를 실시간으로 모니터링하여 액상화 발생 여부를 판단하였다. 반복단순전단시험에서 초기 액상화의 판단 기준으로는 Vaid et al.(1996)이 제안한 최대 전단변형률 γ_max = 7.5 %를 적용하였다. CSR은 반복 전단응력 진폭을 유효 수직응력으로 정규화한 값으로 정의되며(Eq. (1)), 본 연구에서는 유효 수직응력을 일정하게 유지한 상태에서 전단응력 진폭을 단계적으로 변화시켜 다양한 CSR 조건을 구현하였다.
진동저항응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)를 변화시키면서 상대밀도 50 %에 해당하는 중간조밀(medium dense) 조건에서 시험을 수행하였다. 응력비는 전단응력을 수직응력으로 나눈 값으로 정의되며, 본 시험에서는 유효수직응력을 100 kPa로 일정하게 유지하고 전단응력을 변화시켜 다양한 응력 조건에서 반복단순전단시험을 수행하였다.
반복단순전단시험 결과는 Fig. 2~5에 제시하였다. (a)는 전단응력–전단변형률 관계를, (b)는 전단응력과 수직응력의 거동을 나타낸다. 또한 (c)는 시간에 따른 간극수압의 변화를 보여준다. (c)에서는 전단변형률의 증가와 함께 간극수압이 지속적으로 상승하여 약 100 kPa 수준에 도달하는 경향을 보인다.
시험 결과를 보면 초기 반복하중 단계에서는 전단응력–전단변형률 관계가 비교적 안정적인 이력곡선(hysteresis loop)을 형성하였으나, 반복횟수가 증가함에 따라 전단변형률이 점차 증가하고 이력곡선의 기울기가 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 현상은 반복하중에 의해 토립자 구조가 점차 느슨해지고 간극수압이 축적되면서 유효응력이 감소하기 때문으로 해석된다. Ishihara et al.(1975)은 이러한 현상이 반복하중 조건에서의 대표적인 비배수 변형 거동이며, 간극수압 축적이 액상화 진행의 핵심 메커니즘이라고 설명하였다.
또한, 반복재하 과정에서 간극수압은 초기에는 점진적으로 증가하다가 일정 반복횟수 이후 급격히 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 구조적 안정성이 반복하중에 의해 점차 감소하다가 임계 상태에 도달하면서 급격한 변형이 발생하는 것으로 해석된다.
이러한 결과로부터 반복 전단하중 작용에 따른 전단변형률의 누적 및 간극수압의 증가가 액상화 발생의 주요 원인임을 확인할 수 있다.
3.2 액상화 저항 특성
CSR–액상화 도달 반복재하횟수(Nliq) 관계로 정리하여 Fig. 6에 제시하였다. 또한 CSR을 증가시키며, 수행한 시험 결과를 바탕으로 Nliq = 10회에 해당하는 액상화 전단저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)를 산정하였다. 산정된 CRR을 기준으로 부산 해안 4개소 모래의 액상화 저항 특성을 상호 비교·분석하였으며, 그 결과를 Table 2에 요약하였다.
Table 2.
Cyclic resistance ratio (CRR) of coastal sands
| CSR | Number of cycle to liquefaction | |||
| Songdo | Haeundae | Songjeong | Ilgwang | |
| 0.15 | 315 | 175 | 1,400 | 535 |
| 0.30 | 41 | 14 | 45 | 64 |
| 0.40 | 37 | 7 | 18 | 9 |
| 0.50 | 10 | 1 | 11 | 1 |
| CRR | 0.446 | 0.317 | 0.408 | 0.361 |
Seed & Idriss(1971)는 지진 시의 액상화 가능성을 평가하기 위해 CSR과 반복횟수 간의 관계를 이용하는 방법을 제안하였으며, 이후 이러한 관계는 액상화 저항 특성을 평가하는 대표적인 방법으로 활용되고 있다.
본 연구에서 수행한 시험 결과를 정리하면 CSR이 증가할수록 액상화에 도달하기까지 필요한 반복횟수는 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 반복 전단응력이 클수록 토립자 구조가 더 빠르게 붕괴하여 간극수압이 빠르게 증가하기 때문으로 해석된다.
특히, 해운대 시료의 경우 동일 조건에서 액상화 도달 반복횟수가 가장 적게 나타나 상대적으로 낮은 액상화 저항성을 보였다.
Castro(1969)는 액상화 거동이 초기 간극비와 상대밀도에 크게 영향을 받으며, 느슨한 모래일수록 반복하중에 의해 간극수압이 빠르게 증가한다고 보고하였다. 이러한 연구 결과를 고려할 때, 해운대 시료의 낮은 반복횟수는 입도 특성과 입자 구조의 영향일 가능성이 있다.
시험 결과를 보면 해운대 시료의 CRR이 가장 낮게 나타났으며, 이는 동일 시험 조건에서 액상화에 가장 취약한 특성을 보인다는 것을 의미한다.
Vaid & Chern(1985)은 액상화 저항이 상대밀도, 초기 응력 상태 및 전단응력비에 의해 크게 영향을 받는다고 보고하였다. 또한, Ishihara(1985)는 동일한 상대밀도 조건에서도 입도분포와 퇴적 환경에 따라 액상화 저항 특성이 크게 달라질 수 있다고 설명하였다.
본 연구에서는 교란시료를 사용하였으므로, 원지반 퇴적과정에서 형성된 입자배열, 구조 등 비교란 상태의 미세구조 효과는 시편 제작과정에서 대부분 소거된다. 따라서 교란시료의 경우 퇴적환경이 액상화 저항성에 미치는 영향은 미세구조 자체가 아니라, 퇴적환경을 물리적 특성을 매개로 하여 발현되는것이 타당하다고 판단된다. 즉, 퇴적환경은 다음과 같은 입자특성을 통해 간접적으로 액상화 저항성에 영향을 미칠것으로 보인다.
첫째, 퇴적 시의 수리동력학적 에너지는 입자의 크기에 따라 입도분포를 결정한다. 이러한 환경에서는 세립분이 씻겨나가 세립분이 적은 모래가 퇴적되기 때문에 이러한 입도특성은 본 연구에서 확인된 바와 같이 반복하중 조건에서 액상화에 취약하게 작용할 수 있다.
둘째, 흙의 풍화 정도는 입자의 형상과 표면 거칠기를 좌우하며, 이는 시료의 재성형 후에도 입자간 맞물림과 전단 시 거동에 영향을 주어 액상화 저항성의 차이로 발현될 수 있다.
셋째, 퇴적기원에 따른 광물조성의 차이 역시 입자강도와 마찰특성에 영향을 미칠 수 있다.
본 연구의 결과를 보면, 지리적으로 인접한 송정(CRR 0.408)과 일광(CCRR 0.361) 시료는 유사한 연안 퇴적 환경을 공유하여 입도 특성이 유사하였고, 그 결과 액상화 저항도 비교적 가까운 값을 나타냈다. 반면 해운대 시료는 세립분이 적고 균등한 입도특성을 보여 가장 낮은 CRR(0.317)을 나타냈는데, 이는 해당 지점의 퇴적 환경이 양호한 모래를 형성하였음을 의미한다. 이처럼 본 연구에서 언급한 “퇴적환경의 차이”는 궁극적으로 입도분포, 입자형상과 같은 측정가능한 물리적 입자 특성으로 액상화 저항성에 영향을 미치는것으로 해석된다.
한편, 해운대 시료의 CRR은 0.317로 4개 해안 시료 중 가장 낮게 산정되었으며, 동일 조건(Dr = 50 %), σv' = 100 kPa에서 상대적으로 낮은 반복하중 저항성을 나타내는 것으로 평가되었다. 즉, 동일한 수준의 반복하중이 작용할 경우 해운대 시료는 다른 시료에 비해 액상화에 도달할 가능성이 상대적으로 높을 것으로 판단된다.
Seed & Idriss(1971)은 세립분이 적고 비교적 균등한 입도 분포를 가지는 모래가 반복하중 조건에서 액상화에 취약하다고 보고하였다. 또한, Kramer(1996)는 액상화 취약 토질이 일반적으로 0.075~0.5 mm 범위의 모래 입경을 가지며, 세립분 함량이 낮은 경우가 많다고 설명하였다.
해운대 시료의 상대적으로 낮은 액상화 저항 특성을 추가로 검토하기 위해 입도분포를 분석한 결과, Fig. 3의 입도분포곡선(Particle Distribution Curve, PDC)에서 해당 시료는 한국지반공학회(2006) 등에서 제시한 액상화 발생 가능성이 높은 입도 범위에 포함되는 것으로 확인되었다.
따라서, 본 시료와 유사한 사질 재료를 성토재 등 건설 재료로 활용할 경우, 반복하중(지진 하중 포함) 조건에서 액상화 취약성이 문제될 수 있으므로, 적용 전 재료 적합성 검토 및 필요 시 개량이 요구될 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 부산광역시 연안의 대표적인 4개 해안 지역(송도, 해운대, 송정, 일광)을 대상으로 원지반 모래 시료를 채취하여 반복단순전단시험을 수행하였다. 시험은 GEOCOMP사의 반복단순전단시험기(Shear Trac Ⅱ–DSS)를 이용하였으며, 시료는 상대밀도 Dr = 50 %의 중간조밀(medium dense) 상태로 성형하였다. 유효 수직응력 σv' = 100 kPa 조건에서 진동저항응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)를 단계적으로 증가시키며, 반복재하를 수행하였고, 그 결과로부터 액상화 전단저항응력비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)를 산정하여 지점별 액상화 저항 특성을 비교·평가하였다. 초기 액상화 판정 기준으로는 Vaid et al.(1996)이 제안한 단순전단 조건의 최대 전단변형률 γ_max = 7.5 %를 적용하였다. 시편은 건조 낙사법 및 건조 진동다짐법을 이용하여 성형하였으며, 전단링 내에서 멤브레인을 사용하여 횡방향 변형을 구속함으로써 정지토압(K0) 상태를 모사한 조건에서 시험을 수행하였다.
모든 시료는 Lambe & Whitman(1979)의 분류 기준에서 상대밀도 35~6 5% 범위에 해당하는 Dr = 50 %의 중간조밀 상태로 통일하여 성형하였으며, σv' = 100 kPa 조건에서 반복단순전단시험을 수행하였다. 부산 해안 4개소 모래의 액상화 저항 특성을 비교한 결과, 해운대 시료의 CRR이 가장 낮게 산정되어 동일 시험 조건에서 상대적으로 액상화에 취약한 것으로 평가되었고, 입도분포 분석에서도 제시된 액상화 취약 입도 범위에 포함되는 것으로 확인되어 낮은 CRR 결과와의 정합성이 확보되었다.
또한 액상화 진행 거동을 분석한 결과, 일부 시험에서는 전단변형률 15 % 기준에 먼저 도달하는 경우도 관찰되었으나, 대부분의 경우 반복재하 과정에서 과잉간극수압이 급격히 증가하여 유효응력이 거의 0에 도달하는 경향이 우세하게 나타났다. 이는 반복하중 하에서 간극수압 축적이 액상화 진행을 지배할 수 있음을 시사하며, 본 연구가 특정 심도 조건에서 채취한 부산 연안 모래를 대상으로 수행된 점을 고려할 때, 향후 다양한 심도별 시료 및 하천 모래까지 범위를 확장하여 동일 시험 체계로 자료를 축적한다면 부산 지역의 대표적인 액상화 저항 특성과 심도별 변화를 보다 체계적으로 도출할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 비교란 시료를 추가적으로 실험을 해서 액상화 저항성에 미치는 영향에 대해 구체적으로 분석할 필요성이 있다.
