1. 서 론
2. 연구동향
2.1 해저지진 활동과 해저지반 연구 동향
2.2 해저지반의 반복하중 거동에 대한 연구 현황
3. 실험 재료 및 방법
3.1 실험 재료
3.2 실험 방법
4. 실험 결과
4.1 구속압 100 kPa에서의 반복전단 거동 특성
4.2 반복하중에 따른 응력 경로 거동
4.3 구속압 100 kPa 조건에서의 CSR-N 곡선
4.4 심도별 구속압에 따른 CSR-N 관계
5. 결과 분석
5.1 심도별 구속압 조건에 따른 액상화 저항비(CRR) 비교
5.2 시료(SP.6)의 CSR에 따른 반복전단 거동 특성
5.3 USCS 분류에 따른 CSR-N 곡선 분석
5.4 육상토와 CSR-N 곡선 비교
6. 결 론
1. 서 론
액상화는 느슨한 사질토 지반이 지진, 진동, 충격과 같은 동적 하중을 받을 경우, 간극수압이 상승하고 유효응력이 감소하여 지반 전체가 액체와 같은 유동성의 형태가 되는 현상으로(Idriss & Boulanger, 2008; Kramer, 1996; Roy & Chakrabortty, 2025), 지반공학에서 중요한 연구 주제이다. 이러한 액상화 거동은 반복전단 응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR)와 액상화 저항비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)의 관계를 통해 정량적으로 평가된다(Sartain et al., 2014). Fig. 1은 최근 5년 동안 전 세계적으로 발생한 규모 7.0 이상의 지진 분포와 판경계를 나타낸다. 판경계는 단층이 집중적으로 발달하는 대규모 지질 구조이며, 대부분이 해양에 위치하고 해저단층이 주요 구조로 나타난다. Fig. 1을 통해 최근 5년간 대규모 지진은 판경계를 따라 집중적으로 발생한 것을 확인할 수 있다. 이는 해저단층이 반복적인 지진하중에 노출될 가능성이 높음을 보여주며, 포화된 인접 해저 퇴적토의 액상화 평가가 필수적이라는 것을 시사한다. 그러나 기존의 액상화 연구는 대부분 육상 지반을 대상으로 수행되어 왔으며, 해저 지반에 대한 액상화 평가는 상대적으로 제한적인 수준이다(Wang et al., 2019; Liu et al., 2021; Lin et al., 2023). 특히, 자연 상태의 해저 퇴적토를 대상으로 반복하중 거동을 실험적으로 규명한 연구는 많지 않다. 해저 지반은 지진, 해저 단층 활동, 파랑 및 조류 등으로 인해 반복 하중 환경에 노출되어 있다(Sui et al., 2024). 이 중 해저 단층 인접 지역은 지진 발생 가능성이 높은 구조적 환경으로, 지진 시에 반복하중이 지반에 직접적으로 전달될 수 있는 영역이다. 해양 환경에 퇴적된 사질토는 일반적으로 느슨한 입자구조와 높은 포화도를 가지기 때문에 반복하중에 따른 간극수압 누적 및 강도 저하에 취약한 특성을 보인다(Gao et al., 2025). 또한, 해저 퇴적토에는 규조류(diatom)와 같은 생물기원 세립분이 포함될 수 있으며, 이러한 입자는 실리카 기반의 미세 골격 구조와 내부 공극을 가지는 특징으로 인해 일반적인 세립분과 다른 공학적 특성을 나타낼 수 있다(Evans & Moug, 2019; Kim et al., 2022). Park et al.(2023)은 규조류가 포함된 혼합토에서 전단강도 및 강성 특성이 변화할 수 있으며, 세립분 함량에 따라 지반 거동이 달라질 수 있음을 보고하였다. 또한, 규조류 함량이 증가할수록 토양의 압축성이 증가하고 전단파 및 압축파 속도가 감소하며, 토양의 강성이 저하되는 경향이 보고된 바 있다(Hoang et al., 2021). 이러한 특성은 반복하중 조건에서 해저 퇴적토의 거동에 영향을 미칠 수 있으며, 액상화 거동 평가의 필요성을 시사한다. 따라서 본 연구에서는 해저 단층 인접 퇴적토를 대상으로 반복전단시험을 수행하였다(Kramer, 1996). 반복전단시험은 지진 발생 시 지반에 작용하는 반복 전단응력을 모사할 수 있는 시험으로, 포화 지반의 비배수 거동을 효과적으로 재현할 수 있다. 특히 반복전단 응력비(CSR)와 반복저항 응력비(CRR)의 관계를 기반으로 지반의 반복하중 저항 특성을 정량적으로 평가할 수 있다는 점에서, 해저 단층 인접 지반의 액상화 취약성을 평가하는 데 적합한 시험 방법이다. 본 연구에서는 해저 단층 인접 퇴적토를 대상으로 일정 구속압과 심도에 따른 구속압 조건에서 반복전단 거동을 분석하고, CRR을 산정하여 액상화 저항 특성을 평가하고자 한다.
Fig. 1
Global distribution of earthquakes ( ≥ 7.0) from 2021 to 2025 and locations of tectonic plate boundaries (USGS, 2026)
2. 연구동향
2.1 해저지진 활동과 해저지반 연구 동향
최근 동해남부 해역을 포함한 한반도 주변 해역에서 지진 발생 빈도와 규모가 증가하고 있다(KMA, 2026). 특히 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진 이후, 해저 단층을 포함한 해저 지질구조의 활동성에 대한 연구가 증가하고 있으며(Grigoli et al., 2018; Naik et al., 2019), 동해 해역에서도 중,소규모 지진이 지속적으로 관측되고 있다. 이러한 지진 활동 증가는 해저 단층 및 해저사면과 같은 해저 지질의 안정성 문제를 부각시키며, 해저지반의 안정성 평가의 필요성을 제기한다(Chu et al., 2021). 기존 연구에서는 해저 단층의 분포와 구조, 활동성을 중심으로 지질학적 연구가 주로 수행되어 왔다(Perea et al., 2021). 그러나 이러한 연구들은 단층 자체의 구조적 특성 규명에 초점을 두기 때문에 지진 발생 시 단층 인접 해저지반이 실제로 받는 반복하중 조건과 그에 따른 거동을 정량적으로 평가하는 데에는 한계가 있다. 지진 발생 시에 해저 단층 인접 지역은 반복전단응력, 과잉간극수압 상승, 동적 구속압 변화 등 복합적인 응력이 작용하기 때문에(Sui et al., 2024), 해저지반의 공학적 거동을 실험적으로 평가해야 할 필요가 있다.
2.2 해저지반의 반복하중 거동에 대한 연구 현황
해저지반의 반복하중 거동에 관한 연구는 주로 파랑 하중이나 해양 구조물의 안정성 관점에서 수행되어왔다(Ishihara & Yamazaki, 1984; Sumer et al., 2006; Cui et al., 2021). 파랑에 의한 반복하중은 해저 퇴적토의 간극수압 상승, 전단강도 저하 및 국부적 액상화 현상을 유발할 수 있으며(Sui et al., 2024), 이에 대한 수치해석 및 현장 계측 연구가 다수 보고되었다(Niu et al., 2019; Kirca et al., 2025). 또한, 해저 사면이나 해양 구조물 기초 주변 지반을 대상으로 반복하중에 따른 안정성 평가도 수행되어 왔다(Jeong et al., 2021). 반면, 지진에 의해 유발되는 반복전단하중을 가정하여 자연 해저 퇴적토의 거동 특성을 정량적으로 제시한 연구는 상대적으로 제한적이다. 이러한 연구 공백은 해저 단층 인접 지역과 같은 지진의 영향이 직접적으로 작용할 수 있는 환경에서 안정성을 평가하는 데 한계점으로 작용한다.
3. 실험 재료 및 방법
3.1 실험 재료
본 연구에서 사용된 시료는 동해남부 해역의 해저 단층 인접 지역에서 수행된 시추조사를 통해 채취된 해저 퇴적토이다. 시추조사는 해저면 하부 최대 약 20.2 m까지 수행되었으며, 심도 구간에 따라 연속 코어 시료를 회수하였다. 이후, 실내시험을 위한 대표 구간을 선정하여 시료를 분취하였다. 대상 시료는 총 10개로 구분되었으며, Fig. 2는 대표 시료 SP.1, SP.5, SP.10의 입도분포곡선이다. 심도별 특성을 반영할 수 있도록 얕은 심도부터 심부 구간까지 고르게 구성하여 심도 변화에 따른 반복하중 거동 차이를 비교 및 분석할 수 있도록 하였다. 심도 범위는 0.0-20.2 m이며, 시료의 USCS분류 및 채취사진은 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Sampling depth, photograph, and USCS classification of soil samples
3.2 실험 방법
3.2.1 시험장비
반복전단시험은 NGI(Norwegian Geotechnical Institute)방식의 단순전단 개념을 기반으로 수행하였으며, 와이어로 보강된 고무 멤브레인이 사용된다. NGI 방식의 활용은 유효수직응력의 변화에 따라 과잉간극수압이 유사하게 나타나며, 완전한 비배수 조건을 모사할 수 있다. 본 연구에서 사용한 반복전단시험 장비의 구성 및 하중 재하 개념은 Fig. 3에 나타내었다. 반복전단시험을 위해 활용된 장비는 GDS사의 Electromechanical Dynamic Cyclic Simple Shear로 흙 시료의 단순 전단 특성을 정적 및 동적 조건 모두에서 평가가 가능한 고정밀 장비이다. 또한, 정수직 강성(constant normal stiffness) 및 등체적 조건(constant volume)을 지진 및 파랑과 같은 동적 조건에서도 정확히 재현 가능하다. 고무 멤브레인으로 측면이 구속된 상태에서 상하부 플레이트 사이에 장착되고 상부 로딩 시스템을 통해 수직 유효구속압이 재하된다. 전단 변형은 하부 플레이트의 수평 변위를 통해 적용되며, 이를 통해 반복 전단하중 조건을 구현한다.
3.2.2 실험조건
모든 시료는 동일한 비교 기준을 확보하기 위해 수직 유효 구속압 100 kPa 조건에서 반복전단시험을 수행하였다. 또한, 해저 시료의 채취 심도를 고려하여 심도에 따른 유효응력을 반영한 구속압을 적용하였다. 각 시료의 구속압은 유효상재압을 기준으로 설정하였으며, 저심도 시료인 SP.1과 SP.2는 세부 채취 심도가 명확히 제공되지 않아, 동일한 구속압 조건을 적용하였다. 심도에 따른 구속압 조건은 Table 2에 정리하였다. 시편의 제원은 직경 70 mm 및 높이 17 mm이며, 채취된 해저 단층 인접 퇴적토는 현장 상태를 반영하기 위하여 시료의 밀도를 조정하지 않고 자연 상태 건조단위중량을 기준으로 시편 조건을 설정하였다. 각 시료의 건조단위중량은 약 1.45~1.67 g/cm3 범위로 나타났다. 시편 성형에 필요한 건조토 질량은 시편의 체적과 건조단위중량을 통해 산정하였으며, 각 시료의 함수비 조건에 따라 요구되는 물의 질량을 계산하여 혼합하였다. 혼합된 시료는 몰드 내부에 3층으로 나누어 성형하였다. 시험 전 각 시료는 목표 구속압까지 단계적으로 압밀을 수행하였다. 압밀은 목표 구속압의 25, 50, 100 % 수준으로 단계적으로 진행되었다. 시편의 체적변화가 발생하지 않는 조건에서 간극수압의 소산을 최소화하며, 지반 거동을 안정적으로 관찰하기 위해 일반적으로 사용되는 0.1 Hz의 응력 주기로 정현파(sinusoidal) 형태의 반복전단응력을 가하여 비배수 반복전단시험을 수행하였다. 양방향 전단 변형률이 7.5 %에 도달 시에 시험을 종료하였다. 이는 지반의 구조 붕괴와 강성 저하가 뚜렷하게 나타나는 변형률 수준으로, 액상화 발생 판단 기준으로 적용된다.
Table 2.
Depth-dependent confining pressure conditions
3.2.3 평가방법
반복전단시험에서 평균 반복전단응력은 Eq. (1)과 같이 정의하였고 Eq. (2)에 대입하여 CSR 산정하였다.
여기서, : 평균 전단응력(kPa)
: 최대 전단응력(kPa)
: 최소 전단응력(kPa)
여기서, : 반복전단응력비
: 평균 전단응력(kPa)
: 수직 유효 구속압력(kPa)
또한, 각 시료에 대해 CSR 조건은 액상화 발생 범위를 확인하기 위해 전단응력을 기준으로 설정하였으며, 반복횟수를 고려하여 CSR 조건을 단계적으로 증가 또는 감소시키는 방식으로 조정하였다. 각 시료마다 3단계 이상의 CSR 조건에서 반복전단시험을 수행하여 CSR-N(액상화 도달 사이클 수) 관계를 도출하여 CRR을 산정하였다. 규모 7.5에 해당하는 기준 사이클 수인 N=15에서의 CSR을 CRR로 정의하였다.
4. 실험 결과
4.1 구속압 100 kPa에서의 반복전단 거동 특성
Fig. 4는 구속압 100 kPa 조건에서 수행된 반복전단시험 결과이다. Fig. 4(a)는 반복횟수에 따른 전단변형률의 변화를 나타내며, Fig. 4(b)는 유효응력 변화, Fig. 4(c)는 과잉간극수압의 거동을 나타낸다. Fig. 4(a)를 통해 반복하중 재하 초기에는 비교적 안정적인 거동을 보이다가, 시료별 특정 반복횟수 이후 전단변형률이 급격히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 급격한 변형률 증가는 시료의 강성 저하 및 구조적 불안정성 증가에 기인한 것으로 판단되며(Xiao et al., 2023; Luo & Song, 2025), 시료별로 변형률 증가 시점에 뚜렷한 차이가 나타났다. Fig. 4(b)는 반복횟수 증가에 따른 유효응력 변화를 나타낸 것으로, 반복하중이 증가함에 따라 모든 시료에서 유효응력이 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 이는 반복전단에 의해 간극수압이 축적되어 토립자 간 접촉응력이 감소한 결과이다(Kramer, 1996). 각 시료는 특정 반복횟수 이후 유효응력이 급격히 감소하여 0에 근접하였으며, 이는 시료의 액상화 발생을 의미한다. Fig. 4(c)와 같이 반복하중 재하에 따라 과잉간극수압은 점진적으로 증가하였으며, 반복횟수가 증가함에 따라 과잉간극수압 증가율이 더욱 커지는 경향을 보였다. 과잉간극수압이 초기 유효구속압(100 kPa)에 근접할수록 시료의 유효응력은 감소하였으며, 이로 인해 전단강도가 저하되고 변형률이 증가하였다. 이를 통해 동일한 구속압 조건(100 kPa)에서 시료별로 과잉간극수압, 유효응력, 전단변형의 거동 특성에 차이가 있음을 확인할 수 있다.
4.2 반복하중에 따른 응력 경로 거동
SP.5에 대한 반복전단시험을 통해 전단응력-전단변형률과 전단응력-유효응력 관계를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5(a)는 반복전단과정에서의 전단응력과 전단변형률을 나타낸 것으로 응력-변형률의 관계를 보여준다. 반복하중이 증가함에 따라 응력-변형률 곡선의 기울기가 점진적으로 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 반복전단이 진행되어 시료의 전단강성이 감소하고 동일한 전단응력 수준에서 더 큰 전단변형이 발생함을 의미한다. 또한, 반복횟수 증가에 따라 응력-변형률 곡선의 중심이 점차 변형률이 증가하는 방향으로 이동하는 것은 잔류변형률이 누적되고 있음을 나타낸다. 이러한 잔류변형률의 축적은 지반의 점진적인 변형 축적을 의미한다. Fig. 5(b)는 반복전단과정의 전단응력-유효응력 관계를 통해 응력경로를 나타낸다. ±8 kPa 범위의 전단응력이 작용함에 따라 유효응력이 감소하여 0 kPa에 도달한 것을 확인할 수 있으며, 이는 전단저항력을 상실한 상태임을 의미한다. 이러한 응력경로 거동은 모든 시료에서 공통적으로 확인되었다.
4.3 구속압 100 kPa 조건에서의 CSR-N 곡선
구속압 100 kPa 조건에서 수행된 반복전단시험 결과로부터 CSR과 반복횟수(N)의 관계를 Fig. 6에 나타내었다. CSR-N곡선은 시료의 반복전단 저항 특성을 정량적으로 평가하기 위한 지표로 사용된다(Saeed et al., 2016). Fig. 6을 통해 모든 시료에서 CSR이 감소함에 따라 액상화에 도달하기까지 요구되는 반복횟수(N)가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 낮은 전단응력에서는 시료 내부에서 과잉간극수압의 축적 속도가 느리기 때문에 액상화에 도달하기까지 더 많은 반복하중이 요구되기 때문이다. 이러한 경향은 반복전단시험에서 나타나는 전형적인 CSR-N 관계와 일치한다. 또한, 동일한 반복횟수 조건에서 시료별 CSR에 차이가 존재하는 것을 확인했다. 이는 시료별 반복전단 저항에 차이가 있는 것을 의미하며, 동일한 반복횟수에서 더 높은 CSR을 나타내는 시료일수록 반복하중에 대한 저항성이 우수한 것으로 평가할 수 있다. SP.1은 동일 반복횟수 조건에서 상대적으로 높은 CSR을 나타내었다. SP.10은 상대적으로 낮은 CSR을 나타내었으며, SP.5는 SP.1과 SP.10의 중간 수준의 반복저항 특성을 나타내었다. 이러한 결과는 해저 지반의 액상화 저항성 평가 시에 심도 별 시료 특성에 대한 고려가 필요함을 시사한다.
4.4 심도별 구속압에 따른 CSR-N 관계
심도에 따른 구속압 변화가 반복전단 저항 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 심도별 구속압을 적용하여 CSR과 반복횟수의 관계를 Fig. 7에 나타내었다. 구속압은 심도 증가에 따라 증가하며, 이는 시료의 유효응력 상태에 직접적으로 영향을 미친다. 모든 시료에서 CSR이 감소함에 따라 액상화에 도달하기까지 요구되는 반복횟수가 증가하는 전형적인 CSR-N 관계가 나타났다. 또한 동일한 반복횟수조건에서 깊은 심부(높은 구속압) 조건일수록 더 높은 CSR을 나타내는 경향이 확인되었으며, 이는 반복하중 조건에서 액상화 발생까지 더 큰 전단응력이 요구됨을 의미한다. 이는 심도가 증가할수록 지반의 액상화 저항성이 증가할 수 있음을 시사한다. 이러한 결과는 해저단층 인접 지반의 액상화 평가 시 심도(구속압) 조건을 중요한 영향 인자로 고려해야 함을 시사한다.
5. 결과 분석
5.1 심도별 구속압 조건에 따른 액상화 저항비(CRR) 비교
심도 증가에 따른 반복저항 특성을 평가하기 위해, 심도별 구속압 조건에서 산정된 CRR을 Fig. 8에 나타내었다. 심도에 따른 구속압 조건을 반영하여 산정한 CRR은 동일 심도에서 일정한 구속압 조건(100 kPa)으로 산정한 경우보다 전반적으로 높은 값을 나타내었다. 이는 구속압 증가에 따라 토립자간 접촉응력이 증가하고 반복하중에 대한 저항성이 증가한 것으로 해석된다(Chitravel et al., 2023). CRR은 약 0.091~0.113 범위 내에 분포하는 것으로 나타났다. 심도별 구속압 증가에 따른 CRR의 뚜렷한 경향은 관찰되지 않았으며, 전체 범위에서 CRR은 비교적 일정한 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 이는 액상화 저항 특성이 단순히 심도(구속압)의 영향뿐만 아니라 재료의 고유한 특성에 의해 복합적으로 지배됨을 의미한다. 공학적 관점에서 이는 해저 지반의 액상화 가능성을 평가할 때, 현장별 토양 특성을 신중하게 고려해야 함을 의미한다. 깊이에 따른 유효응력에만 의존하여 설계하는 방식은 해저 퇴적토의 입도 분포 및 세립분 함량과 같은 재료 특성이 액상화 저항에 미치는 영향을 충분히 반영하지 못할 수 있다.
5.2 시료(SP.6)의 CSR에 따른 반복전단 거동 특성
CRR이 가장 낮은 시료(SP.6)에 대해 수행된 반복전단시험의 결과를 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 9(a)를 통해 CSR이 증가할수록 액상화까지 도달하는데 요구되는 반복횟수가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 높은 CSR에서는 반복하중 초기부터 전단변형률이 빠르게 증가하였으며, 적은 반복횟수에서 급격한 변형률 증가가 발생하였다. Fig. 9(b)는 반복횟수에 따른 과잉간극수압의 거동을 나타낸 것으로, CSR이 증가할수록 과잉간극수압의 발생 및 축적 속도가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 높은 CSR 조건에서는 반복하중 초기에 과잉간극수압이 급격히 증가하였으며, 짧은 반복횟수 내에 초기 구속압에 근접하게 증가하였다. Fig. 9(c)는 반복횟수에 따른 유효응력의 변화를 나타낸다. CSR이 증가할수록 유효응력 감소 속도가 증가하였고, 높은 CSR 조건에서는 반복하중 초기에 유효응력이 급격히 감소하여 0에 수렴하였다. 반면, 낮은 CSR 조건에서는 유효응력이 점진적으로 감소하며, 상대적으로 더 많은 반복횟수 이후에 액상화 상태에 도달하였다. Fig. 9(d)는 전단응력과 전단변형률의 관계를 나타낸다. CSR이 증가할수록 응력-변형률 곡선의 기울기가 점차 감소하였으며, 이는 반복전단 과정에서 강성 저하가 빠르게 진행됨을 의미한다. Fig. 9(e)는 전단응력과 유효응력의 관계를 나타내며, 높은 CSR 조건에서 응력경로가 빠르게 유효응력 0에 근접하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 거동은 과잉간극수압 축적에 따른 유효응력 소산과정이며, 액상화 발생으로 이어지는 전형적인 응력경로이다. SP.6는 CSR 증가에 따라 과잉간극수압의 축적속도와 유효응력 감소 속도가 증가하였고, 이에 따라 액상화 발생에 요구되는 반복횟수가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 반복전단하중의 크기가 증가할수록 시료 내부 구조의 안정성이 빠르게 저하되고 토립자 간 접촉응력이 감소함에 따라 반복전단 저항 특성이 저하되는 전형적인 액상화 거동 특성이다.
5.3 USCS 분류에 따른 CSR-N 곡선 분석
해저단층 인접 퇴적토의 USCS 분류에 따른 반복전단 저항 특성을 분석하기 위해 심도에 따른 구속압 조건을 반영한 CSR-N 관계를 Fig. 10에 나타내었다. 대표 시료는 SP.1, SP.8, SP.10로 선정하였으며, 각 시료는 각각 SP, SM, SP-SM의 분류 특성을 가진다. SM으로 분류된 SP.8의 CSR-N 곡선은 SP로 분류된 SP.1의 CSR-N 곡선보다 전반적으로 상부에 위치하였다. 이는 동일한 반복횟수 조건에서 SP.8이 SP.1보다 높은 CSR을 나타냄을 의미한다. 이는 세립분 함량 증가에 따른 공극 감소의 영향으로 해석된다(Seo & Kim, 2019). SP-SM으로 분류된 SP.10은 SP.8보다 더 높은 구속압 조건에서 시험이 수행되었음에도, 전반적으로 SP.8보다 낮은 CSR을 나타내었다. 이러한 결과는 심도뿐만 아닌 시료의 입도 분포 및 세립분 함량의 차이가 반복전단 저항 특성에 영향을 미친다는 것을 보여준다. 본 연구에서는 구속압 효과보다 재료의 특성의 영향이 상대적으로 크게 작용하였으며, 동일한 반복횟수 조건에도 USCS 분류에 따라 액상화 발생에 요구되는 CSR이 달라질 수 있음을 확인하였다. 이는 해저 지반의 액상화 평가 시에 해당 퇴적토의 재료 특성과 구속압력 조건의 복합적인 고려가 필요함을 시사한다.
5.4 육상토와 CSR-N 곡선 비교
Fig. 11은 구속압 100 kPa 조건에서 산출된 해저단층 인접 퇴적토(SP.1, SP.10)의 CSR-N 관계를 Nakdong River sand 및 Ottawa sand와 비교하여 나타낸 것이다(Nong et al., 2020; ElGhoraiby et al., 2020). 모든 시료는 액상화 기준을 양방향 전단변형률 7.5%로 동일하게 적용하여 비교하였다. 해저 퇴적토는 전 반복횟수 범위에서 육상토보다 낮은 CSR을 나타내어, 상대적으로 낮은 반복전단저항을 가지는 것으로 나타났다. 이러한 차이는 반복횟수가 적은 영역(N < 50)에서 뚜렷하게 나타났다. Ottawa sand의 경우 동일 반복횟수 조건에서 해저 퇴적토 대비 약 40~60 % 높은 CSR을 나타내었다. 이는 해저 퇴적토가 적은 반복횟수에서도 액상화에 도달할 수 있음을 의미한다. CSR-N 곡선에서 반복전단응력이 클수록 액상화에 요구되는 반복횟수는 감소하며, 적은 반복횟수 영역은 상대적으로 높은 반복전단응력 조건을 나타낸다. 본 결과는 강한 반복전단응력 적용 시에 해저 퇴적토의 액상화 저항성이 상대적으로 낮을 수 있음을 시사한다. 또한, 반복횟수가 증가함에 따라 해저 퇴적토와 육상토의 CSR 차이가 점진적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 반복횟수가 증가할수록 초기 밀도나 입자 구조의 영향이 상대적으로 감소하고, 반복하중에 따른 간극수압 축적이 지배적으로 작용하기 때문이라고 판단된다. 해저 퇴적토는 상대적으로 느슨한 입자 배열을 가지며, 입자 간 접촉력이 약한 구조를 가지는 것으로 알려져 있다(Sui et al., 2024). 이러한 특성은 반복하중에 노출 시 간극수압의 축적을 촉진하며, 결과적으로 반복전단저항을 감소시키는 주요 원인으로 작용한다. 본 결과는 해저단층 인접 퇴적토가 육상토에 비해 액상화에 더 취약할 수 있음을 의미하며, 해저 지반의 내진 설계 및 액상화 평가 시에 보다 보수적인 평가가 필요함을 시사한다.
Fig. 11
Comparison of CSR–N relationships of seabed soils (SP.1 and SP.10) with Nakdong River sand (Nong et al., 2020) and Ottawa sand (ElGhoraiby et al., 2020) under a confining pressure of 100 kPa
6. 결 론
본 연구에서는 해저단층 인접 구간에서 채취된 시료를 대상으로 반복전단시험을 수행하여 반복전단 거동 및 액상화 저항 특성을 평가하였다. 또한, 일정 구속압 조건(=100 kPa)과 심도에 따른 구속압 조건에서의 CSR-N 관계 및 CRR을 통해 해저 퇴적토의 액상화 저항 특성 및 구속압 효과를 정량적으로 분석하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
(1) 반복전단시험 결과, 모든 시료에서 반복하중 재하에 따라 과잉간극수압이 축적되고 유효응력이 감소하며, 특정 반복횟수 이후 전단변형률이 증가하는 전형적인 액상화 거동이 나타났다. 이는 반복전단에 의해 토립자 간 접촉응력이 감소하고, 간극수압 축적에 의해 전단저항이 소산되는 것으로 해석된다.
(2) CSR-N 관계 분석 결과, 모든 시료에서 CSR이 감소함에 따라 액상화 도달까지 요구되는 반복횟수가 증가하는 거동을 확인하였다. 또한, 심도에 따른 구속압 조건에서 USCS 분류에 따라 반복전단 저항 특성에 차이가 나타났으며, SM 시료가 SP 시료보다 상대적으로 높은 CSR을 보였다. 심도 증가에 따른 CRR의 증가 경향은 제한적으로 나타났으며, 본 연구에서는 구속압 효과보다 재료의 입도분포 및 세립분 함량의 영향이 상대적으로 크게 작용하였다. 이는 해저 퇴적토의 반복전단 저항 특성이 단순히 심도(구속압)뿐만 아니라 퇴적 구조 및 재료 특성에 의해 복합적으로 지배됨을 시사한다.
(3) 본 연구에서 산정된 CRR은 약 0.091~0.113 범위로 나타났으며, 이는 해저단층 인접 퇴적토가 전반적으로 낮은 반복전단 저항 특성을 가지는 재료임을 보여준다. 또한, 육상토와 비교를 통해 CSR-N 곡선이 동일 액상화 기준 조건에서 전반적으로 낮은 영역에 분포하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 해저단층 인접 퇴적토가 더 낮은 반복전단응력에서도 액상화에 도달할 수 있음을 의미하며, 해저 퇴적환경에서 형성된 느슨한 입자 구조와 상대적으로 약한 입자 간 결합 특성이 주요 원인으로 작용하는 것으로 해석된다.
본 연구는 해저단층 인접 퇴적토의 액상화 저항 특성을 규명하고, 육상토와의 비교를 통해 상대적 액상화 취약성을 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 이러한 결과는 해저 구조물 설계, 안정성 평가, 그리고 해저 지반의 내진 설계 시에 액상화 저항 특성을 고려하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
