1. 서 론
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
2.2 실험 방법
3. 실험 결과 및 분석
3.1 일축압축시험 결과
3.2 전단파속도시험 결과
4. 지반응답해석
4.1 개요
4.2 입력지진파 및 동적 물성
4.3 지반응답해석 결과
5. 결 론
1. 서 론
국내 주요 도심지는 대부분 하천과 해안가를 중심으로 조성되었으며, 지표 가까이는 느슨한 매립층 및 퇴적층으로 구성되어 있다. 이러한 지표 부근 느슨한 사질토 지반에는 상하수도 관로, 가스관, 통신관, 전력구 및 배수박스 등의 사회기반시설과 소형 구조물이 직접기초 형식으로 설치되고 있다. 느슨한 사질토 지반의 실제 지반강도는 굴착으로 인한 교란, 지하수 이동 및 관로 누수로 인한 세립분 유실 등의 여러 가지 요인에 의해 설계 시 예측된 강도보다 작은 경우가 많으며, 공사 중 장비 진동 및 지진으로 인한 액상화(Liquefaction) 현상이 발생할 경우 순간적으로 지지력을 상실하게 된다. 이러한 지반의 강도 부족 및 동적 하중은 땅꺼짐 및 지반침하, 붕괴의 주요 원인이 되고 심각한 피해를 초래할 수 있으며, 미리 예측이 어려우므로 사전에 지반의 정적 및 동적 특성을 평가하여 필요 시 지반을 보강하여야 한다.
액상화 발생으로 인한 피해 사례는 국외의 경우 1964년 일본 니가타(Niigata)를 시작으로 1971년 미국의 산 페르난도(San Fernando), 1975년 중국의 하청(Haicheng), 1976년 중국의 탕산(Tangshan), 1989년 미국의 로마 프리에타(Loma Prieta), 1999년 대만의 치치(Chi-Chi), 2011년 뉴질랜드 크리스트처치(Christchurch) 등 전 세계적으로 약 10,000 회 가량 보고되었다(Maurer et al., 2017). 국내에서도 2017년 포항 지역에서 발생한 규모 5.4의 지진으로 인해 도로, 공원 및 논밭 등에서 모래와 물이 지표면으로 분출되는 액상화 현상이 처음으로 관측되었으며, 많은 피해를 유발하였다(Park et al., 2018; Kim, 2018; Ha, 2018; MOIS, 2018). 액상화 현상은 지진에 의한 전단응력비가 지반의 저항응력비보다 클 때 발생하며, 전단응력비는 지반응답해석에 의한 최대지반가속도 및 전단응력에 의해 결정된다. 이러한 액상화 발생 가능성을 평가하기 위해서는 지반응답해석을 실시하여 지진파에 대한 지반응답 특성을 평가하는 것이 중요하며, 이와 관련되어 다양한 연구가 수행되었다(Kim et al., 2020; Shin et al., 2017; Yoo et al., 2019; Jang et al., 2020).
따라서, 느슨한 사질토 지반에 구조물이 설치되는 경우에는 지반의 지지력 확보 및 액상화 방지를 위한 지반보강 대책이 필요하며, F. Dezi & A. Merli(2021), Erminio Salvatore et al.(2020), Rouzbeh, R. & Kentaro, H.(2015)은 실리카 그라우팅, Jang et al.(2024), Ryou et al.(2024), Falihah et al.(2025), Jung et al.(2024)은 바이오 폴리머에 대해 연구하였다.
현재 지반보강공법으로 주로 적용되고 있는 시멘트계 보강 공법은 시멘트 재료 채굴 과정에서 생태계가 파괴되고 수소 이온농도(pH)가 높은 알카리성 용출수는 지하수 및 토양 오염을 유발하며, 생산 과정에서 많은 양의 이산화탄소(CO2)와 온실가스로 기후변화가 가속되는 등 많은 환경적 피해가 발생하므로 시멘트를 대체할 수 있는 친환경 보강재료의 개발이 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 시멘트를 대체할 수 있는 친환경 보강재를 개발하였으며, 무처리 모래지반, 시멘트 보강 모래지반, 친환경 보강재 보강 모래지반을 대상으로 일축압축시험 및 지반응답해석을 실시하여 강도 및 지반응답 특성을 평가하였다. 친환경 보강재는 시멘트에 비해 경제적이면서 강도가 크고 지반응답 특성이 유사한 것으로 평가되었으며, 그라우팅, 교반혼합 등 다양한 공법에 적용이 가능하여 지반 및 기초 안정화에 활용도가 높을 것으로 예상된다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료
2.1.1 모래
본 연구에서 사용된 흙 시료는 2017년 규모 5.4의 지진으로 인해 국내 첫 액상화 현상이 관측되었던 경상북도 포항시 송도동 인근에서 채취한 풍화토(4.6%)에 규사(94.2%)와 카올리나이트(1.2%)를 혼합하여 실제 액상화가 발생한 모래의 입도분포 조건(Hwang et al., 2020)으로 재조성하였으며, 통일분류법에 따라 SP로 분류된다. Fig. 1은 실험에 사용된 시료의 입도분포곡선을 나타내며, 액상화에 매우 취약한 입도분포 범위에 속한다(Iwasaki, 1986). 흙 시료의 물리적 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Physical properties of soil
| Gs | D60 (mm) | D30 (mm) | D10 (mm) | Cu | Cc |
| 2.66 | 0.22 | 0.15 | 0.12 | 1.83 | 0.85 |
2.1.2 시멘트
본 연구에 사용한 시멘트는 KS L 5201에 의하여 생산된 국내 A사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트이며, 물리·화학적 성질은 Table 2와 같다.
Table 2.
Physical properties of cement
|
Specific Gravity (g/cm3) |
Fineness (cm2/g) |
Soundness (%) | Chemical Composition (%) | |||||
| CaO | SiO2 | AL2O3 | Fe2O3 | MgO | SO3 | |||
| 3.15 | 3.144 | 0.05 | 63.4 | 22.0 | 5.27 | 3.44 | 2.13 | 1.96 |
2.1.3 친환경 보강재(GeoCem)
친환경 보강재(GeoCem)는 현재 순환사용이 가능한 고로슬래그, 열병합애쉬, 탈황석고 등의 고기능성 산업부산물들과 최소량의 시멘트를 혼합한 재료이며, 재료 단가가 시멘트에 비해 약 20~30% 정도 저렴한 것으로 조사되었다. 친환경 보강재(GeoCem)의 여러 가지 배합비에 대해 일축압축강도와 유동성(Mini-Flow)에 대한 평가를 기반으로 강도가 크고 유동성이 우수한 최적의 배합비를 선정하였으며, Table 3은 배합비별 일축압축강도시험 결과이다. Table 4는 친환경 보강재(GeoCem)의 물리적 특성이며, Fig. 2는 시멘트와 친환경 보강재(GeoCem)의 X-선 회절(X-ray diffraction, XRD) 분석 결과이다. 시멘트의 4대 광물인 Alite, Belite 상과 탈황석고의 석고상(CaSO4, CaSO4 2H2O)이 존재하며, 여러 원료가 혼합된 배합원료를 분석하면 결정성이 높은 주요 상들만 관찰됨을 알 수 있다.
Table 3.
Results of unconfined compression strength
Table 4.
Physical properties of GeoCem
|
Specific Gravity (g/cm3) |
Fineness (cm2/g) | Chemical Composition (%) | ||||||
| SiO2 | AL2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | TiO2 | ||
| 2.9 | 4,718 | 27.5 | 13.0 | 4.1 | 40.4 | 4.8 | 6.8 | 0.69 |
2.2 실험 방법
2.2.1 일축압축시험
일축압축시험은 최대하중 10kN인 시험기를 이용하여 1mm/min의 속도로 하중을 재하하였으며, 시료가 파괴될 때까지 재하를 실시하여 응력-변형률 곡선에서 응력의 최대값을 일축압축강도로 산정하였다. Fig. 3은 본 연구에서 실시한 일축압축시험 시료와 시험 전경이며, 시험조건은 Table 5와 같다.
Table 5.
Uniaxial compressive strength test condition
| Type | Dr (%) | Wp/Ws (%) | Curing Times (days) |
| Untreated | 50 | - | 7, 28 |
| Cement treated | 50 | 4 | 7, 28 |
| 6 | 7, 28 | ||
| 8 | 7, 28 | ||
| GeoCem treated | 50 | 4 | 7, 28 |
| 6 | 7, 28 | ||
| 8 | 7, 28 |
2.2.2 전단파속도시험
지반의 전단파속도 및 전단탄성계수 산정을 위하여 벤더엘리먼트를 이용한 전단파속도시험을 실시하였으며, 직접적으로 측정된 전단파속도(Vs)를 이용하여 최대 전단탄성계수(Go)를 산정하였다. 전단파속도 측정을 통한 지반의 동적 특성 파악은 현장시험을 이용하는 방법에 비해 불교란 상태에서의 전단파속도 측정이 가능한 장점으로 인해 이와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다(Yoo & Park, 2014). 산정된 전단파속도와 최대 전단탄성계수를 이용하여 지반응답해석을 수행하였으며, 최대지표면가속도(amax)를 산정하였다. Fig. 4는 전단파속도 시험 전경이며, 2 pair로 측정하여 더 양호한 signal을 사용하였다.
3. 실험 결과 및 분석
3.1 일축압축시험 결과
일축압축시험 결과 무처리 모래지반에 비해 시멘트 및 GeoCem 보강지반의 일축압축강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 시멘트 및 GeoCem 함유량이 높을수록, 양생기간이 길수록 일축압축강도는 증가하며, 함유량 및 양생기간에 따른 증가 비율은 시멘트에 비해 GeoCem이 큰 것으로 나타났다. 함유율 4%일 때는 시멘트의 일축압축강도가 GeoCem에 비해 크고 6%, 8%에서는 GeoCem이 큰 것으로 보아 GeoCem은 함유율이 4% 정도로 낮은 경우 시멘트에 비해 강도발현이 불리하며, 6% 이상일 때 시멘트에 비해 강도증가 효과가 유리한 것으로 평가된다. Table 6 및 Fig. 5는 일축압축강도 시험 결과이다.
Table 6.
Results of uniaxial compressive strength test
3.2 전단파속도시험 결과
전단파속도시험 결과 무처리 모래지반에 비해 시멘트 및 GeoCem 보강지반의 전단파속도 및 전단탄성계수가 크게 증가하는 것으로 나타났다. GeoCem 보강지반의 전단파속도는 무처리 모래지반에 비해 약 2.6 배 크며, 시멘트보강지반에 비해서는 약 1.1 배 작은 것으로 나타났다.
4. 지반응답해석
4.1 개요
지진파는 암반에서부터 시작되어 지반을 거쳐 지표면으로 이동하면서 지반의 동적 특성에 따라 증폭 또는 감폭 현상이 일어나게 된다. 따라서, 암반층에서 관측된 지진데이터는 해당 부지의 특성에 따른 지진파 변화를 평가하는 지반응답해석을 실시하여 정확한 지표면 지진하중을 예측하여야 한다(Ahn et al., 2020).
본 연구에서는 무처리 모래지반과 시멘트 보강지반, GeoCem 보강지반에 대한 지표면 최대지반가속도를 평가하기 위해 1차원 등가선형 지반응답해석을 수행하였다. 등가선형 지반응답해석은 선형 해석방법 중에서 지반의 비선형적 동적 특성을 고려하기 위해 반복계산을 수행하는 방법으로 상용프로그램인 GTS NX(MIDAS) 프로그램을 이용하여 수행하였다. 지층조건은 서울 도심지 지층조건과 액상화가 발생한 포항 송도동의 지층조건을 참고하여 구성하였으며, 지표로부터 GL.(-)15.0m 까지 퇴적 모래가 분포하고 그 하부로 풍화토, 풍화암, 기반암 순으로 분포한다. 느슨한 모래층에 대한 시멘트 및 GeoCem 보강 심도는 지중 매설 관로 및 우수박스 등의 설치 심도를 고려하여 지표하 GL.(-)5.0m로 설정하였다.
4.2 입력지진파 및 동적 물성
지반응답해석 결과는 지층별 전단파속도, 전단탄성계수 및 감쇠비 곡선과 같은 지반 동적 물성치와 입력지진파에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다(Kramer, 1996). 전단파속도는 무처리 모래지반과 보강 지반의 경우 전단파속도시험 결과를 적용하였고 원지반 풍화토(N=30), 풍화암(N=50)은 Eq. (1)과 같이 Sun et al.(2013)이 제안한 N치 관계식으로 추정하였으며, 기반암의 전단파속도는 서울 도심지 지역에서 수행한 공내탄성파시험 결과를 활용하였다. 전단탄성계수는 Eq. (2)와 같이 전단파속도를 이용하여 산정하였으며, 전단탄성계수 감소곡선과 감쇠비 곡선은 문헌에 제시되어 있는 값을 적용하였다. Table 8은 지반응답해석에 적용된 지층별 동적 물성치를 나타낸다.
Table 8.
Dynamic properties
해석을 위한 입력지진파는 국내에서 관측된 포항지진파, 경주지진파와 대표적 장주기파인 Hachinohe, 단주기파인 Ofunato, 인공지진파 등 총 5개의 지진파를 적용하였으며, 각 지진파는 내진 1등급, 재현주기 1,000년에 해당하는 기반암 가속도 0.154g로 스케일링하여 암반노두 지진파로써 입력하였다. Fig. 7은 입력지진파와 응답스펙트럼을 나타낸다.
4.3 지반응답해석 결과
지반응답해석 결과 무처리 모래지반에 대해 일정 심도까지 시멘트 또는 GeoCem으로 보강 시 최대지표면가속도가 감소하는 것으로 나타났으며, Fig. 8은 지층조건별 지반응답해석 결과를 나타낸다. 무보강 시 느슨한 모래지반은 지반 증폭현상이 발생하여 지표면 최대가속도가 0.182g이며, 시멘트 및 GeoCem 보강 시에는 지반 증폭현상이 발생하지 않고 지표면 최대가속도가 기반암 가속도보다 줄어든 0.148g로 산정되었다. 이는 지반 보강에 의한 가속도 감소로 구조물에 가해지는 지진하중이 감소되는 것으로써 지중 및 지상 구조물의 내진 안정성이 향상되는 것을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 무처리 모래지반, 시멘트 보강지반, 친환경 보강재(GeoCem) 보강지반에 대해 일축압축강도시험, 전단파속도시험, 지반응답해석을 실시하여 강도 및 지반응답특성을 평가하였으며, 결과는 다음과 같다.
(1) 일축압축시험 결과 무처리 모래지반에 비해 시멘트 및 GeoCem 보강 시 일축압축강도가 크게 증가하며, 시멘트 및 GeoCem 함유량이 높을수록, 양생기간이 길수록 일축압축강도는 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 함유율 4%일 때는 시멘트의 일축압축강도가 GeoCem에 비해 크고 6%, 8%에서는 GeoCem이 큰 것으로 보아 GeoCem은 함유율이 4%로 낮은 경우에는 보강효과가 시멘트에 비해 크지 않고 함유율이 6% 이상일 때 시멘트에 비해 강도증가 효과가 유리한 것으로 평가되었다.
(3) 전단파속도시험 결과 무처리 모래지반에 비해 시멘트 및 GeoCem 보강 지반의 전단파속도 및 전단탄성계수가 크게 증가하는 것으로 나타났다. GeoCem 보강지반의 전단파속도는 무처리 모래지반에 비해 약 2.6 배 크며, 시멘트 보강지반에 비해서는 약 1.1 배 작은 것으로 나타났다.
(4) 지반응답해석 결과 무처리 모래지반에 대해 일정 심도까지 시멘트 또는 GeoCem으로 보강 시 최대지표면가속도가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 지반 보강으로 인해 구조물에 전달되는 지진하중이 감소되는 것으로써 지중 및 지상 구조물의 내진 안정성이 향상되고 경제적 구조물설계가 가능함을 알 수 있다.
(5) 향후 액상화 평가에 활용되는 액상화 저항특성과 구조물 규모에 따른 최적 보강심도에 대한 상세 연구가 필요할 것으로 판단된다.
