1. 서 론
2. 1-G 진동대 실험
2.1 실험장비 및 계측장비
2.2 실험재료 및 세립분 함량 선정
2.3 모형 구조물 및 모형 지반 조성
2.4 모형 시트파일 및 실험 조건
3. 세립분 함량별 실험 결과
3.1 구조물 침하량
3.2 과잉간극수압비
3.3 가속도 응답
4. 세립분에 따른 침하량 관계식 제안
4.1 세립분 함량과 근입비에 따른 침하 저감효과
4.2 과잉간극수압 응답과 침하량 상관 관계
4.3 세립분과 시트파일 근입비에 따른 침하량 경험식
5. 결 론
1. 서 론
액상화는 느슨하고 포화된 사질토 지반에서 지진과 같은 동적하중에 의해 과잉간극수압이 증가하고 유효응력이 감소하여 지반의 전단강도가 상실되는 현상으로, 구조물의 침하 및 전도 등 인적·물적 피해를 유발한다. 국내에서는 2017년 포항지진(M 5.4) 시 액상화 현상이 처음으로 관측되면서 국내 지반 및 지진환경에서도 액상화가 발생할 수 있음이 확인되었고, 이를 계기로 액상화 평가 및 대책에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다.
기존 구조물에 인접한 지반의 액상화 피해 저감 대책으로는 구조물 하부 직접개량이 곤란하고 작업공간이 제한되는 현장 여건을 고려할 때 시트파일 공법이 유효한 대안으로 검토되고 있다. 이와 관련하여 Motohashi et al.(2011)과 Kaneko & Yasuda(2014)는 시트파일 벽체가 액상화 시 구조물 주변 지반의 측방변형을 억제하여 구조물 침하를 저감할 수 있음을 제시하였고, Rasouli et al.(2015)은 구조물 기초 주변에 시트파일을 설치한 1-G 진동대 실험을 통해 침하 저감효과를 확인하였다. 국내에서도 Sim et al.(2020)과 Yoon et al.(2023)이 시트파일의 근입비 및 배치조건에 따른 액상화 피해 저감효과를 1-G 진동대 실험으로 검토하였으며, Kim et al.(2025)은 기존 구조물과 시트파일 사이에 이격거리가 존재하는 조건에서의 보강효과를 분석하였다.
그러나 이러한 기존 연구의 상당수는 주문진 표준사와 같은 clean sand 조건을 대상으로 수행되어, 실제 자연지반 또는 매립지반에서 흔히 나타나는 세립분 함유 조건을 반영하지 못한 한계가 있다. 세립분 함량은 모래 입자 사이의 간극비, 배수성 및 과잉간극수압의 발생과 소산 거동에 영향을 미칠 수 있으므로, 액상화 발생 시 지반의 침하 및 변형 양상은 clean sand 조건과 세립분 함유 조건에서 다르게 나타날 수 있다. Polito & Martin II(2001)는 비소성 세립분이 모래의 액상화 저항성에 미치는 영향이 세립분 함량과 지반 상태에 따라 달라질 수 있음을 보고하였고, Thevanayagam et al.(2002)은 clean sand와 silty sand의 비배수 거동을 해석할 때 모래의 골격구조와 세립분에 의해 형성되는 간극비를 함께 고려해야 함을 제시하였다. 또한 Yang et al.(2006)과 Karim & Alam(2017)은 모래-실트 혼합토에서 한계(전이) 세립분 함량이 혼합토의 거동 변화를 이해하는 데 중요한 변수임을 보고하였다. 따라서 clean sand 조건에서 확인된 시트파일 보강효과를 세립분이 포함된 지반 조건에 그대로 적용하기에는 한계가 있다.
이에 본 연구에서는 비소성 실트질 세립분 함량과 시트파일 근입비가 액상화 지반의 거동 및 구조물 침하 저감효과에 미치는 영향을 평가하기 위하여 1-G 진동대 모형실험을 수행하였다. 주문진 표준사에 실트질 실리카샌드를 혼합하여 세립분 함량 FC=13 % 및 FC=27 % 지반을 조성하였고, 각 지반조건에 대하여 시트파일 근입비(embedment depth ratio), EDR가 0(비보강), 0.65, 0.75, 0.85 조건을 적용하였다. Kim et al.(2025)의 clean sand(FC=0 %) 조건 실험결과는 본 연구와 동일한 실험장비, 입력하중 및 이격조건에서 수행된 자료로서 비교 기준으로 활용하였다. 각 조건에서 구조물 침하량, 과잉간극수압비 및 가속도 응답을 계측하여 세립분 함량에 따른 액상화 거동과 시트파일 보강효과를 비교·분석하였으며, 실험 결과를 바탕으로 세립분 함량과 근입비를 동시에 고려한 최대 침하량 경험식을 제안하였다. 본 연구에서 대상으로 하는 세립분은 소성 특성을 갖는 점토성 세립분이 아니라 비소성 실트 크기의 실리카계 세립분으로, 입도구성 및 간극비 변화가 액상화 거동에 미치는 영향을 검토하기 위한 재료로 한정하였다.
2. 1-G 진동대 실험
2.1 실험장비 및 계측장비
본 연구에서는 수평 방향의 동적하중을 재하할 수 있는1-G 진동대 실험장치를 사용하였다. 실험장치는 최대 500 kg의 하중 재하가 가능한 액추에이터, 액추에이터와 토조를 연결하는 스틸 프레임 및 모형지반 조성을 위한 강성 토조로 구성된다. 강성 토조는 실험 중 모형지반의 변형 및 액상화 진행 과정을 관찰할 수 있도록 투명 아크릴로 제작하였으며, 크기는 길이 80 cm, 폭 40 cm, 높이 70 cm이다. 입력파에 의해 토조 벽면에서 발생할 수 있는 충격 및 반사파 영향을 저감하기 위하여 양측 벽면에 약 50 mm 두께의 스티로폼을 부착하였다(Kim et al., 2011). 계측장비로는 간극수압계(MPP-2), 변위계(LP-100, LP-200) 및 가속도계(PCB 352C67, Dytran 3211A)를 사용하였으며, 모형지반 내 가속도계 8개, 간극수압계 5개 및 변위계 1개를 설치하였다.
모든 계측신호는 NI사 DAQ 시스템을 통해 샘플링 주파수 200 Hz로 수집하였으며, 계측 전 각 센서의 영점 보정을 수행하고 계측 시스템에 적용된 차단 주파수 25 Hz의 저역통과 필터(low-pass filter)로 고주파 노이즈를 제거한 뒤 분석에 사용하였다.
2.2 실험재료 및 세립분 함량 선정
모형지반의 기본 재료는 주문진 표준사를 사용하였으며, 세립분 함유 모래지반을 조성하기 위하여 비소성 실트질 실리카샌드를 혼합하였다. 세립분 함량(FC)은 전체 건조시료 중 실트질 실리카샌드가 차지하는 질량비로 정의하였다. 사용 재료의 기본 물성과 입도분포곡선은 Fig. 2와 같다.
FC=13 % 조건은 USCS 분류체계에서 세립분 함량이 12 %를 초과할 경우 clean sand가 아닌 silty sand 계열로 분류되는 점을 고려하여, clean sand에서 silty sand로 분류가 전환되는 초기 세립분 함유 조건을 대표하도록 선정하였다. FC=27 % 조건은 선행연구에서 액상화 저항 및 비배수 거동 변화가 뚜렷하게 보고된 25~30 % 전후의 고세립분 함유 모래 조건(Polito & Martin II, 2001; Yang et al., 2006; Karim & Alam, 2017)을 대표하면서도 모래가 주 구성 입자로 유지되는 범위에 해당하도록 선정하였다. 따라서 본 연구에서는 Kim et al.(2025)의 FC=0 % clean sand 결과를 기준지반으로 하고, FC=13 % 및 FC=27 %를 세립분 함유 모래지반 실험조건으로 설정하였다.
세립분 함량별 모형지반의 조성상태를 정량적으로 관리하기 위하여 세립분 함량별로 최대간극비(emax)와 최소간극비(emin)를 별도로 산정하고 이를 바탕으로 상대밀도를 계산하였다(Table 1). 그 결과 FC=13 % 및 FC=27 % 조건의 평균 상대밀도는 각각 43.5 %, 44.0 %로 나타나, 두 조건 모두 액상화층의 목표 상대밀도(Dr=45 %)에 근접한 상태로 조성되었음을 확인하였다. 다만 세립분이 포함된 모래는 동일한 상대밀도라도 clean sand와 동일한 입자구조를 가진다고 볼 수 없다(Lade et al., 1998). 모래–세립분 혼합토에서는 세립분 함량이 증가함에 따라 응력을 전달하는 입자 골격이 조립분 지배 구조에서 세립분 지배 구조로 전이될 수 있다. 입자간 간극비(intergranular void ratio)는 세립분이 조립분 골격의 간극 내에 위치하여 응력 전달에 기여하지 않는 것으로 가정하고 조립분 골격만의 상태를 나타내는 지표이며, 등가 입자간 간극비(equivalent intergranular void ratio)는 세립분의 일부가 응력 전달에 참여하는 정도를 반영한 지표이다(Thevanayagam et al., 2002). 또한 전이 세립분 함량(transitional fines content)은 혼합토의 지배 골격이 조립분에서 세립분으로 전환되는 경계 세립분 함량으로 정의되며, 입자 형상과 조립분–세립분 간 입경비의 영향을 받는다(Kim et al., 2021). 본 연구에서는 순수 세립분의 지표 간극비와 세립분의 응력분담 계수를 별도로 산정하지 않아 이들 지표를 정량적으로 적용하지는 못하였으며, 상대밀도는 지반 조성상태의 관리 기준으로 사용하고 실험결과의 해석에서는 세립분 함량 증가에 따른 간극 구조와 입자 접촉상태의 전이를 정성적으로 고려하였다.
Table 1.
Relative density of the model ground according to fines content
| Fines content (%) | emax | emin | e | Dr (%) |
| 0 (Kim et al., 2025) | 1.071 | 0.556 | 0.839 | 45 |
| 13 | 0.767 | 0.372 | 0.595 | 43.5 |
| 27 | 0.800 | 0.482 | 0.660 | 44 |
2.3 모형 구조물 및 모형 지반 조성
본 연구의 원형구조물은 길이 12.5 m, 너비 5 m 크기의 2층 구조물이며, Iai(1989)의 상사법칙을 적용하여 축소비율 1/50로 모형구조물을 제작하였다. 축소비율 1/50은 진동대 실험과 수치해석 결과의 정합성이 확보되는 범위로 보고된 조건이다(Jeon et al., 2010). 본 실험의 모형지반은 느슨하게 조성되어 동적하중이 멈춘 후에도 지반변형이 지속되는 변형률 연화형(strain softening type) 거동을 보이므로 Iai(1989)의 상사법칙 Type 3를 적용하였다. 모형구조물은 길이 250 mm, 너비 100 mm, 높이 120 mm의 아크릴 상자로 제작하였으며, 무게는 8 kg, 상재압은 3.136 kPa이다.
모형지반은 총 5개 지층으로 구분하여 조성하였다. 최하부 지층(두께 50 mm)과 최상부 매립층(두께 30 mm)은 비액상화 지층으로 상대밀도 85 %로 조성하였고, 중간의 3개 지층(각 50 mm, 총 150 mm)은 액상화 지층으로 상대밀도 약 45 %로 조성하였다. 액상화층 상대밀도 45 %는 Hakam(2016)이 제시한 느슨한 지반과 중간 밀도 지반의 경계 조건에 해당한다. 비액상화 지층은 건조낙사법과 층별 다짐으로, 액상화 지층은 Rasouli et al.(2015)과 동일한 수중침강법으로 조성하였으며, 조성 후 24시간 포화시켜 느슨한 포화지반을 완성하였다. 모형지반 및 계측기 배치는 Fig. 3과 같다.
2.4 모형 시트파일 및 실험 조건
모형 시트파일은 가로 300 mm, 두께 2 mm로 제작하였으며, 근입비 조건에 따라 길이를 달리하였다. 시트파일 두께 2 mm는 이보다 얇은 경우 연성파괴가 발생하여 지반보강 효과를 파악하기 어렵다는 기존 연구(Rasouli et al., 2015)를 고려한 것이다. 시트파일 근입비(EDR)는 Eq. (1)과 같이 시트파일의 근입 길이(Hsp)를 표층을 제외한 액상화 지층의 깊이(HL=150 mm)로 나눈 값으로 정의하였다.
실험은 세립분 함량 FC=13 % 및 27 % 지반에 대하여 각각 EDR=0(비보강), 0.65, 0.75, 0.85 조건을 적용하여 각 FC–EDR 조합별 1회씩 총 8회 수행하였으며, Kim et al.(2025)의 FC=0 % 조건 4개 케이스를 비교 기준으로 활용하였다. 구조물과 시트파일 사이의 이격거리는 Kim et al.(2025)과 동일한 조건으로 일정하게 유지하였다. 입력파는 가속도 0.6 g, 주파수 10 Hz의 정현파를 50초간 재하하였으며, 이는 500회의 반복하중에 해당한다. 이 조건은 모형지반에 액상화를 확실하게 발생시켜 보강조건별 차이를 비교하기 위해 설정한 값이다. 실험조건을 요약하면 Table 2와 같다.
Table 2.
Test Conditions of EDR and Fines Contents
3. 세립분 함량별 실험 결과
본 연구에서는 세립분 함량–근입비 조합별로 실험을 각 1회씩 수행하였다. 따라서 반복 실험에 근거한 침하량 및 과잉간극수압비의 산포 또는 신뢰구간은 제시할 수 없으며, 모형지반 조성, 포화도 및 계측센서 설치 위치 등에 기인하는 실험 오차와 재현성의 영향을 완전히 배제하기는 어렵다. 다만 세립분 함량별로 최대·최소 간극비를 각각 산정하여 액상화 대상층의 상대밀도를 43.5~45.0 % 범위로 일정하게 관리하였으며, 모든 실험조건에서 동일한 실험장비, 입력지진파, 모형 구조물, 구조물 간 이격거리 및 지반 조성 절차를 적용함으로써 조건 간 비교의 일관성을 확보하였다. 이에 따라 본 연구의 결과는 계측값의 절대적 크기보다는 FC 및 EDR 변화에 따른 상대적 경향에 중점을 두어 해석하였다.
3.1 구조물 침하량
Table 3은 세립분 함량 및 시트파일 근입비에 따른 구조물 침하량과 침하 저감률을 정리한 것이다. 침하 저감률(Rs)은 Eq. (2)와 같이 각 세립분 함량 조건의 비보강 침하량(S0)을 기준으로 시트파일 보강조건의 침하량(Sr)이 감소한 비율로 정의하였다.
Table 3.
Structural settlement and settlement reduction ratio according to fines content and EDR (FC=0 % data are from Kim et al., 2025)
비보강 조건(EDR=0)의 구조물 침하량은 FC=0 %, 13 % 및 27 %에서 각각 162 mm, 145 mm, 132 mm로 나타나, 본 실험조건에서는 세립분 함량이 증가할수록 침하량이 감소하였다. 이는 비소성 실트질 세립분이 조립분 골격의 간극을 채우며, 간극 구조와 입자 접촉상태를 변화시키고, 세립분 함량 증가에 따라 응력 전달 골격이 부분적으로 전이되면서 반복하중 중 지반의 변형 양상이 clean sand 조건과 달라졌기 때문으로 해석된다. 다만 이러한 경향은 본 연구의 상대밀도, 세립분 입도, 입력하중 및 모형지반 조성조건에서 확인된 실험적 결과이며, 세립분 함량 증가가 모든 지반조건에서 액상화 피해를 감소시킨다는 일반적 결론으로 확대해서는 안 된다(Polito & Martin II, 2001; Xenaki & Athanasopoulos, 2003; Papadopoulou & Tika, 2008; Dash et al., 2010).
시트파일 보강조건에서는 모든 세립분 함량 조건에서 근입비가 증가함에 따라 구조물 침하량이 감소하였다. FC=13 % 조건에서는 침하량이 비보강 145 mm에서 EDR=0.65, 0.75, 0.85 조건에서 각각 97 mm, 65 mm, 50 mm로 감소하였고, FC=27 % 조건에서는 비보강 132 mm에서 각각 77 mm, 58 mm, 44 mm로 감소하였다. 이는 시트파일의 근입깊이가 증가함에 따라 액상화층 내 구조물 주변 지반의 측방변형과 전단변형이 제한되었기 때문으로 판단된다. 모든 조건에서 시간에 따른 침하는 가진 초기에 급격히 발생한 후 최종 침하량에 수렴하는 양상을 보였다.
3.2 과잉간극수압비
본 연구에서 액상화 발생 여부는 단일 지표에 의존하지 않고, (1) 과잉간극수압비(Ru)가 1.0에 근접하는 계측 결과, (2) 모형지반 표면에서의 분사(sand boiling) 및 표면수 분출 등 육안 관측, (3) 구조물의 급격한 침하 개시의 세 가지 근거를 종합하여 판정하였다(Kim et al., 2024). 여기서 Ru = 1.0 도달은 초기 유효응력이 이론적으로 0이 되는 초기 액상화(initial liquefaction)의 발생 시점을 지시하는 지표로 사용하였다. 반면, 초기 액상화 도달 이후 계측되는 Ru > 1.0의 첨두값은, 가진 전의 정적 초기 유효응력을 정규화 기준으로 사용하는 데 기인하는 것으로, 가진 중 전응력의 동적 변동과 국부적 간극수압의 축적 및 재분배가 중첩된 결과이며, 유효응력이 지속적으로 음(−)의 값을 갖는 물리적 상태를 의미하지 않는다. 따라서, 초기 액상화 이후의 Ru 크기를 액상화의 심각도나 구조물 피해 정도와 직접 대응시키는 것은 적절하지 않다. 이러한 구분은 본 연구의 결과 해석과 직결된다. 시트파일 설치 유무와 관계없이 모든 조건에서 상기 세 가지 근거에 의한 초기 액상화가 확인되었으며, 이는 시트파일이 액상화의 발생 자체를 방지하지는 못함을 의미한다. 대신 시트파일은 액상화 이후 지반의 측방 변형과 간극수압 재분배 경로를 구속함으로써 구조물 침하를 저감하는 역할을 하는 것으로 해석된다. 이에 본 연구에서는 구조물 침하량을 시트파일 효과 평가의 주 지표로 사용하고, Ru는 초기 액상화 도달 여부의 판정과 액상화 이후 국부적 간극수압 거동을 설명하는 보조 지표로 활용하였다. 따라서 본 연구에서는 Ru가 최초로 1.0에 도달한 시점을 초기 액상화 발생 시점의 판정에 사용하고, 그 이후 계측된 Ru > 1.0의 첨두값은 액상화 이후의 국부적 간극수압 축적 및 잔류 간극수압 특성을 나타내는 보조 지표로 구분하여 활용하였다.
Table 4는 각 조건에서 계측된 최대 과잉간극수압비와 구조물 침하량을 정리한 것이다.
Table 4.
Maximum excess pore water pressure ratio and settlement according to fines content and EDR (FC=0 % data are from Kim et al., 2025)
비보강 조건에서는 모든 세립분 함량 조건에서 가진 초기에 Ru가 급격히 상승하여 1.0을 초과하는 액상화가 발생하였다. 다만 세립분 함량에 따라 과잉간극수압의 발생 위치, 소산 속도 및 깊이별 분포는 다르게 나타났다. FC=0 % 조건은 상부 및 하부지층에서 빠른 Ru 상승이 확인되었고, FC=13 % 조건은 상부지층에서 상대적으로 낮은 수압 응답을 보였으나 중간 및 하부지층에서는 위치별 차이가 크게 나타났다. FC=27 % 조건은 전 지층에서 비교적 높은 Ru와 느린 소산 경향을 보였다. 이는 세립분 함량이 증가하면 세립분이 모래 입자 사이의 간극을 채우면서 간극의 연결성과 투수성이 변화하고, 반복하중 중 발생한 과잉간극수압의 소산이 지연될 수 있기 때문으로 해석된다(Thevanayagam et al., 2002; Lade et al., 1998).
보강조건에서는 시트파일이 설치되었음에도 다수 조건에서 최대 Ru가 1.0을 초과하였으며, 특히 FC=27 % 조건의EDR=0.65, 0.75에서는 중간지층 내부 지점에서 Ru가 각각1.774, 1.795까지 증가하였다. 시트파일 내부 영역은 외측 지반에 비해 횡방향 변형이 제한되므로 반복하중에 의해 발생한 과잉간극수압이 국부적으로 축적될 수 있고, 세립분 함량이 높을수록 수압 소산이 지연되어 높은 잔류수압이 유지되는 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고 구조물 침하량은 근입비 증가에 따라 일관되게 감소하였는데, 이는 시트파일 보강효과가 액상화 발생 자체를 억제하는 방식이 아니라 액상화 이후 구조물 주변 지반의 측방변형과 전단변형을 제한하는 방식으로 발현되었음을 의미한다.
3.3 가속도 응답
가속도 응답은 반복하중이 지반 내부로 전달되는 과정에서 과잉간극수압 증가에 따른 유효응력 및 지반강성의 변화를 반영하는 지표이다. 본 연구에서는 세립분 함량에 따른 가속도 응답을 정량적으로 비교하기 위하여 대표 보강조건인 EDR=0.75의 중간지층에서 계측된 시간에 따른 가속도 응답을 Fig. 6에 나타내었다. FC=0 % 조건은 Kim et al.(2025)의 실험결과이며, FC=13 % 및 27 % 조건은 본 연구의 실험결과이다.
Fig. 6에서 FC=0 % 조건은 반복하중 작용기간 동안 약 ±0.9 m/s2 범위의 비교적 일정한 가속도 응답을 보였다. FC=13 % 조건에서는 반복하중이 지속됨에 따라 가속도 진폭이 증가하여 시트파일 외측 계측지점에서 최대 약 1.2 m/s2 수준의 응답이 나타났다. 반면 FC=27 % 조건에서는 반복하중 작용 초기에 약 1.0~1.3 m/s2 수준의 비교적 큰 응답이 발생한 이후 가속도 진폭이 점차 감소하는 경향을 보였다. 이와 같이 동일한 EDR 조건에서도 세립분 함량에 따라 가속도 응답의 크기와 반복하중 작용 중 진폭의 변화 양상이 상이하게 나타났다.
앞서 Fig. 5에 제시한 동일 위치의 과잉간극수압 응답과 비교하면, FC=27 % 조건에서는 높은 과잉간극수압이 유지되는 과정에서 가속도 진폭이 감소하는 경향이 나타났다. 이는 과잉간극수압 증가에 따른 유효응력 감소와 지반강성 저하가 지반 내 진동 전달특성에 영향을 미친 결과로 판단된다. 그러나 EDR=0.75에서 구조물 침하 저감률은 FC=0 %, 13 % 및 27 %에서 각각 56.8 %, 55.2 % 및 56.1 %로 유사하게 나타난 반면 가속도 응답은 세립분 함량에 따라 서로 다른 양상을 보였다. 따라서 최대 가속도 응답과 구조물 침하량 사이에는 단순한 일대일 대응관계가 나타나지 않았으며, 가속도 응답은 구조물 피해 정도를 직접 평가하는 지표라기보다 과잉간극수압 증가에 따른 지반강성 변화와 액상화 진행 중 지반의 동적응답을 파악하기 위한 보조적인 정량지표로 해석하는 것이 타당하다.
4. 세립분에 따른 침하량 관계식 제안
4.1 세립분 함량과 근입비에 따른 침하 저감효과
침하 저감률을 근입비별로 비교하면, EDR=0.65 조건에서는 FC=0 %, 13 %, 27 %에서 저감률이 각각 21.0 %, 33.1 %, 41.7 %로 나타나 세립분 함량이 증가할수록 저감률이 증가하였으며, 세립분 함량별 저감률 차이는 최대 20.7 %에 달하였다. 이는 낮은 근입비에서 시트파일에 의한 횡방향 구속효과가 제한적으로 작용하는 가운데, 세립분 함량 변화에 따른 지반의 간극구조 및 반복하중 중 변형 특성이 침하 저감률에 비교적 크게 반영되었기 때문으로 해석된다. 즉, EDR=0.65 조건은 보강효과가 나타나기 시작하지만 지반조건의 영향이 침하 응답에 크게 남아 있는 보강 초기 단계로 평가된다.
반면 EDR=0.75 조건에서는 저감률이 각각 56.8 %, 55.2 % 및 56.1 %로 약 55~57 % 수준에 수렴하였고, EDR=0.85 조건에서도 65.4 %, 65.5 %, 66.7 %로 세립분 함량별 차이가 1.3~1.6 % 수준으로 크게 감소하였다. 이는 일정 수준 이상의 근입깊이가 확보되면 세립분 함량에 따른 지반 자체의 변형 특성보다 시트파일이 구조물 주변 지반의 변형을 제한하는 구속효과가 침하 저감에 더 지배적으로 작용함을 의미한다. 특히 EDR=0.85 조건은 모든 세립분 함량 조건에서 가장 작은 침하량과 가장 큰 침하 저감률을 보여, 본 연구의 실험범위에서 가장 안정적인 침하 저감효과를 나타낸 유효 근입비로 평가된다. 다만 이를 모든 현장조건에 적용 가능한 절대적 최적 근입비로 해석해서는 안 된다.
4.2 과잉간극수압 응답과 침하량 상관 관계
Table 4에서 확인되는 바와 같이, 최대 과잉간극수압비와 구조물 침하량은 단순한 일대일 대응관계를 보이지 않았다. 예를 들어 FC=27 %, EDR=0.85 조건에서는 중간지층에서 최대 Ru가 1.420으로 높게 발생하였음에도 최종 침하량은 44 mm로 전체 조건 중 가장 작았다. Ru가 높다는 것은 해당 위치에서 유효응력 감소가 크게 발생하였음을 의미하지만, 구조물 침하는 과잉간극수압 발생 이후의 전단변형, 체적변형, 구조물 주변 지반의 횡방향 유동 및 시트파일 근입깊이에 따른 구속효과가 복합적으로 작용한 결과이다(Tokimatsu & Seed, 1987).
따라서 시트파일 보강효과를 평가할 때에는 과잉간극수압비만을 단독 지표로 판단하기보다는 구조물 침하량을 1차 지표로 하고 과잉간극수압비와 가속도 응답을 액상화 진행 및 지반 내부 거동 해석을 위한 보조 지표로 함께 검토하는 것이 타당하다. 본 연구의 결과는 시트파일이 “액상화 방지공법”이라기보다 “액상화 후 변형제어형 보강요소”로 작용함을 실험적으로 보여준다.
4.3 세립분과 시트파일 근입비에 따른 침하량 경험식
시트파일 근입비 증가에 따른 침하 저감효과는 선형적으로 나타나지 않았다. 근입깊이가 충분하지 않은 구간에서는 침하량 변화가 완만하고, 특정 전환 근입비 부근에서 침하량이 급격히 감소한 뒤 충분한 근입비 이후에는 하한 침하량에 점진적으로 접근하는 양상을 보였다. 이러한 거동은 시그모이드형 감소곡선의 특성과 부합하므로 본 연구에서는 세립분 함량과 근입비를 동시에 고려할 수 있는 통합 시그모이드 경험식을 Eq. (3)과 같이 적용하였다.
여기서, Smax는 구조물 최대 침하량(mm), Shigh는 비보강 조건에 가까운 상태에서의 상한 침하량, Slow는 충분한 근입비가 확보되었을 때 접근하는 하한 침하량, k는 침하량 감소 전환 구간의 기울기 계수, EDR0는 침하량 감소가 급격히 나타나는 전환 근입비이다. FC=0 %의 Kim et al.(2025) 자료와 본 연구의 FC=13 % 및 27 % 실험자료를 함께 이용하여 각 계수를 세립분 함량(FC, % 단위 수치)의 함수로 회귀하였으며, 전환 근입비는 EDR0=0.67의 상수로 적용하였다.
통합 경험식의 적합 결과, 전체 자료에 대한 결정계수는 R2=0.990, RMSE는 3.76 mm로 나타났다. 다만 이들 지표는 경험식의 계수 산정에 사용된 12개 자료(세립분 함량 3조건×근입비 4조건)에 대해 산정한 적합도 지표로서, 독립 자료에 대한 예측 성능을 검증한 결과는 아니다. 특히 자료 수가 제한적이고 계수 산정과 성능평가에 동일한 자료를 사용하였으므로 결정계수가 실제 예측 성능을 과대평가할 가능성이 있다. 이러한 한계를 고려하여 자유도를 보정한 수정 결정계수(adjusted R2)와 leave-one-out 교차검증에 의한 RMSE를 함께 산정한 결과 각각 0.978, 6.7 mm로 나타났다. 따라서 본 경험식은 0 ≤ FC ≤ 27 %, 0 ≤ EDR ≤ 0.85의 실험범위 내에서 관측된 침하량 감소 경향을 기술하는 예비적 적합식으로 해석되어야 하며, 추가적인 세립분 함량 조건, 반복실험 및 독립자료를 이용한 검증이 후속 연구로 필요하다. 한편 Fig. 8에서 FC=5 %, 10 %, 20 % 곡선은 직접적인 실험자료가 아니라 통합 경험식에 의한 보간 예측 결과이며, 실험자료에 근거한 곡선(FC=0 %, 13 %, 27 %)과 구분되도록 선 종류를 달리하여 표시하였다.
본 경험식은 지반의 구성모델 또는 이론적 지배방정식으로부터 유도된 설계식이 아니라 실험자료 기반의 경험적 적합식이다. 적용범위는 본 연구 및 비교 기준자료의 실험범위인 0 ≤ FC ≤ 27 %, 0 ≤ EDR ≤ 0.85로 한정되며, 비소성 실트질 세립분 조건에 국한된다. 따라서 일반 설계식으로 확대 적용하기보다는 세립분 함유 모래지반에서 시트파일 보강공법을 검토할 때 목표 침하량에 대한 요구 근입비를 예비적으로 산정하는 참고자료로 활용하는 것이 적절하다.
5. 결 론
본 연구에서는 비소성 실트질 세립분 함량과 시트파일 근입비가 액상화 지반의 거동 및 구조물 침하 저감효과에 미치는 영향을 평가하기 위하여 1-G 진동대 모형실험을 수행하였다. Kim et al.(2025)의 FC=0 % clean sand 결과를 비교 기준으로 하고, FC=13 %, 27 % 지반에서 EDR=0, 0.65, 0.75, 0.85 조건을 적용하여 구조물 침하량, 과잉간극수압비 및 가속도 응답을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 본 실험조건에서 세립분 함량 증가는 구조물 최종 침하량을 감소시키는 방향으로 작용하였다. 비보강 조건의 침하량은 FC=0 %, 13 %, 27 %에서 각각 162 mm, 145 mm, 132 mm로 나타났으며, 이는 비소성 실트질 세립분이 모래 입자 사이의 간극구조와 입자 접촉상태를 변화시켜 반복하중 중 지반의 변형 양상이 clean sand 조건과 달라졌기 때문으로 해석된다. 다만 이 결과는 본 연구의 제한된 상태변수 조건(액상화층 상대밀도 43.5~45.0 %, 비소성 실트질 세립분, 동일 입력하중)에서 확인된 것으로, 동일 상대밀도가 서로 다른 혼합토에서 동일한 모래 골격상태를 의미하지 않는 점을 고려할 때 모든 지반조건으로 일반화할 수는 없다.
(2) 시트파일 근입비 증가는 모든 세립분 함량 조건에서 구조물 침하량을 감소시켰다. FC=13 % 조건에서는 145 mm(비보강)에서 97, 65, 50 mm로, FC=27 % 조건에서는 132 mm에서 77, 58, 44 mm로 감소하였다. 일부 보강조건에서 최대 과잉간극수압비가 1.0을 초과하였음에도 침하량이 감소한 점을 고려하면, 시트파일은 액상화 발생 자체를 억제하기보다 액상화 이후 구조물 주변 지반의 측방변형과 전단변형을 제한하는 변형제어형 보강요소로 작용하였다.
(3) EDR=0.65 조건에서는 침하 저감률이 세립분 함량에 따라 21.0 %, 33.1 %, 41.7 %로 최대 20.7 %의 차이를 보여, 지반조건의 영향이 크게 남아 있는 보강 초기 단계로 평가되었다. 반면 EDR=0.75, 0.85 조건에서는 저감률이 각각 약 55~57 %, 65~67 % 수준으로 수렴하여, 일정 수준 이상의 근입깊이가 확보되면 세립분 함량에 따른 지반 거동 차이보다 시트파일의 변형구속효과가 지배적으로 작용함을 확인하였다.
(4) 세립분 함량이 높은 지반일수록 과잉간극수압의 소산이 지연되고 높은 잔류수압이 유지되는 경향을 보였으며, 특히 FC=27 % 조건의 시트파일 내부 중간지층에서는 최대 Ru가 1.7 이상까지 증가하였다. 이는 세립분이 간극의 연결성과 투수성을 변화시켜 수압 축적 및 소산 특성이 clean sand와 달라졌기 때문으로 판단되며, 시트파일 보강효과 평가 시 과잉간극수압비를 단독 지표로 사용하기보다 구조물 침하량을 중심으로 종합적으로 검토하는 것이 타당함을 보여준다.
(5) 실험 결과를 바탕으로 세립분 함량과 근입비를 동시에 고려한 통합 시그모이드형 최대 침하량 경험식을 제안하였으며, 적합 결과 R2=0.990, RMSE=3.76 mm로 나타났다. 본 경험식은 0 ≤ FC ≤ 27 %, 0 ≤ EDR ≤ 0.85의 실험범위와 비소성 실트질 세립분 조건에 한정되는 경험적 적합식으로, 세립분 함유 모래지반에서 시트파일 보강공법 검토 시 요구 근입비의 예비 산정자료로 활용할 수 있다. 향후 세분화된 세립분 함량, 시트파일 강성, 이격거리 및 구조물 하중 조건에 대한 추가 검토와 함께 반복실험을 통한 재현성 검증이 필요하다.
