액상화

[최현기]

액상화 

- 포화 사질토가 비배수 상태에서 급속한 재하를 받게 되면 과잉간극수압의 발생과 동시에 유효응력이 감소된다. 이로인해 전단저항이 대구모로 감소되어 액체처럼 유동하는 현상

유동액상화

- 토체(Soil Mass)내의 정적평형상태의 전단응력이 액상화 상태 흙의 전단강도보다 큰 경우에 발생하는 현상

- 이로 인한 대규모 변형은 실제로 정적전단응력에 의해서 일어난다.

- 지진이 계획되는 동안이나 끝난 후에 발생하고 느슨한 흙에서만 발생 (주로 경사지)

Cyclic mobility

- 포화 사질토가 일정한 함수비에 반복하중을 받아서 일어나는 진행성 연화현상(progressive softening)

- 정적전단응력이 액상화토 (liquefied soil)의 전단강도 보다 적은 상태에서 일어나며 변형은 정적전단응력과 진동전단응력 모두에 의해서 일어난다

- 느슨모래, 조밀모래 모두 발생가능

“지반공학 시리즈 8편, 진동 및 내진설계”

액상화 발생이 적은 지반조건

1. 지하수위가 낮은 지역 (포화 사질토에서 주로 발생)

2. 주상도상의 표준관입저항치가 20 이상인 지역 (조밀한 모래에서는 잘 발생하지 않음)

3. 대상지반 심도가 20m 이상인 지역

4. 소성지수(PI)가 10이상이고, 점토성분이 20%이상인 지역

5. 세립토 합유량이 35%이상인 지역

6. 입도 분포상 균등계수가 5보다 큰 지역

7. 상대밀도가 80% 이상인 지역

위 조건을 만족하지 못하는 지반에 대하여는 액상화 검토를 할 필요성이 있다.

위에서 언급한 급속한 재하는 주로 지진에 의한 하중 (급속하며, 반복적인 하중)을 의미한다.  (모든 경우가 아닌 대부분의 경우 지진하중에 의해 액상화가 발생한다.)

지진재하 하중 τcyc = 0.65 σ_v r_d a_max / g

여기서, τcyc = 균일 반복 전단응력의 크기

        σ_v = 연직응력

        r_d = 감소계수 (깊이에 따른 반복전단응력의 변화를 추정하기 위한 감소계수)

        a_max = 지표면에서의 최대가속도

        g = 중력가속도

액상화 저항을 알아보는 방법이 여러 가지가 있으나 여기에서는 원위치 시험중 하나인 표준관입시험의 데이터를 이용하는 방법에 대해서 알아보도록 하겠다.

액상화 저항 τcyc L = CSR_L σ'_v

여기서, τcyc L= 액상화 저항

        CSR_L = CSR_M=7.5 X 보정계수

        CSR_M=7.5 = (N_1)_60과의 상관관계 그래프에서 찾을 수 있다.

        (N_1)_60 = Nm Cn Em / (0.6 X Ef)

                    Nm = 측정된 관입 저항치

                    Cn = 상재하중 보정계수 (지반공학시리즈 그림11.24참조)

                    Em = 실제상의 해머 에너지

                    Ef = 이론적인 자유낙하 해머 에너지

최종 액상화는

FS = (τcyc L / τcyc ) < 1.0 ( or 1.5)

일 경우 발생한다.

--------------------------------------------------------------------------------------

위에서 언급한 액상화 검토는 개략적인 방법이며 정확한 예측을 위해서는 추가적인 해석이

필요하다.

보통 실무에서 위와 같은 간편법에 의해 FS 가 1.5 이상인 경우 액상화에 대하여 안전하다고

판단해도 무관하나 FS가 1.5 미만인 경우에는 액상화에 대한 상세 예측을 수행하고 있다.

상세예측은

1. 1차원 전응력해석에 의한 상세예측 (SHAKE91 프로그램 이용)

2. 1차원 유효응력해석에 의한 상세예측 (YUSAYUSA 프로그램 이용)

등을 이용한다.

일반적으로 전응력해석보다는 유효응력해석이 정확한 것으로 알려져 있다.