68. 액상화 판정지표

 액상화 안전율(factor of liquefaction : Fl) 은 원위치의 액상화 가능성을 판정하기 위한 지표로서 원위치의 흙요소가 가지는 동적전단강도비(R)와 흙요소에 작용하는 동적최대 전단응력비(L)의 비로서 다음 식 (1)로 정의 된다.

따라서 식 (1)은 액상화에 대한 강도와 응력비를 나타내며, 여기서 Fl < 1.0 으로 되는 토층은 액상화된다고 판정한다.

원위치의 동적전단강도비(R)는 원위치의 각 심도에서 샌드샘플러(sand sampler) 등으로 채취한 불교란시료(시료채취 후 동결시킨 것)를 동적전단시험을 하여 구할 수 있다.

그림 68-1은 지진시 표층지반의 동적거동을 모형으로 나타낸 것인데 여기서 (a) 는 원위치에서 채취한 불교란 사질시료의 진동삼축시험시의 응력상태, (b) 는 원위치 표층지반의 기반에 지진가속도(ab)가 작용할 때 임의의 흙요소 내의 응력상태를 나타낸 것이다.

그림 68-1(a)와 같이 진동삼축강도비(Rl)는 반복회수 20회, 축변형 양 진폭 5∼6% 로 될 때의 응력비로 정의되는 유효상재압(σ'v)과 같은 압밀압력(σ'c)으로서 등방압밀한 후 비배수조건으로 몇 개의 공시체를 반복하중(σdp)을 변화시켜 재하하여 구한 응력비(σdp/2σ'v)와 반복회수의 관계로부터 구할 수 있다.

여기서 축변형의 양 진폭을 5% 로 한 것은 이러한 상태에서는 일반적으로 과잉간극수압이 유효상재압과 같은 정도로 되기 때문이며, 이러한 점에서 Rl을 액상화강도비라 하는 경우도 있다.

또한 그림 68-1(a)의 실내시험결과로부터 그림 68-1(b)와 같은 원위치시험의 실제 강도를 추정하려면 원위치상태와 실내시험의 응력조건이 다른 것을 고려하여 실내시험에서 얻어진 강도비를 적절히 보정을 해야 한다.

진동삼축시험에 의하여 강도비를 구할 경우는 등방압밀상태에서 Ko 압밀상태로 보정, 일정 진폭에 의한 재하로부터 불규칙재하로의 보정 등을 고려한 보정계수는 전체로 보면 약 1 이 된다.

따라서 결과적으로는 실내시험에 의한 강도비(Rl)는 그대로 원위치에서의 강도비(R)로 간주할 수 있다. 한편 동적최대전단력비(L)는 지반의 지진응답해석에 의하여 구할 수 있다.

지반의 지진응답해석은 SH파의 중복 반사 이론을 토대로 하는 해석, 전단변형질점계의 진동해석, 유한요소볍 등의 해석방법이 있으며, 이로부터 각 심도마다 τdmax  를 구하고 이것을 유효상재압(σ'v)으로 나누어 L를 구한다.

이렇게 해서 각 심도마다 L, R을 추정하여 식 (1)로 Fl의 심도방향 분포를 구하면 해당 지점의 액상화 발생 가능성과 그 정도를 알 수 있다. 그러나 실제로 전술한 방법은 강도시험과 동적해석을 해야만 하므로 현장에서 조사시험에 의하여 구하기 쉬운 N 치, 단위중량(γt), 지하수위, 입도분포 등을 이용하여 간단히 R, L을 추정하는 실용적인 방법이 제안되고 있다.

대표적인 간이 추정방법으로서 일본의 도로교시방서 V 내진설계편에 채용되고 있는 예를 들면 식 (2), (3), (4)와 같다.

Fl 에 의하여 어느 심도 토층의 액상화에 대한 안정성을 평가할 수 있으나 액상화 된다고 판정된 층이 있어도 그 심도, 층 두께, 불투수층의 유무에 따라서 그 지잠의 액상화 정도와 기초구조물에 미치는 영향이 다르다.

이들의 영향을 종합적으로 평가하는 시도의 하나가 Pl(potential of liquefaction)인데 이것은 식 (6)과 같이 각 토층마다 구해진 Fl에 중함수(W(z)를 곱하고 심도방향으로 적분한 것이다.

실제로 Fl 은 심도방향으로 연속하여 구해지지 않으므로 식 (6)을 식 (8)과 같이 변형시켜 Pl을 구한다.

여기서 Δz는 각 심도에서 계산된 Fl 과 인접한 Fl 의 중간심도를 층경계로 하여 세분한 토층 두께이다. 또한 액상화 판정 대상이 아닌 토층은 F = 0 로 하며, 액상화 판정기준은 표 68-1과 같다.

표 68-1 액상화 판정기준