104. 퀵샌드와 액상화(quicksand and liquefaction)

[토기모부운영자]

   104. 퀵샌드와 액상화(quicksand and liquefaction)

		퀵샌드는 지하수위면이 얕은 사질토지반에서 널말뚝을 흙막이벽으로 하여 개착할 때 생기기 쉬운 현상으로 알려져 있다. 또, 모래지반의 액상화(Liquefaction)현상도 오래전부터 알려졌지만 액상화에 의한 지반의 피해는 일본의 新瀉지진(1964년) 때에 특히 많았다. 이 때문에 현재로서 모래지반의 액상화 가능성 유무는 내진설계상 중요한 문제가 된다. 퀵샌드 상태에 있는 모래와 액상화 상태에 있는 모래는 상태는 같지만 그 상태에 도달한 과정은 다르며, 일반적인 정의는 다음과 같다.

가. 퀵샌드
		간극중을 상승하는 물의 침투력에 의하여 모래가 입자간의 힘을 잃고 현탁액 같은 상태로 되는 것으로서 이같은 때 모래의 전단저항력은 전부 손실된다. 그림 104-1과 같이 모래속을 상승하는 침투수가 있을 때 a-a 단면에서 힘의 균형을 고려하면 모래의 중량과 간극수의 침투력이 같아질 때에 모래층은 퀵샌드 상태로 된다. 즉,                      (1) 의 관계가 성립되고 퀵샌드가 생길 때의 동수경사 Ic 는 식(2)로 된다.                                                             (2) 이같이 모래속의 임의의 깊이 L 에 의한 동수경사가 식 (2)로 표현되는 임계 동수경사로 되면 모래속의 간극수압 u 는 식 (3)으로 된다.                          (3) 한편, 깊이 L에서 모래속의 유효연직응력 σ'v 는 식(4)로 된다.                                                   (4) 따라서 식(3)을 식(4)에 대입하면, σ'v = 0 으로 되고 모래의 전단저항력 (τf)는 0로 된다. 이 상태는 다음에 기술한 완전액상화 상태를 나타내는 것이다.

나. 액상화
		지진 및 충격과 같은 동적외력의 작용에 의해 간극수압이 상승하고 흙이 전단저항력을 급격히 상실하는 것을 액상화라 하는데, 이 액상화는 점성토에서도 생기지만 주로 포화모래에 대하여 고려되고 있다. 포화모래의 전단저항력은 식(5)로 나타낼 수 있다. 지진 등에 의하여 생기는 반복전단력에 의해 모래속의 간극수압이 상승하면 유효연직응력(σ')은 감소하고 전단저항력도 저하된다. 특히, σ = u(σ'=0)로 되면, τf = 0으로 되고 모래의 전단저항력은 전부 상실한다. 이같은 상태를 완전액상화라 부른다. 이것에 대하여 τf = 0 은 아니지만 전단저항력이 급격히 저하하는 경우 그 상태를 초기액상화, 국부액상화라고 불러서 구별하고 있다. 액상화의 발생 메터니즘을 알기 위해서 ① 포화모래를 충진한 모래수조의 진동실험 ② 각종전단시험기로 포화공시체에 주기적인 전단력을 주는 시험을 하고 있으며, 대부분의 연구은 이 기준으로 하여 완전액상화하지 안혹 초기액상화를 취하고 있다. 지진시에 실제지반의 액상화 가능성을 판정하는 것은 어려운 것이지반, 현재까지이 방법이 제안되고 있다. 그러나 어느 것도 액상화 발생가능성은 지진시에 지반중에 생기는 전단력의 크기나 지반의 상태에 달려 있는 것이므로 일반적으로는 다음과 같은 요인의 영향을 받는다. ① 지진의 크기와 그 계속 시간 ② 모래층의 밀도(간극비, 상대밀도, N 치 등) ③ 모래의 입도분포 ④ 상재하중의 크기 ⑤ 지하수위면의 깊이 ⑥ 지반의 구성상태 실제 지반에서 어느 정도 이상 크기의 지진이 아니면 액상화가 발생하지 않는다는 사실이 많은 경험에서 밝혀지고 있으며, 실내전단시험에서도 어느 크기 이하의 전단응력 (τd 또는 σd/2)을 수없이 반복재하하여도 발생하지 않는다. 그림 104-2의 종축은 σc 또는 σ'v 로 나누어서 무차원화할 때 상재하중이 크던가 지하수위면이 저하하면 이 값이 크게 되기 때문에 액상화에 필요한 전단응력도 크게 된다. 더욱이 실내실험 결과에 의하연 모래의 상대밀도가 크면 액상화의 발생이 어렵고, 일본 新瀉지진의 피해조사에 의하면 N < 10 이하의 지반은 거의 액상화되어 깊이 10m에서는 N=20 정도의 지반까지 액상화 된다고 생각된다. 또 핵상화하기 쉬운 모래의 입경범위도 존재하는 범위가 확인되고 있다(그림 104-3 참조).