액상화(Liquefaction) 4가지 발생조건과 지반 안정성 평가
지진이 발생한 후 건물이 한쪽으로 기울거나 도로가 내려앉고, 지표면에서 물과 모래가 함께 솟아오르는 현상이 나타날 수 있다. 이러한 피해를 설명하는 대표적인 지반공학적 현상이 액상화(Liquefaction)다.
액상화는 주로 포화된 사질토나 비소성 실트질 지반에서 지진과 같은 반복하중이 작용할 때 과잉간극수압이 증가하고, 흙 입자 사이의 유효응력이 크게 감소하면서 전단저항이 저하되는 현상이다.
액상화가 발생했다고 해서 흙 자체가 실제 액체로 변하는 것은 아니다. 흙은 여전히 흙 입자와 물로 구성되어 있지만, 입자 골격이 전달하던 응력이 감소하면서 지반이 큰 변형을 일으키거나 유동적인 거동을 보일 수 있다.
특히 하천 주변의 충적층, 해안 매립지, 느슨한 사질토층 등에서는 지진 시 액상화 가능성을 검토할 필요가 있다.
액상화 발생 가능성을 평가할 때 중요한 조건은 다음 네 가지다.
- 액상화에 취약한 흙의 종류와 입도특성
- 높은 포화도와 지하수 조건
- 느슨한 입자 배열과 낮은 관입저항
- 충분한 크기와 지속시간을 가진 지진 반복하중
이번 글에서는 액상화가 발생하는 원리와 네 가지 조건을 살펴보고, 표준관입시험(SPT)과 콘관입시험(CPT)을 활용한 평가방법, CSR·CRR 안전율 계산, 액상화에 따른 침하와 측방유동, 지반개량 방법까지 구체적으로 알아본다.
1. 액상화(Liquefaction)란 무엇인가?
액상화는 지진 등의 반복하중을 받는 포화지반에서 과잉간극수압이 증가하여 유효응력과 전단저항이 크게 감소하는 현상이다.
일반적으로 느슨한 모래나 비소성 실트질 지반에서 중요한 문제가 된다.
지진이 발생하면 흙 입자들은 반복적인 전단변형을 받는다. 이 과정에서 흙 입자 배열이 더 조밀해지려는 경향이 나타날 수 있다.
그러나 지진동이 작용하는 짧은 시간 동안 간극수가 충분히 배출되지 못하면 체적 감소가 억제되고 과잉간극수압이 증가한다.
과잉간극수압이 증가하면 유효응력이 감소하고, 그 결과 지반의 전단저항이 낮아질 수 있다.
이러한 현상은 기초의 지지력 저하와 지반침하, 측방유동 및 지하매설물의 변형 등으로 이어질 수 있다.
다만 액상화가 발생했다고 모든 구조물이 붕괴하거나 지반이 반드시 크게 이동하는 것은 아니다.
실제 피해는 액상화층의 두께와 위치, 지반의 경사, 상부 비액상화층의 특성 및 구조물의 기초형식 등에 따라 달라진다.
2. 액상화 발생 원리를 이해하는 유효응력 공식
액상화를 이해하기 위한 핵심은 유효응력이다.
포화토에서 유효응력은 다음과 같이 표현한다.
σ′ = σ − u
여기서
- σ′: 유효응력(kPa)
- σ: 전응력(kPa)
- u: 간극수압(kPa)
흙의 전단강도는 유효응력과 밀접하게 관련된다.
대표적인 모어-쿨롱 전단강도식은 다음과 같다.
τf = c′ + σ′n tanφ′
여기서
- τf: 전단강도(kPa)
- c′: 유효점착력(kPa)
- σ′n: 유효수직응력(kPa)
- φ′: 유효내부마찰각(°)
지진으로 인해 과잉간극수압이 증가하면 유효응력이 감소할 수 있다.
특히 유효응력이 매우 작아지면 마찰성 전단저항이 크게 감소하여 지반이 큰 변형을 일으킬 수 있다.
다만 이 식은 유효응력과 전단강도의 관계를 이해하기 위한 기본식이다. 지진 중 액상화와 반복연화, 대변형 거동 전체를 이 식 하나로 평가할 수는 없다.
3. 과잉간극수압은 왜 증가할까?
느슨한 포화모래에 반복적인 전단변형이 작용한다고 가정하자.
흙 입자들이 재배열되면서 체적이 감소하려는 경향이 나타날 수 있다.
배수가 충분히 가능한 조건이라면 간극수가 배출되면서 지반의 체적이 감소할 수 있다.
그러나 지진과 같이 짧은 시간에 반복하중이 작용하면 간극수가 충분히 빠져나가지 못할 수 있다.
이때 배수되지 못한 간극수에 압력이 발생하고, 이를 과잉간극수압이라고 한다.
과잉간극수압은 초기 정수압 상태의 간극수압과 구분된다.
일반적으로 다음과 같이 표현할 수 있다.
Δu = u − u0
여기서
- Δu: 과잉간극수압
- u: 현재 간극수압
- u0: 초기 간극수압
과잉간극수압이 증가할수록 유효응력이 감소할 수 있다.
4. 과잉간극수압비(ru) 계산 예제
액상화 거동을 설명할 때 과잉간극수압비를 사용할 수 있다.
대표적인 정의는 다음과 같다.
ru = Δu / σ′v0
여기서
- ru: 과잉간극수압비
- Δu: 과잉간극수압
- σ′v0: 초기 유효연직응력
다음과 같은 가상의 조건을 설정하자.
- 초기 유효연직응력: 100kPa
- 지진으로 발생한 과잉간극수압: 80kPa
계산하면
ru = 80 / 100
ru = 0.80
초기 유효연직응력이 100kPa인 상태에서 과잉간극수압이 80kPa 증가했다면, 전연직응력이 일정하다는 단순 가정하에 유효연직응력은 약 20kPa로 감소한다.
같은 가정에서 과잉간극수압이 100kPa까지 증가하면 ru는 1.0에 도달한다.
이러한 상태는 초기 유효연직응력에 해당하는 과잉간극수압이 발생한 상태를 나타낸다.
다만 ru가 1.0에 도달하는 현상과 실제 지반의 모든 방향에서 전단저항이 완전히 사라지는 현상을 동일하게 해석해서는 안 된다.
실제 액상화 거동은 초기 응력상태와 정적 전단응력, 흙의 밀도 및 반복변형 특성 등에 따라 달라진다.
5. 액상화가 발생하는 4가지 주요 조건
액상화 발생 가능성을 평가할 때는 다음 네 가지 조건을 종합적으로 검토한다.
| 구분 | 주요 조건 | 지반공학적 의미 |
|---|---|---|
| 첫 번째 | 액상화에 취약한 토질 | 사질토·비소성 실트 등 |
| 두 번째 | 높은 포화도 | 과잉간극수압 축적 가능성 |
| 세 번째 | 느슨한 지반상태 | 반복하중에 대한 낮은 저항 |
| 네 번째 | 충분한 지진 반복하중 | 반복전단응력 및 지속시간 |
이 네 가지는 액상화 가능성을 이해하기 위한 대표적인 조건이다.
그러나 네 가지 조건이 단순히 충족되었다고 액상화가 반드시 발생하는 것은 아니다.
실제 평가는 지진에 의한 반복전단응력과 지반의 반복저항을 비교하여 수행한다.
6. 첫 번째 조건: 액상화에 취약한 흙의 종류
액상화는 모든 흙에서 동일하게 발생하지 않는다.
일반적으로 느슨한 포화모래와 비소성 실트질 흙은 액상화 평가에서 중요하게 다루어진다.
대표적인 검토 대상은 다음과 같다.
- 느슨한 모래층
- 실트가 섞인 사질토
- 비소성 또는 낮은 소성을 가진 실트질 지반
- 젊은 충적퇴적층
- 적절히 다져지지 않은 수중매립층
반면 단단한 암반이나 매우 조밀한 지반은 일반적인 사질토 액상화에 대한 취약성이 상대적으로 낮을 수 있다.
다만 세립분이 많다는 이유만으로 액상화 가능성을 배제해서는 안 된다.
세립분의 소성특성과 지반의 응력 이력에 따라 반복연화 등 다른 형태의 지진 시 강도저하가 발생할 수 있기 때문이다.
7. 세립분 함유량이 많으면 액상화가 발생하지 않을까?
모래에 실트나 점토 성분이 섞여 있다고 해서 액상화 위험이 자동으로 사라지는 것은 아니다.
세립분 함유량은 액상화 저항 평가에 영향을 주지만, 세립분의 종류와 소성특성도 중요하다.
예를 들어 비소성 실트가 포함된 지반은 액상화에 취약할 수 있다.
반면 소성이 높은 점토질 지반은 일반적인 사질토 액상화와 다른 반복연화 거동을 보일 수 있다.
따라서 지반조사에서는 입도분포시험과 액성한계, 소성한계 등의 시험자료를 함께 검토하는 것이 중요하다.
단순히 흙의 이름이 점토 또는 실트라고 기록되어 있다는 이유만으로 지진 시 강도저하 가능성을 배제해서는 안 된다.
8. 두 번째 조건: 높은 포화도와 지하수위
액상화 발생 가능성은 지반의 포화조건과 밀접하게 관련된다.
포화된 지반에서는 흙 입자 사이의 간극이 물로 채워져 있다.
지진동에 의해 흙 입자 배열이 변화하려 할 때 간극수가 충분히 배출되지 못하면 과잉간극수압이 증가할 수 있다.
따라서 지하수위가 높은 지역에서는 액상화에 취약한 토층이 포화되어 있는지 확인해야 한다.
그러나 지하수위가 높다는 사실만으로 액상화 위험이 높다고 단정할 수는 없다.
지하수위 아래에 존재하는 지층이 단단한 암반인지, 조밀한 모래인지, 느슨한 모래인지에 따라 액상화 가능성이 달라지기 때문이다.
9. 지하수위가 높으면 무조건 위험할까?
그렇지 않다.
액상화 가능성을 평가하려면 지하수위와 토층의 위치를 함께 확인해야 한다.
예를 들어 지표면 아래 2m에 지하수위가 있고, 그 아래에 느슨한 모래층이 분포한다면 액상화 평가가 필요할 수 있다.
반면 같은 지하수위 조건이라도 아래 지층이 충분히 조밀한 모래나 암반이라면 액상화 가능성은 다르게 평가된다.
또한 지하수위는 계절과 강우, 인근 양수작업 등에 따라 변할 수 있다.
따라서 설계에서는 조사 당시의 수위뿐 아니라 적절한 설계 지하수위 조건을 고려해야 한다.
10. 세 번째 조건: 느슨한 지반과 낮은 상대밀도
느슨한 모래지반은 반복하중을 받으면 입자 배열이 더 조밀해지려는 경향이 나타날 수 있다.
이 과정에서 배수가 제한되면 과잉간극수압이 축적될 수 있다.
반대로 조밀한 모래는 반복전단 중 팽창성 거동이 나타날 수 있어 느슨한 모래와 다른 액상화 및 변형 특성을 보인다.
이러한 지반의 조밀한 정도를 평가하는 지표 중 하나가 상대밀도(Relative Density)다.
Dr = [(emax − e) / (emax − emin)] × 100
여기서
- Dr: 상대밀도(%)
- emax: 최대 간극비
- emin: 최소 간극비
- e: 현재 간극비
상대밀도는 모래의 조밀한 정도를 이해하는 데 유용하다.
그러나 상대밀도 하나만으로 액상화 발생 여부를 확정할 수는 없다.
현장에서는 표준관입시험이나 콘관입시험 등을 통해 지반의 관입저항을 확인하고, 적절한 보정을 거쳐 액상화 저항을 평가한다.
11. 네 번째 조건: 지진의 크기와 반복하중
액상화는 지진으로 발생하는 반복전단응력과 관련된다.
지진동이 강할수록 지반에 큰 반복하중이 작용할 수 있다.
또한 지진동의 지속시간과 반복횟수도 중요하다.
동일한 최대지반가속도 조건이라도 지진 규모와 지속시간이 다르면 지반에 누적되는 반복하중의 영향이 달라질 수 있다.
따라서 액상화 평가는 단순히 지진의 규모만으로 수행하지 않는다.
일반적으로 다음 요소를 검토한다.
- 설계지진의 최대지반가속도
- 지진 규모와 지속시간의 영향
- 지층별 전응력과 유효응력
- 지반의 반복전단저항
- 지반응답 특성
이러한 요소를 반영해 액상화 발생 가능성을 평가한다.
12. 액상화 가능성이 높은 지반은 어디일까?
액상화에 취약한 지반이 분포할 가능성이 있는 대표적인 환경은 다음과 같다.
| 지반 환경 | 주요 검토 이유 |
|---|---|
| 하천 주변 충적층 | 젊고 느슨한 사질토 가능성 |
| 해안 매립지 | 포화된 인공 매립층 가능성 |
| 하천 삼각주 | 느슨한 모래·실트 퇴적층 가능성 |
| 옛 하도 | 포화된 충적퇴적층 가능성 |
| 저지대 | 높은 지하수위 가능성 |
다만 지형이나 토지이용 이력만으로 액상화 위험을 확정할 수는 없다.
실제 위험성은 지층별 토질과 밀도, 지하수위 및 설계지진 조건에 따라 평가해야 한다.
13. 액상화 발생 가능성과 피해 가능성의 차이
액상화 평가에서 중요한 것은 액상화 발생 가능성과 지반변형 피해를 구분하는 것이다.
액상화 발생 가능성
설계지진이 작용할 때 특정 지층에서 과잉간극수압 증가와 강도저하가 발생할 가능성을 평가한다.
액상화에 따른 피해 가능성
액상화가 발생했을 때 지반침하, 측방유동, 기초지지력 저하 등이 구조물에 얼마나 영향을 줄지 평가한다.
예를 들어 지하 깊은 곳의 얇은 모래층에서 액상화가 발생하더라도 지표면 변형이 크지 않을 수 있다.
반대로 액상화층이 두껍고 지표면에 가까우며 지반에 경사가 있다면 큰 변형이 발생할 가능성이 있다.
따라서 액상화 안전율만 계산하고 구조물의 안전성을 판단하는 것은 충분하지 않다.
14. 액상화 지반 안정성 평가의 기본 절차
액상화 평가는 일반적으로 다음 순서로 진행한다.
- 지반조사 및 지층 분류
- 지하수위와 포화조건 확인
- 액상화에 취약한 토층 선정
- 설계지진 및 지반운동 조건 설정
- 반복전단응력비(CSR) 계산
- 반복저항비(CRR) 산정
- 액상화 안전율 계산
- 액상화 후 침하와 측방유동 검토
- 필요 시 지반개량 및 기초대책 수립
이 중 CSR과 CRR의 비교는 액상화 발생 가능성 평가의 핵심 단계다.
15. 표준관입시험(SPT)을 이용한 액상화 평가
표준관입시험은 현장에서 지반의 관입저항을 평가하는 대표적인 시험이다.
시험에서 얻는 N값은 지반의 조밀한 정도와 관련이 있지만, 액상화 평가에 원시 N값을 그대로 적용해서는 안 된다.
일반적으로 다음과 같은 보정이 필요할 수 있다.
- 해머 에너지 보정
- 시추공 직경 보정
- 로드 길이 보정
- 샘플러 조건 보정
- 상재압 보정
- 세립분 영향 보정
대표적인 보정 관입저항은 다음과 같이 표기한다.
(N1)60
세립분 영향을 고려한 청정모래 상당 보정값은 일반적으로 다음과 같이 표기한다.
(N1)60cs
보정방법과 적용범위는 선택한 액상화 평가절차에 따라 달라질 수 있다.
16. SPT N값이 낮으면 반드시 액상화가 발생할까?
그렇지 않다.
SPT N값이 낮으면 느슨한 지반일 가능성이 있지만, 액상화 발생 여부는 지반의 토질과 포화상태, 설계지진 조건 등을 함께 고려해야 한다.
예를 들어 N값이 낮더라도 액상화에 취약하지 않은 토질이라면 평가결과가 달라질 수 있다.
반대로 N값이 비교적 높더라도 설계지진의 반복하중이 크거나 다른 불리한 조건이 존재하면 액상화 가능성을 검토해야 할 수 있다.
따라서 액상화 평가는 특정 N값을 기준으로 단순히 안전 또는 위험을 구분하는 방식으로 수행해서는 안 된다.
17. 콘관입시험(CPT)을 이용한 액상화 평가
콘관입시험은 지반에 콘을 관입시키면서 관입저항을 연속적으로 측정하는 시험이다.
대표적인 측정값은 다음과 같다.
- 선단저항(qc)
- 주면마찰(fs)
- 간극수압(u), 간극수압 측정형 CPTu의 경우
CPT는 깊이에 따른 지층 변화를 비교적 연속적으로 파악할 수 있다는 장점이 있다.
액상화 평가에서는 측정된 선단저항을 적절히 정규화하고 세립분 특성을 고려하여 반복저항비를 산정할 수 있다.
다만 CPT 결과만으로 모든 토질특성을 확정하기는 어렵다.
따라서 필요에 따라 시료 채취와 실내시험을 병행하여 지층 분류와 세립분 특성을 확인하는 것이 중요하다.
18. SPT와 CPT 액상화 평가방법 비교
| 비교항목 | SPT | CPT |
|---|---|---|
| 주요 측정값 | N값 | 선단저항·주면마찰 등 |
| 깊이별 자료 | 시험 간격에 따라 확보 | 비교적 연속적 |
| 시료 확보 | 가능 | 일반 CPT만으로는 제한적 |
| 주요 보정 | 에너지·상재압 등 | 정규화·토질특성 등 |
| 주요 장점 | 시료시험과 병행 가능 | 지층 변화 파악에 유리 |
| 주의사항 | 장비 및 시험조건 영향 | 자갈층 등 관입 제약 |
두 방법은 상호 보완적으로 활용할 수 있다.
실제 액상화 평가에서는 조사목적과 지반조건에 따라 적절한 시험방법을 선정해야 한다.
19. 반복전단응력비(CSR)란?
CSR(Cyclic Stress Ratio)은 지진에 의해 지반에 작용하는 반복전단응력 수준을 나타내는 지표다.
대표적인 간편평가식은 다음과 같다.
CSR = 0.65 × (amax/g) × (σv0/σ′v0) × rd
여기서
- CSR: 반복전단응력비
- amax: 최대지반가속도
- g: 중력가속도
- σv0: 초기 전연직응력
- σ′v0: 초기 유효연직응력
- rd: 응력감소계수
이 식은 지진으로 발생하는 반복전단응력을 간편하게 평가하는 대표적인 관계식이다.
실제 설계에서는 지반응답과 평가절차에 따라 적용조건 및 보정방법을 확인해야 한다.
20. CSR 계산 예제
다음과 같은 가상의 지반조건을 설정하자.
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 최대지반가속도 amax/g | 0.20 |
| 초기 전연직응력 σv0 | 180kPa |
| 초기 유효연직응력 σ′v0 | 120kPa |
| 응력감소계수 rd | 0.90 |
CSR은 다음과 같다.
CSR = 0.65 × 0.20 × (180/120) × 0.90
CSR = 0.65 × 0.20 × 1.50 × 0.90
CSR = 0.1755
따라서 이 가상 조건에서 계산된 반복전단응력비는 약 0.176이다.
이 값은 지진에 의한 반복하중 수준을 나타낸다.
그러나 CSR만으로 액상화 발생 여부를 판단할 수는 없다.
지반의 반복저항비(CRR)와 비교해야 한다.
21. 반복저항비(CRR)란?
CRR(Cyclic Resistance Ratio)은 지반이 액상화 발생에 대해 저항할 수 있는 반복전단응력 수준을 나타내는 지표다.
일반적으로 SPT 또는 CPT 등의 현장시험 결과를 바탕으로 경험적 상관관계를 이용해 산정한다.
CRR은 지반의 관입저항뿐 아니라 다음 요소의 영향을 받을 수 있다.
- 지반의 조밀한 정도
- 세립분 특성
- 유효상재압
- 지진 규모와 반복횟수
- 초기 정적 전단응력
실제 평가에서는 기준 지진 규모에 대한 CRR을 산정한 뒤 필요한 보정계수를 적용하는 절차가 사용된다.
따라서 특정 N값이나 qc값만으로 CRR을 임의로 결정해서는 안 된다.
22. 액상화 안전율(FSliq) 계산방법
액상화 발생 가능성 평가에서 대표적으로 사용하는 안전율은 다음과 같다.
FSliq = CRR / CSR
여기서
- FSliq: 액상화 발생에 대한 안전율
- CRR: 평가 대상 지진조건에 맞게 보정된 반복저항비
- CSR: 지진에 의해 작용하는 반복전단응력비
개념적으로 FSliq가 1.0보다 작으면 반복하중이 지반의 저항보다 큰 것으로 평가된다.
반대로 1.0보다 크면 반복저항이 작용하중보다 큰 것으로 평가된다.
그러나 FSliq가 1.0보다 크다는 이유만으로 설계기준을 충족했다고 단정해서는 안 된다.
실제 설계에서는 적용 기준에서 요구하는 안전수준과 불확실성, 구조물의 중요도 등을 고려해야 한다.
또한 액상화 발생 안전율과 구조물의 변형 안정성은 별도로 검토해야 한다.
23. 액상화 안전율 계산 예제
앞에서 계산한 가상의 CSR을 활용하자.
- CSR = 0.1755
- CRR = 0.21
여기서 CRR 0.21은 평가 대상 지진조건에 맞게 모든 필요한 보정이 완료된 값이라고 가정한다.
안전율은 다음과 같다.
FSliq = 0.21 / 0.1755
FSliq ≈ 1.20
이 가상 예제에서는 반복저항비가 반복전단응력비보다 크다.
그러나 안전율 1.20이 실제 설계에서 충분한지는 적용 기준과 평가조건에 따라 판단해야 한다.
이번에는 같은 CSR에서 CRR이 0.14라고 가정하자.
FSliq = 0.14 / 0.1755
FSliq ≈ 0.80
이 경우 반복전단응력비가 지반의 반복저항비보다 큰 것으로 평가된다.
따라서 해당 가상 조건에서는 액상화 발생 가능성에 대한 추가 검토와 대책이 필요하다.
24. CSR과 CRR을 비교할 때 주의할 점
CSR과 CRR은 같은 기준조건으로 비교해야 한다.
특히 CRR이 기준 지진 규모에 대해 산정된 값이라면 실제 설계지진 규모에 맞는 보정이 필요할 수 있다.
대표적으로 다음 보정항목을 검토한다.
- 지진 규모 보정계수(MSF)
- 상재압 보정계수(Kσ)
- 초기 정적 전단응력 보정계수(Kα)
보정계수의 정의와 적용방식은 선택한 평가방법에 따라 달라질 수 있다.
따라서 서로 다른 평가방법에서 얻은 CSR과 CRR을 임의로 조합해서는 안 된다.
25. 액상화 안전율이 낮으면 어떤 피해가 발생할까?
액상화가 발생하면 다양한 지반변형이 나타날 수 있다.
대표적인 현상은 다음과 같다.
지반침하
과잉간극수압이 소산되는 과정에서 지반이 조밀해지며 침하할 수 있다.
부등침하
지층의 불균일성과 구조물 하중 차이로 인해 위치별 침하량이 달라질 수 있다.
측방유동
지반의 경사나 자유면 조건에서 액상화층 위의 지반이 수평방향으로 이동할 수 있다.
기초지지력 저하
기초 아래의 지반이 큰 강도저하를 겪으면 기초의 지지거동이 불안정해질 수 있다.
지하매설물 변형
지반변형과 부력, 주변 토사의 이동 등에 의해 지하관로와 맨홀 등이 영향을 받을 수 있다.
이러한 현상은 모두 액상화와 관련될 수 있지만 발생조건과 피해 규모는 서로 다르다.
26. 액상화 후 지반침하는 어떻게 발생할까?
지진 중 과잉간극수압이 증가한 포화 사질토는 지진 후 간극수압이 소산되는 과정에서 체적이 감소할 수 있다.
이러한 체적변화는 지표면 침하로 이어질 수 있다.
액상화 후 침하량은 일반적으로 다음 요소에 영향을 받는다.
- 액상화층의 두께
- 초기 지반의 조밀한 정도
- 지진으로 발생한 전단변형
- 지반의 체적변형 특성
- 지층의 불균일성
따라서 액상화 후 침하량을 평가하려면 액상화 발생 가능성뿐 아니라 체적변형률 등을 고려해야 한다.
27. 액상화 후 침하량 계산 예제
액상화 후 체적변형률을 이용한 단순 계산 원리를 살펴보자.
다음과 같은 가상 조건을 설정한다.
- 액상화 영향을 받은 토층 두께: 5m
- 평균 연직변형률: 2%
여기서 2%는 실제 시험이나 경험식으로 산정한 값이 아니라 계산을 설명하기 위해 임의로 가정한 값이다.
침하량은 다음과 같이 계산할 수 있다.
S = εv × H
여기서
- S: 침하량(m)
- εv: 연직변형률
- H: 토층 두께(m)
값을 대입하면
S = 0.02 × 5
S = 0.10m = 100mm
따라서 이 가상 조건에서 계산된 침하량은 100mm다.
실제 액상화 후 침하량을 예측할 때에는 적절한 경험식이나 실험자료를 통해 변형률을 산정해야 한다.
단순히 액상화 안전율이 낮다는 이유만으로 임의의 변형률을 적용해서는 안 된다.
28. 측방유동(Lateral Spreading)이란?
측방유동은 액상화에 의해 지반의 강도와 강성이 저하된 상태에서 지반이 수평방향으로 이동하는 현상이다.
특히 하천 제방이나 해안가, 완만한 경사지 및 자유면이 존재하는 지형에서 중요한 문제가 될 수 있다.
측방유동은 다음과 같은 구조물에 영향을 줄 수 있다.
- 교량 기초
- 말뚝기초
- 제방
- 옹벽
- 지하매설관
- 도로 및 철도 시설
측방유동이 발생하면 지반이 수평방향으로 이동하면서 구조물에 큰 변위를 유발할 수 있다.
특히 말뚝기초는 수평으로 이동하는 지반으로부터 추가적인 하중을 받을 수 있다.
따라서 액상화층이 존재하는 지반에서 말뚝기초를 설계할 때에는 수직지지력뿐 아니라 측방유동에 대한 검토가 중요하다.
29. 액상화와 말뚝기초의 관계
말뚝기초는 상부구조물의 하중을 깊은 지층으로 전달하는 기초형식이다.
그러나 말뚝을 설치했다고 해서 액상화 피해가 자동으로 방지되는 것은 아니다.
액상화가 발생하면 말뚝 주변 지반의 수평저항이 감소하거나 지반이 측방으로 이동할 수 있다.
이 경우 말뚝에 추가적인 휨모멘트와 전단력이 발생할 수 있다.
또한 액상화층의 위치와 두께, 상부 비액상화층의 특성에 따라 말뚝의 거동이 달라질 수 있다.
따라서 말뚝기초의 액상화 대책은 단순히 말뚝 길이를 늘리는 방식만으로 결정해서는 안 된다.
지반변형과 말뚝의 구조적 저항을 함께 평가해야 한다.
30. 액상화와 직접기초의 관계
직접기초는 구조물의 하중을 비교적 얕은 지반에 전달하는 기초형식이다.
기초 아래에 액상화에 취약한 토층이 존재한다면 지진 시 기초지지력과 침하거동이 영향을 받을 수 있다.
특히 액상화층이 기초 저면에 가깝거나 두꺼운 경우에는 기초의 침하와 기울어짐을 검토해야 한다.
그러나 직접기초라고 해서 반드시 액상화에 취약한 것은 아니다.
기초 아래의 지반이 충분히 개량되어 있거나 액상화층의 영향이 제한적이라면 평가결과가 달라질 수 있다.
따라서 기초형식 자체보다 지반조건과 구조물의 요구성능을 함께 고려해야 한다.
31. 액상화에 대한 지반개량 방법
액상화 위험을 줄이기 위한 대표적인 지반개량 방법은 다음과 같다.
| 공법 | 주요 원리 | 적용 시 검토사항 |
|---|---|---|
| 진동다짐 | 느슨한 사질토의 조밀화 | 입도분포, 진동 영향 |
| 동다짐 | 충격에 의한 지반 조밀화 | 개량깊이, 주변 구조물 |
| 쇄석다짐말뚝 | 조밀화·보강·배수 효과 | 시공성, 개량률 |
| 심층혼합처리 | 고화재로 지반 강도 증가 | 개량체 품질, 연속성 |
| 그라우팅 | 지반 간극의 충전·고결 | 주입 범위, 지반 투수성 |
| 배수공법 | 과잉간극수압 축적 완화 | 배수능력, 지진 지속시간 |
| 치환공법 | 취약한 토층을 적합한 재료로 교체 | 굴착깊이, 지하수 처리 |
모든 공법이 모든 지반에 적합한 것은 아니다.
실제 공법 선정에서는 토층의 두께와 입도특성, 지하수위, 주변 구조물 및 공사비 등을 함께 검토해야 한다.
32. 지반개량 후 액상화 저항은 어떻게 확인할까?
지반개량을 완료했다고 해서 액상화 위험이 충분히 감소했다고 단정해서는 안 된다.
개량 효과를 검증하는 과정이 필요하다.
대표적인 확인방법은 다음과 같다.
- 개량 전후 SPT N값 비교
- 개량 전후 CPT 관입저항 비교
- 필요 시 전단파속도(Vs) 조사
- 개량체의 강도 및 연속성 확인
- 설계기준에 따른 액상화 재평가
- 지반개량 시공기록과 품질관리자료 검토
특히 조밀화 공법을 적용한 경우에는 개량 전후의 관입저항 변화가 중요한 검증자료가 될 수 있다.
반면 고화처리 공법에서는 개량체의 강도와 연속성, 미개량 영역의 존재 여부 등을 검토해야 한다.
33. 액상화 위험을 줄이기 위한 설계 시 검토사항
액상화 대책을 수립할 때에는 단순히 액상화 안전율만 높이는 것을 목표로 해서는 안 된다.
구조물의 성능과 예상되는 지반변형을 함께 고려해야 한다.
대표적인 검토사항은 다음과 같다.
지층별 액상화 가능성
어느 깊이의 토층에서 액상화가 발생할 수 있는지 확인한다.
액상화층의 두께
액상화에 취약한 토층이 얼마나 두껍게 분포하는지 검토한다.
지표면 침하
지진 후 지반의 체적변화로 인한 침하량을 평가한다.
측방유동
지반 경사와 자유면 조건에 따른 수평변위 가능성을 검토한다.
기초의 내진성능
기초형식과 구조물의 중요도에 따라 적절한 성능을 확보한다.
지반개량 효과
개량공법이 예상되는 지반변형을 충분히 줄일 수 있는지 검토한다.
34. 국내 지반에서도 액상화 평가가 필요할까?
우리나라에서도 지진에 따른 액상화 가능성을 검토할 필요가 있다.
다만 국내의 모든 지역이 동일한 액상화 위험을 가진 것은 아니다.
지반의 형성과정과 지층구조, 지하수위 및 지진하중 조건에 따라 위험성이 달라진다.
특히 느슨한 충적 사질토와 포화된 매립층 등이 존재하는 지역에서는 적절한 평가가 필요할 수 있다.
국내에서도 액상화 평가방법과 설계기준의 개선에 관한 연구가 이루어져 왔다.
실제 설계에서는 해당 구조물에 적용되는 국내 내진설계기준과 지반조사 결과를 바탕으로 평가해야 한다.
35. 액상화 평가에서 자주 발생하는 오류
첫째, SPT N값을 보정 없이 사용하는 경우
액상화 평가에는 시험조건과 상재압 등의 보정이 필요할 수 있다.
둘째, 지하수위만으로 액상화 위험을 판단하는 경우
포화조건 외에도 토질과 지반밀도, 지진하중이 중요하다.
셋째, 세립분이 많으면 액상화가 발생하지 않는다고 판단하는 경우
세립분의 소성특성과 지반의 반복거동을 검토해야 한다.
넷째, CSR과 CRR을 서로 다른 기준조건에서 비교하는 경우
지진 규모와 상재압 등의 보정조건을 일관되게 적용해야 한다.
다섯째, 안전율이 1.0을 넘으면 무조건 안전하다고 판단하는 경우
적용 설계기준의 요구 안전수준과 지반변형 가능성을 함께 검토해야 한다.
여섯째, 액상화 발생 가능성만 평가하는 경우
침하와 측방유동 등 구조물에 영향을 미치는 변형도 평가해야 한다.
일곱째, 말뚝기초를 설치하면 액상화 문제가 사라진다고 판단하는 경우
말뚝 주변 지반의 강도저하와 측방유동에 따른 하중을 검토해야 한다.
36. 액상화 관련 자주 묻는 질문(FAQ)
Q1. 액상화는 어떤 지반에서 주로 발생하나요?
일반적으로 포화된 느슨한 사질토와 비소성 실트질 지반에서 중요하게 검토한다. 다만 실제 발생 가능성은 지진하중과 지반조건에 따라 달라진다.
Q2. 지하수위가 높으면 액상화가 반드시 발생하나요?
아니다. 지하수위가 높더라도 토질과 밀도, 지진하중 등에 따라 액상화 가능성은 달라진다.
Q3. 액상화 안전율은 어떻게 계산하나요?
일반적으로 지진에 의한 반복전단응력비(CSR)와 지반의 반복저항비(CRR)를 비교해 계산한다.
FSliq = CRR / CSR
Q4. 액상화 안전율이 1.0보다 크면 안전한가요?
반드시 그렇지는 않다. 실제 설계에서는 적용 기준의 요구 안전수준과 불확실성, 지반변형 가능성 등을 함께 고려해야 한다.
Q5. SPT N값이 높으면 액상화가 발생하지 않나요?
N값이 높으면 일반적으로 관입저항이 크지만, 보정된 N값과 지진하중 조건 등을 함께 평가해야 한다.
Q6. 액상화가 발생하면 건물이 반드시 무너지나요?
아니다. 피해는 액상화층의 위치와 두께, 기초형식 및 구조물의 내진성능 등에 따라 달라진다.
Q7. 말뚝기초는 액상화에 안전한가요?
말뚝기초도 액상화에 따른 지반 강도저하와 측방유동의 영향을 받을 수 있으므로 별도의 검토가 필요하다.
Q8. 액상화 후 침하는 왜 발생하나요?
지진으로 발생한 과잉간극수압이 소산되는 과정에서 지반이 조밀해지면서 체적이 감소할 수 있기 때문이다.
Q9. 지반개량을 하면 액상화 위험을 줄일 수 있나요?
가능하다. 다짐과 고화처리, 배수 및 보강 등의 방법을 적용할 수 있다. 다만 개량 효과를 시험과 해석으로 검증해야 한다.
Q10. 액상화는 지진이 끝나면 바로 사라지나요?
지진동이 멈춘 후에도 과잉간극수압의 소산과 지반침하 등이 계속될 수 있다. 따라서 지진 후 지반변형에 대한 검토도 중요하다.
37. 결론: 액상화는 발생조건과 지반변형을 함께 평가해야 한다
액상화(Liquefaction)는 포화된 지반에서 반복하중으로 과잉간극수압이 증가하고 유효응력이 감소하면서 전단저항이 저하되는 현상이다.
액상화 발생 가능성을 이해하기 위한 네 가지 주요 조건은 다음과 같다.
- 액상화에 취약한 토질: 느슨한 모래와 비소성 실트질 지반 등
- 높은 포화도: 과잉간극수압이 축적될 수 있는 지하수 조건
- 느슨한 지반상태: 반복하중에 대한 저항이 상대적으로 낮은 입자 배열
- 충분한 지진 반복하중: 지반의 저항을 초과할 수 있는 반복전단응력
실제 지반 안정성 평가는 이러한 조건을 확인하는 데서 끝나지 않는다.
SPT와 CPT 등의 현장시험 결과를 바탕으로 반복저항비(CRR)를 산정하고, 설계지진에 따른 반복전단응력비(CSR)와 비교하여 액상화 발생 가능성을 평가해야 한다.
또한 액상화가 발생했을 때 예상되는 지반침하와 측방유동, 기초지지력 저하 및 구조물 변형을 별도로 검토해야 한다.
필요한 경우 지반개량공법을 적용하고, 개량 전후의 시험결과를 비교하여 효과를 확인하는 과정도 중요하다.
액상화 평가의 핵심은 단순히 지반이 액상화될 수 있는지 판단하는 것이 아니라, 설계지진이 발생했을 때 지반과 구조물이 어느 정도 변형되고 요구 성능을 유지할 수 있는지 평가하는 것이다.
참고자료 및 출처
1. Federal Highway Administration(FHWA)
Ground Modification Methods Reference Manual, Volume I.
SPT·CPT 기반 액상화 평가와 지반개량을 통한 액상화 저항 향상에 관한 기술자료.
https://www.fhwa.dot.gov/engineering/geotech/pubs/nhi16027.pdf
2. California Department of Transportation(Caltrans)
Geotechnical Manual — Liquefaction Evaluation, January 2026.
CSR, CRR, SPT·CPT 보정 및 액상화 안전율 산정 절차에 관한 기술자료.
3. Washington State Department of Transportation(WSDOT)
Geotechnical Design Manual — Seismic Design.
액상화 안전율과 SPT·CPT 기반 액상화 평가에 관한 참고자료.
https://wsdot.wa.gov/publications/manuals/fulltext/M46-03/M46-03.01Revision.pdf
4. U.S. Geological Survey(USGS)
Liquefaction Susceptibility.
포화 사질토와 실트질 지반의 액상화 취약성 및 지형·지질 조건에 관한 자료.
https://earthquake.usgs.gov/education/geologicmaps/liquefaction.php
5. 한국지진공학회 논문
액상화 평가방법 및 국내 설계기준 개선에 관한 연구.
국내외 액상화 평가절차와 CSR·CRR 산정방법에 관한 연구자료.
https://www.eesk-j.or.kr/journal/article.php?code=75452
※ 본문에 제시된 CSR, CRR, 액상화 안전율 및 침하량 계산은 원리 설명을 위한 가상 예제다. 실제 설계에는 해당 구조물에 적용되는 내진설계기준과 현장 지반조사 결과를 반영해야 한다.
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