액상화평가방법연구 - (주)유신액상화평가방법연구 _117 in seismic design of soil...

액상화 평가 방법 연구

www�yooshin�co�kr_ 117

In seismic design of soil and foundation, estimation of soil liquefaction is very important item. Even

if performed-design of structural element is satisfied, surrounding soil of structure occurs excessive

displacement by soil liquefaction due to earthquake. Therefore, structure don't resist to external force,

it will be collapsed.

By Kobe(Japan) earthquake in 1995, our country established seismic design code. Based on this

code, Korea Society of Civil Engineers, Korea Geotechnical Society and Ministry of Marine Affairs

and Fisheries made their seismic design code to fit their structures.

However it has tendency to over-estimate the liquefaction evaluation in practical work area due to

the following reasons. 1) using the regional earthquake factor, 2) evaluation of liquefaction by simple

method calculating cyclic stress ratio(CSR) by seismic response analysis, 3) application of small

calibration constant(β) about seismic magnitude and under estimation of calibration constant(C) of

vibro-triaxial load test.

So, we suggest economical and rational estimation method of soil liquefaction by analysis of design

code and recent research result.

액상화평가방법연구

박기웅1) 장학성2) 최영석3)

1) 지반본부 과장·토질 및 기초기술사([email protected])3) 지반본부 전무·토질 및 기초기술사([email protected])

3) GS건설 기술본부 지반팀 과장·토질 및 기초기술사([email protected])

1. 서론

2. 액상화 평가방법

3. 결론

Study on Estimation of Soil Liquefaction

10-117-126p 액상화평가방법.ps 2010.12.15 9:59 PM 페이지117

▲⃝유신기술회보 _기술자료

118_제17호

1. 서론

구조물의내진설계와더불어구조물을지지하는

지반에대한액상화평가는내진설계시주요설계

항목이다. 구조부재에대해성능수준이만족하더라

도구조물주변지반이지진시과도한변형이발생

하여더이상구조물의외력에저항하지못할경우

구조물의기능손실또는붕괴라는큰피해를초래

할수있다.

1995년일본고베지진은지진활동성이매우낮

다고 알려진 지역에서 발생하여 우리나라 국민과

정부에큰충격을안겨주어지진에대한대비를국

가적 차원에서 본격적으로 시작하게 하는 계기가

되었다. 이에건설교통부에서는소관시설에대한

내진설계기준을보완하거나신규로제정하기위하

여 연구계획을 수립하고 1997년 내진설계기준연

구(Ⅱ)를제정하였다. 이연구결과를바탕으로항만

및어항시설의내진설계표준서(1999), 도로교설계

기준(2001), 구조물기초설계기준(2003) 등에지반

의액상화평가방법이수록되었으며, 이후국내·

외연구결과를바탕으로설계기준이개정되었다.

최근내진설계의중요성과턴키설계기술의개발

로액상화평가방법이비교적잘정립되어있지만,

설계기준에구체적인내용이언급되지않아설계자

의주관적요소가다분히개입되고설계기준의기

본내용의미숙지로인해지반의액상화를과대평

가하고있다.

따라서, 본연구에서는설계기준의개정에따른

액상화평가방법의변천사항과현재실무에서액

상화 평가시 간과하고 있는 부분을 살펴보고, 국

내·외설계기준및연구동향을분석하여경제적이

고합리적인액상화평가방법을제안하고자한다.

2. 액상화평가방법

액상화란지진시반복하중으로인해지반의간

극수압이순간적으로증가하여유효연직응력이없

어져서지반이액체처럼거동하는현상으로, 점착

력이없는사질토에서발생한다. 따라서, 지하수위

아래의느슨한사질토가액상화검토대상이되며,

다음의경우에는액상화평가를생략할수있다.

[표 1] 액상화 평가를 생략하는 경우

1) 지하수위 상부 지반

2) 주상도상의 표준관입저항치(N)가 20인 지반

3) 지반심도가 20m 이상인 지반

4) 소성지수가 10이상, 점토성분이 20% 이상인 지반

5) 세립토 함유량이 35% 이상인 경우

6) 상대밀도가 80% 이상인 지반

7) 대상 지반의 입도분포곡선으로부터 액상화가 발생

가능한 입도분포영역 외에 분포하는 경우

8) 지진구역 Ⅱ에서의 내진 2등급 구조물

구 분 입도분포곡선

균등계수

3.5미만

균등계수

3.5이상




하부구조 내진설계시 가장 널리 적용하고 있는

구조물기초설계기준 해설(2009), 도로교설계기준

해설(2008) 그리고항만및어항시설의내진설계

표준서(1999)에제시된액상화평가방법을비교하

였다.

액상화발생가능성은액상화를유발시키는진동

전단응력과전단저항응력의비로써정의되는안전

율로평가한다(식 (1)). 진동전단응력비와전단저항

응력비를산정함에있어서초기단계에서개략적으

로액상화를평가하고자할경우에는간단한문헌

자료와 시추조사를 근거로 간편예측을 실시하고,

이간편예측에의해액상화발생의우려가있다고

판단될경우에는정밀한지반조사를바탕으로신뢰

성있게상세예측을실시한다. 다음 [표 2]는액상

화평가방법에따른지반조사항목과진동전단응

력비및전단저항응력비산정법이다.

액상화안전율(Fs)=

≥1.0 또는1.5 식(1)

전단저항응력비(τℓ/συ′)

진동전단응력비(τd /συ′)

진동전단응력비(τd /συ′)=0.65· ·Υd· 식(3)συσυ′

amaxg

이렇게산정한설계지반면최대가속도에심도별

감소계수를 곱하고, 지반의 연직응력을 고려하여

최종적인진동전단응력비를다음식 (3)과같이산

정한다.

2.1 간편예측법

2.1.1 진동전단응력비

지진재해도또는이를바탕으로한행정구역표를

바탕으로 구역별 지진구역계수를 산정(표 3)하고,

구조물의내진성능목표에부합되는위험도계수(표

4)와 구조물 하부의 지반특성을 반영한 지반계수

(표 5)를 곱하여설계지반면최대가속도를결정한

다(식(2)). 단, 액상화평가는내진성능수준중붕괴

방지수준으로만실시한다.

설계지반면최대가속도(amax) = 지진구역계수(A)×위험도계수(I)×지반계수(S) ...................... 식(2)

[표 2] 간편예측법과 상세예측법의 비교

구 분 간편예측법 상세예측법

진동전단

응력비(τd /συ′)

지반조사

산정방법

-

지표면최대가속도, 깊이감소계수

탄성파시험, 공진주시험

지반응답해석 실시

전단저항

응력비(τℓ/συ′)

지반조사

산정방법

표준관입시험 (SPT)

N값과 저항응력비의 상관관계

진동반복삼축시험

시험 결과값 직접 사용

기준 안전율 1.5 1.0



120_제17호

여기서, amax : 설계지반면최대가속도(g)

Υd: 심도별감소계수

συ, συ′: 지반의연직방향전응력과유효응력(kPa)

[표 3] 지진구역계수

지진구역 행 정 구 역 지진구역계수(A, g)

Ⅰ 지진구역 Ⅱ를 제외한 남한 전지역 0.11

Ⅱ

•강원도 북부(홍천, 철원, 화천, 횡성, 평창, 인제, 춘천, 속초 등)

•전라남도 남서부(무안, 신안, 완도, 해남, 강진, 고흥, 목포 등)

•제주도

0.07

지진재해도는각장소에서의가속도의값을등고

선으로연결해놓은것으로, 이지진재해도를바탕

으로 설계 편의상 크게 두 구역으로 구분한 것이

[표3]에제시된행정구역별지진구역계수이다. 따

라서, 행정구역별지진구역계수는지진재해도에의

한지진구역계수보다보통더큰값을제시한다. 내

진설계기준연구(Ⅱ)에서는좀더정확한설계지반

운동수준을원할경우에는지진재해도를이용할수

있도록규정하고있다.

내진설계기준연구(Ⅱ)에서제시하고있는지진재

해도는역사지진의자료와계기지진을기초로확률

론적인방법을바탕으로작성된것이다. 역사지진

이란과거사람들이많이살았던도읍지나도시지

역의기록으로이지역들이대부분평야나하천이

지나는토사지반에해당되어지반증폭현상이반영

된기록으로판단할수있다. 즉, 지표면에서인간

의 감각으로 느껴진 운동을 국내 지진재해도에서

이를 다시 암반노두에 적용하고 있어 지진하중을

과대평가할수있는개연성이있다. 따라서, 경제

적인내진설계와액상화평가를위해서는행정구역

에의한지진구역계수보다는지진재해도에제시된

지진구역계수를사용하는것이합리적일것으로사

료된다.

[그림 1] 재현주기 500년에 해당되는 지진재해도




위의 [표 5]에 제시된지반분류는도로교설계기

준(2008)에제시된분류방법으로, 구조물기초설계

기준(2009)에서는 지반을 SA부터 SE까지 분류하

고있으며, 지진계수Ca에지반증폭에따른지반계

수가반영되어있다. 다만, 지진계수Ca의유효숫자

를소수점둘째자리로표현하는과정에서지반계수

가차이가나타난것으로보일수있으나, 근본적으

로 지반증폭에 대한 영향을 동일하게 적용했다고

판단할수있다.

Seed & Idriss(1971)에의한액상화간편예측

법은지표면최대가속도와깊이감소계수를이용하

여특정심도에서의지반최대가속도를사용하였으

나, 국내에서는2003년구조물기초설계기준해설

과2005년도로교설계기준해설이개정되면서간

편예측시에도진동전단응력비를지반응답해석을

통하여산정하도록규정하였다.(식4)

진동저항응력비(τd /συ′)

=0.65· · 식(4)

여기서, az:임의의심도에서의최대최대가속도(g)

위방법은당초Seed & Idriss(1971)가상세예

측에의해진동전단응력비를산정할때제시한것

이다. 이를 위해서는 지반응답해석을 실시하여야

하는데, 탄성파속도를측정을위해다운홀시험, S-

PS 검층등의현장시험과전단변형률에따른지반

의비선형곡선(G/Gmax~γ,D~γ)을얻기위해공

진주시험을수행해야하며, 과업지역에적합한지

진파의선택및생성이중요하다. 철저한지반조사

없이지반응답해석의입력정수를가정할경우부정

확한해석결과로인해액상화평가결과에신뢰성

을부여하기힘들다. 이러한사유로인해기본계획

및기본설계단계에서는액상화간편예측시지반응

답해석을통하여진동전단응력비를산정하기보다

는지표면최대가속도와감소계수를이용하여산정

하는방법이경제적이고합리적이라사료된다.

Seed & Idriss(1971)가당초제안한감소계수

는지반최대가속도를다소과대평가하였으나, 이

후여러학자의연구결과를바탕으로심도, 지진규

συσυ′

azg

구 분 1종 지반 2종 지반 3종 지반 4종 지반

평균 전단파속도 (m/s) 760 이상 360 ~ 760 180 ~ 360 180 이하

지반 계수 (S) 1.0 1.2 1.5 2.0

내진성능목표 2등급 1등급 특등급

지진 재현주기 (년) 500 1,000 2,400

위험도 계수 (I) 1.0 1.4 2.0

[표 4] 내진성능목표에 따른 위험도 계수

[표 5] 지반 특성에 따른 지반계수



122_제17호

모, 최대가속도, 평균 전단파속도등을고려할수

있는감소계수를Seed(2003)가다음식 (5)와같

이제안하였다. 이감소계수를사용할경우진동전

단응력비를과대평가하는경향을배제할수있다.

국내내진설계기준은지진규모6.5이고, 액상화

검토대상심도는20m 이하이므로Seed(2003)가

제시한감소계수곡선중다음[그림2]를적용한다.

2.1.2 전단저항응력비

전단저항응력비는SPT 결과의N값, CPT 시험

결과그리고전단파속도를이용하여산정할수있

다. 이중에서많은실내시험과현장시험을토대로

표준관입시험 결과인 N값을 이용한 방법이 주로

사용되고 있다. N값과 Cyclic Resistance

Ratio(CRR)의 상관관계에서 직접 전단저항응력

비를획득하고, 지진규모(국내설계기준M=6.5)에

대한보정을실시하여최종적인전단저항응력비를

산정한다.

전단저항응력비(τℓ/συ′)=β×CRR7.5 식(6)

여기서, β: 지진규모(M=6.5)에대한보정계수

[그림 2] 감소계수:Mw〈6.8, 0.12〈amax≤0.23g, Vs, 40ft〉525ft

-23.013-2.949amax+0.999Mw+0.016Vs,40ft

16.258+0.201·exp[0.104(-d+0.0785Vs,40ft+24.888)]

-23.013-2.949amax+0.999Mw+0.016Vs,40ft

16.258+0.201cdot·exp[0.104(0.0785Vs,40ft+24.888)]

-23.013-2.949amax+0.999Mw+0.016Vs,40ft

16.258+0.201·exp[0.104(-d+0.0785Vs,40ft+24.888)]

-23.013-2.949amax+0.999Mw+0.016Vs,40ft

16.258+0.201·exp[0.104(0.0785Vs,40ft+24.888)]ft

여기서, d<40ft : σεΥd= 0.0072·d0.850

d≥40ft : σεΥd= 0.0072·400.850

1+

1+

i) d<65ft,Υd = ±σεΥd 식(5)

1+

1+

ii) d<65ft,Υd = - 0.014(d-65)±σεΥd




CRR7.5 : 지진규모 7.5에 해당되는 전단저항

응력비로써, 유효응력과 해머효율을

보정한N값으로부터추정[그림 3]

(N1)60=N× ×

EΥ : 해머의에너지효율(%)

συ′: 지반의연직유효응력(kPa)

[그림 3]은 (N1)60과 CRR의상관관계로써, 지진

규모7.5에해당되는값이므로국내내진설계기준

인지진규모6.5로보정하기위해도입된보정계수

(β)는여러학자가제안하여1.19~1.69 범위에존재

하여 도로교설계기준(2008)과 구조물기초설계기

준(2003)에서 1.44를 추천하였다. 그러나, 구조물

기초설계기준이 2009년 개정되는 과정에서

NCEER(1996)과 NCEER/NSF(1998) 워크샵

참여자들의연구성과를반영하여β값을 1.60로변

경하였다.

또한, (N1)60과CRR의상관관계에서200번째통

과율이주요설계인자가되므로흙의기본물성시

험인입도분포시험을느슨한사질토가채취되는심

도에서가급적많이시험하는것이간편예측에의

한액상화평가결과의신뢰성을높일수있다.

2.1.3 안정성평가

액상화를 유발시키는 진동전단응력비와 전단저

항응력비의비율로써정의되는안전율이 1.5 이상

이면액상화에대해안전한것으로판단할수있지

만, 안전율이 1.5 미만일 경우별도의대책공법을

수립하거나상세예측으로액상화를재평가하도록

한다.

2.2 상세예측법

2.2.1 진동전단응력비

상세예측법에서는 지반의 최대가속도를 지반증

폭계수에의하지않고, 실제지진파를기반암상단

에작용시키고상부지반을모델링하여지반위로

전파되는지진파의특성을이용하여지반의최대가

속도를얻는지반응답해석을실시할것을규정하고

한다. 상세예측법에의한진동전단응력비는앞선

식(4)에서제시하였다.

지반응답해석은 보통 1차원 등가선형해석법을

이용한Proshake 프로그램을주로사용하고, 프

로그램입력정수와이를획득하기위한현장및실

내시험항목은다음[표6]과같다.

96συ′

EΥ60

[그림 3] (N1)60과 CRR의 상관관계



124_제17호

2.2.2 전단저항응력비

상세예측시의 전단저항응력비는 흐트러지지 않

는시료에대하여실내반복시험을수행하여작성된

반복재하회수에따른액상화전단저항응력변화곡

선으로부터 구한다. 반복재하회수에 따른 액상화

전단저항응력의 변화곡선은 실내반복시험시 최소

한세점이상을구하여작성한다. 국내내진설계의

기준이되는지진규모6.5에해당되는반복재하회

수는10회이다. 또한, 지진의방향성과현장응력상

태에따른보정계수를도입하여식(7)과같이최종

적인전단저항응력비(CRR)를산정하도록한다.

CRR=(C1·C2)·(CRR)TX 식(7)

여기서, C1 : 지진의 방향성에 대한 보정 계수

(=0.9)

C2 : 현장응력상태에대한보정계수

=

(CRR)TX : 진동반복삼축시험에서얻어진

전단저항응력비

실무에서는토압계수(Ko)값에 사질토의일반적인

값인0.5를적용하여보정계수(C1·C2)를0.6 정도로

과소평가하여지반액상화를과대평가하는경향이있

었다. 항만 및 어항시설의내진설계표준서(1999)에

의하면포화된사질토의내부마찰각을0°로 가정하

고, 정지토압계수를Jacky식(=1-sinØ)에적용하여

보정계수(C1·C2)를 0.9로 산정하였다. 또한, Seed

& Idriss와 Ishihara & Iwasaki방법에서는보정

계수에대해다음[표7]과같이제시하고있다.

)1+2Ko

3(

입력 정수 현장 및 실내시험 비 고

지층명, 두께 시추조사(주상도) 지하수위 표현

단위 중량 밀도 검층(RI-meter test) 일반적인 값으로 대체 가능

전단파속도 다운홀(업홀) 시험, S-PS 검층, SASW 가장 중요한 설계인자

지반의 비선형곡선 공진주시험 G/Gmax~γ, D~γ곡선

지진파 - 역사지진파와 인공지진파 사용

[표 6] 지반응답해석의 입력정수

[표 7] 진동반복삼축시험의 보정계수(C)

구 분 Seed & Idriss Ishihara & Iwasaki

산 정 법C=

Cγ= 0.57(Ko= 0.4) ~ 0.9 or 1.0(Ko= 1.0)

Cγ

0.65C = ×

Ishihara : Ck = 0.55(충격형), 0.70(진동형)

Iwasaki : Ck = 0.63

1+2Ko

3

0.9

Ck

산정결과 0.92 ~ 0.95 0.86 ~ 1.09 (Ishihara), 0.95 (Iwasaki)




2.2.3 안정성평가

간편예측법과 동일한 방법으로 진동전단응력비

와전단저항응력비의비율로써정의되는안전율로

액상화안정성을평가한다. 다만예측방법이더정

밀해짐에따라기준안전율을1.5에서1.0으로하향

조정하였다.

상세예측에의해서도액상화에대해불안할경우

국내에서는 액상화 대책공법인 양질의 토사로 치

환, 모래다짐말뚝(SCP) 조성, 봉다짐 공법(Vibro

floatation), 동다짐(Dynamic Compaction)등

을 적용하지만, 일본 도로교시방서에서는 액상화

안전율만큼 지반강성을 저감시키거나 액상화지수

(PL)을 도입하여액상화를재평가하도록규정하고

있다. 한국소방방재청의액상화평가설계기준에서

는Seed & Idriss 방법에의해액상화를평가하

지않고, 일본도로교시방서에제시된액상화평가

방법을 도입하고 있으며, 최종적으로 액상화지수

개념으로액상화를검토하도록규정하고있다.

3. 결론

최근개정된설계기준과국내·외연구결과를바

탕으로경제적이고합리적인액상화평가방법에대

해살펴보았다. 행정구역별지진구역계수의사용,

지진응답해석에 의한 진동전단응력비의 산정으로

간편예측실시, 지진규모에대한작은보정계수(β)

적용그리고진동삼축압축시험보정계수의과소적

용등으로그동안실무단계에서액상화현상을과

대평가하는경향이있었다. 본연구에서는설계기

준을심층분석하여다음과같은방법으로액상화

를평가할것을제안하고자한다.

첫째, 이미지반증폭결과를반영하고있는지진

구역계수에대해지진재해도를사용함으로써다소

작은지반가속도로내진설계및액상화를평가하도

록한다.

둘째, 간편예측에 의한 진동전단응력비 산정할

때, 기본계획및기본설계단계시에는지반조사의

부정확성을 고려하여 지반응답해석보다는 심도별

가속도감소계수(γd)를사용할것을추천한다. 단,

최근의연구결과가반영된감소계수를적용하여경

제적인액상화평가가되도록해야한다.

셋째, 상세예측에 의한 전단저항응력비 산정시

보정계수를과소평가하지않도록한다.

마지막으로상세예측에의한평가방법에서도액

상화가발생한다고판단했을경우에도즉시액상화

대책공법을적용하지말고, 지반반력계수나변형계

수를저감하여구조해석을재실시하거나액상화지

수를도입하여액상화를재평가하는방법을모색할

것으로추천한다.

- 본 논문은 토질 및 기초기술사회 논문집(2010.11)에 발표

된 내용입니다.



126_제17호

참고문헌

1) 내진설계표준연구(Ⅱ)(1996). 건설교통부

2) 도로교설계기준해설(2008). 대한토목학회·

교량설계핵심기술연구단

3) 구조물기초설계기준해설(2009). 한국지반공

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4) 지반구조물의내진설계, 지반공학시리즈8, 구

미서관

5) 도로교시방서·동해설(1996). 일본도로협회

6) 항만 및 어항시설의 내진표준서(1999). 해양

수산부

7) Recent Advances in soil liquefaction

engineering : A unified and consistent

framework,2003,R.B.Seed,26thAnnual

ASCE Los Angeles Geotechnical Spring

Seminar


액상화평가방법연구 - (주)유신액상화평가방법연구 _117 in seismic design of soil...

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