[토목시공기술사 서브노트 19] 액상화(Liquefaction) – 영향인자·판정방법·원리별 방지대책

올어바웃 기술사 · 토목시공기술사 서브노트 No.19

액상화(Liquefaction) – 영향인자·판정방법·원리별 방지대책

■ 출제이력 (토목시공기술사)
· 133회 3교시 : 액상화(Liquefaction) 현상의 영향인자와 방지대책
· 92회 3교시 : 액상화 검토대상 토층과 발생 예측기법, 불안정 시 원리별 처리공법
· 123회 1교시 / 114회 1교시 : 액상화(Liquefaction)
· 90회 1교시 : 흙의 액상화(Liquefaction)
→ 10점형 단골 + 25점형 출제. 사질토 개량공법(15번)과 연계 암기

문제

액상화(Liquefaction) 현상의 발생 메커니즘과 영향인자, 판정방법 및 원리별 방지대책에 대하여 설명하시오. (25점)

답

Ⅰ. 개요

1) 액상화란 포화된 느슨한 사질토가 지진 등 반복 전단하중을 받아 과잉간극수압이 상승하고, 유효응력이 0에 가까워져 전단강도를 잃고 액체처럼 거동하는 현상이다.
2) 액상화가 발생하면 지반침하·측방유동·지지력 상실·지중구조물 부상 등 대규모 피해가 생기므로, 내진설계 단계에서 판정 후 원리별 대책을 세워야 한다.

Ⅱ. 발생 메커니즘

1) 전단강도 : τ = (σ − u)·tanφ = σ'·tanφ
2) 지진 반복전단 → 느슨한 모래 체적 감소 경향 → 배수 시간 부족(비배수) → 과잉간극수압(u) 누적
3) 간극수압비 ru = Δu / σ'v0 → 100% 도달 시 σ' ≈ 0 → τ ≈ 0 (완전 액상화)

Ⅲ. 액상화 영향인자

영향인자	액상화가 잘 일어나는 조건
입도	균등계수(Cu) 작은 세~중간 모래(0.075~2mm), 세립분·점토분 적음
상대밀도	상대밀도(Dr) 낮은 느슨한 지반, N값 작음
지하수위	지하수위가 얕아 포화된 지반 (매립지·하천변·해안)
지진	최대가속도 크고 지속시간 길수록(반복횟수 증가) 위험
심도(구속압)	얕은 심도(통상 지표하 20m 이내), 유효상재압 작을수록 위험

(입상지지심) → "입상(入賞)하려면 지지심(支持心)이 필요"
※ 기타 : 지반 연령(최근 퇴적·매립층일수록 위험), 과압밀비, 입자 형상

Ⅳ. 액상화 검토대상 토층

1) 지하수위 아래 포화 사질토로서 지표면에서 약 20m 이내인 토층
2) 세립분 함유율·평균입경(D50)·소성지수가 설계기준 범위에 해당하는 토층
3) 매립지, 하천 퇴적층 등 최근 형성된 느슨한 충적층
※ 세부 범위(세립분 함유율, D50, 소성지수 등)는 적용 내진설계기준에 따름

Ⅴ. 액상화 판정(예측)방법

단계	방법
1단계 : 예비평가	지하수위·심도·입도·N값 등 기본조건으로 검토 필요 여부 판단
2단계 : 간편예측	SPT N값·CPT·전단파속도(Vs) 기반 Seed-Idriss 간편법 FS = CRR(저항응력비) / CSR(반복전단응력비)
3단계 : 상세예측	진동삼축시험 등 실내시험 + 지반응답해석(유효응력 동적해석)

※ FS가 기준값(설계기준 제시값) 미만이면 액상화 발생 가능 → 대책 수립

Ⅵ. 액상화 발생 시 피해

· 지반 침하 및 부등침하 / 지지력 상실에 따른 구조물 전도
· 측방유동(Lateral Spreading) – 호안·안벽 이동
· 맨홀·지하매설관 부상(浮上), 분사(Sand Boil) 현상

Ⅶ. 원리별 방지대책

원리	대책 공법
다짐 (밀도증대)	진동다짐(Vibro-floatation), SCP, 동다짐, 폭파다짐
치환 (입도개량)	액상화층 굴착 후 입도 양호한 재료·쇄석으로 치환
고결	약액주입(LW·SGR), 심층혼합처리(DMM), 고압분사(JSP)
배수 (간극수압 소산)	Gravel Drain, 인공 배수재(PBD 등)로 과잉간극수압 신속 소산
지하수위 저하	Deep Well·Well Point로 불포화층 확대, 유효응력 증대
구조적 대책	말뚝기초로 지지층 지지, 널말뚝·지중연속벽으로 전단변형 구속, 매설관 부상방지

(다치고배지구) → "다치고 배(船) 타고 지구 한 바퀴"

Ⅷ. 공법 선정 및 시공 시 유의사항

1) 도심지·기존 구조물 인접 : 진동·소음 큰 동다짐·폭파 배제 → 약액주입·DMM·Gravel Drain 우선
2) 개량 후 SPT·CPT 사후조사로 N값·FS 개선 여부 확인
3) 약액주입 시 지하수 오염 방지, 주입압 관리
4) 기존 구조물 하부는 개량 범위를 구조물 외측까지 확장(측방 액상화 영향 차단)

Ⅸ. 결론

1) 액상화는 "느슨한 + 포화 + 사질토 + 지진" 조건이 겹칠 때 발생하므로, 설계단계에서 단계별 판정(예비평가 → 간편예측 → 상세예측)이 선행되어야 한다.
2) 대책은 밀도증대·고결·간극수압 소산을 현장 여건에 맞게 조합하며, 최근 국내 지진 사례 이후 액상화 위험지도 활용과 내진보강의 중요성이 커지고 있다.

"끝"

■ 두문자 한 번에 정리
· 영향인자 : (입상지지심) 입도·상대밀도·지하수위·지진·심도
· 방지대책 : (다치고배지구) 다짐·치환·고결·배수·지하수위저하·구조적 대책
· 핵심 공식 : τ = (σ − u)·tanφ / FS = CRR / CSR