액상화(Liquefaction) 현상과 지진 시 지반 거동

액상화(Liquefaction)란?

 

액상화(Liquefaction)란 지진이나 강한 진동이 발생할 때, 포화된 사질토(Saturated Sandy Soil)가 일시적으로 액체처럼 거동하는 현상을 의미한다. 일반적으로 흙은 고체 상태로 존재하며, 입자 간의 마찰력이 작용하여 강도를 유지한다. 그러나 지진이 발생하면 흙 입자 사이의 간극수압(Pore Water Pressure)이 급격히 증가하여 입자 간 결합력이 사라지고, 흙이 물처럼 유동성을 가지게 된다.

이 현상은 지반이 느슨하게 형성된 모래층으로 이루어져 있고, 물을 많이 포함한 상태에서 특히 잘 발생한다. 강한 진동이 지속되면 토양 내부의 물이 입자 사이를 밀어내면서 전단강도(Shear Strength)가 급격히 감소하게 된다. 이러한 상태가 되면 건물, 도로, 교량 등의 구조물이 지반의 지지력을 상실하여 침하되거나 기울어질 위험이 커진다.

액상화가 발생하는 대표적인 사례로는 1964년 일본 니가타 지진, 1989년 미국 로마프리타 지진, 1995년 고베 대지진 등을 들 수 있다. 이들 지진에서 다수의 건물이 기울어지고 도로가 붕괴되는 피해가 발생했으며, 액상화가 원인으로 밝혀졌다.

 

 

액상화(Liquefaction)가 지반과 구조물에 미치는 영향

 

액상화(Liquefaction)가 발생하면 지반과 구조물에 심각한 영향을 미치며, 대표적인 피해 유형은 다음과 같다.

 

1) 지반 침하(Settlement)와 구조물 전도(Tilting)

- 액상화가 발생하면 지반이 하중을 지탱하는 능력을 잃고, 지반이 침하하면서 건물과 구조물이 기울거나 전도됨.

- 특히, 얕은 기초(Shallow Foundation) 형태의 구조물은 기울어질 위험이 크며, 심한 경우 붕괴할 수 있음.

 

2) 지반 균열 및 측방 이동(Lateral Spreading)

- 지반이 액상화되면 수평 방향으로 이동하는 현상이 발생할 수 있음.

- 도로, 교량, 지하 배관 등이 영향을 받아 균열이 발생하거나 단절될 가능성이 있음.

 

3) 지하 구조물의 부력 상승(Buoyant Uplift)

- 액상화로 인해 물과 혼합된 지반이 유체처럼 변하면서 지하 구조물이 떠오르는 현상이 발생할 수 있음.

- 예를 들어, 지하철 터널, 하수관, 저장탱크 등이 액상화 지역에서 상승하거나 변형될 수 있음.

 

4) 사면 붕괴 및 토압 증가

- 경사진 지역에서는 액상화가 발생하면 토사가 대량으로 이동하여 사면 붕괴(Landslide)를 유발할 수 있음.

- 흙막이벽(Retaining Wall)이나 교량 기초가 손상될 위험이 있음.

 

액상화(Liquefaction) 위험 평가 및 방지 대책

 

액상화(Liquefaction)의 위험을 줄이기 위해서는 지반 조사 및 사전 대책 마련이 필수적이다. 일반적으로 액상화 위험 평가 및 방지 방법은 다음과 같다.

 

1) 액상화 위험 평가

- 지반 조사(Geotechnical Investigation): 지하수위, 토질 분포, 밀도 등을 평가하여 액상화 가능성을 분석

- 표준 관입 시험(SPT, Standard Penetration Test): 토양의 강도를 측정하여 액상화 가능성 예측

- 콘 관입 시험(CPT, Cone Penetration Test): 원뿔 모양의 탐침을 이용해 토양의 저항력을 측정

 

2) 액상화 방지 공법

 

지반 개량(Soil Improvement):

모래층을 다짐 공법(Vibro Compaction)을 통해 조밀하게 만들어 액상화 발생 가능성을 줄임.

진동 다짐 공법(Vibro Stone Columns)을 사용하여 지반을 강화함.

 

배수 공법(Drainage Methods):

웰 포인트(Well Point) 시스템을 설치하여 지하수위를 낮추어 간극수압 상승을 방지함.

지하 배수관을 설치하여 액상화 시 물이 빠져나갈 수 있도록 함.

말뚝 기초(Pile Foundation) 적용:

건물의 기초를 단단한 암반층까지 도달하도록 파일을 설치하여 액상화 영향을 최소화함.

말뚝 기초는 특히 고층 건물과 중요 인프라에 필수적임.

 

3) 도시 설계 및 법적 규제

정부 및 지자체에서는 액상화 위험 지역을 사전에 조사하고, 건축 기준을 강화하여 피해를 예방해야 함.

일본, 미국, 뉴질랜드 등에서는 액상화 위험 지역을 지정하고, 내진 설계를 의무화하는 법적 규정을 시행하고 있음.

 

액상화(Liquefaction) 예방의 중요성

 

액상화(Liquefaction) 현상은 지진이 발생했을 때 지반이 액체처럼 변하면서 구조물의 안전성을 위협하는 심각한 문제이다. 특히 포화된 사질토 지반에서 발생할 가능성이 높으며, 건물 침하, 도로 붕괴, 지하 구조물 변형 등을 발생시킬 수 있으며 이로 인한 대규모의 인명 피해, 경제적 피해를 초래할 수 있다.

이러한 피해를 예방하기 위해서는 지반 조사 및 액상화 위험 평가를 통해 액상화에 대한 예방 대책의 필요 여부를 판단하는 과정이 선행되어야 하며, 다짐 공법, 배수 공법, 파일 기초 설치 등 다양한 방지 대책을 적용해야 한다. 또한, 정부 차원의 액상화 위험 지역 지정 및 내진 설계 강화가 필수적이다.

지반공학 및 내진 설계 기술이 계속하여 발전하고 액상화로 인한 피해를 최소화하는 방안이 지속적으로 연구된다면 미래에는 액상화로 인한 피해를 최소화할 수 있게 될 것이며, 이를 통해 더 안전한 도시 및 인프라를 구축할 수 있을 것이다.