2017년 11월 15일 경상북도 포항시 흥해읍에서 5.4 규모의 지진으로 논, 공원 또는 도로 등지에서 액상화로 인해 모래와 물이 지표면으로 분출되는 현상이 국내에서 처음으로 발생하였다. 본 연구에서는 포항지역 논에서 분출한 모래를 채취한 다음, 이를 2 종류로 분류하여 이에 대한 반복직접단순전단시험을 실시하였다. 포항모래의 상대밀도에 따른 액상화 거동을 연구하기 위해 느슨하거나 조밀한 상태로 모래를 재성형한 다음 구속응력 100kPa 또는 200kPa를 가한 후 정현파의 반복전단응력을 가하였다. 또한 실제 포항지역에서 계측된 지진파를 실험기기에 입력하여 액상화 발생 여부를 연구하였다. 정현파를 사용한 전단시험 결과 느슨한 시료의 전단저항응력비는 0.12-0.14, 조밀한 시료는 0.17-0.21정도로 조밀한 모래의 액상화 저항력이 느슨한 상태보다 42-50% 정도 높게 나타났다. 모래 종류 및 구속응력보다는 모래의 상대밀도가 액상화 저항력에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 실지진파를 이용한 전단시험 결과는 구속응력에 관계없이 느슨한 모래의 경우는 2회, 조밀한 모래는 3회 정도의 반복입력 시 액상화가 발생하는 것으로 나타났다.
2017년 11월 15일 경상북도 포항시 흥해읍에서 5.4 규모의 지진으로 논, 공원 또는 도로 등지에서 액상화로 인해 모래와 물이 지표면으로 분출되는 현상이 국내에서 처음으로 발생하였다. 본 연구에서는 포항지역 논에서 분출한 모래를 채취한 다음, 이를 2 종류로 분류하여 이에 대한 반복직접단순전단시험을 실시하였다. 포항모래의 상대밀도에 따른 액상화 거동을 연구하기 위해 느슨하거나 조밀한 상태로 모래를 재성형한 다음 구속응력 100kPa 또는 200kPa를 가한 후 정현파의 반복전단응력을 가하였다. 또한 실제 포항지역에서 계측된 지진파를 실험기기에 입력하여 액상화 발생 여부를 연구하였다. 정현파를 사용한 전단시험 결과 느슨한 시료의 전단저항응력비는 0.12-0.14, 조밀한 시료는 0.17-0.21정도로 조밀한 모래의 액상화 저항력이 느슨한 상태보다 42-50% 정도 높게 나타났다. 모래 종류 및 구속응력보다는 모래의 상대밀도가 액상화 저항력에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 실지진파를 이용한 전단시험 결과는 구속응력에 관계없이 느슨한 모래의 경우는 2회, 조밀한 모래는 3회 정도의 반복입력 시 액상화가 발생하는 것으로 나타났다.
A magnitude 5.4 earthquake struck the city of Pohang, North Gyeongsang Province, South Korea on November 15, 2017. Many sand volcanoes were observed on paddy fields, parks and roads. This phenomenon was the first to be observed as a sign of soil liquefaction in South Korea. In this study, two differ...
A magnitude 5.4 earthquake struck the city of Pohang, North Gyeongsang Province, South Korea on November 15, 2017. Many sand volcanoes were observed on paddy fields, parks and roads. This phenomenon was the first to be observed as a sign of soil liquefaction in South Korea. In this study, two different kinds of ejected Pohang sands were collected from a liquefied paddy field. Those sands were reconstituted into loose and dense conditions and then a series of cyclic simple shear tests were conducted under confining stresses of 100 and 200 kPa. A real earthquake motion was also repetitively applied to the specimen. As a result of constant shear stress tests, the cyclic resistance ratio (CRR) of loose sand was 0.12-0.14, while the CRR value of dense sand was 0.17-0.21. It was shown that the relative density was more influencing factor on liquefaction resistance than the sand types and initial confining stress. When a real Pohang earthquake motion was repetitively applied to the specimen, a loose sand was liquefied at the second earthquake motion but the dense sand at the third earthquake motion.
A magnitude 5.4 earthquake struck the city of Pohang, North Gyeongsang Province, South Korea on November 15, 2017. Many sand volcanoes were observed on paddy fields, parks and roads. This phenomenon was the first to be observed as a sign of soil liquefaction in South Korea. In this study, two different kinds of ejected Pohang sands were collected from a liquefied paddy field. Those sands were reconstituted into loose and dense conditions and then a series of cyclic simple shear tests were conducted under confining stresses of 100 and 200 kPa. A real earthquake motion was also repetitively applied to the specimen. As a result of constant shear stress tests, the cyclic resistance ratio (CRR) of loose sand was 0.12-0.14, while the CRR value of dense sand was 0.17-0.21. It was shown that the relative density was more influencing factor on liquefaction resistance than the sand types and initial confining stress. When a real Pohang earthquake motion was repetitively applied to the specimen, a loose sand was liquefied at the second earthquake motion but the dense sand at the third earthquake motion.
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문제 정의
포항모래의 상대밀도에 따른 액상화 거동을 연구하기 위하여 느슨한 상태와 조밀한 상태로 재성형한 다음 각각 100kPa와 200kPa의 구속응력을 가한 다음 반복 전단시험을 실시하였다. 또한 정현파 뿐만 아닌 포항지역에서 실제 계측된 지진파를 실험기기에 입력하여 액상화 발생 여부를 연구하였다
본 연구에서는 경상북도 포항시 망천리에 위치한 논에서 분출한 모래를 채취한 다음 액상화 거동을 연구하기 위하여 느슨한 상태와 조밀한 상태로 성형한 다음 각각 100kPa와 200kPa의 구속응력을 가한 다음 정현파와 포항지역에서 실제 계측된 실지진파를 실험기기에 입력하여 반복직접단순전단시험을 실시하였다. 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
본 연구에서 사용된 반복직접단순전단시험기는 Geocomp 사에서 개발한 ShearTrac-II 시험장비로 일정하게 구속응력을 가하는 방식뿐 아니라 일정하게 공시체의 체적을 유지하는 시험도 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 건조모래를 반복적으로 사용할 수 있는 일정체적시험 조건으로 반복전단시험을 실시하였다. 본 실험장비는 구속응력을 기계적인 방식이 아닌 자동으로 제어하여 시료의 높이를 일정하게 유지함으로써 시료의 체적을 일정하게 유지시킬 수 있는 장비이다.
본 연구에서는 경상북도 포항시 망천리 지역 논에서 분출한 모래를 채취한 다음, 채취 위치에 따라 포항모래를 2 종류로 분류하고 반복직접단순전단시험을 실시하였다. 포항모래의 상대밀도에 따른 액상화 거동을 연구하기 위하여 느슨한 상태와 조밀한 상태로 재성형한 다음 각각 100kPa와 200kPa의 구속응력을 가한 다음 반복 전단시험을 실시하였다.
7(b)와 같으며, 높이는 25mm로 성형하였다. 본 연구에서는 현장지반에서 모래층이 위치하는 깊이와 N값 그리고 구속압에 따른 모래의 액상화 저항 특성을 분석하기 위해 구속응력을 각각 100kPa와 200kPa인 상태에서 느슨하거나(약 Dr=40%), 조밀한(약 Dr=90%) 상태로 초기시료를 성형하였다. 전단응력은 0.
본 연구에서는 경상북도 포항시 망천리 지역 논에서 분출한 모래를 채취한 다음, 채취 위치에 따라 포항모래를 2 종류로 분류하고 반복직접단순전단시험을 실시하였다. 포항모래의 상대밀도에 따른 액상화 거동을 연구하기 위하여 느슨한 상태와 조밀한 상태로 재성형한 다음 각각 100kPa와 200kPa의 구속응력을 가한 다음 반복 전단시험을 실시하였다. 또한 정현파 뿐만 아닌 포항지역에서 실제 계측된 지진파를 실험기기에 입력하여 액상화 발생 여부를 연구하였다
대상 데이터
본 연구에서는 경상북도 포항시 망천리에 위치한 논에서 액상화로 분출한 모래를 채취하여 이물질을 제거한 후 105±5℃ 건조로에서 건조시킨 다음 4번체를 통과하고 200번체에 잔류한 모래를 사용하였다. 채취한 모래는 Fig.
여러 지층 중지표면에서 10m 정도 아래 위치한 Sand 2층의 표준관입시험치인 N값이 4로 액상화 가능성이 있으므로 이 지층을 대상으로 실제 지진하중에 따른 액상화에 대한 저항력을 실험하였다. ProShake에 입력한 지층별 지반정수와 모델은 점토, 실트 그리고 모래의 경우 보편적인 Darendeli(2001) 모델을 사용하였으며, Table 2에 정리하였다.
데이터처리
268g로 국내에서 기록된 가장 높은 가속도이다. 강한 진동의 지속시간(duration of strong shaking)은 약 3.5초이며, 가속도-시간 이력곡선을 사용하여 ProShake 프로그램(EduPro, 2006)에 입력한 다음 현장 지층별로 발생하는 전단응력을 계산하였다.
이론/모형
여러 지층 중지표면에서 10m 정도 아래 위치한 Sand 2층의 표준관입시험치인 N값이 4로 액상화 가능성이 있으므로 이 지층을 대상으로 실제 지진하중에 따른 액상화에 대한 저항력을 실험하였다. ProShake에 입력한 지층별 지반정수와 모델은 점토, 실트 그리고 모래의 경우 보편적인 Darendeli(2001) 모델을 사용하였으며, Table 2에 정리하였다. Fig.
5mm의 멤브레인을사용하였다. 느슨한 시료의 경우 낙사법을 사용하였으며, 조밀한 시료의 경우에는 5층으로 나누어 저다짐방법(Ladd, 1978)을 사용하여 제작하였다. 초기 제작된 공시체 모습은 Fig.
본 연구에서 사용된 반복직접단순전단시험기는 Geocomp 사에서 개발한 ShearTrac-II 시험장비로 일정하게 구속응력을 가하는 방식뿐 아니라 일정하게 공시체의 체적을 유지하는 시험도 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 건조모래를 반복적으로 사용할 수 있는 일정체적시험 조건으로 반복전단시험을 실시하였다.
성능/효과
(1) 정현파의 전단응력을 입력한 경우 전단변형률과 과잉간극수압비에 기초한 액상화 발생시 반복전단횟수는 비교적 비슷하였으나, 조밀한 시료의 낮은 전단응력비의 경우에는 다소 차이가 발생하였다.
(2) 정현파의 전단응력을 입력한 경우 모래 및 구속응력에 관계없이 액상화저항응력비는 느슨한 모래의 경우 0.12-0.14, 조밀한 모래의 경우 0.17-0.21로 느슨한 상태보다 조밀한 상태에서 42-50% 정도 높은 것으로 나타냈다. 따라서, 모래 액상화 거동에서 구속응력보다 상대밀도가 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
(3) 포항지진 시 계측된 최대가속도를 기준으로 깊이 10m 정도 아래 지층을 대상으로 계산된 전단응력비는 0.135이며, 지층이 Dr=40% 이하로 느슨할 경우에는 액상화에 대한 저항응력비가 0.12 정도이므로 액상화가 발생하는 것으로 나타났다.
(5) 포항 지진파를 입력한 경우 모래의 종류에 관계없이 느슨한 시료의 경우에는 2회 입력 시, 조밀한 경우에는 3회 입력 시 액상화가 발생하는 것으로 나타났다. 한편, 구속응력 100-200kPa 범위 내에서는 유사한 결과를 보여 구속응력에 따른 액상화 거동의 차이는 미미하였다.
21로 느슨한 상태보다 조밀한 상태에서 42-50% 정도 높은 것으로 나타냈다. 따라서, 모래 액상화 거동에서 구속응력보다 상대밀도가 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
구속응력에 관계없이 모래 종류에 따른 차이는 거의 나타나지 않았다. 즉, 모래 종류에 관계없이 모래의 상대밀도가 증가함에 따라 액상화에 대한 저항력이 증가하는 경향을 보였다. 구속응력이 100kPa일 경우,반복전단횟수 15회에 해당하는 반복전단응력비는 느슨한 경우에 0.
17이다. 즉, 액상화에 대한 저항력은 느슨한 상태보다 조밀한 상태에서 약 42% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 구속응력이 200kPa일 경우에는 느슨한 상태보다 조밀한 상태에서 약 50% 정도 높게 나타났다.
깨끗한 모래에 반복전단응력을 가하는 경우 구속응력이 증가할수록 모래는 일반적으로 팽창보다는 압축 거동을 나타내므로 액상화 저항력이 감소하는 것으로 알려져 있다. 하지만, 본 연구에서 사용한 모래에 작용하는 구속응력의 범위가 100-200kPa인 경우에는 이러한 거동의 차이가 크지 않았으며, 압밀 이후 모래의 상대밀도 증가가 반복전단에 따른 과잉간극수압의 발생 즉 액상화에 더 중요한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
후속연구
한편, 구속응력 100-200kPa 범위 내에서는 유사한 결과를 보여 구속응력에 따른 액상화 거동의 차이는 미미하였다. 이렇게 정현파가 아닌 실지진파를 이용할 경우 지진의 주파수 특성을 고려할 수 있으므로 보다 정확한 액상화 평가가 가능할 것으로 판단된다.
과 거의 동일함)이 4 정도이므로 1회 포항지진 시에 액상화가 발생하였다고 판단된다. 최근 실험장비의 고도화로 인하여 실지진파를 사용할 경우, 지진의 주파수 특성을 고려한 보다 정확한 액상화 평가가 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
액상화는 어떤 현상인가?
일반적으로 포화된 모래 지반에서 순간적인 충격이나 진동 그리고 지진 시 빠른 간극수압 상승으로 유효응력이 감소하고 순간적으로 전단저항력을 상실하면서 모래가 액체와 같이 되는 현상을 액상화라 하며, 현장에서는 압력을 받은 간극수가 액체 상태로 된 모래와 같이 약한 지층을 뚫고 지표면 위로 분출하기도 한다. 지진 시 액상화로 인한 대표적인 피해 사례는 1964년 일본니이가타(Niigata)에서 발생한 아파트 기울어짐과 교량 상판의 붕괴 사례이다.
지진 연구 시 반복직접단순전단시험기를 사용하는 이유는 무엇인가?
한편 흙에 반복하중을 가하는 실내시험기기는 대부분 반복삼축시험기를 사용하고 있으며(Sitharam and Govindaraju, 2007; Jiang et al., 2010),일부 연구자는 지진에 의한 횡방향 전단변형을 잘 모사할 수 있는 반복직접단순전단시험기를 사용하였다(Kim,2009; Viana et al., 2015; Mandokhail et al.
지진 발생 시 액상화 현상으로 인한 대표적인 피햬 사례는 무엇인가?
일반적으로 포화된 모래 지반에서 순간적인 충격이나 진동 그리고 지진 시 빠른 간극수압 상승으로 유효응력이 감소하고 순간적으로 전단저항력을 상실하면서 모래가 액체와 같이 되는 현상을 액상화라 하며, 현장에서는 압력을 받은 간극수가 액체 상태로 된 모래와 같이 약한 지층을 뚫고 지표면 위로 분출하기도 한다. 지진 시 액상화로 인한 대표적인 피해 사례는 1964년 일본니이가타(Niigata)에서 발생한 아파트 기울어짐과 교량 상판의 붕괴 사례이다. 그 이후 1976년 중국 탕산 대지진 시에도 액상화로 인한 건물 붕괴로 약 24만명의 주민이 사망하기도 하였으며, 2011년 뉴질랜드 크라이스처치(Christchurch)에서 도시 전역에 걸쳐 광범위하게 액상화로 인한 지반 침하가 발생하기도 하였다. 이와 같이 세계 곳곳에서 액상화로 인해 지반의 전단저항력이 상실되면서 각종 구조물이 무너지거나, 이로 인한 인명 및 재산 피해가 자주 발생하고 있다.
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