토양 액상화는 지진이나 기타 진동으로 인해 포화된 사질토 또는 모래 지반이 갑자기 강성을 잃고 액체처럼 변하는 현상이다. 지하수위가 높고 지진 등의 진동이 가해지면 간극 수압이 증가하여 유효 응력이 감소하면서 발생한다. 액상화는 구조물의 지지력 상실, 측방 유동, 지반 균열, 매설된 구조물의 부상 등 광범위한 피해를 유발하며, 지반 개량, 구조물 내진 설계, 기타 대책을 통해 완화할 수 있다. 주요 발생 사례로는 2017년 포항 지진, 1906년 샌프란시스코 지진, 1989년 로마 프리에타 지진, 2011년 캔터베리 지진 등이 있다.
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토양액상화
개요
이름
액상화
영어 명칭
Soil liquefaction
일본어 명칭
液状化現象 (Eki-jōka genshō)
정의
정의
지반이 외부 충격에 의해 액체처럼 거동하는 현상
추가 설명
평소에는 고체 상태인 흙이 진동 등으로 인해 전단 강도를 잃고 액체처럼 되는 현상 모래, 실트 등 느슨한 입자 흙에서 주로 발생
발생 조건
포화된 흙
지하수위가 높고 흙 입자 사이가 물로 가득 찬 상태여야 함
느슨한 입자 구조
모래, 실트 등 입자 사이의 간격이 넓은 흙에서 발생하기 쉬움
진동
지진, 폭발 등으로 인한 진동이 액상화의 주요 원인
발생 메커니즘
간극수압 증가
진동에 의해 흙 입자 사이의 물(간극수) 압력이 증가
유효 응력 감소
간극수압 증가로 인해 흙 입자 간의 유효 응력이 감소
전단 강도 상실
유효 응력 감소로 인해 흙의 전단 강도가 급격히 저하되어 액체처럼 거동
피해
건물 침하 및 기울어짐
지반 지지력 상실로 인해 건물이 침하하거나 기울어짐
도로 및 구조물 파괴
도로, 교량, 제방 등의 구조물이 파괴될 수 있음
지반 붕괴
액상화된 흙이 옆으로 흐르면서 지반 붕괴 발생
매설물 손상
상하수도관, 가스관 등 매설물이 파손될 수 있음
액상화 발생 가능 지역
해안 지역
해안가 매립지, 하구 등 지하수위가 높은 지역
하천 주변
하천 부지, 범람원 등 느슨한 퇴적층이 존재하는 지역
매립지
인공적으로 조성된 매립지는 액상화에 취약함
액상화 방지 대책
지반 개량
다짐, 치환, 주입 등을 통해 지반을 강화
배수 시설 설치
지하수위를 낮추어 간극수압 증가를 억제
기초 보강
건물의 기초를 강화하여 침하 및 기울어짐 방지
내진 설계
액상화를 고려한 내진 설계를 통해 구조물의 안전성 확보
관련 연구 및 사례
관련 연구
액상화 예측 및 평가, 방지 대책 개발 등에 대한 연구 진행
발생 사례
1964년 일본 니가타 지진 1995년 일본 고베 지진 2010년 칠레 지진 2011년 뉴질랜드 크라이스트처치 지진 2018년 인도네시아 술라웨시 지진
참고 문헌
참고 문헌
인도네시아 지진 관련 Al Jazeera 기사 Building Seismic Safety Council, NEHRP recommended provisions for seismic regulations for new buildings and other structures (FEMA 450), 2004. CEN, EN1998-5:2004 Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance, part 5: Foundations, retaining structures and geotechnical aspects, 2004. International Code Council Inc. (ICC), International Building Code, 2006. Hazen, A., Hydraulic Fill Dams, Transactions of the American Society of Civil Engineers, 83, 1717–1745, 1920. 문부성 편, 학술용어집 지학편, 일본학술진흥회, 1984.
토양액상화는 특정 조건이 갖춰졌을 때 지반이 액체처럼 변하는 현상으로, 주로 다음 세 가지 조건이 충족될 때 발생한다.[72]
높은 지하수위:지하수가 지표면 가까이에 위치하여 흙 입자 사이의 공간이 물로 채워져 있는 상태여야 한다.
특정 토질: 입자 사이의 결합력이 약한 모래나 실트질 연약 지반으로 구성되어 있어야 한다. 특히 홀로세(지난 1만 년 이내)에 퇴적된, 입자 크기가 비교적 균일하고 느슨하게 쌓인 모래나 실트질 퇴적층이 수 미터 이상 두껍게 존재하며 물로 포화된 경우 액상화에 매우 취약하다.[9][10] 이러한 조건은 하천 바닥이나 강변, 해변, 사구, 매립지, 과거 하천이나 연못, 늪이었던 자리 등에서 쉽게 찾아볼 수 있다.[30] 모래와 실트질 퇴적층이 두꺼울수록, 그리고 지표면에서 지진이 발생하는 깊이가 깊을수록 지진파가 증폭되어 액상화가 발생하기 쉽다.
외부 충격 및 진동:지진의 진동이나 발파, 말뚝 박기 공사 등과 같은 강한 충격하중이 지반에 가해져야 한다.[72]
이러한 조건 하에서 지반에 강한 진동이 가해지면, 흙 입자 간의 마찰력이 약해지고 입자 사이의 물 압력(간극수압)이 급격히 증가한다. 반면 흙 입자가 서로 지지하는 힘(유효응력)은 거의 0에 가까워지면서 지반 전체가 전단 강도를 잃고 액체와 유사한 상태로 변하게 된다.
액상화 현상은 1964년니가타 지진과 알래스카 지진에서 큰 피해를 일으키면서 주목받기 시작했으며, 이후 토질역학 분야에서 중요한 연구 주제가 되었다.[31][32]도쿄 도심부와 같이 하구에 위치하며 매립지가 많은 지역은 대지진 발생 시 액상화로 인한 피해 위험이 크다. 이에 따라 액상화 위험 지역을 표시한 해저드 맵이 제작되고 있으며[33], 제방 보강, 수도관 및 가스관 내진 설계 적용 등의 대책이 시행되고 있다.[34]
지진 발생 시 액상화가 일어날 수 있는 최대 진앙 거리 R(km)와 지진 규모 M 사이에는 대략적인 관계식 log R = 0.77M - 3.6 이 성립하는 것으로 알려져 있다.[36][37]
2. 1. 발생 과정
모래 지반의 모래 입자가 진동으로 액상화하는 모습 (모식도)
토양 액상화는 특정 조건 하에서 지반이 액체처럼 거동하는 현상이다. 주로 지하수위가 지표면 가까이에 있고, 연약 지반인 모래나 실트질로 구성된 토양이 존재하며, 지진, 발파, 말뚝 타입과 같은 강한 충격하중에 의한 진동이 가해질 때 발생한다.[72]모래 입자 간의 마찰력으로 안정성을 유지하던 사질토 지반은, 연속적인 진동이 가해지면 입자 배열이 재배치되면서 체적이 감소하려 한다. 이때 포화된 토양 내 물이 빠져나가지 못하면 흙 입자 사이의 물 압력, 즉 간극수압(u)이 급격히 증가한다. 반면, 흙 입자가 직접 지탱하는 힘인 유효응력(σ')은 감소하여 거의 0에 가까워진다(). 결과적으로 지반은 건물 등의 하중을 지탱하는 전단 강도를 상실하고 물이 하중을 받는 상태()가 되어 액체와 유사한 성질을 띠게 된다.
액상화는 배수가 불량한 느슨하거나 중간 정도 밀도의 포화된 입상 토양에서 발생하기 쉽다. 여기에는 실트질 모래, 자갈, 또는 불투수성 퇴적물이 포함된 모래 등이 해당된다.[9][10] 특히 홀로세(지난 1만 년 이내)에 퇴적된, 입자 크기가 비교적 균일한 모래와 실트가 수 미터 이상 두께로 쌓여 물로 포화된 지층이 가장 취약하다. 이러한 지반은 하천 바닥, 해변, 사구, 바람에 의해 운반된 실트(황토) 퇴적 지역 등에서 흔히 발견된다. 표준 관입 시험에서 N값이 10 이하로 낮게 측정되는 느슨한 모래질 토층이 액상화 위험이 높은 대표적인 예이다.
액상화는 하중의 종류와 토양의 상태에 따라 다음과 같이 구분될 수 있다.
유동 액상화(Flow liquefactioneng): 단조 구조 하중(갑작스러운 하중 증가 등)이나 주기적 하중(파랑 하중, 지진 진동)에 의해 토양의 강도가 외부 응력(경사면 또는 구조물 기초 유지에 필요한 응력)보다 낮아질 때 발생한다. 유효 응력이 반드시 0이 되지 않아도 발생할 수 있으며, 갑작스럽고 파괴적인 '유동 파괴'로 이어질 수 있다. 역사적 예로는 애버판 참사가 있다. Casagrande[8]가 처음 이 용어를 사용했다.
주기적 액상화(Cyclic liquefactioneng): 지진과 같은 주기적 하중에 대한 반응으로 큰 전단 변형이 축적된 상태를 말한다. 일반적으로 유효 응력이 0에 가까워지는 상태로, 약 5%의 이중 진폭 전단 변형률 발생을 기준으로 삼는다. 이는 3축 전단 시험, 주기적 직접 단순 전단, 주기적 비틀림 전단 시험 등을 통해 평가한다.
주기적 이동성(Cyclic mobilityeng): 주기적 하중으로 인해 유효 응력이 점진적으로 감소하는 메커니즘이다.[11] 조밀한 토양에서도 발생할 수 있지만, 유효 응력이 0인 상태에 도달하면 토양이 즉시 팽창하며 강도를 회복하므로 전단 변형은 주기적 액상화 상태보다 훨씬 작다.
1907년 지진으로 토양 액상화가 발생하여 부분적으로 땅에 가라앉아 독특한 기울어진 모습을 갖게 된 자메이카 포트 로열의 기디 하우스.
액상화가 발생하면 지반은 급격히 지지력을 상실하며 여러 현상을 유발한다. 땅속의 물과 모래가 지표면으로 분출되는 분사(噴砂, sand boil) 현상이 나타날 수 있으며[35], 이는 도로 침하나 싱크홀 발생의 원인이 되기도 한다. 건물의 기초, 특히 마찰 말뚝 기초가 액상화된 지반 위에 있을 경우, 지지력을 잃어 건물이 기울어지는 부등 침하를 일으킬 수 있다. 무게 중심이 높거나 편심된 건물은 더욱 심하게 기울어져 전도되거나 붕괴될 위험이 있다. 1964년니가타 지진 당시 일부 아파트 건물이 천천히 넘어진 사례[29]는 액상화로 인한 건물 피해의 대표적인 예이다.
3. 액상화 예측 및 평가
구조물을 건축할 때에는 대상 지반에서 액상화 발생 가능성과 발생 시 변형 정도를 사전에 예측하고 평가하는 것이 중요하다.[38] 이러한 예측 기법은 1964년 니가타 지진 이후 토질역학 및 지반공학 분야에서 연구와 실용화가 진행되어, 현재는 비교적 간단하게 평가하는 간편법과 상세하게 분석하는 상세법으로 나뉜다.[38]
액상화 현상은 지반 내 고체 입자 골격과 공극 속 유체의 복잡한 상호작용과 관련이 깊다. 포화된 다공성 매질이 강한 지반 진동을 받으면 고체 골격에 상대적인 공극 유체 이동이 유발된다. 공극 유체의 과도한 이동은 공극수압의 재분포에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 이는 일반적으로 하중 속도, 토양 투수성, 압력 구배, 및 경계 조건에 의해 지배된다. 충분히 높은 침투 속도에서는 다공성 매질의 지배적인 흐름 법칙이 비선형적이며 Darcy의 법칙을 따르지 않는 것으로 알려져 있다. 이러한 복잡한 현상을 이해하고 모델링하기 위해 난류 흐름 법칙을 고려한 동적 유한 요소법 해석이나, Biot 공식을 확장하고 소성 이론을 적용한 시뮬레이션 등 다양한 연구가 이루어지고 있다.[18] 액상화 가능성을 평가하는 구체적인 방법과 기준은 하위 섹션에서 다룬다.
3. 1. 간편 예측법
구조물을 건축할 때에는 대상 지반에서 액상화가 일어날지(발생 예측), 일어났을 경우 어느 정도 변형될지(변형 예측)를 사전에 검토할 필요가 있다. 이러한 예측 기법은 1964년 니가타 지진 이후 토질역학 및 지반공학 분야에서 연구와 실용화가 진행되었으며, 현재는 각각 간편법과 상세법 형태로 정리되어 있다.[38]
간편 예측법은 간이 판정법[39] 등으로도 불리며, 액상화 가능성을 비교적 간단하게 평가하는 방법이다. 간편 예측법을 사용하여 액상화 가능성을 평가하기 위해서는 다음의 세 가지 매개변수가 주로 활용된다.
# 액상화에 대한 토양 저항의 척도: 표준 관입 시험(SPT),[13][14] 콘 관입 시험(CPT),[15] 또는 전단파 속도(Vs)[16]
# 지진 하중: 사이클릭 응력비(Cyclic Stress Ratio, CSR) [17]
# 액상화 저항 능력: 사이클릭 저항비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)
간편법은 몇 가지 구체적인 기법으로 구성되어 있으며, 설계 기준 및 지침에 따라 채택되는 기법이 다르다. 주요 기법은 다음과 같다.
미지형 구분에 기초한 기법[30]
지반의 입도 분포에 기초한 기법[40]
응력법(FL법)[41][42][43]
3. 1. 1. 응력법 (FL법)
응력법(FL법)은 지반의 특정 깊이에서 액상화 발생 여부를 판정하는 간편법 중 하나이다.[41][42][43] 이 방법은 액상화에 대한 저항률 을 계산하여 그 값이 1보다 작은지를 기준으로 판단한다. 액상화 저항률 은 지반이 가진 액상화에 대한 저항력(액상화 강도) 을 지진으로 인한 외력 로 나눈 값, 즉 로 계산된다.
액상화 강도 은 표준 관입 시험에서 얻어지는 N값, 지반의 입도 분포, 단위 체적 중량과 같은 현장 관측값을 바탕으로 계산된다. 만약 해당 지반의 관측값이 없다면, 도로교 시방서[41] 등에 제시된 표준값을 사용하기도 한다. 지진 외력 은 예상되는 수평 진도나 최대 지표면 가속도, 단위 체적 중량, 그리고 액상화 가능성을 평가하려는 지층의 깊이 등을 고려하여 계산하는 경우가 많다. 과 을 구하는 구체적인 계산식은 적용하는 설계 지침이나 기준에 따라 달라질 수 있다.
3. 2. 상세 예측법
상세 예측법은 수치 해석, 특히 유한 요소법 등을 사용하여 지반을 모델링하고, 지진 발생 시 외부 힘의 변화에 따른 지반의 변형을 시간 경과에 따라 상세하게 검토하는 방법이다. 구조물을 건설할 때 대상 지반에서 액상화 발생 가능성과 발생 시 변형 정도를 미리 예측하는 것은 매우 중요하다.[38] 이러한 예측 기법은 1964년 니가타 지진 이후 토질역학 및 지반공학 분야에서 활발히 연구되어 실용화되었으며, 현재는 간편법과 상세법으로 분류된다.[38]
상세 예측법에 사용되는 주요 해석 기법으로는 전응력 해석과 유효 응력 해석이 있다. 전응력 해석은 지반 내 간극수와 토질 골격의 상호 작용을 고려하지 않는 반면, 유효 응력 해석은 이를 고려하여 보다 실제적인 지반 거동을 모사하려는 방법이다.
3. 2. 1. 전응력 해석
전응력 해석은 지반 내 간극수와 토질 골격의 상호 작용을 고려하지 않고 지반을 모델링하는 방법이다. 전응력 해석은 크게 두 가지로 나뉘는데, 하나는 SHAKE[44]로 대표되는 중첩 반사 이론에 기초한 등가 선형 해석이다. 다른 하나는 Ramberg-Osgood 모델[45] 또는 쌍곡선 모델[46]을 사용하여 지반 강성의 변형률 의존성(지반이 변형되는 정도에 따라 단단함이 달라지는 특성)을 고려한 비선형 지진 응답 해석이다.
3. 2. 2. 유효 응력 해석
유효 응력 해석은 지반 내의 간극수와 흙 골격의 상호 작용을 고려하여 지반을 모델링하는 방법이다. 이 방식은 간극수와 흙 골격의 관계를 어떻게 표현하는지, 그리고 구성 법칙을 어떻게 정립했는지에 따라 다양한 세부 모델이 존재한다.[47]
유효 응력 해석에 사용되는 대표적인 프로그램 및 모델은 다음과 같다.
유효 응력 해석 대표 프로그램 및 모델
구분
프로그램/모델
국내
FLIP, LIQUA
국외
PM4Sand, SaniSAND, UBCSand
4. 액상화의 영향
지진이나 발파, 말뚝 타입과 같은 외부 충격이 가해지면, 땅 속 흙 입자 사이의 물 압력(공극수압)이 갑자기 높아진다. 이로 인해 흙 입자들이 서로를 지지하는 힘(유효응력)이 거의 0에 가까워지면서, 단단했던 땅이 일시적으로 액체처럼 변하게 된다. 이 상태에서는 지반이 건물이나 구조물의 무게를 견디지 못하고 물이 그 하중을 대신 받게 된다.
액상화 현상이 발생하면 다양한 피해가 나타날 수 있다. 땅속의 물과 모래가 지표면으로 솟아오르는 분출 현상(사구, 모래 분출)이 관찰되기도 하며, 이로 인해 땅이 꺼지는 침하나 싱크홀이 발생할 위험이 있다. 또한, 경사진 땅이나 강, 해안가에서는 지반이 옆으로 밀려나는 측방 유동(lateral spreading)이 발생하여 지표면에 큰 균열이 생기기도 한다.
2011년 크라이스트처치 지진 당시 액상화로 인해 땅 위로 분출된 모래. 이런 현상을 '사구' 또는 '모래 분출'이라고 한다.
미국 지질조사소(USGS)가 작성한 샌프란시스코 베이 지역의 액상화 취약성 지도. 붉은색으로 표시된 지역일수록 액상화 위험이 높다. 많은 위험 지역이 도시화되어 있어 피해 우려가 크다.
이러한 지반의 불안정은 지상의 구조물과 지하 시설물에 심각한 영향을 미친다. 건물은 지지력을 잃고 기울어지거나 내려앉을 수 있으며, 교량이나 제방, 댐과 같은 구조물도 안정성을 잃고 파손되거나 붕괴될 위험이 있다. 땅속에 묻힌 수도관, 가스관, 하수도관 등 주요 라이프라인 시설이 파손되거나, 맨홀이나 지하 탱크가 부력으로 인해 위로 떠오르기도 한다.[22] 액상화는 특히 도시 지역에서 지진 발생 시 큰 피해를 유발하는 주요 원인 중 하나로 꼽힌다.
액상화 현상은 주로 홀로세와 같이 비교적 최근에 형성된 젊은 퇴적층 중, 물로 포화된 느슨한 모래나 실트 지반에서 발생하기 쉽다.[9][10] 이러한 지반은 하천 주변, 해변, 사구, 매립지 등에서 흔히 발견된다.
한편, 토양 액상화에는 지진 피해를 줄이는 긍정적인 측면도 있다. 일단 지반이 액상화되면 액체처럼 거동하여 전단파(지진 진동을 전달하는 주요 파동)를 효과적으로 흡수하고 감쇠시킨다. 이로 인해 액상화가 발생한 이후의 지진동은 지표면의 건물로 잘 전달되지 않아 추가적인 흔들림 피해를 줄여주는 경향이 있다.
과거 지진으로 인해 땅속에 남겨진 액상화의 흔적을 연구하는 고지진학은 기록이 없는 선사 시대 지진의 규모나 발생 시기 등을 추정하는 데 중요한 정보를 제공한다.[21]
4. 1. 구조물 피해
지진, 발파, 말뚝 타입 등 외부 충격으로 지반 내 공극수압이 급격히 증가하면, 흙 입자 사이의 유효응력이 사라져 지반이 일시적으로 액체처럼 거동하며 상부 구조물의 하중을 지지하지 못하게 된다. 이 상태에서는 물이 하중의 대부분을 받게 된다.
일반적으로 토양 액상화가 발생하면 물과 모래가 지표면으로 분출되면서 빈 공간이 생겨 도로 침하나 싱크홀이 발생할 위험이 커진다.
토양 액상화는 구조물에 매우 파괴적인 영향을 미칠 수 있다. 액상화된 모래 위에 직접 기초를 둔 건물은 갑작스러운 지지력 상실로 인해 기초에 균열이 가거나 심각한 구조적 손상을 입을 수 있다. 구조적 손상이 없더라도 건물이 심하게 기울어지거나 불규칙하게 침하하여 사용할 수 없게 되기도 한다. 건물 기초와 액상화된 토양 사이에 액상화되지 않은 얇은 지표층이 있는 경우, '펀칭 전단' 형태의 기초 파괴가 발생할 수도 있다. 이러한 불규칙한 침하는 지하의 수도관, 가스관 등 유틸리티 라인을 파손시킬 수 있으며, 액상화된 토양이 지표층을 뚫고 올라와 건물 내부로 유입되어 침수 피해나 전기 설비 손상을 일으키기도 한다.
말뚝 기초 위에 건설된 교량이나 대형 건물도 주변 지반이 액상화되면 지지력을 잃고 좌굴되거나 기울어질 수 있다.
경사진 땅이나 강, 호수 주변의 지반은 액상화된 토양층 위에서 미끄러지는 '측방 확산'(lateral spreading) 현상이 발생할 수 있다.[22] 이로 인해 지표면에 거대한 균열이 생기고, 그 위에 건설된 건물, 교량, 도로뿐만 아니라 상수도, 가스관, 하수도, 전력선, 통신망과 같은 주요 기반 시설에 심각한 피해를 줄 수 있다. 또한, 땅속에 묻혀 있던 탱크나 맨홀이 부력에 의해 액상화된 토양 위로 떠오르기도 한다.[22] 홍수 방지를 위한 제방이나 흙댐과 같은 토제 구조물 역시 제방 본체나 기초 지반의 토양이 액상화되면 안정성을 잃고 붕괴될 수 있다.
4. 2. 지반 피해
지진이나 발파, 말뚝 타입과 같은 충격으로 토양액상화가 발생하면 지반이 약해져 다양한 피해가 발생한다. 물과 모래가 땅 위로 분출되면서 빈 공간이 생겨 도로 침하나 싱크홀이 발생할 수 있다. 또한, 땅속의 물과 액상화된 모래가 압력에 의해 지표면으로 밀려 올라와 "사구", "모래 분출", "모래 화산"이라 불리는 현상이 나타나기도 한다.[19][20] 논과 같이 표층이 점토질이고 하층이 모래질인 지반에서는 액상화된 모래가 점토층을 뚫고 물과 함께 솟아오르는 분사 현상(보일링)이 발생하기도 한다.[35]1964년니가타 지진 당시 니가타현 곳곳에서 이러한 분사 현상이 관측되었다.
액상화된 지반 위에 직접 기초를 둔 건물은 갑작스럽게 지지력을 잃어 기초에 균열이 생기거나 건물이 불규칙하게 내려앉는 피해를 볼 수 있다. 심한 경우 건물이 파손되지 않더라도 사용할 수 없게 된다. 건물 기초와 액상화된 토양 사이에 액상화되지 않은 지층이 얇게 존재하면 '펀칭 전단' 형태의 기초 파괴가 일어날 수도 있다. 불규칙한 침하는 지하에 매설된 수도관, 가스관 등 라이프라인을 파손시킬 수 있으며, 액상화된 흙이 위로 밀고 올라오는 압력으로 인해 약한 기초 슬래브가 갈라지고, 내부로 물이 유입되어 설비 피해를 일으키기도 한다. 파일 기초로 지어진 교량이나 대형 건물도 주변 지반이 약해지면서 좌굴되거나 기울어질 수 있다. 니가타 지진 당시 액상화로 넘어진 현영 주택의 생존자는 "집이 천천히 배가 가라앉는 것처럼 기울어져 다치지 않았다"고 증언하기도 했다.[29] 또한, 땅속에 묻힌 탱크나 맨홀 등은 부력 때문에 액상화된 흙 위로 떠오르기도 한다.[22] 홍수 제방이나 토사 댐과 같은 흙 구조물은 구성 재료나 기초 지반이 액상화될 경우 안정성을 잃고 붕괴될 위험이 있다.
경사지나 강, 호수 주변에서는 액상화로 인해 지반이 수평 방향으로 이동하는 측방 유동(lateral spreading|측방 유동영어) 현상이 발생할 수 있다.[22] 이는 지표면이 1~2% 정도의 완만한 경사를 이루거나, 호안 등이 지진으로 이동하면서 배후 지반이 따라 움직이는 경우에 나타난다. 측방 유동이 발생하면 땅이 옆으로 밀리면서 거대한 지반 균열이 생기고, 그 위에 있는 건물, 교량, 도로 및 각종 설비(상수도, 가스, 하수도, 전력, 통신 등)에 심각한 피해를 줄 수 있다. 특히 말뚝 기초와 같은 지중 구조물은 측방 유동으로 인해 수평 방향으로 강한 전단력과 굽힘력을 받게 되어 파괴될 수 있으며, 이는 상부 구조물의 지지력 상실이나 전도로 이어질 수 있다.
4. 3. 지하 매설물 피해
토양 액상화는 지표면 아래에 묻힌 여러 시설물에 심각한 피해를 줄 수 있다. 지반이 액상화되면 땅이 불규칙하게 내려앉거나(침하), 옆으로 밀려나는 측방 확산 현상이 발생할 수 있다.[22] 이러한 지반 변형은 지하에 매설된 상수도, 하수도, 가스관, 전력선, 통신선과 같은 주요 기반 시설(라이프라인)을 파손시킬 수 있다.[22][34] 특히 측방 확산은 넓은 지역에 걸쳐 지반 균열을 일으키며 지하 매설물에 큰 손상을 입힌다.[22]
또한, 액상화된 토양은 마치 액체처럼 거동하기 때문에 땅속에 묻혀 있던 맨홀이나 지하 저장 탱크 등이 부력에 의해 위로 떠오르는 현상이 발생하기도 한다.[22] 이는 하수 시스템 마비나 저장 물질 유출과 같은 추가적인 피해로 이어질 수 있다.
이러한 피해를 막기 위해 수도관은 충격에 강한 내진관으로 교체하고, 가스관은 유연성이 좋은 폴리에틸렌 관으로 바꾸는 등의 대책이 시행되고 있다.[34] 하지만 하수도관의 경우 내진 성능을 확보하기 어렵고 파손 시 복구가 늦어져 생활에 불편이 장기간 지속될 수 있다.[34]
5. 액상화 대책
토양액상화는 지진 발생 시 지반이 액체처럼 변해 구조물 붕괴 등 심각한 피해를 유발할 수 있는 현상이다. 특히 사구 지대나 삼각주, 매립지, 과거 하천이나 연못, 논이었던 지역 등 느슨한 모래 지반에서 발생하기 쉬우며,[30]도시화가 진행된 지역에 이러한 지대가 많아 피해 확대가 우려된다.
액상화 피해를 예방하고 줄이기 위해 다양한 대책이 연구되고 시행되고 있다. 구조물을 짓기 전에는 해당 지반의 액상화 발생 가능성과 예상 변형 정도를 미리 평가하는 예측 기법이 활용된다. 이러한 예측 기법은 1964년 니가타 지진과 알래스카 지진에서 액상화 피해가 크게 발생한 이후 토질역학 및 지반공학 분야에서 활발히 연구되어 발전해왔다.[32][38]
액상화 위험이 있는 지반에는 진동 다짐, 동적 다짐, 진동 석재 기둥 설치 등 다양한 지반 개량 공법을 적용하여 토양 밀도를 높여 액상화를 방지한다.[24][25] 이미 지어진 건물의 경우, 지반에 그라우트를 주입하거나 유도 부분 포화(IPS) 기술을 이용해 지반을 안정시키기도 한다.
일본과 같이 지진이 잦은 국가에서는 액상화 대책 마련에 적극적이다. 도쿄와 같이 하구에 위치하고 매립지가 많은 대도시는 액상화 위험이 높아, 발생 위험 지역을 표시한 해저드 맵을 제작하여 활용하고 있다.[33] 또한, 제방을 보강하고 라이프라인의 내진화를 추진하고 있다. 수도관은 내진관으로 교체하고, 가스관은 충격에 강한 폴리에틸렌 관으로 바꾸는 작업이 진행 중이다.[34] 하지만 하수도관은 구조적으로 내진화가 어렵고 지진 발생 시 복구가 늦어져, 2011년 동일본 대지진 당시 일부 지역에서는 장기간 거주가 불가능한 상태가 되기도 했다.
5. 1. 지반 개량
지진 공학 분야의 지진 공학자들은 액상화 피해를 줄이기 위한 여러 지반 개량 방법을 개발했다. 대표적인 방법으로는 진동 다짐(심층 진동기를 이용한 토양 다짐), 동적 다짐, 진동 석재 기둥 설치 등 다양한 토양 다짐 기술이 있다.[24] 이러한 공법들은 토양의 밀도를 높여서 건물이 세워진 땅에서 액상화가 발생하는 것을 방지하는 효과가 있다.[25]
이미 지어진 건물이 액상화에 취약한 지반 위에 있을 경우, 해당 토양층에 그라우트(grout, 고결재)를 주입하여 지반을 안정시키는 방법으로 보강할 수 있다. 또한, IPS(Induced Partial Saturation, 유도 부분 포화)라는 방법도 사용되는데, 이는 토양의 포화도를 인위적으로 낮추어 액상화 가능성을 줄이는 기술로, 점차 적용 범위가 확대되고 있다.
새로운 구조물을 건축하기 전에는 대상 지반의 액상화 발생 가능성(발생 예측)과 발생 시 예상되는 지반 변형 정도(변형 예측)를 미리 평가하는 것이 중요하다. 액상화 예측 기법은 1964년 니가타 지진 이후 토질역학 및 지반공학 분야에서 집중적으로 연구되어 실용화되었으며, 현재는 간편법과 상세법 형태로 체계화되어 현장에서 활용되고 있다.[38]
5. 2. 구조물 내진 설계
구조물을 건축할 때에는 대상 지반에서 액상화가 일어날 가능성(발생 예측)과 액상화 발생 시 예상되는 변형 정도(변형 예측)를 사전에 검토하는 것이 중요하다. 이러한 액상화 예측 기법은 1964년 니가타 지진 이후 토질역학 및 지반공학 분야에서 연구와 실용화가 진행되었으며, 현재는 간편법과 상세법 형태로 정리되어 활용되고 있다.[38]
액상화 발생 가능성이 있는 지반에 구조물을 건설해야 할 경우, 지진 공학 분야에서는 다양한 지반 개량 방법을 통해 액상화 위험을 완화한다. 대표적인 방법으로는 진동 다짐(심층 진동기를 이용한 토양 다짐), 동적 다짐, 진동 석재 기둥 설치 등과 같은 토양 다짐 기술이 있다.[24] 이러한 방법들은 토양의 밀도를 높여 액상화 발생을 억제하는 효과를 가진다.[25]
이미 건설된 기존 건물의 경우, 액상화가 발생하기 쉬운 토양층에 그라우트를 주입하여 지반을 안정화하는 방법으로 보강할 수 있다. 또한, 유도 부분 포화(IPS, Induced Partial Saturation)라고 하는 기술은 토양의 포화도를 낮추어 액상화 저항성을 높이는 방법으로, 점차 더 넓은 범위에 적용되고 있다.
5. 3. 기타 대책
기존 건물은 액상화가 발생하기 쉬운 토양층에 그라우트를 주입하여 안정화하는 방법으로 보강할 수 있다. 또한, IPS(Induced Partial Saturation|유도 부분 포화eng)라고 하는 방법은 토양의 포화도를 인위적으로 낮추어 액상화 발생 가능성을 줄이는 기술로, 점차 더 넓은 범위에 적용되고 있다.
구조물을 새로 짓기 전에는 해당 지반의 액상화 발생 가능성(발생 예측)과 발생 시 예상되는 변형 정도(변형 예측)를 미리 검토하는 것이 필수적이다. 이러한 예측 기술은 1964년 니가타 지진을 계기로 토질역학 및 지반공학 분야에서 활발히 연구되어 실용화되었으며, 현재는 간편법과 상세법으로 구분되어 사용되고 있다.[38]
6. 액상화 발생 사례
대한민국에서는 2017년 포항 지진 당시 포항시흥해읍 등 여러 지역에서 액상화 현상이 공식적으로 확인된 바 있다.[73]미국에서는 Fort Peck 댐의 사면이 토양액상화로 인해 활동한 사례가 있으며,[74]뉴질랜드에서도 2011년 2월 지진 당시 액상화 현상이 발생했다.[75] 액상화는 주로 배수가 잘 되지 않는 느슨한 모래나 실트질 모래 지반에서 지진과 같은 반복적인 하중이 가해질 때 발생하며,[9][10] 이로 인해 지반이 순간적으로 액체처럼 변하여 지지력을 상실하게 된다. 이러한 현상은 특히 홀로세에 퇴적된 젊은 퇴적층에서 발생하기 쉽다.
6. 1. 대한민국
대한민국에서는 2017년 포항 지진 당시 포항시흥해읍을 비롯하여 망천리, 매산리, 학선리, 청하면 소동리, 미남리 등 여러 지역에서 토양액상화 현상이 공식적으로 확인되었다. 특히 흥해읍 망천리의 논에서는 액상화 위험도가 '높음' 수준에 해당하는 액상화 지수(Liquefaction Potential Index, LPI) 6.5가 측정되기도 했다.[73]
6. 2. 해외
미국에서는 Fort Peck 댐의 사면이 토양액상화에 의해 활동하는 사례가 있었다.[74]
다음은 해외에서 발생한 주요 토양액상화 사례이다.
1906년 샌프란시스코 지진: 당시에는 액상화라는 용어가 사용되지 않았지만, 그 원인으로 보이는 지반 변동이 많이 기록되었다. 샌프란시스코 시의 엠바카데로를 따라 위치한 피셔맨스 워프 근처 지역, 샌프란시스코 만을 따라 위치한 오클랜드 시를 포함한 매립지, 몬터레이 만을 따라 위치한 산타크루즈 시와 왓슨빌 시, 그리고 인구 조사 지정 지역인 모스 랜딩 등에서 액상화가 발생했다. 이 지역들은 1989년 로마 프리에타 지진 때 액상화가 발생한 지역과 대부분 일치한다.[60] 반면, 샌프란시스코 만 남부의 알라메다 크릭과 코요테 크릭을 따라 위치한 지역처럼 1906년 지진에서는 대규모 액상화가 발생했지만, 1989년 지진에서는 발생하지 않은 곳도 있었다.[61] 1906년 지진 당시 액상화의 정도는 1989년 지진보다 훨씬 대규모였다.[62]
1989년 로마 프리에타 지진: 샌프란시스코 시 마리나 지구. 로마 프리에타 지진 발생 시 액상화로 손상된 보도샌프란시스코 시의 마리나 지구에서 지반 액상화 현상이 두드러지게 나타났으며[63], 지진 피해가 큰 건물이 집중된 지역이었다.[64] 마리나 지구의 거의 모든 건물에서 피해가 발생했다.[65] 같은 시의 마켓 스트리트를 따라 위치한 세 개의 매립지에서도 대규모 액상화가 발생했다.[67]샌프란시스코-오클랜드 베이 브리지의 오클랜드 측 부착부(비교적 새로운 매립지)에서도 대규모 액상화가 발생하여 지표면이 최대 40cm 침하했다.[68] 이 외에도 샌프란시스코 베이 지역의 오클랜드 국제공항 서쪽 부분, 오클랜드항, 앨러미다 해군 항공 기지, 베이 팜 아일랜드, 인공섬인 트레저 아일랜드 등에서 대규모 액상화가 발생했다.[69] 진원 남쪽 지역에서는 산타크루즈 시내, 왓슨빌 시 근교의 파자로강 유역, 모스 랜딩 등에서도 대규모 액상화가 발생했다.[70]
2011년 캔터베리 지진: 뉴질랜드크라이스트처치 시에서 발생했다.[75] 지진으로 인해 지하수와 액상화된 모래가 지표면으로 밀려 올라오는 "사구", "모래 분출" 또는 "모래 화산" 현상이 관찰되었다.[19][20]
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