경주지역 지진 이후 우리나라도 지진안전지대가 아니라는 지적이 나오고 있다. 지진으로 인한 지반의 붕괴는 지진 에너지가 지반에 전달되는 가속도의 크기에 따라서 지반균열, 지반침하 등의 현상으로 수반된다. 이 중 지반 붕괴에 중요시 되는 현상이 액상화이다.

지반 액상화란 지진 발생 시 지반이 전단응력을 받을 경우 지반 내 간극수압이 상승하고 유효응력이 감소하여 지반의 전단강도를 잃게 되는 현상이다. 실제로 지진으로 의한 피해 중 액상화로 인한 지반붕괴 및 파손은 구조물의 기초를 무너뜨리고 도로와 교량 파괴 등 지진피해를 대형화 시킨다.

본진 발생 후 지속적인 여진으로 인한 진동수가 많아질수록 간극수압의 변화가 커져서 액상화의 발생 가능성이 크게 나타난다. 이러한 사례는 세계 여러나라에서 지진피해로 보고되고 있다.

내진설계 및 보강 시 지반조사의 필요성

인간 생활에 필요한 각종 시설물은 과학과 문명의 발전에 힘입어 지구상의 지반(지반 위, 지중, 수중)에 건설된다. 이들은 우리의 생활에 편리성과 기능성과 미려성을 제공하는데 그 목적이 있다.

건설되는 시설물은 해당 분야의 전문 기술자에 의하여 양질의 재료로 조합된 안정 구조물과 그 구조물을 지탱하여 주는 기초(하부구조)가 지반에 설치된다. 지반의 지지력으로 안전하게 지탱되어 구조물 설치 목적인 기능성, 안정성, 내구성 있는 구조물을 유지하게 된다.

불행하게도 때때로 건설 기술자의 설계 기술력의 부족으로 구조물의 건설중, 건설후, 사용 중에 또는 예기치 못한 지진, 수해와 인접지역 굴착공사 등으로 기초지반이 파괴, 변형되어 기존 구조물이 부동침하 또는 붕괴된다. 인명 및 재산피해를 일으켜 심각한 재난을 종종 초래하고 있는 실정이다.

각종 지반(수중지반, 암반 및 토사지반)에 설치되는 안정성 있는 상부 구조물은 그 구조물을 받치고 있는 하부 구조인 기초를 지반이 지탱하고 있기 때문이다. 지반이 연약하게 되면 기초의 변형으로 상부 구조물은 안정성이 상실되어 지반이 변형 또는 붕괴되면서 큰 재난을 가져온다.

건설 구조물의 안정성 및 내구성은 지반조건과 밀접한 상호관계가 있다. 구조체의 안정성은 지반조건에 달려 있다. 구조물의 안정설계 단계의 1차적 이해는 구조물 하중과 지반의 조건을 상호 연계하여 검토해야 구조물의 안정성을 유지할 수 있다.

지반정보를 이해하는 데는 지반조사인 지반의 지질구조, 성층상태, 지하수위, 각종 토성시험으로 지반토질의 물리성 및 역학적 시험 정보로 지반토질의 공학적 특성을 검토한 후 설계, 시공, 유지관리에 반영해야 지진등의 외부 영향력으로 부터 구조물 파괴를 예방할 수 있다.

상부 구조물이 역학적 안정 구조체로 설계, 시공되었다 하더라도 그 구조물을 지탱하는 지반조건이 연약화되면 지지력부족, 과대침하,측방거동 등으로 인하여 구조물은 지진과 같은 재난적 피해를 피할 수 없게 된다.

지반의 특징

지구상의 표면은 암반구조와 흙 지반 구조로 되어 있다. 각각의 지반은 기상작용, 수리작용, 풍화작용에 따라 그 지반조건을 각기 달리한다. 지층 및 토질의 성질 또한 다르다. 지층의 구성 조건에 따라 이를테면, 자갈, 모래, 실트, 점토, 사질토, 역질토, 점성토, 유기질토 등 흙 성분이 분포되는 위치마다 각기 다르다.

변성작용을 크게 받는 정도에 따라서 흙 지반의 표층은 충적토, 홍적토, 잔적토, 황토, 사질토, 점성토, 동토, 유기질토 등 다양한 풍화성 토성을 나타낸다. 시설물의 재난방지와 안전설계를 위해서는 지반토성 정보가 반드시 필요하다. 그 토성을 알기 위해서는 현장 원 위치 조사시험 및 각종 토성시험을 실시하여 지반토질의 건설 공학적 특성을 규명한 후 설계, 시공 및 재난 방지대책의 정보자료에 이용하여야 한다.

지반조사 계획은 지반상태의 지층 및 토층 조건별 정확한 정보를 얻기 위해 실시한다. 그 조사 정보는 구조물의 안정성, 내구성, 경제성, 시공성, 유지관리성 및 사고예방에 이용하기 위해 실시된다.

토질시험의 필요성

위치마다 토층 구조가 다른 지반토질은 입자의 크기(입경), 입도분포, 함수비, 소성도, 점토광물, 지하수위, 유기토 함유량에 따라 토성이 다르다. 그 결과 흙의 지지력, 압축성, 변형성, 액상화, 공극수압이 상이하여 토성의 물리성 및 역학적 강도 특성이 다르게 되어 공학적 특성이 변화된다.

현장 토질의 교란 및 불교란 시료를 채취하여 실내 시험실에서 ①물리성, ②역학성, ③수리성, ④화학성시험을 실시한 후 정확한 토성의 공학적 성질을 파악하여 지반의 안정 즉 구조물의 안정성 대책을 수립하는데 이용된다.

기초지반의 액상화로 인한 구조물의 붕괴 요인은 주로 지반의 연약화(지지력 부족, 부등침하, 지반의 활동변형, 액상화, 공극수압 증대, 전단강도 저하)에서 발생된다.

이러한 지반의 연약화의 원인은 ① 지진 ② 건설장비와 발파 진동 ③ 주변지반변동 ④포화 지하수의 상승 등이다. 이들의 연약화 예측은 토질별 토성을 달리하기 때문에 그 위치마다 다른 지층과 토질을 가진 현장 지반토를 채취하여 소정의 토질시험에 의해 그 정보를 파악할 수 있다.

지반조사 및 토질 시험을 통한 지반토질의 정보를 확보하는 것이 지진으로 인한 연약지반의 내진보강 대책을 포함한 시설물의 안전을 위하여 반드시 필요하다.

노의철 동강대 건축토목조경학과 겸임교수  webmaster@chkorea.news

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