최근 국내∙외에서 지진이 자주 발생하고 있다. 이러한 지진은 산사태, 쓰나미, 지각변형, 액상화 등 다양한 형태의 자연적 피해와 구조물의 수직 침하, 전도, 전단파괴 등 물리적 피해의 원인이 된다. 특히, 지반이 액체와 같은 거동을 보이는 액상화는 구조물에 큰 피해를 발생시킨다. 이에 국내∙외에서는 다양한 액상화 피해 저감 공법들이 연구 및 개발되고 있다. 그러나 대부분의 액상화 피해 저감 공법들은 주로 새로 건설되는 구조물에 적용이 쉬운 공법들 위주로 개발되어 기존 구조물에 적용하기에는 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 액상화 피해 저감 공법 중에서 기존 구조물에 적용 가능한 액상화 피해 저감 공법으로 시트파일은 이용한 공법과 그라우팅 이용한 공법을 선정하였고, 두 가지 공법에 대해 1G 진동대를 이용하여 모형 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 시트파일 근입비와 그라우팅 약액의 배합비에 따른 액상화 피해 저감 효과를 파악하기 위해 시트파일 근입비와 그라우팅 약액 배합비를 다양하개 하여 1G 진동대를 이용한 모형실험을 수행하였고, 실험 결과를 바탕으로 구조물의 수직 침하, 부등침하, 간극수압 변화, 그리고 가속도 변화에 대해 분석하였다. 그리고 구조물의 침하와 시트파일의 근입비, 그라우팅 약액 배합비의 관계를 식으로 제안하였다.
모형실험을 수행하기 위해 주문진 표준사를 이용하였다. 모형지반의 경우, 액상화가 발생하지 않는 층과 액상화가 발생하는 층으로 나누어 조성하였고 액상화가 발생하지 않는 층은 상대 밀도 45%로 조성하고 액상화가 발생하는 층은 상대 밀도 85%로 조성하였다. 그리고 수중 침강법을 이용하여 지반을 조성하였다.
그리고 2층 높이의 원형구조물을 대상으로 하여 축소모형 구조물을 제작하였다. 모형 구조물은 Iai(1989)의 상사 법칙을 이용하여 상사비를 결정하였고, 결정된 상사비(λ=50)를 적용하여 모형 구조물을 제작하였다. 입력파는 가속도 수준 0.6g와 주파수 10Hz의 정현파를 적용하였다.
시트파일의 다양한 근입비에 따른 구조물 피해 저감 효과를 분석하기 위해 액상화 발생 가능 층의 전체 깊이를 시트파일의 길이로 나누었고, 이때, 시트파일의 근입비는 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75, 0.85, 1이다.
실험 결과, 시트파일 공법을 적용하여 지반을 보강하였을 때의 구조물 침하가 지반 보강을 하지 않았을 때보다 약 71% 정도 감소하였으며, 가장 작은 침하량을 보인 근입비는 “1”이었다. 그러나 근입비가 0.75보다 커질수록 구조물의 침하량 차이는 크게 발생하지 않았다. 그리고 근입비가 커질수록 시트파일로 인해 지반 내 간극수압의 소산이 지연되는 경향을 보였다. 구조물의 침하량과 간극수압 변화 등을 고려한 결과 시트파일의 최적근입비는 0.75가 타당할 것으로 판단된다. 이러한 결과를 바탕으로 근입비에 따른 구조물 침하와의 관계를 그래프와 관계식으로 제안하였다.
그리고 그라우팅 약액의 배합비에 따른 액상화 피해 저감 효과를 분석하기 위해 물 1000g을 시멘트 분말의 중량으로 나누었고, 이때, 그라우팅 약액의 배합비는 0.4, 0.45, 0.475, 0.5, 0.55이다. 그리고 그라우팅 약액과 구조물 사이 간격에 유∙무에 따른 액상화 피해 저감 효과를 분석하기 위해 그라우팅 약액을 주입하는 지점과 구조물 사이 간격이 1cm일 때와 그라우팅 약액을 주입하는 지점과 구조물 사이 간격이 0cm일 때로 나누어 실험을 수행하였다.
실험 결과, 그라우팅 약액의 배합비는 0.45 이상이 되면 액상화 발생 시 그라우팅 공시체의 파괴가 발생하지 않는 강도를 유지 하였고 구조물의 침하량 또한 감소하는 경향을 보였다. 그리고 그라우팅 약액과 구조물 사이 간격이 없을 때, 구조물의 침하 억제 효과가 크게 나타났다. 그러나 그라우팅 약액의 배합비가 증가할수록 구조물의 침하량이 증가하는 경향을 보였다. 간극수압의 경우, 액상화 발생 시 간극수압의 상승을 억제하는 효과는 거의 없었으나, 액상화 발생 이후 간극수압의 소산을 방해하는 경향을 보이지 않았다. 이에 구조물의 침하 억제에도 효과가 있고 간극수압 변화에 e대한 보강 효과도 우수한 그라우팅 약액의 최적 배합비는 0.45로 결정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 또, 이러한 결과를 바탕으로 그라우팅 약액 배합비에 따른 구조물 침하와의 관계를 그래프와 관계식으로 제안하였다.
이러한 연구 결과는 향후 기존 구조물에 적용 가능한 액상화 피해 저감 공법을 개발하고 적용하는데 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.