The liquefaction phenomenon is caused by loss of soil strength when the rapid vibration such as an earthquake is applied under the instantly undrained condition. The liquefaction induced settlement, lateral spreading have a influence on the stability of the structure. In the U.S.A and Japan where strong earthquakes occur frequently, liquefaciton evaluation is an essential consideration in seismic design.
Typical methods for evaluation liquefaction include field tests, laboratory tests, physical modeling, and numerical analysis. The field tests have major limitations in that they are costly and time consuming due to the actual ground investigation. In domestic, liquefaction evaluation is generally performed by using cyclic triaxial test and simple shear test. This is an appropriate method for analyzing the behavior of soil elements rather than the global behavior of the liquefied ground. As a physical modelling, centrifuge model tests can be performed to observe the global behavior of liquefied ground and the local behavior by installing sensors in the ground. In addition, It is possible to estimate economical and reliable data by comparing and verifying numerical analysis modeling with physical modeling experiment results. On the other hand, the disadvantage is that it is quite complex and difficult to implement a liquefaction model using the centrifuge model tests. There is no case of liquefaction study using the domestic centrifuge, and there is no specific procedure for implementing liquefaction model in domestic.
In international study, an international collaborative research project called Liquefaction Experiments Analysis Project (LEAP) for liquefaction research was launched based on centrifuge model tests and numerical analysis. As participating in LEAP-2017 and LEAP-2018, centrifuge model tests were peformed to analyze liquefaction behavior with different relative density and to verify the generalized scaling law. For this study, it was possible to implement liquefaction model using the centrifuge based on the detailed experimental procedure provided by LEAP. In this study, a liquefaction simulation system was built by 6 steps of ground modelling, viscous fluid manufacture, saturation process, measurement, CPT, and input motion application to implement liquefaction model in the centrifuge model test. For the validation to the simulation system, a 5 degree inclination model with a different relative density was applied to the 1Hz sine wave of 0.15g for each model. Dilatancy spike, stress-strain curve, effective stress, and displacement were measured to evaluate the occurrence of liquefaction for each model. In order to overcome the limitations of centrifuge performance and size of the shaker, centrifuge model tests were conducted to verify the generalized scaling law. For the same prototype model, dilatancy spike, stress-strain curve, effective stress path, and displacement of liquefied ground were calculated and compared by conventional scaling law and generalized scaling law.
The validation of the liquefaction simulation system constructed through the experiment results enabled us to secure the validity and reliability of the system. Based on the results of the system and the results of the study, efficient and reliable data estimation for the evaluation of structure behavior and liquefaction remediation in liquefied ground is suggested.
액상화 현상은 지진과 같은 급속한 진동하중 발생시, 순간적으로 비배수 상태가 되면서 느슨한 사질토 또는 매립지반에서 유발되는 과잉간극수압으로 지반의 전단저항력이 저하되거나 또는 잃게 되어 액체처럼 거동하는 현상을 말합니다. 액상화 현상으로 인한 지반 침하, 횡방향 변위는 구조물의 안정성에 큰 영향을 끼치며 강한 지진 발생이 빈번한 미국, 일본에서는 내진 설계 시 액상화 평가는 필수적인 검토사항입니다.
액상화를 평가하는 대표적인 방법으로는 현장실험, 실내시험, 물리적 모델링, 수치해석 등이 존재합니다. 현장실험은 경제적인 비용, 시간 등의 한계점이 있습니다. 국내에서는 일반적으로 진동삼축압축시험 및 단순전단시험을 이용하여 액상화 평가를 대체로 수행되어지고 있습니다. 이것은 액상화를 유발시킨 지반에서의 전체적인 거동이 아닌 단편적인 흙 입자의 거동을 분석하기에는 적합한 방법입니다. 물리적 모델링의 대표적인 방법으로는 원심모형실험을 통하여 액상화 지반의 전체적인 거동과 지반 내부에 계측 센서를 설치하여 국부적인 반응을 볼 수 있습니다. 또한 물리적 모델링 실험 결과와 함께 수치해석 모델링 결과들을 비교 검증 통하여 경제적이며 신뢰성 있는 데이터 산정이 가능합니다. 반면에 원심모형실험을 활용하여 액상화 모델을 구현하기 까지 상당히 복잡하고 어렵다는 것이 단점입니다. 현재까지 국내에서는 국내 원심모형실험장비를 활용하여 액상화 연구를 한 사례가 없으며, 액상화 모델을 구현하기 위한 구체적인 절차서도 존재하지 않습니다.
해외에서는 원심모형실험과 수치해석을 바탕으로 액상화 연구를 위한 LEAP(Liquefaction Experiments Analysis Project)라는 국제 공동 연구프로젝트가 출범하였습니다. 본 연구진은 LEAP-2017, 2018에 참가를 하였으며 상대밀도에 따른 액상화 거동 분석과 확장 상사법칙 검증을 위한 원심모형실험을 수행하였으며, LEAP에서 제공 된 구체적인 실험 절차서를 토대로 액상화 모델을 구현하였습니다.
본 연구에서는 원심모형실험에서 액상화 모델을 구현하기 위하여 6가지 단계로 지반조성, 점성유체 제조, 포화과정, 계측방법, CPT, 그리고 지진파 입력으로 시뮬레이션 시스템을 구성하였습니다. 구축된 시스템 검증을 위하여 상대밀도가 다른 5도 경사진 모델을 조성하여 0.15g 세기의 1Hz 정현파를 각 모델에 적용하였습니다. 액상화 지반에 발현 되는 다일런턴시 스파이크, $r_u$, 응력-변형률, 유효응력경로, 변위를 측정하여 액상화 발생 유무를 평가하였습니다. 그리고 원심모형실험장비의 성능과 shaker의 크기의 한계를 극복하기 위하여 개발된 확장 상사법칙 검증을 위하여 동일 원형모델에 액상화를 유발시켜 기존 상사법칙과 확장 상사법칙을 적용하여 다일런턴시 스파이크, $r_u$, 응력-변형률, 유효응력경로, 변위를 측정하여 비교하였습니다.
이를 통하여 구축된 액상화 시뮬레이션 시스템의 검증을 통한 시스템의 타당성과 신뢰성을 확보하고자 하였습니다. 향후 구축된 시스템과 연구 결과를 통하여 액상화 지반에서의 구조물 거동 평가와 액상화 방지 대책을 위한 효율적이고 신뢰성 있는 데이터 산정 및 설계 방안에 대해 고찰 할 수 있을 것이라 판단됩니다.
