2017년 발생한 5.4Mw의 포항지진으로 국내에서 처음으로 액상화 현상이 발견돼 실내시험, 수치해석을 통한 많은 액상화 연구가 진행되고 있다. 특히, 지반과 지반구조물의 동적특성 및 액상화 저항특성을 파악하기 위해 동적원심모형시험, 진동대시험 같은 지진모의시험을 활용한 연구가 증가하고 있으며 이를 토대로 지반-구조물의 상호작용을 고려한 동적해석에 있어서도 수치해석법의 적절성과 해석 결과의 검증을 위해 지진모의시험의 결과와 비교분석하는 연구도 증가하고 있는 실정이다. 이때, 이러한 시험 및 수치해석 연구에 있어서 지반을 조성하거나 모델링(Modeling)할 경우, 입도가 작은 인공규사의 이용이 일반적이다. 그러나, 이러한 인공규사의 빈번한 이용에도 불구하고 상사율의 적용을 통한 변형률 및 간극수압의 변화에만 초점을 두고 있어 인공규사만의 동적특성에 대한 규명연구 및 액상화 저항특성에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
이 연구에서는 액상화 영향인자 중 하나인 상대밀도 차이에 따른 인공규사의 동적특성 및 액상화 저항특성에 관한 연구를 수행하였으며, 이를 위해 실내진동삼축시험(Cyclic triaxial test)을 수행하였다. 진동삼축시험시, 유효구속압은 100kPa로 통일하였으며 시험시료는 상대밀도 40%, 60%, 80%로 달리하고 각 시료에 대해 응력수준을 달리한 실험을 3회씩 반복수행하여 액상화 진동저항응력비(Cyclic resistance stress ratio, CRR)를 산정하였다. 또한 인공규사를 이용한 지진모의시험과 수치해석의 비교에 있어 유효응력해석 모델의 매개변수를 제안하였으며, 이는 실내진동삼축시험의 과잉간 극수압 결과를 바탕으로 역해석(Back analysis)을 통해 산정하였다. 여기서, 역해석 결과의 적절성은 실내진동삼축시험과 수치해석 결과를 통해 도시된 각 상대밀도별 액상화 진동저항응력비(CRR) 곡선을 비교함으로써 확인하였다.
실내진동삼축시험의 결과, 반복횟수(N)에 따른 과잉간극수압의 상승과 함께 대변형으로 전이되는 초기 액상화가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며 상대밀도별로 액상화 진동저항응력비(CRR) 곡선을 도시하였다. 이때, 국내 액상화 평가 시 기준 지진규모인 6.5시의 등 가반복횟수(N) 10회에서의 액상화 진동저항응력비(CRR)는 상대밀도 40%, 60%, 80%에 따라 0.249, 0.317, 0.492로 산정되었다.
실내진동삼축시험에 대한 역해석의 경우, 상대밀도 40%와 60%에서는 시험결과와 수치해석결과가 거의 차이가 나지 않는 것으로 났다. 이에 반해, 상대밀도 80%의 경우에는 매우 조밀한 시료의 특성으로 인해 응력수준이 낮은 경우, 그 차이가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이는 상대밀도 80%의 경우, 지반의 동적저항강도가 시험시 재하된 하중보다 상대적으로 매우 큰 관계로 동적이동(Cyclic mobility) 액상화 현상이 발생한 점에 기인한 것으로 판단된다.
또한, 이 연구에서는 앞서 역해석을 통해 신뢰성이 높은 것으로 나타난 인공규사 상대밀도 40%와 60%에 대한 매개변수에 대한 검증을 위해 중간값인 상대밀도 50%의 매개변수를 앞서 산정된 기존 매개변수를 통해 도출하고 추가적인 실내시험을 수행하여 수치해석 결과와 비교하였다. 상대밀도 50%에 대한 매개변수 검증결과, 각각의 결과들이 유사한 것으로 나타나 이 연구를 통해 제안된 인공규사 상대밀도 40%와 상대밀도 60%에 대한 매개변수는 신뢰성이 높은 것으로 판단된다.
향후, 상대밀도 및 유효구속압의 변화 등을 고려한 시험과 동적해석을 통한 비교연구를 추가하게 된다면 인공규사에 대한 액상화 진동저항응력비(CRR) 산정곡선과 인공규사의 동적해석을 위한 입력매개변수를 함께 제시할 수 있을 것으로 판단된다.