삼축압축시험 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
'''삼축압축시험'''(Triaxial Shear test)은 [[토질역학]]에서 흙의 전단응력을 파악하기 위해 실시하는 시험의 하나이다. 파괴면을 미리 설정하지 않고 흙 외부에서 최대, 최소 주응력을 가해서 응력차에 의해 자연적으로 전단파괴면이 생기게끔 하는 시험이다.{{Sfn|이인모|2013|p=395}}

== 특징 ==
흙은 현장에서와 채취해서 실험실로 가져왔을 때 차이를 보이는데 삼축압축시험은 현장에서의 거동을 잘 나타내는 시험 방법이다. 따라서 연구와 설계 용도로 많이 쓰인다.{{Sfn|이인모|2013|p=394}}

== 시험 기구 ==
[[파일:Large compression no fail.jpg|300픽셀|오른쪽]]

흙 시료에 얇은 고무막을 설치한 뒤 삼축 셀 안에 집어 넣고 물을 채운다. 시료의 위아래에 다공질판이 있다. 배수조건을 조절할 수 있는 밸브가 기계 하단에 붙어 있다. 사진은 삼축압축시험기구이다.{{Sfn|이인모|2013|p=395}}

[[파일:Paper4g.jpg|왼쪽|300픽셀]]
{{-}}

== 방법 ==
첫째로 구속압력(confining pressure, σ<sub>3</sub>)을 준다. 구속압력은 물에 압력을 주는 것이다.{{Sfn|이인모|2013|p=395}} 둘째로 구속압력을 계속 유지시키면서 연직 방향으로 추가 하중을 주기 시작한다. 이것을 축차응력(deviatoric stress, Δσ<sub>d</sub>)이라고 한다. 즉 연직응력은 <math>\sigma_1 = \sigma_3 + \Delta \sigma_d</math>가 된다.

배수조건에 따라 시험의 종류가 달라진다. 다음의 세 가지가 있다. 구속압력 작용 시와 축차응력 작용 시 배수조건에 따른 분류이다.{{Sfn|이인모|2013|p=396}}

{| class="wikitable"
! rowspan="2" |구분
! colspan="2" |배수 조건
|-
! 구속압력 시 !! 축차응력 시
|-
| 압밀 배수시험(Consolidated Drained Test; CD Test) || 배수 || 배수
|-
| 압밀 비배수시험(Consolidated Undrained Test; CU Test) || 배수 || 비배수
|-
|비압밀 비배수시험(Unconsolidated Undrained Test; UU Test)
| 비배수 || 비배수
|}

=== 압밀 배수시험 ===
[[파일:압밀배수시험 구속압력 단계.png|섬네일|압밀배수시험의 구속압력 단계에선 체적수축이 일어난다.]]
압밀 배수시험(Consolidated Drained Test; CD Test)은 첫번째로 구속압력 단계로, 배수밸브를 연 상태로 σ<sub>3</sub>를 주고 24시간을 기다려야한다. 처음엔 과잉간극수압이 σ<sub>3</sub>를 받다가 나중이 되면 과잉간극수압이 0이 된다. 즉 물이 모두 빠져나가 흙 입자가 응력을 받을 것이고 [[압밀]]과 체적수축이 일어나 σ<sub>3</sub>' = σ<sub>3</sub>가 된다. 모래는 훨씬 빨리 압밀이 끝나고 점토는 24시간은 지나야 압밀이 완료된다.

두번째 단계는 축차응력을 주는 단계다. 이때 주의할 점은 과잉간극수압이 발생하지 않도록 아주 천천히 하중을 가해야한다는 것이다.{{Sfn|이인모|2013|p=397}} 축차응력 시에도 과잉간극수압이 0이다. 즉 가해준 모든 응력을 흙 입자가 받아야 한다. 전단 파괴가 발생할 때의 최대주응력은
:<math>{\sigma_{1f}}' = \sigma_{1f} = \sigma_3 + \Delta \sigma_{df}</math>

최소주응력은
:σ<sub>3</sub>' = σ<sub>3</sub>

구속압력을 바꿔가며 실험을 여러번 반복한다.{{Sfn|이인모|2013|p=398}}

{{갤러리
|title=느슨한 모래, 정규압밀점토의 압밀배수시험 축차응력단계
|width=300
|height=200
|lines=2
|File:압밀배수시험 축차응력단계 느슨한모래, 정규압밀점토.png|축방향 변형률에 따른 체적변형률
|File:압밀배수시험 축차응력단계 느슨한모래, 정규압밀점토 축차응력.png|축방향 변형률에 따른 축차응력
}}

{{갤러리
|title=조밀한 모래, 과압밀점토의 압밀배수시험 축차응력단계
|width=300
|height=200
|lines=2
|File:압밀배수시험 축차응력단계 조밀한 모래, 과압밀점토.png|축방향 변형률에 따른 체적변형률
|File:압밀배수시험 축차응력단계 조밀한 모래, 과압밀점토 축차응력.png|축방향 변형률에 따른 축차응력
}}

{{갤러리
|title=압밀배수시험 모어원
|width=300
|height=200
|lines=2
|File:모래, 정규압밀점토 CD TEST.png|모래, 정규압밀점토 CD 시험결과
|File:과압밀점토 CD 시험결과.png|과압밀점토 CD 시험결과
}}

CD 시험에서는 가해준 응력을 모두 흙이 받으므로 전단강도를 다음 식으로 쓸 수 있다.{{Sfn|이인모|2013|p=400}}
:<math>\tau_f = c' + {\sigma_n}' \tan \phi '</math>

[[파일:CD TEST 응력경로.png|섬네일|500px|left|CD TEST 응력경로]]
{{-}}

=== 압밀 비배수 시험 ===
압밀 비배수 시험(Consolidated Undrained Test; CU Test)은 압밀 배수 시험(CD Test)와 구속응력 단계는 동일하나, 축차응력 단계에서 배수를 시키지 않는 차이가 있다.{{Sfn|이인모|2013|p=406}} 따라서 축차응력단계에서 과잉간극수압이 발생한다.
:<math>\Delta u_d = BA \Delta \sigma_d</math>

포화 시에는 B = 1이므로
:<math>\Delta u_d = A \Delta \sigma_d</math>

축차응력 단계에서 흙 입자가 수축 경향을 보이면 과잉간극수압은 +, 팽창 경향을 보이면 -가 된다. 전단파괴가 일어나면 과잉간극수압은
:<math>\Delta u_{df} = A_f \Delta \sigma_{df}</math>

A<sub>f</sub>는 파괴 시 Skempton 과잉간극수압계수이다. 파괴가 일어날 때 전응력 개념으로 최대주응력, 최소주응력을 보면
:<math>\sigma_{1f} = \sigma_3 + \Delta \sigma_{df}</math>
:<math>\sigma_{3f} = \sigma_3</math>

파괴가 일어날 때 유효응력 개념으로 최대유효주응력, 최소유효주응력을 보면
:<math>{\sigma_{1f}}' = \sigma_{1f} - \Delta u_{df}</math>
:<math>{\sigma_{3f}}' = \sigma_{3f} - \Delta u_{df}</math>

전응력 개념으로 시험하는 CU Test를 CU Test라고 하고, 유효응력 개념으로 시험하는 CU Test를 <math>\overline{CU}</math> Test라고 한다. Skempton 과잉간극수압계수는 다음 식으로 구한다.{{Sfn|이인모|2013|p=407}}
:<math>A = \frac{\Delta u_d}{\Delta \sigma_d}</math>
:<math>A_f = \frac{\Delta u_{df}}{\Delta \sigma_{df}}</math>

A<sub>f</sub>는 축차응력을 가할 때 체적수축 경향을 보이면 값이 커지고, 팽창 경향을 보이면 값이 작아져 음수가 될 수도 있다.{{Sfn|이인모|2013|p=410}}

CU Test 역시 CD Test와 마찬가지로 구속압력을 바꾸어가며 적어도 세 번 이상 시험한다.{{Sfn|이인모|2013|p=408}}
[[파일:압밀배수시험 구속압력 단계.png|섬네일|압밀 비배수시험의 구속압력 단계에선 체적수축이 일어난다.]]

{{갤러리
|title=느슨한 모래, 정규압밀점토의 압밀비배수시험 축차응력단계
|width=300
|height=200
|lines=2
|File:압밀비배수시험 축차응력단계 느슨한모래, 정규압밀점토 과잉간극수압.png|축방향 변형률에 따른 과잉간극수압
|File:압밀배수시험 축차응력단계 느슨한모래, 정규압밀점토 축차응력.png|축방향 변형률에 따른 축차응력
}}

{{갤러리
|title=조밀한 모래, 과압밀점토의 압밀비배수시험 축차응력단계
|width=300
|height=200
|lines=2
|File:압밀비배수시험 축차응력단계 조밀한 모래, 과압밀점토 과잉간극수압.png|축방향 변형률에 따른 과잉간극수압
|File:압밀배수시험 축차응력단계 조밀한 모래, 과압밀점토 축차응력.png|축방향 변형률에 따른 축차응력
}}

[[파일:모래, 정규압밀점토 CU TEST.png|섬네일|500픽셀|왼쪽|모래, 정규압밀점토 CU TEST 모어원. Δu<sub>df</sub>만큼 빼지는 것은 과잉간극수압이 제거되기 때문이다.{{Sfn|이인모|2013|p=410}}]]

CU 시험은 강도정수를 유효응력 개념으로 나타낼 수 있다. 즉{{Sfn|이인모|2013|p=409}}
:<math>\tau_f = c' + {\sigma_n}' \tan \phi '</math>

[[파일:CU TEST 정규압밀점토 응력경로.png|섬네일|left|500px|CU TEST 정규압밀점토 응력경로]]
[[파일:CU TEST 과압밀점토 응력경로.png|섬네일|right|500px|CU TEST 과압밀점토 응력경로]]
{{-}}

=== 비압밀 비배수 시험 ===
구속압력 단계, 축차응력 단계 모두 배수시키지 않는 시험방법이다. 구속압력 단계에서 구속압력을 주면 이것을 모두 물이 받아 과잉간극수압이 발생한다.{{Sfn|이인모|2013|p=421}} 축차응력 단계에서도 배수가 일어나지 않아 가해준 응력을 모두 물이 받는다. 따라서 구속압력을 달리 해서 여러 번 실험하더라도 흙이 받는 유효응력은 일정하고, 파괴 시 축차응력 Δσ<sub>df</sub>가 구속압력에 관계없이 일정한 값을 갖게 된다.(모어원에서 반원의 크기가 모두 같다.){{Sfn|이인모|2013|p=422}} 모어원의 크기가 같다는 것은 원들의 접선이 가로축인 σ<sub>n</sub>축과 평행하다는 의미이고, 이는 기울기 φ<sub>u</sub> = 0임을 의미한다. 따라서 UU 시험을 'φ<sub>u</sub> = 0 조건에서의 해석'이라고 부르기도 한다.

접선의 기울기가 0인 까닭에 접선의 세로축 절편인 c<sub>u</sub>는 파괴시 전단강도와 같다.
:<math>\tau_f = c_u</math>

이 값을 '비배수 전단강도'라고 부른다.{{Sfn|이인모|2013|p=423}}

[[파일:UU Test.png|섬네일|left|500px|UU Test]]

== 같이 보기 ==
* [[직접전단시험]]

== 각주 ==
<references />

== 참고 문헌 ==
* {{서적 인용|저자1=이인모|제목=토질역학의 원리|날짜=2013|출판사=씨아이알|isbn=9791156100096|판=2|ref=harv}}

[[분류:토질역학]]