다일러턴시 현장발현

왜 배우는가: 다일러턴시와 부의 간극수압은 실험실 삼축시험에서 나타나는 현상이지만, 실제 구조물의 안정 해석에서 강도 정수를 고를 때 어떤 배수조건을 가정할지 결정하는 근거가 된다. 시험 조건과 현장 조건의 차이를 설명하지 못하면 설계 강도를 과대하거나 과소하게 잡게 되므로 기술사 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제122회 3교시 1번, 제95회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

다일러턴시는 전단 중 흙이 체적 팽창하려는 성질이며, 실내 비배수 조건에서는 이 팽창이 부의 간극수압으로 나타나 전단강도를 증가시키지만, 현장에서는 배수와 응력 재분배로 이 효과가 제한된다.

키워드

• 다일러턴시(Dilatancy)
• 부의 간극수압(Negative Pore Water Pressure)
• 배수조건(Drainage Condition)
• 과압밀비(OCR)
• 현장 응력 경로(In-situ Stress Path)
• 비배수 전단강도(Undrained Shear Strength)
• 유효응력(Effective Stress)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 조밀한 모래나 과압밀 점토를 누르면서 비트는 순간 흙 입자가 서로 타고 넘으려고 부피를 늘린다. 물이 빠져나가지 못하면 부피가 늘어난 만큼 공극에 물이 부족해져 물이 입자를 끌어당기는 힘, 즉 부의 간극수압이 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 다일러턴시는 전단변형에 따라 흙의 체적이 증가하는 거동을 말한다. 조밀한 모래와 과압밀 점토는 전단 시 입자 간 맞물림 때문에 체적이 팽창하려 하며, 이를 다일러턴시(Dilatancy) 라고 부른다.

부의 간극수압(Negative Pore Water Pressure) 은 간극수압이 대기압보다 낮아지는 상태다. 비배수 조건에서 체적 팽창을 억제하면 간극수압이 음(-)으로 내려가고, 그만큼 유효응력이 증가해 겉보기 강도가 커진다.

배수조건(Drainage Condition) 은 전단 중 간극수가 흙 밖으로 이동할 수 있는지를 나타낸다. 배수가 허용되면 간극수압은 일정하게 유지되고, 배수가 차단되면 체적 변화가 억제되어 간극수압이 변한다.

핵심은 부의 간극수압이 '흙이 원래 가진 강도'가 아니라 '비배수라서 생긴 추가 강도'라는 점이다. 이 차이를 이해해야 현장 해석에서 조건을 바꿔 적용할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

흙의 전단강도는 Mohr-Coulomb 식 τ = c' + σ'tanφ' 로 표현되며, 여기서 유효응력 σ' 가 핵심이다. 그런데 현장에서 하중이 빠르게 가해지면 물이 빠질 틈이 없어 간극수압이 먼저 변한다. 이 때문에 배수조건에 따라 같은 흙도 다른 강도를 보인다.

실내 시험은 이 배수조건을 인위적으로 고정한다. 비배수 삼축압축시험(CU, UU)은 체적 변화를 막아 간극수압을 측정하고, 배수 시험(CD)은 간극수압을 0으로 유지한다. 이 과정에서 조밀한 모래나 과압밀 점토는 다일러턴시 때문에 큰 부의 간극수압을 보이는 것이 확인된다.

그러나 실내 시험에서 얻은 결과를 그대로 현장에 옮기면 오차가 생긴다. 시험은 시료를 짧은 시간에 전단하지만, 현장은 축조 속도와 지하수 흐름에 따라 배수 정도가 다르다. 따라서 다일러턴시 현상이 현장에서 얼마나 발현되는지를 판단하는 것이 실무의 과제이며, 이 판단이 기술사 답안의 출발점이 된다.

비배수 조건에서 간극수압이 음(-)으로 발생

4. 구성요소·원리·절차

(본 요청은 소제목 1~3 만 쓴다. 이 절은 다음 요청에서 이어진다.)

4. 구성요소·원리·절차

다일러턴시(Dilatancy)는 전단 중 흙이 체적을 늘리거나 줄이는 거동이다. 현장 발현을 이해하려면 먼저 시험실에서 생기는 구속 조건과 현장 구속 조건의 차이를 구분해야 한다. 시험실 비배수 전단에서는 체적 변화 불가 조건이 강제된다. 조밀한 모래나 과압밀 점토는 전단 시 팽창하려 하므로 간극 내 물이 흡입되지 않아 간극수압이 음(-)으로 떨어지고 유효응력이 증가한다. 이 때문에 강도가 크게 나타난다.

현장에서는 같은 지반이라도 배수 경로가 열려 있거나 전단 속도가 느려 체적 변화가 일부 허용된다. 또한 지표 근처는 구속압이 작아 팽창이 쉽게 일어난다. 따라서 팽창 억제에 따른 부의 간극수압은 현장에서 충분히 발달하지 못한다. 이 차이가 발현 억제의 핵심이다.

구성요소는 다음과 같다.

원리는 다음 세 단계로 정리된다.

• 시험실 비배수 전단에서 흙이 팽창하려 하면 간극 체적이 일정하므로 간극수압이 감소한다.
• 간극수압 감소로 유효응력이 증가하여 전단강도가 커진다.
• 현장에서는 배수와 응력 재분배로 간극수압이 소산되어 이 효과가 소멸한다.

흙의 체적 변화 특성은 다음 관계로 나타낸다. 간극수압 변화량은 $\Delta u = B[\Delta\sigma_3 + A(\Delta\sigma_1 - \Delta\sigma_3)]$ 이며, B는 간극수압계수, A는 간극수압계수(파괴 시 값), \Delta\sigma_1, \Delta\sigma_3는 주응력 증분(kPa)이다. 조밀한 시료에서 A가 음수가 되면 부의 간극수압이 발생한다.

현장 발현 과정은 도식으로 보면 이해가 쉽다.

5. 관련 법령·기준·표준

다일러턴시와 간극수압 거동을 직접 규정한 법령 조항은 없다. 실무 기준은 설계기준과 시험기준이 담당한다. 국내에서 삼축압축시험은 한국산업표준(KS F 2346 계열, 번호는 확인 필요 없이 시험명만 쓴다)과 설계기준 KDS 시방 체계를 따른다. 여기서는 기준 수치와 판단 조건을 중심으로 정리한다.

첫째, 배수 조건별 시험 구분은 다음과 같다.

둘째, 간극수압과 현장 판단에 쓰는 기준 값은 다음과 같다.

위 값은 설계 실무에서 흔히 쓰는 기준이다. 시험 조건과 흙의 종류에 따라 달라지므로 적용 전 해당 설계기준의 조건을 확인한다.

개정 연혁은 확인된 자료가 없어 기술하지 않는다.