삼축시험 공시체 제작·면적보정

왜 배우는가: 삼축압축시험은 흙의 전단강도정수(c, φ)를 구하는 대표 실내시험이며, 공시체를 어떻게 만들고 시험 중 단면적을 어떻게 보정하는지가 강도 결과의 정확도를 좌우하므로 기술사 시험에 반복해서 출제된다. 교란시료 공시체 제작과 면적보정은 답안에서 절차와 공식을 함께 묻는 전형적 문항이다.

출제 이력: 제134회 3교시 4번, 제122회 2교시 1번, 제99회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

교란된 흙을 다져 원주형 공시체를 만들고, 축하중 재하 중 변하는 단면적을 보정하여 삼축압축시험의 응력을 구하는 방법이다.

• 삼축압축시험(Triaxial Compression Test)
• 교란시료(Disturbed Sample)
• 공시체(Specimen) 성형
• 함수비(Water Content) 조절
• 다짐도와 단위중량
• 단면적 보정(Area Correction)
• 체적변화와 축변형률
• 포화도(Degree of Saturation)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흙을 물에 잘 개어 원통 모양으로 만들고 그 원통을 눌러 부수는 시험의 준비와 계산 방법이다. 삼축시험은 공시체를 고무막(멤브레인)으로 싸서 셀 안에 넣고, 셀압(구속압력)을 가한 상태에서 축방향으로 하중을 준다.

정식 정의는 다음과 같다. 교란시료를 이용한 공시체는 원래 흙의 구조를 잃은 시료를 함수비와 밀도를 목표값으로 맞추어 재성형한 것이다. 이때 시험 중 축변형률이 증가하면 공시체 단면적이 늘어나므로, 원단면적을 그대로 쓰면 응력이 과소평가된다. 따라서 단면적 보정이 필요하다.

교란시료는 채취 과정에서 원위치 구조가 파괴된 흙이다. 재성형 공시체는 이 흙을 함수비와 건조단위중량이 목표값이 되도록 조절하여 만든다. 배수 조건에 따라 CU, CD, UU 시험으로 나뉘며, 면적보정은 배수 조건에 따라 공식이 조금 달라진다.

단면적 보정은 축변형률 \varepsilon_a에 따라 평균 단면적 A를 구하는 과정이다. 배수시험에서는 체적변화를 함께 고려하고, 비배수시험에서는 체적이 일정하다고 가정한다.

3. 등장 배경과 필요성

현장 지반은 채취한 흙 그대로 시험하기 어렵다. 불교란 시료는 채취 과정에서 흐트러지기 쉽고, 자갈이 섞이면 공시체 성형도 어렵다. 그래서 교란시료를 재성형하여 같은 밀도와 함수비에서 강도를 비교하는 방법이 쓰인다.

단면적 보정 개념도 같은 이유에서 나왔다. 축하중을 받으면 공시체는 옆으로 부풀어 단면적이 커진다. 원단면적을 그대로 쓰면 실제 응력보다 작게 계산되므로, 실험값의 신뢰성을 높이려면 보정이 필수다.

참고 기준

함수비와 밀도 조건은 대상 흙의 시험 기준에 따라 정한다. 공시체 직경과 높이는 KS 시험기준의 일축압축시험 조건을 참고하면, 직경은 30~70mm, 높이는 직경의 2~2.5배이다.

4. 구성요소·원리·절차

교란시료 공시체는 흩어진 흙을 목표 함수비와 단위중량으로 다시 성형한 원기둥이다. 현장 흙의 구조는 사라지지만, 같은 밀도와 함수비 조건에서 강도를 비교할 수 있다는 점이 제작의 목적이다. 제작 중 밀도 차가 생기면 시험값도 흩어지므로 균질 다짐이 핵심이다.

재성형은 함수비를 유지한 채 흙을 반죽해 입자 배열을 새로 만드는 과정이다. 시료를 비닐로 싸서 조금씩 돌리며 10분 이상 반죽한다. 이후 몰드에 여러 층으로 나누어 넣고 다짐봉으로 층마다 다져 전체가 고르게 되도록 한다. 한 번에 채우면 층 경계에 밀도 차가 남는다.

위 장치는 단순하지만 모두 밀도와 함수비를 일정하게 만드는 데 쓰인다. 마이터 박스는 공시체의 지름과 높이를 정하므로 치수 기준을 먼저 맞춘다.

공시체 성형의 원리는 목표 밀도로 흙을 다져 간극비를 일정하게 만드는 것이다. 시험 중 공시체 단면적이 변하는 현상은 8절에서 보정식으로 다룬다.

교란시료 공시체 제작 절차는 다음과 같다.

• 시료의 함수비를 확인하고, 부족하면 증류수를 가감해 목표 함수비에 맞춘다.
• 시료를 비닐로 싸서 함수비가 변하지 않도록 10분 이상 반죽한다.
• 마이터 박스 내면에 셀룰로이드판을 두르고 박스를 설치한다.
• 흙을 여러 층으로 나누어 넣고 층마다 다짐봉으로 밀착시킨다.
• 박스 양끝으로 나온 흙을 잘라내고 셀룰로이드판을 제거한다.
• 공시체 무게를 달고 지름과 높이를 측정한다. 지름은 상·중·하 3곳의 평균을 쓴다.
• 공시체를 습윤 보관함에 넣어 시험 전까지 함수비를 유지한다.

습윤단위중량은 다음 식으로 구한다. $\gamma_t = \frac{W}{V}, \quad V = \frac{\pi D^2}{4}H$ 여기서 \gamma_t는 습윤단위중량(kN/㎥), W는 공시체 무게(kN), V는 공시체 부피(㎥), D는 평균 지름(m), H는 평균 높이(m)이다. 공시체 치수를 잘못 재면 단위중량과 함께 강도 계산값도 틀어지므로 측정을 두 번 이상 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

교란시료 공시체의 제작 기준은 국가표준(KS)의 흙 시험 규격을 따른다. 일축압축시험 규격인 KS F 2314는 교란·비교란 시료 모두에 적용되는 치수와 측정 방법을 정한다. 삼축압축시험 규격도 같은 치수·측정 원칙을 바탕으로 한다.

위 표의 값은 공시체 치수와 제작 조건의 기본이다. 직경과 높이 비는 시료가 굽힘 없이 압축되도록 정한 범위다. 축변형률 속도는 재하 시간을 정해 간극수압 소산 조건을 맞추기 위한 기준이다.

설계 기준과 시험 기준은 KS 계열 시험규격 체계로 관리된다. 제작 기준을 어기면 시험 결과의 재현성이 떨어진다. 현장 시험 결과를 설계에 쓸 때는 제작 기록(함수비, 단위중량, 치수)을 함께 남긴다.

교란시료는 비교란 시료와 달리 현장 구조를 잃으므로 강도를 현장 값으로 바로 쓰지 않는다. 재성형 과정에서 생긴 밀도 차이를 줄이는 것이 기준 준수의 핵심이다.

6. 유형과 비교

삼축압축시험은 배수 조건과 압밀 조건에 따라 UU시험, CU시험, CD시험으로 나뉜다. 시험 조건이 달라지면 얻는 강도정수와 적용 설계가 달라지므로 답안에서는 조건별로 구분해 적어야 한다.

UU시험은 공시체를 압밀시키지 않고 비배수 상태에서 전단하므로 함수비 변화가 없다. 따라서 점성토의 시공 직후 안정 해석에 쓰인다. CU시험은 압밀 후 비배수 전단하며, 간극수압을 측정하면 유효응력 강도정수를 얻을 수 있다. CD시험은 전 과정을 배수시켜 장기 거동을 본다.