압밀시험

왜 배우는가: 압밀시험은 점성토 지반의 침하량과 침하속도를 실내에서 구하는 기본 시험이다. 압밀정수는 설계 침하 계산과 연약지반 개량 기간 산정의 입력값이 되므로 실무에서 계속 쓰인다. 시험에서도 방법, 결과 활용, 현장 조건과의 연결 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제138회 4교시 2번, 제128회 2교시 1번, 제127회 3교시 2번, 제104회 2교시 1번, 제95회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

압밀시험은 포화된 점성토 시료에 하중을 단계적으로 가하여 시간에 따른 체적(간극비) 변화를 측정하고, 이로부터 압밀정수와 압밀침하 특성을 구하는 실내시험이다.

• 압밀시험, Terzaghi 1차 압밀이론, 과잉간극수압, 유효응력
• 압축지수, 체적압축계수, 압밀계수, 선행압밀하중
• 1차 압밀, 2차 압축, 표준압밀시험

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흙에 하중을 가하면 물이 빠져나가면서 흙이 천천히 줄어든다. 압밀시험은 이 과정을 실험실에서 재현한다. 시료를 압밀링에 넣고 단계별 하중을 주어 시간-변형량 곡선을 얻는다.

정식 정의로는 압밀(Consolidation)을 포화토가 하중을 받아 과잉간극수압이 소산되고, 그만큼 유효응력이 증가하여 체적이 감소하는 현상으로 본다. Terzaghi는 이를 물이 공기로 치환되지 않고 포화토의 함수비가 감소하는 과정으로 정의했다.

과잉간극수압은 추가응력으로 생긴 간극수압 증가분이다. 배수 조건에서 이 값이 0으로 소산되면 유효응력이 전부 흙 골격에 걸린다. 점토는 투수계수가 작아 소산이 오래 걸린다.

1차 압밀은 과잉간극수압 소산에 따른 침하다. 2차 압축은 1차 압밀이 끝난 뒤 유효응력이 거의 일정한 상태에서 흙 구조가 재배열되며 계속 일어나는 침하다. 2차 압축은 시간에 의존하며 천천히 진행된다.

압밀시험은 Terzaghi의 1차 압밀이론에 근거한다. 이 이론은 1차원 배수, 균질한 시료, 소성변형 없음 등을 가정한다. 시험 결과인 간극비-압력 곡선과 시간-변형 곡선으로 압밀정수를 얻는다.

압밀압력 단계는 2배씩 증가하는 것이 일반적이다. 압밀링 내 시료는 다공질판으로 상하 배수된다.

3. 등장 배경과 필요성

점성토 지반에 구조물을 세우면 침하가 장기간 계속된다. 사질토는 하중과 동시에 침하가 끝나지만, 점성토는 배수가 느려 수년에서 수십 년이 걸릴 수 있다. 설계에서는 최종 침하량과 침하 시간을 함께 알아야 한다.

현장 지반을 직접 압밀 시켜 보기는 어렵다. 그래서 채취한 불교란 시료를 실험실에서 재하하여 압축 특성을 측정하는 방법이 필요해졌다. 압밀시험은 이 요구에서 출발했다.

압밀시험으로 얻는 값은 침하량 계산과 연약지반 처리 설계에 함께 쓰인다. 선행압밀하중은 현재 응력과 비교해 과압밀 상태를 판단하는 기준이 된다. 압밀계수는 압밀 소요시간 예측에 쓰인다. 프리로딩, 샌드드레인, 페이퍼드레인 공법 설계가 이 자료에 의존한다.

따라서 압밀시험은 단순한 재료시험이 아니라 침하 예측과 공기 산정의 출발점이다. 시험 결과의 정확도가 설계 결과를 좌우하므로 시료 교란과 시험 절차 관리가 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

압밀시험은 공시체를 압밀링에 넣고 상하 배수 조건에서 단계별로 하중을 재하하여 시간에 따른 변형량을 측정하는 시험이다. 시험 장치의 구성요소와 시험에서 얻는 값의 관계를 이해하면 압밀 해석과 연결하기 쉽다.