삼축압축시험

왜 배우는가: 삼축압축시험은 흙의 전단강도정수(c, φ)와 간극수압 거동을 실내에서 가장 체계적으로 구하는 시험이라서, 현장 설계 단계(단기 안정, 장기 안정, 사면·옹벽·기초 지지력)에서 배수조건을 어떻게 설정할지 판단하는 기준이 된다. 토질및기초기술사 시험에서는 UU·CU·CD 구분, 응력경로, 간극수압계수 계산을 묶어서 반복 출제된다.

출제 이력: 제131회 4교시 6번, 제130회 1교시 8번, 제128회 3교시 1번, 제115회 2교시 4번, 제108회 4교시 1번, 제104회 3교시 2번, 제91회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

삼축압축시험은 원주형 공시체에 구속압력을 가한 뒤 축하중을 증가시켜 흙을 전단파괴시키고, 배수조건에 따라 전단강도정수를 구하는 실내 시험이다.

• 삼축압축시험(Triaxial Compression Test)
• 구속압력(Confining Pressure, σ₃)
• 배수조건(Drainage Condition)
• 간극수압(Pore Water Pressure, u)
• 유효응력(Effective Stress, σ′)
• Skempton 간극수압계수(A, B)
• 점착력·내부마찰각(c, φ)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흙을 고무막에 싸서 물이 찬 압력실 안에 넣고 옆에서 누르면서 위에서 눌러 부수는 시험이다. 옆에서 누르는 힘이 구속압력이고, 위에서 누르는 힘이 축차응력이다. 파괴 순간의 두 응력으로 모어원을 그리면 파괴포락선에서 강도정수가 나온다.

정식 정의는 다음과 같다. 삼축압축시험은 포화된 원주형 공시체를 등방 또는 비등방 구속응력 아래에서 압밀한 뒤, 배수 또는 비배수 조건으로 축방향 재하를 가해 파괴시키는 시험이다. 시험 중 배수 밸브의 개폐가 결과를 좌우한다.

배수(Drainage)는 공시체 안의 물이 밸브를 통해 빠져나가게 하는 것이다. 배수를 허용하면 과잉간극수압이 소산되어 유효응력이 그대로 남는다. 비배수(Undrained)는 물의 출입을 막아 과잉간극수압이 생기게 하는 것이다. 이때 파괴 시 전응력과 유효응력 경로가 달라진다.

압밀(Consolidation)은 구속응력을 가해 과잉간극수압을 소산시키고 체적을 줄이는 과정이다. 압밀을 하면 공시체가 현장 응력 상태에 가까워진다. 압밀을 생략하면 현장의 초기 상태와 달라진다.

포화도 확인은 시험 신뢰도의 출발점이다. Skempton B값이 거의 1에 가까워야 공시체가 충분히 포화되었다고 본다. 포화가 덜 되면 간극수압 측정값이 실제와 어긋난다.

3. 등장 배경과 필요성

일축압축시험은 측압이 0인 특수한 경우라서 흙의 전단저항을 대표하기 어렵다. 직접전단시험은 파괴면이 강제로 지정되고 배수 조건을 조절하기 어렵다. 이런 한계를 보완하려고 측압을 임의로 주고 배수조건을 나누어 시험하는 삼축압축시험이 발전했다.

측압 0 조건에서 얻는 비배수 강도는 점성토 단기 안정 검토에 쓰이지만, 측압 조건과 배수 방식을 바꾸면 장기 안정이나 사질토 거동까지 평가할 수 있다. 실무에서는 설계 시기와 지반 종류에 따라 시험 조건을 골라야 한다. 삼축시험은 이 선택을 가능하게 하는 시험이라서 설계 근거의 중심에 놓인다.

현장에서 연약 점성토에 성토를 하면 시간에 따라 간극수압이 변한다. 시공 직후에는 비배수 강도가 중요하고, 압밀이 끝난 뒤에는 배수 강도가 중요하다. 삼축압축시험은 이 두 시점을 각각 재현하도록 UU, CU, CD 등으로 구분된다.