압밀침하량

왜 배우는가: 압밀침하량은 연약지반 위 매립·성토 설계에서 장기 침하와 안정성을 판단하는 기준이므로 실무에서 가장 자주 계산하는 값이다. 시험에서는 정규압밀과 과압밀 두 경우를 나누어 e-log p 관계로 계산하는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 2교시 6번, 제137회 4교시 6번, 제131회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 압밀침하량은 포화 점성토가 하중을 받아 간극수가 배출되면서 발생하는 체적 감소에 따른 지반 침하량이다.

핵심 키워드

• 압밀침하량
• 1차 압밀
• 간극비 변화
• 압축지수(Cc)
• 재압축지수(Cr)
• 선행압밀응력
• 과압밀비(OCR)
• 정규압밀 점토

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 물에 젖은 점토에 흙을 쌓으면 점토가 조금씩 눌려 낮아지는 것이다. 흙 알갱이와 물은 거의 줄어들지 않으므로 줄어드는 부분은 알갱이 사이 빈틈(간극)이고, 빈틈의 물이 빠져나가면서 지반이 가라앉는다. 이 과정 중 처음 빠른 침하를 1차 압밀이라 하고, 과잉간극수압이 0이 된 뒤 흙 구조가 천천히 변형하는 것을 2차 압밀이라 한다.

정식 정의로는, 압밀은 포화된 점성토에 하중이 가해져 과잉간극수압이 소산되면서 유효응력이 증가하고 간극비가 감소하는 현상이다. 압밀침하량은 이 간극비 감소를 층 두께 기준의 침하량으로 환산한 값이다. 1차 압밀침하량은 과잉간극수압이 0이 된 시점의 최종 침하량을 뜻한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

간극비(e) 는 흙입자 부피에 대한 간극 부피의 비이고, 압밀로 감소한다. 압축지수(Cc) 는 e와 \log \sigma' 관계 직선의 기울기로, 정규압밀 구간의 압축성을 나타낸다. 재압축지수(Cr) 는 선행압밀응력 이하 구간의 기울기로, Cc보다 작다. 선행압밀응력(σ'_p) 은 지반이 과거에 받았던 최대 유효응력이다.

정규압밀 점토는 현재 유효응력이 선행압밀응력과 같은 상태이고, 과압밀 점토는 선행압밀응력이 현재 유효응력보다 큰 상태다. 과압밀비는 OCR = \sigma'_p / \sigma'_0 으로 정의한다.

3. 등장 배경과 필요성

연약한 해안 매립지나 점토 지반에 성토를 하면 수년에서 수십 년에 걸쳐 침하가 진행된다. 침하가 설계 허용치를 넘으면 구조물 균열, 배수 불량, 도로 단차가 생긴다. 따라서 공사 전에 침하량과 소요시간을 예측해야 한다.

압밀 이론은 Terzaghi가 1차원 압밀 이론을 정립하면서 체계화되었다. 이 이론으로 침하량은 e-log p 시험(압밀시험) 결과에서 구하고, 시간은 압밀계수 C_v 로 예측한다. 그래서 침하량 산정은 압밀시험, 압밀계수, 평균압밀도와 함께 묶여서 출제된다.

과압밀 지반에서는 같은 하중이라도 침하가 훨씬 작다. 지반이 과거에 큰 하중을 받았는지 판단하는 것이 침하 계산의 출발점이다. 그래서 선행압밀응력과 OCR을 먼저 구하는 것이 답안의 기본 순서가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

압밀침하는 포화된 점성토에 하중이 가해지면 과잉간극수압이 생기고, 이 물이 배수되면서 흙입자가 받는 유효응력이 증가해 간극비가 줄어드는 현상이다. 기본 원리는 Terzaghi의 유효응력 식 \sigma' = \sigma - u 이다. 1차 압밀침하는 과잉간극수압이 0이 될 때까지의 체적 감소를 뜻하며, 2차 압밀은 1차가 끝난 뒤 흙 구조의 소성 변형으로 생기므로 이 절의 계산 대상이 아니다.

압밀침하량은 e-logσ' 곡선의 압축지수와 간극비 변화로 계산한다.