간극수압 발생특성

왜 배우는가: 간극수압은 구속압 증가 시 연약지반의 침하와 안정성, 그리고 파괴 시 전단강도 산정을 좌우한다. 과압밀 여부와 배수 조건에 따라 간극수압의 부호와 크기가 달라지므로, 기술사 시험에서 구속압 증가 시와 파괴 시 영향인자를 구분해 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제124회 2교시 2번, 제93회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

간극수압 발생특성은 흙에 전응력 변화가 가해질 때 간극 속 물에 생기는 과잉간극수압의 크기와 방향이 흙의 종류, 응력 이력, 배수 조건에 따라 달라지는 성질을 말한다.

핵심 키워드: 과잉간극수압, Skempton 간극수압계수, B계수, A계수, Af(파괴 시 간극수압계수), 과압밀비(OCR), 비배수 조건, 유효응력

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흙에 하중을 주면 흙 입자가 바로 받지 못하는 응력이 물에 먼저 실린다. 이 물의 압력이 평소 정수압보다 더 올라간 부분을 과잉간극수압이라고 한다. 과잉간극수압이 빠져나가면 흙 입자가 받는 유효응력이 커지고, 그만큼 흙이 단단해진다.

정식 정의는 다음과 같다. 포화토에서 전응력 변화 \Delta\sigma 가 생길 때 간극수압 변화 \Delta u 는 Skempton 식으로 나타낸다. 비배수 상태에서 체적 변화가 없다는 조건에서 유도되며, 다음과 같다.

$\Delta u = B\,[\Delta\sigma_3 + A(\Delta\sigma_1-\Delta\sigma_3)]$

여기서 \Delta u 는 과잉간극수압(kPa), B 는 포화도에 따른 간극수압계수(무차원), \Delta\sigma_1,\Delta\sigma_3 는 최대·최소 주응력 증분(kPa), A 는 축차응력에 대한 간극수압계수(무차원)이다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• B계수: 흙이 포화된 정도를 나타내며, 포화토에서 B \approx 1 이다. 포화도가 낮으면 B 가 작아진다.
• A계수: 전단 중 흙이 수축하려 하면 양(+)이 되고, 팽창하려 하면 음(-)이 된다. 과압밀이 강할수록 작아진다.
• Af: 파괴 시점의 A계수다. 정규압밀 점토에서는 크고, 과압밀 점토에서는 음수가 될 수 있다.
• 과잉간극수압의 소산: 과잉간극수압이 정수압 수준으로 되돌아가는 과정이며, 배수 경로와 투수계수에 따라 시간이 결정된다.

3. 등장 배경과 필요성

구조물을 연약지반 위에 설치하면 하중 증가가 바로 침하로 나타나지 않는다. 점토층은 투수계수가 작아 과잉간극수압이 천천히 소산되므로, 장기 침하와 단기 안정성 문제가 동시에 생긴다. 따라서 설계 단계에서 간극수압의 크기와 시간 변화를 미리 추정할 필요가 생겼다.

Skempton은 비배수 조건에서 전응력 변화만으로 간극수압을 예측할 수 있도록 간극수압계수 A, B를 제안했다. 이 계수는 삼축시험 결과로 구하며, 현장의 간극수압 추정과 유효응력 해석의 출발점이 된다.

비배수 해석과 배수 해석의 구분도 여기서 생긴다. 단기 안정성은 비배수 강도와 간극수압으로 판단하고, 장기 안정성은 유효응력 강도정수로 판단한다. 구속압이 증가할 때 생기는 추가 간극수압은 이 두 해석을 연결하는 핵심 변수다.

4. 구성요소·원리·절차

간극수압은 흙의 골격(흙입자)이 받는 응력과 간극 속 물이 받는 응력으로 나뉜다. 전응력 \sigma은 유효응력 \sigma'과 간극수압 u의 합으로 표시된다.

$\sigma = \sigma' + u$

여기서 \sigma는 전응력(kPa), \sigma'는 유효응력(kPa), u는 간극수압(kPa)이다. 구속압이 증가하면 전응력 증가분 \Delta\sigma의 일부가 간극수압 증가 \Delta u로 먼저 나타난다. 배수가 일어나면 \Delta u는 소산되고 흙입자가 받는 유효응력이 커진다.

Skempton 간극수압계수는 비배수 조건에서 전응력 변화에 대한 간극수압 변화를 나타낸다. 등방 응력 증가에 대한 B와 축차응력 증가에 대한 A로 구분한다.

$\Delta u = B\left[\Delta\sigma_3 + A(\Delta\sigma_1 - \Delta\sigma_3)\right]$

\Delta\sigma_1, \Delta\sigma_3는 각각 최대·최소 주응력 증가량(kPa)이다. 포화토에서 B는 1에 가깝다. 이 식은 구속압 증가에 따른 간극수압 발생을 설명하는 기본 관계다.

구속압 증가 시 간극수압 발생 절차는 다음과 같다.

• 외부 하중으로 전응력 증가분 \Delta\sigma가 흙에 작용한다.
• 포화토는 비압축성 물이 먼저 하중을 받아 과잉간극수압 \Delta u가 순간 발생한다.
• 배수 경로(모래층, 배수층)를 따라 \Delta u가 소산된다.
• 소산된 만큼 유효응력이 증가하고 체적이 감소한다.
• 비배수 상태가 유지되면 \Delta u가 지속되어 강도가 낮아진다.

다음 흐름도는 구속압 증가에서 간극수압 소산과 강도 발현까지의 과정을 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

간극수압 발생특성은 법령이 직접 규정하는 항목이 아니라 지반공학 설계기준과 시험기준에서 다룬다. 설계에서는 KDS 기준의 사면·기초 안정 해석과 KS 시험방법(삼축압축시험, 압밀시험)을 함께 쓴다. 기준값은 다음 표로 정리한다.

표의 A_f 범위는 정규압밀점토와 과압밀점토의 일반적 경향을 나타낸 값이다. 실무에서는 구속압 조건과 시험 결과로 확정한다. 시험기준은 KS F2316(압밀시험) 등 현행 KS 시험법을 따른다. 설계기준은 KDS 기초·사면 관련 편을 따른다. 법률 조문은 간극수압 자체를 규정하지 않는다.

개정 연혁은 KDS 설계기준의 편 개편과 KS 시험법 개정으로 나뉜다. 세부 조항 번호는 이 절에서 생략한다.

6. 유형과 비교

간극수압은 응력 조건과 배수 조건에 따라 과잉간극수압과 간극수압계수로 나누어 본다. 구속압 증가 시에는 등방압밀과 편차응력 재하를 구분하고, 파괴 시에는 정규압밀 점토와 과압밀 점토의 거동 차이를 비교한다.

위 표는 같은 간극수압 발생 메커니즘이 어떤 응력 단계에서 작동하는지를 구분해 준다. 구속압 단계에서는 B 값이, 파괴 단계에서는 A 값(파괴 시 Af)이 주된 지표가 된다.

이 표는 파괴면 간극수압이 정규압밀점토(느슨한 모래) 와 과압밀점토(조밀한 모래) 에서 반대 방향으로 나타나는 이유를 보인다. 실무에서는 시료의 OCR과 상대밀도를 먼저 구분해야 한다.