수압파쇄

수압파쇄의 정의

수압파쇄는 지반 내부의 간극수압이 흙이나 암반에 인장균열을 만드는 현상이다.

간극수압이 최소 주응력과 인장강도의 합을 넘으면 일어난다.

특히 필댐의 코어와 차수벽 내부에서 중요하게 검토된다.

유효응력 원리

유효응력은 전응력에서 간극수압을 뺀 값이다.

식으로 쓰면 σ′ = σ − u이고, σ′는 흙 골격이 받는 응력이다.

간극수압 u가 커지면 유효응력이 줄고, 전단강도와 인장저항도 함께 줄어든다.

이것이 수압파쇄를 일으키는 핵심 원리다.

수압파쇄 판정 조건

수압파쇄는 간극수압이 최소 주응력과 인장강도의 합 이상이 될 때 생긴다.

이때 흙은 전단이 아니라 인장으로 파괴된다.

흙은 인장강도가 작으므로 작은 간극수압 증가로도 균열이 생길 수 있다.

직접 풀어 보자.

계산 예제

앞 문제는 300이 250 이상이므로 조건을 만족한다.

가상으로 깊이 20 m 암반을 생각한다. 암반 단위중량은 25 kN/m³이다.

연직 전응력은 500 kPa이고, 간극수압은 196.2 kPa이다. 유효응력은 303.8 kPa이다.

최소 주응력은 연직응력의 0.8배인 400 kPa로 가정하고, 인장강도는 2 MPa로 둔다.

이때 주입 압력이 약 2.2 MPa 이상이어야 파쇄가 시작된다.

파이핑과 구별

가장 흔한 실수는 수압파쇄를 파이핑과 같은 현상으로 설명하는 것이다.

수압파쇄는 상류 쪽 수압이 흙의 인장 저항을 넘어 내부에 균열을 만드는 현상이다.

파이핑은 하류 출구에서 동수경사가 한계를 넘어 흙이 세굴되는 현상이다.

두 현상은 발생 위치와 메커니즘이 다르므로 구별해서 써야 한다.

방지 대책과 정리

필댐에서는 수압파쇄 방지가 핵심이다. 코어 재료 선정과 다짐을 철저히 한다.

필터와 배수층으로 간극수압이 쌓이지 않게 하고, 담수 속도를 조절한다.

간극수압을 계측해 초기 이상을 잡고, 결과가 한계에 가까우면 저수위를 낮춘다.

정리하면 수압파쇄는 간극수압 상승으로 유효응력이 줄어 생기는 현상이다.

답안은 원인과 대책을 짝지어 쓰면 감점을 피할 수 있다.