침투수력의 이해

침투수력의 정의

침투수력은 흙 속을 흐르는 물이 흙 입자에 작용하는 끌림힘이다.

흐름 방향으로 작용하며, 단위 체적당 크기는 동수경사와 물의 단위중량을 곱한 값이다.

식으로 쓰면 j = i·γw 이고, 단위는 kN/m³이다.

상향 침투와 하향 침투

물의 흐름 방향에 따라 침투수력의 방향이 정해진다.

하향 침투는 침투수력이 중력과 같은 방향이라 유효응력을 늘린다.

상향 침투는 반대로 작용하여 유효응력을 줄인다.

그래서 굴착 저면과 널말뚝 하류에서 상향 침투를 특히 주의한다.

한계동수경사와 분사현상

상향 침투에서 흙의 유효응력이 0이 되는 조건이 한계 상태다.

침투수력이 흙의 수중 단위중량과 같아지면 한계 상태가 된다.

γ′ = (G−1)γw/(1+e)를 대입하면 i_c = (G−1)/(1+e)가 된다.

이 값에 도달하면 사질토는 전단강도를 잃고 흙이 액체처럼 움직인다.

이 현상을 분사현상이라 하며, 사질토 상향 침투에서 발생한다.

계산 예제

예제로 간극비 0.67, 비중 2.67인 흙의 한계동수경사를 구한다.

식에 대입하면 1.67 ÷ 1.67 이므로 한계동수경사는 1.00이다.

다음은 침투수력이다. 수두차 1.0m, 흐름 길이 2.0m이면 i는 0.5다.

j = 0.5 × 9.81 = 4.9 kN/m³이며, 이 값을 수중 단위중량과 비교한다.

상향 동수경사가 1에 도달하면 사질토는 유효응력을 잃는다.

분사·히빙·파이핑 비교

지반 파괴 현상을 원인과 판단 기준으로 나란히 비교한다.

분사현상은 상향 침투수력이 원인이며 동수경사가 한계동수경사 이상일 때 발생한다.

히빙은 배면 토사 중량이 굴착 저면 지지력을 넘을 때 연약 점토에서 생긴다.

파이핑은 수두차에 의한 세굴로 관로가 형성되는 현상이다.

정리

정리한다. 침투수력은 동수경사에 비례하고 흐름 방향으로 작용한다.

상향 침투는 유효응력을 줄이고, 하향 침투는 유효응력을 늘린다.

답안에는 한계동수경사 식과 조건 i ≥ i_c 를 함께 쓴다.

시험에서는 침투 방향, 한계동수경사, 분사현상, 히빙을 연결해 설명한다.

직접 풀기

직접 풀어 보자. 상향 침투의 침투수력은 위 방향으로 작용한다.

정지 상태와 비교해 유효응력이 어떻게 변하는지 골라 보자.

정답은 감소다. 위로 작용하는 침투수력이 유효응력을 줄인다.