Terzaghi 압밀방정식
Terzaghi 압밀방정식은 포화된 점성토층에서 과잉간극수압이 소산되는 과정을 1차원으로 나타낸 편미분방정식이다. 핵심은 과잉간극수압, 압밀계수, 시간계수, 최대 배수거리, 압밀도다. 이 다섯 용어가 식과 계산에서 어떻게 연결되는지 차례로 본다. 점토는 입자가 작아…
주요 장면
대본
정의와 핵심 개념
Terzaghi 압밀방정식은 포화된 점성토층에서 과잉간극수압이 소산되는 과정을 1차원으로 나타낸 편미분방정식이다.
핵심은 과잉간극수압, 압밀계수, 시간계수, 최대 배수거리, 압밀도다.
이 다섯 용어가 식과 계산에서 어떻게 연결되는지 차례로 본다.
물이 빠져야 줄어드는 점토
점토는 입자가 작아 투수계수가 낮다. 그래서 하중을 받으면 간극수가 빠지는 데 시간이 걸린다.
하중 직후에는 물이 하중을 떠받치고, 물이 빠지면서 흙 알갱이가 하중을 떠맡는다.
이 과정이 과잉간극수압의 소산과 유효응력의 증가이며, 이를 수식으로 나타낸 것이 압밀방정식이다.
좌변은 과잉간극수압의 시간 변화, 우변은 깊이 방향 변화를 나타낸다.
cv가 클수록, 즉 투수성이 좋고 압축성이 작을수록 압밀은 빨리 진행된다.
배수거리와 시간계수
Terzaghi 식의 시간계수 Tv는 시간을 배수거리 제곱으로 나눈 무차원수다.
배수거리 Hdr은 물이 배수층까지 흘러야 하는 가장 긴 거리다.
단면배수는 Hdr이 층 두께 H와 같고, 양면배수는 Hdr이 H의 절반이다.
Hdr이 절반이면 Tv는 4배가 되어 시간이 약 1/4로 줄어든다. 배수거리 계산을 잘못하면 결과가 크게 틀어진다.
압밀도와 근사식
압밀도 U는 현재까지 소산된 과잉간극수압 또는 침하량의 비율이다.
U가 60% 이하이면 Tv = (π/4)U² 근사식을, 60%를 넘으면 로그 식을 쓴다.
압밀도 50%에 대응하는 시간계수는 0.197, 95%에 대응하는 값은 1.129이다.
직접 풀어 보자. 양면배수 층의 두께가 4m이면 배수거리는 얼마인가?
계산 예제
하부가 불투수층이므로 단면배수다. 배수거리 Hdr은 두께 4m와 같다.
재하 2년 후의 시간계수는 Tv = 1.5 × 2 / 4² = 0.1875다.
Tv가 0.6보다 작으므로 근사식을 쓴다. U = √(4Tv/π)로 구하면 약 48.9%다.
따라서 침하량은 최종침하 100 mm의 48.9%인 약 48.9 mm다.
앞 문제의 정답은 2m다. 양면배수이면 배수거리는 두께의 절반이다.
시험 포인트 정리
시간계수는 시간을 배수거리 제곱으로 나눈 무차원수다.
압밀도 60% 이하는 π/4 근사식, 60%를 넘으면 로그 식을 쓴다.
양면배수에서 배수거리를 층 두께 그대로 잡으면 시간이 크게 틀어진다.
이론은 cv가 일정하고 2차압밀을 무시하므로 침하속도 예측에 오차가 크다.
채점에서는 계산과 함께 가정의 한계를 설명하는 답안이 높이 평가된다.