삼축압축시험

**삼축압축시험**(Triaxial Shear test)은 토질역학에서 흙의 전단응력을 파악하기 위해 실시하는 시험의 하나이다. 파괴면을 미리 설정하지 않고 흙 외부에서 최대, 최소 주응력을 가해서 응력차에 의해 자연적으로 전단파괴면이 생기게끔 하는 시험이다.p=395
# 특징
흙은 현장에서와 채취해서 실험실로 가져왔을 때 차이를 보이는데 삼축압축시험은 현장에서의 거동을 잘 나타내는 시험 방법이다. 따라서 연구와 설계 용도로 많이 쓰인다.p=394
# 시험 기구
오른쪽 흙 시료에 얇은 고무막을 설치한 뒤 삼축 셀 안에 집어 넣고 물을 채운다. 시료의 위아래에 다공질판이 있다. 배수조건을 조절할 수 있는 밸브가 기계 하단에 붙어 있다. 사진은 삼축압축시험기구이다.p=395 300픽셀 -
# 방법
첫째로 구속압력(confining pressure, σ3)을 준다. 구속압력은 물에 압력을 주는 것이다.p=395 둘째로 구속압력을 계속 유지시키면서 연직 방향으로 추가 하중을 주기 시작한다. 이것을 축차응력(deviatoric stress, Δσd)이라고 한다. 즉 연직응력은 \sigma_1 = \sigma_3 + \Delta \sigma_d가 된다. 배수조건에 따라 시험의 종류가 달라진다. 다음의 세 가지가 있다. 구속압력 작용 시와 축차응력 작용 시 배수조건에 따른 분류이다.p=396 {| class="wikitable" ! rowspan="2" |구분 ! colspan="2" |배수 조건 |- ! 구속압력 시 !! 축차응력 시 |- | 압밀 배수시험(Consolidated Drained Test; CD Test) || 배수 || 배수 |- | 압밀 비배수시험(Consolidated Undrained Test; CU Test) || 배수 || 비배수 |- |비압밀 비배수시험(Unconsolidated Undrained Test; UU Test) | 비배수 || 비배수 |}
## 압밀 배수시험
압밀배수시험의 구속압력 단계에선 체적수축이 일어난다. 압밀 배수시험(Consolidated Drained Test; CD Test)은 첫번째로 구속압력 단계로, 배수밸브를 연 상태로 σ3를 주고 24시간을 기다려야한다. 처음엔 과잉간극수압이 σ3를 받다가 나중이 되면 과잉간극수압이 0이 된다. 즉 물이 모두 빠져나가 흙 입자가 응력을 받을 것이고 압밀과 체적수축이 일어나 σ3' = σ3가 된다. 모래는 훨씬 빨리 압밀이 끝나고 점토는 24시간은 지나야 압밀이 완료된다. 두번째 단계는 축차응력을 주는 단계다. 이때 주의할 점은 과잉간극수압이 발생하지 않도록 아주 천천히 하중을 가해야한다는 것이다.p=397 축차응력 시에도 과잉간극수압이 0이다. 즉 가해준 모든 응력을 흙 입자가 받아야 한다. 전단 파괴가 발생할 때의 최대주응력은 :{\sigma_{1f' = \sigma_{1f} = \sigma_3 + \Delta \sigma_{df} 최소주응력은 :σ3' = σ3 구속압력을 바꿔가며 실험을 여러번 반복한다.p=398 축방향 변형률에 따른 축차응력 축방향 변형률에 따른 축차응력 과압밀점토 CD 시험결과 CD 시험에서는 가해준 응력을 모두 흙이 받으므로 전단강도를 다음 식으로 쓸 수 있다.p=400 :\tau_f = c' + {\sigma_n}' \tan \phi ' CD TEST 응력경로 -
## 압밀 비배수 시험
압밀 비배수 시험(Consolidated Undrained Test; CU Test)은 압밀 배수 시험(CD Test)와 구속응력 단계는 동일하나, 축차응력 단계에서 배수를 시키지 않는 차이가 있다.p=406 따라서 축차응력단계에서 과잉간극수압이 발생한다. :\Delta u_d = BA \Delta \sigma_d 포화 시에는 B = 1이므로 :\Delta u_d = A \Delta \sigma_d 축차응력 단계에서 흙 입자가 수축 경향을 보이면 과잉간극수압은 +, 팽창 경향을 보이면 -가 된다. 전단파괴가 일어나면 과잉간극수압은 :\Delta u_{df} = A_f \Delta \sigma_{df} Af는 파괴 시 Skempton 과잉간극수압계수이다. 파괴가 일어날 때 전응력 개념으로 최대주응력, 최소주응력을 보면 :\sigma_{1f} = \sigma_3 + \Delta \sigma_{df} :\sigma_{3f} = \sigma_3 파괴가 일어날 때 유효응력 개념으로 최대유효주응력, 최소유효주응력을 보면 :{\sigma_{1f' = \sigma_{1f} - \Delta u_{df} :{\sigma_{3f' = \sigma_{3f} - \Delta u_{df} 전응력 개념으로 시험하는 CU Test를 CU Test라고 하고, 유효응력 개념으로 시험하는 CU Test를 \overline{CU} Test라고 한다. Skempton 과잉간극수압계수는 다음 식으로 구한다.p=407 :A = \frac{\Delta u_d}{\Delta \sigma_d} :A_f = \frac{\Delta u_{df{\Delta \sigma_{df Af는 축차응력을 가할 때 체적수축 경향을 보이면 값이 커지고, 팽창 경향을 보이면 값이 작아져 음수가 될 수도 있다.p=410 CU Test 역시 CD Test와 마찬가지로 구속압력을 바꾸어가며 적어도 세 번 이상 시험한다.p=408 압밀 비배수시험의 구속압력 단계에선 체적수축이 일어난다. 축방향 변형률에 따른 축차응력 축방향 변형률에 따른 축차응력 p=410 CU 시험은 강도정수를 유효응력 개념으로 나타낼 수 있다. 즉p=409 :\tau_f = c' + {\sigma_n}' \tan \phi ' CU TEST 정규압밀점토 응력경로 CU TEST 과압밀점토 응력경로 -
## 비압밀 비배수 시험
구속압력 단계, 축차응력 단계 모두 배수시키지 않는 시험방법이다. 구속압력 단계에서 구속압력을 주면 이것을 모두 물이 받아 과잉간극수압이 발생한다.p=421 축차응력 단계에서도 배수가 일어나지 않아 가해준 응력을 모두 물이 받는다. 따라서 구속압력을 달리 해서 여러 번 실험하더라도 흙이 받는 유효응력은 일정하고, 파괴 시 축차응력 Δσdf가 구속압력에 관계없이 일정한 값을 갖게 된다.(모어원에서 반원의 크기가 모두 같다.)p=422 모어원의 크기가 같다는 것은 원들의 접선이 가로축인 σn축과 평행하다는 의미이고, 이는 기울기 φu = 0임을 의미한다. 따라서 UU 시험을 'φu = 0 조건에서의 해석'이라고 부르기도 한다. 접선의 기울기가 0인 까닭에 접선의 세로축 절편인 cu는 파괴시 전단강도와 같다. :\tau_f = c_u 이 값을 '비배수 전단강도'라고 부른다.p=423 UU Test