개념 한 쪽
토목기사 흙의 전단특성 — 배수 조건과 UU 거동
흙의 전단특성은 배수 조건이 정한다. 완전히 배수되는 CD 시험에서는 체적이 변하며 강도가 커지고, 배수가 차단된 UU 시험에서는 포화 점토의 축차응력이 구속응력과 무관하게 일정하며, φ = 0인 점토의 비배수 전단강도는 축차응력의 절반이다.
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뜻
배수 조건에 따라 시험과 강도가 달라진다. CD 시험은 하중을 천천히 가해 과잉간극수압이 모두 빠져나간 상태로 전단하므로, 서서히 압밀이 되고 간극수압이 생기지 않거나 측정이 어려운 경우에 쓴다. CU 시험은 압밀은 허용하되 전단 중 배수를 막고 과잉간극수압을 측정한다. UU 시험은 압밀도 배수도 허용하지 않는다. 배수 조건과 시험 이름을 뒤바꾼 선지가 오답이다.
포화 점토의 UU 시험에는 불변성이 있다. 배수가 되지 않으므로 구속응력을 올려도 그만큼 간극수압이 올라 유효응력은 그대로이고, 파괴를 일으키는 축차응력도 변하지 않는다. 액압 1.0kg/cm²에서 축차압력 1.5kg/cm²로 파괴되고 간극수압이 0.5kg/cm² 생겼다면, 액압을 2.0kg/cm²로 올려도 파괴 축차압력은 1.5kg/cm²다. 구속응력이 커지면 축차응력도 커진다고 적은 선지가 오답이다. UU 시험 결과에서는 내부마찰각 φ = 0이고 점착력 c는 0이 아니다.
φ = 0인 포화 점토는 축차응력의 절반이 전단강도다. cu = (σ1 − σ3)/2이며, 일축압축시험에서는 σ3 = 0이므로 cu = qu/2다. 이 관계 때문에 일축압축강도만 재도 비배수 전단강도를 얻을 수 있다. 전단강도를 축차응력과 같다고 하거나 압축강도를 그대로 쓰는 것이 대표적인 오답이다.
전단강도는 모어-쿨롱 기준으로 잰다. 파괴 시 전단응력은 τ = c + σ·tanφ이므로, 수직응력과 전단저항을 두 번 재면 두 식을 연립해 점착력과 마찰각을 구한다.
전단 중 부피 변화도 함께 본다. 다일러턴시는 전단할 때 부피가 변하는 현상으로, 느슨한 모래는 수축하고 조밀한 모래는 팽창한다. 이 방향을 뒤집은 선지가 오답이다.
예민비가 큰 점토는 흐트러지면 강도를 크게 잃는다. 현장에서 시료를 채취하면 구조가 파괴되어 실내시험 값이 실제보다 낮아지므로, 이런 지반은 시료를 덜 흐트러뜨리는 현장시험으로 비배수 전단강도를 잰다. 예민비가 큰 연약 점토에 실내 일축압축시험이 가장 적합하다고 적은 선지가 오답이다.
예제
출제 패턴은 다섯 가지다. ① 배수 조건 — CD·CU·UU의 배수 여부를 뒤바꾼 선지가 오답이다. ② UU — 구속응력이 커지면 파괴 축차응력도 커진다고 적거나, UU 결과에서 점착력이 0이라고 적은 선지가 오답이다. ③ φ = 0 — cu = (σ1−σ3)/2 대신 σ1−σ3을 그대로 쓰거나, 일축압축강도 qu를 c로 그대로 쓴 값이 오답이다. ④ 모어-쿨롱 — τ = c + σ·tanφ에서 tanφ를 빠뜨리거나 c와 σ의 자리를 바꾼 값이 오답이다. ⑤ 다일러턴시 — 느슨한 모래의 수축과 조밀한 모래의 팽창을 뒤집은 선지가 오답이다.
자주 묻는 물음
- CD 시험은 언제 쓰나요?
- 하중이 서서히 가해져 압밀이 진행되고, 파괴도 완만하며, 간극수압이 생기지 않거나 측정이 어려운 경우에 씁니다. 배수가 완전히 허용되는 조건입니다.
- 포화 점토의 UU 시험에서 구속응력을 올리면 축차응력은 어떻게 되나요?
- 변하지 않습니다. 배수가 차단되어 구속응력 증가분이 간극수압 증가로 상쇄되므로 유효응력이 그대로이고, 파괴 축차응력도 일정합니다.
- φ = 0인 점토의 비배수 전단강도는 어떻게 구하나요?
- 축차응력의 절반인 cu = (σ1−σ3)/2로 구합니다. 일축압축시험에서는 σ3 = 0이므로 cu = qu/2입니다.
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