30. 반복단순전단시험(repeated simple shear test)

 단순전단시험은 원통 또는 직 6면체를 사용하여 평면변형 상태로 그림 30-1과 같이 공시체 상면 ab에 수직력과 전단력을 재하하여 공시체에 같은 전단변형을 발생시켜 전단력과 전단변형의 관계 및 전단강도를 구하는 시험이다.

시험장치는 원주공시체를 알루미늄 링으로 보강한 고무 슬리브로 둘러 싸는 방식과 직 6면체 공시체를 강판에 억지시키는 방법 등이 있다. 반복단순시험은 수평지반에 수평전단 지진동이 아래 쪽으로 작용할 때 등에 생기는 응력변형 상태를 재현하는 가장 간단한 시험방법으로 사용되고 있다.

시험기는 전술한 각종 형식에 기계식, 공기압식, 유압식의 반복재하장치를 설치한 것으로서 시험목적은 반복전단에 대한 전단강성, 감쇄특성, 액상화를 포함한 동적강도, 침하 또는 다짐 특성을 구하는 경우가 많다.

반복단순전단시험의 원리는 외적변형을 구속하면서 응력-변형 상태를 같게 하는 것이다. 그러나 실제로는 수평면에 전단력을 가할 때 이와 같은 전단력이 측면에 작용하지 않으므로 같은 변형으로 되지 않고 또한 수직응력의 분포가 같지 않은 것(그림 30-2 참조)이 중대한 문제점이 되고 있다.

이것은 공시체의 물성, 형상, 경계조건을 여러 가지로 가정한 몇 개의 해석결과 및 캠브리지형 전단시험기의 전단상자 내부에 설치한 수직력, 전단력 하중계에 의하여 공시체에 작용하는 응력을 실측한 결과로 표시되고 있다.

이와 같은 결과를 가지고 동일 응력상태에서 마찰이 큰 측방부분을 제외한 중앙부의 응력, 변형상태를 측정하는 방법이 이용되는 경우도 있으나 보통의 장치에서는 상기의 원리상 문제점은 인식되면서도 공시체에 작용하는 평균응력 및 평균변형에 의하여 시험결과를 정히하는 것이 일반적이다.

이러한 원리상의 문제점 외에 반복단순전단시험의 특징은 다음과 같다.

1) 이 시험에서 일반적으로 직접 산정되는 응력은 공시체 상하단면에  작용하는 수직응력(σy) 과 전단응력(τyx)이다. 이 값은 공시체 상하단면 및 내부에서 수직응력의 전단응력이 균일하게 분포한다고 가정하여 구한다.

흙의 동적 거동에서는 연직방향의 수직응력과 함께 수평방향 수직응력도 중요한 역할을 한다는 것이 알려져 있으며, 특수 연구를 한 반복단순전단시험기 이외에서 이 값은 구해지지 않으므로 가정 또는 어떠한 이론적인 방법이 필요하다.

2) 공시체에 대한 측방경계조건은 측방변위를 구속하는 것이며, 보통의 삼축시험과 같이 응력을 제어하는 것이 아니다. 따라서 전단 전의 응력상태는 측방변위가 구속된 K0 응력상태에 있으며, 일반적으로 연직응력과 측방응력과는 다르다.

또한 과압밀공시체를 만들기 위하여 연직하중을 제하하는 경우가 있는데 이 때는 측방구속조건이므로 K0 치는 당초의 값보다 커져 과압밀비와 K0 치는 독립으로 설정할 수 없다.

측방변위가 구속되어 있기 때문에 정적 또는 반복전단시험에 의하여 측방응력은 압밀시의 값으로 변화한다.

3) 전술한 수평면과 측면의 전단응력이 같지 않기 때문에 생기는 응력의 불균일 및 측방응력의 변화를 무시하면 반복전단 주의 평균 주응력 변화는 적다고 할 수 있다.

전자의 응력 불균일은 공시체에 국부적으로 반복압축을 주는 것에 해당한다고 고려되어 액상화특성을 구할 경우는 읷이 액상화회수를 저감시키도록 작용하는 것으로 생각된다.

4) 사질토의 액상화시험을 포화상태로 할 경우는 SGI 또는 NGI 형 구속맴브레인의 내부 압력이 외부압력보다 상당히 크게 되었을 때에 멤브레인의 고정부로부터 누수 및 멤브레인 자체의 파손이 생기는 경우가 있다.

이것을 피하기 위하여 일반적으로 이용되는 방법은 공시체를 압력실에 멤브레인으로 씌워 넣고 반복전단시험을 할 경우에 연직응력과 같은 측압을 재하하는 방법이 있으나 이때 생기는 공시체의 응력상태는 측압을 가하지 않은 상태와 다르게 된다.

이를 피하기 위한 다른 방법으로서는 건조한 모래를 사용하여 연직변위 및 측방변위를 구속하는 등체적 전단시험법이 있다. 이 경우에는 등체적조건을 유지하기 위한 연직응력의 감소가 포화비배수조건에서의 과잉간극수압에 해당한다.

또한 이와 같은 방법을 특별한 전단상자 및 보강멤브레인을 사용치 않은 공시체를 압력실에 넣고 연직변위를 구속하고 또한 압력실의 물 출입을 억지하여 등체적, 측방변위 구속조건을 만족시키도록 하는 방법도 있다.

반복단순전단시험기에는 전술한 바와 같이 몇 가지의 문제점, 시험방법이 있으며, 현재로서는 표준화되어 있지 않다.

한편 이 시험에 사용하는 공시체는 높이가 작으므로 길이가 큰 불교란 시료를 얻기 어려울 경우에 편리하며, 실제의 지반 내에서는 지진시에 생기는 주응력 방향의 연속적인 변화를 간단히 줄 수 있는 시험법이다.

이 시험이 의도하는 바와 같이 변형을 발생시키고 또한 수평면에 전단응력을 증가할 때 공시체의 연직면에 공역인 전단력을 작용시킬 수 있는 시험장치로서 최근 연구에 널리 사용되고 있으며, 시험기의 중실 또는 중공원통 공시체의 상하단면에서 원주방향으로 우력을 가하는 비틀림 전단시험기로서 반복재하에도 이용되고 있다.