102. Ko 압밀(Ko consolidation)

 1) 어원

토압론에서 정지토압이란 말이 자주 사용되는데 이때 토압계수를 Ko를 사용하여 표시한다. 삼축압축시험에서 시료를 압밀할 때 측압을 조정하여 시료의 측방변위가 생기지 않도록 압밀하는 것을 Ko 압밀이라 한다.

2) 목적

보통의 압밀시험(oedometer test)은 점토층의 두께에 비하여 폭이 넓은 매립지와 같이 1차원 압밀모델로 하여 고안한 시험법이다. 이 시험에서는 시료를 금속용기에 넣고 압밀하므로 측면마찰을 받게 된다. 이 때문에 점토의 압밀특성, 특히 크리프침하에 대하여 상당히 큰 영향이 있는 것으로 알려져 있다.

따라서 1차원 압밀침하를 정확히 재현하는 시험으로서 삼축실에서 시료의 지름을 일정하게 유지하면서 압밀하는 방법이 널리 채용되고 있는데 이 방법은 1차원 압밀조건을 완전히 만족할 뿐만 아니라 간극수압 측정이나 제어가 자유로우므로 널리 이용할 가치가 있다. 또 압밀된 지반 내부의 응력경로를 규명하는 데도 이 시험의 중요한 역할을 한다고 할 수 있다. Ko 압밀이란 명칭은 1957년 Bishop 의 "Triaxial Test" 라는 책에서 Ko-test(triaxial test with no lateral strain)이란 말이 사용된 것이 널리 사용되게 되었다.

3) 정지토압계수 Ko

토압계수로서는 주동 또는 수동토압계수, Ka, Kp 가 있으며, 이들은 옹벽이 앞으로 전도될 때와 내측으로 밀릴 때에 극한상태에서 발생하는 토압을 말한다. 벽의 변위와 토압의 관계는 일반적으로 그림 102-1과 같이 된다. 여기서 양 극한 토압 Ka, Kp 사이에 벽이 이동하지 않을 때 토압, 즉 정지토압 Po 가 존재한다. 이 상태의 토압계수가 Ko 이며, 이는 또한 지표면이 수평한 지반내부 임의 지점의 수평응력과 연직응력의 비 (σn/σv)와 같은 의미를 가지며, 정지토압계수 Ko를 결정하는 것은 지반의 초기응력 상태를 결정하는 것도 된다.

4) Ko 압밀시험방법

Ko 압밀은 보통 삼축압축시험기를 이용하여 하며, 압밀현상은 오랜 시간 계속 측정해야 하므로 자동제어, 자동계측이 필요하다.

그림 103-1과 같이 양 극한 토압 Pa, Pp가 발생하기 때문에 필요한 벽의 변위량은 비교적 작으며, 작은 변위에서 토압이 급격히 변화하게 된다. 따라서 삼축시험에 의해 Ko를 정확히 측정하는 것은 쉽지 않다.

압밀중 Ko를 측정하는 방법은 몇 종류로 나누어지며, 가장 직접적인 방법은 압밀링에 직접 토압계를 붙이던가 링의 프리텐션(pretension)을 측정하여 구하는 방법이다. 이같은 방법에서는 주변 마찰의 영향을 받으므로 시료의 상하에 설치한 하중계(load cell)로 마찰력을 측정하여 그 영향에 대한 수정을 할 필요가 있다. 삼축실 내에서 시료의 직경변화를 정확히 측정하여 이를 항상 영(zero)이 되도록 측압을 제어하는 방법으로서 개발 초기에는 시료에 감은 벨트의 길이를 측정하던가, 다이얼게이지(야미 gauge)를 붙이는 등의 접촉형 계기가 사용되었다. 그러나 접촉형계기는 시료의 변형을 방해하므로 그 후 비접촉형 계기로 변하였다. 예를 들면 2개 코일의 상호 인덕턴스 변화를 측정하는 소위 soil strain gauge 가 그 대표적인 것이다. 최근에는 삼축실 안에 또 하나의 측정용 셀을 넣어 이중 셀방식으로 측방변위를 측정하는 방법이 많다. 이는 이중셀 내의 수위 변화에 의해 시료의 측방변위를 구하는 것으로 소형 컴퓨터를 사용하여 자동적으로 Ko 상태를 유지하도록 제어하는 방식이 일반화 되었다.

5) 실 예

같은 점토시료에 대하여 oedometer 와 Ko 압밀 및 등방압밀을 비교한 예는 그림 102-2와 같다. Ko 치는 Jaky 공식 Ko=1-sinφ' 로 표시되며, 그의 측정 예를 나타내면 그림 102-3과 같다.

또 Ko는 OCR의 함수관계가 있는 것으로 알려져 있으며, 그림 102-4는 그의 실측 예이다.

Ko가 파괴시 강도정수 φ'등과 관계가 있다는 것은 약간 기이한 감이 있으며 일반적으로 Ko=f(c', φ', OCR, Ip)로 나타내는 것이 이론적으로 규명되었다.

6) 문제점

삼축실에서 Ko 상태를 유지하기 위해서는 점토의 배수방향이 통상 사험과 같이 연직방향으로는 불가능하다. 압밀 진행이 일정하지 않기 때문에 배수면에 가까운데는 빨리 직경이 감소하게 된다. 보통 시료의 외주면에 필터페이퍼를 감아 반경방향으로 압밀배수한다. 이 때문에 변형방향과 배수방향이 다르게 되며 통상의 압밀시험(oedomerter test)과 다르게 된다.

2차압밀 중의 Ko 변화에 대하여는 잘 알려져 있지 않으며, 보통 일정한 값으로 취하는 경우가 많으나 차차 감소하거나 증가하는 경우도 있고 앞으로 많은 연구가 기대된다.