66. 압축과 압밀(compression and consolidation)

   가. 압축과 압밀

 압축이라는 용어는 두가지로 분류되고 있는데, 그 하나는 팽창과 대응되는 말로서 외력의 작용에 의해 체적이 감소하는 것을 말하며, 다른 하나는 신장과 대응되는 말로서 체적변화에 관계없는 선소가 줄어드는 것을 말한다. 압밀에 관련하여 압축을 말하는 경우는 전자의 경우이며, 전단변형에 관련하여 압축을 하는 경우는 후자의 경우에 해당된다.

점토가 외력을 받아 배수와 함께 체적이 감소할 때, 점토는 투수성이 작기 때문에 배수되는데 시간이 걸리고, 결과적으로 압축은 시간경과에 따라 생긴다. 이 이 같이 압축이 배수로 인하여 시간적으로 지연되는 현상을 압밀이라 한다.

이것은 토질역학에서 압밀의 정의이고, 이와 관련하여 지질학에서 말하는 Consolidation은 연약하거나 액체상의 흙이 어떤 작용에 의해 고결하는 현상을 말하는데 Compaction 하여도 배수에 의한 압축의 시간적 경과에 무관한 점으로 토질역학에서 말하는 압밀과는 그 의미가  크게 차이가 있다. 예를 들면, 점토의 응력-변형 관계를 나타낸 곡선을 전자에서는 압밀곡선이라고 하고 후자에서는 압축곡선이라 부른다.

토질역학에서 말하는 압밀곡선은 체적감소를 표현하는 양(침하량, 간극수압 등)과 시간 관계를 나타내는 곡선을 말한다. 물론 이 시간은 간극수의 점성에 의한 지연시간이다. 토질역에 있어서도 e-p 곡선을 압축곡선이라 부르면서 압축곡선의 설명에 "압축"을 사용하지 않고 "압밀"을 사용한다. 예를 들면, 선행압밀응력이라고 하지만, 선행압축응력이라고는 하지 않는다. 또한 과압밀점토도 과압축점토라고 하지 않는다.

   나. 압밀현상

 포화점토지반에서의 압밀현상은 투수현상과 변형현상이 서로 얽혀져 생기는 현상이고, 그 메커니즘을 설명한 것이 압밀이론이다. 압밀이론은 이론을 정립할 때 투수특성과 변형특성이 모델화되어 도입되었는데 투수특성의 모델화는 간극수의 흐름이 Darcy의 흐름에 따른 경우와 비 Darcy의 흐름에 따른 경우로, 또한 변형특성의 모델화는 흙의 골조 변화를 탄성적으로 보는 경우와 비탄성적으로 보는 경우로 각각 크게 구분된다. 이 경우 지연탄성과 같이 비이상탄성도 비탄성의 범주에 넣어 고려한다. 이같이 구분하면 대표적 모델은 투수와 변형 두 종류이며, 투수모델의 하나와 변형모델의 하나가 선택되어 압밀이론 구성에 사용되는 것이다.

종래부터 투수특성보다도 변형특성을 중요시 하여 변형특성에 탄성모델을 채용한 것을 탄성압밀이론이라 하고, 비탄성모델을 채용한 것을 비탄성압밀이론이라 부르지 않고, 2차압밀이론이라 부르고 있다. 이것은 Terzaghi 이래 관습으로서 실험실에서의 압밀침하곡선 중 Terzaghi 이론(탄성압밀이론)에 비교적 합치된 압밀초기를 1차압밀이라 부르고 Terzaghi 이론과 현저한 차이를 보이는 압밀종기를 2차압밀이라 부른 것에 유래한다.

현재, 2차압밀이론은 압밀종기만을 문제로 하는 것은 아니고, 압밀 전과정을 문제로 하므로 변형특성에 비탄성모델을 채용한 것을 2차압밀이론이라 부르는 것은 적절하지 아니한 생각이다. 탄성압밀이론에서는 투수특성으로서 Darcy 흐름의 채용이 보통이고, 특수한 연구목적 외에는 탄성과 비 Darcy 흐름의 조합이 채용되지 않고 있다. 2차압밀이론에서도 결국 Darcy의 흐름 채용이 압도적이고 현재의 경우 비 Darcy 흐름을 도입한 압밀이론은 드물다. 가장 기초적인 압밀 메커니즘은 탄성압밀이론인데 그 대표의 한 사람인 Terzaghi는 압밀 메커니즘을 다음과 같이 설명했다.

점토층에 압밀응력을 가하면 압밀응력과 같은 간극수압이 발생하며, 배수가 진행되면 간극수가 부담하는 압밀응력은 점토 골조에 전가되어 점토는 압축된다. 이 간극수로부터 흙의 골조로의 압밀응력 전가는 열전도와 같이 확산이라는 메커니즘으로 이행한다. 즉, 압밀은 확산현상을 말한다.

Terzaghi 의 이론은 1차원압밀에 관하여 한정하고, 일반적으로 압밀은 확산현상적인 측면을 가지고 있다. 그러나, 압밀은 열전도와 같은 단순한 확산현상은 아니다.

그 의문의 하나는 압밀응력에 있어 1차원압밀에서는 연직전응력이 압밀응력이고 이와 동등한 초기간극수압이 발생한다. 그러나 3차원압밀에서는 연직전응력과 동등한 초기간극수압은 발생하지 않는다.

의문의 또 하나는 등방응력만으로 저항하는 간극수로부터 이방응력도 저항하는 흙 골조로의 응력전가 문제인데 이 이방성 문제는 열전도에 의한 단순확산의 문제는 아니라는 것이다.

그래서 1963년 Cryer 는 Biot 의 압밀이론에 근거로 구의 문제에 해를 부여하여, 단순한 확산현상에는 결코 일어날 수 없는 Mandel-Cryer 효과라 부르는 현상이 있다는 것을 나타내었다. 따라서 압밀이 단순한 확산현상이 아니라는 것이 밝혀졌으나 Mandel-Cryer 효과가 어떤 메커니즘에 의하여 발생하는지는 밝혀내지 못했다.

이로써 압밀현상이란 어떠한 현상인가의 문제는 Terzaghi 이래 반 세기가 경과한 지금도 새로운 문제로 되어있고, 많은 사람들이 그 문제에 해답을 찾으려고 노력하고 있다.

그래서 점토보다 복잡한 특성, 즉 지연탄성, 응력완화 또는 다이레이턴시 등의 특성을 포함한 압밀의 메커니즘은 2차압밀론의 영역의 문제이다.