27. 모래의 강도 이방성(strength anisotropy of sand)

 과거 토질역학은 흙으 등방성을 전제로 하여 취급하는 경우가 많았다. 모래의 경우 거의 구형으로 보이는 입자로 되어 있기 때문에 등방성을 전제는 극히 당연한 것으로 생각했다. 그러나 지질학 분야에서 모래의 구성입자는 반드시 구형이 아니고 토적조건에 따라 탁월한 배열성을 나타낸다는 것은 일찍이 알려진 사실이다.

모래의 구조이방성은 최근의 연구에 의하면 2가지 형태로 구분되는데 ⓐ 입자장축의 정방향 배열에 의한 것. ⓑ 입자간 접점에서 수직선의 탁월 배열에 의한 것이다. 둥근입자로 구성된 모래에서는 ⓐⓑ형태의 이방성이 가능하며 보통 공존하는 것으로 본다. 한편 구형입자 집합체에서는 ⓐ형태의 이방성은 불가능하며, ⓑ형태의 이방성은 가능하다(예를 들면 구형입자 집합체의 구조이방성 Kallstenius & Bergan에 의해 보고되었다). 하천, 사구 등의 대표적인 모래지반은 구조이방성의 특징을 갖고 있으므로 모래로 대표되는 입상토는 일반적으로 어떠한 구조이방성을 갖는다고 생각하는 데는 이견이 없다.

구조이방성은 취급방법에 따라 ㉮ 초기이방성(inherent anisotrophy)과 ㉯ 유도이방성(induced anisotrophy)으로 구별되며, 전자는 주로 중력작용에 의한 것으로 퇴적과 동시에 발생하는 이방성이다. 후자는 퇴적 후 응력상태의 변화에 따라 생기는 것이다. 그러나 실제로 나타나는 구조이방성을 Inherent 인가 Inducd 인가로 구분하는 것은 곤란한 경우가 많다.

삼축압축시험에서는 퇴적면(입자장축이 탁월하게 배향하는 면)의 수직방향으로 압축하면 가장 강하고 평행한 방향은 가장 약하다. 이방성에 따른 강도변화는 내부마찰각으로 환산하면 2∼3° 정도이다. 평면변형시험인 경우 퇴적면의 수직방향이 가장 큰 것은 삼축압축시험과 같으며, 퇴적면에 20∼30° 방향의 압축에서 최소 강도가 되며, 한편 이방성에 따른 강도변화는 4∼8° 에 이른다.

그림 27-1은 豊浦표준사(간극비 e = 0.66∼0.68), 析木砂(e = 0.74∼0.75), 유리구설( e = 0.59∼0.64)을 예로 하여 평면변형시험에서 강도이방성을 나타낸 것이다

봉상입자로 된 豊浦표준사가 강도이방성을 나타내는 것은 당연하지만 유리구슬의 현저한 강도이방성은 의외이다. 앞서 기술한 바와 같이 구상입자로 된 유리구슬에서도 ⓑ 형태의 구조이방성을 갖고 있으며, 이는 강도이방성에 중요한 영향을 미친다.

강도이방성의 크기는 구성입자의 형상, 모래입자의 퇴적조건, 시험조건 등에 따라 변한다. 이같은 강도이방성은 모래의 실내시험을 해석하는 경우나 지지력, 토압문제를 검토할 때 충분히 고려하여야 한다.

그림 27-2는 소형토조(30X20X7 cm)에 의한 지지력실험 예로서 모래의 강도이방성의 중요함을 밝히고 있다.

즉, 퇴적면 방향과 푸팅에 의한 재하방향과 이루는 각 α를 0∼90°의 범위로 변화시켜 그 각각에 대하여 지지력시험을 한 것이다.

그림 豊浦표준사(간극비 e = 0.64∼0.67)의 극한지지력 qu 일 때 α에 대하여 나타낸 것으로 α = 0 일 때의 극한지지력은 α = 90° 일 때 지지력의 65%에 해당한다. 이같은 사실은 극한지지력 등의 문제에도 모래의 강도이방성의 영향을 고려하여야 함을 의미하고 있다.