39. 선행압밀응력(pre-consolidation stress)

 점토 또는 모래에서는 과거에 받은 응력의 이력 차이에 따라 하중을 받을 경우 압밀거동이 현저히 다르게 나타난다. 그림 39-1의 압밀곡선과 같이 과거에 받은 최대 하중까지는 반복하중을 가해도 거의 가역적으로 응력이력을 나타내는 휨곡선을 그리며, 거동이 탄성적이다.

더욱이 과거에 받은 최대하중보다 큰 하중을 받으면 압축곡선은 최대하중 부근에서 휘어지고 처녀압축곡선으로 변형이 진행되며, 당초 하중으로 재하를 해도 회복되지 않는 소성변형이 생긴다.

즉, 지반이 정규압밀상태로 되는 응력이력을 받으면 금속재료와 같은 변형을 볼 수 있다. 여기서 압축곡선이 과압밀상태의 탄성적인 거동에서 소성적인 거동을 일으키는 정규압밀상태로 이행하는 경계의 응력을 일반적으로 선행압밀응력이라 한다.

그러나 홍적점토 등 장기간 압밀된 점토의 경우 이 값은 과거에 받은 최대하중 이상의 하중에서 항복되는 예도 있으므로 압밀항복응력이라 하는 경우도 많으며, KS에서는 Pc의 기호를, 국제토질공학회에서는 σp 로 표기하고 있다.

pc를 결정하는 방법은 일반적으로 Casagrande가 제안한 방법이 이용되고 있다. 즉 그림 39-1에서 압축곡선 상의 최소 곡율반경을 나타내는 점 B를 통과하는 수평선과 접선을 긋고 양 직선과 이루는 각의 2등분산 Bb를 구한다.

그 다음에 처녀압축곡선을 연장한 직선 1과 교점 D를 결정하고 그 응력치를 Pc로 한다. 이 방법은 압축곡선의 곡율이 중요 인자로 되기 때문에 간극비 e가 변하면 Pc도 변하므로 같은 지반에서 pc를 비교 할 때는 e 의 눈금을 일정하게하여 압축곡선을 구해야 한다.

한편, pc는 흙시료의 교란정도, 재하기간, 하중증가율 등에 따라서 영향을 받으므로 어디까지나 현장에서 1차원 압밀을 받을 경우 항복점의 근사치로서 인식되고 있다.

일반적으로 체적압축계수 mv, 압밀계수 Cv는 pccl를 경계로 변화가 크므로 pc 치를 명확히 파악해야 장래의 침하를 정확히 예측할 수 있다. 또한 그림 39-2와 같이 압축지수 Cc 및 2차 압축계수 Cα의 변화에도 pc가 크게 관계된다.

그림 39-3과 같이 pc와 유효상재하중 po의 심도별 분포를 비교하여 지반이 받은 이력을 추정할 수 있으며, pc < po 이면 미압밀지반, pc=po 이면 정규압밀지반, pc > po 이면 과압밀지반이라 부른다.

미압밀점토는 현재 1차 압밀이 진행중인 매립점토 및 퇴적속도가 느린 하구지반에서 볼 수 있으며, 또한 연안의 충적점토는 대개 정규압밀상태 또는 야간 과압밀된 상태로 되어 있는 경우가 많다.

과압밀지반은 건조, 흙의 침식작용, 지하수 변도, 지각구조 변동에 따른 측방압력의 증가 등 응력을 받을 때 생기며, 현재의 유효상재하중 po 보다 큰 하중을 받은 경험이 있는 정규압밀점토이면 pc 가 po 보다 크게 되는 jsgodgy과를 나타내는 경우도 있다.

이 선행효과 현상은 압밀기간이 긴 정규압밀점토에서 현저하게 나타난다. 또한 pc/po 가 심도방향으로 거의 일정한 것이 특징이며, 의사과압밀점토 또는 시간효과(aging)를 받은 정규압밀점토라고 부른다.

pc/po는 글미 39-4와 같이 소성지수 PI가 클수록 커지며, 또한 저응력상태에서 압밀방치시간이 길수록 흙입자간에 고결작용이 일어나므로 그림 39-5와 같은 관계식이 성립된다.

이와 같이 pc는 유효상재하중 po, 시간효과기산, 소성지수 PI 등의 인자에 따라 결정된다. 현장에서의 변형거동은 그림 39-6과 같이 A 점의 상태에 있는 지반 즉, 1차 압밀종료기간(t=tp)부터 시간이 얼마 경과되지 않은 정규압밀지반에서는 새로 유효상재하중 Δp를 걸었을 경우 압밀진행에 따라 A->D->F와 t=tp 선상을 따라 압축되고 그 후 F->H의 2차 압밀에 의한 침하가 발생한다.

그러나 같은 유효상재하중 po를 토대로 2차 압밀을 장기간 받아서 A->B로 간극비가 감소한 의사과압밀점토의 침하거동은 약간 다르다. 즉, 다시 작은 유효상재하중 Δp1를 가했을 때 일반적인 정규압밀점토보다도 신속히 압밀이 진행하며, 1차 압밀 종료시는 거의 침하가 생기지 않는 C점에 이른다.

또한 계속하여 생기는 2차 압밀의 간극비 속도 e는 A->B로 2차압밀이 진행하고 있을 때의 시간인자 t=mtp 에 해당하는 간극비 속도 eo 보다 작게 된다.

더욱이 유효상재하중 Δp2를 가할 경우 pc를 넘으면 간극수압 소산이 늦어져 C->D->E->F->H의 경로로 압밀이 진행된다.

여기서 항복점은 D점이 아니고 E점이라 할 수 있으며, 처녀압축곡선(t=tp)에서 튀어 나오는 현상이 나타난다. 이 현상과 C점에서 e 가 eo 보다 적어지는 현상을 실험적으로 발견되며, 시간효과를 받아 입자간의 고결작용이 원인으로 되고 있다.

구체적으로 이러한 점토의 pc를 구하는 압밀시험방법이 제안되고 있다. 즉, (pc-po)/3으로 po에서 pc를 초과하기까지 적은 하중증가비로 재하하고 그 전후에서는 전재하의 50%에서 100%의 응력증가분으로 재하한다.

방치기간은 각각 약 1시간, 24시간으로 하며, pc 치의 초과 여부는 압축거동 변화에 따라 판단할 수 있다.