유효응력 지중응력

유효응력과 지중응력 즉, 지반내 응력에 대해서 정리해보겠습니다.

 

 

1. 유효응력의 정의

흙은 물이나 공기로 채워진 연속된 공극으로 둘러싸인 흙입자들의 골조로 이루어집니다. 흙입자와 물은 비압축성으로 공기는 압출성입니다. 전단응력은 토립자의 접촉점으로 전달되는 힘을 통해 흙입자 골조에 의해 저항되는 힘이며 수직응력은 입자간의 힘 증가를 통해 흙 골조에 의해 저항됩니다. 완전포화토에서는 공극을 채우고 있는 물도 수직응력에 저항하게 됩니다.

 

2. 유효응력의 원리

1923년 Terzaghi는 유효응력원리를 발표하였습니다. 유효응력은 완전포화토에서만 적용하며 전응력은 간극수압과 유효수직응력의 합입니다. 간극수압은 흙 입자 사이 공극을 채우고 있는 물의 압력이며 유효수직응력은 흙 골조로만 전달되는 응력을 의미합니다.

 

3. 흙의 자중에 의한 유효연직응력

지하수위가 지표면에 있고, 표면이 수평한 토층에서 깊이 z에서 전 연즉응력은 그 깊이의 단위 면적 위에 쌓여있는 흙입자와 물을 더한 무게입니다. 흙입자 사이 공극은 서로 연결되어 있기에 간극수압은 정수압 상태를 유지할수 있습니다. 

 

 

4. 전응력변화에 대한 유효응력반응

완전히 포화된 토층에서 전연직응력이 증가할때 수평변위가 억제되고 부피변화는 연직방향으로만 얼이나는 경우입니다. 전역직응력이 증가하면 흙입자는 상대적 이동으로 더 가까워지려고 하며 물이 비압축성이고 수평방향으로 구속되어 있다면 간극수의 일부가 빠져나가지 않는 한 흙입자의 재배치는 이루어지지 않고 입자 상호간 작용력은 증가하지 않게 됩니다. 간극 수압의 증가는 간극수에 압력경사를 발생시키며 간극수 유동을 초래합니다. 배수는 간극수압이 초기 정수압이 될때까지 계속됩니다. 초기 정수압을 초과한 간극수압을 과잉간극사압이라고 합니다. 또한 배수록 과잉간극수압이 감소하는 것은 소산이라고 합니다. 배수는 간극수에 응력유발 간극수압이 존재하지 않는다는것을 의미합니다. 간극수바 배수되면 입자간 힘이 증가되어 흙입자들은 거리가 가깝게 되도록 이동합니다. 

 

 

5. 포화토의 유효응력

완전포화토에서 토립자의 접촉면을 통해 수평방향으로 선을 긋고 이 선상에 작용하는 연직응력은 토립자의 접촉면에서 전달되는 응력과 간극수압으로 표시될수 있습니다. 토립자의 접촉면은 전체면적에 비해 매우 작으므로 접촉면을 제외한 간극수가 받는 압력을 uA로 표시할수 있습니다. 전응력은 유효응력과 간극수압의 합입니다. 흙의 자중에 의한 전응력은 토체를 이루는 토립자와 물의 전체무게로서 표시됩니다. 전응력은 유효응력과 간그수압의 합인데요 이렇게 유효응력과 간극수압으로 나누어 표시하는 이유는 유효응력만이 흙덩이의 변형과 전단에 관계되기 때문입니다. 엄격히 말하면 수압이 가해지면 흙입자 자체가 변형될수도 있지만 흙입자는 통상 작용하는 수압에 대해서 충분히 강하므로 수압을 무시해도 좋습니다. 따라서 외력에 의한 전응력이 결정되면 유효응력과 간극수압의 합계는 일정하기에 토괴에 작용한후 투수계수가 큰 사질토는 순식간에 간극수압이 소실되어 유효응력만 남게되며 투수계수가 작은 점성토는 전응력은 일정하므로 서서히 간극수압이 서실되어 장기간에 걸쳐 유효응력은 증대됩니다. 

 

6. 불포화토의 유효응력

포화된 흙의 간극압은 간극수압에 해당하지만 불포화토의 경우는 간극내에 수압 및 공기압이 있으므로 포화토의 경우에 추가해서 공기압을 고려해야 합니다. 즉, 흙입자 사이에는 수압과 공기압이 존재하므로 이들이 함께 전응력에 대응해야 합니다. 따라서 부분적으

 

 

7. 지반내 응력

지반내 응력이란 흙 자체의 무게에 의해 토피하중이 지표면에 가하여진 하중을 의미합니다. 지반의 토피하중 또는 상재하중에 의해 지반내에 전달되는 응력에 의하여 지반의 침하 및 지지력 산정 또는 토류구조물/지하구조물 등에 미치는 하중 산정시 필요합니다. 자연 상태의 지반은 비탄성체, 비등방체, 불균질체이어서 지반내의 응력 전달을 산정하기가 쉽지 않으나 탄성체, 등방체, 균질체로 가정하여 탄성론에 의하여 응력 전달을 산정합니다. 여기서 토피압력이란 토층위에 있는 흙으로 덮여진 단위 면적당 하중을 의미하며 지표면이 수평인 경우 연직응력과 수평응력은 주응력이며 토층이 물속에 잇거나 지하수위가 지반내에 잇을때 전연직응력, 유효연직응력, 간극수압 계산시 유효응력 법칙을 적용합니다. 수평방향응력은 지반내 임의 요소에 작용하여, 연직응력의 크기, 흙의 종류, 숭평방향 변위, 응력경도 등에 의하여 결정됩니다. 여기서 유효응력이란 입자와 입자사이의 접촉면을 통해 전달되는 응력을 말하며 전응력과 간극수압의 차를 말합니다. 흙의 토질 역학적 거동(압축성, 전단강도)을 지배하는 것은 토립자 사이에 유효하게 전달되는 유효응력의 크기에 의해 지배합니다.

 

이번 포스팅에서 유효응력과 지반내 응력 즉, 지중응력을 정리했습니다. 조금 헷갈리는 내용이지만 여러번 읽다보면 그 의미를 쉽게 깨닫게 될것입니다.