삼축압축시험

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1. 개요
2. 특징
3. 시험 기구
4. 시험 방법
5. 불연속면의 전단 강도 측정
6. True Triaxial Test (진 삼축 시험)
7. Free End Condition (자유 단부 조건)
8. 시험 표준
참조

1. 개요

삼축압축시험은 흙의 현장 거동을 모사하는 시험 방법으로, 연구 및 설계에 널리 사용된다. 이 시험은 원통형 시료에 압력을 가하고, 상부 플래튼을 움직여 재료를 압착하며, 이때 주변 물의 압력과 변위, 부피 변화 등을 측정하여 흙의 역학적 특성을 파악한다. 시험은 배수 조건에 따라 압밀 배수 시험(CD), 압밀 비배수 시험(CU), 비압밀 비배수 시험(UU)으로 구분되며, 각 시험은 흙의 전단 강도 정수와 유효 응력 등을 결정하는 데 활용된다. 또한, 삼축 압축 시험은 불연속면의 전단 강도 측정, 진 삼축 시험, 자유 단부 조건 등 다양한 변형과 발전을 거쳐왔으며, ASTM, BS, ISO 등 다양한 표준 시험 방법으로 규정되어 있다.

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삼축압축시험
개요
이름	삼축압축시험
영어 이름	Triaxial shear test
분야	토질역학
목적	흙의 전단강도 측정
적용	흙의 강도정수 결정, 사면안정 해석, 옹벽 설계, 터널 설계
시험 방법
종류	압밀-배수 시험 (CD) 압밀-비배수 시험 (CU) 비압밀-비배수 시험 (UU)
응력 조건	등방압축 축차응력 증가
변수	축방향 변형률 축방향 응력 간극수압 (CU 시험)
시험 과정	공시체 제작 셀 설치 배수 밸브 조절 등방압축 축차응력 가력
결과 분석
Mohr-Coulomb 파괴 기준	모어-쿨롱 파괴 기준 적용
강도정수	점착력 (c) 내부 마찰각 (φ)
유효 응력	유효 응력 개념 적용 (CD, CU 시험)
장단점
장점	응력 경로 제어 가능, 다양한 조건 모사 가능
단점	시험 시간 소요, 장비 복잡
기타
관련 이론	유효 응력 전단강도 모어 원

2. 특징

흙은 현장에서와 채취해서 실험실로 가져왔을 때 차이를 보이는데 삼축압축시험은 현장에서의 거동을 잘 나타내는 시험 방법이다. 따라서 연구와 설계 용도로 많이 쓰인다.

토질 시료의 경우, 원통형 라텍스 슬리브 안에 시료를 넣고, 위아래 끝을 평평하고 둥근 금속 판 또는 '''플래튼'''으로 막는다. 이 원통은 원통 측면을 따라 압력을 가하기 위해 유압 유체 배스에 넣는다. 그런 다음 상부 플래튼을 원통 축을 따라 기계적으로 위 또는 아래로 움직여 재료를 압착할 수 있다. 주변 물의 압력을 주의 깊게 제어하면서, 상부 플래튼이 이동하는 거리는 이를 이동시키는 데 필요한 힘의 함수로 측정된다. 재료의 순 부피 변화는 주변 배스 안으로 들어가거나 나오는 물의 양으로 측정할 수도 있지만, 일반적으로 시료가 물로 포화되었을 때 시료의 공극 안으로 들어가거나 나오는 물의 양을 측정하여 측정한다.

유효 응력은 한쪽 플래튼에 다공성 표면을 사용하고, 시험 중 유체(보통 물)의 압력을 측정하여 전 응력과 간극 수압으로부터 유효 응력을 계산하여 측정할 수 있다.

3. 시험 기구

흙 시료에 얇은 고무막을 설치한 뒤 삼축 셀 안에 집어 넣고 물을 채운다. 시료의 위아래에 다공질판이 있어 배수조건을 조절할 수 있는 밸브가 기계 하단에 붙어 있다.

토질 시료의 경우, 원통형 라텍스 슬리브 안에 시료를 넣고, 위아래 끝을 평평하고 둥근 금속 판 또는 '''플래튼'''으로 막는다. 이 원통은 원통 측면을 따라 압력을 가하기 위해 유압 유체 배스에 넣는다. 그런 다음 상부 플래튼을 원통 축을 따라 기계적으로 위 또는 아래로 움직여 재료를 압착할 수 있다. 주변 물의 압력을 주의 깊게 제어하면서, 상부 플래튼이 이동하는 거리는 이를 이동시키는 데 필요한 힘의 함수로 측정된다. 재료의 순 부피 변화는 주변 배스 안으로 들어가거나 나오는 물의 양으로 측정할 수도 있지만, 일반적으로 시료가 물로 포화되었을 때 시료의 공극 안으로 들어가거나 나오는 물의 양을 측정하여 측정한다.

4. 시험 방법

먼저 원통형 흙 시료를 준비하고 라텍스 슬리브로 감싼 후, 삼축 셀 안에 설치한다. 토질 시료의 경우, 위아래 끝을 평평하고 둥근 금속 판 또는 '''플래튼'''으로 막는다. 이 원통은 원통 측면을 따라 압력을 가하기 위해 유압 유체 배스에 넣는다.

그 후, 시료에 등방 구속 압력 (σ₃)을 가한다. 구속압력은 물에 압력을 주는 것이다. 배수 조건에 따라 밸브를 조절하여 압밀 또는 비압밀 상태를 만든다.

구속 압력을 유지하면서 축 방향 하중 (Δσ_d)을 가하여 시료를 전단 파괴시킨다. 즉 연직응력은 $\sigma_1 = \sigma_3 + \Delta \sigma_d$ 가 된다. 주변 물의 압력을 주의 깊게 제어하면서, 상부 플래튼이 이동하는 거리는 이를 이동시키는 데 필요한 힘의 함수로 측정된다. 재료의 순 부피 변화는 주변 배스 안으로 들어가거나 나오는 물의 양으로 측정할 수도 있지만, 일반적으로 시료가 물로 포화되었을 때 시료의 공극 안으로 들어가거나 나오는 물의 양을 측정하여 측정한다.

마지막으로 축 방향 변형, 축 하중, 간극 수압 변화 등을 측정하고, 이를 통해 전단 강도 정수 (c, φ) 및 기타 역학적 특성을 계산한다.

배수조건에 따라 시험의 종류가 달라지며, 다음의 세 가지가 있다. 구속압력 작용 시와 축차응력 작용 시 배수조건에 따른 분류이다.

구분	배수 조건
구분	구속압력 시	축차응력 시
압밀 배수시험(Consolidated Drained Test; CD Test)	배수	배수
압밀 비배수시험(Consolidated Undrained Test; CU Test)	배수	비배수
비압밀 비배수시험(Unconsolidated Undrained Test; UU Test)	비배수	비배수

삼축 압축 시험에는 여러 변형이 존재한다.

4. 1. 압밀 배수 시험 (CD)

압밀 배수 시험(Consolidated Drained Test; CD Test)은 배수 조건에서 구속 압력과 축차 응력을 가하여 흙 입자가 완전히 압밀되도록 하는 시험이다.

압밀 배수 시험은 먼저 배수밸브를 연 상태로 구속압력(σ₃)을 가하고 24시간 동안 기다리는 것으로 시작한다. 이 때, 처음에는 과잉간극수압이 σ₃를 받지만, 시간이 지나면서 과잉간극수압은 0이 된다. 즉, 물이 모두 빠져나가 흙 입자가 응력을 받게 되어 압밀과 체적수축이 일어나 σ₃' = σ₃가 된다. 모래는 점토보다 빠르게 압밀이 완료된다.

두 번째 단계는 축차응력을 가하는 단계이다. 과잉간극수압이 발생하지 않도록 매우 천천히 하중을 가해야 한다. 축차응력 단계에서도 과잉간극수압은 0이며, 가해준 모든 응력을 흙 입자가 받게 된다. 전단 파괴 시 최대주응력은 다음과 같다.

:

{\sigma_{1f}}' = \sigma_{1f} = \sigma_3 + \Delta \sigma_{df}

최소주응력은 다음과 같다.

:σ₃' = σ₃

구속압력을 변경하면서 실험을 여러 번 반복한다.

CD 시험에서는 가해준 응력을 모두 흙이 받으므로 전단강도는 다음과 같이 표현할 수 있다.

:

\tau_f = c' + {\sigma_n}' \tan \phi '

'압밀 배수' 시험에서 시료는 압밀되고 압축 전단되어 전단으로 인해 발생하는 간극 수압이 소산될 수 있도록 천천히 수행된다. 축 방향 변형률의 속도는 일정하게 유지되며, 즉 변형률이 제어된다. 이 시험을 통해 시료와 간극 수압이 주변 응력에 완전히 압밀(즉, "조정")될 수 있다. 이 시험은 시료가 조정될 수 있도록 오랜 시간이 걸릴 수 있으며, 특히 투수성이 낮은 시료는 배수 및 변형률을 응력 수준에 맞추는 데 오랜 시간이 걸린다.

4. 2. 압밀 비배수 시험 (CU)

압밀 비배수 시험(Consolidated Undrained Test; CU Test)은 압밀 배수 시험(CD Test)와 구속 응력 단계는 동일하나, 축차 응력 단계에서 배수를 시키지 않는 차이가 있다. 따라서 축차 응력 단계에서 과잉 간극 수압이 발생한다.

축차 응력 단계에서 흙 입자가 수축 경향을 보이면 과잉 간극 수압은 +, 팽창 경향을 보이면 -가 된다.

CU Test 역시 CD Test와 마찬가지로 구속 압력을 바꾸어가며 적어도 세 번 이상 시험한다.

모래, 정규압밀점토 CU TEST 모어원. Δu_df만큼 빼지는 것은 과잉간극수압이 제거되기 때문이다.

CU 시험은 강도정수를 유효응력 개념으로 나타낼 수 있다. 즉

:

\tau_f = c' + {\sigma_n}' \tan \phi '

'압밀 비배수' 시험에서는 시료의 배수를 허용하지 않는다. 전단 특성은 비배수 조건에서 측정되며 시료는 완전히 포화된 것으로 가정한다. 시료의 간극 수압을 측정(CUpp라고도 함)하면 압밀 배수 강도를 근사할 수 있다. 전단 속도는 종종 특정 구속 압력(포화 상태) 하에서의 압밀 속도를 기준으로 계산된다. 구속 압력은 1 psi에서 100 psi 이상까지 다양할 수 있으며, 때로는 더 높은 압력을 처리할 수 있는 특수 로드 셀이 필요하다.

4. 3. 비압밀 비배수 시험 (UU)

구속압력 단계, 축차응력 단계 모두 배수시키지 않는 시험방법이다. 구속압력 단계에서 구속압력을 주면 이것을 모두 물이 받아 과잉간극수압이 발생한다. 축차응력 단계에서도 배수가 일어나지 않아 가해준 응력을 모두 물이 받는다. 따라서 구속압력을 달리 해서 여러 번 실험하더라도 흙이 받는 유효응력은 일정하고, 파괴 시 축차응력 Δσ_df가 구속압력에 관계없이 일정한 값을 갖게 된다.(모어원에서 반원의 크기가 모두 같다.) 모어원의 크기가 같다는 것은 원들의 접선이 가로축인 σ_n축과 평행하다는 의미이고, 이는 기울기 φ_u = 0임을 의미한다. 따라서 UU 시험을 'φ_u = 0 조건에서의 해석'이라고 부르기도 한다.

접선의 기울기가 0인 까닭에 접선의 세로축 절편인 c_u는 파괴시 전단강도와 같다.

:

\tau_f = c_u

이 값을 '비배수 전단강도'라고 부른다.

'비압밀 비배수' 시험에서는 하중이 빠르게 가해지며, 시험 동안 시료가 압밀될 수 없다. 시료는 일정한 속도(변형률 제어)로 압축된다.

5. 불연속면의 전단 강도 측정

삼축 압축 시험은 불연속면의 전단 강도를 결정하는 데 사용될 수 있다. 균질하고 등방성인 시료는 시료 내 전단 응력으로 인해 파괴된다. 불연속면이 있는 시료의 방향을 시험 중 최대 전단 응력이 발생할 평면에 불연속면이 거의 평행하도록 하면, 시료는 불연속면을 따라 전단 변위로 인해 파괴되므로 불연속면의 전단 강도를 계산할 수 있다.^[13]

6. True Triaxial Test (진 삼축 시험)

삼축 압축 시험 시스템은 세 개의 수직 방향에서 독립적인 응력 제어가 가능하도록 개발되었다.^[1] 이를 통해 삼축압축시험 장치에서 생성할 수 없는 응력 경로를 조사할 수 있으며, 이는 시멘트질 모래 및 이방성 토양 연구에 유용할 수 있다.^[1] 시험 셀은 정육면체이며, 시료에 압력을 가하는 6개의 별도 판이 있고, 각 판의 이동을 읽는 LVDT(선형 가변 변위 변환기)가 있다.^[1] 세 번째 방향의 압력은 시험 챔버의 정수압을 사용하여 가할 수 있으며, 단 4개의 응력 가압 어셈블리만 필요하다.^[1] 이 장치는 축대칭 삼축 압축 시험보다 훨씬 복잡하므로 덜 일반적으로 사용된다.^[1]

7. Free End Condition (자유 단부 조건)

고전적인 삼축 압축 시험은 시료에 불균일한 응력 및 변형장이 가해져 큰 변형 진폭에서 문제가 발생한다.^[2] 이는 거친 엔드 플레이트와 시료 높이로 인해 전단대 내에 국소적인 불연속성이 발생하기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 "새로운"^[3] 및 "개선된"^[4] 삼축 압축 시험 장치가 개발되었다. 이 장치들은 시료 높이를 지름 높이로 줄이고, 엔드 플레이트와의 마찰을 최소화하는 원리를 따른다.

개선된 장치는 거친 엔드 플레이트 대신 매끄럽고 광택 처리된 유리를 사용하고 중앙에 작은 필터를 배치한다. 이를 통해 시료가 유리를 따라 미끄러지며 수평으로 팽창하여 시료와 엔드 플레이트 사이의 불필요한 전단 마찰을 줄이고, 시료 내에 선형/등방성 응력장을 유지한다.

이러한 개선을 통해 극도로 균일하고 거의 등방성인 응력장이 형성되어 '''등방성 항복'''이 발생한다. 등방성 항복은 체적(팽창) 변형을 시료 전체에 등방적으로 분포시켜 압밀 배수(CD) 시험 중 체적 응답과 압밀 비배수(CU) 하중 중 간극 수압 측정을 향상시킨다. 또한, 시료가 축 방향으로 압축될 때 균일하게 방사상으로 팽창하도록 돕는다. 원통형 시료 벽은 큰 변형 진폭(Vardoulakis(1980)는 비포화 모래에 대해 50% 변형 진폭 기록)에서도 직선 및 수직 상태를 유지한다. 이는 시료가 중앙에 불룩한 모양을 형성하며 엔드 플레이트 접촉부에서 일정한 반경을 유지하는 고전적인 설정과 대조적이다.

액상화 후 시험. 가는 모래 시료는 ''압밀 비배수(CU)'' 사이클 동안 액상화되었고 여러 번 ''압밀 배수(CD)'' 사이클로 회복되었다. 주름은 CU 액상화와 배수 사이를 반복함으로써 가해진 체적 변화로 인해 형성되었다. 액상화된 상태에서 시료는 얇은 라텍스를 각인할 정도로 부드러워진다. CD 사이클 동안에는 각인된 패턴을 보존할 정도로 단단하다.

"새로운" 장치는 L.B.Ibsen에 의해 "덴마크 삼축 압축 시험기"로 발전했다.^[5] 덴마크 삼축 압축 시험기는 모든 토양 유형 시험에 사용 가능하며, 등방성 항복 시 체적 변형이 시료 내에 등방적으로 분포하여 체적 응답 측정을 개선한다. 특히 간극 수의 공동 현상이 비배수 모래 강도의 한계를 설정하므로 CU 시험에서 중요하다.^[6] 로드셀은 시료 상부 압력 헤드와 직접 접촉하고, 변형 트랜스듀서도 피스톤 헤드에 직접 부착되어 측정 정밀도를 높였다. 고도로 자동화된 제어를 통해 사이클 하중을 효율적이고 정밀하게 적용할 수 있다.

높은 자동화, 향상된 시료 내구성, 큰 변형 호환성은 삼축 압축 시험의 범위를 확장시킨다. 덴마크 삼축 압축 시험기는 전단 파괴나 팽창 없이 CD 및 CU 모래 시료를 소성 상태로 만들 수 있다. 단일 하중 시퀀스에서 시료를 여러 번 항복 시험할 수 있으며, 큰 변형 진폭까지 액상화 후 CU 파괴까지 파쇄할 수도 있다. CU 시험을 CD 상태로 전환하고 CD 모드에서 사이클 시험하여 액상화 후 강성 및 강도 회복 관찰이 가능하다.^[7] 이를 통해 고전적인 방법으로는 접근할 수 없는 모래 응답 패턴을 관찰할 수 있다.

8. 시험 표준

ASTM International (미국), 영국 표준 협회 (영국), ISO 또는 지역 표준화 기구 웹사이트에서 삼축압축시험 관련 표준을 확인할 수 있다. 주요 시험 표준은 다음과 같다.^[10]^[9]^[12]^[16]^[17]

ASTM D7181-11: 흙의 압밀 배수 삼축 압축 시험에 대한 표준 시험 방법^[10]
ASTM D4767-11 (2011): 점성토의 압밀 비배수 삼축 압축 시험에 대한 표준 시험 방법^[9]
ASTM D2850-03a (2007): 점성토의 비압밀 비배수 삼축 압축 시험에 대한 표준 시험 방법
BS 1377-8:1990 Part 8: 전단 강도 시험(유효 응력) 삼축 압축 시험^[12]
ISO/TS 17892-8:2004 지반 조사 및 시험 - 토질의 실내 시험 - 파트 8: 비압밀 비배수 삼축 시험^[16]
ISO/TS 17892-9:2004 지반 조사 및 시험 - 토질의 실내 시험 - 파트 9: 포화 토질의 압밀 삼축 압축 시험^[17]

참조

_[1] 논문 Development of A True Triaxial Testing Apparatus http://www.uic.edu/c[...] ASTM 1992-06
_[2] 간행물 IMPORTANCE OF FREE ENDS IN TRIAXIAL TESTING https://trid.trb.org[...] Journal of Soil Mechanics & Foundations
_[3] 웹사이트 New Oedometer and New Triaxial Apparatus for Firm Soil http://www.forskning[...] 2017-06-07
_[4] 논문 Bifurcation analysis of the triaxial test on sand samples
_[5] 논문 The stable state in cyclic triaxial testing on sand
_[6] 웹사이트 http://vbn.aau.dk/fi[...]
_[7] 웹사이트 https://www.onepetro[...]
_[8] 서적 Standard Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003
_[9] 서적 Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003
_[10] 서적 Standard Test Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils) http://www.astm.org ASTM International, West Conshohocken, PA, 2003
_[11] 서적 Experimental Soil Mechanics Prentice Hall
_[12] 서적 Methods of test for soils for civil engineering purposes. General requirements and sample preparation British Standards Institution
_[13] 서적 Introduction to Rock Mechanics John Wiley & Sons
_[14] 서적 Effective Stress Tests, Volume 3, Manual of Soil Laboratory Testing John Wiley & Sons
_[15] 서적 An Introduction to Geotechnical Engineering Prentice-Hall, Inc
_[16] 서적 Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing of soil - Part 8: Unconsolidated undrained triaxial test International Organization for Standardization
_[17] 서적 Geotechnical investigation and testing -- Laboratory testing of soil -- Part 9: Consolidated triaxial compression tests on water-saturated soils International Organization for Standardization
_[18] 서적 Engineering Geology: Principles and Practice Springer Science+Business Media

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