삼축압축시험(Triaxial Test) UU·CU·CD 시험의 차이와 적용 조건
삼축압축시험(Triaxial Compression Test)은 흙의 전단강도와 응력·변형 특성을 평가하는 대표적인 실내 토질시험이다.
흙은 구조물의 하중을 받으면 내부에 응력이 발생하고, 응력이 증가하면서 변형되거나 전단파괴에 도달할 수 있다. 이러한 지반의 거동을 분석하기 위해서는 단순한 흙의 분류뿐 아니라 실제 응력 조건에서 발휘되는 전단강도를 확인해야 한다.
삼축압축시험은 원통형 흙 시료에 구속압을 가한 상태에서 축방향 하중을 증가시키며 전단거동을 측정한다.
시험은 압밀과 배수 조건에 따라 UU시험, CU시험, CD시험으로 구분된다. 세 시험은 이름이 비슷하지만 시험 과정과 해석 방법, 적용 가능한 현장 조건에 차이가 있다.
이번 글에서는 삼축압축시험의 기본 원리부터 UU·CU·CD의 차이, 전응력과 유효응력, 계산 예제 및 실무 적용 방법까지 살펴본다.
1. 삼축압축시험이란 무엇인가?
삼축압축시험은 원통형 흙 시료를 삼축셀에 설치한 뒤 주변에서 구속압을 가하고, 축방향 압축하중을 증가시켜 흙의 강도와 변형 특성을 평가하는 시험이다.
일반적인 삼축압축시험에서는 두 가지 주요 응력을 고려한다.
- 최대주응력(σ1): 축방향으로 작용하는 주응력
- 최소주응력(σ3): 시료 주변에 작용하는 구속압
통상적인 축대칭 삼축압축 조건에서는 중간주응력 σ2와 최소주응력 σ3가 동일하다.
축방향 하중이 증가하면 최대주응력과 최소주응력의 차이가 커진다.
이 차이를 축차응력(Deviator Stress)이라고 한다.
q = σ1 – σ3
여기서 q는 축차응력이며 단위는 일반적으로 kPa를 사용한다.
시험에서는 축차응력과 축변형률의 관계를 측정하여 시료의 강도와 변형 특성을 분석한다.
2. 삼축압축시험의 기본 원리
삼축압축시험의 핵심은 흙이 실제 지반에서 경험하는 응력 조건을 일정 부분 재현하는 것이다.
예를 들어 지중의 흙은 상부 지층과 주변 지반의 압력을 받는다.
삼축압축시험에서는 이러한 구속 효과를 셀 압력으로 구현하고, 추가적인 축하중을 가해 시료를 변형시킨다.
일반적인 시험 과정은 다음과 같다.
- 원통형 흙 시료를 준비한다.
- 시료를 고무막으로 감싸 삼축셀에 설치한다.
- 시험 목적에 따라 포화 및 압밀 조건을 설정한다.
- 정해진 배수 조건에서 축방향 하중을 증가시킨다.
- 축하중과 변형량을 측정한다.
- 필요한 경우 간극수압과 체적변화량을 함께 측정한다.
- 시험 결과를 이용하여 전단강도와 응력·변형 특성을 해석한다.
다만 모든 삼축압축시험이 동일한 포화 절차나 측정 항목을 사용하는 것은 아니다.
시험 유형에 따라 압밀 여부와 배수 조건이 달라지기 때문이다.
3. 삼축압축시험의 세 가지 유형: UU·CU·CD
삼축압축시험은 압밀과 전단 단계에서 배수를 허용하는지에 따라 크게 세 가지로 구분한다.
| 구분 | UU시험 | CU시험 | CD시험 |
|---|---|---|---|
| 영문 명칭 | Unconsolidated Undrained | Consolidated Undrained | Consolidated Drained |
| 압밀 단계 | 압밀시키지 않음 | 압밀 허용 | 압밀 허용 |
| 전단 단계 | 비배수 | 비배수 | 배수 |
| 전단 중 체적 변화 | 포화 시 거의 없음 | 포화 시 거의 없음 | 발생 가능 |
| 간극수압 측정 | 일반적인 UU시험에서는 측정하지 않음 | 유효응력 해석 시 필요 | 전단 중 과잉간극수압 최소화 |
| 주요 해석 | 전응력 | 전응력 및 조건에 따른 유효응력 | 유효응력 |
| 대표 활용 | 단기 비배수 거동 | 압밀 후 비배수 거동 | 장기 배수 거동 |
여기서 중요한 점은 CU시험에서 간극수압을 측정해야 유효응력 강도정수를 평가할 수 있다는 것이다.
간극수압을 측정하지 않은 CU시험 결과는 전응력 관점의 해석에는 활용할 수 있지만, 해당 자료만으로 유효응력 강도정수를 직접 결정할 수는 없다.
4. UU시험: 비압밀 비배수 삼축압축시험
UU시험(Unconsolidated Undrained Test)은 구속압을 가하는 단계와 축하중을 증가시키는 전단 단계 모두에서 배수를 허용하지 않는 시험이다.
따라서 시료가 구속압에 의해 압밀될 시간을 주지 않고 비배수 상태에서 전단거동을 측정한다.
UU시험의 주요 특징
UU시험은 일반적으로 점성토의 비배수 강도 특성을 평가하는 데 활용된다.
시험 결과는 주로 전응력 기준으로 해석한다.
포화된 점성토에서는 배수가 제한되므로 하중 변화에 따른 간극수압이 발생할 수 있다.
다만 일반적인 UU시험에서는 이 간극수압을 측정하지 않기 때문에 유효응력 강도정수를 직접 구하지 않는다.
UU시험의 적용 상황
UU시험은 하중이 빠르게 작용하여 압밀이 충분히 진행되지 않는 조건을 검토할 때 참고할 수 있다.
예를 들어 점성토 지반의 단기 안정성 평가에 활용할 수 있다.
그러나 시험 시료의 응력 이력과 포화 상태가 현장 조건과 다르면 시험 결과를 그대로 적용하기 어려울 수 있다.
5. CU시험: 압밀 비배수 삼축압축시험
CU시험(Consolidated Undrained Test)은 시료를 먼저 압밀한 후 배수를 차단하고 전단하는 시험이다.
즉, 압밀 단계에서는 배수를 허용하지만 전단 단계에서는 배수를 허용하지 않는다.
CU시험의 주요 특징
CU시험은 압밀된 점성토가 비교적 빠른 하중 변화를 경험하는 조건을 평가하는 데 유용하다.
전단 중에는 과잉간극수압이 발생할 수 있다.
이때 간극수압을 측정하면 전응력과 유효응력을 모두 계산할 수 있다.
따라서 CU시험은 전단강도뿐 아니라 간극수압 변화와 유효응력 경로를 분석하는 데 활용된다.
CU시험의 적용 상황
CU시험은 일정한 응력 상태에서 압밀된 지반에 추가 하중이 빠르게 작용하는 상황을 검토할 때 활용할 수 있다.
예를 들어 압밀된 점성토 지반의 단기 하중 변화에 대한 비배수 거동을 평가할 수 있다.
다만 CU시험을 실시했다는 사실만으로 모든 단기 안정성 문제에 적합한 것은 아니다.
현장의 초기 응력 상태와 압밀 이력, 배수 조건을 함께 고려해야 한다.
6. CD시험: 압밀 배수 삼축압축시험
CD시험(Consolidated Drained Test)은 압밀 단계와 전단 단계 모두에서 배수를 허용하는 시험이다.
전단 과정에서 과잉간극수압이 충분히 소산되도록 느린 속도로 하중을 증가시킨다.
CD시험의 주요 특징
CD시험은 배수 조건에서의 전단강도와 체적변형 특성을 평가하는 데 활용된다.
전단 중 체적이 감소하거나 증가하는 현상을 관찰할 수 있다.
특히 조밀한 사질토에서는 전단팽창이 나타날 수 있으며, 느슨한 사질토에서는 전단수축 경향이 나타날 수 있다.
그러나 이러한 거동은 상대밀도뿐 아니라 유효응력과 입자 특성에 따라 달라진다.
CD시험의 적용 상황
CD시험은 배수가 충분히 이루어지는 조건에서의 전단거동을 평가할 때 활용할 수 있다.
장기적인 안정성 검토나 배수 조건의 강도정수 평가에 적합할 수 있다.
다만 점성토의 경우 투수성이 낮아 시험 시간이 길어질 수 있다.
또한 CD시험이 UU시험이나 CU시험보다 항상 정확한 것은 아니다.
시험의 적합성은 실제 현장의 하중 속도와 배수 조건에 따라 결정해야 한다.
7. UU·CU·CD시험의 차이를 이해하는 핵심
세 시험의 가장 중요한 차이는 압밀 단계와 전단 단계의 배수 조건이다.
UU시험
압밀시키지 않고 비배수 상태에서 전단한다.
CU시험
먼저 압밀한 뒤 비배수 상태에서 전단한다.
CD시험
먼저 압밀한 뒤 배수를 허용하면서 전단한다.
예를 들어 동일한 점성토라도 시험 조건이 달라지면 전단 중 간극수압과 유효응력이 달라질 수 있다.
따라서 시험 결과의 강도값을 단순히 크기만 비교해서 어느 시험이 더 우수하다고 판단해서는 안 된다.
각 시험은 서로 다른 응력·배수 조건을 평가하기 위한 방법이다.
8. 전응력과 유효응력의 차이
삼축압축시험을 이해할 때 중요한 개념이 전응력(Total Stress)과 유효응력(Effective Stress)이다.
흙 내부의 전응력은 흙 입자 골격이 부담하는 유효응력과 간극수압으로 구분할 수 있다.
σ′ = σ – u
- σ′: 유효응력(kPa)
- σ: 전응력(kPa)
- u: 간극수압(kPa)
예를 들어 전응력이 200kPa이고 간극수압이 50kPa라면 유효응력은 다음과 같다.
σ′ = 200 – 50
σ′ = 150kPa
같은 전응력이라도 간극수압이 달라지면 유효응력은 달라진다.
이러한 차이는 흙의 전단강도와 변형 특성에 영향을 줄 수 있다.
특히 CU시험에서는 전단 중 간극수압을 측정하여 유효응력의 변화를 평가할 수 있다.
9. 삼축압축시험의 축차응력 계산 예제
다음은 삼축압축시험에서 축차응력을 계산하는 가상 사례다.
| 시험항목 | 측정값 |
|---|---|
| 구속압(σ3) | 100kPa |
| 파괴 시 최대주응력(σ1) | 280kPa |
축차응력은 다음과 같이 계산한다.
q = σ1 – σ3
q = 280 – 100
q = 180kPa
따라서 이 시험에서 파괴 시 축차응력은 180kPa다.
또한 모어원의 반지름은 다음과 같이 계산한다.
R = (σ1 – σ3) / 2
R = (280 – 100) / 2
R = 90kPa
여기서 모어원의 반지름은 90kPa지만, 이를 모든 시험 조건에서 곧바로 흙의 비배수전단강도라고 해석해서는 안 된다.
비배수전단강도 산정에는 적용하는 강도모델과 시험 조건을 고려해야 한다.
10. UU시험을 이용한 비배수전단강도 계산
포화된 점성토에 대해 전응력 내부마찰각을 0°로 가정하는 비배수 해석에서는 다음 관계를 활용할 수 있다.
su = (σ1 – σ3) / 2
- su: 비배수전단강도(kPa)
- σ1: 파괴 시 최대주응력(kPa)
- σ3: 파괴 시 최소주응력(kPa)
앞선 가상 시험자료를 적용하면 다음과 같다.
σ1 = 280kPa
σ3 = 100kPa
su = (280 – 100) / 2
su = 90kPa
따라서 이 조건에서 계산한 비배수전단강도는 90kPa다.
다만 이 식은 포화 점성토의 전응력 해석에서 내부마찰각을 0°로 가정하는 조건에 해당한다.
불포화토나 다른 응력 조건에 동일한 식을 무조건 적용해서는 안 된다.
11. CU시험의 간극수압을 이용한 유효응력 계산
이번에는 CU시험에서 파괴 시 간극수압을 측정한 가상 사례를 살펴보자.
| 시험항목 | 측정값 |
|---|---|
| 파괴 시 최대주응력(σ1) | 300kPa |
| 파괴 시 최소주응력(σ3) | 100kPa |
| 파괴 시 간극수압(u) | 40kPa |
① 최대유효주응력 계산
σ′1 = σ1 – u
= 300 – 40
σ′1 = 260kPa
② 최소유효주응력 계산
σ′3 = σ3 – u
= 100 – 40
σ′3 = 60kPa
③ 축차응력 계산
q = σ1 – σ3
= 300 – 100
q = 200kPa
유효응력 기준으로 계산해도 다음과 같다.
q = σ′1 – σ′3
= 260 – 60
q = 200kPa
따라서 동일한 간극수압이 두 주응력에서 차감되는 경우 축차응력은 전응력 기준과 유효응력 기준에서 동일하다.
그러나 모어원의 중심 위치는 전응력과 유효응력에서 달라진다.
이러한 차이가 CU시험에서 간극수압 측정이 중요한 이유다.
12. CU시험 한 번으로 내부마찰각을 구할 수 있을까?
일반적으로 하나의 CU시험 결과만으로 유효점착력과 유효응력 내부마찰각을 동시에 신뢰성 있게 결정하기는 어렵다.
전단강도 포락선을 평가하려면 서로 다른 구속압 조건에서 여러 시료를 시험하는 방법을 활용한다.
예를 들어 세 개의 시료를 서로 다른 압밀응력 조건에서 시험하고, 각 시험의 파괴 시 유효주응력을 구할 수 있다.
이 자료를 이용해 모어원을 작성하고 전단강도 포락선을 평가한다.
다만 실제 시험 결과는 응력 범위와 흙의 특성에 따라 비선형성을 나타낼 수 있다.
따라서 단순히 두 점을 연결하는 방식보다는 시험자료의 품질과 적용 응력 범위를 함께 검토해야 한다.
13. 삼축압축시험과 직접전단시험의 차이
삼축압축시험과 직접전단시험은 모두 흙의 전단강도를 평가하는 데 활용하지만 시험 방식에 차이가 있다.
| 구분 | 삼축압축시험 | 직접전단시험 |
|---|---|---|
| 시험 방식 | 구속압과 축하중 적용 | 정해진 전단면을 따라 전단 |
| 전단면 | 시험 중 파괴면 형성 | 전단면이 미리 정해짐 |
| 간극수압 측정 | 시험 유형에 따라 가능 | 일반적인 직접전단시험에서는 제한적 |
| 응력·변형 평가 | 다양한 응력 조건 분석 가능 | 전단면의 저항 특성 평가 |
| 주요 활용 | 강도정수 및 응력·변형 해석 | 전단강도 평가 |
삼축압축시험은 간극수압과 응력 경로를 분석할 수 있다는 장점이 있다.
반면 직접전단시험은 특정 조건에서 비교적 간단하게 전단저항을 평가하는 데 활용할 수 있다.
두 시험 중 어느 하나가 항상 우수한 것은 아니며, 시험 목적과 현장 조건에 따라 선택해야 한다.
14. 삼축압축시험 결과를 설계에 적용할 때 주의할 점
첫째, 시험 유형과 현장 배수 조건을 일치시켜야 한다.
현장에서는 하중이 작용하는 시간과 흙의 투수성에 따라 배수 조건이 달라질 수 있다.
따라서 단기·장기라는 구분만으로 시험을 기계적으로 선택해서는 안 된다.
둘째, 전응력과 유효응력을 혼동해서는 안 된다.
전응력 해석에 사용하는 강도정수와 유효응력 해석에 사용하는 강도정수는 구분해야 한다.
셋째, CU시험의 간극수압 측정 여부를 확인해야 한다.
간극수압을 측정하지 않은 경우 유효응력 강도정수를 직접 산정하기 어렵다.
넷째, 시험 시료의 교란 가능성을 검토해야 한다.
시료 채취와 운반, 성형 과정에서 흙의 구조가 변하면 시험 결과에 영향을 줄 수 있다.
다섯째, 시험 결과를 현장 전체의 대표값으로 단정해서는 안 된다.
지층은 위치와 깊이에 따라 특성이 달라질 수 있다.
따라서 지반조사 결과와 시험자료를 종합적으로 검토해야 한다.
15. 삼축압축시험 선택을 위한 실무 체크리스트
| 검토항목 | 확인 내용 |
|---|---|
| 시험 목적 | 강도정수 또는 변형 특성 평가 |
| 토질 종류 | 점성토·사질토 등 |
| 포화 상태 | 포화도 및 시험 조건 |
| 압밀 조건 | 압밀 여부와 압밀응력 |
| 배수 조건 | 배수·비배수 여부 |
| 간극수압 측정 | 유효응력 해석 필요 여부 |
| 하중 작용 시간 | 현장 하중 속도 |
| 응력 이력 | 과압밀 등 지반의 이력 |
| 시험 시료 | 교란 여부와 대표성 |
| 설계 해석 | 전응력 또는 유효응력 |
시험 종류는 단순히 공사 규모나 시험비용만으로 결정해서는 안 된다.
구조물의 하중 조건과 지반 특성에 맞는 시험을 선정하는 것이 중요하다.
16. 삼축압축시험에 관한 자주 묻는 질문
Q1. UU시험과 CU시험의 가장 큰 차이는 무엇인가요?
UU시험은 압밀을 허용하지 않고 비배수 상태에서 전단한다. CU시험은 먼저 압밀한 후 비배수 상태에서 전단한다.
Q2. CU시험은 항상 유효응력 내부마찰각을 구할 수 있나요?
아니다. 유효응력 강도정수를 평가하려면 전단 중 간극수압 측정자료가 필요하다. 또한 서로 다른 응력 조건에서 수행한 시험자료를 이용해 강도 포락선을 검토해야 한다.
Q3. CD시험이 가장 정확한 시험인가요?
그렇지 않다. CD시험은 배수 조건의 거동을 평가하는 데 적합하지만, 실제 현장이 비배수 조건이라면 UU시험이나 CU시험이 더 적절할 수 있다.
Q4. 삼축압축시험으로 비배수전단강도를 계산할 수 있나요?
가능하다. 예를 들어 포화 점성토의 전응력 내부마찰각을 0°로 가정하는 조건에서는 파괴 시 축차응력의 절반으로 비배수전단강도를 계산할 수 있다.
Q5. 삼축압축시험은 점토에만 적용하나요?
아니다. 사질토를 포함한 다양한 흙에 적용할 수 있다. 다만 시험 유형과 시료 준비, 배수 조건 및 시험 속도는 토질 특성에 맞게 설정해야 한다.
17. 결론: UU·CU·CD시험은 어떻게 선택해야 할까?
삼축압축시험은 흙의 전단강도와 응력·변형 특성을 평가하는 중요한 실내 토질시험이다.
UU시험은 압밀을 허용하지 않는 비배수 조건을, CU시험은 압밀 후 비배수 조건을, CD시험은 압밀 후 배수 조건을 평가한다.
세 시험은 서로 다른 현장 조건을 재현하기 위한 방법이므로 어느 하나가 항상 더 정확하거나 우수하다고 판단할 수 없다.
특히 CU시험에서는 간극수압 측정 여부가 유효응력 해석에 중요한 영향을 준다.
실제 지반공학적 설계에서는 현장의 하중 속도와 배수 조건, 지반의 응력 이력 및 해석 목적을 종합적으로 고려하여 적절한 삼축압축시험을 선정해야 한다.
참고자료 및 출처
1. ASTM D2850 — UU 삼축압축시험
Standard Test Method for Unconsolidated-Undrained Triaxial Compression Test on Cohesive Soils
https://store.astm.org/d2850-26.html
2. ASTM D4767 — CU 삼축압축시험
Standard Test Method for Consolidated Undrained Triaxial Compression Test for Cohesive Soils
https://store.astm.org/standards/d4767
3. ASTM D7181 — CD 삼축압축시험
Standard Test Method for Consolidated Drained Triaxial Compression Test for Soils
https://store.astm.org/d7181-20.html
4. Mitchell, J. K. & Soga, K. (2005)
Fundamentals of Soil Behavior, 3rd Edition, John Wiley & Sons.
흙의 전단강도, 응력·변형 관계 및 배수 조건에 따른 거동을 이해하기 위한 지반공학 참고문헌.
※ 본문의 계산 예제는 이해를 돕기 위한 가상 시험자료입니다. 실제 설계에는 현장 조사자료와 적용 기술기준을 우선해야 합니다.
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