결합토에서 원통을 절취하여 정상 압력 _P_의 작용하에 두면(그림 1), 원통에는 새로운 응력이 나타나는데, 즉 수직 압축응력 _σ_와 수평 전단응력이 생긴다. 압력 _P_를 점차 증가시키면 얼마 후 원통에 사선 균열이 생기고, 곧이어 원통이 파괴된다. 파괴 순간에 원통은 압력 _P_의 작용으로, 가장 저항이 작은 전단면 _N-N_을 따라 전단된 상태가 된다.
그림 1. 응집성 토양에서 채취한 원통에 대한 압력의 작용
파괴 순간에 실린더가 힘 _P_에 저항하여 보인 토양의 저항을 토양의 전단저항이라 하며, 수평에 대한 최소저항면의 기울기 각 _α_를 _토양의 최소저항 전단면 각_이라 한다.
결합토의 전단저항은 두 가지 기본 저항 요소, 즉 고체 입자 사이의 _내부마찰_과 고체 입자들을 결속하는 응집력으로 이루어집니다. 토양의 전단강도는 파괴 순간의 최대 전단응력과 같다고 보며, 식으로 나타냅니다
τf = c + σ tg_φ_
여기서: _τf_는 토양의 전단강도 [kp/cm2],
c 토양의 점착력 [kp/cm3],
σ 지반의 정규 응력 [kp/cm3],
φ 토양의 내부마찰각.
상기 공식을 프랑스인 Coulomb이 1785.년에 제시하였다. 이 공식에 따르면 주어진 토양에서 결합력 _c_는 일정하며 법선압과 무관한 반면, 마찰 저항 σ tg_ϕ_는 응력 _σ_에 정비례한다. 실제로 결합력 _e_는 주어진 토양에서 일정하지 않으며, 어느 정도는 법선응력 _σ_에 의존하는데, 이는 이 압력의 작용으로 고체 입자를 둘러싼 물막의 두께가 줄어들어 결합력이 증가하기 때문이다. Coulomb의 공식은 법선압의 작용으로 공극수는 저항 없이 배출되는 투수성 토양에 적용되며, 이는 자갈질 및 사질 토양의 경우이다. 그러나 이는 투수성이 낮아 공극수의 배출이 어렵고, 하중 _P_의 작용 아래 압축된 공극수로 남는 점결토에는 해당하지 않는다.
토양의 유효응력과 중립응력
그림 2. 토양에서의 유효응력과 중립응력
토양 시료를 용기의 바닥에, 예를 들어 건조한 모래를 넣고, 그 위에 무게 _W_의 납탄과 같은 질량을 가하면, 이 무게에 의한 전체 하중은 토양의 고체 입자들이 받게 됩니다. 시료 표면에 작용하는 단위압력 p0 = W/A kp/cm3에서, _A_는 시료의 단면적이며, 이는 시료의 침하, 즉 공극률 감소를 유발합니다. 또한 전단강도 증가, 압축계수 증가 등 시료의 다른 물리적 성질의 변화도 일으킵니다. 입자들 사이의 접촉면에서 작용하는 압력을 유효 또는 입간 압력 σ’라고 합니다. 압밀이 이루어졌을 때, 즉 시료가 하중 p0 아래에서 더 이상 침하하지 않게 되면, 유효압력은 토양을 관찰하는 깊이에서 작용하는 전체 단위압력과 같습니다. 이 경우, 그림 2에서 시료 표면 아래 깊이에서는 σ’ = W/A + _hzγ_이며, 여기서 _γ_는 시료의 체적중량입니다.
그러나 용기 속의 시료에 납산 대신 물을 높이 _h_까지 채우고, 그 물이 시료의 모든 공극을 채웠다고 하면, 시료 위의 수주 압력 _hγw_는 여기서 _γw_가 물의 체적중량인 경우, 시료의 침하와 공극률 감소를 일으키지도 않고 전단강도와 압축계수를 증가시키지도 않는다. 따라서 정수압 _hγw_를 _중립압_이라고 한다. _u_로 표시하는 중립압은 시료 전체에 모든 방향으로 동일한 강도로 전달된다. 이 압력은 물 자체에는 어떠한 전단강도도 없기 때문에 전단강도의 증가를 일으키지 않는다.
따라서 유효응력 _σ’_은 토양의 고체 입자 사이 접촉면을 통해 전달되고, 간극수압 _u_는 공극 내의 물을 통해 전달된다. 용기의 하부가 체적중량 _γz_인 포화 토양 시료로 채워져 있고, 시료 표면 위에서 수위 _N_까지의 용기는 체적중량 _γw_인 물로 채워져 있다면, 시료의 어느 지점에서든 전체 압력 _σ_는 _σ = σ’ + u._가 된다.
깊이 hz에서, 시료 표면 아래의 유효응력은 σ = σ’ - u 이다
여기서 σ = h γw + h γz
u = (h + hz) γw.
따라서 σ’ = hz γ’ 이다
_γ’_는 물속에 잠긴 토양의 체적중량이다.
토양의 전단강도 일반식
결합된 토양에 하중 _P_를 가하면, 이 하중은 토양의 침하를 유발하며 처음에는 그 작용으로 공극의 공기가 밀려나가 곧 공극에는 물만 남게 된다. 결합 토양은 투수성이 작기 때문에 물이 즉시 빠져나갈 수 없으므로, 물은 공극 속에 응력 상태의 물로 남아 초기에는 외부 전체 하중 _P_를 받는다. 시간이 더 지나면 하중 _P_의 작용으로 공극의 물이 빠져나가기 시작하고 고체 입자들이 서로 가까워지며, 이제 그 일부가 하중 P_를 부담한다. 그러면 τf =c + (σ - u) tg_ϕ, 여기서 _σ_는 하중 _P_에 의한 전체 압력, _u_는 공극수압이다.
간극수압 _u_는 압밀의 시간 경과, 토양의 투수성, 토압의 크기 등 여러 요인에 따라 달라진다. 토양의 전단강도는 간극수압에 의존하며, 토양 압밀이 일어날 때 u=0에서 가장 크다.
토양의 콜로이드 활성
토양의 내부 저항 요소인 _응집력_과 _마찰_은 서로 다를 수 있으며, 토양의 고형 입자 크기와 소성 성질에 크게 좌우된다. 결합성 토양의 내부 마찰 저항에 대한 응집력의 영향을 규정하기 위하여 Skempton은 토양의 콜로이드 활성도 _K_P_라는 개념을 도입했는데, 이는 소성지수 IP를 전체 질량의 중량 백분율로서 0,002 mm mm보다 작은 입자량과의 비로 나타낸 것이다. 이때 다음 기준이 채택되었다(그림 3):
그림 3. 토양의 콜로이드 활성
KP < 0,75인 경우 비활성 점토이다,
KP = 0,75 – 1,25인 경우는 보통 점토이다,
Kp > 1,25의 활동성 점토에 대하여.
KP가 증가함에 따라 응집성 토의 내부 마찰에 대한 응집력의 영향이 커진다.
토양의 민감도
응집성 토양에서 지름 3—3,4 cm, 높이 약 5 cm의 원통을 채취해 수직 하중을 가하면, 원통이 파괴되는 순간 변형되지 않은 상태의 토양 압축강도 _σ__ₙ:_을 얻을 수 있다.
σn = P/A in kp/cm2,
여기서 _A_는 원주의 단면적이다.
시험이 끝나면 파괴된 시편을 옮겨 같은 치수의 원주를 다시 제작하고, 동일한 실린더 몰드를 사용하되, 그 수분함량은 이전 시험 때의 상태를 유지한다. 그런 다음 다져 만든 원주에 대해 즉시 시험을 다시 수행하여 교란 상태의 토양 압축강도 _σ__ₚ._를 얻는다.
민감도 (sensitivitet) _S__ₜ_는 교란되지 않은 상태의 압축강도와 교란된 상태의 압축강도 사이의 비율이다: St = σn/σp,
한 기준에 따르면, 민감도 _S__ₜ_는 다음과 같이 평가된다:
- S__ₜ = 1 — 2일 때 점토의 민감도는 낮다,
- S__ₜ = 2 — 4일 때 점토의 중간 민감도이다,
- S__ₜ = 4 — 8일 때 점토의 민감도가 매우 크다,
- S__ₜ > 8 인 경우에는 과민한 점토이다.
자연에서는 기계적 작용, 예를 들어 지진으로 인해 점토질 토양이 갑자기 강도를 잃었다가 정지 상태에서 다시 회복하는 일이 발생한다. 이 성질을 _토양의 틱소트로피_라고 한다. 많은 점토는 어느 정도 틱소트로피 성질을 지닌다. 노르웨이, 스웨덴, 핀란드에서는 틱소트로픽 점토의 유출로 인해 절개 사면이 미끄러진 사례가 알려져 있으며, 조사 결과 이 과정에서 점토의 수분 함량에는 변화가 없었음, 즉 유출 전후의 점토 수분 함량이 일정했음이 확인되었다.