유효응력 원리 (Effective Stress Principle)
쉽게 풀면
흙은 알갱이와 그 사이를 채운 물로 이루어져 있습니다. 위에서 누르는 전체 하중(전응력) 가운데 일부는 물이 떠받치고, 나머지만 흙 알갱이끼리 맞닿아 전달되는데 이 몫이 유효응력입니다. 테르자기는 흙의 전단강도와 압축 거동이 오직 이 유효응력에만 좌우된다고 정리했고, 식으로는 유효응력 = 전응력 − 간극수압으로 씁니다. 그래서 하중이 그대로여도 지하수위가 올라가 간극수압이 커지면 흙은 약해집니다.
왜 중요한가
지반공학의 거의 모든 계산이 이 원리 위에 세워져 있습니다. 압밀침하, 사면 붕괴, 액상화, 굴착 바닥의 파괴 같은 현상이 모두 유효응력이 얼마나 줄었는가로 설명되기 때문에, 논문에서도 지반 거동을 논할 때 전응력 조건인지 유효응력 조건인지를 먼저 밝히는 것이 관례입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
비가 와서 흙이 무거워졌기 때문이 아니라, 물이 하중을 나눠 받으면서 알갱이 사이의 맞물림 힘이 줄어 무너졌다는 설명입니다. 사면 붕괴 연구에서 가장 전형적인 서술 방식입니다.
조금 더 깊게 보면
포화된 흙에서는 유효응력을 전응력에서 간극수압을 뺀 값으로 간단히 쓰지만, 불포화토에서는 물과 공기가 함께 존재해 모관흡수력을 별도의 항으로 다루는 확장된 유효응력 개념이 쓰입니다. 또한 재하 직후처럼 물이 빠져나갈 시간이 없는 비배수 조건에서는 하중 증가분이 대부분 간극수압으로 넘어가 유효응력이 거의 변하지 않고, 시간이 지나 물이 배출되면서 비로소 유효응력이 증가해 침하가 진행됩니다. 이 때문에 설계에서는 단기(비배수)와 장기(배수) 조건을 나누어 각각 검토합니다.
주의할 점
전응력과 유효응력을 섞어 쓰면 강도정수도 함께 틀어집니다. 비배수 조건의 전응력 해석에는 비배수 전단강도를, 배수 조건의 유효응력 해석에는 유효 점착력과 유효 내부마찰각을 써야 하며 이를 혼용하면 안전율이 크게 왜곡됩니다. 물 자체는 전단저항을 하지 못한다는 점이 이 원리의 물리적 출발점입니다.