안식각과 내부마찰각 (angle of repose, angle of internal friction)

안식각(angle of repose)은 자연상태 흙의 최대 경사각으로서 건조된 조립토의 경우는 높이에 관계가 없지만 점성토의 경우는 높이에 영향을 미치기 때문에 안식각은 일정하지 않다. 따라서 건조된 모래나 자갈의 경우는 안식각을 결정할 수 있지만 습한 모래의 경우나 일반 점성토에서는 일정 값이 아닌 것으로 되어 있다.

내부마찰각(angle of internal friction)은 흙 속에 작용하는 수직응력과 전단저항의 관계를 표시하는 직선과 횡축이 이루는 각(φ), 즉 흙의 전단강도 성분 중 흙입자의 내부마찰에 기인하는 마찰저항은 전단면에 작용하는 수직응력에 비례하는데 이 비례정수를 tanφ로 할 때, 각도 φ를 내부마찰각이라고 한다. 일반적으로 전단시험에서 구해지는 전단저항각을 내부마찰각으로 부르는 경우가 많지만 엄밀한 의미에서의 내부마찰각은 파괴시의 간극비 또는 함수량을 규정하지 않으면 근본적으로는 일정하지 않다. 내부마찰각은 생략하여 간단히 마찰각이라 부르는 경우도 있는데, 토질역학에는 벽면마찰각 등이 있기 때문에 혼동하지 않도록해야 한다.

한편 전단저항각(angle of shearing resistance)은 전단시험에 의해 구해지는 파괴시의 수직응력과 전단응력의 관계를 나타내는 직선(삼축시험의 경우는 파괴포락선)이 횡축과 이루는 각 φ를 전단저항각이라 하며 φ는 시험조건에 따라서 φu, φcu, φ', φd 가 얻어지며, 이것은 구조물의 상태 및 시공조건에 따라 설계에 사용된다.

수직응력이 0인 경우 건조한 모래의 마찰각이 안식각과 같기 때문에 공학적으로는 내부마찰각이 흙의 일반강도를 구하는 데에 널리 사용되고 안식각은 지표면 부근의 표층활동 등의 안정을 검토할 때 이용된다.

Hough는 사질토에 관하여 이러한 안식각 및 마찰각의 대표적인 값은 표 53-1 같다고 하였다. 이 표에서 최종강도의 마찰각과는 전단응력이 최대치를 넘은 후, 저하하여 전단응력이 충분히 안정되는 것으로 판단될 경우의 전단강도에 관한 것이고, 전단강도의 마찰각은 최대강도에 관한 마찰각이다(그림 53-1 참조). 일반적으로 후자의 마찰각 φp 는 전자의 값 φ보다 크다. 설계계산상 φp 는 파괴되지 아니할 정도로 조밀하게 다져진 상태의 모래에 적용하고, φ는 처음 밀도의 대소에 관계없이 일정의 전단력에 의하여 활동을 일으킬 경우의 전단해석을 할 때 사용된다. 사질토의 내부마찰각을 개략 계산할 경우에는 반드시 전단시험을 할 필요는 없다. φ는 약 26°∼46°이고 그 입경, 입도, 입형 및 밀도 등으로 상당히 정확한 추정을 할 수 있기 때문이다.

Gibson은 각종 점토의 내부마찰각을 측정하여 표 54-2와 같이 요약하였다. 이 표에서 φe는 Hvorslev 규준에서 나타내는 참의 내부마찰각(angle of true internal friction)이다.