토질역학

흙의 물리적 성질과 분류

흙의 물리적 성질과 분류는 흙입자, 물, 공기의 비율과 입도, 소성으로 흙의 상태를 나타내고 구분하는 기준이다. 흙의 기본성질에서 간극비는 간극의 부피를 흙입자의 부피로 나눈 값이며, 포화도는 간극의 부피에 대한 물의 부피 비율이다. 흙의 구성은 고체, 액체, 기체의 3상으로 이루어지며, 포화토의 간극은 물로만 채워진다. 흙의 입도분포는 균등계수 Cu = D60/D10과 곡률계수 Cc = D30²/(D10×D60)으로 판정하며, 모래가 입도분포 양호(SW)이려면 Cu ≥ 6이고 1 ≤ Cc ≤ 3이어야 한다. 흙의 소성특성은 액성한계와 소성한계로 나타내며, 소성지수는 PI = LL − PL이고 흙이 소성 상태로 있을 수 있는 함수비의 범위이다. 흙의 분류는 입도와 소성을 기준으로 흙을 나누는 체계이며, 통일분류법이 대표적이다.

흙속에서의 물의 흐름

흙속에서의 물의 흐름은 지하수가 흙의 간극을 통과하는 현상으로, 흙의 투수성과 침투에 따른 지반 불안정을 다룬다. 투수계수는 흙의 투수 성질을 나타내며, 같은 흙에서는 간극비가 클수록 커지고 물의 점성계수가 클수록 작아진다. 점토는 간극이 좁아 모래보다 투수계수가 작다. Darcy 법칙은 유속 v = k·i로 나타내며, 여기서 i는 동수경사이다. 물의 2차원 흐름은 유선과 등수두선으로 이루어진 유선망으로 나타내며, 유로 간격이 좁은 곳에서 동수경사가 가장 크다. 침투와 파이핑에서 침투수가 흙입자를 밀어내면 유효응력이 줄고, 하류단 동수경사가 한계를 넘으면 흙입자가 세굴되어 유로가 생기고 점차 확대된다. 흙댐에서는 하류단 유선 출구 부근에서 파이핑이 가장 먼저 시작된다.