지반 전단파괴

왜 배우는가: 지반 전단파괴는 사면·옹벽·기초 설계에서 안정성을 가르는 기본 현상이며, 흙의 강도정수(c, φ)와 파괴면 개념을 함께 묻기 때문에 1교시 용어 문제와 논술 문제에 반복해서 출제된다. 파괴 형태를 구분하지 못하면 안정 검토와 보강 방법을 연결할 수 없다.

출제 이력: 제113회 1교시 10번, 제102회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지반 전단파괴는 지반 내부의 한 면을 따라 흙의 전단강도가 작용 전단응력을 넘어서 흙이 미끄러지며 지지력을 잃는 현상이다.

• 전단강도
• 모어-쿨롬 파괴규준
• 점착력(c)과 내부마찰각(φ)
• 파괴면
• 전반 전단파괴·국부 전단파괴·관입 전단파괴
• 비배수 전단강도(cu)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흙을 누르면 어느 순간 흙덩이가 한쪽 면을 따라 밀려 미끄러지는 것이 전단파괴다. 기초가 무너지거나 사면이 쓸려 내려가는 대부분의 흙 파괴가 이 형태다.

정식 정의는 다음과 같다. 흙 속의 어느 면에 작용하는 전단응력이 그 면의 전단강도를 초과하면 그 면을 따라 흙이 연속적으로 미끄러지는 현상을 지반 전단파괴라 한다. 흙의 전단강도는 Coulomb 식 \tau_f = c + \sigma \tan\phi 로 나타낸다. 여기서 \tau_f 는 전단강도(kPa), c 는 점착력(kPa), \sigma 는 파괴면에 작용하는 수직응력(kPa), \phi 는 내부마찰각(°)이다. 사질토는 점착력이 거의 없어 c=0 으로 본다.

이 식에서 핵심은 수직응력이 커질수록 전단강도가 커진다는 점이다. 그래서 같은 흙이라도 깊이가 깊고 상재하중이 클수록 전단강도는 증가하지만, 외력에 의해 전단응력이 그보다 빨리 커지면 파괴가 일어난다. 파괴 포락선은 여러 응력 상태에서 얻은 파괴 응력원들에 접하는 선이며, 그 기울기가 내부마찰각, 절편이 점착력이다.

흙의 파괴 거동은 배수 조건에 따라 달라진다. 배수 조건에서 측정한 강도는 유효응력으로 표현하고 c', \phi' 를 쓴다. 비배수 조건(급속 재하, 포화 점토)에서는 간극수압이 빠져나가지 못하므로 전응력 해석으로 \phi_u = 0 과 비배수 전단강도 c_u 를 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

흙 구조물은 재료가 불균질하고 강도가 하중 이력과 함께 변하기 때문에 단순 탄성 해석만으로 안전성을 확보할 수 없다. 건설 현장에서 기초 침하가 허용 범위 안에 있어도 지지력 한계에 도달해 급격히 무너지는 사례가 있었고, 이 때문에 파괴 한계 상태를 따로 검토하는 전단파괴 이론이 발전했다. Terzaghi 의 지지력 이론이 대표적이며, 얕은 기초 지지력과 말뚝의 선단지지력 식도 같은 전단파괴 개념에서 출발한다.

사면과 옹벽에서도 같은 원리가 적용된다. 사면은 자중에 의한 전단응력이 흙의 전단강도를 넘을 때 활동면을 따라 붕괴하고, 옹벽은 배면 토압이 기초 지반의 전단저항을 넘을 때 전도·활동·지지력 파괴가 일어난다. 따라서 안정 해석의 출발점은 항상 어느 면에서 전단응력이 전단강도를 넘는지를 찾는 것이다.

흙 파괴 형태를 구분해야 하는 이유도 여기에 있다. 같은 전단파괴라도 점토와 사질토, 지반의 밀도에 따라 파괴면의 모양과 진행이 달라지므로 대책 공법이 달라진다. 답안에서는 파괴 형태를 먼저 구분하고 그에 맞는 해석과 대책을 연결해야 점수를 받는다.

4. 구성요소·원리·절차

지반 전단파괴는 지반 내부의 한 면을 따라 전단응력이 전단강도를 넘어설 때 일어난다. 파괴면을 따라 흙이 미끄러지며 지지력과 사면 안정성을 잃는다. 원리는 Mohr-Coulomb 파괴 규준으로 설명한다.

전단강도 식은 다음과 같다.

$\tau_f = c' + \sigma' \tan\phi'$

여기서 \tau_f는 전단강도(kPa), c'는 유효 점착력(kPa), \sigma'는 파괴면의 유효 수직응력(kPa), \phi'는 유효 내부마찰각(°)이다. 사질토는 c'=0이므로 전단강도는 \sigma'\tan\phi'만으로 결정된다.

전반 전단 파괴, 국부 전단 파괴, 관입 전단 파괴는 지반 상태에 따라 파괴면의 발달 범위가 다르다. 조밀한 지반은 파괴면이 지표까지 발달하고, 느슨한 지반은 파괴면이 흙 내부에서 멈추거나 기초가 밀려 들어간다.

지반 전단파괴는 파괴면을 따라 전단응력이 전단강도를 초과하여 발생한다

구성요소는 다음과 같이 정리한다.

점착력 성분은 점토에서 주로 작용하고, 마찰 성분은 사질토에서 주로 작용한다. 간극수압이 커지면 유효응력이 줄어 전단강도가 낮아진다.

파괴 발생 절차는 다음과 같다.

• 외력(하중, 굴착, 강우)이 지반 내부 응력을 변화시킨다.
• 파괴면에 작용하는 전단응력이 증가한다.
• 간극수압 상승으로 유효응력이 감소한다.
• 전단강도가 전단응력 이하로 떨어진다.
• 파괴면을 따라 미끄러짐이 발생하고 지지력이 상실된다.

5. 관련 법령·기준·표준

지반 전단파괴 검토는 설계기준과 시공 안전기준에서 다룬다. 건설 분야 설계기준은 KDS 코드 체계를 따르며, 안전은 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」이 규정한다.

지반 전단파괴의 안전율은 전단강도를 전단응력으로 나눈 값으로 정의한다. 사면 안정 검토에서는 안전율이 1.5 이상이 되도록 설계하는 것이 일반적이다. 굴착 사면의 세부 기준은 KDS 설계기준의 해당 조항을 따른다.

전단파괴는 건설안전 관점에서 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 굴착 작업 규정과 연계된다. 굴착 깊이와 흙막이 설치 기준은 현장 안전관리의 필수 항목이다.

6. 유형과 비교

지반 전단파괴는 파괴면의 형태와 지반 종류, 변형의 크기에 따라 세 가지로 나뉜다. 세 파괴 유형은 지반의 밀도와 응력-변형 거동이 달라서 나타난다.