흙의 분류체계

왜 배우는가: 흙은 토목구조물의 재료이자 지반이어서, 성질이 비슷한 흙끼리 묶어야 설계와 시공 기준을 적용할 수 있다. 분류체계는 입도와 애터버그한계 같은 시험 지표로 흙의 거동을 대략 예측하게 해 주므로 지반공학 전 영역의 출발점이 된다. 여러 교시에서 통일분류법과 AASHTO 분류법을 비교하는 문제로 자주 묻는 주제이다.

출제 이력: 제129회 3교시 6번, 제114회 3교시 3번, 제111회 1교시 13번, 제104회 1교시 10번, 제96회 2교시 3번, 제90회 4교시 4번, 제87회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흙의 분류체계는 공학적 성질이 비슷한 흙을 같은 군으로 묶고 기호를 부여하는 체계이다.

흙은 자갈에서 점토까지 입경 범위가 넓고, 같은 흙이라도 함수비와 다짐 상태에 따라 강도와 압축성이 크게 달라진다. 분류체계는 몇 가지 시험 결과만으로 흙의 거동을 대략 예측하도록 만든 도구이다. 설계와 시공 현장에서 같은 기준으로 흙을 부르고 재료를 고르려면 이 체계가 반드시 필요하다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 입도분포: 체분석과 비중계분석으로 구한 입경별 질량 비율이다. 조립토 분류의 기준이 된다.
• 소성지수: 액성한계에서 소성한계를 뺀 값이며, 흙이 소성 상태를 보이는 함수비 범위의 폭이다.
• 애터버그한계: 함수비 변화에 따라 흙의 상태가 바뀌는 경계점인 액성한계, 소성한계, 수축한계를 통칭한다.
• 조립토: 자갈과 모래처럼 입자가 굵어 체분석으로 입도를 정하는 흙이다.
• 세립토: 실트와 점토처럼 입자가 가늘어 애터버그한계로 소성 특성을 구분하는 흙이다.
• 통일분류법(USCS): 입도와 소성을 기준으로 두 문자 기호를 부여하는 분류법이다.
• AASHTO 분류법: 도로 노반용 흙 재료를 군과 군지수로 평가하는 분류법이다.

2. 개념 풀이

흙의 분류체계는 입도 기준과 소성 기준을 함께 쓰는 체계이다. 입도 기준은 체분석과 비중계분석으로 얻은 입경 분포를 쓴다. 자갈은 4.75mm 이상, 모래는 4.75mm에서 0.075mm, 실트는 0.075mm에서 0.002mm, 점토는 0.002mm 미만으로 구분한다.

자갈은 4.75mm 이상, 모래는 4.75mm에서 0.075mm, 실트는 0.075mm에서 0.002mm, 점토는 0.002mm 미만으로 구분한다.

대분류는 #200체(0.075mm체) 통과율로 정한다. 통과율이 50% 미만이면 조립토, 50% 이상이면 세립토로 본다. 이 기준은 흙 질량의 절반 이상이 0.075mm보다 가는 입자인지에 따라 흙의 거동을 지배하는 성분이 달라진다는 원리에 근거한다.

통과율이 50% 미만이면 조립토, 50% 이상이면 세립토로 본다.

조립토는 입자끼리 맞물려 전단강도가 크고 배수가 잘 되는 반면, 세립토는 점토 광물과 물의 상호작용으로 함수비에 따라 강도가 크게 변한다. 이 차이 때문에 분류 단계에서 조립토와 세립토를 먼저 나눈다.

입도 분포가 넓어 여러 크기의 입자가 고르게 섞인 흙은 입도가 양호하다고 한다. 큰 입자 사이를 작은 입자가 채우므로 간극비가 작아져 다짐 밀도가 높고 투수성이 낮아진다. 반대로 한 가지 크기의 입자가 대부분인 흙은 입도가 불량하며, 이 차이가 통일분류법의 두 번째 문자 W와 P를 가른다.

통과율이 5~12%이면 이중 기호를 쓴다. 예를 들어 입도가 양호한 자갈질 흙에 실트가 섞인 흙은 GW-GM으로 표기한다.

세립토는 입도만으로 성질을 설명할 수 없다. 점토 광물은 물을 흡착하여 함수비에 따라 액성, 소성, 반고체 상태로 변하므로, 그 경계인 애터버그한계로 소성 특성을 구분한다. 소성지수는 액성한계에서 소성한계를 뺀 값이다. 식으로 쓰면 I_P = w_L - w_P이다. 여기서 w_L은 액성한계, w_P는 소성한계(%)이다.

소성지수는 액성한계에서 소성한계를 뺀 값이다.

세립토는 액성한계 50%를 기준으로 고소성(H)과 저소성(L)으로 나눈다. 소성도에 액성한계와 소성지수를 찍으면 A선 위쪽은 점토, 아래쪽은 실트로 구분된다. 같은 액성한계라도 점토 함량이 많은 흙은 소성지수가 커지므로, 소성도는 무기질 실트와 점토, 유기질 흙을 한 그래프에서 가려 주는 도구이다.

A선 위쪽은 점토(C), 아래쪽은 실트(M)로 구분한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다. 체분석은 시료를 체눈 크기별로 걸러 입경별 질량을 구하는 시험이다. 소성도는 액성한계와 소성지수로 세립토의 종류를 구분하는 그래프이다.

3. 등장 배경과 필요성

흙은 흙댐, 하천 제방, 도로 노반, 비행장 포장 등 토목구조물의 재료이자 기초 지반이다. 같은 흙이라도 재료로 쓸 때와 지반으로 쓸 때 요구되는 성질이 다르므로, 비슷한 성질끼리 묶어야 설계와 시공 기준을 적용할 수 있다. 분류 기준이 없으면 같은 이름의 흙이라도 설계값이 제각각이 되어 품질 관리가 어려워진다.

초기에는 토양학에서 쓰던 분류를 응용하는 방식이 많았다. 토양학 분류는 구조물 하중을 받는 흙의 거동을 예측하기 어려웠으므로, 공학적 목적에 맞는 분류 기준이 필요해졌다. 그래서 입도와 애터버그한계처럼 시험으로 측정할 수 있는 지표를 기준으로 한 공학적 분류가 발달하였다.