흙 전단강도 실내·현장시험 및 배수조건

왜 배우는가: 흙의 전단강도는 옹벽, 기초, 사면의 안정 해석에 모두 쓰이는 핵심 정수이다. 이 개념은 실내시험, 현장시험, 배수조건을 함께 묶어 답안을 구성해야 하므로 2교시부터 4교시까지 반복해서 묻는 주제이다.

출제 이력: 제138회 3교시 2번, 제103회 4교시 1번, 제91회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흙의 전단강도는 흙이 전단력을 받아 파괴면을 따라 미끄러질 때 그 면에서 발휘하는 최대 저항력이다.

이 정의는 흙이 파괴되기 직전까지 버틸 수 있는 한계를 나타내므로 사면, 옹벽, 기초의 안정 해석에서 모든 검토의 출발점이 된다. 전단강도는 흙의 종류만으로 정해지는 고정값이 아니라 응력 상태와 배수조건에 따라 달라지는 값이다. 그래서 시험 결과에는 반드시 배수조건을 함께 기록해야 하며, 실내시험과 현장시험, 배수조건별 전단시험을 하나의 체계로 묶어 설명해야 한다.

핵심 키워드는 다음 일곱 가지이다.

• 전단강도: 파괴면에서 흙이 발휘하는 최대 저항력이며 이 시험들이 구하는 대상이다.
• 점착력: 응력과 무관하게 입자 사이의 결합으로 생기는 저항 성분이며 점성토에서 중요하다.
• 내부마찰각: 수직응력이 커질수록 마찰 저항이 늘어나는 각도이며 사질토 강도를 지배한다.
• 배수조건: 전단 중 간극수가 빠져나갈 수 있는지를 뜻하며 배수와 비배수로 나눈다.
• 직접전단시험: 파괴면을 미리 정해 놓고 전단하는 실내시험이다.
• 삼축압축시험: 측압을 가한 시료를 축방향으로 압축해 배수조건을 통제하는 실내시험이다.
• 베인전단시험: 날개형 베인을 지중에 넣어 회전시키고 비배수 전단강도를 구하는 현장시험이다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 파괴면에 작용하는 수직응력과 전단응력이 한계에 도달했을 때 흙이 발휘하는 최대 전단응력이다. 흙의 전단강도는 쿨롬의 파괴 기준식으로 점착력과 내부마찰각을 이용해 나타낸다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

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

여기서 τf는 전단강도(kPa), c는 점착력 c, σ는 파괴면의 수직응력(kPa), φ는 내부마찰각 φ(°)이다. 식의 뜻은 점착력이 응력과 무관한 절편이고, 내부마찰각은 응력이 커질수록 강도를 늘리는 기울기라는 것이다.

원리 풀이는 다음과 같다. 흙의 강도는 입자골격이 부담하는 유효응력에 의해 지배된다. 유효응력은 전응력에서 간극수압을 뺀 값이므로 다음과 같이 쓴다.

$\sigma' = \sigma - u$

여기서 σ'는 유효응력(kPa), σ는 전응력(kPa), u는 간극수압(kPa)이다. 전단 중 간극수압이 얼마나 생기고 소산되는지가 같은 흙의 강도를 바꾸는 원인이다. 배수시험은 간극수압이 빠져나가 유효응력으로 강도를 구하고, 비배수시험은 간극수압이 남은 상태의 전응력으로 강도를 구한다. 이 구분이 배수조건별 시험을 나누는 기준이다.

흙의 전단강도는 유효응력에 의해 지배되며 간극수압이 강도를 좌우한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 유효응력: 입자골격이 실제로 부담하는 응력으로 전응력에서 간극수압을 뺀 값이다.
• 간극수압: 간극 속 물이 받는 압력으로 비배수 조건에서 생기며 유효응력을 줄인다.
• 배수 전단: 간극수가 빠져나가 간극수압이 거의 소산된 상태에서 전단하는 조건이다.
• 비배수 전단: 간극수가 빠져나가지 못해 간극수압이 남은 상태에서 전단하는 조건이다.
• 압밀: 하중을 받은 흙에서 간극수가 빠져나가며 체적이 줄어드는 과정이다.

실내시험에서 배수조건은 삼축시험으로 구분하여 적용한다. 압밀배수(CD) 시험은 배수 상태로 전단하여 유효응력 강도를 직접 구하고, 비배수 계열 시험은 배수를 허용하지 않고 전단하여 단기 안정 검토에 쓴다. 압밀비배수(CU) 시험은 압밀 후 비배수로 전단하는 방식이며, CU 시험에서 간극수압을 측정하면 압밀배수 강도를 근사할 수 있다. 이 세 가지 구분이 배수조건 적용의 실제 기준이다.

직접전단시험은 간편하게 시험할 수 있고 흙과 다른 재료 사이의 강도정수도 구할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 파괴면을 임의로 설정하므로 직접전단시험은 파괴면을 임의로 설정하므로 실제 파괴 거동과 다른 결과를 보일 수 있다. 수침 상태에서는 배수조건을 통제하기 어렵다는 한계도 있다.

현장시험인 베인전단시험은 연약한 점토와 실트처럼 시료 채취가 어려운 흙의 비배수 전단강도를 지반 교란을 줄여 직접 구한다. 베인을 일정한 속도로 회전시켜 흙이 파괴되는 토크를 재고, 그 값으로 전단강도를 계산한다.

3. 등장 배경과 필요성

구조물을 흙 위나 흙 속에 설치하면 흙의 전단 파괴가 주요 파괴 형태이다. 사면붕괴, 기초의 지지력 상실, 옹벽의 전도와 활동이 모두 전단 파괴로 설명되므로 설계 단계에서 전단강도 정수 c와 φ를 정확히 구해야 한다. 이것이 흙의 전단강도 시험이 필요한 배경이다.