베인전단시험

왜 배우는가: 베인전단시험은 시료 채취가 어려운 연약 점성토의 비배수 전단강도를 현장에서 직접 구하는 시험이다. 설계와 시공 단계의 안정 검토에서 강도 입력값으로 쓰이므로 실무에서 자주 쓰이며, 교시를 가리지 않고 용어와 논술 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제118회 2교시 4번, 제111회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

베인전단시험은 연약 점성토 지반에 십자형 날개를 관입하고 회전시켜 최대 토크로 비배수 전단강도를 구하는 현장 전단시험이다.

답안 첫 줄은 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 아래 키워드를 본문 설명에 자연스럽게 넣는다.

• 비배수 전단강도: 배수가 일어나지 않는 조건에서 흙이 전단 파괴될 때의 강도이며, 이 시험이 직접 구하는 값이다.
• 최대 토크: 날개를 돌려 흙이 파괴되는 순간 측정되는 가장 큰 회전 모멘트이다.
• 베인(Vane): 로드 끝에 십자형으로 붙은 얇은 날개판이며, 지반에 밀어 넣은 뒤 회전시킨다.
• 연약 점성토: 함수비가 높고 강도가 작아 시료를 채취하면 쉽게 교란되는 점토와 실트이다.
• 점착력(c_u): 내부마찰각이 0인 비배수 조건에서 비배수 전단강도와 같은 값으로 쓰는 강도정수이다.
• 예민비(St): 원상태 흙의 강도를 이긴 흙의 강도로 나눈 값이며, 같은 날개를 여러 번 회전시켜 얻는 교란 후 강도와 비교할 때 쓴다.

2. 개념 풀이

베인시험은 날개가 달린 로드를 보링공 바닥에서 지반에 밀어 넣고, 일정한 속도로 돌리면서 흙이 파괴될 때의 최대 토크를 재는 방법이다. 날개는 높이가 지름의 2배인 십자형 판이며, 흙 속에서 원통형 파괴면을 따라 전단이 일어나도록 만든다. 따라서 측정된 토크는 원통의 측면과 상하 면에서 생기는 전단저항의 합이다.

시험이 비배수 조건에서 이루어지는 이유는 점토의 투수성이 낮기 때문이다. 날개를 돌리는 시간 동안 간극수가 빠져나오지 못하므로 흙의 체적은 변하지 않고, 이때 얻는 강도가 비배수 전단강도이다. 이 값은 시공 직후 단기 안정 해석에서 쓰는 전응력해석의 입력값이 된다.

시험 절차는 다음과 같다.

• 보링공을 원하는 깊이까지 뚫고 날개를 공 바닥에 관입한다.
• 분당 6~12° 범위의 일정한 속도로 로드를 회전시킨다.
• 토크가 최대값에 이르러 흙이 파괴되면 그 최대 토크를 기록한다.
• 최대 토크를 날개 치수 식에 대입하여 비배수 전단강도를 구한다.

비배수 전단강도는 다음 식으로 구한다.

$S_u = \frac{T_{max}}{\pi D^2\left(\frac{H}{2}+\frac{D}{6}\right)}$

S_u는 비배수 전단강도(Pa), T_{max}는 최대 토크(N·m), D는 날개 지름(m), H는 날개 높이(m)이다. 치수를 m로, 토크를 N·m로 넣으면 결과는 Pa 단위로 나온다. 날개 높이를 지름의 2배로 두면 식의 분모가 날개 지름만으로 정해진다.

날개는 크기가 두 가지이며, 연약한 흙에는 큰 날개를, 단단한 흙에는 작은 날개를 쓴다. 두 날개의 구분 기준은 대략 50kN/m² 전후의 강도이다. 같은 자리에서 날개를 여러 번 회전시키면 흙 구조가 흐트러져 잔류강도가 얻어지며, 이 값과 최대 강度의 비가 예민비를 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

연약 점성토지반은 함수비가 높고 압축성이 커서, 성토나 구조물 공사 중에 흙의 안정성을 빠르게 판단해야 하는 경우가 많다. 그런데 이 흙은 샘플링 과정에서 쉽게 교란되므로, 채취한 시료로 실내에서 구한 강도는 현장 강도와 차이가 날 수 있다. 현장에서 직접 전단시키는 베인시험은 시료 채취에 따른 교란을 피하려고 만들어진 방법이다.

베인시험은 1948년 이전부터 사용된 오래된 현장 시험이다. 처음에는 연약한 점토의 강도를 간단히 얻는 수단이었으나, 이후 측방유동이나 압밀 해석 같은 지반 설계에 쓰이는 정수를 제공하는 시험으로 자리 잡았다. 국내에서도 연약지반 조사 항목에 베인시험이 포함되어 비배수 전단강도 산정 목적으로 쓰인다.

시험이 필요한 이유는 성토 안정 검토에 있다. 연약 지반 위에 흙을 쌓으면 점성토의 비배수 강도가 공사 속도를 제한하므로, 설계자는 베인시험으로 얻은 Su를 기준으로 허용 성토고와 시공 단계를 정한다. 이때 시험은 깊이별 강도 분포를 얻는 데 특히 효과적이다. 또한 이탄질 흙처럼 특수한 지반에 적용하려는 연구도 이어지고 있어 응용 범위가 넓다.