흙의 물리적·역학적 특성

왜 배우는가: 흙은 강철이나 콘크리트와 달리 불균질하고 하중·시간·환경에 따라 거동이 변하므로, 기초 설계와 침하·사면 검토는 흙의 물리적 특성을 역학 특성으로 바꾸는 과정에서 시작된다. 기술사 시험에서는 흙의 특성 구별과 설계 특성치를 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제93회 2교시 4번, 제92회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

흙의 물리적 특성은 삼상(흙 입자·물·공기)의 비율과 입도·함수비 등으로 나타나며, 이것이 전단강도·압축성·투수성 같은 역학적 특성을 결정한다.

핵심 키워드

• 삼상관계: 흙 입자, 물, 공기로 구성된 흙의 구성 비율
• 간극비·간극률: 흙 속 공극의 크기를 나타내는 지표
• 함수비·포화도: 물의 양을 나타내는 지표, 포화도는 공극 중 물이 차지하는 비율
• 아터버그 한계: 액성한계·소성한계·수축한계로 나타내는 점성토의 상태
• 상대밀도: 사질토의 느슨함과 조밀함을 나타내는 지표
• 전단강도: 흙이 파괴되기 직전까지 견디는 전단응력
• 압밀·투수: 간극수가 빠져나가며 일어나는 체적 감소와 물의 흐름

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 흙은 알갱이 사이에 물과 공기가 들어 있는 재료다. 그 비율이 바뀌면 같은 흙이라도 단단하거나 물러지고, 압축되거나 물을 잘 통과시킨다. 흙의 물리적 특성은 이 비율과 입자 크기로 측정하는 값이고, 역학적 특성은 그 값에서 하중을 받을 때의 거동을 예측하는 값이다.

정식 정의는 다음과 같다. 토질역학에서 흙은 흙 입자, 물, 공기의 세 가지로 이루어진 삼상 재료로 본다. 물과 공기가 차지하는 부분을 공극 또는 간극이라 하며, 이 삼상의 비율에 따라 흙의 역학적 특성이 달라진다.

삼상관계는 흙 요소 하나를 부피와 무게로 나누어 보는 방법이다. 부피 기준으로는 흙 입자 부피 V_s, 물 부피 V_w, 공기 부피 V_a 를 쓰고, 공극 부피 V_v = V_w + V_a 이다. 무게 기준으로는 흙 입자 무게 W_s와 물 무게 W_w를 쓴다.

간극비 e = V_v / V_s 는 흙 입자 부피에 대한 공극 부피의 비다. 간극률 n = V_v / V = e/(1+e) 는 전체 부피에 대한 공극 비율이다. 두 값은 같은 상태를 다른 기준으로 나타낸 것이므로 서로 바꿔 쓸 수 있다.

함수비 w = W_w / W_s \times 100\% 는 흙 입자 무게에 대한 물 무게의 백분율이다. 포화도 S_r = V_w / V_v \times 100\% 는 공극 중 물이 찬 비율이며, 완전히 건조하면 0%, 완전히 포화되면 100%다.

아터버그 한계는 함수비에 따라 점성토가 고체, 반고체, 소성, 액체 상태를 거치는 경계의 함수비다. 액성한계 w_L은 액체와 소성 상태의 경계, 소성한계 w_P는 소성과 반고체 상태의 경계다. 소성지수 I_P = w_L - w_P 는 소성 상태가 유지되는 함수비 범위이며, 점토가 소성을 많이 가질수록 값이 크다.

상대밀도 D_r = (e_{max} - e)/(e_{max} - e_{min}) \times 100\% 는 사질토의 느슨하고 조밀한 정도를 나타낸다. e_{max}는 최대 공극비, e_{min}은 최소 공극비, e는 현재 공극비다.

3. 등장 배경과 필요성

흙은 자연에서 만들어진 재료이므로 강철이나 콘크리트처럼 성분과 성질이 일정하지 않다. 같은 현장에서도 층마다 입도와 함수비가 다르고, 하중을 받으면 간극이 줄어 성질이 변한다. 이런 불확실성 때문에 흙을 재료로 다루려면 먼저 삼상의 비율과 상태를 수치로 정하는 과정이 필요했다.

초기 토질역학은 흙의 체적 변화와 파괴를 설명하기 위해 삼상관계와 아터버그 한계를 정리했다. 이후 사질토의 상대밀도, 점성토의 함수비 상태가 기초 지지력과 침하를 판단하는 기본 지표가 되었다. 현재도 지반조사에서 흙을 분류할 때 이 값들을 먼저 구하고, 그 결과로 역학 시험과 설계 특성치를 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

흙은 흙 입자, 물, 공기의 세 상으로 이루어진 삼상계(Three-phase system)다. 세 상의 부피·질량 비율이 흙의 물리적 특성을 정하고, 그 물리적 특성이 다시 역학적 거동(강도·압축성·투수성)을 정한다. 따라서 흙의 역학을 이해하려면 삼상관계부터 정리해야 한다.

흙의 구성은 다음 식으로 정리된다. 간극비(void ratio) e = V_v / V_s, 간극률 n = V_v / V, 함수비 w = W_w / W_s \times 100\%, 포화도 S_r = V_w / V_v \times 100\%(단위 %)이다. 여기서 V는 전체 부피, V_s는 흙 입자 부피, V_w는 물 부피, W_s는 흙 입자 무게, W_w는 물 무게다.

흙의 역학적 거동을 설명하는 핵심 원리는 유효응력(Effective stress)이다. 전응력 σ는 간극수압 u와 유효응력 σ′의 합으로 나뉜다. 식은 \sigma' = \sigma - u다. 흙이 강도를 내고 침하를 일으키는 것은 흙 입자가 받는 σ′ 때문이므로, 간극수압이 변하면 같은 전응력에서도 강도가 달라진다.

흙의 물리량이 역학량으로 이어지는 절차는 다음과 같다.

• 시료를 채취하고 자연 상태의 함수비와 단위중량을 측정한다.
• 흙 입자 비중과 체분석·침강분석으로 입도를 구한다.
• 액성한계·소성한계로 컨시스턴시를 구하고 소성지수 I_P = w_L - w_P를 계산한다.
• 간극비·상대밀도로 조밀 상태를 판정한다.
• 물리 상태로부터 강도정수(c, φ)와 압축지수 C_c를 상관식이나 시험으로 구한다.
• 유효응력과 간극수압 조건을 넣어 지지력·침하·사면 안정을 검토한다.

흙의 역학적 특성은 삼상비와 유효응력으로 결정된다

도식 1개. 흙의 물리 상태가 역학 특성을 정하는 흐름이다.

5. 관련 법령·기준·표준

흙의 물리·역학 시험은 국내에서 대부분 한국산업표준(KS)과 국토교통부 설계기준(KDS) 체계를 따른다. 기준 번호는 확실한 것만 쓰고, 이름으로 구분한다. 시험 방법의 기준 명칭은 흙 입자 비중 시험, 체분석 시험, 액·소성한계 시험, 다짐시험, 압밀시험, 일축압축시험, 삼축압축시험이다.

Terzaghi 1차원 압밀 이론은 다음 가정을 쓴다. 흙은 균질하고 완전 포화되어 있다. 흙 입자와 물은 비압축성이다. 압축은 1차원 연직으로만 일어나며 물의 흐름도 연직이다. Darcy 법칙이 성립하고 투수계수는 일정하다. 유효응력의 법칙이 적용된다. 이 가정 때문에 현장 흙이 완전 포화되지 않았거나 유기질 흙이면 예측이 어긋날 수 있다.

기준 체계는 흙 시험을 위한 KS 규격과 설계를 위한 KDS 기준으로 나뉜다. 2021년 이후 설계 기준은 KDS 코드 체계로 정리되어 있다. 이 체계 변경은 설계 기준 명칭의 변화이며 시험 방법 자체가 바뀐 것은 아니다.

6. 유형과 비교

흙의 물리적 특성과 역학적 특성은 같은 흙을 서로 다른 목적으로 나눈 것이다. 물리적 특성은 함수비, 간극비, 포화도, 단위중량, 비중처럼 상(相)의 비율로 흙의 상태를 나타낸다. 역학적 특성은 전단강도, 압축성, 투수성, 압밀 특성처럼 하중과 변형에 대한 거동을 나타낸다. 두 특성은 같은 삼상관계에서 출발하므로 상관관계가 성립한다.