원위치 흡인력 측정

왜 배우는가: 원위치 흡인력(매트릭 흡인력)은 불포화 지반의 침투·사면 안정 해석에서 초기 상태를 정하는 입력값이다. 흡인력을 무시하면 사면 안정률이 과소평가되므로 실무 설계에서 반드시 확인해야 한다. 기출에서 두 회차 모두 측정 방법과 측정상 문제점·대책을 묻고 있어 시험에서 반복된다.

출제 이력: 제122회 4교시 1번, 제93회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

원위치 흡인력은 현장 지반의 불포화 상태에서 흙 속 간극수가 대기압보다 낮은 압력(부압)으로 받는 힘을 현장에서 직접 또는 간접으로 측정하는 것이다.

원위치 흡인력은 불포화토 간극수의 부압(매트릭 흡인력)을 현장에서 측정하는 것으로, 사면 안정과 침투 해석의 초기 조건을 정한다.

핵심 키워드

• 매트릭 흡인력(Matric Suction)
• 흡수 특성 곡선(SWCC)
• 텐시오미터(Tensiometer)
• 축변환법(Axis-translation Technique)
• 습도 센서(Relative Humidity Sensor)
• 흡인력 측정 문제점과 대책

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 흙이 덜 말랐을 때는 물이 흙 입자 사이에 붙어 있고, 그 물을 끌어당기는 힘이 흡인력이다. 흙이 마르면 흡인력은 커지고, 비가 오면 작아진다.

정식 정의는 다음과 같다. 흙 속 간극수압(u_w)이 간극공기압(u_a)보다 낮을 때 그 차이를 매트릭 흡인력이라 하며 $\psi = u_a - u_w$ 로 쓴다. 여기서 \psi는 흡인력(kPa), u_a는 간극공기압(kPa), u_w는 간극수압(kPa)이다. 모세관 힘과 흡착력이 평형을 이뤄 함께 작용하므로, 두 힘을 합쳐 매트릭 흡인력으로 부른다.

흡수 특성 곡선(SWCC)은 흡인력과 함수비(또는 포화도)의 관계를 나타낸 곡선이다. 흡인력이 커질수록 함수비가 줄어드는 형태이며, 불포화토 역학에서 투수계수와 강도를 흡인력에 따라 바꾸는 기초 자료가 된다.

불포화 상태는 간극이 물과 공기로 함께 찬 상태다. 포화토에서는 강도와 투수성이 일정하지만, 불포화토에서는 흡인력 때문에 이들 값이 변한다. 따라서 원위치에서 초기 흡인력을 알아야 침투 해석과 안정 해석을 제대로 할 수 있다.

등장 배경과 원리 구분 흡인력 0은 포화 상태를 기억하면 현장 판독값의 의미를 바로 해석할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

강우 시 사면은 표층 흡인력이 급격히 줄어 안전율이 떨어진다. 이 현상은 포화 해석만으로는 설명되지 않는다. 그래서 불포화토 역학이 발전했고, 흡인력을 실제 지반에서 측정하는 기술이 필요해졌다.

기존 설계는 흡인력을 무시하거나 실내 시험값을 그대로 적용했다. 그러나 현장 흙의 구조, 밀도, 응력 이력은 실내 재성형 시료와 달라서 현장 측정이 필요하다. 원위치 측정은 이런 차이를 줄여 준다.

또한 이상 강우와 집중호우가 늘면서 사면 붕괴의 원인을 강우 침투로 설명하는 사례가 많아졌다. 이 때문에 초기 흡인력 측정은 사면 보강 설계와 조기경보 계측의 출발점으로 쓰인다.

흡인력은 함수비 감소에 따라 증가하는 경향을 기억하면, 측정값이 강우 전후로 어떻게 변할지 예측할 수 있다.

이 절의 측정 방법 자세한 내용은 4절과 5절을 참고한다.

4. 구성요소·원리·절차

원위치 흡인력 측정 체계는 흡인력 센서(tensiometer, 장력계), 다공질 세라믹 컵(porous cup), 압력 측정부, 데이터 기록부로 구성된다. 각 요소의 역할을 표로 나누어 이해하면 측정 원리를 답안에 정리하기 쉽다.

세라믹 컵 내부의 물은 흙 속 물과 평형을 이룬다. 흙이 건조해져 흡인력이 커지면 컵을 통해 계기 내부 물이 밖으로 빠져나가고, 내부에 부압이 생겨 게이지 값이 커진다. 반대로 강우나 관개로 흙이 젖으면 물이 계기 안으로 다시 들어와 부압이 줄어든다. 이 평형 원리가 원위치 흡인력 측정의 핵심이다.

세라믹 컵 내부 물과 흙 속 간극수가 평형을 이룰 때 계기 값이 흡인력이다

측정 절차는 다음과 같다.

• 지반 굴착 또는 천공으로 측정 위치를 정하고, 목표 깊이에 구멍을 낸다.
• 구멍 주변을 흙 가루 또는 건조 시료로 메우고 계기 컵을 흙과 밀착시킨다.
• 계기 내부를 탈기된 물로 채우고 밀봉한다.
• 평형에 도달할 때까지 기다리며 게이지 값을 주기적으로 기록한다.
• 게이지 값이 일정해지면 평형으로 판단하고 값을 채택한다.
• 함수비 측정용 시료를 같은 깊이에서 채취해 SWCC와 대조한다.

흡인력은 흡인 기반 단위로 표시한다. 장력계 게이지는 보통 센티바(cbar)로 눈금이 매겨진다. 1 cbar는 1 kPa에 해당하므로 kPa로 환산하여 답안에 쓴다. 측정 범위는 장력계 방식에 따라 제한되며, 일반적인 밀폐식 장력계는 약 85 cbar 이상 값을 읽지 못한다.

다음으로 매트릭 흡인력 개념을 정리한다. 모관력과 흡착력은 평형을 이루어 따로 측정하기 어렵고, 두 힘의 합성 효과를 매트릭 흡인력(matric suction)으로 본다. 매트릭 흡인력은 공기압과 간극수압의 차이로 정의한다. 식은 다음과 같다.

$s = u_a - u_w$

여기서 s는 매트릭 흡인력(kPa), u_a는 간극 공기압(kPa), u_w는 간극수압(kPa)이다. 대기압 기준 흡인력 값은 u_a = 0으로 두면 s = -u_w가 된다. 불포화토에서 u_w가 대기압보다 작으므로 s는 양의 값이 된다.

4절 원위치 계측 구성은 개념 조직도로 그린다.

5. 관련 법령·기준·표준

원위치 흡인력 측정은 법정 기준이 정해진 분야가 아니다. 현장 적용은 주로 학회 지침, 시험 기관 절차, 계측 장비 제작사 사양서를 따른다. 실내 흡인력 시험은 국제 기준과 학술 방법을 따르며, 대표적으로 여과지법(filter paper method)과 축변환법(axis translation technique)이 쓰인다.

직접측정법은 매트릭 흡인력만 측정할 수 있어 높은 흡인력 영역에 한계가 있다. 간접측정법은 총 흡인력까지 측정할 수 있어 넓은 범위에 쓴다. 낮은 흡인력은 축변환법으로, 높은 흡인력은 상대습도 센서로 측정하는 것이 일반적이다.

장력계 방식의 기준 수치는 다음과 같다.

흡인력 단위는 cbar와 kPa를 함께 쓴다. 두 단위는 약 1:1로 대응하므로 환산 계산은 간단하다.

개정 연혁은 현행 기준이 확인된 것이 없어 본 절에서 특정 개정을 단정하지 않는다.