흙의 물리적·역학적 특성

흙의 구성

흙은 흙 입자, 물, 공기의 세 상으로 이루어진 삼상 재료다.

물과 공기가 차지하는 부분을 간극이라 하며, 이 비율에 따라 역학적 특성이 달라진다.

흙은 강철이나 콘크리트와 달리 불균질하고, 하중과 시간에 따라 거동이 변한다.

삼상관계와 물리량

삼상관계는 흙 요소 하나를 부피와 무게로 나누어 보는 방법이다.

간극비는 흙 입자 부피에 대한 공극 부피의 비이고, 간극률은 전체 부피에 대한 비다.

함수비는 흙 입자 무게에 대한 물 무게의 백분율이다.

포화도는 공극 중 물이 차지하는 비율이며, 완전 건조면 0%, 완전 포화면 100%다.

컨시스턴시 한계

점성토는 함수비에 따라 고체, 반고체, 소성, 액체 상태를 거친다.

액성한계 wL은 액체와 소성 상태의 경계, 소성한계 wP는 소성과 반고체 상태의 경계다.

소성지수 IP는 wL에서 wP를 뺀 값이며, 소성을 많이 가질수록 값이 크다.

소성지수는 점성토를 분류하는 데 쓰인다.

사질토의 상대밀도

사질토의 느슨하고 조밀한 정도는 상대밀도 Dr로 나타낸다.

분모는 최대와 최소 공극비의 차이이고, 분자는 최대 공극비에서 현재 공극비를 뺀 값이다.

사질토는 상대밀도가 높을수록 전단강도가 커진다.

점성토는 함수비가 높을수록 강도가 작아진다.

유효응력

흙이 강도를 내고 침하를 일으키는 것은 흙 입자가 받는 유효응력 때문이다.

전응력 σ에서 간극수압 u를 뺀 값이 유효응력 σ′다.

간극수압이 커지면 같은 전응력에서도 유효응력이 줄어 강도가 달라진다.

물은 유효응력을 줄이고 투수와 압밀 시간을 결정한다.

시험 포인트와 직접 풀기

답안에서 가장 흔한 실수는 흙을 균질하고 등방인 재료로 가정하는 것이다.

물리 시험값과 역학 값은 다르며, 상관관계는 시험값으로 추정한다.

지지력은 극한 값을 안전율로 나눈다. 곱하는 것이 아니다.

이제 앞에서 배운 식을 직접 풀어 보자.

정답과 정리

정답은 상대밀도 Dr이다. 최대와 최소 공극비 사이에서 현재 상태를 본다.

정리하면 흙의 역학적 특성은 삼상비와 유효응력으로 결정된다.

물리 특성은 역학 특성을 지배하는 지표이며, 상관관계는 시험값으로 추정한다.