개념 한 쪽
흙의 전단저항은 점착력과 내부마찰각이라는 두 성분으로 표현되며, 이를 구하기 위해 여러 전단시험 방법을 사용한다. 시험의 목적과 시공 조건에 따라 직접전단시험, 삼축시험, 일축압축시험, Vane시험 등 적합한 시험법을 선택해야 한다.
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출제기준 단원 「전단시험」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 내부마찰각 계산 | 1 | c=0 가정에서 τ와 σ로부터 φ를 구하는 계산 능력 평가 |
| 점착력 산정 | 1 | 두 가지 상태의 τ, σ로부터 c를 연립방정식으로 구하는 절차 평가 |
| 전단저항 외삽 | 1 | 두 점의 선형 관계로부터 목표 σ에서의 τ를 외삽하여 산출하는 능력 평가 |
흙의 전단저항은 Mohr-Coulomb 파괴기준으로 표현하며, 식으로는 τ = c + σ tanφ로 나타낸다. 여기서 τ는 전단저항, c는 점착력, σ는 수직응력, φ는 내부마찰각이다. 이 관계는 전단저항과 수직응력 사이의 선형 관계로 이해하면 된다.
직접전단시험은 주로 전단강도 파라미터인 점착력 c와 내부마찰각 φ를 얻기 위해 사용한다. 순수 모래와 같이 점착력이 없는 경우에는 c≈0으로 가정하고 τ = σ tanφ 관계만으로 내부마찰각을 산정할 수 있다.
삼축압축시험에는 여러 변형이 있으며, 압밀과 배수 조건을 어떻게 취하느냐에 따라 CD, CU, UU 시험으로 구분된다. 재하 속도가 과잉간극수압 소산 속도보다 빠르면 비배수 비압밀(UU) 시험이 적합하고, 압밀 과정이 고려될 경우 CU나 CD 시험을 사용한다.
흙의 종류와 상태에 따라 시험법의 적합성이 달라진다. 예컨대 일축압축시험은 주로 점토와 같이 점착력이 있는 흙의 강도 평가에 적합하며, 모래는 내부마찰에 의한 거동이 우세하므로 삼축시험이나 직접전단시험으로 전단특성을 평가해야 한다.
(추가 계산 예) 외삽을 통한 전단저항 예를 보인다. 두 점(12,5),(24,7)에서 기울기 tanφ=(7-5)/(24-12)=1/6임을 구한 뒤 σ=30일 때 τ = 7 + (30-24)×(1/6) = 8이 된다는 점을 보여준다.
점착력이 전혀없는 순수 모래에 대하여 직접 전단시험을 하였더니 수직응력이 4.94㎏/㎝2일때 2.85㎏/㎝2의 전단저항을 얻었다. 이 모래의 내부마찰각은?
정답 ③ · 문항은 점착력이 없는 모래에서 주어진 수직응력과 전단저항으로 내부마찰각을 구하라는 문제이다. 점착력 c=0이므로 τ = σ tanφ 이고, 주어진 값으로 tanφ = τ/σ = 2.85/4.94 ≈ 0.577 이다.
순수 모래의 점착력(c)은 0이므로 전단강도 공식 τ=σtanφ에서 내부마찰각 φ=sin⁻¹(τ/σ)로 구한다.
어떤 흙에 대해서 직접 전단시험을 한 결과 수직응력이 10㎏/㎝2일 때 전단저항이 5㎏/㎝2이었고, 또 수직응력이 20㎏/㎝2일 때에는 전단저항이 8㎏/㎝2이었다. 이 흙의 점착력은?
정답 ① · 문항은 두 경우의 수직응력과 전단저항값을 이용해 점착력(c)을 구하는 문제이다. 모어-쿨롱식 τ = c + σ tanφ에 각각 대입하면 두 식의 차를 통해 tanφ를 구할 수 있고, (8-5)= (20-10)tanφ → 3 = 10 tanφ → tanφ = 0.3이다.
모어-쿨롱 파괴기준 τ = c + σtanφ에 두 조건을 대입하여 연립방정식으로 점착력 c를 구한다.
다음은 흙의 강도에 관한 설명이다. 다음 설명 중 옳지 않은 것은?
정답 ② · 문항은 흙의 강도와 관련된 설명 중 틀린 것을 찾는 문제이다. 모래는 점토보다 내부마찰각이 크며 연약점토 현장시험으로 Vane 전단시험이 많이 이용되고 예민비의 정의도 제시된 것과 일치한다.
일축압축시험은 점토에 주로 사용되며, 모래는 내부마찰각이 커 일축시험으로 강도를 측정하기 어렵다.
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