개념 한 쪽
흙의 전단특성은 흙이 전단력을 받을 때 저항하는 능력을 의미하고, 전단강도는 점착력과 마찰력의 합으로 설명한다. 전단특성은 시험 방법과 배수·압밀 조건에 따라 결과 해석이 달라지므로, 시험 명칭과 조건을 정확히 구분해야 한다.
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출제기준 단원 「흙의 전단특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 모래 밀도와 전단거동 판별 | 1 | 조밀도에 따른 모래의 전단특성 옳지 않은 설명 고르기 |
| 전단강도 실험 분류 | 1 | 압밀시험과 전단강도 시험을 구분하여 실험 유형 선택하기 |
| 구속압밀 시험으로 마찰각 산정 | 1 | 구속응력·축차응력에서 내부마찰각을 계산하기 |
흙의 전단강도는 점착력(c)과 유효응력에 의한 마찰항으로 나뉘며, 일반적으로 τ = c + (σ - u) tanφ 공식을 적용하여 전단응력을 계산한다. 여기서 σ는 전체 수직응력, u는 간극수압, φ는 내부마찰각이다. 간극수압을 차감한 유효응력이 마찰항의 기초가 됨에 유의해야 한다.
삼축압축시험, 일축압축시험, 직접전단시험 등은 전단강도를 평가하는 주요 실험법이다. 시험 조건에 따라 압밀 여부(consolidated)와 배수 여부(drained/undrained)가 달라지며, UU, CU, CD 등 시험 약어는 각각 비압밀·비배수, 압밀·비배수, 압밀·배수 조건을 나타낸다. 이 조건들에 따라 간극수압 발생과 유효응력 경로가 달라지므로 해석 원리가 달라진다.
특히 UU(비압밀·비배수) 시험에서는 배수가 이루어지지 않아 과잉간극수압이 발생하고 유효응력이 변하지 않으므로 마찰각 φ는 0으로 간주되고 점착력 c만 의미 있는 값으로 나타난다. 반대로 배수 및 압밀이 허용되는 시험에서는 유효응력 변화에 따른 마찰항이 전단강도에 기여한다.
모래 등 비점성토의 경우 조밀도에 따라 전단거동이 달라진다. 조밀한 모래는 내부마찰각이 크고 전단 시 피크 강도를 보이며 전단변형에서 팽창(dilatancy)을 보인다. 반면 느슨한 모래는 팽창성이 작고 시간경과에 따른 강도 회복 현상이 조밀한 모래에 비해 다르다는 점을 구분해야 한다.
전단특성 관련 계산 문제는 공식을 단계별로 적용하는 것이 핵심이다. 유효응력 계산, 마찰각의 삼각함수 적용, 간극수압계수 A 등의 정의를 먼저 확인한 뒤 수치 대입을 통해 결과를 얻어야 한다.
예1) 유효응력 공식을 이용한 전단응력 계산 사례를 보인다. 전체 수직응력 σ=30kg/cm², 간극수압 u=8kg/cm², 내부마찰각 φ=30°, 점착력은 c를 0.5kg/cm²로 가정하면 유효응력은 30-8=22kg/cm²이고 tan30°≈0.577을 적용하면 마찰항은 22×0.577≈12.7kg/cm²가 된다. 여기에 c=0.5를 더하면 전단응력 τ≈13.2kg/cm²가 된다.
예2) UU 삼축시험의 특성 적용 사례를 보인다. UU 조건에서 첫 시험의 액압 σ3=1.0kg/cm², 파괴 시 주응력차 σ1-σ3=1.5kg/cm²였다면 주응력차는 시험 조건 변경(예: σ3 증가)에도 일정하므로 액압을 2.0kg/cm²로 높여도 파괴 시 필요한 주응력차는 여전히 1.5kg/cm²가 되어 같은 축차 압력이 파괴를 일으킨다고 판단한다.
모래의 밀도에 따라 일어나는 전단특성에 대한 다음 설명 중 옳지 않는 것은?
정답 ① · 문항은 모래의 밀도 변화에 따른 전단거동 특성 중 옳지 않은 설명을 묻고 있다. 조밀한 모래는 전단 시 내부마찰각이 크고 전단응력-변위 곡선에서 피크강도를 보이며 전단변형 중에 부피팽창(dilatancy)을 나타내므로 보기의 2, 3, 4는 올바른 설명이다.
조밀한 모래는 재성형 시 강도가 감소하지만 시간이 지남에 따라 강도가 회복되는 현상(시간경과강도)이 발생하지 않으므로 ①번이 옳지 않습니다.
다음 중 흙의 강도를 구하는 실험이 아닌 것은?
정답 ① · 문제는 흙의 강도를 구하는 실험이 아닌 것을 고르는 것이다. 직접전단시험, 일축압축시험, 삼축압축시험은 모두 흙의 전단강도 또는 강도 특성을 구하기 위한 시험이다.
압밀시험은 압밀특성을 구하는 실험이며, 흙의 전단강도를 구하는 실험이 아니다.
정규압밀점토에 대하여 구속응력 1kg/cm²로 압밀배수 시험한 결과 파괴시 축차응력이 2kg/cm²이었다. 이 흙의 내부마찰각은?
정답 ③ · 문항은 정규압밀 점토의 삼축압축시험 결과로부터 내부마찰각을 구하는 문제이다. 포화 상태에서의 관계식 sinφ = (σ1−σ3)/(σ1+σ3)를 이용하고 주어진 축차응력에서 σ3(구속응력)=1kg/cm², 축차응력(파괴시)=2kg/cm²이므로 σ1 = σ3 + 축차응력 = 1 + 2 = 3kg/cm²이다.
포화 점토의 파괴 조건에서 내부마찰각 φ는 'sinφ = (σ1-σ3)/(σ1+σ3)'로 구할 수 있다.
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