개념 한 쪽
흙의 주요 물성은 입도분포, 함수비, 간극률 등으로 정의되며 이들 간의 관계를 이해하면 단위중량 계산과 분류 문제를 해결할 수 있다. 현장 측정법과 기본 공식 적용으로 물성값을 도출하는 문제들이 자주 출제된다고 본다.
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출제기준 단원 「흙의 구성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 표준사 치환법 단위중량 계산 | 1 | 표준사 무게와 단위중량으로 구멍 부피 및 습윤단위중량을 계산하는 방법을 묻는다 |
| 입도분포 특성 판별 | 1 | 입도 분포가 좁은 상태의 물리적 특성과 투수성·다짐성의 관계를 묻는다 |
| 함수비 변화에 따른 물량 계산 | 1 | 전체중량과 함수비로 흙 입자 무게를 구하고 추가할 물의 양을 산출하는 절차를 묻는다 |
습윤단위중량은 현장에서 굴착한 흙의 무게를 그 굴착구멍의 체적으로 나눈 값으로 정의한다. 표준사 치환법처럼 구멍에 채운 표준사의 무게와 표준사의 단위중량으로 구멍의 체적을 구한 다음 흙의 무게를 그 체적으로 나누어 습윤단위중량을 산출한다. 예시 재료에서는 표준사 1037g과 단위중량 1.45g/cm³로 구멍 부피를 계산하고, 굴착 흙 1230g을 그 부피로 나누어 약 1.72g/cm³를 얻는 절차를 보인다.
함수비(w)는 흙 속 물의 무게를 건조 흙의 무게로 나눈 비율로 정의한다. 전체 중량 W는 건조중량 Ws에 물 무게를 더한 값이므로 W = Ws(1 + w) 관계를 이용하여 건조중량을 구하거나, 함수비 변화에 따른 추가 물의 양을 계산한다. 예시에서는 함수비 18%의 흙 500kg에서 흙 입자 무게를 먼저 구한 뒤 함수비 차이 6%를 곱하여 약 25.4kg의 물을 추가하는 방법을 제시한다.
간극비(e)와 간극률(n)은 서로 변환 가능한 관계에 있으며 n = e / (1 + e) 공식을 사용한다. 예시에서는 e = 0.25를 대입하여 간극률이 0.20(20%)가 됨을 보인다. 또한 건조단위중량 γd와 비중 Gs, 물의 단위중량 γw를 이용한 간극률 산출식 n = 1 - (γd / (Gs·γw))를 통해 수치 추정이 가능함을 설명한다. 재료의 계산 예에서는 γd=1.65g/cm³, Gs=2.73을 대입하면 n≈39.6% 수준이 됨을 제시한다.
입도분포가 좁은 분포, 즉 입자 크기가 거의 비슷한 상태는 간극비가 커서 다짐이 잘 이루어지지 않으며 투수성이 상대적으로 큰 특성을 보인다. 통일분류법(USCS)에서는 #200체 통과율 50% 기준으로 조립토와 세립토를 구분하고, 세립토의 고압축성 기준으로 액성한계(LL) 50%를 사용한다고 설명한다.
대표 계산 1 — 표준사 치환법으로 습윤단위중량 구하기: 굴착한 흙 무게 1230g, 표준사 무게 1037g, 표준사 단위중량 1.45g/cm³이 주어지면 구멍 부피는 1037 ÷ 1.45 ≈ 715.17cm³이다. 습윤단위중량은 1230 ÷ 715.17 ≈ 1.72g/cm³가 된다.
대표 계산 2 — 함수비 변화에 따른 추가 물의 양: 함수비 18%의 흙 전체 중량 500kg이 주어지면 건조 흙 무게 Ws = 500 ÷ 1.18 ≈ 423.73kg이다. 함수비를 24%로 올리기 위해 필요한 추가 물은 Ws × (0.24 - 0.18) ≈ 423.73 × 0.06 ≈ 25.42kg이다.
흙의 입도분석 결과 입경가적 곡선이 입경의 좁은 범위내에 대부분이 몰려있는 입경분포가 나쁜 빈입도(poor grading)일때 다음중 옳지 않은 것은?
정답 ④ · 빈입도(poor grading)는 입경이 한쪽으로 치우쳐 있는 흙으로, 입자가 균일하여 균등계수(Cu)가 작습니다. 입자 크기가 비슷하므로 입자 사이의 공극을 메울 작은 입자가 부족하여 공극비가 크고, 다짐 시에도 밀도를 높이기 어렵습니다.
빈입도 흙은 입자가 균일하여 투수성이 좋으므로 투수계수가 낮다는 ④번 설명이 옳지 않다.
현장에서 습윤단위중량을 측정하기 위해 표면을 평활하게 한 후 시료를 굴착하여 무게를 측정하니 1230g이었다. 이 구멍의 부피를 측정하기 위해 표준사로 채우는데 1037g이 필요하였다. 표준사의 단위중량이 1.45g/cm3이면 이 현장 흙의 습윤단위중량은?
정답 ① · 현장 밀도 시험인 모래 치환법에서 습윤단위중량은 굴착한 흙의 무게를 구멍의 부피로 나누어 구합니다. 흙 무게는 1230g이며, 구멍의 부피는 표준사 무게를 표준사의 단위중량으로 나누어 1037g ÷ 1.45g/cm³ ≈ 715.17cm³입니다.
구멍 부피=사중량/단위중량으로 계산 후 흙중량/부피로 습윤단위중량을 구한다.
흙의 입도분석 결과 입경가적 곡선이 입경의 좁은 범위 내에 대부분이 몰려있는 입도분포가 나쁜 빈입도(poor grading)일 때 다음 중 옳지 않은 설명은?
정답 ④ · 입도분포가 나쁜 빈입도(poorly graded) 흙은 특정 입경의 입자들만 좁은 범위에 집중적으로 분포하고 있습니다. 이러한 흙은 입자 크기의 편차가 적어 입자 사이의 빈 공간을 효과적으로 채우지 못하므로 간극비가 커지고 조밀하게 다짐을 시행하기 매우 어렵습니다.
빈입도 흙은 입도 편차 작아 간극비 크고 다짐 어려우며 투수계수는 상대적으로 크다.
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