개념 한 쪽
흙의 소성특성은 함수비에 따른 점성·소성 거동과 관련된 지표로서, 액성한계와 소성한계로 정의되는 소성지수와 시료의 3상 관계에서 도출되는 간극비 등이 핵심 개념이다. 시험 방식에 따라 불교란·교란 시료를 구별하여 적용한다.
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출제기준 단원 「흙의 소성특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 포화조건 간극비 계산 | 1 | 포화 상태에서 물의 부피를 공극부피로 보고 간극비를 계산하는 절차 |
| 함수비·단위중량으로 포화단위중량 유도 | 1 | 습윤 단위중량과 함수비 및 비중으로 간극비를 구하고 포화단위중량을 구하는 과정 |
| 삼상관계 기반 간극비 계산 | 1 | 젖은무게·건조무게·부피·비중을 이용해 고체부피와 공극부피를 도출하여 간극비를 구하는 계산 |
흙의 소성특성은 함수비 변화에 따라 흙이 액체상, 소성상, 고체상으로 나뉘는 거동을 설명한다. 액성한계와 소성한계는 각각 흙이 액상에서 소성 상태로, 소성에서 반고체 상태로 변하는 경계를 나타내며, 이들 차이를 소성지수(PI)라 한다. 소성지수는 PI = LL - PL로 정의되며, 값이 클수록 흙의 점성이 크고 함수비 변화에 민감한 특성을 보인다.
애터버그 한계시험과 같은 소성 특성 시험은 흙을 물과 섞어 반죽하는 과정을 거치므로 시료의 원래 구조가 파괴된 교란(흐트러진) 시료를 사용한다. 반대로 전단강도, 압밀, 투수시험 등 구조적 특성을 평가하는 시험은 불교란 시료가 필요하다.
흙의 간극비(e)는 공극부피를 고체부피로 나눈 값으로 삼상관계와 단위중량 식으로 상호 연관된다. 건조단위중량 γd, 입자비중 Gs, 그리고 물의 단위중량 γw(=1.0g/cm³)를 이용해 γd = Gsγw / (1+e) 관계로부터 간극비를 구할 수 있다. 포화 상태에서는 공극부피가 물의 부피와 같다는 점을 활용하여 간극비를 도출한다.
입도 분포와 관련된 지표로는 균등계수 Cu가 있으며 Cu = D60 / D10로 정의한다. D10은 유효입경으로 전체 중 10%가 통과하는 입경이고, D60은 60%가 통과하는 입경이다. 이들 기초 지표를 정확히 찾아 공식을 적용하는 것이 계산형 문제 해결의 핵심이다.
1) 소성지수 계산 예시 액성한계 LL = 35%, 소성한계 PL = 22%일 때 소성지수 PI = LL - PL = 35 - 22 = 13이다. 소성지수 공식만 바로 적용하면 답을 얻는다.
2) 간극비 계산 예시(습윤·건조 질량 주어진 경우) 부피 100cm³ 시료의 젖은 무게 180g, 건조 무게 140g, 입자비중 Gs = 2.65인 경우를 고려한다. 물 무게는 180 - 140 = 40g이므로 물 부피는 40cm³이다. 고체 부피 Vs = 건조 질량 ÷ Gs = 140 ÷ 2.65 ≈ 52.83cm³이다. 공극부피 Vv = 전체 부피 - Vs = 100 - 52.83 ≈ 47.17cm³이다. 간극비 e = Vv / Vs ≈ 47.17 / 52.83 ≈ 0.893이 된다.
흐트러지지 않은 100% 포화된 시료의 체적이 20.5㎝3이고 무게는 33.2g이었다. 이 시료를 노건조 시킨 후 무게는 22.6g이었다. 간극비는?
정답 ① · 100% 포화된 점토 등의 시료에서 간극비(e)를 구하기 위해 주어진 데이터를 정리하면 전체 체적(V)=20.5cm³ 이고 함수량은 전체무게(W)와 건조무게(Ws)의 차이로 33.2g - 22.6g = 10.6g (즉 물의 부피 Vw=10.6cm³)입니다. 100% 포화상태이므로 공극의 부피(Vv)와 물의 부피가 동일하여 Vv=10.6cm³ 입니다.
간극비는 공극부피÷입자부피로, 포화 상태에서 물부피가 공극부피와 같아 10.6÷9.9=1.07이다.
흙의 습윤 단위무게(γt) 1.30g/cm3 이며 함수비가 60.5% 인 흙의 비중이 2.70 일때 포화 단위 무게를 구하면?
정답 ② · 포화 단위무게(γsat)를 구하기 위해 먼저 간극비(e)를 구해야 합니다. 습윤단위무게 γt=γd(1+w)이고 건조단위무게 γd=γs/(1+e)이므로, γt=γs(1+w)/(1+e) 입니다.
간극비 e를 구한 후 γsat=(Gs+e)/(1+e) 공식을 적용하면 약 1.51g/cm³이다.
부피 100cm3의 시료가 있다. 적은 흙의 무게가 180g 인데 건조 후 무게를 측정하니 140g이었다. 이 흙의 간극비는? (단, 이 흙의 비중은 2.65이다.)
정답 ② · 흙의 간극비(e)는 흙 입자 사이의 공극 부피(Vv)를 흙 입자의 고체 부피(Vs)로 나눈 값입니다. 시료의 전체 부피는 100㎤, 건조 후 무게(Ws)는 140g이므로 물의 밀도를 1g/㎤로 볼 때 물의 부피(Vw)는 40㎤가 되고 공극 부피(Vv) 역시 40㎤임을 알 수 있습니다.
간극비 e는 공극부피 Vv를 고체부피 Vs로 나눈 값이며, Vs는 건조중량을 비중으로 나눈다.
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